thiết kế tháp chưng cất hệ etanol - nước hoạt động liên tục năng suất sản phẩm đỉnh 1000 lít h, nhập liệu có nồng độ rượu là 300 gl(% thể tích),thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 92%

ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
MC LC
LI M U
CHNG I : TNG QUAN
I . Lí THUYT V CHNG CT
1 . Phng phỏp chng ct
2 . Thit b chng ct:
II . GII THIU S B NGUYấN LIU
1 . Etanol
2 . Nc
3 . Hn hp Etanol Nc
III . CễNG NGH CHNG CT H ETANOL NC
CHNG II : CN BNG VT CHT
I . CC THễNG S BAN U
II . XC NH SUT LNG SN PHM NH V SN PHM
Y
III . NHIT LNG DềNG NHP LIU
IV . TNH TON THIT B NGNG T
1 . T s hon lu ti thiu
2 . T s hon lu thớch hp
3 . Nhit lng cn phi ly thit b ngng t
4 . Lng hi nc cn thit cho thit b
5 . Nng lng ni un
V . XC NH S MM THC T
CHNG III :TNH TON THIT K THP CHNG CT
I . NG KNH THP
1 . ng kớnh on ct
2 . ng kớnh on chng
II . TNH TR LC CA THP
1 . Tr lc phn ct
2 . Tr lc phn chng

3 . Tng tr lc ton thỏp
CHNG IV : TNH CHểP V NG NG
I . TNH CHểP
II . TNH NG DN HI
1 . ng dn lng nhp liờu
2 . ng dn dũng ra khi ỏy
1
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
3 . ng dn hi sn phm nh
4 . ng dn dũng hon lu
5 . ng dn hi vo ỏy thỏp
CHNG V : THIT B PH
I . THIT B GIA NHIT DềNG NHP LIU
II. THIT B NGNG T SN PHM NH
1 . iu kin nhit ca quỏ trỡnh
2 . Chn s b cu to
3 . Chn thit b lm ngui sn phm nh
III. BN CAO V
CHN BM
CHNG VI : TNH TON C KH THIT B CHNH
I . TNH B DY THN TR CA THP
1 . iu kin lm vic ca thỏp chng ct
2 . Tớnh h s bn ca thõn hỡnh tr
II . TNH NG KNH V BULONG CC NG DN
III . TNH Y V NP THIT B
VI . TNH BCH NI
V . TNH KHI LNG THP
1 . Khi lng thỏp
2 . Khi lng ng hi
3 . Khi lng mõm

VI . CHN TAI TREO
1 . Chõn
2 . Tai treo
CHNG VII : TNH BO ễN
CHNG VIII : GI THNH THIT B
I . TNH S B GI THNH CA THIT B
II . KT LUN
TI LIU THAM KHO
2
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
LI M U
Mt trong nhng ngnh cú s úng gúp to ln n ngnh cụng nghip nc ta núi
riờng v th gii núi chung, ú l ngnh cụng nghip húa hc. c bit l ngnh húa
cht c bn.
Hin nay, trong nhiu ngnh sn sut húa hc cng nh s dng sn phm húa hc,
nhu cu s dng nguyờn liu hoc sn phm cú tinh khit cao phi phự hp vi quy
trỡnh sn sut hoc nhu cu s dng.
Ngy nay, cỏc phng phỏp c s dng nõng cao tinh khit: trớch ly, chng
ct, cụ c, hp thu Tựy theo c tớnh yờu cu ca sn phm m ta cú s la chn
phng phỏp thớch hp. i vi h Etanol - Nc l 2 cu t tan ln hon ton, ta phi
dựng phng phỏp chng ct nõng cao tinh khit cho Etanol.
ỏn mụn hc Quỏ trỡnh v Thit b l mt mụn hc mang tớnh tng hp trong
quỏ trỡnh hc tp ca cỏc k s hoỏ- th c phm tng lai. Mụn hc giỳp sinh viờn
gii quyt nhim v tớnh toỏn c th v: yờu cu cụng ngh, kt cu, giỏ thnh ca mt
thit b trong sn xut hoỏ cht - thc phm. õy l bc u tiờn sinh viờn vn
dng nhng kin thc ó hc ca nhiu mụn hc vo gii quyt nhng vn k thut
thc t mt cỏch tng hp.
Nhim v ca AMH l thit k thỏp chng ct h Etanol - Nc hot ng liờn tc
vi nõng sut sn phm nh : 1000 lớt/h, nhp liu cú nng ru l 30
0

