công nghệ sản xuất cồn

Mục lục
PHẦN I: MỞ ĐẦU……………………………………………………………….1
PHẦN II: NỘI DUNG……………………………………………………………3
Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất cồn………………………………3
1.1.Giới thiệu về cồn…………………………………………………………...3
1.2.Các phương pháp chưng luyện cồn………………………………………...4
1.3.Các thiết bị chưng luyện…………………………………………………....4
Chương 2: Công nghệ sản xuất cồn……………………………………………...6
2.1.Nguyên liệu…………………………………………………………………6
2.2.Các phương pháp lên men cồn……………………………………………...6
2.3.Sơ đồ quy trình sản xuất…………………………………………………….7
2.4.Thuyết minh quy trình sản xuất cồn………………………………………...8
Chương 3: Tính toán thiết bị…………………………………………………….10
3.1.Ký hiệu và thông số ban đầu……………………………………………….10
3.2.Tính toán và cân bằng vật liệu trong chưng cất liên tục……………………11
3.2.1.Tính cân bằng vật liệu……………………………………………………..12
3.2.2.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số đĩa lý thuyết…………………..12
3.2.2.1.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp……………………………………12
3.2.2.2.Số đĩa lý thuyết………………………………………………………18
3.3.Xác định số đĩa thực tế……………………………………………………..19
3.3.1.Xác định hiệu suất trung bình của tháp…………………………………19
3.3.2.Số đĩa thực tế của tháp…………………………………………………..23
3.4.Tính đường kính và chiều cao của tháp…………………………………….23
3.4.1.Lượng hơi trung bình đi trong tháp……………………………………..24
3.4.1.1.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện…………………………..24
3.4.1.2.Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng………………………….26
3.4.2.Tính khối lượng riêng trung bình………………………………………….27
3.4.2.1.Khối lượng hơi trung bình đối với pha hơi………………………….27
3.4.2.2.Khối lượng hơi trung bình đối với pha lỏng………………………...29
3.4.3.Tốc độ hơi đi trong tháp………………………………………………...30

3.4.4.Đường kính đoạn luyện, đoạn chưng…………………………………...32
3.4.4.1.Đường kính đoạn luyện……………………………………………...32
3.4.4.2.Đường kính đoạn chưng……………………………………………..32
3.4.5.Vận tốc thực tế của hơi đi trong tháp……………………………………
33
3.4.6.Chiều cao của tháp………………………………………………………33
Chương 4: Tính toán cơ khí và lựa chọn………………………………………...35
4.1.Tính số chóp và kích thước cơ bản của chóp………………………………35
4.1.1.Số chóp phân bố trên đĩa………………………………………………..35
4.1.2.Kích thước của chóp…………………………………………………….35
4.2.Ống chảy chuyền…………………………………………………………...38
4.2.1.Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền………………………....38
4.2.2.Chiều cao ống chảy chuyền nhô trên đĩa………………………………..40
4.2.3.Khoảng cách từ ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất………………40
4.3.Chọn mặt bích………………………………………………………………42
4.4.Tính đường kính các ống dẫn………………………………………………44
4.4.1.Đường kính ống chảy chuyền…………………………………………...43
4.4.2.Đường kính ống dẫn hỗn hợp đầu vào tháp……………………………..44
4.4.3.Đường kính ống dẫn hơi ở đỉnh tháp……………………………………45
4.4.4.Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy……………………………………..46
4.4.5.Đường kính ống hồi lưu…………………………………………………47
4.5.Diện tích làm việc của đĩa………………………………………………….48
Chương 5: Tính cân bằng nhiệt……………………………………………...……49
5.1.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu……………………………………………….49
5.1.1.Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào………………………………………...49
5.1.2.Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào…………………………………..50
5.1.3.Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra…………………………………….50
5.1.4.Lượng hơi đốt cần thiết…………………………………………………..51
5.1.5.Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra…………………………………….51

5.1.6.Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh……………………………...51
5.2.Tính nhiệt trong tháp chưng luyện…………………………………………...51
5.2.1.Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp…………………………………...52
5.2.2.Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp………………………53
5.2.3.Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp…………………………………54


