Đồ án chưng cất Ethanol Nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA CƠNG NGHỆ SINH HĨA – THỰC PHẨM
----------

BÁO CÁO

THỰC TẬP THỰC TẾ Q TRÌNH THIẾT BỊ

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG HỖN HỢP
ETHANOL – NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU LÀ
1.5 M3/H

Nhóm sinh viên thực hiện:
TRẦN THỊ PHƯƠNG OANH
LÊ THỊ HUỲNH NHƯ
LÊ THỊ YẾN NHƯ
TRẦN GIA PHÚ
Cần Thơ - năm 2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA CƠNG NGHỆ SINH HĨA – THỰC PHẨM
----------

THỰC TẬP THỰC TẾ Q TRÌNH THIẾT BỊ
TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG HỖN HỢP
ETHANOL – NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU LÀ
1.5 M3/H

Giảng viên hướng dẫn:

Nhóm sinh viên thực hiện:

TS. LÊ SĨ THIỆN

TRẦN THỊ PHƯƠNG OANH (1900196)
LÊ THỊ HUỲNH NHƯ (1900567)
LÊ THỊ YẾN NHƯ (1900529)
TRẦN GIA PHÚ (1900263)

Cần Thơ - năm 2021


ĐH KỸ THUẬT – CƠNG NGHỆ CT CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa: CN Sinh Hóa – Thực phẩm

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Lớp: Công nghệ thực phẩm 2019
Ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
1. Tên đề tài: Tính tốn và thiết kế tháp chưng hỗn hợp Ethanol – Nước với
năng suất nhập liệu là 1.5 m3/h.
2. Số liệu ban đầu
- Năng suất nhập liệu:1.5 m3/h
- Nồng độ nhập liệu: xF = 10% phần mol
- Nồng độ của sản phẩm đỉnh: xD= 75% phần mol
- Độ thu hồi: h = 90%
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn
Chương I: Tổng quan

Chương II: Cân bằng vật chất và nhiệt lượng
Chương III: Tính tốn thiết bị chính
4. Các bản vẽ và phụ lục
Một bản vẽ hệ thống thiết bị chính A1
5. Ngày giao nhiệm vụ: 20/9/2021
6. Ngày hoàn thành đồ án: 24/12/2021
Giáo viên hướng dẫn
TS. LÊ SĨ THIỆN

i


MỤC LỤC
DANH SÁCH BẢNG .............................................................................................. iv
DANH SÁCH HÌNH .................................................................................................v
CÁCH TRÍCH DẪN TÀI LIỆU ............................................................................ vi
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... vii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................1
1.1 Lý thuyết về chưng cất.......................................................................................1
1.1.1 Khái niệm ....................................................................................................1
1.1.2 Các phương pháp chưng cất: .......................................................................1
1.1.3 Thiết bị chưng cất: .......................................................................................2
1.2 Nguyên liệu ........................................................................................................3
1.2.1 Ethanol .........................................................................................................3
a. Tính chất ........................................................................................................3
b. Điều chế ........................................................................................................4
c. Ứng dụng .......................................................................................................4
1.2.2 Nước ............................................................................................................5
1.2.3 Hỗn hợp Ethanol – Nước.............................................................................5
1.3 Công nghệ chưng cất hệ Ehanol – Nước: .........................................................6

1.3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước: .........................7
1.3.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ: ..............................................................7
CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NHIỆT LƯỢNG .................................9
2.1 Cân bằng vật chất...............................................................................................9
2.1.1 Thông số ban đầu ........................................................................................9
2.1.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy: ...............................9
2.1.3 Xác định tỉ số hồn lưu thích hợp .............................................................11
2.1.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu .......................................................................11
2.1.3.2 Tỉ số hồn lưu thích hợp Rth ..............................................................11
2.1.4 Phương trình làm việc – số mâm lý thuyết ...............................................12
2.1.5 Xác định số mâm thực tế ...........................................................................13
2.1.5.1 Tính số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình ...........................13
ii


