Thiết kế hệ thống chưng cất hệ metanol– etanol 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 METHANOL-ETHANOL BẰNG
THÁP MÂM XUYÊN LỖ NHẬP LIỆU Ở
TRẠNG THÁI LỎNG SƠI

SVTH:

1. Nguyễn Trát Đình Vỹ
2. Trần Cơng Chánh
GVHD: Ths.Trần Tấn Đạt

MSSV: 18128080
MSSV: 18128005

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2020


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. Nguyễn Trát Đình Vỹ .......................................................................18128080
2. Trần Cơng Chánh .............................................................................18128005
1. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ metanol– etanol 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: 80% kl

-

Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 5% kl

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:
-

Bản vẽ sơ đồ quy trình cơng nghệ (1- khổ giấy A1, 1- khổ giấy A3)

-

Bản vẽ thiết bị chính (1- khổ giấy A1, 1- khổ giấy A3)

5. Ngày giao nhiệm vụ: 09/03/2021
TRƯỞNG BỘ MÔN

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 08 năm 2021
Giảng viên hướng dẫn

Th.S Trần Tấn Đạt
6. Ngày nộp đồ án: 14/08/2021


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: Trần Tấn Đạt....................................................................................................
2. Sinh viên: Trần Công Chánh.............................. 3. MSSV: 18128005..........................
4. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ methanol-ethanol bằng tháp mâm xuyên
lỗ
nhập
liệu
ở
trạng
thái
lỏng
sôi
.......................................................................................................................................
5. Kết quả đánh giá
STT

Nội dung

Thang

Điể

điểm

m 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

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

0 – 1,0

1,0

7

Hoàn 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: Chín 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 HƯỚNG DẪN

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

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


MÃ MÔN HỌC: PWPD322703

1. GVHD: Trần Tấn Đạt....................................................................................................
2. Sinh viên: Nguyễn Trát Đình Vỹ........................ 3. MSSV: 18128080..........................
4. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ methanol-ethanol bằng tháp mâm xuyên
lỗ
nhập
liệu
ở
trạng
thái
lỏng
sôi
.......................................................................................................................................
5. Kết quả đánh giá
STT

Nội dung

Thang

Điể

điểm

m 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: Chín 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 : 

Khơng 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: Nguyễn Trát Đình Vỹ........................ 3. MSSV: 18128080......................
4. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ methanol-ethanol 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 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

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

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

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

2. Sinh viên: Trần Công Chánh.............................. 3. MSSV: 18128005......................
4. Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hệ methanol-ethanol 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 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
Trong quá trình nhận đồ án và tìm hiểu, học tập chúng em chân thành cảm ơn sự tận
tâm hướng dẫn của thầy Trần Tấn Đạt, người thầy đã cùng kề vai sát cánh bên chúng
em trong suốt mùa đồ án vừa qua. Nhờ có sự chỉ bảo của thầy mà chúng em ngày càng
tiến bộ hơn, học hỏi thêm nhiều kỹ năng và kiến thức mới để có thể hồn thành đồ án
mơn học một cách xuất sắc nhất.
Bên cạnh đó chúng em cũng chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô trong Bộ môn Công
nghệ Hóa học, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, chúng em biết rằng kiến thức khơng
tự nhiên mà có được, đó là nhờ vào sự dạy dỗ tận tâm của các thầy cô trong Bộ môn
đã từng ngày hướng dẫn tụi em, để chúng em có nền tảng kiến thức vững chắc để hồn
thành đồ án mơn học.
Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên phản biện đồ án của nhóm
chúng em, chân thành cảm ơn quý thầy/cô đã dành thời gian xem xét và chỉ dẫn chúng
em các thiếu sót trong đồ án mơn học.
Đây là lần đầu tiên chúng em được tiếp xúc và thực hành đồ án mơn học, cịn xảy ra
rất nhiều thiếu sót, kính mong q thầy/cơ có thể chỉ dạy thêm cho chúng em.
Chúng em chân thành cảm ơn quý thầy, cô ạ.

