Đồ Án Thiết Kế Tháp Chưng Cất EThanol

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò

GVHD : Vũ Bá Minh

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1 . Phương pháp chưng cất
2 . Thiết bị chưng cất:
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUN LIỆU
1 . Etanol
2 . Nước
3 . Hỗn hợp Etanol – Nước
III . CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I . CÁC THƠNG SỐ BAN ĐẦU
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY
III . NHIỆT LƯỢNG DỊNG NHẬP LIỆU
IV . TÍNH TỐN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ
1 . Tỉ số hồn lưu tối thiểu
2 . Tỉ số hồn lưu thích hợp
3 . Nhiệt lượng cần phải lấy ở thiết bị ngưng tụ
4 . Lượng hơi nước cần thiết cho thiết bị
5 . Năng lượng nồi đun
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
CHƯƠNG III :TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP
1 . Đường kính đoạn cất
2 . Đường kính đoạn chưng

II . TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP
1 . Trở lực phần cất
2 . Trở lực phần chưng
3 . Tổng trở lực tồn tháp
CHƯƠNG IV : TÍNH CHĨP VÀ ĐƯỜNG ỐNG
I . TÍNH CHĨP
II . TÍNH ỐNG DẪN HƠI
1 . Ống dẫn lỏng nhập liêu
2 . Ống dẫn dòng ra khỏi đáy
Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

1


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò

GVHD : Vũ Bá Minh

3 . Ống dẫn hơi sản phẩm đỉnh
4 . Ống dẫn dòng hồn lưu
5 . Ống dẫn hơi vào đáy tháp
CHƯƠNG V : THIẾT BỊ PHỤ
I . THIẾT BỊ GIA NHIỆT DỊNG NHẬP LIỆU
II. THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH
1 . Điều kiện nhiệt độ của q trình
2 . Chọn sơ bộ cấu tạo
3 . Chọn thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
III. BỒN CAO VỊ
CHỌN BƠM
CHƯƠNG VI : TÍNH TỐN CƠ KHÍ THIẾT BỊ CHÍNH

I . TÍNH BỀ DÀY THÂN TRỤ CỦA THÁP
1 . Điều kiện làm việc của tháp chưng cất
2 . Tính hệ số bền của thân hình trụ
II . TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ BULONG CÁC ỐNG DẪN
III . TÍNH ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ
VI . TÍNH BÍCH NỐI
V . TÍNH KHỐI LƯỢNG THÁP
1 . Khối lượng tháp
2 . Khối lượng ống hơi
3 . Khối lượng mâm
VI . CHÂN ĐỠ TAI TREO
1 . Chân đỡ
2 . Tai treo
CHƯƠNG VII : TÍNH BẢO ƠN
CHƯƠNG VIII : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ
I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ
II . KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

2


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 cơng nghiệp nước ta nói

riêng và thế giới nói chung, đó là ngành cơng 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 ngun 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, cơ đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính u cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn
phương pháp thích hợp. Đối với hệ Etanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hồn tồn, ta phải
dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol.
Đồ án mơn học Q trình và Thiết bị là một mơn học mang tính tổng hợp trong q
trình học tập của các kỹ sư hố- thự c phẩm tương lai. Mơn học giúp sinh viên giải
quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: u cầu cơng nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết
bị trong sản xuất hố chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng
những kiến thức đã học của nhiều mơn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế
một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol - Nước hoạt động liên tục
với nâng suất sản phẩm đỉnh : 1000 lít/h, nhập liệu có nồng độ rượu là 300 GL(% thể
tích),thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 92% mol etanol với độ thu hồi etanol là 99%.
Em chân thành cảm ơn các q thầy cơ bộ mơn Máy & Thiết Bị, các bạn sinh viên đã
giúp em hồn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong q trình hồn thành đồ án khơng thể
khơng có sai sót, em rất mong q thầy cơ góp ý, chỉ dẫn.

