Thiết kế hệ thống chưng cất hệ metanol– 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. HCM
KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT HĨA HỌC
--- ---

ĐỒ ÁN MƠN HỌC Q TRÌNH THIẾT BỊ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ
METHANOL – NƯỚC BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ
NHẬP LIỆU Ở TRẠNG THÁI LỎNG SÔI

Giáo viên hướng dẫn: Th.S TRẦN TẤN ĐẠT
Lớp
: 181280P
Sinh viên thực hiện :
Nguyễn Quốc Thoại 18128059
Lâm Thanh Huy
18128019

Năm học 2020 - 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: Th.S Trần Tấn Đạt
Họ và tên sinh viên thực hiện:....................................................................... MSSV
1. Nguyễn Quốc Thoại .......................................................................................... 18128059

2. Lâm Thanh Huy .................................................................................................. 18128019
1. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ metanol– nước bằng tháp mâm xuyên lỗ
nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.
2. Số liệu ban đầu:
-

Năng suất nhập liệu: 1500 kg/h
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 30%kl
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 90% kl
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 MÔN

TP.HCM, ngày 14 tháng 08 năm 2021
Giảng viên hướng dẫn
Th.S Trần Tấn

Đạt


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA

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

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: Th.S Trần Tấn Đạt...........................................................................................
2. Sinh viên: Nguyễn Quốc Thoại................................3. MSSV: 18128059.....................
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ METHANOL – 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 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

2,5

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

0,75

10

9,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Chính điểm chẵn)

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 : 

Không được phép bảo vệ : 

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

Th.S Trần Tấn Đạt


TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA

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

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 Quốc Thoại.......................... 3. MSSV: 18128059......................
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ METHANOL – 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

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 PHẢN BIỆN 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 HƯỚNG DẪN


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

1. GVHD: Th.S Trần Tấn Đạt.......................................................................................
2. Sinh viên: Lâm Thanh Huy...................................... 3. MSSV: 18128019..........................
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ METHANOL – 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 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

2,5

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 cơng việc được GV giao

0 – 0,75

0,75

10

9,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ: Chính điểm chẵn)

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 : 

Không được phép bảo vệ : 

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

Th.S Trần Tấn Đạt

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: Lâm Thanh Huy................................ 3. MSSV: 18128019......................
4. Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT HỆ METHANOL – 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

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 PHẢN BIỆN 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

Trong suốt quá trình thực hiện đồ án mơn học Q trình và Thiết bị em ln nhận được sự
quan tâm, hướng dẫn và giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong bộ môn và đặc biệt là thầy
ThS Trần Tấn Đạt người đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn chúng em hồn thành đồ án mơn
học này. Nhờ có sự chỉ dẫn của thầy mà chúng em tích lũy được thêm nhiều kiến
thức,kinh nghiệm và các kỹ năng cần thiết để phục vụ không những cho đồ án mơn học
này mà cịn cho cơng việc cũng như cuộc sống của chúng em sau này nữa. Em xin gửi lời
cảm ơn chân thành đến thầy cùng với quý thầy cô trong bộ môn.
Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy, cô phản biện. Cảm ơn quý
thầy, cô đã dành thời gian để xem xét và chỉ ra những thiếu sót của chúng em trong thực
hiện đồ án giúp chúng em tích lũy thêm kinh nghiệm, kiến thức để có thể tiến bộ hơn

trong tương lai.
Trong q trình hồn thành đồ án khơng thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận
được sự góp ý và chỉ dạy từ q thầy, cơ.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

1


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................1
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN........................................................................................2

1.1. Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu và sản phẩm............................................................2
1.1.1. Methanol........................................................................................................2
1.1.1.1. Ứng dụng.................................................................................................2
1.1.1.2. Sản xuất....................................................................................................2
1.1.2. Nước...............................................................................................................3
1.1.3. Hỗn hợp Methanol-nước................................................................................3
1.2. Lý thuyết về chưng cất..........................................................................................4
1.2.1. Khái niệm.......................................................................................................4
1.2.2. Các phương pháp chưng cất...........................................................................4
1.2.2.1. Phân loại theo áp suất làm việc................................................................4
1.2.2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc............................................................5
1.2.2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp....................................5
1.2.3. Thiết bị chưng cất...........................................................................................5
1.3. Quy trình cơng nghệ.............................................................................................6
1.3.1. Quy trình........................................................................................................6
1.3.2. Chú thích các kí hiệu trong qui trình..............................................................7

