ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
MỤC LỤC
trang
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.......................................................................
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1 . Phương pháp chưng cất
2 . Thiết bò chưng cất:
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU
1 . Etanol
2 . Nước
3 . Hỗn hợp Etanol – Nước
III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
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
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
2 . Tỉ số hoàn lưu thích hợp
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
3 . Số mâm lý thuyết
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP
1 . Đường kính đoạn cất
2 . Đường kính đoạn chưng
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM
1 . Cấu tạo mâm lỗ

chất cơ bản.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa
học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp
với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly,
chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa
chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Etanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn,
ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò là một môn học mang tính tổng hợp trong
quá trình học tập của các kỹû sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp sinh viên
giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của
một thiết bò trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh
viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn
đề kỹû thuật thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên
tục với nâng suất nhập liệu : 1500 kg/h có nồng độ 15% mol etanol ,thu được sản
phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%.
Em chân thành cảm ơn các q thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bò, các bạn sinh
viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ án
không thể không có sai sót, em rất mong q thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
3
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất :
Chưng cất là qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu
tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác
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

Trong sản xuất thường sử dụng rất 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 vaò lưu chất kia .
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường
được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp : đường kính
tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh
khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và
tháp chêm.
• Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có
cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên
mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo
của đóa, ta có:
* Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm.
• Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng
mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương
pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
* So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :
Tháp chêm. Tháp mâm xuyên lo.ã Tháp mâm chóp.
Ưu điểm: - Đơn giản.
- Hiệu suất tương đối
cao. - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp. - Hoạt động khá ổn đònh. - Hoạt động ổn đònh.

- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
Nhược điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.
- Độ ổn đònh kém.
- Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đóa thật

Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là
thể hiện tính chất hoá học của nó.
* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CH
2
-O
-
+ H
+
Hằng số phân ly của etanol:
18
10
23
−
−−
=
OHCHCH
K
, cho nên etanol là chất
trung tính.
+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri
hydrua(NaH), Natri amid(NaNH
2
):

và acid hữu cơ đều
tạo ra ester.
CH
3
-CH
2
-OH + HO-SO
3
-H CH
3
-CH
2
O-SO
3
-H + H
2
O
CH
3
-CH
2
O-H + HO-CO-CH
3
CH
3
-COO-C
2
H
5
+ H

-CH
2
-OH + NH
3
C
2
H
5
-NH
2
+ H
2
O
+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:
2CH
3
-CH
2
-OH (CH
3
-CH
2
)
2
O + H
2
O
6
Lạnh
H

+ H
2
O
* Phản ứng hydro và oxy hoá:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CHO + H
2

• Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò
quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất
hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành:
công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế
biến gỗ và nông nghiệp.
Sơ đồ tóm tắt vò trí của etanol trong các ngành công nghiệp.
• Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá
etylen với xúc tác H
2
SO
4
; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol
khi đun nóng với nước xúc tác dung dòch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ
các hợp chất cơ kim…
Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn
tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol
chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men

+ Sát trùng.
+ Pha chế thuốc.
+ Thuốc nhuộm.
+ Tơ nhân tạo.
+ Rượu mùi.
+ Dấm.
+ Dung môi hữu cơ:pha sơn..
+ Nguyên liệu.
+ Công nghiệp cao su tổng
hợp
+ Động lực.
Nhiên liệu.
Etano
l
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO
2
.
5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid
sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…).
2 . Nước:
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không
vò nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
Khối lượng phân tử : 18 g / mol
Khối lượng riêng d
4
0
c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 0

x(%phân mol)
0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân mol)
0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100
t(
o
C) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:
Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H
2
O, nhiệt độ sôi là 78,3
0
C ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100
o
C ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên
phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.
Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử
đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương
pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức
tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn.
* 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.

0
C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (14).
Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về tháp ở đóa trên cùng với tỉ số
hoàn lưu tối ưu. 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 đáy tháp ta thu
được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy
có nồng độ etanol là 0,19 % phân mol, còn lại là nước. Dung dòch lỏng đáy đi ra
khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun dung dòch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung
cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi
nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bò (5) (sau khi qua bồn cao vò).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau
khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 60
0
C được thải bỏ.
11
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu : G
F
= 1500 (Kg/h) .
• Nồng độ nhập liệu : x
F
= 15%mol etanol.
• Nồng độ sản phẩm đỉnh : x
D
= 85%mol etanol .
• Tỷ lệ thu hồi etanol : η= 99%.
• Khối lượng phân tử của rượu và nước : M
R

