Acit acetic, hay axit ethanoic là một chất lỏng không màu và là axit hợp chất hữu cơ với công thức hóa học CH3COOH

TỔNG QUAN
Giới thiệu về nguyên liệu
Axit axetic
Acit acetic, hay axit ethanoic là một chất lỏng không màu và là axit hợp chất hữu
cơ với cơng thức hóa học CH3COOH (cũng viết là CH3CO2H, C2H4O2, hoặc
HC2H3O2). Đây là một chất lỏng khơng màu, có vị chua và tan hồn tồn trong nước,
rượu, ete theo bất cứ tỉ lệ nào. Axit axetic là chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, độc hại khi
tiếp xúc với da và mắt.
Axit acetic được sử dụng làm dung môi trong các ngành công nghiệp như: dệt
nhuộm, cao su, hóa chất xi mạ, cơng nghệ thực phẩm,.. Ngồi ra axit acetit cịn được
sử dụng trong phịng thí nghiệm nhằm định tính các chất có tính kiềm yếu, làm chất
tẩy cặn vơi từ vịi nước và ấm đun nước. Axit axetic còn chủ yếu được sử dụng trong
sản xuất của cellulose acetate chủ yếu cho phim ảnh và polyvinyl acetate gỗ keo.
Các phương pháp sản xuất axit axetic chủ yếu bao gồm: phương pháp cacbonyl
hóa metanol, oxy hóa axetaldehyt, phương pháp lên men trong điều kiện hiếu khí.
Trong công nghiệp, người ta thường đi từ metanol để điều chế axit axetic. Đây là
phương pháp hiện đại để sản xuất axit axetic.
Thị trường axit axetic tại Châu Á-Thái Bình Dương đạt giá trị 3,73 tỉ USD vào
năm 2020. Trung Quốc là quốc gia sản xuất axit axetic hàng đầu thế giới. Nhu cầu axit
axetic tại Trung Quốc đạt trung bình 400.000 tấn/năm.
Ứng dụng của axit axetit
-Trong lĩnh vực thực phẩm: được sử dụng để làm nguyên liệu chế biến các món
ăn như gỏi gà, salad trộn, bị nhúng dấm,.. Axit acetic được lên men từ trái cây, hoa
quả được đóng chai thành phẩm bán trong các cửa hàng, siêu thị lớn nhỏ.
- Trong ngành sản xuất hóa chất: sử dụng để sản xuất monome vinyl axetat,
nguyên liệu sản xuất polyvinyl axetat và các loại polyme khác dùng trong ngành sản
xuất sơn và polyme. Ứng dụng này chiếm tỉ trọng lớn nhất, từ 40 – 45% tổng lượng
axit axetic được tiêu thụ toàn cầu. 3 loại ete axetat quan trọng nhất là EEA, EBA và
PMA chiếm đến 15-20% lượng axit axetic được sử dụng trên toàn thế giới. Tuy nhiên
các ete axetat này được xem là hóa chất độc hại đối với con người, ảnh hưởng đến khả
năng sinh sản.

-Trong ngành hóa mỹ phẩm: Axit axetic được ứng dụng để làm dung mơi hữu cơ
trong q trình sản xuất long não. Axit axetic còn được sản xuất để phục vụ cho nhu
cầu tạo ra các loại este axetat (như linalyl axetat, geranyl axetat, …) dùng để làm
hương liệu cho nước hoa.
1


- Ứng dụng trong các lĩnh vực khác : Axit axetic còn được dùng để sản xuất
aspirin (một loại dược phẩm), heroin dùng trong y tế. Nó cịn được dùng để sản xuất
cellulose axetat sử dụng để tạo ra các cuộn phim chụp ảnh.
Tính chất vật lý của axit axetic:
Axit axetic có cơng thức hóa học là CH3CO2H, cơng thức phân tử là CH3COOH .
Khối lượng phân tử 60 đvC. Axit acetic là chất lỏng khơng màu, có vị chua và tan
hồn tồn trong nước. Sơi ở nhiệt độ 118,1oC ( ở 760mmHg) và rất dễ cháy.
Tính chất hóa học của axit acetit
Axit axetic tác dụng với bazo, cacbonat và bicacbonat để tạo ra axetat kim loại
tương ứng, nước và cacbonic (phổ biến nhất là natri bicacbonat với giấm ăn):
NaHCO3 + CH3COOH → CH3COONa + CO2+ H2O
Trừ crom (II) axetat, tất cả các axetat khác đều tan được trong nước.
Tác dụng với kiềm tạo ra nước và ethanoat kim loại:
NaOH + CH3COOH → CH3COONa + H2O
Axit axetic phân hủy ở nhiệt độ lớn hơn 440oC tạo thành cacbonic, metan hoặc
ethenon và nước.
Tác dụng với rượu tạo thành este:
ROH + CH3COOH → CH3COOR + H2O
Axit axetic làm ăn mòn các kim loại và tạo ra khí hydro và các muối axetat:
Mg + 2CH3COOH → (CH3COO)2Mg + H2
Nhôm thụ động với axit axetic do khi phản ứng, nó tạo ra lớp màng mỏng nhơm
oxit trên bề mặt, ngăn chặn sự ăn mịn. Vì vậy, các nhà sản xuất vẫn thường dùng bình
chứa bằng nhôm để đựng dung dịch này.

