Tính toán hệ thống chưng cất mâm xuyên lỗ etanol nước

BỘ CÔNG THƢƠNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
BỘ MÔN KỸ THUẬT THỰC PHẨM

ĐỒ ÁN

THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƢNG CẤT HỖN
HỢP ETANOL - NƢỚC
Năng suất nhập liệu: 1500 kg/h
GVHD: MẠC XUÂN HÒA
SVTH:
Lê Thị Hoa

2005130331

04DHTP3

Lê Thị Ngọc Huyền

2005130350

04DHTP5

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 7 NĂM 2016


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016
Giảng viên hƣớng dẫn

2


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016
Giảng viên phản biện

3


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................... 8
LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 9
Chƣơng 1: TỔNG QUAN ...................................................................................... 10
I. Tổng quan về nguyên liệu.................................................................................... 10
1. Etanol ............................................................................................................... 10
1.1. Tính chất vật lý ............................................................................................. 10
1.2. Tính chất hóa học.......................................................................................... 10
1.3. Sản xuất ........................................................................................................ 11
1.3.1. Hydrat hóa ethanol ..................................................................................... 11
1.3.2. Lên men ..................................................................................................... 12
1.4. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm ......................................................... 12
1.5. Lí do chƣng cất ............................................................................................. 13
2. Nƣớc ................................................................................................................ 13
3. Hỗn hợp Etanol – nƣớc .................................................................................... 14

II. Lý thuyết về chƣng cất ....................................................................................... 15
2.1. Khái niệm...................................................................................................... 15
2.2. Cơ sở lý thuyết .............................................................................................. 16
2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chƣng cất ............................................ 16
2.4. Phƣơng pháp kiểm tra chất lƣợng sản phẩm ................................................ 17
2.5. Các phƣơng pháp chƣng cất ......................................................................... 17
2.6. Thiết bị chƣng cất ......................................................................................... 17
Chƣơng 2: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ THUYẾT MINH CHI TIẾT SƠ ĐỒ
NGUYÊN LÝ ......................................................................................................... 22
I. Thuyết minh quy trình công nghệ........................................................................ 22
II. Chú thích các thiết bị trong quy trình ................................................................. 23
Chƣơng 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƢỢNG ....................... 24
I. Các thông số ban đầu ........................................................................................... 24
II. Cân bằng vật chất ............................................................................................... 24

4


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

2.1. Nồng độ phần mol của etanol trong tháp ...................................................... 24
2.2. Suất lƣợng mol các dòng .............................................................................. 25
III. Xác định tỉ số hoàn lƣu thích hợp ..................................................................... 25
3.1. Tỉ số hoàn lƣu tối thiểu ................................................................................. 25
3.2. Phƣơng trình đƣờng làm việc ....................................................................... 26
3.3. Số mâm lý thuyết .......................................................................................... 26
IV. Số mâm thực tế ................................................................................................. 27
4.1. Xác định hiệu suất trung bình của tháp ....................................................... 27

4.2. Số mâm thực tế của tháp ............................................................................... 28
V. Cân bằng năng lƣợng ......................................................................................... 29
5.1. Cân bằng nhiệt lƣợng của thiết bị đun nóng dòng nhập liệu ........................ 29
5.2. Cân bằng nhiệt lƣợng của tháp chƣng cất..................................................... 31
5.3. Cân bằng nhiệt lƣợng của thiết bị ngƣng tụ.................................................. 35
5.4. Cân bằng nhiệt lƣợng của thiết bị làm nguội đỉnh........................................ 35
5.5. Cân bằng nhiệt lƣợng của nồi đun sản phẩm đáy ......................................... 37
Chƣơng 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH ......................................................... 39
I. Tính đƣờng kính tháp .......................................................................................... 39
1.1 Đƣờng kính đoạn cất...................................................................................... 39
1.2. Đƣờng kính đoạn chƣng ............................................................................... 43
II. Chiều cao của tháp ............................................................................................. 46
2.1. Chiều cao của thân tháp ................................................................................ 46
2.2. Chiều cao của đáy (nắp) ............................................................................... 47
III. Mâm lỗ - trở lực của tháp .................................................................................. 47
3.1. Cấu tạo mâm lỗ ............................................................................................. 47
3.2. Trở lực của đĩa khô ....................................................................................... 48
3.3. Trở lực do sức căng bề mặt .......................................................................... 49
3.4. Trở thủy tĩnh do chất lỏng trên đĩa tạo ra. .................................................... 50
3.5. Tổng trở lực của tháp ................................................................................... 53
IV. Kiểm tra hoạt động của mâm ............................................................................ 53

