Tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Butano - nước

ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
MỤC LỤC
Lời mở đầu................................................................................................................................5
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ BUTANOL VÀ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ..................6
1. Giới thiệu sơ bộ 7
2. Sản xuất Butanol 8
3. Công nghệ chưng cất hỗn hợp Butanol –Nước...............................................................9
4. Chọn loại tháp chưng cất và phương pháp chưng cất...................................................9
5. Sơ đồ qui trình công nghệ và thuyết minh qui trình công nghệ.................................10
CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT – CÂN BẰNG NĂNG LƯNG........................14
1. Cân bằng vật chất............................................................................................................15
1.1 Đồ thò cân bằng Butanol – Nước................................................................................16
1.2 Xác đònh chỉ số hồi lưu thích hợp...............................................................................17
1.3 Vẽ đường làm việc......................................................................................................19
1.4 Xác đònh số mâm lý thuyết và số mâm thực tế.........................................................19
2. Cân bằng năng lượng.......................................................................................................21
2.1 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất..................................................................21
2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bò ngưng tụ...............................................................23
2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh....................................23
2.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bò làm nguội sản phẩm đáy.....................................23
2.5 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bò làm nguội đun sôi dòng nhập liệu .....................24
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT..............................................................25
I. Kích thước tháp .............................................................................................................26
1. Đường kính đoạn cất ....................................................................................................26
2. Đường kính đoạn luyện................................................................................................28
3. Chiều cao tháp .............................................................................................................30
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 1
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
II. Tính toán chóp và ống chảy chuyền............................................................................31
A. Tính cho phần cất.........................................................................................................31
B. Tính cho phần chưng....................................................................................................32

III. Tính trở lực tháp............................................................................................................39
A. Tổng trở lực phần cất....................................................................................................39
1. Trở lực đóa khô ∆Pk.....................................................................................................39
2. Trở lực do sức căng bề mặt..........................................................................................40
3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đóa ( Trở lực thủy tónh ∆P
t
).........................................40
B. Tổng trở lực phần chưng..............................................................................................41
1. Trở lực đóa khô ∆Pk.....................................................................................................41
2. Trở lực do sức căng bề mặt.........................................................................................41
3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đóa ( Trở lực thủy tónh ∆P
t
)........................................42
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY .......................44
1. Suất lượng nước cần dùng.....................................................................................................45
2. Hiệu số nhiệt độ trung bình..................................................................................................47
3. Hệ số truyền nhiệt.................................................................................................................48
4. Bề mặt truyền nhiệt..............................................................................................................49
5. Cấu tạo thiết bò.......................................................................................................................50
6. Tính toán cơ khí cho thiết bò làm nguội...............................................................................53
6.1. Đường kính ống dẫn nước, tháo nước .....................................................................24
6.2. Tổn thất áp lực ở phía dòng sản phẩm đáy..............................................................24
6.3. Tổn thất áp lực ở phía dòng nước làm nguội...........................................................24
6.4. Chọn bích, bu lông nối các đoạn ống.......................................................................24
6.5. Tổng khối lượng của thiết bò làm nguội sản phẩm đáy...........................................24
6.6. Khối lượng của dàn giá đỡ thiết bò làm nguội sản phẩm đáy.................................24
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 2
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ....................................................................................58
I. Thiết bò đun sôi đáy tháp.................................................................................................59

1. Suất lượng hơi đốt cần dùng............................................................................................59
2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.............................................................................................60
3. Hệ số truyền nhiệt...........................................................................................................60
4. Bề mặt truyền nhiệt.........................................................................................................61
5. Cấu tạo thiết bò.................................................................................................................62
II. Thiết bò ngựng tụ sản phẩm đỉnh .................................................................................64
1. Suất lượng nước làm lạnh cần dùng ...............................................................................64
2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.............................................................................................65
3. Hệ số truyền nhiệt...........................................................................................................65
4. Bề mặt truyền nhiệt.........................................................................................................66
5. Cấu tạo thiết bò.................................................................................................................67
III.Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh..................................................................................69
1. Suất lượng nước cần dùng................................................................................................69
2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.............................................................................................70
3. Hệ số truyền nhiệt...........................................................................................................70
4. Bề mặt truyền nhiệt.........................................................................................................70
5. Cấu tạo thiết bò.................................................................................................................71
IV.Thiết bò đun sôi dòng nhập liệu.....................................................................................73
1. Suất lượng hơi đốt cần dùng ...........................................................................................73
2. Hiệu số nhiệt độ trung bình.............................................................................................74
3. Hệ số truyền nhiệt............................................................................................74
4. Bề mặt truyền nhiệt.........................................................................................................74
5. Cấu tạo thiết bò.................................................................................................................75
V. Bồn cao vò..........................................................................................................................76
1. Tổn thất đường ống dẫn...................................................................................................76
2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bò đun sôi dòng nhập liệu.......................................79
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 3
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
3. Chiều cao bồn cao vò........................................................................................................80
VI.Bơm 76

