Thiết kế tháp chưng cất hệ etanol nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu 2000 kgh có nồng độ 20% mol etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

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 Etanol -
Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để
nâng cao độ tinh khiết cho Etanol.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng
hợp trong quá trình học tập của các kỹ 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 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 Etanol - Nước hoạt
động liên tục với nâng suất nhập liệu : 2000 kg/h có nồng độ 20% mol
etanol ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% mol etanol với độ thu hồi
etanol là 99%.
Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống tháp chưng cất
mang tính chất đào sâu chuyên ngành,do kiến thức và tài liệu còn hạn chế
nên em không thể tránh khỏi sai sót trong quá trình thiết kế . Em xin chân
thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của  và quí thầy cô bộ
môn các bạn sinh viên để em có thể hoàn thành tốt đồ án này.

:

1
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
1  !"#$#%!"%&'
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.
2
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
()*'+,%!"%&'
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 lỗ 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 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 Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt
động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
-./012.
3
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước.
34'5!67 (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
4
Lạnh
H
+
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
* 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: 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
5
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
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
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…).
(8%
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
6
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
Đồ Án Q Trình Và Thiết Bị
Khối lượng riêng d
4
0
c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 0
0
C
Nhiệt độ sơi : 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 mơi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất và
là dung mơi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
9..4:;-:
Etanol là một chất lỏng tan vơ hạn trong H
2
O, nhiệt độ sơi là 78,3
0
C
ở 760mmHg, nhiệt độ sơi 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 khơng thể sử dụng phương pháp cơ đặc vì các
cấu tử đều có khả năng bay hơi, và khơng 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 q trình phức tạp hơn hay q trình tách khơng được hồn tồn.
5 / <=>?)'@A!%B!"!"C%!"%&'C4'5!67;!8%
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
7
Đồ Án Q Trình Và Thiết Bị
+ ?D*'E)!>?D'@A!%B!"!"C
Hỗn hợp Etanol - Nước có nồng độ Etanol 20 % ( phần khối lượng),
nhiệt độ khoảng 28

0
C tại bình chứa nguyên liệu (10) được bơm (1) bơm
lên bồn cao vò (2). 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 (5) 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 (9) 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 80% mol). Hơi này đi vào thiết bò ngưng tụ (6) 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 (7), được làm nguội đến 35
0
C, rồi
được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (8). 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 0,0027 % ( phần mol ), còn lại là
nước. Dung dòch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần được đun, bốc hơi
ở nồi đun (9) 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.
8

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
F0GH
I9/J0
Gọi: G
F,
F: suất lượng hỗn hợp đầu 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
F
x
: nồng độ hỗn hợp đầu ( phần mol)
D
x
: nồng độ sản phẩm đỉnh (phần mol)
w
x
: nồng độ sản phẩm đáy (phần mol)
x
i
,
i
x
: phần mol, phần khối lượng của cấu tử i
Theo yêu cầu ban đầu ta có:
 Năng suất nhập liệu : G
F

= 2000 (kg/h)
 Nồng độ nhập liệu :
F
x
= 20% mol etanol
 Nồng độ sản phẩm đỉnh :
D
x

= 80% mol etanol
 Tỷ lệ thu hồi etanol
η
 = 99%
 Khối lượng riêng của phân tử 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
= 60
o
C
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi
KIL/M/NOPQ/NOI
 Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F = D + W (II.1)
 Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ) : F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W
(II.2)
 Tỷ lệ thu hồi(
η
 = 99%): F.x
F
.
η
 = D.x
D
(II.3)
Với : * Phần mol nhập liệu : x
F
= 0,2 (phần mol etanol )
18).1(.46
.x46
FF
F

F
xx
x
−+
=
= 0,389(phần khối lượng )
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M
F
=
18).1(.46
FF
xx −+
= 23,6 (Kg/Kmol).
F =
F
F
M
G
=
6,23
2000
= 84,746 (Kmol/h)
9
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
* Phần mol sản phẩm đỉnh : x
D
=0,8 (phần mol etanol).