5


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

Chƣơng 5: TÍNH CƠ KHÍ ...................................................................................... 55

I. Bề dày thân tháp .................................................................................................. 55
II. Đáy và nắp thiết bị.............................................................................................. 57
III. Bích ghép thân, đáy và nắp ............................................................................... 57
IV. Đƣờng kính các ống dẫn – bích ghép các ống dẫn ........................................... 59
4.1. Ống nhập liệu ................................................................................................ 59
4.2. Ống hơi ở đỉnh tháp ...................................................................................... 60
4.3. Ống hoàn lƣu ................................................................................................ 61
4.4. Ống dẫn hơi ở đáy tháp ................................................................................. 62
4.5. Ống dẫn lỏng ra khỏi đáy tháp...................................................................... 63
V. Chân đỡ tháp và tai treo ..................................................................................... 64
5.1. Trọng lƣợng của tháp .................................................................................... 64
5.2. Chân đỡ tháp ................................................................................................. 65
VI. Kính quan sát .................................................................................................... 66
Chƣơng 6. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ .............................................................. 68
I. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu ........................................................................... 68
1.1. Quá trình truyền nhiệt ................................................................................... 68
1.2. Lƣợng nhiệt trao đổi ..................................................................................... 68
1.3. Chọn thiết bị ................................................................................................. 68
1.4. Hệ số cấp nhiệt.............................................................................................. 69
1.5. Bề mặt truyền nhiệt....................................................................................... 73
1.6. Chiều dài mỗi ống ......................................................................................... 73
II. Thiết bị ngƣng tụ sản phẩm đỉnh ........................................................................ 73
2.1. Quá trình truyền nhiệt ................................................................................... 73
2.2. Chọn thiết bị ................................................................................................. 73
2.3. Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngƣng tụ ....................................................... 74
2.4. Bề mặt truyền nhiệt....................................................................................... 77
2.5. Chiều dài ống ................................................................................................ 77
III. Thiết bị làm nguội đỉnh ..................................................................................... 78

6

Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

3.1. Quá trình truyền nhiệt ................................................................................... 78
3.2. Chọn thiết bị ................................................................................................. 78
3.3. Bề mặt truyền nhiệt....................................................................................... 79
3.4. Chiều dài ống ................................................................................................ 79
IV. Thiết bị làm nguội đáy ...................................................................................... 79
4.1. Quá trình truyền nhiệt ................................................................................... 79
4.2. Chọn thiết bị ................................................................................................. 80
4.3. Bề mặt truyền nhiệt....................................................................................... 81
4.4. Chiều dài ống ................................................................................................ 81
V. Thiết bị nồi đun .................................................................................................. 81
5.1. Quá trình truyền nhiệt ................................................................................... 81
5.2. Chọn thiết bị ................................................................................................. 82
5.3. Hệ số cấp nhiệt.............................................................................................. 82
5.4. Bề mặt truyền nhiệt....................................................................................... 84
5.5. Chiều dài mỗi ống ......................................................................................... 84
VI. Tính bồn cao vị ................................................................................................. 84
6.1. Tổn thất đƣờng ống dẫn ................................................................................ 84
6.2. Tổn thất đƣờng ống dẫn trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu .................... 87
6.3. Chiều cao bồn cao vị..................................................................................... 88
VII. Bơm ................................................................................................................. 89
7.1. Năng suất ...................................................................................................... 89
7.2. Cột áp ............................................................................................................ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 93

7


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Công nghệ thực phẩm, trƣờng Đại
học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện tốt
đồ án này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Mạc Xuân Hòa đã tận tình hƣớng
dẫn chúng em trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trƣờng Đại học Công
nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh nói chung, quý thầy cô trong Bộ môn
Kỹ thuật thực phẩm nói riêng đã dạy dỗ chúng em những kiến thức đại cƣơng cũng
nhƣ các kiến thức chuyên ngành, giúp chúng em có đƣợc cơ sở lý thuyết vững
vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng chúng em chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn tạo điều
kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên chúng em trong sốt quá trình học tập và hoàn
thành đồ án này.
Nhóm em chân thành cảm ơn!
Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm2016
Nhóm sinh viên thực hiện

