Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp ethanol nước bằng tháp mâm xuyên lỗ

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ethanol là một trong những thành phần rất quan trọng và phổ biến trong
cuộc sống hằng ngày, trong công nghiệp nói chung và trong công nghệ thực
phẩm nói riêng. Ethanol còn được biết đến với như là rượu etylic, rượu ngũ cốc
hay cồn. Ethanol mới đầu chỉ là một loại thức uống làm ngây ngất lòng người
mà nay được biết đến dưới nhiều tên gọi tùy thuộc nguồn nguyên liệu vùng miền
như rượu nàng hương, đế gò đen, vodka, shochu… và ethanol hiện diện đa dạng
qua các dẫn xuất ethyl este sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như chất
kết dính, vật liệu che phủ, sơn, mực in, dược phẩm, chất tạo mùi… Đặc biệt nó
còn được sử dụng trong công nghiệp nhiên liệu, công nghiệp hóa chất như sản
xuất acid axetic.
Hiện nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là yêu
cầu ngày càng cao về chất lượng cũng như độ tinh khiết của sản phẩm. Để có
được sản phẩm có độ tinh khiết cao ta cần tách chúng từ hỗn hợp nguyên liệu,
thường là hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí. Các phương pháp để nâng cao chất
lượng và độ tinh khiết của sản phẩm luôn được cải tiến, đổi mới và ngày càng
hoàn thiện hơn như: cô đặc, hấp thụ, chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính của
hỗn hợp cũng như yêu cầu của sản phẩm mà ta chọn phương pháp tách phù hợp.
Đối với hệ ethanol – nước, để nâng cao nồng độ cồn ta dùng phương pháp
chưng cất.
Chưng cất là quá trình tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí
thành những cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của chúng trong
hỗn hợp. Có rất nhiều phương pháp chưng cất khác nhau như : chưng cất bằng
hơi nước trực tiếp, chưng cất gián đoạn, chưng cất đơn giản… Và thiết bị chưng
cất cũng có nhiều loại như tháp mâm chóp, tháp đệm hay tháp mâm xuyên lỗ…
Quá trình chưng cất là rất quan trọng và được ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp. Tùy theo tính chất của hệ câu tử đem chưng cất, độ tinh khiết của sản
phẩm và hiệu suất chưng cất… mà ta chọn phương pháp và thiết kế tháp cho phù
hợp. Đối với chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử dễ bay hơi nước – ethanol thường dùng
tháp mâm xuyên lỗ.
Nhiệm vụ của đồ án này là: Thiết kế hệ thống chưng luyện liên tục hỗn hợp

Ethanol - Nước bằng tháp mâm xuyên lỗ. Với: năng suất sản phẩm đỉnh:
Gp=1000kg/h, nồng độ sản phẩm đỉnh: xp = 90% khối lượng ethanol, nồng độ
hỗn hợp đầu: xf = 35% khối lượng ethanol, hiệu suất thu hồi ethanol: 95%.
1


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN:
I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1. Phương pháp chưng cất:
Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các
cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về sự 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 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 Ethanol – Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm ethanol và một ít nước,
ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol.
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 ra giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ
sôi của các cấu tử.
•Nguyên lý làm việc: gián đoạn (chưng đơn giản) và liên tục.
 Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này được 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 bị hoạt động liên tục) là quá
trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
•Phương pháp cấp 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 Ethanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục
cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.

2. Thiết bị chưng cất:
2


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 vào 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 hóa dầu. Kích thước của tháp:
đường kính tháp và chiều cao tháp tùy 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 được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
 Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp 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 thép 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
Tháp mâm chóp
xuyên lỗ
Ưu điểm: - Đơn giản.
- Hiệu suất tương - Hiệu suất cao.
- Trở lực thấp.
đối cao.
- Hoạt động ổn định.
- Hoạt động khá
ổn định.
- Làm việc được
với chất lỏng bẩn.
Nhược
- Hiệu suất thấp.
- Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.
điểm:
- Độ ổn định kém. - Yêu cầu lắp đặt - Trở lực lớn.
- Thiết bị nặng.
khắt khe ( lắp đĩa - Không làm việc với
thật phẳng).
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 Ethanol – 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 Ethanol – Nước.

