MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Trường Đại học Bách Khoa
Khoa Công nghệ Hố học & Dầu khí
BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Quá Trình & Thiết Bị
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP
ACETONE – NƯỚC LOẠI THÁP ĐỆM NĂNG
SUẤT : 1500 (Kg/h)
GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi
SVTH : Võ Ngọc Tiệp
MSSV : 69902203
Lớp : HC99HL,
Ngành : Công Nghệ Hố Lý
Năm học 2002 – 2003
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi
CHƯƠNG1 : GIỚI THIỆU CHUNG
CHƯƠNG2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
1. Đồ thị cân bằng acetone- nước
2. Xác định chỉ số hồi lưu
a) Chỉ số hồi lưu tối thiểu
b) Chỉ số hối lưu thích hợp
II. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG:
1. Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất:
2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội
4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt
CHƯƠNG 3 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH

Và đối với hệ acetone – nước, do không có điểm đẳng phí nên có thể đạt được bất kỳ độ
tinh khiết theo yêu cầu nhờ quá trình chưng cất.
Nhiệm vụ thiết kế: tính tốn hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử :
acetone – nước với các số liệu sau đây:
Năng suất sản phẩm đỉnh : 1500 Kg/h
Nồng độ sản phẩm đỉnh : 95% theo khối lượng
Nồng độ nhập liệu : 30%
Aùp suất làm việc : áp suất thường.
CHƯƠNG 1 :GIỚI THIỆU CHUNG
1.Giới thiệu sơ bộ :
Acetone có công thức phân tử : CH
3
COCH
3
.Khối lượng phân tử bằng 58 đvC
Acetone là chất lỏng sôi 56.1
0
C, tan vô hạn trong nước, nó là dung môi cho nhiều
chất hữu cơ… Nó hồ tan tốt tơ axetat, nitrô xenluloz, nhựa phenol focmandehyt, chất
béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Acetone là nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh
hữu cơ.
Từ Acetone có thể tổng hợp xeten, sumfonal (thuốc ngủ), các halofom….
Tính chất hố học :
Cộng hợp với natri bisunfit:
1
OH
CH
3
COCH
3

Phản ứng ngưng tụ :

1
OH

11
O
CH
3
-CO-CH
3
+ HCH
2
C=O → CH
3
-C-CH
2
-C-CH
3

3
1
HC

3
1
HC
( 4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon)
Acetone khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO
3đđ

3
CHOH-CH
3

Điều chế :
Oxy hóa rượu bậc hai:
CH
3
CHOH-CH
3
→ CH
3
COCH
3
+ H
2
O
Theo phương pháp Piria : nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic:
(CH
3
COO)
2
Ca → CH
3
COCH
3
+ CaCO
3
Từ dẫn xuất cơ magie:


CH
3
-C-CH
311
O

2. Công nghệ chưng cất hỗn hợp Acetone –Nước :
Ta có Acetone là một chất lỏng tan vô hạn trong nước và nhiệt độ sôi của
Acetone ( 56.1 0C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 0C ở 760 mmHg) : là khá cách xa nhau
nên phương pháp hiệu quả nhất để thu được Acetone tinh khiết là chưng cất phân đoạn
dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
Chọn loại tháp chưng cất và phương pháp chưng cất :
Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt
dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), bằng cách lặp đi lặp
lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi
hoặc ngược lại.
Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện :
Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ):
Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau :
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 4- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi
Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau .
Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao .
Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi .
Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử .
Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục):
là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.

và trao đổi nhiệt giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng
xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì đã bị nồi đun lôi cuốn các cấu tử.
Nhiệt độ càng lên trên càng thấp , nên khi hơi đi từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi
cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử
Aceton chiếm nhiều nhất ( 95% theo phần mol ). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ(14 ).
Một phần lỏng ngưng được hồi lưu về tháp, một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bị
làm nguội sản phẩm đỉnh (17 ). Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn
lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đày tháp ta
thu được hổn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có
nồng độ Aceton là 3% theo phần mol, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy tháp được
đun tại nồi đun (12 ) ,bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại
trao đổi nhiệt với nhâïp liệu.
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Aceton, sản phẩm đáy sau khi
trao đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ.
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 5- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi
Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước:
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 6- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi
CHƯƠNG 2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. Cân bằng vật chất:
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 7- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi
Số liệu ban đầu: Năng suất 1500kg/h
Nồng độ dung dịch đầu: x
F
= 30% mol
Nồng độ đỉnh: x
D
= 95% mol

+ W x
W
(2)
Tính khối lượng trung bình:
M
tbF
=x
F
M
1
+ (1-x
F
) M
2
=0,3x58+(1-0,3)18=30kg/kmol
M
tbD
=x
D
M
1
+ (1-x
D
) M
2
=0,95x58+(1-0,95)18=56kg/kmol
M
tbW
=x
W


