Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử etanol – nước năng suất sản phẩm đỉnh 1500 kgh nồng độ sản phẩm đỉnh 80% mol nồng độ nhập liệu 15% mol

Đồ Án Q Trình Và Thiết Bị
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 nghệ hoá học. Đặc
biệt là ngành hóa chất cơ bản.
Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn
hợp nhiều chất hay đơn chất tinh khiết. Mà nhu cầu về một loại hoá chất tinh
khiết cũng rất lớn. Quá trình có thể đáp ứng phần nào độ tinh khiết theo yêu
cầu là chưng cất: là quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp lỏng – lỏng, hay
hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau
của chúng.
Đồ án mơn học q trình và thiết bị là mơn học mang tính tổng hợp trong
q trình học tập của các kỹ sư thực phẩm tương lai. Mơn học giúp cho sinh
viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: u cầu cơng nghệ, kết cấu, cách
chọ thiết bị sao cho phù hợp, ưu nhực điểm của phương pháp…
Nhiệm vụ của đồ án thiết kế là: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục để
tách hỗn hợp hai cấu tử: Etanol – nước với các số liệu sau đây:
Năng suất sản phẩm đỉnh: 1500 Kg/h
Nồng độ sản phẩm đỉnh: 80% mol
Nồng độ nhập liệu: 15% mol
Tỷ lệ thu hồi: 97%
1
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
CHÖÔNG 1:
GIỚI THIỆU VỀ ETANOL
VÀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT ETANOL
1. Giôùi thieäu sô boä :
Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước.
a. Etanol: Còn gọi là rượu etylic.
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 C CH
3
-CH
2
O-SO
3
-H + H

2
O
2
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
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 Photpho:
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. 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.
• 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
3
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
Nấm men
Zymaza
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
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…).
b . 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
o
C
Nhiệt độ sôi : 100
o
C
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất 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.
2. Chọn loại tháp chưng cất

Chưng cất là quá trinh phân tách các hổn hợp thành các cấu tử riêng biệt
dựa vào độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi), bằng cách lập đi lập lập lại
nhiều lần quá trình bay hơi ngưng tụ,trong đó vật chất đi tư pha lỏng vào pha
hơi và ngược lạ.
Đối với chưng cất ta có 2 phương pháp thực hiện :
-Chưng cất đơn giản (dùng thiết bị hoạt động theo chu kỳ)
Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau
+ khi nhiệt độ sôi các cấu tử khác xa nhau
+ Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao
+Tách hổn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi
+Tách sơ bộ hổn hợp nhiều cấu tử
Chưng cất hổn hợp 2 cấu tử là quá trình thực hiên liên tục nghịch dòng
nhiều đoạn
Ngoài ra còn có thiêt bị bán liên tục
Trong trường hợp này sản phẩm là etanol có độ tinh khiết cao khi sử dụng
ta nên chọn phương pháp chưng cất liên tục.
4
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Chọn loại tháp chưng cất
Chọn mâm xuyên lổ để thực hiện quá trình chưng cất vì những ưu điểm sau
- Dễ vệ sinh , sửa chửa
- Hiệu suất lớn chi phí rẻ
- Tính ổn định cao
3,Sơ đồ quy trình công nghệ và thiết minh quy trình
5
Đồ Án Q Trình Và Thiết Bị
13
Sản Phẩm Đáy
Nước Lỏng
Nguyên Liệu

2
1
Sản Phẩm Đáy
T
P
T
7
T
T
6
4
Nước
12
Sản Phẩm Đỉnh
Hơi Nước
11
5
Nước
9
10
3
P
14
T
15
Nước
8
Hơi không ngưng
Nước
6