Phản ứng thế halogen vào gốc hydrocacbon ( 90 - 100oC):
Cl2 + CH3COOH → ClCH2COOH + HCl
Tác dụng với axetylen (xúc tác thủy ngân, nhiệt độ 70 - 80oC) thành etyl
diaxetat:
C2H2 + 2CH3COOH → CH3CH(OCOCH3)2
Tác dụng với amoniac tạo thành amid:
NH3 + CH3COOH → NH3CH3COOHNH4
Phản ứng decacboxyl hóa thành axeton (Xúc tác mangan oxit, nhiệt độ):
2


C2H2+ CH3COOH → CH2CHOCOCH3
Nước
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên bề mặt trái đất (3/4 diện tích bề mặt trái
đất là nước), nước rất cần thiết cho sự sống. Trong điều kiện bình thường nước là một
chất khơng màu, khơng mùi, khơng vị.
Các tính chất vật lý của nước
Khối lượng phân tử: 18 g/mol.
Nhiệt độ nóng chảy: 0 ℃ (ở 760 mmHg).
Nhiệt độ sôi: 100 ℃ (ở 760 mmHg).
Nước là dung mơi phân cực mạnh, có khả năng hịa tan nhiều chất và là dung
môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
Hỗn hợp nước- axit acetic
Dựa vào tính chất vật lý của axit acetic như tan hoàn toàn trong nước, nhiệt độ
sôi của axit acetic (118,1℃ ở 760 mmHg) > nước (100 ℃ ở 760 mmHg), hệ này
khơng có điểm đẳng phí, nên trong các phương pháp tách hỗn hợp chất thì
phương pháp phù hợp nhất với hệ axit acetic – nước đó là phương pháp chưng
cất.
toC

x(mol/mol)

y(mol/mol)

100.441

0

0

100.468

0.001

0.000222408

100.49

0.002

0.000461409

100.512

0.003

0.000716502

100.533

0.004

0.000987199

100.575

0.006

0.00157352

100.616

0.008

0.00221671

100.656

0.01

0.00291331

100.841

0.02

0.00708863

101.005

0.03

0.0121755

3


101.152

0.04

0.0179094

101.41

0.06

0.0305762

101.632

0.08

0.0440459

101.832

0.1

0.0577663

102.281

0.15

0.0917557

102.708

0.2

0.124906

103.148

0.25

0.157906

103.622

0.3

0.191726

104.146

0.35

0.227258

104.73

0.4

0.265261

105.385

0.45

0.306361

106.117

0.5

0.351065

106.933

0.55

0.399759

107.835

0.6

0.452699

108.827

0.65

0.509988

109.907

0.7

0.571552

111.073

0.75

0.637115

112.318

0.8

0.70618

113.634

0.85

0.778021

115.007

0.9

0.851699

115.569

0.92

0.88144

116.135

0.94

0.91122

116.705

0.96

0.940961

4


116.991

0.97

0.955791

117.277

0.98

0.970581

117.564

0.99

0.985321

117.621

0.992

0.988262

117.678

0.994

0.9912

117.736

0.996

0.994136

117.764

0.997

0.995603

117.793

0.998

0.99707

117.822

0.999

0.998535

117.849

1

1

Bảng : Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ axit acetic- nước ở 760mmHg

Đồ thị đường cân bằng axit acetic- nước ở 760mmHg
5


Lý thuyết về chưng cất
Khái niệm về chưng cất
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như
hỗn hợp lỏng – khí 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 hịa của các
cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa
hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong q trình chưng cất, pha mới
được tạo nên từ sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Trong quá trình chưng cất, dung mơi và chất tan đều bay hơi, nghĩa là các cấu tử
đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau. Trong trường hợp chưng cất
đơn giản hệ hai cấu tử, sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn hơn và
một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé. Sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và
một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Đối với hệ axit acetic – nước, sản phẩm đỉnh
chủ yếu gồm nước và rất ít axit acetic, sản phẩm đáy chủ yếu là axit acetic và rất ít
nước.
Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc (áp
suất thường, áp suất thấp, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng
bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất), dựa vào phương pháp cấp nhiệt (gián tiếp hay trực
tiếp). Việc lựa chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của hệ
ngun liệu.
Đối với hệ axit acetic – nước ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt
gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
Tháp chưng cất
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình
chưng cất, Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung cho các thiết bị vẫn giống nhau, nghĩa là
diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, phụ thuộc vào mức độ phân tán của lưu chất

này trong lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha
lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun… Hai loại tháp thường dùng
hiện nay là tháp mâm và tháp chêm, kích thước của tháp, đường kính tháp, chiều cao
tháp tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm.
Tháp chêm: hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật
chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp là xếp ngẫu nhiên hay
xếp thứ tự. Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số
loại vật chêm như: vòng Raschig, vật chêm vòng xoắn, vật chêm hình yên ngựa,

