BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CƠNG NGHỆ
BỘ MƠN KỸ THUẬT CƠ KHÍ
------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MÁY CƠ QUAY
DÙNG CHO PHỊNG THÍ NGHIỆM

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Ths. Võ Mạnh Duy
44

NHĨM SV THỰC HIỆN:
Dương Tuấn Khải; MSSV: B1803260
Ngô Như Ngoan; MSSV: B1803415
Ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy – Khóa:


Tháng 12/2021

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

–2–


Lời cảm ơn

LỜI CẢM ƠN
Quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp là giai đoạn quan trọng nhất trong
quãng đời mỗi sinh viên. Luận văn tốt nghiệp là tiền đề nhằm trang bị cho chúng em
những kỹ năng nghiên cứu, những kiến thức quý báu trước khi lập nghiệp.
Chúng em xin trân trọng cảm ơn thầy Võ Mạnh Duy đã tận tình giúp đỡ, định
hướng cách tư duy và cách làm việc khoa học. Đó là những góp ý hết sức q báu
khơng chỉ trong q trình thực hiện luận văn này mà còn là hành trang tiếp bước cho
em trong quá trình học tập và lập nghiệp sau này.
Và hơn hết, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn trân trọng đến quý thầy cô trường
Đại học Cần Thơ đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt những kiến thức quý báo cho chúng
em trong thời gian vừa qua để chúng em có đủ kiến thức, điều kiện để thực hiện đề tài
này. Đồng thời chúng em cũng rất biết ơn các cán bộ trực ở thư viện khoa công nghệ,
trung tâm học liệu, phòng máy... đã hỗ trợ giúp đỡ chúng em trong thời gian qua.
Đồng cảm ơn đến các tác giả trong các quyển sách báo, internet, anh chị đi
trước đã tìm tịi, nghiên cứu đúc kết kinh nghiệm làm tài liệu để em có thể tham khảo
trong q trình thực hiện đề tài.
Sau cùng tơi xin cảm ơn các bạn cùng lớp Cơ khí chế tạo máy, khoa Cơng nghệ,
trường Đại học Cần Thơ đã tận tình giúp đỡ, hỗ trợ cho tôi thực hiện tiểu luận này.
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2021

Sinh viên thực hiện

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)


(Ký và ghi rõ họ tên)

Dương Tuấn Khải

Ngô Như Ngoan

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

–3–


Luận văn tốt nghiệp

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

–4–


Luận văn tốt nghiệp

TÓM TẮT
Đề tài luận văn tốt nghiệp “Tính tốn, thiết kế máy cơ quay dùng cho phịng thí
nghiệm”. Gồm các nội dung bắt đầu từ việc tìm hiểu về nguyên lý máy cô quay chân
không, công nghệ chưng cất và chiết xuất. Dựa theo tài liệu của máy cơ quay chân
khơng BUCHI R300 tiến hành tính tốn, thiết kế các thiết bị để cấu thành máy cô
quay. Nêu quy trình sử dụng thiết bị và an tồn khi sử dụng. Mơ hình hóa 3D trên phần
mềm Autodesk Inventor.


Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2021

Sinh viên thực hiện

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký và ghi rõ họ tên)

Dương Tuấn Khải

Ngô Như Ngoan

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

–5–


Luận văn tốt nghiệp

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................i
TÓM TẮT...........................................................................................................................ii
MỤC LỤC......................................................................................................................... iii

DANH MỤC HÌNH............................................................................................................iv
DANH MỤC BẢNG............................................................................................................v
CHƯƠNG I.......................................................................................................................1
TỔNG QUAN....................................................................................................................1
1.1. Giới thiệu sơ lược về máy cơ quay......................................................................1
1.2. Tìm hiểu về cơng nghệ chưng cất và chiết xuất...................................................1
1.3. Phân loại công nghệ chưng cất...........................................................................3
1.5. Tính cấp thiết của đề tài....................................................................................11
1.6. Giới thiệu đề tài................................................................................................12
1.7. u cầu thiết kế.................................................................................................12
CHƯƠNG II.................................................................................................................... 14
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MÁY CƠ QUAY............................................................14
2.1. Tính tốn và thiết kế bể gia nhiệt......................................................................14
2.2. Tính tốn và thiết kế hệ thống lạnh...................................................................16
2.3. Tính tốn và thiết kế chọn bơm chân khơng......................................................25
2.4. Thiết kế bộ ngưng tụ dạng ống lị xo.................................................................27
2.5. Tính tốn và thiết kế motor điện để quay bình cơ quay.....................................29
2.6. Thiết kế giá đỡ cho cụm chi tiết motor, bộ ngưng tụ, bình cơ mẫu và bình hứng
mẫu.......................................................................................................................... 32
2.7. Thiết kế hệ thống điện điều khiển......................................................................34
CHƯƠNG III..................................................................................................................36
MÔ PHỎNG 3D MÁY CÔ QUAY.................................................................................36
3.1. Giới thiệu phần mềm Inventor..........................................................................36
3.2. Các bước mô phỏng 3D máy cô quay trên phần mềm Inventor........................36
3.3. Kiểm tra và đánh giá kết quả thực tế................................................................37
CHƯƠNG IV................................................................................................................... 40
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................40
4.1. Kết luận............................................................................................................. 40
4.2. Kiến nghị........................................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................41


SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

–6–


Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ tháp chưng cất trong cơng nghiệp...................................................4
Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo tháp chưng – bốc hơi...........................................................5
Hình 1.3: Sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi....................................................................7
Hình 1.4: Sơ đồ tháp chưng có hai đường nguyên liệu vào......................................8
Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo máy Cơ – quay...................................................................10
Hình 2.1: Bộ điều khiển nhiệt độ bể gia nhiệt..........................................................16
Hình 2.2: Chu trình biểu diễn trên đồ thị logp-i......................................................21
Hình 2.3: Sơ đồ chu trình lạnh một cấp...................................................................21
Hình 2.4: Bộ ngưng tụ dạng ống lị xo......................................................................28
Hình 2.5: Cụm giá đỡ cho motor, bộ ngưng tụ, bình cơ mẫu và bình hứng mẫu..33
Hình 2.6: Sơ đồ mạch điện tử điều tốc.....................................................................35
Hình 3.1: Chi tiết ống thơng hơi...............................................................................37
Hình 3.2: Kiểm tra ứng suất uốn..............................................................................37
Hình 3.4: Kiểm tra ứng suất kéo...............................................................................38
Hình 3.5: Kiểm tra chuyển vị....................................................................................38
Hình 3.6: Kiểm tra hệ số an tồn..............................................................................38

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngơ Như Ngoan


–7–


Luận văn tốt nghiệp

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Áp suất tuyệt đối để đun sôi các chất ở nhiệt độ 50oC............................13
Bảng 2.1: Các thông số của chế độ làm việc hệ thống lạnh.....................................20
Bảng 2.2: Bảng thơng số chu trình lạnh...................................................................22
Bảng 2.3: Thông số bơm............................................................................................27
Bảng 2.4: Bảng thông số dàn ngưng tụ dạng ống lị xo...........................................29
Bảng 2.5: Bảng các thơng số động cơ.......................................................................29
Bảng 2.6: Bảng thông số ổ lăn...................................................................................32
Bảng 2.7: Bảng kê các chi tiết cho cụm giá đỡ.........................................................33
Bảng 2.8: Thông số bình cơ và bình hứng mẫu.......................................................34
Bảng 3.1: Thơng số kỹ thuật ống thông hơi.............................................................37

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

–8–


Chương I: Tổng quan

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu sơ lược về máy cô quay
Thiết bị bay hơi dạng quay là một thiết bị được sử dụng trong các phịng thí
nghiệm hóa học để loại bỏ dung mơi một cách hiệu quả và nhẹ nhàng khỏi các mẫu

bằng cách bay hơi.
Bay hơi chân khơng giữ vai trị chủ đạo bởi vì trong một hệ kín, áp suất giảm
dẫn tới làm giảm nhiệt độ sơi của các thành phần trong nó. Các thành phần trong mẫu
dung dịch được cô quay bay hơi để loại bỏ dung môi mong muốn từ mẫu dịch chiết, nó
được ứng dụng trong q trình tách chiết một hợp chất tự nhiên hay đơn giản chỉ trong
một bước của tổng hợp hợp chất hữu cơ. Dung mơi hịa tan có thể được loại bỏ nếu
nhiệt độ khơng vượt quá nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ cho phép phụ thuộc vào độ sôi
của hợp chất, chất tan và dung mơi.
Hiện nay có hai loại máy cơ quay chính, một dịng máy loại nhỏ dùng cho các
phịng thí nghiệm có dung tích bình quay từ 0,5 (L) đến 4 (L). Một dịng máy dùng cho
cơng nghiệp với dung tích bình quay có thể lên tới 100 (L).
Các nhà sản xuất máy cơ quay lớn hiện nay có thể kể đến như:


BUCHI, Thụy Sĩ



IKA, Đức



Heildolph Intruments GmbH & Co. KG, Đức



Yamato Scientific, Nhật




BIBBY (Stuart), Anh



KNF, Đức

1.2. Tìm hiểu về cơng nghệ chưng cất và chiết xuất
1.2.1. Công nghệ chưng cất
Chưng cất là quá trình tách các thành phần hoặc chất ra khỏi hỗn hợp lỏng bằng
cách sử dụng phương pháp đun sơi và ngưng tụ có chọn lọc. Q trình chưng cất có
SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngơ Như Ngoan