3


1. Ethanol: (Còn được gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm).
Ethanol có công thức phân tử: CH 3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC.
Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, không tan nhiều trong nước.
•Một số thông số vật lý của ethanol:
 Nhiệt độ sôi ở 760 mmHg: 78,3oC.
 Khối lượng riêng: ρ20 = 810 Kg/m3.
•Tính chất hóa học:
Tất cả các phản ứng hóa học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của ethanol là
thể hiện tính chất hóa học của nó.
 Phản ứng hóa học của nhóm hydroxyl:
CH3-CH2-OH
CH3-CH2-O- + H+
−18
Hằng số phân ly của ethanol: K CH 3 −CH 2 −OH = 10 , cho nên ethanol là chất
trung tính.
- Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua
(NaH), Natri amid (NaNH2):
CH3-CH2-OH + NaH
CH3-CH2-ONa + H2
Natri etylat
−14
Do K CH −CH −OH < K H O = 10
:tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của
3

2

2

nước nên muối Natrri etylat tan trong nước sẽ bị thủy phân thành rượu trở lại.
- Tác dụng với acid tạo ester: Rượu ethanol có tính base tương đương nước.
Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester.
CH3-CH2-OH + HO-SO3-H Lạnh CH3-CH2O-SO3-H + H2O
+
CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3 H
CH3-COO-C2H5 + H2O

Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
- Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX
CH3-CH2-X + H2O
- Tác dụng với Triclo Phospho:
CH3-CH2-OH + PCl3
CH3-CH2-Cl + POCl + HCl
- Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3 Al2O3 C2H5-NH2 + H2O

2CH3-CH2-OH

H2SO4
H2SO4
>150oC
>150oC

CH3-CH2)2O

CH3-CH2-OH
CH2=CH2
- Phản ứng hydro và oxy hóa:

CH3-CH2-OH

Cu

+

+

to

H2 O

H2O

CH3-CHO + H2
o

200-300 C

•Ứng dụng: Ethanol có nhiều ứng dụng hơn methanol, nó đóng một vai trò
quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản xuất hơn
4


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.
Công nghiệp cao su tổng
hợp

Dung môi hữu cơ: pha
sơn…
Nguyên liệu

Rượu
mùi.

Nhiên liệu.

Dấm.
Động lực.

Ethanol

Thuốc trừ
sâu.
Thuốc
nhuộm.
Tơ nhân tạo

Đồ nhựa.
Sát trùng.

Sơn.

Keo dán.

Pha chế
Vec
Hương

•Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế ethanol như
hydrat
thuốc.
ni.
liệu.
hóa etylen với xúc tác H2SO4; thủy phân dẫn xuất halogen và ester của ethanol
khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch base; hydro hóa aldyhyt acetic; từ các
hợp kim…
Trong công nghiệp, điều chế ethanol bằng phương pháp lên men từ nguồn
tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản xuất ethanol
chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh
bột.
C6H6O6

Nấm men

2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành ethanol và CO2.
5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glycerine, 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 vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 tinh thể khác nhau:
 Khối lượng phân tử: 18 g/mol.
 Khối lượng riêng ρ40 c :1g/mol.
5

 Nhiệt độ nóng chảy: 0oC.
 Nhiệt độ sôi: 100oC.
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 hòa tan nhiều chất và là
dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
3. Hỗn hợp Ethanol – Nước:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
Ethanol – Nước ở 760 mmHg.
x(%mol)
0
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
y(%mol)

0

T

100

33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8

90.5 86.5 83.2 81.7 80.8

80

79.4

79

100

78.6 78.4 78.4

III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL – NƯỚC:
Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, nhiệt độ sôi là 78,3 oC ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100 oC ở 760 mmHg: hơi cách biệt khá xa
nên phương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp
chưng cất.

6


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.
1. Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước:
Chú thích các kí hiệu trong quy trình:
1. Bồn chứa nguyên liệu.
2. Bơm.
3. Bồn cao vị.

4. Lưu lượng kế.
5. Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu.
6. Nhiệt kế.
7. Áp kế.
8. Tháp chưng cất.
9. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
10. Bộ phận phân dòng.
11. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
12. Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
13. Nồi đun đáy tháp.
14. Bồn chứa sản phẩm đáy.
15. Bẫy hơi.

