MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và
nước nhà, các ngành công nghiệp cần rất nhiều hoá chất có độ tinh khiết cao .
Chưng cất là một trong các quá trình hay dùng để làm sạch các chất lỏng. Việc
thiết kế hệ thống chưng cất, với mục đích là tách aceton ra khỏi hỗn hợp Aceton –
Acid Acetic là một trong các nhiệm vụ của kỹ sư ngành công nghệ hóa học .
Vì thế, đề tài  Thiết kế hệ thống chưng cất Aceton –Acid Acetic  của môn 
Đồ An Môn Học Quá Trình Thiết Bị  cũng là một bước giúp cho sinh viên tập luyện
và chuẩn bị cho việc thiết kế quá trình & thiết bị công nghệ trong lĩnh vực này.
Tập thuyết minh đồ án môn học này gồm 7 phần :
Phần I : Tổng quan
Phần II : Thuyết minh qui trình công nghệ
Phần III : Cân bằng vật chất và năng lượng
Phần IV : Tính toán các kích thước cơ bản của tháp
Phần V : Tính chóp và trở lực của tháp
Phần V I : Tính toán cơ khí
Phần VII : Tính thiết bị truyền nhiệt
Phần VIII : Tính chiều cao bồn cao vị
Phần IX : Tính cách nhiệt
Phần X : Tính toán giá thành cho thiết bị
Tài liệu tham khảo
Để hoàn thành đồ án này , thực sự em đã cố gắng rất nhiều . Song , vì đây là
bước đầu làm quen với công tác thiết kế nên chắc hẳn không tránh khỏi những sai
sót.
Cuối cùng , em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Máy – Thiết
Bị , đặc biệt là thầy Trần Tấn Việt , người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em rất
nhiều trong suốt thời gian thực hiện đồ án thiết kế này .
I-TỔNG QUAN:
Aceton và acid acetic là hai loại hoá chất quan trọng trong nghành công nghiệp
hóa chất.
Aceton : Phần lớn được dùng làm dung môi nhất là trong công nghiệp sản xuất

Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn
-Tháp đệm :
Ưu điểm :chế tạo đơn giản , trở lực thấp
Nhược điểm :hiệu suất thấp , kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện
tháp không đều , sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất
theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm
một cách rõ ràng , tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công nghiệp
Đề tài của đồ án môn học :
Đề tài của đồ án môn học là :Thiết kế tháp chưng cất dùng mâm chóp với những dữ
kiện cơ bản sau:
Nguyên liệu đầu vào (nhập liệu ) là hỗn hợp Aceton – Acid acetic
Nồng độ Aceton trong nhập liệu là 30% khối lượng.
Năng suất nhập liệu là 3000 kg /h
Nồng độ Aceton trong sản phẩm đỉnh là 97% khối lượng.
Nồng độ Aceton trong sản phẩm đáy là 0,5 % khối lượng.
Tháp hoạt động liên tục , chưng cất ở áp suất thường
II-THUYẾT MINH QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ:
Nhập nguyên liệu là hỗn hợp Aceton – Acide acetic được đưa vào bồn chứa
nguyên liệu. Sau đó nhập liệu được bơm đưa lên bồn cao vị. Từ đây nhập liệu qua
thiết bị gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đưa nhiệt độ nhập liệu từ 30
o
C lên nhiệt độ
sôi 85,8
o
C và đưa vào tháp chưng cất tại mâm nhập liệu.
-Hơi ra ở đỉnh tháp được dẫn qua thiết bị ngưng tụ, tại đây hơi được ngưng tụ hoàn
toàn thành lỏng bão hòa , được hoàn lưu vào tháp với tỷ số hoàn lưu R và phần còn lại
đưa đi làm nguội bằng thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
-Lỏng ở đáy tháp được dẫn qua nồi đun kiểu Kettle được đun nóng gián tiếp bằng hơi
nước bão hòa, hơi ở nồi đun dẫn vào tháp để cấp nhiệt cho tháp. Lượng lỏng đi ra

