Thiết kế tháp chưng cất ethanol và nước năng suất 5000kg trên giờ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Trường Đại Học Bà Rịa - Vũng Tàu Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
Khoa Hóa Học Và Công Nghệ Thực Phẩm
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Quá trình và thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm
1. Họ và tên sinh viên:
Đỗ Văn Kiên MSSV: 0952010082
Bùi Xuân Khương MSSV: 0952010080
Trịnh Đăng Khương MSSV: 095201081
Lớp: DH09H1
2. Nhiệm vụ đồ án:
Thiết kế tháp chưng cất Ethanol và Nước
Với dữ kiện:
Năng suất nhập liệu 5000kg/h.
Nồng độ Etanol: = 35% (khối lượng), = 90% (khối lượng).
Độ thu hồi Etanol:=99.5%
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
3.1. Giới thiệu sơ lược tổng quát về nguyên liệu
3.2. Thuyết minh quy trình công nghệ
3.3. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng
3.4. Tính toán và thiết kế thiết bị chính
3.5. Tính toán thiết bị phụ
3.6. Kết luận
4. Các bản vẽ:
Bản vẽ tay: 1 bản thiết bị chính trên giấy A1.
Bản vẽ máy: 1 bản sơ đồ công nghệ trên giấy A3
1 bản sơ đồ công nghệ trên giấy A1.
5. Ngày nhận đồ án: 17/2/2014
6. Ngày hoàn thành đồ án: 27/4/2014
7. Ngày bảo vệ và chấm đồ án:

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
1. Giảng viên hướng dẫn. Nhận xét:
Trang 1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải







Điểm:_______ Chữ ký:________
2. Giảng viên hay Hội đồng bảo vệ. Nhận xét:






Điểm:_______ Chữ ký:________

Điểm tổng kết:_____________
Trang 2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
Mục lục
Lời mở đầu 7
Chương 1: Tổng quan 8
I. Giới thiệu về nguyên liệu…………………………………………………… 8
1. Etanol 8

1.1. Tính chất vật lý……………………………………… 8
1.2. Tính chất hóa học 8
1.3. Ứng dụng 9
2. Nước 9
3. Hỗn hợp methanol – nước 9
II. Cơ sở chưng cất 11
1. Khái niệm 11
2. Thiết bị chưng cất 12
Chương 2: Quy trình công nghệ 14
I. Lựa chọn quy trình công nghệ 14
II. Thuyết minh quy trình công nghệ 15
Chương 3: Tính toán thiết kế 15
I. Số liệu ban đầu 16
II. Cân bằng vật chất 17
I. Cân bằng vật chất cho toàn tháp 17
II. Xác định chỉ số hoàn lưu 18
III. Các phương trình làm việc, số mâm lý thuyết 19
IV. Xác định số mâm thực tế 20
III. Cân bằng nhiệt lượng 20
1. Cân bằng nhiệt lượng giữa thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu với sản phẩm
đáy 20
2. Cân bằng nhiệt lượng cảu thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu 20
3. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất 21
4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ 21
IV. Tính toán thiết bị chính 21
1. Đường kính đoạn luyện 23
2. Đường kính đoạn chưng 23
3. Chiều cao của tháp 23
V. Tính toán kết cấu cảu tháp 24
1. Cấu tạo mâm lỗ 24

2. Trở lực của mâm xuyên lỗ 24
3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động 25
VI. Tính toán cơ khí của tháp 25
1. Bề dày tháp 28
2. Bích ghép thân, đáy và nắp 28
3. Đường kính của các ống 29
Trang 3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
4. Tai treo và chân đỡ 29
5. Tính bề dày lớp cách nhiệt 29
Chương 4: Tính thiết bị phụ 30
I. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu 30
1. Suất lượng nước cần làm lạnh 39
2. Xác định bề mặt truyền nhiệt 41
3. Cấu tạo của thiết bị 41
II. Thiết bị đun nóng sản phẩm đáy 42
1. Điều kiện nhiệt độ quá trình 44
2. Tải nhiệt 45
3. Tính chọn thiết bị 47
III. Thiết bị đun nóng dòng nhập liệu 49
1. Hiệu số truyền nhiệt 50
2. Bề mặt truyền nhiệt 52
3. Cấu tạo thiết bị 55
IV. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa dòng nhập liệu với sản phẩm đáy 57
1. Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy 58
2. Xác định bề mặt truyền nhiệt 60
3. Cấu tạo thiết bị 62
Kết luận 64
Tài liệu tham khảo 65
Trang 4