7


2. Thuyết minh quy trình công nghệ:
Hỗn hợp Etanol – Nước có nồng độ ethanol 35% (theo phần khối lượng),
nhiệt độ nhập liệu khoảng 30oC tại bình chứa nguyên liệu số (1) được bơm (2)
bơm lên bồn cao vị (3). Dòng nguyên liệu được dẫn qua thiết bị đun sôi dòng
nhập liệu (5). Ở đây, hỗn hợp được đun đến nhiệt độ sôi, sau đó hỗn hợp được
đưa qua van để điều chỉnh lưu lượng trước khi vào tháp chưng cất (8) ở đĩa nhập
liệu. Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với chất lỏng từ đoạn luyện của
tháp chảy xuống. Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng đi từ trên xuống. Ở
đây, có sự tiếp xúc và trao đổi nhiệt giữa hai pha lỏng - hơi với nhau. Pha lỏng
chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới càng giảm nồng độ các cấu tử
dễ bay hơi (ethanol) vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (13) lôi cuốn các cấu tử
dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên cao càng thấp, nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới
lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao (nước) sẽ chỉ bay hơi một phần, còn lại ở dạng
lỏng sôi ở đáy tháp, cuồi cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử

ethanol chiếm nhiều nhất (ethanol 90% theo khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị
ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng sau khi ra khỏi
thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh đi vào thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh cho đến
nhiệt độ cần thiết, sau đó được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh. Một phần chất
lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Ở đây, một phần cấu tử có
nhiệt độ sôi thấp được bốc hơi, còn lại các 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 tháp có nồng độ ethanol 2,78
% (theo khối lượng). Dung dịch lỏng ở đáy tháp đi ra khỏi tháp vào nồi đun sôi
đáy tháp (13). Trong nồi đun dung dịch lỏng, một phần sẽ bốc hơi cung cấp
nhiệt lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun vào bồn chứa
sản phẩm đáy. Hệ thống được làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol
và sản phẩm đáy là nước.

8


CHƯƠNG II: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU:
•Năng suất sản phẩm đỉnh: GP = 1000kg/h;
•Nồng độ sản phẩm đỉnh: aP = 90% khối lượng ethanol;
•Nồng độ hỗn hợp đầu: aF = 35% khối lượng ethanol;
•Hiệu suất thu hồi ethanol: ŋ = 95%.
•Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR = 46 (g/mol), MN = 18 (g/mol).
•Các ký hiệu :
+ GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ GP, P : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h , Kmol/h .
+ xi , ai : phần mol , phần khối lượng của cấu tử i .
+ yF, yP, yw : nồng độ phần mol của pha hơi cân bằng với pha lỏng trong hỗn

hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy (%mol).
+ tF , tP , tW : nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.

II. TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU:
•Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F= P + W

(II.1)

• Cân bằng cấu tử ethanol (cấu tử nhẹ) : F.xF = P.xP +W.xW
• Hiệu suất thu hồi (ŋ = 95%) : F.xF. ŋ = P. xP

(II.2)

(II.3)

•Nồng độ phần mol của ethanol trong sản phẩm đỉnh:
aP
0.9
ME
46
xP =
=
= 0.779 (phần mol)
aP 1 − aP 0.9 1 − 0.9
+
+
ME
MN
46
18

Khối lượng phân tử trung bình của dòng sản phẩm đỉnh:
•
MP =46.xP + (1-xP).18 = 39.812 (kg/kmol)

9


Lưu lượng mol sản phẩm đỉnh:
•
P=

GP
=25,118 (kmol/h)
MP

•Nồng độ phần mol của ethanol trong hỗn hợp đầu:
aF
0,35
ME
46
xF =
=
= 0,174 (phần mol)
aF 1 − aF
0,35 1 − 0,35
+
+
ME
MN

46
18

Khối lượng phân tử trung bình của dòng nhập liệu:
•
MF =46.xF + (1-xF ).18 = 22.872 (kg/kmol)
Giải 3 phương trình (II.1), (II.2), (II.3) ta có:
F = 118,372 (kmol/h)
W = 93,254 (kmol/h)
xW = 0,011 (phần mol ethanol)
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:
•
MW = 46.xW + (1 − xW ).18 = 18,308 (kg/kmol)

Nồng độ phần khối lượng của ethanol trong sản phẩm đáy:
•

aW =

xW .M E
0,011.46
=
= 0,0276
xW .M E + (1 − xW ).Mn 0,011.46 + (1 − 0,011).18

Suất lượng của dòng nhập liệu:
•
GF = F. MF = 2707,4 (kg/h)
Suất lượng của dòng sản phẩm đáy:
•