2.1.5.2 Tính α, μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh và đáy tháp ............................13
2.2 Cân bằng nhiệt lượng .......................................................................................15
2.2.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu........................15
2.2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp ..........................................................17
2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ ..............................................19
2.2.4 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh ..............................................19
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH .......................................................21
3.1 Đường kính tháp ..............................................................................................21
3.1.1 Đường kính đoạn cất .................................................................................21
3.1.2 Đường kính đoạn chưng ............................................................................24
3.2 Chiều cao của tháp chưng cất ..........................................................................27
3.3 Tính trở lực của tháp ........................................................................................27
3.3.1 Cấu tạo của mâm lỗ ...................................................................................27
3.3.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm ......................................................27
3.3.2.1 Độ giảm áp qua mâm khô ...................................................................28

3.3.2.2 Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm.............................29
3.3.2.3 Độ giảm áp do sức căng bề mặt ..........................................................30
3.4 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động ..............................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................33

iii


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1. So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp .................................. 2
Bảng 1.2: Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Ethanol - Nước ở 760 mmHg ...................................................................................5

iv


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ ứng dụng của ethanol ................................................................. 5
Hình 1.2: Đồ thị cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Ethanol và Nước .................... 6
Hình 1.3: Giản đồ t – x,y của hệ Ethanol – Nước ............................................... 6
Hình 1.4: Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất ethanol và nước ....................... 7
Hình 2.1: Giản đồ số mân lý thuyết.................................................................... 12

v


CÁCH TRÍCH DẪN TÀI LIỆU
Bảng IX.2a, trang 145, [2]: Tra bảng IX.2a ở trang 145 của tài liệu số 2 trong
mục tài liệu tham khảo.
Công thức IX.20, trang 144, [2]: Theo công thức IX.20 ở trang 144 của tài liệu

số 2 trong mục tài liệu tham khảo.

vi


LỜI MỞ ĐẦU
Trong công cuộc ngày càng đổi mới và phát triển. Ta ngày càng tiến sâu vào
quả trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước khơng ngừng. Áp dụng những
thành tựu khoa học, kỹ thuật mới, tiên tiến. Trên thế giới, các ngành công nghiệp
luôn phát triển và đổi mới không ngừng nhằm phục vụ cho nhu cầu của con người.
Mỗi ngành đều có những thành tựu to lớn được con người ghi nhận một cách khách
quan. Cùng với sự phát triển đó, đất nước ta ln ln học hỏi, tìm tịi những cải
tiến mới để áp dụng trong ngành công nghiệp của nước nhà.
Mỗi ngành công nghiệp đều có những đóng góp to lớn như ngành cơng nghiệp
hóa học, sinh học, cơ khi, kỹ thuật... Trong đó, ngành cơng nghệ thực phẩm là một
trong những ngành có đóng góp vơ cùng to lớn đối với nước ta nói riêng cũng như
trên thế giới nói chung.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm
hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm hóa học có độ tinh khiết cao
phải phù hợp với quy trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, có rất nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm
như trích lỵ, chưng cất, cơ đặc, hấp thu... Tùy theo đặc tính và yêu cầu của sản
phẩm mà ta có thể lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ Ethanol – Nước là 2
cấu tử tan hồn tồn vào nhau có sự chênh lệch về nhiệt độ sơi (Ethanol có nhiệt độ
sơi nhỏ hơn nước), ta nên dùng phương pháp chưng cất để thu được rượu tinh khiết
một cách triệt để.
Nhiệm vụ của đồ án này: thiết kế hệ thống chưng cất hệ Ethanol – Nước với
năng suất nhập liệu 1,5 m3/h, nồng độ nhập liệu 10% mol, nồng độ sản phẩm đỉnh
75% mol, với độ thu hồi là 90%.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy TS. Lê Sĩ Thiện đã hướng dẫn và giúp

đỡ chúng em trong suốt quá trình xây dựng để án. Trong q trình hồn thành đồ án
sẽ khơng tránh khỏi sai sót, mong q thầy cơ sẽ góp ý và chỉ dẫn.

