thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất acetone – nước (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 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ TRONG HỆ
THỐNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ HOẠT ĐỘNG
LIÊN TỤC ĐỂ CHƯNG CẤT ACETONE – NƯỚC

SVTH:
GVHD:

1. Nguyễn Văn Lâm
2. Trương Ngọc Hồng
Bửu
Th.S Vũ Bá Minh

MSSV:
MSSV:

18128032
18128004

Thành phố Hồ Chí Minh, 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: Th.S, GVC Vũ Bá Minh .........................................................................................
2. Sinh viên: Nguyễn Văn Lâm................................... 3. MSSV: 18128032...........................
4. Tên đề tài: thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục
để chưng cất acetone – nước
5. Kết quả đánh giá
STT

Nội dung

Thang

Điểm
số
1,0

1

Xác định được đối tượng và yêu cầu thiết kế

điểm
0 – 1,0

2

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

0 – 2,5

2,5

3

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

0 – 0,75

0,5

4

Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế

0 – 0,75

0,5

5

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

2,0

6

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

0 – 1,0

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 (Chín điểm)

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

6. Các nhận xét khác Đã có nhiều cố gắng hồn thành nhiệm vụ được giao. Tham dự đầy

đủ các buổi phụ đạo
7. Kết luận: Được phép bảo vệ : X

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

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

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

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

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


MÃ MÔN HỌC: PWPD322703
1. GVHD: Th.S,GVC Vũ Bá Minh.........................................................................................
2. Sinh viên: Trương Ngọc Hoàng Bửu ..................... 3. MSSV: 18128004...........................

4. Tên đề tài: thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục
để chưng cất acetone – nước
5. Kết quả đánh giá
STT

Nội dung

Thang

Điểm
số
1,0

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

2,5

3

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

0 – 0,75

0,5

4

Lập được kế hoạch triển khai thực hiện thiết kế

0 – 0,75

0,5

5

Lập được bản vẽ với phần mềm chuyên dụng

0 – 2,5

2,0

6

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

0 – 1,0

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 (Chín điểm)

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

6. Các nhận xét khác Đã có nhiều cố gắng hồn thành nhiệm vụ được giao. Tham dự đầy

đủ các buổi phụ đạo
7. Kết luận: Được phép bảo vệ : X

Không được phép bảo vệ : 

Ngày 16 tháng 8 năm 2021
Người nhận xét

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

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CỦA
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

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

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

1. GVPB: TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi
2. Sinh viên: Nguyễn Văn Lâm

3. MSSV: 18128032


4. Tên đề tài: Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục
để chưng cất acetone – nước
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

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

0 – 1,0

4

Trình bày được những nội dung cốt lõi của đồ án

0 – 1,0

5

Trả lời được các câu hỏi phản biện

0 – 3,0

TỔNG ĐIỂM (Bằng chữ:)

10

9,5

Ghi chú: GV PHẢN BIỆN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
Ngày 23 tháng 08 năm 2021
Người phản biện
(Ký &
ghi rõ họ tên)

TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi
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: TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi
2. Sinh viên: Trương Ngọc Hoàng Bửu

3. MSSV: 18128004

4. Tên đề tài: Thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục
để chưng cất acetone – nước


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

9,5

Ghi chú: GV PHẢN BIỆN cho điểm lẻ tới 0,25 điểm

6. Các nhận xét khác (nếu có)
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................
Ngày 23 tháng 08 năm 2021
Người phản biện
(Ký &
ghi rõ họ tên)

TS. Phạm Hoàng Huy Phước Lợi


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 VŨ BÁ MINH
Họ và tên sinh viên thực hiện:
1.

