Nghiên cứu thiết kế, tính toán hệ thống tháp chưng cất

Đồ án hoá công GVHD: Ths. Trương Quốc Hưng
LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng
cao về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh
khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: Cô
đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,…
Tuỳ theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp
cho phù hợp. Đối với hệ nước-axit axetic là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải sử
dụng phương pháp chưng cất để năng cao độ tinh khiết.
Đồ án môn học hoá công là một môn học mang tính tổng hợp trong quá trình
học tập của các công nhân vận hành thiết bị chế biến dầu khí trong tương lai. Môn
học giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: Quy trình công nghệ, kết
cấu, cũng như điều kiện làm việc vận hành của hệ thống chưng cất trong công nghiệp
hoá chất và công nghiệp lọc hoá dầu.
Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều
môn học mà nhất là môn học hoá công vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế 1
cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế, tính toán tháp chưng cất hệ hỗn hợp 2 cấu tử
nước-axit axetic, với năng suất nhập liệu là 0.8m
3
/h, nồng độ nhập liệu 88% khối
lượng nước, nồng độ sản phẩm đỉnh 99.55% khối lượng nước, nồng độ sản phẩm đáy
70% khối lượng nước, nhiệt độ nhập liệu 100.1727
o
C, nhiệt độ sản phẩm đỉnh
100.0235
o
C, nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt 40
o
C, trạng thái nhập liệu
lỏng sôi.

Dưới đây chúng em xin trình bày nội dung nghiên cứu của đồ án: “NGHIÊN
CỨU THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THÁP CHƯNG CẤT”.
SVTH: Nguyễn Hoài Nam, Lê Quốc Hùng Trang 1
Đặng Công Ba, Hoàng Ngọc Đại, Nguyễn Hồng Quang
Đồ án hoá công GVHD: Ths. Trương Quốc Hưng
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1.1.1. Khái niệm [5]
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng
như hỗn hợp khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các
cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các
cấu tử khác nhau).
Thay vì đưa vào hỗn hợp 1 pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa 2 pha như
trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên
bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
Nguyên lý của quá trình chưng cất
Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ
hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất
dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue).
Hình 1.1. Chưng cất đơn giản
SVTH: Nguyễn Hoài Nam, Lê Quốc Hùng Trang 2
Đặng Công Ba, Hoàng Ngọc Đại, Nguyễn Hồng Quang
Đồ án hoá công GVHD: Ths. Trương Quốc Hưng
1. Nguồn nhiệt 9. Cổng hút chân không
2. Bình thủy tinh 10. Adapter (thiết bị kết nối)
3. Cột ngưng tụ-bay hơi 11. Điều chỉnh nhiệt độ
4. Nhiệt kế 12. Điều chỉnh tốc độ khuấy
5. Ống sinh hàn 13. Thiết bị khấy và gia nhiệt
6. Nước làm lạnh đầu vào 14. Dầu gia nhiệt
7. Nước làm lạnh đầu ra 15. Cánh khuấy

8. Bình chứa sản phẩm chưng cất 16. Dung dịch làm lạnh
Như vậy, phép chưng cất có thể thu được distillat có thành phần mong muốn
bằng cách chưng cất nhiều lần.
Nhưng chưng cất nhiều lần như vậy rất phiền phức, tốn thời gian mà
không kinh tế. Để khắc phục nhược điểm này ta dùng hệ thống chưng cất có cột
chưng cất. Cột chưng cất có số đĩa lý thuyết càng lớn, thì có khả năng cho
một distillat có thành phần khác càng nhiều so với dung dịch trong bình đun, tức là
distillat rất giàu chất dễ bay hơi. Dùng cột chưng cất có nhiều đĩa lý thuyết có thể thu
được distillat là chất dễ bay hơi gần như tinh khiết.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường bao nhiêu cấu tử thì thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản
phẩm:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và 1 phần rất ít các cấu
tử có độ bay hơi bé hơn.
- Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và 1 phần rất ít cấu tử có
độ bay hơi lớn.
Đối với hệ nước-axit axetic thì:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước.
- Sản phẩm đáy chủ yếu là axit acetic.
1.1.2. Các phương pháp chưng cất
1.1.2.1. Chưng cất đơn giản [5]
+ Chưng cất bay hơi dần dần: Chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác
định đường cong chưng cất Enghen.
SVTH: Nguyễn Hoài Nam, Lê Quốc Hùng Trang 3
Đặng Công Ba, Hoàng Ngọc Đại, Nguyễn Hồng Quang
Đồ án hoá công GVHD: Ths. Trương Quốc Hưng
Chưng cất bay hơi một lần: Cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so
với bay hơi một lần.
Hình 1.2. Chưng cất bay hơi dần dần
Trong quá trình chưng đơn giản hơi tạo thành được lấy ra ngay và cho ngưng

