Thiết kế hệ thống tháp đệm dùng để chưng cất hỗn hợp Aceton Etanol

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ hóa học cũng như các sản phẩm khác của nó có ảnh hưởng rất
lớn đến nhiều ngành sản xuất khác. Trong đó acetone và ethanol là những sản
phẩm khá được quan tâm. Trong công nghiệp, hai chất này thường được sản
xuất để có được nồng độ cao, nhằm thỏa mãn nhu cầu sử dụng và tiết kiệm chi
phí vận chuyển, lưu trữ.
Ngày nay, các phương pháp được dùng để nâng cao độ tin khiết: trích ly,
chưng cất, cô đặc, hấp phụ… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có
sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ acetone-ethanol là gồm hai cấu
tử hòa tan lẫn hoàn toàn, nên ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ
tinh khiết cho sản phẩm.
Nhiệm vụ của đề tài này là tính toán thiết kế hệ thống tháp đệm dùng để
chưng cất hỗn hợp acetone và ethanol có năng suất theo sản phẩm đáy là
3500kg/h, thành phần phần mol acetone trong dòng nhập liệu là 25%, sản phẩm
đáy có 95% lượng ethanol và sản phẩm đỉnh có thành phần acetone chiếm 98%
khối lượng.
Đồ án môn học này được thầy Lê Văn Nhiều trực tiếp hướng dẫn thực hiện,
em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và giúp đỡ của thầy trong suốt quá
trình em nghiên cứu và thực hiện đồ án.

1


MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 1
MỤC LỤC ........................................................................................................... 2
PHẦN 1: TỔNG QUAN ..................................................................................... 6
1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT .............................................................. 6

1.1.1 Sơ bộ về quá trình chưng cất ............................................................... 6
1.1.2 Thiết bị chưng cất ................................................................................ 6
1.2 SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU ................................................................ 7
1.2.1 Acetone ................................................................................................ 7
1.2.2 Ethanol ................................................................................................. 8
1.2.3 Hỗn hợp acetone – ethanol .................................................................. 8
PHẦN 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ............................................................. 10
2.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ................................................................................ 10
2.2 QUY TRÌNH CHƯNG CẤT ................................................................... 11
PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH ...................................................... 11
3.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT ........................................................................ 12
3.1.1 Quy ước ............................................................................................. 12
3.1.2 các thông số ban đầu .......................................................................... 12
3.1.3 Xác định suất lượng dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
.................................................................................................................... 13
3.2 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP ....................................... 13
3.2.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu ...................................................................... 14
3.2.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp .................................................................... 15
3.3 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM THỰC TẾ...... 17
3.3.1 Phương trình đường làm việc đoạn cất .............................................. 17
3.3.2 Phương trình làm việc đoạn chưng .................................................... 17
3.3.3 Số mâm lý thuyết ............................................................................... 18
3.3.3 Số mâm thực tế .................................................................................. 19
3.3.3.1 Xác định hiệu suất trung bình của tháp ..................................... 19
3.3.3.2 Số mâm thực tế .......................................................................... 21
3.4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ................................................................. 21
2


3.4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:................. 22

3.4.1.1 Tính CF, Cf ................................................................................. 22
3.4.1.2 Tính r1 ........................................................................................ 23
3.4.1.3 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào .............................................. 23
3.4.1.4 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào ..................................... 23
3.4.1.5 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra ........................................ 24
3.4.1.6 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị .................... 24
3.4.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất.......................................... 24
3.4.2.1 Lượng nhiệt do lượng lỏng hồi lưu mang vào ........................... 25
3.4.2.2 Nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp ............................. 25
3.4.2.3 Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra:..................................... 26
3.4.2.4 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị đun (kettle) 26
3.4.2.5 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường xung quanh ........................ 27
3.4.2.6 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp ...................................... 27
3.4.2.7 Lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung dịch đáy tháp ............ 27
3.4.3 Cân bằng năng lượng cho thiết bị ngưng tụ ...................................... 27
3.4.4 Cân bằng năng lượng cho thiết bị làm nguội ..................................... 28
3.4.4.1 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh ............................................... 28
3.4.4.2 Thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy................................................. 29
3.5 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP ĐỆM ........................................................ 29
3.5.1 Đường kính đoạn cất.......................................................................... 30
3.5.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn cất .................................... 30
3.5.1.2 Khối lượng riêng trung bình ...................................................... 32
3.5.1.3 Tốc độ hơi đi trong tháp ............................................................ 34
3.5.2 Đường kính đoạn chưng .................................................................... 36
3.5.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng ............................... 36
3.5.2.2 Khối lượng riêng trung bình ...................................................... 37
3.5.2.3 Tốc độ hơi đi trong tháp ............................................................ 39
3.6 TÍNH CHIỀU CAO THÁP ĐỆM ............................................................ 41
3.6.1 Tính chiều cao đoạn cất ..................................................................... 41
3.6.1.1 Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối ............................. 41