F
).M
B
= 0,3.58 + (1-0.3).60 = 59,4 (kg/kmol)
M
D
=x
D
.M
A
+ (1- x
D
).M
B
= 0,97.58 + (1-0,97).60 = 58,06 (kg/kmol)
M
W
=x
W
.M
A
+ (1- x
W
).M
B
= 0,005. 58 + (1-0,005).60 =59,99 (kg/kmol)
-Suất lượng dòng nhập liệu
F =
F
M

15,439 (kmol/h)
W= F -D =50,505 -15,439 = 35,066 (kmol/h)
Tóm lại ta có bảng sau:
F x
F
D x
D
W x
W
50,505 0,3 15,439 0,97 35,066 0,005
-Tính chỉ số hồi lưu thích hợp:
Sử dụng công thức thực nghiệm : R =1,3.R
min
+ 0,3 (CT IX-25b tr149-STT2)
Với R
min
=
FF
FD
xy
yx


*
*
(CT IX-24 Tr 149 STT2)
Với y
F
*
là phân mol Aceton trong pha hơi cân bằng với x

D
=
x
049,2
049,1
+
049,2
97,0
=0,512x + 0,473
F,x
F
W, x
W
L,x
L

D,x
-Phương trình đường làm việc của phần chưng
y= x
R
fR
1

-
1
1


R
f

Q
D
=(R+1)D.r
D
(CT 6.15 /TR 256- T10)
 Với r
D
= x
D
.M
A
.r
A
+ (1-x
D
)M
B
.r
B

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8

.F(T
F
- 30)
 Tại x
F
= 0,3 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta có T
F
= 85,8
o
C
 Nhiệt dung riêng của nhập liệu tra ở nhiệt độ trung bình T=
2
308,85 
=57,9
o
C
tại nhiệt độ này ta có C
A
=2,298 (kj/kgđộ) , C
B
=2,196 (kj/kgđộ) (Bảng I.153
TR171-STT1).
Ta có C
F
=x
F
C
A
M
A

o
C . Tại
nhiệt độ này tra bảng I.153 TR171-STT1 ta có : C
A
=2,349(kj/kgđộ) ,
C
B
=2,281(kj/kgđộ)
Nên C
W
= x
W
M
A
C
A
+ (1-x
W
)M
B
C
B
= 0,005.58.2,349 + (1-0,005).60.2,281 = 136,857
(kj/kmolđộ)
Do đó Q
W
=35,066.136,857.(117,3-30)=116,4(kw)
d-Nhiệt làm nguội sản phẩm đỉnh từ 56,96
o
C xuống 30

= DC
D
T
D
+ WC
W
T
W
+ Q
D
– FC
F
T
F
=15,439.130,455.56,96 + 35,066.136,857.117,3
+ 2,049.15,437.30047,376 – 50,505.132,217.85,8 = 293,1 (kw)
Tuy nhiên nếu coi tổn thất nhiệt chiếm khoảng 10% nhiệt lượng ta có Q
đ
= 1,1.293,1
= 322,41 (kw)
IV. TÍNH TOÁN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THÁP
a-Khối lượng riêng trung bình của pha hơi
Phần cất : gọi x
pcất
là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử A(benzen) trong
pha lỏng của phần cất
Ta có : x
pcất
=
2

– 0,0055 = 2,108 x 0,153 – 0,0055 = 0,317(phân mol)
Tra đồ thị T-xy ta có nhiệt độ của pha hơi tương ứng là
Từ y
pcất
= 0,798 (phân mol) T
G(cất)
= 82
o
C
Từ y
pchưng
= 0,317 (phân mol) T
G(chưng)
= 103,3
o
C
Khối lượng phân tử trung bình của pha hơi trong phần chưng và phần cất là
M
pcất
= y
pcất
M
A
+ (1-y
pcất
)M
B
= 0,798.58 +(1-0,798)60 = 58,404 (kg/kmol)
M
pchưng

Phần chưng :

G(chưng)
=
)273(4,22
273.
)(

chungG
pchung
T
M
=
)2733,103(4,22
273.366,59

=1,923 (kg/m
3
)
Do đó khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong toàn tháp là :

