đồ án KTHH mâm xuyên lỗ hệ ethanol nước

`
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I.

Giới thiệu về nguyên liệu

Etanol (C2H5OH) có tên gọi là rượu etylic, alcohol etylic là một hợp chất hữu cơ nằm
trong dãy đồng đẳng của alcohol, dễ bay hơi, dễ cháy, khơng màu. Có nhiệt độ sơi là
78,390C, khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 150C.
Nước (H2O) là một hợp chất vô cơ, trong suốt, không vị, không mùi, nhiệt độ sối là
1000C.
Etanol tan vô hạn trong nước. nhiệt độ sơi của hỗn hợp đẳng phí là 78,150C. Phương pháp
để thu etanol hiệu quả có độ tinh khiết cao là chưng cất.
II.

Công nghệ chưng cất

Chưng cất: là phương pháp dùng nhiệt để tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng
biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
Các phương pháp chưng cất:
+ Chưng cất đơn giản

+ Chưng cất phân đoạn

+ Chưng cất chân không

+ Chưng cất lôi cuốn hơi nước

 Để có được sản phẩm 91% ta sẽ chọn phương pháp chưng cất phân đoạn
1 Thiết bị chưng cất
Có 2 loại tháp thường dùng: tháp mâm và tháp chêm

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

- Cấu tạo khá đơn

Ưu điểm

Nhược điễm

-

giản
Trở lực thấp
Làm việc được
với chất lỏng bẩn
Hiệu sất truyền
khối thấp
Độ ổn định thấp,
khó vận hành
Khó tăng năng
suất
Thiết bị khá nặng

- Trở lực tươn đối

thấp

- Hiệu suất khá cao
- Không làm việc

được với chất
lỏng bẩn
- Kết cấu khá phức
tạp

- Khá ổn định
- Hiệu suất cao
- Có trở lực lớn
- Tiêu tốn nhiều

vật tư, kết cấu
phức tạp

1


`
nề
Qua q trình nghiên cứu, thì tơi thấy tháp mâm xuyên lỗ phù hợp với hệ etanol –
nước này. Tháp mâm xuyên lỗ có những ưu điểm sau:





Chế tạo đơn giản
Vệ sinh dễ dàng

Trở lực tháp hơn tháp chóp
Ít tốn kim loại hơn tháp chóp

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
* Thuyết minh qui trình cơng nghệ:
Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol 35% ( theo phân khối lượng), tại bình
chứa nguyên liệu được bơm biến tần bơm vào thiết bị gia nhiệt đến nhiệt độ sôi, hỗn hợp
đươc đưa vào tháp chưng cất ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy
xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc
và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống
dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun 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 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 91% phân khối lượng). 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, được làm nguội , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm
đỉnh. Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc 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, 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
0.75% phân khơi lượng, còn 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 thải bỏ.

2


`
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol, sản phẩm đáy là nước

được thải bỏ.

3


`
CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Các thông số ban đầu

I.

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục.
Khi chưng luyện dung dịch ethanol thì cấu tử dễ bay hơi là ethanol
Hỗn hợp:
•
•

ethanol: C2H5OH, MR = 46 (g/mol)
Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)

Năng suất nhập liệu: GF = 5000 kg/h

Nồng độ nhập liệu: phần khối lượng ethanol

Nồng độ sản phẩm đỉnh: phần khối lượng ethanol

Nồng độ sản phẩm đáy: phần khối lượng methanol

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.
II.
Cân bằng vật chất
1. Hệ phương trình cân bằng vật liệu






• Phương trình cân bằng vật liệu cho tồn tháp :
F = D + W (1)

IX.16 [II-144]

• Đối với cấu tử dễ bay hơi (Rượu Etylic) :
FaF = DaD + Waw ( 2)

IX.17 [II-144]

• Thay (1) vào (2) rút ra :
• Lượng sản phẩm đáy :
W = F = 5000 = 3102,493 (kg/h)
• Từ đó suy ra lượng sản phẩm đỉnh :
D = F – W = 5000 – 3102,493 = 1897,507 (kg/h)

4

`
2. Đổi từ phần khối lượng sang phần mol
Áp dụng cơng thức:
x=

VIII.1 [II-126]