Trang – 1 –


Chương I: Tổng quan
thể dẫn đến sự phân tách hoàn toàn về cơ bản (các thành phần gần như tinh khiết),
hoặc nó có thể là sự phân tách một phần làm tăng nồng độ của các thành phần được
chọn trong hỗn hợp. Trong cả hai trường hợp, quy trình khai thác sự khác biệt về độ
bay hơi tương đối của các thành phần của hỗn hợp. Trong hóa học cơng nghiệp, chưng
cất là một hoạt động đơn vị có tầm quan trọng thực tế phổ biến, nhưng nó là một q
trình phân tách vật lý, khơng phải là một phản ứng hóa học.
Các ngun tắc của q trình chưng cất. Có hằng loạt phương pháp tách để tách
một hỗn hợp. Tính đặc biệt của chưng cất là dùng năng lượng như là phương tiện trợ
giúp để tách. So với các phương tiện trợ giúp khác, ví dụ như là các chất hấp thụ
hay dung mơi, năng lượng có một ưu thế lớn đó là có thể dễ dàng đưa vào và lấy ra
khỏi một hệ thống. Chưng cất dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các chất lỏng tham
gia. Người ta cũng nói là các chất lỏng có áp suất hơi khác nhau tại cùng một nhiệt độ.
Nếu đưa năng lượng vào hệ thống, vì có áp suất hơi khác nhau, chất có áp suất hơi cao

hơn (nhiệt độ sôi thấp hơn) bốc hơi nhiều hơn các chất khác. Vì thế mà nồng độ của
chất có nhiệt độ sơi thấp hơn trong phần cất cao hơn là ở trong hỗn hợp ban đầu.
Phải phân biệt chưng cất ra thành quy trình một lần, như hay diễn ra trong
phịng thí nghiệm để tách một hóa chất tinh khiết ra khỏi một hỗn hợp, và chưng cất
liên tục, thường diễn ra trong các cột chưng cất của một nhà máy hóa học.


Lặp lại bước tách hỗn hợp: nồng độ của chất cần phải tách có thể được
tiếp tục nâng cao bằng cách tiếp tục chưng cất lại phần cất. Nhiệt độ sơi
khác nhau càng lớn thì người ta cần càng ít lần chưng cất để đạt đến một
nồng độ nhất định.



Chưng cất phân đoạn là một trong những phương pháp kinh điển dùng
để tách các chất bay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào sự khác biệt nhiệt
độ sôi của các chất trong hỗn hợp.



Chưng cất lôi cuốn: phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước dựa trên
sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước của những hợp chất hữu cơ
trong tinh dầu khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao. Sự khuếch tán sẽ
dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng do nguyên liệu tiếp xúc
với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất định.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 2 –



Chương I: Tổng quan


Rượu và các hỗn hợp đẳng phí: ứng dụng lâu đời nhất và đồng thời là
được biết đến nhiều nhất của chưng cất là sản xuất rượu mạnh. Đặc biệt,
một tỷ lệ nhất định của hỗn hợp hai chất lỏng mà không thể tiếp tục tách
bằng phương pháp chưng cất được nữa. Các hỗn hợp này được gọi là
hỗn hợp đẳng phí. Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phải dùng đến các
phương pháp tinh cất đặc biệt khác.

1.2.2. Cơng nghệ chiết xuất
Trong cơng nghệ hóa học chiết xuất được định nghĩa trong trích ly. Trích ly là
quá trình tách một hoặc một số chất tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng mốt chất
lỏng khác – gọi là dung mơi. Nếu q trình tách chất hịa tan trong chất lỏng bằng chất
lỏng thì gọi là trích ly lỏng – lỏng. Nếu q trình tách chất hịa tan trong chất rắn bằng
chất lỏng thì gọi là trích ly rắn – lỏng.
Q trình trích ly được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành cơng nghiệp hóa
chất và thực phẩm. Mục đích:


Tách các cấu tử quý.



Thu được dung dịch có nồng độ đậm đặc (đối với trích ly lỏng - lỏng)




Cững như chưng luyện nó là mốt trong những phương pháp chủ yếu để
phân tách hỗn hợp đồng nhất thành các cấu tử thành phần.

Chất lượng và hiệu quả của một q trình trích ly phụ thuốc chủ yếu vào dung
mơi, nên u cầu chung của dung mơi là:


Có tính hịa tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hịa tan cấu tử cần tách, khơng
hoặc hịa tan rất ít các cấu tử khác.



Khơng độc, khơng ăn mịn thiết bị.



Rẻ và dễ tìm.