8


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển cùng với nó là nhu cầu cao về độ
tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế các phƣơng pháp nâng cao độ tinh khiết luôn
luôn đƣợc cải tiến, đổi mới và ngày càng hoàn thiện hơn nhƣ là: cô đặc, hấp thu,
chƣng cất, trích ly… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta lựa chọn
phƣơng pháp thích hợp. Đối với hệ etanol-nƣớc là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta
phải dùng phƣơng pháp chƣng cất để nâng cao độ tinh khiết cho etanol.
Đồ án môn học Kỹ Thuật Thực Phẩm là một môn học mang tính tổng hợp
trong quá trình học tập của các kỹ sƣ 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 hóa 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.
Nhiệm vụ của Đồ án môn học là thiết kế thiết bị chƣng cất hỗn hợp etanol –
nƣớc với năng suất nhập liệu là 1500 kg hỗn hợp/giờ có nồng độ nhập liệu 15%
phần khối lƣợng etanol, nồng độ sản phẩm đỉnh là 90% phần khối lƣợng etanol và
nồng độ sản phẩm đáy là 2% phần khối lƣợng etanol.
Bằng sự cố gắng của bản thân và sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của giáo viên
hƣớng dẫn chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Nhƣng vì thời gian làm
đồ án có hạn nên trong quá trình làm không thể tránh đƣợc những sai sót. Vì vậy,
chúng em rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của thầy cô.
Chúng em chân thành cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016
Sinh viên thực hiện:
Lê Thị Hoa
Lê Thị Ngọc Huyền

9

Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa
Chƣơng 1: TỔNG QUAN

I. Tổng quan về nguyên liệu
1. Etanol
Etanol còn đƣợc biết đến nhƣ rƣợu etylic, ancol etylic, rƣợu ngũ cốc hay cồn,
là một hợp chất hữu cơ, nằm trong dãy đồng đẳng của rƣợu metylic, dễ cháy,
không màu, là một trong các rƣợu thông thƣờng có trong thành phần của đồ uống
chứa cồn. Trong cách nói dân dã, thông thƣờng nó đƣợc nhắc đến một cách đơn
giản là rƣợu.
Etanol là một ancol mạch thẳng, công thức hóa học của nó là C2H6O hay
C2H5OH, phân tử gam là 46,07 g/mol. Một công thức thay thế khác là CH3-CH2OH thể hiện carbon ở nhóm metyl (CH3 –) liên kết với carbon ở nhóm metylen (CH2-) , nhóm này lại liên kết với oxy của nhóm hydroxyl (- OH). Nó là đồng phân
hóa học của dimetyl ête. Etanol thƣờng đƣợc viết tắt là EtOH, sử dụng cách kí hiệu
hóa học đại diện cho nhóm etyl (C2H5) là Et.
1.1. Tính chất vật lý
Etanol 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 150C), dễ bay hơi (sôi
ở 78,390C), hóa rắn ở -114,150C, tan vô hạn trong nƣớc, tan trong ete và clorofom,
hút ẩm, dễ cháy (điểm bắt lửa là 130C), khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu
xanh da trời. Sỡ dĩ etanol tan vô hạn trong nƣớc và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so
với este hay aldehyde có khối lƣợng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết
hydro giữa các phân tử rƣợu với nhau và nƣớc.
Điểm ba trạng thái của ethanol là 150 K ở áp suất 4,3 10-4Pa.
1.2. Tính chất hóa học
Tất cả các phản ứng hóa học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là thể
hiện tính chất hóa học của nó.



Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH3-CH2-OH  CH3-CH2-O- + H+
Hằng số phân ly của ethanol: K = 10-18, cho nên etanol là chất trung tính
 Tính acid của rƣợu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri hydrua
(NaH), Natri amid (NaNH2): CH3-CH2-OH +NaH  CH3-CH2-ONa + H2. Do
10


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

KC2H5OH < KH2O = 10-14: tính acid của rƣợu nhỏ hơn tính acid của nƣớc, nên khi
muối Natri etylat tan tong nƣớc sẽ bị thủy phân thành rƣợu trở lại.
Tác dụng với acid tạo ester: rƣợu etanol có tính bazơ tƣơng đƣơng với nƣớc. Khi
rƣợu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester:
CH3-CH2-OH + HO-SO3-H  CH3-CH2O-SO3-H + H2O
CH3-CH2-OH + HO-CO-CH3  CH3-COO-C2H5 + H2O


Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
 Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX  CH3-CH2-X + H2O
 Tác dụng với Triclo phosphor:
CH3-CH2-OH + PCl3  CH3-CH2-Cl + POCl + HCl
Al2O3
 Tác dụng với NH3: CH3-CH2-OH + NH3
C2H5-NH2 + H2O
0

t
 Phản ứng tạo eter và tách loại nƣớc:
2CH3-CH2-OH

CH3-CH2-OH


H2SO4
>1500C
H2SO4

>1500C

(CH3-CH2)2O + H2O

CH2=CH2 + H2O

Phản ứng hydro và oxy hóa:CH3-CH2-OH

Cu
200-3000C

CH3-CHO + H2

1.3. Sản xuất
Etanol đƣợc sản xuất bằng cả công nghiệp hóa dầu, thông qua công nghệ
hydrat hóa etylen và theo phƣơng pháp sinh học, bằng cách lên men đƣờng hay ngũ
cốc với men rƣợu.
1.3.1. Hydrat hóa ethanol
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 hydrat
hóa etylen bằng xúc tác axit, 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 axit wolframic hoặc axit
phosphoric:
H2C=CH2 + H2O CH3CH2OH
Chất xúc tác thông thƣờng là axit phosphoric, đƣợc hút bám trong các chất có
độ xốp cao chẳng hạn nhƣ điatomit (đất chứa tảo cát) hay than củi, chất xúc tác này
11


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

lần đầu tiên đƣợc công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất ethanol ở mức công
nghiệp năm 1947.
1.3.2. Lên men
Etanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng nhƣ phần lớn etanol sử dụng
làm nhiên liệu, đƣợc sử dụng bằng cách lên men: khi một số loài men rƣợu nhất
định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đƣờng trong điều
kiện yếm khí, chúng sản xuất ra ethanol và CO2.
C6H12O6  2CH3CH2OH +2CO2 + 28 Kcal
Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và nƣớc
5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxerin, acid sucxinic,
metylic và các acid hữu cơ…
Quá trình nuối 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.
1.4. Ứng dụng trong công nghệ thực phẩm
Etanol đƣợc sử dụng để sản xuất các chất nhƣ etyl este, dấm, etylamin



Etyl este
Trong sự hiện diện của chất xúc tác axit (thông thƣờng là axit sulfuric) etanol
phản ứng với các axit cacboxylic để tạo ra etyl este
CH3CH2OH + RCOOH → RCOOCH2CH3 + H2O
Một vài loại etyl este đƣợc ứng dụng tạo mùi hoa quả nhân tạo.


Dấm
Dấm là dung dịch loãng của axit acetic đƣợc điều chế bằng phản ứng của vi
khuẩn Acetobacter trên dung dịch etanol. Mặc dù theo truyền thống ngƣời ta điều
chế dấm từ các đồ uống chứa cồn nhƣ rƣợu vang, rƣợu táo và bia nhƣng dấm cũng
có thể điều chế từ các dung dịch etanol công nghiệp. Dấm điều chế từ etanol chƣng
cất đƣợc gọi là “dấm chƣng cất” và nó đƣợc sử dụng phổ biến trong ngâm dấm
thực phẩm hay làm gia vị.


Etylamin

12


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

Khi nung nóng tới 150 – 2200C trên chất xúc tác niken gốc silica- hay alminaetanol và amoniac phản ứng với nhau để tạo ra etylamin. Các phản ứng tiếp theo
tạo ra dietylamin và trietylamin:
CH3CH2OH + NH3 → CH3CH2NH2 + H2O

CH3CH2OH + CH3CH2NH2 → (CH3CH2)2NH + H2O
CH3CH2OH + (CH3CH2)2NH → (CH3CH2)3N + H2O
Các etylamin đƣợc sử dụng trong việc tổng hợp các chất hoạt tính bề mặt.
1.5. Lí do chƣng cất
Lí do chƣng cất hỗn hợp etanol- nƣớc: nhằm mục đích khai thác và nâng cao
nồng độ cấu tử etanol trong hỗn hợp. Chẳng hạn nhƣ trong sản xuất etanol, dịch sau
khi lên men có nồng độ etanol tƣơng đối thấp (tùy vào chủng nấm men, thông số kỹ
thuật cũng nhƣ phƣơng pháp lên men, nồng độ etanol có thể đạt giá trị khác nhau).
Do đó để thu hồi etanol có nồng độ cao ngƣời ta thực hiện quá trình chƣng cất.
Tƣơng tự trong sản xuất các loại rƣợu có nồng độ cao nhƣ whisky hay cognac, để
nâng cao nồng độ etanol đạt giá trị nhƣ mong muốn, quá trình chƣng cất cũng đƣợc
áp dụng.
Ngoài ra chƣng cất còn có mục đích hoàn thiện. Ví dụ nhƣ trong sản xuất
etanol dịch sau lên men chứa khá nhiều các tạp chất dễ bay hơi nhƣ aldehyde,
ketone, rƣợu bậc cao,… Chúng là sản phẩm phụ của quá trình lên men. Trong quá
trình chƣng cất ngƣời ta sẽ tách các tạp chất này để làm tăng độ tinh sạch của
etanol thành phẩm.
2. Nƣớc
Nƣớc là hợp chất hóa học của hydro và oxy, có công thức hóa học là H2O .
Với các tính chất hóa lý đặc biệt (ví dụ nhƣ tính lƣỡng cực, liên kết hydro và tính
bất thƣờng của khối lƣợng riêng) nƣớc là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành
khoa học và đời sống. 70% diện tích của Trái Đất đƣợc nƣớc che phủ nhƣng chỉ
0,3% tổng lƣợng nƣớc trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng
làm nƣớc uống.
Trong điều kiện bình thƣờng, nƣớc là chất lỏng không màu, không mùi,
không vị nhƣng nếu khối nƣớc dày sẽ có màu xanh nhạt.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
Khối lƣợng phân tử
Khối lƣợng riêng