911,0

18).1(.46
.46
=
−+
=
DD
D
D
xx
x
x
(phần khối lượng)
Khối lượng phân tử trung bình của dòng sản phẩm đỉnh:
M
D
=
18).1(.46
DD
xx −+
= 40,4 (Kg/Kmol).
Giải 3 phương trình (II.1),(II.2),(II.3),ta có:
D = 20,97 (Kmol/h) G
D
= D.M
D
= 847,188 (kg/h)
W = 63,776 (Kmol/h)
⇒
G
W

=W.M
W
= 1152,815 (kg/h)
x
W
= 0,0027 (phần mol etanol )

0068,0
18).1(.46
.46
=
−+
=
ww
w
w
xx
x
x
(phần khối lượng)
Suy ra , khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:
M
W
=
18).1(.46
WW
xx −+
= 18,076 (Kg/Kmol).
Như vậy ta có bảng tổng kết thành phần như sau:

Phần khối
lượng
Phần mol
Suất lượng
(kg/h)
Suất lượng
(kmol/h)
Hỗn hợp đầu 38,9% 0,2 2000 84,746
Sản phẩm đỉnh 91,1% 0,8 847,188 20,97
Sản phẩm đáy 0,68% 0,0027 1152,815 63,776
Thành phần pha của hỗn hợp hai cấu tử etanol – nước:
Dựa vào bảng IX 2a/148 sổ tay QTTB&CNHH Tập II, thành phần cân
bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử ở 760mmHg
10
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
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
10
0 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
Hình 1: Đồ thị đường cân bằng Etanol – Nước
11
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Hình 2: Đồ thị t-x,y cho hệ Etanol – Nước
Bằng phương pháp nội suy và dựa vào đồ thị ta có kết quả sau:

Sản phẩm X (phần mol) Y(phần mol) T
o

điểm sôi
F 0,2 0,531 83,2
D 0,8 0,818 78,6
W 0,0027 0,0179 99,5
KILP/J:QRM
3 STU6V!7?'U)')W?XY
ZE)!
[
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.
R
xmin =
813,0
2,0531,0
531,08,0
=
−
−
=
−
−
∗
∗
F
F
F

D
xy
yx
12
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Với:
x
D:
nồng độ phần mol của etanol sản phẩm đỉnh
x
F
: nồng độ phần mol của etanol ở hỗn hợp đầu
y
F
*
: nồng độ phần mol trong pha hơi nằm cân bằng pha lỏng ở hỗn
hợp đầu.
( STU6V!7?'\%]#
Dựa vào công thức IX.2a/158 sổ tay QTTB&CNHH Tập II để tính tỉ
số hoàn lưu thích hợp
R
x
= b.R
xmin
với b là hệ số (1.2
÷
2.5)
Xác định R
x
thích hợp theo số bậc thay đổi nồng độ được tiến hành

như sau: cho nhiều giá trị R
x
lớn hơn giá trị R
xmin
. Với mỗi giá trị trên, ta
xác định được tung độ của đường làm việc với trục tung B, với:
B =
1+
x
D
R
x
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
D
và điểm B trên trục 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 độ 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 làm việc tại một
điểm, cứ tiếp tục như vậy cho đến 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. Vì vậy thực tế phải được hiệu chỉnh.
Dựa vào đồ thị ta xác định số bậc thay đổi nồng độ ta có kết quả sau:
13
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
B 1,2 1,29 1,36 1,6 2,11 2,5
B 0,405 0,3905 0,3799 0,3477 0,295 0,264
R
x
0,9756 1,04877 1,10568 1,3008 1,71543 2,0325
N
L
30,5 27 24 20,8 14 12,5
N
L
(R
x
+1) 60,2558 55,31679 50,53632 44,85664 38,016 37,90625
Dựa vào bảng ta vẽ đồ thị phụ thuộc của N
L
(R
x
+1) vào R
x
. Sau đó
dựa vào đồ thị để xác định chỉ số R
x