Đối với trích ly lỏng – lỏng cịn u cầu khối lượng riêng của dung môi phải
khác xa với khơi lượng riêng của dung dịch.
Sau khi trích ly để thu được cấu tử cần tách ở dạng nguyên chất, phải tách dung
môi ra, thường bằng phương pháp chưng luyện (nếu cấu tử hòa tan cũng bay hơi) hoặc
bằng phương pháp cơ đặc (nếu cấu tử hịa tan khơng bay hơi). Vì vậy để tiết kiệm năng

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngơ Như Ngoan

Trang – 3 –



Chương I: Tổng quan
lượng thì yêu cầu chung đối với dung mơi là có nhiệt dung riêng bé hoặc kết tinh nếu
cấu tử cần tách ra có tính hịa tan hạn chế.
1.3. Phân loại cơng nghệ chưng cất
1.3.1. Mơ hình chưng cất trong công nghiệp
Trong ngành công nghiệp người ta chưng cất hóa chất bằng mơ hình tháp chưng
cất hóa chất.

Hình 1.1: Sơ đồ tháp chưng cất trong cơng nghiệp

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 4 –


Chương I: Tổng quan
Q trình hoạt động của tháp có thể tóm tắt như sau: Nguyên liệu trước khi đưa
vào tháp được nâng tới nhiệt độ thích hợp nhờ hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt và lò đốt.
Tại đĩa tiếp liệu các cấu tử có nhiệt độ sơi thấp sẽ bay hơi và ngưng tụ ở các đĩa phía
trên tháp. Phần các cấu tử nặng hơn, có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ chảy xuống phần trong
của tháp (stripping section). Để phân tách các cấu tử nhẹ còn chứa trong phần nặng, ở
đáy tháp thường lắp đặt một thiết bị gia nhiệt trực tiếp hay gián tiếp tùy thuộc vào ứng
dụng cụ thể.
Để điều khiển nhiệt độ của tháp, dọc theo thân tháp người ta bố trí các bơm
tuần hoàn để lấy pha lỏng từ trong tháp ra để làm nguội khi cần thiết, nhằm mục đích
tách các phân đoạn nằm trong các khoảng nhiệt độ sôi phù hợp với điểm cắt thiết kế.
Sản phẩm đỉnh sau khi ngưng tụ được hồi lưu một phần trở lại tháp nhằm điều chỉnh
hoạt động của tháp phù hợp. Các sản phẩm lấy ra từ một tháp này có thể tiếp tục được
đưa sang tháp khác phân tách tiếp thành các phân đoạn nhỏ hơn hoặc tách triệt để các

tạp chất.
Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng nhiều lần
(chưng luyện). Khi tiến hành chưng hoặc chưng luyện cần phân biệt theo:


p suất làm việc: chân không, áp suất thường, áp suất cao



Số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ 2 cấu từ, hệ có 3 hoặc ít hơn 10 cấu
tử, hệ có nhiều hơn 10 cấu tử.



Phương thức làm việc liên tục hay gián đoạn.

1.3.1.1. Tháp chưng – bốc hơi
Tháp chưng - bốc hơi làm việc như tháp chưng liên tục, dịng khí ngun liệu
đã được làm lạnh sơ bộ tại thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhờ dịng khí đã được tách,
được đưa vào phần giữa của tháp. Trên đỉnh tháp được làm lạnh bằng chu trình làm
lạnh ngồi, hỗn hợp khí được ngưng tụ hồi lưu trở về đĩa trên cùng của tháp chưng.
Khí sản phẩm đã tách được dẫn theo đường II sau khi đã truyền lạnh cho khí nguyên
liệu tại thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 5 –



Chương I: Tổng quan

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo tháp chưng – bốc hơi

Trong đó:


1: Thiết bị trao đổi nhiệt.



2: Tháp chưng – bốc hơi.



3: Thiết bị tách.



4: Chu trình làm lạnh ngồi.



I: Khí ngun liệu.



II: Khí đã tách.




III: Ống truyền nhiệt.



IV: Hidrocacbon nặng.



V: Hồi lưu.

1.3.1.2 Tháp ngưng tụ - bốc hơi
Tháp ngưng tụ - bốc hơi khác với tháp chưng – bốc hơi ở chỗ hỗn hợp khí
nguyên liệu đầu được trộn với sản phẩm đỉnh tháp, sau khi làm lạnh bằng chu trình
làm lạnh ngồi bằng propan được đưa vào đĩa trên cùng của tháp chưng. Trên hình 1.
là sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi. Trong sơ đồ này sản phẩm đỉnh tháp được trộn với
SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 6 –


Chương I: Tổng quan
dịng khí ngun liệu, qua chu trình làm lạnh ngồi có độ âm cần thiết, hỗn hợp đưa
qua thiết bị tách 2, phần khí sản phẩm đưa ra theo đường VI, còn phần lỏng được đưa
vào đĩa trên cùng của tháp ngưng tụ - bốc hơi. Trong quá trình làm việc của tháp
chưng, việc tăng áp suất sẽ làm giảm không đáng kể năng lượng cho công đoạn làm
lạnh, nhưng năng lượng tiêu tốn chung cho quá trình sẽ giảm đáng kể vì quá trình
được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn. Chỉ số hồi lưu tính tốn trong khoảng 1,55 - 1,78.
Thơng thường trong cơng nghiệp tháp chưng có 13 đến 17 đĩa lý thuyết. Các

thơng số của quá trình như sau: nhiệt độ đỉnh tháp (-23 oC) – (-30oC), áp suất trong tháp
2,5 - 3,5 (MPa).

