ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
MỤC LỤC
trang
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 3
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 3
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU 4
III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC 6
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 8
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN
PHẨM ĐÁY
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HP
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ
THUYẾT
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
12
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP
CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT-
THIẾT BỊ PHỤ 27Ï
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ
III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU
CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 45
I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ
II . KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
SVTH:NGUYỄN BÁ DUY
1

nhau ở cùng áp suất), 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. Khác với cô đặc,
chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là
quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi.Đối với hệ acid axetic - nước sản phẩm
đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít acid axetic , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm
acid axetic và một ít nước.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
• Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt
độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi
của các cấu tử.
• Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục.
* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đïc sử dụng trong các
trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ

sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ 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 hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bò hoạt động liên tục) là quá trình
được thực hiện liên tục, nghòch dòng, nhều đoạn.
• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước:
thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .
Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
2 . Thiết bò chưng cất:
Trong sản xuất thường sử dụng nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu
cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này phụ thuộc vào độ
phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia .Có nhiều loại tháp chưng cất.Ở đây ta

kém
Trở lực khá cao.
Yêu cầu lắp đặt khắt khe ->
lắp đóa thật phẳng.
Cấu tạo phức tạp.
Không làm việc với
chất lỏng bẩn
Trở lực lớn
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và tháp
mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động
liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước.
1 . Acid acetic:
Axit acetic là chất lỏng không màu , có mùi thơm đặc trưng , vò chua . Khối
lượng riêng của axit acetic ở 20
o
C là 1,0498 kg/cm
3
,nhiệt độ sôi ở áp suất thường
là 118
o
C , tan vô hạn trong nước.Dung dòch axít acetic 2-15% được dùng làm giấm.
Nhân dân ta thường làm giấm ăn bằng cách lên men nước mía, nước mật, chuối
chín … Các chất đường trong mía, chuối lên men thành rượu rồi thành giấm. Điều
kiện thuận lợi cho sự lên men giấm là nhiệt độ từ 25 đến 50
o
C và men giấm phải
được tiếp xúc với không khí.

0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4
t(
o
C) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:
* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 . Bồn chứa nguyên liệu.
2 . Bơm.
3 . Bồn cao vò.
4 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bò trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bò gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.
10 . p kế.
11 . Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
15 . Bộ phận phân dòng.
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp acid acetic – nước nhiệt độ khoảng 28
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1)
được bơm (2) bơm lên bồn cao vò (3). Từ đó được đưa đến thiết bò trao đổi nhiệt (5)
( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi
trong thiết bò gia nhiệt(6)ù, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đóa nhập liệu.

1
/(x
1
*M
1
+(1-x
1
)*M
2
)=0.92*18/(0.92*18+0.08*60)=0.775
1/
antb
xx
ρρρ
/)1(/
−+=
=0.775/995.6 +(1-0.775)/1039.6,
tb
ρ
=1005.17kg/m
3
)
G
F
=Q
F
*
tb
ρ
=5*1005.17=5025.86(kg/h).

C .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu :
+ G
F
, F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
D
, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
W
,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ x
i
,
i
x
: phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY :
• Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F = D + W (II.1)
• Cân bằng cấu tử : F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W
(II.2)
Với : Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M

DD
xx
−+
=18.21 (Kg/Kmol).
Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có :
D =175.47 (Kmol/h)
W = 59.819 (Kmol/h)
SVTH:NGUYỄN BÁ DUY
8
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HP :
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết
là vô cực .Do đó ,chi phí cố đònh là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu
,nước và bơm…) là tối thiểu .
R
min
=
x
y
y
x
F
F
F
D
−
−
*
*

995,0
.
19,2
9,2
+
+
+
x
=0,7436.x + 0.2551
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x
R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1
+
−
+
+
+
=
7.0.

tb
lt
tt
η
N
N
=
(st2/170)
trong đó: η
tb
: hiệu suất trung bình của đóa, là một hàm số của độ bay hơi tương
đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,µ).
N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.
• Xác đònh hiệu suất trung bình của tháp η
tb
:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
x
x1
y1
y
*
*
−
−