3


3.6.1.2 Tính số đơn vị chuyển khối my.................................................. 47
3.6.2 Tính chiều cao đoạn chưng ................................................................ 48
3.6.2.1 Tính chiều cao một đơn vị chuyển khối ở đoạn chưng h1, h2 ... 49
3.6.2.2 Tính số đơn vị chuyển khối my.................................................. 53
3.6.3 Chiều cao của thân tháp ..................................................................... 54
3.7 TRỞ LỰC CỦA THÁP ĐỆM.................................................................. 55
3.7.1 Trở lực của đoạn cất .......................................................................... 56
3.7.2 Trở lực của đoạn chưng ..................................................................... 57
3.7.3 Trở lực toàn tháp................................................................................ 58
3.8 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ LỰA CHỌN ................................................. 58
3.8.1 Tính các đường ống dẫn .................................................................... 58
3.8.1.1 Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh .................................. 59
3.8.1.2 Tính đường kính ống hồi lưu sản phẩm đỉnh ............................ 59
3.8.1.3 Tính đường kính ống dẫn liệu ................................................... 60
3.8.1.4 Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đáy ................................... 60
3.8.1.5 Tính đường kính ống hồi lưu sản phẩm đáy.............................. 61
3.8.2 Tính bề dày thân tháp ........................................................................ 61
3.8.2.1 Chiều dày thiết bị ...................................................................... 63
3.8.2.2 Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử ............................................ 64
3.8.3 Tính đáy và nắp thiết bị ..................................................................... 64
3.8.3.1 Chiều dày nắp ............................................................................ 65
3.8.3.2 Chiều dày đáy ............................................................................ 66
3.8.4 Tra bích .............................................................................................. 67
3.8.5 Lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm................................................................. 69
3.9 TÍNH TAI TREO, TRỤ ĐỠ CHO THÁP ............................................... 69
3.9.1 Tải trọng của tháp .............................................................................. 69
3.9.1.1 Tính khối lượng thân tháp ......................................................... 69

3.9.1.2 Tính khối lượng đệm ................................................................. 71
3.9.1.3 Tính khối lượng dung dịch trong tháp ....................................... 71
3.9.2 Tính tai treo........................................................................................ 72
3.9.3 Tính chân đỡ ...................................................................................... 73
PHẦN 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ ........................................................... 73
4


4.1 TÍNH CHIỀU CAO BỒN CAO .............................................................. 73
4.2 TÍNH BƠM .............................................................................................. 75
PHẦN 5: AN TOÀN LAO ĐỘNG ................................................................... 76
5.1 PHÒNG CHỐNG CHÁY NỔ ................................................................. 76
5.1.1 Những nguyên nhân gây cháy trực tiếp ............................................. 77
5.1.2 Các biện pháp phòng chống cháy nổ ................................................. 78
5.2 AN TOÀN ĐIỆN ..................................................................................... 80
5.2.1 Các nguyên nhân gây ra tai nạn điện ................................................. 80
5.2.2 Các biện pháp kỹ thuật để phòng tránh tai nạn điện.......................... 80
PHẦN 6: KẾT LUẬN ....................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 82

HÌNH ẢNH
Hình 1.1: đồ thị cân bằng lỏng hơi của acetone và ethanol.................................9
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống chưng cất..................................................................10
Hình 3.1: đồ thị cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp.............................................14
Hình 3.2: đồ thị biểu diễn nhiệt độ sôi hỗn hợp theo phần mol ethanol.............15
Hình 3.3: đồ thị biểu diễn quan hệ R và Nlt*(R+1)............................................17
Hình 3.4: đồ thị xác định số mâm lý thuyết.......................................................18
Hình 3.5: xác định hiệu suất trung bình của thiết bị..........................................19
Hình 3.6: sơ đồ tính cân bằng năng lượng quá trình chưng cất.........................21
Hình 3.7: đồ thị xác định nhiệt độ trung bình hỗn hợp đoạn cất........................33

