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 85% mol etanol

Đồ Án Môn Hoc
LỜI MỞ ĐẦU
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 tương lai ngành công nghệ thực
phẩm . Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về:
yêu cầu công nghệ, kết cấu 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 85% mol etanol với độ thu hồi
etanol là 98%.
Tuy đã cố gắng nhiều nhưng với điều kiện và năng lực còn hạn chế
nên chắc chắn bài làm đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót, mong thầy cô trong
khoa và các bạn đọc đóng góp ý kiến để báo cáo ngày càng hoàn thiện.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa,giáo viên hướng dẫn
và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện đồ án.
1
Đồ Án Môn Hoc
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất :
Chưng cất là quá 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 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 được 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 .
2
Đồ Án Môn Hoc
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 . 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:
3
Đồ Án Môn Hoc
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.
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
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.
4
Đồ Án Môn Hoc
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:
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

Lạnh
H
+
Al
2
O
3
t
o
H
2
SO
4
>150
o
C
H
2
SO
4
>150
o
C
Cu
200-300
o
C
+ 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 Môn Hoc
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
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.
6
Nấm men
Zymaza
+ Thuốc súng không khói.
+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.
Đồ Án Môn Hoc
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:
7
Đồ Án Môn Hoc
Bảng 1: Thành phần lỏng (x) và hơi (y) và nhiệt độ
Từ bảng số liệu trên ta vẽ đường cân bằng trên độ thị x-y và đồ thị t-x,y.
Hình 1: Đường cân bằng của hệ etanol – nước
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
8

Đồ Án Môn Hoc
Hình 2: đồ thị t – x –y của hỗn hợp
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.
9
Đồ Án Môn Hoc
4 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.

10 . Áp kế.
11 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
15 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
16 . Bộ phận phân dòng.
10
Đồ Án Mơn Hoc
3. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ.
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
11
Đồ Án Môn Hoc
* 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 vị (3). Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt (5) ( 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 đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của
tháp chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên
xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng
chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các
cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (12) lôi cuốn cấu tử dễ
bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới

lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên
đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng
độ 85% phân mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (11) và được ngưng tụ
hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị 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 đĩa
trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp
được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng
tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử
khó bay hơi ( nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,11 % phân
mol, còn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12).
Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để
tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với dòng
nhập liệu trong thiết bị (5) (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 60
0
C được thải bỏ.
12
Đồ Án Môn Hoc
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu : G
F
= 2000 (Kg/h) .
• Nồng độ nhập liệu : x
F
= 20%mol etanol.

• Nồng độ sản phẩm đỉnh : x
D
= 85%mol etanol .
• Tỷ lệ thu hồi etanol : h= 98%.
• Khối lượng phân tử của rượu và nước : M
R
=46 , M
N
=18 .
• Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : t’
F
=28
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’
D
=35
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’
W
= 35
o
C .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu :
+ G
F
, F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h .

+ G
D
, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
W
,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ 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
• 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 (h=98%) : F.x
F
. h= D.x
D
(II.3)
Với : * Phân mol nhập liệu : x
F
= 0,20 (phân mol etanol ).
18).1(.46

x.46
FF
F
F
xx
x
−+
=
=
18).2,01(2,0.46
46.0,2
−+
=38,98%( theo khối lượng ) .
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M
F
=
18).1(.46
FF
xx −+
=46.0,2+(1-0,2).18= 23,6 (Kg/Kmol).
F =
F
F
M
G
=
6,23
2000
=84,745 (Kmol/h)

* Phân mol sản phẩm đỉnh : x
D
=0,85 (phân mol etanol) .
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
M
D
=
18).1(.46
DD
xx −+
=46.0,85+(1-0,85)=41,8 (Kg/Kmol).
Giải 3 phương trình (II.1),(II.2),(II.3),ta có :
13
Đồ Án Môn Hoc
D = 19,54 (Kmol/h)
W = 65,205 (Kmol/h)
x
W
= 0,0052 (phân mol etanol )
Suy ra , khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
M
W
=
18).1(.46
WW
xx −+
=46.0,0052+(1-0,0052).18=18,1456(Kg/Kmol).

