Đồ án quá trình thiết bị Chưng cất hỗn hợp Ethanol nước bằng tháp đệm

LỜI MỞ ĐẦU
Nhu cầu về nguồn nhiên liệu, nguyên liệu và các sản phẩm hóa học trên thế giới ngày
càng tăng. Nhiệm vụ của chúng ta hiện nay không chỉ có tìm kiếm ra nguồn năng lượng
mới mà còn phải khám phá ra các phương pháp có thể tinh chế hỗn hợp nguyên liệu thành
những sản phẩm mong muốn và thân thiện với môi trường. Ngành công nghệ hóa học đóng
vai trò quan trọng và đi tiên phong trong việc thực hiện nhiệm vụ đó. Các quá trình hóa
học như chưng cất, trích li, cô đặc, sấy, kết tinh, hấp phụ… ngày càng được đổi mới và
hoàn thiện hơn nữa để đáp ứng nhu cầu sử sụng các sản phẩm hóa học chất lượng, tinh
khiết của con người và thị trường.
Mỗi phương pháp đều tiến hành với cách thức khác nhau và có ưu, nhược điểm riêng.
Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta lựa chọn phương pháp phù hợp để chưng
cất hỗn hợp ethanol – nước.
Đồ án môn học Quá trình và thiết bị là một môn học xương sống của ngành hóa học.
Môn học này tổng hợp hầu hết các kiến thức cơ bản từ Truyền nhiệt, Truyền khối, Kĩ thuật
phản ứng đến Các quá trình cơ học rồi Cơ sở thiết kế máy…, trang bị cho sinh viên chuyên
ngành Công nghệ hóa- Thực phẩm những kiến thức cơ sở để có thể thiết kế một thiết bị
hóa học cụ thể và hoàn chỉnh, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của quá trình phản ứng, chất lượng
sản phẩm, tuổi thọ cao, giá thành phù hợp và quan trọng là phải an toàn với con người và
môi trường.
Nhiệm vụ của Đồ án môn học này là thiết kế thiết tháp đệm chưng cất hỗn hợp ethanol
– nước, hoạt động liên tục ở áp suất thường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Ngọc Pha và các thầy cô trong bộ môn Quá trình
và thiết bị đã hướng dẫn tận tình trong thời gian qua. Trong quá trình hoàn thành đồ án
không khỏi xảy ra sai sót vì kinh nghiệm còn hơi non mong thầy cô góp ý, giúp đỡ thêm
cho em.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ CHƯNG CẤT ............................................................................ 1
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................. 2
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT ........................................................................................ 7

CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG................................................................................ 13
CHƯƠNG 5: VẬN TỐC HƠI VÀ ĐƯỜNG KÍNH ..................................................................... 18
CHƯƠNG 6: CHIỀU CAO THÁP ............................................................................................... 22
CHƯƠNG 7: TRỞ LỰC CỦA THÁP .......................................................................................... 23
CHƯƠNG 8: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ ............................................................................................ 26
CHƯƠNG 9: TÍNH TOÁN CHO THIẾT BỊ PHỤ ...................................................................... 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................ 54


CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ CHƯNG CẤT
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp
khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong
hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau),
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 đơn giản hệ chỉ có 2 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 thì sản phẩm đỉnh chù
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
làm việc 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.
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.

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 vaò 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 hoá dầu. Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều
cao tháp tuỳ 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.
1


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 chóp dạng:tròn ,xupap ,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 tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp
thứ tự.
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG
2.1. ETHANOL
2.1.1. Tính chất vật lý:
Ethanol (hay còn gọi là rượu ethylic, ancol ethylic, cồn) là chất lỏng, không màu, dễ
cháy, nhẹ hơn nước, tan vô hạn trong nước, hòa tan được nhiều chất như iodine, benzene,…
Thuộc tính:
Công thức phân tử: C2H6O hay C2H5OH
Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol
Tỷ trọng và pha: 0,789 g/cm3
Nhiệt độ sôi: 78,30C (ở 760 mmHg)
Nhiệt độ nóng chảy: -114,30C
Độ nhớt: 1,200 cP ở 200C

2.1.2. Tính chất hóa học:
Tất cả các phản ứng hóa học đa phần xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của ethanol
Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl
CH3CH 2OH

CH3CH 2O  H 

Hằng số phân ly của ethanol pKa=15,9 nên ethanol là chất gần như trung tính.
Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, NaH, NaNH2:
CH 3CH 2OH  NaH  CH 3CH 2ONa  H 2

2


KCH3CH2OH  K H 2O  1014 : tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của nước, nên khi muối

