Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 1
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
Cán bộ hướng dẫn. Nhận xét: ___________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________

Điểm: ___________________ Chữ ký: _______________________________

Cán bộ chấm hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét: ________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________

Điểm: __________________ Chữ ký: _______________________________



Điểm tổng kết: __________________________________

Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 2

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu
ngày càng cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương
pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày
càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly… Tùy
theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp
phù hợp. Đối với hệ Nước – Axit axetic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn,
ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính
tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học
tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể
về: quy trình công nghê, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản
xuất hóa 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 kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước –
Axit axetic có năng suất là 2000 l/h, nồng độ nhập liệu là 20 %( kmol
axit /kmol hỗn hợp, nồng độ sản phẩm đáy là 85 %(kmol axit/kmol hỗn
hợp), hiệu suất thu hồi 96 %. Sử dụng hơi đốt có áp suất 3 at.

Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 3

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 2

GIỚI THIỆU 6
I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: 6
1. Khái niệm: 6
2. Các phương pháp chưng cất: 6
3. Thiết bị chưng cất: 7
II. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU: 7
1. Axit axetic: 7
2. Nước: 8
3. Hỗn hợp nước – axit axetic: 9
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 10
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG 13
I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU: 13
II. SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC : 13
III. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA : 14
1. Tại đỉnh tháp: 14
2. Tại mâm nhập liệu: 14
3. Tại đáy tháp: 15
IV. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT 15
1. Cân bằng nhiệt cho toàn tháp: 16
2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy 16
3. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 17
4. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu 17
XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ CỦA THÁP 18
I. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC: 18
1. Tỉ số hoàn lưu tối thiêu: 18
2. Tỉ số hoàn lưu làm việc : 18
II. TÍNH SỐ ĐĨA LÝ THUYẾT VÀ SỐ ĐĨA THỰC 20
1. Phương trình đường cất và số đĩa lý thuyết : 20
2. Tính toán số mâm thực, vị trí nhập liệu và chiều cao tháp : 21
TÍNH THIẾT BỊ GIẢI NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY THÁP 25

Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 4
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT : 25
1. Khái niệm : 25
2. Phân loại : 25
II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ: 25
1. Hiệu số nhiệt độ trung bình: 26
2. Hệ số truyền nhiệt: 26
3. Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 26
4. Bề mặt truyền nhiệt: 29
5. Cấu tạo thiết bị: 29
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 30
I. THIẾT BỊ ĐUN SÔI ĐÁY THÁP: 30
1. Hiệu số nhiệt độ trung bình: 30
2. Hệ số truyền nhiệt: 30
3. Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 30
4. Cấu tạo thiết bị: 33
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH : 33
1. Hiệu số nhiệt độ trung bình : 33
2. Hệ số truyền nhiệt: 33
3. Tính toán hệ số cấp nhiệt các dòng 33
4. Bề mặt truyền nhiệt: 36
5. Cấu tạo thiết bị: 36
III. THIẾT BỊ ĐUN SÔI DÒNG NHẬP LIỆU : 36
1. Hiệu số nhiệt độ trung bình: 37
2. Hệ số truyền nhiệt : 37
3. Hệ số cấp nhiệt của các dòng : 37
4. Xác định hệ số truyền nhiệt : 39
5. Bề mặt truyền nhiệt : 39
6. Cấu tạo thiết bị : 40

IV. BỒN CAO VỊ : 40
1. Tổn thất đường ống dẫn: 40
2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu; 41
3. Tổn thất trong tháp chưng cất : 42
4. Chiều cao bồn cao vị: 45
V. BƠM : 46
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 5
1. Năng suất: 46
Bơm có năng suất V = 2 m
3
/h 46
2. Cột áp: 46
TÍNH TOÁN VỂ KINH TẾ 49
LỜI KẾT 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
























Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 6
Chương I:
GIỚI THIỆU
I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1. Khái niệm:
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn
hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong
hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau).
Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như
trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự
bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên
giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất
tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau),
còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm:
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít các cấu tử có
độ bay hơi lớn.
 Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ

bay hơi bé.
Đối với hệ Nước – Axit axetic thì:
 Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước.
 Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic.
2. Các phương pháp chưng cất:
2.1. Phân loại theo áp suất làm việc:
- Áp suất thấp
- Áp suất thường
- Áp suất cao
2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc:
- Chưng cất đơn giản
- Chưng bằng hơi nước trực tiếp
- Chưng cất
2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
- Cấp nhiệt trực tiếp
- Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy: Đối với hệ Nước – Axit axetic, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 7
3. Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy
nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt tiếp xúc
pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.
Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha
khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại 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, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
- Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S…

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc 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 nhược điểm của các loại tháp:


Tháp chêm
Tháp mâm xuyên lỗ
Tháp mâm chóp
Ưu
điểm
- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc được với chất lỏng bẩn
nếu dùng đệm cầu có    của
chất lỏng.
- Trở lực tương đối thấp.
- Hiệu suất khá cao.
- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.
Nhược
điểm
- Do có hiệu ứng thành  hiệu
suất truyền khối thấp.
- Độ ổn định không cao, khó vận
hành.
- Do có hiệu ứng thành  khi tăng
năng suất thì hiệu ứng thành tăng
 khó tăng năng suất.

- Thiết bị khá nặng nề.
- Không làm việc được
với chất lỏng bẩn.
- Kết cấu khá phức tạp.
- Có trở lực lớn.
- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp.
Vậy: Sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Nước – Axit axetic.
II. GIỚI THIỆU SƠ BỘ VỀ NGUYÊN LIỆU:
1. Axit axetic:
1.1. Tính chất:
Là 1 chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, khối lượng riêng 1049.7 kg/m
3
(ở
20
o
C)
Khi hạ nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có T
o
nc
= 16.635
0
C –
0.002
o
C, T
o
sôi = 118
o

C.
Tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào.
Là 1 axit yếu, hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25
o
C là K = 1.75x10
5
.
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 8
Tính ăn mòn kim loại:
 Axit axetic ăn mòn sắt.
 Nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết.
Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic với sự hiện diện của không khí.
 Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối với axit axetic.
1.2. Điều chế:
Axit axetic được điều chế bằng cách:
1) Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai đoạn trung
gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic.
CH
3
CHO + ½ O
2
= CH
3
COOH
C
2
H
5
OH + O

2
= CH
3
COOH + H
2
O
2) Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen.
Sự oxy hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat. Người
ta thao tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80
o
C để ngăn chặn sự hình thành peroxit. Hiệu
suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết. Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit
axetic kết tinh được.
CH
3
CHO + ½ O
2

 
C80ôûaxetatCoban
o
CH
3
COOH
3) Tổng hợp đi từ cồn metylic và Cacbon oxit.
Hiệu suất có thể đạt 50 – 60 % so với lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn
metylic qua xúc tác.
Nhiệt độ từ 200 – 500
o
C, áp suất 100 – 200atm:

CH
3
OH + CO  CH
3
COOH
với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat, kim loại 2 và 3 hóa trị (chẳng
hạn sắt, coban).
1.3. Ứng dụng:
Axit axetic là một axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ. Axit axetic tìm được rất
nhiều ứng dụng vì nó là loại axit hữu cơ rẻ tiền nhất. Nó được dùng để chế tạo rất nhiều hợp
chất và ester. Nguồn tiêu thụ chủ yếu của axit axetic là:
 Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4.5% axit axetic).
 Làm đông đặc nhựa mủ cao su.
 Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa.
 Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat.
 Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.
 Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)
 Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan được
nhiều loại nhựa xenlulozơ.
2. Nước:
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng
khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 9
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau.
Tính chất vật lý:
Khối lượng phân tử : 18 g / mol
Khối lượng riêng d
4
0

c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 0
0
C
Nhiệt độ sôi : 100
0
C
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất
cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất quan
trọng trong kỹ thuật hóa học.
3. Hỗn hợp nước – axit axetic:
Hỗn hợp có thành phần cân bằng giữa pha lỏng (x) – pha hơi (y) và nhiệt độ sôi (Bảng IX-2a,
trang 145, [5]) ở áp suất 1 atm :
x
0
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
y
0
9.2