Đồ Án Q Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
Chú thích :
1. Bơm.
2. Bồn cao vò .
3. Thiết bò gia nhiệt.
4. Lưu lượng kế .
5. Tháp chưng cất .
6. Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh .
7. Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh .
8. Bồn chứa sản phẩm đỉnh .
9. Thiết bò đun sôi đáy tháp .
10.Bẩy hơi .
11.Bồn chứa nguyên liệu .
12.Kênh phân phối .
13.Van xả khí không ngưng.
14.Bồn chứa sản phẩm đáy.
15.Áp kế .
16.Nhiệt kế .
b. Thuyết minh qui trình công nghệ :
Hỗn hợp Etanol - Nước có nồng độ Etanol 10 % ( phần khối lượng ), nhiệt
độ khoảng
27
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vò (3). Từ
đó được đưa đến thiết bò gia nhiệt (3). Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt
độ sôi. Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) 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
SVTH: Bảo cơng
7
Đồ Án Q Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
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% mol). Hơi này đi
vào thiết bò ngưng tụ (8) và được ngưng tụ một phần (chỉ ngưng tụ hồi lưu).
Một phần chất lỏng ngưng đi qua thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh (10), được
làm nguội đến 30
0
C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (11). Phần
còn lại của chất lỏng ngưng được hồi lưu về tháp ở đóa trên cùng với tỷ 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 gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn
hợp lỏng ở đáy có nồng độ Etanol là 0.0034 % ( phần mol ), còn lại là nước.
Dung dòch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi ở nồi đun
(12) cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được trao đổi
nhiệt với nhập liệu ( 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 được thải bỏ.
SVTH: Bảo cơng
8
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
PHẦN II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. THÔNG SỐ BAN ĐẦU
Gọi
F: lượng hỗn hợp đầu (kg/ngày) hoặc (kg/h)
P: lượng sản phẩm đỉnh (kg/ngày) hoặc (kg/h)

W: lượng sản phẩm đáy (kg/ngày) hoặc(kg/h)
a
F
: nồng độ phần khối lượng của Etanol trong hỗn hợp đầu
a
P
: nồng độ phần khối lượng của Etanol trong sản phẩm đỉnh
a
W
: nồng độ phần khối lượng của Etanol trong sản phẩm đáy
x
F
: nồng độ phần mol của Etanol trong hỗn hợp đầu
x
P
: nồng độ phần mol của Etanol trong sản phẩm đỉnh
x
W
: nồng độ phần mol của Etanol trong sản phẩm đáy
Kí hiệu A: Etanol với M
A
= 46
B: Nước với M
B
= 18
Theo yêu ban đầu F = 1,5.10
3
kg/h
II. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU
2.1. Công thức liên hệ nồng độ phần mol & nồng độ phần khối lượng

Thành phần mol trong hỗn hợp đầu

B
F
A
F
A
F
F
M
a
M
a
M
a
x
−
+
=
1

⇒
31,0
18)15,01(15,046
15,046
18)1(46
46
=
∗−+∗
∗

=
∗−+∗
∗
=
FF
F
F
xx
x
a

Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh
B
P
A
P
A
P
P
M
a
M
a
M
a
x
−
+
=
1

SVTH: Bảo công
9
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
⇒
91,0
18)8,01(8,046
8,046
18)1(46
46
=
∗−+∗
∗
=
∗−+∗
∗
=
FP
P
P
xx
x
a

• Cân bằng vật chất cho toàn tháp:
F = D + W
⇔
1,5.10
3
= P + W (CT IX.16, trang144, [2])
Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ):

F.a
F
= D.x
D
+ W.a
W

⇔
1,5.10
3
∗
0,3108 =P
∗
0,91 + W
∗
x
W
(2) (CT IX.17,
trang144, [2])
Tỷ lệ thu hồi (
η
) = 97%
F.a
w
.
η
= D.x
D

⇔

1,5.10
3
∗
0,3108
∗
0,97 = P
∗
0,91 (3) (CT IX., tran, [ 2])

Giải 3 phương trình (1), (2), (3) ta có:
P = 496,44 kg/h
W = 1003,56 kg/h
a
W
= 0,0139 kg/kg
2.2. Tính khối lượng mol trung bình

M
i
n
1i
x
i
M ∗
∑
=
=
Với : n: số cấu tứ của hỗn hợp
xi: phần mol của cấu tử i
M

i
: khối lượng mol của cấu tử i
Trong hỗn hợp đầu
M
F
= x
F
∗
M
A
+ (1 - x
F
)
∗
M
B
= 46
∗
0,15 + (1 - 0,15)
∗
18 = 22,2
kg/kmol
Trong sản phẩm đỉnh
M
P
= x
P
∗
M
A

+ (1 - x
P
)
∗
M
B
= 46
∗
0,8 + (1 - 0,8)
∗
18 = 40,4 kg/kmol
Trong sản phẩm đáy
M
W
= x
W
∗
M
A
+ (1 - x
W
)
∗
M
B
= 46
∗
0,0139 + (1 - 0,0139)
∗
18 = 18,39

kg/kmol Bảng 1: Bảng tổng kết thành phần sản phẩm
SVTH: Bảo công
10
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
Phần khối
lượng
Phần
mol
Lưu lượng
(kg/h)
Lưu lượng
(kmol/h)
Hỗn hợp đầu 31,08% 15% 1,5.10
3
67.56
Sản phẩm
đỉnh
91,09% 80% 496,44 12,29
Sản phẩm
đáy
1,39% 0.549% 1003,56 54,57
2.3. Thành phần pha của hỗn hợp 2 cấu tử Etanol - Nước
Dựa vào (Bảng IX.2a, trang 135, [2]) thành phần cân bằng lỏng x, hơi y
tính bằng % mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760 mmHg
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100
t 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4
Từ bảng số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên đồ thị x-y và vẽ đồ thị t-x,y
Gọi y
F

