ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CỦA Hỗn hợp methanol – nƣớc

Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 1


CHƢƠNG I: TỔNG QUAN

I. Lý thuyết về chƣng cất:
1. Khái niệm:
Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các
ngành công nghiệp rất cần hóa chất có độ tinh khiết cao. Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp
lỏng thành các cấu tử riêng biệt bằng cách đun sôi hỗn hợp, tách hơi tạo thành để ngưng tụ. Cơ
sở của quá trình chưng dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp:
 Ở cùng một nhiệt độ, cấu tử nào có áp suất hơi lớn hơn sẽ dễ bay hơi hơn.
 Ở cùng một áp suất, cấu tử nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dễ bay hơi hơn.
Quá trình chưng cất khác quá trình cô đặc:
 Trong quá trình chưng cất, các cấu tử đều bay hơi nhưng với hàm lượng khác
nhau.
 Trong quá trình cô đặc, chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.
Quá trình chưng cất bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỷ XI. Ngày nay, quá trình
chưng cất được sử dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:
 Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng.
 Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ -190
o
C để sản xuất Oxy và Nitơ.
 Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng, ví dụ
như sản xuất methanol, etylen, propylene, butadiene… Dùng quá trình chưng để thu sản
phẩm.
 Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như etylic – nước
từ quá trình lên men.
Khi chưng, ta thu được nhiều sản phẩm. Thường hỗn hợp chứa bao nhiêu cấu tử thì có
bấy nhiêu sản phẩm. Trường hợp có hai cấu tử, theo sơ đồ chưng (hình 1.1) sẽ thu được:

 Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi.
 Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi.
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 2





Như vậy, khi chưng cất hệ methanol – nước sản phẩm đỉnh chủ yếu là methanol, sản
phẩm đáy là nước.
Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết sẽ tiến hành chưng nhiều lần (còn gọi là
chưng luyện hay chưng cất).
2. Các phƣơng pháp chƣng cất:
Phân loại theo áp suất làm việc:
 Áp suất cao.
 Áp suất thường.
 Áp suất thấp.
Phân loại theo nguyên lý làm việc:
 Chưng cất đơn giản.
 Chưng cất trực tiếp bằng hơi nước.
 Chưng đẳng phí.
Phân loại theo phương thức làm việc:
 Chưng cất liên tục.
 Chưng cất gián đoạn.
Hình 1.1: Sơ đồ chưng:
1-Nồi đun ; 2-TB ngưng tụ ; 3-Bình chứa sản phẩm đỉnh;
4-Nồi đun
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 3

Phân loại theo số cấu tử có trong hệ:
 Hệ hai cấu tử.
 Hệ có ba hoặc ít hơn mười cấu tử.
 Hệ nhiều cấu tử (nhiều hơn mười cấu tử).
3. Thiết bị chƣng cất:
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình chưng
cất. Tất cả các thiết bị chưng cất đều có cùng yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải
lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của các cấu tử từ pha này sang pha kia. Nếu pha
khí phân tán vào pha lỏng ta có thể sử dụng các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha
khí thì ta dùng tháp chem., tháp phun,…
Tháp mâm xuyên lỗ:
 Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp, ít tốn kim
loại chế tạo hơn tháp chóp.
 Nhược điểm: yêu cầu lắp đặt cao: mâm lắp phải thật phẳng, đối với những tháp có
đường kính quá lớn (>2,4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì chất lỏng phân phối không đều trên
mâm.
Tháp chóp:
 Ưu điểm: hiệu suất truyền khối cao, ổn định, ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số
mâm ít hơn.
 Nhược điểm: chế tạo phức tạp, trở lực lớn.
Tháp đệm:
 Ưu điểm: chế tạo đơn giản, trở lực thấp.
 Nhược điểm: hiệu suất thấp, kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện
tháp không đều, sử dụng tháp đệm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo
không gian trong tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một
cách rõ ràng, tháp đệm khó chế tạo được kích thước lớn ở quy mô công nghiệp.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp:

Tháp đệm

Tháp mâm
xuyên lỗ
Tháp mâm
chóp
Ƣu
điểm
- Đơn giản.
- Trở lực thấp.

- Hiệu suất tương đối cao.
- Hoạt động khá ổn định.
- Có thể làm việc với chất lỏng
bẩn.
- Hiệu suất cao.
- Hoạt động ổn
định.
Nhƣợc
điểm
- Hiệu suất thấp.
- Độ ổn định kém.
- Thiết bị nặng.

- Trở lực khá cao.
- Yêu cầu lắp đặt khắc khe:
mâm lắp phải thẳng.

- Cấu tạo phức tạp.
- Trở lực lớn.
- Không làm việc

với chất lỏng bẩn.

Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 4

II. Giới thiệu về nguyên liệu:
1. Methanol:
Methanol có công thức hóa học là CH
3
OH, là chất lỏng không màu, dễ bay hơi, có mùi
đặc trưng, tan trong nước. Methanol là một dung môi phân cực, cháy với ngọn lửa không phát
sáng. Một vài thông số vật lý của methanol:
 Nhiệt độ sôi: 65
o
C.
 Nhiệt độ nóng chảy: -93,9
o
C.
 Phân tử khối: 32,04 g/mol.
 Khối lượng riêng: 0,79 g/ml.
 Độ nhớt: 0,59 Pa.s ở 20
o
C.
Methanol là một chất độc, hỗn hợp rượu có chứa methanol gây nhiều trường hợp bị mù
hay tử vong.
Methanol là đại diện đơn giản nhất của dãy đồng đẳng ancol no, đơn chức. Nó có một vài
tính chất hóa học đặc trưng:
 Tác dụng với kim loại kiềm tạo muối ancolat:
CH
3

OH + Na CH
3
ONa + H
2

 Tác dụng với axit tạo este:
CH
3
OH + CH
3
COOH CH
3
COOCH
3
+ H
2

 Bị Oxy hóa hoàn toàn tạo thành hơi nước và khí cacbonic:
CH
3
OH + O
2
CO
2
+ H
2
O
1.1.Ứng dụng:
Methanol được sử dụng làm chất chống đông, làm dung môi, làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong, nhiên liệu tên lửa. Methanol có chỉ số octan cao, nhiên liệu đốt cháy sạch, có tiềm

năng thay thế cho xăng trong động cơ xe ôtô. Ứng dụng quan trọng nhất của methanol là nguyên
liệu để sản xuất các hóa chất khác. Khoảng 40% methanol được chuyển hóa thành formaldehyde,
từ đó sản xuất ra nhựa tổng hợp, thuốc nhuộm tổng hợp, chất dẻo, sơn…




Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 5

ánh sáng
1.2.Sản xuất:










1.2.1. Tổng hợp methanol từ khí thiên nhiên:



Methnol được chuyển hóa từ khí tổng hợp theo những phản ứng sau:
CO + 2H
2
CH

3
OH
CO
2
+ 3H
2
CH
3
OH + H
2
O
1.2.2. Tổng hợp methanol từ gỗ:
Methanol được sinh ra từ sự trao đổi nhiệt yếm khí của một vài loại vi khuẩn. Kết quả là
có một lượng nhỏ methanol được tạo thành trong không khí. Sau vài ngày không khí có chứa
methanol sẽ bị Oxy hóa bởi Oxy dưới tác dụng của ánh sáng chuyển thành CO
2
và H
2
O theo
phương trình:
2CH
3
OH + 3O
2
2CO
2
+ 4H
2
O
Hiện nay, methanol được sản xuất bằng cách tổng hợp trực tiếp từ H2 và CO có gia nhiệt

ở áp suất thấp có mặt chất xúc tác.

Sản xuất Methanol
Khí tổng hợp:
CO, CO
2
, H
2
…
Methanol tổng hợp:
(98%)
Gỗ
Methanol sinh học:
(2%)
Khí thiên
nhiên
Khí tổng
hợp
Methanol
thô
Methanol
tinh
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 6

2. Nƣớc:
Nước chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích bề mắt trái đất là nước biển), và là hợp
chất rất cần thiết cho sự sống. Trong điều kiện bình thường, nước là chất lỏng không màu, không
mùi, không vị nhưng khối nước dày có màu xanh nhạt. Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả
năng hòa tan nhiều chất và là dung môi quan trọng trong công nghệ hóa học. Một vài thông số

vật lý của nước:
 Khối lượng phân tử: 18 g/mol.
 Khối lượng riêng ở 4
o
C: 1 g/ml.
 Nhiệt độ nóng chảy: 0
o
C.
 Nhiệt độ sôi: 100
o
C.
3. Hỗn hợp methanol – nƣớc:
Bảng cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp methanol – nước ở 1atm:
t
o
C
100
92,3
87,7
81,7
78
75,3
73,1
71,2
69,3
67,6
66
64,5
x
0

5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
y
0
26,8
41,8
57,9
66,5
72,9
77,9
82,5
87
91,5
95,8
100
 x: thành phần pha lỏng.
 y: thành phần pha hơi.