5.2.4.Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra…………………………………..55
5.2.5.Lượng hơi đốt cần thiết…………………………………………………..55
5.2.6.Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh……………………………...55
5.2.7.Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra…………………………………….56
5.3.Tính nhiệt trong thiết bị ngưng tụ……………………………………………56
5.4.Tính nhiệt trong thiết bị làm lạnh……………………………………………57
KẾT LUẬN………………………………………………………………………59
Tài liệu tham khảo………………………………………………………………..60



Phần I: Mở đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển khoa học kĩ thuật, nền công nghiệp đã mang
lại cho con người những lợi ích vô cùng to lớn về vật chất và tinh thần. Để nâng
cao đời sống của nhân dân, để hòa nhập với sự phát triển chung của các nước trong
khu vực cũng như trên thế giới, Đảng và nhà nước ta đã đề ra mục tiêu công
nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.
Trong tiến trình công nghiệp hóa- hiện đại hóa đất nước, những ngành mũi
nhọn như Công Nghệ Thông Tin, Công nghệ Sinh học, Công nghệ điện tử tự động
hóa,….Công nghệ Thực Phẩm giữ vai trò quan trọng trong việc sản xuất các thực
phẩm phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, tạo tiền đề cho nhiều ngành khác phát
triển.
Khi nền kinh tế phát triển thì nhu cầu con người ngày càng tăng. Do vậy các

thực phẩm cũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ
sản xuất cũng nâng cao. Có nhiều phương pháp khác nhau để làm tăng nồng độ, độ
tinh khiết như: Chưng cất, cô đặc, trích ly. Tùy vào tính chất của hệ mà ta lựa chọn
phương pháp thích hợp. Do nhu cầu sử dụng sản phẩm có độ tinh khiết lớn như
vậy nên chúng ta đã sử dụng quá trình chưng cất.
Quá trình chưng bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỉ XI. Ngày nay được
ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp như:
+Dầu mỏ, tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng
+Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ -190℃ để sản xuất oxi và
Nitơ.
+Quá trình tổng hợp hữu cơ. VD:metanol, etylen, butadiene, propylen.
+Công nghệ sinh học và thực phẩm cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như:
etylic- nước từ quá trình lên men
Chưng cất là một phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng
như các hỗn hợp chất khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác
nhau của các cấu tử thành phần ở cùng nhiệt độ. Hay cũng chính là dựa trên nhiệt
độ sôi khác nhau của các cấu tử ở cùng một áp suất. Có rất nhiều phương pháp
5


chưng, trong đó chưng luyện là phương pháp phổ biến và hiệu quả trong việc tách
hoàn toàn các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hòa tan hoàn
toàn vào nhau, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế.
Phương pháp chưng luyện này là một quá trình trong đó hỗn hợp được bốc hơi và
ngưng tụ nhiều lần. Kết quả cuối cùng là ở đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp gồm hầu
hết các cấu tử dễ bay hơi (cấu tử có nhiệt độ sôi thấp hơn) và nồng độ đạt yêu cầu.
Còn ở đáy thu được một hỗn hợp gồm hầu hết các cấu tử khó bay hơi (cấu tử có
nhiệt độ sôi cao hơn).
Đề bài: Tính toán, thiết kế tháp đĩa chưng luyện cồn etylic năng suất
1000kg/h,nồng độ sản phẩm đỉnh là 0,8 phần khối lượng, nồng độ sản phẩm đáy là

0,0005 phần khối lượng, nồng độ nguyên liệu vào là 0,1 phần khối lượng.