Hình 1.3: Sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi

Trong đó:


1: Tháp tách.



2: Chu trình làm lạnh ngồi.



3: Tháp ngưng tụ bốc hơi.



I: Khí nguyên liệu.



II: Khí đã tách.



III: Ống truyền nhiệt.




IV: Hydrocacbon nặng.



V: Hồi lưu.



VI: Sản phẩm đỉnh tháp.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 7 –


Chương I: Tổng quan
Sơ đồ tháp chưng - bốc hơi có ưu điểm là tận dụng được dịng sản phẩm ra để
làm lạnh ngưng tụ nguyên liệu đầu, hiệu suất tách cao do có hồi lưu sản phẩm đỉnh.
Cịn sơ đồ tháp ngưng tụ - bốc hơi lại có ưu điểm là chỉ sử dụng một thiết bị làm lạnh
vừa hồi lưu sản phẩm đỉnh, vừa ngưng tụ khí nguyên liệu đầu, thiết bị đơn giản hơn so
với tháp chưng - bốc hơi. Để tận dụng được các ưu điểm của cả 2 sơ đồ này, người ta
đã nghiên cứu sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp với 2 đường nguyên liệu vào tháp.
1.3.1.3 Tháp chưng cất có hai đường đưa nguyên liệu vào tháp

Hình 1.4: Sơ đồ tháp chưng có hai đường nguyên liệu vào

Trong đó:



1: Thiết bị trao đổi nhiệt.



2: Thiết bị tách 3 pha.



3: Làm lạnh bằng propan.



4: Thiết bị bơm.



5: Tháp chưng.



6: Đun nóng đáy tháp.



I: Khí ngun liệu.




II: Khí khơ.



III: Phân đoạn hydrocacbon nặng.



IV: DEG thu hồi.



V: DEG 98%.



VI: Chất tải nhiệt.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 8 –


Chương I: Tổng quan
Trên hình 1. là sơ đồ chưng cất nhiệt độ thấp với hai đường đưa nguyên liệu vào
tháp. Sơ đồ này hợp lí hơn sơ đồ 1 đường nguyên liệu vào tháp về mặt động học, tiết
kiệm khoảng 10% năng lượng, và quá trình được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn.



Một dịng khơng làm lạnh đi vào phần giữa của tháp, chiếm 60% thể tích
dịng tổng.



Dịng thứ 2 chiếm 40% dòng tổng, được làm lạnh trong thiết bị trao đổi
nhiệt 1 bởi dịng khí đi ra từ đỉnh tháp 5, sau đó được trộn với sản phẩm
đỉnh tháp trong thiết bị bay hơi propan 2 đến nhiệt độ -250 oC, một phần
bị ngưng tụ. Hỗn hợp 2 pha từ từ thiết bị bay hơi propan được dẫn vào
tháp tách 3, tại đây, khí được tách khỏi condensate. Khí sau khi truyền
phần lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt 1 được đưa đi sử dụng. Phần lỏng
qua bơm 4 đi vào phần trên của tháp 5.

Nhiệt độ tháp tách 3 được duy trì ở -27 oC. Sản phầm đỉnh tháp chưng 5 được
hỗn hợp với dịng khí nguyên liệu đã qua làm lạnh 1. Nhiệt độ cung cấp cho đáy tháp 5
do dịng chảy tuần hồn qua thiết bị đun nóng 6. Nhiệt độ đáy tháp là 100 oC. Từ đáy
tháp nhận được phân đoạn hydrocacbon nặng.
1.3.2. Thiết bị chưng cất dùng trong phịng thí nghiệm (Máy Cô – quay)
Máy cô quay chân không từ lâu đã là thiết bị cơ bản khơng thể thiếu trong
phịng thí nghiệm và ngành cơng nghiệp phân tích hóa học bao gồm: phịng thí nghiệm
hóa phân tích, mơi trường, vật liệu, khoa học sự sống,… Máy cơ quay cịn được sử
dụng trong lĩnh vực khoa học ẩm thực (molecular cooking) trong các bước sơ chế để
làm chưng cất và tách chiết. Đặc biệt, được dùng rất nhiều trong các phịng thí nghiệm
hóa học của các cơ sở giáo dục để loại bỏ hiệu quả và dễ dàng dung môi khỏi mẫu
bằng cách bay hơi nhằm mục đích nghiên cứu.
Trên thế giới, ở các nước tiên tiến họ đã chế tạo thành công máy cô quay từ rất
lâu, một hệ thống cô quay bay hơi đơn giản được phát minh bởi Lyman C.Craig, lần
đầu tiên nó được thương mại hóa bởi cơng ty Thụy Sĩ Buchi vào năm 1957. Trong
nước ta, chỉ có những nhà cung cấp là đại lý của các hãng nước ngồi, chưa có một
doanh nghiệp ở nước ta chun sản xuất máy cơ quay, vì thế nhu cầu thị trường rất

lớn. Ngày nay việc phát triển của khoa học kỹ thuật thì việc chế tạo máy hồn tồn có
thể làm trong nước ta.
SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngơ Như Ngoan

Trang – 9 –


Chương I: Tổng quan

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo máy Cơ – quay.