, y
P
, y
W
là nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn
hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
t
F
, t
P
, t
W
: nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
Bằng phương pháp nội suy và dụa vào đồ thị ta có kết quả sau:
Sản phẩm x (phần mol) y (phần mol) t
0
điểm sôi
F 0,15 0,4865 85
P 0,8 0,818 78,6
W 0,00549 0,036 100
II. TÍNH TOÁN CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP
3.1. PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG NỒNG ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐOẠN
CHƯNG VÀ ĐOẠN LUYỆN
3.1.1. Đoạn luyện
Ta có phương trình cân bằng vật liệu đối với đoạn luyện:
G
Y
= G
X
+ P

Với:
G
Y
: Lưu lượng pha hơi đi từ dưới lên (kmol/h)
G
X
: Lưu lượng lỏng hồi lưu từ trên xuống (kmol/h)
SVTH: Bảo công
11
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
P: Lưu lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử dễ bay hơi:
G
y
.y
n+1
= G
x
.x
n
+ P.x
p
Suy ra:
PD
x
n
Y
xx
P
G

y
P
G
++
+1

11
1
+
+
+
=
+
x
P
n
x
x
n
R
x
x
R
R
y

(CT IX.20, trang144, [2])
γ
n+1
=(1,51*x

n
/(1,51+1))+0,8/(1,51+1)
γ
n+1=0,6*X+0,318
3.1.2. Đoạn chưng
Phương trình cân bằng vật liệu đoạn chưng:
G
x
’
= G
y
+ W
Với:
G
x
’
= G
y
+ F lượng lỏng trong đoạn chưng từ trên xuống
W: lưu lựợng sản phẩm đáy (kmol/h)
F: lưu lượng hỗn hợp đầu (kmol/h)
Phương trình cân bằng vật liệu viết cho cấu tử Axeton:
G
x
’
.x
’
n
= G
y

.y
’
n+1
+ W.x
W
Suy ra
w
x
n
x
x
n
x
R
L
x
R
LR
y
1
1
1
'
1
+
−
−
+
+
=

+
(CT IX.22, trang 158, [2])
với L = F/P = 67.56/12.59 = 5.366
⇒
y =
00549.0*
151.1
1366.5
151.1
366.551.1
+
−
+
+
+
x
= 2,74*x + 9,58*10
-3
Hai đường làm việc này cắt nhau tại điểm có hoành độ x = x
F
.
3.2. XÁC ĐỊNH SỐ BẬC THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ
3.2.1. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu
R
Xmin
=
93.0
15.04865.0
4865.08.0
*

*
=
−
−
=
−
−
FF
FP
xy
yx
SVTH: Bảo công
12
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
3.2.2. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
R
x
= 1,3*R
xmin
+ 0,3 (CT IX.25b, trang 159, [2])
=1,3*0,93 + 0,3 = 1.51
0,8
0,32
1 1,51 1
P
x
x
B
R
= = =

+ +
Vẽ đường làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng. Đường làm việc của
đoạn luyện qua điểm M(x, y) với x = y = x
p
và điểm B trên rục tung đã được xác
định. Đường làm việc của đoạn chưng qua điểm N (x, y) với x = y = x
W
và cắt
đường làm việc của đoạn luyện tại điểm có hoành độ x
F
. Với mỗi đường làm
việc, ta xác định được số bậc thay đổi nồng N
L
bằng đồ thị x–y như sau:
Trên đồ thị x–y vẽ đường cân bằng, từ điểm M vẽ đường thẳng song song với
trục hoành cắt đường cân bằng tại một điểm, từ giao điểm này vẽ đường thẳng song
song với trục tung nó cắt đường cân bằng tại một điểm, cứ tiếp tục như vậy cho đến
khi tới điểm N. Đếm số bậc thay đổi nồng độ N
L
trên đồ thị. Với mỗi bậc thay đổi
nồng độ ứng với một ngăn của thiết bị gọi là số ngăn lý thuyết.
Trong thực tế số ngăn của thiết bị lớn hơn số ngăn lý thuyết do điều kiện
chuyển khối chưa được tốt.

