BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO


BÁO CÁO ĐỒ ÁN MƠN HỌC
CÁC Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
(Từ ngày 5/10/2020-6/1/2021)
GVHD: PGS.TS Vũ Bá Minh
SVTH:

TP.Hồ Chí Minh – tháng 10/2020

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

---oOo---

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ MÁY VÀ THIẾT BỊ
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Bá Minh
Họ và tên sinh viên thực hiện:

MSSV

1. Đầu đề đồ án: Thiết kế tháp mâm chóp họat động liên tục để chưng

cất hỗn hợp Etanol – Nước ở áp suất thường.
2. Số liệu ban đầu:
1) Năng suất ngun liệu: 2.000 lít/h
2) Nhập liệu có nồng độ ruợu là 20% mol Etanol
3) Nồng độ sản phẩm đỉnh là 85% mol Etanol
4) Tỷ lệ thu hồi rượu là 97%
5) Các số liệu khác tự chọn
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tóan:
1)

Tổng quan về sản phẩm và các loại tháp chưng cất,

thiết bị trao đổi nhiệt và ngưng tụ.
2)

Đề nghị qui trình chưng cât.

3)

Tính cân bằng vật chất-năng lượng

4)

Tính số mâm thực tế tháp chưng cất

5)

Tính tốn cấu tạo tháp chưng cất

6)


Lập bảng tính khối lượng vật tư và chi phí chế tạo tháp

7)

Kết luận

4. Các bản vẽ và đồ thị:
 01 bản vẽ qui trình khổ A1 (bản khổ A4 kẹp trong tập thuyết
minh)
 01 bản vẽ cấu tạo tháp chưng cất khổ A1
5. Ngày giao đồ án: 05/10/2020
6. Ngày hòan thành đồ án:

01/2021

7. Ngày bảo vệ hay chấm: theo thông báo của bộ môn
Ngày 05/10/2020

2


CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

NGƯỜI

HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

(Ký


và ghi rõ họ tên)

VŨ
BÁ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
---oOo--3


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Vũ Bá Minh
Họ và tên sinh viên thực hiện:

MSSV

Tên đồ án: Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol –
Nước ở áp suất thường
1. Nhận xét về nội dung các phần thuyết minh:
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
2. Nhận xét về các bản vẽ thiết kế:

...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
3. Nhận xét về quá trình thực hiện thiết kế của sinh viên (kỹ năng, thái độ):
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
4. Điểm số:
1……………………………………………… Điểm: …………………
2……………………………………………… Điểm: …………………
5. Kết luận (cho phép bảo vệ/không cho phép bảo vệ):
TP. Hồ Chí Minh, 06 tháng 01 năm 2021
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS Vũ Bá Minh

4


LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời buổi cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa như ngày nay, hóa học
chiếm một phần quan trong và hầu như không thể thiếu trong các ngành
công nghiệp từ hóa dầu, hóa dược, hóa mỹ phẩm đến hóa phân tử, hóa
thực phẩm…giúp đóng góp một phần quan trọng trong sự phát triển không
ngừng của xã hội.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản
phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh
khiết cao ngày càng gia tăng để giúp có được sản phẩm sau cùng chất
lượng nhất.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết:
trích ly, chưng cất, cơ đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản
phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Etanol Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất
để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol.
Đồ án mơn học Q trình và Thiết bị là một mơn học mang tính tổng
hợp trong q trình học tập của các kỹ sư hố thực phẩm tương lai. Môn
học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: u cầu cơng
nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực
phẩm cũng như rèn luyện cho sinh viên khả năng tính tốn và tư duy logic.
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
hiệu quả nhất.
Nhiệm vụ của đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol Nước hoạt động liên tục với nâng suất sản phẩm đỉnh : 2000 lít/h, nhập liệu
có nồng độ rượu là 20% mol ethanol, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ
85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 97%.
Nhóm em chân thành cảm ơn thầy TS. Vũ Bá Minh, đã giúp nhóm em
hồn thành đồ án này. Tuy nhiên, vì thời gian thực hiện đồ án là có hạn, vì
thế trong q trình hồn thành đồ án khơng thể khơng có sai sót, em rất
mong q thầy cơ đóng góp ý kiến, chỉ dẫn để chúng em có thể hồn thiện
tốt hơn và hồn thành thật tốt đồ án của mình.


