Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước

MỤC LỤC
I.

II.

GIỚI THIỆU VỀ CHƯNG CẤT........................................................................................2
1.1

Định nghĩa...................................................................................................................2

1.2

Các phương pháp chưng..............................................................................................2

1.3

Thiết bị chưng cất........................................................................................................2

GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU....................................................................................3
2.1

Etanol (rượu etylic) C2H5OH.......................................................................................3

2.2

Nước............................................................................................................................4

2.3

Giản đồ T-xy................................................................................................................4

III. QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ...............................................................................................5
3.1

Sơ đồ qui trình.............................................................................................................5

3.2

Thuyết minh qui trình..................................................................................................5

IV. CÂN BẰNG VẬT CHẤT..................................................................................................5

II.

4.1

Xác định phương trình đường nhập liệu......................................................................7

1.1

Xác định chỉ số hồi lưu R thích hợp............................................................................8

1.2

Tính đường kính đoạn cất..........................................................................................11

1.2.1

Tính ωyTB.............................................................................................................11

1.2.2

Tính Gy = gTB......................................................................................................15

1.2.3

Tính Gx...............................................................................................................16

1.3

Tính chiều cao đoạn cất.............................................................................................16

1.4

Tính đường kính đoạn chưng....................................................................................17

1.4.1

Tính ω’yTB...........................................................................................................18

1.4.2

Tính G’y = g’TB...................................................................................................21

1.4.3

Tính G’x..............................................................................................................23

1.5

Tính chiều cao đoạn chưng........................................................................................23

1.6

Trở lực của tháp đệm.................................................................................................24

1.6.1

Trở lực ở phần cất..............................................................................................24

1.6.2

Trở lực ở phần chưng.........................................................................................25

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ......................................................................................................25
2.1

Thân thiết bị...............................................................................................................25

2.1.1

Các thông số cơ bản...........................................................................................26

2.1.2

Tính bề dày của thân hình trụ.............................................................................27


2.2

Tính đáy nắp thiết bị..................................................................................................28

2.3

Lưới đỡ đệm..............................................................................................................28

2.4

Mặt bích.....................................................................................................................29

2.5

Đường kính và bích ghép các ống dẫn......................................................................30

2.5.1

Ống dẫn hơi ở đỉnh tháp.....................................................................................30

2.5.2

Ống hoàn lưu......................................................................................................31

2.5.3

Ống nhập liệu.....................................................................................................32

2.5.4

Ống dẫn hơi vào đáy tháp..................................................................................33

2.5.5

Ống dẫn hỗn hợp ra khỏi đáy tháp.....................................................................34

2.6

Tính chân đỡ..............................................................................................................35

2.7

Tính lớp cách nhiệt....................................................................................................36

III. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ......................................................................................................36
3.1

Cân bằng năng lượng ở tháp – Tính thiết bị đun sôi đáy tháp...................................36

3.2

Cân bằng năng lượng ở thiết bị ngưng tụ..................................................................40

3.3

Cân bằng năng lượng ở thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh........................................44

3.4

Cân bằng năng lượng ở thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu..........................................47

3.5

Bồn cao vị..................................................................................................................52

3.5.1

Tổn thất đường ống dẫn.....................................................................................52

3.5.2

Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu........................53

3.5.3

Chiều cao bồn cao vị..........................................................................................54

3.6

Bơm...........................................................................................................................55

3.6.1

Năng suất bơm...................................................................................................55

3.6.2

Cột áp.................................................................................................................55

3.6.3

Công suất bơm...................................................................................................56

IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................57


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng

LỜI MỞ ĐẦU
Trong bối cảnh xăng dầu tăng giá thì việc tìm một nguồn nguyên liệu rẻ tiền để thay thế là
một việc làm cấp thiết. Ở Việt Nam có thể áp dụng việc sản xuất ethanol thông qua quá trình
lên men rơm rạ và nâng cao nồng độ bằng quá trình chưng cất. Như để góp thêm một giải
pháp kỹ thuật, đồ án này sẽ tập trung vào việc tính toán và thiết kế tháp chưng cất sao cho
hiệu quả và kinh tế nhất.
Nhiệm vụ của đồ án chưng cất hệ ethanol – nước là thiết kế một tháp đệm có năng suất nhập
liệu GF = 4100 kg/h để cất từ 41% lên 91,5% và sản phẩm đáy là 0,5%. Nhập liệu vào sẽ tận
dụng nhiệt đáy tháp sau đó cấp vào tháp.
Qua môn học Đồ án QTTB này sinh viên sẽ có cơ hội hệ thống hoá và phối hợp kiến thức từ
các môn truyền nhiệt, cơ học, truyền khối và thiết kế máy hoá chất. Ngoài ra môn học này là
chặng cuối trong việc đánh giá tính cách “kỹ sư” của sinh viên năm 4 qua 3 khía cạnh: phân
tích vấn đề, tìm giải pháp kỹ thuật và bảo vệ ý kiến của mình trước hội đồng phản biện.

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 1


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng

I.

GIỚI THIỆU VỀ CHƯNG CẤT

I.1 Định nghĩa
Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các 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 của các cấu tử khác nhau). Trong trường hợp
đơn giản nhất thì chưng và cô đặc hầu như không khác nhau, tuy nhiên giữa chúng có ranh
giới căn bản như sau:




Trong chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi.
Trong cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.
Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường chưng bao nhiêu cấu tử ta sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm.
Đối với trường hợp hai cấu tử, ta có :

o Sản phẩm đỉnh: gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay
hơi bé.
o Sản phẩm đáy: gồm các cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay
hơi lớn.

I.2 Các phương pháp chưng
Các phương pháp chưng thường gặp là:









Chưng ở áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗn
hợp có nhiệt độ sôi quá cao.
Chưng ở áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.
Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử.
Chưng đơn giản: dùng để tách hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rất khác
nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp
chất.
Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi
và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách
không tan vào nước.
Chưng cất: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử
dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau.

I.3 Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu
chung cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán
của lưu chất này vào lưu chất kia.
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được
sử dụng trong công nghiệp hóa lọc dầu. Kích thước, đường kính và chiều cao tháp của tháp
tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha hơi đi trong tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Trong

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 2


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
công nghiệp hóa chất nói chung người ta thường sử dụng hai loại tháp chưng cất là tháp mâm

và tháp đệm (tháp chêm).


Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong gắn các mâm có cấu tạo khác
nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau; pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với
nhau trên bề mặt mâm và tại đây xảy ra quá trình truyền khối, có hai loại là tháp mâm
chóp và tháp mâm xuyên lỗ.
o Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí các chóp dạng tròn, chữ S,…
o Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính từ 3 – 12mm.



Tháp đệm: thân hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật
đệm được cho vào tháp một cách ngẫu nhiên hay được xếp một cách thứ tự; vật đệm
có cấu tạo đa dạng như: đệm vòng rasiga, đệm hình yên ngựa, đệm vòng sứ,…
Dưới đây là bảng so sánh ưu và nhược điểm của từng loại tháp:
Tháp đệm
Cấu tạo đơn giản.
Trở lực thấp.
Làm việc được với chất lỏng bẩn
Khó làm ướt nhiều đệm.
Do có hiệu ứng thành nên hiệu suất
truyền khối thấp.
Độ ổn định không cao
Thiết bị nặng.