CH3CH2ONa tan trong nước sẽ bị phân hủy thành rượu trở lại.
Tác dụng với acid tạo ra ester: Ethanol có tính base tương đương với nước. Khi rượu
tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ tạo ra ester:
CH 3CH 2OH  HSO3OH

CH 3CH 2O  SO3 H  H 2O

CH 3CH 2OH  CH 3COOH

CH 3CO  OC2 H 5  H 2O

Phản ưng trên nhóm hydroxyl:
Tác dụng với HX: CH 3CH 2OH  HX

CH 3CH 2 X  H 2O

Tác dụng với PCl3: CH 3CH 2OH  PCl3  CH 3CH 2Cl  POCl  HCl
Al O
 C2 H 5 NH 2  H 2O
Tác dụng NH3: CH 3CH 2OH  NH 3 
t
2 3
o

Phản ứng tạo eter và tách nước:
H 2 SO4
2CH 3CH 2OH 
(CH 3CH 2 ) 2 O  H 2O
150o C
H 2 SO4
CH 3CH 2OH 
H 2C  CH 2  H 2O
150o C

200 C 300 C
Phản ứng hydro và oxy hóa: CH3CH 2OH 
 CH3CHO  H 2
o

o

2.1.3. Ứng dụng:
Ethanol được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng, y tế và dược, giao
thông vận tải, dệt, chế biến gỗ, nông nghiệp,…

Công nghiệp cao

Dung môi hữu cơ

Nhiên liệu

su tổng hợp
Thuốc súng không khói,

Rượu mùi,

nhiên liệu hỏa tiễn, bom bay

Ethanol

dấm

Thuốc sát trùng,

Thuốc trừ sâu

pha chế thuốc
Thuốc nhuộm,

Sơn, đồ nhựa,

tơ nhân tạo

keo dán,
hương liệu,…

3


2.1.4. Phương pháp điều chế:
Có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hoá etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ
phân dẫn xuất halogen và ester của ethanol khi đun nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ;
hydro hoá aldehyt acetic; từ các hợp chất cơ 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 suất etanol chủ yếu là sử dụng
chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột.
2.2. NƯỚC
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị.
Khi hóa rắn, nước có thể tồn tại ở các dạng tinh thể khác nhau.
Công thức phân tử: H2O
Phân tử lượng: 18,01528 g/mol
Khối lượng riêng: 1 kg/l (ở dạng lỏng), 917 kg/m3 (ở dạng rắn)
Nhiệt độ nóng chảy: 0oC
Nhiệt độ sôi: 100oC
Nước chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước biển) và rất cần thiết
cho sự sống của mọi sinh vật.
Nước là dung môi môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là dung môi
rất quan trọng trong ngành kỹ thuật hóa học.

2.3. ĐỒ THỊ CÂN BẰNG ETHANOL – NƯỚC
Bảng số liệu:
x

0

5,0

10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100

y

0

33,2 44,3 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100

t, oC

100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80,0 79,4 79,0 78,6 78,4 78,4

Điểm đẳng phí: x = y = 89,4 % tại t = 78,15oC

4


Hình 1: Giản đồ lý thuyết thành phần pha hơi y theo thành phần pha lỏng x

Hình 2: Giản đồ lý thuyết nhiệt độ T theo thành phần x, y
5


2.4. SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

6


CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

3.1. Số liệu ban đầu:
Năng suất nguyên liệu: 0,4 kg/s
Nồng độ nhập liệu: 31 % mol ethanol
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đỉnh tháp: 85 % mol ethanol
Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đáy tháp: 1 %
Các ký hiệu:
F , F : lần lượt là lưu lượng nhập liệu ban đầu theo kmol/h và kg/h

D, D : lần lượt là lưu lượng sản phẩm đỉnh theo kmol/h và kg/h
W ,W : lần lượt là lưu lượng sản phẩm đáy theo kmol/h và kg/h

xF , xF : lần lượt là nồng độ phần mol và nồng độ khối lượng của ethanol nhập liệu
xD , xD : lần lượt là nồng độ phần mol và nồng độ khối lượng của ethanol sản phẩm đỉnh

xW , xW : lần lượt là nồng độ phần mol và nồng độ khối lượng của ethanol sản phẩm đáy

Phương trình cân bằng vật chất:
F  D W

(1)

xF  F  xD  D  xW W

(2)

Tính khối lượng trung bình: với M1=46 (g/mol) là khối lượng mol của ethanol và M2=18
(g/mol) là khối lượng mol của nước.
M tbF  xF  M1  (1  xF )  M 2  26,68
M tbD  xD  M1  (1  xD )  M 2  41,8