Trong đó:
ME = MC2H5OH = 46 (Kg/Kmol)
MN = MH2O = 18 (Kg/Kmol)
Thay số, ta có nồng độ phần mol của etanol trong hỗn hợp bạn đầu:
xF = = = 0,174 (phần mol)
Nồng độ phần mol của etanol trong sản phẩm đỉnh :
xD = = = 0,798 (phần mol)
Nồng độ phần mol của etanol trong sản phẩm đáy :
xW = = = 2,948. 10-3 = 0,002948 (phần mol)
Khối lượng phân tử hỗn hợp đầu :
F

F

F

M = x .ME + (1-x ).MN =0,174.46 + (1-0,174).18= 22,872(kg/kmol)
3. Xác định suất lượng nhập liệu, sản phầm đỉnh và sản phầm đáy

- Phương trình cân bằng vật liệu cho tồn tháp :
GF = GD + GW ( IX.16 Tập II tr 144)

Tính theo kmol/h:
- Lượng hỗn hợp đầu vào tính theo kmol/h:
GF = = = 218,608 (kmol/h)
- Lượng sản phẩm đỉnh tính theo kmol/h:

5


`
GD = GF = 218,608. = 47,033(kmol/h)
- Lượng sản phẩm đáy tính theo kmol/h:
GW = GF- GD= 218,608 – 47,033= 171,575 (kmol/h)
Tính theo kg/h:
-Lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h:
D = F. = 5000. = 1897,507 (kg/h)
-Lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h:
W= F-D = 5000 – 1897,507 = 3102,493 (kg/h)

Bảng Tổng kết thành phần như sau:
P.khối lượng

Phần

Lưu lượng (kg/h)

Lưu lượng (kmol/h)

mol
Hỗn hợp đầu

0,35

0,174

5000

218,608

Sản phẩm đỉnh

0,91

0,798

1897,507

47,033

Sản phẩm đáy

0,0075

0,00294

3102,493

171,575

8

4. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

a. Chỉ số hồi lưu tối thiểu: (Rmin) :
Tra bảng IX 2a (tr 148)có bảng cân bằng lỏng hơi của Rượu Etylic – Nước.
Dựng đường cân bằng theo số liệu đường cân bằng sau:
X
Y

0
0

5
10 20
30 40 50 60 70 80 90 100
33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100

HH.ĐP
89,4

6


`
T0C 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4

78,15

Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y).
Dựa vào đồ thị x –y từ giá trị xF = 0,174 ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với đường cân
bằng tại điểm uốn, cắt trục Oy tại điểm có yo= 0,4

Theo phương trinh đường làm việc đoạn cất, khi xo = 0 thì
yo = => Rmin= -1 = 0,995
 Vậy tỉ số hoàn lưu tối thiểu: Rmin= 0,995
b. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

Xác định chỉ số hồi lưu từ điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất (khơng tính đến các chỉ tiêu
kinh tế vận hành). Trong trường hợp này ta cần thiết lập quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và thể
tích của tháp R – V.
Thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số mx(R + 1) hay tích số my(R + 1), trong đó mx
(hay my) là số đơn vị chuyển khối [2] – ở đây chính là số mâm lý thuyết Nlt.
Sử dụng phương pháp Mc Cabe – Thiele [3] để xác định số mâm lý thuyết và từ đó thiết
lập quan hệ phụ thuộc giữa R và Nlt(R + 1) trên đồ thị. Điểm cực tiểu của đường cong vẽ
được sẽ cho ta giá trị thể tích thiết bị bé nhất và ứng với điểm đó sẽ có chỉ số hồi lưu thích
hợp Rth.
Theo tác giả Nguyễn Bin R=(1,1;…;1,5). Rmin .Thực hiện cho các giá trị R= Rmin x k (1,1 ;
1,2 ; 1,3 ;…)  viết phương trình đường làm việc  xác định số đĩa lý thuyết Rlt
y = x + xD
Với k=1,1 => R =1,095 => y= 0,523x + 0,381

