THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE NƯỚC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI (Autocad + thuyết minh chi tiết)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC
--------------------

ĐỒ ÁN MƠN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT
HỆ ACETONE- NƯỚC BẰNG THÁP
MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở
TRẠNG THÁI LỎNG SÔI

SVTH:
GVHD:

1. Lê Hà Văn
2. Nguyễn Thị Phương
Thảo
ThS. Trần Tấn Đạt

MSSV: 18128076
MSSV: 18128057

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 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
---oOo--NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY VÀ THIẾT BỊ

Giáo viên hướng dẫn: ThS Trần Tấn Đạt
Họ và tên sinh viên thực hiện:..........................................................................MSSV
1. Lê Hà Văn ........................................................................................18128076
2. Nguyễn Thị Phương Thảo ................................................................18128057
1. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ ACETONE- NƯỚC
BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI
2. Số liệu ban đầu:

-

Năng suất nhập liệu: 3000 kg/h

-

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 30% mol

-

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 80% mol

-

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: tự chọn

3. Nội dung thực hiện:

-

Mở đầu

-

Chọn và thuyết minh quy trình cơng nghệ

-

Tính cân bằng vật chất và năng lượng

-

Tính tốn cơng nghệ thiết bị chính

-

Tính tốn kết cấu thiết bị chính

-

Tính và chọn thiết bị phụ

-

Kết luận

-

Tài liệu tham khảo

-

Phụ lục (nếu có)


4. Bản vẽ: 1- Sơ đồ quy trình cơng nghệ (khổ giấy A1)
1.2 bản vẽ thiết bị chính (khổ giấy A1)
5. Ngày giao nhiệm vụ: 09/03/2021
6. Ngày nộp đồ án: 14/08/2021
TRƯỞNG BỘ MƠN

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 8 năm 2021
Giảng viên hướng dẫn

ThS. Trần Tấn Đạt


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

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

MƠN HỌC: ĐỒ THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 –
2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVHD: ThS Trần Tấn Đạt
2. Sinh viên: Lê Hà Văn

3. MSSV: 18128076

4. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone- Nước bằng tháp mâm
xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi
5. Kết quả đánh giá
STT

Nội dung

Thang

Điểm

điểm

số

1

Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

0 – 1,0

1

2

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

0 – 2,5

2,0

bị
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

2,5

6

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

0 – 1,0

1,0

7

Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm

0 – 0,75

0,75

8

Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao

0 – 0,75

0,5

10

8,75

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Tám phẩy bảy răm)

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................
7. Kết luận
Được phép bảo vệ : 

Khơng được phép bảo vệ : 

Ngày 14 tháng 08 năm 2021
Người nhận xét
(Ký & ghi rõ họ tên)

Th.S Trần Tấn Đạt

1


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 THIẾT KẾ MÁY THIẾT BỊ - HỌC KỲ 2 – NĂM HỌC 2020 –
2021
MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVHD: ThS. Trần Tấn Đạt

2


2. Sinh viên: Nguyễn Thị Phương Thảo

3. MSSV: 18128057

4. Tên đề tài: Thiết kế hệ th ống chưng cất hệ Acetone- Nước bằng tháp mâm
xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi
5. Kết quả đánh giá
STT

Nội dung

Thang

Điểm

điểm

số

1

Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

0 – 1,0

1

2

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

0 – 2,5

2,0

bị
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

2,5

6

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

0 – 1,0

1,0

7

Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm

0 – 0,75

0,75

8

Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao

0 – 0,75

0,5

10

8,75

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Tám phẩy bảy răm)

Ghi chú: GV HƯỚNG DẪN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
7. Kết luận
Được phép bảo vệ : 

Khơng được phép bảo vệ : 

Ngày 14 tháng 08 năm 2021
Người nhận xét
(Ký & ghi rõ họ tên)

Th.S Trần Tấn Đạt

3


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

1. GVPB: .....................................................................................................................
2. Sinh viên: Lê Hà Văn

3. MSSV: 18128076

4. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone- Nước bằng tháp mâm
xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi
5. Kết quả đánh giá:
STT

Nội dung

4

Thang

Điểm

điểm

số

1

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

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

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

1. GVPB: .....................................................................................................................