M tbW  xW  M1  (1  xW )  M 2  18, 28

Lưu lượng nhập liệu theo kmol/h: F 

F
0, 4  3600

 53,97301
M tbF
M tbF

Từ (1) và (2) thế các giá trị vào ta có:
Giải hệ phương trình tìm D và W ta được:
D = 19,27608 (kmol/h)
7


W = 34,69694 (kmol/h)
3.2. Xác định chỉ số hồi lưu
3.2.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Từ điểm (0,85; 0,85) trên đường cân bằng, ta vẽ đường thẳng tiếp xúc với đường cân
bằng cắt trục tung tại điểm có tung độ là 0,28128
Ta có:

xD
 0, 28128 suy ra Rm = 2,2022
Rm  1

3.2.2. Chỉ số hồi lưu thích hợp:
Xác định chỉ số hồi lưu từ điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất (không tính đến chỉ tiêu kinh

tế vận hành). Trong trường hợp này ta cần thiết lập quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và thể tích
của tháp Rx – V
Thể tích tháp: V  f  H
f : tiết diện tháp, m2

H: chiều cao làm việc của tháp
Ta biết tiết diện tháp tỉ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ thuận
với lượng lỏng hồi lưu trong tháp. Như vậy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hồi lưu.
Tức là: f

( Rx  1)  GD

Trong một điều kiện làm việc nhất định thì GD là không đổi, nên f
8

( Rx  1)


Chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối H
V  f H

mx , nên cuối cùng ta có thể viết

mx  Rx  1

Từ đó, ta sẽ lập được sự phụ thuộc giữa Rx và mx  Rx  1 . Mối quan hệ này sẽ tìm được
một giá trị Rx mà thể tích của thiết bị chưng cất ứng với nó là tối ưu Rxth .
Cho các giá trị Rx  Rx
i

min

ta vẽ đường làm việc của hai đoạn tháp, từ đó xác định số đơn

vị truyền khối mx bằng phương pháp tích phân đồ thị theo công thức:
mx 

xD

dx

 xx

*

(3)

xW

Với x* là nồng độ cấu tử trong pha lỏng cân bằng với pha hơi.
Tìm các điểm ( y  x  xD ) , ( y  x  xW ) và đường x  xF (song song với trục tung). Cứ
mỗi giá trị Rx ta vẽ được đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn cất.
Như vậy, ứng với mỗi giá trị Rx ta có số đơn vị chuyển khối tương ứng là mx

i

i

Ta có bảng sau:
hệ số

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

Rx
2,64264
2,86286
3,08308
3,3033
3,52352
3,74374
3,96396
4,18418
4,4044
4,62462
4,84484
5,06506
5,28528
5,5055

Từ bảng trên ta tìm được R = Rth = 4,18418

9

Nlt
28
24
22
20
19
18
17
16
16
16
15
15
15
14

Nlt*(R+1)
101,9939
92,70864
89,82776
86,066
85,94688
85,38732
84,38732
82,94688

86,4704
89,99392
87,6726
90,9759
94,2792
91,077


3.3. Xác định số mâm lý thuyết và thực tế
3.3.1. Số mâm lý thuyết:
Phương trình đường làm việc:
Phương trình đường làm việc của đoạn cất: y 

x
R
x  D  0,807105 x  0,16396
R 1
R 1

Phương trình đường làm việc của đoạn chưng:
Với f 

F
R f
f 1
 2,8 suy ra y 
x
xW  1,34721x  0, 003472102
D
R 1

R 1

Từ kết quả tìm chỉ số hồi lưu, ta có số mâm lý thuyết là 16 mâm.
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Trong đó: Số mâm đoạn chưng là 3 mâm.
Số mâm đoạn cất là 13 mâm.
3.3.2. Số mâm thực tế:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: Ntt 

Nlt

tb

Với tb : hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối và độ
nhớt của hỗn hợp lỏng   f ( ,  )
10


Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi:  

y* 1  x

1  y* x

Với: x là phân mol của ethanol trong pha lỏng
y* là phân mol của ethanol trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
Tại vị trí nhập liệu:
xF  31% , suy ra yF*  0,5825 và tF = 81,61oC

F 

y* 1  x
0,5825 1  0,31



 3,1055
*
1 y
x
1  0,5825 0,31

Từ xF  0,5345 và tF = 81,61oC, dùng toán đồ I.28, trang 107, Sổ tay QTTB tập 1, ta
được F  5,64075 104 (N.s/m2) = 0,564075 (cP)
Suy ra:  F  F  1, 75173
Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, ta được  F  0, 44
Tại vị trí đáy:
xW  1% , suy ra yW*  0,09685 và tW = 98,1oC