CHƯƠNG 2 :

CÂN BẰNG VẬT CHẤT.....................................................................9

2.1. Các thông số ban đầu............................................................................................9
2.2. Cân bằng vật chất.................................................................................................9
2.2.1. Nồng độ phần mol của Methanol trong tháp..................................................9


2.2.2. Suất lượng mol của các dòng vật chất..........................................................10
2.2.3. Các phương trình làm việc...........................................................................14
2.2.3.1. Phương trình làm việc của phần luyện...................................................14
2.2.3.2. Phương trình làm việc của phần chưng..................................................15
2.2.3.3. Vẽ biểu đồ chưng cất, xác định số mâm lý thuyết..................................15
2.2.3.4. Xác định số mâm thực tế........................................................................16
CHƯƠNG 3:

CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG.............................................................20

3.1. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất...................................................20
3.2. Cân bằng năng lượng các thiết bị truyền nhiệt....................................................24
3.2.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ..................................................24
3.2.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh........................25
3.2.3. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị đun sơi dịng nhập liệu..................................26
CHƯƠNG 4 :

THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT.......................................................29

4.1. Đường kính tháp (Dt)..........................................................................................29
4.1.1. Đường kính phần luyện................................................................................29

4.1.2. Đường kính phần chưng...............................................................................33
4.1.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp........................................................33
4.1.2.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp........................................................34
4.2. Mâm lỗ - Trở lực của mâm.................................................................................36
4.2.1. Cấu tạo mâm lỗ............................................................................................36
4.2.1.1. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm...................................................37
4.2.1.2. Độ giảm áp qua mâm khô......................................................................38
4.2.1.3. Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm.................................39
4.2.1.4. Độ giảm áp do sức căng bề mặt..............................................................40


4.2.2. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động...........................................................41
4.2.3. Kiểm tra hoạt động của mâm........................................................................43
4.2.4. Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động của mâm.........................................43
4.2.5. Kiểm tra tốc độ rò rỉ qua lỗ đĩa.....................................................................44
4.2.6. Chiều cao của tháp chưng cất.......................................................................44
4.3. Tính tốn cơ khí của tháp....................................................................................45
4.3.1. Bề dày thân tháp...........................................................................................45
4.3.2. Đáy và nắp thiết bị.......................................................................................47
4.3.3. Bích ghép thân đáy và nắp............................................................................47
4.3.4. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn.......................................49
4.3.4.1. Vị trí nhập liệu.......................................................................................49
4.3.4.2. Ống hơi ở đỉnh tháp................................................................................50
4.3.4.3. Ống hoàn lưu..........................................................................................51
4.3.4.4. Ống dẫn hơi vào đáy tháp.......................................................................52
4.3.4.5. Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp.................................................................53
4.3.4.6. Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun.................................................................54
4.3.5. Tai treo và chân đỡ.......................................................................................55
4.3.5.1. Tính trọng lượng của toàn tháp..............................................................55
4.3.5.2. Chân đỡ tháp..........................................................................................56

4.3.5.1. Tai treo...................................................................................................56
CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT, THIẾT BỊ PHỤ.............................58
5.1. Các thiết bị truyền nhiệt......................................................................................58
5.1.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh..................................................................58
5.1.1.1. Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh..........................58