Sản phẩm x (phần mol) y (phần mol)
t

0
điểm
sôi
F 0,2 0,531 83,2
D 0,85 0,862 78,5
W 0,0052 0,07 99
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP:
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm
lý thuyết là vô cực .Do đó ,chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều
hành (nhiên liệu ,nước và bơm…) là tối thiểu .
Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ
số hoàn lưu tối thiểu bằng cách :
+Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,85;0,85) ta kẻ một đường
thẳng tiếp tuyến với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có
y
o
= 0,26 .
+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi x
o
=0 thì
y
o
=
1
min
+Rx
x
D
=0,26

Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : R
xmin
= 2,269
2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp:
Ta có: R
x
= b . R
xmin
(b = 1,5
÷
2.5) (CT :IX.25, trang 158 ,[2])
Chọn vài giá trị b, ta sẽ có được những giá trị R tương ứng, từ đó xác
định R thích hợp (R
x
):
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 nồng độ làm việc với trục tung B trong đó :
14
Đồ Án Môn Hoc

1
x
+

=
x
D
R
B
(CT IX.21; trang 158 ;[2]).
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 đ
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 độ 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 nó cắt đường làm việc tại một điểm N.Đếm số bậc thay
đổi nồng độ N
L trn
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 số đĩa thực tế phải được hiệu chỉnh.
Dựa vào đồ thị ta xác định số bậc thay đổi nồng độ ta có kết quả sau:
Dựa vào bảng ta vẽ đồ thị phụ thuộc của N
l

(Rx+1) vào R
x.
Sau đó dựa
vào đồ thị xác định chỉ số R
x
thích hợp.
N
l
(Rx+1)

b
1,2 1,29 1,36 1,6 1,8 2
R
x
2,7228 2,927 3,0858 3,6304 4,084 4,538
B
0,228 0,2139 0,2080 0,1835 0,167 0,153
N
L
25,4 22,8 21,3 19,7 17,3 16
N
L
(R
x
+1)
94,559 89,53 87,02 86,58 87,95 88,608
15
Đồ Án Môn Hoc
Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R
x

= 3,6304


Đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ.
16
Đồ Án Môn Hoc
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC SỐ MÂM LÝ THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
y =
1
.
1
.
+
+
+ R
x
x
R
R
D
(CT: IX.20, trang144,[2]).
=
16304,3
85,0
.
16304,3
6304,3
+
+

+
x

= 0,78.x + 0.1835
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x
R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1 +
−
+
+
+
(CT: IX.22, trang158,[2])
=
0052,0.
16304,3
133,4
.
16304,3
33,46304,3

+
−
+
+
+
x

= 1,719.x – 0.0037
Với : f =
98,0.2,0
85,0
.
==
η
F
D
x
x
D
F
= 4,33 : chỉ số nhập liệu.
3 . Số mâm lý thuyết :
Từ đồ thị,ta có : 19,7 mâm bao gồm :

17 mâm cất kể cả mâm nhập liệu.
2,7mâm chưng.

Tóm lại ,số mâm lý thuyết là N
lt
= 19,7 mâm.

V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb
lt
tt
η
N
N =
trong đó: η
tb
: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi
tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,µ).
N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.
17
Đồ Án Môn Hoc
• Xác định hiệu suất trung bình của tháp η
tb
:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
x
x1
.
y1
y

α
*
*
−
−
=
(CT: IX.61, trang171,[2]).
Với : x :phân mol của rượu trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
* Tại vị trí nhập liệu :
x
F
= 0,2 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
F
= 0,531
t
F
= 83,4
o
C
+
2,0
2,01
.
531,01
531,0
x

x1
.
y1
y
α
F
F
*
*
F
−
−
=
−
−
=
F
F
= 4,52
+ Từ
%39,38=
F
x
và t
F
= 83,4
o
C , (hình1.28 trang 107 [1]) : µ
F
=49.10

-6
.9,81 = 0,4802.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,4802 (cP).
Suy ra : α
F
. µ
F
= 4,52.0,4802 =2,17
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
F
= 0,42.
* Tại vị trí mâm đáy :
x
W
= 0,0052 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
W
= 0,07
t
W
=99
o
C
+
0052,0
0052,01