2. Sinh viên: Nguyễn Thị Phương Thảo

3. MSSV: 18128057

4. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ Acetone- Nước bằng tháp mâm
xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sơi
5. Kết quả đánh giá:
STT

Nội dung

Thang

Điểm

điểm

số

1

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

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

5


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

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)

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đồ án này không chỉ là nỗ lực của bản thân, bên cạnh đó cịn có
sự giúp đỡ rất nhiệt tình của cách thầy cơ, bạn bè và gia đình. Với tình cảm chân thành
cho chúng em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các cá nhân, tổ chức đã tạo điều
kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu đề tài.
Trước tiên chúng em xin cảm ơn quý thầy, cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM, khoa Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa và Thực Phẩm và Thầy Th.S Trần Tấn Đạt
giảng viên trường Đại học Bách Khoa TP.HCM đã truyền đạt, chỉ bảo tận tình để
chúng em có thể thực hiện được đồ án này.
Đặc biệt chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Tấn Đạt đã quan tâm, hướng dẫn
giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua để hoàn thành đồ án này.
Cảm ơn các thầy, cô trong hội đồng chấm đồ án, và hội đồng phản biện đã bỏ thời gian
quý báu để có thể góp ý, và nhận xét giúp chúng em hồn thiện hơn đồ án của mình.
Mặc dù đã rất cố gắng tuy nhiên khơng thể tránh khỏi những sai sót trong q trình
hồn thiện. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến góp ý, nhận xét từ thầy để
chúng em củng cố kiến thức và hoàn thiện tốt hơn đồ án này.

6

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1

1.1

TỔNG QUAN..................................................................................................1

Khái niệm.........................................................................................................1

1.1.1

Chưng cất là gì?.........................................................................................1

1.1.2

Nguyên tắc của q trình chưng cất...........................................................1

1.2

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

1.3

Thơng số vật liệu..............................................................................................3

1.3.1

Acetone......................................................................................................3

1.3.2

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

1.4

Các thiết bị chưng cất.......................................................................................7

1.5

Sơ đồ quy trình cơng nghệ và thuyết minh quy trình cơng nghệ......................8

1.5.1

Sơ đồ quy trình cơng nghệ.........................................................................8

1.5.2

Thuyết minh quy trình cơng nghệ..............................................................8

CHƯƠNG 2

2.1

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT.................................................................10

Cân bằng vật chất...........................................................................................10

2.1.1

Các thông số ban đầu...............................................................................10

2.1.2

Các ký hiệu..............................................................................................10

2.1.3

Xác định suất lượng nhập liệu và sản phẩm đáy......................................10

2.2

Xác định chỉ số hồi lưu...................................................................................12

2.2.1

Đồ thị cân bằng Acetone- Nước...............................................................12

2.2.2

Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu..............................................................13

2.3

Phương trình làm việc....................................................................................15

2.4

Xác định số mâm lý thuyết và thực tế.............................................................15

2.4.1

Xác định số mâm lý thuyết......................................................................15

2.4.2

Xác định số mâm thực tế.........................................................................16

CHƯƠNG 3

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG......................................................................19

3.1

Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất.......................................................19

3.2

Cân bằng năng lượng các thiết bị truyền nhiệt...............................................22

3.2.1

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ.............................................22

3.2.2

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh......................22

3.2.3

Cân bằng nhiệt lượng đun sơi dịng nhập liệu..........................................23

7


CHƯƠNG 4

4.1

TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH............................................................................27

Đường kính tháp (Dt)......................................................................................27

4.1.1

Đường kính đoạn cất................................................................................27