6


Phần II: Nội dung
Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất cồn
1.1.Giới thiệu về cồn etylic:
-Cấu trúc phân tử etanol(etylic):

+ Công thức phân tử: C2H5OH
+M=46(kg/kmol)
- Tùy theo cách sử dụng lượng cồn mà mỗi nước trên thế giới có các loại rượu , bia
khác nhau.Cồn dùng để tăng nồng độ rượu, bia. Trong đó rượu Vodka là một trong
những loại rượu tiêu biểu. Đó là loại rượu nổi tiếng là niềm tự hào cho người dân
nước Nga. Vodka được sản xuất ở Nga từ thế kỷ 12, ngay tên gọi của nó cũng có
nghĩa là rượu mạnh, từ vodka theo tiếng Nga nghĩa là “ít nước” mà nhiều cồn.
Rượu Vodka có độ cồn khá cao từ 35% đến 50%. Một số loại rượu mạnh khác
như: Brandy, Whisky, Martin, Brandy, Napoleon, Rhum… Ngoài ra còn có các
loại rượu nhẹ và rượu thông thường.
-Rượu sản xuất thủ công được sản xuất ở các làng nghề hay những hộ gia đình ở
đồng bằng hay miền núi. Họ lấy lúa, gạo , ngô, khoai, sắn nấu chín, làm nguội rồi
rắc men và đem đi ủ. Trong quá trính ủ nấm mốc phát triển trên cơm gạo nếp và tự
tạo cho khối gạo ủ mùi thơm đặc trưng, hấp dẫn. Đặc biệt để có được rượu nếp
ngon và vẫn giữ được hương thơm, khi chưng cất không sử dụng tháp cao cất cồn

7


mà dùng thiết bị chưng cất rượu để thu hoạch, lúc này rượu nếp đạt khoảng 40-50

độ rượu.
- Ứng dụng của cồn chiếm một vị trí đáng kể trong Công nghiệp thực Phẩm.Ngoài
việc làm tăng nồng độ cho rượu, bia, cồn còn nhiều ứng dụng khác: Ví dụ như:
Chế biến thức ăn, khử mùi cho thực phẩm ( nhiều loại thực phẩm có mùi không
mong muốn) , làm tăng mùi thơm đặc trưng cho món ăn.
-Cồn còn có ứng dụng để sát trùng, sản xuất dược phẩm, để chữa bệnh trong ngành
Y Tế.
-Trong công nghiệp ứng dụng làm chất đốt, làm dung môi hòa tan các chất vô cơ
và hữu cơ.
-Cồn có khả năng thay xăng sản xuất từ dầu mỏ(xăng sinh học)
-Tóm lại Cồn có một hướng phát triển tốt để xây dựng nề công nghiệp.Nó có rất
nhiều ứng dụng , nên việc khai thác cồn hiệu quả là công việc rất cần thiết không ở
riêng nghành thực Phẩm và nó còn là niềm quan tâm đáng kể với các nghành khác.
Nhưng hiện nay máy móc, công nghệ, năng xuất để tinh chế cồn (tách bỏ các tạp
chất ra khỏi cồn) vẫn chưa được nâng cao, chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ. Do
vậy đồ án này thực hiện để nâng cao trình độ chuyên môn về công nghệ, yêu cầu
năng xuất thiết kế ra máy móc phù hợp: chi phí thấp nhất, hiệu quả cao nhất.
1.2.Các phương pháp chưng luyện cồn:
- Theo áp suất làm việc: áp suất cao, áp suất thường, áp suất thấp.
-Theo nguyên lý làm việc: chưng cất đơn giản, chưng cất liên tục.
1.3.Các thiết bị chưng cất:
-Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.
Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích
bề mặt tiếp xúcphải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất
này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm,
nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun…Ở đây ta khảo sát
2 loại thường dùng là tháp mâm và tháp đệm.

8

+Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo
khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu
tạo của đĩa ta có:
Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí chóp có dạng tròn, xupap, chữ s…
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
+Tháp đệm: tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng các mặt bích hay hàn.
Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay
xếp thứ tự.
Tháp đệm

Tháp đĩa xuyênlỗ

Tháp đĩa chóp

Trở lực tương
đối thấp.
- Hiệu suất khá
cao.
- Chế tạo đơn
giản, vệ sinh dễ
dàng.
- Ít tốn kim loại hơn
tháp chóp

Khá ổn
định.
- Hiệu suất
truyền
khối cao

- Ít tiêu hao
năng lượng
hơn nên có số
đĩa ít hơn.