thích hợp.
Hình 3: Đồ thị phụ thuộc N
L
(R
x
+1) vào R
x
Từ đồ thị ta xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp là R = 1,859
14
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Hình 4: Đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ
Từ đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ tương ứng với R
X
= 1,859
ta xác định được:
Số mâm lý thuyết N
LT
= 13,5 mâm. Trong đó, vị trí mâm trên cùng
(vị trí hồi lưu) được đánh số 1 thì mâm nạp liệu là mâm số 10. Số mâm của
phần đoạn luyện kể cả mâm nạp liệu là 10 mâm. Số mâm của phần đoạn
chưng là 3,5 mâm.
Y^Q./JF
3 !"'@A!<_!"!=!"<`7VEa)C%%b5<6c!7?DC!
y =
1
.
1 +
+
+
x

D
x
x
R
x
x
R
R
=
1859,1
8,0
.
1859,1
859,1
+
+
+
x
=
279,0.65,0 +x
( !"'@A!<_!"!=!"<`7VEa)C%%b5<6c!%!"
y =
w
xx
x
x
R
L
x
R

LR
1
1
.
1 +
−
+
+
+
với
D
F
L =
04,4
97,20
746,84
==
: chỉ số nhập liệu
15
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
=
0027,0.
1859,1
04,41
.
1859,1
04,4859,1
+
−
+

+
+
x
=
0028,0.063,2 −x
KIL/JFd
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :
N
tt
=
tb
lt
N
η
Trong đó:
tb
η
: 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(
),
µα
.
N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.

a. Hiệu suất sản phẩm đỉnh:
 Từ đồ thị đường cân bằng ta có: x
D
= 0,8





=
=
⇒
Ct
y
O
Ds
D
6,78
818,0
*

 Tại t
Ds
= 78,6
o
C, ta có;
Độ nhớt của nước
N
µ

)/(10.365,0
23
mNs
−
=

Độ nhớt của rượu
R
µ
)/(10.446,0
23
mNs
−
=
( bảng I. 101, trang 92 – tâp 1)
Độ nhớt của hỗn hợp tại đỉnh:
lg
NDRDhh
xx
µµµ
lg).1(lg. −+=

)10.365,0lg().8,01()10.446,0lg(.8,0
33 −−
−+=

368,3−=
)/(10.4285,0
23
mNs

hh
−
=⇒
µ
Độ bay hơi tương đối:
D
D
D
D
D
x
x
y
y −
−
=
1
.
1
*
*
α

124,1
8,0
8,01
.
818,01
818,0
=

−
−
=
33
10.48,010.4285,0.124,1.
−−
==⇒
hhD
µα
16
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Vậy hiệu suất sản phẩm đỉnh tra tại hình IX. 11 trang 171 tập 2 là:
59,0%59 ==
D
η
b. Hiệu suất dòng nhập liệu:
 Từ đồ thị đường cân bằng ta có: x
F
= 0,2





=
=
⇒
Ct
y
O

Ds
F
2,83
531,0
*
 Tại t
Ds
= 83,2
o
C, ta có:
Độ nhớt của nước
)/(10.345,0
23
mNs
N
−
=
µ
Độ nhớt của rượu
R
µ
)/(10.417,0
23
mNs
−
=
( bảng I. 101, trang 91, tập 1)
Độ nhớt của hỗn hợp tại đỉnh:
lg
NFRFhh

xx
µµµ
lg).1(lg. −+=

)10.345,0lg().2,01()10.417,0lg(.2,0
33 −−
−+=

446,3−=
)/(10.358,0
23
mNs
hh
−
=⇒
µ
Độ bay hơi tương đối:
F
F
F
F
F
x
x
y
y −
−
=
1
.