4.1.2

Đường kính đoạn chưng..........................................................................30

4.2

Chiều cao tháp................................................................................................33

4.2.1

Chiều cao thân tháp.................................................................................33

4.2.2

Chiều cao đáy (nắp).................................................................................33

4.3

Trở lực của tháp..............................................................................................34

4.3.1

Trở lực của đĩa khô..................................................................................34

4.3.2

Trở lực do sức căng bề mặt:.....................................................................35

4.3.3

Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra:..........................................36

4.3.4

Tổng trở lực thuỷ lực của tháp:................................................................38

4.3.5

Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động:......................................................38

4.3.6

Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm.....................................40

4.4

Tính tốn cơ khí của tháp:..............................................................................40

4.4.1

Bề dày thân tháp:.....................................................................................40

4.4.2

Bề dày đáy và nắp thiết bị:.......................................................................42

4.4.3

Bể dày mâm:............................................................................................43

4.4.4

Bích ghép thân, đáy và nắp:.....................................................................46

4.4.5

Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn:.................................47

4.4.6

Chân đỡ:..................................................................................................53

CHƯƠNG 5

5.1

CÁC THIẾT BỊ PHỤ...................................................................................58

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh....................................................................58

5.1.1

Xác định hệ số truyền nhiệt.....................................................................59

5.1.2

Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo của thiết bị................................63

5.2

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh..................................................................64

5.2.1

Xác định hệ số truyền nhiệt.....................................................................65

5.2.2

Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị......................................69

5.3

Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy.....................................................................70

5.3.1

Xác định hệ số truyền nhiệt.....................................................................71

5.3.2

Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị......................................74

5.4

Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.............................................................................75
8


5.4.1

Xác định hệ số truyền nhiệt.....................................................................76

5.4.2

Xác định bề mặt truyền nhiệt và cấu tạo thiết bị......................................80

5.5

Bồn cao vị......................................................................................................80

5.5.1

Tổn thất đường ống dẫn...........................................................................80

5.5.2

Đoạn ống dẫn đoạn qua thiết bị đun sôi nhập liệu...................................83

5.5.3

Chiều cao bồn cao vị................................................................................85

5.6

Bơm................................................................................................................ 87

5.6.1

Năng suất.................................................................................................87

5.6.2

Cột áp......................................................................................................87

5.6.3

Công suất.................................................................................................91

LỜI KẾT

.........................................................................................................................95

TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................................96

9


MỤC LỤC BẢ
Bảng 1. 1 Ưu nhược điểm của thiết bị chưng cất........................................................6Y
Bảng 2. 1 Tóm tắt các số liệu tính tốn cân bằng vật chất............................................11
Bảng 2. 2 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Acetone – nước 1
Bảng 3. 1 Các giá trị các nhiệt lượng cần tính.............................................................22
Bảng 3. 2 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 3....................................................
Bảng 4. 1 Thơng số bích ghép thân và đáy, nắp...........................................................41
Bảng 4. 2 Thơng số bích ghép ống nhập liệu...............................................................43
Bảng 4. 3 Thơng số bích ghép ống dẫn hơi đỉnh tháp..................................................44
Bảng 4. 4 Thơng số bích ghép ống hồn lưu................................................................45
Bảng 4. 5 Thơng số bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp.............................................46
Bảng 4. 6 Thơng số bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp.......................................47
Bảng 4. 7 Thông số bích ghép ống dẫn chất lỏng từ nồi đun sản phẩm đáy.................48
Bảng 4. 8 Các kích thước của chân đỡ.........................................................................49
Bảng 4. 9 Các kích thước của tay treo.........................................................................50
Bảng 4. 10 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 4..............................................51
YBảng 5. 1 Tổng kết các giá trị cần xác định Chương 5..............................................79