6


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

Hình dạng tháp mâm
Tùy theo cấu tạo của mâm ta có:
Tháp mâm chóp: trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy chuyền có
thể có tiết diện hình trịn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha lỏng,
Chóp có thể hình trịn hay một dạng khác,
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3 ÷12 mm,
tổng tiết diện các lỗ trên mâm chiếm từ 8 ÷ 15% tiết diện tháp, Trong tháp mâm xuyên
lỗ pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ trên mâm và phân tán vào lớp chất lỏng chuyển
động từ trên xuống theo các ống chảy chuyền, ống chảy chuyền được bố trí như ở tháp
mâm chóp.

7


a

b

Hình dạng cơ bản của mâm chóp ( a) mâm xuyên lỗ ( b).

Ưu điểm

Mâm xuyên lỗ

Mâm chóp

- Trở lực tương đối thấp.

- Hiệu suất cao.

- Hiệu suất tương đối cao.

-Hoạt động ổn định.

- Hoạt động khá ổn định
- Làm việc được trong
chất lỏng bẩn

Nhược điểm

- Yêu cầu lắp đặt khắc - Cấu tạo phức tạp.
khe.
- Trở lực lớn.
- Không làm việc được
với chất lỏng bẩn.

Ưu và nhược điểm của 2 loại mâm trong tháp
Đối với việc chưng cất hệ axit acetic – nước ta nên chọn tháp mâm xuyên lỗ, vì
hệ này có độ chênh lệch nhiệt độ sơi khá lớn và hệ này khơng có điểm đẳng phí, việc
phân riêng hệ này khá dễ nên không nhất thiết yêu cầu tháp mâm chóp có hiệu suất
lớn, Cấu tạo của tháp mâm xuyên lỗ không quá phức tạp và có thể làm việc được với
chất lỏng bẩn.
8


CHƯƠNG 1:

QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ

9


CHƯƠNG 2:

CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1. Quy ước các ký hiệu và thông số
F, D, W: Lần lượt là hỗn hợp đầu vào, đỉnh và đáy, (Kmol/h).
GF: Lưu lượng hỗn hợp đầu vào, (Kg/m3).
GD: lưu lượng sản phẩm đỉnh, (L/h), GW: lưu lượng sản phẩm đáy, (L/h), GR:
lượng chất lỏng hoàn lưu, (L/h).
MF: khối lượng phân tử trung bình hỗn hợp đầu vào, Kg/Kmol.
MD: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh, Kg/Kmol.
MW: khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy, Kg/Kmol.
xF: nồng độ phần mol hỗn hợp đầu vào theo nước, Kg/Kmol.

xD: nồng độ phần mol hỗn hợp đỉnh theo nước, Kg/Kmol.
xW: nồng độ phần mol hỗn hợp đáy theo nước , Kg/Kmol.
x̅F: nồng độ phần khối lượng hỗn hợp đầu vào theo nước, Kg/Kg, x̅ D: nồng độ
phần khối lượng hỗn hợp đỉnh theo nước, Kg/Kg, x̅W: nồng độ phần khối lượng hỗn
hợp đáy theo nước, Kg/Kg.
yi: nồng độ phần mol của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của pha lỏng,
Kmol/Kmol.
yi*: nồng độ phần mol cân bằng của pha hơi ứng với nồng độ phần mol xi của
pha lỏng, Kmol/Kmol.
A, N: lần lượt là ký hiệu của axit acetic và nước.
MA, MN: lần lượt là khối lượng phân tử của axit acetic và nước, MA = 60; MN
= 18.
2.2. Các thông số ban đầu
Năng suất nhập liệu 2200 Kg/m3
Nồng độ nhập liệu: x̅F = 75% khối lượng.
Nồng độ sản phẩm đỉnh: x̅D = 95% khối lượng.
Nồng độ sản phẩm đáy: x̅W = 10% khối lượng.