G
= ( 
G(cất)
+ 
G(chưng)
)/2 =(2,005 + 1,923)/2 = 1,964 (kg/m
3
)
b-Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng

Ở đáy : ứng với x
W
= 0,005 tra đồ thị T-xy ta có T
W
= 117,3
o
C . Ở nhiệt độ này , khối
lượng riêng của aceton và acid acetic là: 
A
=668,78 (kg/m
3
) và 
B
= 926,86(kg/m
3
) .
Khối lượng riêng của sản phẩm đáy là

L(đáy)
= x
W
. 
A
+ (1- x
W
) 
B
= 0,005. 668,78 + (1-0,005). 926,86= 925,57 (kg/m
3
)

G
, 
L
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (kg/m
3
)
h: khoảng cách giữa các mâm (m). Giá trị h được chọn sao cho để giảm đến mức
thấp nhất lượng lỏng bị hơi cuốn theo

[]
là hệ số có tính đến sức căng bề mặt
Khi  < 20 (dyn/cm) thì 
[]
= 0,8
 > 20 (dyn/cm) thì 
[]
= 1
Ở đây ta tra bảng có được  = 18,99 (dyn/cm) < 20 nên 
[]
= 0,8
Chọn khoảng cách giữa các mâm là h=0,35 (m)
Do đó
(
G

y
)
tb
=0,065
[]

= L
x
x
F
+ Dx
D
(2)
Ở đây coi nhiệt độ trung bình trong toàn tháp là nhiệt độ trung bình của đỉnh và đáy
tháp
T =
2
3,11796,56 
= 87,13
o
C
-Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp :
g
đỉnh
= D + L
o
= D(R+1) = 15,439.(1,049 +1) = 31,635 (kmol/h)
Cân bằng năng lượng ta có :
g
tl
r
tl
= g
đỉnh
r
đỉnh

A
+ (1-x
D
)r
B
M
B
= 0,97.522,146.58 + (1-0,97).373,023.60 =30047,375
(kj/kmol)
Tóm lại ta có hệ phương trình sau :
L
x
= g
tl
–15,439 (1)
g
tl
y
tl
= L
x
.0,3 + 15,439.0,97 (2)
gtl. (7903,088y
tl
+22381,38) = 31,635 . 30047,375 (3)
g
tl
= 35,1 (kmol/h)
y
tl

r
đáy

Với r
đáy
= y
đáy
r
A
M
A
+ (1-y
đáy
)r
B
M
B
= 0,005.522,146.58 + (1-0,005)373,023.60 =
22420,9 (kj/kmol)
L
đáy
= g
đáy
+ 35,066
L
đáy
x
đáy
= 0,005g
đáy

2
1,35396,42 
=38,748(kmol/h)
-Lưu lượng hơi trung bình trong toàn tháp :
g =
2
gg
pcatpchung

=
2
368,33748,38 
= 36,058 (kmol/h)
Ở nhiệt độ trung bình là 87,13
o
C thì lưu lượng hơi trung bình (m
3
/h) là :
Q
v
=
o
T
Tg .4,22.
=
273
)27313,87(4,22.058,36 
=1065,482(m
3
/h)

D
D
D
D
xy
xy
)1(
)1(
*
*


=
97,0).998,01(
)97,01.(998,0


=15,433
-Độ nhớt động học
Tại nhiệt độ đỉnh ta có : 
A
= 0,235 (Cp) , 
B
= 0,727 (Cp)
lg = x
D
lg
A
+ (1-x
D

= 6,152
Độ nhớt động học :  = 0,390

F

F
=2,401 E
3
= 0,42
i-Hiệu suất trung bình của toàn tháp :
E =
3
321
EEE 
=
3
42,049,038,0 
=0,43
j-Số mâm thực tế :
N
th
=
E
N
LT
=
43,0
12
= 29 (mâm)
k- Số mâm thực tế phần cất :
V-TÍNH CHÓP VÀ TRỞ LỰC CỦA THÁP :
-Chọn đường kính trong của ống hơi theo tiêu chuẩn là: d
h
= 50(mm )
-Số chóp phân bố trên một mâm : Trong thực tế thường chọn tổng tiết diện ống hơi
trên mỗi mâm =10% . tiết diện tháp nên ta có:
n.
4
.
2
h
d