1. Năng suất.........................................................................................................................76
2. Cột áp 80
3. Công suất.........................................................................................................................81
CHƯƠNG 6: TÍNH GIÁ THÀNH THIẾT BỊ.....................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................83
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 4
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 nghệ hoá học. Đặc biệt là ngành hóa chất cơ bản.
Trong thực tế, chúng ta sử dụng rất nhiều dạng hoá chất khác nhau: hỗn hợp nhiều chất
hay đơn chất tinh khiết. Mà nhu cầu về một loại hoá chất tinh khiết cũng rất lớn.
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 Butanol - Nước, ta nên dùng phương pháp chưng cất để
nâng cao độ tinh khiết cho Butanol, mặc dù butanol tan có giới hạn trong nước và hệ này
có điểm đẳng phí.
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 thiết kế: tính toán hệ thống chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử :
Butanol – nước với các số liệu sau đây:
Năng suất nhập liệu : 2000 lít/h
Nồng độ sản phẩm đáy : 5% mol nước
Nồng độ nhập liệu : 20% mol nước
p suất làm việc : áp suất thường.
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 5

ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ
BUTANOL VÀ QUI TRÌNH
CÔNG NGHỆ
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 6
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
1. GIỚI THIỆU SƠ BỘ :
Butanol có công thức phân tử : CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
OH .Khối lượng phân tử bằng 74 đvC
Là chất lỏng không màu, có mùi hương của chuối và rất dễ cháy. Nó không độc nhưng
nếu để lâu ngoài không khí sẽ gây kích ứng lên da và mắt, rất nguy hiểm khi ngửi và uống
phải, thậm chí có thể dẫn đến tử vong.
Nó tan có giới hạn trong nước nhưng lại tan hoàn toàn trong một số hợp chất hữu cơ như :
glycol, ketone, alcohol, aldehyde, ete, hydrocacbon thơm, chất béo…
Ứng dụng : Butanol được sử dụng trong việc sản xuất các chất hóa học khác, nó có trong
thành phần của mỹ phẩm và được dùng nhiều làm dung môi cho công nghiệp, ví dụ với vai
trò là dung môi, nó được dùng làm vecni, sơn, sơn mài, kẹo cao su, thuốc nhuộm, long não,
chất làm mềm … trong mỹ phẩm nó là thành phần có trong son môi, kem cạo râu, kem nền,
phấn lót, sản phẩm chăm sóc móng tay,….Và đặc biệt gần đây n-butanol được dùng làm chất
để thêm vào xăng, dầu hỏa tăng hoạt tính cháy nổ…
Có nguồn gốc từ các nguyên liệu chứa lignocellulosic, đây là phần sinh khối thực vật
gồm thân gỗ, rơm, bã nông nghiệp, xơ bắp và vỏ trấu, tất cả đều chứa một lượng lớn chất xơ

và một số chất gỗ. Butanol được coi là nhiên liệu sinh học tốt hơn ethanol vì nó ít bị hao mòn
và có giá trị calo cao hơn nên nó cung cấp giá trị năng lượng cao hơn.
Một số thông số vật lý và nhiệt động của butanol :
• Nhiệt độ nóng chảy : -90°C ;
• Nhiệt độ sôi : 118°C ;
• Tỷ trọng : 0.810 (ở 20°C);
• Độ tan trong nước : 7.9g/100g nước
Tính chất hoá học :
Tính acid-base của rượu:
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
OH + Na → CH
3
(CH
2
)
3
ONa + 1/2H
2


CH
3
CH

2
CH
2
CH
2
OH + NaNH
2
→ CH
3
(CH
2
)
3
ONa + NH
3

Phản ứng ester hóa:
H
2
SO
4
CH
3
(CH
2
)
3
OH + RCOOH → RCOO(CH
2
)

3
CH
3
Phản ứng hình thành ether :

Al
2
O
3
2CH
3
(CH
2
)
3
OH → CH
3
(CH
2
)
3
O(CH
2
)
3
350-400°C
Phản ứng thế nhóm –OH bằng halogen
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 7
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
xúc tác

CH
3
(CH
2
)
3
OH + HX → CH
3
(CH
2
)
3
OX + H
2
pyriddine
CH
3
(CH
2
)
3
OH + SOCl
2
→ CH
3
(CH
2
)
3
OCl + SO

2
+ Cl
2

Phản ứng tách nước tạo ankene:
xúc tác
CH
3
(CH
2
)
3
OH → CH
3
– CH
2
– CH = CH
2
+ H
2
O
t°C
Phản ứng oxy hóa:
Các tác nhân oxy hóa thường được sử dụng trong trường hợp này là KMnO
4
, K
2
Cr
2
O