vii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Lý thuyết về chưng cất
1.1.1 Khái niệm
Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp chất lỏng (hoặc hỗn hợp khí – lỏng)
thành các cấu tử riêng biệt dựa trên độ bay hơi của chúng (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt
độ, áp suất hơi bão hịa của các cấu tử khác nhau).
Chưng khác với cơ đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, cịn
trong cơ đặc thì chỉ có dung mơi bay hơi mà chất tan không bay hơi.
Sản phẩm của quá trình chưng tuy chưa đạt tinh khiết tuyệt đối, nhưng nồng
độ của nó khá cao.
Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường hệ có bao nhiêu cấu tử
thì ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Đối với hỗn hợp gồm hai cấu tử, khi đó q
trình chưng cất sẽ cho:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu
tử có độ bay hơi bé hơn.
- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử
có độ bay hơi lớn hơn.
 Đối với hệ 2 cấu tử: Ethanol – Nước:
+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là ethanol và một ít nước.
+ Sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol.
1.1.2 Các phương pháp chưng cất:
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: gián đoạn (chưng đơn giản) và liên tục.
 Chưng cất gián đoạn (đơn giản): 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.
1


 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 cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường
được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước.
Vậy: đối với hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
1.1.3 Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thì có rất nhiều tháp chưng nhưng chúng đều có chung là diện
tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này nó phụ thuộc vào độ phân tán của cấu tử
này vào cấu tử kia.
Kích thước của tháp: đường kính tháp và chiều cao của tháp nó phụ thuộc vào
suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm.
Các loại tháp thường dùng trong công nghiệp:
- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa tưới.
- Tháp chưng cất dùng mâm chóp.
- Tháp đệm: tháp chưng cất dùng vật chêm.
- Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu
tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được tiếp xúc với nhau.

Tùy theo cấu tạo đĩa mà ta có:
- Tháp mâm chóp: trên mâm có bố trí các chóp dạng trịn hay một dạng khác,
có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình trịn.
- Tháp mâm xun lỗ: Trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh có đường kính 3 –
12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác, bước lỗ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính.
- 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 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiên
hay xếp theo thứ tự.
Bảng 1.1. So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp
Tháp đệm
Ưu điểm

Nhược

Tháp mâm xuyên lỗ

- Cấu tạo khá đơn - Chế tạo đơn giản
giản.
- Trở lực thấp hơn tháp
- Trở lực thấp.
chóp, ít tốn kim loại hơn
tháp chóp
- Hiệu suất thấp

Tháp chóp
- Hiệu suất truyền
khối cao, ổn định.
- Ít tiêu hao năng
lượng hơn nên có số
mâm ít

- Yêu cầu lắp đặt cao: - Cấu tạo phức tạp

2


điểm

- Kém ổn định do sự
phân bố các pha theo
tiết diện tháp không
đều.
- Sử dụng tháp không
cho phép ta kiểm sốt
q trình chưng cất
theo khơng gian tháp
trong khi đó ở tháp
mâm thì quá trình thể
hiện qua từng mâm
một cách rõ rệt.

mâm phải rất phẳng, đối - Không làm việc với
với những tháp có đường chất lỏng bẩn.
kính q lớn (> 2,4m) ít
dùng mâm xun lỗ vì lúc - Trở lực lớn.
đó chất lỏng phân phối
khơng đều trên mâm.
- Trở lực khá cao

Nhận xét: Tháp mâm xuyên lỗ ở trạng thái trung gian giữa 2 tháp nên ta chọn

tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất.
Vậy: chưng cất hệ Ethanol – Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động ở áp
suất thường.
1.2 Ngun liệu
1.2.1 Ethanol
a. Tính chất
Ethanol cịn được biết đến như là rượu Ethylic, alcohol Ethylic, rượu ngũ
cốc hay cồn, là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của alcohol, dễ cháy,
không màu, là một trong các rượu thơng thường có trong thành phần của đồ uống
chứa cồn.

Ethanol có cơng thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là
một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, dể
bay hơi, nhẹ hơn nước, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và clorofom, hút ẩm,
dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời.
Khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15oC, nhiệt độ sôi 78,39oC ở 760 (mmHg),
nhiệt độ nóng chảy ở 114,15oC, hóa rắn ở -114,15oC.
Ethanol có 3 tính chất quan trọng nhất là phản ứng với kim loại kiềm, phản
ứng cháy và phản ứng este hóa với axit axetic:
- Phản ứng với kim loại kiềm:
→ CH3-CH2-ONa + H2