Ưu điểm

Nhược
điểm

Tháp mâm xuyên lỗ
Hiệu suất khá cao.
Hoạt động khá ổn định.
Trở lực khá cao.
Yêu cầu lắp đặt khắt khe
(phải lắp đĩa thật phẳng).
Không làm việc với chất
lỏng bẩn.

Tháp mâm chóp
Hiệu suất cao.
Hoạt động ổn định.
Trở lực lớn.
Cấu tạo phức tạp,
tiêu tốn nhiều vật tư.
Không làm việc với
chất lỏng bẩn.

Tuy nhiên đồ án thiết kế tháp đệm chưng cất hệ etanol – nước là muốn hướng đến
thiết kế đơn giản và làm việc được với chất lỏng bẩn, có thể dung dịch nhập liệu được lấy từ
xưởng lên men rượu chuyển qua mà không cần qua tinh chế loại cặn bẩn. Trong quá trình
tính toán và thiết kế hệ thống, ta sẽ tính toán sao cho hiệu suất truyền khối đạt cao nhất có thể
(tính chiều cao thiết bị chính xác) và giảm được hiệu ứng thành xuống thấp nhất.

II.

GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU
II.1

Etanol (rượu etylic) C2H5OH

 Tính chất vật lý
+ Là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước, sôi ở 78,30C.
+ Phân tử lượng: 46 đvC.
+ Khối lượng riêng: 736,615 kg/m3.
 Ứng dụng
+ Dùng để điều chế các loại rượu uống, bia 2 – 5%, rượu vang 7 – 12%, rượu trắng 17 – 40%,
Wisky 40 – 75%.
+ Rượu có độ 90 – 950 dùng làm dung môi cho nhiều chất để pha sơn, keo, vecni, pha nước
hoa; trong y học, rượu làm chất sát trùng.
+ Trong công nghiệp, rượu etylic là nguồn nguyên liệu rẻ tiền để điều chế etylacetat làm dung
môi, acid acetic, điều chế butadien để tổng hợp cao su.
SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 3


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
 Điều chế
+ Trong phòng thí nghiệm, rượu etylic được điều chế từ etylen tác dụng với nước có mặt xúc
tác acid H2SO4, H3PO4:
CH2=CH2 + H2O  C2H5OH
+ Trong công nghiệp, rượu etylic được điều chế từ tinh bột và từ cellulose. Lên men tinh bột
qua nhiều giai đoạn sẽ nhận được rượu, tổng quát sẽ theo phương trình:
C6H12O6  C2H5OH + CO2

II.2

Nước

+ Nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị; chiếm ¾ diện tích Trái Đất. Khi hóa
rắn nước có thể ở năm dạng tinh thể khác nhau.
+ Phân tử lượng: 18 đvC.
+ Khối lượng riêng: 958,38 kg/m3.
+ Nhiệt nóng chảy: 00C.
+ Nhiệt độ sôi: 1000C.

II.3

Giản đồ T-xy

Điểm đẳng phí: x = y = 89,4 ở t = 78,150C
x (%
mol)
y (%
mol)
t (0C)

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

65,4
0
33,2 44,2 53,1 57,6 61,4
69,9 75,3 81,8 89,8 100
100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80
79,4 79
78,6 78,4 78,4

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 4


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng

III.

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
III.1

Sơ đồ qui trình

Bản vẽ qui trình công nghệ khổ A1 đi kèm với đồ án.

III.2

Thuyết minh qui trình

Nguyên liệu có tf = 300C sẽ được hút từ bồn chứa nguyên liệu lên bồn cao vị. Sau đó từ bồn
cao vị dòng nguyên liệu sẽ chảy qua hệ thống ống lồng ống và trao đổi nhiệt với dòng sản
phẩm đáy để đạt nhiệt độ khoảng 650C.
Nguyên liệu sau khi trao đổi nhiệt được cấp vào tháp và chưng từ 41% lên 91,5%. Dòng hơi
sản phẩm đỉnh đi qua thiết bị ngưng tụ và được ngưng tụ hoàn toàn thành lỏng. Dòng lỏng
này sẽ tách ra một phần quay về hồi lưu với chỉ số R = 1,8 và phần còn lại sẽ được làm nguội
xuống 350C rồi đưa về bồn chứa sản phẩm đỉnh.

IV.

aF

CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Các thông số ban đầu
nồng độ nhập liệu, % khối lượng

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

0,41

Trang 5


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
aD

nồng độ sản phẩm đỉnh, % khối lượng

aW

nồng độ sản phẩm đáy, % khối lượng

M

phân tử lượng của rượu etylic, đvC

0,91
5
0,00
5
46

phân tử lượng của nước, đvC

18

R

M
N

GF suất lượng khối lượng nhập liệu, kg/h
4100
GD suất lượng khối lượng sản phẩm đỉnh,
kg/h
G suất lượng khối lượng sản phẩm đáy,
kg/h
W
F
suất lượng mol nhập liệu, kmol/h
D suất lượng mol sản phẩm đỉnh, kmol/h
W suất lượng mol sản phẩm đáy, kmol/h
 Xác định nồng độ phần mol xF, xD, xW
Từ công thức
Tương tự, ta được xD = 0,808; xW = 0,002
 Xác định phân tử lượng trung bình pha lỏng MtbF, MtbD, MtbW
Từ công thức
Tương tự, ta được MtbD = 40,628 kg/kmol; MtbW = 18,055 kg/kmol.
 Xác định phân tử lượng trung bình pha hơi MtbyF, MtbyD, MtbyW
Từ công thức
Tương tự, ta được MtbD = 41,072 kg/kmol; MtbW = 18,372 kg/kmol.
 Phương trình cân bằng vật chất
Ta có F = GF/MtbF = 4100/23,986 = 170,932 kmol/h
Tính ra suất lượng khối lượng thì GW = 2274,42 kg/h; GD = 1826,63 kg/h.
 Tính nồng độ phần mol hơi cân bằng yF, yD, yW
Từ giản đồ T-xy, ứng với phần mol của rượu trong pha lỏng xF, xD, xW thì ta tra được
phần mol của rượu trong pha hơi bão hoà ở cùng nhiệt độ đó. Như vậy, ta có các giá
trị yF = 0,537; yD = 0,824; yW = 0,0133.
 Tính nồng độ phần khối lượng pha hơi ayF, ayD, ayW
Từ công thức