W 

y* 1  x
0, 09685 1  0, 01



 10, 6163
*

1 y
x
1  0, 09685 0, 01

Từ xW  0, 02516 và tW = 98,1oC, dùng toán đồ I.28, trang 107, Sổ tay QTTB tập 1, ta
được W  2,89137 104 (N.s/m2) = 0,289137 (cP)
Suy ra: W W  3, 06957
Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, ta được W  0,38
Tại vị trí đỉnh:
xD  85% , suy ra yD*  0,8596 và tD = 78,5oC

D 

y* 1  x
0,8596 1  0,85



 1, 0804
*
1 y
x
1  0,8596 0,85

Từ xD  0,9354 và tD = 78,5oC, dùng toán đồ I.28, trang 107, Sổ tay QTTB tập 1, ta được
D  5,14044 104 (N.s/m2) 0,514044= (cP)

Suy ra:  D  D  0,555373
11

Tra đồ thị XI.11, trang 171, Sổ tay QTTB tập 2, ta được D  0,576
Vậy hiệu suất trung bình của tháp:
tb 

 F  W   D
3

Số mâm thực tế của tháp: Ntt 

Nlt

tb



0, 44  0,38  0,567
 0, 4623
3



16
 35 (mâm)
0, 4623

3.4. Lưu lượng các dòng pha đi trong tháp:
Gọi xtbC , xtbL lần lượt là thành phần mol trung bình trung bình trong đoạn chưng và đoạn
luyện
xtbL 

xD  xF 0,85  0, 31

 0,58
2
2

và xtbC 

xW  xF 0, 01  0,31

 0,16
2
2

Khối lượng mol trung bình ở đoạn chưng và đoạn luyện:
Đoạn luyện: M tbL  M ethanol xtbL  M nuoc 1  xtbL   34, 24 (g/mol)
Đoạn chưng: M tbC  M ethanol xtbC  M nuoc 1  xtbC   22, 48 (g/mol)
3.4.1. Lưu lượng lỏng trong đoạn chưng và đoạn luyện:
Đoạn luyện: LL  DR

M tbL
 2761, 613 (kg/h)
M tbD

Đoạn chưng: LC  DR

M tbC
 1813,115 (kg/h)
M tbD

3.4.2. Lưu lượng dòng hơi trong đoạn chưng và đoạn luyện:
Đoạn luyện: GL  D  R  1

M tbL
 3421, 625 (kg/h)
M tbD

Đoạn chưng: GC  D  R  1

M tbC
 2246, 441 (kg/h)
M tbD

12


CHƯƠNG 4: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
4.1. Cân bằng năng lượng cho tháp chưng cất:
QF  QD 2  QR  QD  QW  QXq 2  QNg 2

4.1.1. Nhiệt lượng của nhập liệu mang vào tháp: QF  FCF tF
F  0, 4  3600  1440 (kg/h)

tF = 81,61oC (Nhiệt độ vào của hỗn hợp nhập liệu lỏng sôi)
CF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu, (J.kg-1.độ-1)
Tại tF = 81,61oC, Cnuoc  4198, 2888 (J.kg-1.độ-1) và Cethanol  3245,0188 (J.kg-1.độ-1)
xF  0,31  xF  0,5345





CF  xF  Cethanol  1  xF Cnuoc  3688, 782429 (J.kg-1.K-1)

Suy ra: QF  433499809 (J/h)
4.1.2. Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra: QW  WCW tW
W  W  M tbW  34, 69694 18, 28  634, 2600632 (kg/h)

tW = 98,1oC (Nhiệt độ dòng sản phẩm đáy)
CW: nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy, (J.kg-1.độ-1)
Tại tW = 98,1oC, Cnuoc  4217,5624 (J.kg-1.độ-1) và Cethanol  3489,0915 (J.kg-1.độ-1)
xW  0, 01  xW  0, 02516





CW  xW  Cethanol  1  xW Cnuoc  4199, 231078 (J.kg-1.độ-1)

Suy ra: QW  261279967,5 (J/h)
4.1.3. Nhiệt lượng của sản phẩm đỉnh: QD  D(1  R)D
D  D  M tbD  19, 27608  41,8  805, 740144 (kg/h)

D : nhiệt lượng hơi riêng của sản phẩm đỉnh, J/kg
xD  0,85  yD  0,8597  yD  0,93995

