BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐHCN TP.HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
__________________

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
KHOA: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
BỘ MÔN: MÁY & THIẾT BỊ
HỌ VÀ TÊN: VÕ TRỌNG QUÂN

MSSV:11254511

LỚP: DHHD7

1. Tên đồ án:
Thiết kế tháp mâm chóp chƣng luyện tách hỗn hợp Etanol – Nƣớc
2. Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)





2.1 Số liệu ban đầu:
Lƣu lƣợng hỗn hợp đầu vào tháp (kg/h):
F = 1800 kg/h
Nồng độ hỗn hợp đầu (phần khối lƣợng):
̅ = 33,5%
Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lƣợng): ̅ = 90%
Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lƣợng): ̅ = 3 %







2.2 Yêu cầu về nội dung:
Quy trình công nghệ
Cân bằng vật chất và cân bằng năng lƣợng
Tính toán thiết bị chính và thiết bị phụ
Tính cơ khí
Bảng vẽ: quy trình công nghệ và thiết bị chính (A1)
3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ........................................................24/05/2014
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: .......................................................10/07/2014
5. Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn: Cao Thanh Nhàn
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 05 năm 2014
TỔ TRƢỞNG BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trần Hoài Đức

GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

Cao Thanh Nhàn


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511


Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghệ hóa học là một trong những ngành đóng góp rất lớn trong sự phát
triển của nền công nghiệp nƣớc ta. Trong ngành sản xuất hóa chất cũng nhƣ sử
dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu có độ tinh khiết cao phải phù
hợp với qui trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phƣơng pháp đƣợc sử dụng để nâng cao độ tinh khiết là: chƣng
cất, trích ly, cô đặc, hấp thu … Tùy theo đặc tính sản phẩm mà ta lựa chọn phƣơng
pháp thích hợp. Hệ Ethanol – nƣớc là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùng phƣơng
pháp chƣng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol.
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 sƣ hoá tƣơng 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 bị
trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bƣớc 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.
Em chân thành cảm ơn Thầy Cao Thanh Nhàn và các Quí Thầy Cô bộ môn
Máy & Thiết Bị đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn
thành đồ án vẫn không tránh khỏi có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
Em xin cám ơn Quý Thầy Cô!

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511


Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
Phần đánh giá:
 Ý thức thực hiện: ....................................................................................
 Nội dung thực hiện: ................................................................................
 Hình thức trình bày: ................................................................................
 Tổng hợp kết quả: ..................................................................................
Điểm bằng số: ...................... Điểm bằng chữ: ..................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm 2014
Giáo viên hƣớng dẫn

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


SVTH: Võ Trọng Quân

MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
....................................................................................................................
Phần đánh giá:
 Ý thức thực hiện: ....................................................................................
 Nội dung thực hiện: ................................................................................
 Hình thức trình bày: ................................................................................
 Tổng hợp kết quả: ..................................................................................
Điểm bằng số: ...................... Điểm bằng chữ: ..................................
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm 2014
Giáo viên phản biện

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC



SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

MỤC LỤC
PHẦN 1: MỞ ĐẦU ....................................................................................... 1
I.Lý thuyết về chƣng luyện........................................................................ 1
II.Ƣu, khuyết điểm của phƣơng pháp chƣng đĩa chóp:............................ 2
III.Dây chuyền công nghệ: ........................ Error! Bookmark not defined.
PHẦN 2: TÍNH CÔNG NGHỆ ...................................................................... 8
Chƣơng 1: TÍNH SỐ ĐĨA .......................................................................... 9
1.1. Tính lƣợng hỗn hợp: ....................................................................... 9
1.2 Xác định số đĩa của tháp ............................................................... 10
Chƣơng 2: TÍNH ĐƢỜNG KÍNH THIẾT BỊ ............................................ 16
2.1. Đƣờng kính đoạn luyện: ............................................................... 16
2.2. Đƣờng kính đoạn chƣng: ............................................................. 20
Chƣơng 3: CÂN BẰNG NHIỆT LƢỢNG ................................................ 24
3.1. Cân bằng nhiệt lƣợng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu: .......... 24
3.2. Cân bằng nhiệt lƣợng của tháp chƣng luyện: .............................. 26
3.3. Cân bằng nhiệt lƣợng của thiết bị ngƣng tu hồi lƣu: .................... 28
3.4. Cân bằng nhiệt lƣợng của thiết bị làm lạnh: ................................ 28
Chƣơng 4: TÍNH KẾT CẤU CỦA THÁP CHƢNG LUYỆN ..................... 30
4.1. Kết cấu dĩa phần luyện: ................................................................ 30
4.2. Kết cấu đĩa đoạn chƣng : ............................................................. 33
PHẦN 3: TÍNH CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH ................................................. 37
I. Tính thân thiết bị chính: ....................................................................... 37
II. Tính đáy và nắp thiết bị: ..................................................................... 40