7


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. i
DANH MỤC HÌNH ẢNH.............................................................................................v

DANH MỤC BẢNG BIỂU..........................................................................................vi
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1
1.1

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

Giới thiệu sản phẩm..........................................................................................2

1.1.1

Methanol....................................................................................................2

1.1.2

Ethanol.......................................................................................................3

1.1.3

Hỗn hợp Methanol - Ethanol.....................................................................5

1.2

Lý thuyết về chưng cất.....................................................................................5

1.2.1

Khái niệm..................................................................................................5

1.2.2

Các phương pháp chưng cất.......................................................................6

1.2.3

Thiết bị chưng cất......................................................................................6

CHƯƠNG 2

QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ...............................................................8

2.1

Lựa chọn quy trình cơng nghệ..........................................................................8

2.2

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

CHƯƠNG 3

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG.....................10

3.1

Các thông số đầu vào......................................................................................10

3.2

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

3.3

Xác định chỉ số hoàn lưu................................................................................12

3.4

Số mâm lý thuyết............................................................................................13

3.5

Số mâm thực tế...............................................................................................14

3.6

Cân bằng năng lượng......................................................................................17

3.6.1

Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện............................................18

3.6.2

Cân bằng năng lượng cho các thiết bị truyền nhiệt..................................26

CHƯƠNG 4
4.1

TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH......................................................33

Đường kính tháp.............................................................................................33

4.1.1

Đường kính đoạn cất................................................................................33

4.1.2

Đường kính đoạn chưng..........................................................................36

4.1.3

Tốc độ làm việc thực...............................................................................40

4.2

Chiều cao tháp chưng cất................................................................................40
8


4.2.1

Chiều cao của thân tháp...........................................................................40

4.2.2

Chiều cao đáy nắp....................................................................................40

4.3

Trở lực tháp....................................................................................................41

4.3.1

Cấu tạo của mâm lỗ.................................................................................41

4.3.2

Trở lực của đĩa khô..................................................................................41

4.3.3

Trở lực do sức căng bề mặt......................................................................42

4.3.4

Trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra...........................................43

4.3.5

Tổng trở lực thủy lực của tháp.................................................................46

4.3.6

Kiểm tra hoạt động của mâm...................................................................46

4.3.7

Kiểm tra tính đồng nhất của hoạt động mâm...........................................47

4.3.8

Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động.......................................................47

4.3.9

Kiểm tra rị rỉ qua lỗ mâm........................................................................49

4.3.10 Tổng hợp tính tốn kích thước tháp.........................................................49
4.4

Tính tốn cơ khí tháp......................................................................................50

4.4.1

Bề dày thân tháp......................................................................................50

4.4.2

Đáy và nắp...............................................................................................52

4.4.3

Bề dày mâm.............................................................................................54

4.4.4

Bích ghép thân, đáy và nắp......................................................................56

4.4.5

Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn..................................57

4.4.6

Tính tốn lớp cách nhiệt..........................................................................63

4.4.7

Tính trọng lượng của tồn tháp................................................................65

4.4.8

Chân đỡ....................................................................................................66

4.4.9

Tai treo.....................................................................................................66

4.4.10 Kính quan sát...........................................................................................67
4.4.11 Tổng hợp kết quả tính tốn cơ khí tháp....................................................67
CHƯƠNG 5
5.1

TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ...........................................................68

Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh....................................................................68

5.1.1

Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị ngưng tụ đỉnh..................................68

5.1.2

Xác định bề mặt truyền nhiệt...................................................................75

5.1.3

Cấu tạo thiết bị.........................................................................................75

5.2

Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh..................................................................77

5.2.1

Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.................78

5.2.2

Xác định bề mặt truyền nhiệt...................................................................83
9


5.2.3
5.3

Cấu tạo thiết bị.........................................................................................83

Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.............................................................................84

5.3.1

Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị gia nhiệt nhập liệu...........................85

5.3.2

Xác định bề mặt truyền nhiệt...................................................................90