Hình 3.8: đồ thị xác định nhiệt độ trung bình hỗn hợp đoạn chưng...................38
Hình 3.9: Hệ số thấm ướt của đệm....................................................................43
Hình 3.10: Độ thị biểu diễn mối quan hệ giữa
Hình 3.11: Độ thị biểu diễn mối quan hệ giữa

1

ycb −y
1

ycb −y

và y.................................48
và y.................................54

Hình 3.12: bích và bulông nối...........................................................................68
Hình 4.1: Tìm chiều cao bồn cao vị...................................................................74
5


PHẦN 1: TỔNG QUAN
1.1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1.1.1 Sơ bộ về quá trình chưng cất
Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tách các hỗn hợp lỏng – lỏng,
lỏng – khí và khí – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ
bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp.
Đối với hệ acetone và ethanol ta có sản phẩm đỉnh là các cấu tử có độ bay
hơi lớn (acetone) và sản phẩm đáy gồm các cấu tử có độ bay hơi thấp (ethanol).
Trong quá trình chưng cất, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng di chuyển từ trên
xuống. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp, nhiệt độ làm việc cũng

thay đổi tương ứng với nồng độ.
Các phương pháp chưng cất thường được phân loại theo áp suất làm việc (áp
suất thấp, áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản,
chưng cất bằng hơi nước trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp
nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Với hệ acetone và ethanol ta chọn phương pháp
chưng cất liên tục, cấp nhiệt bằng hơi nước bảo hòa ở 2at.
1.1.2 Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng
cất. Tuy nhiên yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc
pha phải lớn. Điều này phụ thuộc vào mự độ phân tán của pha này vào pha kia.
Ta khảo sát hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.
 Tháp mâm: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu
tạo khác nhau trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc nhau. Tùy theo cấu
tạo của mâm ta có tháp mâm chóp hay tháp mâm xuyên lỗ.
 Tháp đệm: tháu trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật
chêm được cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có
thứ tự.
6


Tháp đệm

Tháp mâm chóp

Tháp mâm xuyên
lỗ

Ưu điểm

- Cấu tạo đơn giản

- Khá ổn định.

- Trở lục tương đối

- Trở lực thấp.

- Hiệu suất cao.

thấp.
- Hiệu suất cao.

- Làm việc được
với chất lỏng bẩn.
- Do có hiệu ứng

- Trở lực lớn.

- Không làm việc

Nhược

thành nên hiệu suất

- Kết cấu phức tạp.

được với chất lỏng

điểm

truyền khối thấp.

bẩn.

- Độ ổn định không

- Kết cấu phức tạp.

cao, khó vận hành.
- Thiết bị nặng nề.

Trong đồ án này ta sử dụng tháp đệm với vòng đệm Rasiga bằng sứ xếp ngẫu
nhiên với kích thước 15x15x2.

1.2 SƠ LƯỢC VỀ NGUYÊN LIỆU
Nguyên liệu là hỗn hợp acetone với ethanol
1.2.1 Acetone
Acetone là hợp chất hữu cơ dạng lỏng, trong suốt, dễ cháy, không màu. Nó
có công thức phân tử là (CH3)2CO và có các tính chất lý hóa sau:
 Nhiệt độ sôi: 56.1oC
 Khối lượng riêng ở 28oC: 780 kg/m3
 Độ nhớt ở 28oC: 73,97 .10-7 N.s/m2
 Nhiệt dung riêng: 541,5 J.kg.K
 khối lượng phân tử: 58 đvC
7


Trong công nghiệp acetone được sử dụng như dung môi để pha loãng, làm
chất tẩy rửa, làm sạch… hoặc được dùng như một hóa chất trung gian, ví dụ
như dùng để tổng hợp metyl metacrilat. Trong y dược và kỹ thuật làm đẹp, chất

