đồ án qttb: chưng cất hỗn hợp Etanol Nước ở áp suất thường

1


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
2


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 bị là một môn học mang tính tổng hợp trong
quá trình học tập của các kỹ sư công nghệ hoá- thực 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 bị 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 kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của Đồ Án Môn Học là thiết kế thiết bị ngưng tụ trong hệ thống tháp
mâm chóp hoạt động liên tục để chưng cất hỗn hợp Etanol - Nước ở áp suất thường
với các thông số : sản phẩm đỉnh là dung dịch Etanol có năng suất 1000 (l/h) và nồng
độ rượu ở đỉnh là 85% Etanol theo mol,với dòng nhập liệu có nồng độ 25% Ethanol
theo mol, tỉ lệ thu hồi Etanol là 99%.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Vũ Bá Minh cùng các Thầy, Cô trong bộ môn
Quá trình và Thiết bị, khoa Kỹ Thuật Hóa Học đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em
hoàn thành tốt đồ án này. Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kinh nghiệm thực tiễn còn

non yếu nên không thể tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được những ý kiến
đóng góp, nhận xét cùng sự giúp đỡ và chỉ dẫn từ các Thầy, Cô để em củng cố thêm
kiến thức và bổ sung để đồ án được hoàn thiện hơn.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về sản phẩm:
1.1.1. Etanol:
Etanol hay còn được gọi là rượu etylic, ancol etylic là một ancol đơn chức, no,
mạch hở, trong phân tử chứa một nhóm hydroxyl (-OH). Có công thức phẩn tử là
C2H5OH.
 Tính chất vật lý:
- Là một chất lỏng, không màu, trong suốt, có mùi đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước,
hút ẩm, dễ cháy, khi cháy có ngọn lửa màu xanh và không tạo khói.
- Nhiệt độ sôi là 78,30C, nhiệt độ nóng chảy là -1150C, tỉ trọng ở 200C là 0,789
g/cm3, tan vô hạn trong nước, độ nhớt ở 200C là 1,2cP.
−4
- Điểm ba trạng thái của etanol là 1500K ở áp suất 4,3 × 10 Pa.
 Tính chất hóa học:
- Tính acid – base:
3


Là hợp chất lưõng tính, tuy nhiên cả tính acid lẫn tính base của ancol etylic
đều rất yếu. pK a = 18 , do có tính acid yếu nên không có khả năng phản ứng với
các base như Na2CO3, NaOH. Chỉ có khả năng tham gia phản ứng với các base
mạnh như kim loại kiềm, hợp chất cơ magnesium, các base như NaH hoặc
NaNH2.
1
H2
2

C 2 H 5OH + NaNH 2 → C 2 H 5ONa + NH 3
C 2 H 5OH + Na → C 2 H 5ONa +

-

Phản ứng ester hóa:
0

H 2 SO4 ,t

→ CH 3COOC 2 H 5 + H 2O
C 2 H5OH + CH 3COOH ¬



-

Phản ứng hình thành ether:
H 2 SO4
2CH3 -CH 2 -OH 
→ CH 3 -CH 2 -O-CH 2 -CH 3 + H 2 O
1400 C
Al2O3
2CH3 -CH 2 -OH 
→ CH 3 -CH 2 -O-CH 2 -CH 3 + H 2O
350 − 4000 C

-

Phản ứng với HX:

H 2 SO4
CH 3 -CH 2 -OH + HBr 
→ CH 3 -CH 2 -Br + H 2O
ZnCl2
CH 3 -CH 2 -OH + HCl 
→ CH 3 -CH 2 -Cl + H 2O

-

Phản ứng với PX3, PX5, SOX2:
pyridine
→
3CH3 -CH 2 -OH + PCl3 ¬
 3CH 3 -CH 2 -Cl + H 3PO 3
pyridine
→
CH 3 -CH 2 -OH + PCl5 ¬
 CH 3 -CH 2 -Cl + POCl 3 + HCl
pyridine
→
CH 3 -CH 2 -OH + SOCl 2 ¬
 CH 3 -CH 2 -Cl + SO 2 + HCl

-

Phản ứng dehydro hóa:
H 2 SO4 ,95%
CH 3 -CH 2 -OH →
CH 2 =CH 2 + H 2O
1700 C

ZnO / Al2 O3
2CH 3 -CH 2 -OH 
→ CH 2 =CH-CH=CH 2 + 2H 2O + H 2
450 − 5000 C

Cu
CH 3 -CH 2 -OH 
→ CH 3 -CHO + H 2
200 − 3000 C

-

Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu etylic 10 độ bằng oxi không khí có
mặt men giấm ở nhiệt độ khoảng 25 độ C.
C 2 H 5OH + O 2 → CH 3COOH + H 2O
- Phản ứng cháy:
t
C 2 H 5OH + 3O 2 
→ 2CO 2 + 3H 2 O
 Điều chế và ứng dụng:
- Điều chế: có nhiều phương pháp để điều chế etanol như hydrat hóa etylen với
xúc tác H2SO4, thủy phân dẫn xuất halogen và ester của etanol trong môi trường
kiềm, đi từ hợp chất cơ magnesium, khử hóa các hợp chất carbonyl, cacboxylic
và dẫn xuất,…
• Trong phòng thí nghiệm: thưởng sử dụng phản ứng thủy phân dẫn xuất
halogen để điều chế etanol.
• Trong công nghiệp: etanol được sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu thông
qua công nghệ hydrat hóa etylen, và theo phương pháp sinh học bằng cách lên
0

4


men từ tinh bột hoặc rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản
xuất etanol bằng lên men sử dụng chủng nấm men Saccharomyces cerevisiae
để chuyển hóa đường khi lên men tinh bột.
- Ứng dụng: Alcohol được biết đến sớm nhất và được sử dụng rộng rãi nhất cả
trong công nghiệp và trong đời sống hằng ngày chính là etanol, C 2H5OH. Trong
công nghiệp, etanol được sử dụng làm dung môi cho nhiều quá trình sản xuất sơn
mài, verni, hay một số sản phẩm mỹ phẩm. Etanol là một trong những dung môi
thường sử dụng cho nhiều quá trình kết tinh và kết tinh lại để tinh chế các chất
rắn. Ngoài ra, etanol còn là một hợp chất trung gian được sử dụng để tổng hợp ra
nhiều hóa chất quan trọng khác, ví dụ từ etanol có thể điều chế được ethyl acetate
hoặc nhiều ester khác có giá trị sử dụng cao; từ etanol có thể điều chế được ethyl
amine và dẫn xuất, là nguyên liệu cho nhiều quá trình sản xuất dược phẩm, sản
xuất hóa chất cho nông nghiệp. Trong công nghiệp thực phẩm, etanol là một
thành phần quan trọng trong nhiều sản phẩm được sản xuất theo phương pháp lên
men đường. Và hiện nay, etanol còn được sử dụng để làm nhiên liệu cho động cơ
đốt trong, điển hình là xăng E5 ( 95% xăng + 5% etanol) mà nước ta hiện đang
từng bước áp dụng cho động cơ xe máy,…
1.1.2. Nước:
Ở nhiệt độ phòng, nước là một chất lỏng không màu, không mùi, không vị.
Nhiệt độ sôi của nước tinh khiết là 1000C, nhiệt độ nóng chảy là 00C, ở áp suất thường
40C nươc có tỷ trọng là 1g/cm3. Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (hơn 3/4
diện tích Trái Đất được bao phủ bởi nước) và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là một dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là
dung môi rất quan trọng trong ngành Hóa.
1.2. Quá trình và thiết bị chưng cất:
1.2.1. Quá trình chưng cất:
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như

hỗn hợp khí-lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu
tử trong hỗn hợp, nghĩa là ở cùng một nhiệt độ thì cấu tử nào có áp suất hơi lớn hơn sẽ
dễ bay hơi hơn; hay ở cùng một áp suất cấu tử nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dễ bay
hơi hơn.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy
nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung
môi và chất tan đều bay hơi nhưng với hàm lượng khác nhau, còn trong quá trình cô
đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.
Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét đến trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, khi đó quá trình
chưng cất sẽ cho:
- Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có
độ bay hơi bé.
- Sản phẩm đấy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có
độ bay hơi lớn.
5