=
=
h/kmol485,64W
h/kmol27,91F

hay





_
_
W
F
)h/Kg(12.1238
)h/Kg(13.2738
=
=
1. Đồ thị cân bằng acetone- nước:
Thành phần cân bằng lỏng (x)- hơi (y) tính bằng phần % mol và nhiệt độ sôi của
hỗn hợp 2 cấu tử ở 760 mmHgVẽ đồ thị y-x:
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 8- MSSV:69902203
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 60,3 72 80,3 82,7 84,2 85,5 86,9 88,2 90,4 94,3 100
t 100 77,9 69,6 64,5 62,6 61,6 60,7 59,8 59 58,2 57,5 56,9

m
D
0,65
→
R
m
= 0,462
b) Chỉ số hồi lưu thích hợp:
Cho các giá trị Rx
i
> Rx
min
để tìm các giá trị tung độ Bi tương ứng và vẽ các
đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị Bi đó :
Bi =
1Rx
x
i
D
+
Tìm các điểm a ( y= x= x
D
), b( y= x= x
W
) và đường x = x
F
( song song với trục
tung ). Cứ mỗi giá trị Bi ta vẽ được đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn
chưng .
Như vậy ứng với mỗi giá trị R

tỉ lệ thuận với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, như vậy tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi
lưu .
Tức là f ∼ ( R
x
+ 1 ) * GD
Trong một điều kiện làm việc nhất định thì G
D
là không đổi,
nên f ∼ ( R
x
+ 1).
Còn chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối H ∼ m
x
, nên cuối cùng ta có
thể viết V = f*H ∼ m
x
( R
x
+ 1)
Từ đó ta sẽ lập được sự phụ thuộc giữa R
x
_ m
x
* ( R
x
+ 1 ) . Mối quan hệ này sẽ
cho ta tìm được một giá trị Rx mà thể tích của thiết bị chưng cất ứng với nó là tối ưu
R
xth
.

−
x
W
f =
D
F
=
786.26
271.91
⇒y= 2.267x -0.038
II. Cân bằng năng lượng:
1. Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất:
Phương trình cân bằng năng lượng :
Q
F
+Q
D2
+Q
R
=Q
y
+Q
W
+Q
Xq2
+Q
Ng2
• Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào Q
F
(J/h)

Acetone
= 2313.125(J/Kg.độ)
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 11- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi
C
F
=
_
X
F
x C
Acetone
+ (1 -
_
X
F
) x C
Nước

= 0.58 x 2313.125 + (1 – 0.58) x 4188.265
= 3100.684 (J/Kg.độ)
⇒ Q
F
= 2738.13 x 3100.684 x 62.5 = 0.53 x 10
9
(J/h)
= 147.395(kW)
• Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp Q
D2
(J/h)

Q
R
= Q
R
x C
R
x t
R
Trong đó:
C
R
= C
D
: Nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh
t
D
O
= 57.5
O
C  C
Aceton
= 2296.875 (J/Kg.độ)
C
Nước
= 4188.125 (J/Kg.độ)
C
D
= C
R
=

y
:
Q
y
=
_
D
(1 +R) x λ
D
Trong đó:
λ
D

: Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp
λ
D
= λ
Acetone
x
_
y
D
+ λ
Nước
x (1 -
_
y
D
)


Nước
= 2426.77 (kJ/Kg)
⇒ λ
Nước
= 2667.59 x 10
3
(J/Kg)
λ
Acetone
= 655.42 x 10
3
(J/Kg)
⇒ λ
D
= 687.614 (kJ/Kg)
⇒ Q
y
= 1.96 x 10
9
(J/h) = 544.361 (kW)
• Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q
W
:
Trong đó :
_
W
= 1238.12 (Kg/h) ,
_
x
W

Xq2
= Q
y
+ Q
W
– Q
F
- Q
R
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 12- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi
⇒ D
2
=
r
x95.0
QQQQ
2
RFwy
−−+
= 797.57 (Kg/h)
2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:
Ngưng tụ hồn tồn :
_
D
(1 +R) x r
D
= G
nl
x C

+
= 33.5
O
C ⇒ r
Acetone
= 521.46 (kJ/Kg)
r
Nước
= 2425.60 (kJ/Kg)
⇒ r
D
=
_
x
D
x r
Acetone
+ (1 -
_
x
D
) x C
Nước

= 551.93 x 10
3
(J/Kg)
Suất lượng nước cần tiêu tốn:
⇒ G
nl

1
’-t
2
’)) = G
n3
x C
n
x (t
2
-t
1
)
t
1
’= 57.5
O
C  Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh.
t
2
’= 30
O
C  Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh.
t
1
= 27
O
C  Nhiệt độ vào của nước làm lạnh.
t
2
= 40

=
=
)do.Kg/J(563168
r
)do.Kg/J(2283
C
D
D
Lượng nước cần dùng :
G
n3
=
)(
))''((
12
21
_
ttC
ttC
r
x
xD
n
D
D
−
−+
= 17292.684(Kg/h)
4. Cân bằng năng lượng cho thiết bị gia nhiệt (tận dụng nhiệt sản phẩm đáy):
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 13- MSSV:69902203

.CG
'Q
0
FF
w
=+=+
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 14- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thị Ngọc Tươi

CHƯƠNG 3 : TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH
I. Đường kính tháp:
Đường kính tháp được xác định theo công thức: D=
tb
tb
V
ω
.3600.
.4
Π
Trong đó: V
tb
lượng hơi trung bình đi trong tháp(m
3
/h)

ω
tb
tốc độ hơi trung bình đi trong tháp(m/s)
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi
đoạn nên ta phải tính đường kính trung bình riêng cho từng đoạn: chưng và cất.

’
x
=59
0
C
y
’
m
=0.796
→
t
’
y
=65
0
C
Khối lượng mol trung bình, khối lượng riêng của pha hơi:
M
’
m
=y
’
m
.M
a
+(1-y
’
m
).M
n

phần khối lượng
t
’
x
=59
0
C
→






=ρ
=ρ
3
'
n
3
'
a
m/kg45.983
m/kg1.747
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất:
g
tb
=
2
1

+G
D
=G
1
+1500
Lượng hơi g
1
, hàm lượng y
1,
lượng lỏng G
1
được xác định theo:
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 15- MSSV:69902203