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

3


ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò

GVHD : Vuõ Baù Minh

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
I . LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất :
- Chưng cất là qua trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu tử riêng
biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau ở cùng áp
suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng tụ, trong đó vật chất đi từ
pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng cất là quá trình trong đó cả
dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là quá trình trong đó chỉ có dung môi bay hơi.
- Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy
nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: sản
phẩm đỉnh chủ yếu gồm gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ ), sản phẩm đáy
chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối với hệ Etanol - Nước sản phẩm
đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước , ngược lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và
một ít etanol.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
• Áp suất làm việc : chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu
nhiệt độ sôi của các cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ
sôi của các cấu tử.
• Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn(chưng đơn giản) và liên tục.
* Chưng cất đơn giản(gián đoạn): phương pháp này đuợc 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, nhều đoạn.
• Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường

được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .
Vậy: đối với hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt
gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

4


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

2 . Thit b chng ct:
-Trong sn xut thng s dng rt nhiu loi thỏp nhng chỳng u cú mt yờu cu c
bn l din tớch b mt tip xỳc pha phi ln ,iu ny ph thuc vo phõn tỏn ca lu
cht ny vaũ lu cht kia .
- Thỏp chng ct rt phong phỳ v kớch c v ng dng ,cỏc thỏp ln nht thng c ng
dng trong cụng nghip lc hoỏ du. Kớch thc ca thỏp : ng kớnh thỏp v chiu cao
thỏp tu thuc sut lng pha lng, pha khớ ca thỏp v tinh khit ca sn phm. Ta
kho sỏt 2 loi thỏp chng ct thng dựng l thỏp mõm v thỏp chờm.
Thỏp mõm: thõn thỏp hỡnh tr, thng ng phớa trong cú gn cỏc mõm cú cu
to khỏc nhau chia thõn thỏp thnh nhng on bng nhau, trờn mõm pha lng
v pha hi c cho tip xỳc vi nhau. Tựy theo cu to ca a, ta cú:
* Thỏp mõm chúp : trờn mõm b trớ cú chộp dng:trũn ,xỳ bp ,ch s
* Thỏp mõm xuyờn l: trờn mõm b trớ cỏc l cú ng kớnh (3-12) mm.
Thỏp chờm(thỏp m): thỏp hỡnh tr, gm nhiu on ni vi nhau bng mt
bớch hay hn. Vt chờm c cho vo thỏp theo mt trong hai phng phỏp: xp
ngu nhiờn hay xp th t.
* So sỏnh u v nhc im ca cỏc loi thỏp :

Thỏp chờm.
u im:

- n gin.
- Tr lc thp.

Nhc
im:

- Hiu sut thp.
- n nh kộm.
- Thit b nng.

Thỏp mõm xuyờn lo.
- Hiu sut tng i
cao.
- Hot ng khỏ n
nh.
- Lm vic vi cht
lng bn.
- Tr lc khỏ cao.
- Yờu cu lp t kht
khe -> lp a tht
phng.

Thỏp mõm chúp.
- Hiu sut cao.
- Hot ng n nh.

- Cu to phc tp.

- Tr lc ln.
- Khụng lm vic vi
cht lng bn.

Nhn xột: thỏp mõm chúp trng thỏi cui ca thỏp chờm v thỏp mõm xuyờn
l. Nờn ta chn thỏp chng ct l thỏp mõm chúp.
Vy: Chng ct h Etanol - Nc ta dựng thỏp mõm chúp hot ng liờn tc ỏp
sut thng, cp nhit giỏn tip ỏy thỏp.

Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

5


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

II . GII THIU S B NGUYấN LIU :
Nguyờn liu l hn hp Etanol - Nc.

1 . Etanol: (Cũn gi l ru etylic , cn ờtylic hay cn thc phm).
- Etanol cú cụng thc phõn t: CH3-CH2-OH, khi lng phõn t: 46 vC. L cht lng cú
mựi c trng, khụng c, tan nhiu trong nc.
Mt s thụng s vt lý v nhit ng ca etanol:
+ Nhit sụi 760(mmHg): 78.3oC.
+ Khi lng riờng: d420 = 810 (Kg/m3).
Tớnh cht húa hc:
Tt c cỏc phn ng hoỏ hc xy ra nhúm hydroxyl (-OH) ca etanol l th
hin tớnh cht hoỏ hc ca nú.

