THIẾT KẾ THÁP MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP ETHANOL NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG(Autocad + thuyết minh chi tiết)

`

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA CỘNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM
---------------

ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THÁP MÂM XUYÊN LỖ
HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT
HỖN HỢP ETHANOL - NƯỚC Ở ÁP SUẤT
THƯỜNG

GVHD: Vũ Bá Minh
SVTH: Đỗ Thị Kiều Diễm
Trần Thị Hoa

MSSV: 18128006
MSSV: 18128017

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
-----o0o----NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ
Giáo viên hướng dẫn: VŨ BÁ MINH
Sinh viên thực hiện:
1. Họ và tên: ĐỖ THỊ KIỀU DIỄM

MSSV: 18128006

2. Họ và tên: TRẦN THỊ HOA

MSSV: 18128017

Tên đồ án: THIẾT KẾ THÁP MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ
CHƯNG CẤT HỖN HỢP ETHANOL - NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG
1. Nhiệm vụ đồ án: Tính tốn thiết kế tháp chưng cất, xây dựng quy trình cơng
nghệ và tính tốn các thiết bị phụ.
2. Các số liệu ban đầu:


Năng suất nguyên liệu: 6.000 kg/h



Nhập liệu có nồng độ là 20% mol Etanol



Nồng độ sản phẩm đỉnh là 82% mol Etanol



Tỷ lệ thu hồi Ethanol là 98%



Các số liệu khác tự chọn

3. Yêu cầu về phần thuyết minh và tính tốn:
a) Tổng quan về sản phẩm, tháp chưng cất.
b) Đề nghị qui trình chưng cât
c) Tính cân bằng vật chất-năng lượng
d) Tính tốn số mâm thực tế tháp chưng cất
e) Tính tốn cấu tạo tháp mâm xun lỗ
f) Tính các thiết bị phụ có trong qui trình


g) Lập bảng tính khối lượng vật tư và chi phí chế tạo tháp
h) Kết luận
4. u cầu về trình bày bản vẽ:


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. Yêu cầu khác:
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 1/3/2021
7. Ngày hoàn thành đồ án: 15/08/2021
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
TRƯỞNG BỘ MƠN

tháng năm 2021

Giảng viên hướng dẫn


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
---------------------------------

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MƠN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 - NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. GVHD: Th.S, GVC Vũ Bá Minh............................................................................
2. Sinh viên: Đỗ Thị Kiều Diễm........................... 3. MSSV: 18128006......................
4. Tên đề tài: Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp
Ethanol – Nước ở áp suất thường...................................................................................
5. Kết quả đánh giá
ST
T

Nội dung

Thang
điểm

Điểm
số

1

Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

0 – 1,0

1,0

2

Lập qui trình cơng nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị

0 – 2,5

2,0

3

Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế

0 – 0,75

0,5

4

Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế

0 – 0,75

0,5

5

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

2,0

6

Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

0,75

7

Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm

0 – 0,75

0,5

8

Thực hiện đúng kế hoạch cơng việc được GV giao

0 – 0,75

0,75

10

8,0

TỔNG ĐIỂM Tám điểm:………………………………….)

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có): Đã có nhiều cố gắng hoàn thành nhiệm vụ được giao.
Vắng 1 buổi phụ đạo
7. Kết luận Được phép bảo vệ : X

Không được phép bảo vệ: 
Ngày 16 tháng 8 năm 2021
Người nhận xét

(Ký & ghi rõ họ tên)

VŨ BÁ MINH
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA


---------------------------------

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 - NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. GVHD: Th.S, GVC Vũ Bá Minh............................................................................
2. Sinh viên: Trần Thị Hoa................................... 3. MSSV: 18128017......................
4. Tên đề tài: Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp
Ethanol – Nước ở áp suất thường...................................................................................
5. Kết quả đánh giá
ST
T

Nội dung

Thang
điểm

Điểm
số

1

Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

0 – 1,0

1,0

2

Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị

0 – 2,5

2,0

3

Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế

0 – 0,75

0,5

4

Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế

0 – 0,75

0,5

5

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

2,0

6

Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

0,75

7

Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm

0 – 0,75

0,5

8

Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao

0 – 0,75

0,75

10

8,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:………………………………….)