Ở tD hoi = 78,5oC: rethanol  852561,8768 (J/kg) và rnuoc  2312481,359 (J/kg)
Cnuoc  4195,167788 (J.kg-1.độ-1) và Cethanol  3202, 616066 (J.kg-1.độ-1)

13


ethanol  rethanol  tDCethanol  1103967, 238 (J/kg)
nuoc  rnuoc  tDCnuoc  2641802,031 (J/kg)





D  yD  ethanol  1  yD nuoc  1196312, 39 (J/kg)

Suy ra: QD  4997347245 (J/h)
4.1.4. Nhiệt lượng do lượng hồi lưu mang vào tháp: QR  GRCRtR
CR = CD: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh (J.kg-1.độ-1)
tD = 78,5oC thì Cnuoc  4195,167788 (J.kg-1.độ-1) và Cethanol  3202, 616066 (J.kg-1.độ-1)
xD  0,85  xD  0,9354





CR  CD  xD Cethanol  1  xD Cnuoc  3266, 728259 (J.kg-1.độ-1)

GR  R  D  R  D  M tbD  3371,32891 (kg/h)

tR = tD = 78,5oC
Suy ra QR  GRCRtR  864537410, 4 (J/h)
4.1.5. Nhiệt của hơi đốt mang vào đáy tháp của thiết bị đun đáy tháp:
QD 2  D22  D2  r2  C2t2 

Dùng hơi nước ở áp suất 2 at, r2  2207805,815 (J/kg)
Ở áp suất 2 at, t2 = 119,6oC và C2  4248, 415425 (J.kg-1.độ-1)
Suy ra QD 2  D2  r2  C2t2   2715916,3D2
4.1.6. Nhiệt ngưng tụ của hơi nước của thiết bị đun đáy tháp:
Qng 2  Gng 2C2t2  D2C2t2  508110, 4848D2

4.1.7. Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh:
QXq 2  0,05  QD 2  0,05  D2  135795,815D2

Tính lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp:
Theo phương trình cân bằng năng lượng cho toàn tháp:
QF  QD 2  QR  QD  QW  QXq 2  QNg 2

Suy ra D2  1911, 472431 (kg/h)
14


4.2. Cân bằng nhiệt cho thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh:
Ngưng tụ hoàn toàn: D  R  1 r  GnCn  tn 2  tn1 
Với r (J/kg): ẩn nhiệt ngưng tụ. Tại tD = 78,5 ta có rethanol  852561,8768 (J/kg) và
rnuoc  2312481,359 (J/kg)





r  xD  rethanol  1  xD rnuoc  946862,896 (J/kg)

tn1 , tn 2 (oC) lần lượt là nhiệt độ nước vào và nước ra thiết bị ngưng tụ.

Chọn tn1 = 28oC và tn2 = 52oC => ttb = 40oC
Cn (J.kg-1.độ-1) là nhiệt dung riêng của nước cần làm mát cho thiết bị ngưng tụ. Tại ttb =
40oC ta có Cnuoc  4176,8348 (J.kg-1.độ-1).
Gn (kg/h) là lượng nước cần làm mát cho thiết bị ngưng tụ
Gn 

D  R  1 r
 39455,1363 (kg/h)  39, 763 (m3/h)
Cn  tn 2  tn1 

4.3. Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh:
Vì sản phẩm đỉnh đã ngưng tụ hoàn toàn trong thiết bị ngưng tụ, ta có phương trình sau:
D  CD  t1'  t2'   Gn 2Cn 2  tl 2  tl1 

Nhiệt độ sản phẩm vào thiết bị làm lạnh: t1'  78,5oC
Nhiệt độ sản phẩm ra khỏi thiết bị làm lạnh, chọn t2'  40oC
Nhiệt độ nước làm mát vào thiết bị làm lạnh, chọn tl1  28oC
Nhiệt độ nước làm mát ra khỏi thiết bị làm lạnh, chọn tl 2  42oC
Cn2 (J.kg-1.độ-1) là nhiệt dung riêng của nước làm mát cho thiết bị làm lạnh. Tại ttb =
35oC ta có Cn 2  4177, 2858 (J.kg-1.độ-1).
Gn2 (kg/h) là lượng nước cần làm mát cho thiết bị làm lạnh
Gn 2 

D  CD  t1'  t2' 
C n 2  tl 2  tl 1 

 1732, 792 (kg/h)  1, 743153 (m3/h)

15

4.4. Cân bằng nhiệt cho thiết bị tận dụng nhiệt dòng đáy để gia nhiệt dòng nhập
liệu:
Phương trình cân bằng nhiệt: QF1  QW  QF 2  QW 2
QF 1  FCF 1t F 1 : là nhiệt lượng dòng nhập liệu ở tF1 = 25oC, J/h
CF 1 là nhiệt dung riêng của dòng nhập (J.kg-1độ-1)

Tại tF1 = 25oC: Cethanol  2533,1456 (J.kg-1độ-1) và Cnuoc  4180, 0835 (J.kg-1độ-1)





 CF 1  xF  Cethanol  1  xF Cnuoc  3299,8236 (J.kg-1độ-1)

Suy ra QF 1  118793648, 7 (J/h)
QW  261279967,5 (J/h): nhiệt lượng dòng đáy ở tW = 98,1oC.