10


MỤC LỤC HÌNH Ả
Hình 2. 1 Đồ thị cân bằng x-y hệ Acetone - nước........................................................13
Hình 2. 2 Xác định hệ số hoàn lưu tối thiểu theo phương pháp vẽ tiếp tuyến..............14
Hình 2. 3 Đồ thị thể hiện số mâm lý thuyết...............................................................15Y
Hình 4. 1 Gờ chảy tràn.................................................................................................36
Hình 4. 2 Bề dày đáy, nắp thiết bị................................................................................42

Hình 4. 3 Bích ghép thân và đáy, nắp..........................................................................46
Hình 4. 4 Bích ghép các ống dẫn.................................................................................47
Hình 4. 5 Chân đỡ........................................................................................................54
Hình 4. 6 Tay treo........................................................................................................55

11


CHƯƠNG 1
CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN

2.1 Khái niệm
2.1.1 Chưng cất là gì?
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng (cũng như hổn
hợp khí lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau cùa các cấu tử
trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử
khác).
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tủ và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản
phẩm:
Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các 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.
Bản chất của chưng cất chính là dựa vào nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bay hơi khác nhau
để tách các cấu tử bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ.
Chưng cất có khá nhiều ứng dụng như:
-Làm sạch các tạp chất như các chất keo, nhựa bẩn, … trong quá trình sản xuất rượu

hoặc chưng cất tinh dầu.
-Thu các sản phẩm từ quá trình như chưng cất rượu, chưng cất cồn và chưng cất tinh
dầu, …
-Nâng cao chất lượng của sản phẩm vì qua quá trình chưng cất sẽ đem đến sản phẩm
có độ tinh khiết cao hơn.
2.1.2 Nguyên tắc của q trình chưng cất
Tính đặc biệt của chưng cất chính là dùng năng lượng như là phương tiện trợ giúp để
tách. Năng lượng có một ưu thế lớn đó là có thể dễ dàng đưa vào và lấy ra khỏi một hệ
thống. Các nguyên tắc của quá trình chưng cất như sau:
Lặp lại bước tách hỗn hợp
Nồng độ của chất cần phải tách có thể được tiếp tục nâng cao bằng cách tiếp tục chưng
cất lại phần cất. Nhiệt độ sơi khác nhau càng lớn thì người ta cần càng ít lần chưng cất
để đạt đến một nồng độ nhất định.
Chưng cất phân đoạn
12


Chưng cất phân đoạn là một trong những phương pháp kinh điển dùng để tách các chất
bay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào sự khác biệt nhiệt độ sôi của các chất trong hỗn
hợp.
Chưng cất lôi cuốn
Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi
nước của những hợp chất hữu cơ trong tinh dầu khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ
cao. Sự khuếch tán sẽ dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng do nguyên liệu
tiếp xúc với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất định.
Rượu và các hỗn hợp đẳng phí
Ứng dụng lâu đời nhất và đồng thời là được biết đến nhiều nhất của chưng cất là sản
xuất rượu mạnh.
Đặc biệt, một tỷ lệ nhất định của hỗn hợp hai chất lỏng mà không thể tiếp tục tách
bằng phương pháp chưng cất được nữa. Các hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp đẳng

phí. Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phải dùng đến các phương pháp tinh cất đặc biệt
khác.
2.2 Các phương pháp chưng cất:
*Phân loại theo áp suất làm việc
-Áp suất thấp
-Áp suất thường
-Áp suất cao
* Phân loại theo nguyên lý làm việc
-Chưng cất đơn giản
-Chưng bằng hơi nước trực tiếp
-Chưng cất đa cấu tử
*Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
-Cấp nhiệt trực tiếp
-Cáp nhiệt gián tiếp
Vậy đối với hệ Acetone- Nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt
gián tiếp, ở áp suất thường.
2.3 Thông số vật liệu
Nguyên liệu là hỗn hợp acetone-nước.

