thiết kế tháp chưng cất cồn 96% từ gỗ vụn – năng suất nhập liệu 1000 kgh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN
CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96%
TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h
GVHD: PGS. TS TRƯƠNG VĨNH
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
Tháng 03/2013
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96%
TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h
Tác giả
Nguyễn Quốc Thắng
Nguyên Bình Phương Thanh Trúc
Báo cáo được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
môn học Đồ Án
Công Nghệ Hóa Học
Giáo viên hướng dẫn:
PGS. TS. TRƯƠNG VĨNH
Tháng 3/2013
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
MỤC LỤC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 1
ĐỒ ÁN 1
CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 1
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96% 1
TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h 1
GVHD: PGS. TS TRƯƠNG VĨNH 1
SINH VIÊN THỰC HIỆN: 1

1
Tháng 03/2013 1
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96% 2
TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h 2
MỤC LỤC 3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 7
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT: 7
1 . Phương pháp chưng cất: 7
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU: 9
1 . Ethanol 9
2 . Nước: 12
3 . Hỗn hợp Ethanol – Nước: 12
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL – NƯỚC: 14
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT 18
I . THÔNG SỐ VẬT LIỆU THÔ 18
3
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
II . CÁC THÔNG SỐ BẢN ĐẦU: 18
IV . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP: 19
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu: 19
2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp: 20
V . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT: 21
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất: 21
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: 21
3 . Số mâm lý thuyết: 21
VI . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ: 22
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT 25
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP: (Dt) 25
1.Đường kính đoạn cất: 25
2.Đường kính đoạn chưng: 27

II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM: 29
1 . Cấu tạo mâm lỗ: 29
2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm: 29
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động: 33
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP: 34
1 . Bề dày thân tháp: 34
2 . Đáy và nắp thiết bị: 36
3 . Bích ghép thân, đáy và nắp: 37
4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn: 38
5 . Tai treo và chân đỡ: 41
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ 44
4
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: 44
1 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 45
2 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 50
3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: 55
4 . Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy: 59
5 . Thiết gia nhiệt nhập liệu: 64
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ: 69
III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU: 70
1 . Tính chiều cao bồn cao vị: 70
2 . Chọn bơm: 74
CHƯƠNG V: GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 77
I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ: 77
II . KẾT LUẬN: 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

5
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH

LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta nói
riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa
chất cơ bản.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa
học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp
với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly,
chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa
chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Ethanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn
toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol.
Đồ án môn học Công Nghệ Hóa Học là một môn học mang tính tổng hợp trong
quá trình học tập của các kỹ sư hoá tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết
nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị
trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng
những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật
thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Ethanol - Nước hoạt động
liên tục với nâng suất nhập liệu: 1000 kg/h có nồng độ 10% mol ethanol, thu được
sản phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol ethanol với độ thu hồi ethanol là 99%.
Em chân thành cảm ơn các quí thầy cô bộ môn Công Nghệ Hóa Học, các bạn
sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình hoàn thành đồ
án không thể không có sai sót, em rất mong quí thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
6
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN.
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất:
Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu
tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác

nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng
tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc,
chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là
quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2
sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi
nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối
với hệ Ethanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm ethanol và một ít nước, ngược
lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
• Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là 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: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản và liên tục).
* Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong
các trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ

sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá
trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
7
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước:
thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .

Vậy: đối với hệ Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
2 . Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu
cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ
phân tán của lưu chất này vaò lưu chất kia .
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường
được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp: đường kính
tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh
khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và
tháp chêm.
• Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có
cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm
pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta
có:
* Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chép dạng:tròn, xú bắp, chữ s…
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm
• 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.
* So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm. Tháp mâm xuyên lo. Tháp mâm chóp.
Ưu điểm: - Đơn giản.
- Hiệu suất tương đối
cao. - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp.
- Hoạt động khá ổn
định. - Hoạt động ổn định.

