Đồ án tốt nghiệp kỹ thuật thực phẩm

BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MÔN: ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƢNG CẤT HỖN
HỢP ETHANOL - NƢỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU
2500KG HỖN HỢP/H
GVHD: ThS. NGUYỄN HỮU QUYỀN
Lớp: 04DHLTP1
SVTH:
NGUYỄN THANH TRÚC

2005140018

TRỊNH NGUYỄN TRỌNG HIẾU

2005140003

Thành phố hồ chí minh, ngày…,tháng…năm
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 1


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................................. 4
Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................................... 4
Ý nghĩa đề tài............................................................................................................................... 4

1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT .......................................................................................... 5
1.1.1 Khái niệm quá trình chƣng cất ....................................................................................... 5
1.1.2 Đặc điểm của quá trình chƣng cất ................................................................................. 5
1.1.3 Các phƣơng pháp chƣng cất ........................................................................................... 6
1.1.4 Cân bằng lỏng- hơi hỗn hợp 2 cấu tử ............................................................................ 7
1.1.5 Ứng dụng quá trình chƣng cất trong công nghiệp ......................................................... 7
1.1.6 Thiết bị chƣng cất ........................................................................................................... 7
1.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU ................................................................................. 9
1.2.1 Etanol .............................................................................................................................. 9
1.2.2 Nƣớc ............................................................................................................................ 14
1.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nƣớc ............................................................................................... 15
1.3 CÔNG NGHỆ CHƢNG CẤT HỆ ETANOL – NƢỚC ..................................................... 15
CHƢƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT ..................................................................................... 18
2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU ............................................................................................. 18
2.2 XÁC ĐỊNH SUẤT LƢỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY......................... 18
2.3 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƢU THÍCH HỢP ................................................................... 20
2.3.1 Tỉ số hoàn lƣu tối thiểu ................................................................................................. 20
2.3.2 Tỉ số hoàn lƣu thích hợp ............................................................................................... 20
2.4 PHƢƠNG TRÌNH ĐƢỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT ................................ 20
2.4.1 Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn cất ................................................... 20
2.4.2 Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn chƣng ............................................... 20
2.4.3 Số mâm lý thuyết .......................................................................................................... 20
2.5 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ - BIỂU ĐỒ CHƢNG CẤT ........................................... 21
CHƢƠNG III: TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƢNG CẤT ................................................ 24
3.1 ĐƢỜNG KÍNH THÁP ........................................................................................................ 24
3.1.1 Đƣờng kính đoạn cất .................................................................................................... 24
3.1.2 Đƣờng kính đoạn chƣng ............................................................................................... 29
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 2


3.2 MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM ................................................................................... 34
3.2.1 Cấu tạo mâm lỗ ............................................................................................................. 34
3.2.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm ......................................................................... 35
3.2 3 Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động ........................................................................... 41
3.3 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP .................................................................................... 43
3.3.1 Bề dày thân tháp ........................................................................................................... 43
3.3.2 Đáy và nắp thiết bị ........................................................................................................ 46
3.3.3 Bích ghép thân, đáy và nắp ........................................................................................... 47
3.3.4 Đƣờng kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn ...................................................... 48
3.4.5 Tai treo và chân đỡ ....................................................................................................... 56
CHƢƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ ............................. 62
4.1 CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG ............................................................................................. 62
4.2 CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT ..................................................................................... 69
4.2.1 Thiết bị ngƣng tụ sản phẩm đỉnh .................................................................................. 69
4.2.2 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ................................................................................ 75
4.2.3 Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy ................................................................................... 82
4.3 TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU ....................................................................................... 87
4.3.1 Tính chiều cao bồn cao vị ............................................................................................. 87
4.3.2 Chọn bơm ..................................................................................................................... 94
CHƢƠNG V: KẾT LUẬN ............................................................................................................ 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 100