GL(% th
tớch),thu c sn phm nh cú nng 92% mol etanol vi thu hi etanol l
99%.
Em chõn thnh cm n cỏc quớ thy cụ b mụn Mỏy & Thit B, cỏc bn sinh viờn ó
giỳp em hon thnh ỏn ny. Tuy nhiờn, trong quỏ trỡnh hon thnh ỏn khụng th
khụng cú sai sút, em rt mong quớ thy cụ gúp ý, ch dn.
3
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
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 Etanol - Nước sản
phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm
nước và một ít etanol.
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, nhều đoạn.
• Phương pháp cất 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 Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt
gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
4
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
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
điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.
- 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 chóp trạng thái cuối của tháp chêm và tháp mâm xuyên
lỗ. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm chóp.
Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm chóp hoạt động liên tục ở áp
suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
5
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước.
1 . Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm).

- Etanol 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 etanol:
+ 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 etanol 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 etanol:
18
10
23
−
−−
=
OHCHCH
K
, cho nên etanol 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
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 etanol 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:
6
L nhạ
H
+
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
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: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan
trọng trong nền kinh tế quốc dân. Đây 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.
7
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
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
Sơ đồ tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp.
- Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc
tác H
2
SO
4
; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác
dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…
- Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ
đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng
chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:
C
6
H
6
O
6

2C
2
H
5
OH + 2CO
2
+ 28 Kcal
Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol 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
8
Nấm men
Zymaza
+ Thuốc súng không khói.
+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.
+ Động lực.
+ Thuốc trừ sâu.
+ Sơn.
+ Vecni.
+ Đồ nhựa.
+ Keo dán.
+ Hương liệu.
+ Sát trùng.

+ Pha chế thuốc.
+ Thuốc nhuộm.
+ Tơ nhân tạo.
+ Rượu mùi
+ Dấm.
+ Dung môi hữu cơ:pha sơn
+ Nguyên liệu.
+ Công nghiệp cao su tổng hợp
+ Động lực.
Nhiên liệu.
Etano
l
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
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 Etanol – Nước:
- Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol - Nước ở
760 mmHg:

9
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
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:
-Etanol 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 etanol 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 khoa 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 Etanol – nước:
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 . Bồn chứa nguyên liệu.
2 . Bơm.
3 . Bồn cao vị.
4 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
5 . Bẩy hơi.
6 . Lưu lượng kế.
7 . Nhiệt kế.

8 . Tháp chưng cất.
9 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
10 . Ap kế.
11 . Thiết bị đun sôi đáy tháp
12 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
13 . Bộ phận phân dòng.
14 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
15 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
16 . Van xả khí không ngưng.
10
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
11
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
- Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ khoảng 25
0
C
tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Từ đó được đưa đến
thiết bị trao đổi nhiệt (4) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun
sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt(6), hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở
đĩa nhập liệu.
- Trên mâm 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 (11) 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 etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 92% phân mol). Hơi này
đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi
qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (14), được làm nguội đến 35

0
C , rồi được đưa qua
bồn chứa sản phẩm đỉnh (15). 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 tại van xã khí (16), 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 etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước. Dung dịch
lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc
hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi
nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4) (sau khi qua bồn cao vị).
- Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi
nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 86
0
C được thải bỏ.
12
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu : G
F
= 1000 (l/h) .
• Nồng độ nhập liệu : x
F
= 30%mol etanol.
• Nồng độ sản phẩm đỉnh : x
D
= 92%mol etanol .
• Tỷ lệ thu hồi etanol : h= 99%.
• Khối lượng phân tử của rượu và nước : M
R

=46 , M
N
=18 .
• Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : t’
F
=25
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 l/h , Kmol/h .
+ G
D
, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo l/h , Kmol/h .
+ G
W
,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo l/h , Kmol/h .