13


2.3.1 Acetone
2.3.1.1 Khái niệm
Acetone có cơng thức phân tử: CH3COCH3 .Khối lượng phân tử bằng 58.079 đvC.
Là một chất lỏng không màu, dễ lưu động và dễ cháy, với một cách êm dịu và có mùi
thơm.
Nó hịa tan vơ hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ như: eter, metanol, etanol,
diacetone alcohol…
Một số thông số vật lý và nhiệt động của Acetone :

-Nhiệt độ nóng chảy : -94.60C;
-Nhiệt độ sôi : 56.90C;
-Tỷ trọng : ;
-Nhiệt dung riêng Cp : 22 Kcal/mol (chuẩn ở 102 0C)
-Độ nhớt  : 0.316 cp (ở 250C)
-Nhiệt trị: 0.5176 cal/g (ở 200C)
2.3.1.2 Ứng dụng
Acetone được ứng dụng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ cho vecni, sơn,
sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su … Nó hồ tan tốt tơ acetate, nitroxenluloz,
nhựa phenol focmandehyt, chất béo, dung môi pha sơn, mực in ống đồng. Acetone là
nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ.
Từ Acetone có thể tổng hợp ceten, sumfonat (thuốc ngủ), các holofom.
2.3.1.3 Tính chất hố học
Cộng hợp với natri bisunfit:
OH
CH3COCH3+H2O  CH3 - C - SO3Na (1-metyl-1-hydroxi etan sunfonát natri)
CH3
Cộng hợp axit HCN:
OH
CH3CO + HCN  CH3-C-CN
CH3

(pH= 4-8)

Phản ứng ngưng tụ:
14


OH

O

CH3-CO-CH3+HCH2C=O  CH3-C-CH3-C-CH3 (4-oxy-4-mêtyll-2-pentanon)
CH3

CH3

Acetone khó bị oxi hóa bởi thuốc thử Pheling, Tơluen, HNO3đđ, KMnO4… Chỉ bị oxi
hóa bởi hỗn hợp KMnO4 + H2SO4, Sunfôcrômic K2Cr2O7 + H2SO4…
Bị gãy mạch cacbon.
CH3-C-CH  CH3-C-CH2-OH  CH3-C-CH=OCH3COOH+ HCOO
O

O

O

Phản ứng khử hoá: CH3COCH3 + H2  CH3CHOH-CH3
2.3.1.4 Điều chế
Oxy hóa rượu bậc hai:
CH3CHOH-CH3  CH3COCH3 + H2O
Theo phương pháp Piria: nhiệt phân muối canxi của axit cacboxylic:
(CH3COO)2Ca  CH3COCH3 + CaCO3
Từ dẫn xuất cơ magiê:
O

O

CH3-C-Cl + CH3-MgBr  CH3-C-CH3 + Mg-Br
Cl

Ngồi ra, cịn một số qúa trình sản xuất Acetone khác:
-Oxi hóa Cumene Hydro Peroxide thành Phenol và Acetone.
-Oxi hóa trực tiếp Butan – Propan.
-Lên men Carbo hydrate bởi vi khuẩn đặc biệt.
-Công ty Shell sử dụng nó như một sản phẩm phụ.
Tổng hợp Acetone bằng cách Dehydro Isopropyl Alcol có xúc tác:
CH3CHOHCH3 + 15.9 Kcal (ở 3270C) CH3COCH3 + H2
-Xúc tác sử dụng ở đây: đồng và hợp kim của nó, oxit kim loại và muối.
-Ở nhiệt độ khoảng 3250C, hiệu suất khoảng 97%.
-Dịng khí nóng sau phản ứng gồm có: Acetone, lượng Isopropyl Alcol chưa phản ứng,

15


H2 và một phần nhỏ sản phẩm phụ (như Propylene, diisopropyl eter …). Hỗn hợp này
được làm lạnh và khí không ngưng được lọc bởi nước. Dung dịch lỏng được đem đi
chưng cất phân đoạn, thu được Acetone ở đỉnh và hỗn hợp của nước, Isopropyl Alcol
(ít) ở đáy.
2.3.2

Nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có cơng thức hóa học là H2O. Với
các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrơ và tính bất
thường của khối lượng riêng), nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa
học và trong đời sống. 70% diện tích bề mặt của Trái Đất được nước che phủ nhưng
chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng
làm nước uống.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau:
-Khối lượng phân tử: 18 g/mol

-Khối lượng riêng; 1 g/mol
-Nhiệt độ nóng chảy: 0oC
-Nhiệt độ sôi: 100oC

2.4 Các thiết bị chưng cất
Bả ng 1. 1 Ưu nhược điểm của thiết bị chưng cất
Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

Trở lực tương đối thấp

Khá ổn định

Cấu tạo khá đơn giản
Ưu điểm

Trở lực thấp

Làm việc được với chất Hiệu suất khá cao
lỏng bẩn
Nhược
điễm

Hiệu suất cao

Do có hiệu ứng thành Khơng làm việc được Có trở lực lớn

16


nên hiệu sất truyền
khối thấp
Độ ổn định thấp, khó với chất lỏng bẩn
vận hành
Kết cấu khá phức tạp
Khó tăng năng suất

Tiêu tốn nhiều vật
tư, kết cấu phức
tạp

Thiết bị khá nặng nề
Quy trình chưng cất được thực hiện dựa vào nhiểu loại tháp có cấu tạo khác nhau, tuy
nhiên tuỳ vào mục đích, hiệu suất chưng cất và điều kiện khơng gian cũng như điều
kiện kinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp. Qua quá trình nghiên cứu, thì tơi
thấy tháp mâm xun lỗ phù hợp với hệ acetone – 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
Do sản phẩm là acetone với yêu cầu độ tinh khiết cao khi sử dụng cùng với hỗn hợp
acetone – nước là hỗn hợp khơng có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất
lien tục là hiệu quả nhất.
2.5 Sơ đồ quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình công nghệ
2.5.1 Sơ đờ quy trình cơng nghệ
(Có kèm file đính kèm)

2.5.2 Thút minh quy trình cơng nghệ
Hỗn hợp Acetone- Nước có nồng độ Acetone 30% ( theo mol) , nhiệt độ khoảng 30 OC
tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa
đến thiết bị gia nhiệt (3) bằng hơi nước bão hịa. Ở đây, hỗn hợp được đun sơi đến
nhiệt độ sơi. Sau đó, hỗn hợp được đưa qua lưu lượng kế (6) vào tháp chưng cất (8) 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 thiết bị đun
sôi sản phẩm đáy (11) 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 Acetone chiếm nhiều nhất (có
nồng độ 90% theo khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (9) và
được ngưng tụ một phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu). Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết
17


bị làm nguội sản phẩm đỉnh (15), được làm nguội đến 30OC, rồi được đưa qua bồn
chứa sản phẩm đỉnh. Phần còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên
cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp được bốc hơi, cịn
lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta
thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy
có nồng độ Acetone là 3% theo khối lượng, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra
khỏi tháp, một phần dược đun, bốc hơi ở thiết bị đun sôi phẩm đáy (11) cung cấp lại
cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được làm nguội đến 30 OC bằng thiết bị làm
nguội sản phẩm đáy (12).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Acetone, sản phẩm đáy sau khi trao
đổi nhiệt với nhập liệu được thải bỏ.