16.7
30.3
42.5
53
62.6
71.6
79.5
86.4
93
100
T
118.1
115.4
113.8
110.1
107.5
105.8
104.4
103.3
102.1
101.3
100.6
100
Đồ thị cân bằng nước – axit axetic:

Hình 1: Đồ thị cân bằng lỏng – hơi axit axetic - nước

0
5
10

15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
y
x
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 10
Chương II:

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu.
2. Bơm.

3. Bồn cao vị.
4. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu.
5. Bẩy hơi.
6. Lưu lượng kế.
7. Nhiệt kế.
8. Tháp chưng cất.
9. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
10. Áp kế.
11. Thiết bị đun sôi đáy tháp.
12. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.
13. Bồn chứa sản phẩm đáy.
14. Bộ phận chia dòng.
15. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.

Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 11
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 12
Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 80 % (theo phần mol), nhiệt độ khoảng
27
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Sau đó, hỗn hợp
được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (4), rồi được đưa vào
tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống.
Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi
giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm
nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) lôi cuốn cấu tử dễ bay
hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt
độ sôi cao là axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu

tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ ~ 99 % phần mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9)
và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa
trên cùng. 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 (axit axetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 15 % phần mol,
còn lại là axit axetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11). Trong nồi đun
dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra
khỏi nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), được làm nguội đến 40
0
C, rồi được
đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm đáy là
axit axetic được giữ lại.



















Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 13
Chương III:
CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU:
Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ.
Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước.
Hỗn hợp:





)mol/g(18MOH:Nöôùc
)mol/g(60MCOOHCH:axeticAxit
N2
A3

▪ Năng suất nhập liệu: G
F
= 2.0 (m
3
/h)
▪ Nồng độ nhập liệu: x
F
= 54.54 % (kg nước/ kg hỗn hợp) ,
x
F
= 0.8 (kmol nước/ kmol hỗn hợp

▪ Độ thu hồi : 
▪ Nồng độ sản phẩm đáy: x
W
= 5.03% (kg nước/ kg hỗn hợp)
x
W
= 0.15 (kmol nước/ kmol hỗn hợp)
▪ Chọn:
 Nhiệt độ nhập liệu: t
FV
= 27
o
C
 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp:
 Ap suất hơi đốt : P
h
= 3 at
Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t
WR
= 40
o
C
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t
V
= 27
o
C
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t

R
= 50
o
C
Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t
V
= 27
o
C
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t
R
= 50
o
C
▪ Các ký hiệu:
 G
F
, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
 G
D
, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.
 G
W
, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.
 x
i
, x
i
: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.

II. SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY THU ĐƯỢC :
Tra bảng 1.82, trang 53, [5]:
 Khối lượng riêng của nước ở 27
o
C: 
hh
= 1048.3 (kg/m
3
)
Năng suất nhập liệu: G
F
= 2 (m
3
/h)

1048.3 (kg/m
3
) = 2096.61 (kg/h)
Khối lượng mol trung bình của nhập liệu:


F
= x
F.
M
H20
+ (1- x
F
).M
CH3COOH

= 0.8 x 18 + (1-0.8) x 60 = 26.4 (kg/kmol)
Số mol nhập liệu: F =




=


= 79.416 (kmol/h)
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 14
Độ thu hồi: 






từ đó suy ra:
W =








=



= 17.939 (kmol/h)
Chưng cất gián đoạn: F = D + W, do đó: D = F – W = 79.416 – 17.939 = 61.478 (kmol/h)
Mà: F.x
F
= D.x
D
+ W.x
w
nên ta có:
x
D
=





= 0.9897 (kmol nước / kmol hỗn hợp)
Từ đó ta cũng xác định được các thông số:


D
= 0.9663 (kg nước / kg hỗn hợp) , 

D
= 18.43 (kg/ kmol)
III. XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA :
Coi lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp (chưng và cất) là không đổi.