CH3-CH2-OH + Na

CH3-CH2-OH + NaNH2 → CH3-CH2-ONa + NH3
- Phản ứng cháy:
CH3-CH2-OH + 3O2 → 2 CO2 + 3 H2O
3

- Phản ứng este hóa với axit axetic:
Tổng quát phản ứng este hóa
ROH + R’COOH ↔ R’COOR + H2O
Phản ứng được thực hiện trong mơi trường axit và đun nóng.
Phản ứng có tính thuận nghịch nên chú ý đến chuyển dịch cân bằng.
C2H5OH + CH3COOH ↔ CH3COOC2H5 + H2O
b. Điều chế
Hai phương pháp điều chế thông dụng nhất của Ethanol là lên men đường
hoặc tinh bột và cộng hợp etylen với nước.
- Tinh bột hoặc đường → Rượu Ethylic.
C6H12O6 → 2CH3CH2OH + 2CO2
- Cho ethylene cộng hợp với nước có acid làm xúc tác
Tuân theo quy tắc Maccopnhicop
Phản ứng cần xúc tác acid: H2SO4, H3PO4 (không dùng HX)
CH2 = CH2 + H2O → C2H5OH
Ngồi ra cịn các phương pháp sau:
- Cộng hydrogen vào aldehyde
Ni,𝑡 𝑜

CH3CHO + H2 →

CH3-CH2-OH

- Thủy phân C2H5-X, dẫn xuất của este
C2H5X+ NaOH → C2H5OH +NaCl
CH3COOC2H5 + H2O → C2H5OH + CH3COOH
c. Ứng dụng
Ethanol có nhiều ứng dụng hơn mEthanol, nó đóng một vai trị quan trọng
trong nền kinh tế quốc dân. Đây là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng
khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp nặng, y tế và

dược, quốc phịng, giao thơng vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông nghiệp.

4


Hình 1.1 Sơ đồ ứng dụng của ethanol
1.2.2 Nước
Trong điều kiện thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, khơng vị.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau.
Khối lượng phân tử: 18g/mol
Khối lượng riêng d4oC: 1g/ml
Nhiệt độ nóng chảy: 00C
Nhiệt độ sơi: 1000C
Nước là dung mơi tốt nhờ vào tính lưỡng cực:
- Các hợp chất phân cực hoặc có tính ion như acid, rượu và muối đều dễ tan
trong nước.
- Tính hịa tan của nước nó đóng vai trị quan trọng trong sinh học vì có
nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch nước.
Nước được sử dụng trong công nghiệp từ lâu như là nguồn nhiên liệu, nước là
một chất trao đổi nhiệt, và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
1.2.3 Hỗn hợp Ethanol – Nước
Bảng 1.2: Bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Ethanol - Nước ở 760 mmHg:
x(%phân
mol)
y(%phân
mol)
t(oC)

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

33,2

44,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9

75,3

81,8

89,8

100

100

90,5

86,5

83,2

81,7

80,8

80

79,4

79

78,6

78,4

78,4

(Nguồn: Bảng IX.2a, trang 145, [2])

5


y (% mol)

Đồ thị cân bằng lỏng hơi hệ Ethanol - Nước

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10

0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90
100
x (% mol)

Hình 1.2: Đồ thị cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp Ethanol và Nước
t (ᵒC)

Giản đồ t - x,y của hệ Ethanol - Nước

100
97

94
91
88
85

82
79
76
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

x,y (% mol)
Hình 1.3: Giản đồ t – x,y của hệ Ethanol – Nước
1.3 Công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước:
Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,3oC ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760mmHg: hơi cách biệt khá xa nên
phương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng
cất.
Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cơ đặc vì các cấu tử
đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương
pháp hấp thụ do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho q trình phức
tạp hơn hay q trình tách khơng được hoàn toàn.
6


1.3.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước:
Bồn chứa sản
phẩm đỉnh