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 3

LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nƣớc 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 nhƣ 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 phƣơng pháp đƣợc sử dụng để nâng
cao độ tinh khiết: trích ly, chƣng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản
phẩm mà ta có sự lựa chọn phƣơng pháp thích hợp. Đối với hệ Etanol - Nƣớc là 2 cấu tử
tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phƣơng pháp chƣng cất để nâng cao độ tinh khiết cho
Etanol.
Mục tiêu nghiên cứu
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chƣng cất hệ Etanol - Nƣớc hoạt động liên
tục với năng suất nhập liệu 2500 kg/h ,dòng nhập liệu có thành phần 18% khối lƣợng
etanol, dòng sản phẩm đỉnh có 82% khối lƣợng ethanol, dòng sản phẩm đáy có 2,2% khối
lƣợng etanol
Em chân thành cảm ơn các quý thầy cô bộ môn Máy & Thiết Bị,đặc biệt là thầy
Th.s Nguyễn Hữu Quyền , đã giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên, trong quá trình
hoàn thành đồ án không thể không có sai sót, em rất mong quý thầy cô góp ý, chỉ dẫn.
Ý nghĩa đề tài
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 sƣ hoá- thực phẩm tƣơng 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 bƣớc 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.

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 4


CHƢƠNG I : TỔNG QUAN
1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƢNG CẤT
1.1.1 Khái niệm quá trình chƣng cất
Chƣng cất là quá 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 - ngƣng tụ, trong đó vật
chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngƣợc lại. Khác với cô đặc, chƣng 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.
1.1.2 Đặc điểm của quá trình chƣng cất
Khi chƣng cất ta thu đƣợc nhiều cấu tử và thƣờng thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu
đƣợc bấy nhiêu sản phẩm.
Hỗn hợp đem chƣng cất gọi là dòng nhập liệu chứa cấu tử dễ bay hơi và cấu tử
khó bay hơi, thành phần của các cấu tử tùy thuộc vào đặc điểm của nguồn nguyên liệu.
Dòng sản phẩm thu đƣợc bằng cách bốc hơi và ngƣng tụ gọi là dòng sản phẩm
đỉnh chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi.Dòng sản phẩm
thu đƣợc ở đáy ở thiết bị gọi là dòng sản phẩm đáy chứa chủ yếu cấu tử khó bay hơi và
một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi.
Dòng hoàn lƣu là dòng ngƣng tụ ở đỉnh của thiết bị đƣợc cấp tuần hoàn trở lại
thiết bị nhằm tăng hiệu suất của quá trình chƣng cất. Ngoài ra còn làm tăng độ tinh khiết
của sản phẩm chứa chủ yếu cấu tử dễ bay hơi và một phần rất ít cấu tử khó bay hơi.
Chú ý: Dòng hoàn lƣu và dòng sản phẩm đỉnh có các thành phần cấu tử đỉnh hoàn
toàn giống nhau

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 5


1.1.3 Các phƣơng pháp chƣng cất
Phân loại theo áp suất làm việc
 Áp suất thấp
 Áp suất thƣờng
 Áp suất cao
 Nguyên tắc của phƣơng 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
Phân loại theo nguyên lý làm việc:
 Chƣng cất đơn giản (gián đoạn)
Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng trong các trƣờng 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.
 Chƣng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình
đƣợc thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.
Phân loại theo phƣơng pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
 Cấp nhiệt trực tiếp
 Cấp nhiệt gián tiếp
 Phƣơng pháp cất nhiệt ở đáy tháp thƣờng đƣợc áp dụng trƣờng hợp chất đƣợc tách
không tan trong nƣớc .