7
,
CrO
3
, Na
2
Cr
2
O
7
… trong mội trường axit H
2
SO
4
PCC
CH
3
(CH
2
)
3
OH → CH
3
– CH
2
– CH
2
– CHO
CH
2

Cl
2
Điều chế :
Phản ứng hydrobo hóa – oxy hóa hình thành rượu:
1. B
2
H
6
CH
3
– CH
2
– CH = CH
2
→ CH
3
– CH
2
– CH
2
– CH
2
– OH
2. H
2
O
2
/NaOH
Thủy phân dẫn xuất halogen: H
2

O
CH
3
– CH
2
– CH
2
– CH
2
– Br + NaOH → CH
3
(CH
2
)
3
OH
Đi từ hợp chất cơ magnesium: 1. ether khan
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
MgBr + HCHO → CH
3
(CH
2
)

3
OH
2. H
2
O/H
+
Khử hóa các hợp chất carbonyl:
1. LiAlH
4
/ ether
CH
3
CH
2
CH
2
CHO → CH
3
(CH
2
)
3
OH
2. H
3
O
+
2. SẢN XUẤT BUTANOL :
Công ty BP, một công ty dầu lớn nhất châu Âu, đang hợp tác với công ty DuPont để phát
triển, sản xuất và kinh doanh một loại nhiên liệu sinh học mới có thể thay thế các nhiên liệu

dùng trong ngành giao thông vận tải.
Các công ty dự kiến đưa ra sản phẩm đầu tiên n-butanol (butanol sinh học) và năm 2007
sẽ bán ở Anh như một thành phần của xăng . Các công ty này cũng đang làm việc với
British Sugar – một chi nhán công ty của Associated British Foods – để chuyển đổi nhà máy
lên men etanol đầu tiên của Anh, sử dụng củ cải đường để sản xuất 30.000 tấn (hoặc 9 triệu
gal) butanol/năm.
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 8
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
Charle O.Holliday Jr., đại diện của DuPont, cho biết họ sẽ kết hợp khoa học công nghệ
của mình với chuyên môn maketing của BP để nhanh chóng cung cấp butanol ra thò trường.
DuPont cho rằng nhiên liệu sinh học sẽ giúp loài người bớt phụ thuộc vào nhiên liệu hóa
thạch và butanol thu được từ quá trình lên men cạnh tranh được khi giá dầu mỏ ở mức từ 30
đến 40 USD/ thùng.
Còn công ty BP đang tìm biện pháp để giảm phát thải khí nhà kính. John Browne, một
chuyên gia thuộc BP cho biết, vận tải là một lãnh vực quan trọng, chiếm khoảng 20% phát
thải toàn cầu. Trong tương lai gần, việc tăng tỉ lệ các thành phần sinh học trong nhiên liệu là
một trong những lựa chọn thực tế để phát triển lónh vực nhiên liệu tr6en phạm vi toàn cầu.
DuPont cho biết cấu trúc hóa học n-butanol làm cho nó có một số lợi thế hơn etanol như
áp suất hơi riêng phần thấp, hòa hợp được với tạp chất nước trong hỗn hợp xăng và dễ dàng
sử dụng trong đường ống phân phối hiện nay. Còn etanol lại hấp thụ các phân tử nước và ăn
mòn đường ống. Một lợi thế khác của butanol là nó có thể được trộn với xăng ở nồng độ cao
hơn etanol, tạo ra hỗn hợp nhiên liệu kinh tế hơn hỗn hợp xăng - etanol.
Dean Oestreich, chủ tòch một chi nhánh công ty của DuPont, cho biết butanol cũng được
sản xuất nhờ quá trình lên men tương tự với quá trình lên men của etanol. Một số cây công
nghiệp có thể được dùng để sản xuất butanol sinh học như: ngô, lúa mì, củ cải đường, mía,
hoặc cây lúa miến và trong tương lai chúng ta hy vọng có thể sử dụng xenlulô như thân cây
ngô hoặc vỏ vào mục đích này.
Trong giai đoạn tiếp theo của dự án,các ngành nghiên cứu của DuPont đang phát triển
một vi khuẩn lên men với công nghệ mới để tăng tốc độ chuyển đổi trong quá trình chế biến
nghuyên liệu thành nhiên liệu, theo đó có thể tăng cả về sản lượng và nồng độ butanol thu