SVTH: Bảo công
13
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
Từ đồ thị ta xác định được:
Số đĩa lý thuyết là N
LT

= 19 đĩa.
3.2.3. Xác định số đĩa thực tế theo hiệu suất trung bình
N
tt
= N
LT
/

η
tb
(CT IX.59, trang 170, [2])
Trong đó:
N
LT
: số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lí thuyết
η
tb
: hiệu suất trung bình của thiết bị
n
tb
321
ηηη
η
++
=
(CT IX.60, trang 171, [2])
η
1,
η
2,

: hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ
n: số vị trí tính hiệu suất.
SVTH: Bảo công
14
Hình 1 : Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết
15 20
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
η
tb
: hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng
η
tb
=ƒ(α ,μ)
Trong chưng luyện người ta tính độ bay hơi tương đối như sau:
x
x
y
y −
∗
−
=
1
1
α
(CT IX.61, 171, [2])
Trong đó
x, y: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng
α: độ bay tương đối của hỗn hợp
μ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng N.s/m
2

Tính α, μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh và đáy tháp.
Tại đĩa nạp liệu:
F
F
F
F
F
x
x
y
y −
∗
−
=
1
1
α
37.5
15.0
15.01
4865.01
4865.0
=
−
∗
−
=
a
F

= 0.31 phần khối lượng, t
F
= 85
o
C

dựa vào toán đồ để xác định độ nhớt của
dung dịch rượu etylic trong nước.
3
6
10*441.0
81.9
10*45
==
F
µ
Ns/m
2
=∗⇒
FF
µα
0.441
∗
5.37 = 2.368
⇒
η
F
= 0.4 ( Hình IX.11, trang 171, [2])
 Tại đỉnh:
P

P
P
P
P
x
x
y
y −
∗
−
=
1
1
α
=
12.1
8.0
8.01
818.01
818.0
=
−
∗
−
a
P
= 0.91 phần khối lượng, t
P
= 78.6
o

C

dựa vào toán đồ để xác định độ nhớt của
dung dịch rượu etylic trong nước.
3
6
10*54.0
81.9
10*55
−
−
==
P
µ
Ns/m
2
=∗⇒
PP
µα
1.123*0.54 = 0.605
⇒
η
P
= 0.55 ( Hình IX.11, trang 171, [2]
Tại đáy:
W
W
W
W
W

x
x
y
y
−
∗
−
=
1
1
α
=
76,6
00549,0
00549,01
036,01
036,0
=
−
∗
−
)/(10*39.0
81.9
10*40
23
6
mNs
W
−
−

==
µ
=∗⇒
WW
μα
0.39
∗
6.76= 2.63
⇒
η
W
= 0.4 ( Hình IX.11, trang 171, [2])
SVTH: Bảo công
15
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
Suy ra :hiệu suất trung bình của tháp
45.0
3
4.055.04.0
3
=
++
=
++
=
WPF
tb
ηηη
η
Vậy số đĩa thực tế :

N
tt
= N
lt
/
=
tb
η
19 / 45% = 42.2 đĩa
⇒
Ta lấy số đĩa thực tế: N
tt
= 43 đĩa

Trong đó
Số đĩa thực tế của đoạn luyện:
N
L
= 15 / 45% = 33.33 chọn 34 đĩa
Số đĩa thực tế của đoạn chưng:
N
c
= 4 / 45% = 8.89 chọn 9 đĩa
SVTH: Bảo công
16
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
PHẦN III
TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG
Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng hơi
đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc hơi ở đáy tháp cũng như xác

định lượng nước làm lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ làm lạnh.
Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổ biến
trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.
Sơ đồ:
SVTH: Bảo công
17
H
2
O
H
2
O
H
2
O
H
2
O
Q
y
Q
F
Q
D1
Q
D2
Q
xq2
Q
ng1

Q
xq1
Q
W
Q
f
Q
P
Q
R
Hinh 3 So do ca bang nhiet luong
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
Các ký hiệu:
Q
D1
: Nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng, J/h
Q
f
: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng, J/h
Q
F
: Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng hay mang
vào tháp chưng luyện, J/h
Q
m1
: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng, J/h
Q
xq1
: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh, J/h
Q