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 6

1.1.4 Cân bằng lỏng- hơi hỗn hợp 2 cấu tử
Đem đun sôi hỗn hợp 2 cấu tử A,B, trong đó A là cấu tử dễ bay hơi, B là cấu tử
khó bay hơi, thì trong pha lỏng sôi và pha hơi bão hòa đều có mặt 2 cấu tử này và luôn
tồn tại mối quan hệ cân bằng giữa nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng
xA và nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi bão hòa cân bằng với pha
lỏng y*A= f(xA) ứng với mỗi hỗn hợp lỏng gồm 2 cấu tử.
Vd: hệ etanol- nƣớc , methanol-nƣớc , nƣớc axetic… thì đều có một hàm lƣợng
biểu diễn quan hệ cân bằng với nhau. Ứng với mỗi hệ, ở mỗi nồng độ xA1, xA2,…. xAi thì
luôn tồn tại
y*

A1,

y*A2,….. y*Ai , các số liệu này thành lập 1 bảng số liệu trong hỗn hợp của

hệ chƣng cất.
1.1.5 Ứng dụng quá trình chƣng cất trong công nghiệp
Trong công nghệ sản xuất dung môi hữu cơ: benzene, toulen, silen phục vụ cho
sản xuất sơn…
Sản xuất cồn etylic để đáp ứng nhu cầu sản xuất rƣợu, nƣớc giải khát có cồn…
Chƣng cất tinh dầu từ thiên nhiên.
Trong nhiều trƣờng hợp quá trình chƣng cất là quá trình đơn giản nhất, kinh tế
nhất để tách, làm sạch tinh khiết sản phẩm.
Quá trình chƣng cất có mặt ở hầu hết các quá trình công nghiệp.
1.1.6 Thiết bị chƣng cất
Trong sản xuất thƣờng sử dụng rất nhiều loại tháp nhƣng 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 lƣu chất này vào lƣu chất kia . Tháp chƣng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng

các tháp lớn nhất thƣờng đƣợc ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thƣớc của
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 7


tháp đƣờng kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lƣợng pha lỏng, pha khí của tháp
và độ tinh khiết của sản phẩm. Ta khảo sát 2 loại tháp chƣng cất thƣờng 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
đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
 Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…
 Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đƣờng kính (3-12) mm.
Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Vật chêm đƣợc cho vào tháp theo một trong hai phƣơng pháp: xếp ngẫu nhiên hay
xếp thứ tự.
* So sánh ƣu và nhƣợc điểm của các loại tháp :
Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

Hiệu suất tƣơng đối
Ƣu điểm

Đơn giản, trở lực thấp

cao, hoạt động khá ổn

Hiệu suất cao hoạt

định, làm việc với chất

động ổn định

lỏng bẩn

Nhƣợc điểm

Hiệu suất thấp, độ ổn
định kém, thiết bị nặng

Trở lực khá cao, yêu
cầu lắp đặt khắc khe…
Lắp đĩa thật phẳng

Cấu tạo phức tạp,
trở lực lớn, không
làm việc với 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 chƣng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chƣng cất hệ Etanol - Nƣớc ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở
áp suất thƣờng, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 8


1.2 GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU
1.2.1 Etanol
 Định nghĩa (còn gọi là rƣợu etylic , cồn êtylic hay cồn thực phẩm)
- Ancol là những hợp chất hữu cơ mà trong phân tử có nhóm hydroxyl (–OH ) liên kết
trực tiếp với nguyên tử cacbon no.
- Etanol hay còn đƣợc gọi là rƣợu etylic là một ancol đơn chức no mạch hở trong phân
tử chứa một nhóm hydroxyl ( –OH ).
 Cấu tạo của Etanol
Công thức phân tử thu gọn nhất : C2H6O hoặc C2H5OH
Công thức cấu tạo:

H

H

H

C

C

H

H

O

H

 Tính chất vật lý
Rƣợu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc
trƣng, vị cay, nhẹ hơn nƣớc (khối lƣợng riêng 0,7936 g/ml ở 15 độ C)..
Hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời.
Ancol etylic tan vô hạn trong nƣớc và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este
hay aldehyde tƣơng ứng là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rƣợu với nhau
và với nƣớc.