10


2.3. Cân bằng vật chất
2.3.1. Nồng độ phần mol của nước trong tháp
XF
MN

0.75
18
xF=
=

= 0,909
0,75
1−0,75
xF
1−xF
+(
)
+(
)
18
60
MN
MA

( )

xD
MN

( )

0,95
18
xD=
=
= 0,984
0,95
1−0,95
xD
1−xD

+(
)
+(
)
18
60
MN
MA

( )

( )

xW
MN

0,1
18
xW=
=
= 0,27
0,1
1−0,1
xW
1−xW
+(
)
+(
)
18

60
MN
MA

( )

( )

Do ta chọn trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là trạng thái lỏng – sôi nên từ
bảng cân bằng lỏng – hơi của hệ axit acetic – nước tại xF = 0,909 ta nội suy nhiệt độ
nhập liệu vào tháp chưng cất là tF = 100,542oC.
Tra bảng I.249 [1] ta có khối lượng riêng của nước ρ N = 958,021 Kg/m3
Tra bảng I.2 [1] ta có khối lượng riêng của axit acetic ρ A = 964,472 Kg/m3
Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu vào tháp
1 xF
0,75
(1−0,75)
¿¿ =
=
+
+
ρF ρ A
964,472 958,021

=> ρ F= 962,851 Kg/m3
Ta có G F=2200 Kg/h
Ta có M F =xF. M A +(1-xF). M N =0,909. 60 + (1-0,909). 18= 21,882 Kg/Kmol
2.4. Suất lượng các dịng
F=

GF
2200
=
= 100,816 Kmol/h
M F 21,882

Phương trình cân bằng vật chất toàn tháp
F=D+W
{F . xF=D
. xD+W . xW

(1)

Thế các giá trị vào hệ phương trình (1) ta được
100,816=D+W
{100,816.0,909=D
.0,984 +W .0,27

=>

Kmol/h
{D=90,226
W =10,59 Kmol/h

11


M D = xD. M A +( 1-xD). M N =0,984.60+ (1-0,984).18= 59,328 Kg/Kmol
M W =xW. M A+(1-xW). M N =0,27. 60+( 1-0,27). 18= 29,34 Kg/Kmol
G D= D. M D =¿90,226 . 59,328= 5352,928 Kg/h

GW = W . M W = 10,59 . 29,34 = 310,711 Kg/h

2.5. Các phương trình làm việc
Với xF= 0,909 từ đồ thị cân bằng ta được y*F = 0,948
2.5.1. Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
Động lực của q trình chưng cất được xác định thơng qua hiệu số nồng độ giữa
đường cân bằng và đường làm việc theo pha hơi (∆ y = y*-y) hay pha lỏng (∆ x=¿¿ .
Ta có độ dốc của đường làm việc phần cất phụ thuộc vào tỉ số hoàn lưu R, đường
làm việc phần cất càng gần đường cân bằng thì chỉ số hồn lưu càng nhỏ. Chỉ số hồn
lưu tối thiểu là chỉ số có giá trị sao cho đĩa dưới cùng của phần cất( hay còn được gọi
là đĩa tiếp liệu) tồn tại động lực truyền khối, tức hiệu số nồng độ ∆ y = y∗¿ - y dương.
Rmin=

xD− y∗F 0,984−0,948
=
= 0.923
y∗F−xF 0 , , 948−0,909

2.5.2. Tỉ số hồn lưu thích hợp
Tỉ số hồn lưu để thiết kế là tỉ số hồn lưu ứng với chi phí thấp nhất được gọi là
tỉ số hoàn lưu tối ưu. Khi tăng R thì số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp tăng, thiết
bị ngưng tụ, cơng suất của bơm, nồi đun cũng tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm rồi
tăng đến vơ cực khi hồn lưu tồn phần, lượng nước và lượng nhiệt cũng tăng theo tỉ
số hoàn lưu.
Rth= 1,3. Rmin + 0,3 = 1,3. 0,923 +0,3= 1,5
2.5.3. Phương trình làm việc phần chưng
y chưng =

Rth+ f
f +1

. xW
x+
Rth +1 Rth +1

Trong đó lượng mol hỗn hợp đầu tính cho 1 Kmol sản phẩm đỉnh
f=

F 100,816 xD−xW 0,984−0,27
=
=
=
= 1,117
D 90,226
xF−xW 0,909−0,27

Thay f vào phương trình trên ta được:
y Chưng=

1,5+1,117 ( 1,117−1 ) . 0,27
x= 1,04627x- 0,012492
1,5+1
1,5+1

2.5.4. Phương trình làm việc phần cất
y cất =

Rth
xD
x+
Rth +1 Rth +1

12


Thay số liệu vào phương trình trên ta có:
y cất =

1,5
0,984
x+
= 0,604554x+ 0,38912
1,5+1
1,5+1

2.5.5. Số mâm lý thuyết

Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
Từ đồ thị, tha có 15 mâm lý thuyết bao gồm : 9 mâm chưng, 1 mâm nhập liệu, 5
mâm cất.
2.5.6. Xác định số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
N tt =

Nlt
ηtb

Trong đó:
ηtb là hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi trong đối với độ

nhớt của hỗn hợp lỏng, ηtb =f(α , μ ¿

Ntt là số mâm thực tế
Nlt là số mâm lý thuyết
2.5.7. Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb
Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi
α=

y∗¿
1−x
¿.
1− y∗¿ ¿
x

Trong đó:
x là phần mol của nước trong pha lỏng.
13


y* là phần mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
2.5.8. Tại vị trí nhập liệu
xF= 0,909 ta có y*F =0,991, tF = 100,542oC
y∗¿ F
¿
α F=
1−x F
1− y∗¿F x
¿
xF