1. Tại đỉnh tháp:







Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau.
 Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau:
M
HD
= M
LD
= x
D
. M
N
+ (1 – x
D
). M
A

= 0.9897x18 + (1 – 0.9897) x 60 = 18.43 (kg/kmol)
Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp:
n
HD
= (R +1) D = (3.515 + 1) x 61.48 = 277.573 (kmol/h)
Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp:
G

HD
= n
HD
x M
HD
= 277.573 x 18.43 = 5115.68 (kg/h)
Suất lượng mol của dòng hoàn lưu:
n
L
= RG
D
= 3.515 x 61.48 = 216.095 (kmol/h)
Suất lượng khối lượng của dòng của dòng hoàn lưu:
G
L
= n
L
x M
HD
= 216.095 x 18.43 = 3982.64 (kg/h)
2. Tại mâm nhập liệu:






n
HD


L
n
HF

n
LF

F
n
HF

n’
LF

n
HD

L
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 15
Xét tại một mâm nhập liệu ta có:
n
LF
= L = 216.095 kmol/h
n’
LF
= L + F = 216.095 + 79.417 = 295.512 (kmol/h)
n
HF
= n

HD
= 277.573 kmol/h
3. Tại đáy tháp:







Vì tại đáy tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau.
 Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đáy tháp là bằng nhau:
M
HW
= M
LW
= x
W
. M
N
+ (1 – x
W
). M
A

= 0.15 x 18 + (1 – 0.15) x 60 = 53.7 (kg/kmol)
Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy:
W = 17.939 (kmol/h)
Và: n
LW

= n’
LF
= 295.512(kmol/h)
n
HW
= n
HF
= n
HD
= 277.573 (kmol/h)
IV. TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT
Chọn hơi đốt là hơi nước ở 3 at
Tra bảng 1.251, trang 314, [5]:
 Nhiệt hóa hơi:
OH
2
r
= r
n
= 2171000 (J/kg)
 Nhiệt độ sôi:
OH
2
t
= t
n
= 132.9 (
o
C)
Sử dụng đồ thị T-x, y của hỗn hợp nước – axit axetic ta có:

Dòng sản phẩm tại đáy có nhiệt độ:
 Trước khi vào nồi đun (lỏng): t
S1
= 112
o
C
 Sau khi được đun sôi (hơi): t
S2
= 114.17
o
C
 Với x
F
= 0.8  t
FS
= 101.3
o
C
x
W
= 0.15  t
WS
= 112
o
C
x
D
= 0.9897  t
DS
= 100.09

o
C
Nội suy các giá trị nhiệt dung riêng của nước (bảng 1.249, trang 310, [5]), axit axetic
(bảng 1.154, trang 172, [5]), nhiệt hóa hơi của nước (bảng 1.250, trang 312, [5]),
nhiệt hóa hơi của axit axetic (toán đồ 1.65, trang 255, [5]). Sử dụng các công thức
tính enthanpy và nhiệt hóa hơi sau :
 h
FS
= c
F
.t
FS
= [
AFNF
c)x1(cx 
] t
FS

n
HW

n
LW

W
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 16
 h
WS
= c

W
.t
WS
= [
AWNW
c)x1(cx 
] t
WS

 h
DS
= c
D
.t
DS
= [
ADND
c)x1(cx 
] t
DS

 r
D
=
ADND
rxrx )1( 

Ta được bảng giá trị các dòng sau:
Dòng
Phần

mol
nước (x)
Phần
khối
lượng
Nhiệt
độ
NS khối
lượng
kg/h
NS mol
kmol/h
Enthap
y trạng
thái sôi
Ẩn
nhiệt
hóa hơi
Nhập liệu ( F)
0.80
0.545
101.30
2096.61
79.42
345.47