tụ. Thành phần và lượng, sản phẩm đỉnh và đáy luôn thay đơi theo thời gian.
+ Chưng cất bay hơi nhiều lần:
Cho phép quá trình tách các phân đoạn theo mong muốn.

Hình 1.3. Chưng cất bay hơi nhiều lần
SVTH: Nguyễn Hoài Nam, Lê Quốc Hùng Trang 4
Đặng Công Ba, Hoàng Ngọc Đại, Nguyễn Hồng Quang
Sản phẩm
Nhiên liệu vào
Sản phẩm
Nhiên liệu vào
Sản phẩmSản phẩm
Sản phẩm
Hơi quay trở lại
Đồ án hoá công GVHD: Ths. Trương Quốc Hưng
Như vậy, quá trình là gián đoạn. Nếu muốn thành phần sản phẩm không thay
đổi ta tiến hành chưng liên tục.
Chưng đơn giản được ứng dụng cho những trường hợp sau:
- Khi nhiệt độ sôi của 2 cấu tử khác nhau xa.
- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
- Khi cần tách hỗn hợp lỏng ra khỏi các tạp chất không bay hơi.
- Khi muốn tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
1.1.2.2. Chưng cất chân không [1]
Chưng cất chân không là phương pháp chưng cất ở áp suất thấp hơn áp suất
khí quyển nhằm mục đích giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp chưng cất để tránh sự phân
huỷ vì nhiệt của các cấu tử cần chưng cất.
1.1.2.3. Chưng bằng hơi nước [3]
Trong thực tế không có những chất lỏng hoà tan vào nhau, nhưng khi độ hoà
tan các chất lỏng vào nhau rất bé (ví dụ như hỗn hợp benzen-nước…) ta có thể coi
như chúng không hoà tan vào nhau. Đối với các hỗn hợp loại này ta có thể tách các

cấu tử bằng phương pháp lắng gạn. Những tính chất cơ bản của hỗn hợp lỏng loại
này là:
- Áp suất riêng phần của cấu tử này không phụ thuộc vào sự có mặt của cấu tử
kia trong hỗn hợp và bằng áp suất hơi bão hoà của các cấu tử nguyên chất ở cùng
nhiệt độ:
P
A
= p
A
; p
B
= P
B
- Áp suất chung của hỗn hợp bằng tổng số áp suất riêng phần, nghĩa là bằng áp
suất hơi bão hoà của các cấu tử:
P = p
A
+ p
B
= P
A
+ P
B

- Nhiệt độ sôi của hỗn hợp thấp hơn nhiệt độ sôi của các cấu tử.
Khi chưng bằng hơi nước trực tiếp, người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏng
bằng 1 bộ phận phun. Hơi nước có thể là hơi bão hoà hay hơi quá nhiệt.
Trong quá trình tiếp xúc với hơi nước và lớp chất lỏng, cấu tử cần chưng sẽ
phân tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và
tách thành sản phẩm.