- Làm việc với chất

lỏng bẩn.
Nhược - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.
8
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
điểm:
- Độ ổn định kém.
- Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đĩa thật
phẳng. - Trở lực lớn.
- Thiết bị nặng.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và
tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ Ethanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên
tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU:
Nguyên liệu là hỗn hợp Ethanol - Nước.
1 . Ethanol
Ethanol có công thức phân tử: CH
3
-CH
2
-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là
chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.
• Một số thông số vật lý và nhiệt động của ethanol:
+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3
o
C.
+ Khối lượng riêng: d

4
20
= 810 (Kg/m
3
).
• Tính chất hóa học:
Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của ethanol là
thể hiện tính chất hoá học của nó.
* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CH
2
-O
-
+ H
+
Hằng số phân ly của ethanol:
18
10
23
−
−−
=
OHCHCH
K

, cho nên ethanol là
chất trung tính.
+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri
hydrua(NaH), Natri amid(NaNH
2
):
CH
3
-CH
2
-OH + NaH CH
3
-CH
2
-ONa + H
2
Natri etylat
9
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
Do
14
10
223
−
−−
=<
OHOHCHCH
KK
: tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid
của nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành

rượu trở lại.
+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu ethanol có tính bazơ tương đương
với nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H
2
SO
4
, HNO
3
và acid hữu cơ
đều tạo ra ester.
CH
3
-CH
2
-OH + HO-SO
3
-H CH
3
-CH
2
O-SO
3
-H + H
2
O
CH
3
-CH
2
O-H + HO-CO-CH

3
CH
3
-COO-C
2
H
5
+ H
2
O
* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
+ Tác dụng với HX: CH
3
-CH
2
-OH + HX CH
3
-CH
2
-X + H
2
O
+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:
CH
3
-CH
2
-OH + PCl
3
CH

3
-CH
2
-Cl + POCl + HCl
+ Tác dụng với NH
3
: CH
3
-CH
2
-OH + NH
3
C
2
H
5
-NH
2
+ H
2
O
+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:
2CH
3
-CH
2
-OH (CH
3
-CH
2

)
2
O + H
2
O
CH
3
-CH
2
-OH CH
2
= CH
2
+ H
2
O
* Phản ứng hydro và oxy hoá:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CHO + H
2

• Ứng dụng: ethanol có nhiều ứng dụng hơn methanol, nó đóng một vai trò
quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất
hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành:
công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến

gỗ và nông nghiệp.
10
Lạnh
H
+
Al
2
O
3
t
o
H
2
SO
4
>150
o
C
H
2
SO
4
>150
o
C
Cu
200-300
o
C
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH

Sơ đồ tóm tắt vị trí của ethanol trong các ngành công nghiệp.
11
Ethanol
Công nghiệp cao su tổng
hợp.
.
Rượu mùi.
Dấm.
Dung môi hữu cơ.
Nguyên liệu
Thuốc súng không khói.
Nhiên liệu hỏa tiển, bom bay.
Đồ nhựa, keo dán.
Hương liệu.
Sơn.
Vẹc ni.
Nhiên liệu.
Động lực.
Thuốc trừ sâu.
Thuốc nhuộm.
Tơ nhân tạo.
Sát trùng.
Pha chế thuốc.
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
• Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hoá
etylen với xúc tác H
2
SO
4
; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của ethanol khi

đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldehite acetic; từ các
hợp chất cơ kim…
Trong công nghiệp, điều chế ethanol bằng phương pháp lên men từ nguồn
tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất
ethanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên
men tinh bột:
C
6
H
12
O
6
2C
2
H
5
OH + 2CO
2
+ 28 Kcal
Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành ethanol và CO
2
.
5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid
sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…).
2 . Nước:
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không
vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
Khối lượng phân tử : 18 g / mol
Khối lượng riêng d

4
0
c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 0
0
C
Nhiệt độ sôi : 100
0
C
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước
biển) và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung
môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
3 . Hỗn hợp Ethanol – Nước:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol -
Nước ở 760 mmHg:
x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân mol) 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100
t(
o
C) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4
12
Nấm men
Zymaza
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
13
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL – NƯỚC:
Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H
2

