Chưng cất Acid Acetic nước

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
MỤC LỤC

trang
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.......................................................................
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1 . Phương pháp chưng cất
2 . Thiết bò chưng cất:
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU
1 . Acid axetic
2 . Nước
3 . Hỗn hợp Acid axetic – Nước
III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HP
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
2 . Tỉ số hoàn lưu thích hợp
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ
THUYẾT
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
3 . Số mâm lý thuyết
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP
1 . Đường kính đoạn cất
2 . Đường kính đoạn chưng

II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM
1 . Cấu tạo mâm lỗ
2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt độngO(
1
1
1
2
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25

26
27
28
29
30
31
32
33
34
2
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP
1 . Bề dày thân tháp :
2 . Đáy và nắp thiết bò :
3 . Bích ghép thân, đáy và nắp :
4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :
5 . Tai treo và chân đỡ:
CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT
BỊ PHỤ
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
1 . Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh
2 . Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh
3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
4 . Thiết bò trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy
5 . Thiết gia nhiệt nhập liệu
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ
III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU
1 . Tính chiều cao bồn cao vò
2 . Chọn bơm
CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ
II . KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
2
5
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59

60
61
62
63
64
65
66
6
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
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 acid axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn
hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho
acid axetic.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò là một môn học mang tính tổng hợp
trong quá trình học tập của các kỹû sư hoá- thự c phẩm 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 bò 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 kỹû thuật thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic - Nước hoạt
động liên tục với nâng suất nhập liệu : 5m
3

/h có nồng độ 8% mol acid axetic ,thu
được sản phẩm đỉnh có nồng độ 0.5% mol acid axetic với nồng độ dung dịch đáy
acid axetic là 30%.
Em chân thành cảm ơn các q thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bò, 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 q thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
3
9
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88

89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
10
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất :
Chưng cất là qua ùtrình 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 acid axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một
ít acid axetic , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và một ít nước.
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 đïc 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 bò hoạt động liên tục) là quá
trình được thực hiện liên tục, nghòch dòng, nhều đoạn.
• 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 acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục
cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
4
13
107
108
109

110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139

140
141
14
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
2 . Thiết bò 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
đóa, ta có:
* Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng tròn hay một dạng khác,có
rãnh xung quanh để pha khí đi qua va ống chảy chuyền có hình tron
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính 3-12mm
được bố trí trên các đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính
• 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.ã Tháp mâm chóp.
Ưu điểm: - Đơn giản.
- Hiệu suất tương đối
cao. - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp. - Hoạt động khá ổn đònh. - Hoạt động ổn đònh.

- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
Nhược
điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.

5
- Thiết bò nặng.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
- Độ ổn đònh kém. - Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đóa thật
phẳng.
- Trở lực lớn.
17
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156

157
158
159
160
161
162
163
18
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
6
21
164
22
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
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 acid axetic - 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 acid axetic - 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 bò 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:
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
7
Lạnh
H
+
Al
2
O
3

t
o
25
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191

192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
26
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
+ 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. 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.
Sơ đồ tóm tắt vò 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 dòch 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:
8
H
2
SO
4
>150
o
C
H
2
SO
4
>150
o
C
Cu
200-300
o
C
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
29
204
205
206
207
208
209
210
211

212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241

242
243
244
30
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
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 vò 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 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 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100
t(
o
C) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100
33
245
246
247
248
249

250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
34
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ

10
37
266
38
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
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 vò.
4 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bò trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bò gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.
10 . p kế.
11 . Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
15 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
16 . Bộ phận phân dòng.
11
41
268

269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298

299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
42
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
12
45
309
310
311
312
313
314
315
316
46
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
13
49
317
50
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
14

53
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
54

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ
khoảng 28
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vò (3).
Từ đó được đưa đến thiết bò trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm
đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bò gia nhiệt(6)ù,
hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đóa nhập liệu.
Trên đóa 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 bò
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 đóa 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 85% phân mol). Hơi này đi vào thiết bò
ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua
thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh (13), 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 đóa 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 etanol là 0,11 %
phân mol, còn lại là nước. Dung dòch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12).
Trong nồi đun dung dòch 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 bò (5) (sau khi qua bồn cao vò).

