Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Trường Đại học Bách Khoa
Khoa Công nghệ Hoá học & Dầu khí
BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Quá Trình & Thiết Bò
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HP
ACETONE – NƯỚC LOẠI THÁP ĐỆM
NĂNG SUẤT : 1500 (Kg/h)
GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi
SVTH : Võ Ngọc Tiệp
MSSV : 69902203
Lớp : HC99HL,
Ngành : Công Nghệ Hoá Lý
Năm học 2002 – 2003
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG1 : GIỚI THIỆU CHUNG
CHƯƠNG2 : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
1. Đồ thò cân bằng acetone- nước
2. Xác đònh chỉ số hồi lưu
a) Chỉ số hồi lưu tối thiểu
b) Chỉ số hối lưu thích hợp
II. CÂN BẰNG NĂNG LƯNG:
1. Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất:
2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò ngưng tụ
3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò làm nguội
4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò gia nhiệt
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN 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 toán 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%
p suất làm việc : áp suất thường.
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 3- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi
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 hoà 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 hoá học :
Cộng hợp với natri bisunfit:
1
OH
CH

( pH= 4 -8 )
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 bò oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Tôluen, HNO

→ CH
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:

 →
+
H/4HgSO
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 bò hoạt động theo chu kỳ):
Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau :
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 bò hoạt động liên

C tại bồn chứa nguyên liệu (1), được bơm qua thiết bò gia nhiệt ( trao
đổi nhiệt với sản phẩm đáy)(5). Sau đó được đưa đến thiết bò đun nóng nhập liệu(6)
bằng hơi nước bão hòa, ở đáy nhập liệu được đưa đến nhiệt độ sôi và được đưa vào
tháp chưng cất(11). Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở
đây có sự tiếp xúc 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 bò
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 bò ngưng tụ(14 ). Một phần lỏng ngưng được hồi lưu về
tháp, một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bò 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 dòch 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 6- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi
Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp Aceton – nước:
1
2
4
3
16
15
14
9

= 3% mol
Các ký hiệu: F ,
−
F
:lượng nhập liệu ban đầu (kmol/h), (kg/h)
D,
−
D
: lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h), (kg/h)
W,
−
W
: lượng sản phẩm đáy (kmol/h), kg/h)
x
F:
nồng độ mol acetone trong nhập liệu
x
D:
nồng độ mol acetone trong sản phẩm đỉnh
x
W:
nồng độ mol của acetone trong sản phẩm đáy
Phương trình cân bằng vật chất:
F = D + W (1)
F x
F
= D x
D
+ W x
W

+ (1-x
W
) M
2
=0,03x58+(1-0,03)18=19,2kg/kmol
Suất lượng sản phẩm đỉnh:
D =
tbD
M
D
−
=
=
56
1500
26,786 (kmol/h)
Từ (1) và (2) ta có:



+=
+=
03,0*W95,0*786,263,0*F
W786,26F

Giải hệ phương trình trên ta được:



=

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,

100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
xy
T
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi
2. Xác đònh chỉ số hồi lưu thích hợp:
a) Chỉ số hối lưu tối thiểu:
Đường cân bằng vẽ theo số liệu thực nghiệm có khoảng lõm nên để xác
đònh R
m
, từ A(0,95;0,95) vẽ AB tiếp xúc đường cân bằng cắt trục tung tại điểm có
tung độ góc là 0,65. Ta co ù: R
m
=
=
+1
R
x
m
D
0,65
→
R
m
= 0,462
Rm
0
0.1
0.2
0.3

Như vậy ứng với mỗi giá trò R
xi
ta có số đơn vò chuyển khối chung tương ứng
là m
xi
.
Ta có bảng sau :

R
xi
Bi m
x
m
x
(R
xi
+1)
0.600 0.594 11.139 7.2834
0.785 0.532 8.595 7.5321
0.878 0.506 5.934 6.0881
0.970 0.482 5.94 6.7318
1.063 0.460 6.313 7.7737
1.155 0.441 5.928 8.0018
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 10- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi
Thể tích tháp là V = f * H
f : tiết diện tháp, m
2

H : chiều cao làm việc của tháp, m

.
Vẽ đồ thò quan hệ giữa (m
x
i
*(Rx
i
+ 1) _ Rx
i
) để tìm Rx
th
.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 0.5 1 1.5
Đường làm việc :
Phương trình đường làm việc của phần cất : y=
1R
R
+
x +
1R
x

R
=Q
y
+Q
W
+Q
Xq2
+Q
Ng2
• Nhiệt lượng do hổn hợp đầu mang vào Q
F
(J/h)
Q
F
=
_
F
C
F
t
F
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 11- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi
Trong đó:

_
F
= 2783.13(Kg/h)
t
F


= 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
D2
= D
2
λ
2
= D
2
(r
2
+ C
2
θ
2
)
Dùng hơi nước ở As 2at , r
2
= 2208 (kJ/Kg) , t