Nguyên liệu
Thiết bị làm nguội
sản phẩm đỉnh

Bơm

Thiết bị phân phối
dòng lỏng

Bồn cao vị
Hơi nước

Nước
Lưu lượng
kế

Nước
ngưng

Thiết bị ngưng tụ
sản phẩm đỉnh

Thiết bị làm nguội
sản phẩm đỉnh
Bẫy hơi

Tháp chưng cất

Hơi nước

Bồn chứa sản phẩm đáy

Nước
lỏng

Nồi đun
Thiết bị làm nguội
đỉnh

Hình 1.4: Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất ethanol và nước
1.3.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ:
Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol 10% (theo phân mol), nhiệt độ

khoảng 27oC tại bình chứa nguyên liệu được bơm bơm lên bồn cao vị. Từ đó được
đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy). Sau đó, hỗn hợp
được đun sơi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp được đưa vào tháp
chưng cất ở đĩa nhập liệu.
Trên mâm nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp
chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có
sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần
chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi
tạo nên từ nồi đun lơi 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 nước sẽ ngưng tụ
lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều nhất
(có nồng độ 75% phân mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ
hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh,
7


được làm nguội đến 35oC, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh. Phần còn lại
của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối
ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp được bốc hơi tại van xả khí, 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 (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có
nồng độ ethanol là 1,14 % phân mol, cịn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi
tháp vào nồi đun. 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 được trao đổi nhiệt với
dòng nhập liệu trong thiết (sau khi qua bồn cao vị).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol, sản phẩm đáy sau
khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 86oC được thải bỏ.

8

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NHIỆT LƯỢNG
2.1 Cân bằng vật chất
2.1.1 Thông số ban đầu
Chọn loại tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục.
Khi chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước thì cấu tử dể bay hơi là Ethanol.
Năng suất nhập liệu: GF = 1,5 m3/h
Nồng độ nhập liệu: xF = 10% mol
Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 75% mol
Tỷ lệ thu hồi Ethanol: h= 90%
Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR =46 kg/kmol, MN =18 kg/kmol.
Chọn:
- Nhiệt độ đầu của hỗn hợp: t’F = 27oC
- Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: t’W = 40oC
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tv = 27oC
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tr = 40oC
-Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
- Áp suất hơi đốt: Ph = 2 at
Các kí 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.
- xi, wi: phân mol, phân khối lượng của cấu tử i.
2.1.2 Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy:
Công thức liên hệ nồng độ phần mol và nồng độ phần khối lượng:
wi =

xi ∙ Mi
∑ xi ∙ Mi

- Thành phần khối lượng của Ethanol ở nhập liệu:
wF =

xF ∙ MR
(xF ∙ MR )+((1 − xF ) ∙MN )

=

0,1 ∙ 46
(0,1 ∙46) +((1−0,1) ∙ 18)

= 0,221 (phần khối lượng)

- Thành phần khối lượng của Ethanol ở sản phẩm đỉnh:
wD =

xD ∙ MR
(xD ∙ MR )+((1 − xD ) ∙MN )

=

0,75 ∙ 46

= 0,885 (phần khối lượng)

(0,75 ∙ 46) +((1−0,75) ∙ 18)

9

Tính phân tử lượng trung bình của hỗn hợp theo công thức:
MK = MA ∙ xk + MB ∙ (1 – xk )
- Trong hỗn hợp đầu:
MF = MR ∙ xF + MN ∙(1- xF) = 46 ∙ 0,1 + 18 ∙ (1- 0,1) = 20,8 (kg/kmol)
- Trong sản phẩm đỉnh:
MD = MR ∙ xD + MN ∙ (1-xD) = 46 ∙ 0,75 + 18 ∙ (1- 0,75) = 39 (kg/kmol)
Dựa vào bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) ) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Ethanol – Nước ở 760 mmHg => Ứng với nồng độ nhập liệu xF = 0,1 thì tF =
86,5oC.
- Tra bảng 1.2, trang 9, [1]:
→ Khối lượng riêng của nước ở 86,5oC: 𝛒𝐍 = 976,450 kg/m3
- Tra bảng 1.2, trang 9, [1]:
→ Khối lượng riêng của ethanol ở 86,5oC: 𝛒𝐑 = 728,825 kg/m3
Áp dụng công thức 1.2, trang 5, [1]:
→ Khối lượng riên của hỗn hợp lỏng:
1
ρhh