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 60
0
C được thải bỏ.
15
57
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369

370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
58
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu:
• (
x
=x
1
*M
1
/(x
1
*M
1
+(1-x
1

)*M
2
)=(0.08*60)/
(0.08*60+0.92*18)=20/89=0.2247
• 1/
natb
xx
ρρρ
/)1(/
−+=
=20/89/1039.6+(1-20/89)/995.6,
tb
ρ
=1005.16kg/m
3
)
• G
F
=Q
F
*
tb
ρ
=5*1005.16=5025.8(kg/h).
• Nồng độ nhập liệu : x
F
= 8% mol acid axetic (x
F
=0.92)
• Nồng độ sản phẩm đỉnh : x

D
= 0.5% mol acid axetic( x
D
=0.995)
• Nồng độ sản phẩm đáy : x
W
= 30% mol acid axetic.(x
W
=0.7)
• Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : M
A
=60 kg/kmol , M
N
=18
kg/kmol .
• 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 .
+ x
i
,
i
x
: phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY :
• Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F = D + W (II.1)
• Cân bằng cấu tử : F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W
(II.2)
Với : * Phân mol nhập liệu : x
F

= 8%(phân mol acid axetic ).
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M
F
=
18).1(.60
FF
xx
−+
= 21.36 (Kg/Kmol).
F =
F
F
M
G
=
36.21
8.5025
=235.29 (Kmol/h)
* Phân mol sản phẩm đỉnh : x
D
=0,5% (phân mol acid axetic ) .

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
16
61
383
384
385
386

387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416

417
418
62
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
M
W
=
18).1(.60
WW
xx
−+
= 30.6 (Kg/Kmol).
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
M
D
=
18).1(.60
DD
xx
−+
=18.21 (Kg/Kmol).
Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có :
17
65
419
420
421
422
66
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

D =175.47 (Kmol/h)
W = 59.819 (Kmol/h)

III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HP :
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 đònh là vô cực nhưng chi phí điều hành
(nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu .
Do đồ thò cân bằng của hệ acid axetic -Nước có điểm uốn ,nên xác đònh tỉ số
hoàn lưu tối thiểu bằng cách :
+Trên đồ thò cân bằng y-x ,từ điểm (0.995,0.995) ta kẻ một đường thẳng đi
qua điểm (x
F
,y
*
F
) cắt trục Oy tại điểm có y
o
= 0.32.
+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi x
o
=0 thì
y
o
=
1
min
+
R
x

D
=0.32
Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : R
min
= 2.109
or
R
min
=
x
y
y
x
F
F
F
D
−
−
*
*
=
92.0945.0
945.0995.0
−
−
=2
Tỉ số hoàn lưu thích hợp:R
X
=1.3R

min
+0.3=2.9
2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp:
Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bò ngưng tụ ,nồi
đun và công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố đònh 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 đònh 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 ,do trong điều kiện làm việc nhất đònh 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 vò chuyển khối m
ox

hay số mâm lý thuyết N
lt
.Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số
18
69
423

424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453

454
455
456
457
70
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
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 thò của quan hệ này ,ta xác đònh 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
2.973 32.801 130.320
3.023 33.545 134.952
Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 2,973 .
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :

y =
1
.
1
.
+
+
+
R
x
x
R
R
D
=
19,2
995,0
.
19,2
9,2
+
+
+
x

=0,7436.x + 0.2551
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x

R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1
+
−
+
+
+
=
7.0.
19,2
1341.1
.
19,2
341.19,2
+
−
+
+
+
x

= 1.087x – 0.0612

Với : f =
47.175
29.235
=
D
F
= 1.341 : chỉ số nhập liệu .
3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thò xác đònh số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ).

19
73
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475

476
477
74
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Từ đồ thò ,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 .
20
77
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494

495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
78
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb
lt

tt
η
N
N
=
(st2/170)
trong đó: η
tb
: hiệu suất trung bình của đóa, 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 đònh hiệu suất trung bình của tháp η
tb
:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
x
x1
y1
y
*
*
−
−
=
α

Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
* Tại vò trí nhập liệu :
x
F
= 0.92 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
F
= 0.945
t
F
= 100.52
o
C
+
92.0
92.01
.
945.01
945.0
x
x1
y1
y
α
F
F
*

*
F
−
−
=
−
−
=
F
F
= 1.494
+ Từ
%12,22
=
F
x
và t
F
= 100.52
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) –
trang 107] : µ
F
=43.10
-6
.9,81 = 0,422.10
-3
(N.s/m
2
)

= 0,422 (cP)
Suy ra : α
F
. µ
F
= 7,129.0,422 =3,007
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
F
= 0,395
* Tại vò trí mâm đáy :
x
W
= 0.7 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
W
= 0.795
t
W
= 102.1
o
C
+
7.0
7.01
.
795.01
795.0
x
x1
y1

y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
= 1.662
+ 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] :
µ
W
=25.10
-6
.9,81= 0,245.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,245 (cP)
Suy ra : α
W
. µ
W
= 16,177.0,245 = 3,967
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
W
= 0,365
*Tại vò trí mâm đỉnh :
x
D
= 0.995 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
D
= 0.997

t
D
= 100.22
o
C
21
81
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540

541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
82
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
+
995.0
995.01
.
997.01
997.0
x
x1
y1
y
α
D
D
*
*
D
−