O
C  C
Aceton
= 2296.875 (J/Kg.độ)
C
Nước
= 4188.125 (J/Kg.độ)
C
D
= C
R
=
_
x
D
x C
Aceton
+ (1 -
_
x
D
) x C
Nước
= 0.984 x 2296.875 + (1 - 0.984) x 4188.125
= 2327.135 (J/KG.độ)
G
R
=
_
D

x
_
y
D
+ λ
Nước
x (1 -
_
y
D
)

_
y
D
= 0.984
λ
Acetone
= r
Acetone
+ t
D
x C
Acetone

λ
Nước
= r
Nước
+ t

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
= 0.091
t
W
= 85
O
C ⇒ C
Acetone
= 2386.25 (J/Kg.độ)
C
Nước
= 4200 (J/Kg.độ)
⇒C
W
= 4034.054 (J/Kg.độ)
⇒ Q
W

RFwy
−−+
= 797.57 (Kg/h)
2. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò ngưng tụ:
Ngưng tụ hoàn toàn :
_
D
(1 +R) x r
D
= G
nl
x C
n
x (t
2
– t
1
)
Trong đó :
t
1
,t
2
: Nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh
Chọn nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh là: t
1
= 27
O
C
t

_
x
D
) x C
Nước

= 551.93 x 10
3
(J/Kg)
Suất lượng nước cần tiêu tốn:
⇒ G
nl
=
)
tt
(x
C
r
x)1R(xD
12n
D
_
−
+
=
)2740(94.4180
1000963.551)19.0(1500
−
+
x

’= 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
O
C  Nhiệt độ ra của nước làm lạnh.
t
tb
= 33.5
O
C  Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh.
C
n
= 4176.625 (J/Kg.độ) ở 33.5
O
C
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 13- MSSV:69902203
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : Võ Thò Ngọc Tươi
C
Acetone
=2252.19(J/Kg.độ) ở t =
2
305.57 +

ttC
r
x
xD
n
D
D
−
−+
= 17292.684(Kg/h)
4. Cân bằng năng lượng cho thiết bò gia nhiệt (tận dụng nhiệt sản phẩm đáy):
Dùng nhiệt sản phẩm đáy để gia nhiệt cho nhập liệu.
Chọn nhiệt độ ra của sản phẩm đáy là 45
0
C
Q
w
= G
w
.C
w
.(85-45) = 0.344x4034.05x(85-45) = 55508.825(W)
Giả sử nhiệt độ mất mát ra môi trường là 40%
⇒ Q
w
’ = 95%.Qw = 46131 (W)
Nhiệt độ ra của nhập liệu là :
Q
F
= Q

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.
1. Đường kính đoạn cất:
Nồng độ trung bình của pha lỏng: x
’
m
=
625.0
2
95.03.0
2
xx
DF
=
+
=
+
Nồng độ trung bình của pha hơi theo phương trình đường làm việc:
y
’
m
=0.474x

=y
’
m
.M
a
+(1-y
’
m
).M
n
=49.84(kg/kmol)

'
y
ρ
=
)m/kg(797.1
T4.22
T.M
3
y
'
0
'
m
=

Khối lượng riêng của pha lỏng:
x
’

'
a
m/kg45.983
m/kg1.747
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất:
g
tb
=
2
1
gg
d
+

* g
d
: lượng hơi ra của sản phẩm đỉnh
g
d
=G
R
+G
D
=
−
D
(R
x
+1)=2850kg/h
* g




=
+=
+=
D
dd
x
rgrg
DxGyg
DGg
11
1111
11
(x
1
=
−
F
x
)
r
1
=r
a
y
1
+(1-y
1




=
=
)kg/kj(466.2425r
)kg/kj(257.521r
n
a

Giải hệ trên ta được:







=
=
=
=
)h/kg(83.607G
)kg/kj(99.745r
867.0y
)h/kg(83.2107g
1
1
1
1

s
G
G
75.1A
.V.g
..








ρ
ρ








−=






:Thể tích tự do của đệm(m
3
/m
3
); g: Gia tốc trọng trường(m/s
2
); G
x
,G
y
: Lượng
lỏng và lượng hơi trung bình(kg/h);
ytbxtb
ρρ
,
:Khối lượng trung bình của lỏng và của
hơi(kg/m
3
);
nx
µµ
,
:Độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước
ở 20
0
C(Ns/m
2
)
A = 0.125
ρ

/
m
195(
3
d
33
d
32
d
ρ
δ

t
x
’ = 59  µ
x
= 0.2316 x 10
3
(Ns/m
2
)
G
x
= 607.83 (Kg/h) = 0.169 (Kg/s)
Gy = 2478.915 (Kg/h) = 0.689 (Kg/s)
ρ
n
= 1000 (Kg/m
3
)



−=
















−
⇒ w
s
’ = 6.11 (m/s)
SVTH: Võ Ngọc Tiệp - Trang 16- MSSV:69902203