+ x
i
,
i
x
: phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY :
Ta có:
*Ở 79
0
C
-klr ethanol: 0,736
-klr nước : 0,972
*Ở 25
0
C
-klr ethanol: 0,784
-klr nước: 0,999
G
D
= lưu lượng. (độ rượu.
46
e
KLR
) + (100 – 92) .
2
0
18
H

KLR

x
F
=
0
0
0
.
46
.
100
46 18
e
e
ruou KLR
ruou KLR
ruou−
+
13
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
x
F
=
0
0
0
.
46
.

100
46 18
e
e
ruou KLR
ruou KLR
ruou−
+
G
F
=
.
0,99.
D D
F
G x
x
Từ công thức:
G
F
= G
D
+G
W

G
W
= G
F
-G

D

Độ thu hồi =
( )
.
( . )
D D
F F
G X
G X
=0,99  G
F
=
.
0,99.
D D
F
G x
x



( )
.
( . )
=
W W
F F
G X
G X

(1- độ thu hồi)

X
W
=
( )
. . .
=
F F
W
0 01 G X
G
Suất lượng (kmol/h) phân mol dòng
nhập liệu
G
F
đỉnh
G
D
đáy
G
W
nhập
liệu
(x
F
)
đỉnh
(x
D

)
đáy
(x
W
)
127,896 19,041 108,855 0,116 0,773 0,001
Đổi từ phân mol sang khối lượng: (nhân với khối lượng trung bình).


14
Suất lượng (kg/h) phân khối lượng dòng
nhập liệu
G
F
đỉnh
G
D
đáy
G
W
nhập
liệu
(x
F
)
đỉnh
(x
D
)
đáy

(x
W
)
2718,435 754,885 1963,550 0,252 0,897 0,003
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
III . NHIT LNG DềNG NHP LIU:
Q
1
=G
F
.C
P
.t
-Chn nhit ban u ca dũng nhp liu: t
F
= 25
0
-Nhit lng sụi ca nguyờn liu: t
F
= 86
0
.

Nhit trung bỡnh: t
FTB
: 55,5
0
- Nhit lng sụi ca dũng sn phm nh: t
D
= 79

0
.
- Nhit ca dũng sn phm ỏy: t
W
= 99,9
0
.
- Nhit dung riờng ca dung dch: C
P
CP
(dd)
=CP
(e)
.X
D
+(1-X).CP
(H20)
Nhit dung riờng ca nc v ru tra nhit trung bỡnh.
CP
(e)
=2908,766 J/kg.
CP
(H20)
= 4178,415 J/kg.
CP
(dd)
= 3858,984 J/kg.
Q
1
= 639914341,4 J/h = 177753,984 W.

Lng hi nc cn dựng:
Q
1
= r + h
1
-r : n nhit chuyn pha (J/kg)
Tra nhit ngng t ca hi nc bo hũa, chn nhit ngng t l 120
0
(hi nc bo hũa
ỏp sut 2atm).
r = 2202 kJ/kg.
h1 = 290,606 kg/h.
IV . TNH TON THIT B NGNG T:
1 . T s hon lu ti thiu:
- T s hon lu ti thiu l ch lm vic m ti ú ng vi s mõm lý thuyt l vụ
cc .Do ú ,chi phớ c nh l vụ cc nhng chi phớ iu hnh (nhiờn liu ,nc v
bm) l ti thiu .
15
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
- Do th cõn bng ca h Etanol-Nc cú im un ,nờn xỏc nh t s hon lu ti
thiu bng cỏch :
+Trờn th cõn bng y-x ,t im (0,77;0,77) ta k mt ng thng tip tuyn
vi ng cõn bng ti im un , ct trc Oy ti im cú y
o
= 0,40 .
+Theo phng trỡnh ng lm vic on ct , khi x
o
=0 thỡ
y
o