GW = W.MW = 1707,4 (kg/h)
10


III. THÀNH PHẦN MOL CÂN BẰNG CÁC CẤU TỬ DỰA
VÀO DỮ LIỆU CÂN BẰNG PHA:
Ta có số liệu cân bằng pha của hỗn hợp Ethanol-Nước ở áp suất thường
•
( sổ tay QTTB-T2-145), thiết lập đồ thị phụ thuộc giữa các đại lượng x-y, T-x-y.
Từ đó tìm ra được phần mol các cấu tử trong pha hơi nằm cân bằng với pha lỏng
ứng với nhiệt độ sôi của từng dòng F,P,W.
X 0
5
10
20
Y 0 33.2 44.2 53.1
T 100 90.5 86.5 83.2

30
57.6
81.7

40
61.4
80.8

50
65.4
80

60
69.9
79.4

70
75.3
79

80
81.8
78.6

90
89.8
78.4

100
100
78.4

Bằng phương pháp nội suy và dựa trên đồ thị ta có kết quả như sau:
•
phần mol (mol/l)

phần khối lượng

suất lượng

To sôi
o

x

y

x

y

kg/h

kmol/h

C

P

0,78

0,804

0,9

0,913

1000

25,118

78.7

F

0,174

0,508

0,35

0,725

2707,4

118,372

84.058

W

0,011

0,073

0,0278

0,1676

1707,4

93,254

97.91

IV. XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA LÝ THUYẾT:
Chọn chỉ số hồi lưu thích hợp:
•
Dựa vào đồ thị cân bằng pha lỏng – hơi của hỗn hợp Ethanol – Nước ta tìm
được chỉ số hồi lưu tối thiểu thông qua tiếp tuyến tại điểm uốn của đồ thị và đi
qua điểm P (xP,yP) (với xP = yP = 0,779)

11


Đường thẳng tiếp tuyến cắt trục tung tại điểm Bo có tọa độ (0; 42,8)
Với Bo =

xP
R min +1

suy ra Rmin =

x P − Bo 0.779 − 0.428
=
= 0,82
Bo
0.428

Với mỗi giá trị β = (1.2÷2.5) ta tính được giá trị R x, suy ra tọa độ điểm B
của đường làm việc đoạn chưng ứng với giá trị R x này. Từ đó vẽ được đường
làm việc đoạn luyện và vẽ được số bậc thay đổi nồng độ. Cuối cùng xác định

được số đĩa lý thuyết Nlt.
Β
Rx
B
Nlt
Nlt(Rx+1)
1.2
0,992
0,392
22
43.825
1.4
1,157
0,362
15
32.361
1.6
1,323
0,336
13
27.873
1.8
1,488
0,313
11
27.369
2
1,653
0,294
10

26.534
2.2
1,819
0,277
10
28.187
2.4
1,984
0,261
10
29.841
Từ bảng số liệu trên, ta biểu diễn quan hệ Nlt(Rx+1) và Rx:

12


Nhận xét: Tích Nlt(Rx+1) nhỏ nhất là 26,534 khi β = 2.
Do đó ta chọn giá trị β = 2, khi đó Rx có giá trị tối ưu và Rx= 1,653.

Từ đồ thị xác định số bậc thay đổi nồng độ tương ứng với R x = 1,653 ta xác
định được số mâm lý thuyết thu được của tháp là 10 mâm.

V. PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG NỒNG ĐỘ LÀM VIỆC CỦA
ĐOẠN CHƯNG VÀ ĐOẠN LUYỆN:
1. Đoạn luyện:
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:
13


y=

Rx
x
.x + P (CT : IX .20, T 144, [2]
Rx + 1
Rx + 1

Trong đó: A=

xP
Rx
; B=
Rx + 1
Rx + 1

Với Rx = 1,653.

y=

1,653
0.779
.x +
= 0,623.x + 0,294
1,653 + 1
1,653 + 1

2. Đoạn chưng:
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng có dạng:
Rx + L
L −1

.x +
.xW
Rx + 1
Rx + 1
F 118,372
L= =
= 4,713
P
25,118
y=

(CT:IX.22,T158,[2])

y=

1,653 + 4,713
4,713 − 1
.x +
.0,011 = 2,399.x + 0.0154
1,653 + 1
1,653 + 1

VI. XÁC ĐỊNH SỐ ĐĨA THỰC TẾ:
1. Tính số mâm thực tế theo hiệu suất trung bình:

N tt =

N lt
η tb

Trong đó:
+Nlt: số bậc thay đổi nồng độ hoặc số đĩa lí thuyết.
+η tb : hiệu suất trung bình của thiết bị.
η tb =