5.3.3

Cấu tạo thiết bị.........................................................................................90

5.4

Thiết bị nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy.........................................................91

5.4.1

Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị đun sôi sản phẩm đáy......................92

5.4.2

Xác định bề mặt truyền nhiệt...................................................................95

5.4.3

Cấu tạo thiết bị.........................................................................................95

5.5

Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy....................................................................97

5.5.1

Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị làm nguội sản phẩm đáy..................98

5.5.2

Xác định bề mặt truyền nhiệt.................................................................103

5.5.3

Cấu tạo thiết bị.......................................................................................103

5.6

Bồn cao vị, bơm nhập liệu............................................................................104

5.6.1

Bồn cao vị..............................................................................................104

5.6.2

Bơm nhập liệu........................................................................................108

KẾT LUẬN................................................................................................................ 113
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................114

10


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Đồ thị cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) của hệ Methanol-Ethanol ở 1atm.......5
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hệ Methanol - Ethanol..........................8
Hình 3.1 Đồ thị cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) của hệ Methanol-Ethanol ở 1atm.....12
Hình 3.2 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của hệ Methanol-Ethanol.........................13
Hình 3.3. Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị....................................................14
Hình 3.4 Mơ tả q trình trao đổi nhiệt của tháp chưng cất.........................................17
Hình 4.1 Cấu tạo gờ chảy tràn.....................................................................................44
Hình 4.2 Cấu tạo đáy, nắp............................................................................................53
Hình 4.3 Cấu tạo bích ghép..........................................................................................56
Hình 4.4 Chân đỡ.........................................................................................................66
Hình 4.5 Tai treo..........................................................................................................66

11


DANH MỤC BẢNG BI
Bảng 1.1 Thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở
760mmHg (%mol).........................................................................................................5
Bảng 1.2. So sánh ưu nhược điểm các loại tháp.............................................................7
Bảng 3.1 Tóm tắt các thơng số cân bằng vật chất........................................................12
Bảng 3.2 Thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở
760mmHg (%mol).......................................................................................................12
Bảng 3.3 Kết quả tính tốn cân bẳng nhiệt lượng cho tháp chưng cất.........................26
Bảng 3.4 Kết quả tính tốn cân bằng nhiệt lượng thiết bị truyền nhiệt........................32
Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả tính tốn thơng số tháp chưng cất....................................50
Bảng 4.2. Thơng số kích thước bích ghép thân, đáy, nắp.............................................57

Bảng 4.3. Thơng số bích ghép ống dẫn nhập liệu........................................................58
Bảng 4.4. Thơng số bích ghép ống dẫn hơi sản phẩm đỉnh..........................................59
Bảng 4.5. Thơng số của bích ghép ống dẫn hồn lưu...................................................60
Bảng 4.6. Thơng số của bích ghép ống dẫn hơi vào đáy tháp......................................61
Bảng 4.7. Bảng thông số của bích ghép ống dẫn chất lỏng đáy...................................62
Bảng 4.8. Thơng số của bích ghép ống dẫn sản phẩm đáy...........................................63
Bảng 4.9. Thơng số chân đỡ.........................................................................................66
Bảng 4.10 Thông số tai treo.........................................................................................67
Bảng 4.11 Bảng kết quả tính cơ khí tháp chưng cất.....................................................67
Bảng 5.1 Kết quả tính tốn thiết bị ngưng tụ...............................................................76
Bảng 5.2 Kết quả tính tốn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh......................................84
Bảng 5.3 Kết quả tính tốn thiết bị gia nhiệt nhập liệu................................................91
Bảng 5.4 Kết quả tính tốn thiết bị nồi đun.................................................................96
Bảng 5.5 Kết quả tính tốn thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.....................................104

