Thiết kế tháp chưng hệ Etanol và Nước

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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 . Etanol
2 . Nước
3 . Hỗn hợp Etanol – Nước
III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – 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
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động :
1
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh
3
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh

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 Etanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn,
ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết 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 Etanol - Nước hoạt động liên
tục với nâng suất nhập liệu : 1000 kg/h có nồng độ 10% mol etanol ,thu được sản
phẩm đỉnh có nồng độ 85% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%.
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
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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 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 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.
• Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường
được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .
Vậy: đối với hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.

5
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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 bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm.
• Tháp chêm(tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng
mặt bích hay hàn. Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương
pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
* So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp :
Tháp chêm. Tháp mâm xuyên 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.
- Độ ổn đònh kém.
- Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đóa thật
phẳng. - Trở lực lớn.
- Thiết bò nặng.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và
tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ Etanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên
tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU :
Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol - Nước.
6
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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: , 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 : 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:
+ 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
7
18
10
23
−
−−
=
OHCHCH
K
14
10
223
−
−−

=<
OHOHCHCH
KK
Lạnh
H
+
Al
2
O
3
t
o
H
2
SO
4
>150
o
C
H
2
SO
4
>150
o
C
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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.
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
8
Cu
200-300
o
C
Nấm men
Zymaza
+ Thuốc súng không khói.
+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.
+ Động lực.
+ Thuốc trừ sâu.

+ Sơn.
+ Vecni.
+ Đồ nhựa.
+ Keo dán.
+ Hương liệu.
+ Sát trùng.
+ Pha chế thuốc.
+ Thuốc nhuộm.
+ Tơ nhân tạo.
+ Rượu mùi.
+ Dấm.
+ Dung môi hữu cơ:pha sơn
+ Nguyên liệu.
+ Công nghiệp cao su tổng
hợp
+ Động lực.
Nhiên liệu.
Etano
l
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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:
9
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : Vuừ Baự Minh
10
x(%phaõn mol)
0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phaõn 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
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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.

11
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh
12
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
* 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.
13
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu : G
F
= 1000 (Kg/h) .
• Nồng độ nhập liệu : x
F
= 10%mol etanol.
• Nồng độ sản phẩm đỉnh : x
D
= 85%mol etanol .
• Tỷ lệ thu hồi etanol : η= 99%.
• 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
,: phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG 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 (η=99%) : F.x
F
. η= D.x
D
(II.3)
Với : * Phân mol nhập liệu : x
F
= 0,10 (phân mol etanol ).
=22,12%(theo
khối lượng ) .
Khối lượng
phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M
F
= = 20,8
(Kg/Kmol).
F = = =48,077 (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
= =41,8
(Kg/Kmol).

14
i
x
18).1(.46
x.46
FF
F
F
xx
x
−+
=
18).1(.46
FF
xx −+
F
F
M
G
8.20
1000
18).1(.46
DD
xx −+
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
Giải 3 phương trình (II.1),(II.2),(II.3),ta có :
15
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
D = 5,600 (Kmol/h)
W = 42,477 (Kmol/h)

x
W
= 0,0011 (phân mol etanol )
Suy ra , khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
M
W
= = 18,032
(Kg/Kmol).
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 Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác đònh tỉ số hoàn
lưu tối thiểu bằng cách :
+Trên đồ thò cân bằng y-x ,từ điểm (0,85;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
= =0,26
Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : R
min
= 2,269
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 ,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
16
18).1(.46
WW
xx −+
1
min
+R
x
D
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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 = =
=0,7483 .x + 0.2139
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y = =

= 2,9094 .x –
17
1
.
1
.
+
+
+ R
x
x
R
R
D
1973,2
85,0
.
1973,2
973,2
+
+
+
x
W
x
R
f
x
R
fR

.
1
1
.
1 +
−
+
+
+
0011,0.
1973,2
1586,8
.
1973,2
586,8973,2
+
−
+
+
+
x
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
0.0022
Với : f = = 8,586 : chỉ
số nhập liệu .
3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thò xác đònh số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ).