60
65

70
75
80
85
90
95
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
T
x,y
Đồ thị T - x,y
T - y
T - x
Hình 1.2: Đồ thị T – x,y hỗn hợp methanol – nước ở 1atm.
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 7



III. Quy trình công nghệ chƣng cất hỗn hợp methanol – nƣớc:
Hỗn hợp methanol – nước có nồng độ methanol 30% (theo khối lượng), nhiệt độ ban đầu
t
1
= 30
o
C được đưa vào bồn chứa nguyên liệu (2) được bơm (1) bơm lên bồn cao vị (3). Từ bồn
cao vị, hỗn hợp nguyên liệu được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy (4). Sau đó,
hỗn hợp nguyên liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ trung gian t’ = 59,6
o
C . Hỗn hợp nguyên liệu

tiếp tục đi qua thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu (5) để đun sôi đến trạng thái lỏng sôi (t
s
= 82
o
C)
rồi vào tháp chưng cất (6) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu chất lỏng được trộn với phần lỏng hoàn lưu từ đoạn cất của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên tiếp xúc với chất lỏng đi từ trên xuống. Ở đây xảy ra sự
trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống đáy tháp
nồng độ cấu tử dễ bay hơi càng giảm vị bị pha hơi từ nồi đun (11) lôi cuốn đi theo lên đỉnh tháp.
Càng đi lên đỉnh tháp, nhiệt độ càng giảm nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có
nhiệt độ cao là nước sẽ ngưng tụ lại. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có nồng độ
cấu tử methanol chiếm nhiều nhất (95% khối lượng hỗn hợp). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ
hoàn lưu (7) và được ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị
làm nguội sản phẩm đỉnh (9), được làm nguội đến 40
o
C, rồi được đưa vào bồn chứa sản phẩm
đỉnh (10). Một phần chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu
R = 1,48. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y
x
Đồ thị x - y
Hình 1.3: Đồ thị x - y hỗn hợp methanol – nước ở 1atm.
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 8

tăng dần. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết chứa cấu tử khó bay hơi là
nước.
Hỗn hợp lỏng ở đáy tháp có nồng độ methanol 5% (khối lượng), còn lại là nước. Hỗn hợp
này đi ra khỏi đáy tháp vào nồi đun (11). Trong nồi đun một phần hỗn hợp sẽ bốc hơi cung cấp
cho tháp tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun dẫn vào thiết bị trao đổi nhiệt với dòng
nhập liệu (4).
Hệ thống làm việc liên tục, tại đỉnh tháp thu được methanol, sản phẩm đáy chủ yếu là
nước sau khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu có nhiệt độ t = 59,6
o
C , rồi được đưa vào bồn chứa
sản phẩm đáy (13).
Các kí hiệu sử dụng trong sơ đồ công nghệ:
STT
Tên gọi
Số lƣợng
1
Bơm
2
2
Bồn chứa nguyên liệu
1
3

Bồn cao vị
1
4
Thiết bị trao đổi nhiệt
1
5
Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu
1
6
Tháp chưng cất
1
7
Thiết bị ngưng tụ hoàn lưu
1
8
Lưu lượng kế
2
9
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
1
10
Bồn chứa sản phẩm đỉnh
1
11
Nồi đun
1
12
Bẫy hơi
2
13

Bồn chứa sản phẩm đáy
1
14
Bộ phận phân dòng
1








Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 9

Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 10


CHƢƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

I. Số liệu ban đầu:
Chọn tháp mâm xuyên lỗ vì hiệu suất tương đối cao, hoạt động ổn định. Tháp hoạt động
liện tục.
Trong quá trình chưng cất, methanol là cấu tử dễ bay hơi, thu ở đỉnh tháp, nước là cấu tử
khó bay hơi ở đáy tháp.
Hỗn hợp methanol – nước:
 Methanol: CH
3
OH, M
R
= 32 g/mol.
 Nước: H
2

O, M
N
= 18 g/mol.
Giả thiết:
 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh là ngưng tụ hoàn toàn hơi thành lỏng ở nhiệt độ
sôi.
 Thiết bị đun sôi đáy tháp không làm thay đổi thành phần hỗn hợp.
 Nguyên liệu đưa vào tháp ở trạng thái lỏng sôi.
 Ẩn nhiệt hóa hơi theo mol của các chất hữu cơ gần bằng nhau.
Thông số ban đầu:
 Năng suất nhập liệu: G
F
= 1500 kg/h.
 Nồng độ nhập liệu: x
F
= 30% (kg methanol/kg hỗn hợp).
 Nồng độ sản phẩm đỉnh: x
D
= 95% (kg methanol/kg hỗn hợp).
 Nồng độ sản phẩm đáy: x
W
= 5% (kg methanol/ kg hỗn hợp).
Chọn:
 Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: t
bđ
= 25
o
C.
 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t
DR

= 40
o
C.
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: t
V
= 25
o
C.
 Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: t
R
= 35
o
C.
 Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là hỗn hợp lỏng sôi.
Các ký hiệu quy ước:
 G
F
, F: lưu lượng dòng nhập liệu tính theo kg/h, kmol/h.
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 11

 G
D
, D: lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h.
 G
W
, W: lưu lượng dòng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h.
 L: lưu lượng dòng hoàn lưu tính theo kmol/h.
 x
i

: nồng độ phần mol cấu tử i.
 x
i
: phần khối lượng cấu tử i.
II. Cân bằng vật chất:
1. Nồng độ phần mol các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy:
Nhập liệu:
x
F
=
x
F
M
R
x
F
M
R
+
1 x
F
M
N
=
0,3
32
0,3
32
+
1 0,3