* Phn ng ca hydro trong nhúm hydroxyl:
CH3-CH2-O- + H+

CH3-CH2-OH

18

Hng s phõn ly ca etanol: K CH CH OH = 10 , cho nờn etanol l cht
trung tớnh.
+ Tớnh acid ca ru th hin qua phn ng vi kim loi kim, Natri
hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2):
3

CH3-CH2-OH + NaH

2

CH3-CH2-ONa + H2
Natri etylat
14

Do K CH CH OH < K H O = 10 : tớnh acid ca ru nh hn tớnh acid ca
nc, nờn khi mui Natri etylat tan trong nc s b thu phõn thnh ru tr
li.
+ Tỏc dng vi acid to ester: Ru etanol cú tớnh baz tng ng vi
nc. Khi ru tỏc dng vi acid vụ c H2SO4, HNO3 v acid hu c u to
ra ester.
3

2

2

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H

Lnh

CH3-CH2O-SO3-H + H2O

+

CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3
* Phn ng trờn nhúm hydroxyl:
+ Tỏc dng vi HX:
CH3-CH2-OH + HX

H

CH3-COO-C2H5 + H2O

CH3-CH2-X + H2O

+ Tỏc dng vi Triclo Pht pho:
Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

6


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

CH3-CH2-OH + PCl3

CH3-CH2-Cl + POCl + HCl

+ Tỏc dng vi NH3:
CH3-CH2-OH + NH3

Al2O3
to

C2H5-NH2 + H2O

+ Phn ng to eter v tỏch loi nc:
2CH3-CH2-OH
CH3-CH2-OH

H2SO4

>150o
HCSO
2

4

>150o
C

(CH3-CH2)2O

+

H2O

CH2=CH2 + H2O

* Phn ng hydro v oxy hoỏ:
CH3-CH2-OH

Cu
200300oC

CH3-CHO + H2

ng dng: etanol cú nhiu ng dng hn metanol, nú úng mt vai trũ quan

trng trong nn kinh t quc dõn. õy l nguyờn liu dựng sn sut hn 150
mt hng khỏc nhau v c ng dng rng rói trong cỏc ngnh: cụng nghip
nng, y t v dc, quc phũng, giao thụng vn ti, dt, ch bin g v nụng
nghip.

Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

7


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

+ Dung mụi hu c:pha
sn..
+ Nguyờn liu.

+ Cụng nghip cao su tng hp
+ ng lc.

+ Ru mựi
+ Dm.

Nhiờn liu.

+ Thuc sỳng khụng khúi.
+ Nhiờn liu ho tin, bom bay.

Eta
nol

+ ng lc.
+ Thuc tr sõu.

+ nha.
+ Keo dỏn.
+ Hng liu.

+ Thuc nhum.
+ T nhõn to.

+ Sỏt trựng.

+ Pha ch thuc.

+ Sn.
+
Vecni.

S túm tt v trớ ca etanol trong cỏc ngnh cụng nghip.
- Phng phỏp iu ch: cú nhiu phng phỏp iu ch etanol: hydrat hoỏ etylen vi xỳc
tỏc H2SO4; thu phõn dn xut halogen v ester ca etanol khi un núng vi nc xỳc tỏc
dung dch baz; hydro hoỏ aldyhyt acờtic; t cỏc hp cht c kim
- Trong cụng nghip, iu ch etanol bng phng phỏp lờn men t ngun tinh bt v r
ng. Nhng nm gn õy, nc ta cụng ngh sn sut etanol ch yu l s dng chng
nm men Saccharomyses cerevisiae lờn men tinh bt:
C6H6O6

Nm men
Zymaza

2C2H5OH + 2CO2 + 28 Kcal

Trong ú: 95% nguyờn liu chuyn thnh etanol v CO2.
5% nguyờn liu chuyn thnh sn phm ph: glyxờrin, acid
sucxinic, du fusel, metylic v cỏc acid hu c(lactic, butylic).

2 . Nc:
- Trong iu kin bỡnh thng: nc l cht lng khụng mu, khụng mựi, khụng v nhng
khi nc dy s cú mu xanh nht.
- Khi húa rn nú cú th tn ti dng 5 dng tinh th khỏc nhau:
Khi lng phõn t:
Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

18

g / mol
8


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò

GVHD : Vũ Bá Minh

Khối lượng riêng d40 c:
Nhiệt độ nóng chảy :00C
Nhiệt độ sơi :

1

g / ml

1000 C

- Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất
cần thiết cho sự sống.
- Nước là dung mơi phân cực mạnh, có khả năng hồ tan nhiều chất và là dung mơi rất quan
trọng trong kỹ thuật hóa học.