III. Tính bề dày lớp cách nhiệt: ............................................................... 40
IV. Tính đƣờng kính các loại ống dẫn: ................................................... 42
V. Chọn bích: .......................................................................................... 44
VI. Tính tải trọng của tháp: ..................................................................... 46
VII. Chọn tai treo, chân đỡ: ..................................................................... 49
PHẦN 4: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ ................................................................ 51
I. Tính toán thiết bị ngƣng tụ hồi lƣu: ..................................................... 51
II. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu: ................................................................. 55
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

III. Nồi đun: ............................................................................................. 57
IV. Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh: ...................................................... 60
V. Tính và chọn bơm: ............................................................................. 63
PHẦN 5: KẾT LUẬN .................................................................................. 68
Các tài liệu tham khảo : ......................................................................... 68

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511


Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
I. Lý thuyết về chƣng luyện.
Chƣng là phƣơng pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng nhƣ các 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 thì áp suất hơi của các cấu tử
khác nhau.
Khi chƣng ta thu đƣợc nhiều sản phẩm và thƣờng bao nhiêu cấu tử sẻ có bấy
nhiêu sản phẩm. Đối với trƣòng hợp hỗn hợp chƣng chỉ gồm hai cấu tử thì sản phẩm
đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn
sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi
lớn.
Trong sản xuất có rất nhiều phƣơng pháp chƣng nhƣ chƣng đơn giản, chƣng
bằng hơi nƣớc trực tiếp, chƣng chân không và chƣng luyện. Tùy thuộc vào điều kiện
sẵn có, tính chất hỗn hợp, yêu cầu về độ tinh khiết sản phẩm mà ta chọn phƣơng
pháp chƣng cho thích hợp.
-

Chƣng đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất

khác nhau. Phƣơng pháp này thƣờng dùng để tách sơ bộ và làm sạch cấu tử khỏi
tạp chất.
-

Chƣng bằng hơi nƣớc trực tiềp dùng tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay

hơi và tạp chất không bay hơi, thƣờng dùng trong trƣờng hợp chất đƣợc tách không

tan vào nƣớc
-

Chƣng chân không dùng trong trƣờng hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử. Ví

dụ nhƣ trƣờng hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay
trƣờng hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao.
-

Chƣng luyện là phƣơng pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các

cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.
-

Chƣng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ

cao và hỗn hợp có nhiệt độ sôi cao.
-

Chƣng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất

thƣờng.