η 1 + η 2 + η 3 + ... + η n
n

(CT:IX,60,T170,[2])

Với:
+η1 ,η2 ,...: hiệu suất của các bậc thay đổi nồng độ
+n: số vị trí tính hiệu suất
+η tb : hàm số của độ bay hơi tương đối của hỗn hợp và độ nhớt của hỗn
hợp lỏng
η tb =f(α,μ)

Trong đó:
+ α: độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng
14


+ μ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng
Trong chưng luyện người ta tính độ bay hơi tương đối như sau:

y* 1 − x
α=
.
1 − y* x
Trong đó:

của pha lỏng

(CT:IX.61,T171,[2])

x,y*: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi

2. Tính α,μ tại 3 vị trí: đĩa nạp liệu, đỉnh, đáy tháp:
Tại đĩa nạp liệu:
•
- Từ xF = 0,174, tra đồ thị cân bằng của hệ ta có: y*F= 51,44; tF = 84,058 oC.
- Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp lỏng tại vị trí nạp liệu:
y * F 1 − xF
0.5144 1 − 0.174
α=
.
=
.
= 5,03
1 − y * F xF
1 − 0.5144 0.174
• Độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí nạp liệu:
+Tại tF=84,058oC dùng phương pháp nội suy ta tra được độ nhớt của nước (
bảng I.101,T92,[1] và dùng toán đồ tra được độ nhớt của etanol ( toán đồ
I.28,T107,[1]).

µ n = 0.342.10 −3
µ E = 4,8.10 −4

(N.s/m2) =>

µ n = 0.342
(cP)
µ E = 0,48

lg µ F = lg µ E .x F + (1 − x F ). lg µ n

=> µ F = 0.363 (cP)
Từ tích số α F .µ F = 1.826 , ta suy ra η F = 43% (hình IX.11, T171, [2])
Tại vị trí mâm đỉnh:
•

Từ xP=0,78, ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*P=0.804, tD=78,7oC
• Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp: αD=1,157
• Tìm độ nhớt của hỗn hợp lỏng tại vị trí đỉnh:
•

+ Tại tP=78,7oC, ta tra được độ nhớt của nước và etanol nhờ bảng và toán
đồ trên:

µ n = 0,37.10 −3
µ E = 5,5.10 − 4

(N.s/m2) =>

µ n = 0,37
(cP)
µ E = 0,55

lg µP = xP . lg µE + (1 − xP ). lg µn
15

=>μP=0,529 (cP)
Từ tích số α P .µ P = 0.612 ta suy ra η P = 57%
Tại vị trí mâm đáy
•

Từ xW=0.011 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y*W=0,127, tW=97,91 oC
• Độ bay hơi của hỗn hợp: αW = 13,08
• Tìm độ nhớt của hỗn hợp:
+Tại tW=97,91oC, tra bảng và toán đồ( bảng I.101, T92 và toán đồ I.28,
T107,[1])
µ n = 0.292.10 −3
µ n = 0.292
2
(N.s/m
)
=>
(cP)
µ E = 0.284
µ E = 2,84.10 − 4
•

lg µ W = xW . lg µ E + (1 − xW ). lg µ n
=>μW=0.292
Từ tích số α W .µ W = 3.82 2, suy ra η W = 36% (hình IX.11,T171,[2])
Ta có hiệu suất trung bình của tháp:
•

η tb =

η P + η F + ηW
= 45,33%
3

Số đĩa thực tế của tháp Ntt:

•
Ntt =

10
= 22,06
0.4533

Vậy chọn Ntt = 22 đĩa:
Trong đó:
N

8

ltL
+ N L = (η + η ) / 2 = (0.57 + 0.43) / 2 = 16 đĩa
D
F

+ NC =

(η W

N ltC

2
=
= 5,063 ≈ 6 đĩa
+ η F ) / 2 (0.36 + 0.43) / 2

Đĩa nhập liệu là đĩa 6 tính từ dưới lên.