3 . Hỗn hợp Etanol – Nước:
- Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sơi của hỗn hợp Etanol - Nước ở
760 mmHg:
x(%phân mol)

y(%phân mol)

0
0

5
33,2

10
44,2

20
53,1

30
57,6

40
61,4

50
65,4

60
69,9

70
75,3

80

81,8

90
89,8

100
100

t(oC)

100

90,5

86,5

83,2

81,7

80,8

80

79,4

79

78,6

78,4

78,4

HệEtanol -Nướ
c

y(%mol)

100

90
80
70
60
50
40
30
20
10

x(%mol)

0
0

10

20

30

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

40

50

60

70

80

90

100

9


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

III. CễNG NGH CHNG CT H ETANOL NC:
-Etanol l mt cht lng tan vụ hn trong H2O, nhit sụi l 78,30C 760mmHg, nhit
sụi ca nc l 100oC 760mmHg : hi cỏch bit khỏ xa nờn phng phỏp hiu qu thu
etanol cú tinh khit cao l phng phỏp chng ct.
- Trong trng hp ny, ta khụng th s dng phng phỏp cụ c vỡ cỏc cu t u cú kh

nng bay hi, v khụng s dng phng phỏp trớch ly cng nh phng phỏp hp th do
phi a vo mt khoa mi tỏch, cú th lm cho quỏ trỡnh phc tp hn hay quỏ trỡnh
tỏch khụng c hon ton.
* S qui trỡnh cụng ngh chng ct h Etanol nc:
Chỳ thớch cỏc kớ hiu trong qui trỡnh:
1 . Bn cha nguyờn liu.
2 . Bm.
3 . Bn cao v.
4 . Thit b gia nhit nhp liu.
5 . By hi.
6 . Lu lng k.
7 . Nhit k.
8 . Thỏp chng ct.
9 . Thit b ngng t sn phm nh.
10 . Ap k.
11 . Thit b un sụi ỏy thỏp
12 . Bn cha sn phm ỏy.
13 . B phn phõn dũng.
14 . Thit b lm ngui sn phm nh.
15 . Bn cha sn phm nh.
16 . Van x khớ khụng ngng.

Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

10


ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

GVHD : Vuõ Baù Minh

11


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

* Thuyt minh qui trỡnh cụng ngh:
- Hn hp etanol nc cú nng etanol 10% ( theo phõn mol), nhit khong 250C ti
bỡnh cha nguyờn liu (1) c bm (2) bm lờn bn cao v (3). T ú c a n thit
b trao i nhit (4) ( trao i nhit vi sn phm ỏy ). Sau ú, hn hp c un sụi n
nhit sụi trong thit b gia nhit(6), hn hp c a vo thỏp chng ct (8) a nhp
liu.
- Trờn mõm nhp liu, cht lng c trn vi phn lng t on ct ca thỏp chy xung.
Trong thỏp hi, i t di lờn gp cht lng t trờn xung. õy, cú s tip xỳc v trao i
gia hai pha vi nhau. Pha lng chuyn ng trong phn chng cng xung di cng gim
nng cỏc cu t d bay hi vỡ ó b pha hi to nờn t ni un (11) lụi cun cu t d
bay hi.Nhit cng lờn trờn cng thp, nờn khi hi i qua cỏc a t di lờn thỡ cu t
cú nhit sụi cao l nc s ngng t li, cui cựng trờn nh thỏp ta thu c hn hp cú
cu t etanol chim nhiu nht (cú nng 92% phõn mol). Hi ny i vo thit b ngng
t (9) v c ngng t hon ton. Mt phn cht lng ngng t i qua thit b lm ngui
sn phm nh (14), c lm ngui n 350C , ri c a qua bn cha sn phm nh
(15). Phn cũn li ca cht lng ngng t c hon lu v thỏp a trờn cựng vi t s
hon lu ti u. Mt phn cu t cú nhit sụi thp c bc hi ti van xó khớ (16), cũn
li cu t cú nhit sụi cao trong cht lng ngy cng tng. Cui cựng, ỏy thỏp ta thu
c hn hp lng hu ht l cỏc cu t khú bay hi (nc). Hn hp lng ỏy cú nng
etanol l 0,11 % phõn mol, cũn li l nc. Dung dch lng ỏy i ra khi thỏp vo ni

un (11). Trong ni un dung dch lng mt phn s bc hi cung cp li cho thỏp tip
tc lm vic, phn cũn li ra khi ni un c trao i nhit vi dũng nhp liu trong thit
b (4) (sau khi qua bn cao v).
- H thng lm vic liờn tc cho ra sn phm nh l etanol, sn phm ỏy sau khi trao i
nhit vi nhp liu cú nhit l 860C c thi b.

Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

12


ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò

GVHD : Vuõ Baù Minh

CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
•

•

Năng suất nhập liệu : GF = 1000 (l/h) .
•
Nồng độ nhập liệu : xF = 30%mol etanol.
•
Nồng độ sản phẩm đỉnh : xD = 92%mol etanol .
• Tỷ lệ thu hồi etanol : h= 99%.
• Khối lượng phân tử của rượu và nước : MR =46 , MN =18 .
Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : t’F =25oC .

+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’D =35oC .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’W = 35oC .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu :
+ GF , F : suất lượng nhập liệu tính theo l/h , Kmol/h .
+ GD , D : suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo l/h , Kmol/h .
+ GW ,W : suất lượng sản phẩm đáy tính theo l/h , Kmol/h .
+ xi , xi : phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .

II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY :
Ta có:
*Ở 790C
-klr ethanol: 0,736
-klr nước : 0,972
*Ở 250C
-klr ethanol: 0,784
-klr nước: 0,999
GD= lưu lượng. (độ rượu.

KLRH 2 0
KLRe
) + (100 – 92) .
46
18

0

ruou.KLRe
46

xF = 0
ruou.KLRe 100 − 0 ruou
+
46
18

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

13


ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò

GVHD : Vuõ Baù Minh

0

ruou.KLRe
46
xF = 0
ruou.KLRe 100 − 0 ruou
+
46
18

GF =

GD . x D
0,99.xF

Từ công thức:
GF = GD+GW


Độ thu hồi =

GW = GF-GD

( G D .XD )
(G F .XF )



=0,99

 GF =

GD . x D
0,99.xF

( G W .XW )

= (1- độ thu hồi)
(G F .XF )
( 0.01.G F .XF )
XW= =
GW

Suất lượng (kmol/h)

phân mol dòng

nhập
nhập liệu
đỉnh
đáy
liệu
đỉnh
đáy
GF
GD
GW
(xF)
(xD)
(xW)
127,896
19,041 108,855
0,116
0,773
0,001
Đổi từ phân mol sang khối lượng: (nhân với khối lượng trung bình).
Suất lượng (kg/h)

phân khối lượng dòng
nhập
nhập liệu đỉnh
đáy
liệu
đỉnh
đáy

GF
GD
GW
(xF)
(xD)
(xW)
2718,435 754,885 1963,550
0,252
0,897
0,003

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

14


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò

GVHD : Vũ Bá Minh

III . NHIỆT LƯỢNG DỊNG NHẬP LIỆU:
Q1=GF.CP.∆t
-Chọn nhiệt độ ban đầu của dòng nhập liệu: tF= 250
-Nhiệt độ lỏng sơi của ngun liệu: tF’= 860.
 Nhiệt độ trung bình: tFTB : 55,50
- Nhiệt độ lỏng sơi của dòng sản phẩm đỉnh: tD= 790.
- Nhiệt độ của dòng sản phẩm đáy: tW= 99,90.
- Nhiệt độ dung riêng của dung dịch: CP
CP(dd)=CP(e).XD+(1-X).CP(H20)
Nhiệt dung riêng của nước và rượu tra ở nhiệt độ trung bình.

CP(e)=2908,766
CP(H20)= 4178,415
CP(dd)= 3858,984

J/kg.độ
J/kg.độ
J/kg.độ
Q1= 639914341,4 J/h = 177753,984 W.

Lượng hơi nước cần dùng:
Q1= r + h1
-r : ẩn nhiệt chuyển pha (J/kg)
Tra ở nhiệt ngưng tụ của hơi nước bảo hòa, chọn nhiệt ngưng tụ là 1200 (hơi nước bảo hòa
ở áp suất 2atm).
r = 2202
kJ/kg.
h1 = 290,606 kg/h.