D2
: Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào cần đun nóng sản phẩm đáy, J/h
Q
R
: Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào, J/h
Q
y
: Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, J/h
Q
W
: Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp, J/h
Q
m2
: Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp, J/h
Q
xq2
: Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh, J/h
I. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CỦA THIỆT BỊ ĐUN NÓNG
Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng
Q
D1
+ Q
f
= Q
F
+ Q
m1
+ Q
mxq1
(CT IX.149, 196, [2])

Trong đó:
Q
D1
= D
1
λ
1
= D
1
(r
1 +
θ
1
C
1
) J/h (CT IX.150, 196, [2])
Với:
D
1
: lượng hơi đốt mang vào, kg/h
λ
1
: hàm nhiệt của hơi nước, J/kg
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg
θ
1
: nhiệt độ của nước ngưng
C

1
: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg độ.
Q
xq1
= 5%Q
D1
= 5%D
1
r
1
(J/h).(CT IX.154, 197, [2])
Q
m1
= G
ng1
C
1
θ
1
(J/h). (CT IX.153, 197, [2])
Với:
G
ng1
: lượng nước ngưng ( lấy bằng lượng hơi đốt ), kg/h.
Q
f
= Ft
f
C
f

(J/h) (CT IX.151, 196, [2])
Q
F
= Ft
F
C
F
(J/h) (CT IX.152, 196, [2])
t
f
: nhiệt độ hỗn hợp đầu
0
C, chọn t
f
= 25
0
C
t
F
: nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp đầu ở áp suất khí quyển 85
0
C
Suy ra:
SVTH: Bảo công
18
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
⇒
11
1
.95,0

) (
.95,0 r
tCtCF
r
QQ
D
ffFFfF
−
=
−
=
(CT IX.155, 197, [2])
Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu
C
f
25
= C
A
25
a
F
+ C
B
25
(1 – a
F
)
C
A
25

, C
B
25
tra (Bảng I.153, 171, [1])
C
A
25
= 2651.25 J/kgđộ
C
B
25
= 4178.75 J/kgđộ

⇒
C
f
30
= 2651.25
∗
0,31 + 4178.75
∗
(1 - 0,31)
= 3705.23 J/kgđộ
Q
F
= F*Cf*t
F
=1500*3705.23*25=138*10
6
J/kgđộ

Tương tự ta có nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu ở nhiệt độ sôi t
F
=85
0
C
C
F
85
= C
A
85
∗
a
F
+ C
B
85
∗
(1- a
F
)
C
A
85
= 3842.5 J/kgđộ
C
B
85
= 4200 J/kg độ
C

F
85
= 3842.5
∗
0,31 + 4200
∗
(1- 0,31) = 4089.175 J/kg độ
Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất khí quyển, t
0
= 100
0
C
suy ra r
1
= 2264.10
3
J/kg (Bảng I.125, 314, [1])

8.177
10.226495,0
2523.370585185.4089
1500
3
1
=
∗
∗−∗
=
D
kg/h

II. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO TOÀN THÁP
Q
D2
+ Q
F
+ Q
R
= Q
Y
+ Q
W
+ Q
ng2
+ Q
xq2
(CT IX.157, 197, [2])
2.1. Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp
Q
F
= FC
F
t
F
= 2.10
3
∗
4082,8
∗
85 = 679,4.10
6

(J/h)
2.2. Nhiệt lượng do hơi nước mang vào đáy tháp
Q
D2
= D
2
λ
2
= D
2
(r
2
+ θ
2
C
2
)
Với:
D
2:
lượng hơi nước cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp, kg/h
λ
2
: hàm nhiệt của hơi nước bão hòa, J/kg
r
2
: ẩn nhiệt hóa hơi của hoi nước, J.kg
θ
2
: nhiệt độ của nước ngưng,

0
C
C
2
: nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg độ
SVTH: Bảo công
19
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
2.3. Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào
Q
Rx
= G
x
C
x
t
x
= PR
x
C
x
t
x
(CT IX.158, trang 197, [2])
t
x
= t
p
= 78.6
0

C
C
x
78.6
: nhiệt dung riêng hỗn hợp sau khi ngưng tụ sản phẩm đỉnh (J/kg độ)
C
x
78.6
được tính theo công thức sau:
C
x
78.6
= C
A
78.6
a
p
+ C
B
78.6
(1 - a
p
)
C
A
78.6
,C
B
78.6
: tra (Bảng I.153, trang 171, [1]) ở 78.6