QW 2  WCW 2tW 2 : nhiệt lượng dòng đáy ra khỏi thiết bị, J/h

Chọn nhiệt độ cần làm nguội dòng đáy tW 2  45C .
Tại tW 2  45C : Cethanol  2777, 4581 (J.kg-1độ-1) và Cnuoc  4176,9814 (J.kg-1độ-1)





 CW 2  xW  Cethanol  1  xW Cnuoc  4141, 7636 (J.kg-1độ-1)

Suy ra QW 2  118212977, 6 (J/h)
QF 2  FCF 2t F 2 : nhiệt lượng dòng nhập liệu ra khỏi thiết bị, J/h
QF 2  QF 1  QW  QW 2  261860638, 7 (J/h)

Suy ra, nhiệt độ dòng nhập liệu ra khỏi đỉnh: tF 2  52, 28 (oC)
4.5. Cân bằng nhiệt cho thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu trước khi vào tháp:
Phương trình cân bằng nhiệt: QD1  QF 2  QF  Qng1  Qxq1
Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp: QD1  D11  D1  r1  C1t1  , J/h
Trong đó:
D1: lượng hơi đốt, kg/h
1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt, J/kg
t1 : nhiệt độ của nước ngưng, oC.
r1 : ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước ở nhiệt độ t1 , J/kg

16


Chọn hơi đốt 1 at  t1  99,1C , C1  (J.kg-1.độ-1) và r1  2264000 (J/kg)
Nhiệt lượng của nhập liệu từ thiết bị tận dụng nhiệt đáy vào thiết bị gia nhiệt:
QF 2  261860638, 7 (J/h)

Nhiệt lượng nhập liệu ra khỏi thiết bị gia nhiệt vào tháp chưng cất: QF  433499809 (J/h)
Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra: Qng1  Gng1C1t1  D1C1t1 , J/h
Trong đó: Gng1 là lượng nước ngưng, bằng lượng hơi đốt, kg/h
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh: Qxq1  0,05D1r1 , J/h
Giải phương trình để tìm lượng hơi đốt cần để đun nóng nhập liệu đến nhiệt độ sôi:
D1  r1  C1t1   QF 2  QF  D1C1t1  0, 05D1r1
 D1  r1  C1t1  C1t1  0, 05r1   QF  QF 2

 D1 

QF  QF 2
 79,843014 (kg/h)
0,95r1

17


CHƯƠNG 5: VẬN TỐC HƠI VÀ ĐƯỜNG KÍNH
5.1. Vận tốc hơi:
Đối với tháp đệm làm việc ở chế độ màng, ở áp suất khí quyển thường chọn vận tốc
làm việc trong khoảng 70 % - 80 % vận tốc sặc. Vận tốc sặc (thời điểm bắt đầu) được tính
theo công thức thực nghiệm:
s 2 dem  ytb   x 
 
gVdem3  xtb  n 

gVdem
 s 

0,16

3

 G
 1, 2  exp  4  x
  Gy


 G

 xtb1, 2  exp  4  x
  Gy

 
 dem  ytb  x 
 n 









0,25

0,25

  ytb 


  xtb 

 y 
 
 x 

0,125

0,125











0,16

Trong đó: s (m/s): tốc độ sặc;  dem (m2/m3): bề mặt riêng của đệm; Vdem (m3/m3): thể
tích tự do của đệm; g (m/s2): gia tốc trọng trường; Gx (kg/s): lượng lỏng trung bình; Gy
(kg/s): lượng hơi trung bình;  xtb (kg/m3),  ytb (kg/m3): lần lượt là khối lượng riêng trung
bình của pha lỏng và pha hơi
Đối với pha lỏng:

1

 xtb



atb1

 xtb1



1  atb1

 xtb 2

atb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng.

 xtb1 (kg/m3),  xtb 2 (kg/m3): lần lượt là khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và

2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình.
 ytb1M1  1  ytb1  M 2  273