Trong đó:


1: Máy hút chân khơng.



2: Bình hứng mẫu.



3: Thiết bị cấp hóa chất.



4: Dàn ngưng tụ.




5: Hệ thống Cơ – quay.



6: Bình Cơ – quay.



7: Thiết bị gia nhiệt.



8: Hệ thống lạnh.



9: Đồng hồ báo nhiệt độ, áp suất.

Nguyên tắc cơ bản hoạt động của hệ thống cơ quay chân khơng đó là giảm nhiệt
độ bay hơi của chất lỏng ở áp suất chân không giúp loại bỏ dung mơi nhanh chóng và
giữ lại phần chất cần cô đặc. Cụ thể như sau:


Khi hệ thống được khởi động, bình chứa mẫu được gia nhiệt cách thủy
bởi bể gia nhiệt, dung dịch mẫu khi đó có nhiệt độ tăng đến mức cần
thiết và bơm hút chân không sẽ hút áp khơng khí bên trong khiến bình
chứa mẫu giảm áp suất.

SVTH: Dương Tuấn Khải

Ngô Như Ngoan

Trang – 10 –


Chương I: Tổng quan


Khi áp suất trong mình chứa mẫu giảm sẽ làm giảm nhiệt độ sôi của
dung môi và dung dịch dễ sôi hơn. Để nhiệt độ được phân bổ đều và
tránh trường hợp bị tập trung cục bộ tại một vị trí thì trong q trình bay
hơi, bình dung dịch mẫu được quay trịn đều.



Dung mơi bay hơi gặp hệ thống sinh hàn có nhiệt độ thấp sẽ ngưng tụ lại
thành thể lỏng và chảy xuống bình chứa dung môi thu hồi.

Những lưu ý khi sử dụng máy cơ quay chân khơng:


Trong q trình bay hơi, bình thủy tinh dùng cho cơ quay có thể phát nổ
nếu ban đầu có những vết rạn nứt.



Với những tạp chất khơng ổn định như ete chứa peroxit, azides hữu cơ,
acetylides, hợp chất nitro có chứa phân tử với năng lượng biến dạng,…
vụ nổ cũng có thể xảy ra.




Khơng để quần áo, tóc,… mắc vào các bộ phận quay của máy.



Với những vật liệu phản ứng khơng khí, cần thận trọng. Chỉ cần một rị
rỉ nhỏ cũng có thể rút khơng khí vào bộ máy và vụ nổ sẽ xảy ra.



Hiện tượng dính chùm có thể xảy ra khiến một vài mẫu có thể bị mất đi
ngồi ý muốn như ethanol với nước, một phần dung môi muốn giữ lại
nhưng vẫn bị mất đi.

Quy trình sử dụng máy cơ quay chân khơng:


Kiểm tra tổng thể hệ thống trước khi sử dụng bao gồm: Đường nước
lạnh của ống sinh hàng, dung dịch trong bể gia nhiệt, các kết nối, chân
khơng, bình thu hồi, đường điện,...



Sử dụng điều chỉnh nâng hệ thống đến vị trí phù hợp.



Lắp bình chứa dung dịch mẫu vào hệ thống




Hạ bệ về vị trí sao cho bình ngập 1/3 thể tích của bể gia nhiệt.



Điều chỉnh đường nước làm mát qua sinh ống sinh hàn.



Bật hệ thống chân không, motor quay bình chứa mẫu và bể gia nhiệt.



Quan sát quá trình máy vận hành cho đến khi kết thúc .



Dừng hệ thống cô quay theo các bước ngược lại ban đầu.