1
*
*
α

53,4
2,0
2,01
.
531,01
531,0
=
−
−
=
33
10.62,110.358,0.53,4.
−−
==⇒
hhF
µα
Vậy hiệu suất sản phẩm đỉnh tra tại hình IX. 11 trang 171 tập 2 là:
44,0%44 ==
F
η
c. Hiệu suất sản phẩm đáy:
 Từ đồ thị đường cân bằng ta có: x
w
= 0,0027






=
=
⇒
Ct
y
O
Ds
w
5,99
0179,0
*
 Tại t
Ds
= 99,5
o
C, ta có:
Độ nhớt của nước
)/(10.286,0
23
mNs
N
−
=
µ
Độ nhớt của rượu
17

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
R
µ
)/(10.328,0
23
mNs
−
=
( bảng I. 101, trang 92 – tâp 1)
Độ nhớt của hỗn hợp tại đỉnh:
lg
NwRwhh
xx
µµµ
lg).1(lg. −+=

)10.286,0lg().0027,01()10.328,0lg(.0027,0
33 −−
−+=

54,3−=
)/(10.288,0
23
mNs
hh
−
=⇒
µ
Độ bay hơi tương đối:
w

w
w
w
F
x
x
y
y −
−
=
1
.
1
*
*
α

73,6
0027,0
0027,01
.
0179,01
0179,0
=
−
−
=
33
10.94,110.288,0.73,6.
−−

==⇒
hhF
µα
Vậy hiệu suất sản phẩm đỉnh tra tại hình IX. 11 trang 171 tập 2 là:
42,0%42 ==
w
η
Hiệu suất trung bình của tháp:
%3,48
3
424459
=
++
=
tb
η
Số mâm thực tế của tháp
9,27
483,0
5,13
===
tb
lt
tt
N
N
η
mâm
⇒
Ta lấy số mâm thực tế N

tt
= 28 mâm
Trong đó
Số mâm thực tế của đoạn luyện
21
483,0
10
===
tb
L
TTL
N
N
η
mâm
Số mâm thực tế của đoạn chưng
7
483,0
5,3
===
tb
C
TTC
N
N
η
mâm
18
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
F0G.M

Cân bằng nhiệt lượng
Từ đồ thị x, y ta có:
X
F
= 0,2
⇒
y
F
= 0,531
X
D
= 0,8
⇒
y
D
= 0,818
X
W
= 0,0027
⇒
y
W
= 0,0179
Chuyển từ phần mol sang phần khối lượng:

74,0
18).531,01(46.531,0
46.531,0
).1(.
.

=
−+
=
−+
=
NFRF
RF
F
MyMy
My
y

92,0
18).818,01(46.818,0
46.818,0
).1(.
.
=
−+
=
−+
=
NDRD
RD
D
MyMy
My
y

0445,0

18).0179,01(46.0179,0
46.0179,0
).1(.
.
=
−+
=
−+
=
NwRw
Rw
w
MyMy
My
y
e!+f!"!)C'7]!"%b5'$#%!"%&'
phương trình cân bằng năng lượng:
Q
F
+ Q
D2
+ Q
R
= Q
y
+ Q
W
+Q
xq2
+ Q

ng2
3 )C'7]!"g6h!]#<i?E5!"aV6'$#X
j
[
FFF
tCFQ =
(J/h) (CT IX.152, trang 196, tập 2)

F
: lượng hỗn hợp đầu,
F
= 2000 (kg/h)
 t
F
: nhiệt độ của hỗn hợp nhập liệu khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng,
t
F
= 83,2
o
C
19
Q
F
Q
y
Q
xq2
Q
D2
Q

W
Q
R
Q
ng2
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
Với t
F
= 83,2
o
C:




=
=
)./(4,4196
)./(3268
dokgJC
dokgJC
N
R
(bảng I. 153, trang 172, tập 1)
 C
F
: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/kg.độ)
N
F
R

F
F
CxCxC ).1(. −+=
C
F

)./(2524,38354,4196).389,01(3268.389,0 dokgJ
=−+=
Q
F
= 2000.3835,2524.83,2 = 638185999 (J/h) = 177,274 (kW)
( )C'7]!"g67]!"7k!"=)7?E5!"aV6X
Y
[