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có)
Đã có nhiều cố gắng hồn thành nhiệm vụ được giao. Vắng 1 buổi phụ đạo
7. Kết luận Được phép bảo vệ : x

Không được phép bảo vệ: 
Ngày 16 tháng 8 năm 2021
Người nhận xét

(Ký & ghi rõ họ tên)

VŨ BÁ MINH
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HÓA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA


---------------------------------

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

MÔN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 - NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. GVPB: .....................................................................................................................
2. Sinh viên: Đỗ Thị Kiều Diễm............................ 3. MSSV: 18128006......................

4. Tên đề tài: Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp
Ethanol – Nước ở áp suất thường...................................................................................
5. Kết quả đánh giá:
Thang

Điểm
số

Lập quy trình cơng nghệ và tính toán được các chi tiết thiết bị

điểm
0 – 2,5

2

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

3

Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

4

Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án

0 – 1,0

5

Trả lời được các câu hỏi phản biện

0 – 3,0

STT

Nội dung

1

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ :………………………………….)

10

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có):
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Ngày …… tháng 08 năm 2021
Người phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC – THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

---------------------------------

MƠN HỌC: ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 - NĂM HỌC 2020 – 2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. GVPB: .....................................................................................................................
2. Sinh viên: Trần Thị Hoa..................................... 3. MSSV: 18128017......................
4. Tên đề tài: Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp
Ethanol – Nước ở áp suất thường...................................................................................
5. Kết quả đánh giá:
Thang

Điểm
số

Lập quy trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị

điểm
0 – 2,5

2

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

3

Hồn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic

0 – 1,0

4

Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án

0 – 1,0

5

Trả lời được các câu hỏi phản biện

0 – 3,0

STT

Nội dung

1

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ :………………………………….)

10

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm
6. Các nhận xét khác (nếu có):
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Ngày …… tháng 08 năm 2021
Người phản biện
(Ký & ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU.............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM............................................................2
1.1. Giới thiệu đồ án..............................................................................................2
1.2. Tổng quan về chưng cất và thiết bị chưng cất................................................2
1.2.1.

Khái niệm chưng cất.............................................................................2

1.2.2.

Các phương pháp chưng cất.................................................................2

1.2.3.

Các thiết bị chưng cất...........................................................................3

1.3. Tổng quan về Ethanol. nước. hệ Ethanol - Nước............................................4
1.3.1.

Ethanol.................................................................................................4

1.3.2.

Nước.....................................................................................................6

1.3.3.

Hệ Ethanol - Nước................................................................................7

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH.............................................................8
2.1. Thuyết minh quy trình cơng nghệ...................................................................8
2.2. Chú thích các thiết bị trong quy trình.............................................................9
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG..................................11
3.1. Thông số đầu vào..........................................................................................11
3.2. Cân bằng vật chất.........................................................................................11
3.2.1.

Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy........................................11

3.2.2.

Xác định chỉ số hồn lưu thích hợp....................................................13

3.2.3.

Phương trình đường làm việc.............................................................14

3.2.4.

Xác định số mâm lý thuyết và mâm thực tế........................................14

3.3. Cân bằng năng lượng....................................................................................17
3.3.1.

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ........................................17

3.3.2.
độ sôi

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu đến nhiệt
...........................................................................................................18


3.3.3.

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đáy...............18

3.3.4.

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh..............18

3.3.5.

Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp....................................19

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH.........................................................20

4.1. Đường kính tháp chưng cất..........................................................................20
4.1.1.

Đường kính phần cất..........................................................................20

4.1.2.

Đường kính đoạn chưng.....................................................................23

4.2. Chiều cao tháp..............................................................................................26
4.3. Mâm lỗ - trở lực của mâm............................................................................27
4.3.1.

Cấu tạo mâm lỗ..................................................................................27

4.3.2.

Trở lực của đĩa khô.............................................................................28

4.3.3.

Trở lực do sức căng bề mặt.................................................................28

4.3.4.

Trở lực thuỷ tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra......................................29

4.3.5.

Tổng trở thuỷ lực của tháp ở phần cất và phần chưng........................31

4.3.6.

Kiểm tra hoạt động của mâm..............................................................32

4.4. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động:..........................................................33
4.4.1.

Phần cất..............................................................................................33

4.4.2.

Phần chưng.........................................................................................33

CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN CƠ KHÍ.........................................................................35
5.1. Bề dày tháp...................................................................................................35
5.1.1.