12


MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, dưới sự phát triển vượt bậc của nền khoa học cơng nghệ, càng
ngày có thêm nhiều phát minh mới ra đời nhằm mục đích thúc đẩy sự phát triển của
nhân loại. Một trong những ngành nghề tiên phong khơng ngừng đổi mới đó chính là
ngành cơng nghiệp kỹ thuật hóa học, góp phần thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành
nghề khác nhau. Do đó việc đầu tư nghiên cứu sản xuất hóa chất là điều cần thiết, đặc
biệt là trong các lĩnh vực sản xuất hóa chất cơ bản tinh khiết bằng nhiều phương pháp
khác nhau như chưng cất, trích ly, hấp thu, …
Mục đích của q trình thiết kế đồ án mơn học Quá trình và Thiết bị nhằm vận dụng
các kiến thức nền tảng sẵn có để tính tốn, thiết kế quy trình cơng nghệ, kết cấu thiết
bị, bảo tồn vật chất và năng lượng để hệ thống sản xuất hóa chất vận hành ổn định.
Ngoài ra cũng trau dồi thêm kinh nghiệm cho sinh viên, những kỹ sư tương lai có nền

tảng vững chắc hơn trên con đường phát triển nền Cơng nghệ Kỹ thuật Hóa học nước
nhà.
Trong khn khổ đề tài được giao, hệ Methanol – Ethanol được xem là hệ lỏng – lỏng
có thể tách thành các cấu tử riêng biệt nhờ vào sự chênh lệch về nhiệt độ sôi của từng
cấu tử. Do hệ Methanol – Ethanol khơng có điểm đẳng phí do đó dễ dàng phân tách
bằng phương pháp chưng cất có độ tinh khiết cao.
Phạm vi thiết kế của đề tài là thiết kế hệ thống chưng cất hệ Methanol– Ethanol bằng
tháp mâm xuyên lỗ nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi với các thông số đầu vào như sau:
 Năng suất nhập liệu: 1500 kg/h
 Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu: 30% khối lượng
 Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh: 80% khối lượng
 Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy: 5% khối lượng
.

1


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu sản phẩm
1.1.1 Methanol
1.1.1.1 Tổng quan về Methanol
Methanol, cũng được gọi là rượu metylic, ancol metylic, alcohol gỗ, naphtha gỗ hay
rượu mạnh gỗ, là một hợp chất hóa học với cơng thức phân tử CH 3OH hay CH4O
(thường viết tắt MeOH).
Methanol là cồn công nghiệp, rất độc, uống lượng nhỏ gây mù mắt, nhiều hơn có thể
tử vong. Cồn methanol được điều chế từ gỗ nên cịn được gọi là "cồn gỗ". Cồn dùng
trong phịng thí nghiệm là cồn cơng nghiệp có chứa nhiều methanol. Tuyệt đối không

được uống cồn công nghiệp hoặc dùng cồn công nghiệp thay rượu uống.
1.1.1.2 Tính chất vật lý
Methanol là chất lỏng khơng màu, trung tính, có tính phân cực, tan trong nước,
benzene, rượu, este và hầu hết các dung môi hữu cơ. Rất dễ cháy, khi cháy có ngọn lửa
màu xanh và khơng có khói.
Methanol rất nhẹ, dễ bay hơi, có khả năng hịa tan nhiều loại nhựa, ít tan trong các loại
chất béo, dầu. Do có tính phân cực nên tan được trong một số chất hữu cơ.
Methanol dễ tạo hỗn hợp cháy nổ với khơng khí (7-34 %), rất độc cho sức khỏe con
người, với lượng 10 ml trở lên có thể gây tử vong.
Tỷ trọng (so với nước): 0,799 ÷ 0,8
Khối lượng riêng: 0,7918 (g/cm-3)
Nhiệt độ sơi: 64,7 °C (337,8 K; 148,5 °F)
1.1.1.3 Tính chất hóa học
Methanol là hợp chất đơn giản đầu tiên trong dãy đồng đẳng các rượu no đơn chức,
hóa tính của nó được quyết định bởi nhóm –OH. Các q trình phản ứng của methanol
đi theo hướng cắt đứt liên kết C-O hoặc nhóm OH và được đặc trưng bởi sự thay thế
nguyên tử H hay nhóm OH trong phân tử.
Một số phản ứng đặc trưng:
2