5


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..............................................................9
1.1. Tổng quan về sản phẩm.......................................................9
1.1.1. Ethanol.........................................................................9
1.1.2. Nước...........................................................................10
1.1.3. Hỗn hợp Ethanol – Nước:.............................................10
1.2. Phương pháp và thiết bị chưng cất.....................................11
1.2.1. Phương pháp chưng cất...............................................11
1.2.2 Thiết bị chưng cất:.......................................................12
1.3. Công nghệ chưng cất Ethanol-Nước:...................................13
CHƯƠNG 2 : ĐỀ NGHỊ QUY TRÌNH CHƯNG CẤT.............................13
2.1. Sơ đồ nguyên liệu...............................................................13
2.2. Sơ đồ quy trình chưng cất Ethanol – Nước...........................14
CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯỢNG...............17
3.1. Các thông số ban đầu.........................................................17
3.2. Cân bằng vật chất...............................................................17
3.2.1. Xác định số lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu
được, suất lượng mol mỗi dịng pha.......................................17
3.2.2. Xác định tỉ số hồn lưu làm việc..................................18
3.3. Cân bằng năng lượng..........................................................24
3.3.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng dịng nhập
liệu......................................................................................24
3.3.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ.................28
3.3.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh..................29
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH......................................31
4.1. Chọn bích và chọn vịng đệm...............................................47
4.1.1. Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị :........................47

4.1.2. Bích để nối các ống dẫn...............................................47
4.2. Chân đỡ và tai treo............................................................51
4.2.1. Tính khối lượng của tồn tháp:....................................51
4.2.2. Chọn chân đỡ:.............................................................55
4.3. Tính lớp cách nhiệt.............................................................56
6


CHƯƠNG 5. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ...................................................57
5.1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu............................................57
5.1.1. Hiệu số nhiệt trung bình giữa hai lưu thể.....................57
5.1.2. Xác định các thơng số của dịng nhập liệu theo nhiệt độ
trung bình............................................................................57
5.1.3. Lượng nhiệt cần thiết để đun nóng dịng nhập liệu.......58
5.1.4. Khối lượng của hơi nước bão hịa dùng để trao đổi nhiệt
............................................................................................58
5.1.5. Tính hệ số cấp nhiệt của hơi nước bão hòa...................58
5.1.6. Xác định chế độ chảy của dịng nhập liệu trong ống.....59
5.1.7. Tính hệ số cấp nhiệt của dịng nhập liệu trong ống......60
5.1.8. Tính tổng trở thành ống..............................................60
5.1.9. Nhiệt tải riêng phía dịng nhập liệu..............................61
5.1.10.Tính nhiệt tải trung bình............................................61
5.1.11. Xác định hệ số truyền nhiệt K....................................61
5.1.12. Bề mặt truyền nhiệt..................................................62
5.1.13. Tính đường kính trong của thiết bị.............................62
5.1.14. Kiểm tra lại vận tốc và chuẩn số Re...........................62
5.2. Tính bơm và thùng cao vị....................................................63
5.2.1. Các trở lực..................................................................63
5.2.2. Tính chiều cao của thùng cao vị so với đĩa tiếp liệu......73
5.2.3. Tính và chọn bơm........................................................74

CHƯƠNG 6: LẬP BẢNG TÍNH KHỐI LƯỢNG VẬT TƯ VÀ CHI PHÍ CHẾ
TẠO THÁP.................................................................................76
6.1. Tính sơ bộ giá thành của thiết bị........................................76
6.2. Tổng số tiền.......................................................................77
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN................................................................78