Thân tháp............................................................................................35

5.1.2.

Bề dày đáy và nắp thiết bị..................................................................36

5.1.3.

Bề dày mâm........................................................................................37

5.2. Bích ghép thân, đáy và nắp...........................................................................39
5.3. Đường kính các ống dẫn – bích ghép ống dẫn..............................................41

5.5.1.

Ống nhập liệu.....................................................................................41

5.5.2.

Ống hơi ở đỉnh tháp............................................................................42


5.5.3.

Ống hoàn lưu......................................................................................43

5.5.4.

Ống dẫn hơi ở đáy tháp......................................................................44

5.5.5.

Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp............................................................45

5.6. Chân đỡ........................................................................................................46
5.6.1.

Trọng lượng của toàn tháp..................................................................46

5.6.2.

Chân đỡ tháp......................................................................................47

5.6.3.

Tai treo tháp........................................................................................48

CHƯƠNG 6: CÁC THIẾT BỊ PHỤ...........................................................................50
6.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh..................................................................50
6.1.1.

Xác định hệ số truyền nhiệt................................................................50

6.1.2.

Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị.................................55

6.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh................................................................56
6.2.1.

Xác định hệ số truyền nhiệt................................................................57

6.2.2.

Xác định bề mặt truyền nhiệt:.............................................................62

6.3. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy...................................................................62
6.3.1.

Xác định hệ số truyền nhiệt:...............................................................63

6.3.2.

Xác định bề mặt truyền nhiệt:.............................................................66

6.4. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy:...............................66
6.4.1.

Xác định hệ số truyền nhiệt:...............................................................67

6.4.2.

Xác định bề mặt truyền nhiệt:.............................................................71

6.5. Thiết gia nhiệt nhập liệu:..............................................................................72

6.6.

6.5.1.

Xác định hệ số truyền nhiệt:...............................................................72

6.5.2.

Xác định bề mặt truyền nhiệt:.............................................................76

Bồn cao vị:.......................................................................................................76
6.6.1.

Tổn thất đường ống dẫn......................................................................76

6.6.1.2. Xác định hệ số ma sát trong đường ống:............................................77
6.6.1.3. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ:...................................................78

6.6.2.

Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt:.........................78

6.6.2.1. Xác định hệ số ma sát trong đường ống:............................................78
6.6.2.2. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ:...................................................79
6.6.3.

Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu:.................79

6.6.4.

Chiều cao bồn cao vị:.........................................................................81

6.7. Bơm..............................................................................................................82
6.7.1.

Năng suất:...........................................................................................82

6.7.2.

Cột áp:................................................................................................82

6.7.3.

Tính tổng trở lực trong ống:...............................................................83

6.7.4.

Cơng suất:...........................................................................................85

6.8. Tính bảo ơn thiết bị:.....................................................................................85
CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ...........................................88
LỜI KẾT..................................................................................................................91
PHỤ LỤC.................................................................................................................92
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................94


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:.....................................................4
Bảng 2. Thành phần cân bằng lỏng hơi hệ Ethanol – Nước........................................7
Bảng 3. Suất lượng nhập liệu, đỉnh, đáy....................................................................12
Bảng 5. Tóm tắt một số các đại lượng trong tính tốn thiết bị chính.........................34
Bảng 6. Kích thước kỹ thuật và loại bulơng của bích ghép thân, đáy và nắp............40
Bảng 7. Kích thước kỹ thuật và loại bulơng của ống nhập liệu.................................42
Bảng 8. Kích thước kỹ thuật và loại bulơng của ống hơi ở đỉnh tháp........................43
Bảng 9. Kích thước kỹ thuật và loại bulơng của ống hồn lưu..................................44
Bảng 10. Kích thước kỹ thuật và loại bulông của ống hơi ở đáy tháp.......................45
Bảng 11. Kích thước kỹ thuật và loại bulơng của ống dẫn lỏng ở đáy tháp...............46
Bảng 12. Kích thước kỹ thuật của chân đỡ tháp........................................................47
Bảng 13. Kích thước kỹ thuật của tai treo.................................................................48
Bảng 14. Tổng quát các đại lượng ở chương 6.........................................................87
Bảng 15. Bảng thống kê chi phí vật liệu....................................................................89