.
07,01
07,0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
= 14,4
+ Từ
%31,1
18).1(.46
.46
=
−+
=
WW

W
W
xx
x
x
và t
W
= 99
o
C ,(hình1.28 trang 107 [1]) :
µ
W
=29.10
-6
.9,81= 0,284.10
-3
(N.s/m
2
) = 0,284 (cP).
Suy ra : α
W
. µ
W
= 14,4.0,284 = 4,089.
Tra tài liệu tham khảo(hình IV.11trang 171 [2]) : η
W
= 0,34
*Tại vị trí mâm đỉnh :
x
D

= 0,85 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y
*
D
= 0,862
t
D
= 78,5
o
C
+
85,0
85,01
.
862,01
862,0
x
x1
.
y1
y
α
D
D
*
*
D
−
−
=
−

−
=
D
D
= 1,102
+ Từ
%5,93
18).1(.46
.46
=
−+
=
DD
D
D
xx
x
x
và t
D
= 78,5
o
C , (hình1.28 trang 107 [1]) :
18
Đồ Án Môn Hoc
µ
D
=50.10
-6
.9,81= 0,4905.10

-3
(N.s/m
2
)
= 0,4905 (cP)
Suy ra : α
D
. µ
D
= 1,102.0,4905 = 0,54
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
D
= 0,58
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
η
tb
=
446,0
3
58,034,042,0
3
=
++
=
++
DWF
ηηη
• Số mâm thực tế của tháp N
tt
:

446,0
7,19
=
tt
N
=44,17 mâm
Vậy chọn N
tt
= 44 mâm
Số đĩa thực tế phần cất:
38
446,0
17
==
ttl
N
mâm kể cả mâm nhập liệu.
Số đĩa thực tế phần chưng:

6
446,0
7,2
==
ttc
N
mâm.
19
Đồ Án Môn Hoc
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) (CT IX.90 trang 181, [2]).
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) (CT IX.91trang 181,[2]).
g
d
: lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g
1
: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
• Xác định g
d
: g
d
= D.(R+1) =19,54.(3,6304+1) = 90,478 (Kmol/h)
= 3812,38(Kg/h)
(Vì M
thD
=46.y
D
+(1-y
D
).18 = 46.0,862+(1-

0,862).18=42,136( Kg/Kmol).
• Xác định g
1
: Từ hệ phương trình :





=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg


11
1111
11
(III.1)
Với : G
1
: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r

d
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1
: t
1
= t
F
= 83,2
o
C ,( tra bảng I-212, trang 254 [1]) ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r
N1
= 42067,29 (KJ/kmol) .
Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r
R1
= 38842,11 (KJ/kmol) .
Suy ra : r
1
= r
R1
.y
1
+ (1-y
1
).r
N1
= 42067,29 – 3225,18.y
1
(KJ/kmol)

* Tính r
d
: t
D
= 78,5
o
C , (tra bảng I-212, trang 254 [1]), ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r
Nd
= 42854,82 (KJ/kmol) .
Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r
Rd
= 39645,22(KJ/kmol) .
20
Đồ Án Môn Hoc
Suy ra : r
d
= r
Rd
.y
D
+ (1-y
D
).r
Nd
=39645,22.0,862 + (1- 0,862).42854,82
= 40088,14 (KJ/kmol).
* x
1
= x

F
= 0,2
Giải hệ (III.1) , ta được : G
1
= 69,01 (Kmol/h)
y
1
= 0,343 (phân mol etanol) _ M
1
=27,604
g
1
= 88,55 (Kmol/h) = 2444,3342(Kg/h)
Vậy : g
tb
=
2
1ggd +
=
35,3128
2
3342,244438,3812
=
+
(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=
(CT111,trang186,[1]).
Với : r
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
r
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác định
ρ
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.18.146.
+
−+
=
tb
tbtb

ytb
t
yy
ρ
(CT IX.102,trang 183,[2]).
Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy +
=
2
862,0343,0 +
=0,6025
+ Nhiệt độ trung bình đoạn cất : t
tb
=
2
DF
tt +
=
2
5,782,83 +
=80,85
o
C
Suy ra :
( )
[ ]

