Thiết kế Tháp chưng cất trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước ở áp suất thường (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

ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT TRONG HỆ
THỐNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ HỌAT
ĐỘNG LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT HỖN HỢP
ETHANOL – NƯỚC Ở ÁP SUẤT THƯỜNG
SVTH:

GVHD:

1. Nguyễn Thị Mỹ Duyên

MSSV: 18128012

2. Nguyễn Thành Duy

MSSV: 18128009

PGS.TS.Vũ Bá Minh

Tp. Hồ Chí Minh, ngày… tháng 8 năm 2021


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: PGS.TS. Vũ Bá Minh..................................................................................
2. Sinh viên: Nguyễn Thị Mỹ Duyên..................... 3. MSSV: 18128012......................
4. Tên đề tài: Thiết kế Tháp chưng cất trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục
để chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước ở áp suất thường.
5. Kết quả đánh giá
Thang

STT

Nội dung

1
2
3
4
5
6
7
8

Xác định được đối tượng và u cầu thiết kế
Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
Đánh giá được sự phù hợp, điểm mạnh, yếu của thiết kế
Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm
Thực hiện đúng kế hoạch cơng việc được GV giao
TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)

điểm
0 – 1,0
0 – 2,5
0 – 0,75
0 – 0,75
0 – 2,5
0 – 1,0
0 – 0,75
0 – 0,75
10

Điểm số

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 : 
TP. Hồ Chí Minh, Ngày tháng 8 năm
2021
Người nhận xét
(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: PGS.TS. Vũ Bá Minh..................................................................................
2. Sinh viên: Nguyễn Thành Duy........................... 3. MSSV: 18128009......................
4. Tên đề tài: Thiết kế Tháp chưng cất trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục
để chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước ở áp suất thường.
5. Kết quả đánh giá
STT

Thang

Nội dung

1

Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

điểm
0 – 1,0

2

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

0 – 2,5

3

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

0 – 0,75

4

Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế

0 – 0,75

5

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

6

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

0 – 1,0

7

Hồn thành trách nhiệm cá nhân trong nhóm

0 – 0,75

8

Thực hiện đúng kế hoạch công việc được GV giao

0 – 0,75

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)

Điểm số

10

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 : 
TP. Hồ Chí Minh, Ngày tháng 8 năm 2021
Người nhận xét
(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 ĐÁN
GIÁO VIÊN

MÔN 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 Mỹ Duyên..................... 3. MSSV: 18128012......................
4. Tên đề tài: Thiết kế Tháp chưng cất trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục
để chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước ở áp suất thường.


5. Kết quả đánh giá
STT
1
2
3
4
5

Nội dung

Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án
Trả lời được các câu hỏi phản biện
TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)

Thang

Điểm

điểm

số

0 – 3,0
0 – 2,0
0 – 1,0
0 – 1,0
0 – 3,0
10

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

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
TP. Hồ Chí Minh, Ngày tháng 8 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 ĐÁN
GIÁO VIÊN

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

1. GVPB: .....................................................................................................................
2. Sinh viên: Nguyễn Thành Duy........................... 3. MSSV: 18128009......................
4. Tên đề tài: Thiết kế Tháp chưng cất trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục
để chưng cất hỗn hợp Ethanol – nước ở áp suất thường.
5. Kết quả đánh giá
STT
1
2
3
4

Nội dung
Lập qui trình cơng nghệ và tính tốn được các chi tiết thiết bị
Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng
Hoàn thành thuyết minh thiết kế đầy đủ, chính xác và logic
Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án

Thang

Điểm

điểm

số

0 – 3,0
0 – 2,0
0 – 1,0
0 – 1,0


5

Trả lời được các câu hỏi phản biện
TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:……………………………………….)

0 – 3,0
10

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

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
TP. Hồ Chí Minh, Ngày tháng 8 năm
2021
Người phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)


LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên xin cho chúng em chân thành cám ơn sự hướng dẫn tận tình cũng như cung
cấp các kiến thức cần thiết từ thầy Vũ Bá Minh cho chúng em hồn thành đồ án mơn học
này. Đồng thời em cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy cơ bộ mơn trong khoa Cơng nghệ
Hóa học và thực phẩm đã truyền đạt cho tụi em các kiến thức cần thiết để vận dụng vào
báo cáo đồ án này.
Xin chân thành cám ơn các thành viên trong lớp, những anh chị khóa trước đã góp ý tận
tình về nội dung cũng như cách thực hiện để nhóm tụi em có thể hồn thành tốt bài báo
cáo đồ án này. Do thời gian thực hiện có hạn, cũng như khối lượng kiến thức chưa đầy đủ
và chuyên sâu nên khơng tránh khỏi sai sót trong bài báo cáo. Vì vậy, em rất mong nhận
được nhiều đóng góp ý kiến cũng như bổ sung của giảng viên hướng dẫn và giảng viên phản
biện ạ.
Chúc các thầy cô nhiều sức khỏe ạ!