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
LỜI MỞ ĐẦU
Từ thế kỷ XI người ta đã biết ứng dụng quá trình chưng cất đơn giản trong
việc sản xuất rượu etylic. Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa học cũng như sử
dụng sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm rượu etylic có độ
tinh khiết cao là rất lớn.
Trong thực tế, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết :trích
ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tuy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự
lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với cồn thô gồm hai cấu tử etanol và nước hòa
lẫn hoàn toàn. Ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết khi thu
hồi etanol.
Quá tình chưng cất được sử dụng rộng rãi và có ý nghĩa quan trọng trong
ngành kỹ thuật hóa học. Tùy theo tính chất của hệ cấu tử đem chưng, độ tinh khiết của
sản phẩm, hiệu suất chưng, mà người ta chọn phương pháp thiết kế tháp cho phù hợp,
vì vậy việc thiết kế tháp chưng cất cho phù hợp với yêu cầu sản xuất đáp ứng yêu cầu
kỹ thuật và phải ít tốn kém về mặt kinh tế là điều rất quan trọng.
Trong đồ án môn học này thiết kế tháp chưng cất cồn thô hoạt động liên tục
với năng suất theo nguyên liệu đầu vào 5000 kg/h. Nồng độ dung dịch đầu 35% (khối
lượng), nồng độ sản phẩm đỉnh 90% (khối lượng), sản phẩm đỉnh có độ thu hồi 99,5%.
Tháp chưng cất loại mâm xuyên lỗ.
Trang 5
Cu
200-300oC
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
I. Giới thiệu chung về nguyên liệu
1. Etanol
1.1. Tính chất vật lý
Etanol còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn công nghiệp là một hợp chất
hóa học với công thức phân tử C

2
H
5
O H. Là chất lỏng không màu, trong suốt, mùi
thơm đặc trưng, dễ bay hơi, tan vô hạn trong nước.
Các thông số của etanol:
+ Khối lượng phân tử: 46 g/mol
+ Khối lượng riêng: d
4
15
= 0,7936 g/cm
3
+ Nhiệt độ nóng chảy: -114,15
o
C
+ Nhiệt độ sôi: 78,39
o
C
1.2. Tính chất hóa học
Phản ứng với kim loại kiềm, kiềm thổ.
2C
2
H
5
O H + 2 Na → 2C
2
H
5
O Na + H
2

Phản ứng este hóa giữa rượu và acid trong môi trường là acid sulfuric đặc
nóng
C
2
H
5
O H + CH
3
COOH → CH
3
COOC
2
H
5
+ H
2
O
Phản ứng tách nước để tạo thành olefin, trong môi trường acid sulfuric đặc ở
170
o
C.
C
2
H
5
O H → C
2
H
4
+ H

2
O
Phản ứng hydro và oxy hóa.
C
2
H
5
O H CH
3
CHO + H
2
1.3. Ứng dụng
Dùng để pha chế và sản xuất các loại rượu, bia và chế biến thức ăn, hương
liệu.
Dùng làm chất sát trùng, rửa vết thương và điều chế thuốc chữa bệnh.
Dùng sản xuất tơ nhân tạo, thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, nhựa, keo dán.
Dung môi hữu cơ: pha sơn, vecni…
Dung làm nguyên liệu sạch, có độ tinh khiết cao pha vào trong xăng được xem
là một hướng đi hiệu quả và được chú ý rất nhiều. Điều này giúp giải quyết vấn đề tài
nguyên môi trường ngày càng cạn kiệt.
2. Nước
Nước là một chất hóa học với công thức hóa học H
2
O. Trong điều kiện bình
thường nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị.
Trang 6
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung
môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
Các thông số của nước:

+ Khối lượng phân tử: 18g/mol
+ Khối lượng riêng ở d
4
15
: 1g/cm
3
+ Nhiệt độ nóng chảy: 0
o
C
+ Nhiệt độ sôi: 100
o
C
3. Hỗn hợp etanol – nước
Ta có bảng cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp etanol – nước:
Bảng số liệu cân bằng lỏng hơi của etanol và nước
t
o
C 100 90,3 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4
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
Trong đó: x là thành phần lỏng của etanol (%mol)
y là thành phần hơi của etanol (%mol)
Trang 7
Hệ Etanol-Nước
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
Hình vẽ: Giản đồ hệ etanol-nước
Hình vẽ: Giản đồ cân bằng lỏng hơi của etanol
II. Cơ sở chưng cất
1. Khái niệm
Chưng cất là phương pháp dùng nhiệt để tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các

hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành các cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau
của các cấu tử trong hỗn hợp.
Trang 8
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
Chưng cất khác cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn cô
đặc chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.
Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm, thường hỗn hợp có bao nhiêu cấu
tử thì có bấy nhiêu sản phẩm. Trường hợp có hai cấu tử thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là
cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi, sản phẩm đáy chủ yếu là cấu tử khó
bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi.
Vì vậy đối với hệ etanol – nước thì:
+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là etanol.
+ Sản phẩm đáy chủ yếu là nước.
Để có thể thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao người ta tiến hành chưng
nhiều lần (chưng luyện).
Khi tiến hành chưng cất cần chý ý:
Áp suất làm việc: chân không, áp suất cao hoặc áp suất thường. Nguyên tắc
của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các
cấu tử khá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.
Số cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ có ba cấu tử hoặc số cấu tử ít hơn
mười và nhiều cấu tử.
Phương thức làm việc: liên tục hay gián đoạn (chưng cất đơn giản).
Phương pháp chưng cất đơn giản( gián đoạn) 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, nhiều 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( Chưng bằng hơi nước
trực tiếp)
Ngoài ra còn có một số phương pháp chưng cất khác như:
• Chưng trích ly
• Chưng đẳng phí
2. Thiết bị chưng cất
Trong quá trình chưng cất có rất nhiều loại thiết bị chưng khác nhau và hiệu
quả của từng thiết bị cũng khác nhau, tuy nhiên tất cả các thiết bị đều có chung yêu
Trang 9
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
cầu về chất lượng thiết bị và sản phẩm. Tùy theo thành phần của nguyên liệu và yêu
cầu của sản phẩm mà chọn thiết bị cho phù hợp để có hiệu quả chưng cao nhất.
Một số ưu, nhược điểm của thiết bị chưng:
Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Thấp mâm chóp
Ưu
điểm
- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Làm việc với chất lỏng
bẩn
- Trở lực tương đối thấp.
- Hiệu suất cao.
- Khá ổn định.
- Hiệu suất cao.
- Ít hao năng lượng.
Nhược
Điểm

- Do có hiệu ứng thành
nên hiệu suất truyền khối
thấp.
- Độ ổn định thấp, khó
vận hành.
- Khó tăng năng suất.
- Thiết bị khá nặng nề.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
- Yêu cầu lắp đặt cao,
mâm lắp phải thẳng.
- Kết cấu phức tạp.
- Có trở lực lớn.
- Tiêu tốn nhiều vật
tư, kết cấu phức tạp.
Vậy: Chưng cất cồn thô dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở áp
suất thường.
Trang 10
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
I. Lựa chọn quy trình công nghệ
Etanol là chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi là 78,39
o
C ở
760mmHg, còn nước sôi 100
o
C ở 760 mmHg : hơi cách biệt khá xa nhau nên phương
pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất, và ở đây
chọn tháp chưng cất bằng mâm xuyên lỗ để hiệu quả tốt nhất, ít tốn năng lượng.
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.Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu.
4.Lưu lượng kế.
5.Nhiệt kế.
6. Áp kế.
7. Tháp chưng cất.
8.Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
9.Bộ phận chia dòng.
10.Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
11.Thiết bị đun sôi đáy tháp.
12.Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy.
13.Bồn chứa sản phẩm đáy.
II. Thuyết minh qui trình công nghệ.
Hỗn hợp etanol - nước có nồng độ etanol 35% ( theo khối lượng), nhiệt độ
khoảng 28
0
C tại bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm nguyên liệu đưa đến
thiết bị gia nhiệt (12) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy) đến 50
o
C. Sau đó được gia
nhiệt bằng hơi nước ở thiết bị trao đổi nhiệt (3), ở đây hỗn hợp được đun sôi đến
nhiệt độ 83,8
o
C, sau đó hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) 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 hơi nước được đưa vào

Trang 11
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
dưới đáy tháp. 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 (90% theo khối lượng). Hơi này đi
qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh (8) và được bộ phận chia dòng (9),chia một phần
chất lỏng được quay trở lại tháp làm dòng hồi lưu. Một phần chất lỏng rồi được đưa
qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (10).Tại đây, nhiệt độ còn khoảng 30
o
C.
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 chủ yếu là cấu tử khó bay hơi (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ etanol
là 0,28% (theo khối lượng), còn lại là nước. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp,
được đưa vào thiết bị đun sôi sản phẩm đáy (10) một phần sẽ hóa hơi để cung cấp hơi
cho tháp chưng cất, một phần vào thiết bị trao đổi nhiệt (12), sản phẩm đáy sau khi
trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu được đưa ra bồn chứa sản phẩm đáy (13).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol,sản phẩm đáy là
nước.
Trang 12
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
I. Số liệu ban đầu
Chọn loại tháp là tháp chưng mâm chóp.
Chưng luyện hỗn hợp etanol – nước, trong đó etanol là cấu tử nhẹ dễ bay hơi.
Hỗn hợp:
+ Etanol: M
E
= 46 (g/mol)
+ Nước: M