Kết cấu khá
phức tạp.
Yêu cầu lắp
đặt cao: đĩa
lắp phải
phẳng, chất
lỏng khó phân
phố đều trên
mâm nếu
đường kinh
quá lớn.

Có trở
lực
lớn.
- Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp.

-

Ưu
điểm

-

Cấu tạo khá đơn giản.
Trở lực thấp.

-Do có hiệu ứng thành do
đó hiệu suất truyền khối
thấp.
-Độ ổn định không cao do
sự phân bố các pha theo
tiết diện tháp không đều,
Nhược
khó vận hành.
điểm
-Do có hiệu ứng thành do đó
khi tăng năng suất thì hiệu
ứng thành tăng vì vậy khó
tăng năng suất.
-Thiết bị khá nặng nề.

-

-

-

-Sử dụng tháp đệm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không
gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một cách
rõ dàng, tháp đệm khó chế tạo được kích thước lớn ở quy mô công nghiệp.
9

- Sử dụng tháp đĩa xuyên lỗ , hiệu suất đạt được không bằng tháp chóp, chế độ làm
việc không ổn định bằng tháp chóp, với tháp đường kính quá lớn cũng không sử
dụng hiệu quả.

Chương 2:Công nghệ sản xuất cồn
2.1.Nguyên liệu:
Sản xuất cồn etylic về nguyên tắc có thể dung bất cứ nguyên liệu nào chứa đường
hoặc Polysaccarit sau thủy phân sẽ biến thành đường và lên men được. Do đó ta
có thể dung nguyên liệu giàu Xenluloza để thuye phân thành đường. Tuy nhiên
dung nguyên liệu này sẽ kém hiệu quả kinh tế. Trong thực tế điều kiện sản xuất ở
nước ta chỉ dung tinh bột và mật rỉ.
-Nguyên liệu chứa tinh bột gồm có:
+Tinh bột được sản xuất từ ngũ cốc hoặc củ.
+Các lọai ngũ cốc như gạo, bắp, lúa mạch , đại mạch,…
+Các loại củ như khoai tây,khoai mì,…
-Nguyên liệu chứa đường: bao gồm saccharose dạng tinh thể hoặc dạng dung
dịch, nước ép mía, dịch chiết từ củ cải đường, các loại syrup glucose, maltose có
nguồn gốc từ tinh bột, mật rỉ.
-Nguyên liệu chứa cellulose như bã mía, dăm bào, mạt cưa,..
2.2.Các phương pháp lên men cồn:
-Phương pháp lên men truyền thống (bổ xung bánh men).
-Phương pháp lên men bổ xung nấm mốc.
-Phương pháp lên men cồn bằng phương pháp cố định tế bào.
*Quy trình công nghệ sản xuất cồn etylic có thể chia thành các công đoạn chính:
10


+Giai đoạn 1: Chuẩn bị dịch lên men: nếu nguyên liệu chứa tinh bột thì công
đoạn này gồm : nghiền , nấu, đường hóa và làm lạnh đến nhiệt độ lên men. Nếu

nguyên liệu là mật rỉ thì chuẩn bị dịch lên men gồm pha loãng sơ bộ, xử lý mật rỉ,
bổ xung nguồn dinh dưỡng, tách cặn rồi pha loãng tới nồng độ gây men và lên
men.
+Giai đoạn 2: Gây men giống và lên men: Muốn lên men trước hết phải phát triển
men giống tới chất lượng và số lượng cần thiết, thường bằng 10% thể tích dung
lên men. Sau đó đưa men giống và dịch đường vào thùng rồi khống chế ở điều
kiện xác định để nấm men chuyển hóa đường thành rượu và CO2. Dịch nhận
được sau lên men gọi là giấm chin.
+giai đoạn 3: Xử lý dịch lên men. Công đoạn này có liên quan tới kiến thức lí học
và quá trình thiết bị công nghệ hóa (đó chính là quá trình chuyển khối). Thực chất
là dung hệ thống chưng luyện phù hợp để tách rượu và các chất dễ bay hơi khỏi
dấm chín, sau đó đem tinh luyện để nhận được cồn sản phẩm, thỏa mãn tiêu
chuẩn và yêu cầu tiêu dung. Sản phẩm thu được sau xử lý bao gồm cồn thực
phẩm, cồn dầu, dầu fusel. Ngoài ra còn thu được một số sản phẩm khác…
2.3.Sơ đồ quy trình sản xuất cồn:

11


1.Thùng chứa hỗn hợp ban đầu
2- Bơm
3- Thùng cao vị
4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
5- Tháp chưng luyện
6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu
7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh
9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp
10- Thùng chứa sản phẩm đáy
11- Thiết bị tháo nước ngưng.

2.4.Thuyết minh quy trình sản xuất cồn:
-Hỗn hợp đầu từ thùng chứa 1 được bơm 2 bơm liên tục lên thùng cao vị 3. Mức
chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế nhờ ống chảy tràn. Từ thùng cao
vị ( hỗn hợp đầu được điều chỉnh nhờ van và lưu lượng kế) qua thiết bị đun nóng
12


dung dịch 4. Tại đây dung dịch được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa đến nhiệt độ
sôi. Sau đó dung dịch được đưa vào tháp chưng luyện qua đĩa tiếp liệu.
-Tháp chưng luyện gồm 2 phần: Phần từ đĩa tiếp liệu trở lên là đoạn luyện, phần từ
đĩa tiếp liệu trở xuống là đoạn chưng
-Như vậy ở trong tháp pha lỏng đi từ trên xuống sẽ tiếp xúc với pha hơi đi tử dưới
lên. Hơi bốc từ dưới lên qua các lỗ đĩa trên và tiếp xúc với pha lỏng của đĩa trên,
ngưng tụ 1 phần, vì thế nống độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng dần theo
chiều cao của tháp. Vì nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng tăng nên nồng độ
của nó trong hơi do lỏng bốc lên cũng tăng. Cấu tử dễ bay hơi có nhiệt độ sôi thấp
hơn cấu tử khó bay hơi nên khi nồng độ của nó tăng thì nhiệt độ sôi của dung dịch
giảm. Tóm lại theo chiều cao của tháp, nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần, nồng
độ cấu tử khó bay hơi giảm dần, nhiệt độ tháp giảm dần. Cuối cùng ở đỉnh tháp ta
thu được hỗn hợp hơi có thành phần hầu hết là cấu tử dễ bay hơi, còn ở đáy tháp ta
sẽ thu được hỗn hợp lỏng có thành phần cấu tử khó bay hơi chiếm tỉ lệ lớn. Để duy
trì pha lỏng cho các đĩa trong đoạn luyện ta bổ sung bằng dòng hồi lưu được nhưng
tụ hơi từ đỉnh tháp. Hơi đỉnh tháp được nhưng tụ nhờ thiết bị ngưng tụ hơi hoàn
toàn từ đỉnh 6, dung dịch lỏng thu được sau khi ngưng tụ 1 phần được dẫn lại đĩa
luyện trên cùng để duy trì pha lỏng trong các đĩa luyện, phần còn lại được đưa vào
thiết bị làm lạnh 7 để đi vào bể chứa sản phẩm đỉnh 8. Chất lỏng ở đáy tháp được
tháo ra ở đáy tháp sau đó được đun sôi nhờ thiết bị gia nhiệt đáy tháp 9 và hồi lưu
về đĩa tháy tháp, phần chất lỏng còn lại được đưa vào bể chứa sản phẩm đấy 10.
Nước ngưng tụ của các thiết bị gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng
11.

