thiết kế hệ thống chưng cất mâm xuyên lỗ acid axetic nước

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

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

II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM
1 . Cấu tạo mâm lỗ
2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
1
1
1
2
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26

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

II . KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
2
5
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59

60
61
62
63
64
65
6
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
3
9
66
10
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công
nghiệp nước ta nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công
nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng
sản phẩm hóa học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có
độ tinh khiết cao phải phù hợp với quy trình sản suất hoặc nhu cầu
sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh
khiết: trích ly, chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu
của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với
hệ acid axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng
phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho acid axetic.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò là một môn học mang tính
tổng hợp trong quá trình học tập của các kỹû sư hoá- thự c phẩm
tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ
thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bò trong

sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên
vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết
những vấn đề kỹû thuật thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic -
Nước hoạt động liên tục với nâng suất nhập liệu : 5m
3
/h có nồng độ
8% mol acid axetic ,thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 0.5% mol
acid axetic với nồng độ dung dịch đáy acid axetic là 30%.
Em chân thành cảm ơn các q thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bò,
các bạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong
quá trình hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong
q thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
4
13
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81

82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
14
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
5
17
106
107

108
109
18
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất :
Chưng cất là qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng)
thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi
của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp suất), bằng cách
lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật
chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc,
chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi,
còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu
cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có
2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu
gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm
đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với
hệ acid axetic - nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm nước và một ít
acid axetic , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm acid axetic và
một ít nước.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
• Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và
áp suất cao. Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào
nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử
quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của
các cấu tử.
• Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và
liên tục.

* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đïc sử
dụng trong các trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ

sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bò hoạt động liên
tục) là quá trình được thực hiện liên tục, nghòch dòng, nhều
đoạn.
6
21
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126

127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
22
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng
hơi nước: thường được áp dụng trường hợp chất được tách không
tan trong nước .
Vậy: đối với hệ acid axetic – Nước, ta chọn phương pháp chưng
cất liên tục cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
7
25
146
147

148
149
150
151
26
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
2 . Thiết bò chưng cất:
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng
đều có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải
lớn ,điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vaò lưu
chất kia .
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp
lớn nhất thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích
thước của tháp : đường kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất
lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta
khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp
chêm.
• Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn
các mâm có cấu tạo khác nhau để chia thân tháp thành những
đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi đựơc cho tiếp
xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đóa, ta có:
* Tháp mâm chóp : trên mâm có chóp dạng tròn hay một
dạng khác,có rãnh xung quanh để pha khí đi qua va ống chảy
chuyền có hình tron
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính
3-12mm được bố trí trên các đỉnh tam giác,bước lổ bằng 2,5 đến
5 lần đường kính
• Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với
nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo
một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.

• So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :
Tháp chêm.
Tháp mâm xuyên
lo.ã Tháp mâm chóp.
Ưu điểm: - Đơn giản.
- Hiệu suất tương đối
cao. - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp.
- Hoạt động khá ổn
đònh.
- Hoạt động ổn
đònh.
- Làm việc với chất
lỏng bẩn.

Nhược
điểm:
- Hiệu suất
thấp.
- Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.

8

- Độ ổn đònh
kém.
- Yêu cầu lắp đặt
khắt khe -> lắp đóa
thật phẳng. - Trở lực lớn.
29
152

153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
179
30
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
9
33
180

34
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa
tháp chêm và tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là
tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ acid axetic - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ
hoạt động liên tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp acid axetic - Nước.
1 . Etanol: (Còn gọi là rượu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm).
Etanol có công thức phân tử: CH
3
-CH
2
-OH, khối lượng phân tử: 46
đvC. Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong
nước.
• Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:
+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3
o
C.
+ Khối lượng riêng: d
4
20
= 810 (Kg/m
3
).
• Tính chất hóa học:
Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH)
của etanol là thể hiện tính chất hoá học của nó.

* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CH
2
-O
-
+ H
+
Hằng số phân ly của etanol:
18
10
23
−
−−
=
OHCHCH
K
, cho nên
etanol là chất trung tính.
+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại
kiềm, Natri hydrua(NaH), Natri amid(NaNH
2
):
CH
3

-CH
2
-OH + NaH CH
3
-CH
2
-ONa + H
2
Natri etylat
Do
14
10
223
−
−−
=<
OHOHCHCH
KK
: tính acid của rượu nhỏ hơn tính
acid của nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bò
thuỷ phân thành rượu trở lại.
+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ
tương đương với nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ
H
2
SO
4
, HNO
3
và acid hữu cơ đều tạo ra ester.