Chưng có thể ở áp suất khác nhau như áp suất thấp, áp suất thường, áp suất
cao:
- Chưng ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao như:
tinh dầu, các vitamin,…hoặc có nhiệt độ sôi quá cao: cặn mazut của dầu mỏ,…
- Chưng ở áp suất thường hay được sử dụng vì đơn giản: chưng rượu, axit, dầu
mỏ,…
- Chưng ở áp suất cao được tiến hành khi hỗn hợp không hóa lỏng ở nhiệt độ
thường: để sản xuất O2 và N2 từ không khí,…
Có thể tiến hành chưng đơn giản (một bậc), chưng lôi cuốn bằng hơi nước trực
tiếp, chưng cất ( chưng luyện):
- Chưng đơn giản: dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác
nhau, thường được dùng để tách 2 cấu tử có nhiệt đọ sôi khá xa nhau, khi độ sạch

của sản phẩm không cần cao lắm, để tách chất lỏng ra khỏi hợp chất không bay
hơi, khi tách sơ bộ các hỗn hợp nhiều cấu tử.
- Chưng lôi cuốn bằng hơi nước trực tiếp: khi trộn hai chất lỏng không hòa tan vào
nhau thì mỗi cấu tử sẽ giữ nguyên tính chất của mình như ở trạng thái nguyên
chất. Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay
hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.
- Chưng cất: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các
cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.

1.2.2.

Thiết bị chưng cất:
Trong sản xuất, thường dùng nhiều thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình
chưng cất. Tuy nhiên, chúng có cùng chung yêu cầu căn bản là có bề mặt tiếp xúc pha
lớn để tăng hiệu xuất quá trình. Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng,
loại được dùng phổ biến là tháp đệm và tháp mâm.
- Tháp đệm: là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Đệm được đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu
nhiên hay xếp thứ tự. Đệm làm từ nhiều loại vật liệu rắn khác nhau với những
hình dạng khác nhau. Yêu cầu của đệm: phải có diện tích bề mặt riêng lớn, độ
rỗng lớn để giảm trở lực cho pha khí, khối lượng riêng nhỏ, bền hóa học, rẽ tiền,
dễ kiếm.
- Tháp mâm: gồm thân tháp hình trụ thằng đứng trong có gắn các mâm cách nhau
một khoảng nhất định và có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được
cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có:
• Tháp mâm chóp: trên mâm có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy chuyền
có thể có tiết diện tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy suất lượng pha
lỏng. Chóp có thể có hình tròn hay một hình dạng khác ( xupap, chữ s,…). Ở
chóp có rãnh để pha khí đi qua, rãnh chóp có thể hình chữ nhật, tam giác hay
hình tròn. Chóp được gắn vào mâm bằng nhiều cách khác nhau. Chất lỏng

6


chảy từ mâm trên xuống mâm dưới nhờ ống chảy chuyền, khí đi từ dưới lên
qua ống khí rồi xuyên qua các rãnh chóp để sục vào lớp chất lỏng trên mâm.
• Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ 3 ÷12
mm, các lỗ được bố trí trên các đỉnh tam giác đều. Trong tháp, khí đi từ dưới
lên qua các lỗ trên mâm và phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên
xuống theo các ống chảy chuyền.
 So sánh ưu – nhược điểm của các loại tháp:
Tháp chêm.

Tháp mâm xuyên lỗ.
- Hiệu suất tương đối
Ưu điểm
- Đơn giản.
cao.
- Hoạt động khá ổn
- Trở lực thấp.
định.
- Làm việc với chất
lỏng bẩn.
Nhược điểm - Hiệu suất thấp.
- Trở lực khá cao.
- Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đĩa thật
- Độ ổn định kém. phẳng.
- Thiết bị nặng.

Tháp mâm chóp.

- Hiệu suất cao.
- Hoạt động ổn định.

- Cấu tạo phức tạp.

- Trở lực lớn.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.

.3. Quá trình và thiết bị ngưng tụ:
1.2.1. Quá trình ngưng tụ:
Là quá trình một hơi (hay hỗn hợp hơi) chuyển pha thành dạng lỏng tại một
điều kiện nhất định. Quá trình này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, chủ yếu là tính tan
lẫn các chất lỏng sau khi ngưng.
Người ta nhận thấy thường xảy ra hai dạng biến thiên nhiệt độ trong quá trình
ngưng tụ đẳng áp là: dạng ngưng tụ đẳng nhiệt, dạng ngưng tụ với nhiệt độ ngưng tụ
giảm dần.
1.2.2. Thiết bị ngưng tụ:
Là một thiết bị trao đổi nhiệt, tùy theo các tính chất và điều kiện làm việc của
hơi ngưng cũng như phụ thuộc vào chất tải ẩn nhiệt ngưng tụ ( dòng lạnh) mà thiết bị
ngưng tụ có cấu tạo rất đa dạng.
- Phân loại theo chất làm lạnh: nước, không khí, NH3, các freon R-12, R-22,…
- Phân loại theo điều kiện áp suất ngưng tụ: thiết bị ngưng tụ áp suất thấp( chân
không), áp suất thường, áp suất cao.
- Phân loại theo khả năng tiếp xúc của hai lưu chất: kiểu gián tiếp(hay kiểu bề
mặt), kiểu trực tiếp(TBNT hơi nước kiểu baromet)
Đối với các thiết bị trao đổi nhiệt nói chung phải thõa mãn các yêu cầu sau:
- Đáp ứng yêu cầu công nghệ, hiệu suất truyền nhiệt cao, thiết bị càng có khả năng
tự điều chỉnh càng tốt.