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 1


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

-

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

Chƣng luyện ở áp suất thƣờng (áp suất khí quyển ) dùng cho hỗn hợp không

thuộc các trƣờng hợp trên.
Ngƣời ta tiến hành chƣng luyện hỗn hợp cần chƣng trong tháp chƣng luyện,
tháp gồm nhiều đĩa, trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha
hơi. Hơi đi từ dƣới lên qua các lổ của đĩa, lỏng đi từ trên xuống theo các ống chảy
chuyền, nồng độ các cấu tử và nhiệt độ sôi ở mỗi đĩa thay đổi theo chiều cao của
tháp. Do đó một phàn cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một
phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngƣng tụ
nhƣ thế, hay nói một cách khác, với một số đĩa tƣơng ứng, cuối cùng ở trên đỉnh
tháp ta thu đƣợc cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở tháp ta thu đƣợc cấu tử
khó bay hơi ở dạng nguyên chất.
Quá trình chƣng luyện đƣợc thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục
hoặc gián đoạn.
Ở đây ta sẽ thiết kế hệ thống chƣng luyện tháp mâm chóp làm việc liên tục với
hỗn hợp chƣng là rƣợu mêtylic và nƣớc. Khi chƣng luyện liên tục, hỗn hợp đầu đƣợc
đƣa vào tháp ở đĩa tiếp liệu (nằm ở phần giữa thân tháp) một cách liên tục, sản
phẩm đỉnh và sản phẩm đáy cũng đƣợc lấy ra liên tục.

II. Ƣu, khuyết điểm của phƣơng pháp chƣng đĩa chóp.
Ưu điểm: Tách đƣợc sản phẩm có độ tinh khiết cao, dễ khống chế quá trình, bề
mặt tiếp xúc pha tƣơng đối lớn, trở lực không cao.
Khuyết điểm: Tiếp xúc pha không liên tục, cấu tạo phúc tạp.


II.1. Tính chất lý hóa của rƣợu Êtylic.
Ethanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lƣợng phân tử: 46 đvC
Là chất lỏng có mùi đặc trƣng, không độc, tan nhiều trong nƣớc
Một số thông số vật lý và nhiệt động của Ethanol
+ Nhiệt độ sôi ở 760 (mmHg): 78.3oC.
+ Khối lƣợng riêng: d420 = 810 (Kg/m3)
 Tính chất hóa học
Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của Ethanol là thể
hiện tính chất hoá học của nó
Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 2


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511
CH3-CH2-OH

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

CH3-CH2-O- + H+

Hằng số phân ly của Ethanol: K CH3 CH2 OH  10 18 , cho nên Ethanol là chất trung
tính.
Tính acid của rƣợu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua
(NaH), Natri amid(NaNH2):
CH3-CH2-OH + NaH


CH3-CH2-ONa + H2

Natri etylat
14
Do K CH3 CH2 OH  K H 2O  10 : tính acid của rƣợu nhỏ hơn tính acid của nƣớc,

nên khi muối Natri etylat tan trong nƣớc sẽ bị thuỷ phân thành rƣợu trở lại.
Tác dụng với acid tạo ester: Ethanol có tính bazơ tƣơng đƣơng với nƣớc. Khi
rƣợu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester.
Lạnh

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H

CH3-CH2O-SO3-H + H2O

CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3

CH3-COO-C2H5

+ H2O

Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX

CH3-CH2-X + H2O

Tác dụng với Triclo Phốt pho
CH3-CH2-OH + PCl3


CH3-CH2-Cl + POCl + HCl

Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3

Al2O3

C2H5-NH2 + H2O

o

t

Phản ứng tạo eter và tách loại nƣớc
2CH3-CH2-OH

H2SO4

( CH3-CH2)2O + H2O

o

>150 C
H2SO4

CH3-CH2-OH

CH2=CH2 + H2O

o


>150 C

Phản ứng hydro và oxy hoá

CH3-CH2-OH

Cu
o
200-300 C

CH3-CHO

+ H2

Ứng dụng của Ethanol có nhiều ứng dụng hơn Methanol, nó đóng một vai trò
quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 3


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

mặt hàng khác nhau và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng,

y tế và dƣợc, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp.

 Sơ đồ tóm tắt vị trí của Ethanol trong các ngành công nghiệp
Phƣơng pháp điều chế: có nhiều phƣơng pháp điều chế Ethanol: hydrat hoá
etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của Ethanol khi đun
nóng với nƣớc xúc tác dung dịch bazơ; hydro hóa aldyhyt acetic; từ các hợp chất cơ
kim…
Trong công nghiệp, điều chế Ethanol bằng phƣơng pháp lên men từ nguồn tinh
bột và rỉ đƣờng. Những năm gần đây, ở nƣớc ta công nghệ sản suất Ethanol chủ
yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột.
C6H6O6

Nấm men
Zymaza

2C2H5OH

+ 2CO2 + 28 Kcal

95% nguyên liệu chuyển thành Ethanol và CO2.
5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel,
metylic và các acid hữu cơ (lactic, butylic…).