7


`

=> Nlt = 12

8


`

Với k=1,2 => R =1,194 => y= 0,544x + 0,364

=> Nlt = 12
Với k=1,3 => R =1,294 => y= 0,563x + 0,348

=> Nlt = 11

9


`
Với k=1,4 => R =1,393 => y= 0,582x + 0,33

=> Nlt = 10
Với k=1,5 => R =1,493 => y= 0,598x + 0,32

10


`

=> Nlt = 10

11


`
Với R= ∞ => y=x

=> Nlt = 7

Ta có bảng sau:
R

N

(R+1).N

0,995

∞

∞

1,095

12

25,14

1,194

12

26,328

1,2935

11

25,2285

1,393

10

23,93

1,4925

10

24,925

∞

7

∞

12


`
Dựa vào đồ thị trên, ta dễ dàng xác định được tỉ số hồn lưu thích hợp:

Rth = 1,393 ( Nlt = 10)
5. Phương trình làm việc phần chưng và phần cất
• Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

Rth = 1,393 => => y =0,582x + 0,333

•

Phương trình đường làm việc của đoạn chưng
= .x + .0,002948 = 2,524x – 1,524

Với =4,648
Tính số mâm thực tế
•

Số mâm lý thuyết

Dựa vào hình trên, ta xác định được số mâm lý thuyết là 10; ứng với 7 mâm ở phần
cất, 2 mâm ở phần chưng và nhập liệu ở mâm số 3.
•

Số mâm thực tế Ntt:

13


`
Xác định số mâm thực tế theo hiệu suất trung bình:
ηtb – hiệu suất trung bình của thiết bị:

(IX.59) [2]

(IX.60) [2]
với: η1, η2, …– hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ; n – số vị trí tính hiệu suất.
η là một hàm số của độ bay hơi tương đối α của hỗn hợp và độ nhớt µ của hỗn hợp
lỏng: ηtb = f (α, µ) [2]:

(7.2) [3]
trong đó: x, y – nồng độ phần mol của etanol trong pha lỏng và pha hơi cân bằng với
*

nó.
Khi tính được tích số (αµ), tra đồ thị hình IX.11 [2] để tìm hiệu suất η.

14


`
 Xác định nhiệt độ của hỗn hợp

Mâm nhập
liệu

xF = 0,1

xF = 0,174

t F = 86,5o C

tF =

0,174 − 0.1
× ( 83, 2 − 86,5 ) + 86, 5
0, 2 − 0,1

xF = 0, 2

t F = 83, 2o C

= 84, 058o C

Mâm đỉnh

xD = 0, 7

xD = 0, 798

t D = 79o C

tD =

0, 798 − 0.7
× ( 78, 6 − 79 ) + 79
0,8 − 0, 7

xD = 0,8

t D = 78, 6o C

= 78, 6o C

Mâm đáy

xW = 0

xW = 0, 003

tW = 100o C

tW =

0, 003 − 0
× ( 90, 5 − 100 ) + 100
0, 05 − 0

xW = 0, 05

tW = 90,5o C

= 99, 43o C
 Tính tốn độ nhớt của dung dịch :

log = x. log + (1-x).log
+ Nội suy xác định độ nhớt của etanol :
Mâm đỉnh t D = 78, 6o C ≈ 80o C
0, 435cP

Mâm
nhập liệu

t F = 80o C

t F = 84, 058o C

t F = 100o C

0, 435cP

84, 058 − 80
× ( 0,326 − 0, 435 ) + 0, 435 = 0, 413cP
100 − 80

0, 326cP

Mâm đáy

tW = 99, 43o C ≈ 100o C
0,326cP

+ Xác định độ nhớt của nước
Mâm
đỉnh

t D = 78, 6o C ≈ 80o C
0,357cP

15


`
Mâm
nhập
liệu

t F = 84, 058o C

Mâm

đáy

tW = 99, 43o C ≈ 100o C

84, 058 − 80
× ( 0, 248 − 0, 357 ) + 0,357 = 0,335cP
100 − 80

0, 284cP

+ Áp dụng cơng thức
dung dịch :

log µ hh = x × log µaceton + ( 1 − x ) × log µ H 2O

để tính độ nhớt của

log µhh = 0,174 × log 0, 413 + ( 1 − 0,174 ) ì log 0,335

Mõm nhp liu

àhh = 0,347 cP
log µ hh = 0, 798 × log 0, 435 + ( 1 − 0, 798 ) × log 0,357

Mâm đỉnh

⇒ µhh = 0, 418 cP
log µ hh = 0, 003 × log 0, 326 + ( 1 − 0, 003 ) ì log 0, 284

Mõm ỏy

àhh = 0, 284 cP
 Thực hiện xác định độ bay hơi tương đối

suất gần đúng

η

α=

α

,sau đó tính tích số

αµ

, ta tra được hiệu

y* / ( 1 − y* )

của tháp, với :

x / ( 1− x)

(nội suy giá trị của y* theo x).