7


-

Thiết bị làm việc ổn định, an toàn, kết cấu gọn nhẹ, dễ vận hành, lắp đặt, sửa
chữa, lau chùi, vệ sinh thuận tiện.
Một số loại thiết bị ngưng tụ thường gặp như: thiết bị ngưng tụ kiểu xối tưới,
kiểu vỏ - ống nằm ngang, kiểu vỏ - ống thẳng đứng,…và một số loại thiết bị truyền
nhiệt khác.
Sơ lượt về thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm:
- Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm có diện tích trao đổi nhiệt rất lớn, có thể đến
hàng nghìn mét vuông, hệ số trao đổi nhiệt cao, thích hợp dùng làm thiết bị
truyền nhiệt lỏng – lỏng, lỏng – khí, và cả khí – khí, thiết bị ngưng tụ. Bởi vậy
loại thiết bị này được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp hoá chất và thực
phẩm.
- Ưu điểm: cấu tạo gọn, chắc chắn, tốn ít kim loại ( tính theo một đơn vị truyền
nhiệt). Dễ làm sạch phía trong ống bằng phương pháp cơ học trừ thiết bị có ống
truyền nhiệt hình chữ U.
- Nhược điểm: khó chế tạo bằng vật liệu không nong và hàn như gang hoặc thép
silic.

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CHƯNG CẤT
2.1. Sơ bộ về nguyên liệu:
Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol – nước, là một hỗn hợp đẳng phí trong đó
Etanol là cấu tử dễ bay hơi.
Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Etanol - nước ở 760 mmHg.
x
(%phân mol) 0

5
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
y
44, 53,
65,
75,
(%phân mol) 0 33,2 2
1
57,6 61,4
4 69,9 3 81,8 89,8 100
86, 83,
O
t ( C)
100 90,5 5
2
81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4
Hình 1: Đồ thị quan hệ giữa thành phần và nhiệt độ của hệ Etanol – Nước
Hình 2: Đồ thị y-x của hệ Etanol – Nước.
Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H 2O, nhiệt độ sôi là 78,5 0C ở 760
mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100oC ở 760 mmHg: nhiệt độ sôi cách biệt xa nên
phương pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.
8

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 tách thêm một lần nữa, có thể làm cho quá trình phức
tạp hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn.
2.2. Sơ đồ quy trình chưng cất Etanol – nước:
Chú thích các kí hiệu trong quy trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu.
8. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
2. Bơm nhập liệu thuộc dạng có biến tầng. 9. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
3. Bồn chứa sản phẩm đáy.
10. Lưu lượng kế.
4. Thiết bị trao đổi nhiệt nhập liệu và sản 11. Bơm hoàn lưu thuộc dạng có biến
phẩm đáy.
tầng.
5. Nồi đun đáy tháp.
12. Bình phân phối lỏng ngưng.
6. Thiết bị đun sôi nhập liệu.
13. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
7. Tháp chưng cất
14. Van 1 chiều.
15. Bẫy hơi.

9


.3.

Thuyết minh quy trình công nghệ:

Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 25% ( theo mol), nhiệt độ khoảng
0
30 C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt (4)
(trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi
trong thiết bị gia nhiệt (6) bằng hơi đốt là hơi nước bảo hòa 2,5atm, tiếp theo đó
hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (7) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa 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 nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng giảm vì đã bị pha hơi
(tạo nên từ nồi hơi (5) bằng hơi nước 3atm cấp nhiệt gián tiếp) lôi cuốn cấu tử dễ
bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa 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 (85% mol). Hơi này đi vào thiết bị
ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn bằng nước gián tiếp. Một phần chất lỏng
ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh (9), được làm nguội đến 40 0C ,
rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (13). Phần còn lại của chất lỏng ngưng
tụ đựơc hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với chỉ 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 hầu hết
là các cấu tử khó bay hơi (nước). Dung dịch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào thiết bị
trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu và được chứa ở bồn chứa (3). Hệ thống làm việc
liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với
nhập liệu được đưa về khu xử lý nước thải.

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.1. Các thông số ban đầu:
10

-

Năng suất sản phẩm đỉnh: VD = 1000 lít/h = 1 m3/h.
Nồng độ nhập liệu: xF = 25% mol Etanol
Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 85% mol Etanol.
Tỷ lệ thu hồi Etanol: η = 99%.

-

Khối lượng phân tử của Etanol và nước:
Chọn:

M C2 H5OH = 46; M H 2O = 18

t F1 = 300 C

• Nhiệt độ đầu của dòng nguyên liệu:

0
• Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: t D = 40 C
t = 40 0 C
• Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: W 1
• Nhập liệu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi.

-

Kí hiệu:
• GF , F: lần lượt là suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h, Kmol/h.
• GD, D: lần lượt là suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h, Kmol/h.
• GW, W: lần lượt là suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h, Kmol/h.

• xi, x i : lần lượt là phân mol, phân khối lượng của cấu tử dễ bay hơi.
3.2. Cân bằng vật chất:
- Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F = D + W
(2.1)
- Cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi: F×x F = D×x D + W×x W
(2.2)
- Tỷ lệ thu hồi: F×x F ×η = D×x D
(2.3)
-

Phân mol nhập liệu, xF: xF = 0,25 (kmol C2H5OH/kmol hỗn hợp)

-

Phân khối lượng nhập liệu, x F :
xF =

-

x F ×M C2 H5OH
x F ×M C2 H5 OH + (1-x F )×M H2O

=

0,25×46
= 0,46
0,25×46 + (1-0,25)×18

Khối lượng mol của hỗn hợp nhập liệu, M F :

M F = M C2 H5OH ×x F + (1-x F )×M H2 O = 46×0,25 + (1-0,25)×18 = 25 (

kg
)
kmol

-

Phân mol sản phẩm đỉnh, xD: xD = 0,85 (kmol C2H5OH/kmol hỗn hợp)

-

Phân khối lượng sản phẩm đỉnh, x D :
xD =

-

x D ×M C2H5OH
x D ×M C2H5OH + (1-x D )×M H2O

=

0,85×46
= 0,935
0,85×46 + (1-0,85)×18

Khối lượng mol của hỗn hợp sản phẩm đỉnh, M D :
M D = M C2 H5OH ×x D + (1-x D )×M H 2O = 46×0,85 + (1-0,85)×18 = 41,8 (

-

Tra bảng I.2 , trang 9, [1]:
• Khối lượng riêng của Etanol ở 400C:
• Khối lượng riêng của nước ở 400C:

-

kg
)
kmol

ρ C2H5OH = 772 (kg/m 3 )

ρ H2O = 992 (kg/m3 )

Khối lượng riêng của hỗn hợp sản phẩm đỉnh, ρ D :
11


1
xD
1-x D
0,935 1-0,935
=
+
=
+
ρD
ρ C2H5OH
ρH 2O

772
992
⇒ ρ D = 783,29 (kg/m3 )

-

Suất lượng sản phẩm đỉnh:
D=

-

Từ phương trình (2.3), suất lượng nhập liệu:
F=

-

F×x F - D×x D
64,36×0,25 -18,74×0,85
=
= 0,0035
W
45,62

Phân khối lượng sản phẩm đáy, x W :
xW =

-

D×x D
18,74×0,85

=
= 64,36 (kmol/h)
x F ×η
0,25×0,99

Từ phương trình (2.1), suất lượng sản phẩm đáy:
W = F - D = 64,36 - 18,74 = 45,62 (kmol/h)
Từ phương trình (2.2), phân mol sản phẩm đáy, x W :
xW =