II.2. Nƣớc.
Trong điều kiện bình thƣờng: nƣớc là chất lỏng không màu, không mùi, không
vị nhƣng khối nƣớc dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 4



SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

Khối lƣợng phân tử: 18 g/mol
Khối lƣợng riêng d4oC: 1 g/mol
Nhiệt độ nóng chảy: 0oC
Nhiệt độ sôi: 100oC
Nƣớc là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nƣớc
biển) và rất cần thiết cho sự sống. Nƣớc 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.

II.3. Hỗn hợp Ethanol – Nƣớc.
Bảng 1: Thành phần lỏng ( x ) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol Nước ở 760 mmHg.

x
(%phần

0

5

10

20


30

40

50

60

70

80

90

0

33,2

44,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9


75,3

81,8

89,8

100

90,5

86,5

83,2

81,7

80,8

80

79,4

79

78,6

78,4

mol)

Y
(%phần
mol)
t(oC)

Hình 1: Thành phần lỏng ( x ) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol Nước ở 760 mmHg.

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 5


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

III. Quy trình công nghệ.
Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,3oC ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nƣớc là 100oC ở 760mmHg: hơi cách biệt khá xa nên
phƣơng pháp hiệu quả để thu Ethanol có độ tinh khiết cao là phƣơng pháp chƣng
cất.
Trong trƣờng hợp này, ta không thể sử dụng phƣơng pháp cô đặc vì các cấu
tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phƣơng pháp trích ly cũng nhƣ
phƣơng pháp hấp thụ do phải đƣa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá
trình phức tạp hơn hay quá trình tách không đƣợc hoàn toàn.
Hình 2: Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước


Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu.
2. Bơm.
3. Bồn cao vị.
4. Ống tuần hoàn.
5. Lƣu lƣợng kế.
6. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
7. Tháp chƣng cất.
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 6


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

8. Nồi đun.
9. Thiết bị ngƣng tụ.
10 . Thiết bị phân tách hồi lƣu.
11. Thiết bị làm lạnh.
12. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
13. Bồn chứa sản phẩm đáy.
14. Bẫy hơi.
Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp Ethanol – nƣớc có nồng độ Ethanol 10% ( theo phần khối lƣợng ),
nhiệt độ khoảng 28oC tại bình chứa nguyên liệu (1) đƣợc bơm (2) bơm lên bồn cao

vị (3). Từ đó đƣợc đƣa đến thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (6). Sau đó, hỗn hợp
đƣợc đun sôi đến nhiệt độ sôi và đƣợc đƣa vào tháp chƣng cất (7) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng đƣợc trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi từ dƣới 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 chƣng càng
xuống dƣới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi
đun (10) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi
qua các đĩa từ dƣới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nƣớc sẽ ngƣng tụ lại, cuối
cùng trên đỉnh tháp ta thu đƣợc hỗn hợp có cấu tử Ethanol chiếm nhiều nhất (có
nồng độ 90% phần khối lƣợng). Hơi này đi vào thiết bị ngƣng tụ (9) và đƣợc ngƣng
tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngƣng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
(11), đƣợc làm nguội đến 35oC , rồi đƣợc đƣa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (12).
Phần còn lại của chất lỏng ngƣng tụ đựơc hoàn lƣu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số
hoàn lƣu tối ƣu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp đƣợc bốc hơi, còn lại cấu tử có
nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu đƣợc
hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nƣớc). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng
độ Ethanol là 3% phần khối lƣợng, còn lại là nƣớc. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi
tháp vào nồi đun (8). 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 và đƣa vào bồn chứa sản
phẩm đáy.
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Ethanol, sản phẩm đáy
đƣợc thải bỏ.

