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 n Môn Học Quá Trình Thiết Bò ″ cũng là một bước giúp cho sinh viên
tập luyện và chuẩn bò cho việc thiết kế quá trình & thiết bò công nghệ trong lónh
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 bò truyền nhiệt
Phần VIII : Tính chiều cao bồn cao vò
Phần IX : Tính cách nhiệt
Phần X : Tính toán giá thành cho thiết bò
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 Bò , 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

Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn đònh , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có
số mâm ít hơn
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 đònh 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 vò. Từ đây nhập liệu qua
thiết bò 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 bò 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

F
.M
A
+ (1-x
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)

005,03,0
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

b-Xác đònh số mâm lý thuyết :
Việc xác đònh số mâm lý thuyết được tiến hành trên đồ thò y-x
-Phương trình đường làm việc của phần cất
y=
x
R
R
1+
+
1+R
x
D
=
x
049,2
049,1
+
049,2
97,0
=0,512x + 0,473
-Phương trình đường làm việc của phần chưng
y=
x
R
fR
1+
+
-
1
1

phần chưng . Trên đồ thò y-x ta lần lượt vẽ các đường bậc thang từ đó xác đònh
được số mâm lý thuyết là 12 mâm
B-CÂN BẰNG NHIỆT LƯNG:
a-Nhiệt trao đổi ở thiết bò ngưng tụ
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
•Tại x
D
= 0,97 tra bảng IX-2a trang 135 STT2 ta có T
D
= 56,96
o
C . Tại nhiệt độ

0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
x
y
•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

2
303,117 +
=73,65
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)

Từ cân bằng nhiệt lượng ta có
Q
đ
= 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

Do đó y
pchưng
=2,108x
pchưng
– 0,0055 = 2,108 x 0,153 – 0,0055 = 0,317(phân mol)
Tra đồ thò 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

+
= 2,005 (kg/m
3
)
Phần chưng :
ρ
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 :
ρ
G
= ( ρ
G(cất)
+ ρ
G(chưng)

B
= 0,97.814,2 + (1-0,97)807,2 = 1083,95 (kg/m
3
)
Ở đáy : ứng với x
W
= 0,005 tra đồ thò T-xy ta có T
W
= 117,3
o
C . Ở nhiệt độ này ,
khối lượng riêng của aceton và acid acetic là: ρ
A
=668,78 (kg/m
3
) và ρ
B
=
926,86(kg/m
3
) . Khối lượng riêng của sản phẩm đáy là
ρ
L(đáy)
= x
W
. ρ
A
+ (1- x
W
) ρ

Trong đó
ω
y
: vận tốc trung bình của pha hơi (m/s)
ρ
G
, ρ
L
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi và pha lỏng (kg/m
3
)
h: khoảng cách giữa các mâm (m). Giá trò h được chọn sao cho để giảm đến mức
thấp nhất lượng lỏng bò hơi cuốn theo
ϕ
[
σ
]
là hệ số có tính đến sức căng bề mặt
Khi σ < 20 (dyn/cm) thì ϕ
[
σ
]
= 0,8
σ > 20 (dyn/cm) thì ϕ
[
σ
]
= 1
Ở đây ta tra bảng có được σ = 18,99 (dyn/cm) < 20 nên ϕ
[

+ g
y
= L
x
+ D
g
tl
= L
x
+ D
Phương trình cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi ta có :
g
tl
y
tl
= 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

= y
tl
.522,146.58 + (1-y
tl
).373,023.60 = 7903,088y
tl
+22381,38 (kj/kmol)
r
đỉnh
= x
D
r
A
M
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

đáy
y
đáy
+ Wx
W
g
tl
r
tl
= g
đáy
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

1,35635,31 +
= 33,368 (kmol/h)
-Lưu lượng hơi trung bình trong phần chưng :
g
pchưng
=
2
tlday
gg +
=
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
C
y
D
*
= 0,998(phân mol)
-Độ bay hơi tương đối :
α
D
=
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 : µ

W
=1,223 E
2
= 0,49
Tại mâm nhập liệu :
Tương tự ta có :
Độ bay hơi tương đối : α
F
= 6,152
Độ nhớt động học : µ = 0,390
α
F
µ
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
=

th
δ + (0,8-1)
Chọn δ :chiều dày mâm (δ =4mm) , h:khoảng cách giữa các mâm (h=0,35m)
Do đó : H = 28.0,35 + 29.0,004 + 0,8 = 10,7 (m)
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
π
= 0,1
4
.
2
t
D
π
n = 0,1
h
t
d
D
2