= 0,1
4
.
2
t
D


n = 0,1
h
t
d

sc
: chọn h
sc
= 12,5(mm)
-Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp h
ts
= 15-40(mm) chọn h
ts
=29(mm)
-Chiều cao hình học của khe chóp :
h
so
=
x
yy
g


.
..
2

Trong đó :

:hệ số trở lực của mâm chóp

= 1,5-2 , chọn

=2


= 0,0125(m) = 12,5(mm)
chọn h
so
= 15,5 mm
-Số lượng khe trên mỗi chóp :
i=
)
4
(
2
so
h
ch
h
d
d
c


= )
5,12.4
50
5,73(
3
14,3
2
 = 25 khe
Với c:khoảng cách giữa các khe (3-4mm) . Chọn c=3 mm
-Chiều rộng khe chóp được xác định từ liên hệ :
i(c+a) = d

Do đó : h
c
= (27 + 12,5 + 12,5 + 5) – 17 = 40 (mm) .
-Bước tối thiểu của chóp trên mâm :
t
min
= d
ch
+ 2
ch
+ l
2

Trong đó :

ch
: bề dày của chóp (mm) .Chọn 
ch
= 2(mm)
l
2
: khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp được xác định theo công thức sau :
l
2
= 12,5 + 0,25d
ch
= 12,5 + 0,25.73,5 = 31 (mm)
t
min
= 73,5 + 2.2 + 31 = 108 (mm)

s
= n.i.h
so
.a = 27.25.12,5.7.10
-6
= 0,059 (m
2
)
Do đó :
h
s
=7,55
3/23/23/1
)
059,0
3600/482,1065
.()5,12.()
964,176,1004
964,1
.(

=14,9 (mm)
-Phần trăm độ mở lỗ chóp :
%13,96%100.
5,15
9,14
%100. 
so
s
h

L
w
: chiều dài gờ chảy tràn
Chọn L
w
= 0,6D = 0,6.0.8 = 0,48 (m)
Tính Q
L
:
-Lưu lượng lỏng phần chưng :
Q
ch
= (RD + F).
chL
pchung
M
,

= (1,049.15,439 + 50,505).
38,1025
366,59
= 3,862 (m
3
/h)
-Lưu lượng lỏng phần cất:
Q
cất
=
catL
cat

h
ow
= 2,84.1,035.(
07,9)
48,0
602,2
3/2

(mm)
-Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm :
 = C
g
. 
/
.m
Trong đó :
C
g
: hệ số hiệu chỉnh cho suất lượng pha khí
C
g
= f(1,34
Gy
m
L
w
B
Q

82,0, )

)
S
d
: diện tích ống chảy chuyền hình viên phân
S
d
= S
OAmB
- S
OAB

S
OAmB
=
4
2
t
D

= arcsin
t
w
D
L
.
4
2
t
D
=arcsin

Do đó :
S
d
= 0,103 – 0,0768 = 0,0262 (m
2
)
Ta có : 052,0
50265,0
0262,0

mam
d
S
S

Vậy diện tích hai phần ống chảy chuyền chiếm 10,5% tổng diện tích một mâm
A = S
mâm
– 2S
d
=0,50265 – 2.0,0262 = 0,45025 (m
2
)
-Khoảng cách giữa hai gờ chảy tràn l = D
t
– 2d
w
= 0,8 – 2.0,08 = 0,64 (m)
Do vậy
)(7,0

/
= f(h
m
,Q
L
,B
m
,h
sc
)
Trong đó :
h
m
: chiều cao mực chất lỏng trung bình trên mâm
h
m
= h
ts
+ h
sc
+ h
sr
+ h
so
h
ts
: khoảng cách từ mép trên khe chóp đến bề mặt chất lỏng (15-40mm)
Chọn h
ts
= 27 (mm)

