1

mục lục
Phần mở đầu 2
Vẽ và thuyết minh dây chuyền 2
Tính toán thiết bị chính 6
I.Tính cân bằng vật liệu 6
II.Đờng kính tháp 8
III.Số đĩa thực tế và chiều cao tháp 14
IV. Tính toán cơ khí 21
V. Trở lực 36
Cân bằng nhiệt 41
I. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 41
II.Tháp chng luyên 42
III. Thiết bị ngng tụ 45
IV.Thiết bị làm lạnh 45
Tính và chọn thiết bị phụ 46
I. Tính và chon thiết bị gi nhiệt 47
II.Tính bơm 43
Kết lụân 62
Tài liệu tham khảo 63
Phụ lục 64


độ sôi của dung dịch giảm. Tóm lại, theo chiều cao tháp nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cả pha
lỏng và pha hơi) tăng dần, nồng độ cấu tử khó bay hơi (cả pha lỏng và pha hơi) giảm dần, và
nhiệt độ giảm dần. Cuối cùng, ở đỉnh tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là
cấu tử dễ bay hơi còn ở đáy tháp ta sẽ thu đợc hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi
chiếm tỷ lệ lớn. Để duy trì pha lỏng trong các đĩa trong đoạn luyện, ta bổ xung bằng dòng hồi
lu đợc ngng tụ từ hơi đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp đợc ngng tụ nhờ thiết bị ngng tụ hoàn
toàn 6, dung dịch lỏng thu đợc sau khi ngng tụ một phần đợc dẫn hồi lu trở lại đĩa luyện
trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa đoạn luyện, phần còn lại đợc đa qua thiết bị làm
lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8. Chất lỏng ở đáy tháp đợc tháo ra ở đáy tháp, sau
đó một phần đợc đun sôi bằng thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lu về đĩa đáy tháp, phần
chất lỏng còn lại đa vào bể chứa sản phẩm đáy 10. Nớc ngng của các thiết bị gia nhiệt đợc
tháo qua thiết bị tháo nớc ngng 11.
Nh vậy, thiết bị làm việc liên tục (hỗn hợp đầu đa vào liên tục và sản phẩm cũng đợc

lấy ra liên tục).
3
II. Sơ đồ dây chuyền :

Hơi đốt
Nớc ngng
1
2
3
4
5
10
6

đỉnh tháp.
- Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.

- Yêu cầu thiết bị :
F : Năng suất thiết bị tính theo lợng hỗn hợp đầu = 7500 = 2,083(kg/s).
Thiết bị làm việc ở áp suất thờng, P = 1 at
Tháp loại : Tháp chóp

- Điều kiện :

F
a
: Nồng độ axeton trong hỗn hợp đầu = 0,34% khối lợng.

P
a
: Nồng độ axeton trong sản phẩm đỉnh = 0,95% khối lợng.

W
a
: Nồng độ axeton trong sản phẩm đáy = 0,03 % khối lợng.

1
M
: Khối lợng phân tử của axeton = 58 kg/kmol.

2
M
: Khối lợng phân tử của H
2

FP
aa
aaF
W

Lợng sản phẩm đỉnh là :
P = F W = 06667 0,458 = 0,2087 (kg/s)

Tính lợng hỗn hợp đầu F, lợng sản phẩm đỉnh P, lợng sản phẩm đáy W theo kmol/s :

)/( 0302,06667,0.
18
7,0
46
30,0
.
1
'
21
skmolF
M
a
M
a
F
FF
=




a
P
PP

=






+=









+=)/( 0253,010.889,40302,0'''
3
skmolPFW ===

=
+
=
+
=
MaMa
Ma
x
PP
P
P3
21
1
10.569,1
18/9846/4,0
46/4,0
/)100(/
/

=
+
=
+
=
MaMa
Ma
x

=
FF
FP
xy
yx
Rb/ Chỉ số hồi lu thích hợp :
Cho R biến thiên (R >R
min
), với mỗi giá trị của R ta xác định đợc số đĩa lý thuyết tơng
ứng :