N
= 18 (g/mol)
Thông số của quá trình làm việc:
+ Năng suất sản phẩm đỉnh: G
F
= 5000 kg/h.
+ Nồng độ sản phẩm đỉnh: = 90% (kg etanol/ kg hỗn hợp)
+ Nồng độ nhập liệu: = 35% (kg etanol/ kg hỗn hợp)
+ Độ thu hồi etanol :η=99,5%.
Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu: 28
o
C
+Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t
o
D
= 30
o
C
+Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t
o
W
= 40
o
C
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
Các ký hiệu tính toán chung:
+ 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.
+ L suất lượng dòng hồi lưu (kmol/h)
+ x
i
, nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
II. Cân bằng vật chất
1) Cân bằng vật chất cho toàn tháp
Áp dụng cân bằng vật chất cho tháp chưng cất liên tục:
(I)
Từ đó ta có: =
Áp dụng công thức biến đổi từ khối lượng sang mol:
Nồng độ mol dòng nhập liệu:
= = 0.174
Nồng độ mol của sản phẩm đỉnh:

Khối lượng phân tử trung bình của dòng nhập liệu :
Trang 13
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
M
F
=46.x
F
+(1-x
F
).18 = 46*0.174+(1-0.174)*18=22.872 (kg/kmol)

Khối lượng phần tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
M
D
=46.x
D
+(1-x
D
).18=46*0.779+(1-0.779)*18=39.812(kg/kmol)
W= F – D = 218.6 - 48.6= 170 (Kmol/h)
(KL)
0.001 (kmol/kmol)
2) Xác định chỉ số hoàn lưu
Ta có:
X
F
=0.174 (kmol/kmol) y
F
* = 0.5
Ta có => R
min
=
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp:
R=1,3. R
min
+ 0,3=0,86.1,3+0,3=1,37
3) Các phương trình làm việc, số mâm lý thuyết
a. Phương trình làm việc phần chưng của tháp
y =
y = 2.476x + 0,0015
Với (chỉ số nhập liệu)

b. Phương trình làm việc phần luyện của tháp

y =
y = 0.578x + 0.328
c. Số mâm lý thuyết
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết.
Trang 14
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
R=1,37R
min
Từ đồ thị R=1,37R
min
ta có: 15 mâm bao gồm: +12 mâm cất.
+3 mâm chưng.
4) Xác định số mâm thực tế
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:
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
lth
:số mâm lý thuyết.
a. Xác định hiệu suất trung bình của tháp η
tb
+ Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
Trang 15

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
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
= 0,174 ta tra đồ thị cân bằng của hệ :
t
F
=83,8
o
C
== 4.747
+ Từ = 35% KL và t
F
=83,8
o
C
µ
F
=50.10
-6
9,81=0.49.10
-3
(N.s/m
2
) = 0.49( cP)
Suy ra: α
F
.µ

F
=4.7470.49=2.326
η
F
=0.4
 Tại vị trí mâm đáy tháp:
x
W
=0,001 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : 0.02
t
W
=99,5
o
C
= = 19.4
+ Từ 0.28% (KL) và t
W
= 99,5
o
C
µ
W
=3,4.10
-6
9,81=0,334.10
-3
(N.s/m
2
)
=0.334 ( cP)

Suy ra:α
W
.µ
W
=19.40.334 = 6.479
η
W
= 0.31
 Tại vị trí mâm đỉnh tháp:
x
D
=0.779, ta tra đồ thị cân bằng của hệ : 0.815
t
F
=78,8
o
C
+ Từ: 90% và t
D
= 78,8
o
C
µ
D
=56.10
-6
.9,81=0,549.10
-3
(N.s/m
2

) = 0,549 (cP)
Suy ra: α
D
.µ
D
=1.250.549= 0.686
Trang 16
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
η
D
=0.54
Vậy hiệu suất trung bình của tháp:
b. Số mâm thực tế của tháp N
tt
N
tt
= (mâm)
Vậy chọn N
tt
= 36 mâm, gồm:
(mâm)
N
tt cất
= =(mâm)
III. Cân bằng nhiệt lượng
1. Cân bằng nhiệt lượng thiết bị trao đổi nhiệt dòng nhập liệu với sản phẩm
đáy
Q
F
+ Q

xq
= Q
W
→ G
F
.C
F
.(t
F
– t
f
) + Q
xq
= W.C
W
.(t
W
– t
WR
)