Làm sạch máy, cất đúng nơi quy định.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 11 –



Chương I: Tổng quan
1.5. Tính cấp thiết của đề tài
Mơ hình tháp chưng cất hiện nay được sử dụng rất phổ biến trong các nhà máy
hóa chất do mơ hình có thể thay đổi linh hoạt tùy vào quy mơ của nhà máy, dễ dàng
gia công lắp đặt. Tuy nhiên khơng thể ứng dụng vào phịng thí nghiệm để phục vụ các
nghiên cứu, thực tập và giảng dạy do cần nhiều không gian để lắp đặt cũng như thiết bị
cồng kềnh. Chỉ thiết kế riêng dùng để tách một chất cụ thể nhất định không thể thay
đổi linh hoạt. Mô hình máy Cơ – quay thì lại đáp ứng được những nhược điểm trên, rất
phù hợp cho phịng thí nghiệm.
Ngày nay nhu cầu sử dụng tại Việt Nam trong các phịng thí nghiệm các cơ sở
giáo dục và cơ sở nghiên cứu của các viện về các lĩnh vực công nghệ thực phẩm, dược
phẩm, mỹ phẩm, nghiên cứu khoa học và thực nghiệm khá cao. Nhưng giá thành từ
các nhà phân phối sản phẩm nhập khẩu trực tiếp từ nước ngoài khá cao (khoảng
50.000.000 – 180.000.000 VNĐ tùy thuộc nhà sản xuất và công suất của máy), do vậy
việc đầu tư thiết bị để đáp ứng đủ nhu cầu sinh viên và nghiên cứu sinh là hạn chế. Vì
thế, việc tính tốn, thiết kế nhằm mục đích giảm giá thành (giảm 2 đến 3 lần giá thành
trên thị trường) và phù hợp với điều kiện mơi trường và khí hậu của nước ta, từ đó tạo
điều kiện cho các cơ sở có thể trang bị đủ “Máy cơ quay” cho sinh viên và nghiên cứu
sinh.
1.6. Giới thiệu đề tài
Đề tài nghiên cứu, tính tốn máy cơ quay chân khơng với cơng suất đủ dùng
cho phịng thí nghiệm. Giới thiệu về các ứng dụng của thiết bị. Giới thiệu sơ lượt về
công nghệ chưng cất và chiết xuất, các lý thuyết về công nghệ gia nhiệt và công nghệ
làm lạnh.


Hệ thống làm lạnh: nghiên cứu, tính tốn lưu lượng của chất tải lạnh,
công suất máy nén, năng suất làm lạnh nước cho giàn sinh hàn.




Hệ thống gia nhiệt: nghiên cứu, tính toán nhiệt độ, phương pháp giữ
nhiệt, hệ thống điều khiển nhiệt độ u cầu.



Máy hút chân khơng: nghiên cứu, tính tốn cơng suất của bơm, hệ thống
điều khiển áp suất để đạt được yêu cầu.



Giàn sinh hàn: nghiên cứu, tính tốn ngưng tụ bằng ống lồng lị xo theo
phương pháp trao đổi nhiệt.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 12 –


Chương I: Tổng quan


Động cơ quay chính: cơng suất động cơ, số vòng quay tối đa.

1.7. Yêu cầu thiết kế
Thiết kế máy cơ quay chân khơng phù hợp với phịng thí nghiệm, đáp ứng được
các yêu cầu của người sử dụng. Thiết kế đơn giản, dễ dàng lắp đặt, vận hành, bảo trì và
sửa chữa nếu cần thiết.



Yêu cầu về độ chân không máy dựa theo bảng 1.1 độ chân không của
máy phải đáp ứng được áp suất tuyệt đối thấp nhất để đun sôi các chất.
Độ chân không tuyệt đối cần thiết Pct = 5 (mbar).
Bảng 1.1: Áp suất tuyệt đối để đun sôi các chất ở nhiệt độ 50oC.

Tên chất
Acetic acid
Aceton
Acetonitrile
Benzene
n-Amylalcohol
n-Butanol
Chloroform
Chlorobenzene
Cyclohexane
Dichloromethane
Diethylether
Dioxane
Methanol
Nước
Xylene
Toluene


Cơng thức hóa
học
C2H4O2
C3H6O
C2H3N

C6H6
C5h12O
C4H10O
CHCl3
C6H5Cl
C6H12
CH2Cl2
C4H10O
C4H8O2
CH4O
H2 O
C8H10
C7H8

Áp suất (mbar)
26
370
153
162
6
14
332
22
154
699
836
68
218
42
15

48

Nhiệt độ bể gia nhiệt ở 50 ( C )vì những hóa chất cần sôi ở nhiệt độ này
để không mất đi một số tính chất đặc trưng, hoặc khi tách hỗn hợp ra ta
có thể lấy chất cần thiết mà nó khơng bị biến chất. Thời gian yêu cầu gia
nhiệt trong 4 phút để có thể sử dụng. Chênh lệch nhiệt độ khi sử dụng

1 0C.


Công suất làm lạnh 300 (W) tại nhiệt độ nước là 10 ( C ) và cố định tại
nhiệt độ này.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 13 –


Chương I: Tổng quan

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 14 –


Chương II: Tính tốn và thiết kế máy cơ quay

CHƯƠNG II

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MÁY CƠ QUAY
2.1. Tính tốn và thiết kế bể gia nhiệt

Hình 2.1: Cấu tạo bể gia nhiệt

Bảng 2.1: Thông số bể gia nhiệt

STT
1
2
3
4
5

Chi tiết
Bạc cách
nhiệt
Nắp lắp
mạch điện
Vỏ bể gia
nhiệt
Bể gia
nhiệt
Điện trở

Vật liệu

Kích thước

Cơng suất


u cầu về thông số cần thiết cho bể gia nhiệt


Nhiệt độ yêu cầu : 50°C.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 15 –


Chương II: Tính tốn và thiết kế máy cơ quay


Thể tích bể chứa: 5 (lít), mực nước 3 (lít), m = 2,991 (kg)



Bể chứa làm bằng Nhơm.