5.1.1.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt.................................................................58
5.1.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh................................................................64
5.1.2.1. Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh...........................65
5.1.2.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt.................................................................66
5.1.3. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy...................................................................72
5.1.3.1. Suất lượng hơi nước cần dùng................................................................73
5.1.3.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt.................................................................73
5.1.4. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu...........................................................................79
5.1.4.1. Suất lượng hơi nước cần dùng:...............................................................81
5.1.4.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt:................................................................81
5.2. Tính tốn bồn cao vị và bơm nhập liệu................................................................87
5.2.1. Tính chiều cao bồn cao vị.............................................................................87
5.2.1.1. Tổn thất đường ống dẫn:........................................................................87
5.2.1.2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu:.....................88
5.2.2. Chọn bơm.....................................................................................................91
CHƯƠNG 6 :

TÍNH KINH TẾ..................................................................................95

KẾT LUẬN...................................................................................................................97
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................98

MỤC LỤC BẢ
Bảng 1. 1. Bảng cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm..........................3
Bảng 1. 2. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp..........................................................6
Y

Bảng 2. 1. Bảng cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm.........................11
Bảng 2. 2. Bảng thể hiện các thông số cân bằng vật chất..................................................14
Bảng 3. 1. Kết quả tính tốn cân bằng năng lượng cho toàn tháp chưng cất.....................23
Bảng 4. 1. Thơng số bích ghép thân đáy và nắp................................................................48
Bảng 4. 2. Thơng số của bích ghép ống dẫn vị trí nhập liệu..............................................49
Bảng 4. 3. Thơng số bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp...................................................51
Bảng 4. 4. Thơng số bích ghép ống hồn lưu....................................................................52
Bảng 4. 5. Các thơng số của bích ghép ống dẫn hơi ở đáy tháp........................................53
Bảng 4. 6. Các thơng số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp..............................54
Bảng 4. 7. Các thơng số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy........................................55
Bảng 4. 8. Các thông số kích thước của chân đỡ (mm)....................................................56
Bảng 4. 9. Các thơng số kích thước của tai treo (mm).....................................................57
Bảng 6. 1. Giá tiền của các vật liệu...................................................................................95


MỤC LỤC ẢNH
Hình 1. 1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ...................................................................................
Hình 2. 1. Đồ thị t - x, y cho hệ Methnol- nước...............................................................12
Hình 2. 2. Đồ thì cân bằng pha của hệ Methanol-nước ở áp suất 1atm.............................13
Hình 2. 3. Biểu đồ chưng cất xác định số mâm lý thuyết..................................................16
Y

Hình 4. 1. Hình dáy và nắp thiết bị...................................................................................47
Hình 4. 2. Hình bích ghép thân, đáy và nắp......................................................................48
Hình 4. 3. Hình chân đỡ tháp............................................................................................56

Hình 4. 4. Tai treo.............................................................................................................57


LỜI MỞ ĐẦU
Trong các ngành công nghiệp phát triển nhất ở nước ta không thể không kể đến ngành
công nghiệp hóa học. Ngành khai thác và sản xuất hóa chất cũng như tạo ra các chế phẩm
hóa học đang được đẩy mạnh, một số sản phẩm từ hóa học yêu cầu các nhà sản xuất phải
sử dụng các nguyên liệu có độ tinh khiết cao để phù hợp với quy trình sản xuất cũng như
nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng.
Có rất nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết, các phương pháp đang được sử dụng
phổ biến hiện nay là: chưng cất, trích ly, cơ đặc, hấp thu, …. Tùy theo đặc tính của từng
chất mà ta lựa chọn phương pháp cho thích hợp. Đối với hệ Methanol – nước là hai cấu tử
tan lẫn hoàn toàn vào nhau, ta dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho
Methanol, đây là phương pháp cổ điển và được sử dụng phổ biến trong hệ này.
Đồ án mơn học Q trình và Thiết bị là mơn học mang tính chất thực tế dựa trên các kiến
thức được tích lũy trong q trình học tập của các kỹ sư hóa học tương lai. Mơn học giúp
sinh viên biết cách giải quyết các vấn đề tính tốn cụ thể về: yêu cầu công nghệ, cấu tạo,
giá thành của một hệ thống thiết bị sản xuất hóa chất. Đây là bước đầu tiên để sinh viên
vận dụng những kiến thức đã học vào giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng
quát.