: 18 g/mol
: 1 g/ml
13


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

Nhiệt độ nóng chảy
: 00 C
Nhiệt độ sôi
: 1000C
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.
3. Hỗn hợp Etanol – nƣớc
Tính hòa tan của etanol với nƣớc trái ngƣợc với tính không thể trộn lẫn của
các chất cồn có chuỗi dài hơn (có từ 5 nguyên tử cácbon trở lên), tính chất không
thể trộn lẫn này giảm mạnh khi số nguyên tử cacbon tăng
Hỗn hợp etanol-nƣớc có thể tích nhỏ hơn tổng thể tích thành phần với một tỷ
lệ nhất định. Khi trộn lẫn cùng một lƣợng etanol và nƣớc chỉ tạo thành 1,92 thể tích
hỗn hợp. Hỗn hợp etanol và nƣớc có tính tỏa nhiệt với lƣợng nhiệt lên đến
777 J/mol ở nhiệt độ 298 K (250C).
Hỗn hợp etanol và nƣớc tạo thành một azeotrope với tỉ lệ mol 89% etanol và
11% mol nƣớc hay một hỗn hợp 96% thể tích etanol và 4% nƣớc ở áp suất bình
thƣờng và nhiệt độ 351 K. Thành phần azeotropic này phụ thuộc rất lớn vào nhiệt
độ và áp suất và biến mất ở nhiệt độ dƣới 3030K.
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol
– Nƣớc ở 760 mmHg
X

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

33,2

44,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9

75,3

81,8

89,9

100

100

90,5

86,5

83,2

81,7

80,8

80

79,4

79

78,6

78,4

78,4

(%phân
mol)
y
(%phân
mol)
t (0C)

14


y%mol

Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

Hệ Etanol- Nước

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10

x%mol

0
0

20

40

60

80

100

II. Lý thuyết về chƣng cất
2.1. Khái niệm
Chƣng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu

tử riêng biệt, 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.
Trong trƣờng hợp đơn giản nhất, chƣng cất và cô đặc không khác gì nhau,
tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chƣng
cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai
pha nhƣng với tỉ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay
hơi còn chất tan thì không.
Khi chƣng cất ta thu đƣợc nhiều cấu tử và thƣờng thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu
đƣợc bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu đƣợc 2 sản
phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ) và
một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn), sản phẩm đáy chủ yếu
gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.

15


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

2.2. Cơ sở lý thuyết
Cơ sở lý thuyết: dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt
độ sôi khác nhau ở cùng áp suất). Hơi của những chất lỏng đó ở nhiệt đô khác nhau
có áp suất riêng phần khác nhau, hơi chất lỏng nào có áp suất riêng phần lớn thì
chất lỏng đó sôi ở nhiệt độ thấp hơn và dễ bay hơi hơn. Nhƣ ở áp suất thƣờng nhiệt
độ sôi của etanol nguyên chất là 78,30C và nƣớc là 1000C do đó rƣợu dễ bạy hơi
hơn nƣớc.
2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chƣng cất
Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình chƣng cất:
 Nguyên liệu: trong quá trình chƣng cất nồng độ các cấu tử trong hỗn hợp