Phản ứng hydro hóa:
CH3OH + H2 CH4 + H2

 Phản ứng hydro hóa:
CH3OH + H2 CH4 + H2O
 Phản ứng oxy hóa:
Khi oxy hóa methanol trên xúc tác kim loại (Ag, Pt, Cu, O 2) hay xúc tác oxide hoặc

(FeMo, Ti-Mo) trong điều kiện thích hợp nếu oxy hóa hồn tồn sẽ tạo thành khí
cacbonic và nước, oxy hóa khơng hoàn toàn sẽ tạo thành andehit formic:

1.1.1.4 Ứng dụng
Methanol thường được dùng làm dung môi và làm nguyên liệu cho sản xuất những hóa
chất hữu cơ khác với lượng lớn (như formaldehyde). Một số lượng lớn methanol dùng
để sản xuất MTBE, acide axetic, làm dung môi, chất tải lạnh, chất chống đơng, có
trong thành phần của sơn và vecni, sản xuất fomandehyde, nhiên liệu/xăng.
1.1.2 Ethanol
1.1.2.1 Tổng quan về ethanol
Ethanol, còn được biết đến như là rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn, là
một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của ancol, dễ cháy, không màu, là một
trong các rượu thơng thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn. Trong cách
nói dân dã, thơng thường nó được nhắc đến một cách đơn giản là rượu.
Ethanol là một ancol mạch hở, cơng thức hóa học của nó là C 2H6O hay C2H5OH. Một
cơng thức thay thế khác là CH3-CH2-OH thể hiện cacbon ở nhóm metyl (CH3–) liên
kết với carbon ở nhóm metylen (–CH2–), nhóm này lại liên kết với oxy của nhóm
hydroxyl (–OH). Nó là đồng phân nhóm chức của dimetyl ete. Ethanol thường được
viết tắt là EtOH.
1.1.2.2 Tính chất vật lý
Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị
cay, nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt
độ 78,39 độ C), hóa rắn ở -114,15 độ C, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và
chlorofom, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy khơng có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời.
Sở dĩ rượu ethanol tan vơ hạn trong nước và có nhiệt độ sơi cao hơn nhiều so với este
hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các
3


phân tử rượu với nhau và với nước.

1.1.2.3 Tính chất hóa học
 Phản ứng thế với kim loại kiềm, kiềm thổ:
2C2H5OH + 2 Na 2C2H5ONa + H2
 Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và axit trong mơi trường: H2SO4 đặc
nóng tạo ra este:
C2H5OH + CH3COOHCH3COOC2H5 + H2O
 Phản ứng tách loại nước trong môi trường axit sulfuric đặc ở 170 °C:
C2H5OH C2H4 + H2O
 Tạo ete:
C2H5OH + C2H5OHC2H5-O-C2H5 + H2O
 Phản ứng oxi hóa 3 mức thành aldehyde, (đốt cháy) thành CO2 và H2O.
CH3-CH2-OH + CuO CH3-CHO + Cu + H2O
C2H5OH + 3O22CO2 + 3H2O
 Phản ứng tạo butadien-1,4: xúc tác hỗn hợp Cu + Al 2O3 ở 380-40000C, lúc đó
xảy ra phản ứng tách loại nước
2C2H5OH CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2
 Phản ứng lên men giấm:
CH3-CH2-OH + O2 (kk) CH3-COOH + H2O (lên men hiếm khí)
1.1.2.4 Ứng dụng
Ethanol được dùng để pha vào xăng để tăng trị số octan cho xăng. Hiện nay Việt Nam
đang sản xuất xăng sinh học E5 với % ethanol. Dùng làm dung mơi cho ngành cơng
nghiệp hóa chất, dùng trong ngành dược.
Cồn thực phẩm: sản xuất rượu, đồ uống có cồn, nước ướp gia vị, chiết xuất dược liệu,
pha chế thuốc, vệ sinh, sát trùng, mỹ phẩm.
Cồn công nghiệp: dùng cho công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, sản xuất mỹ
phẩm, dược phẩm.
1.1.3 Hỗn hợp Methanol - Ethanol
Bảng 1.1 Thành phần cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của 2 cấu tử ở
760mmHg (%mol)
4

78.