+ h
s
+ h
ss
+ h
ow
+/2 mm chất lỏng
Trong đó :
h
fv
: độ giảm áp do ma sát nội và biến đổi vận tốc khi pha khí thổi qua chóp lúc
không có chất lỏng được xác định theo công thức sau:
h
fv
=
2
).()(274
r
V
G
L
G
S
Q
K




với S

= )(
4
22
hch
dd 

=
3622
10.952,110).505,73(
4



(m
2
)
1
rj
aj
S
S
. Tra đồ thị trang 83 truyền khối –Tập 3 ta có : K=0,65
K: hệ số tổn thất áp suất cho tháp khô
h
fv
= 0,65.274.
2
)
053,0
296,0

w
– ( h
so
+ h
sr
+ h
sc
) = h
m
– ( h
ow
+ /2 + h
so
+ h
sr
+ h
sc
)
h
ss
= 60 - (9,07 + 5,25/2 + 15,5 +5 +12,5) = 20,31 (mm)
Do đó :
h
t
=h
fv
+ h
s
+ h
ss

t
+ h
d’
+  (mm chất lỏng)
Trong đó : h
d’
: tổn thất thủy lực do dòng chảy từ trong ống chảy chuyền vào mâm
h
d’
= 0,128
2
)
100
(
d
L
S
Q
=0,128.
2
)
0262,0.100
602,2
( = 0,126 (mm)
h
d
= 48,3 + 9,07 + 57,9 + 0,126 + 5,25 =120,6 (mm)
Chiều cao h
d
là thông số để kiểm tra khoảng cách mâm . Nếu h

L :lượng chất lỏng chảy xuống (mol/h)
 được xác định theo công thức thực nghiệm :
 = f(
2/1
'
'
)(
L
G
G
L


) = f(
)073,0())
8,795
815,2
(
1204.815,2
615,4203
2/1
f

%7,91%100.
175
5,160
%100.
2/

H

: tổng trở lực của một đĩa (N/m
2
)
p
d
=p
k
+ p

+ p
t

p
k
: trở lực của đĩa khô được xác định theo công thức
p
k
=
2
.
.
2
oy
w



Trong đó :  : hệ số trở lực thường  = 4,5-5 . Chọn  = 5

y

: trở lực do sức căng bề mặt được xác định theo công thức sau:
p

=
td
d

.4

Trong đó:

: sức căng bề mặt (N/m).Tra sổ tay ta có  =18,99 (dyn/cm) = 18,99 .10
-3
(N/m)
d
td
=
3
6
10).5,152(2
10.5,15.2.4
)(2
..4.4






so

so
/2) (N/m
2
)
Trong đó : 
b
: khối lượng riêng của bọt 
b
= (0,4-0,6) 
L

Chọn 
b
= 0,5.
L
=1004,76/2=502,38 (kg/m
3
)
h
b
:chiều cao lớp bọt trên đĩa , m được xác định theo công thức :
h
b
=
b
bxchbxxxc
F
fhhfhFhh



Ta có : h
h
=h
sc
+ h
sr
+ h
so
+ h
ts
- - h
2
= 12,5 + 5 + 15,5 + 27- 5,25 –12,5 =42,25(mm)
h
ch
= h
h
+12,5 = 42,25 + 12,5 = 54,75 (mm)
Do vậy :
h
b
=
1000.38,502.45025,0
38,502.1145,0).6075,54(1145,0.38,502.6076,1004).145025,0).(6025,540( 

h
b
= 0,05 m =50 mm
Vậy:
p

+ 16163 + 10,7.1004,76.9,81 = 221629,643 N/m
2
= 0,222
N/mm
2

-Điều kiện làm việc của thân tháp : chịu áp suất trong
-Chọn vật liệu làm tháp là thép không gỉ với mác thép X18H10T
Ở nhiệt độ 117,3
o
C tra giản đồ 1-2 trang 22-Chế tạo máy hóa chất ta có :