MSSV

NGUYỄN VĂN LÂM

18128032

2.
TRƯƠNG NGỌC HOÀNG BỬU
1. Tên đồ án: THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

18128004

Nhiệm vụ của đồ án: Thiết kế tháp mâm xuyên lỗ họat động liên tục để chưng cất hỗn
hợp Aceton– Nước ở áp suất thường.
2. Các số liệu ban đầu:
5. Năng suất nguyên liệu: 5.000 kg/h
6. Nhập liệu có nồng độ là 15% mol Aceton
7. Nồng độ sản phẩm đỉnh là 95% mol Aceton
8. Tỷ lệ thu hồi Aceton là 98%
9. Các số liệu khác tự chọn
3. Yêu cầu về phần thuyết minh và tính toán:

4.

5.

6.
7.

a) Tổng quan về sản phẩm, tháp chưng cất.
b) Đề nghị qui trình chưng cât
c) Tính cân bằng vật chất-năng lượng
d) Tính tốn số mâm thực tế tháp chưng cất
e) Tính tốn cấu tạo tháp mâm xun lỗ
f) Tính các thiết bị phụ có trong qui trình
g) Lập bảng tính khối lượng vật tư và chi phí chế tạo tháp
h) Kết luận
Yêu cầu về trình bày bản vẽ
 01 bản vẽ qui trình khổ A1 (bản khổ A4 kẹp trong tập thuyết minh)
 01 bản vẽ cấu tạo tháp chưng cất khổ A1
Yêu cầu khác:
Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 1/3/2021
Ngày hoàn thành đồ án: 14/6/2021. Các qui định theo thơng cáo của bộ mơn.
TRƯỞNG BỘ MƠN
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 3 năm 2021
Giảng viên hướng dẫn

Th.S VŨ BÁ MINH


LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành được đồ án này khơng chỉ là nỗ lực của bản thân, bên cạnh đó cịn có
sự giúp đỡ rất nhiệt tình của cách thầy cơ, bạn bè và gia đình. Với tình cảm chân thành
cho chúng em được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các cá nhân, tổ chức đã tạo điều
kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu đề tài.
Trước tiên chúng em xin cảm ơn quý thầy, cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật

TP.HCM, khoa Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa và Thực Phẩm đã truyền đạt, chỉ bảo tận
tình để chúng em có thể thực hiện được đồ án này.
Cảm ơn các thầy, cô trong hội đồng chấm đồ án, và hội đồng phản biện đã bỏ thời gian
quý báu để có thể góp ý, và nhận xét giúp chúng em hồn thiện hơn đồ án của mình.
Đặc biệt chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Bá Minh đã quan tâm, hướng dẫn
giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua để hoàn thành đồ án này.
Mặc dù đã rất cố gắng tuy nhiên không thể tránh khỏi những sai sót trong q trình
hồn thiện. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến góp ý, nhận xét từ thầy để
chúng em củng cố kiến thức và hoàn thiện tốt hơn đồ án này.


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN..........................................................................................2
1.1. Cơ sở lý thuyết về chưng cất............................................................................2
1.1.1. Khái niệm, mục đích..................................................................................2
1.1.2. Các phương pháp chưng cất.......................................................................2
1.1.3. Thiết bị chưng cất......................................................................................4
1.2. Tổng quan về hệ Acetone – Nước....................................................................5
1.2.1. Acetone......................................................................................................5
1.2.2. Nước..........................................................................................................6
1.2.3. Hỗn hợp Acetone- nước.............................................................................7
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHƯNG CẤT...................................................................9
2.1. Quy trình cơng nghệ............................................................................................9
CHƯƠNG 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT......................................................................12
3.1. Các thông số ban đầu........................................................................................12
3.2. Cân bằng vật chất..............................................................................................12
3.3. Xác định tỉ số hồn lưu thích hợp.....................................................................13
3.4. Phương trình đường làm việc và xác định số mâm lý thuyết............................16
3.4.1. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất..................................16

3.4.2. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng.............................17
3.4.3. số mâm lý thuyết........................................................................................17
CHƯƠNG 4 : CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG..............................................................22
4.1. Cân bằng năng lượng cho toàn tháp chưng cất..................................................22
4.2. Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ......................................................24
4.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh............................24
4.4. Cân bằng nhiệt cho thiết bị đun sơi dịng nhập liệu...........................................25
CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH.......................................................................28
5.1. Đường kính tháp...............................................................................................28
5.1.1.