77.

76.

3

2

5

x

0

5

10

y

0

7.4

T0C

73.

72.

70.

69.

68.

66.

65.

64.

6

2

8

4

2

9

9

9

20

30

40

50

60

70

80

90

100

14.

27.

39.

51.

62.

72.

79.

86.

93.

3

1

6

5

6

3

8

6

2

75

100

100
90

Lỏng (X) (%mol)

80
70
60
50
40
30
20
10
0

0

10

20

30

40

50

60

70

Cân bằng lỏng
hơi
80
90
100

Hơi (Y) (%mol)

Hình 1.1 Đồ thị cân bằng pha lỏng (x) – hơi (y) của hệ Methanol-Ethanol ở 1atm
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 hổn
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 hồ của các cấu tử
khác).
Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như
trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong q trình chưng cất pha mới được tạo nên
bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc
không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai qua trình này có một ranh giới cơ bản là trong
quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện
diện trong cả hai pha nhưng với tỉ lệ khác nhau), cịn trong q trình cơ đặc thì chỉ có
dung mơi bay hơi cịn chất tan thì 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.
5


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.
Suy ra với quy trình chưng cất đối với hệ methanol – ethanol thì: sản phẩm đỉnh là
methanol, sản phẩm đáy là ethanol.
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 – ethanol, ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp, ở áp suất thường.
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 là diện tích bề mặt tiếp
xúc pha phải lớn, diều 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 thì ta có tháp chêm, tháp phun, … Ở đây ta khảo sát 2 loại
thường dùng là tháp mâm và tháp chêm (tháp đệm).
6


 Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu
tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ

theo cấu tạo của đĩa, ta có:
-

Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupap, chử S …

-

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

 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt
bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau:
xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Bảng 1.2. So sánh ưu nhược điểm các loại tháp

Ưu điểm

Tháp chêm
- Cấu tạo khá đơn giản
- Trở lực thấp
- Làm việc được với
chất lỏng bẩn
- Do có hiệu ứng thành

Nhược
điễm

Tháp mâm xuyên lỗ
- Trở lực tương đối
thấp
- Hiệu suất khá cao

- Không

làm

việc

nên hiệu sất truyền

được với chất lỏng

khối thấp
- Độ ổn định thấp, khó

bẩn
- Kết cấu khá phức

vận hành
- Khó tăng năng suất
- Thiết bị khá nặng nề

Tháp mâm chóp
- Khá ổn định
- Hiệu suất cao

- Có trở lực lớn
- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp

tạp

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 không gian cũng như điều
kiện kinh tế mà ta lựa chọn tháp chưng cất phù hợp. Qua quá trình nghiên cứu, nhận
thấy tháp mâm xuyên lỗ phù hợp với hệ methanol – ethanol này. Tháp mâm xuyên lỗ
có những ưu điểm sau:
 Vệ sinh dễ dàng
 Trở lực thấp hơn tháp chóp
 Ít tốn kim loại hơn tháp chóp
 Hiệu suất khá cao

7


8


CHƯƠNG 2

QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ

2.1 Lựa chọn quy trình cơng nghệ

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hệ Methanol - Ethanol
 Chú thích:
1. Bồn chứa nguyên liệu

7. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

2. Bơm

8. Bể chứa sản phẩm đáy

3. Bồn cao vị

9. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh

4. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

10. Thiết bị phân phối chất lỏng

5. Tháp chưng cất

11. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

6. Nồi đun

12. Bể chứa sản phẩm đỉnh

2.2 Thuyết minh quy trình cơng nghệ
Hỗn hợp methanol – ethanol có nồng độ nhập liệu methanol 30% khối lượng, nhiệt độ
khoảng 300C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Sau
đó hỗn hợp được gia nhiệt ở thiết bị gia nhiệt dịng nhập liệu (4) đến nhiệt độ sơi và
được điều chỉnh lưu lượng dòng nhập liệu vào tháp chưng cất (5) thơng qua lưu lượng
kế ở vị trí đĩa nhập liệu, tồn bộ q trình đều được kiểm sốt nhiệt độ bởi nhiệt kế.
9