0
C.
C
A
78.6
= 3309.25 ( J/kg độ )
C
B
78.6
= 4190 ( Jkg độ )
Do đó: C
x
78.6
= 3308.25
∗
0.91 + 4190
∗
(1 – 0.91) = 3388.5 J/kg độ
Suy ra: Q
Rx
= 505.9
∗
1.51
∗
3388.5
∗
78.6 = 207.7*10
6
J/h = 203.7*10
3

KJ/h
2.4. Nhiệt lượng do hơi mang ra
Q
y
= G
y
λ
hh
= P(R
x
+ 1)λ
hh
(CT IX.159, trang 197, [2])
Nhiệt độ hơi tại đỉnh tháp 78.6
0
C
λ
hh
: nhiệt lượng riêng của hỗn hợp hơi ở đỉnh tháp

λ
hh
= λ
1
a
P
+ (1 - a
P
)λ
2

= r
P
+ C
P
78.6
t
P
λ
1
: hàm nhiệt của Etylic ở 78.6
0
C
λ
2
: hàm nhiệt của Nước ở 78.6
0
C
C
P
78.6
: nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi tháp ở nhiệt độ 78.6
0
C.
C
P
78.6
= a
P
*C
A

78.6
+(1 - a
P
)*C
B
78.6
= 0.91
∗
3308.5 + (1- 0.91)
∗
4190
= 3387.84 J/h
Với:
C
A
78.6
= 3308.5 J/kg độ và C
B
78.6
= 4190 J/Kg độ được nội suy ở phần trên.
Tương tự tính:
r
P
78.6
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp ở nhiệt độ 78.6
0
C
r
P
78.6

= a
P
*r
A
78.6
+ (1 - a
P
)*r
B
78.6
r
A
78.6
, r
B
78.6
: Tra (Bảng I-213 trang 254 tập I) bằng phương pháp nội suy.
r
A
78.6
= 202.5 kcal/kg = 846.45*10
3
J/kg
r
B
78.6
= 560.4 kcal/kg = 2342.7*10
3
J/kg
Suy ra:

r
P
78.6
= 846.45*10
3
∗
0.91 + 2342.7*10
3
∗
(1 – 0,9354) = 981.16*10
3
J/kg
Suy ra:
SVTH: Bảo công
20
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
λ
hh
= r
P
78.6
+ C
P
78.6
*t
P
= 981.16*10
3
+ 3387.84
∗

78.6 = 1247.44*10
3
J/kg
Vậy:
Q
y
= P.(R
x
+ 1).λ
hh
= 505.9
∗
(1.51 +1)
∗
1247.44*10
3
= 714.8*10
6
J/h
2.5. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:
Q
W
= W.C
W
.t
W
(J/h) (CT IX.160, trang 197, [2])
C
W
: được xác định theo công thức: C

W
100
= C
A
100
*a
W
+ C
B
100
*(1 – a
W
)
C
A
,C
B
: tra (Bảng I.153, 171, [1]) ở 100
0
C
C
A
100
= 539 kcal/kg = 2253 J/kgđộ
C
B
100
= 194 kcal/kg = 810.92 J/kgđộ
Suy ra: C
W

= 2253
∗
0.00465 + 810.92
∗
( 1 – 0.00465) = 817.63 J/kgđộ.
Vậy: Q
W
= 994.1
∗
817.63
∗
100 = 812.81*10
6.
J/h
2.6. Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh
Q
xq2
= 0,05.D
2
.r
2
(J/h) (CT IX.162, 198, [2])
2.7. Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra
Q
m2
= G
ng2
.C
2
.θ

2
= D
2
.C
2
.θ
2
(CT IX.161, trang 198, [2])
Với:
G
ng2
: lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi cần thiết để đun sôi dung dịch
đáy tháp, kg/h
C
2
, θ
2
: nhiệt dung riêng (J/kgđộ) và nhiệt độ của nước ngưng (
0
C)
Vậy:
2
2
.95,0 r
QQQQ
D
RxFwY
−−+
=
=

3
10.226495.0
6
10*207.7
6
10679.4*
6
10*812.81
6
10*714.8
∗
−−+
=297.8 kg/h
(CT IX.163, trang 198, [2])
Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất khí quyển:
t
0
= 100
0
C, suy ra r
2
= 2264*10
3
J/kg (Bảng I.125, trang 314, [1])
Lượng nhiệt tiêu tốn môi trường xung quanh:
Q
m2
= 0.05.D
2
.r