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 9


Etanol là một dung môi linh hoạt, có thể pha trộn với nƣớc và với các dung môi
hữu cơ khác nhƣ axit axetic , axeton, benzen , cacbon tetrachlorua, cloroform , dietyl ete,
etylen glycol,…
 Tính chất hóa học
Tính chất của một rƣợu đơn chức, no, mạch hở.
o Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ
2C2H5OH + 2 Na  2 C2H5ONa + H2
o Phản ứng este hóa ( Phản ứng giữa rƣợu và acid với môi trƣờng là acid sulfuric
đặc nóng).

C2H5OH + CH3COOH

H2SO4 ,t°

CH3COOC2H5 + H2O

o Phản ứng tách nước (trong một phân tử để tạo thành olefin, trong môi trƣờng acid
sulfuric đặc ở 170 0C).
C2H5OH

H2SO4 , 170 °C

C2H4 + H2O

o Phản ứng tách nước giữa 2 phân tử rượu
C2H5OH + C2H5OH  C2H5-O-C2H5 + H2O
o Phản ứng oxi hóa
Trường hợp 1 : Trong môi trƣờng nhiệt độ cao
CH3-CH2-OH + CuO  CH3-CHO + Cu + H2O
Trường hợp 2 : có xúc tác
CH3-CH2-OH + O2  CH3-COOH + H2O
Trường hợp 3 : nhiệt độ cháy
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 10


C2H5OH + 3 O2

t°

2 CO2 + 3 H2O

o Phản ứng tạo ra butadien-1,3 (xúc tác Cu + Al2O3 tại 380-4000C).
2 C2H5OH  CH2=CH–CH=CH2 + 2 H2O + H2
o Phản ứng lên men giấm ( oxi hóa rƣợu etylic 10 độ bằng oxi không khí có mặt
men giấm ở nhiệt độ khoảng 250C).
CH3-CH2-OH + O2  CH3-COOH + H2O
 Điều chế
Etanol 94% "biến tính" đƣợc bán trong các chai lọ an toàn để sử dụng trong gia
đình-không dùng để uống, đƣợc sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công
nghệ hyđrat hóa êtylen, và theo phƣơng pháp sinh học, bằng cách lên men đƣờng hay ngũ
cốc với men rƣợu.
Hyđrat hóa etylen
Etanol đƣợc sử dụng nhƣ là nguyên liệu công nghiệp và thông thƣờng nó đƣợc
sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phƣơng pháp hyđrat hóa etylen
bằng xúc tác axít, đƣợc trình bày theo phản ứng hóa học sau.
Cho etylen hợp nƣớc ở 3000C áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là acid
wolframic hoặc acid phosphoric:
H2C=CH2 + H2O → CH3CH2OH
Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên đƣợc tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm
1930 bởi Union Carbide, nhƣng ngày nay gần nhƣ đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên đƣợc
hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra etyl sulfat,
sau đó chất này đƣợc thủy phân để tạo thành êtanol và tái tạo axít sulfuric:
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 11


H2C=CH2 + H2SO4 → CH3CH2OSO3H
CH3CH2OSO3H + H2O → CH3CH2OH + H2SO4

Lên men
Etanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng nhƣ phần lớn etanol sử dụng làm
nhiên liệu, đƣợc sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rƣợu nhất định (quan
trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đƣờng trong điều kiện không có ôxy
(gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra êtanol và cacbon điôxít CO2. Phản ứng hóa học tổng
quát có thể viết nhƣ sau:
C6H12O6 → 2 CH3CH2OH + 2 CO2
Quá trình nuôi cấy men rƣợu theo các điều kiện để sản xuất rƣợu đƣợc gọi là ủ
rƣợu. Men rƣợu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rƣợu, nhƣng nồng
độ của rƣợu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chƣng cất.
Để sản xuất êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột
Tinh bột đầu tiên phải đƣợc chuyển hóa thành đƣờng. Trong việc ủ men bia, theo
truyền thống nó đƣợc tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha.
Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để
tạo ra đƣờng.
Để sản xuất êtanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành
glucoza đƣợc thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng,
enzym nấm amylase, hay là tổ hợp của cả hai phƣơng pháp.
Về tiềm năng, glucoza để lên men thành êtanol có thể thu đƣợc từ xenluloza.