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
ρ
ρξω
.
..
2
Trong đó :
ξ
:hệ số trở lực của mâm chóp
ξ
= 1,5-2 , chọn
ξ
=2
ω
y

chọn h
so
= 15,5 mm
-Số lượng khe trên mỗi chóp :
i=
)
4
(
2
so
h
ch
h
d
d
c
−
π
=
)
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 đònh từ liên hệ :

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 đònh 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)

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
h

: 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
,
ρ
= (1,049.15,439 + 50,505).
38,1025
366,59
= 3,862 (m
3
/h)
-Lưu lượng lỏng phần cất:
Q
cất
=
catL
cat
M
RD

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
ρ
82,0,
)

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

OAB

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

2
2
−
= 0,32 (m)
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

=0,7
Tính T
/
: Ta có
4
/
= 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

-Độ giảm áp của pha khí trên một mâm
h
t
=h
fv
+ 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 đònh theo công thức sau:
h
fv
=
2
).()(274
r
V
G
L
G
S
Q
K

)
-Diện tích hình vành khăn giữa thân chóp và ống hơi
S
aj
=
)(
4
22
hch
dd −
π
=
3622
10.952,110).505,73(
4
−−
=−
π
(m
2
)

1=
rj
aj
S
S
. Tra đồ thò trang 83 truyền khối –Tập 3 ta có : K=0,65
K: hệ số tổn thất áp suất cho tháp khô
h

ow
+ /2
h
ss
= h
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

=h
w
+ h
ow
+ h
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)

< 0,6.d
w
= 0,6.80 = 48
Điều này chứng tỏ chất lỏng không va đập thành bình và xem như chất lỏng chảy
vào ống chảy chuyền là đều
-Độ lôi cuốn chất lỏng
=
eL
e
+
Trong đó : e: lượng chất lỏng bò lôi cuốn (mol/h)
L :lượng chất lỏng chảy xuống (mol/h)
được xác đònh theo công thức thực nghiệm :
= f(
2/1
'
'
)(
L
G
G
L
ρ
ρ
) = f(
)073,0())
8,795
815,2
(
1204.815,2

t
. p
d
Với : N
t
: số đóa thực
p
d
: tổng trở lực của một đóa (N/m
2
)
p
d
= p
k
+ p
σ

+ +p
t
tp
k
: trở lực của đóa khô được xác đònh theo công thức
p
k
=
2
.
.
2

k
=
43,27
2
59,5.964,1
.5 =
(N/m
2
)
p
σ
: trở lực do sức căng bề mặt được xác đònh theo công thức sau:
p
σ
=
td
d
σ
.4
Trong đó:
σ: sức căng bề mặt (N/m).Tra sổ tay ta có σ =18,99 (dyn/cm) = 18,99 .10
-3
(N/m)
d
td
=
3
6
10).5,152(2
10.5,15.2.4

t
: trở lực của lớp chất lỏng trên đóa (trở lực thủy tónh) được xác đònh theo công
thức
p
t
=ρ
b
.g.(h
b
– h
so
/2) (N/m
2
)
Trong đó : ρ
b
: khối lượng riêng của bọt ρ
b
= (0,4-0,6) ρ
L

Chọn ρ
b
= 0,5.ρ
L
=1004,76/2=502,38 (kg/m
3
)
h
b

2
.27.10
-6
= 0,1145 m
2
h
ch
: chiều cao của chóp , m
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
=

mt
+ p +p
cl
= 10
5
+ 16163 + 10,7.1004,76.9,81 = 221629,643 N/m
2
= 0,222
N/mm
2
-Điều kiện làm việc của thân tháp : chòu 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 :
[σ]
*
=140 (N/mm
2
)
-Ứng suất cho phép của vật liệu :
[σ] = η[σ]
*
= 0,9.140 = 126 (N/mm
2
)
Với η = 0,9 là hệ số hiệu chỉnh ( chọn cho thiết bò loại I-nhóm II) trang 26 –Chế
tạo máy hóa chất –Thiết bò làm việc với chất độc hại , dễ cháy nổ , dễ cháy ,
khôngtiếp xúc trực tiếp với nguồn đốt nóng