Sản phẩm đáy ( W)
0.15
0.050
112.00

963.32
17.94
289.03

Sản phẩm đỉnh ( D)
0.99
0.966
100.09
1133.29
61.48
416.37
2196.88
Nước lạnh 27
o
C


27.00


113.16

Nước lạnh 50
o
C


50.00



209.50

Hơi đốt ở 3 at


132.90


2171.00

Dòng sản phấm sau
làm lạnh (40
o
C)


40.00


88.18

Dòng nhập liệu
trước khi đun


27.00


86.46


Bảng 1 : Thông số nhiệt động các dòng
1. Cân bằng nhiệt cho toàn tháp:
Q
đ
+ G
F
h
FS
= (R+1) G
D
r
D
+ G
D
h
DS
+ G
W
h
WS
+ Q
m

Giả sử Q
m
= 0,05Q
đ
 0,95Q
đ
= (R+1) G

D
r
D
+ G
D
(h
DS
– h
FS
) + G
W
(h
WS
– h
FS
)
Nhiệt lượng cần cung cấp:
Q
đ
=
95,0
)hh(G)hh(GrG)1R(
FSWSWFSDSDDD

= 11859454.89 (kJ/h)
Nếu là nhiệt lượng trong giây sẽ là: Q
đ
= 3294.293 kJ/s
Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Q
đ

=
OH
2
G
.
OH
2
r

Vậy lượng hơi nước cần dùng là:
2171
293.3294
2
2

OH
ñ
OH
r
Q
G
= 1.5174 (kg/s)
2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Q
ll
= G
W
(h
WS
– h

WR
) = G
ll
(h
R
– h
V
)
Lượng nhiệt trao đổi: Q
ll
= G
W
(h
WS
– h
WR
) = 193486.66(kJ/h)
Tính trong giây sẽ là: Q
ll
= Q
ll
/ 3600 = 53.746 (kJ/s)
Suất lượng nước lạnh cần dùng:
VR
ll
hh
Q
G



= 0.5579 (kg/s)
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 17
3. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Q
nt
= (R + 1)G
D
r
D
= G
n
(h
R
– h
V
)
Lượng nhiệt trao đổi: Q
nt
= (R + 1)Dr
D
= 11240507.12 (kJ/h)
Tính trong giây sẽ là: Qnt = 3122.363 (kJ/s)
Lượng nước cần dùng:
VR
nt
n
hh
Q
G



= 32.41(kg/s)
4. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
Q = G
F
(h
FS
– h
FV
) = G
n
r
n

Lượng nhiệt trao đổi Q = G
F
(h
FS
– h
FV
) = 543051.88 (kJ/h)
Tính trong giây sẽ là : Q = 250.139 (kJ/s)
Lượng hơi đốt cần dùng:
n
n
r
Q
G 
= 0.0695 (kg/s)




























Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 18
x

F

Chương IV:
XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ CỦA THÁP
I. XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU LÀM VIỆC:
1. Tỉ số hoàn lưu tối thiêu:
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 định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm…) là
tối thiểu.
Xác định giá trị 


từ đồ thị cân bằng lỏng hơi:

Hình 2 : Đồ thì cân bằng pha của hệ Nước - Axit axetic
Dựa vào hình 1, ta xác định 


= 0.8554
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
8.08554.0
8554.09897.0
*
*
min







FF
FD
xy
yx
R
= 2.424
2. Tỉ số hoàn lưu làm việc :
Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bị ngưng tụ ,nồi đun và công để
bơm cũng tăng theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu
toàn phần ,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu .
Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành. Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng
với tổng chi phí là cực tiểu.
Tuy nhiên, đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm soát nên người ta có thể
tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất .Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp
theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ
số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn R
th
ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất.
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 19
Nhận thấy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ với lượng
lỏng hồi lưu trong tháp, do trong điều kiện làm việc nhất định thì G
D
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 vị chuyển khối m
ox
hay số mâm lý thuyết N
lt