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 7


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511


Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

PHẦN 2: TÍNH CÔNG NGHỆ
Các ký hiệu sử dụng trong quá trình tính toán:
GF: Lƣợng hỗn hợp đầu.
GD: Lƣợng sản phẩm đỉnh.
GW: Lƣợng sản phẩm đáy.
̅ :

Nồng độ phần khối lƣợng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu.

̅ : Nồng độ phần khối lƣợng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh.
̅ : Nồng độ phần khối lƣợng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
xF:

Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu.

xD:

Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong trong sản phẩm đỉnh.

xW: Nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
Cấu tử dễ bay hơi A: rƣợuÊtylic, cấu tử khó bay hơi B: nƣớc.

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 8



SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

Chƣơng 1: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1.1. Tính lƣợng hỗn hợp.
1.1.1. Nồng độ phần mol.
Tính F theo kmol/h:
(kmol/h)
Đổi nồng độ khối lƣợng ra nồng độ mol:
̅

xA = ̅

̅

̅



xF = ̅

= 0.16 phần mol

=


̅
̅



xD = ̅

̅

= 0.78 phần mol

=

̅



xW =

̅

=

̅

= 0.012 phần mol

1.1.2. Lƣu lƣợng hỗn hợp đầu và sản phẩm đáy.
Phƣơng trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

F = D + W

(Công thức 3.52, trang 117, [3])

 79.61 = W + D

(1)

Viết cho cấu tử dễ bay hơi:
F.xF = D.xD + W.xW

(Công thức 3.53, trang 117, [3])



(2)

Từ (1) và (2) suy ra:
 {
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 9


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn


Mặt khác ta có:
D + W = 1800
0.9D + 0.03 W = 1800 x 0.335
 {
Gọi M F là phân tử lƣợng trung bình của hỗn hợp đầu

M F = xF.ME + (1-xF).MN
= 0,16.46 + (1 – 0,16).18 = 22.48 (g)

1.2. Xác định số đĩa của tháp.
1.2.1. Đƣờng cong cân bằng - đồ thị t-x-y theo thực nghiệm.
Gọi x, y là nồng độ mol phần của thành phần lỏng và hơi của rƣợu Êtylic (tính
theo phần mol)
t (0C) là nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử (ở 760 mmHg).

x

y

t (oC)

0

5

10

20


30

40

50

60

70

80

90

0

33,2

44,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9


75,3

81,8

89,8

100

90,5

86,5

83,2

81,7

80,8

80

79,4

79

78,6

78,4

Dựa vào bảng số liệu này ta vẽ đồ thị đƣờng cong cân bằng của hỗn hợp rƣơụ
Êtylic và nƣớc và đồ thị biểu diễn đƣờng cong sôi.


ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 10


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

Hình 2: Đồ thị đường cong cân bằng của hỗn hợp rượu Êtylic và nước.

Hình 3: Đồ thị biểu diễn đường cong sôi.

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 11


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

Theo đồ thị đƣờng cân bằng ta xác định đƣợc y*F = 0,5 phần mol là nồng độ

cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn hợp đầu ứng giá trị
xF = 0,16.
Theo đồ thị đƣờng cong sôi ta xác định đƣợc nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu
tsF=84oC, của sản phẩm đỉnh tsD = 78oC, của sản phẩm đáy tsW= 97oC.