92.0
92.01
.
945.01
945.0
x
x1
y1
y
α
F
F
*
*
F
−
−
=
−
−
=
F
F
= 1.494
+ t
F
= 100.52
o
C , µ
a

x
W
= 0.7 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
W
= 0.795
t
W
= 102.1
o
C
+
7.0
7.01
.
795.01
795.0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=

W
. µ
W
= 1.662*0.443 = 0.736
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
W
= 0.53
*Tại vò trí mâm đỉnh :
x
D
= 0.995 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
D
= 0.997
t
D
= 100.22
o
C
+
995.0
995.01
.
997.01
997.0
x
x1
y1
y
α

µ
D
=0.443.10
-3
(N.s/m
2
) =0,443 (cP)
Suy ra : α
D
. µ
D
= 1.67*0.443 = 0.74
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
D
= 0.53
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
η
tb
=
537.0
3
55.053.053.0
3
=
++
=
++
DWF
ηηη
• Số mâm thực tế của tháp N

ρ
==
(m)(t2 tr181)
V
tb
:lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h).
ω
tb
:tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường
kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .
1. Đường kính đoạn cất :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
gg
g
d
tb
+
=
(Kg/h)
g
d
: lượng hơi ra khỏi đóa trên cùng của tháp (Kg/h).

dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg
..
...
11
1111
11
(III.1)
Với : G
1
: lượng lỏng ở đóa thứ nhất của đoạn cất .
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1
: t
1
= t
F
= 100.52
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r

= 24195.24(KJ/kmol) .
Suy ra : r
d
= r
Nd
.y
D
+ (1-y
D
).r
ad
=40512.96*0.997 + (1- 0.997)*24195.24
= 40464 (KJ/kmol)
* x
1
= x
F
= 0.92
Giải hệ (III.1) , ta được : G
1
= 525.316 (Kmol/h)
y
1
= 0.939 (phân mol ) _ M
1
=20.1
g
1
= 700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)
Vậy : g

[ ]
( )
273.4,22
273.60.118.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy
+
=
2
997.0939.0
+
=0.968
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
=
2
DF

13
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Suy ra :
60).1(.18
.18
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
t
tb
= 100.37
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
ρ
a
=958kg/m
3
ρ
n=958 kg/m
3
1/
antb

=2.181 (m).
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
(Kg/h)
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
• Xác đònh g’
n
: g’
n
= g
1
=700.786 (Kmol/h) = 14085.799(Kg/h)
• Xác đònh g’
1
: Từ hệ phương trình :

r’
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0.7 tra đồ thò cân bằng của hệ ta có : y
W
=0.795
Suy ra :M
tbg’
=18.y
W
+(1-y
W
).60=26.61 (Kg/kmol)
t’
1
= t
W
= 102.1
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r’
N1
= 40512.96 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của rượu : r’
R1
=24195.24 (KJ/kmol) .

=0.788_ M
tbG’
=26.9
G
’
1
=804.91 (Kmol/h)
SVTH:NGUYỄN BÁ DUY
14
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
g’
1
= 745.09 (Kmol/h) = 20042.921(Kg/h)
Vậy : g’
tb
=
2
799.14085921.20042
+
=17064.36 (Kg/h)
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền :
ytb
xtb
gh
'
'
.05,0'
ρ
ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y’
tb
=
2
1 W
yy
+
=
2
795.0939.0
+
=0.867
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng :t’
tb
=
2
WF
tt
+
=
2
1.10252.100
+
=101.31
o
C
Suy ra : ρ’
ytb
=0.768 (Kg/m

t’
tb
= 101.31
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
Khối lượng riêng của nước : ρ’
N
= 958(Kg/m
3
)
Khối lượng riêng của rượu : ρ’
a
= 958(Kg/m
3
)
Suy ra :ρ’
xtb
=
1
'
'1
'
'
−







=
413.1*768.0
36.17064
.0188,0
=2.36 (m).
Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau quá
lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : D
t
= 2.2(m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+ Phần cất : ω
lv
=
==
631.0.2.2
01.13245.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
ytbt
tb
D
g
ρ
1.533(m/s).
SVTH:NGUYỄN BÁ DUY
15