.Cho nên ,thể tích làm việc của
tháp tỉ lệ với tích số N
lt
*(R+1) .Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và V
tháp
theo quan
hệ R và N
lt
*(R+1) .Từ đồ thị của quan hệ này ,ta xác định được điểm cực tiểu của N
lt
*(R+1)
ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R .
Do giá trị R chạy từ 1.1 R
min
đến 3 R
min
nên ta xét bảng các giá trị R sau:
STT
Tỉ số
R
Phương trình đường cất
N
lt

N
lt
*(R+1)
1
1.1
2.6664

y =
0.72725
x +
0.26993
34
124.6576
2
1.4
3.393601
y =
0.7724
x +
0.22525
26
114.2336
3
1.7
4.120801
y =
0.80472
x +
0.19326
23
117.7784
4
2
4.848001
y =
0.829
x +

0.16923
21
122.808
5
2.3
5.575201
y =
0.84791
x +
0.15051
19
124.9288
6
2.6
6.302401
y =
0.86306
x +
0.13553
19
138.7456
7
2.9
7.029601
y =
0.87546
x +
0.12325
18
144.5328

Tối ưu
1.45
3.514801
y =
0.77851
x +
0.2192
25
112.87
Bảng 2: Mối liên hệ giữa R và V tháp

Hình 3: Mối liên hệ giữa V và tỉ lệ R/Rmin
Dựa vào đồ thị ta có:
Tỉ lệ tối ưu là 1.45 ứng với R = 1.45 x 2.424 = 3.515
110
115
120
125
130
135
140
145
150
1 1.4 1.8 2.2 2.6 3
n
lt
*(R+1)
Tỉ số
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 20

II. TÍNH SỐ ĐĨA LÝ THUYẾT VÀ SỐ ĐĨA THỰC
1. Phương trình đường cất và số đĩa lý thuyết :
Phần cất:
1515.3
9897.0
1515.3
515.3
11 






 x
R
x
x
R
R
y
D

= 0.7785x + 0.2192
Phần chưng:
15.0
1515.3
2918.11
1515.3
2918.1515.3

1
1
1












 xx
R
f
x
R
fR
y
W

= 1.0646x – 0.00969
Từ phương trình đường luyện và đường cân bằng (đồ thì x – y) của axit axetic và nước ta
có được số bậc lý thuyết đối với phần chưng và phần cất của tháp:
Phần chưng

Hình 4: Phần chưng của tháp nước - axit axetic

Đường chưng:
Y = 1.0646x – 0.00969
Phần cất
Phần chưng
Số mâm lý thuyết: 8
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 21
Phần cất được phóng lớn:

Hình 5 : Phần cất phóng to
Tứ đó ta có được số mâm lý thuyết trong quá trình chưng cất dung dịch axit axetic – nước
là 25 mâm gồm: 17 mâm cất và 8 mâm chưng.
2. Tính toán số mâm thực, vị trí nhập liệu và chiều cao tháp :
a/ Tính toán hiệu suất trung bình mâm ở tại các vị trí nhập liệu, đỉnh và đáy:
 Vị trí đỉnh tháp :
 Tại đỉnh tháp có x = 0.9897, từ đường cân bằng ta có giá trị y* = 0.9926 do đó :

F
=












= 1.397
 Nhiệt độ sôi của hỗn hợp là t = 100.009
o
C
 Tra bảng 1.104, trang 96, [5]  Độ nhớt của nước 
NF
= 0.283766(cP)
 Dùng toán đồ 1.18, trang 90, [5]  Độ nhớt của axit axetic 
AF
= 0.46 (cP)
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
lg
hh
= x
1
lg
1
+ x
2
lg
2
(công thức (I.12), trang 84, [5])
Nên: lg
F
= 0.9897 lg0.283766+ (1 – 0.9897) lg0.46
 
F
= 0.28518 (cP)
 
F


F
= 0.39848
Tra hình 6.4, trang 257, [4]  
F
= 0.618
Phần luyện (phóng to)
Số mâm lý thuyết: 17
Đường cất:
Y = 0.77851x + 0.2192

Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 22
 Vị trí nhập liệu và vị trí đáy tháp ta có bảng giá trị sau :
Giá tri
Vị trí
x
y*
t
F


F


N


A



hh

a
F
*n
F


Nhập liệu
0.800
0.855
101.300
1.479
0.281
0.440
0.307
0.454
0.600
Đáy tháp
0.150
0.237
112.000
1.758
0.253
0.385
0.361
0.635
0.550
Hiệu suất trung bình của mâm là:


tb
= (






Số mâm của từng phần:
Phần chưng: 8/ 0.5893 = 13.57, làm tròn là 14 mâm
Phần cất: 17/ 0.5893 = 28.84, làm tròn là 29 mâm
Tổng số mâm của tháp là: 43 mâm
Vị trí nhập liệu là mâm số 15
b/ Tính toán chiều cao tháp:
Đường kính tháp :
Phần cất:
 Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần cất:
2
8.09897.0
2




FD
L
xx
x
= 0.895 (mol nước/ mol hỗn hợp)

Dựa vào hình 6
 Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần cất: T
LL
= 101.3 (
o
C)
Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong cất:
2
966.0545.0
2




FD
L
xx
x
= 0.756 (kg nước/ kg hỗn hợp)
Tra bảng 1.249, trang 310, [5]
 Khối lượng riêng của nước ở 101.3
o
C: 
NL
= 951.962 (kg/m
3
)
Tra bảng 1.2, trang 9, [5]
 Khối lượng riêng của axit axetic ở 101.3: 
AL

= 955.66 (kg/m
3
)
Áp dụng trong công thức (1.2), trang 5, [5]:
66.955
756.01
962.951
756.0
1
1 



AL
L
NL
L
LL
xx

 
LL
= 952.862 (kg/m
3
)
 Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần cất:
y
L
= 0.779 x 0.895 + 0.219 = 0.916
Dựa vào hình 6

 Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần cất: T
HL
= 101.07 (
o
C)
Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần cất:
M
HL
= y
L
. M
N
+ (1 – y
L
). M
A

= 0.916 x 18 + (1 – 0.916) x 60 = 21.535 (kg/kmol)
Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần cất:
Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 23
)27307.101(
273
4,22
535.211



HL
HL

HL
RT
PM

= 0.702 (kg/m
3
)

Hình 6 : Giản đồ T-x, y của hệ nước - axit axetic
Tính vận tốc pha hơi đi trong phần cất:
Tra bảng IX.4a, trang 169, [6] :Với đường kính tháp trong khoảng 1.2  1.4(m) thì
khoảng cách mâm là: h = 400 (mm) = 0.4 (m)
Tra đồ thị 6.2, trang 256, [4]  C = 0.057
Vận tốc pha hơi đi trong phần cất:
702.0
862.952
032,0
HL
LL
L
C



= 2.101 (m/s)
Tính đường kính phần cất:
Suất lượng mol của pha hơi trong phần cất: n
HL
= n
HD

= 277.561 (kmol/h)
Suất lượng thể tích của pha hơi trong phần cất:
13600
)2733.101(
273
4,22
561.277
3600 




P
RTn
Q
HLHL
HL
= 2.366 (m
3
/s)
Đường kính phần cất:
101.2
366.24
4





L

HL
L
Q
= 1.198 (m)
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
T
x,y

Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 24
Phần chưng:
Tính toán tương tự như phần chưng, ta có

x
c

x
C

T
LC


NC


AC


LC

0.475
0.153
104.8
954.552
949.36
950.148


y
c

T
HC

M
HC


HC


C

Q
HC


C

0.496
107
39.168
1.257
1.567
2.403
1.397

Vì 

L
 
C
 ta có thể lấy đường kính của toàn tháp là đường kính của phần chưng
Chọn  = 1.4 (m)
Kết luận: đường kính tháp là  = 1.4 (m)
Vận tốc pha hơi trong phần chưng và phần luyện theo thực tế:
22
4.1
403.24
4