1,2 1,25 1,5 1,75 2,0 2,25 2,5
R 5,3832 5,6075 6,729 7,8505 8,972 10,0935 11,215
N 28 27 23 22 21 20 19
N(R+1) 178,7296 178,4025 177,764 194,711 209,412 221,87 232,685
Hệ số hiệu chỉnh :
min
R
R
=

Từ bảng số liệu, ta xây dựng đồ thị biểu diễn mối quan hệ R N(R+1).
Dựa vào đồ thị , ta xác định đợc R
th
= 6,729
c/ Phơng trình đờng nồng độ làm việc :
- Đờng nồng độ làm việc đoạn chng :

+
=
+


+
+
= xx
R
f
x
R
fR
y
W

001051,06698,1 = xy

- Đờng nồng độ làm việc đoạn luyện :
Phơng trình :
1729,6
8814,0
1729,6
729,6
11 +
+
+
=
+
+

-3
(kmol/s).
R : Hệ số hồi lu thích hợp = 6,729
G
R
: Lợng hồi lu = G
P
. R (kmol/s)
Lợng hơi ra khỏi đỉnh tháp g
đ
:
g
đ
= G
R
+ G
P
= G
P
. (R + 1) = 4,889.10
-3
. (6,729+ 1) = 0,0952 (kmol/h)
8
Lợng hơi đi vào đoạn luyện g
1
, nồng độ hơi y
1

P
x
P
(2)
Phơng trình cân bằng nhiệt lợng :
g
1
r
1
= g
đ
r
đ
(3)
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa luyện thứ nhất (kcal/kmol)
r
đ
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp (kcal/kmol)
Gọi :
r
A
: ẩn nhiệt hóa hơi của Etylic
r
B
: ẩn nhiệt hoá hơi của H
2
O.
Từ đồ thị (t,x,y) ta có :

B
(1 - y
đ
) = 9108 . 0,8814 + 9126 .(1- 0,8814)
= 9110,1348 (kcal/kmol)
- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu (x = x
F
= 0,1436): t
F
= 84,6028C
Nội suy theo bảng r t
o
(I-301) với t
o
= 84,6028C :



===
===

)(kcal/kmol 8028)(kcal/kmol446.M (kcal/kg) 446 r
)(kcal/kmol 8878)(kcal/kmol193.M (kcal/kg) 193 r
BB
AA
r
l
=
r
A

=
=

1776,0
(kmol/s) 106,0
(kmol/s) 1011,0
1
1
1
y
g
G

Lợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :
(kmol/s) 1006,0
2
106,00952,0
2
1
=
+
=
+
=
gg
g
d
tbL

Lợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện :

, lợng lỏng
'
1
G
đối với đĩa thứ nhất
của đoạn chng, nồng độ lỏng
,
1
x
, lợng hơi ra khỏi đoạn chng chính là lợng hơi đi
vào đoạn luyện g
1
:
Ta có
*
W
,
1
yy =
là nồng độ cân bằng ứng với x
W
, nội suy theo bảng số liệu đờng
cân bằng (II-145) :

001856,0
*,
1
==
W
yy

rgrg =
(3)
r
l
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đoạn chng.
10
r
l
= r
A
. y
l
+ r
B
(1 y
l
) = 8878 . 0,1776 + 8028 . (1 0,1776)
= 8660,64 (kcal/kmol)
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa chng thứ nhất.
Từ bảng số liệu x t
o
sôi dd (II-145), nội suy ta có:
Nhiệt độ sôi hỗn hợp đáy (x = x
W
= 0,001569): t

= 9050,596 (kcal/kmol)
(kmol/s)1014,0
596,9050
64,8660
.106,0)'3(
'
1
1
1
'
1
===
r
r
gg

(kmol/s) 1267,00253,01014,0)'1(
'
1
'
1
=+=+=
W
GgG

Lợng hơi trung bình đi trong đoạn chng :
(kmol/s) 1037,0
2
1014,0106,0
2

2/ Vận tốc hơi đi trong tháp :
Tốc độ khí đi trong tháp chóp xác định theo:
(
Y

.
Y

)
tb
=0,065.