ban đầu là yếu tố cần quan tâm. Nồng độ các cấu tử cần tinh sạch càng
thấp, quá trình chƣng cất sẽ diễn ra càng phức tạp, năng lƣợng càng lớn.
 Sự chênh lệch nhiệt độ sôi giữa các cấu tử: sự chênh lệch nhiệt độ sôi
của các cấu tử trong hỗn hợp càng lớn, quá trình chƣng cất thực hiện
càng dễ dàng.
 Các tính chất về nhiệt động của nguyên liệu: độ nhớt, nhiệt dung riêng,
khả năng dẫn nhiệt, nhiệt hóa hơi,… đều có ảnh hƣởng đến quá trình
chƣng cất.
 Các thông số công nghệ nhƣ nhiệt độ, áp suất,…Tùy theo phƣơng pháp
thực hiện quá trình chƣng cất mà các thông số công nghệ có ảnh hƣởng
khác nhau. Trong chƣng cất, tùy theo tính chất của hỗn hợp các chất cần
tách và độ phân tách, cũng nhƣ tính kinh tế mà có nhiều yếu tố ảnh
hƣởng đến quá trình này nhƣng trong đó có một vài yếu tố quan trọng
không thể thiếu. Tỷ số hoàn lƣu là tỷ lệ giữa lƣợng sản phẩm hoàn lƣu và
lƣợng sản phẩm đỉnh, thƣờng đƣợc ký hiệu là R. Tỷ số hoàn lƣu để thiết
kế tháp chƣng cất là tỷ số hoàn lƣu ứng với chi phí thấp nhất, gọi là tỷ số
hoàn lƣu tối ƣu. Cân bằng lỏng - hơi của hỗn hợp các cấu tử có trong
tháp: khoảng cách giữa đƣờng cân bằng lỏng - hơi và đƣờng 450 thể hiện
sự sai biệt giữa thành phần pha lỏng và pha hơi càng lớn, quá trình phân
riêng càng dễ thực hiện. Khi áp suất tăng, đƣờng cân bằng lỏng - hơi thu
hẹp lại, nhiệt độ sôi cao hơn, độ bay hơi tƣơng đối hay mức độ phân
riêng giảm. Ngoài ra, các yếu tố nhƣ độ bay hơi tƣơng đối của các cấu
tử, số mâm, khoảng cách giữa các mâm, vị trí cũng nhƣ lƣu lƣợng dòng

16


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

nhập liệu, sự hình thành hỗn hợp đẳng phí, việc lựa chọn thiết bị gia
nhiệt và thiết bị ngƣng tụ cũng không kém phần quan trọng.
2.4. Phƣơng pháp kiểm tra chất lƣợng sản phẩm
Để đánh giá mức độ tinh khiết của sản phẩm sau chƣng cất ta xác định thông
qua việc xác định hằng số vật lí nhƣ nhiệt độ sôi, tỷ trọng và chỉ số khúc xạ (chiết
suất). Từ đó đi đến kết luận về độ tinh khiết của sản phẩm.
2.5. Các phƣơng pháp chƣng cất
Các phƣơng pháp chƣng cất đƣợc phân loại theo: áp suất làm việc, nguyên
lý làm việc, phƣơng pháp cấp nhiệt ở đáy tháp.


Áp suất làm việc: chƣng cất áp suất thấp, áp suất thƣờng và 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.
 Nguyên lý làm việc: chƣng cất đơn giản, chƣng bằng hơi nƣớc trực tiếp,
chƣng cất đa cấu tử.
Chƣng cất đơn giản: phƣơng pháp này dƣợc 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 hợp chất không bay hơi.
 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
 Phƣơng pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp và cấp nhiệt gián tiếp
bằng hơi nƣớc; nhiệt trực tiếp bằng hơi nƣớc thƣờng đƣợc áp dụng cho trƣờng hợp
chất đƣợc tách không tan trong nƣớc.
2.6. Thiết bị chƣng cất
Trong sản xuất thƣờng sử dụng rất nhiều loại tháp nhƣng chúng đều có một
số yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phải 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 hóa dầu. Kích cỡ của tháp: đƣờng
kính tháp và chiều cao tháp tùy thuộc suất lƣợng pha lỏng, pha khí của tháp và độ
17


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

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 đƣợc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo cảu đĩa, ta có:
 Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.