được trong nhà máy lên men.
Ngoài ra, n-butanol còn được sản xuất theo quy trình sau với nguyên liệu ban đầu là
propylene:
3. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỖN HP BUTANOL –NƯỚC :
Ta có Butanol là một chất lỏng tan có giới hạn trong nước và nhiệt độ sôi của
Butanol( 118 °C ở 760 mmHg) và Nước ( 100 °C ở 760 mmHg) : là khá gần nhau Tuy
nhiên, 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 hấp thụ do phải đưa vào
một pha mới để tách chúng, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn, hay quá trìng tách không
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 9
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
được hoàn toàn. Vì thế phương pháp hiệu quả nhất để thu được butanol tương đối tinh khiết
là chưng cất phân đoạn dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
4. CHỌN LOẠI THÁP CHƯNG CẤT VÀ PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT :
• Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa
vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng ( hay nhiệt độ sôi ), 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.
• Đối với chưng cất ta có hai phương pháp thực hiện :
- Chưng cất đơn giản (dùng thiết bò hoạt động theo chu kỳ):
Phương pháp này sử dụng trong các trường hợp sau :
+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau .
+ Khi 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 liên tục hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bò hoạt động liên tục):
là quá trình được thực hiện liên tục, nghòch dòng, nhiều đoạn.
Ngoài ra còn có thiết bò hoạt động bán liên tục .
• Trong trường hợp này, do sản phẩm là Acetone – với yêu cầu có độ tinh khiết cao
khi sử dụng , cộng với hỗn hợp Acetone – Nước là hỗn hợp không có điểm đẳng

phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất.
• Chọn loại tháp chưng cất :
Có rất nhiều loại tháp được sử dụng, nhưng đều có chung một yêu cầu cơ bản là diện
tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của một lưu chất này
vào lưu chất kia .
Ta khảo sát hai loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm:
- Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu
tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau.
Gồm có : mâm chóp, mâm xuyên lỗ , mâm van. Thường sử dụng mâm chóp .
- Tháp chêm là một tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn . Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một hay hai phương pháp : xếp ngẫu
nhiên hay xếp thứ tự .
Chọn loại mâm chóp để thực hiện quá trình chưng cất vì những ưu điểm sau:
- Dễ dàng làm vệ sinh thông qua các cửa sữa chữa .
- Với cùng một chức năng, tổng khối lượng tháp mâm thường nhỏ hơn so với tháp
chêm.
- Hiệu suất mâm không đổi đối với một khoảng vận tốc dòng lỏng hoặc khí.
- Có thể lắp đặt ống xoắn giải nhiệt trên mâm khi cần thiết .
- Tháp mâm thích hợp trong trường hợp có số mâm lý thuyết hoặc số đơn vò truyền
khối lớn .
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 10
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
- Tháp được thiết kế để có thể giữ được một lượng lỏng nhất đònh trên mâm.
- Chi phí tháp mâm có đường kính lớn rẻ hơn so với tháp đệm .
- Dễ dàng đưa vào hoặc loại bỏ các dòng bên .
- Tính ổn đònh cao.
5. SƠ ĐỒ QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ VÀ THUYẾT MINH QUI TRÌNH CÔNG
NGHỆ :
a. Sơ đồ qui trình công nghệ (xem trang sau)
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 11

ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 12
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
Chú thích :
1. Bồn chứa nguyên liệu .
2. Bơm.
3. Bồn cao vò .
4. Thiết bò đun sôi dòng nhập liệu.
5. Bẫy hơi.
6. Lưu lượng kế.
7. Nhiệt kế .
8. Tháp chưng cất .
9. Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh .
10. Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh .
11. Bộ phận phân phối lỏng.
12. Bồn chưa sản phẩm đỉnh.
13. Van .
14. p kế .
15. Thiết bò đun sôi đáy tháp.
16. Thiết bò làm nguội sản phẩm đáy.
17. Bồn chứa sản phẩm đáy.
b. Thuyết minh qui trình công nghệ :
Hỗn hợp Butanol- Nước có nồng độ butanol 80%( theo 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 đun sôi dòng nhập (4). Ở đây, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi . Sau đó,
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
(15) 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 nước chiếm nhiều nhất ( có nồng độ 69% theo
mol ). Hơi này đi vào thiết bò ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất
lỏng sau khi ngưng đi qua thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh (10), được làm nguội đến 35
0
C , rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (12). Phần còn lại của chất lỏng ngưng
được hồi lưu về tháp ở đóa trên cùng với tỷ số hoàn lưu thích hợp. 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 hầu hết là cấu tử khó
bay hơi ( butanol). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ butanol là 95% theo mol, còn lại là
nước. Dung dòch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp, một phần dược đun, bốc hơi ở nồi đun (15)
cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại được đưa qua thiết bò làm nguội
đến nhiệt độ 35
0
C.
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 13
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đáy là Butanol, sản phẩm đỉnh sau
khi làm nguội được tích trữ lại vì nồng độ của butanol ở sản phẩm đỉnh là còn cao nên
giữ lại để có thể tiếp tục tách butanol ra khỏi nước.
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 14
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
CHƯƠNG 2
CÂN BẰNG VẬT CHẤT
CÂN BẰNG NĂNG LƯNG
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 15
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH

1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT:
• Các số liệu ban đầu :
Năng suất nguyên liệu : 2000 ( lít/h )
Sản phẩm đáy có nồng độ butanol : 95% theo mol ⇒ x
W
= 0.05 (phần mol nước)
Nhập liệu có nồng độ butanol : 80% theo mol ⇒ x
F
= 0.2 (phần mol nước
Tỉ lệ thu hồi rượu : η = 91%.
Thiết bò hoạt động liên tục.
• Các ký hiệu :
F : lượng nhập liệu ban đầu ( Kmol/h )
D : lượng sản phẩm đỉnh ( Kmol/h )
W : lượng sản phẩm đáy ( Kmol/h )
G
F
: khối lượng nhập liệu ban đầu (kg/h)
G
D
: khối lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
G
W
: khối lượng sản phẩm đáy (kg/h)
x
F
: nồng độ mol nước trong nhập liệu
x
D
:

nồng độ mol nước trong sản phẩm đỉnh
x
W
: nồng độ mol nước trong sản phẩm đáy
• Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp chưng cất :
F = D + W ( 1 )
F * x
F
= D * x
D
+ W * x
W
( 2 )
W*(1 – x
W
) = F*(1 - x
F
)*η
• Khối lượng riêng trung bình nhập liệu:
t
F
= 28°C ⇒ ρ
n
= 996.18 (kg/m
3
)
ρ
r
= 804 (kg/m

3
)
⇒
r
F
n
F
tbF
xx
ρρρ
−
+=
1
1
(*)
• Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol:.

F
x

=
rFnF
nF
MxMx
Mx
).1(.
.
−+

=

748.0182.0
182.0
×+×
×

= 0.0573(phần kl nước )

W
x

=
rWnW
nW
MxMx
Mx
).1(.
.
−+
=
7495.01805.0
1805.0
×+×
×
= 0.0126 (phần kl nước)
• Tính M
tb
:
M
tb
F

= x
F
* M
n
+ (1- x
F
) * M
r

= 0.2 * 18 + (1 – 0.2 ) * 74
= 62.8 ( Kg/Kmol)
M
tbW
= x
W
* M
n
+ (1- x
W
) * M
r

= 0.05* 18 + (1 – 0.05) * 74
= 71.2 ( Kg/Kmol)
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 16
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
• Khối lượng nhập liệu :
Từ (*) ⇒
804

0573.01
18.996
0573.01
−
+=
tbF
ρ
⇒ ρ
tbF
= 812.99 (kg/m
3
)
G
F
= ρ
tbF
. V = 812.99*2000*10^(-3) = 1625.97 (kg/h)
F =
tbF
F
M
G
=
8.62
97.1625
= 25.89 (Kmol/h)
( 1 ) và ( 2 ) ta có hệ phương trình :






−=−
+=
+=
η
*)1(*)1(*
x* W x* D x* F
W D F
WD
FF
F
xFxW

⇔





−=−
=+
=+
91.0*)2.01(*89.25)05.01(*
2.0*89.2505.0**
89.25
W
WxD
WD
D

⇔






=
=
=
)(%69.0
)/(84.19
)/(05.6
molx
hKmolW
hKmolD
D
Khối lượng riêng trung bình sản phẩm đỉnh:
M
tbD
= x
D
*M
n
+ (1 – x
D
)*M
r
= 0.69*18 + (1 – 0.69)*74 = 35.36 (kg/kmol)

D
x
=
rDnD
nD
MxMx
Mx
).1(.
.
−+
=
74)69.01(1869.0
1869.0
×−+×
×
= 0.3512
(phần kl nước)





=−=−=
===
=
)/(36.21361.141297.1625
)/(61.14122.71*84.19*
)/(97.1625
hkgGGG
hkgMWG

hkgG
WFD
tbWW
F
1.1. Đồ thò cân bằng Butanol – Nước :
Thành phần cân bằng lỏng (x), hơi (y) tính bằng %mol và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
hai cấu tử ở 760 mmHg ( Butanol – nước ):
x 3.9 5.5 25.7 29.2 49.6 55.2 57.1 97.5 98.8 98.6 99.2 99.4 99.7 99.8
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 17
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
y 26.7 32.3 62.9 65.5 73.6 75.0 74.8 75.2 75.8 78.4 84.3 88.4 92.9 95.1
t 111.5 109.6 97.9 96.7 93.5 92.9 92.9 92.7 92.8 93.4 95.4 96.8 98.3 97.4

1.2. Xác đònh chỉ số hồi lưu thích hợp :
a. Chỉ số hồi lưu tối thiểu :
Do nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa, nên R
min
được xác đònh như sau:
R
min
=
FF
FD
xy
yx
−
−
*
*
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 18

ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
x
F
= 0.20 ⇔ y
*
F
= 0.5748 ( Xác đònh từ đường cân bằng )
x
D
= 0.69
⇒ R
min
= 0.307
b. Chỉ số hồi lưu thích hợp :
Áp dụng công thức (IX.25b), [ 5 ]
R = 1.3*R
min
+ 0.3 = 1.3*0.307 + 0.3 = 0.699
1.3. Vẽ đường làm việc :
Phương trình đường làm việc làm cất :
y =
1
+
R
R
x +
1
+
R
x

D
= 0.411*x + 0.406
Phương trình đường làm việc phần chưng:
y =
1
+
+
R
fR
x -
1
1
+
−
R
f
x
W

Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu:
05.02.0
05.069.0
−
−
=
−
−
=
WF
WD

xx
xx
f
= 4.267
⇒ y = 2.293*x – 0.0961
1.4. Xác đònh số mâm lý thuyết và số mâm thực tế :
• Do điều kiện nhập liệu là lỏng bão hòa, ta có đường nhập liệu là đường :
x = x
F
= 0.2
kẻ các đường làm việc của phần cất và phần chưng trên cùng đồ thò được số bậc
thang là 4 , tương ứng với số mâm lý thuyết là 4 ( kể cả nồi đun )
• Xác đònh hiệu suất trung bình của tháp η
tb
:
η
tb
= f ( α , µ )
α =
y
y
−
1
x
x
−
1
: độ bay hơi tương đối
x, y : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, pha hơi
Độ nhớt của hỗn hợp lỏng µ : tra theo nhiệt độ

µ
tb
= (η
1
+ η
2
+ η
3
) / 3
η
1
, η
2
, η
3
: lần lượt là hiệu suất ở mâm đỉnh(1), mâm nhập liệu (2) và mâm trên nồi
đun (3).
Từ giãn đồ x-y, t-x,y : tìm nhiệt độ tại các vò trí và nồng độ pha
hơi cân bằng với pha lỏng :
 Vò trí mâm (1) :
x
1
= 0.4386
y
1
= 0.7166
t
1
= 94.17
0

C
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 19
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
 Vò trí mâm (2) :
x
2
= 0.2119
y
2
= 0.5874
t
2
= 99.64
0
C
 Vò trí mâm (3) :
x
3
= 0.1376
y
3
= 0.4948
t
3
= 103.21
0
C
• Xác đònh độ nhớt, độ bay hơi tương đối, hiệu suất tại các vò trí :
Vò trí mâm (1) :
t

1
= 94.17
0
C ⇒ µ
nước
= 0.29999 * 10
-3
Ns/m
2
µ
butanol
= 0.599 * 10
-3
Ns/m
2
(Tra bảng I.102 và I.101, trang 91, [5])
⇒ lg µ
hh
= x
1
* lg µ
nước
+ ( 1 – x
1
) * lg µ
butanol
⇒ µ
hh
= 0.442*10
-3

Ns/m
2

α = 3.237
α*µ = 1.431*10
-3
⇒ η
1
= 0.45 ( Hình IX.11- Sổ tay tập 2 )
Vò trí mâm (2) :
t
F
= 99.64
0
C ⇒ µ
nước
= 0.283 * 10
-3
Ns/m
2
µ
acetone
= 0.536 * 10
-3
Ns/m
2
(Tra bảng I.102 và I.101, trang 91, [5])
⇒ lg µ
hh
= x

2
* lg µ
nước
+ ( 1 – x
2
) * lg µ
butanol
⇒ µ
hh
= 0.468 * 10
-3
Ns/m
2

α = 5.295
α*µ = 2.478 * 10
-3
⇒ η
2
= 0.39 ( Hình IX.11- Sổ tay tập 2 )
Vò trí mâm (3) :
t
W
= 103.21
0
C ⇒ µ
nước
= 0.275 * 10
-3
Ns/m

2
µ
acetone
= 0.5099 * 10
-3
Ns/m
2
(Tra bảng I.102 và I.101, trang 91, [5])
⇒ lg µ
hh
= x
3
* lg µ
nước
+ ( 1 – x
3
) * lg µ
butanol
⇒ µ
hh
= 0.468 * 10
-3
Ns/m
2

α = 6.138
α*µ = 2.873 * 10
-3
⇒ η
3

= 0.36 ( Hình IX.11- Sổ tay tập 2 )
⇒ µ
hh
= ( µ
1
+ µ
2
+ µ
3
)/3
= ( 0.45 + 0.39 + 0.36 )/3
= 0.4
⇒ N
tt
=
4.0
4
= 10 ( mâm )
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 20
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
⇒ Số mâm thực tế cho phần cất : 5
Số mâm thực tế cho phần chưng : 5
Và nhập liệu ở mâm số : 10
2. CÂN BẰNG NĂNG LƯNG:
2.1. Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp chưng cất:
Phương trình cân bằng năng lượng :
Q
đ
+ G
F

h
FS
= (R+1) G
D
r
D
+ G
D
h
DS
+ G
W
h
WS
+ Q
m
Giả sử Q
m
= 0,05Q
đ
⇒ 0,95Q
đ
= (R+1) G
D
r
D
+ G
D
(h
DS