̅

x

̅ = 0.335

y

xF = 0.16

kg/h

kmol/h

F = 1800

F = 79.61

kg/h

kmol/h

D = 631.0345

D = 15.34


kg/h

kmol/h

W = 1168.9655

W = 64.27

kg/h

kmol/h

yF = 0.5

̅ = 0.9

xD = 0.78

yD = 0.8

̅ = 0.03

xW = 0.012

yW = 0.11

Nhiệt độ
sôi (oC)


84oC

78oC

97oC

Suy ra chỉ số hồi lƣu tối thiểu là:
Rxmin =

(Công thức IX.24, trg 158, [2])

Rmin =

= 0.82

Chỉ số hồi lƣu thích hợp là:
R = 1.3Rmin + 0.3
= 1.3 X 0.82 + 0.3 = 1.37
Để xác định số đĩa lý thuyết của tháp bằng cách dựa vào phƣơng trình đƣờng
nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chƣng.
Phƣơng trình làm việc của đoạn luyện
y=

(Công thức IX.20, trang 144, [2])

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 12



SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

y =
= 0.59x = 0.33
Phƣơng trình làm việc của đoạn chƣng:
y=

R 1
L R
th

.y +

th

L 1

L R

.(Công thức IX.22, trang 158, [2])

th

Với: L =
y =

= 2.77x – 0.02
Vẽ trên đồ thị 2 đƣờng làm việc đoạn chƣng và đƣờng làm việc đoạn cất ta có đƣợc
số mâm lý thuyết là: Nlt = 12 mâm. Số mâm lý thuyết đoạn cất là 9.4 mâm và đoạn
chƣng là 2.6 mâm.

1.2.2. Xác định số đĩa thực tế.
Số đĩa thực tế đƣợc xác định theo công thức:
Ntt =

N lt

tb

(Công thức IX.59, trang 170, [2])

Với  tb là hiệu suất trung bình của thiết bị, là hàm của độ bay hơi tƣơng đối 
và độ nhớt  của hỗn hợp  = f(,).
y 1 x
.
=
(Công thức IX.61, trang 171, [2])
1 y x
Độ nhớt: lghh = n.lg1 + (1-n)lg2
n là nồng độ cấu tử thứ nhất
n -1 là nồng độ cấu tử thứ hai
1, 2 là độ nhớt hai cấu tử.
(Độ nhớt của rƣợu Êtylic theo nhiệt độ đƣợc tra ở bảng dùng cho toán đồ
h.I.18, trg 93, [2], độ nhớt của nƣớc theo nhiệt độ đƣợc tra ở bảng I.102, trang 94,
[2]).


= tb =

1
.( 1 +
3

2 + 3 ) (Công thức IX.60, trang 171, [2])

Với: 1 là hiệu suất ứng với đĩa trên cùng
ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 13


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

2 là hiệu suất ứng với đĩa tiếp liệu
3 là hiệu suất ứng với đĩa cuối cùng
- Ứng với đĩa tiếp liệu:
Độ bay hơi:
F =

= 5.25

Độ nhớt:

Tại

= 84oC ta có {
lgF

xF lg CH3OH  (1  xF ).lg H 2O

=

= 0,16.lg0,4132 + (1 - 0,16).lg0,3395 = -0,4555
F



= 0,3503 (Cp)

Tích F.F = 0,3503 X 5,25 = 1,8391.
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2] ta đƣợc hiệu suất của đĩa tiếp liệu 2 = 42
%.
-

Ứng với đĩa trên cùng:
Độ bay hơi:
D =

= 1.1282

Độ nhớt:
Tại


= 78oC ta có {
lgD

=

xD lg CH3OH  (1  xD ). lg  H 2O

= 0,78.lg0,4506 + (1 - 0,78).lg0,3655 = - 0,3662


D = 0.4303 (Cp)

Tích D.D = 0,4303 . 1.1282 = 0,4855. Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2],
ta đƣợc hiệu suất của đĩa trên cùng 1 = 59 %.
-

Ứng với đĩa cuối cùng:
Độ bay hơi:
W =

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

= 10.1760
Trang 14


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7


GVHD: Cao Thanh Nhàn

Độ nhớt:
Tại

= 97oC ta có {
lgW =

xw lg CH3OH  (1  xw ).lg H 2O

= 0.012.lg0,3424 + (1 - 0,012).lg0,2930 = - 0,5323
W

= 0,2935 (Cp)

Tích W.W = 0,2935 . 10.1760 = 2.9871. Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2], ta
đƣợc hiệu suất của đĩa trên cùng 3 = 38%.
Vậy hiệu suất trung bình:
tb =