IV . TÍNH TỐN THIẾT BỊ NGƯNG TỤ:
1 . Tỉ số hồn lưu tối thiểu:

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

15


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò

GVHD : Vũ Bá Minh

- Tỉ số hồn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vơ
cực .Do đó ,chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nước và bơm…)
là tối thiểu .
- Do đồ thị cân bằng của hệ Etanol-Nước có điểm uốn ,nên xác định tỉ số hồn lưu tối thiểu
bằng cách :
+Trên đồ thị cân bằng y-x ,từ điểm (0,77;0,77) ta kẻ một đường thẳng tiếp tuyến
với đường cân bằng tại điểm uốn , cắt trục Oy tại điểm có yo = 0,40 .
+Theo phương trình đường làm việc đoạn cất , khi xo =0 thì
yo =

xD
Rmin + 1

=0,40

Vậy : tỉ số hồn lưu tối thiểu : Rmin = 0,957

2. Tỉ số hồn lưu thích hợp:
-Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp ,nồi đun và cơng để bơm cũng tăng
theo.Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng đến vơ cực khi hồn lưu tồn phần
,lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng theo tỉ số hồn lưu .
- Tổng chi phí bao gồm : chi phí cố định và chi phí điều hành . Tỉ số hồn lưu thích hợp
ứng với tổng chi phí là cực tiểu .
- Tuy nhiên ,đơi khi các chi phí điều hành rất phức tạp ,khó kiểm sốt nên người ta có thể
tính tỉ số hồn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất .Để tính được tỉ số hồn lưu thích
hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (khơng tính đến chi phí điều hành),ta cần lập mối quan hệ
giữa tỉ số hồn lưu và thể tích tháp ,từ đó chọn Rth ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất.
Chọn : R = 2 Rmin.


R = 1,91.

Suất lượng hơi ra khỏi mâm đỉnh: GH kg/h



GH = (R+1).GD
GH = 2199,78

kg/h.

3. Nhiệt lượng cần phải lấy ở TBNT:
QC = GH . rhh W

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

16


ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò

GVHD : Vuõ Baù Minh

rhh : ẩn nhiệt chuyển pha của hổn hợp hơi ở nhiệt độ hơi bảo hòa, ở phân mol của
dòng đỉnh ( tra trên đồ thị).
-r(e) = 866,519
kJ/kg.
-r(H2O) = 2309,706 kJ/kg.
rhh = r(e).XD(tb)+(1-XD(tb)). r(H2O)
rhh = 1015,245

kJ/kg

QC = 2233311,914
= 620,364

kJ/h.
kW.

4. Lượng nước cần thiết cho TBNT:
Chọn nhiệt độ nước vào là 250.
Chọn nhiệt độ nước ra là 400.
QC = Gn.∆t.CP(H2O).
- CP(H2O): nhiệt dung riêng của nước tra ở nhiệt độ trung bình.
CP(H2O) = 4174


J/kg.độ.

Gn = 35670,211

kg/h.

5. Năng lượng cho nồi đun:
QD = GD.HD+GW.HW+QC+QL-GF.HF
Chọn Qtt = 1,05 ÷ 1,1
Ta có:
HD = CpD (tb)(tD-tO).MTBD (1)
HF = CpF (tb) (tF-tO).MTBF
HW = CpW (tb) tW-tO).MTBW

(2)
(3)

CpD (tb) = XD (tb).Cp(e)+(1-XD(tb)).Cp(H2O) (4)
CpF (tb) = XF (tb).Cp(e)+(1-XF(tb)).Cp(H2O) (5)
CpW (tb) = XW (tb).Cp(e)+(1-XW(tb)).Cp(H2O)

(6)

Mà:

Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

17


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ



GVHD : Vuừ Baự Minh

CpD (tb) = 3314,544 J/kg.

CpF (tb) = 3977,857
J/kg.
CpW (tb) = 4216,977 J/kg.
Thay vo (1), (2), (3) ta cú:
HD = 10381 kJ/kmol

HF = 7271,25 kJ/kmol
HW = 7599,08 kJ/kmol


QD = 2329284,33
= 647,02

kJ/h
kW.