Áp suất khí trời: 1 (atm).

Ta đun nước từ nhiệt độ phòng t1 = (25 + 273,15) (K) đến nhiệt độ yêu cầu là
t 2 = (50 + 273,15) (K) do đó t = 25 (K), để đạt được nhiệt độ yêu cầu ta cần nhiệt
lượng Q được tính theo định luật Joule-Lenz có công thức:
Q1  m.c. t
Q1  2,991.4200.25

 Q1  314055 (J) 301493
Nhiệt lượng để làm nóng được bể chứa bằng Nhôm là:
Q 2  m.c. t
Q 2  1,306.880.25
 Q 2  28732 (J) 27583
Trong đó ta có:


m: khối lượng (kg)



c: nhiệt dung riêng (J/kg.K), nhiệt dung riêng của nước c = 4 200
(J/kg.K), nhiệt dung riêng của nhôm c = 880 (J/kg.K).



t : độ chênh lệch nhiệt độ (K)

Tổng nhiệt lượng cần thiết để nhiệt độ đạt yêu cầu:
Q  Q1  Q 2
Q  314055  28732
Q  342787 (J) 329076



Thể tích bể chứa chiều dài 307 (mm). chiều rộng 275 (mm), chiều cao
202 (mm) có được thể tích V ≈ 5 (lít). Bể chứa được bọc xung quanh
bằng bạc cách nhiệt hai lớp. Do đó nhiệt bị mất đi là qua bề mặt thoáng
(bao gồm phần tiếp xúc với bình quay và phần bên ngồi), khi nhiệt độ

cung cấp đủ cho bình quay sơi thì phần nhiệt bị mất đi sau đó là như
nhau do bề mặt thống trao đổi với mơi trường.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngơ Như Ngoan

Trang – 16 –


Chương II: Tính tốn và thiết kế máy cơ quay


Nhiệt lượng Q tỏa ra trong một giây cũng chính là công suất P của điện
trở, khi sử dụng đúng hiệu điện thế định mức 220V. Vậy công suất cần
thiết để cung cấp nhiệt cho bể theo định luật bảo toàn năng lượng là:
A  Q  P.t

 342787  P.4.60
 P  1428 (W)



Vậy điện trở cần thiết là khoảng 1500 (W) để đáp ứng yêu cầu gia nhiệt.
Có thể dùng dây mai so hoặc mâm nhiệt với công suất tương ứng.

Nhiệt lượng tổn thất qua bề mặt thoáng:
Q  .F.t

Q  24, 4.52338.10 6.25
Q  32 (W)


Trong đó:


2
 : hệ số tỏa nhiệt của nước ở 50°C là 24,4 ( W / (m .K) )



F: diện tích bề mặt, F = 52338 ( mm )



t : nhiệt độ chênh lệch giữa nước và khơng khí, t  25 (K)

2

Năng lượng tổn thất qua bề mặt thống tính theo đơn vị Joule trên giây là 32
(J/s). Vậy trong 1 giây thì năng lượng tổn thất là 32 (J). Để đảm bảo yêu cầu kỉ thuật
thiết kế là chênh lệch nhiệt độ 1C . Theo như cơng thức tính nhiệt lượng cần thiết để
nung nóng nước lên 50 ( C ) được tính ở phần đầu, thì ta có thể tính được nhiệt lượng
cần thiết để nung nóng nước 49 ( C ) là 329076 (J), vậy chệnh lệch nhiệt lượng là
13711 (J).
Dùng cảm biến nhiệt độ Pt100 loại dây, chiều dài cảm biến 30 (mm), đường
kính cảm biến 3 (mm), dãy đo nhiệt độ từ 60 đến 70 ( C ), kiểu kết nối ren G3/4. Dùng
bộ chuyển đổi tính hiệu HCRM01 để khi nhiệt độ đạt 50 ( C ) ( 1C ) thì tín hiệu đó
kích hoạt được relay và cản dòng điện trực tiếp vào điện trở đun nước. Sau 47 giây
(khi đó nhiệt lượng tổn thất xấp xỉ 1500 (J)) thì ta cho relay dừng hoạt động 1 giây để
điện trở có thể làm việc và cung cấp 1500 (J) cho nước. Và chu kỳ này sẽ lặp lại liên
tục.

SVTH: Dương Tuấn Khải
Ngô Như Ngoan

Trang – 17 –