( )
273.4,22
273.18.146.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
=
( )
[ ]
( )
27375,80.4,22
273.18.6025,0146.6025,0
+
−+
=
ytb
ρ

=1,171 (Kg/m
3
).
• Xác định ρ
xtb
:

Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
=
2
DF
xx +
=
2
85,02,0 +
= 0,525.
Suy ra :
18).1(.46
.46
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
=
18).525,01(525,0.46
525,0.46
−+
=73,85% .
t
tb
= 80,85
o

C , (tra bảngI.2 trang 9 [1])ta có :
ρ
xtb

= 793,65 (Kg/m
3
)
Suy ra :
211,1
65,793
.05,0=
gh
ω
=1,28 (m/s) (CT IX.111,trang186,[2]).
21
Đồ Án Môn Hoc
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
28,1.8,0.8,0 ==
ghh
ωω
= 1,024 (m/s) (CT IX.111,trang186,[2]).
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
cất
=
060,1.211,1
35,3128
.0188,0
= 0,94 (m).
2. Đường kính đoạn chưng :

a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
(Kg/h) (CT IX.96 trang 182,[2]).
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng (Kg/h).
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
• Xác định g’
n
: g’
n
= g
1
= 2444,3342 (Kg/h)
• Xác định 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 đĩa thứ nhất của đoạn chưng .
r’
1

: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0,0052 tra đồ thị cân bằng của hệ ta có : y
W
=0,07
Suy ra :M
tbg’
=46.y
W
+(1-y
W
).18=46.0,07

+(1-0,07).18=19,96 (Kg/kmol)
t’
1
= t
W
= 99
o
C ,( tra bảng I-212, trang 254, [1]),ta có :
Ẩn nhiệt hoá hơi của nước : r’
N1
= 41366,42 (KJ/kmol) .
Ẩn nhiệt hoá hơi của rượu : r’
R1
= 38125,67 (KJ/kmol) .

Suy ra : r’
1
= r’
R1
.y
W
+ (1-y
W
).r’
N1
= 38125,67.0,07+ (1-0,07).41366,42=
41139,56 (KJ/kmol)
* Tính r
1
: r
1
= 42067,29 – 3225,18.y
1
=42067,29–3225,18.0,343
=40961,06(KJ/kmol).
* W = 65,205 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’
1
=0,0424(phân mol etanol) _ M
tbG’
=19,187
G
’
1
= 153,36 (Kmol/h)

g’
1
= 88,16(Kmol/h) = 1691,54(Kg/h)
Vậy : g’
tb
=
9371,2067
2
54,16913342,2444
=
+
(Kg/h),
22
Đồ Án Môn Hoc
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
=
(CT111,trang186,[1]).
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 định
ρ
'
ytb
:
( )
[ ]
( )
273'.4,22
273.18.'146.'
'
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy

ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình :
y’
tb
=
2
1 W
yy +
=
2
07,0343,0 +
=0,2065
+ Nhiệt độ trung bình đoạn chưng : t’
tb
=
2
WF
tt +
=
2
992,83 +
=91,1
o
C
Suy ra :
( )
[ ]
( )
2731,91.4,22

273.18.2065,0146.2065,0
'
+
−+
=
ytb
ρ
=0,763 (Kg/m
3
).
• Xác định
ρ
'
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x’
tb
=
2
WF
xx +
=
2
0052,02,0 +
= 0,1026
Suy ra :
18).'1('.46
'.46
'
tbtb

tb
tb
xx
x
x
−+
=
=0,226% .
t’
tb
= 91,1
o
C ,(tra bảngI.2 trang 9 [1]),ta có :
Khối lượng riêng của nước :
ρ
'
N
= 724,654(Kg/m
3
)
Khối lượng riêng của rượu :
ρ
'
R
= 964,377(Kg/m
3
)
Suy ra :
ρ
'

xtb
= 909,09 (Kg/m
3
)
Suy ra :
763,0
09,909
.05,0' =
gh
ω
=1,72 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
72,1.8,0'.8,0' ==
ghh
ωω
= 1,37 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn cất :
D
chưng
=
376,1.763,0
937,2067
.0188,0
= 0,83 (m).
Kết luận : hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng không chênh lệch nhau
quá lớn nên ta chọn đường kính của toàn tháp là : D
t
= 1 (m).
23
Đồ Án Môn Hoc

Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+ Phần cất : ω
lv
=
913,0
211,1.1
35,3128.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
==
ytbt
tb
D
g
ρ
(m/s).
+ Phần chưng :ω’
lv
=
957,0
763,0.1
9375,2067.0188,0
'.
'.0188,0
2
2

2
2
==
ytbt
tb
D
g
ρ
(m/s).
II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM :
1 . Cấu tạo mâm lỗ :
Chọn : + Đường kính lỗ : d
l
= 3 (mm).
+ Tổng diện tích lỗ bằng 9,77% diện tích mâm.
+ Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 2,5 lần đường kính lỗ (bố trí lỗ theo
tam giác đều ).
+ Tỷ lệ bề dày mâm và đường kính lỗ là 6/10 .
+ Diện tích dành cho ống chảy chuyền là 20% diện tích mâm .
Số lỗ trên 1 mâm :
N =
lo
mâm
S
%.77,9 S
=
2
2
005,0
1

.0977,0.0977,0






=








l
t
d
D
~3908 lỗ.
N=3a.(a-1)+1
Giải phương trình bậc 2 ta có:a=37.
Vậy số lỗ trên đường chéo:b=2.a=2.37=74 lỗ
2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm :
Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ
giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp do pha lỏng :
h
tl
= h

k
+ h
l
+ h
R
(mm.chất lỏng)
Với : + h
k
:độ giảm áp qua mâm khô (mm.chất lỏng).
+ h
l
: độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm.chất lỏng).
+h
R
: độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm.chất lỏng).
Trong tháp mâm xuyên lỗ ,gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆ là
không đáng kể nên có thể bỏ qua .
24
Đồ Án Môn Hoc
a . Độ giảm áp qua mâm khô :
Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổn thất áp
suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khí chuyển động
qua lỗ.
L
G
o
o
L
G
o

o
k
C
u
g
C
v
h
ρ
ρ
ρ
ρ
0,51
2
.
2
2
2
2








=

















=
(mm.chất lỏng)
Với : + u
o
:vận tốc pha hơi qua lỗ (m/s).
+
ρ
G
: khối lượng riêng của pha hơi (Kg/m
3
).
+
ρ
L
: khối lượng riêng của pha lỏng (Kg/m
3

).
+ C
o
:hệ số orifice ,phụ thuộc vào tỷ số tổng diện tích lỗ với diện tích mâm
và tỷ số giữa bề dày mâm với đường kính lỗ.
Ta có :
mâm
S
S
lo
∑
=0,0977 và
l
mâm
d
δ
=0,6 .Tra tài liệu tham khảo [1 – trang 111] :
C
o
= 0,745
• Đối với mâm ở phần cất :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u
o
=
0977,0
913,0
%77,9
=
lv
ω

=9,344 (m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi :
ρ
G
=
ρ
ytb
= 1,211 (Kg/m
3
).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng :
ρ
L
=
ρ
xtb
= 793,65 (Kg/m
3
).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần cất :
65,793
211,1
.
745,0
344,9
.0,51
2
2









=
k
h
=12,24 (mm.chất lỏng).
• Đối với mâm ở phần chưng :
+ Vận tốc pha hơi qua lỗ : u’
o
=
0977,0
957,0
%77,9
'
=
lv
ω
=9,79(m/s).
+ Khối lượng riêng của pha hơi :
ρ
G
’ =
ρ
’
ytb
= 0,763 (Kg/m

3
).
+ Khối lượng riêng của pha lỏng :
ρ
’
L
=
ρ
’
xtb
= 909,09 (Kg/m
3
).
Suy ra độ giảm áp qua mâm khô ở phần chưng :
09,909
763,0
.
745,0
79,9
.0,51'
2
2









=
k
h
= 7,39 (mm.chất lỏng).
b . Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm :
Phương pháp đơn giản để ước tính độ giảm áp của pha hơi qua mâm
do lớp chất lỏng trên mâm h
l
là từ chiều cao gờ chảy tràn h
w
, chiều cao
25