1


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN............................................................................................................i
MỤC LỤC................................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG.............................................................................................viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH........................................................................................x
LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................3
1.1. Ethanol và nước.................................................................................................3
1.1.1. Ethanol................................................................................................................. 3
1.1.1.1. Tổng quan......................................................................................................3

1.1.1.2. Tính chất vậy lý..............................................................................................3
1.1.1.3. Ứng dụng.......................................................................................................5
1.1.2. Nước..................................................................................................................... 5
1.1.2.1. Tổng quan về nước........................................................................................5
1.1.2.2. Tính chất vật lý..............................................................................................6
1.1.2.3. Ứng dụng.......................................................................................................7
1.1.3. Hỗn hợp ethanol – nước......................................................................................7

1.2. Phương pháp chưng cất..................................................................................10
1.2.1. Khái niệm chưng cất..........................................................................................10
1.2.2. Phân loại............................................................................................................11

2


1.2.2.1. Chưng cất đơn giản......................................................................................11
1.2.2.2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp....................................................................11
1.2.2.3. Chưng cất hỗn hợp.......................................................................................11
1.2.2.4. Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp..............................................................11
1.2.3 Thiết bị chưng cất...............................................................................................12
1.2.4. Lựa chọn phương pháp chưng cất....................................................................13

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ..........................................................15
2.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hệ Ethanol – nước............................15
2.3. Thuyết minh quy trình....................................................................................16
CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG................17
3.1. Cân bằng vật chất............................................................................................17
3.1.1 Các thông số ban đầu.........................................................................................17
3.1.2 Tính tốn các dịng cân bằng vật chất...............................................................18
3.1.2.1. Tính tốn dịng sản phẩm đỉnh.....................................................................18

3.1.2.2. Tính tốn dịng nhập liệu.............................................................................19
3.2.1.3. Tính tốn dịng sản phẩm đáy......................................................................19
3.1.3 Tỉ số hồn lưu.....................................................................................................21
3.1.3.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu.................................................................................21
3.1.3.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp...............................................................................23
3.1.4. Phương trình làm việc và xác định số mâm......................................................23
3.1.4.1. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất...................................23
3


3.1.4.2. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng..............................23

3.2. Cân bằng năng lượng......................................................................................28
3.2.1. Cân bằng năng lượng cho toàn tháp chưng cất...............................................28
3.2.2. Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ.....................................................30
3.2.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh..........................31
3.2.4. Cân bằng nhiệt cho thiết bị đun sơi dịng nhập liệu.........................................31

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH..................................................33
4.1. Đường kính tháp (Dt).....................................................................................33
4.1.1. Đường kính đoạn cất.........................................................................................33
4.1.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp.............................................................33
4.1.1.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp.............................................................35
4.1.2. Đường kính đoạn chưng...................................................................................36
4.1.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp.............................................................36
4.1.2.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp.............................................................38

4.2. Mâm lỗ - Trở lực của mâm.............................................................................39
4.2.1. Cấu tạo mâm lỗ..................................................................................................39
4.2.2. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm.............................................................40

4.2.2.1. Độ giảm áp qua mâm khơ............................................................................41
4.2.2.2. Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm......................................42
4.2.2.3. Độ giảm áp do sức căng bề mặt...................................................................44
4.2.3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động...............................................................46
4


4.3. Tính tốn cơ khí của tháp...............................................................................47
4.3.1. Chiều cao thân tháp...........................................................................................47
4.3.2. Bề dày thân tháp................................................................................................47
4.3.3. Đáy và nắp thiết bị.............................................................................................49
4.3.4. Bích ghép thân, đáy và nắp...............................................................................50
4.3.5. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn..........................................52
4.3.5.1. Vị trí nhập liệu.............................................................................................52
4.3.5.2. Ống hơi ở đỉnh tháp.....................................................................................53
4.3.5.3. Ống hoàn lưu...............................................................................................54
4.3.5.4. Ống dẫn hơi vào đáy tháp............................................................................56
4.3.5.5. Ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp......................................................................57
4.3.5.6. Ống dẫn chất lỏng từ nồi đun (sản phẩm đáy).............................................58
4.3.6. Tai treo và chân đỡ............................................................................................59
4.3.6.1. Tính trọng lượng của tồn tháp:..................................................................59
4.3.6.2. Chân đỡ tháp...............................................................................................59

CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ....................................................................62
5.1. Thiết bị nhiệt....................................................................................................62
5.1.1 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.......................................................................63
5.1.1.1. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng............................................................64
5.1.1.2. Hiệu số nhiệt độ trung bình logarit..............................................................64
5.1.1.3. Hệ số truyền nhiệt K....................................................................................64
5

5.1.1.4. Bề mặt truyền nhiệt trung bình....................................................................69
5.1.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.....................................................................69
5.1.2.1 Suất lượng nước cần dùng để làm nguội sản phẩm đỉnh:.............................71
5.1.2.2 Xác định bề mặt truyền nhiệt:.......................................................................71
5.1.3 Thiết bị gia nhiệt nhập liệu................................................................................76
5.1.4. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy...................................81
5.1.4.1. Xuất lượng hơi nước cần dùng.....................................................................82
5.1.4.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt.......................................................................82
5.1.5 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy.........................................................................88

5.2. Tính bảo ơn của thiết bị..................................................................................92
5.3. Tính tốn bơm nhập liệu................................................................................93
5.3.1. Tính chiều cao bồn cao vị..................................................................................93
5.3.1.1. Tổn thất đường ống dẫn...............................................................................93
5.3.1.2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt...................................95
5.3.1.3. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu...........................97

5.4. Bơm...................................................................................................................99
KẾT LUẬN...........................................................................................................103
TĨM TẮT CÁC KÍ HIỆU ĐÃ DÙNG...............................................................105
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................108

6


7

DANH MỤC BẢ
Bảng 1. 1: Thành phần cân bằng lỏng hơi của hệ Ethanol – Nước......................................9
Bảng 1. 2: So sánh ưu nhược điểm của ba loại tháp.......................................................14Y
Bảng 3. 1: Các thơng số ban đầu......................................................................................19
Bảng 3. 2: Thơng số các dịng...........................................................................................22
Bảng 3. 3: Tổng hợp các thông số về Độ nhớt, Hiệu suất và nhiệt độ...............................29
Bảng 3. 4: Bảng giá trị nhiệt dung riêng...........................................................................31
Bảng 3. 5: Bảng giá trị ẩn nhiệt hóa hơi............................................................................31
Bảng 3. 6: Bảng giá trị nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh.............................................33
Bảng 3. 7: Bảng giá trị nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu............................................34
Bảng 3. 8: Bảng tổng kết cân bằng năng lượng 3

Bảng 4. 1: Thông số của bích ghép thân, đáy và nắp........................................................53
Bảng 4. 2: Thơng số của bích ghép ống dẫn nhập liệu......................................................55
Bảng 4. 3: Thơng số của bích ghép ống dẫn hơi ở đỉnh tháp.............................................56
Bảng 4. 4: Thơng số của bích ghép ống dẫn hồn lưu.......................................................57
Bảng 4. 5: Thơng số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp..........................................58

8


Bảng 4. 6: Thơng số của bích ghép ống dẫn chất lỏng ở đáy tháp....................................59
Bảng 4. 7: Thông số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy...............................................60
Bảng 4. 8: Các kích thước của chân đỡ (Bảng XIII.35, trang 437 sổ tay 2)......................62
Bảng 4. 9: Các kích thước của tấm lót tai treo bằng thép (Bảng XIII.37/439, sổ tay 2)....63
Bảng 4. 10: Các kích thước của tai treo (Bảng XIII.36, trang 438 sổ tay 2).....................63

9

DANH MỤC HÌNH Ả
Hình 1. 1: Cấu trúc 2D của Ethanol....................................................................................4
Hình 1. 2: Cấu trúc 3D của Ethanol....................................................................................4
Hình 1. 3: Cấu trúc của nước..............................................................................................8
Hình 1. 4: Giản đồ x – y của hệ Ethanol – Nước..............................................................10
Hình 1. 5: Giản đồ T – x,y của hệ Ethanol – Nước.........................................................11Y
Hình 2. 1: Sơ đồ cơng nghệ của q trình chưng cất Ethanol và nước 1