– h
FS
) + G
W
(h
WS
– h
FS
)
• h
FS
= c
F
.t
FS
= [
RFNF
cxcx )1(
−+
]t
FS
• h
WS
= c
W
.t
WS
= [
RWNW
cxcx )1(

−+
]t
WS
• h
DS
= c
D
.t
DS
= [
RDND
cxcx )1(
−+
]t
DS
• r
D
=
RDND
rxrx )1(
−+

Với x
F
= 0.2 ⇒ t
FS
= 100.14
o
C
x

W
= 0.05 ⇒ t
WS
= 110.16
o
C
x
D
= 0.69 ⇒ t
DS
= 93.59
o
C
a. Nhiệt dung riêng :
Tra bảng 1.249, trang 310, [5]
⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 100.14
o
C = 4.220 (kJ/kg.K)
⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 110.16
o
C = 4.233 (kJ/kg.K)
⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 93.59
o
C = 4.214 (kJ/kg.K)
Tra bảng 1.154, trang 172, [5]
⇒ Nhiệt dung riêng của butanol ở 100.14
o
C = 3.215 (kJ/kg.K)
⇒ Nhiệt dung riêng của butanol ở 110.16
o

C = 3.314 (kJ/kg.K)
⇒ Nhiệt dung riêng của butanol ở 93.59
o
C = 3.1396 (kJ/kg.K)
b. Enthalpy :
• h
FS
= (0.0573*4220 + 0.9427* 3215)* 100.14 = 319.221 (kJ/kg)
• h
WS
= (0.0126*4233 + 0.9874*3.314)* 110.16 = 366.346 (kJ/kg)
• h
DS
= (0.3512*4214 + 0.6488*3.1396)*93.59 = 329.149 (kJ/kg)
c. Nhiệt hóa hơi :
Tra bảng 1.250, trang 312, [5]
⇒ Nhiệt hóa hơi của nước ở 93.59
o
C = r
N
= 2282.98 (kJ/kg)
Dùng toán đồ 1.65, trang 255, [5]
⇒ Nhiệt hóa hơi của butanol ở 93.59
o
C = r
R
= 617.835 (kJ/kg)
Tra bảng 1.251, trang 314, [5]
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 21
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH

⇒ Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,5 at =
OH
2
r
= 2189,5 (kJ/kg)
Nên: r
D
= 0.3512*2282.98 + 0.6488*617.835 = 1202.634 (kJ/kg)
d. Tính lượng hơi nước cần dùng :
Nhiệt lượng cần cung cấp:
Q
đ
=
95,0
)hh(G)hh(GrG)1R(
FSWSWFSDSDDD
−+−++
= 531201 (kJ/h)
Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Q
đ
=
OH
2
G
.
OH
2
r
Vậy:
OH

đ
OH
2
2
r
Q
G
=
= 242.613 (kg/h)
2.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bò ngưng tụ :
Ngưng tụ hồi lưu hoàn toàn:
G
D
*r
D
*(R + 1) = G
N
*(h
R
– h
V
)
→ G
N
=
VR
DD
hh
RrG
−

+
)1(**
Chọn nhiệt độ vào, ra của nước làm lạnh t
V
= 28
o
C , t
R
= 40
0
C
→



=
=
)/(5.167
)/(34.117
kgkJh
kgkJh
R
V
x
D
= 0.69 → t
D
(hơi) = 93.59
0
C

n nhiệt hóa hơi r
D
= 1202.634*10
3
( J/kg)
Suy ra lượng nước lạnh cần tiêu tốn G
N
= 8691.3 (kg/h) = 2.414 ( kg/s)
2.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh :
Phương trình cân bằng năng lượng :
)(*)(*
VRNDRDSD
hhGhhG
−=−
Nhiệt độ vào của sản phẩm đỉnh t
DS
= 93.59
0
C
Nhiệt độ ra của sản phẩm đỉnh t
DR
= 35
0
C
Nước làm nguội có nhiệt độ vào, ra là : t
V
= 28
0
C, t
R

= 40
0
C
Enthalpy của nước vào, ra là: h
V
= 117.34 kJ/kg ; h
R
= 167.5 kJ/kg
Enthalpy của sản phẩm đỉnh trước khi làm nguội h
DS
= 329.149 kJ/kg
Enthalpy của sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội

DRRDNDDR
tcxcxh *)*)1(*(
−+=
Ở t
DR
= 35
0
C C
N
= 4178 ( J/kg.độ )
C
R
= 2486.5 (J/Kg.độ )
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 22
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
→ h
DR

= 107.82 ( J/kg.độ )
Suy ra lượng nước cần dùng :
G
N
=
VR
DRDSD
hh
hhG
−
−
)(*
= 941.45 (kg/h)
2.4.Cân bằng nhiệt lượng của thiết bò làm nguội sản phẩm đáy :
Phương trình cân bằng nhiệt lượng :
)(*)(*
VRNWRWSW
hhGhhG
−=−
t
WS
= 110.16
0
C
t
WR
= 35
0
C
Enthalpy của sản phẩm đáy ở nhiệt độ 110.16

0
C là h
WS
= 366.346 (kJ/kg)
Enthalpy của sản phẩm đáy ở nhiệt độ 35
0
C

WRRWNWWR
tcxcxh *)*)1(*(
−+=
→ h
WR
= 87.774 (kJ/kg)
Enthalpy của nước ở nhiệt độ 28
0
C là h
V
= 117.34 (kJ/kg)
Enthalpy của nước ở nhiệt độ 40
0
C la2 h
R
= 167.5 (kJ/kg)
Suy ra lượng nước cần dùng làm nguội:
G
N
=
VR
WRWSW

hh
hhG
−
−
)(*
= 7845.17 (kg/h)
2.5.Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò đun sôi dòng nhập liệu:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
hhFVFSFm
rGhhGQ .)(*
=−+
Dòng nhập liệu có nhiệt độ vào t
FV
= 28
0
C ; nhiệt độ ra t
FS
= 100.14
0
C
Enthalpy của dòng nhập liệu ở 28
0
C là
FVRFNFFV
tcxcxh *)*)1(*(
−+=
= 70.359 (kJ/kg)
Enthalpy của dòng nhập liệu ở 100.14
0
C là h

FS
= 319.221 (kJ/kg)
Sử dụng hơi đốt là hơi nước ở 2.5 at → nhiệt hóa hơi của nước ở 2.5 at là r
h
=2189.5 (kJ/kg)
Coi mất mát nhiệt Q
m
= 0.05*G
h
*r
h
Suy ra lượng hơi đốt cần dùng là
G
h
=
h
FVFSF
r
hhG
*95.0
)(*
−
= 194.54 (kg/h)
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 23
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH
CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN
THÁP CHƯNG CẤT
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 24
ĐAMH Quá Trình và Thiết bò GVHD: VŨ BÁ MINH

I. KÍCH THƯỚC THÁP:
Đường kính tháp được xác đònh theo công thức sau :
D = 0.0188
tbyy
tb
g
)*(
ωρ
(Công thức (IX.90), trang 181, [6])
Trong đó g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h )
(ρ
tb
* ω
y
)
tb
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ( Kg/h )
Vì rằng lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau
trong mỗi đoạn cho nên ta phải tính đường kính trung bình riêng cho từng đoạn : đoạn
chưng và đoạn cất .
1. Đường kính đoạn cất :
• Nồng độ trung bình của pha lỏng :
x
’
m
= ( x
F
+ x

D
)/2 = (0.2 + 0.69)/2 = 0.445
• Nồng độ trung bình của pha hơi theo phương trình đường làm việc :
y
’
m
= 0.411* x
’
m
+ 0.406
= 0.411 * 0.445 + 0.406
= 0.589
• Nhiệt độ trung bình của pha hơi, pha lỏng từ giãn đồ t-x,y:
x
’
m
= 0.445 → t
’
x
= 94.1
O
C
y
’
m
= 0.589 → t
’
y
= 99.66
O

C
• Khối lượng mol trung bình và khối lượng riêng pha hơi :
M
’
m
= y
’
m
* M
nước
+ ( 1 – y
’
m
) * M
butanol
= 0.589 * 18 + ( 1 – 0.589 ) * 74
= 41.016 ( kg/ kmol )
ρ
’
y
=
'
'
*4.22
*
y
Om
T
TM
=

)66.99273(*4.22
273*016.41
+
= 1.341 ( kg/m
3
)
• Khối lượng riêng pha lỏng :
x
’
m
= 0.445 →
x
’
m
=
74*)445.01(18*445.0
18*445.0
−+
= 0.1632 ( phần khối lượng )
t
’
x
= 94.1
O
C → ρ
’
butanol
= 755.43 ( kg/m
3
)

ρ
’
nước
= 962.43 ( kg/m
3
)
( Tra bảng I.2, trang 9, [5] )
⇒
'
1
x
ρ
=
'
'
N
m
x
ρ
+
'
'
)1(
R
m
x
ρ
−
SVTH: PHAN THỊ VÂN ANH Trang 25