=
1
min
+R
x
D
=0,40
Vy : t s hon lu ti thiu : R
min
= 0,957
2. T s hon lu thớch hp:
-Khi R tng, s mõm s gim nhng ng kớnh thỏp ,ni un v cụng bm cng tng
theo.Chi phớ c nh s gim dn n cc tiu ri tng n vụ cc khi hon lu ton
phn ,lng nhit v lng nc s dng cng tng theo t s hon lu .
- Tng chi phớ bao gm : chi phớ c nh v chi phớ iu hnh . T s hon lu thớch hp
ng vi tng chi phớ l cc tiu .
- Tuy nhiờn ,ụi khi cỏc chi phớ iu hnh rt phc tp ,khú kim soỏt nờn ngi ta cú th
tớnh t s hon lu thớch hp t iu kin thỏp nh nht . tớnh c t s hon lu thớch
hp theo iu kin thỏp nh nht (khụng tớnh n chi phớ iu hnh),ta cn lp mi quan
h gia t s hon lu v th tớch thỏp ,t ú chn R
th
ng vi th tớch thỏp l nh nht.
Chn : R = 2 R
min.

R = 1,91.
Sut lng hi ra khi mõm nh: GH kg/h
G
H
= (R+1).G

D

G
H
= 2199,78 kg/h.
3. Nhit lng cn phi ly TBNT:
Q
C
= G
H
. r
hh
W
r
hh
: n nhit chuyn pha ca hn hp hi nhit hi bo hũa, phõn mol ca
dũng nh ( tra trờn th).
-r
(e)
= 866,519 kJ/kg.
16
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
-r
(H2O)
= 2309,706 kJ/kg.
r
hh
= r
(e)
.X

D
(tb)+(1-X
D
(tb)). r
(H2O)
r
hh
= 1015,245 kJ/kg
Q
C
= 2233311,914 kJ/h.
= 620,364 kW.
4. Lượng nước cần thiết cho TBNT:
Chọn nhiệt độ nước vào là 25
0
.
Chọn nhiệt độ nước ra là 40
0
.
Q
C
= G
n
.∆t.CP
(H2O)
.
- CP
(H2O)
: nhiệt dung riêng của nước tra ở nhiệt độ trung bình.
CP

(H2O)
= 4174 J/kg.độ.

Gn = 35670,211 kg/h.
5. Năng lượng cho nồi đun:
Q
D
= G
D
.H
D
+G
W
.H
W
+Q
C
+Q
L
-G
F
.H
F
Chọn Q
tt
= 1,05 ÷ 1,1
Ta có:
H
D
= Cp

D
(tb)(t
D
-t
O
).M
TBD
(1)
H
F
= Cp
F
(tb) (t
F
-t
O
).M
TBF
(2)
H
W
= Cp
W
(tb) t
W
-t
O
).M
TBW
(3)

Mà:
Cp
D
(tb) = X
D
(tb).Cp
(e)
+(1-X
D
(tb)).Cp
(H2O)
(4)
Cp
F
(tb) = X
F
(tb).Cp
(e)
+(1-X
F
(tb)).Cp
(H2O)
(5)
Cp
W
(tb) = X
W
(tb).Cp
(e)
+(1-X

W
(tb)).Cp
(H2O)
(6)

Cp
D
(tb) = 3314,544 J/kg.độ

Cp
F
(tb) = 3977,857 J/kg.độ
17
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
Cp
W
(tb) = 4216,977 J/kg.độ
Thay vào (1), (2), (3) ta có:
H
D
= 10381 kJ/kmol
H
F
= 7271,25 kJ/kmol
H
W
= 7599,08 kJ/kmol

Q
D

= 2329284,33 kJ/h
= 647,02 kW.
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Hiệu suất mâm là hàm số theo độ bay hơi tương đối (α), và độ nhớt của hổn hợp
lỏng (µ).
E = f(α.µ).