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Đồ thị cân bằng lỏng – hơi hệ Ethanol – Nước..............................................7
Hình 2. Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất Ethanol – Nước.................................10

Hình 3. Đồ thị xác định tỷ số hồn lưu......................................................................13
Hình 4. Đồ thị xác định số mâm lý thuyết hệ Ethanol – Nước...................................14
Hình 5. Sơ đồ thiết bị chưng luyện:...........................................................................17
Hình 6. Nắp – đáy thiết bị.........................................................................................36
Hình 7. Mối hàn dưới bích ghép thân – đáy – nắp....................................................40
Hình 8. Mối hàn dưới bích ghép ống dẫn..................................................................41
Hình 9. Chân đỡ........................................................................................................47
Hình 10. Tai treo........................................................................................................48


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

LỜI MỞ ĐẦU
Trong xã hội hiện nay, khoa học kĩ thuật ngày càng phát triển đi cùng với điều đó
là yêu cầu về độ tinh khiết ngày càng cao của các sản phẩm hóa học.Do đó các
phương pháp nhằm làm tăng dộ tinh khiết cho sản phẩm thì quy trình ln được đầu
tư và cải tiến khơng ngừng.
Ngày nay có nhiều phương pháp như cơ đặc, hấp thu, chưng cất, trích ly, …được
sử dụng nhưng tùy vào đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà lựa chọn phương pháp phù
hợp nhất. Đối với hệ Ethanol- Nước là 2 cấu tử tan lẫn hịa tồn nên ta phải dùng
phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của rượu.
Đồ án môn học Q trình và Thiết bị là mơn học mang tính tổng hợp trong quá
trình học tập của các sinh viên ngành Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học. Mơn học giúp
sinh viên giải quyết các vấn đề tính tốn về quy trình cơng nghệ, kết cấu, ...Đây là
bước đầu tiên để sinh viên vận dụng kiến thước của nhiều môn học đã học vào giải
quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của dồ án: Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất
hỗn hợp Ethanol - Nước ở áp suất thường với yêu cầu công nghệ như sau:

 Năng suất nguyên liệu: 6000 kg/h
 Nhập liệu có nồng độ 20% mol Ethanol
 Nồng độ sản phẩm đỉnh là 82% mol Ethanol
 Tỷ lệ thu hồi Ethanol là 98%
Em chân thành xin cảm ơn thầy Vũ Bá Minh đã giúp đỡ, hướng dẫn tận tình trong
suốt quá trình thực hiện đồ án.Trong q trình thực hiện khơng thể tránh khỏi những
sai sót, chúng em mong được qúy thầy cơ góp ý, chỉ dẫn để đồ án được hoàn thiệt
hơn.

1


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN PHẨM
1.1.

Giới thiệu đồ án

Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol Nước ở áp suất thường với yêu cầu công nghệ như sau:


Năng suất nguyên liệu: 6000 kg/h



Nhập liệu có nồng độ 20% mol Ethanol



Nồng độ sản phẩm đỉnh là 82% mol Ethanol



Tỷ lệ thu hồi Ethanol là 98%

1.2.

Tổng quan về chưng cất và thiết bị chưng cất

1.2.1. Khái niệm chưng cất
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của cùng một hỗn hợp lỏng cũng
như 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, áp suất hơi bão hòa của
các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc
giữa hai pha như trong q trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha
mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm.
Các sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm các cấu tử có độ bây hơi lớn và một phần rất ít
cấu tử có độ bay hơi bé.
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.
1.2.2. Các phương pháp chưng cất
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :
Áp suất làm việc :





Áp suất thấp



Áp suất thường



Áp suất cao

2


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

Nguyên tắc làm việc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ của các
cấu tử quá cao thì ta sẽ giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.


Nguyên lý làm việc : liên tục hoặc gián đoạn (chưng cất đơn giản)
 Chưng cất đơn giản (gián đoạn) : Dùng để tách các cấu tử có độ bay hơi rất

khác nhau, phương pháp này dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp
chất, khơng địi hỏi sản phẩm có dộ tinh khiết cao.
 Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình
thực hiện liên tục, nghịch dịng, nhiều đoạn.



Cấp nhiệt đáy tháp :



Cấp nhiệt trực tiếp



Cấp nhiệt gián tiếp

1.2.3. Các thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy
nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện tích bề mặt tiếp
xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào
lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có cac loại tháp mâm, nếu pha
lỏng phân tán vào pha khí thì ta có tháp chem., tháp phun,…
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 cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo
của đĩa, ta có:


Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S….



Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt bích

hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu
nhiên hay xếp thứ tự.

3


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Tháp chêm

Ưu điểm

Nhược
điểm


 Cấu tạo khá đơn 
giản

 Trở lực thấp


GVHD: VŨ BÁ MINH

Tháp mâm xuyên lỗ
Tháp mâm chóp
Cấu tạo đơn giản
 Hiệu suất cao
Vệ sinh dễ dàng
truyền khối cao, ổn

Trở lực thấp hơn
định.
 Ít tiêu hao năng
tháp chóp
Ít tốn kim loại hơn
lượng hơn nên có ít
số mâm hơn.
tháp chóp.

 Hiệu suất thấp, kém
ổn định.
 Có trở lực lớn
 Khó chế tạo được
 Kết cấu khá phức
 Tiêu tốn nhiều vật
kích thước lớn, quy
tạp
mơ cơng nghiệp.
tư, kết cấu phức
 Trở lực khá cao
 Khó kiểm sốt q
tạp
trình chưng cất theo
khơng gian tháp.
Bảng 1. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Đồ án này lựa chọn tháp mâm xuyên lỗ để thiết kế tháp chưng cất hoạt động liên
tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở áp suất thường.
1.3.

Tổng quan về Ethanol. nước. hệ Ethanol - Nước

1.3.1. Ethanol



Tính chất vật lý:

Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng,
vị cay, có khối lượng phân tử là 46,07dvC.
Ethanol nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C), dễ bay hơi (sôi ở
nhiệt độ 78,39 độ C), hóa rắn ở -114,15 độ C, tan trong nước vơ hạn, tan trong ete và
clorofom.



Tính chất hóa học

Tất cả các phản ứng hóa học xảy ra ở nhóm hydroxyl (OH) của Ethanol là thể hiện
tính chất hóa học của nó.
Phản ứng ester hóa, phản ứng giữa rượu và axit với mơi trường là Sulfuric Acid
đặc nóng tạo ra ester. Ví dụ:

4


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

C2H5OH + CH3COOH  CH3COOC2H5 + H2O
Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin, trong
môi trường Sulfuric Acid đặc ở 170 độ C:
2C2H5OH C2H5 - O - C2H5 + H2O
Phản ứng tách nước tạo ra Butadiene:
2C2H5OH CH2 = CH – CH = CH2 + 2H2O +H2
Phản ứng tách hydro (dehydro hóa) với sự có mặt của Cu ở 200 – 3000C:
C2H5OH

CH3CHO + H2

Tác dụng với kim loại kiềm:
C2H5OH + Na  C2H5ONa + H2
Tác dụng với HX:
C2H5OH + HCl  C2H5Cl + H2O
Tác dụng với NH3:
C2H5OH + NH3 C2H5Cl + H2O
Các phản ứng oxi hóa:
C2H5OH + CuO

C2H5CHO + Cu + H2O

C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O
C2H5OH + O2



CO2 + H2O

Ứng dụng:

Ethanol có nhiều ứng dụng, nó đóng vai trị quan trọng nền kinh tế quốc dân. Nó là
ngun liệu rộng rãi trong các nghành: cơng nghiệp nặng,y tế và dược, quốc phịng,
giao thơng vận tải, dệt, chế biến gỗ,…
 Phương pháp điều chế:
Có nhiều phương pháp điều chế Ethanol như hydrate hóa Ethylene với xúc tác
H2SO4, hydro hóa Andehyde CH3CHO, thủy phần dẫn xuất halogen hoặc ester của
Ethanol,... Trong công nghiệp, người ta điều chế Ethanol bằng cách lên men từ tinh
bột hoặc điều chế Ethanol thơng qua cơng nghiệp hóa dầu.
1.3.2. Nước
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng khơng màu, khơng mùi, khơng vị
nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
5


ĐỒ ÁN Q TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

Khi hố rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau
Tính chất vật lý:
 Khối lượng phần tử:

18 g/mol

 Khối lượng riêng d40C:

1 g/mol

 Nhiệt độ nóng chảy:

00C

 Nhiệt độ sôi:

1000C

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hịa tan nhiều chất và là dung mơi
rất quan trọng trong kĩ thuật hóa học.