1
1
(1 + 2 + 3) = (59 + 42 + 38) = 46.33(%)
3
3

Số đĩa thực tế là:
Ntt =



= 25.8999 (mâm)

Vậy thực tế phải chọn 25.8999 đĩa.
Tính riêng cho phần cất:
= 20.29 (mâm)
Tính riêng cho phần chƣng:
= 5.61 (mâm)
(yF , yP , yW đƣợc xác định từ đồ thị đƣờng cân bằng hình 1)

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 15


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

Chƣơng 2: TÍNH ĐƢỜNG KÍNH THIẾT BỊ
Đƣờng kính tháp: (công thức IX.89, trang 181, [2])
D=

4.Vtb
 .3600.tb

,m


gtb
(  y . y )tb

Hoặc

D = 0,0188.

Trong đó:

Vtb - Lƣợng hơi trung bình đi trong tháp, m3/h

,m

tb - Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, m/s
gtb - Lƣợng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h
(y.y)tb - Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s

2.1. Đƣờng kính đoạn luyện.
2.1.1. Lƣợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện gtb.
Có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lƣợng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng
của tháp gđ và lƣợng hơi đi vào dƣới cùng g1 của đoạn luyện:
gtb =

g d  g1
, kg/h
2

Trong đó, gđ = GR +GP = GP(RX+1) (công thức IX.92, trang 181, [2]).
Với


GR: lƣợng lỏng hồi lƣu, kg/h
GP: lƣợng sản phẩm đỉnh, kg/h
RX: chỉ số hồi lƣu

=>

gđ = 631.0345.(1.37+1) = 1495.5518 kg/h

Lƣợng hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn luyện đƣợc xác định theo hệ phƣơng
trình cho ở trang 182 Sổ tay QTTB tập 2:

 g1  G1  GP

 g1. y1  G1.x1  GP .xP
 g .r  g .r
d d
 1 1
Trong đó:

x1 = ̅ = 0,335 (phần khối lƣợng)
xP = ̅ = 0,90 (phần khối lƣợng)
G1:lƣợng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện
rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp
r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện
r1= ra .y1 + (1-y1).rb

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 16



SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

rđ= ra .yđ + (1-yđ).rb
ra, rb: ẩn nhiệt hóa hơi của rƣợu Êtylic và nƣớc.
yđ = ̅ = 0,90 phần khối lƣợng.
*Tính r1: hỗn hợp đầu vào tháp ở 84oC nên ta phải tính ra, rb ở 84oC.
(Theo bảng I.212, trang 254, [1]) ta có:
Ơ 60oC:

ra1 = 879.9 kJ/kg
rb1 = 2359 kJ/kg

Ở 100oC:

ra2 = 812.9 kJ/kg
rb2 = 2258.4 kJ/kg

Theo phƣơng pháp nội suy ta tính ra, rb ở 84oC:
ra84 = ra60 +
rb84 = rb60 +
Vậy:

(


)
(

(

)

(

)
(

)

(

) = 839.7 kJ/kg = 200.6068 kcal/kg
) = 2298.64 kJ/kg=551.5553 kcal/kg

r1 = ra.y1 +(1-y1).rb = 200.6068.y1 + (1-y1).551.5553
= 551.5553 – 350.9485y1

*Tính rđ: hơi đi ra khỏi đỉnh tháp ở nhiệt độ 78oC, tƣơng tự nhƣ trên:
ra78 = ra60 +
rb67 = rb60 +
Vậy:

(


)
(

(

)

(

)
(

)

(

)=1066.975kJ/kg = 254.9035 kcal/kg
) = 2313.73 kJ/kg =552.7569 kcal/kg

rđ = ra.yđ + (1- yđ).rb = 254,9035.0,90 +(1-0,90).552,7569
= 284.6888 kcal/kg

Vậy ta có hệ phƣơng trình :
{
(

)