α

µ ( cP )

αµ

ηi

0, 508

4,902

0,347 cP

1, 701

0, 4

0,817

1,130

0, 418 cP

0, 472

0, 6

6, 782

0, 284 cP

1, 926

0, 4

x

y*

Mâm nhập
liệu
Mâm đỉnh

0,174
0, 798

Mâm đáy

0, 003

0, 020

Nếu gọi Ntt là số mâm thực, Nlt là số mâm lí thuyết, ta có :

16


`
η=

Nlt
N
⇒ Ntt = lt

Ntt
η

mâm
Hiệu suất ,

η

N tt

(số mâm)

Phần cất

0, 6 + 0, 4
= 0,5
2

N tt =

N lt
7
=
= 14
η 0,5

Phần chưng

0, 6 + 0, 4
= 0,5

2

N tt =

N lt
2
=
=4
η
0,5

⇒

III.
I.

Tổng số mâm thực tế trong tháp : mâm
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Tính tốn lưu lượng các dịng trong tháp

Ta có sơ đồ đường đi của các dịng lỏng và khí trong hệ thống như sau :



Chú thích :
• Gab có nghĩa là lưu lượng của dịng vật chất đi từ vị trí a đến vị trí b.

17

`
G42, G46, G21, G13, G35, G57 là lưu lượng các dịng lỏng ; G53, G31, G12, G24 là lưu

•

lượng pha hơi.
• G53 = G31 = G12 = G24 ; G42 = G21 ; G13 = G35 = G21 + G01 (*)
o Với sơ đồ như trên, cân bằng vật chất ta có hệ phương trình sau:
R = 1,393; G01 = F = 218, 608 ( kmol / h ) ;
G46 = D = 47, 033 ( kmol / h ) ;

o

Với các số liệu ban đầu như sau :

G57 =W = 171, 575 ( kmol / h )

. Thế

vô hệ phương trình trên, ta có :
G21 − G13 = −218, 608
−G + G = 47, 033
 21
12

−
G
+
G
13 = 171, 575

 31

G21 = 1,393 × 47, 033

G12
112,55
II.

( I)

G13
G21
284,125 65,517

G31
112,55

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu

Phương trình cân bằng năng lượng tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
+= +
Trong đó :
(J/h) là nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
(J/h) là nhiệt lượng do hơi đốt đưa vào
(J/h) là lượng nhiệt bị tổn thất
(J/h) là nhiệt lượng dịng nước ngưng tụ đi ra ngồi
(J/h) là nhiệt lượng dòng nhập liệu sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt ban đầu
-

Sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất 2at để đun nóng dịng lưu chất. Tra bảng

I.251 sách “sổ tay q trình và thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học” trang 314, ta có
một số thơng số của nước bão hòa ở áp suất này như sau :

18


`
Áp suất (at)

Nhiệt độ
(oC)

Khối lượng
riêng
(kg/m3)

Enthalpy
dịng lỏng
(kJ/kg)

Enthalpy
dịng hơi
(kJ/kg)

2

119, 6

1,107

502, 4 ×103

2710 ×103

Nhiệt lượng do hơi nước mang vào QD1 và nước ngưng mang ra Qng1:
Gọi D1 (kg/h) là lượng hơi nước dùng để đun nóng dịng lưu chất chứa etanol.