-

VD ×ρ D
1×783,29
=
= 18,74 (kmol/h)
MD
41,8

x W ×M C2 H5OH
x W ×M C2 H5OH + (1-x W )×M H2O

=

0,0035×46
= 0,0089
0,0035×46 + (1-0,0035)×18

Khối lượng mol của hỗn hợp sản phẩm đáy, M W :
M W = M C2H5OH ×x W + (1-x W )×M H2O = 46×0,0035 + (1-0,0035)×18 = 18,098 (

Dòng

Khối lượng
mol (kg/kmol)

Suất lượng
mol (kmol/h)

F
D
W

25
41,8
18,098

64,36
18,74
45,62

Suất lượng
khối lượng
(kg/h)
1609
783,332
825,63

kg
)

kmol

Phân mol
(kmol/kmol)

Phân khối
lượng (kg/kg)

0,25
0,85
0,0035

0,46
0,935
0,0089

3.3. Xác định chỉ số hoàn lưu thích hợp:
3.3.1. Chỉ số hoàn lưu tối thiểu Rmin:
Tỉ số hồi 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 định là vô cực nhưng chi phí điều hành ( nhiên liệu, nước,
bơm,..) là tối thiểu.
Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol – Nước có điểm uốn, nên xác định chỉ số hồi
lưu tối thiểu bằng cách:
- Trên đồ thị cân bằng y-x, từ điểm (x D, xD) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến với
đường cân bằng tại điểm uốn, cắt trục Oy tại điểm có y0 = 0,275.
- Theo phương trình đường làm việc đoạn cất, khi x0 = 0 thì:
y0 =

xD
= 0, 275

Rmin + 1

Vậy, ta tính được chỉ số hoàn lưu tối thiểu: Rmin = 2,09.

12


Hình 3: Đồ thị xác định Rmin của hệ Etanol – Nước.
3.3.2. Chỉ số hoàn lưu thích hợp Rth:
Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì
phải làm bay hơi lượng hồi lưu này. Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng với
sự tăng của chỉ số hồi lưu. Nếu giảm chỉ số hồi lưu thì sẽ làm tăng chi phí chế tạo tháp
mặc dù có giảm chi phí làm việc. Vì vậy, cần xác định giá trị thích hợp của chỉ số hồi
lưu.
Để tính gần đúng ta có lấy chỉ số hồi lưu thích hợp theo công thức ( IX.25b,
trang 159 [2]): Rth = 1,3Rmin + 0,3
Ngoài ra, có thể xác định chỉ số hồi lưu thích hợp từ điều kiện thể tích tháp
nhỏ nhất (không tính đến các chỉ tiêu kinh tế vận hành). Trong trường hợp này ta cần
thiết lập quan hệ giữa chỉ số hồi lưu R và thể tích của tháp V. Thể tích tháp: V = S × H
trong đó: S là tiết diện tháp (m2); H là chiều cao tháp (m).
Ta biết tiết diện tháp tỉ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp G1 = D×(R+1) , có
nghĩa tỷ lệ với lượng hồi lưu. Do đó trong điều kiện làm việc nhất định D = const, tiết
diện tháp sẽ tỉ lệ với (R+1). Còn chiều cao tháp tỉ lệ với số mâm lý thuyết H~n lt . Cho
nên thể tích tháp tỉ lệ với tích số n lt ×(R+1) .
Từ đó, ta có thể thiết lập quạn hệ giữa R và V theo quan hệ R và n lt ×(R+1) .
Vậy phải xác xác định các trị số của nlt ứng với các giá trị R khác nhau để thiết
lập quan hệ phụ thuộc giữa R và n lt ×(R+1) trên đồ thị. Điểm cực tiểu của đường cong
vẽ được sẽ cho ta giá trị thể tích tháp nhỏ nhất, và ứng với điểm đó sẽ có chỉ số hồi lưu
thích hợp Rth.
Chỉ số hồi lưu R thường được xác định qua chỉ số hồi lưu tối thiểu R min:

R = α×Rmin α
; là hệ số dư. Vậy lần lượt cho α các giá trị từ (1,5 ÷ 2, 4) , ta xác định được
bảng sau:

α

1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
2,2
2,3
2,4

R
3,135
3,344
3,553
3,762
3,971
4,18
4,389
4,598
4,807
5,016

nlt

23
21
20
19
18
18
17
17
17
16

n lt ×(R+1)

95,105
91,224
91,06
90,478
89,478
93,24
91,613
95,166
98,719
96,256

13


Hình 4: Đồ thị quan hệ phụ thuộc giữa R và n lt ×(R+1)
Từ đồ thị, ta thấy điểm cực tiểu của đường cong là 3,95 ⇒ R th = 3,95 .
3.3.3. Phương trình đường làm việc và số mâm lý thuyết:

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
y=

R th + f
1-f
3,95 + 3,434
(1 - 3,434)×0,0035
×x +
×x w =
×x +
= 1,492x - 0,00172
R th +1
R th +1
3,95 + 1
3,95 + 1
f=

-

Với:
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:
y=

-

F
64,35
=
= 3,434
D 18,737

: chỉ số nhập liệu.

R th
xD
3,95
0,85
×x +
=
×x +
= 0,798x + 0,172
R th +1
R th +1 3,95+1
3,95+1

Số mâm lý thuyết:
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết:
Từ đồ thị, ta xác định được: Nlt = 18 mâm.

3.3.4.

Hình 5: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết.
Xác định số mâm thực tế tháp chưng cất:

Có nhiều phương pháp xác định số mâm thực của tháp, ngoại trừ các ảnh hưởng của
thiết kế cơ khí tháp thì ta có thể xác định số mâm thực dựa vào hiệu suất trung bình.
N
N tt = lt
ηtb
Công thức IX.59, trang 170, [2]:
Trong đó: Nlt - số mâm lý thuyết.

Ntt - số mâm thực tế.
η tb - hiệu suất trung bình của tháp chưng cất, là một hàm số của độ bay hơi
tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: η tb = f(α,μ) .
η + η2 + η3 + ... + ηn
ηtb = 1
n
Công thức IX.60, trang 171, [2]:
η1 , η2 ,... - hiệu suất của các mâm.
n – số vị trí tính hiệu suất.
Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp: công thức IX.61, trang 171, [2]:
y* 1 - x
α=×
1 - y* x
Trong đó: x – phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng.
y* - phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
α - độ bay hơi tương đối của hỗn hợp
μ - độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N.s/m2.
3.3.4.1. Hiệu suất trung bình của tháp chưng cất, η tb :

-

Hiệu suất mâm nhập liệu, ηF :
Từ đồ thị t –x,y (hình 1): xF = 0,25 → tF = 82,3 0C.
*
Từ đồ thị y – x (hình 2): x = 0,25 → y F = 0,555.
F

Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp nhập liệu:

14

y*
1 - xF
0,555 1 − 0, 25
αF = × F *
=
×
3, 742
=
1 - yF
xF
1 − 0,555
0, 25
Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ tF = 82,3 0C.
μ = 0,349 cP
• Độ nhớt động lực của H2O: H 2O
μ
= 0,422 cP
• Độ nhớt động lực của C2H5OH: C2 H5OH
Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu : công thức I.12, trang 84, [1]:
logμ F = x F log μ C2H5OH + (1 − x F ) log μ H2O
⇒ μ F = 0,366 cP
Suy ra: α F × μ F = 3, 742 × 0,366 = 1,37
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2] ⇒ ηF = 46% .