=

wF
ρR

+

1− wF
ρN

=

0,221
728,825

+

1− 0,221
976,450

→ ρhh = 908,252 kg/m3

Ta có: GF = 1,5 m3/h → GF = 1,5 ∙ 908,252 = 1362,378 kg/h
F=

GF
MF

=

1362,387
20,8

= 65,499 kmol/h

Phuơng trình cân bằng vật liệu của tồn tháp:
F = D + W (2.1)
Phương trình cân bằng với cấu tử ethanol:
xF ∙ F = xD ∙ D + xW ∙ W (2.2)
Độ thu hồi sản phẩm:
h=

D∙xD
F∙xF

=

D∙0,75
65,499 ∙ 0,1

= 0,90

→ D = 7,860 kmol/h
- Từ (2.1) và (2.2), ta có:
{

65,499 = 7,860 + W
0,1 ∙ 65,499 = 0,75 ∙ 7,860 + xW ∙ W

→ W = 57,589 kmol/h , xW = 0,0114 phần mol
10


- Thành phần khối lượng của Ethanol ở sản phẩm đáy:
wW =

xW ∙ MR
(xW ∙ MR )+((1 − xW ) ∙MN )

=

0,0114 ∙ 46

(0,0114 ∙ 46) +((1−0,0114) ∙ 18)

= 0,029 (phần

khối lượng)
- Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp trong sản phẩm đáy:
MW = MR∙xW+ MN ∙(1- xW) = 46 ∙0,0114 + 18∙(1-0,0114) = 18,32 (kg/kmol)
Suất lượng sản phẩm đỉnh theo kg/h:
GD = D ∙MD = 7,860 ∙ 39 = 306,54 kg/h
Suất lượng sản phẩm đáy theo kg/h:
GW = W ∙MW = 57,589 ∙ 18,32 = 1054,939 kg/h
2.1.3 Xác định tỉ số hồn lưu thích hợp
2.1.3.1 Tỉ số hồn lưu tối thiểu
- Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý
thuyết là vơ cực. Do đó, chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nhiên
liệu, nước và bơm…) là tối thiểu.
Dựa vào bảng 1.1 với xF = 0,1 → 𝑦𝐹∗ = 0,442
Tỷ số hoàn lưu tối thiểu: (Công thức IX.24, trang 158, [2])
xD − y∗F

0,75−0,442

Rmin = ∗
=
= 0,9
0,442−0,1
yF − xF
2.1.3.2 Tỉ số hồn lưu thích hợp Rth
Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, nồi đun và cơng để bơm
cũng tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vơ cực khi

hồn lưu tồn phần, lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hồn
lưu.
Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành. Tỉ số hồn lưu
thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu.
Tuy nhiên, đơi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm sốt nên người
ta có thể tính tỉ số hồn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất. Để tính được tỉ số
hồn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (khơng tính đến chi phí điều hành),
ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn Rth ứng với
thể tích tháp là nhỏ nhất.
Để tính được tỉ số hồn lưu thích hợp theo diều kiện tháp nhỏ nhất, ta cần lập
mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và thể tích tháp thơng qua lập mối quan hệ giữa R
và tích số Nth∙(R+1).
11


Chỉ số hồi lưu làm việc tổng quát:
R = 𝛽 ∙Rmin (Cơng thức IX.25, trang 158, [2])
Trong đó: 𝛽 – hệ số dư.
Chọn 𝛽= 2 → R = 2 ∙Rmin = 2 ∙ 0,9 = 1,8
2.1.4 Phương trình làm việc – số mâm lý thuyết
 Phương trình nồng độ làm việc
Phương trình nồng độ làm việc của đoạn cất:
y=

R
R+1

xD

x+

R+1

=

1,8

x+

1,8+1

0,75
1,8+1

(Cơng thức IX.20, trang 144, [2])

→ ycất = 0,643x + 0,268
Phương trình nồng độ làm việc của đoạn chưng: (Công thức IX.22, trang
158, [2])
y=

R+L
R+1

x−

L−1
R+1

xW =

1,8+8,327
1,8+1

y+

8,327−1
1,8+1

∙ 0,0144

→ ychưng = 3,617x − 0,03
Với L =

F
D

=

65,449
7,86

= 8,327

100

Giản đồ số mâm lý thuyết

90
80

y (% mol)