−
=
−
−
=
D
D
= 1.67
+ 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] :
µ
D
=51.10

-6
.9,81= 0,500.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,500 (cP)
Suy ra : α
D
. µ
D
= 1,049.0,500 = 0,525
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
D
= 0,600
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
η
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
22
85
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566

567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
86
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
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)(t2 tr181)
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 đóa trên cùng của tháp (Kg/h).
g

1
: lượng hơi đi vào đóa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
• Xác đònh g
d
: g
d
= D.(R+1) =175.47(2,9+1) = 684.333 (Kmol/h)
= 40973.75(Kg/h)
(Vì M
thD
=60.y
D
+(1-y
D
).18 = 59.874Kg/Kmol).
• Xác đònh g
1
: Từ hệ phương trình :





=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg

DGg
..
...
11
1111
11
(III.1)
Với : G
1
: lượng lỏng ở đóa thứ nhất của đoạn cất .
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa 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
= 100.52
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r
N1
= 40512.96 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của acid : r

R1
= 24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r
1
= r
R1
.y
1
+ (1-y
1
).r
N1
= 40512.96 – 16317.72y
1
(KJ/kmol)
* Tính r
d
: t
D
= 100.22
o
C , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r
Nd
= 40512.96 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của acid : r
Rd
= 24195.24(KJ/kmol) .
Suy ra : r
d

= r
Rd
.y
D
+ (1-y
D
).r
Nd
=24195.24*0.997 + (1- 0.997)*40512.96
= 24244.193 (KJ/kmol)
23
89
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594

595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
90
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
* x
1
= x
F
= 0.92
Giải hệ (III.1) , ta được : G
1
= 483.96 (Kmol/h)
y
1
= 0.647 (phân mol acid) _ M
1
=45.174
g

1
= 958.43 (Kmol/h) = 43297.02(Kg/h)
Vậy : g
tb
=
2
02.4329775.40973
+
=42135.38(Kg/h)
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền
:
ytb
xtb
gh
ρ
ρ
ω
.05,0
=
Với : ρ
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .

• Xác đònh ρ
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.18.160.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy
+
=
2
997.0647.0
+
=0.822

+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
=
2
DF
tt
+
=
2
22.10052.100
+
=100.37
o
C
Suy ra : ρ
ytb
=1.745 (Kg/m
3
).
• Xác đònh ρ
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
=
2
DF
xx
+
=

2
099592.0
+
= 0.4577
Suy ra :
18).1(.60
.60
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
=0.7378 .
t
tb
= 100.37
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
ρ
a
=958kg/m
3
ρ
n


=958 kg/m

3
1/
natb
xx
ρρρ
/)1(/
−+=
ρ
xtb
= 958 (Kg/m
3
)
Suy ra :
745.1
958
.05,0
=
gh
ω
=1.172 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
172.1.8,0.8,0
==
ghh
ωω
= 0.9376 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
cất
=

9376.0.745.1
38.42135
.0188,0
= 3.017 (m).
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
24
93
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630

631
632
633
634
635
636
637
638
639
94
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
(Kg/h)
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
• Xác đònh g’
n

: g’
n
= g
1
= 561,873 (Kg/h)
• Xác đònh g’
1
: Từ hệ phương trình :





==
+=
+=
1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'
.'.''.'
..'.
rgrgrg
xWygxG

WgG
nn
WW
(III.2)
Với : G
’
1
: lượng lỏng ở đóa thứ nhất của đoạn chưng .
r’
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn
chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0,0011 tra đồ thò cân bằng của hệ ta có : y
W
=0,018
Suy ra :M
tbg’
=46.y
W
+(1-y
W
).18=18,504 (Kg/kmol)
t’
1
= t
W

= 100
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r’
N1
= 40680 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của rượu : r’
R1
= 36394,3 (KJ/kmol) .
Suy ra : r’
1
= r’
R1
.y
W
+ (1-y
W
).r’
N1
= 40543,9 (KJ/kmol)
* Tính r
1
: r
1
= 41280 – 3885.y
1
=41280–3885.0,297 =40126,155(KJ/kmol)
* W = 42,477 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’
1

=0,0067(phân mol etanol) _ M
tbG’
=18,189
G
’
1
= 63,608 (Kmol/h) =
g’
1
= 21,131 (Kmol/h) = 391,008(Kg/h)
Vậy : g’
tb
=
441,476
2
008,391873,561
=
+
(Kg/h)
b . Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền
:
ytb
xtb
gh
'
'
.05,0'
ρ
ρ

ω
=
Với : ρ'
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
ρ'
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác đònh ρ’
ytb
:
( )
[ ]
( )
273'.4,22
273.18.'146.'
'
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
25
97
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665

666
667
668
669
98