RRRR
tCGQ .
.
=
(J/h) (CT IX. 158, trang 197, tâp 2)
 C
R
: nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu C
R
= C
D
 t
D
: nhiệt độ của sản phẩm đỉnh, t
D

= 78,6
o
C
Với t
D
= 78,6
o
C




=
=
)./(4190
)./(5,3202
dokgJC
dokgJC
N
R
(bảng I. 153, trang 172, tập 1)
)./(5875,32904190).911,01(5,3202.911,0
).1(.
dokgJC
CxCxC
D
NDRDD
=−+=
−+=
 G

R
: lượng lỏng hồi lưu (kg/h)
G
R
=
D
.R
th
Trong đó:
D
: lượng sản phẩm đỉnh,
D
= 847,188 (kg/h)
R
th
: chỉ số hồi lưu thích hợp, R
th
= 1,859

G
R
= 847,188.1,859 = 1574,922 (kg/h)
 t
R
: nhiệt độ chất lỏng hồi lưu: t
R
= t
D
= 78,6
o

C
Q
R
=1574,922.3290,5875.78,6=407338105,6(J/h) =
113,149(kW)
l )C'7]!"g6 )E5!"@5m<S!'$#X
D
[
Q
y
=
D
.(1 + R
th
).
D
λ
(J/h) (CT IX.159, trang 197, tập 2)

D
: lượng sản phẩm đỉnh,
D
= 847,188 (kg/h)

D
λ
: nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp (J/kg)
Với t
D
= 78,6

o
C





=
=
)/(10.195,2120
)/(10.078,848
3
3
kgJr
kgJr
N
R
(bảng I. 212, trang 254, tập 1)
Với:
RDRR
Ctr .
+=
λ
20
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
NDNN
Ctr .+=
λ







=+=
=+=
⇒
)/(10.529,24494190.6,7810.195,2120
)/(10.794,10995,3202.6,7810.078,848
33
33
kgJ
kgJ
N
R
λ
λ
D
λ
=
NDRD
yy
λλ
).1(.
−+
)/(10.778,120710.592,2449).92,01(10.794,1099.92,0
333
kgJ
D
=−+=

λ

292537176610.778,1207).859,11.(188,847
3
=+=
Y
Q
(J/h)
= 812,603(KW)
n )C'7]!"To!#pE<$DE5!"@5X
q
[
Q
W
=
ww
tCW
(J/h) (CT IX. 160, trang 197, tập 3)

W
: lượng sản phẩm đáy,
W
= 1152,815(kg/h)
 t
W
: nhiệt độ sản phẩm đáy, t
W
= 99,5
o
C

Với t
W
= 99,5
o
C:




=
=
)./(4229
)./(5,3512
dokgJC
dokgJC
N
R
(Bảng I. 153, trang 172, tập 1)
 C
W
: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy
N
w
R
w
w
CxCxC ).1(. −+=
C
W
= 0,0068.3512,5 + (1- 0,0068).4229 = 4224,13 (J/kg.do)

Q
W
= 1152,815.4224,13.99,5 = 484529222,4 (J/h)
= 134,591 (KW)
r )C'7]!"g6 )<U'E5!"aV6'$#X
(
[
Q
D2
= D
2 .
2
λ
= D
2
.(r
2
+ C
2
.t
2
) (J/h) (CT IX. 157, trang 197, tập2)
Trong đó:
 r
2
: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
 t
2
, C
2

: nhiệt độ
o
C, nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.do)
 D
2
: lượng hơi nước cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp (kg/h)

2
λ
:hàm nhiệt của hơi nước bão hòa (J/kg)
Do hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at
r
2
=
3
10.2208
(J/kg) (Bảng I. 251, trang 314, tập 1)
t
2
= 119,6
o
C
C
2
= 4274,1 (J/kg.do)
 Ta có: Q
D2
= Q
y
+ Q

W
+ Q
xq2
+ Q
ng2
– Q
F
- Q
R
Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp
21
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

2
2
.95,0 r
QQQQ
D
RFwY
−−+
=
(CT IX. 163, trang 198, tập 2)