*Nguyên lý của quá trình chuyển khối xảy ra trong tháp là:
-Hơi đi từ dưới lên, lỏng đi từ trên xuống. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều
cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay dổi tương ứng
x1

-Cụ thể là trên đĩa 1, chất lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay hơi (etanol) là

,bốc hơi

y1 > x1

lên nồng độ

. Hơi này lên đĩa 2 và được sục qua lỏng ở trên đĩa này. Tức là

các bọt khí sẽ đi vào lỏng, do tại đây nhiệt độ thấp hơn ở đĩa dưới nên một phần
hơi sẽ được ngưng tụ lại, mặt khác thành phần etanol ở trong lỏng sẽ chuyển vào
bọt khí làm nồng độ etanol ở trong lỏng sẽ chuyển vào bọt khí làm nồng độ etanol
13


x2 > x1

ở trong bọt khí sẽ tăng lên. Kết quả là nồng độ etanol ở trên 2 đĩa là

. hơi

y2 > x2

bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ etanol là

.Hơi này lại đi lên các đĩa tiếp theo và

nồng độ etanol tăng dần lên qua các đĩa.
-Quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và khí, bốc hơi , ngưng tụ lặp đi lặp lại
nhiều lần qua các đĩa. Dẫn đến trên đỉnh tháp ta thu được sản phẩm là etanol có
nồng độ cao và đáy ta thu được nước có nồng độ etanol rất thấp.

Chương 3: Tính toán thiết bị
3.1.Ký hiệu và thông số ban đầu:
*Giả thiết:
+ Số mol pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
+ Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao đoạn chưng và đoạn luyện.
+ Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi.
+ Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần của
hơi đi ra ở đỉnh tháp.
+ Cấp nhiệt ở đáy tháp bằng nồi hơi gián tiếp.
*Số liệu ban đầu:
+ aF = 0.1(phần khối lượng)
+ aD = 0.8(phần khối lượng)
+ aW = 0.0005(phần khối lượng)
+ Năng suất thiết bị: GF = 1000(kg/h)
+ M1 = 46(kg/kmol) là khối lượng phân tử của etylic.
+ M2 = 18(kg/kmol) là khối lượng phân tử của nước.
+ MF: khối lượng mol trung bình của nguyên liệu.(kg/kmol)
+ MD: khối lượng mol trung bình của sản phẩm đỉnh.(kg/kmol)
+ MW: khối lượng mol trung bình của sản phẩm đáy.(kg/kmol)
+ GF,F: lượng hỗn hợp đầu.(kg/h),(kmol/h)
+ GD,D: lượng sản phẩm đỉnh.(kg/h),(kmol/h)
14

+ GW,W: lượng sản phẩm đáy.(kg/h),(kmol/h)
+ a: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng.(kg/kg)
+ x: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng.(kmol/kmol)
*Quy đổi từ phần khối lượng sang phần mol:

x

a
M
a 1− a
+
M
M'

=

+ xF = = 0,042(phần mol)
+ xD = = 0,610(phần mol)
+ xW = = 1,9610-4(phần mol)
*Khối lượng mol:
MF =

xF ×

MD =
MW =

M1 +(1-

xD ×

xW ×

xF ×

M1 + (1-

M1 + (1-

) M2 = 0,042.46 + (1 – 0,042).18 = 19,176 (kg/kmol)

xD ×

) M2 = 0,610.46 + (1 – 0,610).18 = 35,080(kg/kmol)

xW ×

) M2 = 1,9610-4.46 + (1 - 1,9610-4).18 = 18,005(kg/kmol)

*Lưu lượng mol:

F=

D=

W=

GF

MF

= = 52,149 (kmol/h)

GD
MD
GW
MW

15


3.2.Tính toán cân bằng vật liệu trong tháp chưng cất liên tục:
3.2.1.Tính cân bằng vật liệu:
+ Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp:
F = D +W
+ Phương tình cân bằng cho cấu tử dễ bay hơi(etylic) tính theo kmol/h:
F.xF = D.xD + W.xW
Lượng sản phẩm đỉnh là:
D = = = 3,575(kmol/h)
GD = GF× = 1000× = 124,453 (kg/h)
- Lượng sản phẩm đáy:
W = F – D = 52,149 – 3,575 = 48,574 (kmol/h)
GW = GF – GD = 1000 – 124,453 = 875,547(kg/h)
3.2.2.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp và số đĩa lý thuyết:
3.2.2.1.Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp:
*Chỉ số hồi lưu tối thiểu
Rmin

Rmin

: là tỉ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh.