16


CHƯƠNG III: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
I. MỤC ĐÍCH:

•Xác định lượng nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ và làm lạnh.
•Xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu và đun bốc
hơi ở đáy tháp.
•Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nhiên liệu rẻ tiền, phổ biến
trong thiên nhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.
•Sơ đồ cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện

Qy

H2O

H2O

QR

H2O
QF

Qxq2

QD1

Qxq1
H2O
QD2

Qf

Qng1

QP
QW

Qng2

Các kí hiệu:
•QD1: nhiệt độ do hơi đốt mang vào thiết bị đun nóng, J/h
•Qf: nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào thiết bị đun nóng, J/h
•QF:nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra khỏi thiết bị đun nóng hay mang
vào tháp chưng cất, J/h
•Qng1:nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun nóng, J/h
•Qxq1:nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh, J/h
•QD2:nhiệt lượng do hơi đốt mang vào cần đun nóng sản phẩm đáy, J/h
•QR:nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào, J/h
17


•Qy:nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp, J/h

•QW: nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra khỏi tháp, J/h
•Qng2: nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi tháp, J/h
•qxq2: nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh, J/h

II. CÂN BẰNG NHIỆT CỦA THIẾT BỊ ĐUN NÓNG HỖN
HỢP ĐẦU:
•Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng
QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (CT:IX.149, T196,[2])
Trong đó:
QD1 = D1λ1 = D1(r1+θ1C1) J/h (CT:IX.150, T196, [2])
Với:
D1: Lượng hơi đốt mang vào, kg/h
• λ1: Hàm nhiệt của hơi nước, J/kg
• r1: Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước, J/kg
o
• θ1: Nhiệt độ của nước ngưng, C
• C1: Nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ
•

Qxq1 = 5%QD1 = 5%D1r1 (J/h) (CT:IX.154, T197[2])
Qng1 = Gng1C1θ1 = D1C1θ1 (J/h) (CT:IX.154, T197[2])
Với:
•

Gng1: Lượng nước ngưng ( lấy bằng lượng hơi đốt) ,jg/h.
Qf = GFtfCf (J/h) (CT:IX.151,T196[2])
QF = GFtFCF (J/h) (CT:IX.151,T196[2])

Với:
t : Nhiệt độ hỗn hợp đầu oC, chọn tf = 30oC ( ở nhiệt độ dụng cụ chứa

trong phòng )
o
• tF: Nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng C,
tF = 84,058 oC
• CF: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng (J/kg.độ)
• Cf: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, (J/kg.độ)
• f

Suy ra, lượng nhiệt hơi nước bão hòa cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu là:
D1 =

QF + Qng1 + Q xq1 − Q f
r1

=

Q F −Q f
0.95r1

18


D1 =

G F (t F C F −t f C f )
0.95r1

(kg/h) (CT:IX, 155, T197,[2])

•Tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu:

30

30

C f = C E a F + C N (1 − a F )
Sử dụng công thức nội suy và bảng I.153,T172,[1], bảng I.154,T172,[1] ta có:
CE30 = 2595 (J/kg.độ)
CN30 = 4177.5(J/kg.độ)
Cf = 2595.0,35 + 4177,5.(1-0,35) = 3623,625(J/kg.độ)
Qf = GFCftf (J/h) = 2707,4. 3623,625 . 30 = 294318069,8 (J/h)
• Nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi ra khỏi thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu:

CF = CE

84 , 058

aF + C N

84 , 058

(1 − a F )

Với:
CE84,058 = 3280,87(J/kg.độ)
CN84,058 = 4198,116(J/kg.độ)
CF =3280,87. 0,4 +4198,116 . (1 – 0,4) = 3831,22
QF = GFCFtF = 2707,4 . 3831,22 . 84,058 = 871903795,8 (J/h)
Vì hỗn hợp đáy sôi ở 97,91 oC nên ta chọn áp suất phù hợp nhất là P = 2
atm, to = 119.6 oC (bảng I.251, T314,[1]), từ đó ta tra được ẩn nhiệt hóa hơi của
hơi đốt:

r1 = 2208.103 (J/kg)
Do đó:
D1 =

G F (t F C F − t f C f )
0.95r1

=

2707,4.(84,058.3831,22 − 30.3623,625)
= 275,36 (kg/h)
0,95.2208.10 3

19


III. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO TOÀN THÁP:
QF + QR + QD2 = Qy + QW + Qng2 + Qxq2
• Nhiệt lượng tỏa ra do hỗn hợp đầu mang vào tháp QF
QF = GF.CF.tF = 2707,4 . 3831,22 . 84,058 = 871903795,8 (J/h)
• Nhiệt lượng lỏng hồi lưu mang vào QR
Gx

QR = GR.CR.tR = GP.Rx.CR.tR vì Rx = G
P
Trong đó:
GP: Lưu lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
• Rx: Chỉ số hồi lưu tối ưu
• CR: Nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu, (J/kg.độ)
o