+ 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 etanol (cấu tử nhẹ) : F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W
(II.2)
• Tỷ lệ thu hồi (η=99%) : F.x
F
. η= D.x
D
(II.3)
Với : * Phân mol nhập liệu : x
F
= 0,15 (phân mol etanol ).
18).1(.46
x.46
FF
F
F
xx

xx −+
=41,8 (Kg/Kmol).
Giải 3 phương trình (II.1),(II.2),(II.3),ta có :
12
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
D = 11.8 (Kmol/h)
W = 55.767 (Kmol/h)
x
W
= 0,0019 (phân mol etanol )
Suy ra , khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
M
W
=
18).1(.46
WW
xx −+
= 18,053 (Kg/Kmol).
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 .
Do đồ thò cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác đònh tỉ số hoàn
lưu tối thiểu bằng cách :
+Trên đồ thò cân bằng y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp
tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có y
o
= 0,26 .
+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi x

sẽ
không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ
với (R+1). Ngoài ra ,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vò chuyển khối m
ox
hay số mâm
lý thuyết N
lt
.Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số m
ox
*(R+1) .Như
vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và V
tháp
theo quan hệ R và m
ox
*(R+1) .Từ đồ
13
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
thò của quan hệ này ,ta xác đònh được điểm cực tiểu của m
ox
*(R+1) ứng với tỉ số
hoàn lưu thích hợp R .

R m
ox
m
ox
*(R+1)
2.496 47.818 167.173
2.723 37.733 140.480
2.9497 32.801 130.320

85,0
.
19497,2
9497,2
+
+
+
x

=0.747 .x + 0.215
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x
R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1 +
−
+
+
+
=
0019,0.

Từ đồ thò ,ta có : 26 mâm bao gồm : 20 mâm cất
1 mâm nhập liệu
5 mâm chưng(4 mâm chưng+1 nồi đun)
Tóm lại ,số mâm lý thuyết là N
lt
= 25 mâm .
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb
lt
tt
η
N
N =
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

x
x1
y1
y
α
F
F
*
*
F
−
−
=
−
−
=
F
F
= 5,667
+ Từ
%08.31=
F
x
và t
F
= 84,85
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) –
trang 107] : µ
F

0019,01
.
02,01
02,0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
= 10,72
15
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
+ Từ
%48,0
18).1(.46
.46
=

W
= 0,37
*Tại vò trí mâm đỉnh :
x
D
= 0,85 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
D
= 0,856
t
D
= 78,5
o
C
+
85,0
85,01
.
856,01
856,0
x
x1
y1
y
α
D
D
*
*
D

=51.10
-6
.9,81= 0,500.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,500 (cP)
Suy ra : α
D
. µ
D
= 1,049.0,500 = 0,525
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
D
= 0,600
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
η
tb
=
47,0
3
600,037,0441,0
3
=
++
=
++
DWF
ηηη

tb
tb
t
ρ
==
(m)
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)

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
= 84,85
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r

= 37988 (KJ/kmol) .
Suy ra : r
d
= r
Rd
.y
D
+ (1-y
D
).r
Nd
=37988.0,856 + (1- 0,856).41628
17
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
= 38512,16 (KJ/kmol)
* x
1
= x
F
= 0,15
Giải hệ (III.1) , ta được : G
1
= 33 (Kmol/h)
y
1
= 0,337 (phân mol etanol) _ M
1
=27,436
g
1

273.18.146.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy +
=
2
856,0337,0 +
=0,5965
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
=
2
DF
tt +
=
2
5,7885,84 +

−+
=
=71,9% .
t
tb
= 81,675
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
ρ
xtb
= 821,25 (Kg/m
3
)
Suy ra :
197,1
25,821
.05,0=
gh
ω
=1,309 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
309,1.8,0.8,0 ==
ghh
ωω
= 1,042 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
cất
=
042,1.197,1

1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
• Xác đònh g’
n
: g’
n
= g
1
= 1229,1328 (Kg/h)
• Xác đònh g’
1
: Từ hệ phương trình :





==
+=
+=
1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'

1
= t
W
= 100
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r’
N1
= 40680 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của rượu : r’
R1
= 36394,3 (KJ/kmol) .
Suy ra : r’
1
= r’
R1
.y
W
+ (1-y
W
).r’
N1
= 40543,9 (KJ/kmol)
* Tính r
1
: r
1
= 41346 – 3856.y
1
=41346–3856.0,337 = 40007,97 (KJ/kmol)

ρ
ρ
ω
=
Với : ρ'
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
ρ'
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác đònh ρ’
ytb
:
( )
[ ]
( )
273'.4,22
273.18.'146.'
'
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t

=0,772 (Kg/m
3
).
• Xác đònh ρ’
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x’
tb
=
2
WF
xx +
=
2
0019,015,0 +
= 0,076
Suy ra :
18).'1('.46
'.46
'
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
=17,36% .
t’


−
+
N
tb
R
tb
xx
ρρ
=953,52 (Kg/m
3
)
Suy ra :
772,0
52,953
.05,0' =
gh
ω
=1,757 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
757,1.8,0'.8,0' ==
ghh
ωω
= 1,405 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
chưng
=
405,1.772,0
0114,992

772,0.7,0
0114,992.0188,0
'.
'.0188,0
2
2
2
2
==
ytbt
tb
D
g
ρ
(m/s).
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :
1 . Cấu tạo mâm lỗ :
Chọn : + Đường kính lỗ : d
l
= 5 (mm).
+ Tổng diện tích lỗ bằng 9% diện tích mâm.
20
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo
tam giác đều ).
+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 .
+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm .
Số lỗ trên 1 mâm :
N =
lo