O, nhiệt độ sôi là 78,3
0
C ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100
o
C ở 760mmHg: hơi cách biệt khá xa nên
phương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng
cất.
Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử
đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương
pháp hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách, có thể làm cho quá trình phức
tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn.
* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – nước:
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 . Bồn chứa nguyên liệu.
2 . Bơm.
3 . Bơm dự phòng
4 . Bồn cao vị
5 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
6 . Lưu lượng kế
7 . Tháp chưng cất
8 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
9 . Bộ phận chỉnh dòng
10 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
11 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh
12 . Nồi đun.
13 . Bẫy hơi
14
TIỀN XỬ LÝ
NGUYÊN LIỆU(CƠ/

HÓA/ SINH)
THỦY PHÂN
NGUYÊN LIỆU
(TỔ HỢP ENZ
THỦY PHÂN)
LÊN MEN DỊCH
ĐƯỜNG (CHỦNG
NẤM MEN)
DỊCH SAU LÊN
MEN
(NHẬP LIỆU)
BỒN CAO VỊ
TĐN SP ĐÁY
GIA NHIỆT
NHẬP LIỆU
THÁP
CHƯNG CẤT
SẢN
PHẨM
ĐỈNH
SẢN
PHAM
ĐÁY
NỒI ĐUN
BỒN CHỨA SP
ĐÁY
NGƯNG TỤ
BỒN
CHỨA
SP

ĐỈNH
t’
F
= 28
o
C, 10% phân
mol ethanol
t’
D
= 35
o
C
85% phân
mol
ethanol
t’
W
= 35
o
C
HL
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
Sơ Đồ Khối Quy Trình Sản Xuất Ethanol Từ Gỗ Vụn
15
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
Sơ
Đồ Hệ Thống Chưng Cất Ethanol – Nước
16
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
Thuyết minh qui trình công nghệ:

Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ
khoảng 28
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (4).
Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy. Sau đó, hỗn hợp
được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt (5), hỗn hợp được đưa vào
tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ 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 giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng
càng xuống dưới càng giảm nồng độ, các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên
từ nồi đun (12) 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 sôi cao là nước sẽ ngưng tụ
lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều
nhất (sản phẩm cồn 96 độ với nồng độ 85% phân mol). Hơi này đi vào thiết bị
ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết
bị làm nguội sản phẩm đỉnh (10), được làm nguội đến 35
0
C, rồi được đưa qua bồn
chứa sản phẩm đỉnh (14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về
tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp
được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng.
Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (
nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ ethanol rất nhỏ, chủ yếu là nước. Dung dịch
lỏng đáy, đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun, dung dịch lỏng một phần
sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp, nhằm giảm nhiệt độ dòng sản phẩm đáy, tận dụng
nhiệt thoát ra cung cấp cho nồi hơi tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun
được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu.
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol, sản phẩm đáy sau
khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 60

0
C được dẫn về bể chứa.
17
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . THÔNG SỐ VẬT LIỆU THÔ
• Năng suất nhập liệu: G
F
= 1000 (Kg/h).
• Nồng độ nhập liệu: x
F
= 10% phân mol ethanol.

18).1(.46
x.46
FF
F
F
xx
x
−+
=
= 22,12%.
 Khối lượng ethanol trong dòng nhập liệu: 221,2 (Kg/h) = > 4.8 (Kmol/h).
• Ta có các phương trình sau:
(C
6
H
10
O

5
)
n
+ nH
2
O → nC
6
H
12
O
6
(xúc tác H
+
)
C
6
H
12
O
6
→ 2C
2
H
5
OH + 2CO
2
(xúc tác Saccharomyces cerevisiae)
• Tính toán theo phương trình:
+ Lượng vật liệu thô ban đầu cần sử dụng là: 392 (Kg/h) (với hiệu suất
chuyển hóa đạt 99%).