Chú giải:
1 -ống hơi bay ra

5- ống hơi vào

2- ống hoàn lƣu

6- ống lỏng ra

3- phần cất

7- mâm

4- phần chƣng

8- Ống nhập
liệu

Nguyên lý hoạt động:
Hỗn hợp nhập liệu đƣợc đƣa vào tháp qua ống nhập liệu 8, trong tháp chƣng
cất pha lỏng và hơi tiếp xúc với nhau trên mâm dẫn đến cấu tử nhẹ bị lôi cuốn lên
trên đỉnh, còn cấu tử nặng thì chảy xuống đáy theo ống chảy chuyền
Tại đáy tháp, hỗn hợp lỏng đƣợc tháo ra qua ống 6, một phần đƣợc lấy làm
sản phẩm đáy, phần còn lại qua nồi đun đáy tháp hóa hơi và quay lại tháp chƣng cất
qua ống 5.
Tại đỉnh tháp, hơi ra khỏi tháp qua ống 1 rồi đi vào thiết bị ngƣng tụ thành
lỏng – sôi. Một phần đƣợc lấy làm sản phẩm đỉnh, phần còn lại hoàn lƣu lại tháp
qua ống hoàn lƣu 2.
 Tháp mâm chóp: trên mâm có bố trí các chóp dạng: tròn, xupap, chữ S...

18


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

Chú giải:
1-Ống hơi bay ra

5- Ống hơi vào

2- Ống hoàn lƣu

6- Ống lỏng ra

3- Phần cất

7- Mâm

4- Phần chƣng

8- Ống nhập liệu

Nguyên lý hoạt động
Tƣơng tự mâm xuyên lỗ, khác ở chỗ hơi đi từ dƣới lên qua chóp và tiếp xúc
với dòng lỏng làm bốc hơi cấu tử nhẹ.
 Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng

Chú giải:
1-Ống hơi ra

6- Ống lỏng ra

2- Ống hoàn lƣu

7- Lƣới đỡ đệm

3- Ống phân phối

8- Dòng nhập liệu vào
lỏng hoàn lƣu

4- Tầng đệm

9- Đĩa phân phối lỏng

5- Ống hơi vào

 Mặt bích hay mối hàn. Vật chêm đƣợc cho vào tháp theo một trong hai
phƣơng pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Nguyên lý hoạt động

19


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

Tƣơng tự mâm xuyên lỗ, khác ở chỗ quá trình truyền khối xảy ra trên bề mặt
vật liệu chêm.
So sánh ƣu và nhƣợc điểm của các loại tháp:
Tháp chêm
- Cấu tạo khá đơn
giản, giá thành thấp.
Ƣu điểm

- Trở lực thấp.

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

- Trở lực tƣơng đối
thấp (thấp hơn tháp
mâm chóp)

- Hoạt động ổn
định.

- Hiệu suất tƣơng
đối cao.

- Ít tiêu hao năng
lƣợng.

- Hiệu suất cao

- Chế tạo đơn giản,ít
tốn kim loại, giá
thành rẻ.
- Vệ sinh dễ dàng
- Do có hiệu ứng
thành nên hiệu suất
truyền khối thấp.
Nhƣợc điểm

- Độ ổn định thấp,
khó vận hành.

- Yêu cầu lắp đặt

khắt khe  lắp đĩa
thật phẳng.

- Cấu tạo phức tạp,
giá thành cao hơn
mâm xuyên lỗ.
- Trở lực lớn.

- Khó tăng năng suất.
- Thiết bị nặng
 Qua quá trình tìm hiểu về nguyên liệu, quá trình chƣng cất và các thiết bị
chúng tôi đi tới quyết định chọn thiết bị cho quá trình chƣng cất hỗn hợp
etanol- nƣớc là thiết bị chƣng cất tháp mâm xuyên lỗ vì thiết bị đó có những
ƣu điểm sau:
 Chế tạo đơn giản, giá thành rẻ.
 Trở lực tƣơng đối thấp (thấp hơn tháp mâm chóp).
 Hiệu suất tƣơng đối cao.
 Vệ sinh dễ dàng.
20


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

 Năng suất cao hơn tháp mâm chóp.
Bên cạnh đó, phƣơng pháp chƣng cất sẽ là chƣng cất liên tục, cấp nhiệt gián
tiếp bằng nồi đun ở áp suất thƣờng. Nhằm tiết kiệm thời gian, tạo năng suất cao do
hoạt động liên tục và nồng độ sản phẩm đỉnh không đổi theo thời gian.