•
-

Ta có : với r1 - ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg; λ1 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của
hơi nước, J/kg; t1 – nhiệt độ nước ngưng, oC; C1 – nhiệt dung riêng của nước
ngưng, J/kg.độ.
Coi nhiệt độ đầu của hỗn hợp chứa etanol là t F1 = 25oC. Tra bảng “thành phần

-

cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu
tử ở 760 mmHg ( Etanol – nước )” ta xác định được nhiệt độ của hỗn hợp khi
ra khỏi thiết bị đun nóng là tF2 = 84oC
• Xác định nhiệt dung riêng của hỗn hợp ancol – nước ở 25oC và 84oC
Áp dụng công thức : Chh(t)=Cetanol(t). + CH2O(t).(1- )
Tra bảng I.153 sách “sổ tay q trình và thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học”
trang 172, xác định được các thơng số như sau :
25 C

xetanol
0,35

Cetanol(t), J/kg.độ

2537,5

(t), J/kg.độ
4178,75

(t), J/kg.độ
3604,31

84o C

0,35

3280

4198

3876,7

o

Với lưu lượng khối lượng dịng nhập liệu là :

F = 5000kg / h


•

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q xq1 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn

-

ở thiết bị gia nhiệt: , J/h
Thế các số liệu đã tính ở trên vào phương trình cân bằng năng lượng, ta có :

450538750 + = 1628214000 + + 0,05.D1.
 D1 = =
 D1= 457,438 (kg/h)
III.

Cân bằng năng lượng của tồn tháp

Phương trình cân bằng năng lượng tại tháp chính
, J/h

19


`
Trong đó :
(J/h) là nhiệt lượng dịng nhập liệu sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt ban đầu
(J/h) là nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào
(J/h) là nhiệt lượng do hơi đốt đưa vào
(J/h) là lượng nhiệt bị tổn thất
(J/h) là nhiệt lượng dòng nước ngưng tụ đi ra ngồi
(J/h) là nhiệt lượng dịng sản phẩm đáy mang ra
(J/h) là nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp
•
•

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF =J/h.

Nhiệt lượng do hơi nước mang vào tháp QD2:
, J/h
(IX.157) [2]
trong đó: D2 – lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp, kg/h; r2 - ẩn
nhiệt hóa hơi, J/kg; λ2 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi nước, J/kg; t2 – nhiệt độ
nước ngưng, oC; C2 – nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ.
Dùng hơi nước ở áp suất tuyệt đối 2at có r2 = r1 = J/kg, t2 = t1 = 119,6oC (tra ở bảng
I.251 [1]).

•

Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào QR:
Áp dụng công thức : Chh(t)=Cetanol(t). + CH2O(t).(1- )
Tra bảng I.153 sách “sổ tay q trình và thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học”
trang 172, xác định được các thơng số như sau :
xetanol
0,91

78,6

Cetanol(t), J/kg
2987,5

(t), J/kg.độ
4190

(t), J/kg.độ
3013,825

trong đó: GR = D.Rth = 1897,507 . 1,393 = 2643,227 kg/h – lượng lỏng hồi lưu

J/h
•

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy:

(7.27) [3]
trong đó: Qnt – nhiệt lượng trao đổi khi ngưng tụ hơi ở đỉnh tháp, J/h; QD – nhiệt
lượng do sản phẩm đỉnh mang ra khỏi thiết bị ngưng tụ, J/h.
với rB = 848080 J/kg và rT = 2346300 J/kg tra ở bảng I.211).
J/kg.độ

20


`
J/h
trong đó: rD – ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở đỉnh tháp ở 760 mmHg
J/h
= 446 + + = 5538816845 J/h
• Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Qw
+().J/kg.độ (với CB = 3520 J/kg.độ và CT = 4230 J/kg.độ tra ở bảng I.153 sách “sổ tay
quá trình và thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học” trang 172)
J/h
trong đó: W kg/h – lượng sản phẩm đáy tháp; Cw – nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy ;
tW = 99,43oC – nhiệt độ của sản phẩm đáy.
• Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Qng2:
, J/h
trong đó: Gng2 = D2 – lượng nước ngưng, bằng lượng hơi nước, kg/h.
•

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn ở đáy tháp:

•

, J/h
Lượng hơi nước cần thiết để đun sôi hỗn hợp ở đáy tháp:

(IX.162) [2]
(IX.163) [2]

Vậy, tổng lượng hơi cần dùng là:
IV.