Chọn nhiệt độ đầu và sau của nguyên liệu khi vào và ra thiết bị trao đổi nhiệt:
t
f
= 28
0
C, t
F
= 50
0

C
→ = 39
0
C
→ C
E
= 3642 ( J/kg.độ)
C
N
= 4181 ( J/kg.độ ),
→ C
F
= C
E
+ (1 - ).C
N
= 0,35.3642 + ( 1- 0,35). 4181
= 3992,35 ( J/kg.độ )
Dòng sản phẩm đáy:
Nhiệt của dòng sản phẩm đáy đưa ra: t
W
= 99,5
o
C
Chọn nhiệt độ sau khi trao đổi với dòng nhập liệu: t
WR
= 40
o
C
→ = = 69,75

o
C
→ C
E
= 3745 ( J/Kg.độ)
C
N
= 4191 ( J/Kg.độ),
Vì sản phẩm đáy chứa chủ yếu là nước nên nhiệt dung riêng của sản phẩm
tính theo công thức:
→ C
w
= .C
E
+ (1- ).C
N

= 0,0028.3745 + ( 1- 0,0028 ).4191 = 4189,75 (J/kg.độ)
Trang 17
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
Chọn Q
xq
= 5%.Q
W
→ 0,95.W.C
W
.(t
W
– t
WR

) = G
F
.C
F
.(t
F
– t
f
)
→ W = = 1854,35 (kg/h)
Lượng sản phẩm đáy dư: 3065,28 – 1854,35 = 1209,93 (kg/h)
Như vậy lượng sản phẩm đáy có thể gia nhiệt cho nguyên liệu hơn 50
o
C.
2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Q
D1
+ Q
f
= Q
F
+ Q
ngl
+ Q
xql
(*)
a) Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào Q
D1
+ Q
D1

= D
1
.r
1
- Công thức IX.150
+ D
1
: lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi hỗn hợp đầu , kg/h.
+ r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg.
Vì nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu vào tháp là 83,8
0
C nên nhiệt độ của hơi nước
phải cao, chọn 119,6
o
C tương ứng với nước sôi ở áp suất 2at và r
1
= 2171 J/kg
b) Nhiệt lượng hỗn hợp mang vào thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu Q
f
Q
f
= G
F
.C
f
.t
f
J/h. - Công thức IX.151 ).

Với: C
f
nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kg.độ
t
f
nhiệt độ đầu của hỗn hợp, xét ở 50
0
C (vì dòng nhập liệu đã qua thiết bị trao
đổi nhiệt với sản phẩm đáy).
Ta có:
C
f
= .C
E
+ (1 - ).C
N
: nồng độ phần khối lượng trong hỗn hợp đầu, = 0,35
C
E
, C
N
: nhiệt dung riêng của etanol và nước ở 50
0
C.
→ C
E
= 3667,5 J/kg.độ, tra tài liệu )
C
N
= 0,99919 kcal/kg.độ = 4183,4 J/kg.độ,

→C
f
= 0,35.3667,5 + (1 – 0,35).4183,4 = 4002.83 J/kg.độ
=>Q
f
= 5000.4002,83.50 = 1,0007.10
9
J/h
c) Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun sôi Q
F
Q
F
= G
F
.C
F
.t
F
J/h - Công thúc IX.152,
Với: C
F
: nhiệt dung riêng hỗn hợp đi ra thiết bị đun sôi, t
F
= 83,8
o
C
Ta có: C
F
= .C
E

+ (1 - ).C
N

C
E
,C
N
: nhiệt dung riêng của etanol và nước ở 83,8
o
C.
Tra bảng nhiệt dung riêng và theo phương pháp nội suy ta có :
Nhiệt dung riêng của etanol ở 83,8
o
C :
→C
E

= 3853,5J/kg.độ, tra tài liệu
Nhiệt dung riêng của nước ở 83,8
o
C :
C
N
= 1,00372 Kcal/kg.độ = 4201,37 J/kg.độ ,
→ C
F
= 0,35.3853,5 + (1- 0,35).4201,37 = 4079,615 J/kg.độ
= > Q
F
= 5000. 4079,615.83,8 = 1,7093.10

9
J/h .
Trang 18
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
d) Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q
ngl
Q
ngl
= G
ng1
.C
1
.t
ng
= D
1
.C
1
.t
ng
G
ng1
lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt (kg/h).
e) Nhiệt lượng tổn hao ra môi trường xung quanh Q
m
Q
m
= 0,05.Q
D1