7


DANH MỤC HÌ
Hình 1. 1. Cấu trúc phân tử Ethhanol..........................................11
Y

Hình 2. 1. Đồ thị đường cân bằng Aceton – Nước.........................15
Hình 2. 2. Sơ đồ quy trình..........................................................17
Hình 3. 1. Đồ thị cân bằng lỏng hơi x – y của hệ Ethanol – nước. . .21
Hình 3. 2. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và N(R+1).................22
Hình 3. 3. Đồ thị số mâm lý thuyết.............................................24
Hình 4. 1. Diện tích bề mặt........................................................48
Hình 4. 2. Bề mặt đỡ..................................................................56
Hình 4. 3. Chân đỡ.....................................................................57

8


DANH MỤC BẢ
Bảng 1. 1. Thành phần lỏng (x) – hơi (y).....................................12
Bảng 1. 2. So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp..............14
Y


Bảng 2. 1.Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) , ( Acetone – Nước
)...............................................................................................15
Bảng 3. 1. Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Ethanol – nước.........20
Bảng 3. 2. Bảng quan hệ giữa các chỉ số hồi lưu thích hợp với Ni. 22
Bảng 3. 3. Tính tốn cân bằng vật chất thiết bị chưng cất mâm
chóp.........................................................................................25
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

4.
4.
4.
4.

1. Kích thước bulong.....................................................52
2. Kích thước bề mặt....................................................53
3. Kích thước tai treo....................................................57
4. . Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng.....................58

Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

6.
6.
6.
6.


1.Tính tốn sơ độ giá thành thiết bị...............................79
2. Gía vật liệu...............................................................79
3. Gía bulong................................................................79
4. Giá chi tiết khác........................................................80

9


10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về sản phẩm
Nguyên liệu là hỗn hợp Ethanol - Nước.
1.1.1. Ethanol
Ethanol có cơng thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46
đvC. Là chất lỏng có mùi đặc trưng, khơng độc, tan nhiều trong nước.

Hình 1. 1. Cấu trúc phân tử Ethhanol
+ Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg: 78.3oC.
+ Khối lượng riêng: d420 = 810 Kg/m3.
Ứng dụng: ethanol có nhiều ứng dụng, nó đóng một vai trò quan trọng
trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất nhiều mặt
hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: cơng nghiệp
nặng, y tế, dược, quốc phịng, giao thơng vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông
nghiệp.
1.1.2. Nước
Nước là một hợp chất hóa học của Hydro và Oxy, cơng thức hóa học là
H2O. Nước là một chất quan trọng trong cơng nghiệp và đời sống, chiếm

70% diện tích của trái đất.


Hình 1.2: Cấu tạo phân tử nước
Phân tử nước bao gồm hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy. Về
mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện
tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của
hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet.
Nước có tính lưỡng cực, liên kết giữa các phân tử nước là liên kết
hidro.
- Nhiệt độ sôi của nước :100oC ( ở 760mmHg)
- Nhiệt độ nóng chảy : 0oC ( ở 760mmHg)
1.1.3. Hỗn hợp Ethanol – Nước:
Bảng 1. 1. Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol - Nước ở
760 mmHg
x(%phân
mol)

10
0

y(%phân
mol)

0

5

10


20

30

40

50

60

70

80

90

0

33,

44,

53,

57,

61,

65,


69,

75,

81,

89,

10

2

2

1

6

4

4

9

3

8

8


0

90,

86,

83,

81,

80,

78,

78,

78,

4

4

79,

t(oC)
100
5
5
2
7

8
80
4
79
6
Hình 1.3: Đồ thị cân bằng lỏng-hơi hệ Ethanol-Nước
1.2.

Phương pháp và thiết bị chưng cất


1.2.1. Phương pháp chưng cất
Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành
các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay
nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần
quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi
hoặc ngược lại. Khác với cơ đặc, chưng cất là q trình trong đó cả dung
mơi và chất tan đều bay hơi, cịn cơ đặc là q trình trong đó chỉ có dung
mơi 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 hệ cấu tử
thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay
hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay
hơi nhỏ (nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ Ethanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ
yếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm
nước và một ít ethanol.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
 Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp
suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi
của các cấu tử, nếu nhiệt độ sơi của các cấu tử q cao thì ta giảm

áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.
Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên



tục.


Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng
trong các trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ Khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.




Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là
quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.

 Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:


Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: khi chưng
cất hỗn hợp nhập kiệu thu được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu
tử còn lại đễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt
trực tiếp cho đáy tháp.




Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: nồi đun cho
tháp chưng cất là thiết bị trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp, để
cung cấp nhiệt cho hệ thống. Có các loại nồi đun cho tháp chưng
cất:
+ Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ: dùng cho tháp chưng cất
năng suất nhỏ.
+ Thiết bị trao đổ nhiệt dạng ốm chùm.
+ Nồi đun đặt ngồi. Chất tải nhiệt nóng đi trong ống, hơi đi vào
tháp cân bằng với dòng sản phẩm đáy, do đó nồi đun được xem
làm một mâm lý thuyết. Dùng cho tháp chưng cất năng suất cao.
+ Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng. Chất tải nhiệt đi ngoài ống, bốc
hơi hoàn toàn phần lỏng đi vào nồi đun. Do đó, hơi có cùng thành
phần với dịng sản phẩm đáy.
+ Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ
bốc hơi một phần.

Vậy: đối với hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên
tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun đặt ngoài ở áp suất thường.
1.2.2 Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều
có một u cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn ,điều này
phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia .


Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn
nhất thường được ứng dụng trong cơng nghiệp lọc hố dầu. Kích thước của
tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng,
pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp
chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.

 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các
mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn
bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với
nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:


Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:trịn ,xú bắp ,chữ
s…



Tháp mâm xun lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12)
mm.

 Tháp

chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với

nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một
trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Bảng 1. 2. So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp
THÁP CHÊM

Ưu điểm - Đơn giản.

THÁP MÂM XUYÊN

THÁP MÂM

LỖ


CHÓP

- Hiệu

- Trở lực thấp.

suất

tương

đối - Hiệu suất cao.

cao.
- Làm việc với chất lỏng
bẩn.

Nhược - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao.
điểm

- Độ

ổn

định

kém.
- Thiết bị nặng

- Cấu tạo phức tạp.



► Đồ án này sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hỗn hợp EthanolNước .
1.3. Công nghệ chưng cất Ethanol-Nước:
Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H 2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100 oC ở 760mmHg : hơi cách biệt khá
xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương
pháp chưng cất.
Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì
các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và khơng sử dụng phương pháp trích
ly cũng như phương pháp hấp thụ do có thể làm cho q trình phức tạp
hơn hay q trình tách khơng được hồn tồn.

CHƯƠNG 2 : ĐỀ NGHỊ QUY TRÌNH CHƯNG CẤT
2.1. Sơ đồ nguyên liệu
Nguyên liệu là hỗn hợp Aceton – Nước , trong đó Aceton là cấu tử dễ
bay hơi.
Bảng 2. 1.Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn
hợp hai cấu tử ở 760 mmHg ( Acetone – Nước )
x

0

5

10

20

30


40

50

60

70

80

90

33,

44,

53,

57,

61,

65,

69,

75,

81,


89,

0

2

2

1

6

4

4

9

3

8

8

100

10

90,


86,

83,

81,

80,

78,

78,

78,

0

5

5

2

7

8

6

4


4

y

t

79,
80

4

79

100


Hình 2. 1. Đồ thị đường cân bằng Aceton – Nước

2.2.

Sơ đồ quy trình chưng cất Ethanol – Nước

 Chú thích các kí hiệu trong qui trình
1. Bồn chứa ngun liệu.