Hình 3. 1: Giản đồ x – y của hệ Ethanol – Nước và tiếp tuyến.........................................24
Hình 3. 2: Giản đồ cân bằng lỏng hơi và số mâm lý thuyết của hệ Ethanol – Nước.........26
Hình 3. 3: Bảng I.101 trang 91[1] để xác định hiệu suất trung bình của thiết bị...............27
Hình 4. 1: Xác định chiều dài L........................................................................................45
Hình 4. 2: Đáy và nắp thiết bị...........................................................................................52
Hình 4. 3: Bích được ghép thân, đáy và nắp.....................................................................53
Hình 4. 4: Cấu tạo của bích là bích liền khơng cổ.............................................................54
Hình 4. 5: Hình ảnh của tai treo........................................................................................63

10


11


LỜI MỞ ĐẦU
Trong giai đoạn phát triển cơng nghiệp hóa hiện đại hóa, Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học lại
càng phát huy được vai trị quan trọng của mình. Cơng thức hóa học được thực hiện với
khối lượng và quy mô rất lớn trong các nhà máy lớn, và việc theo dõi thành phần hóa học
ln phải được thực hiện sát sao.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết như trích ly, chưng
cất, cơ đặc, hấp thu,... Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn

phương pháp thích hợp. Đối với hệ ethanol – nước là hai cấu tử hịa tan vào nhau và có
nhiệt độ sơi khác xa nhau nên ta chọn phương pháp chưng cất để tách các cấu tử trong
hỗn hợp và thu được ethanol có độ tinh khiết cao.
Đồ án mơn học Q trình và Thiết bị trong Cơng nghệ kỹ thuật hóa học là mơn học mang
tính tổng hợp trong q trình học tập của các kỹ sư hóa trong tương lai. Mơn học giúp
sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về yêu cầu công nghệ, kết cấu, điều kiện
vận hành, giá thành của một thiết bị trong sản xuất hóa chất và thực phẩm. Đây là bước
đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn vào giải quyết
nhũng vấn đề kỹ thuật trong thực tế một cách tổng quát.
Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt giữa sản phẩm đáy và nhập liệu trong
hệ thống tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục để chưng cất hỗn hợp Ethanol – Nước ở
áp suất thường với năng suất nguyên liệu là 5.000 kg/h, nguyên liệu có nồng độ là 20%
mol Ethanol, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ Ethanol là 85% mol và tỷ lệ thu hồi
Ethanol là 98%, các số liệu khác tùy thuộc vào quá trình thực hiện mà lựa chọn cho phù
hợp.
Từ những yếu tố trên đã thơi thúc nhóm tụi em tìm hiểu về đề tài và quyết định chọn đề
tài “THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT” là đề tài cho đồ án môn học Q trình và Thiết bị
trong Cơng nghệ kỹ thuật hóa học.


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Ethanol và nước
1.1.1. Ethanol
1.1.1.1. Tổng quan
Ethanol là một hợp chất hữu cơ có cơng thức phân tử C2H6O và cịn được biểu diễn bằng
các cơng thức như CH3CH2OH hoặc C2H5OH. Nó thường được gọi là ethanol, ethyl
alcohol, alcohol, Methylcarbino, rượu hữu cơ, rượu etylic, rượu ngũ cốc hay rượu cơng
nghiệp, rượu cồn, ethanol.

Hình 1. 1: Cấu trúc 2D của Ethanol

Hình 1. 2: Cấu trúc 3D của Ethanol

1.1.1.2. Tính chất vậy lý
Ethanol là một chất lỏng trong suốt không màu, dễ cháy và dễ bay hơi ở nhiệt độ và áp
suất bình thường. Nó có độc tính thấp và chất lỏng nguyên chất không thể uống trực tiếp,
có mùi thơm đặc biệt và hơi khó chịu, hơi ngọt và kèm theo vị cay nồng. Ethanol tan vô
hạn trong nước, nhẹ hơn nước với:
Mật độ của chất lỏng ethanol là 0,789g /cm³.
Mật độ của khí ethanol là 1,59kg /m³.
Cơng thức phân tử: C2H5OH hay C2H6O hay CH3CH2OH.
Điểm nóng chảy: -114,3°C.