Thay vào (*) ta được:
Q
D1
+ Q
f
= Q
F
+ D
1
.C
1
.t
ng
+ 0,05.Q
D1

= > Q
D1
= 3,436.10
5
J/h
→ D
1
= = 158,268 kg/h
→ Q
xq1
= 0,05. 3,436.10
5
= 1,72.10
4

J/h
3. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất
Phương trình cân bằng năng lượng
Q
F
+ Q
D
2
+ Q
R
= Q
y
+ Q
w
+ Q
xq
2
+ Q
ng
2

Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào Q
F
(J/h)
Q
F
= 1,7093.10
9
J/h
Nhiệt lượng do hơi nước mang vào tháp Q

D
2
(J/h)
Q
D
2
= D
2
.λ
2
= D
2
.(r
2
+ C
2
.t
2
)
Dùng hơi nước từ nồi đun sản phẩm đáy Kette có nhiệt độ là 105
o
C, r
2
=
2173.10
3
(J/kg).
+ λ
2
: nhiệt lượng riêng của hơi đốt ( J/kg)

+ r
2
: ẩn nhiệt hóa hơi ( J/kg)
+ t
2
, C
2
: nhiệt độ (
o
C) và nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)
Nhiệt lượng do lưu lượng lỏng hồi lưu mang vào
Q
R
= G
R
. C
R
. t
R

+ C
R
= C
D
: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh :
+ Ta có x
D
=0,779 t
D
= 78,8

o
C
→ C
N
= 4196,6 ( J/kg.độ),
C
E
= 3098 (J/kg.độ )
C
D
= C
R
= . C
E
+ ( 1 - ) .C
N

→ C
D
= 0,9. 3098 + ( 1 – 0,9 ). 4196,6 = 3207,86 (J/kg.độ)
G
R
= G
D
.
R = 1934,72.1,37 = 2650,566 (kg/h)
+ t
R
= t
D

= 78,8
o
C

→ Q
R
= 2650,566. 3098.78,8 = 6,47.10
8
J/h
Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Q
y
:
Q
y
=
D
.( 1+ R).λ
D

Nhiệt lượng riêng của hơi ở đỉnh tháp λ
D
:
Trang 19
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
λ
D
= λ
E
.
D

y

+ λ
N
( 1 -
D
y
)
Với:
D
y
= 0,9 (phần khối lượng )
λ
E
, λ
N
: nhiệt lượng riêng của etanol, nước :
λ
E
= r
E
+ t
D
.C
E
λ
N
= r
N
+ t

D
.C
N
Trong đó: r
N
, r
E
, C
E
, C
N
tra ở bảng I.212 và bảng I.153
ở t
D
= 78,8
o
C
C
E
= 2605 ( J/kg.độ )
C
N
= 4196,6 (J/kg.độ )
ta được r
E
, r
N
:
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r
E

= 869,44.10
3
(J/kg)
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước:

r
N
= 2315,5.10
3
( J/kg)
→ λ
N
= 2315,5.10
3
+ 78,8. 4196,6 = 2,646.10
6
(J/kg)
λ
E
= 869,44.10
3
+ 78,8. 2605 = 1,075.10
6

(J/kg)
→ λ
D
= 1,075.10
6

.0,82 + 2,646.10
6
.0,18 = 1,357.10
6
(J/kg)
→ Q
y
= 1943,72.(1 + 1,37). 1,357.10
6
= 6,251.10
9
(J/h)
Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra Q
w

Q
w
=
. .
w w
W C t
GW
= 3065,28 (Kg/h)
t
w
= 99,5
o
C

w

x
= 0,0028 ( phần khối lượng )
Ở nhiệt độ 99,5
o
C
→ C
E
= 4070 (J/kg.độ)
C
N
= 4217,13 (J/Kg.độ)
→ C
w
= 0,0028. 4070 + (1-0,0028).4217,13 = 4216,718 (J/kg.độ )
→ Q
w
= 3065,28. 4216,718.95,5 = 1,234.10
9
( J/h)
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Q
xq2
:
Lấy Q
xq2
= 5%.Q
D
2
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra Q
ng2
(J/h)

Q
ng2
= G
ng2
. C
2
.t
2
Vậy lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch ở đáy tháp:
D
2
=
2
2 2
0.95*
y w xq F R y w F R
Q Q Q Q Q Q Q Q Q
r
λ
+ + − − + − −
=
Trang 20
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
→ D
2
= = 2484,414 (kg/h)
4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
 Ngưng tụ hồi hoàn toàn:
G
D

.(R
X
+ 1).r
D
= G
n1
.C
n
(t
2
- t
1
)
Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh t
1
= 28
o
C, t
2
= 40
0
C
t
=