=

0.948
1−0.909
x
= 1.825083
1−0.948
0.909

Tra bảng I.102 (trang 94,[1] ) độ nhớt của nước ta có μN = 0,283.10−3 Ns/m2
Tra bảng I.102 (trang 94,[1]) độ nhớt của axit acetit có μA = 0,455. 10−3 Ns/m2
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nhập liệu:
lgμF = xF × lgμN + (1-xF) × lgμA
Suy ra: μF = 0,295. 10−3 Ns/m2
Tra hình IX.11[2] trang 171 ta có ηF = 0,37
Tại vị trí mâm đáy:
xW = 0,27 ta có y*W = 0,39, tW = 108,134 oC
y∗¿W
¿
α W=
1−x W
1− y∗¿W x
¿
xW

=

0,39
1−0,27
x
=1,728597
1−0,39

0,27

Tra bảng I.102 ( trang 94,[1]) độ nhớt của nước ta có μN = 0,262 x 10-3 Ns/m2
Tra bảng I.101 ( trang 91, [1]) độ nhớt của axit acetit có μA = 0,372 x 10-3 Ns/m2
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí mâm đáy :
LgμW = xW × lgμN + (1-xW) × lgμA
Suy ra: μW = 0,338 x 10-3 Ns/m2
Tra hình IX.11[2] trang 171 ta có ηW = 0,35
2.5.9. Tại vị trí mâm đỉnh
XD = 0,984 ta có y*D= 0,991, tD = 100.092 oC
y∗¿ D
¿
α D=
1−x D
1− y∗¿D x
¿
xD

14


=

0,991
1−0,984
x
=1,790425
1−0,991
0,984

Tra bảng I.102 ( trang 94,[1]) độ nhớt của nước ta có μN = 0,284 x 10-3 Ns/m2
Tra bảng I.101 ( trang 91, [1]) độ nhớt của axit acetit có μA = 0,459 x 10-3 Ns/m2
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí mâm đỉnh :
LgμD = xD × lgμN + (1-xD) × lgμA
Suy ra: μD = 0,286 x 10-3 Ns/m2
Tra hình IX.11[2] trang 171 ta có ηD = 0,36
2.5.10.
ηtb =

Hiệu suất trung bình

η F +η D +η W 0.37 +0.37+0.36
=
=0.367
3
3

Số mâm thực tế:
N tt =

15
=40.872
0,667

Vậy chọn số mâm thực tế Ntt = 41 mâm bao gồm: 26 mâm chưng, 1 mâm nhập
liệu, 14 mâm cất.

15

CHƯƠNG 3:

TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT

3.1. Đường kính tháp, Dt
Dt =

√

√

4.V tb
gtb
=0,0188.
(IX.89, IX90 trang 181, [2])
π .3600 .ω tb
ρ ytb +ωtb

Trong đó:

Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h).
ωtb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó, đường
kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
Đường kính đoạn cất
Lượng hơi trung bình đi trong tháp
gtb =

gd + g 1
(IX.91 trang 181 [2])
2

Trong đó:
gd: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g1: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
Xác định gd
gd =Dx(R+ 1) ( IX.92 trang 191 [2])
gd =90,226 x (1,5+ 1 )=225,565

kmol
h

MtbD = 18 × y*D + (1- y*D) × 60
=18,378 kg/kmol
=>

gd =4145,434 kg/h

Theo IX.93 - 95 trang 182, [2] ta có hệ phương trình:

{

g1=G1 + D
g 1 x y 1=G1 x X 1 + Dx X D
g1 x r 1=g d x r d

(IV.1)

Trong đó
Gl: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (Kmol/h).
16


rl: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
(KJ/Kmol).
rd: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra ở đỉnh tháp (KJ/Kmol).
Xác định r 1
o

t 1=t F =100,542 C

Tra bảng I.250 [1] ta có: rNl = 2258,683 (KJ/Kg) = 42241,8625(KJ/Kmol)
Tra bảng I.213 [1] rAl = 388.164 (KJ/Kg) = 23389,836 (KJ/Kmol)
r1 = rN1 × y1 + (1 − y1) × rA1 = 23984,944 +17366,461 y1 (KJ/Kmol)
Xác định r D
o

t D =100,092 C

Tra bảng I.250 [1] ta có: rND = 2259,74 (KJ/Kg) = 40675,933(KJ/Kmol)
Tra bảng I.213 [1] rAD = 388,062 (KJ/Kg) = 23283,726 (KJ/Kmol)
=> r D=40519,403 (KJ/Kmol)
Có x1 = xF = 0,909
Giải hệ (IV.1) [2] ta được

{

Kmol

h
(
)
y 1=0,938 phân mol nước =¿ M 1=20,604 Kg/Kmol
kmol
kg
g1=230,89
=4757,255
h
h
G1 =140,66