Điểm sơi: 78,4°C.
Khối lượng phân tử: 46,07.
Độ hịa tan: Hịa tan hoàn toàn trong nước với bất kỳ tỉ lệ nào và nhiều dung môi hữu cơ
khác.
Tỉ trọng: 789kg /m³ (20°C).
Độ nhớt: 1.074mPa.s ở 20℃.
Mật độ khí: 2,009kg /m³.
Nó dễ cháy, hơi của nó có thể tạo thành hỗn hợp nổ với khơng khí và có thể trộn với nước
ở bất kỳ tỷ lệ nào. Nó có thể trộn với chloroform, ether, methanol, Ethanol và hầu hết các
dung môi hữu cơ khác.
Ethanol được ứng dụng rộng rãi như để sản xuất axit axetic, đồ uống, hương liệu, thuốc
nhuộm , nhiên liệu…. Về mặt y học, ethanol với tỷ lệ thể tích từ 70% đến 75% cũng
thường được sử dụng làm chất khử trùng. Nó được ứng dụng trong cơng nghiệp hóa chất,
y tế ,cơng nghiệp thực phẩm, cơng nghiệp và sản xuất nơng nghiệp.
Các tính chất vật lý của ethanol chủ yếu liên quan đến tính chất của rượu tuyến tính
carbon thấp. Các nhóm hydroxyl trong phân tử có thể tạo liên kết hydro, do đó ethanol

có độ nhớt cao và không phân cực như các hợp chất hữu cơ có trọng lượng phân tử tương
tự.
1.1.1.3. Ứng dụng
Ethanol cũng được sử dụng trong các sản phẩm chống đơng lạnh vì điểm đóng băng thấp
của nó.
Ethanol dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như axit axetic, dietyl ete, etyl axetat…
Ethanol được dùng làm dung môi hoặc chất pha để pha vecni, dược phẩm, nước hoa…


Cồn Ethanol dùng để pha chế xăng sinh học E5, E10, thường tỉ lệ xăng chiếm trên 90%.
Ethanol dùng trong công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may.
Cồn Ethanol dùng trong ngành điện tử, lau vi mạch, bo mạch.
Ethanol là một trong những nguyên liệu để tạo ra đồ uống có cồn mà hằng ngày chúng ta
vẫn hay sử dụng như bia, rượu, … Ethanol còn được dùng như nước ướp gia vị.
Ethanol được dùng như một chất chống vi khuẩn, sát trùng, điều chế thuốc ngủ.
1.1.2. Nước
1.1.2.1. Tổng quan về nước
Nước (H2O) là hợp chất phân cực ở nhiệt độ phịng, một chất lỏng khơng mùi và khơng
vị, gần như khơng màu. Là hợp chất hóa học được nghiêng cứu nhiều nhất và được mô tả
là “dung môi vạn năng” và “dung môi của sự sống”. Nước là chất có nhiều trên Trái Đất
và là chất phổ biến duy nhất tồn tại dưới dạng chất rắn, lỏng và khí trên bề mặt Trái Đất.
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên Trái Đất (3/4 diện tích Trái Đất là nước biển) và rất
cần thiết cho sự sống.
Các phân tử nước hình thành liên kết hydro với nhau và phân cực mạnh, cho phép nó tách
các ion trong muối và liên kết với các phân tử phân cực khác như rượu và acid, do đó hịa
tan chúng. Liên kết hydro của nó gây ra những tính chất độc đáo, chẳng hạn như có dạng
rắn ít đậm đặc hơn dạng lỏng, có điểm sơi tương đối cao là 100oC và khả năng tỏa nhiệt cao.
Nước là chất lưỡng tính, có nghĩa là nó có thể thể hiện các tính chất của acid hoặc base,
tùy thuộc vào pH của dung dịch mà nó có trong đó; nó đẽ dàng tạo ra cả ion H+ và OH- .
Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do

chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài
của liên kết O-H là 96,84 picomet.