• tR: Nhiệt độ củ lượng lỏng hồi lưu, ( C)
•

Nhiệt dung riêng của lượng lỏng hồi lưu ứng với nhiệt độ tR=tP=78,7 oC là:
Với:
CE78,7 =3203,75 (J/kg.độ) (bảng I.154, T172,[1])
78,7
= 4190 (J/kg.độ) (bảng I.153, T172,[1])
• CN
•

CR = CE78,7.aP + CN78,7.(1 – aP)
=3203,75.0,9 + 4190.(1 – 0,9)
= 3302,375 (J/kg.độ)
Suy ra:

QR = GPRxCRtR = 1000. 1,653 . 3302,375 . 78,7
= 429609596,4(J/h)

•

Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp Qy
Qy = GP(1+Rx)λđ (J/h)

Trong đó:
- λđ: Nhiệt lượng riêng của hơi mang ra ở đỉnh tháp, (J/kg)
λđ = λEaP + λN(1 – aP) = rP + CPtP
+λE, λN: Nhiệt lượng riêng của cấu tử Etanol và nước ở đỉnh tháp, (J/kg)
+tP: Nhiệt độ của đỉnh tháp, tP = 78,7 oC
+CP: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp ra khỏi đỉnh tháp ở nhiệt độ t P = 78,7

o
C, (J/kg.độ)
CP = CE78,7aP + CN78,7(1 – aP)
20


= 3302,375 (J/kg.độ)
+rP: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh ở tP = 78,7oC
rP = rE .aP + (1 – aP)rN
Tra ẩn nhiệt hóa hơi của nước và ethanol tại 78,7oC, ( bảng I.212, T254, [1])
rE =847,91.103 (J/kg)
rN =2345,864.103 (J/kg)
Suy ra:
rP = 847,91.103. 0,9 + (1 – 0,9).2345,864.103 =997705,4 (J/kg)
λđ = rP + CPtP = 997705,4 + 3302,375.78,7
= 1257602,313(J/kg)
Vậy Qy = GP(1+Rx)λđ = 1000(1 + 1,653). 1257602,313 = 3336418936 (J/h)
•

Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra QW

QW = CWtWGW (J/h)
Trong đó:
- GW: Lưu lượng sản phẩm đáy, (kg/h)
- tW: Nhiệt độ hỗn hợp đáy, (oC)
- CW: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm đáy ở nhiệt độ 97,91oC
CW = CE97,91aW + CN97,91(1 – aW)
Với:

CE97,91 =3488,65 (J/kg.độ) (bảng I.153, I.154, T172,[1])

CN97,91 = 4225,82(J/kg.độ)

CW = 3488,65. 0,0276 + 4225,82 . (1- 0,0276)
= 4205,474 (J/kg.độ)
QW = GWCWtW = 1707,4 . 4205,474 . 97,91= 703035539,8 (J/h)
•

Nhiệt lượng do nước ngưng tụ mang ra Qng2
Qng2 = Gng2C2θ2 = D2C2θ2

Trong đó:
Gng2: lượng nước ngưng tụ, (kg/h)
o
• C2, θ2: Nhiệt dung riêng, (J/kg.độ) và nhiệt độ ( C) của nước ngưng
•

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh Qxq2:
21


Qxq2 = 0,05D2r2
Vậy:

D2 =
=

Q y + QW + Qng 2 + Q xq 2 − QF − QR

λ2

=

Q y + QW − Q F − QR
0,95r2

3336418936 + 703035539,8 − 871903795,8 - 429609596,4
0,95.2208.10 3

=1305,273 (kg/h)
Tổng lượng hơi cần dùng là:
D = D1 + D2 = 275,36 + 1305,273 = 1580,633 (kg/h)
• Ta chọn hơi nước bão hòa đun sôi ở áp suất: Ph = 2 at
•

Suy ra r2=2208.103 (J/kg) ( bảng I.125,T314,[1])
•

Lượng nhiệt tiêu tốn môi trường xung quanh:
Qxq2=0,05D2.r2 = 0,05. 1305,273.2208.103 =144102139,2 (J/h)

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
- Ngưng tụ hoàn toàn thì:
•

P(Rx+1)rP = GnCn(t2 – t1) (CT:X.165,T198,[2])
Trong đó:
+r: ẩn nhiệt ngưng tụ ở đỉnh tháp (J/kg)
r = rE.aP + (1 – aP)rN
Với r = rP =997705,4 (J/kg)
+t1,t2: Nhiệt độ vào và ra của nước lạnh