Ta tính được giá trị ayF = 0,749; ayD = 0,923; ayW = 0,033.
 Xác định giá trị tsF, tsD, tsW
Để tìm nhiệt độ sôi ứng với trạng thái lỏng – hơi bão hoà thì dựa vào giản đồ T-xy,
dùng phương pháp nội suy, ứng với xF, xD, xW thì ta tính được tsF = 830C, tsD =
78,580C và tsW = 99,620C.
Như vậy, đến đây ta có một bảng số liệu tổng kết các thông số ban đầu của tháp đệm chưng
cất hệ etanol – nước như sau:
Thông số cơ bản
Suất lượng khối lượng G (kg/h)
Suất lượng mol (kmol/h)
Phân tử lượng trung bình pha lỏng Mtb (kg/kmol)
SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Nhập liệu
(F)
4100
170,932
23,986

Đoạn cất
(D)
1826,63
44,960
40,628

Đoạn chưng
(W)
2274,42
125,972
18,055

Trang 6


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Phân tử lượng trung bình pha hơi Mtby (kg/kmol)
Phần khối lượng lỏng a
Phần khối lượng hơi ay
Phần mol lỏng x
Phần mol hơi y
Nhiệt độ sôi ts (0C)


33,036
0,41
0,749
0,214
0,537
83

41,072
0,915
0,923
0,808
0,824
78,58

18,372
0,005
0,033
0,002

0,0133
99,62

Cân bằng năng lượng ở thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu

Vì đề bài yêu cầu tận dụng nhiệt ở đáy tháp để gia nhiệt dòng nhập liệu có nhiệt độ tf = 300C
là nhiệt độ môi trường nên ta phải tính cân bằng nhiệt lượng để tìm tF là nhiệt độ nhập liệu
vào tháp.
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu được xác định theo công thức
IX.149/196 Sổ tay QTTB II:
Q = QW + Qf = QF + Qng + Qxq
Trong đó:
o QW = GW.CW.tW = 959628000 J/h là nhiệt do dòng sản phẩm đáy mang vào. Với GW =
2274 kg/h, CW = 4220 J/kg.K là nhiệt dung riêng trung bình của sản phẩm đáy ở tW =
1000C (xem như nước).
o Qf = GF.Cf.tf = 485112000 J/h là nhiệt do dòng nhập liệu trước khi được gia nhiệt
mang vào thiết bị. Với GF = 4100 kg/h, Cf = 3944 J/kg.K là nhiệt dung riêng trung
bình của dòng nhập liệu ở tf = 300C.
o QF = GF.CF.tF = 4100.CF.tF là nhiệt do dòng nhập liệu mang ra sau khi ra khỏi thiết bị.
Với GF = 4100 kg/h, CF là nhiệt dung riêng trung bình của dòng nhập liệu ở tF sau khi
trao đổi nhiệt.
o Qng = GW.Cw.tw = 332527020 J/h là nhiệt do nước ngưng mang ra. Với GW = 2274
kg/h, Cw = 4178 J/kg.K là nhiệt dung riêng của nước ngưng ở nhiệt độ tw = 350C.
o Qxq = 5%.QW là nhiệt mất ra môi trường xung quanh của dòng sản phẩm đáy mang
vào.
Giải hệ ra tìm CF.tF ta được: 1444740000 = 380508420 + 4100.CF.tF  CF.tF = 259569
Tìm nghiệm bằng cách cho tF trước, sau đó tìm CR và CN ở nhiệt độ tF, suy ra CF = CR.xF + (1
– xF).CN. Tính lặp sao cho giá trị CF.tF tìm được chênh lệch không quá 5% so với giá trị ban
đầu. Kết quả: ứng với tF = 650C thì CF = 3960 J/kg.K và CF.tF = 257400 ~ 259569
Vậy lượng nhiệt trao đổi là: Q = 1444740000/3600 = 401316 W

IV.1

Xác định phương trình đường nhập liệu

Phương trình đường nhập liệu được xác định theo công thức 7.68/196 QTTB Truyền khối.

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 7


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Trong đó: q là tỉ số giữa nhiệt cần thiết để biến đổi 1 mol nhập liệu từ trạng thái ban đầu
thành ra hơi bão hoà với ẩn nhiệt bốc hơi mol là HG – HL. Do ta nhập liệu dưới điểm sôi nên
giá trị q sẽ lớn hơn 1.

Trong đó: HG, HF, HL là các trạng thái nhiệt enthalpy mol của pha hơi, nhập liệu và pha lỏng,
J/mol.
Để kiểm tra việc tính q đúng hay không, thì sau khi tìm được q ta sẽ tìm tiếp được phương
trình đường nhập liệu. Kết hợp với 2 phương trình đoạn chưng và đoạn cất, khi vẽ trên đồ thị
đường làm việc x-y thì ta phải được 3 đường thẳng đồng quy tại một điểm, đó là giá trị nồng
độ phần mol ở ngay đĩa nhập liệu.


Tìm HG, HF, HL
HF = CF.tF.MtbF
HL = CLF.tsF.MtbF
HG = (CGF.tsF + yFrR + (1-yF).rN).MtbF
Trong đó: CF, CLF, CGF là nhiệt dung riêng trung bình của dòng nhập liệu, dòng lỏng

và dòng hơi ngay tại vị trí đĩa nhập liệu, J/kg.K; rR, rN là ẩn nhiệt hoá hơi của rượu và
nước ở nhiệt độ sôi tsF, J/kg.
o Xác định CF, CLF
Tra hình I.52/166 Sổ tay QTTB I, ở tF = 650C, ta có CR = 3140 J/kg.K và CN =
4183 J/kg.K
Vậy ta tìm được
CF = CLF = CR.xF + (1-xF).CN = 3140.0,214 + (1 – 0,214).4183 = 3960 J/kg.K
o Xác định CGF
Tra hình I.52/166 Sổ tay QTTB I, ở tF = 650C, ta có CR = 3140 J/kg.K và CN =
4183 J/kg.K
Vậy ta tìm được
CGF = CR.yF + (1-yF).CN = 3140. 0,537 + (1 – 0,537).4183 = 3623 J/kg.K
o Xác định rR, rN
Tra bảng I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
rR ở 600C
879
rR ở 1000C
812
0
rR ở 65 C
870
Vậy rR ở 650C = 870 kJ/kg
Tra hình I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
rN ở 600C
2424
0
rN ở 100 C
2257
0
rN ở 65 C

2403
Vậy rN ở 650C = 2403 kJ/kg
Do vậy, khi thay các số liệu vào ta được:
HF = CF.tF.MtbF = 3960.65.23,986 = 6173996 J/kmol
HL = CLF.tsF.MtbF = 3960.83.23,986 = 7883718 J/kmol
HG = (CGF.tsF + yFrR + (1 – yF).rN).MtbF = (3623.83 + 870000.0,537 + (1 – 0,537).
2403000).23,986 = 45105385 J/kmol

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 8


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Ta tính được tỉ số nhiệt
Từ đó tìm được phương trình nhập liệu:

I.1 Xác định chỉ số hồi lưu R thích hợp
Do đường cân bằng có điểm uốn, nên trong đồ thì x – y thì ta sẽ xác định chỉ số hồi lưu tối
thiểu Rmin như sau: từ điểm xD = yD trên đường làm việc, ta kẻ một đường thẳng là tiếp tuyến
với điểm uốn trên đường cân bằng, kéo dài đường thẳng này cắt trục tung tại một điểm có
tung độ là 0,38.
Vậy, sau khi đo xong ta được:
Theo công thức IX.25a/158 giá trị chỉ số hồi lưu R = (1,2 ÷ 2,5).Rmin
Để tìm chỉ số hồi lưu thích hợp R này ta sẽ lập đồ thị quan hệ giữa số đĩa lý thuyết và chỉ số
hồi lưu nhằm tìm ra giá trị R mà tại đó tháp có thể tích làm việc nhỏ nhất, cách xác định theo
phần 2.4.2.3/82 QTTB Truyền khối BKHN.
Để tìm được số đĩa lý thuyết Nlt trên đồ thị x-y ứng với từng giá trị R thì ta cần xác định
phương trình đoạn cất, phương trình đoạn chưng.
Phương trình đoạn cất:

Phương trình đoạn chưng:
Với
Hệ số
R
P/tr đoạn cất y=Ax+B
chỉ số A
chỉ số B
P/tr đoạn chưng y = ax + b
chỉ số a
chỉ số b

1,2
1,3520

1,4
1,5774

1,6
1,8027

1,8
2,0281

2,0
2,2534

2,2
2,4787

2,4

2,7041

0,5748
0,3436

0,6120
0,3136

0,6432
0,2883

0,6698
0,2669

0,6926
0,2484

0,7125
0,2323

0,7300
0,2182

2,1929

2,0886

2,0011

1,9266

1,8624

1,8066

1,7575
0,0015
12
32,449

-0,0023 -0,0021
-0,0020
-0,0018
-0,0017
-0,0016
Nlt
24
18
16
14,5
13
12,5
Nlt.R
32,449
28,393
28,843
29,407
29,294
30,984
Với giá trị R = 1,8 ta thấy giá trị Nlt.R là nhỏ nhất, do đó R = 1,8 là chỉ số hồi lưu thích hợp

cần tìm.







Phương trình nhập liệu: y = 22,78.x – 4,66
Phương trình đoạn cất: y = 0,6432.x + 0,2883
Phương trình đoạn chưng: y = 2,0011.x – 0,002
Số đĩa lý thuyết đoạn chưng: 10,75 đĩa
Số đĩa lý thuyết đoạn luyện: 5,25 đĩa
Tổng số đĩa lý thuyết: 16 đĩa

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 9


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng

Hình 1. Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp theo thể tích tháp nhỏ nhất

Hình 2. Xác định số đĩa lý thuyết ở trường hợp R = 1,8
SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 10

Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng

I.2 Tính đường kính đoạn cất
Chọn chế độ làm việc của tháp ở trạng thái bắt đầu nhũ tương (dưới điểm lụt).
Theo bảng IX.8/193 Sổ tay QTTB II: vòng đệm Rasiga, có thông số: kích thước đệm (mm)
25x25x3,0; bề mặt riêng đ (m2/m3) 195; thể tích tự do Vđ (m3/m3) 0,75; số đệm trong 1m3
46.103; khối lượng riêng xốp ρđ (kg/m3) 600.
Theo công thức IX.90/181 Sổ tay QTTB II thì đường kính của phần cất là

Trong đó: D là đường kính, m; gTB = Gy là lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h; ρyTB là
khối lượng riêng trung bình pha hơi ở nhiệt độ làm việc, kg/m3; ωyTB là vận tốc hơi đi trong
tháp, m/s (ωy = 0,85.ωs)
I.2.1 Tính ωyTB
Theo công thức 1.40/17 Bài tập Truyền khối thì vận tốc hơi (vận tốc sặc) đi trong tháp ở
phần cất là:

Trong đó: ωs là tốc độ sặc, tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương, m/s; µx là độ nhớt của hỗn hợp lỏng
ở nhiệt độ làm việc, kg/m.s (N.s/m2); dtd là đường kính tương đương của vật chêm, m; Gy, Gx
là lưu lượng hơi và lưu lượng lỏng, kg/s; g là gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2; ρxTB là khối
lượng riêng trung bình pha lỏng ở nhiệt độ làm việc, kg/m3; C = -0,125 trong trường hợp
chưng cất.






Nhiệt độ làm việc là nhiệt độ trung bình ở đoạn cất
Thành phần mol hơi trung bình ytb ở phần cất được suy từ phương trình đường cất,
ứng với thành phần lỏng trung bình:


Xác định µx
Theo công thức 1.9b/17 QTTB Cơ học 1, độ nhớt của hỗn hợp lỏng được xác định
như sau:
Trong đó: yR, yN là phần thể tích của rượu, nước trong pha lỏng.
Do xét trong pha lỏng ở đoạn cất, nên khi xét 1 mol hỗn hợp, ta có phần mol trung
bình là xtb = 0,511.
Trong pha lỏng, ta có: m = d.V
Trong đó: d là khối lượng riêng, kg/m3; V là thể tích, m3.
Mặt khác, xét trong 1 mol hỗn hợp lỏng thì:
mR = nR.MR = 0,511.46 = 23,5 kg
mN = nN.MN = (1 – 0,511).18 = 8,8 kg
Vậy, phần thể tích của rượu và nước được xác định ở ttb = 80,7870C là:
o Tính µR
Độ nhớt của rượu ở pha lỏng, được tính như sau:

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 11


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Tra bảng I.101/91 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
µR ở 800C
4,35E-04
µR ở 1000C
3,26E-04
0
µR ở 80,787 C
0,000430711

0
-4
2
Vậy µR ở 80,787 C = 4,3.10 N.s/m
o Tính µN
Độ nhớt của nước ở pha lỏng, được tính như sau:
Tra hình I.102/94 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
µN ở 800C
µN ở 810C
µN ở 80,7870C
Vậy µN ở 80,7870C = 3,5.10-4 N.s/m2


3,57E-04
3,52E-04
0,000353037

Vậy:
Xác định µy
Dựa vào công thức 1.8/17 QTTB Cơ học 1, độ nhớt của hỗn hợp khí được tính như
sau:
Trong đó: Mhh là khối lượng phân tử hỗn hợp, đvC; yi, Mi, µi là phần thể tích, khối
lượng phân tử và độ nhớt của cấu tử i.
Ở đây ta chỉ có 2 cấu tử là nước và rượu, nên công thức được viết lại thành:
(theo công thức I.18/85 Sổ tay QTTB I)
o Xác định mR, mN
Giả sử trạng thái hơi ở đoạn cất là khí lý tưởng: PV = nRT, trong đó V là thể
tích khí, m3; n là số mol, mol; R là hằng số khí, 0,082057 atm/mol.K; P là áp
suất, chưng cất ở 1 at; T là nhiệt độ, K.
Xét trong 1mol hỗn hợp khí, thì ytb = 0,617 chính là số mol rượu, và mR = VR

là phần thể tích rượu.
o Xác định µR, µN
Độ nhớt của rượu ở pha hơi, được tính như sau:
Tra hình I.35/117 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
µR ở 800C
1,10E-05
0
µR ở 90 C
1,12E-05
0
µR ở 80,787 C
1,10157E-05
Vậy µR ở 80,7870C = 1,10157.10-5 N.s/m2
Độ nhớt của nước ở pha hơi, được tính như sau:
Tra hình I.35/117 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
µN ở 800C
1,25E-05
µN ở 900C
1,19E-05
0
µN ở 80,787 C
1,24528E-05
Vậy µN ở 80,7870C = 1,2452.10-5 N.s/m2
o Xác định Mhh
Có MR = 46 đvC, MN = 18 đvC.
Mhh = ytb.MR + (1-ytb).MN = 0,617.46 + (1-0,617).18 = 35,276 đvC.