2

= 0.05*297.8*2264*10
3
= 33.71*10
6
J/kg
III. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
Sử dụng thiết bị hồi lưu:
P.R
x
.r = G
n1
.C
n
.(t
2 –
t
1
) (CT IX.164, trang 198, [2])
SVTH: Bảo công
21
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
Với:
r: ẩn nhiệt ngưng tụ ở đỉnh tháp, r = r
p
= 981.16*10
3
J/kg
t

1
, t
2
: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh
Chọn nhiệt độ t
1
= 25
0
C, t
2
= 40
0
C
⇒
2
21
tt
t
tb
+
=
5.32
2
4025
=
+
=
0
C
C

n
: nhiệt dung riêng của nước ở t
tb
= 32.5
0
C. (Bảng I.147, trang 165, [1])
C
n
= 4.19 (J/kgđộ)
Lượng nước lạnh tiêu thụ cần thiết G
n1
:
)
12
.(
1

1
ttC
n
r
R
x
P
G
n
−
=
)2540(19.4
3

10*981.1651.19.505
−∗
∗∗
=
= 11.93*10
6
kg/h
IV. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO THIẾT BỊ LÀM LẠNH
P.r + P.C
’
p
.(t
1
’
- t
2
’
) = G
nl2
.C
n
.(t
2 –
t
1
) (CT IX.166, trang 198, [2])
Với:
=
+
=

+
=
2
256.78
2
'
2
'
1
'
tt
t
tb
51.8
0
C
t
1
’
, t
2
’
: nhiệt độ dầu và cuối của sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ,
0
C.
Chọn nhiệt độ: t
1
’
= 78.6
0

C, t
2
’
= 25
0
C.
Tra (Bảng I.153; I.154 trang 172, [1]), và nội suy ta được:
C
B
51.8
= 4183.85 (J/kgđộ).
C
A
51.8
= 3141.85 (J/kgđộ).
C
P
’
: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh đi làm lạnh.
C
P
’
= C
A
51.8
*a
P
+ C
B
51.8

*( 1-a
P
)
= 3141.85
∗
0.91+ 4183.85
∗
(1 – 0.91)
= 3235.63 J/kgđộ
t
1
, t
2
: nhiệt độ vào ra của nước lạnh,
0
C
Chọn nhiệt độ t
1
= 25
0
C, t
2
= 40
0
C
C
n
= 4.19 J/kgđộ
Lượng nước lạnh tiêu tốn:
)

12
(*
)
'
2
'
1
(*
'
**
2
ttC
n
ttC
P
PrP
G
n
−
−+
=
)2540(19.4
)255,78(63.3235*9.505
3
10*981.169.505
−∗
−∗+∗
=

= 92.94*10

6
kg/h
Vậy tổng lượng nước dùng trong ngưng tụ và làm lạnh sản phẩm đỉnh là:
G
n
= G
n1
+ G
n2
= 11.93*10
6
+ 92.94*10
6
= 104.87*10
6
kg/h
SVTH: Bảo công
22
{
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
PHẦN IV
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(D
t
)

D =
tb
tb
V

ωπ
∗∗3600
(m) (CT IX- 89, trang 181 [II])

tbyy
tb
g
)(
0188.0
ωρ
=
V
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
2
/h)

ω
tb
: vận tốc hơi trung bình đi trong tháp (m/s)
1.1. ĐƯỜNG KÍNH ĐOẠN LUYỆN
1.1.1. Lưu lượng hơi trung bình trong đoạn luyện:
g
tb
=
2
1
gg
đ
+

(CT IX.91, trang 181, [2])
g
d
: lượng hơi ra khỏi tháp ở đĩa trên cùng (kg/h)
g
1
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện (kg/h)
Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu, nhiệt lượng cho đĩa thứ nhất của
đoạn luyện:
g
1
= G
1
+ G
p
(CT IX.93, trang 182, [2])
g
1
y
1
= G
1
x
1
+ G
p
x
p
(CT IX.94, trang 182, [2]) (1)
g

1
r
1
= g
đ
r
đ
(CT IX.95, trang 182, [2])

Với: y
1
: hàm lượng hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện
x
1
: hàm lượng lỏng ở đĩa thữ nhất đoạn luyện
Trong các phương trình trên ta xem x
1
= x
F
r
1
, r
đ
: ẩn nhiệt hóa hơi hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất và đi ra khỏi tháp
Ta có:
G
p
= 496,44 kg/h = 12.29 kmol/h
G
F