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ
giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng :
h
tl
= h
k
+ h
l
+ h
R
(mm.chất lỏng)
Với : + h
k
:độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng).
+ h
l
: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng).
+h
R
: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng).
Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ là
không đáng kể nên có thể bỏ qua .
a . Độ giảm áp qua mâm khô :
Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp
suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua
lỗ.
L
G
o
o

=
















=
(mm.chất lỏng)
Với : + u
o
:vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).
+ ρ
G
: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m
3
).
+ ρ
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m

ω
= 10,64 (m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi : ρ
G
= ρ
ytb
= 1,197 (Kg/m
3
).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng : ρ
L
= ρ
xtb
= 821,25 (Kg/m
3
).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :
21
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
25,821
197,1
.
74,0
64,10
.0,51
2
2




= ρ’
xtb
= 953,52 (Kg/m
3
).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :
52,953
772,0
.
74,0
3,10
.0,51'
2
2








=
k
h
= 8 (mm.chất lỏng).
b . Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm :
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất
lỏng trên mâm h
l

=
w
L
ow
L
q
h
, (mm.chất lỏng)
Với : + q
L
: lưu lượng của chất lỏng (m
3
/ph).
+ L
w
:chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).
• Xác đònh L
w
:
Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm , nên ta có
phương trình sau :
π
π
.2,0sin
180
.
=−
o
o
o

L
MDR
q
ρ
= 0,0295 (m
3
/ph).
22
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
Suy ra :
3
2
436,0
0295,0
.4,43






=
ow
h
= 7.211 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là:
h
l
= 0,6.(50+7.211) = 34,33 (mm.chất lỏng).
* Phần chưng :

=
ow
h
= 7,444 (mm).
Vậy :Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng :
h’
l
= 0,6.(50+7,444) = 34,466 (mm.chất lỏng).
c . Độ giảm áp do sức căng bề mặt :
Độ giảm áp do sức căng bề mặt được xác đònh theo biểu thức :
lL
R
d
h
.
.54,625
ρ
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

h
= 2,039 (mm.chất lỏng).
• Phần chưng :
* Khối lượng riêng của pha lỏng : ρ’
L
= ρ’
xtb
= 953,52 (Kg/m
3
).
* t’
tb
= 92,425
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
+ Sức căng bề mặt của nước : σ’
N
= 60,149 (dyn/cm).
+ Sức căng bề mặt của rượu : σ’
R
= 16,108 (dyn/cm).
Suy ra :Sức căng bề mặt của chất lỏng ở phần chưng :
RN
RN
''
'.'
'
σσ
σσ
σ

. 9,81 . 953,52 = 412,82 (N/m
2
).
Suy ra :Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp
là :(xem độ giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm
áp tổng cộng của pha khí qua một mâm ở phần chưng )
∑h
tl
= 42. h
tl
+ 11. h’
tl
= 42 . 419,25+11 . 412,82 = 22149,52(N/m
2
).
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
Chọn khoảng cách giữa hai mâm là h
mâm
=300 (mm).
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

/h).
+ S
d
: tiết diện giữa ống chảy chuyền và mâm, khi đó :
S
d
= 0,8 . S
mâm
= 0,8 . π.0,35
2
= 0,3079 (m
2
)
• Phần cất : Q
L
= 60.q
L
= 60 . 0,0295 = 1,77 (m
3
/h).
Suy ra :
2
'
3079,0.100
77,1
.128,0





Suy ra :
2
'
3079,0.100
86,1
.128,0'






=
d
h
= 0,000467 (mm.chất lỏng).
24
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Lê Xuân Hải
Vậy : chiều cao mực chất lỏng trong ống chảy chuyền của mâm xuyên lỗ ở
phần chưng :
h’
d
=50+7,444+44,133+0,000467 = 101,57 (mm.chất lỏng).
Kiểm tra : h’
d
= 101,57 <
150
2
300
2

+ H
n
= 17,074(m).
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP :
1 . Bề dày thân tháp :
Vì tháp chưng cất hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thân hình trụ bằng
phương pháp hàn giáp mối (phương pháp hồ quang ). Thân tháp được ghép với
nhau bằng các mối ghép bích.
Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm và khả năng ăn mòn của etylic đối với
thiết bò, ta chọn vật liệu chế tạo thân tháp là thép không gỉ mã X18H10T.
• p suất tính toán :
Tháp làm việc ở áp suất khí quyển, nên ta chọn áp suất tính toán :
P
tt
=P
cl
+ ∑h
tl
, (N/mm
2
)
Với : P
cl
: áp suất thủy tónh do chất lỏng ở đáy (N/mm
2
).
Chọn áp suất tính toán sao cho tháp hoạt động ở điều kiện nguy hiểm nhất mà
vẫn an toàn nên :
P
cl

Tra tài liệu tham khảo [5], ứng suất tiêu chuẩn đối với thép X18H10T :
[σ]
*
= 142 (N/mm
2
).
Đối với rượu hệ số hiệu chỉnh : η = 1
Vậy : ứng suất cho phép : [σ] = η.[σ]
*
= 142 (N/mm
2
).
• Xác đònh bề dày thân chòu áp suất trong :
25