CHƯƠNG 3

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1 Cân bằng vật chất
3.1.1 Các thông số ban đầu
Năng suất nhập liệu: 3000 kg/h

18


Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 30% mol
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 90% mol
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 3% mol
Acetone: CH3COCH3, MR = 58,079 (g/mol)
Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)
Nhiệt độ ban ban đầu ở bình nhập liệu: 270C
3.1.2 Các ký hiệu
F: lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h )
D: lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h )
W: lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h )
xF: nồng độ mol Acetone trong nhập liệu
xD: nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đỉnh
xW: nồng độ mol Acetone trong sản phẩm đáy
Trong tính tốn chưng cất người ta thường dùng các đại lượng mol vì rằng nhiệt hóa
hơi của các chất lỏng tính theo mol khơng khác nhau mấy.
3.1.3 Xác định suất lượng nhập liệu và sản phẩm đáy
Phương trình cân bằng vật chất cho tồn bộ tháp chưng cất:
F = D + W (1)
F.xF = D.xD + W.xW

(2)

Tính Mtb:
Mtb F = xF * MR + (1- x) * MN
= 0,3 * 58 + (1 – 0,3) * 18
= 30 (Kg/Kmol)
Mtb D = xD * MR + (1- xD) * MN
= 0,9* 58 + (1 – 0,9) * 18
= 54 (Kg/Kmol)
Mtb W = xW * MR + (1- xW) * MN
= 0,03 * 58 + (1 – 0,03) * 18
19


= 19,2 (Kg/Kmol)
( 1 ) và ( 2 ) ta có hệ phương trình :

Trong đó F = = 100 (Kmol/h)



Chuyển đổi phần mol sang phần khối lượng

Bả ng 2. 1 Tóm tắt các số liệu tính tốn cân bằng vật chất
Thơngsố

Dịng (1)

Năng suất

ngun liệu Nồng độ x
(kg/h)
(%mọl)
(2)=(5)x(4)
(3)

Phân tử
lượng
trung bình
Mtb
(kg/kmol)

Năng suất
(kmol/h)

% khối
lượng
(6)

(5)

(4)
Nhập liệu (F)

3000

0,3

30

100

0,58

Đỉnh (D)

1675,836

0,9

54

31,034

0,967

Đáy (W)

1324,1472

0,003

19,2

68,966

0,091

3.2 Xác định chỉ số hồi lưu
3.2.1 Đồ thị cân bằng Acetone- 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 ( Acetone – nước ):
Bả ng 2. 2 Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Acetone – nước
x

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

y

0

60.
3

72

80.
3

82.
7

84.
2

85.
5

86.
9

88.
2

90.
4

94.

3

100

t

10
0

77.
9

69.
6

64.
5

62.
6

61.
6

60.
7

59.
8

59

58.
2

57.
5

56.
9

20


1
0.9
0.8
0.7
0.6
y

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

x

Hì nh 2. 1 Đồ thị cân bằ ng x-y hệ Acetone - nướ c
3.2.2 Xác định chỉ số hồi lưu tới thiểu
Tỉ số hồn 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. Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị
ngưng tụ, 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 hoàn 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. Do đường cân
bằng có khoảng lõm nên ta kiểm tra như sau. Nếu vẽ như bình thường để xác định
Rmin ta xác định được như sau:

21


1
0.9

f(x) = 0.12x + 0.79

0.8
0.7
0.6
y

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

x

Hì nh 2. 2 Xá c đị nh hệ số hoà n lưu tố i thiể u theo phương phá p
vẽ tiế p tuyế n
Trên giản đồ xy, đường làm việc phần cất DF đi qua giao điểm của đường nhập liệu
đường cân bằng (không vượt qua đường cân bằng) sẽ ứng vứi tỉ số hoàn lưu tối thiểu.
Cách xác định với các dạng đường cân bằng cho thấy trên hình 4. Khi nhập liệu ỗ
trạng thái lỏng sơi, có thế được xác định theo biểu thức:

xF = 0,3  y

*
F

= 0,827 (Xác định từ đường cân bằng)

 Rmin = 0.122
Chỉ số hồn lưu thích hợp được xác định theo công thức sau:
R = 1,3Rmin + 0,3
⇒R = 1,3.0,122 + 0,3 = 0,459
3.3 Phương trình làm việc
Phương trình đường làm việc làm cất:
Rx
xD
y = R x  1 x + R x  1 = 0,315.x + 0,617

Phương trình đường làm việc phần chưng:

22