6


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

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

ETHANOL - NƯỚC
100
90
80

y - Phân mol Ethanol trong pha hơi

x 0
y 0

t 100

Bảng 2. Thành phần cân bằng lỏng hơi hệ Ethanol – Nước
5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 89,4
33,2 44,3 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4
90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80,0 79,4 79,0 78,6 78,15

70
60
50
40
30
20
10
0
0

10

20

30

40

50

60

70

x - Phân mol Ethanol trong pha lỏng

7

80

90

100

90,0 100
89,8 100
78,4 78,4


ĐỒ ÁN Q TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

Hình 1. Đồ thị cân bằng lỏng – hơi hệ Ethanol – Nước

8


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

CHƯƠNG 2: THUYẾT MINH QUY TRÌNH

2.1.

Thuyết minh quy trình cơng nghệ

Hỗn hợp Ethanol – nước có nổng độ nhập liệu Ethanol 20% theo số mol, nhiệt độ
khoảng 280C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Sau
đó hỗn hợp được gia nhiệt ở thiết bị ngưng tụ (4) rồi chuyển vào đun sôi đến nhiệt độ
sôi trong thiết bị gia nhiệt (5), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập
liệu.
Trong 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 đi từ trên xuống. Ở đây, có
sự tiếp xúc và trao đổi giửa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần
chưng cất càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi
tạo nên từ nồi đun (7) 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 sôi 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 đỉnh là 82% mol Ethanol). Hơi này đi vào thiếp bị ngưng tụ (8) và
được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ được làm nguội đến 350C, rồi
đưa về bình chứa sản phẩm đỉnh. Phần cịn lại được hồn 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 (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ
Ethanol là 0,49 % mol Ethanol, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi vào nồi
đun (7). Trong thiết bị trao đổi nhiệt dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại
cho tháp để làm việc liên tục, phần còn lại ra khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sản
phẩm đáy (4). Sau đó, được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (13). Tỷ lệ thu hồi
Ethanol là 98%.
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Ethanol. Sản phẩm đáy là nước
sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu được thải bỏ ớ nhiệt độ 600C.

9


ĐỒ ÁN Q TRÌNH THIẾT BỊ
2.2.

GVHD: VŨ BÁ MINH

Chú thích các thiết bị trong quy trình

1. Bồn chứa nguyên liệu
2. Bơm
3. Bồn cao vị
4. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
5. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
6. Tháp chưng cất
7. Nồi đun Kattle
8. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
9. Phân phối lỏng
10. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
11. Bể chứa sản phẩm đỉnh
12. Ống chỉ mực
13. Bể chứa sản phẩm đáy
14. Bẫy hơi
15. Lưu lượng kế
16. Nhiệt kế
17. Áp kế
18. Van

10

ĐỒ ÁN Q TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

Hình 2. Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất Ethanol – Nước
10


ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

GVHD: VŨ BÁ MINH

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1.

Thông số đầu vào

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục.
Dung dịch Ethanol có cấu tử dễ bay hơi là Ethanol, cấu tử ít bay hơi là nước.
Các thông số đầu vào:


Năng suất nhập liệu = 6000 kg/h



Nồng độ nhập liệu (tính theo Ethanol) xF = 0,2 (mol/mol)



Nồng độ sản phẩm đỉnh (tính theo Ethanol) xD = 0,82 (mol/mol)



Tỉ lệ thu hồi Ethanol: 0,98

Chọn các thông số khác:

3.2.



Nhiệt độ nhập liệu: t’F=250C



Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’D. = 300C



Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W. = 600C



Trạng thái nhập liệu lỏng sôi ở áp suất thường.
Cân bằng vật chất

3.2.1. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy

Phương trình cân bằng vật chất và năng lượng cho toàn tháp: F = D + W

(3.1)

Đối với cấu tử dễ bay hơi (Ethanol): F.xF = D.xD + W.xW

(3.2)



Với xF = 0.2 (mol/mol), suy ra phần khối lượng dòng nhập liệu:

Khối lượng phân tử trung bình dịng nhập liệu:
Vậy:


Với xD = 0.82 (phần mol Ethanol):

Suy ra:
MD = 46,07.xD + (1 - xD).18 = 40,96 (kg/kmol)

Phần khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:
11