SVTH: Nguyễn Hoài Nam, Lê Quốc Hùng Trang 5
Đặng Công Ba, Hoàng Ngọc Đại, Nguyễn Hồng Quang
Đồ án hoá công GVHD: Ths. Trương Quốc Hưng
Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lý nhất là dùng để tách cấu tử
không tan trong nước khỏi tạp chất không bay hơi, trường hợp này sản phẩm ngưng
sẽ phân lớp: Cấu tử bay hơi và nước, chúng ta lấy sản phẩm ra 1 cách dễ dàng.
Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp là giảm được nhiệt độ
sôi của hỗn hợp, nghĩa là chúng ta có thể chưng được ở nhiệt độ sôi của từng cấu tử.
Điều này rất có lợi đối với các chất dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao cũng như đối với
các chất có nhiệt độ sôi quá cao mà khi chưng gián tiếp đòi hỏi dùng hơi áp suất cao.
Chưng bằng hơi nước trực tiếp có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục.
Trong cả 2 trường hợp người ta đều phải dùng cách đốt gián tiếp để đun bốc
hơi hỗn hợp. Lượng hơi nước trực tiếp đi vào hỗn hợp chỉ có nhiệm vụ mang cấu tử
dễ bay hơi ra mà thôi.
1.1.2.4. Chưng luyện [5]
Chưng cất có hồi lưu
Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta tiến hành cho hồi lưu
một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc thêm một lần giữa pha lỏng (hồi lưu) và
pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà độ phân chia cao hơn.
Chưng cất có tinh luyện
Dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha lỏng và hơi nhờ vào các đĩa
hay đệm. Chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn nếu kết hợp với hồi lưu.
Hình 1.4. Sơ đồ tiếp xúc giữa dòng lỏng và hơi trong tháp chưng cất
1.1.3. Các thiết bị chưng cất [6]
SVTH: Nguyễn Hoài Nam, Lê Quốc Hùng Trang 6
Đặng Công Ba, Hoàng Ngọc Đại, Nguyễn Hồng Quang
Sản phẩm ra khỏi đỉnh
Nhiên liệu lỏng
Nhiệt độ vào
Sản phẩm đáy

Nhiệt độ thay đổi
Giai đoạn cân bằng
Hơi từ
dưới lên
chất lỏng
đi xuống
chất lỏng
Hơi bay lên
Đồ án hoá công GVHD: Ths. Trương Quốc Hưng
Ta có thể phân biệt chưng cất ra thành quy trình một lần như trong phòng thí
nghiệm để tách một hóa chất tinh khiết ra khỏi một hỗn hợp, và chưng cất liên tục,
như trong các tháp chưng cất trong công nghiệp.
Trong nhiều trường hợp có một tỷ lệ nhất định của hỗn hợp hai chất lỏng mà
không thể tiếp tục tách bằng phương pháp chưng cất được nữa. Các hỗn hợp này
được gọi là hỗn hợp đẳng phí.
Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phải dùng đến các phương pháp tinh cất đặc
biệt khác. Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau:
- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới.
- Tháp chưng cất dùng mâm chóp.
- Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm).
Nhận xét về ưu khuyết điểm của từng loại tháp
- Tháp mâm xuyên lỗ
Ưu điểm:
Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp, ít tốn kim loại
hơn tháp chóp.
Nhược điểm:
Yêu cầu lắp đặt cao: Mâm lắp phải rất phẳng, đối với tháp có đường kính quá
lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên đĩa.
- 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 chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không
gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm 1 cách rõ
ràng, tháp đệm khó chế tạo được kích thước lớn ở quy mô công nghiệp.
Bảng 1.1 So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp.
SVTH: Nguyễn Hoài Nam, Lê Quốc Hùng Trang 7
Đặng Công Ba, Hoàng Ngọc Đại, Nguyễn Hồng Quang
Đồ án hoá công GVHD: Ths. Trương Quốc Hưng
Tháp đệm. Tháp mâm xuyên lỗ. Tháp mâm chóp.
Ưu điểm
- Đơn giản.
- Trở lực thấp.
- Hiệu suất tương đối cao.
- Hoạt động khá ổn định.
- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
- Hiệu suất cao.
- Hoạt động ổn
định.
Nhược điểm
- Hiệu suất thấp.
- Độ ổn định kém.
- Thiết bị nặng.
- Trở lực khá cao.
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe.

- Lắp đĩa thật phẳng.
- Cấu tạo phức tạp
- Trở lực lớn.
Hình 1.5. Hình minh họa tháp chóp [5]
SVTH: Nguyễn Hoài Nam, Lê Quốc Hùng Trang 8
Đặng Công Ba, Hoàng Ngọc Đại, Nguyễn Hồng Quang
Đồ án hoá công GVHD: Ths. Trương Quốc Hưng
Hình 1.6. Hình minh hoạ đĩa mâm lỗ [5]
Hình 1.7. Hình minh họa cho tháp đĩa đệm [5]
SVTH: Nguyễn Hoài Nam, Lê Quốc Hùng Trang 9
Đặng Công Ba, Hoàng Ngọc Đại, Nguyễn Hồng Quang