acetone được sử dụng nhiều trong thuốc và các kỹ thuật làm đẹp nói chung,
các bác sĩ da liễu dùng acetone và cồn trong điều trị mụn trứng cá… Ngoài ra
chất này trong phòng thí nghiệm được sử dụng như một dung môi aprotic trong
những phải ứng hữu cơ, và với nhiệt độ đóng băng thấp (đến -78oC), acetone
được dùng để duy trì nhiệt độ thấp để tiền hành các thí nghiệm hóa học khi
cần. Bên cạnh đó acetone còn là thành phần chính trong các chất tẩy rửa sơn
móng tay, keo dính…
1.2.2 Ethanol
Ethanol hay còn gọi là rựu etylic, có công thức phân tử CH3-CH2-OH. Và
có các tính chất lý hóa như sau:
 Nhiệt độ sôi: 78.3oC
 Khối lượng riêng ở 28oC: 781,17 kg/m3
 Khối lượng phân tử: 46 đvC
 Nhiệt dung riêng: 407,3 J.kg.K
 Độ nhớt ở 28oC: 8,5 .10-7 N.s/m2
Ethanol được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, nó là nguyên liệu
dùng để sản xuất hơn 150 mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong
các ngành: công nghiệp nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải,
dệt, chế biến dỗ và nông nghiệp…
1.2.3 Hỗn hợp acetone – ethanol
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp acetone
– ethanol ở 760 mmHg như sau:

8


x

0

5

10

y

0

15.5 26.2

t

78.3 75.4 73

20

30

40

50

60

70

80

90

100

41.7 52.4 60.5 67.4 73.9 80.2

86.5 92.9 100

69

58

65.9 63.6 61.8 60.4 59.1

57

56.1

Hệ acetone - ethanol
100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

x (%mol)
Hình 1.1: đồ thị cân bằng lỏng hơi của acetone và ethanol.

9


PHẦN 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG
Acetone và ethanol là hai chất lỏng tan hoàn toàn vào nhau, nhiệt độ sôi của
acetone 56,1oC ở áp suất 760mmHg, còn của ethanol là 78,3oC ở 760mmHg.
Do có sự chênh lệch nhiệt độ khá cao nên để thu được sản phẩm có độ tinh khiết
cao ta chọn phương pháp chưng cất.
Trong trường hợp này ta không sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử
đều có thể bay hơi, không thể sử dụng phương pháp trích ly cũng như hấp thụ,
sẽ khiến cho thiết bị trở nên phức tạp hơn và khó để tách được hoàn toàn như
mong muốn.

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống chưng cất.
1. Bồn chứa hỗn hợp

7. Thiết bị ngưng tụ

2. Bơm

8. Bình phân chia

3. Bồn cao vị

9. Thiết bị làm nguội
10

13. Bẫy hơi


4. Lưu lượng kế

10. Bồn chứa sản phẩm đỉnh

5. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu

11. Nồi đun (kettle)

6. Tháp chưng cất

12. Bồn chứa sản phẩm đáy

2.2 QUY TRÌNH CHƯNG CẤT
Hỗn hợp acentone – ethanol có nồng độ acetone là 25% (theo phần mol),
nhiệt độ khoảng 28oC ở thùng chứa hỗn hợp (1), được bơm (2) dẫn lên bồn cao
vị (3). Từ đây, hỗn hợp được cho chảy tự nhiên xuống thiết bị gia nhiệt ống
chùm (4). Sau khi đi qua thiết bị gia nhiệt, hỗn hợp đạt được nhiệt độ sôi và sau
đó đi vào tháp chưng cất ở đĩa tiếp liệu. Tại đĩa nhập liệu, chất lỏng từ hỗn hợp
đầu được trộn với pha lỏng đi xuống từ đoạn cất, và với pha hơi đi lên từ đoạn
chưng.
Trong tháp, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng đi từ trên xuống, ở đây có sự
tiếp xúc giữa hai pha. Trong đoạn chưng, càng đi xuống dưới, nồng độ cấu tử
dễ bay hơi trong pha lỏng càng giảm do bị cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi từ
nồi đun (11) đi lên lôi cuốn. Hơi càng lên cao thì nhiệt độ càng giảm do đó cấu
tử có nhiệt độ sôi cao là ethanol sẽ ngưng tụ lại đi xuống dưới. Cấu tử có nhiệt
độ sôi thấp là acetone sẽ lôi kéo các cấu tử acetone trong pha lỏng đi lên trên.