Chọn t1 = 30oC, t2 = 45oC, vì phù hợp với nhiệt độ môi trường, suy ra:
ttb =

30 + 45
= 37,5 oC
2

Tra nhiệt dung riêng của nước ở ttb=37,5oC ( bảng I.153,T172,[1])
Cn37,5 = 4175,63 (J/kg.độ)
Do đó lượng nước cần thiết để làm lạnh là:

Gn =
•

P ( Rx + 1)r 1000.(1,653 + 1).997705,4
=
= 42259,7 (kg/h)
C n (t 2 − t1 )
4175,63.(45 − 30)

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh
22


P.CP.(t’1 - t’2) = Gn .Cn2 .(t2 - t1) (CT:X.165,T198,[2])
Trong đó:
t’1, t’2: nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh.
+t’1 = 78,7oC
+t’2 = 40oC
•

Suy ra:
t’tb =

78,7 + 40
= 59,35 oC
2

Tra nhiệt dung riêng của nước tại t’tb = 59,35oC
CN59,35 =4189,51 (J/kg.độ)
Tra nhiệt dung riêng của Ethanol ở t’tb =59,35 oC
CE59,35 =2961,55 (J/kg.độ)
Suy ra: CP = 2961,55.0,9 + 4189,51.(1 – 0,9) = 3084,346 (J/kg.độ)
Gn 2 =

PC P (t '' 2 −t '1 ) 1000.3084,346.(78,7 − 40)
=
=1905,727 (kg/h)
C n (t 2 − t1 )
4175,63.(45 − 30)

23


CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I. ĐƯỜNG KÍNH THÁP:
D=

4Vtb
= 0,0188

3,14.3600.ω tb

g tb
( ρ yω y ) tb (m) (CT:IX.90,T181,[2])

Trong đó:
Vtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp, (m3/h)
• ωytb: Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, (m/s)
• gtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp, (kg/h)
3
• ρytb: Khối lượng riêng trung bình của pha hơi, (kg/m )
•

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn luyện khác nhau. Do đó,
đường kính đoạn chưng và đoạn luyện cũng khác nhau.
 Đường kính đoạn luyện
• Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện có thể tính gần đúng bằng trung
bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp g đ và lượng hơi đi vào
đĩa dưới cùng của đoạn luyện g1.
g tb =

g đ + g1
(CT:IX.91,T181,[2])
2

Trong đó:
•
•
•
•

tb

g : lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h
đ

g : lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h
1

g : lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h
Lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp

g đ = G R + G P = G P ( R x + 1) (CT:IX.92,T181,[2])
Trong đó:
GP: lượng sản phẩm đỉnh, kg/h
• GR: lượng chất lỏng hồi lưu, kg/h
• Rx: chỉ số hồi lưu
•

Suy ra: g đ = 1000.(1,653 + 1) = 2653 (kg/h)
24


Áp dụng phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng cho đĩa
thứ nhất của đoạn luyện, ta có:

 g1 = G1 + G P

 g1 y1 = G1 x1 + G P x P (CT:IX.93,94,95,T182,[2])
g r = g r

đ đ
 11
y1: lượng hơi của đĩa thứ nhất đoạn luyện ( phần khối lượng).
• x1: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất đoạn luyện ( phần khối lượng).
• r1,rđ: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp đi vào đĩa thứ nhất và đi ra khỏi tháp
(J/kg).
•

Với:
GP = 1000 (kg/h)
• GF = 2707,4(kg/h)
• x1= aF=0,35 (phần khối lượng)
o
• Từ (bảng I.212,254,[1]) ở nhiệt độ tP= 78,7 C, ta có:
rE =847,91 (kJ/kg)
rN =2345,86 (kJ/kg)
•

rđ = rE y đ + rN (1 − y đ ) = 847,91.0,913 + 2345,86.(1 − 0,913) = 978,232

(kJ/kg)
•

Từ (bảng I.212,254,[1]) ở nhiệt độ tF=84,058oC, ta có:
rE = 838,94 (J/kg)
rN = 2323,43

(J/kg) r1 = 838,94. y1 + 2323,43.(1 − y1 ) = 2323,43 − 1484,49. y1 .
Vậy ta có hệ phương trình:
 g1 = G1 + 1000

 g y = 0,35.G + 1000.0,9
 1 1
1

 g1 r1 = g đ .rđ = 2653.978,232 = 2595248,567
r1 = 2323,43 − 1484,49 y1

Giải hệ phương trình ta được:

25