= 34
0
C
Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình C
N

= 4196,6 (J/kg.độ),
t
D
(hơi) = 78,8
0
C
Ẩn nhiệt hóa hơi t
D
= 78,8
o
C:
r
E
= 869,44.10
3
(J/kg), r
N
= 2315,5.10
3
( J/kg)
→ r
D
= 0,9. 869,44.10
3
+ 0,1.2315,5.10
3
= 1,014.10
6
( J/kg)
Nên : G

đ
= G
D
.(R
X
+ 1).r
D
= 1934,72 . (1,37+1) . 1,014.= 4649480410 (J/h)
Suy ra lượng nước lạnh cần tiêu tốn:
G
n
= = 32585,765 (kg/h)
IV. Tính toán thiết bị chính
Đường kính tháp được xác định từ công thức (IX.90)
, m
Hay, , m
Trong đó: 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
(ρ
y
.ω

y
)
tb
- tốc độ hơi trung bình đi trong tháp , kg/m
2
.s
1. Đường kính đoạn luyện
1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện g
tb

Có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng
của tháp g
đ
và lượng hơi đi vào dưới cùng g
1
của đoạn luyện:
g
tb
= , kg/h
Trong đó g
đ
= G
R
+G
D
= G
D
(R+1) công thức IX .92
Với: G
R

lượng lỏng hồi lưu , kg/h
G
D
lượng sản phẩm đỉnh, kg/h
R chỉ số hồi lưu
= > g
đ
= 1934,72.(1,37 +1) = 4585,286 kg/h
Lượng hơi đi vào đĩa đầu tiên của đoạn luyện được xác định theo hệ phương
trình cho ở trang 173 Sổ tay QTTB tập (2):
Trang 21
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải

Trong đó:
G
1
: lượng lỏng đĩa thứ nhất đoạn luyện
r
đ
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi ra khỏi đỉnh tháp
r
1
: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất đoạn luyện
r
1
= r
E
.y
1
+(1-y

1
).r
N

r
đ
= r
E
.y
đ
+(1-y
đ
).r
N
r
E
, r
N
: ẩn nhiệt hóa hơi của etanol và nước .
y
đ
= y
D
= 0,9 (phần khối lượng).
x
1
= x
F
=0.35 (phần khối lượng)
*Tính r

1
: Hỗn hợp đầu vào tháp ở 83,8
0
C nên ta phải tính r
M1
, r
N1
:
Theo bảng I.212 ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r
E
= 852,72.10
3
(J/kg)
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước:

r
N
= 2303,5.10
3
( J/kg)
→ r
1
= r
E
.y
1
+ (1- y
1
).r

N

→ r
1
= 852,72.y
1
+ (1 – y
1
). 2303,5
= 2303,5 - 1450,78y
1
(kJ/kg)
*Tính r
đ
: Hỗn hợp ở đĩa trên cùng tháp ở 78,8
0
C nên ta phải tính r
M
, r
N
:
Theo bảng I.212 ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r
E
= 869,44.10
3
(J/kg)
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước:

r

N
= 2315,5.10
3
( J/kg)
→ r
đ
= r
E
.y
đ
+ (1- y
đ
).r
N

→ r
đ
= 869,44.0,9 + (1 - 0,9). 2315,5 = 1014,046 kJ/kg
Vậy ta có hệ phương trình:
Giải hệ ta được :
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện :
g
tb
= = = 4017,142 kg/h
1.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong đoạn luyện
Tốc độ giới hạn của hơi đi trong tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền
được xác định bằng công thức
, m/s
Với : ρ
xtb

: khối lượng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
)
ρ
ytb
: khối lượng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
)
 Xác định ρ
xtb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.18.146.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
Trang 22
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
Với: + Nồng độ phần mol trung bình: y
tb
= 0,62 (phần mol)

+Nhiệt độ trung bình đoạn cất: t
tb
= = 81,3
o
C
Suy ra : ρ
ytb
=1,216 (Kg/m
3
).
 Xác định ρ
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình : x
tb
= = 0,476 (phần mol)
Suy ra
18).1(.46
.46
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
= 69,89 % (KL)
t
tb

= 81,3
o
C , ta có:
ρ
xtb
= 827.5 (Kg/m
3
).
Suy ra : =1,304 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
(m/s)
Vậy : đường kính đoạn cất :
D
luyện
== 1,05 (m).
2. Đường kính đoạn chưng
2.1. Lượng hơi trung bình trong đoạn chưng g’
tb

Có thể xem gần đúng bằng trung bình cộng lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng
g’
n
và lượng hơi đi vào đoạn chưng g’
1
:
g’
tb
=
2
''