18
= 0,194
Sản phẩm đỉnh:
x
D
=
x
D
M
R
x
D
M
R
+
1 x
D
M
N
=
0,95
32
0,95
32
+
1 0,95
18
= 0,914
Sản phẩm đáy:
x

W
=
x
W
M
R
x
W
M
R
+
1 x
W
M
N
=
0,05
32
0,05
32
+
1 0,05
18
= 0,029
Khối lượng mol các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy:
Dòng nhập liệu:
M
F
= x
F

× M
R
+

1 x
F

× M
N
= 0,194 × 32 +

1 0,194

× 18 = 20,7 (kg/kmol)
Dòng sản phẩm đỉnh:
M
D
= x
D
× M
R
+

1 x
D

× M
N
= 0,914 × 32 +


1 0,914

× 18 = 30,8 (kg/kmol)
Dòng sản phẩm đáy:
M
W
= x
W
× M
R
+

1 x
W

× M
N
= 0,029 × 32 +

1 0,0029

× 18 = 18,4 (kg/kmol)
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 12



Trạng thái nhập liệu vào tháp chưng cất là hỗn hợp methanol – nước ở dạng lỏng sôi, từ
đồ thị T – x,y hỗn hợp methanol – nước (hình 2.1), tại x
F

= 0,194 suy ra nhiệt độ dòng nhập liệu
vào tháp chưng cất là : t
F
= 82
o
C.
2. Lƣu lƣợng các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy:
Lưu lượng dòng nhập liệu:
F =
G
F
M
F
=
1500
20,7
= 72,5(kmol/h)
Cân bằng vật chất tính cho toàn tháp chưng cất:
F = D + W
F.x
F
= D.x
D
+ W.x
W

Ta có hệ phương trình:

D + W = 72,5
0,914 × D + 0,029 × W = 0,194 × 72,5



Suy ra:

D = 13,5 (kmol/h)
W = 59 (kmol/h)


60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
T
x,y
Đồ thị T - x,y
T - y
T - x
Hình 2.1: Đồ thị T – x,y hỗn hợp methanol – nước ở 1atm.
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 13

Vây:
 Lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh: D = 13,5 kmol/h => G
D

= 415,8 kg/h.
 Lưu lượng dòng sản phẩm đáy: W = 59 kmol/h => G
W
= 1085,6 kg/h.
3. Phƣơng trình đƣờng làm việc:


Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi hỗn hợp methanol – nước (hình 2.2), với x
F
= 0,194 ta
suy ra y
*
F
= 0,58.
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu:
R
min
=
x
D
y
F

y
F

x
F
=
0,914 0,58

0,58 0,194
= 0,87
Tỉ số hoàn lưu thích hợp:
Khi R tăng số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun và công để
bơm cũng sẽ tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi sau đó tăng đến vô cực khi
hoàn lưu toàn phần, lượng nước và lượng nhiệt sử dụng cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu R.
Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành. Tỉ số hoàn lưu thích hợp ứng
với tổng chi phí là cực tiểu.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y
x
Đồ thị x - y
Hình 2.2: Đồ thị cân bằng lỏng hơi hỗn hợp methanol – nước ở 1atm.
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 14

Tuy nhiên trong thực tế, 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 thể tích tháp nhỏ nhất. Ta cần lập mối quan hệ
giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó ta 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 định thì GD 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, chiều cao tháp
còn tỉ lệ với số đĩa lý thuyết n
lt
. Vì vậy, thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số n
lt
*(R + 1). Ta
thiết lập quan hệ giữa R và n
lt
*(R + 1), từ đồ thị ta xác định điểm n
lt
*(R + 1) cưc tiểu, tại đó ứng
với R
th
.
Ta có: R = (1,1 – 3) R
min
. Ta lập bảng giá trị:
R
n
lt

(R + 1)*n
lt

R
min

= 0,87
∞
∞
1,3R
min
= 1,13
9
19,17
1,5R
min
= 1,3
8
18,4
1,7R
min
= 1,5
7
17,5
1,9R
min
= 1,7
7
18,9
2,2R
min
= 1,9
7
20,3

Dựa vào đồ thị, ta chọn tỉ số hoàn lưu thích hợp R = 1,48.
Kiểm tra chỉ số hoàn lưu theo công thức kinh nghiệm:
R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3 * 0,87 + 0,3 = 1,43
Kết luận: Chỉ số hoàn lưu R = 1,48.
17
17.5
18
18.5
19
19.5
20
20.5
1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2
(R + 1)n
lt
R
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 15

Hệ số tiếp liệu:
f =
x
D
x
W
x
F
x
W
=

0,914 0,029
0,194 0,029
= 5,36
Phương trình đường làm việc phần cất:
y =
R
R + 1
x +
x
D
R + 1
=
1,48
1,48 + 1
x +
91,4
1,48 + 1