70
60
50

Đường cân bằng
Đường chéo

40

Nhập liệu

30

Đoạn cất

20

Đoạn chưng
Đỉnh

10

Đáy

0
0

10

20

30

40

50

x (% mol)

60

70

Hình 2.1 Giản đồ số mâm lý thuyết
 Xác định số mâm lý thuyểt
Từ Hình 2.1 → Số mâm lý thuyết Nlt = 9 mâm
12

80

90

100


Nhập liệu ở mâm thứ 6
Số mâm đoạn chưng: 3 mâm

Số mâm đoạn cất: 6 mâm
2.1.5 Xác định số mâm thực tế
2.1.5.1 Tính số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình
Ntt =

Nlt

(Cơng thức IX.59, trang 170, [2])

ηtb

Trong đó:
- Nlt: số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lý thuyết.
- ηtb : hiệu suất trung bình của thiết bị.

ηtb =

η1 +η2 +η3 +⋯+ηn
n

(Công thức IX.59, trang 170, [2])

Với:
- η1, η2...: hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ.
- n: số vị trí tính hiệu suất.
- ηtb: hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp
lỏng.

ηtb = f(α, μ)
Trong đó:

- α: độ bay hơi tương đối hỗn hợp lỏng.
- µ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng.
Trong chưng luyện người ta tính độ bay hơi tương đối như sau:

α=

y
1−y

∙

1−x
x

(Cơng thức IX.61, trang 171, [2])

Trong đó:
+ x,y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng.
+ α: độ bay hơi tương đối của hỗn hợp.
+ µ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng N∙s/m2
2.1.5.2 Tính α, μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh và đáy tháp
 Tại đĩa nạp liệu
Từ xF = 0,1 tra đồ thị cân bằng của hệ Hình 1.2 và Hình 1.3
Ta có: y*F = 0,442; tF = 86,5oC
13


αF =

y∗F

1− y∗F

∙

1 − xF
xF

0,442

=

∙

1−0,442

1−0,1
0,1

= 7,129

Từ wF = 22,1% và tF = 86,5oC, tra đồ thị Hình I.28, trang 107, [1]:
μF = 43 ∙10-6 ∙ 9,81 (N∙ m/s) = 4,218∙10-4 (N∙ m/s) = 0,422 (cP)
→ αF ∙µF = 7,129 ∙ 0,422 = 3,008
Từ tích số αF ∙µF tra giản đồ thực nghiệm Hình IX.11, trang 171, [2]:
ηF = 0,375
 Tại vị trí mâm đỉnh:
Từ xD = 0,75 tra đồ thị cân bằng của hệ Hình 1.2 và Hình 1.3
Ta có: y*D = 0,7855; tD = 78,8oC,
αD =

y∗D
1− y∗D

∙

1 − xD
xD

0,7855

=

1−0,7855

∙

1−0,75
0,75

= 1,22

Từ wD = 88,5% và tD = 78,8oC, tra đồ thị Hình I.28, trang 107, [1]:
μD = 54∙10-6 ∙ 9,81 (N∙ m/s) = 5,3∙10-4 (N∙ m/s) = 0,53 (cP)
→ αD ∙µD = 1,22 ∙ 0,53 = 0,647
Từ tích số αD ∙µD tra giản đồ thực nghiệm Hình IX.11,trang 171,[2]: ηD =
0,55
 Tại vị trí mâm đáy:
Từ xW = 0,0114 tra đồ thị cân bằng của hệ Hình 1.2 và Hình 1.3
Ta có: y*W = 0,076; tW = 97,8oC
αW =

y∗W
1− y∗W

∙

1 − xW
xW

=

0,076
1−0,076

∙

1−0,0114
0,0114

= 7,133

Từ wW = 2,9 % và tW = 97,8oC, tra đồ thị Hình I.28, trang 107, [1]:
μW = 34∙10-6 ∙ 9,81 (N∙ m/s) = 3,34∙10-4 (N∙ m/s) = 0,334 (cP)
→ αW ∙µW = 7,133 ∙ 0,334 = 2,38
Từ tích số αD ∙µD tra giản đồ thực nghiệm (Hình IX.11,trang 171,[2]): ηW =
0,4
Vậy hiệu suất trung bình của tháp:

ηtb =

ηF +ηD +ηW
3

Số mâm thực tế của tháp :

14

=

0,375+0,55+0,4
3

= 0,442


Ntt =

Nlt

=

ηtb

9
0,442

= 20,36 ≈ 21

Vậy số mâm thực tế Ntt = 21 mâm
Số đĩa thực tế của đoạn cất Ncất=

NltL
(ηF +ηD )/2

Số đĩa thực tế của đoạn chưng: Nchưng =

=

6
(0,375+0,55)/2

= 12,97

3
NltC
=
= 7,74
(ηF +ηw)/2 (0,375+0,4)/2

Số mâm thực tế của đoạn cất Ncất = 13 mâm
Số mâm thực tế của đoạn chưng Nchưng = 8 mâm
Nhập liệu mâm số 13
2.2 Cân bằng nhiệt lượng
Mục đích:
- Xác định được lượng nước lạnh cần thiết để cho vào quá trình ngưng tụ và
làm lạnh.
- Xác định được lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn đầu và đun bốc hơi
ở đáy tháp.
- Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổ biến và dễ
tìm trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng u cầu cơng nghệ.

2.2.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng:
QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (Cơng thức IX.149, trang 196, [2])
- Tính nhiệt lượng do hơi đốt mang vào:
QD1 = D1λ1 = D1( r1 + θ1C1 ) (J/h) (Cơng thức IX.150, trang 196, [2])
Trong đó:
+ D1: lượng hơi đốt mang vào, kg/h
+ λ1: hàm nhiệt của hơi nước, J/kg
+ r1: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg
+ θ1: nhiệt độ của nước ngưng, oC
+ C1: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg∙độ
Chọn áp suất vào của hơi đốt (hơi nước) là 2 at. Tra bảng I.251 trang 314,
[1] ta được: t = 119,6 oC, r = 2208∙103 (J/kg)
- Tính nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:
15


Qf = GF ∙t’f ∙Cf

(J/h) (Công thức IX.151, trang 196,[2])

Trong đó:
+ GF: lượng hỗn hợp đầu, kg/h
+ Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg ∙độ
+ t’f: nhiệt độ hỗn hợp đầu oC
Chọn nhiệt độ hỗn hợp đầu t’f = 27oC. Tra bảng I.153 và I.154 trang 172, [1]
ta được: CN = 4178,25 (J/kg ∙độ) và CR = 2560,5 (J/kg ∙độ)
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:
Cf = wF ∙CR + (1–wF)∙CN = 0,221∙2560,5 + (1–0,221) ∙4178,25 = 3820,727

(J/kg ∙độ)
→ Qf = GF ∙t’f ∙Cf = 1362,378 ∙27 ∙ 3820,727 = 140542409 (J/h)
- Tính nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
QF = GF ∙tF ∙CF

(J/h) (Công thức IX.152, trang 196, [2])

Trong đó:
+ GF: lượng hỗn hợp đầu, kg/h
+ CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra, J/kg ∙độ
+ tF: nhiệt độ hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng, oC (86,5oC)
Tra bảng I.153 và I.154, trang 172, [I] ở 86,5oC, ta được: CR = 3317,5
(J/kg∙độ) và CN = 4203 (J/kg ∙độ)
CF = wF ∙CR + (1–wF)∙CN = 0,221∙3317,5 + (1–0,221) ∙4203 = 4007,3045
(J/kg∙độ)
→ QF = GF ∙tF ∙CF = 1362,378 ∙86,5 ∙ 4007,3045 = 472243591 (J/h)
- Nhiệt lượng do hơi nước ngưng mang ra:
Qng1 = Gng1 ∙C1 ∙θ1 = D1 ∙C1 ∙θ1 (J/h) (Công thức IX.153, trang 197, [2])
- Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn:
Qxq1 = 5% ∙QD1 = 5% D1 ∙r1 (J/h) (Công thức IX.154, trang 197, [2])
Trong đó:
+ Gng1: lượng nước ngưng (lấy bằng lượng hơi đốt), kg/h.
+ θ1: nhiệt độ của nước ngưng, oC
+ D1: lượng hơi đốt mang vào, kg/h
+ λ1: hàm nhiệt của hơi nước, J/kg
16