8. Tháp chưng cất

2. Bơm định lượng


9. Thiết bị trao ngưng tụ

3. Nhiệt kế

10. Thiết

4. Áp kế
5. Thiết bị đun sơi dịng nhập
liệu.

bị

làm

nguội

sản

phẩm đỉnh
11. Thùng chứa sản phẩm đỉnh
12. Thiết bị gia nhiệt đáy tháp

6. Lưu lượng kế
7. Bẫy hơi

13. Thùng chứa sản phẩm đáy



Hình 2. 2. Sơ đồ quy trình



Hỗn hợp Nước – Ethanol có nồng độ nước 85% (theo phần khối
lượng), nhiệt độ khoảng 270C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm
bằng bơm định lượng (2) bơm lên thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (5), 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 luyện
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 (12) 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 sơi cao là acetone 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 khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và
được ngưng tụ hịan tồn. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hồi lưu
về tháp ở đĩa trên cùng. Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp được bốc
hơi, cịn lại cấu tử có nhiệt độ sơi 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 (ethanol). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 70% phần khối
lượng, còn lại là acetone. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi
đun (12). 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 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 ethanol được giữ lại.


CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT – NĂNG LƯỢNG
3.1. Các thông số ban đầu

Thiết bị lựa chọn là tháp mâm chóp. Thiết bị hoạt động liên tục. Khi
chưng luyện dung dịch Ethanol thì cấu tử dễ bay hơi là Ethanol. Hỗn hợp
Ethanol – nước bao gồm:


Ethanol: C2H5OH , MA = 46 (g/mol)



Nước: H2O, MB = 18 (g/mol)



Năng suất nhập liệu: F=2000 lít/h.



Nồng độ Ethanol trong hỗn hợp đầu: xF = 20% mol.



Nồng độ Ethanol trong sản phẩm ở đỉnh: xD = 85% mol.



Nồng độ Ethanol trong sản phẩm ở đáy: xW = 0,78% mol (mục
3.2.1)

 Các thông số tự chọn



Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 270C



Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 350C



Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 250C



Nhiệt độ dòng lạnh đi ra: tR = 450C



Trang thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi

 Các ký hiệu


GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h



GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h




GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h



L: suất lượng dịng hồn lưu, kmol/h



xi, : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.

3.2. Cân bằng vật chất
Phương trình cân bằng vật chất cho tồn bộ tháp chưng cất:
F = D + W
(1)
Phương trình cân bằng đối với cấu tử dễ bay hơi:
F.xF = D.xD + W.xW
(2)


3.2.1. Xác định số lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu
được, suất lượng mol mỗi dòng pha
Phân tử lượng trung bình của dịng nhập liệu (M tbF) và dòng sản
phẩm (MtbD):
MtbF=xF.MA+(1-xF). MB =0,20.46+(1-0,20).18=23,6 (kg/kmol)
MtbD=xD.MA+(1-xD). MB =0,85.46+(1-0,85).18=41,8 (kg/kmol)
MtbW=xW.MA+(1-xW).

MB

=0,0078.46+(1-


0,0078).18=18,22

(kg/kmol)
Nồng độ Ethanol nhập liệu tính theo phần khối lượng (xF = 0.20)
 = = 0,3898 (% khối lượng)
Nồng độ Ethanol sản phẩm đỉnh theo phần khối lương (xD = 0.85)
 = = = 0,9354 (% khối lương)
Tỷ lệ thu hồi cấu tử A ở đỉnh:
97= =
 D = 19,34 (kmol/h)
Áp dụng phương trình cân bằng (1)(2), tính nồng độ ethanol ở sản
phẩm đáy ()
F = D + W  W= F – D = 84,75 – 19,34 = 65,41 (kmol/h)
F.xF = D.xD + W.xW  xW = = = 0,0078 (phần mol)
 = = 0,0197 (% khối lượng)
Ta có hệ phương trình cân bằng vật chất tính tốn theo suất lượng
khối

lượng

và

nồng

độ

phần

khối


lượng:

(ST2: IX.16, IX.16/144)

3.2.2. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc
3.2.2.1. Đồ thị cân bằng Ethanol – nước
Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng % mol và nhiệt độ
sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg (Ethanol – nước):
Bảng 3. 1. Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Ethanol – nước
x 0