1.1.2.2. Tính chất vật lý

Tính dẫn điện: Thực chất thì nước tinh khiết (nước cất) không dẫn điện. Nước thông
thường thường chứa nhiều loại muối tan. Tính dẫn điện của nước thông thường phụ thuộc
vào tổng lượng muối trong nước, tính chất các muối và nhiệt độ của nước. Nước khống
hố cao thường có tính dẫn điện mạnh.
Tính dẫn nhiệt: nước có khả năng dẫn nhiệt tốt.
Một số thơng số hóa lí cơ bản:
Nhiệt độ sơi của nước: 100℃ (ở 760mmHg).
Nhiệt độ nóng chảy: 0℃ (ở 760mmHg).
Khối lượng riêng ở 250C: ρN = 997,08 Kg/m3
Khối lượng phân tử: MN= 18 g/mol
Độ nhớt ở 250C: 0,9005 N.s/ m2
1.1.2.3. Ứng dụng
Hòa tan chất dinh dưỡng cho cơ thể sống
Tham gia vào quá trình hóa học trong cơ thể người và động vật
Có vai trò rất quan trọng trong đời sống: sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông
vận tải,…
Nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là mơi trường của các q trình
sinh hóa cơ bản như quang hợp tạo thành khí oxi:
6H2O + 6CO2 C6H12O6 + 6O2
Nước rất cần thiết cho đời sống hàng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng,
giao thông vận tải... Sự sống trên Trái Đất đều bắt nguồn từ nước và phụ thuộc vào nước.
Nước có ảnh hưởng quyết định đến khí hậu một khu vực, là nguyên nhân tạo ra thời tiết.

Hình 1. 3: Cấu trúc của nước
1.1.3. Hỗn hợp ethanol – nước
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Ethanol - Nước ở 760 mmHg:
X (%
phân

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

HHĐP

0

33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8

89,8 100

89,4

90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80

78,4 78,4

78,15

mol)
Y (%
phân
mol)
t (℃) 100

79,4 79

78,6

Bảng 1. 1: Thành phần cân bằng lỏng hơi của hệ Ethanol – Nước

HỆ ETHANOL - NƯỚC
100
95
90
85
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

Hình 1. 4: Giản đồ x – y của hệ Ethanol – Nước

90

95 100


100

100

95
90.5

90
86.5

85

83.2
81.7

80.8

80

75

0

10

20

30

40

80

50

79.4

79

78.6

78.4

78.4

60

70

80

90

100

Hình 1. 5: Giản đồ T – x,y của hệ Ethanol – Nước
1.2. Phương pháp chưng cất
1.2.1. Khái niệm chưng cất
Chưng cất là quá trình dùng để tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng
biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá
trình bay hơi - ngưng tụ. Trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại.
Khác với cô đặc, chưng cất là q trình trong đó cả dung mơi và chất lỏng hịa tan đều
bay hơi, cịn cơ đặc là q trình trong đó chỉ có dung mơi bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy
nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: Sản
phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có áp suất hơi bão hịa lớn (nhiệt độ sơi nhỏ), sản phẩm
đáy chủ yếu gồm cấu tử có áp suất hơi bão hịa nhỏ (nhiệt độ sơi lớn).
1.2.2. Phân loại
1.2.2.1. Chưng cất đơn giản
Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau. Phương pháp này
thường dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.


1.2.2.2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp
Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường
được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.
1.2.2.3. Chưng cất hỗn hợp
Chưng cất là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ
bay hơi có tính chất hịa tan một phần hoặc hịa tan hoàn toàn vào nhau. Ngoài ra trong
trường hợp các cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hoặc hỗn hợp có nhiệt
độ sơi q cao chưng cất được thực hiện ở áp suất thấp. Nếu các cấu tử của hỗn hợp
khơng hóa lỏng ở áp suất thường, chưng cất được thực hiện ở áp suất cao.
1.2.2.4. Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp
Sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp: khi chưng cất hỗn hợp nhập liệu thu

được nước ở đáy tháp chưng cất, cấu tử còn lại dễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơi nước
để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp.
Sử dụng nồi đun để cấp nhiệt cho tháp chưng cất: Nồi đun cho tháp chưng cất là thiết bị
trao đổi nhiệt được đặt ở đáy tháp, để cung cấp nhiệt cho hệ thống. Có các loại nồi đun
cho tháp chưng cất:
Thiết bị trao đổi nhiệt loại hai vỏ: dùng cho tháp chưng cất năng suất nhỏ.
Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ốm chùm.
Nồi đun đặt ngồi. Chất tải nhiệt nóng đi trong ống, hơi đi vào tháp cân bằng với dịng
sản phẩm đáy, do đó nồi đun được xem làm một mâm lý thuyết. Dùng cho tháp chưng cất
năng suất cao.
Thiết bị trao đổi nhiệt đặt đứng. Chất tải nhiệt đi ngoài ống, bốc hơi hồn tồn phần lỏng
đi vào nồi đun. Do đó, hơi có cùng thành phần với dịng sản phẩm đáy.
Thiết bị trao đổi nhiệt nhận dòng lỏng từ mâm đáy và nó chỉ bốc hơi một phần.