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 12

Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng



Vậy:
Tính ρxTB
Theo công thức IX.104a/183 Sổ tay QTTB II, khối lượng riêng trung bình của hỗn
hợp lỏng đi trong đoạn cất:
Trong đó: ρxR, ρxN là khối lượng riêng trung bình pha lỏng của rượu và nước ở nhiệt
độ trung bình của đoạn cất, kg/m3; atb là phần khối lượng của rượu trong pha lỏng.
Tra bảng I.2/9 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
ρR ở 800C
735
ρR ở 1000C
716
0
ρR ở 80,787 C
734,25235
0
3
Vậy ρR ở 80,787 C = 734,25 kg/m
Tra bảng I.5/12 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
ρN ở 800C
971,83
ρN ở 850C
968,65
0
ρN ở 80,787 C

971,329468
Vậy ρN ở 80,7870C = 971,33 kg/m3
Do đó, khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng đi trong đoạn cất:



Tính ρyTB
Theo công thức IX.103/183 Sổ tay QTTB II, khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp
hơi đi trong đoạn cất:
Trong đó: ρyR, ρyN là khối lượng riêng trung bình pha hơi của rượu và nước ở nhiệt độ
trung bình của đoạn cất, kg/m3; ytb là nồng độ phần mol pha hơi của rượu trong đoạn
cất lấy theo giá trị trung bình, đã tính ở trên, ytb = 0,617.
o Tính ρyR
Ta xem trạng thái hơi của rượu trong đoạn cất như là khí lý tưởng, theo công
thức 1.13/18 QTTB Cơ học 1, ta có khối lượng riêng chất khí được tính như
sau:
Trong đó: MR = 46 đvC; Po là áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn (1 at); T, P là
nhiệt độ và áp suất chất khí. Ở đây tháp chưng cất trong điều kiện áp suất khí
quyển, P = Po = 1 at. Do đó, ta tính được:
o Tính ρyN
Tương tự, ta có MN = 18 đvC và tính toán ở điều kiện nhiệt độ trung bình của
đoạn cất ttb = 80,7870C.
Do đó, khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp hơi đi trong đoạn cất:

Với tỉ số:
Như vậy, ωs được tính như sau:
SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 13

Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Do đó ωyTB = 0,85.1,563 = 1,328 m/s
I.2.2 Tính Gy = gTB
Theo công thức IX.91/181, ta có
Trong đó: gd là lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h hay kmol/h; g1 là lượng hơi
đi vào đĩa dưới cùng của đoạn cất, kg/h hay kmol/h.


Tính gd (IX.92/181 Sổ tay QTTB II)



Trong đó, Rx = GR/GP = 1,8027 là chỉ số hồi lưu thích hợp, GR là lượng chất lỏng hồi
lưu, kg/h hay kmol/h; GP là lượng sản phẩm đỉnh, kg/h hay kmol/h (GP = GD =
1826,63 kg/h).
Tính g1 (IX.93-95/181 Sổ tay QTTB II)
Mục tiêu là xác định g1 (kg/h), y1 và G1 (kg/h) nên các đơn vị đều theo phần khối
lượng.
Trong đó: g1 là lượng hơi đi vào đoạn luyện, kg/h hay kmol/h; y1 là phần khối lượng
hơi rượu ở ngay đĩa 1 của đoạn cất; G1 là lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn
luyện, kg/h hay kmol/h; x1 = aF = 0,41; xD = aD = 0,915; rl là ẩn nhiệt hoá hơi đi vào
đĩa thứ nhất, kcal/kg; rd là ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi ra khỏi đỉnh tháp, kcal/kg.
o Xác định r1 ở tsF = 830C (đĩa thứ nhất đoạn cất là nơi bắt đầu nhập liệu)
Ta có ở 830C thì rR = 200,804 kcal/kg và rN = 556,01 kcal/kg.
Do đó: r1 = y1.200,8 + (1-y1).556
o Xác định rd ở tsD = 78,5840C (ở đĩa trên cùng của đoạn luyện)
Có ayD = yd = 0,923
Tra bảng I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
rR ở 600C

210
0
rR ở 100 C
194
rR ở 78,5840C
202,5664
0
Vậy rR ở 78,584 C = 202,5664 kcal/kg
Tra hình I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
rN ở 600C
579
0
rN ở 100 C
539
rN ở 78,5840C
560,416
0
Vậy rN ở 78,584 C = 560,4 kcal/kg
Do đó: rd = yd.202,5 + (1-yd).560,4 = 230,121 kcal/kg
Đến đây, ta có hệ phương trình 3 ẩn số:
Vậy, giải ra ta được:

Đến đây, ta xác định được

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 14


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng

Vậy Gy = 124,57 kmol/h
I.2.3 Tính Gx
Theo công thức 2.42/84 QTTB Truyền khối BKHN, thì Gx là lượng lỏng đi trong đoạn cất,
kg/h, được tính bằng lượng hoàn lưu.

Vậy Gx = 101,91 kmol/h
Đến đây ta có bảng thông số sau:
dtd

ρxTB

ρyT
B
0,0153 800,16 1,21
8
6
5
kg/m
m
kg/m3
3
Vậy, đường kính của đoạn cất là:

Gx

Gy = gTB

3292,8 kg/h

4394,39 kg/h

101,91
kmo/h

124,57
kmol/h

µx

µy

0,41.10
-3
kg/m.s

3,884.10
-5
kg/m.s

I.3 Tính chiều cao đoạn cất
Theo công thức IX.50/168 Sổ tay QTTB II và công thức 1.51/19 BT Truyền khối, chiều cao
của phần chêm ứng với đoạn cất được tính như sau:
H1 = Nlt.htd
Trong đó: H1 là chiều cao phần chêm, m; Nlt là số đĩa lý thuyết tương ứng ở phần chêm, nhìn
trên đồ thị ta có 10,75 đĩa; htd là chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ, m.
Theo công thức 2.24/45 BT Truyền khối, ta tính được htd như sau:

Ta có:
Và:
Trong đó: m là hệ số phân bố, được xác định bằng cách lấy giá trị trung bình tg góc nghiêng

của đường cân bằng với mặt phẳng ngang, ứng với đoạn ở phần cất.