Vậy gtb = (g1 + gd)/2 = (4757,255+4145,434)/2= 4451,345 Kg/h
Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn cất
Tốc độ giới hạn hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền
ω tb =0,05∗

Trong đó:

√

ρ xtb
ρ ytb

ρxtb: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở đoạn cất (Kg/m3).
ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha hơi ở đoạn cất (Kg/m3).
 Xác định ρytb

ρytb =

[ y tb∗18+( 1− y tb)∗60 ]∗273 (IX.102 trang 183,[2])
22,4∗¿ ¿

Nồng độ phân mol trung bình:
17


¿

y tb =

y 1+ y D 0,928+ 0,991
=
=0,9645
2
2

Nhiệt độ trung bình đoạn cất
t tbD =

t 1 +t D 100,542+100,092
o
=
=100,317 C
2
2

Suy ra: ρytb= 0,636317 (Kg/m3)
Xác định ρxtb
Nồng độ phân mol trung bình:

x tb =

x F + x D 0,909+ 0,984
=
=0,9465
2
2

Suy ra
x tb =

x tb∗18

x tb∗18+ ( 1−x tb )∗60

=> x tb=0,841458
Với: ttbD =100,317 ℃
Tra bảng I.249 [1] ta có: ρN = 958,178 (Kg/m3)
Tra bảng I.2 [1] ta có : ρA = 964,776 (Kg/m3).
Theo IX,104a ta có:

(

x 1−x tb
ρ xtb= tb +
ρA
ρN

√

)

−1

=963,724

( )
Kg
3
m

=>ω gh=0,05 × 963,724 =1,946 (m/s)
0,636317

Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp bằng 80% tốc độ giới
hạn hơi đi trong tháp
ωtb = 0,8 × ωgh = 0,8 × 1,946 = 1,5568 (m/s)
Đường kính đoạn cất:
Dcất =0,0188 ×

√

4451,345
=1,260 (m)
0,636313∗1,5568

Đường kính đoạn chưng
Lượng hơi trung bình đ trong tháp
'

'

gn + g1
g =
( IX .96 trang182,2 )
2
'
tb

Trong đó:
g’n: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
18


g′l: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
Xác định g’n
g’n = g1 = 230,8899 (Kmol/h) = 4757,2555 (Kg/h)
Theo IX.98 - 100 trang 182,2 ta có hệ phương trình :

{

G'1=g'1+ W
'
'
'
¿
G1∗x 1=g1∗y w +W ∗x w
g'1∗r '1 =g 'n∗r 'n=g 1∗r 1

Trong đó:

G′l: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng (Kmol/h).
r′l: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng
(KJ/Kmol).
Xác định r '1
Tại xW = 0,27 ta có y*W = 0,39
Nên: MtbW= 18× 0,39 + (1 − 0,39) × 60 = 43,62 (Kg/Kmol),
Với: t′1 = tW = 108,134 ℃
Tra bảng I.250 1 ta có: r′Nl = 2339,267 (KJ/Kg) = 40306,806 (KJ/Kmol).
Tra bảng I.212 1 ta có: r′Al = 389,236 (KJ/Kg) = 23354,183 (KJ/Kmol).
Suy ra: r’1= r′Nl x y*W +(1-y*w)x r′Nl= 23354,183 (Kj/Kmol)
Xác định r1
r1 = rN1 × y1 + (1 − y1) × rA1= 40656,297* 0,938 +(1- 0,938)* 23289,836
suy ra r1 = 24366,55658 (KJ/Kmol)
Ta có W = 10,59 (kmol/h)
Giải hệ phương trình (IV.2) ta được

{

G'1=251,489(

Kmol
)
h

x' 1=0,384947 ( phân mol nước )−M tb G =43,832
'

Kg
( Kmol
)

g ' 1=240,899( Kmol /h)=10559,085(Kg/h)

Vậy
g ' tb =

g ' n + g ' 1 4757,2555+10559,085
Kg
=
=7658,17025(
)
2
2
h

19


Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ở đoạn chưng
ω ' tb =0,05∗

Trong đó:

√

ρ ' xtb
ρ ' ytb

𝜌′𝑥𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ở đoạn chưng (Kg/m3).
𝜌′𝑦𝑡𝑏: khối lượng riêng trung bình của pha hơi ở đoạn chưng (Kg/m3).