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 12


Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm
nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cƣa thành các
nguồn năng lƣợng tái sinh.
Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza

là rất cao. Hãng Iogen ở Canada đã đƣa vào vận hành xí nghiệp sản xuất êtanol trên cơ sở
xenluloza đầu tiên vào năm 2004.
Phản ứng thủy phân cellulose gồm các bƣớc.
Bƣớc 1 : Thủy phân xenluloza thành mantoza dƣới tác dụng của men amylaza.
(C6H10O5)n

men amylaza

C12H22O11

Bƣớc 2: Thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dƣới tác dụng của men
mantaza.
C12H22O11

men mantaza

C6H12O6

Bƣớc 3 : Phản ứng lên men rƣợu có xúc tác là men zima.
C6H12O6

men zima

2 C2H5OH + 2 CO2

 Ứng dụng
- Đƣợc dùng làm nguyên liệu sản xuất các hợp chất khác nhƣ: đietyl ete, axit
axetic, etyl axetat,làm dung môi pha chế vecni, dƣợc phẩm, nƣớc hoa, làm nhiên
liệu,dùng cho đèn cồn trong phòng thí nghiệm, dùng thay xăng làm nhiên liệu cho động
cơ đốt trong….

- Để điều chế các loại rƣợu uống nói riêng và các đồ uống có etanol nói chung,
ngƣời ta chỉ dùng sản phẩm của quá trình lên men rƣợu các sản phẩm nông nghiệp nhƣ:
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 13


gạo, ngô,sắn, lúa mạch, quả nho.Trong một số trƣờng hợp còn phải tinh chế loại bỏ các
chất độc hại đối với cơ thể.
1.2.2 Nƣớc
 Cấu tạo
Công thức phân tử thu gọn nhất : H2O
Công thức cấu tạo:

 Tính chất vật lý
o Là chất lỏng, không màu, không mùi , không vị nhƣng khối nƣớc dày sẽ có màu
xanh nhạt.
o Là chất duy nhất mà chúng ta gặp trên trái đất trong điều kiện tự nhiên ở trạng thái
rắn, lỏng, khí.
o Là một dung môi vạn năng, hòa tan đƣợc nhiều muối và các chất khác, hơn bất kì
một chất nào khác.
o Nƣớc hầu hết ăn mòn các kim loại và phá hoại ngay các thạch cứng nhất,khi đóng
bang nó giãn nở và do đó băng nổi trên nƣớc pha lỏng.
o Khối lƣợng phân tử : 18 g / mol
o Khối lƣợng riêng : d= 1g / ml
o Nhiệt độ nóng chảy: 00C
o Nhiệt độ sôi : 1000C
o Nƣớc là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nƣớc biển)
và rất cần thiết cho sự sống. Nƣớc là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà

tan nhiều chất và là dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học
 Tính chất hóa học
o Tác dụng với kim loại : tạo ra dung dịch bazo và khí hidro
2Na + 2H2O

2NaOH + H2

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 14


o Tác dụng với oxit bazơ :tạo dung dịch bazơ, làm quỳ tím chuyển sang mày xanh
CaO + 2H2O

Ca(OH)2

o Tác dụng với oxit axit : tạo axit tương ứng, làm quỳ tím chuyển sang đỏ.
P2O5 + 3H2O

2H3PO4

1.2.3 Hỗn hợp Etanol – Nƣớc
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol Nƣớc ở 760 mmHg.
x(%phần
mol)

0

y(%phần
mol)

0

t(oC)