1
gg
n
+
, kg/h
Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện:
→ g’
n
= g
1
= 3448,998 kg/h
Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’
1
, lượng lỏng G’
1
và hàm lượng lỏng x’
1
được xác định theo hệ phương trình,
(VI.2)
Trong đó r’
1
:ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn
chưng, được tính theo công thức:
r’
1
= r
a
.y’
1
+ (1-y’

1
).r
b

Với y’
1
= y
W
là thành phần cấu tử dễ bay hơi (etanol) trong pha hơi cân bằng
với pha lỏng trong sản phẩm đáy. Dựa vào đồ thị đường cân bằng etanol-nước, ứng
với x
W
= 0,0028 (KL) ta có y’
1
= y
W
= 0,0127 (phần khối lượng) =0,005 (phần mol).
Trang 23
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
t’
1
= t
W
= 99,5
o
C ta có:
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: r’
N1
= 2235,217 (KJ/kg).
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: r’

E1
= 812,045 (KJ/kg).
→ r’
1
= r
E1
.y’
1
+ (1 - y’
1
).r
N1
→ r’
1
= 812,045.0,0127 + (1 – 0,0127).2235,217 = 2217,143 kJ/kg
Thay r’
1
, g
1
, r
1
,, vào (VI.2) ta được:
 g’
l
. 2217,143 = 3448,998. 1348,128
→ g’
l
= 2097,154 kg/h
= 2097,154 + 3065,28 = 5162,434 kg/h
 5162,434.x’

l
= 2097,154. 0,0127 + 3065,28.0,0028
→ x’
l
= 0,0068 phần khối lượng
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng :
g’
tb
= = = 2773,076 kg/h
Lượng lỏng trung bình đi trong đoạn chưng:
G’
tb
= = = 3338,356 kg/h
Thành phần hơi trung bình đi trong đoạn chưng: y’
tb
=
Với y’
n
là hàm lượng trên đĩa trên cùng đoạn chưng xem bằng hàm lượng hơi
đĩa thứ nhất đoạn luyện:
y’
n
= y
1
= 0,51 (phần khối lượng) = 0,2894 (phần mol)
→ y’
tb
= = 0,1472 phần mol
Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp hơi trong đoạn chưng :
'M

hh
= y’
tb
.M
A
+ (1-y’
tb
).M
B

= 0,1472.46 + (1 – 0,1472).18 = 22,122 đvC
2.2. Tốc độ hơi trung bình trong đoạn chưng

Tốc độ giới hạn của hơi đi lỏng tháp với mâm xuyên lỗ có ống chảy chuyền:
, m/s
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 :
Trang 24
ĐỒ ÁN MÔN HỌC QT&TB GVHD: Th.S Nguyễn Quốc Hải
+ Nồng độ phân mol trung bình của pha hơi đáy tháp và đĩa nhập liệu:
y’
tb
=
2
1 W
yy +
=
2
005,02894,0 +
= 0,1472 phần mol
+Nhiệt độ trung bình đoạn chưng: t’
tb
=

2
WF
tt
+
=
2
5,998,83 +
= 91,65
0
C.
Suy ra : ρ’
ytb
= 0,739 (Kg/m
3
)
 Xác định ρ’
xtb
:
Nồng độ phần mol trung bình: x’
tb
=
2
WF
xx +
=
2
001,0174,0
+
= 0,0875
Suy ra:

18).'1('.46
'.46
'
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
=19,68 % (phần khối lượng) .
t’
tb
= 91,65
o
C , tra tài liệu tham khảo ( [3] -trang 9), ta có:
Khối lượng riêng của nước: ρ’
N
= 965(Kg/m
3
)
Khối lượng riêng của rượu: ρ
’
E
= 928 (Kg/m
3
)
Suy ra: ρ’
xtb

=
1
'
'1
'
'
−








−
+
N
tb
E
tb
xx
ρρ
= 957,487 (Kg/m
3
)
Suy ra: =1,799(m/s).
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp:
(m/s)
Vậy đường kính đoạn chưng: D

chưng
= (m).
Kết luận: Hai đường kính đoạn cất và đoạn chưng chênh lệch nhau không quá
lớn nên ta chọn theo chuẩn của toàn tháp là D
t
=1 (m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+Phần cất: ω
lv
=
=
ytbt
tb
D
g
ρ
.
.0188,0
2
2
1,167(m/s).
+Phần chưng: ω’
lv
=
=
ytbt
tb
D
g
'.

'.0188,0
2
2
ρ
1,326 (m/s).
3. Chiều cao của tháp
Trang 25