.
[
]

.
ytbxtb
h


(Kg/m
2
.s) [II.184]

xtb

: Khối lợng riêng trung bình pha lỏng (kg/ m
3
)

3
)
1xtb

: Khối lợng riêng trung bình cấu tử 1 (kg/ m
3
)
2xtb

: Khối lợng riêng trung bình cấu tử 2 (kg/ m
3
)
1tb
a
: Nồng độ khối lợng trung bình cấu tử 1 (kg/ kg)
- Đoạn luyện :
Nồng độ trung bình pha lỏng đoạn luyện :

5125,0
2
8814,01436,0
2
=
+
=
+
=
PF
tbL
xx

=
+
=
PF
tbL
aa
a


598,811
8376,974
625,01
5,737
625,0
1
1
1
21
=







+=




2
=
+
=
+
=
FW
tbC
xx
x

Nội suy với x
tbC
theo bảng số liệu nồng độ t
o
sôi dung dịch (II-145) :
Nhiệt độ trung bình đoạn chng : t
tbC
= 88,344C
Khối lợng riêng của Etylic và Nớc theo t = t
tbC
:
727
1
=
xC

(kg/m
3
)

1
1
1
21
=







+=









+=


xC
tbC
xC
tbC
xC

cLdL
tbL
yy
y

Khối lợng mol trung bình hơi đoạn luyện :
yL
M
= y
tbL
.M
1
+(1- y
tbL
).M
2
= 0,5295 . 46 + (1- 0,5295).18
= 32,826 (kg/kmol)
Khối lợng riêng trung bình pha hơi đoạn luyện :
1796,1
)9144,79273.(4,22
273 . 826,23
).(4,22
.
=
+
=
+
=
tbLO

2
=
+
=
+
=
cCdC
tbC
yy
y

Khối lợng mol trung bình hơi đoạn chng :

yC
M
= y
tbC
.M
1
+(1-y
tbC
).M
2
= 0,09808.46+(1 0,09808).18 =45,4624 (kg/kmol)
Khối lợng riêng trung bình pha hơi đoạn chng :
5333,1
)344,88273.(4,22
273 . 5,46244
).(4,22
.

2

= 62,933.10
-3
(N/m) = 62,933
cm
dyn
[I.361]
Sức căng bề mặt của Etylic:
1

= 17,88.10
-3
(N/m) = 17,88
cm
dyn

hh

= (
1
1

+
2
1

)
-1
= (

tbl
= 0,065.

.
[
]

.
ytblxtbl
h

(Kg/m
2
.s)
Thay số:
(
)
yy


.
tbl
= 0,065.0,8. 1336,1.598,811.45,0 = 1,3235(Kg/m
2
.s)
Tốc độ khí của hơi đoạn chng:

(
)
yy

14
3/ §−êng kÝnh th¸p : tbyy
tb
)w(ρ
g
D 0188,0=
(m) [II.181]
Trong ®ã :
g
tb
: L−îng h¬i trung b×nh ®i trong th¸p (kg/h)
- §o¹n luyÖn :
Khèi l−îng mol trung b×nh pha h¬i :
(kg/kmol) 826,32=
yL
M

L−u l−îng h¬i trung b×nh : g
tbL
= 0,1006 (kmol/s)
3600.1006,0.826,32 . ==⇒
yL
tbLtb
Mgg

(m) 78,1
3225,1
2641,11888
0188,00188,0 ===
LyL
tb
L
w
g
D
ρ

⇒ §−êng kÝnh ®o¹n ch−ng :

(m) 9,1
6341,1
0231,16972
0188,00188,0 ===
CyC
tb
C
w
g
D
ρ

15

(m
2
/s) [SCS.t12]
Trong đó :
A,B : Hệ số liên hợp của chất tan và dung môi : A= 2; B= 4,7
M
A
, M
B
: Khối lợng mol của Etylic và nớc (kg/kmol)
M
A
= 46(kg/kmol) ; M
B
= 18 (kg/kmol)