= , + , 
Phương trình đường làm việc phần chưng:
y =
R + f
R + 1
x 
f 1
R + 1
x
W
=
1,48 + 5,36

1,48 + 1
x 
5,36 1
1,48 + 1
× 2,9
= , , 















Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 16



CHƢƠNG III: CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG

I. Cân bằng nhiệt lƣợng của thiết bị đun sôi hỗn hợp nhập liệu:
Theo định luật bảo toàn năng lượng, ta có:

Q
f
+ Q
1
= Q
F
+ Q
ng1
+ Q
tt1
(III. 1)
Trong đó:
 Q
f
: Nhiệt do hỗn hợp nhập liệu mang vào, (kJ/h).
 Q
đ1
: Nhiệt đun nóng hỗn hợp nhập liệu đến trạng thái lỏng sôi, (kJ/h).
 Q
F
: Nhiệt do hỗn hợp nhập liệu mang ra, (kJ/h).
 Q
ng1
: Nhiệt do nước ngưng mang ra, (kJ/h).
 Q
tt1
: Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, (kJ/h).
1. Nhiệt lƣợng do hỗn hợp đầu mang ra:
Q
F

= G
F
× C
F
× t
F
(III. 2)
Với:
 G
F
= 1500 kg/h : lưu lượng dòng nhập liệu.
 t
F
= 82
o
C: nhiệt độ hỗn hợp nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.
 C
F
(kJ/kg.độ): nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi.
Tính nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu lỏng sôi:
Ta có: C
F
= C
N
(1 – x
F
) + C
R
x
F

(công thức 2.11 [4])
Ở nhiệt độ t
F
= 82
o
C:
 C
N
= 1,00332 (kcal/kg.độ) = 4,2 (kJ/kg.độ) (bảng I.147 [1]).
 C
R
= 2,87 (kJ/kg.độ) (bảng I.154 [1]).
 C
F
= 4,2 x (1 – 0,3) + 2,87 x 0,3 = 3,8 (kJ/kg.độ).
Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang ra :
Q
F
= 1500 x 3,8 x 82 = 467400 (kJ/h).

Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 17

2. Nhiệt lƣợng cung cấp cho nồi đun:
Q
1
= G
1
×


r + t
n1
× C
1

(III. 3)
Với:
 G
đ1
(kg/h): lượng hơi nước cấp cho nồi đun để đun sôi hỗn hợp nhập liệu.
 r = 2260 (kJ/kg): ẩn nhiệt chuyển pha của hơi nước bão hòa ở 1atm (bảng 56 [7]).
 C
1
= 4,2 (kJ/kg.độ): nhiệt dung riêng của nước.
 t
n1
= 90
o
C: nhiệt độ nước ngưng đi ra.
Lượng nhiệt cần cung cấp cho nồi đun hỗn hợp nhập liệu:
Q
đ1
= G
đ1
x (2260 + 4,2 x 90) = 2638G
đ1
(kJ/h)
3. Nhiệt lƣợng tỏa ra môi trƣờng xung quanh:
Giả thiết nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh bằng 5% nhiệt lượng cấp cho nồi
đun.

Ta có: Q
xq1
= 0,05 x Q
đ1
= 131,9G
đ1
(kJ/h)
4. Nhiệt do dòng nƣớc ngƣng mang ra:
Q
ng1
= G
đ1
x C
1
x t
n1
= G
đ1
x 4,2 x 90 = 378G
đ1
(kJ/h)
5. Nhiệt do dòng nhập liệu mang vào:
Dùng sản phẩm đáy gia nhiệt ban đầu cho hỗn hợp nhập liệu, nhiệt độ dòng sản phẩm đáy
t
W
= 96
o
C.
Giả thiết sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy, hỗn hợp nhập liệu đi ra có nhiệt độ t*,
ta có:

G
F
× C
F
×

t

t


= G
w
× C
w
×

t
W
t


(III. 4)
Ở t
đ
= 25
o
C: nhiệt độ ban đầu dòng nhập liệu:
 C
N

= 0,99892 (kcal/kg.độ) = 4,18 (kJ/kg.độ) (bảng I.147 [1]).
 C
R
= 2,6 (kJ/kg.độ) (bảng I.154 [1]).
 C
F
= 4,18 x (1 – 0,3) + 2,6 x 0,3 = 3,7 (kJ/kg.độ)
Ở t
W
= 96
o
C: nhiệt độ dòng sản phẩm đáy:
 C
N
= 1,00659 (kcal/kg.độ) = 4,21 (kJ/kg.độ) (bảng I.147 [1]).
 C
R
= 2,94 (kJ/kg.độ) (bảng I.154 [1]).
 C
W
= 4,21 x (1 – 0,05) + 2,94 x 0,05 = 4,15 (kJ/kg.độ).
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 18

Từ công thức (II.2), ta có : t* = 56,8
o
C.
Nhiệt do hỗn hợp nhập liệu mang vào nồi đun:
Q
f