• Xác định hiệu suất của mâm:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
* *
* *
y 1 x
α
1 y x
−
=
−
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 mâm 1:
x
*
= 0,01
y
*
=0,04

 α
1
= 4,125
* Tại vị trí mâm 2:
x
*
= 0,02
y
*
=0,155
 α
2
= 8,99
* Tại vị trí mâm 3: (Mâm nhập liệu)
x
*
= 0,055
18
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
y
*
=0,36
 α
3
= 9,665
* Tại vị trí mâm 5:
x
*
= 0,36
y

*
=0,595
 α
2
= 2,612
* Tại vị trí mâm 7:
x
*
= 0,605
y
*
=0,695
 α
7
= 1,15
* Tại vị trí mâm 9:
x
*
= 0,72
y
*
=0,76
 α
9
= 1,23
• Xác định độ nhớt tại mâm đỉnh theo T
o
, T
D
:

Ta có công thức:

µ= (x
*
. µ
(e)
)+(1- x
*
). µ
(H2O)

µ
9
= 0,38
µ
7
= 0,37
µ
5
= 0,35
µ
3
= 0,28
µ
2
= 0,2
µ
1
= 0,2
19

ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
Vậy hiệu xuất tại mỗi mâm:
α
1
.µ
1
= 0,825 => E
1
=0,52
α
2
.µ
2
= 1,798 => E
2
=0,42
α
3
.µ
3
= 2,71 => E
3
=0,39
α
5
.µ
5
= 0,91 => E
5
=0,51

α
7
.µ
7
= 0,43 => E
7
=0,61
α
9
.µ
9
= 0,47 => E
9
=0,62
 E
TB
=
1 2 3 5 7 9
6
E E E E E E+ + + + +
= 0,51
Với α.µ= E hình 5.24 (GTTK Tập 3). Theo giản đồ x-y ta có số mâm lý thuyết:
N
LT
= 9 mâm
Vậy số mâm thực tế (N
TT
):
N
TT

=
9
17,65
0,51
LT
TB
N
E
= =
Chọn : N
TT
= 18 mâm
20
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
CHNG III :TNH TON THIT K THP
CHNG CT .
I . NG KNH THP :(D
t
)
tbyy
tb
g
).(
0188,0
.3600.
4V
D
tb
tb
t

==
(m)
V
tb
:lng hi trung bỡnh i trong thỏp , m
3
/h.

tb
:tc hi trung bỡnh i trong thỏp , m/s.
g
tb
: lng hi trung bỡnh i trong thỏp ,kg/h.
R = 1,91 ( l t s hon lu thớch hp)
Lng hi trung bỡnh i trong on chng v on ct khỏc nhau.Do ú, ng
kớnh on chng v on ct cng khỏc nhau .
1. ng kớnh on ct :
a . Lng hi trung bỡnh i trong thỏp :
Gi s nhit mt khụng ỏng k.
2
1
gg
g
d
tb
+
=
kg/h
g

d
: lng hi ra khi nh thỏp kg/h.
g
1
: lng hi i vo on luyn (c xỏc nh theo PTCB vt liu v CB
nhit lng kg/h.
Xỏc nh g
d
:
g
d
= G
R
+G
D
=G
D
.(R+1) =754,89.(1,91+1)= 2196,73 kg/h

Xỏc nh g
1
: T h phng trỡnh :
1 1 1
1 1 1 1 1
1 1
754,89(1)
. . . 0,3. 754,89.0,92(2)
. .
D
D D

d d
g G G G
g y G x G x G
g r g r
= + = +


= + = +


=


x
1
= x
F
= 30%
G
D
= 754,89 kg/h.
x
D
= 92%
Vi :
21
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
G
1
: lưu lượng lỏng rời khỏi mâm cuối cùng của đoạn luyện kg/h.