+ Lượng nước cần bổ sung: 43,2 (Kg/h).
II . CÁC THÔNG SỐ BẢN ĐẦU:
• Năng suất nhập liệu: G
F
= 1000 (Kg/h) .
• Nồng độ nhập liệu: x
F
= 10% mol ethanol.
• Nồng độ sản phẩm đỉnh : x
D
= 85%mol ethanol .
• Tỷ lệ thu hồi ethanol: h= 99%.
• Khối lượng phân tử của rượu và nước: M
R
= 46, M
N
= 18 .
• Chọn:
+ Nhiệt độ nhập liệu: t’
F
= 28
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t’
D
= 35
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’
W

= 35
o
C .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu:
+ G
F
, F: suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h, Kmol/h .
+ G
D
, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h, Kmol/h .
+ G
W
,W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h, Kmol/h .
18
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
+ x
i
,
i
x
: phân mol, phân khối lượng của cấu tử i .
III . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHAM ĐỈNH VÀ SẢN PHAM ĐÁY:
• Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W (II.1)
• Cân bằng cấu tử ethanol (cấu tử nhẹ): F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W

(II.2)
• Tỷ lệ thu hồi (h= 99%): F.x
F
. h= D.x
D
(II.3)
Với: * Phân mol nhập liệu: x
F
= 0,10 (phân mol ethanol ).
18).1(.46
x.46
FF
F
F
xx
x
−+
=
= 22,12%(theo khối lượng ) .
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:
M
F
=
18).1(.46
FF
xx −+
= 20,8 (Kg/Kmol).
F =
F
F

M
G
=
8.20
1000
= 48,077 (Kmol/h)
* Phân mol sản phẩm đỉnh: x
D
= 0,85 (phân mol ethanol) .
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:
M
D
=
18).1(.46
DD
xx −+
= 41,8 (Kg/Kmol).
Giải 3 phương trình (II.1),(II.2),(II.3),ta có:
D = 5,600 (Kmol/h)
W = 42,477 (Kmol/h)
x
W
= 0,0011 (phân mol ethanol )
Suy ra, khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:
M
W
=
18).1(.46
WW
xx −+

= 18,032 (Kg/Kmol).
IV . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP:
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết
là vô cực. Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu,
nước và bơm…) là tối thiểu.
Do đồ thị cân bằng của hệ Ethanol - Nước có điểm uốn, nên xác định tỉ số hoàn
lưu tối thiểu bằng cách:
19
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
+Trên đồ thị cân bằng y-x, từ điểm (0,85; 0,85) ta kẻ một đường thẳng tiếp
tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn, cắt trục Oy tại điểm có y
o
= 0,26 .
+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất, khi x
o
= 0 thì
y
o
=
1
min
+R
x
D
= 0,26
Vậy: tỉ số hoàn lưu tối thiểu: R
min
= 2,269
2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp:

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun
và công để bơm cũng tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng
đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng
theo tỉ số hoàn lưu.
Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành. Tỉ số hoàn lưu
thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu.
Tuy nhiên, đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm soát nên người
ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất .Để tính được tỉ số
hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều
hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn R
th
ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất.
Nhận thấy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ
với lượng lỏng hồi lưu trong tháp,d o trong điều kiện làm việc nhất định thì G
D
sẽ
không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1), do đó, tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với
(R+1). Ngoài ra, chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối m
ox
hay số mâm lý
thuyết N
lt
. Cho nên, thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số m
ox
*(R+1). Như
vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và V
tháp
theo quan hệ R và m
ox
*(R+1).Từ đồ

thị của quan hệ này ta xác định được điểm cực tiểu của m
ox
*(R+1) ứng với tỉ số
hoàn lưu thích hợp R .

R m
ox
m
ox
*(R+1)
2.496 47.818 167.173
2.723 37.733 140.480
20
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
2.973 32.801 130.320
3.023 33.545 134.952
Vậy: Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 2,973 .
V . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:
y =
1
.
1
.
+
+
+ R
x
x
R

R
D
=
1973,2
85,0
.
1973,2
973,2
+
+
+
x

= 0,7483 .x + 0.2139
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
y =
W
x
R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1 +
−
+

+
+
=
0011,0.
1973,2
1586,8
.
1973,2
586,8973,2
+
−
+
+
+
x

= 2,9094 .x – 0,0022
Với: f =
99,0.1,0
85,0
.
==
η
F
D
x
x
D
F
= 8,586: chỉ số nhập liệu .