= C
f
x G
F
x t*
Ở t* = 56,8
o
C:
 C
N
= 0,99995 (kcal/kg.độ) = 4,19 (kJ/kg.độ) (bảng I.147 [1]).
 C
R
= 2,76 (kJ/kg.độ) (bảng I.154 [1]).
 C
f
= 4,19 x (1 – 0,3) + 2,76 x 0,3 = 3,76 (kJ/kg.độ).
Lượng nhiệt do hỗn hợp nhập liệu mang vào:
Q
f
= 1500 x 3,76 x 56,8 = 320352 (kJ/h).
Từ công thức (III.1) ta có phương trình:
320352 + 2638G
đ1
= 467400 + 131,9G
đ1
+ 378G
đ1

 G

đ1
= 69 (kg/h).
Vậy: Lượng hơi nước bão hòa cần cung cấp cho nồi đun để đun sôi hỗn hợp nhập
liệu là 69 (kg/h).
II. Cân bằng nhiệt lƣợng cho toàn tháp chƣng cất:
Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:
Q
F
+ Q
R
+ Q
2
= Q
W
+ Q
D
+ Q
ng2
+ Q
tt2
(III. 5)
Trong đó:
 Q
F
: Lượng nhiệt do dòng nhập liệu mang vào, (kJ/h).
 Q
R
: Lượng nhiệt do dòng hoàn lưu mang vào, (kJ/h).
 Q
đ2

: Lượng nhiệt đun sản phẩm đáy, (kJ/h).
 Q
W
: Lượng nhiệt do sản phẩm đáy mang ra, (kJ/h).
 Q
D
: lượng nhiệt do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, (kJ/h).
 Q
tt2
: Lượng nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh, (kJ/h).
 Q
ng2
: Lượng nhiệt do nước ngưng mang ra, (kJ/h).
1. Lƣợng nhiệt nồi đun cung cấp:
Q
2
= G
2
×

r + t
n2
× C
2

(III. 6)
Với:
 G
đ2
(kg/h): lượng hơi nước cấp cho nồi đun để đun sôi hỗn hợp nhập liệu.

 r = 2260 (kJ/kg): ẩn nhiệt chuyển pha của hơi nước bão hòa ở 1atm (bảng 56 [7]).
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 19

Lượng nhiệt do nồi đun cung cấp:
Q
đ2
= G
đ2
x 2260 = 2260G
đ2
(kJ/h)
2. Lƣợng nhiệt do dòng nƣớc ngƣng mang ra:
Q
ng2
= G
đ2
x C
2
x t
n2
= G
đ2
x 4,2 x 100 = 420G
đ2
(kJ/h)
3. Nhiệt lƣợng tổn thất ra môi trƣờng xung quanh:
Giả thiết nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh bằng 5% nhiệt lượng cấp cho nồi
đun.
Ta có: Q

xq2
= 0,05 x Q
đ2
= 113G
đ2
(kJ/h)
4. Nhiệt lƣợng dòng hoàn lƣu mang vào:
Q
R
= G
R
× C
R
× t
R
(III. 7)
Với:
 t
R
= t
D
= 66
o
C: Nhiệt độ dòng hoàn lưu.
 C
R
(kJ/kg.độ): Nhiệt dung riêng dòng hoàn lưu.
 G
R
(kg/h): Lưu lượng dòng hoàn lưu.

Ở t
R
= 66
o
C:
 C
N
= 1,00079 (kcal/kg.độ) = 4,19 (kJ/kg.độ) (bảng I.147 [1]).
 C
R
= 2,8 (kJ/kg.độ) (bảng I.154 [1]).
 C
R
= 4,19 x (1 – 0,95) + 2,8 x 0,95 = 2,87 (kJ/kg.độ)
Lưu lượng dòng hoàn lưu:
G
R
= G
D
× R
Ta có:
 G
D
= 415,8 (kg/h) : lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh.
 R = 1,48: chỉ số hoàn lưu.
 G
R
= 415,8 x 1,48 = 615 (kg/h).
Nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào tháp:
Q

R
= 615 x 66 x 2,87 = 116493 (kJ/h).
5. Lƣợng nhiệt do dòng sản phẩm đáy mang ra:
Q
W
= G
W
× C
W
× t
W
(III. 8)
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 20

Với:
 G
W
= 1085,6 (kg/h): lưu lượng dòng sản phẩm đáy.
 C
W
= 4,15 (kJ/kg.độ): nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đáy.
 t
W
= 96
o
C: nhiệt độ dòng sản phẩm đáy.
 Q
W
= 1085,6 x 4,15 x 96 = 432503 (kJ/h).