Sản phẩm đỉnh là hơi chứa chủ yếu là acetone và một phần nhỏ hơi ethanol. Hơi
ở đỉnh được dẫn qua thiết bị ngưng tụ (7). Một phần lỏng được hồi lưu vào tháp
chưng cất còn phần lớn được cho vào thiết bị làm nguội (9) và được đưa vào
thùng chứa sản phẩm đỉnh. Hỗn hợp đáy chứa chủ yếu là ethanol được đưa vào
nồi đun kettle (11). Hơi từ nồi đun được đưa trở lại vào tháp. Sản phẩm đáy sau
khi qua nồi đun được đưa vào thiết bị làm nguội và chuyển về thùng chứa sản
phẩm đáy (12).

PHẦN 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

11


3.1 CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.1.1 Quy ước
+

F, P, W: Suất lượng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và đáy, kmol/h.

+

xF, xP, xW : Thành phần phần mol cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản

phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kmol/kmol.
𝑥̅ F, 𝑥̅ P , 𝑥̅ W : Thành phần phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong nhập

+

liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, kg/kg.
+

̅ : Lưu lượng khối lượng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và đáy, kg/h.
𝐹̅ , 𝑃̅, 𝑊

+ yi,

𝑦̅i: Thành phần phần mol và phần khối lượng của cấu tử khó bay hơi ứng

với cấu tử dễ bay hơi xi và 𝑥̅ i.
+

𝑦𝑖∗ : Thành phần phần mol ở trạng thái câu bằng của cấu tử khó bay hơi ứng

với cấu tử dễ bay hơi xi, kmol/kmol.
+

A, B: Lần lược là ký hiệu của acetone và ethanol.

+

MA, MB: Khối lượng phân tử của acetone và ethanol.

3.1.2 các thông số ban đầu
 Năng suất sản phẩm đáy: 𝐹̅ = 3500kg/h
 Thành phần phần mol acetone trong dòng nhập liệu: xF = 25%
 Lượng ethanol thu hồi được trong dòng nhập liệu: 𝑦̅w = 95%
 Thành phần khối lượng acetone ở sản phẩm đỉnh: 𝑥̅ P = 98%
 Khối lượng phân tử của acetone và ethanol: MA= 58,04; MB= 46
 Chọn:
+ Nhiệt độ hỗn hợp và nước ban đầu: tf = t1 28oC

+ Áp suất khí quyển: Pa = 760mmHg = 1atm
+ Nhiệt độ nhập liệu: tF = 56,1oC
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm nguội: t’P = 35oC
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau làm nguội: t’W = 35oC

12


3.1.3 Xác định suất lượng dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
 Cân bằng vật chất cho toàn tháp:

F=P+W

(3.1)

 Cân bằng cấu tử acetone (cấu tử nhẹ): xF.F = xP.P + xW.W

(3.2)

Ta có:
- Phần mol nhập liệu: xF = 0,25 kmol/kmol

x̅F = 0,3 kg/kg

- Phần khối lượng sản phẩm đáy: x̅W = 1 - y̅W = 1 – 0,95 = 0,05 kg/kg

- Phần mol sản phẩm đáy: xW =

̅W
x

MA
̅W 1−x
̅W
x
+
MA MB

- Phần mol sản phẩm đỉnh: xP =

̅P
x
MA
̅P 1−x
̅P
x
+
MA M B

=

=

0,05
58
0,05 1−0,05
+
58
46
0,98
58

0,98 1−0,98
+
58
46

= 0.04 kmol/kmol

= 0.975 kmol/kmol

- Khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đỉnh:
MP = xp.MA + (1- xP).MB = 0.98.58 + (1-0.98).46 = 45,76 kg/kmol
- Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:
MF = xF.MA + (1- xF).MB = 0,25.58 + (1-0,25).46 = 49 kg/kmol
- Khối lượng phân tử trung bình sản phẩm đáy:
MW = xW.MA+ (1- xW).MB = 0,04.58 + (1-0,04).46 = 46,48 kg/kmol
- Suất lượng sản phẩm đáy: W =

̅W
̅̅
MW

=

3500
46,48

= 75,3 kmol/h

Giải hai phương trình (3.1) và (3.1), ta được:
P = 21,8 kmol/h

̅ = 997,5 kg/h
P

F = 97,1 kmol/h

F̅ = 4758 kg/h

W = 75,3 kmol/h,

̅ = 3500 kg/h
W

3.2 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP

13


3.2.1 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
Tỉ số hoàn lưu 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 hạn nhưng chi phí điều hành (nhiên
liệu, nước và bơm…) là tối thiểu.
Do nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi và đồ thị cân bằng của hệ acetone – ethanol
không có điểm uốn, nên tỉ số hoàn lưu tối thiểu có thể tính bằng công thức:

Rmin =

𝑥𝑃 − 𝑦∗𝐹
𝑦𝐹∗ −𝑥𝐹

𝑦𝐹∗ được xác định bằng đồ thị cân bằng lỏng-hơi hệ acetone-ethanol, từ xF = 0,25
ta tra được 𝑦𝐹∗ = 0,4765; tF = 67,34oC. Ngoài ra, với xp= 0,975 thì tP= 56,32oC;
∗
𝑦𝑃∗ = 0,9816; với xW= 0,04 thì tW= 75,94oC; 𝑦𝑊
= 0,1285.

Vậy ta có: Rmin =

0.975−0.4765
0.4765−0.25

= 2,2

Hình 3.1: đồ thị cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp.
14


Hình 3.2: đồ thị biểu diễn nhiệt độ sôi hỗn hợp theo phần mol ethanol
3.2.2 Tỉ số hoàn lưu thích hợp
Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi
đun và công để bơm cũng tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu
rồi tăng đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nhiệt và lượng nước sử dụng
cũng tăng theo tỉ số hoàn lưu.
Tổng chi phí bao gồm chi phí cố định và chi phí điều hành. Tỉ số hoàn lưu
thích hợp sẽ ứng với tổng chi phí cực tiểu.
Ta có thể tính chỉ số hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất, lập
mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn Rth ứng với thể
tích tháp nhỏ nhất.
Nhận thấy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại
tỉ lệ với lượng lỏng hồi lưu trong tháp, do trong điều kiện làm việc nhất định

thì 𝑃̅ sẽ không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1), do đó tiết diện

15


tháp (S) sẽ tỉ lệ với (R+1). Ngoài ra chiều cao tháp (H) còn tỉ lệ với số mâm lý
thuyết (Nlt), cho nên thể tích làm việc của tháp (Vtháp) tỉ lệ với tích số Nlt*(R+1).
+ Vtháp =H.S
+ H ~ Nlt
+ G= W.S = P.(R+1)
S ~ (R+1)
Vtháp = H.S ~ Nlt.(R+1)
Ứng với mỗi giá trị R > Rmin ta dựng được một đường làm việc tương ứng
và tìm được một giá trị Nlt.
Thiết lập mối quan hệ giữa R và Vtháp theo quan hệ R và Nlt*(R+1). Từ đồ
thị của quan hệ này ta có thể xác định được điểm cực tiểu của Nlt*(R+1) ứng
với tỉ số hoàn lưu thích hợp R.
Ta có bảng khảo sát số mâm lý thuyết ứng với mỗi giá trị R sau:
R

2,42

2,86

3,30

3,74

4,18

4,62

5,06

5,50

Nlt

27

27

22

20

19

18

17

16

Nlt.(R+1)

102,6

100,4

98,9

94,8

98,4

101,

103,1

104

Từ bảng khảo sát trên, ta lập được đồ thị biểu diễn quan hệ giữa R và
Nlt*(R+1) dưới đây:

16


Hình 3.3: đồ thị biểu diễn quan hệ R và Nlt*(R+1)
- Từ đồ thị ta thấy chỉ số hoàn lưu thích hợp Rth = 3,74

3.3 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC VÀ SỐ MÂM THỰC TẾ
3.3.1 Phương trình đường làm việc đoạn cất
Phương trình đường làm việc của đoạn cất có dạng:
 y=

Rth .
xP
x+
Rth +1

Rth +1

=

3,74
3,74+1

x+

0,975
3,74+1

 y = 0,789x + 0,205
3.3.2 Phương trình làm việc đoạn chưng
Gọi f là suất lượng mol dòng nhập liệu trên suất lượng mol sản phẩm đỉnh:
f=

F
P

=

97,1
21,8

= 4,454
17


 y=

Rth +f .

f−1

Rth +1

Rth +1

x-

xW =

3,74+4,454
3,74+1

x-

(4,454−1).0,04
3,74+1

 y = 1,728x – 0,029
3.3.3 Số mâm lý thuyết
Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi của acetone và ethanol, phương trình
đường làm việc đoạn chưng và phương trình đường làm việc đoạn cất. Ta có
thể xác định được số mâm lý thuyết bằng đồ thị.