21


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

Chƣơng 2: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
VÀ THUYẾT MINH CHI TIẾT SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
I. Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp etanol – nƣớc có nồng độ etanol 15% (phần khối lƣợng etanol),
nhiệt độ khoảng 280C tại bồn chứa nguyên liệu (1) đƣợc bơm (2) bơm lên bồn cao
vị (3). Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị đƣợc khống chế nhờ ống chảy tràn.
Sau đó, hỗn hợp đƣợc đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt (4), hỗn hợp
đƣợc đƣa vào tháp chƣng cất (5) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng đƣợc trộn vơi phần lỏng từ đoạn cất 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 dộng trong phần
chƣng, càng xuống dƣới càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi
tạo nên tạo nên từ nồi đun (9) 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 etanol
chiếm nhiều nhất (có nồng độ 90% phần khối lƣợng). Hơi này đi vào thiết bị ngƣng
tụ (6) và đƣợc ngƣng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngƣng tụ đi qua thiết bị làm
nguội sản phẩm đỉnh (7), đƣợc làm nguội đến 350C, rồi đƣợc đƣa qua bồn chứa sản
phẩm đỉnh (8). Phần còn lại của chất lỏng ngƣng tụ đƣợc hoàn lƣu về tháp ở mâm
trên cùng với tỉ số hoàn lƣu tối ƣu. 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 hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (nƣớc). hỗn hợp
lỏng ở đáy có nồng độ etanol 2% phần khối lƣợng, còn lại là nƣớc. Dung dịch lỏng

ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (9). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ
bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun
đƣợc làm nguội bằng thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (10). Sau đó dƣợc dẫn vào
bồn chứa sản phẩm đáy (11). Nƣớc ngƣng của các thiết bị gia nhiệt đƣớc tháo qua
thiết bị tháo nƣớc ngƣng-bẫy hơi (14).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau
khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt là 600C đƣợc thải bỏ.

22


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

II. Chú thích các thiết bị trong quy trình
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.

Bồn chứa nguyên liệu

Bơm
Bồn cao vị
Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Tháp chƣng cất
Thiết bị ngƣng tụ sản phẩm đỉnh
Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
Bể chứa sản phẩm đỉnh
Nồi đun kattle
Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Bể chứa sản phẩm đáy
Phân phối lỏng

23


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

Chƣơng 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƢỢNG
I. Các thông số ban đầu
Chọn loại tháp mâm xuyên lỗ. Thiết bị hoạt động liên tục.
Khi chƣng cất hỗn hợp etanol- nƣớc thì cấu tử dễ bay hơi là etanol.
Hỗn hợp:
 Etanol: C2H5OH, MR= 46 (g/mol)
 Nƣớc: H2O, MN= 18 (g/mol)
 Năng suất nhập liệu: GF= 1500kg/h
 Nồng độ nhập liệu: ̅̅̅ =15% phần khối lƣợng etanol
 Nồng độ sản phẩm đỉnh: ̅̅̅= 90% phần khối lƣợng etanol
 Nồng độ sản phẩm đáy: ̅̅̅̅= 2% phần khối lƣợng etanol

Chọn:
 Nhiệt độ nhập liệu ban đầu: tf = 280C
 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : tD = 350C
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tV = 350C
 Trạng thái nhập liệu vào tháp chƣng cất là trạng thái lỏng sôi
II. Cân bằng vật chất
2.1. Nồng độ phần mol của etanol trong tháp
̅̅̅̅
̅̅̅̅

(

̅̅̅̅)

(

(

= 0,0646 (theo phần mol)

)

̅̅̅̅
̅̅̅̅

(

̅̅̅̅)

̅̅̅̅

̅̅̅̅
(

̅̅̅̅)

= 0,779 (theo phần mol)

)

(

)

= 0,00792 (theo phần

mol)

24


Đồ án Kỹ thuật thực phẩm

GVHD: Mạc Xuân Hòa

 Khối lƣợng phân tử trung bình dòng nhập liệu:
(

)

= 46.0,0646 + (1  0,0646).18  19,809

(kg/kmol)
 Khối lƣợng trung bình dòng sản phẩm đáy, đỉnh:
(

)

 46. 0,00792  (10,00792).18  18,222

(kg/kmol)
(



)

 46.0,779  (10,779).18  39,812

(kg/kmol)
Suy ra:
2.2. Suất lƣợng mol các dòng
Ta có:
Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F  D  W

(1)

Cân bằng cấu tử etanol (cấu tử nhẹ): F.

(2)

Từ (1) và (2) ta có:{
Suy ra: D  5,566 kmol/h
và

W  70,157 kmol/h

III. Xác định tỉ số hoàn lƣu thích hợp
3.1. Tỉ số hoàn lƣu tối thiểu
Dựa vào bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp
etanol – nƣớc ở 760mmHg tiến hành nội suy, ta có
(

(phần mol),

).

Tỉ số hoàn lƣu tối thiểu tra công thức IX.24 trang 158, [2] ta có:

Tỉ số hoàn lƣu làm việc tra công thức IX.25b trang 159, [2] ta có:
25