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8

100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8

80

79,4

79

78,6 78,4

100
78,4

1.3 CÔNG NGHỆ CHƢNG CẤT HỆ ETANOL – NƢỚC
Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H2O, nhiệt độ sôi là 78,3 0C ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nƣớc là 1000C ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên
phƣơng pháp hiệu quả để thu etanol có độ tinh khiết cao là phƣơng pháp chƣng cất. Trong
trƣờng hợp này, ta không thể sử dụng phƣơng pháp cô đặc vì các cấu tử đều có khả năng
bay hơi, và không sử dụng phƣơng pháp trích ly cũng nhƣ phƣơng pháp hấp thụ do phải
đƣa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá trình tách
không đƣợc hoàn toàn.
o Sơ đồ qui trình công nghệ chƣng cất hệ Etanol – nƣớc:

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 15

Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 Bể chứa hỗn hợp nhập liệu
2

Bể chứa cao vị

3

Bơm

4

Lƣu lƣợng kế.

5

Thiết bị truyền nhiệt ống chùm

6

Thiết bị chƣng cất

7

Thiêt bị ngƣng tụ ống chùm

8

Nồi đun dạng kettle

9

Bể chứa sản phẩm đáy

10 Bể chứa sản phẩm đỉnh
11 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.
12 Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 16


o Thuyết minh quy trình công nghệ
Kiểm tra van : V1,V2,V8,V9,V12
Van mở : V3,V4,V5,V6,V7,V10
Hỗn hợp ethanol - nƣớc có nồng độ nhập liệu ethanol 18% (theo phần khối lƣợng),
nhiệt độ khoảng 28oC tại bình chứa nguyên liệu đƣợc bơm bơm lên bồn cao vị . Từ đó
đƣợc đƣa đến thiết bị trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy . Sau đó, hỗn hợp đƣợc gia nhiệt
đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu , rồi đƣợc đƣa vào tháp chƣng cất ở
đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng đƣợc trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi từ dƣới 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 chƣng càng xuống
dƣới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ hơi nƣớc đƣợc
cấp trực tiếp vào đáy tháp lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp,
nên khi hơi đi qua các đĩa từ dƣới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nƣớc sẽ ngƣng tụ
lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu đƣợc hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều nhất (có
nồng độ 82% phần khối lƣợng). Hơi này đi vào thiết bị ngƣng tụ và đƣợc ngƣng tụ hoàn
toàn. Một phần của chất lỏng ngƣng tụ đƣợc hoàn lƣu về tháp ở đĩa trên cùng. Phần còn

lại đƣợc làm nguội đến 400C, rồi đƣa về bình chứa sản phẩm đỉnh.
Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp đƣợc bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao
trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu đƣợc hỗn hợp lỏng hầu hết là
các cấu tử khó bay hơi (nƣớc). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ ethanol là 2,2% phần khối
lƣợng, còn lại là nƣớc. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp đi vào thiết bị trao đổi nhiệt
với dòng nhập liệu, rồi đƣợc đƣa qua bồn chứa sản phẩm đáy.

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 17


CHƢƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
o Năng suất nhập liệu : GF = 2500 (Kg/h) .
o Nồng độ phần khối lƣợng nhập liệu : x F = 18% (pkl etanol)
o Nồng độ phần khối lƣợng sản phẩm đỉnh : x D = 82% (pkl etanol )
o Nồng độ phần khối lƣợng sản phẩm đáy : x w = 2,2% (pkl etanol )
o Khối lƣợng phân tử của rƣợu và nƣớc: MR =46 , MN =18 .
 Các kí hiệu
+ F,D,W,L : suất lƣợng mol của các dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm
đáy,dòng hoàn lƣu ,đơn vị (Kmol/h ).
+ GF, GD, GW, GL: suất lƣợng khối lƣợng của dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh,
sản phẩm đáy, dòng hoàn lƣu, đơn vị (Kg/h)
+ xF, xD, xW, xL : nồng độ phẩn mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng của
các dòng , đơn vị phần khối lƣợng.
xF , xD , x