18
99,0.1,0

85,0
.
==
η
F
D
x
x
D
F
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
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 :

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 :
Với : x :phân mol của
rượu trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
* Tại vò trí nhập liệu :
x
F
= 0,10 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
F
= 0,442
t
F
= 86,5
o
C
+ = 7,129
+ Từ và
t
F
=
86,5
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) – trang 107] : µ

F
=43.10
-6
.9,81
= 0,422.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,422 (cP)
Suy ra : α
F
. µ
F
= 7,129.0,422 =3,007
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
F
= 0,395
* Tại vò trí mâm đáy :
x
W
= 0,0011 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
W
= 0,018
t
W
= 100
o
C

19
tb
lt
tt
η
N
N =
x
x1
y1
y
*
*
−
−
=α
10,0
10,01
.
442,01
442,0
x
x1
y1
y
α
F
F
*
*

F
−
−
=
−
−
=
F
F
%12,22=
F
x
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
+ =
16,177
+ Từ và t
W
=
100
o
C ,tra tài
liệu tham khảo
[4(tập 1) – trang 107] :
µ
W
=25.10
-6
.9,81= 0,245.10
-3
(N.s/m

2
)
= 0,245 (cP)
Suy ra : α
W
. µ
W
= 16,177.0,245 = 3,967
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
W
= 0,365
*Tại vò trí mâm đỉnh :
x
D
= 0,85 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
D
= 0,856
t
D
= 78,5
o
C
+ = 1,049
+ Từ và t
D
= 78,5
o
C ,tra tài liệu tham khảo [4(tập 1) – trang 107] :
µ

D
=51.10
-6
.9,81= 0,500.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,500 (cP)
Suy ra : α
D
. µ
D
= 1,049.0,500 = 0,525
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
D
= 0,600
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
η
t
b
=
• Số mâm thực tế của tháp N
tt
:
=52,55 mâm
Vậy chọn N
tt
= 53 mâm
, gồm : 42 mâm cất

1 mâm nhập liệu
10 mâm chưng
20
0011,0
0011,01
.
018,01
018,0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
%29,0
18).1(.46
.46
=

−+
=
WW
W
W
xx
x
x
85,0
85,01
.
856,01
856,0
x
x1
y1
y
α
D
D
*
*
D
−
−
=
−
−
=
D

D
%5,93
18).1(.46
.46
=
−+
=
DD
D
D
xx
x
x
4567,0
3
600,0365,0395,0
3
=
++
=
++
DWF
ηηη
4567,0
28
=
tt
N
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò GVHD : Vuõ Baù Minh
21

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP
CHƯNG CẤT .
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(D
t
)
(m)
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 :
(Kg/h)
g
d
: lượng hơi ra khỏi đóa
trên cùng của tháp (Kg/h).
g
1

: lượng hơi đi vào đóa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
• Xác đònh g
d
: g
d
= D.(R+1) =5,600.(2,973+1) = 22,247 (Kmol/h)
= 933,662(Kg/h)
(Vì M
thD
=46.y
D
+(1-y
D
).18 = 41,968 Kg/Kmol).
• Xác đònh g
1
: Từ hệ phương trình :
(III.1)
Với : G
1
: lượng lỏng
ở đóa thứ nhất của đoạn
cất .
r
1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa 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
= 86,5
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)] ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r
N1
= 41280 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của rượu : r
R1
= 37395 (KJ/kmol) .
Suy ra : r
1
= r
R1
.y
1
+ (1-y
1
).r
N1
= 41280 – 3885.y
1
(KJ/kmol)
* Tính r
d
: t

D
= 78,5
o
C , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r
Nd
= 41628 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của rượu : r
Rd
= 37988 (KJ/kmol) .
Suy ra : r
d
= r
Rd
.y
D
+ (1-y
D
).r
Nd
=37988.0,856 + (1- 0,856).41628
= 38512,16 (KJ/kmol)
* x
1
= x
F
= 0,10
22
tbyy
tb

g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
2
1
gg
g
d
tb
+
=





=
+=
+=
dd
D
rgrg

xDxGyg
DGg


11
1111
11
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
Giải hệ (III.1) , ta được : G
1
= 15,751 (Kmol/h)
y
1
= 0,297 (phân mol etanol) _ M
1
=26,316
g
1
= 21,351 (Kmol/h) = 561,873(Kg/h)
Vậy : g
tb
= (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 :
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 đònh ρ
ytb
:

Với: + Nồng độ
phân mol trung bình
: y
tb
===0,5765
+ Nhiệt độ trung bình
đoạn cất : t
tb
===82,5
o
C
Suy ra : ρ
ytb
=1,171 (Kg/m
3
).
• Xác đònh ρ
xtb
:
Nồng độ phân mol trung bình