Giải hệ ta đƣợc :
{

- Lƣợng hơi trung bình đi trong đoạn luyện:
gtb =

g d  g1 1495,5518  1269.37

 1382,4609kg / h
2
2

- Lƣợng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 17


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Gtb =

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

GR  G1 GP .R X  G1 631,0345.1.37  638,338


 751,4276kg / h
2

2
2

- Thành phần hơi cân bằng đi trên đoạn luyện:
ytb =

yd  y1 0.9  0.6159

 0.758 phần khối lƣợng
2
2
= 0,5507 phần mol

- Phân tử lƣợng trung bình của hỗn hợp hơi:

M tb = ytb.MA +(1- ytb).MB = 0,5507.46 + (1-0,5507).18 = 33.4196 đvC

2.1.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện.
(yy)tb = 0,065[] . h. xtb . ytb , kg/m2. (Công thức IX.105, trang 184, [2]).
xtb, ytb: Khối lƣợng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi tính theo nhiệt độ
trung bình, kg/m3.
h: Khoảng cách các đĩa trong tháp,m,với giá trị h đƣợc chọn theo đƣờng kính
tháp.
[] : Hệ số tính đến sức căng bề mặt.
*Tính [] ở nhiệt độ trung bình:
Nhiệt độ trung bình trong đoạn luyện:
ttb =

t F  t P 84  78


 81o C
2
2

Theo bảng I.242, trang 300, [1] ta có sức căng bề mặt của rƣợu và nƣớc:
Ở 80oC:

a1 = 17.3 dyn/cm (Êtylic)
b1 = 62.6 dyn/cm (nƣớc)

Ở 100oC: a2 = 15.5 dyn/cm (Êtylic)
b2 = 58.9 dyn/cm (nƣớc)


 a   a 2   a1  1.8 dyn/cm
 b   b 2   b1  3,7 dyn/cm
t  t 2  t1  100  80  200 C



 a
1,8

 0,09 dyn/cm.độ
t
20
 b
3,7

 0,185 dyn/cm.độ

t
20

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 18


SVTH: Võ Trọng Quân
MSSV: 11254511

Lớp: ĐHHD7

GVHD: Cao Thanh Nhàn

Bằng phƣơng pháp nội suy ta tính đƣợc sức căng bề mặt của Êtylic và nƣớc ở
81oC:
a81 = a180 +

 a
(81  80) = 17,3 - 0,09.(81-80) = 17,21 dyn/cm
t

b81 = b180 +

 b
(81  80)  62.6  0,185.(81  80)  62.415 dyn/cm
t

Sức căng bề mặt của hỗn hợp:


1

 hh
 hh 





1

a



1

(công thức I.76, trang 299, [1])

b

 a . b
 13,49 dyn/cm
a b

Ta thấy hh < 20 dyn/cm nên chọn [] = 0,8.
*Tính khối lƣợng riêng trung bình:
Khối lƣợng riêng của Êtylic và nƣớc: (Theo bảng I.2, trang 9, [1])
-


-

Ở

Ở

a1 = 735 kg/m3

(Êtylic)

b1 = 972 kg/m3

(nƣớc)

1000C: a2 = 710 kg/m3

(Êtylic)

b2 = 958 kg/m3

(nƣớc)

800C:

 a   a 2   a1  25 kg/m3



 b   b 2   b1  14 kg/m3

t  100  80  200 C

 a
25
3

 1.25 kg/m .độ
t
20



 b
11
3

 0,7 kg/m .độ
t
20
Theo phƣơng pháp nội suy, tính khối lƣợng riêng của Êtylic và nƣớc ở 81oC:

 a
(81  80)  735  1.25  733.75 kg/m3
t
b
81  80  972  0,7.  971.3 kg/m3
 b 81   b 80 
t
Khối lƣợng riêng của hỗn hợp (công thức I.2, trang 5, [1]):


 a 81   a180 

1

 hh



xa

a



xb

b

Với xa, xb: Nồng độ phần khối lƣợng của các cấu tử trong hỗn hợp

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Trang 19