-

Hiệu suất mâm sản phẩm đỉnh, ηD :
Từ đồ thị t –x,y (hình 1): xD = 0,85 → tD = 78,4 0C.

*
Từ đồ thị y – x (hình 2): x = 0,85 → y D = 0,86.
D

Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp sản phẩm đỉnh:
y*
1 - xD
0,86 1 − 0,85
αD = × D *
=
×
1, 084=
1 - yD
xD
1 − 0,86
0,85
Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ tD = 78,4 0C.
μ = 0,366 cP
• Độ nhớt động lực của H2O: H 2O
μ
= 0,447 cP
• Độ nhớt động lực của C2H5OH: C2 H5OH
Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu : công thức I.12, trang 84, [1]:
logμ D = x D log μ C2 H5OH + (1 − x D ) log μ H 2O
⇒ μ D = 0, 434 cP
Suy ra: α D × μ D = 1, 084 × 0, 434 = 0, 47
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2] ⇒ ηD = 60% .

-

Hiệu suất mâm sản phẩm đáy, ηW :
Từ đồ thị t –x,y (hình 1): xW = 0,0035 → tW = 99,8 0C.
*
Từ đồ thị y – x (hình 2): x = 0,0035 → y W = 0,022.
W

Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp nhập liệu:
y*
1 - xW
0, 022 1 − 0, 0035
α W = × W*
=
×
6, 40 =
1 - yW
xW
1 − 0,022
0, 0035
Tra bảng I.101, trang 91, [1] tại nhiệt độ tW = 99,8 0C.
μ = 0,285 cP
• Độ nhớt động lực của H2O: H2O
μ
= 0,327 cP
• Độ nhớt động lực của C2H5OH: C2 H5OH
Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu : công thức I.12, trang 84, [1]:
logμ W = x W log μ C2H5OH + (1 − x W ) log μ H2O
⇒ μ W = 0, 285 cP
Suy ra: α W × μ W = 6, 40 × 0, 285 = 1,825
Tra đồ thị hình IX.11, trang 171, [2] ⇒ ηW = 43% .

15


Vậy, suy ra hiệu suất trung bình của tháp chưng cất, ηtb là:
η +η +η
60% + 46% + 43%
ηtb = D F W =
= 49,67%
3
3
3.3.4.2. Số mâm thực tế tháp chưng cất:
Công thức IX.59, trang 170, [2]:
N
18
N tt = lt =
= 36, 24
ηtb 49, 67%
Vậy, chọn số mâm thực tế N tt = 37 mâm.
Dòng
Phần mol Etanol pha lỏng
Phần mol Etanol pha hơi
Nhiệt độ (0C)
Độ nhớt động lực của H2O (cP)
Độ nhớt động lực của C2H5OH (cP)
Độ nhớt của hỗn hợp (cP)
Độ bay hơi tương đối
Hiệu suất mâm (%)
Hiệu suất trung bình của tháp (%)

F

0,25
0,555
82,3
0,349
0,422
0,366
3,742
46

D
0,85
0,86
78,4
0,366
0,447
0,434
1,084
60
49,67

W
0,0035
0,022
99,8
0,258
0,327
0.285
6,4
43

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
.1.
-

Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng cất:
Chọn:
• Hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 3at, có ẩn nhiệt hóa hơi r h = 2171

•
•
•

3
kJ/kg, khối lượng riêng ρ h = 1,618 kg/m .
Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% nhiệt lượng do dòng hơi
nước bão hòa mang vào đáy tháp.
GL0

: suất lượng khối lượng của dòng lỏng hồi lưu vào đỉnh tháp.

Gy

: suất lượng khối lượng của dòng hơi mang ra ở đỉnh tháp.

Q + Q H2 + Q L0 = Q y + Q W + Qtt
Phương trình cân bằng nhiệt: F
Tra bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]:
C
= 4,19 kJ/(kg.0C)
C

= 3,2 kJ/(kg.0C)
t
• Tại D1 = 78,4 0C: H O
và C H OH
C
= 4,1946 kJ/(kg.0 C)
C
= 3,2545 kJ/(kg.0C)
• Tại tF = 82,3 0C: H O
và C H OH
C
= 4,2296 kJ/(kg.0 C)
C
= 3,517 kJ/(kg.0C)
• Tại tW = 99,8 0C: H O
và C H OH
rC2H5OH = 848,413 kJ/kg
r = 2347,12 kJ/kg
và H2O
- Nhiệt lượng do dòng nhập liệu sau khi qua thiết bị gia nhiệt nhập liệu mang vào tháp,

-

2

2

2

5

2

2

5

2

5

QF:
QF = GF × CF × t F = 1609 × 3, 7922 × 82,3 = 498187,0662 kJ/h
CF = x F × CC2 H5OH + (1 − x F ) × C H2 O
= 0, 46 × 3, 2545 + (1 − 0, 46) × 4,1946 = 3,7922 kJ/(kg.0C)

16


-

Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp, QW:
QW = GW × CW × tW = 825, 63 × 4,223 × 99,8 = 347987,469 kJ/h
CW = x W × CC2 H 5OH + (1 − x W ) × CH 2O
= 0, 0089 × 3,517 + (1 − 0, 0089) × 4, 2296 = 4,223 kJ/(kg.0C)

-

Nhiệt lượng do dòng lỏng hồi lưu mang vào tháp,

Q L0

:

QL0 = GL0 × CL0 × tL0 = GD × Rth × CL0 × tL0 = 783,332 × 3,95 × 3, 26 × 78, 4 = 791873,38 kJ/h
CL0 = x D × CC2 H5OH + (1 − x D ) × CH 2O

-

= 0,935 × 3, 2 + (1 − 0, 935) × 4,19 = 3, 264 kJ/(kg.0C )
Nhiệt lượng do dòng hơi mang ra ở đỉnh tháp, Qy:
Qy = Gy × (rD + CD × tD1 ) = GD × ( Rth + 1) × (rD + CD × tD1 )
= 783,332 × (3,95 + 1) × (945,83 + 3, 264 × 78, 4) = 4659686, 786 kJ/h
CD = CL0 = 3, 264 kJ/(kg.0 C)
rD = x D × rC2 H 5OH + (1 − x D ) × rH 2O
= 0,935 × 848, 413 + (1 − 0,935) × 2347,12 = 945,83 kJ/kg

-

Nhiệt lượng do dòng hơi nước bão hòa mang vào đáy tháp,
Q H 2 = GH2 × rh = 2171GH2 kJ/h

-

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh, Qxq:
Qtt = 5% Q H 2 = 5% × 2171GH 2 = 108,55GH 2 kJ/h

-

QH2

:

G
Vậy, lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp là, H 2 :
Qy + QW − QF − QL0
GH 2 =
2171 − 105,55
4659686,786 + 347987,469 − 498187,0662 − 791873,38
=
2171 − 105,55
= 1799,905 kg/h
= 1112,426 m3 /h

.2.
-

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đáy:
Chọn :
t = 40 0C
• W
- là nhiệt độ ra của dòng sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt với dòng
nhập liệu.
t = 30 0 C
• F
- là nhiệt độ vào thiết bị trao đổi nhiệt của dòng nhập liệu.
• Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh, Qtt = 5%Q.
- Tra bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]:
t = 40 0 C C H O = 4,175 kJ/(kg.0C)
C