3 . Số mâm lý thuyết:
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết: (Xem hình ở trang sau ).
21
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH

Từ đồ thị, ta có: 29 mâm bao gồm: 19 mâm cất
1 mâm nhập liệu
5 mâm chưng(4 mâm chưng+1 nồi đun)
Tóm lại, số mâm lý thuyết là N
lt
= 28 mâm .
VI . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

tb
lt
tt
η
N
N =
trong đó: η
tb
: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương
đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: η = f(α,µ).
N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.

• Xác định hiệu suất trung bình của tháp η
tb:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
22
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
x
x1
y1
y
*
*
−
−
=α
Với: x: phân mol của rượu trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
* Tại vị trí nhập liệu:
x
F
= 0,10 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y
*
F
= 0,442
t
F
= 86,5
o
C

+
10,0
10,01
.
442,01
442,0
x
x1
y1
y
α
F
F
*
*
F
−
−
=
−
−
=
F
F
= 7,129
+ Từ
%12,22=
F
x
và t

F
= 86,5
o
C, tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) –
trang 107]: m
F
= 43.10
-6
.9,81 = 0,422.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,422 (cP)
Suy ra: a
F
. m
F
= 7,129.0,422 = 3,007
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171]: h
F
= 0,395
* Tại vị trí mâm đáy:
x
W
= 0,0011 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y
*
W
= 0,018
t

W
= 100
o
C
+
0011,0
0011,01
.
018,01
018,0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
= 16,177
+ Từ

%29,0
18).1(.46
.46
=
−+
=
WW
W
W
xx
x
x
và t
W
= 100
o
C, tra tài liệu tham
khảo [4(tập 1) – trang 107]:
m
W
= 25.10
-6
.9,81= 0,245.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,245 (cP)
Suy ra: a
W

. m
W
= 16,177.0,245 = 3,967
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171]: h
W
= 0,365
*Tại vị trí mâm đỉnh:
x
D
= 0,85 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y
*
D
= 0,856
t
D
= 78,5
o
C
23
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
+
85,0
85,01
.
856,01
856,0
x
x1
y1
y

α
D
D
*
*
D
−
−
=
−
−
=
D
D
= 1,049
+ Từ
%5,93
18).1(.46
.46
=
−+
=
DD
D
D
xx
x
x
và t
D

= 78,5
o
C, tra tài liệu tham
khảo [4(tập 1) – trang 107]:
m
D
= 51.10
-6
.9,81= 0,500.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,500 (cP)
Suy ra: a
D
. m
D
= 1,049.0,500 = 0,525
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171]: h
D
= 0,600
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp:
h
tb
=
4567,0
3
600,0365,0395,0
3

=
++
=
++
DWF
ηηη
• Số mâm thực tế của tháp N
tt:
4567,0
28
=
tt
N
= 52,55 mâm
Vậy chọn N
tt
= 53 mâm, gồm: 42 mâm cất
1 mâm nhập liệu
10 mâm chưng
24
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT .
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP: (D
t
)

tbyy
tb
g
)ω.(

0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
(m)
V
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h).
ω
tb
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (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.
1. Đường kính đoạn cất:
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp:
2
1
gg
g
d

tb
+
=
(Kg/h)
g
d:
lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g
1
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
• Xác định g
d
: g
d
= D.(R+1) = 5,600.(2,973+1) = 22,247 (Kmol/h)
= 933,662(Kg/h)
(Vì M
thD
= 46.y
D
+(1-y
D
).18 = 41,968 Kg/Kmol).
• Xác định g
1:
Từ hệ phương trình:






=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg


11
1111
11
(III.1)
Với: G
1:
lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r
1:
ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1
: t
1
= t
F

= 86,5
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có:
Ẩn nhiệt hoá hơi của nước: r
N1
= 41280 (KJ/kmol) .
Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu: r
R1
= 37395 (KJ/kmol) .
Suy ra: r
1
= r
R1
.y
1
+ (1-y
1
).r
N1
= 41280 – 3885.y
1
(KJ/kmol)
* Tính r
d
: t
D
= 78,5
o
C , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có:
25