V . XC NH S MM THC T:
Hiu sut mõm l hm s theo bay hi tng i (), v nht ca hn hp
lng (à).
E = f(.à).
Xỏc nh hiu sut ca mõm:

+ bay tng i ca cu t d bay hi :
=

y* 1 x *
1 y* x *

Vi : x*:phõn mol ca ru trong pha lng .
y* : phõn mol ca ru trong pha hi cõn bng vi pha lng.
* Ti v trớ mõm 1:
x*= 0,01
y*=0,04
1= 4,125
* Ti v trớ mõm 2:
x*= 0,02

y*=0,155
2= 8,99
Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

18


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

* Ti v trớ mõm 3: (Mõm nhp liu)
x*= 0,055
y*=0,36
3= 9,665
* Ti v trớ mõm 5:
x*= 0,36
y*=0,595
2= 2,612
* Ti v trớ mõm 7:
x*= 0,605
y*=0,695
7= 1,15
* Ti v trớ mõm 9:
x*= 0,72
y*=0,76
9= 1,23

Xỏc nh nht ti mõm nh theo To, TD:

Ta cú cụng thc:
à= (x*. à(e))+(1- x*). à(H2O)

à9= 0,38
à7= 0,37
à5= 0,35
Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

19


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

à3= 0,28
à2= 0,2
à1= 0,2
Vy hiu xut ti mi mõm:
1.à1= 0,825 => E1=0,52
2.à2= 1,798 => E2=0,42
3.à3= 2,71 => E3=0,39
5.à5= 0,91 => E5=0,51
7.à7= 0,43 => E7=0,61
9.à9= 0,47 => E9=0,62
ETB=

E1 + E2 + E3 + E5 + E7 + E9
= 0,51
6

Vi .à= E hỡnh 5.24 (GTTK Tp 3). Theo gin x-y ta cú s mõm lý thuyt:
NLT = 9 mõm
Vy s mõm thc t (NTT):
NTT =

N LT
9
=
= 17, 65
ETB 0,51

Chn : NTT = 18 mõm

Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

20


ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò

GVHD : Vũ Bá Minh

CHƯƠNG III :TÍNH TỐN –THIẾT KẾ THÁP
CHƯNG CẤT .
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(Dt)
Dt =

4Vtb
g tb

= 0,0188
π.3600.ω tb
( ρ y .ω y ) tb

(m)

Vtb :lượng hơi trung bình đi trong tháp , m3/h.
ω tb :tốc độ hơi trung bình đi trong tháp , m/s.
gtb : lượng hơi trung bình đi trong tháp ,kg/h.
R = 1,91 ( là tỉ số hồn lưu thích hợp)
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau.Do đó, đường kính
đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau .

1.

Đường kính đoạn cất :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
Giả sử nhiệt mất khơng đáng kể.
g tb =

g d + g1
2

kg/h

gd : lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp kg/h.
g1 : lượng hơi đi vào đoạn luyện (được xác định theo PTCB vật liệu và CB
nhiệt lượng kg/h.
• Xác định gd :
gd = GR+GD=GD.(R+1) =754,89.(1,91+1)= 2196,73

•

kg/h

Xác định g1 : Từ hệ phương trình :
 g1 = G1 + GD = G1 + 754,89(1)

 g1. y1 = G1 .x1 + GD .xD = 0,3.G1 + 754,89.0,92(2)
 g .r = g .r
d d
 1 1

x1 = x F = 30%
GD = 754,89 kg/h.
xD = 92%
Với :
Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

21


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

G1 : lu lng lng ri khi mõm cui cựng ca on luyn kg/h.
r1 : n nhit hoỏ hi ca hn hp hi i vo a th nht ca on ct
rd : n nhit hoỏ hi ca hn hp hi i ra nh thỏp .
* Tớnh r1 :
r1 = ra.y1+(1-y1).rD (4)

* Tớnh rd :
rd = ra.yd+(1-yd).rD (5)
y1 : nng % ethanol pha hi ti mõm 1 on ct.
yd : nng % ethanol pha hi ti nh thỏp.
yd = 92%
ra = r(e) = 861
kJ/kg
rD = r(H2O) =2301
kJ/kg
Thay vo (4) (5):
r1 = 861.036+(1-0,36).2301
= 1782,6 kJ/kg
rD = 861.092+(1-0,92).2301
= 976,2
kJ/kg


g1.r1 = g d .rd -> g1 = 1203

G1 = g1-GD = 1203-754,89 = 448,11

kg/h.