= 2,71 kJ/(kg.0C)
• Tại W
:
và C H OH
t = 30 0 C C H O = 4,1775 kJ/(kg.0C)
C
= 2,595 kJ/(kg.0C)
• Tại F
:
và C H OH
- Lượng nhiệt tỏa ra của dòng sản phẩm đáy khi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu, Q:
1

1

1

1

2

2

2

5

2

5

17


Q = GW × (CW × tW − CW1 × t W1 )= 825, 63 × (4,223 × 99,8 − 4,162 × 40) = 210515,34 kJ/h
CW1 = x W × CC2 H5OH + (1 − x W ) × CH 2O
= 0, 0089 × 2,71 + (1 − 0, 0089) × 4,175 = 4,162 kJ/(kg.0 C)

-

Nhiệt dung riêng trung bình dòng nhập liệu trong khoảng dao động từ nhiệt độ
là:
CF + CF 1 3,7922 + 3,45
CFtb =
=
= 3,62 kJ/(kg.0C)
2
2
CF1 = x F × CC2 H5OH + (1 − x F ) × CH 2O

t F1 → t F

= 0, 46 × 2,595 + (1 − 0, 46) × 4,1775 = 3,45 kJ/(kg.0C)

-

Vậy, nhiệt độ ra của dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy,
Q − Qtt
210515,34 × (1-5%)
t F2 =

+ t F1 =
+ 30 = 64,34 0 C
GF × CFtb
1609 × 3, 62

t F2

:

4.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
- Chọn:
• t1 = 30 0C – là nhiệt độ đầu vào của nước làm lạnh.
• t2 = 50 0C – là nhiệt độ đầu ra của nước làm lạnh.
• Hơi ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng sôi ở nhiệt độ
-

-

4.4.
-

-

Phương trình cân bằng nhiệt:

t D1 = 78,4 0 C

.
Q = GD × ( Rth + 1) × rD = CH 2O × (t 2 − t1 ) ×

Gnước

t
Nhiệt độ trung bình của nước làm lạnh, Ntb :
t +t
30 + 50
tN = 1 2 =
= 40 0 C
tb
2
2
t = 40 0 C C H O = 4,175 kJ/kg.0C
Tra bảng I.153, trang 172, [1] tại Ntb
:
Nhiệt lượng tỏa ra khi dòng hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ, Q:
Q = GD × ( Rth + 1) × rD = 783,332 × (3,95 + 1) × 945,83 = 3667449,583 kJ/h
2

Vậy, lượng nước cần dùng để ngưng tụ hơi đỉnh tháp là, Gnước:
Q
3667449,583
=
=
= 43921,55 kg/h
C H2 O × (t 2 − t1 ) 4,175 × (50 − 30)
Gnước
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:
Chọn:
• t3 = 30 0C – là nhiệt độ đầu vào của nước làm nguội.
• t4 = 40 0C – là nhiệt độ đầu ra của nước làm nguội.

• tD = 40 0C – là nhiệt độ của sản phẩm đỉnh sau khi được làm nguội.
Q = GD × CD × (t D1 − t D ) = C H2O × (t 4 − t 3 ) ×
Phương trình cân bằng nhiệt:
Gnước
t
Nhiệt độ trung bình của dòng sản phẩm đỉnh, Dtb :
t D + t D 78, 4 + 40
tD = 1
=
= 59,2 0C
tb
2
2

18


-

Nhiệt độ trung bình của nước làm nguội là,
t +t
30 + 40
tN = 3 4 =
= 30,5 0C
tb
2
2

tN

tb

:

-

Tra bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]:
t N = 30,5 0C C H O = 4,1774 kJ/kg.0C
• Tại tb
:
0
t = 59,2 C C H O = 4,1894 kJ/kg.0C
C
= 2,96 kJ/kg.0C
• Tại Dtb
:
và C H OH
- Lượng nhiệt tỏa ra từ dòng sản phẩm đỉnh, Q:
Q = GD × CD × (t D1 − t D ) = 783,332 × 3, 04 × (78, 4 − 40) = 91440,367 kJ/h
2

2

2

5

CD = x D × CC2 H5OH + (1 − x D ) × CH2O
= 0, 935 × 2,96 + (1 − 0, 935) × 4,1894 = 3, 04 kJ/(kg.0 C)

-

Vậy, lượng nước làm nguội sản phẩm đỉnh là, Gnước:
Q
91440,367
=
= 2188,93 kg/h
CH 2O × (t 4 − t 3 ) 4,1774 × (40 − 30)
Gnước =
4.5. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị đun sôi nhập liệu:
- Chọn:
0
t = 64,34 0C
• Dòng nhập liệu có nhiệt độ vào là F
và nhiệt độ ra là t F = 82,3 C .
• Gia nhiệt bằng hơi đốt là hơi nước bão hòa ở áp suất tuyệt đối 2,5at có ẩn nhiệt
2

hóa hơi là rh = 2189,5 (kJ/kg), nhiệt độ ngưng tụ là th = 126,25 0C.
• Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qtt = 5%Q.
-

-

Phương trình cân bằng nhiệt:

Q = GF × C F × (t F − t F2 ) = Gh × rh

t
Nhiệt độ trung bình của dòng nhập liệu, Ftb :

t F + tF 64,34 + 82,3
tF = 2
=
= 73,32 0 C
tb
2
2
Tra bảng I.153 và I.154, trang 172, [1]:
t F = 73,32 0 C C H 0 = 4,19 kJ/kg.0C
C
= 3,1365 kJ/kg.0C
• Tại tb
:
và C H OH
t → tF
Lượng nhiệt mà dòng nhập liệu cần để nâng nhiệt độ từ F 2
là, Q:
Q = GF × CF × (t F − t F2 ) = 1609 × 3, 705 × (82,3 − 64,34) = 107077, 03 kJ/h
2

-

2

5

CF = x F × CC2 H5OH + (1 − x F ) × CH2O
= 0, 46 × 3,1365 + (1 − 0, 46) × 4,19 = 3, 705 kJ/(kg.0C)

-

Vậy, lượng đốt cần dùng là, Gh:
Q + Qtt 107077, 03 ×1, 05
Gh =
=
= 51,35 kg/h
rh
2189,5

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
5.1. Tính kích thước thiết bị:
19


-

Chọn thiết bị ngưng tụ vỏ - ống loại TH đặt nằm ngang.
Ống truyền nhiệt được làm bằng thép INOX 304 (X18H10T) có các thông số:
• Đường kính ngoài của ống: dng = 25 mm = 0,025 m.
• Đường kính trong của ống: dtr = 21 mm = 0,021 m.
• Bề dày thành ống: δ = 2 mm = 0,002 m.
• Chiều dài: l = 2 m

(
• Hệ số dẫn nhiệt của thành ống thép:
- Dòng nước giải nhiệt đi trong ống có:
• Nhiệt độ vào t1 = 30 0C, nhiệt độ ra t2 = 50 0C.
• Lượng nước cần dùng: Gnước = 43921,55 kg/h.