, xL : nồng độ phần khối lƣợng của cấu tử dễ bay hơi trong pha

lỏng của các dòng, đơn vị phần mol.
2.2 XÁC ĐỊNH SUẤT LƢỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM ĐÁY
Gọi: F là lƣợng nhập liệu ban đầu (phần mol)
D là lƣợng sản phẩm đỉnh (phần mol)
W là lƣợng sản phẩm đáy (phần mol)
Áp dụng cân bằng vật chất theo suất lƣợng khối lƣợng, và nồng độ phần khối lƣợng
Ta có: {

xF

xD

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

xw

Page 18


{

(

{

)

 Tính suất lượng mol của các dòng :nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

(

̅̅̅

(

̅̅̅

̅̅̅)

̅̅̅)

(

̅̅̅̅

̅̅̅̅̅)
((

(

)

(

)

(

(

(

)

)

)

)

 Tính nồng độ phần mol của các dòng : nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
Chuyển từ phần khối lƣợng sang phần mol

(

)

(

)

(

)

MF = 46.x F  (1  x F ).18 = 20,24 (Kg/Kmol).
MD = 46.x D  (1  xD ).18 = 35,92 (Kg/Kmol).
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 19


MW = 46.xW  (1  xW ).18 = 18,28 (Kg/Kmol).
2.3 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƢU THÍCH HỢP
2.3.1 Tỉ số hoàn lƣu tối thiểu
Tỉ số hoàn lƣu 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 nhƣng chi phí điều hành (nhiên liệu ,nƣớc và
bơm…) là tối thiểu .
Với xF= 0,08 tra đồ thị T-x,y ta đƣợc yF* = 0,415

Rmin=

x  y*
y*  x
D

F

F

=

F

0,64  0,415
 0,67
0,415  0,08

2.3.2 Tỉ số hoàn lƣu thích hợp
RX=1,3Rmin+0,3=1,17
2.4 PHƢƠNG TRÌNH ĐƢỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ THUYẾT
2.4.1 Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn cất
y=

R
x
1,17
0,64
.x  D =
.x 
 0,54x  0,29
R 1
R 1
1,17  1
1,17  1

2.4.2 Phƣơng trình đƣờng nồng độ làm việc của đoạn chƣng
y =

R f
f 1
1,17  8,98
8,98  1
.x 
. xW =
.x 
.0,01  4,68x  0,04
R 1

R 1
1,17  1
1,17  1

Với : f =

F 123,67

 8,98 : chỉ số nhập liệu .
D 13,77

2.4.3 Số mâm lý thuyết
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 20


100
90
80
70
duong cheo
60

W

50

D
duong thang x= xF

40

duong thang noi diem D va I

30

F

20
10
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Từ đồ thị ta có 6 mâm bao gồm:


3 mâm cất



1 mâm nhập liệu



2 mâm chƣng

Tóm lại , số mâm lý thuyết là Nlt = 6 mâm .
2.5 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ - BIỂU ĐỒ CHƢNG CẤT
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình : N tt 

N lt
η tb

Trong đó:
tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tƣơng đối và độ nhớt của
hỗn hợp lỏng :  = f(,).

Ntt: số mâm thực tế.
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 21


Nlt: số mâm lý thuyết.
 Xác định hiệu suất trung bình của tháp tb :
Độ bay tƣơng đối của cấu tử dễ bay hơi :

y* 1  x
α
1  y* x
Với : x :phần mol của rƣợu trong pha lỏng .
y* : phần mol của rƣợu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
Tại vị trí nhập liệu :
xF = 0,08 ta tra đồ thị cân bằng của hệ T-x,y ta đƣợc : y*F = 0,415
tF = 87,2oC
+ αF 

y*F 1  x F
0,415 1  0,08
.