Cân bằng năng lượng của thiết bị ngưng tụ

Chọn nhiệt độ đầu vào và đầu ra của nước ngưng tụ và nước làm lạnh lần lượt là:
t1 = 25oC
t2 = 45oC
= = = 35oC
Ứng với nhiệt dung riêng và khối lượng riêng trung bình của nước trong khoảng
nhiệt độ này là:
Cn = 4176,25 J/kg.độ (tra bảng I.172 [1])
d = 1000 kg/m3
Lượng nước lạnh cần tiêu tốn để ngưng tụ hoàn toàn hơi ở đỉnh tháp Gn:
hay
V.

Cân bằng năng lượng của thiết bị làm nguội

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:

Nhiệt độ của sản phẩm đỉnh sau ngưng tụ là:
tD = 78,6oC
Chọn nhiệt độ sau khi làm nguội là:

21


`
tD’ = 30oC
= = = 54,3oC
+().J/kg.độ (với CB = 2895,9 J/kg.độ và CT = 4185,725 J/kg.độ tra ở bảng I.153 sách
“sổ tay q trình và thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học” trang 172)
Ứng với nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm đỉnh trong khoảng nhiệt độ này là:
CD’ = J/kg.độ
Nhiệt lượng trao đổi khi làm nguội sản phẩm đỉnh:
J/h
Lượng nước lạnh cần tiêu tốn để làm nguội sản phẩm đỉnh GnD:
hay
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy:
Nhiệt độ của sản phẩm đáy ra khỏi tháp là:
tW = 99,43 oC
Chọn nhiệt độ sau khi làm nguội là:
tW’ = 35 oC
= = = 67,215oC
+().J/kg.độ (với CB = 3060,1875 J/kg.độ và CT = 4190 J/kg.độ tra ở bảng I.153 sách
“sổ tay q trình và thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học” trang 172)
Ứng với nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm đáy trong khoảng nhiệt độ này là:
CW’ = J/kg.độ
Nhiệt lượng trao đổi khi làm nguội sản phẩm đáy:
J/h

Lượng nước lạnh cần tiêu tốn để làm nguội sản phẩm đáy GnW:
hay
Vậy, tổng lượng nước lạnh cần dùng là:
VI.

Cân bằng năng lượng của nồi đun đáy tháp

Phương trình cân bằng năng lượng :
+= +++
Trong đó :
Q35 ( J / h )

là nhiệt lượng do hỗn hợp dòng lỏng khi mới ra khỏi tháp.

(J/h) là nhiệt lượng do hơi đốt đưa vào

22


`
(J/h) là lượng nhiệt bị tổn thất, theo sách “sổ tay q trình và thiết bị Cơng Nghệ Hóa
Học tập 2” trang 198,

Qxq 2 ( J / h )

được lấy bằng 5% tổng nhiệt lượng cung cấp ở đáy tháp.

là nhiệt lượng dịng nước ngưng tụ đi ra ngồi
Q53 ( J / h )

là nhiệt lượng dịng hơi hồn lưu vào tháp

(J/h) là nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy
-

Sử dụng hơi nước bão hòa ở áp suất 2at để đun nóng dịng lưu chất. Tra bảng
I.251 sách “sổ tay q trình và thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học” trang 314, ta có
một số thơng số của nước bão hịa ở áp suất này như sau :

•
-

Áp suất (at)

Nhiệt độ
(oC)

Khối lượng
riêng
(kg/m3)

Enthalpy
dịng lỏng
(kJ/kg)

Enthalpy
dịng hơi
(kJ/kg)

2

119, 6

1,107

502, 4 ×103

2710 ×103

Nhiệt lượng do hơi nước mang vào QD3 và nước ngưng mang ra Qng3:
Gọi D3 (kg/h) là lượng hơi nước dùng để đun nóng dịng lưu chất chứa etanol.
Ta có : với r3 - ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg; λ3 – hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của
hơi nước, J/kg; t3 – nhiệt độ nước ngưng, oC; C3 – nhiệt dung riêng của nước

ngưng, J/kg.độ.
Nhiệt lượng dịng sản phẩm đáy
J/h
trong đó: W kg/h – lượng sản phẩm đáy tháp; Cw – nhiệt dung riêng của sản
phẩm đáy ; tW = 99,43oC – nhiệt độ của sản phẩm đáy.
• Nhiệt lượng tổn thất ra mơi trường xung quanh Q xq3 lấy bằng 5% nhiệt tiêu tốn
•
-