y1 = 36%
Vy lng hi trung bỡnh:
g tb =

g d + g1
= 1699,9
2

kg/h

b . Khi lng riờng trung bỡnh i trong thỏp :
Phõn mol trung bỡnh (ethanol)

Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

22


ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò

xTb =

GVHD : Vuõ Baù Minh

xD + xF
= 0, 445 (phan mol)
2

Nhiệt độ trung bình của phần cất.
T=

TF + TD
= 82,5 0C
2

Phương trình đường làm việc phần cất.
yn +1 =

R
x
.xn + D
R +1
R +1

= 0,656 xn + 0,265


yTb = 0,656 xTb +0,265
= 0,56 (phân mol)

• Đối với pha khí:
 ytb .46 + ( 1 − ytb ) .18 .273
ρ ytb = 
22, 4.T

= 1,155

kg/m3

• Đối với pha lỏng:
a
1 − atb1
1
= tb1 +
ρ xtb ρ xtb (e ) ρ xtb ( H 2O )

atb1: là phần khối lượng của cấu tử 1 trong pha lỏng

atb1 =

aF + aD 0,3 + 0,92
=
= 0, 61
2
2

Tra bảng sách tra cứu:
ρ xtb ( e ) = 782, 6
ρ xtb ( H 2O ) = 790, 7

kg/m3
kg/m3

Ta có:
Lê Thị Minh -MSSV:608T1400

23


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

1
= 0, 00127
xtb
xtb = 787

kg/m3

c. Tc khớ i trong phn ct thỏp chúp:
( y . y )tb = 0.065[]. h.xtb .ytb

kg/m2.s

Vi [] = 1 khi > 20 dyn/cm
h : khong cỏch gia cỏc a, chn h = 300 mm
( y . y )tb = 1,074 kg/m2.s

Ta cú:


y = 0,93 m/s.

Do ú ng kớnh on ct :
gtb
( y . y )tb

Dt = 0,0188.
= 0,75
2.

m

ng kớnh on chng :
a . Lng hi trung bỡnh i trong thỏp :

g , tb =

g , n + g ,1
2

kg/h

gn : lng hi ra khi on chng bng lng hi i vo on luyn
gn = g1 = 1203
kg/h.
g1 : lng hi i vo on chng c xỏc nh theo h phng trỡnh cõn
bng vt liu v cõn bng nhit lng kg/h.
G '1 = g '1 + W (1')
'
'
G 1.x '1 = g 1 . yW + GW .xW (2 ')
g ' .r ' = g ' .r ' = g .r (3')
n
n
1 1
1 1

Vi: G1 : lng lng a th nht ca on chng .
r1 : n nhit hoỏ hi ca hn hp hi i vo a th nht ca on chng.
Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

24


ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ

GVHD : Vuừ Baự Minh

rn : n nhit hoỏ hi ca hn hp hi i vo a trờn cựng ca on chng.
GW = 1963,55 kg/h
xW = 0,35%
y = yW = 0,04
Phõn mol bng 9,62%
r1 = ra.y1+(1- y1).rb
rn = ra.yn+(1- yn).rb

(4)
(5)

ra, rb c ly nhit trung bỡnh ca phn chng: 98,70C
ra = r(e) = 830,98
rb = r(H2O) = 2259,3

kJ/kg
kJ/kg

Gii h thng phng trỡnh (1)(2)(3)(4)(5) trờn, ta cú kt qu sau:
G1 = g1+GW
= 2937,35

kg/h

g1.r1
r '1

g1 =

= 973,9

kg/h

b . Khi lng riờng trung bỡnh trong thỏp :
i vi pha khớ:
Phn mol trung bỡnh ethanol trong pha lng.
xtb =

xw + xF
= 0,128
2

phõn mol

Nhit trung bỡnh phn chng
t =

t F + tW
= 92,950C
2

T phng trỡnh ng lm vic phn chng, ta cú cụng thc:
ytb =

Lờ Th Minh -MSSV:608T1400

R+ f

f 1
xm
xW
R +1
R +1

25