CH
3
-CH
2
-OH + HO-SO
3
-H CH
3
-CH
2
O-SO
3
-H +
H
2
O
CH
3
-CH
2
O-H + HO-CO-CH
3
CH
3
-COO-C
2
H
5
+
H

2
O
* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
10
Lạnh
H
+
37
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202

203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
38
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
+ 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.
11
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
+ 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
41
218

219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248

249
250
251
252
253
254
255
256
257
42
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Sơ đồ tóm tắt vò trí của etanol trong các ngành công nghiệp.
• Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol:
hydrat hoá etylen với xúc tác H
2
SO
4
; thuỷ phân dẫn xuất
halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác dung
dòch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…
Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên
men từ nguồn tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước
ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm
men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:
C
6
H
6
O
6

2C
2
H
5
OH + 2CO
2
+ 28 Kcal
Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO
2
.
5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ:
glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid
hữu cơ(lactic, butylic…).
2 . Nước:
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không
mùi, không vò nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
Khối lượng phân tử : 18 g / mol
Khối lượng riêng d
4
0
c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 0
0
C
Nhiệt độ sôi : 100
0
C
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái
đất là nước biển) và rất cần thiết cho sự sống.

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều
chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
3 . Hỗn hợp Etanol – Nước:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn
hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg:
x(%phân
mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân
mol) 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100
t(
o
C)
118.
4
115.
4
113.
8
110.
1
107.
5
105.
8
104.
4
103.
3
102.
1

101.
3
100.
6 100

12
Nấm men
Zymaza
45
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278

279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
46
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
13
49
289
50
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:
Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H
2
O, nhiệt độ sôi là
78,3
0
C ở 760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100
o
C ở 760mmHg : hơi
cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh
khiết cao là phương pháp chưng cất.
Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc
vì các cấu tử đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương

pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ do phải đưa vào một
khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá
trình tách không được hoàn toàn.
* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 . Bồn chứa nguyên liệu.
2 . Bơm.
3 . Bồn cao vò.
4 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bò trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bò gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.
10 . p kế.
11 . Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
15 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
16 . Bộ phận phân dòng.
14
53
291
292
293
294
295
296
297

298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327

328
329
54
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
15
57
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
58
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
16
61
341
62
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
17
65
342
343
344
345

346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
66
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol),
nhiệt độ khoảng 28
0

C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2)
bơm lên bồn cao vò (3). Từ đó được đưa đến thiết bò trao đổi nhiệt
(5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun
sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bò gia nhiệt(6)ù, hỗn hợp được đưa
vào tháp chưng cất (8) ở đóa nhập liệu.
Trên đóa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất
của tháp chảy xuống. Trong tháp hơi, đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ
trên xuống. Ở đây, có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau.
Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm
nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bò pha hơi tạo nên từ nồi đun
(12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi.Nhiệt độ càng lên trên càng thấp,
nên khi hơi đi qua các đóa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao
là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn
hợp có cấu tử etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 85% phân mol).
Hơi này đi vào thiết bò ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn.
Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bò làm nguội sản phẩm
đỉnh (13), được làm nguội đến 35
0
C , rồi được đưa qua bồn chứa sản
phẩm đỉnh (14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu
về tháp ở đóa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có
nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao
trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được
hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi ( nước). Hỗn hợp
lỏng ở đáy có nồng độ etanol là 0,11 % phân mol, còn lại là nước.
Dung dòch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun
dung dòch lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp
tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi nhiệt với
dòng nhập liệu trong thiết bò (5) (sau khi qua bồn cao vò).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản

phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 60
0
C
được thải bỏ.
18
69
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393

394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
70
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu:
• (
x
=x
1
*M
1
/(x
1
*M
1
+(1-x
1

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

D
= 0.5% mol acid
axetic( x
D
=0.995)
• Nồng độ sản phẩm đáy : x
W
= 30% mol acid axetic.(x
W
=0.7)
• Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : M
A
=60 kg/kmol ,
M
N
=18 kg/kmol .
• Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : t’
F
=28
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’
D
=35
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’
W
= 35

o
C .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu :
+ G
F
, F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
D
, D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ G
W
,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ x
i
,
i
x
: phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN
PHẨM ĐÁY :
19
73
407
408
409
410
411
412
413

414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
74
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

• Cân bằng vật chất cho toàn tháp : F = D + W
(II.1)
• Cân bằng cấu tử : F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W
(II.2)
Với : * Phân mol nhập liệu : x
F
= 8%(phân mol acid axetic ).
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M
F
=
18).1(.60
FF
xx −+
= 21.36 (Kg/Kmol).
F =
F
F
M
G
=
36.21
8.5025
=235.29 (Kmol/h)
* Phân mol sản phẩm đỉnh : x

D
=0,5% (phân mol acid axetic
) .