1


CHƯƠNG 1:
1.1.

TỔNG QUAN

Giới thiệu sơ bộ nguyên liệu và sản phẩm

Nguyên liệu là hỗn hợp Methanol - Nước.

1.1.1.

Methanol

Methanol là chất lỏng khơng màu, dễ bay hơi, dễ cháy nổ, có mùi cồn đặc trưng, tan vơ
hạn trong nước, có khả năng phân hủy sinh học, rất độc. Một lượng nhỏ Methanol có thể
gây mù lịa, lượng lớn gây tử vong. Methanol có cơng thức phân tử CH3OH, phân tử
lượng 32.04 đvC. Methanol có các tính chất lý hóa sau:
− Nhiệt độ sôi: 64.7°C
− Khối lượng riêng ở 20°C: p = 791.7 kg/m3
− Độ nhớt ở 20°C: J, = 0.6×10-3 N.s/m2 = 0.6 cP
− Hệ số dẫn nhiệt ở 20°C: = 0.179 kcal/m.h.độ = 0.2082 w/m.độ
− Nhiệt dung riêng ở 20°C: Cp = 2570 J/kg.độ.
− Nhiệt độ nóng chảy : -97.6oC
1.1.1.1. Ứng dụng
Methanol hay rượu gỗ thường được dùng để sản xuất nhiên liệu, nhiên liệu sinh học, chất
chống đông, làm dung môi, …, nhưng ứng dụng lớn nhất là làm nguyên liệu để sản xuất
các hóa chất khác.
Khoảng 40% Methanol được chuyển thành formal dehyde, từ đó sản xuất ra chất dẻo,
sơn… Các hóa chất khác được chế tạo từ dẫn xuất từ Methanol bao gồm dimeylete…
1.1.1.2. Sản xuất
Methanol được sinh ra từ sự trao đổi chất yếm khí của 1 vài loài vi khuẩn. Kết quả là 1
lượng nhỏ hơi Methanol được tạo thành trong khơng khí. Và sau vài ngày khơng khì có
chứa Methanol sẽ bị oxy hố bởi O2 dưới tác dụng của ánh sáng chuyển thành CO2 và
2


H2O theo phương trình:

2CH3OH +

3O2

2CO2 + 4H2O

Hiện nay Methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H 2 và CO, gia nhiệt ở
áp suất thấp có mặt chất xúc tác.
1.1.2.

Nước

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng
khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở 5 dạng tinh thể khác nhau.
Tính chất vật lý:
− Khối lượng phân tử

: 18g / mol

− Khối lượng riêng ở 4oC

: 1g / ml

− Nhiệt độ nóng chảy

: 0oC

− Nhiệt độ sôi

: 100oC

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tìch trái đất là nước biển) và rất
cần thiết cho sự sống.
Nước là dung mơi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất và là dung môi rất
quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
1.1.3.

Hỗn hợp Methanol-nước

Ta có bảng cân bằng lỏng-hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm.
Bảng 1. 1. Bảng cân bằng lỏng hơi cho hỗn hợp Methanol-nước ở 1 atm
toC

100

92.3

87.7

81.7

78

75.3

73.1

71.2

69.3

67.5

66

64.5

X

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Y

0

26.8

41.8

77.9

82.5

87

57.9 66.5 72.9

Chú thích: x là thành phần lỏng
y là thành phần hơi
3

91.5 95.8 100


1.2.

Lý thuyết về chưng cất

1.2.1.

Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của 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 trong 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.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cơ đặc khơng khác gì nhau, tuy nhiên
giữa hai q trình này có một ranh giới cơ bản là trong q trình chưng cất dung mơi và
chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ
khác nhau), cịn trong q trình cơ đặc thì chỉ có dung mơi bay hơi cịn chất tan khơng
bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử 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.
Vậy đối với hệ Methanol - nước thì:
− Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Methanol.
− Sản phẩm đáy chủ yếu là nước.

4

1.2.2.