Đối với pha hơi:  ytb  

22, 4  273  t 

ytb1 : nồng độ phần mol trung bình trong pha hơi của cấu tử 1,

M1, M2: lần lượt là khối lượng mol của cấu tử 1 và 2,
t (oC): nhiệt độ làm việc trung bình,
 x (N.s/m2), n (N.s/m2): lần lượt là độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và

độ nhớt của nước ở 20oC
18


5.1.1. Phần cất (luyện):
Khối lượng riêng trung bình:
Pha lỏng:

1

 xtbL



xtbL

ethanol



1  xtbL

nuoc

Từ xtbL  0,58  xtbL  0, 7792 và nhiệt độ pha lỏng txL = 79,2956oC
Tại txL = 79,2956oC, ta tra được ethanol  738,3058 (kg/m3) và nuoc  972, 2226 (kg/m3)
Thay các giá trị vào, ta tìm được:  xtbL  99, 46589 (kg/m3)
 ytbL M ethanol  1  ytbL  M nuoc  273

Pha hơi:  ytbL  

22, 4  273  t yL 

Từ xtbL  0,58 tra đường làm việc ta có ytbL  0, 63208 , tra giản đồ T-x,y của đường hơi,
ta được nhiệt độ phần hơi tyL = 81,7491oC
Thay các giá trị vào ta tìm được:  ytbL  1,226424 (kg/m3)
Độ nhớt: Tại txL = 79,2956oC và xtbL  0, 7792 tra toán đồ I.28 trang 107 Sổ tay QTTB

tập 2, được  xL  0, 000565056 (N.s/m2)
Tốc độ sặc:
LL = 2761,613 kg/h = 0,767114603 kg/s
GL = 3421,625 kg/h = 0,950451506 kg/s
Độ nhớt của nước ở 20oC: n  1,002 103 N.s/m2
Chọn đệm sứ kích thước 25x25, ta có các thông số sau:  dem  195 (m2/m3), Vdem  0, 75
(m3/m3)
 sL  1,807828206 (m/s)

5.1.2. Phần chưng:
Khối lượng riêng trung bình:
Pha lỏng:

1

 xtbC



xtbC

ethanol



1  xtbC

 nuoc

Từ xtbC  0,16  xtbC  0,3274021 và nhiệt độ pha lỏng txC = 83,6645oC

Tại txC = 83,6645oC, ta tra được ethanol  734,54851 (kg/m3) và nuoc  969, 4547 (kg/m3)
19


Thay các giá trị vào, ta tìm được:  xtbC  877,5711426 (kg/m3)
 ytbC M ethanol  1  ytbC  M nuoc  273

Pha hơi:  ytbC  

22, 4  273  t yC 

Từ xtbL  0,16 tra đường làm việc ta có ytbC  0, 212081525 , tra giản đồ T-x,y của đường
hơi, ta được tyC = 96,6747oC
Thay các giá trị vào ta tìm được:  ytbC  0,789180138 (kg/m3)
Độ nhớt: Tại txC = 83,6645oC và xtbC  0,3274021 tra toán đồ I.28 trang 107 Sổ tay
QTTB tập 2, được  xC  0,000472665 (N.s/m2)
Tốc độ sặc:
LC = 1813,115 kg/h  0,503643 kg/s
GC = 2246,441 kg/h  0, 624011386 kg/s
Độ nhớt của nước ở 20oC: n  1,002 103 N.s/m2
Với đệm sứ 25x25:  dem  195 (m2/m3), Vdem  0, 75 (m3/m3)
 sC  2,567798151 (m/s)

5.2. Đường kính tháp:
Đường kính tháp được xác định theo công thức: D 

4G

tb 

Với G: lượng hơi trung bình đi trong tháp (kg/s)
tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s). Thường lấy tb  (70  80)%  s . Ở

đây ta sẽ chọn tb  80%  s
 tbL  0,8sL  1, 446262565 (m/s)

Và tbC  0,8sC  2, 054238521 (m/s)
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao tháp và khác nhau trong mỗi đoạn
nên ta phải tính đường kính trung bình riêng cho từng đoạn: chưng và cất.