Đường kính đoạn cất............................................................................28

5.1.2.

Đường kính đoạn chưng.......................................................................31

5.2. Trở lực tháp....................................................................................................34


5.2.1.

Ðộ giãm áp của pha khí qua một mâm.................................................35

5.3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động.............................................................39
5.4. Tính tốn cơ khí..............................................................................................41
5.4.1.

Bề dày thân tháp...................................................................................41

5.4.2.

Đáy và nắp thiết bị................................................................................42

5.4.3.

Bích ghép thân, đáy và nắp...................................................................43

5.4.4.

Đường kính các ống dẫn- bích ghép các ống dẫn.................................44

5.4.5.

Tai treo và chân đỡ...............................................................................49

CHƯƠNG 6: CÁC THIẾT BỊ PHỤ.............................................................................52
6.1. Các thiết bị truyền nhiệt....................................................................................52
6.1.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh................................................................52
6.1.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh..............................................................57
6.1.3. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy.................................................................63
6.1.4. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy..............................67
6.1.5. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.........................................................................74
6.2. Tính bảo ơn của thiết bị.....................................................................................79
6.3. Tính tốn bơm nhập liệu...................................................................................80
6.3.1. Tính chiều cao bồn cao vị..........................................................................80
6.3.2. Chọn bơm...................................................................................................86
CHƯƠNG 7: TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH THIẾT BỊ.................................................90
KẾT LUẬN.................................................................................................................92
TĨM TẮT CÁC KÍ HIỆU ĐÃ DÙNG........................................................................93

DANH MỤC HÌNH.....................................................................................................96
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................97
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................98


LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp nước ta nói
riêng và thế giới nói chung, đó là nghành cơng nghiệp hóa học. Đặt biệt là nghành hóa
chất cơ bản.
Hiện nay, với sự phát triển ngày càng cao của ngành sản xuất các sản phẩm hóa học,
địi hỏi nguồn ngun liệu phải có độ tinh khiết cao để đảm bảo hiệu suất và chất
lượng tốt nhất.
Các phương pháp được sử dụng để tăng độ tinh khiết bao gồm: trích ly, chưng cất, cơ
đặc, hấp thu,… Tùy theo đặc tính u cầu của sản phẩm mà người ta sễ lựa chọn
phương pháp thích hợp. Đối với hệ acetone - nước là hai cấu tử hịa tan hồn tồn vào
nhau, ta phải dùng phương pháp chưng cất để tăng cao độ tinh khiết cho acetone.
Đồ án mơn học Q trình và thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp trong q
trình học tập của các kỹ sư cơng nghệ hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải
quyết các nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: u cầu cơng nghệ, kết cấu, giá thành của một
thiết bị trong sản xuất hóa chất thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng
những kiến thức đã học và tìm kiếm các thông tin cần thiết để giải quyết các vấn đề
thực tế.
Nhiệm vụ của thiết kế: Tính tốn thiết bị ngưng tụ trong hệ thống chưng cất mâm
xuyên lỗ hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp acetone – nước ở áp suất thường với
các số liệu sau đây.
Năng suất nhập liệu: 5000 kg/h
Nồng độ nhập liệu : 15% acetone, nhiệt độ thường
Nồng độ sản phẩm đỉnh : 95% acetone, nhiệt độ thường

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Cơ sở lý thuyết về chưng cất

1.1.1.