B
: Độ nhớt của dung môi ở 20
o
C (cP) :
H
2
0, 20
0
C
= 1 (cP)
v
A
, v
B

(m
2
/s)
Hệ số khuếch tán ở nhiệt độ xác định t:

[]
)20t(b1DD
20
x
t
x
+=
[SCS.t12]
Hệ số nhiệt độ :
3
2,0
b


=

16
: Độ nhớt của dung môi ở 20
o
C (cP) :
H
2


=+=
xC
D
(m
2
/s)
Hệ số khuếch tán trong pha lỏng đoạn luyện : t = t
tbL
= 79,9144C
[]
1010
10.479,4)209144,79(02,0110.0376,2

=+=
xL
D
(m
2
/s)

b/ Hệ số khuếch tán trong pha hơi:
Hệ số khuếch tán của khí trong khí

BA
23/1
B
3/1
A
5,14

3
/mol)
v
A
= 59,2 (cm
3
/mol) v
B
= 14,8 (cm
3
/mol)
P : áp suất tuyệt đối của hỗn hợp : P = P
0
= 1 (atm)
T : Nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp : T = 273 + t (
o
K)
Hệ số khuếch tán trong pha hơi đoạn chng : t = t
tbC
= 88,344C
5
23/13/1
5,14
10.0348,2
18
1
46
1
)8,142,59.(1
)344,88273.(10.0043,0

=+
+
+
=
yL
D
(m
2
/s)

2/ Hệ số cấp khối :
a/ Độ nhớt của hỗn hợp hơi :

1
2
2
1
1
hhhh
M).y1(M.y
.M










1
, M
2
: Trọng lợng phân tử của Etylic và Nớc :
M
1
= 46 (kg/kmol) M
2
= 18 (kg/kmol)

1
,
2
: Độ nhớt của Etylic và Nớc :
- Đoạn chng : t = t
tbC
= 88,324C theo bảng 1.102 I.134:

1
= 0,0117.10
-3
(Ns/m
2
)
2
= 0,3226.10
-3
(Ns/m
2
)








+=
hh

(Ns/m
2
)
Độ nhớt hỗn hợp hơi đoạn luyện là :
18
5
1
33
10.5063,1
10.3569,0
18).5295,01(
10.0113,0
46.5295,0
.826,32




tbL
= 0,5125

1
,
2
: Độ nhớt động lực của Etylic và Nớc :
- Đoạn chng : t = t
tbC
= 88,344C theo bảng và toán đồ (I-102):

1
= 0,37 (cP)
2
= 0,295 (cP)
- Đoạn luyện : t = t
tbL
= 79,9144C theo bảng và toán đồ (I-102):

1
= 0,435 (cP)
2
= 0,34 (cP)
Độ nhớt hỗn hợp lỏng đoạn chng :
lg(
hh
) = 0,0725 . lg(0,365.10
-3
) + (1- 0,091) . lg(0,298.10
-3

Re


=
[II.164]
Trong đó :
19
y
w
: Tốc độ hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s)
- Đoạn chng :
(m/s) 1,0168 w
C
=
=
y
w

- Đoạn luyện :
(m/s) 1,1698 w
L
=
=
y
w

h : Kích thớc dài, chấp nhận bằng 1m

10.1786,1
6341,1
Re ==

y

Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi đoạn luyện là :
5
5
10.8779,0
10.5036,1
3225,1
Re ==

yd/ Chuẩn số Prand đối với pha lỏng :

xx
x
x
D.
Pr


=
[II.165]
Trong đó :
x

2
).
⇒ ChuÈn sè Pran ®èi víi pha láng ®o¹n ch−ng lµ :
9,678
10.,8224 . 16,02079
10.9988,2
Pr
10
4
==
−
−
x