6. Lƣợng nhiệt do dòng sản phẩm đỉnh mang ra:
Q
D
= G
D
×

1 + R

× r
D
(III. 9)
Với:
 G
D
= 415,8 (kg/h): lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh.
 R = 1,48: chỉ số hoàn lưu.
 r
D
(kJ/kg): nhiệt chuyển pha của sản phẩm đỉnh.
Nhiệt chuyển pha của dòng sản phẩm được tính theo công thức:
r
D
= r
N
×

1 x
D


+ r
R
× x
D
(III. 10)
Ta có:
 r
N
= 2345,2 (kJ/kg): nhiệt chuyển pha của nước (bảng 56 [7]).
 r
R
= 1084,2 (kJ/kg): nhiệt chuyển pha của methanol (bảng I.212 [1]).
 r
D
= 2345,2 x (1 – 0,95) + 1084,2 x 0,95 = 1147,25 (kJ/kg).
Lượng nhiệt do sản phẩm đỉnh mang ra khỏi tháp là:
Q
D
= 415,8 x (1 + 1,48) x 1147,25 = 1183025 (kJ/h).
7. Lƣợng nhiệt do dòng nhập liệu mang vào tháp:
Q
F
= 467400 (kJ/h)
Từ công thức (III.5) ta có phương trình:
467400 + 116493 + 2260G
đ2
= 432503 + 1183025 + 113G
đ2
+ 420G
đ2

 G
đ2
= 597,4 (kg/h).
Vậy: Lượng hơi nước bão hòa cần cung cấp cho nồi đun ở đáy tháp là 597,4 (kg/h).
Kết luận:
Tổng lượng hơi nước bão hòa cần cung cấp là:
G
đ
= 597,4 + 69 = 666,4 (kg/h).
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 21

III. Tính lƣợng nƣớc sử dụng:
1. Lƣợng nƣớc cần dùng cho thiết bị ngƣng tụ hoàn lƣu:
Dùng nước ngưng tụ sản phẩm đỉnh, giả thiết nhiệt độ nước trước khi vào thiết bị hoàn
lưu là t
N1
= 25
o
C, sau khi ra khỏi thiết bị, nước có nhiệt độ là t
N2
= 50
o
C.
Phương trình cân bằng nhiệt ở thiết bị ngưng tụ hoàn lưu:
G
D
× (R + 1) × r
D

= G
N1
× C
N
×

t
N2
t
N1



III. 11

[2]
Trong đó:
 G
D
= 415,8 (kg/h): lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh.
 R = 1,48: chỉ số hoàn lưu.
 r
D
= 1147,25 (kJ/kg) : nhiệt ngưng tụ của sản phẩm đỉnh.
 G
N1
(kg/h): lưu lượng nước.
 C
N
= 0,99859 (kcal/kg.độ) = 4,18 (kJ/kg.độ): nhiệt dung riêng của nước (bảng

I.147 [1]).
 t
N1
, t
N2
: nhiệt độ nước lúc vào và lúc ra khỏi thiết bị.
Từ công thức (II.4), lượng nước cần sử dụng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
G
N1
=
G
D
× (R + 1) × r
D
C
N
× (t
N2
t
N1
)
=
415,8 × (1,48 + 1) × 1147,25
4,18 × (50 25)
= 11321 (kg/h)
2. Lƣợng nƣớc cần dùng làm nguội sản phẩm đỉnh:
Phương trình cân bằng nhiệt ở thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:
G
D
×


r
D
+ C
D
× (t
D1
t
D2
)

= G
N2
× C
N
×

t
N2
t
N1



III. 12,[2]


Trong đó:
 G
D

= 415,8 (kg/h): lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh.
 r
D
= 1147,25 (kJ/kg): nhiệt ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
 C
D
(kJ/kg.độ): nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh.
 t
D1
= 66
o
C: nhiệt độ sản phẩm đỉnh trước khi vào thiết bị làm nguội.
 t
D2
= 40
o
C: nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi ra thiết bị làm nguội.
 G
N2
(kg/h): lưu lượng nước làm nguội.
 C
N
= 4,18 (kJ/kg.độ): nhiệt dung riêng của nước.
 t
N1
= 25
o
C: nhiệt độ nước vào.
 t
N2

= 35
o
C: nhiệt độ nước ra.
Nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đỉnh được tính theo công thức:
C
D
= C
N
×

1 x
D

+ C
R
× x
D
(III. 13)
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 22

Ở t
D
= 66
o
C:
 C
N
= 1,00079 (kcal/kg.độ) = 4,19 (kJ/kg.độ) (bảng I.147 [1]).
 C

R
= 2,8 (kJ/kg.độ) (bảng I.154 [1]).
 C
D
= 4,19 x (1 – 0,95) + 2,8 x 0,95 = 2,87 (kJ/kg.độ)
Từ công thức (II.5), lượng nước cần làm nguội sản phẩm đỉnh:
G
N2
=
415,8 ×

1147,25 + 2,87 × (66 40)

4,2 × (35 25)
= 12096 (kg/h)
Kết luận:
Tổng lƣợng nƣớc cần sử dụng là: G
N
= 12096 + 11321 = 23417 (kg/h)

Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 23



CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ THÁP CHƢNG CẤT

I. Đƣờng kính tháp:
Đường kính tháp được tính theo công thức:
D = 
4V
tb
× 
tb


m



công thức IX. 89

2


,(IV. 1)
Trong đó:
 V
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp, (m
3
/s).
 
tb
: tốc độ khí trung bình đi trong tháp, (m
2
/s).
1. Đoạn cất:
1.1.Lƣợng hơi trung bình đi trong đoạn cất:
V
tb
=
D ×

1 + R

×
22,4
273
× T
tb
3600 × P
(IV. 2)
Trong đó:
 D = 13,5 (kmol/h): lưu lượng sản phẩm đỉnh.

 R = 1,48: chỉ số hoàn lưu.
 T
tb
: nhiệt độ trung bình trong đoạn cất.
 P = 1 (atm): áp suất làm việc của tháp.
Nhiệt độ trung bình trong đoạn cất:
T
tb
=
T
F
+ T
D
2
=
82 + 66
2
= 74( C
o
)
Với:
 T
F
= 82
o
C: nhiệt độ dòng nhập liệu.
 T
D
= 66
o

C: nhiệt độ sản phẩm đỉnh.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất:
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 24

V
tb
=
13,5 ×

1 + 1,48

×
22,4
273
× (74 + 273)
3600 × 1
= 0,26(m
3
/s)
1.2.Vận tốc khí trung bình đi trong đoạn cất:

tb
=

D
+ 
F
2
(IV. 3)

Trong đó:
 
D
(m/s): vận tốc hơi ở đỉnh tháp.
 
F
(m/s): vận tốc hơi nhập liệu.
Tính vận tốc hơi ở đỉnh tháp:

D
= 8,5 × 10
5
× C ×


xD

D

D
(IV. 4)
Với:
 
D
(kg/m
3
): khối lượng riêng hơi ở đỉnh tháp.
 
xD
(kg/m

3
): khối lượng riêng lỏng ở đỉnh tháp.
 C: đại lượng phụ thuộc vào khoảng cách giữa 2 đĩa và sức căng bề mặt.
Tính sức căng bề mặt của hỗn hợp methanol – nước:
1

hh
=
1

R
+
1

N
(IV. 5)
Với:
 σ
R
= 20,9 (dyn/cm): sức căng bề mặt của methanol (bảng I.242 [1]).
 σ
N
= 69,6 (dyn/cm): sức căng bề mặt của nước (bảng I.242 [1]).
Từ (III.5), sức căng bề mặt của hỗn hợp methanol – nước: σ
hh
= 16 (dyn/cm)
Chọn khoảng cách giữa 2 đĩa thực là Δh = 0,3m. Từ đồ thị hình IX.20 [2], với σ
hh
= 16
(dyn/cm) và Δh = 0,3m ta chọn C = 250.

Tính khối lượng riêng lỏng ở đỉnh tháp:
1

xD
=
x
D

R
+
1 x
D

N
(IV.6)
Ở t
D
= 66
o
C, tra bảng (I.2 [1]) ta có:
Đồ án Quá trình & Thiết bị GVHD:Thầy Nguyễn Đình Thọ
Trang 25

 
R
= 748,6 (kg/m
3
).
 
N

= 977,6 (kg/m
3
).
Khối lượng riêng lỏng ở đỉnh tháp tính theo (IV.6): 
xD
= 747,5 (kg/m
3
).
Tính khối lượng riêng hơi ở đỉnh tháp:

D
=

y
D
. M
R
+

1 y
D

. M
N

. 273
22,4. T
D
(IV. 7)
Với:

 T
D
= 66 + 273 = 339 (K): nhiệt độ ở đỉnh tháp.
 x
D
= 0,914 => y
D
= 0,96
Khối lượng riêng hơi ở đỉnh tháp tính theo (IV.7): 
D
= 1,13 (kg/m
3
).
Vậy, vận tốc hơi ở đỉnh tháp:

D
= 8,5 × 10
5
× 250 ×

757,5 1,13
1,13
= 0,55(m/s)
Tính vận tốc hơi nhập liệu:

F
= 8,5 × 10
5
× C ×



xF

F

F
(IV. 8)
Với:
 
F
(kg/m
3
): khối lượng riêng hơi nhập liệu.
 
xF
(kg/m
3
): khối lượng riêng lỏng nhập liệu.
 C = 250.
Tính khối lượng riêng lỏng nhập liệu:
1

xF
=
x
F

R
+
1 x

F

N
(IV. 9)
Ở t
F
= 82
o
C, tra bảng (I.2 [1]) ta có:
 
R
= 733 (kg/m
3
).
 
N
= 969,6 (kg/m
3
).
Khối lượng riêng lỏng ở đỉnh tháp tính theo (IV.8): 
xF
= 884 (kg/m
3
).