Khái niệm, mục đích

Chưng cất là q trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn
hợp (hơi) khí-lỏng ra thành từng cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay hơi khác nhau của
các cấu tử (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau)
Bản chất của chưng cất chính là dựa vào nhiệt độ sơi hay nhiệt độ bay hơi khác nhau
để tách các cấu tử bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ.
Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì hỗn hợp ban đầu có bao nhiêu
cấu tử thì sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản hỗn hợp 2 cấu tử thì ta
thu được 2 sản phẩm:
+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ)
+ Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơn nhỏ (nhiệt độ sơi lớn)
Mục đích của chưng cất:
Chưng cất được áp dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp như công nghiệp thực
phẩm, sinh học và hóa chất, có khá nhiều ứng dụng như :
+ Làm sạch các tạp chất như các chất keo, nhựa bẩn,.. trong quá trình sản xuất rượu
hoặc chưng cất tinh dầu
+ Thu sản phẩm từ quá trình như chưng cất rượu, chưng cất cồn, chưng cất tinh dầu,..
+ Nâng cao chất lượng của sản phẩm vì qua q trình chưng cất sẽ đem đến sản phẩm
có độ tinh khiết cao hơn.
1.1.2.

Các phương pháp chưng cất

Các phương pháp chưng cất được phân loại theo :
2


Áp suất làm việc :
-

Áp suất thấp

-

Áp suất thường

-

Áp suất cao

=> Nguyên tắc làm việc : dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các
cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử
Nguyên lý làm việc :
 Chưng lôi cuốn theo hơi nước:
Dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước của những hợp chất hữu cơ trong
tinh dầu khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao.
Hơi quá nhiệt sẽ đi trực tiếp vào trong nguyên liệu và lôi cuốn tinh dầu có trong
nguyên liệu đi theo.Phương pháp chưng cất này cần nồi hơi riêng hoặc bộ phận hóa
hơi riêng nên tốn kém chi phí.
 Chưng cất trực tiếp bằng hơi nước:

Là phương pháp sử dụng nguyên liệu ngập hoàn toàn trong nước , được cấp nhiệt để
đạt điểm sơi sau đó tinh dầu và hơi nước sẽ cùng bay hơi nên rất tốn năng lượng cho
việc cấp nhiệt để đun sơi nước,tốn chi phí…Phương pháp 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 khơng tan trong nước hoặc khó tan,dùng trong trường hợp
cần hạ thấp nhiệt độ sôi cấu tử.
 Chưng cất đơn giản:
Là một trong những phương pháp dùng để tách các chất bay hơi ra khỏi một hỗn hợp
dựa vào sự khác xa điểm sôi của các chất trong hỗn hợp. Được sử dụng để tách các
chất lỏng tương đối tinh khiết,cũng có thể tách chất lỏng từ các hợp chất rắn, phương
3


pháp này nhanh hơn ít tốn năng lượng ,nhưng chỉ hữu ích đối với các chất lỏng có
nhiệt độ sơi khác nhau , phân tán không sạch sẽ
 Chưng cất phân đoạn:
Được sử dụng để cô lập các thành phần của hỗn hợp phức tạp với chênh lệch điểm sôi
nhỏ dẫn đến sự phân tán chất lỏng tốt hơn tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi nhiều
năng lượng thiết lập phức tạp và tốn kém hơn.
-

Cấp nhiệt đáy tháp

-

Cấp nhiệt trực tiếp

-

Cấp nhiệt gián tiếp

1.1.3.

Thiết bị chưng cất

Trong sản xuất người ta dùng nhiều phương pháp khác nhau để chưng cất. Tuy nhiên
yêu cầu chung của các loại tháp là có diện tích tiếp xúc pha lớn. Điều này phụ thuộc
vào mức độ phân tán của cấu tử này vào cấu tử kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng
ta có loại tháp mâm. Nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun...
Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác
nhau, pha lỏng và hơi tiếp xúc nhau , tùy theo cấu tạo đĩa ta có 2 loại tháp :
+ Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng trịn, xupan,..
+ Tháp mâm xun lỗ (tháp đĩa): trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh
Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn 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.
Có nhiều loại tháp chưng cất với ưu nhược điểm khác nhau, tùy vào chất lỏng cần
chưng cất và điều kiện mà ta chọn các loại tháp phù hợp.
Bảng 1.1.Bảng so sánh ưu nhược điểm của các loại tháp phổ biến trong chưng cất