⇒ ChuÈn sè Pran ®èi víi pha láng ®o¹n luyÖn lµ :
19,1061
10.,4794 . 11,5988
10.8756,3
Pr
10
4
==
−
−
xe/ HÖ sè cÊp khèi trong pha h¬i :
Theo c«ng thøc tÝnh cho th¸p chãp:
)11000Re . 79,0(

yC
β
kmol
kmol
sm
kmol
2

⇒ HÖ sè cÊp khèi pha h¬i ®o¹n luyÖn lµ :
0704,0)110000,8779.10 . 79,0(
4,22
10.964,1
5
5
=+=
−
yL
β
kmol
kmol
.s.m
kmol
2

f/ HÖ sè cÊp khèi trong pha láng :
21
62,0

xL
= 811,598 (kg/m
3
)
x
D
: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m
2
/s)
x
M
: Khối lợng mol trung bình của lỏng (kg/kmol)
M
x
= x.M
A
+ (1-x).M
B

- Đoạn chng : x = x
tbC
= 0,0725
M
xC
= 0,0725.46 + (1- 0,0725).18 = 20,03 (kg/kmol)
- Đoạn luyện : x = x
tbL
= 0,5125
M
xL

kmol
.s.m
kmol
23/ Hệ số chuyển khối Đờng cong động học Số đĩa thực tế :
22
a/ Hệ số chuyển khối :

xy
y
m1
1
K

+

=
(
kmol
kmol
.s.m
kmol
2
) [II.162]
Trong đó :

Trong đó :
f : Diện tích làm việc của đĩa
f = F (f
h
.n + m.f
ch
)
f
h
: Mặt cắt ngang của chóp; chọn d
h
= 75mm


f
h
=
4
2
h
d

=
2
1000
75
4





= 36
m: Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa; chọn m = 1
f
ch
: Mặt cắt ngang ống chảy truyền;
Tỷ số
ữ= 2,005,0
F
f
ch
Chọn 06,0=
F
f
ch
f
ch
= 0,06.F;
23
Thay số: f =
()
23
2
98,158.10.4179,4
4
2
.88,0

Cho x các giá trị : {0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,9}, với mỗi giá trị của x tính hệ số phân bố vật
chất m (m chính bằng hệ số góc của đờng cân bằng), tính hệ số chuyển khối
y
K
, tính số
đơn vị chuyển khối m
yT
và tỷ số C
y
tơng ứng. Từ đó tìm đợc các điểm B tơng ứng thuộc
đờng cong động học, nằm giữa A và C. Nối chúng lại ta đợc đờng cong động học của
quá trình.

Bảng tổng hợp kết quả : Đoạn chng Đoạn luyện
x% 5 10 20 30 40 50 60 70 80 88,14

y
% 8,2885 16,6294 28,8132 37,5198 46,2264 54,933 63,6396 73,3462 81,0518 88,14
x
cb
% 0,6916 1,6478 3,7708 6,59 11,7732 23,5407 45,7031 64,7247 79,0149 87,66

y
cb
% 33,2 54,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 88,51
m 5,7827 3,3 1,4964 0,8577 0,5446 0,3995 0,4378 0,5599 0,7583 0,743


%94,31
72
23
===
TT
LT
N
N


Theo các thông số của đĩa đã chọn :
- Khoảng cách giữa các đĩa lỗ là : H
đ
= 450 mm
- Chiều dày mỗi đĩa lỗ là : = 2 mm
Chiều cao tháp (Theo công thức II-169):
H = N
TT
(H
đ
+ ) + 0,8 = 72 .(0,4 + 0,002) + 0,8 = 33 (m)
IV. trở lực tháp :

dTT
P.NP =
(N/m
2
) [II.192]
Trong đó :
N

)
1/ Trở lực của đĩa khô :
25
2
w.
P
2
oy
k

=
(N/m
2
) [II.192]
Trong đó :
: Hệ số trở lực :
= 4,5
ữ
5 ; chọn = 5
y

: Khối lợng riêng pha hơi (Kg/m
3
)


=
Nhng để
roh


= thì
ohr
ff = tức là thiết kế rãnh sao cho tổng diện tích các rãnh bằng
diện tích ống hơi.
Gọi số rãnh là n, khi đó
roh
SnS .
=ba
d
S
S
n
h
r
oh
.
2
.
2



40.5
2
71
.14,3
2
=






=n
Chuẩn n = 20