 Xác định 𝜌′𝑦𝑡𝑏
ρ ’ytb =

[ y ' tb∗18+ ( 1− y 'tb )∗60 ]∗273
22,4∗(t tb +273)

Với nồng độ phân mol trung bình:
y ' tb =

y1+ y
2

¿

W

=

0,938+ 0,39
=0,664
2

Nhiệt độ trung bình đoạn chưng:
t ' tbW =

t F +t W 100,542+108,134
=
=104,338℃
2
2

=≫ ρ′ytb = 1,0373 (Kg/m3)
 Xác định 𝜌′𝑥𝑡𝑏
Nồng độ phân mol trung bình:
x ' tb =

x F + x w 0,909+0,27
=
=0,5895
2
2

Suy ra
x ' tb =

x 'tb∗18

' x tb∗18+ ( 1−x ' tb )∗60

=> x ' tb =0,301
Với: t’tbW = 104,338 ℃
Tra bảng I.249 1 ta có: ρ’N = 955,285 (Kg/m3)
Tra bảng I.2 1 ta có: ρ’A = 959,089 (Kg/m3)
Theo IX,104a ta có:
ρ ' xtb=

(

x ' tb 1−x 'tb
+

ρ' A
ρ' N

)

=>ω gh=0,05 ×

−1

√

=¿956,427 (Kg/m3)
956,427
=1,518 (m/s)
1,0373

20


Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp bằng 80% tốc độ giới
hạn hơi đi trong tháp
ωtb = 0,8 × ωgh = 0,8 × 1,518 = 1,2144 (m/s)
Đường kính đoạn cất:
Dcất =0,0188 ×

√

7658,17025
=¿
1,0373+ 1,2144

1,096 m

Kết luận: hai đường kính đoạn chưng và đoạn cất khơng chênh lệch nhau q
lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là: Dt = 1,3 (m).
 Phần chưng
2

ω ' lv=

0,0188 × g ' tb
2

D t × ρ' ytb

2

0,0188 × 7658,17025
=
=1,643 ( m / s )
2
1,3 × 1,0373

 Phần cất
2

ω lv=

0,0188 × gtb
2

D t × ρ ytb

=

2

0,0188 × 4451,345
=1,557 ( m/ s )
2
1,3 × 0,636313

3.2. Chiều cao tháp
3.2.1. Cấu tạo mâm lỗ
Chọn tháp mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền.
Tổng diện tích lỗ bằng 8% diện tích mâm.
Đường kính lỗ dl = 10 mm = 0,01 m.
Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2.5 lần đường kính lỗ (bố trí theo hình lục giác
đều).
Diện tích dành cho ống chảy chuyền và gờ chảy tràn bằng 20% diện tích mâm.
Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 2/3.
Mâm được làm bằng inox SUS304.
Số lỗ trên 1 mâm

( )

8 % × S mâm
Dt 2
0,4 2
N=

=0,08 ×
=0,08 ×
≈ 1422lỗ
S lỗ
d1
0,003

(

)

Tính lại số lỗ trên mâm:
Gọi a là số hình lục giác
Áp dụng cơng thức V,139 ta có: N = 3(a+1) + 1
Giải phương trình ta được: a = 22, N = 1387
21


Số lỗ trên một đường chéo: b = 2a+1 = 43 lỗ
Vậy ta chọn số lỗ trên một mâm là 1387 lỗ, bố trí lỗ theo hình lục giác đều.
3.2.2. Độ giảm áp của pha khí qua mâm
Độ giảm áp qua mâm khơ
Độ giảm áp qua mâm khơ được tính dựa trên cơ sở tổng thất áp suất do dòng
chảy đột thu, đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.

( )(

hk=

)

( )
2

2
ρG
v
ρ
u
×
=51 × 0 2 × G (mm chất lỏng ) (5.16 trang 119, [4])
2
2 g × ρ1
ρ1
Co
Co

Trong đó:
u0: vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).

ρG: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m3).
ρl: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m3).
C0: hệ số thắc dòng phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích làm
việc của mâm và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Ta có:

∑ Slỗ

S làmviệc mâm

Suy ra:

=

∑ S lỗ

S mâm −Sống chảy truyền

=

0,08∗S mâm
=10 %
0,8∗S mâm

δ mâm
=0,67
d1

Tra hình 5.20 =≫ C0 = 0,743
 Đối với phần cất
Vận tốc hơi qua lỗ
u0 =

ωlv 1,557
=
=18,288 ( m/s )
8 % 0,08

Khối lượng riêng của pha hơi: ρG = ρytb = 0,363 (Kg/m3)
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ1 = ρxtb = 963,724 (Kg/m3)

 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất
h k =51×

( )

2
2
ρG
u
18,288 0,636313
×
=51×
×
=20,4(mm chất lỏng)
2
2
ρ1
963,724
Co
0,743

 Đối với phần chưng
Vận tốc hơi qua lỗ

22


u '0 =

ω ' lv 1,544

=
=19,3 ( m/s )
8 % 0,08

Khối lượng riêng của pha hơi: ρG = ρ’ytb = 1,037 (Kg/m3)
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ1 = ρ’xtb = 956,427 (Kg/m3).
 Độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng
h ' k =51×