Trong đĩa nhập liệu, chất lỏng sôi được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Ở đây, có sự tiếp

xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong tháp chưng cất
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 đáy tháp (6) 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 ethanol sẽ ngưng tụ lại, và nồng độ ethanol trong pha lỏng ngày
càng tăng cuối cùng ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay
hơi (ethanol). Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ methanol là 5% khối lượng, cịn lại
là ethanol. Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt (6). Trong thiết bị
trao đổi nhiệt dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để làm việc
liên tục, phần còn lại ra khỏi thiết bị vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (7). Sau đó,
được đưa vào bồn chứa sản phẩm đáy (8).
Các cấu tử có nhiệt độ sơi thấp được bốc hơi lên trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có
nồng độ cấu tử methanol cao (80% phần khối lượng). Hơi này đi vào thiếp bị ngưng tụ
(9) và được ngưng tụ hoàn toàn tại bồn chứa tạm thời. Một phần chất lỏng ngưng tụ
được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng bằng thiết bị phân phối chất lỏng (10) dẫn qua
bơm (2). Phần còn lại qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (11) và được làm nguội
đến 400C, rồi đưa về bình chứa sản phẩm đỉnh (12).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol, sản phẩm đáy là ethanol.

CHƯƠNG 3

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

3.1 Các thông số đầu vào
Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục. Khi chưng luyện
dung dịch methanol - ethanol thì cấu tử dễ bay hơi là methanol
Hỗn hợp:
-

Methanol: CH3OH, MMe = 32.04 (g/mol), ts(Methanol) = 64.7

-

Ethanol: C2H5OH, MEt = 46.07 (g/mol), ts (Ethanol) = 78.37

-

Năng suất nhập liệu: GF = 1500 (kg/h)
10


-

Nồng độ nhập liệu: phần kl methanol

-

Nồng độ sản phẩm đỉnh: phần kl methanol

-

Nồng độ sản phẩm đáy: phần kl methanol

Chọn
-

Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tBĐ = 300C

-

Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: tPR = 400C

-

Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 300C

-

Nhiệt độ dòng lạnh đi ra: tR = 400C

-

Trang 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

-

GP, P: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h

-

GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h

-

L: suất lượng dịng hồn lưu, kmol/h

-

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

3.2 Cân bằng vật chất
Nồng độ phần mol của methanol

11


Phân tử lượng trung bình của nhập liệu:

Suất lượng mol:
Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (1)
Cân bằng cấu tử methanol (cấu tử nhẹ): FxF = D.xD + W.xW (2)
Từ (1) và (2) ta có:
Suy ra:

Bảng 3.1 Tóm tắt các thơng số cân bằng vật chất
Thơng
Phân tử
Nồng độ
Suất
số
Nồng độ
Suất
lượng
phần
lượng

phần
lượng
trung
mol x
khối
Dịng
khối
mol
bình
(phần
lượng
lượng
(kmol/h)
(kg/kmol
mol)
(kg/h)
)
F
0,38
30 %
36,84
1500
40,72
D
0,85
80 %
14,64
499,52
34,12
W

0,07
0,05 %
22,20
1000,78
45,08

Nhiệt độ
(0C)
72,48
66,4
76,92

3.3 Xác định chỉ số hoàn lưu
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chỉ số mà chế độ làm việc 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 (nguyên liệu,
nước, bơm…) là tối thiểu.
Tỉ số hồi lưu (IX.24/158 [ CITATION Ngudc \l 1033 ]):
: nồng độ phần mol của methanol trong pha hơi của dòng nhập liệu.
12