λ = 16,3 W/m.0C )

-

Hơi ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng sôi bên ngoài ống ở nhiệt độ:
Q = 3667449,583 ( kJ/h )
Nhiệt lượng tỏa ra khi dòng hơi ngưng tụ: nt
.
- Xác định
∆Tlog =

-

t D1 = 78,4 0C

∆Tlog

(t

D1

:

) (

− t1 − tD1 − t 2
 t D − t1 
ln  1
 t D − t2 ÷
÷
 1



) = ( 78, 4 − 30) − ( 78, 4 − 50) = 37,52

Nhiệt độ trung bình của nước:
t N = 40,88 0 C
Tại
, ta có:

 78, 4 − 30 
ln 
÷
 78, 4 − 50 

0

.

C

t Ntb = tD1 − ∆Tlog = 78, 4 − 37, 52 = 40,88 0 C

.

tb

3
• Khối lượng riêng của nước: ρ N = 991,604 kg/m
-4
2

• Độ nhớt của nước: µ N = 6,466×10 N.s/m
0
• Hệ số dẫn nhiệt của nước: λN = 0,635 W/m. C

0
• Nhiệt dung riêng của nước: CpN = 4175,66 J/kg. C

• Chuẩn số Pr của nước: PrN = 4, 252
- Chọn vận tốc dòng nước: vN = 0,7 m/s.
v × d tr × ρ N 0, 7 × 0, 021× 991,604
Re = N
=
= 22540
µN
6,466×10-4
- Xác định chuẩn số Re:
. Vậy
thuộc chế độ chảy rối, Re > 10000.
- Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài ống chùm nằm ngang, α 1 :
tV 1 = 66 0 C

• Giả sử, chọn nhiệt độ bề mặt thành ngoài ống là:
.
• Hiệu số giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ bề mặt thành ngoài ống:
∆t = t D − tV = 78, 4 − 66 = 12,4 0C
1

1

tm =

t D1 + tV 1

= 72,2 0C

2
• Nhiệt độ màng lỏng ngưng:
0
t = 78,4 C
• Tại D
, ẩn nhiệt ngưng tụ của dòng hơi là: rD = 945830 J/kg .
1

0
• Tại tm = 72,2 C , ta có:

20


Khối lượng riêng của lỏng ngưng:

CpD1 = 31920 J/kg.0 C

Nhiệt dung riêng của lỏng ngưng:
Hệ số dẫn nhiệt của nước ngưng:
λD1 = 3,58 × 10−8 × CpD1 × ρ D1 × 3

ρ D1
41,8

ρ D1 = 754,153 kg/m3

=0,226 ( W/m.0 C )

(
)
Độ nhớt của lỏng ngưng: D
• Hệ số cấp nhiệt của hơi ngưng ở mặt ngoài một ống nằm ngang là:
µ 1 = 4,802 ×10−4 N.s/m 2

α = 1, 28 × 4

rD × ρ D21 × λ D3

1

µ D1 × d ng × ∆t

= 3253 ( W/m 2 .0 C )

• Chọn hệ số phụ thuộc vào cách bố trí ống và số ống trong mỗi dãy thẳng đứng
là: ε = 0,5
⇒ α1 = α × ε = 3253 × 0,5 = 1627 ( W/m 2 .0 C )

-

Nhiệt tải của hơi ngưng tụ ngoài thành ống, q1:

(

)

q1 = q = α1 × t D1 − tV 1 = 20170 ( W/m 2 )

1
( m 2 .0C/W )
5800
• Nhiệt trở cặn bẩn phía hơi ngưng:
1
r2 =
m 2 .0 C/W )
(
5000
• Nhiệt trở cặn bẩn phía dòng nước:
δ


tV 2 = tV 1 − q ×  r1 + + r2 ÷ = 56,014 0C
λ


• Nhiệt độ bề mặt thành trong của ống là:
- Hệ số cấp nhiệt của dòng nước bên trong ống, α 2 :
tV 2 = 56,014 0 C
Prt = 3,519
r1 =

• Tại
, tra bảng ta có chuẩn số Pr của dòng nước là:
• Chuẩn số Nu của dòng nước trong ống:

0,25

Nu = 0, 021× ε1 × Re × Pr
0,8

0,43
N

 Pr 
× N ÷
 Prt 

0,25

= 0, 021× 1× 22540 × 4, 252
0,8

Nu × λN
= 3767 ( W/m 2 .0C )
dtr

⇒ α2 =

-

-

0,43

 4, 252 

×
÷
 3,519 

= 124,585

Nhiệt tải của dòng nước q2:

(

)

q2 = α 2 × tV2 − t 2 = 3767 × ( 56,014 − 50 ) = 22660 ( W/m 2 )

Kiểm tra điều kiện sai số, ε 0 < 0, 05 :

ε0 =

q1 − q2
20170 − 22660
=
= 0,11
q2
22660

21


t

Tiếp tục, ta sẽ thực hiện phép tính lặp tại những giá trị V khác nhau và được
bảng sau:
0
65,9
65,8
65,7
tV ( C )
1

1

α
α1
q1

q
tV 2

( W/m . C )
( W/m . C )
( W/m )
( W/m )
( C)

q2

3246

3239

3231

2 0

1623

1619

1616

2

20290

20400

20520

20290

20400

20520

55,856

55,698

55,54

3,529
124,501
3765

3,538
124,418
3762

3,548
124,334
3760

22050

21440

20830

0,08

0,048

0,015

2

0

Prt
Nu

α2

2 0

( W/m . C )
( W/m )
2 0

2

ε0

-

1

K=

-

1
1
=
= 724,63 ( W/m 2 .0 C )
1
δ
1
1
1

0, 002
1
1
+ r1 + + r2 +
+
+
×
+
α1
λ
α 2 1616 5800 16,3 5000 3760

Diện tích bề mặt truyền nhiệt, F:
F=

-

Qnt × 1000
3667449,583 × 1000
=
= 37,474 ( m 2 )
K × ∆Tlog × 3600 724,63 × 37,52 × 3600

Chiều dài ống ứng với diện tích F là:
F

L=

π×

-

tV 1 = 65,7 0 C

thõa mãn điều khiện ε 0 < 0, 05 .
t = 65,7 0 C
Hệ số truyền nhiệt K ứng với V
là:
Từ bảng trên ta thấy: tại

dtr + d ng
2

=

37,474
= 518,627 ( m )
0, 02 + 0, 025
π×
2

n=

L 518,627
=
= 259, 313
l
2
ống.

Tổng số ống truyền nhiệt có chiều dài l = 2m là:
Vậy, để giữ trữ 15% diện tích truyền nhiệt ta chọn tổng ống truyền nhiệt là n =
301 ống dài l = 2m.
- Cấu tạo thiết bị:
• Các ống được bố trí theo các cạnh của hình lục giác đều và trên các đỉnh của
các tam giác đều, với tổng số ống trong thiết bị là 301 ống thì số tổng số ống
không kể các ống trong các hình viên phân là 271 ống. Số ống trên đường
chéo lớn nhất của hình lục giác đều là b = 19 ống. Số ống trong các hình viên
phân ở dãy thứ nhất là 5 ống.
22


• Chọn bước ống t bằng 1,4 lần đường kính ngoài của ống truyền nhiệt:
t = 1, 4 × d ng = 1, 4 × 25 = 35 ( mm )
• Đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là, Dt:
Dt = t × ( b − 1) + 4 × d ng = 35 × ( 19 − 1) + 4 × 25 = 730 ( mm )
Vậy, chọn đường kính trong của thiết bị ngưng tụ là Dt = 800 mm .
• Vận tốc thực của dòng nước trong thiết bị ngưng tụ,
v Nt =

v Nt

:

4 × GN
4 × 43921, 55
=
= 0,118 ( m/s )
2
3600 × π × ρ N × n × d tr 3600 × π × 991,604 × 301× 0, 0212

.