Xác định hệ số phân bố m
Đo trực tiếp từ đồ thị, ta thu được các giá trị sau
m1 = tg27 = 0,5
m2 = tg23 = 0,42
m3 = tg32 = 0,624
m4 = tg35 = 0,7
Vậy giá trị m = (0,5 + 0,42 + 0,624 + 0,7)/4 = 0,561

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 15


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Vậy xác định htd như sau:

Như vậy, chiều cao đoạn cất là:
H1 = 0,633.10,75 = 6,8m
Để tránh hiệu ứng thành, thì ta chia đoạn cất này ra thành những tầng chêm có độ dài khoảng
3 đến 4 lần đường kính. Nghĩa là cứ 3,4m sẽ là một lớp đệm và ngăn cách bởi những đĩa phân
phối lại chất lỏng. Do đó, trong suốt 6,8m chiều cao thì có 2 đĩa phân phối lại chất lỏng.

I.4 Tính đường kính đoạn chưng
Theo công thức IX.90/181 Sổ tay QTTB II thì đường kính của phần chưng là

Trong đó: D’ là đường kính, m; g’TB = G’y là lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h; ρ’yTB là
khối lượng riêng trung bình pha hơi ở nhiệt độ làm việc, kg/m3; ω’yTB là vận tốc hơi đi trong

tháp, m/s (ωy = 0,85.ωs)
I.4.1 Tính ω’yTB
Theo công thức 1.40/17 Bài tập Truyền khối thì vận tốc hơi (vận tốc sặc) đi trong tháp ở
phần cất là:

Trong đó: ω’s là tốc độ sặc, tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương, m/s; µ’x là độ nhớt của hỗn hợp
lỏng ở nhiệt độ làm việc, kg/m.s (N.s/m2); dtd là đường kính tương đương của vật chêm, m;
G’y, G’x là lưu lượng hơi và lưu lượng lỏng, kg/s; g là gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2; ρ’xTB là
khối lượng riêng trung bình pha lỏng ở nhiệt độ làm việc, kg/m3; C = -0,125 trong trường hợp
chưng cất.





Nhiệt độ làm việc là nhiệt độ trung bình ở đoạn chưng
Thành phần mol hơi trung bình ytb ở phần cất được suy từ phương trình đường chưng,
ứng với thành phần lỏng trung bình:

Xác định µ’x
Theo công thức 1.9b/17 QTTB Cơ học 1, độ nhớt của hỗn hợp lỏng được xác định
như sau:
Trong đó: yR, yN là phần thể tích của rượu, nước trong pha lỏng.
Do xét trong pha lỏng ở đoạn chưng, nên khi xét 1 mol hỗn hợp, ta có phần mol trung
bình là xtb = 0,108
Trong pha lỏng, ta có: m = d.V
Trong đó: d là khối lượng riêng, kg/m3; V là thể tích, m3.
Mặt khác, xét trong 1 mol hỗn hợp lỏng thì:
mR = nR.MR = 0,108.46 = 4,97 kg
mN = nN.MN = (1 – 0,108).18 = 16 kg

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 16


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Vậy, phần thể tích của rượu và nước được xác định ở ttb = 91,30C là:
o Tính µR
Độ nhớt của rượu ở pha lỏng, được tính như sau:
Tra bảng I.101/91 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
µR ở 800C
4,35E-04
0
µR ở 100 C
3,26E-04
µR ở 91,30C
0,000373415
0
-4
2
Vậy µR ở 91,3 C = 3,7.10 N.s/m
o Tính µN
Độ nhớt của nước ở pha lỏng, được tính như sau:
Tra hình I.102/94 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
µN ở 910C
µN ở 920C
µN ở 91,30C
Vậy µN ở 91,30C = 3,12.10-4 N.s/m2


3,13E-04
3,09E-04
0,00031195

Vậy:
Xác định µ’y
Dựa vào công thức 1.8/17 QTTB Cơ học 1, độ nhớt của hỗn hợp khí được tính như
sau:
Trong đó: Mhh là khối lượng phân tử hỗn hợp, đvC; yi, Mi, µi là phần thể tích, khối
lượng phân tử và độ nhớt của cấu tử i.
Ở đây ta chỉ có 2 cấu tử là nước và rượu, nên công thức được viết lại thành:
(theo công thức I.18/85 Sổ tay QTTB I)
o Xác định mR, mN
Giả sử trạng thái hơi ở đoạn chưng là khí lý tưởng: PV = nRT, trong đó V là
thể tích khí, m3; n là số mol, mol; R là hằng số khí, 0,082057 atm/mol.K; P là
áp suất, chưng cất ở 1 at; T là nhiệt độ, K.
Xét trong 1mol hỗn hợp khí, thì ytb = 0,214 chính là số mol rượu, và mR = VR
là phần thể tích rượu.
o Xác định µR, µN
Độ nhớt của rượu ở pha hơi, được tính như sau:
Tra hình I.35/117 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
µR ở 900C
1,12E-05
µR ở 1000C
1,17E-05
0
µR ở 91,3 C
1,1265E-05
Vậy µR ở 91,30C = 1,265.10-5 N.s/m2 (Pa.S)

Độ nhớt của nước ở pha hơi, được tính như sau:
Tra hình I.35/117 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
µN ở 900C
µN ở 1000C
µN ở 91,30C

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

1,19E-05
1,29E-05
1,2E-05
Trang 17


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Vậy µN ở 91,30C = 1,2.10-5 N.s/m2 (Pa.S)
o Xác định Mhh
Có MR = 46 đvC, MN = 18 đvC.
Mhh = ytb.MR + (1-ytb).MN = 0,214.46 + (1-0,214).18 = 24 đvC.
Vậy:


Tính ρ’xTB
Theo công thức IX.104a/183 Sổ tay QTTB II, khối lượng riêng trung bình của hỗn
hợp lỏng đi trong đoạn chưng:
Trong đó: ρxR, ρxN là khối lượng riêng trung bình pha lỏng của rượu và nước ở nhiệt
độ trung bình của đoạn chưng, kg/m3; a’tb là phần khối lượng của rượu trong pha lỏng.
Tra bảng I.2/9 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
ρR ở 800C
735

ρR ở 1000C
716
0
ρR ở 91,3 C
724,26
0
3
Vậy ρR ở 91,3 C = 724,26 kg/m
Tra bảng I.5/12 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
ρN ở 900C
965,34
ρN ở 950C
961,92
0
ρN ở 91,3 C
964,45
Vậy ρN ở 91,30C = 964,45 kg/m3
Do đó, khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng đi trong đoạn chưng:



Tính ρ’yTB
Theo công thức IX.103/183 Sổ tay QTTB II, khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp
hơi đi trong đoạn chưng:
Trong đó: ρyR, ρyN là khối lượng riêng trung bình pha hơi của rượu và nước ở nhiệt độ
trung bình của đoạn chưng, kg/m3; ytb là nồng độ phần mol pha hơi của rượu trong
đoạn chưng lấy theo giá trị trung bình, đã tính ở trên, ytb = 0,214.
o Tính ρyR
Ta xem trạng thái hơi của rượu trong đoạn chưng như là khí lý tưởng, theo
công thức 1.13/18 QTTB Cơ học 1, ta có khối lượng riêng chất khí được tính

như sau:
Trong đó: MR = 46 đvC; Po là áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn (1 at); T, P là
nhiệt độ và áp suất chất khí. Ở đây tháp chưng cất trong điều kiện áp suất khí
quyển, P = Po = 1 at. Do đó, ta tính được:
o Tính ρyN
Tương tự, ta có MN = 18 đvC và tính toán ở điều kiện nhiệt độ trung bình của
đoạn cất ttb = 91,30C.