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8


0,9

1

y 0

5
0,33

0
0,44

0
0,53

0
0,57

0
0,61

0
0,65

0
0,69

0
0,75


0
0,81

0
0,89

1


t 10

2
90,5

2
86,5

1
83,2

6
81,7

4
80,8

4
80

9

79,4

3
79

8
78,6

8
78,4

0

78,
4

Đồ thị cân bằng x - y hệ Ethanol - nước
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0


0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Hình 3. 1. Đồ thị cân bằng lỏng hơi x – y của hệ Ethanol – nước
3.2.2.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
a. Chỉ số hồi lưu tối thiểu
Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ
số hoàn lưu tối thiểu bằng cách :
 Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,77;0,77) ta kẻ một đường
thẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm
có yo = 0,40 .
 Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì


xD
yo = Rmin  1 =0,40
Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : Rmin = 1,125
b. Chỉ số hồi lưu thích hợp
Chỉ số hồi lưu làm việc: Thường được xác định qua tỉ số hồi lưu tối
thiểu: R = b. Rmin. Trong đó, hệ số dư b = 1.2 – 2.5


Với các giá trị Ri > Rmin ta tìm được các giá trị tung độ Bi tương ứng:
Bi = xp/(Ri + 1)
Vẽ các đường làm việc của đoạn luyện ứng với các giá trị B i đó. Từ
đó qua đồ thị ta tìm được các giá trị N i tương ứng. Từ các giá trị Ni tìm
được ta thành lập các giá trị tương ứng Ni(Ri + 1)
Bảng 3.2. Bảng quan hệ giữa các chỉ số hồi lưu thích hợp với Ni
Nlt(Rx+
Rx

Nlt
2,137

1)

1,9
2

5
2,25
2,362


2,1
2,2

5
2,475
2,587

2,3
2,4

5
2,7
2,812

27
25

2,5

5

24

55
44
32
29

Thiết lập quan hệ phụ thuộc giữa Ri và Nlt(Ri+ 1)trên đồ thị. Điểm cực
tiểu của đường cong vẽ được cho ta giá trị thể tích thiết bị bé nhất và ứng

với điểm đó ta xác định được tỉ số hồi lưu thích hợp Rth.
Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và N(R+1)
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80

2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

2.6

2.7


2.8

2.9

Hình 3. 2. Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và N(R+1)
Từ đồ thị bên trên, ta suy ra được chỉ số hồi lưu thích hợp là R th =
2,8125 tại giá trị b = 2,5 với số đĩa lý thuyết là Nlt = 24.


c. Phương trình đường làm việc
Để tính phương trình đường làm việc, trước tiên ta tính chỉ sơ nhập
liệu f (trong đó, các giá trị xD, xW tính theo %mol)
= 4,38
Phương trình đường làm việc phần chưng:

= 1.88705x 0.00692
Phương trình đường làm việc phần cất (với xD tính theo % mol)

= 0,7377x + 0,22295
3.2.2.3. Xác định số mâm lý thuyết và số mâm thực tế
a. Xác định số mâm lý thuyết
Để xác định số mâm lý thuyết ta phải xác định ba đường thẳng gồm
hai đường làm việc và đường nhập liệu như sau:
 Vẽ đường làm việc phần cất theo phương trình y = 0,61x + 33,29
 Vẽ đường nhập liệu theo phương trình x = x F = 25 %mol (do nhập
liệu lỏng sôi)
 Vẽ đường làm việc phần chưng qua điểm W (x = y = x w) theo
phương trình y = 2,32x – 1,033 và cho giao điểm với đường nhập liệu và
đường làm việc phần cất.
Dựa vào đồ thị Hình 2 bên dưới, ta thấy:

 Số mâm lý thuyết là 23 mâm + 1 nồi đun
 Vị trí mâm nhập liệu là 21
 Số mâm phần cất là 20
 Số mâm phần chưng là 3