: x
tb
= == 0,475
Suy ra : =69,81% .
t
tb
= 82,5
o
C , tra tài
liệu tham khảo [4 (tập
1)-trang 9], ta có :
ρ
xtb
= 821,25 (Kg/m
3
)
Suy ra : =1,324 (m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn
tốc độ hơi trung bình đi
trong tháp :
= 1,060 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn
cất :
D
cất
== 0,462
(m).
2. Đường kính đoạn
23
758,747

2
873,561662,933
=
+
ytb
xtb
gh
ρ
ρ
ω
.05,0=
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.18.146.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ
2
1 D
yy +
2
856,0297,0 +

2
DF
tt +
2
5,785,86 +
2
DF
xx +
2
85,010,0 +
18).1(.46
.46
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
171,1
25,821
.05,0=
gh
ω
324,1.8,0.8,0 ==
ghh
ωω
060,1.171,1
758,747

.0188,0
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
(Kg/h)
g’
n
: lượng hơi ra khỏi
đoạn chưng (Kg/h).
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng (Kg/h).
• Xác đònh g’
n
: g’
n
= g
1
= 561,873 (Kg/h)
• Xác đònh g’
1
: Từ hệ phương trình :
(III.2)
Với : G
’
1
: lượng lỏng ở
đóa thứ nhất của đoạn
chưng .
r’

1
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đóa thứ nhất của đoạn chưng.
* Tính r’
1
: x
W
=0,0011 tra đồ thò cân bằng của hệ ta có : y
W
=0,018
Suy ra :M
tbg’
=46.y
W
+(1-y
W
).18=18,504 (Kg/kmol)
t’
1
= t
W
= 100
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r’
N1
= 40680 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của rượu : r’
R1
= 36394,3 (KJ/kmol) .
Suy ra : r’

1
= r’
R1
.y
W
+ (1-y
W
).r’
N1
= 40543,9 (KJ/kmol)
* Tính r
1
: r
1
= 41280 – 3885.y
1
=41280–3885.0,297 =40126,155(KJ/kmol)
* W = 42,477 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’
1
=0,0067(phân mol etanol) _ M
tbG’
=18,189
G
’
1
= 63,608 (Kmol/h) =
g’
1
= 21,131 (Kmol/h) = 391,008(Kg/h)

Vậy : g’
tb
= (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 :
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 đònh ρ’
ytb
:

Với: + Nồng độ
phân mol trung bình :
y’
tb
===0,1575
24
2
1
,,

,
gg
g
n
tb
+
=





==
+=
+=
1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'
.'.''.'
'.
rgrgrg
xWygxG
WgG

nn
WW
441,476
2
008,391873,561
=
+
ytb
xtb
gh
'
'
.05,0'
ρ
ρ
ω
=
( )
[ ]
( )
273'.4,22
273.18.'146.'
'
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t

yy
ρ
2
1 W
yy +
2
018,0297,0 +
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : Vũ Bá Minh
+ Nhiệt độ trung bình
đoạn chưng : t’
tb
===93,25
o
C
Suy ra : ρ’
ytb
=0,746 (Kg/m
3
).
• Xác đònh ρ’
xtb
:
Nồng độ phân mol trung
bình : x’
tb
= == 0,051
Suy ra :
=11,98% .
t’
tb

= 93,25
o
C , tra
tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
Khối lượng riêng của nước : ρ’
N
= 963,117(Kg/m
3
)
Khối lượng riêng của rượu : ρ’
R
= 720,365(Kg/m
3
)
Suy ra :ρ’
xtb
=
=925,744 (Kg/m
3
)
Suy ra : =1,762
(m/s)
Để tránh tạo bọt ta chọn tốc độ hơi trung bình đi trong tháp :
= 1,409 (m/s)
Vậy :đường kính đoạn
cất :
D
chưng
== 0,400
(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
= 0,500 (m).
Khi đó tốc độ làm việc thực ở :
+ Phần cất : ω
lv
= (m/s).
+ Phần chưng :ω’
lv
= (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 ).
25
2
WF
tt +
2
1005,86 +
2
WF
xx +
2

0011,010,0 +
18).'1('.46
'.46
'
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
1
'
'1
'
'
−








−
+
N
tb

R
tb
xx
ρρ
746,0
744,925
.05,0' =
gh
ω
762,1.8,0'.8,0' ==
ghh
ωω
409,1.746,0
441,476
.0188,0
903,0
171,1.5,0
768,747.0188,0
.
.0188,0
2
2
2
2
==
ytbt
tb
D
g
ρ

903,0
746,0.5,0
441,476.0188,0
'.
'.0188,0
2
2
2
2
==
ytbt
tb
D
g
ρ