N =
lo
mâm
S
%.10 S
=
2
2
008,0
2.2
.1.0.1.0






=








l
t
d
D

o
L
G
o
o
k
C
u
g
C
v
h
ρ
ρ
ρ
ρ
..0,51
..2
.
2
2
2
2








: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
).
+ C
o
:hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm và tỷ
số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Ta có :
mâm
S
S
lo
∑
=0.1và
lo
mâm
d
δ
=0,6 .Tra tài liệu tham khảo [1 – trang 111] : C
o
=
0,7
• Đối với mâm ở phần cất :
SVTH:NGUYỄN BÁ DUY
16
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u
o
=
1.0








=
k
h
=16.11(mm.chất lỏng).
• Đối với mâm ở phần chưng :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’
o
=
1.0
623.1
%10
'
=
lv
ω
=16.23 (m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi : ρ’
G
= ρ’
ytb
= 0.768 (Kg/m
3
).

lỏng trên mâm h
l
là từ chiều cao gờ chảy tràn h
w
, chiều cao tính toán của lớp chất
lỏng trên gờ chảy tràn h
ow
và hệ số hiệu chỉnh theo kinh nghiệm β :
h
l
= β.( h
w
+ h
ow
) , (mm.chất lỏng)
Chọn : + Hệ số hiệu chỉnh : β = 0,6
+ Chiều cao gờ chảy tràn : h
w
= 50 (mm)
Chiều cao tính toán của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương
trình Francis với gờ chảy tràn phẳng :
3
2
.4.43







o
o
n
n
Với : n
o
:góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn L
w
.
Dùng phương pháp lặp ta được : n
o
= 93
o
12’22”
Suy ra : L
w
= D
t
. sin(n
o
/2) = 1.6 (m).
• Xác đònh q
L
:
Phần cất :
958.60
785.19.47.175.9.2
.60
..
==

= 9.926 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là:
h
l
= 0.6.(50+9.926) = 35.956 (mm.chất lỏng).
Phần chưng :
958.60
98.25*153.774
'.60
).*
'
(
=
+
=
xtb
tb
F
D
L
MR
q
G
G
ρ
=0.336 (m
3
/ph).
Với:M
tb

σ
=
, (mm.chất lỏng)
Với : + σ : sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm).
+ ρ
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3
).
• Phần cất :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : ρ
L
= ρ
xtb
= 958 (Kg/m
3
).
* t
tb
= 100.37
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σ
N
= 58.9 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của acid : σ
a
= 19.8 (dyn/cm).
Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần cất :
aN

C ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σ’
N
= 58.9 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của acid : σ’
a
= 19.8 (dyn/cm).
Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng :
aN
aN
''
'.'
'
σσ
σσ
σ
+
=
= 14.819 (dyn/cm).
Vậy : Độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần chưng là :
008.0.958
10.849.14
.54.625'
3
−
=
R
h
= 1.212 (mm.chất lỏng).
Tóm lại : Độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở :

+ 13. h’
tl
= 37 . 500.71+13 .586.36 =26148.95 (N/m
2
).
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
Chọn khoảng cách giữa hai mâm là h
mâm
=0.4 (m).
Bỏ qua sự tạo bọt trong ống chảy chuyền, chiều cao mực chất lỏng trong ống
chảy chuyền của mâm xuyên lỗ được xác đònh theo biểu thức :
h
d
= h
w
+ h
ow
+ h
tl
+ h
d’
, (mm.chất lỏng)
Với : h
d’
: tổn thất thuỷ lực do dòng lỏng chảy từ ống chảy chuyền vào mâm,
được xác đònh theo biểu thức sau :
2
'
.100
.128.0

=2.76 (m
2
)
• Phần cất : Q
L
= 60.q
L
= 60 . 0.175 =10.5 (m
3
/h).
Suy ra :
2
'
76.2.100
5.10
.128.0






=
d
h
= 0.00018 (mm.chất lỏng).
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở
phần cất :
h
d



=
d
h
= 0.00068 (mm.chất lỏng).
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở
phần chưng :
h’
d
=50+15.333+62.392+0,00068 =127.726 (mm.chất lỏng).
Kiểm tra : h’
d
= 127.726 <
200
2
400
2
mâm
==
h
(mm) : đảm bảo khi hoạt động các
mâm ở phần chưng sẽ không bò ngập lụt.
Vậy : khi hoạt động đảm bảo tháp sẽ không bò ngập lụt.
Chiều cao của thân tháp :H
thân
=N
tt
.(h
mâm