Hình 3.4: đồ thị xác định số mâm lý thuyết
Từ đồ thị ta thấy tháp chưng cất có 20 mâm lý thuyết, trong đó: 3 mâm ở
đoạn chưng và 17 mâm ở đoạn cất.

18


3.3.3 Số mâm thực tế
Số mâm thực tế được tính theo hiệu suất trung bình:
Ntt =

Nlt
ηtb

Trong đó:
 ηtb : hiệu suất trung bình của tháp, là một hàm số của độ bay hơi tương
đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: ηtb = f(α, µ).
 Ntt : số mâm thực tế.
 Nlt : số mâm lý thuyết.
3.3.3.1 Xác định hiệu suất trung bình của tháp
Hiệu suất làm việc của tháp được tính theo công thực:
η = α.µ
 η : hiệu suất làm việc của tháp (%)
 µ : độ nhớt của hỗn hợp (10-3 N.S/m2)


𝑦𝑖∗ 1−𝑥𝑖
α: độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi, α =
1−𝑦𝑖∗ 𝑥𝑖

Hình 3.5: xác định hiệu suất trung bình của thiết bị. (theo bảng [IX.11- 2, 171])
Vì hiệu suất thay đổi theo chiều cao tháp nên để xác định hiệu suất toàn tháp
ta xác định hiệu suất trung bình của tháp.

19


ηtb =

𝜂1 +𝜂2 +𝜂3
3

 𝜂1 : hiệu suất mâm trên cùng (%)
 𝜂2 : hiệu suất mâm nhập liệu (%)
 𝜂3 : hiệu suất mâm dưới cùng (%)
* Tại vị trí mâm đỉnh:
∗
𝑦𝑃
1−𝑥𝑃
0,9816 1−0,975
αP =
=
= 1,368
∗ 𝑥
1−𝑦𝑃
1−0,9816 0,975
𝑃

Vì tP = 56,32oC nên µ𝑃 = 0,233

[4]

αF.µ𝐹 = 1,368.0,233 = 0,318
η1 = 66,5%

[XI.11 - 2, 171]

* Tại vị trí nhập liệu:
𝑦𝐹∗ 1−𝑥𝐹
0,4765 1−0,25
αF =
=
= 2,73
∗
1−𝑦𝐹 𝑥𝐹
1−0,4765 0,25

 Tại tF = 67,34oC thì µ𝐹 = 0,215

[4]

αF.µ𝐹 = 2,73.0,215 = 0,587
η2 = 56%

[XI.11 - 2, 171]

* Tại vị trí mâm đáy:
αW =

y∗W 1−xW
1−y∗W

xW

=

0,1285 1−0,04
1−0,1285 0,04

= 3,538

 Tại tW = 75,94oC thì µ𝑊 = 0,201

[4]

αF.µ𝐹 = 3,538.0,201 = 0,711
η3 = 54%

[XI.11 - 2, 171]

Vậy hiệu suất trung bình của tháp là:
ηtb =

η1 +η2 +η3
3

=

66,5%+56%+54%
3

20

= 58,83%

3.3.3.2 Số mâm thực tế
- Như vậy số mâm thực tế cần tìm là:
Ntt =

Nlt
ηtb

=

20
58,83%

= 33,996 mâm

Vậy ta chọn số mâm thực tế là 34 mâm, trong đó có 5 mâm ở đoạn chưng và
29 mâm ở đoạn cất.
3.4 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Mục đích của việc tính cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng nước lạnh
cần thiết cho quá trình ngưng tụ, làm lạnh cũng như để xác định lượng hơi đốt
cần thiết khi đun nóng hỗn hợp đầu để đưa vào đĩa tiếp liệu và lượng hơi đáy
tháp. Để tính toán cho các thiết bị đó ta cần dựa vào sơ đồ cân bằng nhiệt lượng
sau đây:

Hình 3.6: sơ đồ tính cân bằng năng lượng quá trình chưng cất

21

3.4.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
QD1 + Qf = QF + Qng1 + Qxq1 (J/h)

[IX.149 - 2, 196]

Trong đó:
QD1 - nhiệt lượng do hơi đốt mang vào.

J/h.

Qf - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào.

J/h.

QF - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra.

J/h.

Qxq1 - nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh.

J/h.

Lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng hỗn hợp đầu đến nhiệt độ sôi là:
D1 =

̅(CF tF + Cf tf )
F
0,95.r1

, kg/h

[IX.155 - 2, 197]

Trong đó:
D1 - lượng hơi đốt.

kg/h.

CF - nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí đi ra.

J/kg.độ.

Cf - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu.

J/kg.độ.

tF - nhiệt độ hỗn hợp khí ra khỏi thiết bị đun nóng.

o

tf - nhiệt độ của hỗn hợp đầu.

oC.

F̅ - lượng hỗn hợp đầu.

kg/h

C.

Ta có: F̅ = 4758 kg/h
tF = 67,34 oC
Chọn tf = 28oC
3.4.1.1 Tính CF, Cf
Nhiệt dung riêng của hỗn hợp (CF, Cf) được tính theo công thức:
CF = 𝑥̅ F.CA + 𝑦̅F.CB
Trong đó: CA - nhiệt dung riêng của acetone,

J/kg.độ.

CB - nhiệt dung riêng của ethanol,

J/kg.độ.

22


Có: 𝑥̅ F = 0,3 và 𝑦̅F = 1-𝑥̅ F = 0,7
Từ tF = 67,34oC, nội suy trong bảng [I.153 - 1, 171] và [I.154 - 1, 172] ta có:
CA = 2329 J/kg.độ.
CB = 3305 J/kg.độ.
CF = 0,3.2329 + 0,7.3305 = 3012,2 J/kg.độ
Từ tf = 28oC, nội suy trong bảng [I.153 - 1, 171] và [I.154 - 1, 172] ta có:
CA = 2203,7 J/kg.độ.
CB = 2889,4 J/kg.độ.
Cf = 0,3.2203,7 + 0,7.2889,4 = 2683,7 J/kg.độ
3.4.1.2 Tính r1
Dùng hơi nước bão hòa nên ta chọn P = 2 at, khi đó t = 119,6 oC và r1 =
2208.103 J/kg.
D1 =

[I.251 - 1, 314]

̅(CF tF + Cf tf )
F
0,95.r1

=

4758.(3012,2.67,34+2683,7.28)
0,95.2208.103

= 630,56 kg/h

3.4.1.3 Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào
QD1 = D1. λ1 = D1.(r1 + θ1.C1)

[IX150 - 2, 196]

Trong đó:
λ1 - hàm nhiệt của hơi đốt, J/kg.
θ1 - nhiệt độ nước ngưng, θ1 = 119,6oC.
C1 - nhiệt dung riêng của nước ngưng, C1 = 2429,54 J/kg.độ [I.149 - 1, 168]
QD1 = 630,56.( 2208.103 + 119,6.2429,54) = 1575500,181 KJ/h
3.4.1.4 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào
Qf = F̅.Cf.tf

[IX.151 - 2,196]

Qf = 4758.2683,7.28 = 357533,248 KJ/h.

23


3.4.1.5 Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra
QF = F̅.CF.tF

[IX.151 - 2,196]

QF = 4758.3012,2.67,34 = 965120,085 KJ/h.
3.4.1.6 Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra khỏi thiết bị
Qng1 = Gng1.C1. θ1

(J/h)

[IX.161 - 2, 198]

Trong đó:
Gng1 - lượng nước ngưng tụ, kg/h
C1 - nhiệt dung riêng của nước ngưng, J/kg.độ
θ1 - nhiệt độ của nước ngưng, θ2 = 119,6oC
Gng1 = D1 - lượng hơi đốt cần thiết để đun sôi dung hỗn hợp nhập liệu
Nội suy C1 theo θ1 theo [I.149 - 1, 168] ta có:
C1 = 2156,11 J.kg.độ
Qng1 = 630,56.2145,11.119,6 = 162602,983 KJ/h
3.4.2 Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất
Ta có tổng nhiệt lượng mang vào bằng với tổng nhiệt lượng mang ra:
QF + QD2 + QR = QY + QW + Qm + Qng2

[IX.156 - 2, 197]

Trong đó:
QF - nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp

J/h.

QD2 - nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp

J/h.

QR - nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào tháp

J/h.

Qy - nhiệt lượng do hơi đốt mang ra ở đỉnh tháp

J/h.

QW - nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra

J/h.

Qng2 - nhiệt lượng do nước ngưng mang ra tháp

J/h.

Qm - nhiệt lượng do tổn thất ra môi trường

J/h.

24