( )
u ' 02
Co

2

×

2
ρG
19,3
1,037
=51 ×
×
=37,361( mm chất lỏng)
2
ρ1
0,743 956,427

Độ giảm áp do chiều cao mực chất lỏng
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm do lớp chất

lỏng trên mâm (hl) là tính từ chiều cao gờ chảy tràn (h W), chiều cao tính tốn của lớp
chất lỏng bọt trên gờ chảy tràn (hOW) và hệ số sục khí β
hl = β × (hW + hOW) (mm chất lỏng) (5,17 trang 120, [4])
Ta chọn β = 0,6.
Chiều cao gờ chảy tràn hW = 50 mm.
Chiều cao tính tốn của lớp chất lỏng trên gờ chảy tràn được tính từ phương trình
Francis với gờ chảy tràn phẳng.
 h ow =43,4 ×

( )
qL
Lw

2/ 3

(mm) (5,18 trang 120,

 Xác định Lw
Diện tích dành cho ống chảy chuyền và gờ chảy tràn là 20% diện tích mâm, nên
ta có phương trình sau:

Trong đó:
n0: góc ở tâm chắn bởi chiều dài đoạn LW.
Giải phương trình ta được: n0 = 93o12’
Suy ra: LW = Dt × sin(n0/2) = 0,4 × sin(93o12′/2) = 0,916 (m)
 Xác định qL
Đối với mâm phần cất
q L=

D× R × M D 90,226 ×1,5 × 18,672

=
=0,044(m 3/ phút )
60× ρ xtb
60 ×963,724

23


 how = 43,4 ×

(

)

0,044 23
=5,725( mm)
0,961

Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần cất là
h1 = 0,6 × (50 + 1,83357) = 33,441 (mm)
Trong đó:
qL: lưu lượng của chất lỏng (m3/phút).
Lw: chiều dài hiệu dụng của gờ chảy tràn (m).
Đối với mâm phần chưng
q ' L=

 h’ow = 43,4 ×

(

G' 1 × M tbG ' 251,489 × 43,832
3
=
=0,0192 ( m / phút )
60 × ρ' xtb
60 × 956,427

)

2

0,192 3
=15,314( mm)
0,916

Vậy độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm ở phần chưng
là
h′1 = 0,6 × (50 + 15,314) =39,1884 (mm)
Độ giảm áp sức căng bề mặt
HR =

625,54∗σ
ρ1∗d 1

Trong đó:
σ: sức căng bề mặt của chất lỏng (dyn/cm).
ρl: khối lượng riêng của chất lỏng (Kg/m3).
 Ở mâm phần cất
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ1 = ρxtb = 963,724 (Kg/m3)
ttb = 100,317 ℃

Tra bảng I.249 trang 311 1: ta có sức căng bề mặt của nước: σNL= 587,875
(dyn/cm).
Tra bảng I.242 trang 301 1: ta có sức căng bề mặt của acetone: σAL= 21,206
(dyn/cm).
1
1
1
=
+
σ σ NL σ Al

Suy ra σ =

σ NL × σ AL
=20,468 ( dyn /cm )
σ NL +σ AL

24


Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là
h R=625,54 ×

20,468× 10−3
=1,329 mm
963,724 ×0,01

Ở mâm phần chưng
Khối lượng riêng của pha lỏng: ρ’1 = ρ’xtb = 956,427 (Kg/m3)
t’tb = 104,338 ℃

Tra bảng I.249 trang 311,1: ta có sức căng bề mặt của nước: σ’NL= 579,972
(dyn/cm).
Tra bảng I.242 trang 301,1: ta có sức căng bề mặt của acetone: σ’AL= 20,785
(dyn/cm).
1
1
1
=
+
σ ' σ ' NL σ ' Al
'

Suy ra σ =

'

'

'

'

σ NL × σ

AL

σ NL + σ AL

=20,066 ( dyn /cm )

Vậy độ giảm áp do sức căng bề mặt ở phần cất là
h ' R=625,54 ×

20,066× 10−3
=1,312(mm)
956,427 ×0,01

Cho nên độ giảm áp tổng của pha khí qua một mâm là
Phần cất
ht = hk + hl + hR = 20,43 + 33,441 + 1,392 = 55,2 (mm)
Hay ht = 55,2 × 9,81 × 963,724 = 521,849 (N/m2)
Phần chưng
h’t = h’k + h’l + h’R =37,361 + 39,1884 + 1,312 = 77,8614 (mm)
Hay h’t = 49,188121 ×9,81 × 956,427 = 730,538 (N/m2)
Tổng trở lực của toàn tháp hay độ giảm áp tổng cộng của toàn tháp là: (xem độ
giảm áp tổng cộng của pha khí qua mâm nhập liệu bằng độ giảm áp tổng cộng của pha
khí qua một mâm ở phần chưng).

∑ ht =14∗521,849+ 26∗730,538=26299,874 ( N /m2 )
3.2.3. Kiểm tra khả năng hoạt động của tháp
3.2.4. Kiểm tra ngập lụt khi hoạt động
Chọn khoảng cách giữa hai mâm, với đường kính tháp bằng 1,3 m là: h m â m=0,4 m
¿ 400 mm.
25