4


Tháp mâm
chóp

Ưu
điểm

Tháp mâm

xuyên lỗ

Tháp chêm

- Hiệu suất cao

- Hiệu suất khá cao - Trở lực thấp

- Bề mặt tiếp xúc
pha

- Trở lực thấp hơn
tháp

lớn

mâm chóp

- Hoạt động ổn
định

- Hoạt động khá ổn
định

- Cấu tạo khá đơn
giản

- Làm việc với chất
lỏng
bẩn

Nhượ
c
điểm

- Trở lực lớn

- Cấu tạo phức tạp

- Cấu tạo phức

- Hiệu suất truyền
khối

- Trở lực khá cao

- Thiết bị nặng nề

tạp, tiêu tốn nhiều
vật tư

- Độ ổn định khơng
cao, khó vận hành

Đồ án này sử dụng tháp mâm xuyên lỗ chưng cất cho hệ Acetone – nước.
5


1.2.

Tổng quan về hệ Acetone – Nước

1.2.1.

Acetone

Acetone còn được gọi là Dimethyl Formadehyde, là một hợp chất hữu cơ, có công
thức là (CH3)2CO, là một chất lỏng trong suốt,dễ cháy, không màu, dễ cháy, bay hơi
nhanh, mùi đặc trưng
Acetone tan hồn tồn trong nước, các dung mơi hydrocacbon mạch thẳng, mạch vịng
và hầu hết các dung mơi hữu cơ. Nó cũng hoà tan tốt nhiều dầu mỡ động vật và thực
vật, hầu hết các loại nhựa tổng hợp, nhựa tự nhiên và các chất tổng hợp.
-

Khối lượng phân tử : 58.04 g/mol

-

Tỉ trọng : 0.791g/cm3

-

Điểm sơi : 56-57oC

-

Điểm nóng chảy : -95oC đến -93oC

Ứng dụng :
+ Acetone là dung môi hữu cơ hịa tan nhiều hợp chất hóa học, nó dùng trong chế tạo

sợi, dược phẩm, nhựa plastic,..
+ Acetone được sử dụng rộng rãi để làm chất tẩy rửa vật dụng thủy tinh trong phịng
thí nghiệm
+ Acetone là thành phần chính trong các chất tẩy rửa sơn móng tay, chất tẩy keo siêu
dính và chất tẩy cho đồ gốm sứ, thủy tinh
1.2.2.

Nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro, có cơng thức hóa
học là H2O. Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng
cực, liên kết hiđrơ và tính bất thường của khối lượng riêng), nước là
một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời
sống. 70% diện tích bề mặt của Trái Đất được nước che phủ nhưng
6


chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể
khai thác dùng làm nước uống.
- Tỉ trọng : 1 g/cm3
- Điểm sơi : 100oC
- Điểm nóng chảy : 0oC
Vai trò :
cuộc sống trên trái đất này bắt nguồn từ nước. Tất cả các sự sống
trên trái đất đều liên quan và phụ thuộc vào nước.
Trong tự nhiên, nước không ngừng vận động và thay đổi những trạng
thái tồn tại khác nhau như rắn, lỏng, khí,… Tạo nên vịng tuần hồn
trong sinh quyển. Nước bốc hơi, ngưng tụ và mưa,…
Dù là cây cối hay động vật và kể cả con người nếu khơng có nước
đều khơng sống được. Nước là thành phần bắt buộc của tế bào. Nước

tham gia vào quá trình trao đổi chất của các sinh vật sống. Nước cịn
là mơt phần của cơ thể con người.
+ Vai trò của nước trong sản xuất
Vai trò của nước trong sản xuất nông nghiệp, công nghiệp,…vô cùng
quan trọng. Ứng dụng của nước trong các ngành sản xuất rất nhiều.
Chúng ta sẽ phải đóng cửa và bị thiệt hại lớn nếu như nhà máy, xí
nghiệp, khu cơng nghiệp khơng có nguồn nước sạch để sử dụng.
+ Vai trị của nước đối với đời sống
Trong sinh hoạt hàng ngày như tắm, gội, giặt giũ, rửa chén, lau nhà,
… tác dụng của nước luôn được phát huy tối đa. Công dụng của
nước giúp rửa trôi các chất bẩn, đem lại sự sạch sẽ cho cơ thể, quần
áo, nhà cửa.
7