Các phương pháp chưng cất

1.2.2.1. Phân loại theo áp suất làm việc
− Áp suất thấp
− Áp suất thường
− Áp suất cao
1.2.2.2. Phân loại theo nguyên lý làm việc
− Chưng cất đơn giản
− Chưng bằng hơi nước trực tiếp
− Chưng cất đa cấu tử
1.2.2.3. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
− Cấp nhiệt trực tiếp
− Cấp nhiệt gián tiếp
Vậy đối với hệ Methanol - nước, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt
gián tiếp.
1.2.3.

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 nghĩa 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 các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân
tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun,… Ở đây ta khảo sát 2 loại thường dùng là
tháp mâm và tháp chêm.
 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác
nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của
đĩa, ta có :

− Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chữ s…
− Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
5


− Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên
hay xếp thứ tự.
Bảng 1. 2. So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

- Cấu tạo khá đơn giản.

- Trở lực tương đối
thấp.

- Trở lực thấp.

Ưu
điểm

Nhược
điểm

Tháp mâm
chóp
- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.

- Hiệu suất khá cao.

- Làm việc được với chất lỏng
bẩn.
- Do có hiệu ứng thành nên

- Khơng làm việc được - Có trở lực lớn.

hiệu suất truyền khối thấp.

với chất lỏng bẩn.

- Độ ổn định thấp, khó vận

- Kết cấu khá phức tạp.

hành.

- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp.

- Khó tăng năng suất.
- Thiết bị khá nặng nề.

Trong báo cáo này ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ Methanol - nước.
1.3.

Quy trình cơng nghệ

1.3.1.

Quy trình

Hỗn hợp Methanol - nước có nồng độ nhập liệu Methanol 30% (theo phần khối lượng) ở
nhiệt độ khoảng 28oC tại bể chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3).
Sau đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sơi trong thiết bị đun sơi dịng nhập liệu (5),
rồi được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy xuống.
Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao
đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng
6


giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ hơi nước được cấp trực
tiếp vào đáy tháp 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 methanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ
90% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn.
Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Phần còn lại
được làm nguội xuống 35oC, rồi đưa về bồn chứa sản phẩm đỉnh.
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 Methanol là 2% phần khối
lượng, còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp rồi được đưa vào bồn chứa
sản phẩm đáy ở nhiệt độ 98oC (12).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Methanol. Sản phẩm đáy chủ yếu là
nước.
1.3.2.

Chú thích các kí hiệu trong qui trình
1.

Bồn chứa ngun liệu.

2.

Bơm.

3.

Bồn cao vị.

4.

Lưu lượng kế.

5.

Thiết bị đun sơi dịng nhập liệu.

6.

Bẫy hơi.

7.

Nhiệt kế.

8.

Tháp chưng cất.

9.

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.

10.

Áp kế.
7


11.

Thiết bị đun sôi ở đáy tháp.

12.

Bồn chứa sản phẩm đáy.

13.

Bộ phận chia dòng.

14.

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.

15.

Bồn chứa sản phẩm đỉnh.

Hình 1. 1. Sơ đồ quy trình công nghệ

8


CHƯƠNG 2 :
2.1.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Các thông số ban đầu

Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục.
Khi chưng luyện dung dịch Methanol thì cấu tử dễ bay hơi là Methanol.
 Hỗn hợp :
− Methanol: CH3OH, MR = 32.04 (g/mol)
− Nước: H2O, MN = 18 (g/mol)
− Năng suất nhập liệu: GF = 1500 (kg/h)
− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: = 30% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: = 90% (kg Methanol/ kg hỗn hợp)
− Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy:(kg Methanol/ kg hỗn hợp)
 Chọn:
-

Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 28oC

-

Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 35oC

-

Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng sôi.

 Các ký hiệu:
 GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
 GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.
 GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tình theo kg/h, kmol/h. L: suất lượng dịng hồn lưu,
kmol/h.
 L : suất lượng dịng hồn lưu, kmol/h


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

 y*: Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
2.2.

Cân bằng vật chất

2.2.1.

Nồng độ phần mol của Methanol trong tháp
9