Từ bảng số liệu IX.2a(Sổ tay QT&TBCNHC-trang 154) có thành phần cân bằng
lỏng- hơi của rượu etylic-nước được cho như bảng sau :
X 0
Y 0

5
33.2

10
20
30
44.2 53.1 57.6

40
61.4

50
65.4

60
69.9

70
75.3

80
81.8

90
89.8

100
100

Từ bảng số liệu trên ta vẽ được đồ thị x-y, từ đó xác định được chỉ số hồi lưu tối
thiểu :
Với

y *F

: là nồng độ phần mol cân bằng với

xF

16


Với giá trị xF= 0,042ta kẻ đường song song với trục y và cắt đường cân bằng,từ đó
ta kẻ song song với trục x cắt trục y tại B ta xác định được giá trị

y *F

:

Vậy y*F = 0,296
Từ đó ta tính được :
Rmin

= = = 1,236

*Tìm chỉ số hồi lưu thích hợp Rx :

Chỉ số hồi lưu thích hợp được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu

Rx = b.Rmin

b là hệ số dư hay hệ số hiệu chỉnh
Tính gần đúng ta lấy chỉ số hồi lưu thích hợp bằng :
17


Rx = (1.2 ± 2.5).Rmin

Biết

Rmin

cho b biến thiên trong khoảng (1.2±2.5) ta tính được ra tương ứng

Mà mỗi R tương ứng ta vẽ được các đường làm việc và vẽ các bậc thay đổi nồng
độ lý thuyết N
Cách vẽ đồ thị xác định số đĩa lý thuyết trên cơ sở đường cân bằng :
Đoạn luyện : đường làm việc của đoạn luyện đi qua
điểm có tung độ

B=

( xP , y P )

và cắt trục tung tại

xD
Rx + 1

Đoạn chưng :đường làm việc của đoạn chưng đi qua giao điểm của đường làm việc
đoạn luyện với đường x=

xF

và qua điểm

( xW , yW )

→

Từ đó vẽ các đường song song với trục x và y liên tiếp ta thu được số đĩa lý
thuyết

+Với b = 1,2

+Với b = 1,3

18


+Với b = 1,4

+Với b = 1,5

+Với b = 1,6

+Với b = 1,7

19


+Với b = 1,8

+Với b = 2,0

+Với b = 1,9

+Với b = 2,1

20


+Với b = 2,2

+Với b = 2,3

21


+Với b = 2,4

+Với b = 2,5

-Từ các đồ thị trên ta thu được kết quả như sau :
b
Rx
B
N
N(Rx+1)

1,2
1,483
0,246
13,9
34,51

1,3
1,607
0,234
9
23,46

1,4
1,730
0,223
11,2
30,8

1,5
1,854
0,214
11,4

32,54

1,6
1,978
0,205
10,6
31,57

1,7
2,101
0,197
9,9
30,7

1,8
2,225
0,189
9,8
31,61

b
Rx
B

1,9
2,348
0,182
9,2
30,8

2,0
2,472
0,177
9
31,25

2,1
2,596
0,170
8,9
30

2,2
2,719
0,164
8,4
31,24

2,3
2,843
0,159
8,4
32,28

2,4
2,966
0,154
8
31,73

2,5
3,09
0,149
8,1
33,13

N
N(Rx+1)

22


Vậy chỉ số hồi lưu thích hợp

Rx

= 1,607 tại giá trị N(

Rx

+1) nhỏ nhất

*Phương trình đường nồng độ làm việc :
-Phương trình làm việc đoạn luyện:
Y = X + = X + = 0.616X+0.234
-Phương trình làm việc đoạn chưng:
Y = X - xW
Mà f = = = 14,709
Y = X – .1,96.10-4= 6,259X – 1,031*10-3
3.2.2.2.Số đĩa lý thuyết