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 18


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Do đó, khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp hơi đi trong đoạn cất:
Với tỉ số:
Tuy nhiên tỉ số trên chỉ dùng trong trường hợp nhập liệu lỏng sôi, ở đây ta nhập liệu lỏng
chưa sôi nên phải tính cụ thể G’x và G’y và lập tỉ số.
I.4.2 Tính G’y = g’TB
Theo công thức IX.96/182 Sổ tay QTTB II, lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng g’ TB là:

Trong đó: g’n là lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng để vào đoạn luyện (ở mâm cuối của đoạn
chưng, sát dưới mâm nhập liệu), kg/h hay kmol/h; g’1 là lượng hơi đi vào đoạn chưng (trong
quy trình công nghệ, ta chọn việc sục khí vào đáy tháp nên lượng hơi này sẽ là cơ sở để tính
cần bao nhiêu hơi để sục vào), kg/h hay kmol/h.




Tính g’n

Theo công thức 7.65/196 QTTB Truyền khối thì khi nhập liệu lỏng dưới điểm sôi,
lượng hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng g’n được xác định như sau:
g’n = g1 + GF.(q-1) = 3669,28 + 4100.(1,008673 – 1) = 3704,84 kg/h
Trong đó: g1 là lượng hơi đi vào đoạn luyện, đã được xác định ở phần tính đoạn cất,
kg/h hay kmol/h; q là tỉ số nhiệt đã được tính trong phần cân bằng vật chất.
Tính g’1 (IX.98-100/181 Sổ tay QTTB II)
Mục tiêu là xác định g’1 (kg/h), x’1 và G’1 (kg/h) nên các đơn vị đều theo phần khối
lượng.
Trong đó: G’1 là lượng lỏng đi xuống đĩa dưới cùng đoạn chưng, kg/h hay kmol/h; GW
là suất lượng sản phẩm đáy, kg/h; x’1 là phần khối lượng pha lỏng của rượu ở đĩa dưới
cùng đoạn chưng; y’1 = yW = 0,033 là phần khối lượng pha hơi ở đĩa dưới cùng của
đoạn chưng; xw = 0,005 là phần khối lượng pha lỏng ở đoạn chưng; y’n = y1 = 0,664
là phần khối lượng pha hơi ở đĩa trên cùng của đoạn chưng hay đĩa đầu tiên của đoạn
cất, đã được giải ra ở trên; r’l là ẩn nhiệt hoá hơi của lượng hơi đi vào đĩa thứ nhất của
đoạn chưng, kcal/kg; r’n là ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của
đoạn chưng, kcal/kg.
o Xác định r’1 ở tsW = 99,620C
Tra bảng I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
rR ở 600C
210
rR ở 1000C
194
0
rR ở 99,62 C
194,152
0
Vậy rR ở 99,62 C = 194,152 kcal/kg
Tra hình I.212/254 Sổ tay QTTB I, dùng phương pháp nội suy.
rN ở 600C
rN ở 1000C

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

579
539
Trang 19


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
rN ở 99,620C
539,38
0
Vậy rN ở 99,62 C = 539,38 kcal/kg
Do đó: r’1 = 0,033.194,152 + (1-0,033).539,38 = 527,98 kcal/kg
o Xác định r’n ở tsF = 830C (đĩa trên cùng đoạn chưng là nơi bắt đầu nhập liệu)
Ta có ở 830C thì rR = 200,804 kcal/kg và rN = 556,01 kcal/kg.
Do đó: r’n = 0,664.200,8 + (1-0,664).556 = 320,15 kcal/kg
Đến đây, ta có hệ phương trình 3 ẩn số:
Vậy giải ra ta được:
Đến đây ta xác định được

Vậy G’y = 124,027 kmol/h
I.4.3 Tính G’x
Theo công thức 2.45/84 QTTB Truyền khối BKHN và công thức 7.64/195 QTTB Truyền
khối thì tính lượng G’x lỏng đi trong đoạn chưng như sau:

Vậy G’x = 353,327 kmol/h
Đến đây ta có bảng thông số sau:
dtd

ρ’xT ρ’yT
G’x
B
B
0,0153 902,3
0,8
7428,36 kg/h
8
5
kg/m kg/m
353,327
m
3
3
kmo/h
Vậy tốc độ sặc của hơi đi trong đoạn chưng là:

G’y = g’TB
2975,67 kg/h
124,027
kmol/h

µ’x

µ’y

0,327.10
-3
kg/m.s

3,96.10
-5
kg/m.s

Do đó ωyTB = 0,85.1,5608 = 1,326 m/s
Vậy, đường kính của đoạn chưng là:

I.5 Tính chiều cao đoạn chưng
Theo công thức IX.50/168 Sổ tay QTTB II và công thức 1.51/19 BT Truyền khối, chiều cao
của phần chêm ứng với đoạn chưng được tính như sau:
H2 = Nlt.htd

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 20


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
Trong đó: H2 là chiều cao phần chêm, m; Nlt là số đĩa lý thuyết tương ứng ở phần chêm, nhìn
trên đồ thị ta có 5,25 đĩa; htd là chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ, m.
Theo công thức 2.24/45 BT Truyền khối, ta tính được htd như sau:

Ta có:
Trong đó: m’ là hệ số phân bố, được xác định bằng cách lấy giá trị trung bình tg góc nghiêng
của được cân bằng với mặt phẳng ngang, ứng với đoạn ở phần chưng.


Xác định hệ số phân bố m’
Đo trực tiếp từ đồ thị, ta thu được các giá trị sau
m1 = tg84 = 9,51

m2 = tg84 = 9,51
m3 = tg76 = 4
m4 = tg51 = 1,23
Vậy giá trị m’ = (9,51 + 9,51 + 4 + 1,23)/4 = 6,06

Vậy xác định htd như sau:

Như vậy, chiều cao đoạn chưng là:
H2 = 0,24.5,25 = 1,26m
 Do đường kính đoạn cất là 0,98m và đường kính đoạn chưng là 0,995m không khác
nhau nhiều nên ta làm tròn thành 1m.
 Chiều cao của tháp: Hth = H1 + H2 + (0,8÷1) = 6,8 + 1,26 + 1 = 9,06m
 Chọn đường kính tháp chuẩn là Dth = 1m. Khi đó tra bảng IX.22/230 Sổ tay QTTB II,
ta chọn đĩa phân phối loại 1 và các thông số tương ứng như sau:
Đĩa phân phối loại 1
Đường
kính tháp
Dth, mm
1000