428,807
10.2208.95,0
87,100826216,6380622972,6325529071709253464
3
2
=
−−+

=D
(kg/h
)
Vậy
)/(2195543975)6,119.1,427410.2208.(428,807
3
2
hJQ
D
=+=
= 609,873 (KW)
s )C'7]!"'t!'&'@5EB)'@_!"Z?!">?5!X
Z>(
[
Q
xq2
= 0,05.D
2
.r
2
(J/h) CT IX. 162, trang 198, tập 2)
Q
xq2
= 0,05.807,428.2208.
3
10
= 89140051,2 (J/h)
= 24,761 (KW)
u )C'7]!"g6!8%!"!"E5!"@5X
!"(

[
Q
ng2
= G
ng2
. C
2
. t
2
= D
2
. C
2
. t
2
(J/h) (CT IX. 161, trang 198, tập 2)
Q
ng2
= 807,428.4274,1.119,6 = 412742950,6 (J/h)
= 114,651 (KW)
Trong đó : G
ng2
– lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi đốt (kg/h)
e!+f!"!)C'7]!"%b5')*'+,<?!!v!"h!]#<i?
Phương trình cân bằng năng lượng cho thiết bị nung nóng hỗn hợp ban đầu
Q
D2
+ Q
f
= Q

F
+ Q
xq2
+ Q
ng2
3 )C'7]!"g6h!]#<i?E5!"aV6'$#X
w
[
fff
tCFQ =
(J/h) (CT IX. 151, trang 196, tập 2)

F
: lượng hỗn hợp đầu,
F
= 2000 (kg/h)
 t
f
: nhiệt độ hỗn hợp nhập liệu ban đầu, t
f
= 28
o
C.
Tại t
f
= 28
o
C:




=
=
)./(4178
)./(2572
dokgJC
dokgJC
N
R
(Bảng I. 154, trang 172 tập 1)
 C
f
: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/kg.do)
NfRff
CxCxC ).1(. −+=
C
f
= 0,3898.2572 + (1- 0,3898).4178 = 3551,98 (J/kg.do)
Q
f
= 2000.3551,98.28 = 198910880 (J/h) = 55,253 (KW)
( )C'7]!"g6h!]#<i?E5!"@5xk)')*'+,<?!!v!"X
j
[
FFF
tCFQ =
(J/h) (CT IX 152, trang 196, tập 2)

F
: lượng hỗn hợp đầu,

F
= 2000 (kg/h)
22
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
 t
F
: nhiệt độ của hỗn hợp nhập liệu khi ra khỏi thiết bị đun nóng, t
F
=
60
o
C.
Tại t
F
= 60
o
C:




=
=
)./(4190
)./(2760
dokgJC
dokgJC
N
R
(Bảng I. 154, trang 72, tập 1)

 C
F
: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu (J/kg.do)
NFRFF
CxCxC ).1(. −+=
)./(586,36324190).3898,01(2760.3898,0 dokgJC
F
=−+=
Q
F
= 2000.3632,586.60 = 435910320 (J/h) = 121,086 (KW)
l )C'7]!" )!8%E5!"aV6X
(
[
Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp ban đầu:
)/(1000
10.2208.95,0
)28.98,355160.586,3632.(2000
.95,0
) (
3
1
2
hkg
r
tCtCF
D
D
ffFF
=

−
=
−
=
Ta có: Q
D2
= D
2 .
) (.
222222
tCrDD +=
λ
(CT IX. 157, trang 197, tập 2)
Do hơi đốt là hơi nước bão hòa ở p = 2at nên:
 r
2
: ẩn nhiệt hóa hơi, r
2
=

3
10.2208
(J/kg) (bảng I.251, trang 314, tập 1)
 t
2,
C
2
: nhiệt độ
o
C, nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

t
2
= 119,6
o
C
C
2
= 4274,1 (J/kg.độ)

2719182360)6,119.1,427410.2208.(1000
3
2
=+=
D
Q
(J/h)
= 755,328 (KW)
n )C'7]!"g6!8%!"!"E5!"@5X
!"(
[
Q
ng2
= G
ng2
.C
2
.t
2
= D
2