.
 8,16
*
1  y F xF
1  0,415 0,08

+ Từ xF  18% và tF = 87,2 oC
(Tra tài liệu tham khảo [STHT và TBCNHC (tập 1) – trang 107]: F = 0,412 (cP)
Suy ra: α F .F =8,16. 0,412= 3,36
Tra tài liệu tham khảo [STHT và TBCNHC (tập 2) – trang 171] : F = 0,37
Tại vị trí mâm đáy :
xW = 0,01 ta tra đồ thị cân bằng của hệ :

y*W = 0,09
tW = 97,5 oC

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 22


+ αW 

y*W 1  x W
0,09 1  0,01
.

.
 9,79
*
1 y W xW
1  0,09 0,01

+ Từ xW  2,2% và tW = 97,5 oC ,

Tra tài liệu tham khảo [STHT và TBCNHC (tập 1) – trang 107] : W =0,294 (Cp)
Suy ra : α W . W = 9,79.0,294 = 2,88
Tra tài liệu tham khảo [STHT và TBCNHC (tập 2) – trang 171] : W = 0,38
Tại vị trí mâm đỉnh :
xD = 0,64 ta tra đồ thị cân bằng của hệ : y*D = 0,72
tD = 79,4 oC
+ αD 

y*D 1  x D
0,72 1  0,64
.

.
 1,45
*
1  y D xD
1  0,72 0,64

+ Từ xD  82% và tD = 79,4 oC ,
Tra tài liệu tham khảo [STHT và TBCNHC (tập 1) – trang 107] : D = 0,559 (cP)
Suy ra : αD . D = 1,45.0,559 = 0,81
Tra tài liệu tham khảo [STHT và TBCNHC (tập 2) – trang 171] : D = 0,51
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :

 tb =

 F  W   D
3



0,37  0,38  0,51
 0,42
3

Vậy số mâm thực tế của tháp Ntt

SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

:

Page 23


N tt 

6
 14,29(mâm)
0,42

Chọn số mâm thực tế = 15 mâm
CHƢƠNG III: TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƢNG CẤT
3.1 ĐƢỜNG KÍNH THÁP
Dt 

4Vtb
g tb
 0,0188
π.3600.ω tb

(  y .ω y ) tb

(m)

Vtb: lƣợng hơi trung bình đi trong tháp (m3/h).
tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
gtb : lƣợng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lƣợng hơi trung bình đi trong đoạn chƣng và đoạn cất khác nhau,do đó đƣờng
kính đoạn chƣng và đoạn cất cũng khác nhau .
3.1.1 Đƣờng kính đoạn cất
a. Lƣợng hơi trung bình đi trong tháp
g tb 

g d  g1
(Kg/h)
2

gd : lƣợng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (Kg/h).
g1 : lƣợng hơi đi vào đĩa dƣới cùng của đoạn cất (Kg/h).
 Xác định gd :
gd = GD.(R+1) =494,99.(1,17+1) = 1074,13 (Kg/h)
 Xác định g1 :
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 24


Từ hệ phƣơng trình
 g1  G1  GD


 g1. y1  G1.x1  GD .x D
 g .r  g .r
d d
 1 1

Với :G1 : lƣợng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r1 : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
rd : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
ra: Ẩn nhiệt hóa hơi của rƣợu etylic
rb: Ẩn nhiệt hóa hơi của nƣớc
x1= xF = 0,18 (pkl)
 Tính r1
Theo bảng I.212 trang 254 Sổ tay QTTB tập 1, ta có:
- Ở 600C: ra1= 210 (kcal/kg)
rb1= 579 (kcal/kg)
- Ở 1000C: ra2= 194 (kcal/kg)
rb2= 539 (kcal/kg)
Suy ra: Δra= ra2− ra1= 194 – 210 = −16 (kcal/kg)
SVTH : Trịnh Nguyễn Trọng Hiếu
Nguyễn Thanh Trúc

Page 25