Ống dẫn chất lỏng

Đường
kính đĩa
Dd, mm
600

dxS

t, mm

44,5 x 2,5

70

số lượng,
chiếc
55

Lưới đỡ đệm
Chiều
rộng của
Đường
bước b,
kính lưới
mm
D1 , mm
đệm
25x25
980
20

I.6 Trở lực của tháp đệm
Vì tháp hoạt động dưới điểm đảo pha nên ta sẽ tính trở lực trong trường hợp này cho trường
hợp phần cất và phần chưng.
I.6.1 Trở lực ở phần cất
Theo công thức IX.126/191 Sổ tay QTTB II, tổn thấp áp suất khi đệm ướt ΔPu là:

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 21


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng
, N/m2
Trong đó: ΔPk là tổn thấp áp suất khi đệm khô, N/m2; A2 = 5,15 đối với điểm đảo pha; Gx, Gy
là lưu lượng của lỏng và hơi, kg/s.
Ta có Rey = 1003,94 > 400 nên tổn thấp áp suất khi đệm khô được tính theo công thức
IX.121/189 Sổ tay QTTB II, với H là chiều cao lớp đệm ở phần cất.
Thế giá trị ΔPk tìm được vào tìm ΔPu

I.6.2 Trở lực ở phần chưng
Theo công thức IX.126/191 Sổ tay QTTB II, tổn thấp áp suất khi đệm ướt ΔPu là:
, N/m2
Trong đó: ΔPk là tổn thấp áp suất khi đệm khô, N/m2; A2 = 5,15 đối với điểm đảo pha; Gx, Gy
là lưu lượng của lỏng và hơi, kg/s.
Ta có Rey = 646,46 > 400 nên tổn thấp áp suất khi đệm khô được tính theo công thức
IX.121/189 Sổ tay QTTB II, với H là chiều cao lớp đệm ở phần chưng.
Thế giá trị ΔPk tìm được vào tìm ΔPu

Vậy tổng trở lực của tháp đệm ΔP = 12298 + 1113 = 13411 N/m2 = 0,13 at
(với 1 at = 101325 N/m2)

II.

TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
II.1

Thân thiết bị

Tháp hoạt động ở áp suất thường 1 at nên ta sẽ thiết kế tháp theo các chỉ tiêu sau:






Theo bảng XII.46/349 Sổ tay QTTB II, chọn thép không gỉ X18H10T làm vật liệu chế
tạo tháp chưng etanol-nước ở bất kì nồng độ và nhiệt độ nào.
Thân tháp được chế tạo bằng cách cuốn các tấm thép với kích thước đã được tính sẵn
sau đó hàn ghép mối 2 phía (phương pháp hàn hồ quang điện), theo bảng XIII.8/362
Sổ tay QTTB II có hệ số bền mối hàn φh = 0,95 đối với trường hợp Dth > 700mm và
thép không gỉ.
Thân tháp phần cất và phần chưng, thân tháp và đáy (nắp) được ghép với nhau bằng
mối ghép bích liền, không cổ.
Tháp hoạt động ở nhiệt độ cao, khoảng 800C nên ta phải bọc cách nhiệt cho tháp.

II.1.1 Các thông số cơ bản
 Xác định nhiệt độ tính toán t
SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 22


Đồ án chưng cất hệ ethanol – nước GVHD: Thầy Trịnh Văn Dũng









Đối với thiết bị bọc lớp cách nhiệt thì nhiệt độ tính toán bằng nhiệt độ ở bề mặt lớp
cách nhiệt cộng thêm 200C. Nhiệt độ ở bề mặt lớp cách nhiệt ta sẽ lấy là nhiệt độ lớn
nhất trong quá trình làm việc của tháp, ở phần chưng có tsW = tmax = 99,62 ~ 1000C.
Vậy t = tmax + 20 = 100 + 20 = 1200C.
Xác định áp suất tính toán P
Do tháp hoạt động ở điều kiện áp suất khí quyển 1 at = 101325 N/m2, ta tính áp suất
tính toán ở vị trí sát đáy tháp. Tuy nhiên, khi tính trở lực tháp thì ta đã tính trở lực
trong điều kiện ở 1 at rồi, nên trong công thức tính áp suất tính toán ta sẽ không cộng
1 at vào.
P = Pthuỷ tĩnh + ΔP = 81589 + 13411 = 95000 N/m2 = 0,095 N/mm2
Với Pthuỷ tĩnh = ρx.g.H = 902,35.9,81.9,07 = 81589 N/m2
Trong đó: ρx là giá trị trung bình của pha lỏng, ta chọn giá trị lớn nhất là ρx ở phần
chưng, kg/m3; H là chiều cao tháp đệm đã tính ở trên, m.
Hệ số bổ sung bề dày tính toán C
Khi tính kiểm tra độ bền các chi tiết hoặc các bộ phận của thiết bị cần phải chú ý đến
tác dụng hoá học và cơ học của môi trường lên vật liệu chế tạo thiết bị. Do đó cần bổ
sung cho bề dày tính toán của các chi tiết và bộ phận đó một đại lượng C.
C = Ca + Cb + Cc = 1 + 0 + 0,8 = 1,8mm
Với Ca là hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường, ta chọn là 1mm vì vật liệu
bền, tốc độ ăn mòn do rượu gây ra trong khoảng 0,05 ÷ 0,1mm/năm, tháp hoạt động
tối thiểu 10 năm; Cb = 0 vì trong tháp chỉ đơn thuần là sự chuyển động của lưu chất,
không có bào mòn cơ học do các hạt rắn chuyển động; Cc = 0,8mm là đại lượng bổ
sung cho dung sai của bề dày đối với thép X18H10T theo bảng XIII.9/364 Sổ tay
QTTB II.
Hệ số điều chỉnh η
Theo bảng XIII.2/356 Sổ tay QTTB II, do thiết bị hóa chất thuộc nhóm 2 (các chi tiết,

bộ phận không bị đốt nóng hay được cách ly với nguồn đốt nóng trực tiếp bằng ngọn
lửa, khí lò, điện trở) và thuộc loại II (các thiết bị không dùng để sản xuất và không
dùng để chứa ở áp suất cao, hoặc không dùng để sản xuất và không chứa các chất
cháy nổ, độc ở áp suất thường)  giá trị hiệu chỉnh η = 1.
Tính chất vật lý của thép X18H10T
Đây là thép không gỉ, có thành phần carbon < 0,1%, crôm < 18%, niken < 10% và
titan < 1%. Theo bảng XII.4/310 Sổ tay QTTB II.
Chiều dày tấm thép,
mm

Giới hạn bền .10-6 N/m2

k ứng suất
ch ứng suất
4 ÷ 25
kéo
chảy
550
220
Ta tra bảng XIII.3/356 Sổ tay QTTB II, ta được giá trị hệ số an toàn bền kéo ηk
= 2,6 và hệ số an toàn bền chảy ηc = 1,5 đối với thep không gỉ.
o Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền kéo:
o Ứng suất cho phép của thép X18H10T theo giới hạn bền chảy:

SVTH: Nguyễn Tấn Đức

Trang 23