.C
2
t
2
(J/h) (CT IX. 161, trang 198, tập 2)
Q
ng2
= 1000.4274,1.119.6 =511182360(J/h) = 141,995 (KW)
Trong đó: G
ng2
lượng nước ngưng tụ bằng lượng hơi đốt (kg/h)
r )C'7]!"'t!'&'@5EB)'@_!"Z?!">?5!X
Z>(
[
Q
xq2
= 0,05 . D
2
. r
2
(J/h) (CT IX. 162, trang 198, tập 2)
11040000010.2208.1000.05,0
3
2
==
xq
Q
(J/h) = 30,667 (KW)
 e!+f!"!)C'7]!"%6')*'+,!"!"'y
23

Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị

Thiết bị ngưng tụ hoàn toàn G
nt
=
D
. (R + 1)
Suy ra lượng nước lạnh tiêu tốn cần thiết
).(
)1.(
12
ttC
RD
G
n
th
nl
−
+
=
.r
ngưng
(CT IX. 164, trang 198, tâp 2)
Trong đó:
 t
2
, t
1
: nhiệt độ ra và nhiệt độ vào của nước làm lạnh
Chọn: t

1
= 28
o
C, t
2
= 40
o
C
C
tt
t
tb
°=
+
=
+
= 34
2
4028
2
21
: nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh
 C
n
: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tại t
tb
C
n
= 4176,5 (J/kg.độ) (Bảng I.153, trang 171, tập 1)
 r

ngưng
: ẩn nhiệt ngưng tụ
Tại t
D
= 78,6
o
C





=
=
)/(10.195,2120
)/(10.078,848
3
3
kgJr
kgJr
N
R
(bảng I. 212, trang 254, tập 1)
r
ngưng

NDRD
rxrx ).1(. −+=
)/(10.296,96110.195,2120).911,01(10.078,848.911,0
333

kgJ=−+=
Vậy lượng nước lạnh tiêu tốn là:
G
nl
=
)/(9,12)/(66,4645710.296,961.
)2840.(5,4176
)1859,1.(188,847
3
skghkg ==
−
+
 e!+f!"!)C'7]!"%6')*'+,7VE7c!To!#pE<S!
DS
tt =
1
,
Ta có phương trình cân bằng nhiệt:
).(.).(.
123
2
"
1
"
ttCGttCW
nnw
−=−
(CT IX. 165, trang 198, tập 2)
t
h

t
Dv
t
2
=t
nr
t'
2
t
nr
=t
2
t
nv
=t
1
24
Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị
).(
).(.
12
2
"
1
"
3
ttC
ttCW
G
n

w
n
−
−
=
Trong đó:
 t
1
, t
2
: nhiệt độ vào và ra của nước làm lạnh
Chọn t
1
= 28
o
C, t
2
= 40
o
C
C
tt
t
tb
°=
+
=
+
= 34
2

4028
2
21
: nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh
 C
n
: nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tại t
tb
C
n
= 4176,5 (J/kg.độ) (Bảng I.153, trang 171, tập 1)

2
"
1
"
,tt
: nhiệt độ vào và ra của sản phẩm đáy đã ngưng tụ
Chọn
Ctt
wss
°== 5,99
1
"
,
Ct °= 35
2
"
C
tt

t
tb
°=
+
=
+
= 25.67
2
355,99
2
2
"
1
"
"

Tại
Ct
tb
°= 25,67
,,
ta có:



=
=
)./(4190
)./(625,3060
dokgJC

dokgJC
N
R
(Bảng I. 154, trang 172, tập 1)

w
C
: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy
NwRww
CxCxC ).1(. −+=
)./(32,41824190).0068,01(625,3060.0068,0 dokgJC
w
=−+=
Vậy lượng nước lạnh tiêu tốn:
)/(724,1)/(6205
)2840.(5,4176
)355,99.(32,4182.815,1152
3
skghkgG
n
==
−
−
=
25