Trong sự vận hành của thiên nhiên, nước cũng có quy trình tự làm
sạch. Nhờ những hoạt động của vi sinh vật và vi tảo cùng sự quang
hợp ánh nắng mặt trời.
1.2.3.

Hỗn hợp Acetone- nước

Bảng 1.2. Bảng cân bằng pha
x

0

y

0

t

5

10

20

30

40

50

60

70

60,3 72

80,
3

82,
7

84,
2

85,
5

86,
9

88,
2

100 77,9 69, 64,
6
5

62,
6

61,
6

60,
7

59,
8

59

80

100

90,4 94,3 100

58,
2

(%) Acetone

Hình 1.2. Đồ thị cân bằng lỏng – hơi
hệ Acetone – Ethanol
8

90

57, 56,9
5


CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHƯNG CẤT
2.1. Quy trình cơng nghệ
Chú thích các kí hiệu ghi trong quy trình
1. Bồn cao vị

15.

Nồi đun

2. Bồn chứa nguyên liệu

16.

Thiết bị ngưng tụ

3. Bơm

17.
Thiết bị làm nguội
sản phẩm đỉnh

4. Thiết bị gia nhiệt nhập
liệu

18.
đỉnh

5. Thiết bị làm nguội đáy
6. Bồn chứa sản phẩm đáy
7. Tháp chưng cất
8. Nồi đun Kattle
9. Thiết bị ngưng tụ đỉnh
10.
đỉnh

Thiết bị làm nguội

11.

Phân phối lỏng

12.

đỉnh

Bế chứa sản phẩm

13.
Thiết bị đun sơi
dịng nhập liệu
14.

Tháp chưng cất

9

Bồn chứa sản phẩm


Hỗn hợp acetone – nước có nồng độ acetone 15% ( theo phần mol), nhiệt độ khoảng
300C tại bình chứa nguyên liệu được bơm lên thùng cao vị và từ đó đưa đến thiết bị gia
nhiệt. Tại đây, hỗn hợp được đun sơi đến nhiệt độ sơi, sau đó được đưa vào tháp chưng
cất ở mâm nhập liệu. Trên mâm nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng của đoạn
cất của tháp chảy xuống.
Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở đây có sự tiếp xúc và trao
đổi năng lượng giữa hai pha cho nhau. Nước mất năng lượng ngưng tụ thành pha lỏng,
aceton nhận năng lượng chuyển sang trạng thái hơi.
Nồng độ acetone trong pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng
giảm vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun lôi cuốn đi lên phần đỉnh tháp. Càng lên các
mâm phía trên, nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên có nhiệt độ
sôi cao hơn nước sẽ ngưng tụ lại. Cuối cùng trên đỉnh tháp thu được hỗn hợp có cấu tử
acetone chiếm nhiều nhất ( 85% theo phần mol ).
Hơi ra khỏi tháp đi vào thiết bị ngưng tụ, được ngưng tụ một phần, sau đó đi qua thiết

bị làm nguội sản phẩm đỉnh rồi đưa vào bồn chứa sản phẩm đỉnh. Phần cịn lại của
chất lỏng được hồn lưu lại tháp ở đĩa trên cùng.
Ở đáy tháp, dung dịch lỏng gồm cấu tử có nhiệt độ sơi cao hơn là nước ngày càng tăng
và một lượng nhỏ acetone. Dung dịch lỏng này đi ra khỏi đáy tháp, một phần được đun
nóng cho bốc hơi ở nồi đun cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại đi
qua thiết bị làm nguội đến bồn chứa sản phẩm đáy. Hệ thống làm việc liên tục cho ra
sảm phẩm đỉnh là acetone, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt được loại bỏ