Với

Rx

=1,607 xác định được số đĩa lý thuyết N=9

Trong đó :số đĩa đoạn luyện là 3,1; Số đĩa đoạn chưng là 5,9
3.3.Xác định số đĩa thực tế:
-Số mâm thực tế: Ntt =
Trong đó:
+ ηtb là hiệu suất trung bình của một đĩa, là hàm số của độ bay hơi tương đối
và độ nhớt của hỗn hợp lỏng.
ηtb = f(α,μ)
+ Ntt: Sốđĩa thực tế.
+ Nlt: Sốđĩa lý thuyết.
3.3.1.Hiệu suất trung bình của tháp:
- Độ bay hơi của cấu tử dễ bay hơi:
α=.
Trong đó:
23


+ x: phần mol của etylic trong pha lỏng.
+ y*: phần mol của etylic trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
-Độ nhớt của hỗn hợp lỏng:
lg(μhh) = x.lg(μ1) + (1 – x).lg(μ2)
Trong đó:
+ x: nồng độ mol của C2H5OH trong hỗn hợp.
+ μ1, μ2: Độ nhớt động lực của C2H5OH và H2O.
-Tính được tích số (α.μ), tra đồ thị để tìm hiệu suất trung bình.

3.3.1.1.Hiệu suất của đoạn chưng:
-Có xtbC = = = 0,0211
 Tra đồ thị cân bằng của hệ ta có y*tbC = 0,187
-Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:

αc = . =

0,187
1 − 0,187

.

= 10,671

-Có y*tbC = 0,21theo bảng số liệu IX.2a( Sổ Tay QT&TBCNHC tập 2, trang 148) t
= 94,6oC
-Theo bảng I-101 (Sổ Tay QT&TBCNHC tập 1, trang 92) ta có:
μ1 = 3,55×10-4(Ns/m2), μ2 = 3,04×10-4 (Ns/m2).
-Độ nhớt của hỗn hợp lỏng đoạn chưng:
lg(μhh) = 0,0211.lg(3,55×10-4) + (1 – 0,0211).lg(3,04×10-4)
μhh = 3,05×10-4(Ns/m2)
 αC.μhh = 10,671 × 3,05×10-4 = 3,25×10-3
-Tra hình IX.11 (Sổ tay QT&TBCNHC tập 2, trang 171):
24


Suy ra ηC = 0,65
3.3.1.2.Hiệu suất đoạn luyện:
Ta có: xtbL = = = 0,326 (phần mol)

 Tra đồ thị cân bằng của hệ ta có y*tbL = 0,586
-Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:
αL =.=.= 2,926
-theo bảng số liệu IX.2a( Sổ Tay QT&TBCNHC tập 2, trang 148)t = 81,5oC
-Theo bảng I-101 (Sổ Tay QT&TBCNHC tập 1, trang 92) ta có:
μ1 = 4,27×10-4 (Ns/m2), μ2 = 3,52×10-4 (Ns/m2).
-Độ nhớt của hỗn hợp lỏng đoạn luyện:
lg(μhh) = 0,326.lg(4,27×10-4) + (1 – 0,326).lg(3,52×10-4 )
μhh = 3,75×10-4(Ns/m2)


αC.μhh =2,926× 3,75×10-4 = 1,1×10-3

-Tra hình IX.11 (Sổ tay QT&TBCNHC tập 2, trang 171):
Suy ra ηL = 0,475
3.3.1.3.Tại vị trí nhập liệu:
-Có xF = 0.042,y*F= 0.2701
αF = . =.= 8,441
- Theo bảng số liệu IX.2a( Sổ Tay QT&TBCNHC tập 2, trang 148)t = 92,3oC
-Theo bảng I-101 (Sổ Tay QT&TBCNHC tập 1, trang 91) ta có:
μ1 = 3,68×10-4 (Ns/m2), μ2 =3,12×10-4 (Ns/m2).
-Độ nhớt của hỗn hợp tại vị trí nhập liệu:
lg(μhh) = 0,042.lg(3,68×10-4) + (1 – 0,042).lg(3,12×10-4 )
25