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
M
W
=
18).1(.60
WW
xx −+
= 30.6 (Kg/Kmol).
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
M
D
=
18).1(.60
DD
xx −+
=18.21 (Kg/Kmol).
Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có :
20
77
442
443
444
445
446
447
448

449
450
451
452
453
454
455
456
78
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
D =175.47 (Kmol/h)
W = 59.819 (Kmol/h)

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

o
=0 thì
y
o
=
1
min
+R
x
D
=0.32
Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : R
min
= 2.109
or
R
min
=
x
y
y
x
F
F
F
D
−
−
*
*

=
92.0945.0
945.0995.0
−
−
=2
Tỉ số hoàn lưu thích hợp:R
X
=1.3R
min
+0.3=2.9
2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp:
Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,thiết bò
ngưng tụ ,nồi đun và công để bơm cũng tăng theo.Chi phí cố đònh sẽ
giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần
,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu .
Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố đònh và chi phí điều hành . Tỉ
số hoàn lưu thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu .
Tuy nhiên ,đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm
soát nên người ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện
tháp nhỏ nhất .Để tính được tỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện
tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối
quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn R
th
ứng với
thể tích tháp là nhỏ nhất.
Nhận thấy ,tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp ,mà
lượng hơi lại tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp ,do trong điều
kiện làm việc nhất đònh thì G
D

sẽ không đổi nên lượng lỏng hồi lưu
sẽ tỉ lệ với (R+1) ,do đó , tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1). Ngoài ra
21
81
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482

483
484
485
486
487
488
489
490
491
82
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
,chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vò chuyển khối m
ox
hay số mâm lý
thuyết N
lt
.Cho nên ,thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số
m
ox
*(R+1) .Như vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và V
tháp
theo
quan hệ R và m
ox
*(R+1) .Từ đồ thò của quan hệ này ,ta xác đònh
được điểm cực tiểu của m
ox
*(R+1) ứng với tỉ số hoàn lưu thích hợp R
.

R m
ox
m
ox
*(R+1)
2.496 47.818 167.173
2.723 37.733 140.480
2.973 32.801 130.320
3.023 33.545 134.952
Vậy : Tỉ số hoàn lưu thích hợp là R= 2,973 .
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆCSỐ MÂM LÝ
THUYẾT:
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất :
y =
1
.
1
.
+
+
+ R
x
x
R
R
D
=
19,2
995,0
.

19,2
9,2
+
+
+
x

=0,7436.x + 0.2551
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x
R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1 +
−
+
+
+
=
7.0.
19,2
1341.1

.
19,2
341.19,2
+
−
+
+
+
x

= 1.087x – 0.0612
22
85
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508

509
86
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Với : f =
47.175
29.235
=
D
F
= 1.341 : chỉ số nhập liệu .
3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thò xác đònh số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ).

23
89
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524

525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
90
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
Từ đồ thò ,ta có : 29 mâm bao gồm : 19 mâm cất
1 mâm nhập liệu
5 mâm chưng(4 mâm chưng+1
nồi đun)
Tóm lại ,số mâm lý thuyết là N
lt

= 28 mâm .
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb
lt
tt
η
N
N =
(st2/170)
trong đó: η
tb
: hiệu suất trung bình của đóa, là một hàm số của độ
bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,µ).
N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.
• Xác đònh hiệu suất trung bình của tháp η
tb
:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
x
x1
y1
y
*

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

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

-3

(N.s/m
2
)
= 0,422 (cP)
Suy ra : 
F
.
F
= 7,129.0,422 =3,007
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : 
F
= 0,395
* Tại vò trí mâm đáy :
x
W
= 0.7 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
W
= 0.795
24
93
547
548
549
550
551
552
553

554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
94
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
t

W
= 102.1
o
C
+
7.0
7.01
.
795.01
795.0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
= 1.662
+ Từ

%29,0
18).1(.46
.46
=
−+
=
WW
W
W
xx
x
x
và t
W
= 100
o
C ,tra tài liệu
tham khảo [4(tập 1) – trang 107] :

W
=25.10
-6
.9,81= 0,245.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,245 (cP)
Suy ra : 
W

.
W
= 16,177.0,245 = 3,967
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : 
W
= 0,365
*Tại vò trí mâm đỉnh :
x
D
= 0.995 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
D
= 0.997
t
D
= 100.22
o
C
+
995.0
995.01
.
997.01
997.0
x
x1
y1
y
α
D

D
*
*
D
−
−
=
−
−
=
D
D
= 1.67
+ Từ
%5,93
18).1(.46
.46
=
−+
=
DD
D
D
xx
x
x
và t
D
= 78,5
o

C ,tra tài liệu
tham khảo [4(tập 1) – trang 107] :

D
=51.10
-6
.9,81= 0,500.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,500 (cP)
Suy ra : 
D
.
D
= 1,049.0,500 = 0,525
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : 
D
= 0,600
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :

tb
=
4567,0
3
600,0365,0395,0
3
=
++

=
++
DWF
ηηη
• Số mâm thực tế của tháp N
tt
:
4567,0
28
=
tt
N
=52,55 mâm
Vậy chọn N
tt
= 53 mâm , gồm : 42 mâm cất
1 mâm nhập liệu
10 mâm chưng
25
97
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590

591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
98