20


5.2.1. Đường kính đoạn cất (luyện):
DL 

4GL

tbL  ytbL

 0,8262 (m)

5.2.2. Đường kính đoạn chưng:
DC 

4GC

tbC  ytbC

 0, 7002 (m)

5.3. Đường kính các ống dẫn:
Đường kính ống dẫn: d 

4G



,m

Với Q: lưu lượng thể tích, m3/s;  : vận tốc, m/s; G: lưu lượng khối lượng của dòng vật
chất, kg/s;  : khối lượng riêng dòng vật chất, kg/m3.
 yM ethanol  1  y  M nuoc  273

Nếu dòng vật chất là dòng hơi:  y  
Nếu dòng vật chất là dòng lỏng:

1

x



22, 4  273  thoi 

xt

ethanol



(kg/m3)

1 x

nuoc

Ta có các giá trị đường kính ống như sau:

ống

(kg/h)

Thu sp đỉnh

4177,101127

hơi

1,449324324

16,5 0,248614614

0,25

Hồi lưu

3371,361139

lỏng

750,6397722

0,35 0,067385546

0,07

1440

lỏng

829,584612

0,45 0,036945246

0,04

Tháo sp đáy

634,2600129

lỏng

951,8127474

0,45 0,022891043

0,025

Cấp hơi đốt

1911,472431

hơi

1,107

15,5 0,198544692

0,2

lỏng/hơi

klr (kg/m3)

tốc
(m/s)

21

đường kính

đường kính

Lưu lượng

Nhập liệu

dạng

vận

Tên đường

(m)

quy chuẩn
(m)


CHƯƠNG 6: CHIỀU CAO THÁP
Tính chiều cao tháp theo số bậc thay đổi nồng độ:
Chiều cao của tháp đệm được tính theo công thức sau: H  N  htd  (0,8  1)
Trong đó:
H (m) là chiều cao toàn tháp,
N là số đĩa lý thuyết (số bậc thay đổi theo nồng độ),
(0,8 1) (m) là khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy,

htd (m) là chiều cao tương ứng của một bậc thay đổi nồng độ
1,2

V 
1
htd  200  dem   0,4
  dem  

6.1. Chiều cao đệm phần cất:
H demL  N L htdL

1,2

1,2



 Vdem 
1 
1
 0, 75 

 N L  200 

13
200


  2,837308 (m)
 


0,4
1, 44626260,4 
 195 

  dem  tbL 


6.2. Chiều cao đệm phần chưng:
H demC  NC htdC

1,2

1,2



 Vdem 
1 
1
 0, 75 

 NC  200 

3
200


  0,569014 (m)
 


0, 4
2, 05423850,4 
 195 

  dem  tbC 


6.3. Chiều cao tháp:
Chiều cao đệm: H dem  H demL  H demC  3, 406322 (m)  3,5 (m)
Chiều cao tháp: Hthap  H dem  (hday  hnap  hdem )  3,5  2,3  5,8 (m)
Với: hday: khoảng cách từ đáy đệm phần chưng đến đáy thân tháp, m; hnap: khoảng cách từ

đỉnh thân thiết bị đến đệm phần cất, m; hdem: tổng khoảng cách giữa các đệm, m

22


CHƯƠNG 7: TRỞ LỰC CỦA THÁP
Sức cản thủy học của tháp đệm đối với hệ khí – lỏng và hơi – lỏng ở điểm đảo pha có thể

G
xác định theo công thức sau: Pu  Pk 1  A  x
G

 y


m

  y 
  
  x 

n

 x

 y





c


 , N/m2



(7.1)

Trong đó:
Tổn thất áp suất của đệm khô: Pk 

2
 ' H dem  ' y  y

4



Vdem



3

2

, N/m2

(7.2)

Chiều cao lớp đệm: H, m
Tốc độ khí tính trên toàn bộ diện tích tháp:  ' y 
Re' y  0, 045 Ar

Ar 

dtd 

4Vdem

 dem

0,57

Re' y  y
dtd  y

 Gy 


 Gx 

, m/s

0,43

;

dtd 3  y   x   y  g

y2

: đường kính tương đương, m; dtd 

4  0, 75
 0, 0153846 (m)
195

 ' : hệ số trở lục của đệm, bao gồm trở lực do ma sát và trở lực cục bộ. Hệ số  ' là hàm
phụ thuộc vào Re, với các loại đệm khác nhau xác định theo công thức thực nghiệm.
Ví dụ với đệm vòng đổ lộn xộn ở chế độ xoáy khi Rey > 40:  ' 
dòng khi Rey < 40:  ' 

16
; còn ở chế độ
Re y 0,2

140
Re y

Khi Rey > 400, tổn thất áp suất của đệm khô xác định theo công thức sau:
Pk 

1,56 H  ' y1,8  y 0,8 dem1,2  y 0,2
Vdem3

Giá trị A, m, n, c cho trong bảng IX.7 trang 189, Sổ tay QTTB tập 2
Vì là hệ hơi – lỏng nên A = 5,15; m = 0,342; n = 0,19; c = 0,038

23

(7.3)