HC
C
Q
= 1.561 (m/s)
22
4.1
366.24
4





HL

L
Q
=1.537 (m/s)
Chiều cao tháp:
Chiều cao thân tháp: H
thân
= (n
tt
–1) h + 1 = (43-1) x 0.4 + 1 = 17.8 (m)
Chọn đáy (nắp) ellip tiêu chuẩn có

t
h
= 0, 25  h
t
= 0.25 x 1.4 = 0.35 (m)
Chọn chiều cao gờ: h
g
= 50mm = 0.05 (m)
Chiều cao đáy (nắp): H
đn
= h
t
+ h
g
= 0.35 + 0.05 = 0.4 (m)
Kết luận:
Chiều cao toàn tháp: H = H
thân
+ 2H

đn
= 17.8 + 2 x 0.4 = 18.6 (m)















Chưng cất Acid axetic - Nước GVHD: Vũ Bá Minh
Trang 25
Chương V:
TÍNH THIẾT BỊ GIẢI NHIỆT SẢN PHẨM ĐÁY THÁP
I. ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT :
1. Khái niệm :
Thiết bị trao đổi nhiệt là một thiết bị được chế tạo cho truyền nhiệt hiệu quả bộ phận này
sang bộ phận khác. Vật trung gian truyền nhiệt có thể được ngăn cách bởi một bức vách rắn
để chúng không pha trộn vào, hoặc họ có thể tiếp xúc trực tiếp. Thiết bị trao đổi nhiệt được sử
dụng rộng rãi trong sưởi ấm không gian, điện lạnh, điều hòa nhiệt độ, nhà máy hóa chất, nhà
máy hóa dầu, dầu khí nhà máy lọc dầu, khí tự nhiên, chế biến và xử lý nước thải.
2. Phân loại :
Theo công dụng, thiết bị trao đổi nhiệt được chia thành:

- Thiết bị ngưng tụ
- Thiết bị bốc hơi
- Tháp rê
- Thiết bị đun nóng, làm nguội, làm lạnh
- Thiêt bị bức xạ nhiệt
Theo cấu tạo, thiết bị trao đổi nhiệt được chia thành:
- Loại kín : vỏ ống, ống lồng ống, ống xoắn , tấm bản …
- Loại nửa kín : thiết bị làm lạnh không khí, thiết bị ngưng tụ bằng không khí hay
máng xối nước
- Loại hở : cho phép hai dòng lưu chất tiếp xúc với nhau
Tùy theo mục đích sử dụng, diện tích bề mặt truyền nhiệt cần thiết cũng như lượng nhiệt
trao đổi là nhiều hay ít mà người ta chọn các loại thiêt bị trao đổi nhiệt khác nhau, tuy
nhiên dạng thiết bị trao đổi nhiệt dạng kín là loại được sử dụng nhiều nhất.
Ví dụ:
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng TH: F = 1m
2
– 194m
2
, lượng nhiệt trao đổi lớn, hay dùng
cho thiết bị ngưng tụ.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng TU: F = 11m
2
-1361 m
2
, lượng nhiệt trao đổi lớn, hay dùng
cho thiết bị ngưng tụ.
Thiết bị truyền nhiệt dạng ống lồng ống: F = 1 m
2
– 20 m
2

, lượng nhiệt trao đổi vừa
phải, thường dùng để giải nhiệt hoặc đun nóng, dùng 2 dòng một pha.
II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ:
Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đáy là thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống.
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép INOX 304
 Kích thước ống trong: 26.7 x 2.11
 Kích thước ống ngoài: 42.2 x 2.77
Chọn:
 Nước làm lạnh đi trong ống trong với nhiệt độ vào t
V
= 27
o
C và nhiệt độ ra t
R
= 50
o
C.
 Sản phẩm đáy đi trong ống ngoài với nhiệt độ vào t
WS
= 112
o
C và nhiệt độ ra t
WR
= 40
o
C.
Suất lượng nước làm lạnh cần dung: G
ll
= 2008.373 (kg/h) hay 0.55788 (kg/s)