Hình 2.1. Sơ đồ quy trình chưng cất


CHƯƠNG 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.1. Các thông số ban đầu
Khi chưng cất hơn hợp Acetone-nước thì cấu tử dễ bay hơi là Acetone
=> Sản phẩm đỉnh chủ yếu là Acetone, sản phẩm đáy chủ yếu là nước
 Năng suất nhập liệu : = 5.000 kg/h
 Nồng độ nhập liệu: = 15% mol Acetone
 Nồng độ sản phẩm đỉnh (Acetone) xD = 95% mol Acetone
 Tỉ kệ thu hồi Ethanol : = 0,98
 Nhiệt độ nhập liệu t’F = 27 oC
 Trạng thái nhập liệu lỏng sôi
Ký hiệu
F : lượng nhập liệu ban đầu (Kmol/h)
D : lượng sản phẩm đỉnh (Kmol/h)
W : lượng sản phẩm đáy (Kmol/h)
: nồng độ % mol Acetone trong nhập liệu (mol/mol)
: nồng độ % mol Acetone trong sản phẩm đỉnh (mol/mol)
: nồng độ % mol Acetone trong sản phẩm đáy (mol/mol)
Khối lượng phân tử của Acetone và nước : M1 = 58,08 g/mol ; M2 = 18 g/mol

3.2. Cân bằng vật chất
Bảo toàn vật chất toàn bộ tháp chưng cất: F = D + W (1)
Bảo toàn vật chất cấu tử nhẹ ( Acetone): F. = D . + W . (2)


Tỉ lệ thu hồi Ethanol : (3)

- Khối lượng mol trung bình của dịng nhập liệu :
MtbF = M1 .xF + M2 .(1-xF) = 58,08 .0,15 + 18 .(1 – 0,15) = 24 (kg/Kmol)
- Suất lượng nhập liệu:
Thay số vào (1), (2), (3) ta có hệ phương trình
208,33 = D + W
208,33. 0,15 = D. 0,95 + W. xw
208,33. 0,15. 0,98 = D.0,95
Giải hệ phương trình trên ta
được
D = 32,23 (Kmol/h)
W = 176,1
(Kmol/h) xw =
0,0035(mol/mol)
Năng
suất
ngun
liệu
(kg/h)
(2)
5000

Nồng độ
x (%mol)

Đỉnh (D)
Đáy (W)

Thơng
số
Dịng (1)

Nhập liệu
(F)

Năng suất
(Kmol/h)

% khối
lượng

(3)

Phân tử lượng
trung bình Mtb
(kg/Kmol)
(4)

(5)=(2)/(4)

(6)

15

24

208,33

36,3

1871,92

95

58,08

32,23

98,4

3169,8

0,35

18

176,1

1,1

Bảng 3.1. cân bằng vật chất


3.3. Xác định tỉ số hồn lưu thích hợp

Tỉ số hoàn lưu tối thiểu R min là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là
nhiều vơ cùng. Do đó cần phải điều chỉnh để giảm những chi phí điều hành
Phương pháp xác định: Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi
Đường làm việc phần cất đi qua giao điểm đường nhập liệu và đường cân bằng sẽ ứng
với tỉ số hồn lưu tối thiểu.
Vì đường cong Acetone – nước là đường lõm nên ta phải dựa vào đồ thị lấy đường tiếp
tuyến để tìm y*.

Acetone - Nước
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Hình 3.1. Xác định R tối thiểu theo phương pháp bình
thường
=> Khơng lấy được đường tiếp tuyến này vì cắt đường làm việc

100



Hình 3.2. Xác định R tối thiểu theo phương pháp vẽ
tiếp tuyến