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
:
r
1
= r
a
.y
1
+(1-y
1
).r
D
(4)
* Tính r
d
:
r
d
= r
a
.y
d
+(1-y

d
).r
D
(5)
y
1
: nồng độ % ethanol pha hơi tại mâm 1 đoạn cất.
y
d
: nồng độ % ethanol pha hơi tại đỉnh tháp.
y
d
= 92%
r
a
= r
(e)
= 861 kJ/kg
r
D
= r
(H2O)
=2301 kJ/kg
Thay vào (4) (5):

r
1
= 861.036+(1-0,36).2301
= 1782,6 kJ/kg
r

D
= 861.092+(1-0,92).2301
= 976,2 kJ/kg

1 1
. .
d d
g r g r=
-> g
1
= 1203
G
1
= g
1
-G
D
= 1203-754,89 = 448,11 kg/h.
y
1
= 36%
Vậy lượng hơi trung bình:
2
1
gg
g
d
tb
+
=

= 1699,9 kg/h
b . Khối lương riêng trung bình đi trong tháp :
Phân mol trung bình (ethanol)
22
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
x
Tb
=
0,445
2
D F
x x+
=

(phan mol)
Nhiệt độ trung bình của phần cất.
2
F D
T T
T
+
=
= 82,5
0
C
Phương trình đường làm việc phần cất.
1
.
1 1
D

n n
xR
y x
R R
+
= +
+ +


= 0,656 x
n
+ 0,265
 y
Tb
= 0,656 x
Tb
+0,265
= 0,56 (phân mol)
• Đối với pha khí:
( )
.46 1 .18 .273
22,4.
tb tb
ytb
y y
T
ρ
+ − 
 
=

= 1,155 kg/m
3

• Đối với pha lỏng:
1 1
( ) ( 2 )
1
1
tb tb
xtb xtb e xtb H O
a a
ρ ρ ρ
−
= +
a
tb1
: là phần khối lượng của cấu tử 1 trong pha lỏng
a
tb1
=
0,3 0,92
0,61
2 2
F D
a a+ +
= =
Tra bảng sách tra cứu:
( )
782,6
xtb e

ρ
=
kg/m
3
( 2 )
790,7
xtb H O
ρ
=
kg/m
3
23
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
Ta có:
1
0,00127
xtb
ρ
=

xtb
ρ
= 787 kg/m
3
c. Tốc độ khí đi trong phần cất tháp chóp:
( . ) 0.065 . .
y y tb xtb ytb
h
ρ ρ ρ
ω = ψ[δ].

kg/m
2
.s
Với
ψ[δ]
= 1 khi
δ
> 20 dyn/cm
h : khoảng cách giữa các đĩa, chọn h = 300 mm
Ta có:
( . )
y y tb
ρ
ω
= 1,074 kg/m
2
.s

y
ω
= 0,93 m/s.
Do đó đường kính đoạn cất :
D
t
= 0,0188.
( . )
tb
y y tb
g
ρ

ω

= 0,75 m
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
kg/h
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện
g’
n
= g
1
= 1203 kg/h.
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng được xác định theo hệ phương trình cân
bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng kg/h.
' '
1 1

' '
1 1 1
1 1 1 1
(1')
. ' . . (2')
' . ' ' . ' . (3')
W W W
n n
G g W
G x g y G x
g r g r g r

= +

= +


= =


Với: G
’
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
24
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
r’
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
r’

n
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.
G
W
= 1963,55 kg/h
x
W
= 0,35%
y’ = y
W
= 0,04
Phân mol bằng 9,62%
r’
1
= r
a
.y’
1
+(1- y’
1
).r
b (4’)
r’
n
= r
a
.y’
n
+(1- y’
n

).r
b (5’)
r
a
, r
b
được lấy ở nhiệt độ trung bình của phần chưng: 98,7
0
C
r
a
= r
(e)
= 830,98 kJ/kg
r
b
= r
(H2O)
= 2259,3 kJ/kg
Giải hệ thống phương trình (1’)(2’)(3’)(4’)(5’) trên, ta có kết quả sau:
G’
1
= g’
1
+G
W
= 2937,35 kg/h
g’
1
=

1. 1
1
'
g r
r
= 973,9 kg/h
b . Khối lượng riêng trung bình trong tháp :
• Đối với pha khí:
Phần mol trung bình ethanol trong pha lỏng.
x’
tb
=
2
w F
x x+
= 0,128 phân mol
Nhiệt độ trung bình phần chưng
t’ =
2
F W
t t+
= 92,95
0
C
Từ phương trình đường làm việc phần chưng, ta có công thức:
25