• Do đó, để vận tốc của dòng nước đúng với vận tốc thiết kế thì ta phải tăng số
z=

-

vN
0, 7
=
= 5,932
v Nt 0,118

chặn phía ống. Số chặn phía ống, z:
bị có 6 chặn phía ống.
Kiểm tra Re ứng với có 6 chặn phía ổng, Re > 10000:
Re =

. Vậy, ta chọn thiết

4 × GN
4 × 43921, 55
=
= 22804, 21
n
301
-4
3600 × π × × dtr × µ N 3600 × π ×
× 0, 021× 6,466×10
6

6

Kết luận: Thiết bị có đường kính trong Dt = 800 mm, có tổng cộng 301 ống
truyền nhiệt có kích thước 25x2 mm dài l = 2 m, chia làm 6 chặn phía ống, mỗi chặn
có 50 ống, bước ống t = 35mm.
5.2. Tính cơ khí thiết bị:
5.2.1. Bề dày thân:
- Thiết bị hoạt động ở áp suất thường nên ta thiết kế thiết bị có thân hình trụ được
gia công bằng phương pháp hồ quan tự động dưới lớp thuốc, kiểu hàn giáp mối
hàn 2 phía. Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và độ bền ăn mòn của thiết bị ta sẽ
chọn vật liệu làm thân thiết bị là thép không ghỉ INOX 304 (X18H10T).
- Các thông số:
• Thiết bị hoạt động ở áp suất thường nên không có áp suất dư và xem chiều cao
2
cột áp thủy tỉnh là không đáng kể thì áp suất tính toán: ptt = 0,1 N/mm .
t = t = 78,4 0C
• Nhiệt độ tính toán: tt D
.
1

• Đường kính trong của thân trụ thiết bị: Dt = 800 mm .

• Hàn giáp mối 2 phía, nên hệ số bền mối hàn, ϕh : ϕh = 0,95 .

• Bề dày tối thiểu của thân trụ với Dtr = 800 mm theo bảng 5-1, trang 94, [3]:
S min = 3 mm .

• Thời hạn sử dụng thiết bị là 10 năm.
-

Ứng suất cho phép của thép INOX 304,

[σ ] :

23


0
• Tại ttt = 78,4 C , tra đồ thị hình 1.2, trang 16, [3] ứng suất cho phép tiêu

(
).
chuẩn đối với thép INOX 304:
• Chọn hệ số hiệu chỉnh: η = 1 .
[ σ ] = η × [ σ ] * = 143 ( N/mm2 ) .
• Ứng suất cho phép:
- Hệ số bổ sung bề dày tính toán:
• Chọn tốc độ ăn mòn là 0,1mm/năm. Hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của
môi trường là: Ca = 1 mm.
• Hệ số bổ sung do bào mòn chơ học của môi trường: Cb = 0.
• Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp: Cc = 0.
• Hệ số bổ sung để quy tròn kích thước: C0 = 0.
• Hệ số bổ sung bề dày tính toán: C = Ca + Cb +Cc + C0 = 1 mm.
- Vậy, bề dày thực của thân thiết bị, S: S = Smin + C = 3 + 1 = 4 mm.
[ σ ] * = 143

ε=

S − Ca 4 − 1
=

= 0, 00375
Dt
800
, vậy thỏa điều kiện.

-

Kiểm tra điều kiện ε ≤ 0,1 :

-

Kiểm tra áp suất tính toán cho phép,

[ p] =

N/mm 2

[ p] :

2 × [ σ ] × ϕ h × ( S − Ca ) 2 ×143 × 0,95 × ( 4 − 1)
=
=1,015 ( N/mm 2 )
Dt + ( S − Ca )
800 + ( 4 − 1)

.

[ p ] > ptt nên bề dày thiết bị là S = 4 mm.
Kết luận: Vì
5.2.2. Bề dày nắp (đáy):

- Chọn nắp (đáy) có dạng hình Elip tiêu chuẩn có gờ, làm bằng thép không ghỉ
INOX 304 (X18H10T).
- Các thông số:

• Nắp (đáy) Elip tiêu chuẩn nên bán kính cong bên trong ở đỉnh nắp (đáy), Rt:
Rt = Dt = 800 mm

• Chọn bề dày nắp (đáy) bằng bề dày thân thiết bị: S = 4 mm.
ε=

S − Ca 4 − 1
=
= 0, 00375
Dt
800
.

-

Kiểm tra điều kiện ε ≤ 0,125 :

-

Kiểm tra áp suất tính toán cho phép,

[ p] =

[ p] :

2 × [ σ ] × ϕ h × ( S − Ca ) 2 ×143 × 0,95 × ( 4 − 1)

=
=1,015 ( N/mm 2 )
Rt + ( S − Ca )
800 + ( 4 − 1)

Kết luận:
24


•

[ p ] > ptt , nên bề dày nắp (đáy): S = 4 mm.

• Chiều sâu bên trong của phần Elip: h t =0,25×D t =0,25×800=200 mm .
• Chiều cao gờ: h = 25 mm chọn theo bảng XIII.10, trang 382, [2].
• Diện tích bề mặt trong của nắp (đáy): Ft = 0,76 m2.
• Thể tích của nắp (đáy): Vn = 0,0796 m3.
• Khối lượng nắp (đáy), tra bảng XIII.11, trang 384, [2]: mn = 24,442 kg.
5.2.3. Bích ghép thân và nắp (đáy):
- Mặt bích là một bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như
nối các bộ phận khác với thiết bị.
- Chọn bích ghép thân, nắp (đáy) là loại bích phẳng hàn làm bằng thép INOX 304.
- Các thông số:

• Số mặt bích cần dùng là 2 được hàn vào 2 nắp (đáy).
• Bulong làm bằng thép CT3.
• Thông số dưới đây của bích được chọn theo bảng XIII.27, trang 417, [2].
Bu – lông
Dt
D

Db
D1
h
db
Z
(mm)
(cái)
800
930
880
850
20
M20
24
-

Độ kín của mối ghép bích chủ yếu do vật liệu đệm quyết định. Đệm được làm
bằng vật liệu mềm dễ biến dạng, khi xiết bulong đệm bị biến dạng và điền đầy
lên các chổ gồ ghề trên bề mặt bích. Chọn đệm Paronit có bề dày 3mm.
• Bề rộng thực của vòng đệm:

b=

D1 − Dt 850 − 800
=
= 25 mm
2
2
.

• Bề rộng tính toán của vòng đệm: b0 = 0, 6 × b = 15 mm .

25