= 1500 kg/h = 67.57 kmol/h
x
1
= x
F
= 0.15 phần mol = 0.31 phần khối lượng
g
đ
= G
R
+ G
P
= P.(R
x
+ 1) = 496,44
∗
(1 + 1.51) = 1246,06 kg/h= 30,84
kmol/h
(CT IX.92, trang 181, [2])
SVTH: Bảo công
23
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất của đoạn luyện
r
đ
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp
r
1

= r
a
y
1
+ r
b
(1 – y
1
)
r
d
= r
a
y
đ
+ r
b
(1 – y
đ
) (CT, trang 182, [2])
r
A
, r
B
: ẩn nhiệt hóa hơi của cấu tử Rượu và Nước.
Từ (Bảng I.212, trang 254, [1]) ở t
F
= 85
0
C:

r
A
= 200 kcal/kg = 9200 kcal/kmol
r
B
= 554 kcal/kg = 9972 kcal/kmol
Ở nhiệt độ t
P
= 78.6
0
C, ta có:
r
A
= 202.56 (kcal/kg) = 9317.76 (kcal/kmol)
r
B
= 574.35 (kcal/kg) = 10338.3 (kcal/kmol)
y
d
= y
p
= 0.818 (kmol/kmol)
r
đ
= 9317.76
∗
0.818 + 10338.3
∗
(1 – 0.818)
= 9503.5 kcal/kmol

Giải hệ (1) cho ta tìm được g
1
, G
1
, y
1
:
g
1
= 31.56 kmol/h
G
1
= 19.27 kmol/h
y
1
= 0.36 kmol/kmol
M
1
= M
A
* y
1
+ ( 1- y
1
)*M
B
= 46*0.36 + ( 1 – 0.36)
= 27,56 ( Kg/kmol)
⇒ g
1

= 869,79 kg/h
⇒ G
1
= 531,08 kg/h
→ r
1
= r
a
*

y
1
+ r
b
*(1 - y
1
)
= 9317.76 *0,36 + ( 1 - 0.36 )* 10338.3
= 9970.9 kcal/kmol
Suy ra lương hơi trung bình:
2
g
1
tb
gg
d
+
=
=
2

23.907 1246,06 +
= 1076.65 kg/h = 0.3 kg/s
Lưu lượng lỏng trung bình đi trong đoạn luyện:
G
tb
=
2
1
GG
P
+
=
2
44.53144,496
+
= 531,94 kg/h
SVTH: Bảo công
24
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị GVHD: ĐỖ THỊ BÍCH THUỶ
1.1.2. Khối kượng riêng trung bình đối với pha khí, pha lỏng của đoạn luyện
 Với pha hơi:
( )
[ ]
tb
BtbAtb
ytb
T
MyMy
*4.22
273*1

11
−+
=
ρ

(CT IX.102, trang 183, [2])
Ta có: M
A
= 46 kg/kmol, M
B
= 18 kg/kmol
y
tb
=
2
1 p
yy +
=
2
818.036.0 +
= 0.589phần mol (Trang 183, [2])
T: nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện
T =
273
2
+
+
Fp
tt
=

273
2
855,78
+
+
= 324.8
0
K
Do đó:
( )
[ ]
8.3244.22
273*18589,0146589.0
∗
∗−+∗
=
ytb
ρ
= 1.29 (kg/m
3
)
 Với pha lỏng:
B
tb
A
tb
xtb
aa
ρρρ
−

+=
1
1
(CT IX.104a, 183 [2])
61.0
2
91.031.0
2
=
+
=
+
=
PF
tb
aa
a
Với: a
tb
= 0.61 là phần khối lượng trung bình của Etanol trong pha lỏng
Tra (Bảng I.2, 9, [1]) ở t = 81.8
0
C
A
ρ
= 895.92 kg/m
3
B
ρ
= 970.74 kg/m

3
Do vậy:
3
10*082,1
74.970
61.01
92.895
61.01
−
=
−
+=
xtb
ρ
m
3
/kg

xtb
ρ
= 923.68 kg/m
3
Lưu lượng trung bình của hơi đi trong đoạn luyện:
===
29.1
65,1076
ytb
tb
tb
g

V
ρ
834.61 (m
3
/h)
Lưu lượng thể tích lỏng đi trong đoạn luyện:
68.923
531,94
==
xtb
tb
x
G
G
ρ
= 0.57 (m
3
/h)

1.1.3. Vận tốc hơi trung bình trong đoạn luyện
Vận tốc hơi trung bình:
( )
yx
tb
y
h
ρρϕωρ
σ
065.0.
=

kg/m
2
.s (CT IX.105,184, [2])
SVTH: Bảo công
25