ở đáy tháp: , J/h
Tính tốn nhiệt lượng dịng hơi hồn lưu vào tháp
Nhiệt độ của hơi khi này là nhiệt độ của dòng lưu chất đáy tháp. Nhiệt độ khi này của
•

t = 99, 43o C

hơi là :
. Tra giản đồ T-x-y, ta có :
yetanol = 0,02 => yH2O =1- yetanol= 0,98  coi gần đúng hỗn hợp chỉ chứa hơi nước để
q trình tính đơn giản.
Tra enthalpy của hơi nước ở nhiệt độ này, ta có :
H = 2675,6 ( kJ / kg ) = 2675000 ( J / kg )

23


`
Tính phân tử khối trung bình của khối hơi này là :

M = 18 ( kg / kmol )

 = 112,55 .18 .2675000 = 5419282500 (J/h)
• Tính tốn nhiệt lượng dịng ra khỏi đáy tháp :

Thơng số
Lưu lượng dịng hồn lưu :

Giá trị được tra ở

G35 = 284,125kmol / h

Phân tử khối trung bình dịng đáy :
= (kg/kmol)
t = 99, 430 C

Nhiệt độ dịng hồn lưu :

Nhiệt dung riêng của etanol :
C p = 3520 J / kg

Nhiệt dung riêng của nước :
C p = 4230 J / kg

Tra đồ thị cân bằng lỏng hơi, mục 4.1
Chương 2 trang 8
Bảng I.154 sách “sổ tay q trình và
thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học” trang 171
Bảng I.153 sách “sổ tay q trình và
thiết bị Cơng Nghệ Hóa Học” trang 172

Dựa vào nồng độ phân mol, ta tính được nhiệt dung riêng trung bình :
+().. 4230 = 4227,87 J/kg
 =. .= 284,125. 18,084. 4227,87. 99,43= 2159946586(J/h)

Thế vơ phương trình cân bằng nhiệt, ta có :
2159946586 + = 5419282500 + + 0,05..
 D3 = =
 D3= 1266,01(kg/h)

24


`
CHƯƠNG IV: TÍNH CƠNG NGHỆ THIẾT BỊ CHÍNH
I. Tính đường kính tháp
Đường kính tháp được xác định theo cơng thức sau:
(IX.89, 90) [2]

trong đó: Vtb – lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp, m /h; ωtb – tốc độ hơi (khí)
trung bình đi trong tháp, m/s; gtb – lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp, kg/h; (ρyωy)tb
– tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp, kg/m2s.
3

Lượng hơi trung bình đi trong tháp thay đổi theo chiều cao và khác nhau trong mỗi
đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình riêng cho từng đoạn [2].
Ta tính đường kính tháp theo mơ tả ở hình IX.19 [2]:
1. Đường kính đoạn cất
•

Lượng hơi trung bình trong đoạn cất:
(IX.91) [2]
trong đó: gtb – lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất, kg/h; gđ – lượng hơi đi ra khỏi
đĩa trên cùng của tháp, kg/h; g1 – lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất, kg/h.
(IX.92) [2]
Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn cất
được xác định theo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau:
(IX.93) [2]
(IX.94) [2]
(IX.95) [2]
trong đó: coi x1 = = 0,35; r1 – ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất,
J/kg; rđ – ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, J/kg.
(kJ/kg)
trong đó: rE = 816,879 kJ/kg, rH2O = 2308,49 kJ/kg – ẩn nhiệt hóa hơi của etanol và
nước ở t1 = tF = 84.058 oC (tra ở bảng I.312 và 324 [1]).
kJ/kg
trong đó: rB = 783,520 kJ/kg, rT = 2313,08 kJ/kg – ẩn nhiệt hóa hơi của etanol và nước
ở tđ = tD = 78.6 oC (tra ở bảng I.312 và 324 [1]); yđ = yD = = 0,91.
Giải hệ phương trình trên ta được:

g1 = 3228,802 kg/h
G1 = 1331,295 kg/h
y1 = 0,679

25