THIẾT KẾ THÁP MÂM ĐỆM CHƯNG HỖN HỢP ETANOL NƯỚC

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA
----------

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ
MÔN THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ
Đề tài: THIẾT KẾ MÂM THÁP ĐỆM CHƯNG CẤT LIÊN TỤC
HAI CẤU TỬ ETANOL – NƯỚC

GVHD: ThS. NGUYỄN TIẾN ĐẠT
SVTH: Phan Thế Chuẩn
MSSV: 14047071
LỚP: DHHO10B
TP. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2017


BỘ CÔNG THƯƠNG
CỘNG HÒA X HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐHCN TP. HỒ CHÍ MINH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN
KHOA
: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN
:CƠ HỌC VÀ THIẾT BỊ
HỌ VÀ TÊN:
1. Tên đồ án: Thiết kế mâm tháp đệm làm việc ở áp suất thường, chưng cất liên tục
hỗn hợp hai cấu tử Etanol – nước.
2. Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung với số liệu ban đầu).
Số liệu ban đầu:

Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp: 2500 kg/h.
Nồng độ hỗn hợp đầu (phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi): 32%.
Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi): 84%.
Nồng độ sản phẩm đy (phần khối lượng cấu tử dễ bay hơi): 4%.
Nội dung:
Tính tốn thiết kế tháp chưng cất, cn bằng nhiệt lượng.
Tính tốn các thiết bị chính, thiết bị phụ.
Thể hiện sơ đồ công nghệ vẽ chi tiết thp ln giấy A1.
3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
4. Ngày hòan thành nhiệm vụ:
5. Họ và tên người hướng dẫn: Nguyễn Tiến Đạt

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN
(ký và ghi rõ họ tên)

TP. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 8 năm 2017
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN
Người duyệt: ......................................................
Đơn vị:................................................................
Ngày bảo vệ: ......................................................
Điểm tổng kết: ...................................................
Nơi lưu trữ:.........................................................


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế


NHẬN XÉT

.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................
.....................................................................................................................................

Khoa Công Nghệ Hóa Học

3

Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



Mục Lục
Phần 1 : Giới Thiệu Chung
1.1.

Mở Đầu.

1.2.

1.2. Thuyết minh dây chuyền sản xuất.

1.3.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ.

1.4.

Chế độ làm việc của tháp đệm.

1.5. Ưu, nhược điểm của tháp đệm.
1.5.1. Ưu điểm của tháp đệm.
1.5.2. Nhược điểm của tháp đệm.
1.6. Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong đồ án.

Phần 2 : Tính toán, thiết kế thiết bị chính.
2.1. Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp.
2.1.1. Tính cân bằng vật liệu.
2.1.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ.
2.1.2.1. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin)
2.1.2.2. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp (Rth).
2.1.2.3. Phương trình đường nồng độ làm của đoạn luyện.
2.1.2.4. Phương trình đường nồng độ làm của đoạn chưng.
2.1.2.5. Tính số mâm lý thuyết.
2.1.2.6. Tính số mâm thực tế.
2.2. Tính đường kính tháp.
2.2.1. Đường kính đoạn luyện.
2.2.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện.
2.2.1.2. Tính khối lượng riêng trung bình.
2.2.1.3. Tính tốc độ hơi đi trong tháp.
2.2.2. Đường kính đoạn chưng:
2.2.2.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng.
2.2.2.2. Tính khối lượng riêng trung bình.

Khoa Công Nghệ Hóa Học

4


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



2.2.2.3. Tốc độ hơi đi trong đoạn chưng.
2.3. Tính chiều cao tháp.
2.3.1. Tính chiều cao đoạn luyện.
2.3.1.1. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối:
2.3.1.2. Tính m:
2.3.1.3. Tính số đơn vị chuyển khối my:
2.3.2. Chiều cao của đoạn chưng:
2.3.2.1. Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối:
2.3.2.2. Tính m:
2.3.2.3. Tính số đơn vị chuyển khối my:
2.3.2.3. Tính số đơn vị chuyển khối my:
2.4. Trở lực của tháp đệm.
2.4.1. Trở lực của đoạn luyện:
2.4.2. Trở lực của đoạn chưng:
2.4.3. Trở lực của toàn tháp:
2.5. Cân bằng nhiệt lượng.
2.5.1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu:
2.5.2. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện.
2.5.3. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ:
2.5.4. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh:

Phần 3: Tính toán, thiết kế thiết bị phụ
3.1. Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.
3.1.1. Lượng nhiệt cần thiết:
3.1.2. Tải nhiệt trung bình cho quá trình truyền nhiệt.
3.2. Tính toán cơ khí và lựa chon.
3.2.1. Tính các đường ống dẫn.
3.2.1.1.Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh.

3.2.1.2. Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phẩm đỉnh.
3.2.1.3. Tính đường kính ống dẫn liệu.

Khoa Công Nghệ Hóa Học

5


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



3.2.1.4. Tính đường kính ống dẫn sản phẩm đáy.
3.2.1.5. Tính đường kính ống dẫn hồi lưu sản phảm đáy.
3.2.2. Tính chiều dày của thân tháp hình trụ.
3.2.3. Tính đáy và nắp thiết bị.
3.2.4. Tra Bích.
3.2.5. Tính lưới đỡ đệm, dầm đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng:
3.2.6. Tính chọn tai treo và chân đỡ:
3.3. Tính thùng cao vị.
3.3.1. Các trở lực trong quá trình tiếp liệu.
3.3.1.1. Trở lực của đoạn ống từ thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu tới tháp.
3.3.1.2. Trở lực của ống dẫn từ thùng cao vị đến thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.
3.3.1.3. Trở lực của thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu.
3.3.2. Tính chiều cao của thùmg cao vị so với đĩa tiếp liệu:
3.4. Tính Bơm.

Phần 4 : Kết Luận
Phần 5 : Tài Liệu Tham Khảo

Khoa Công Nghệ Hóa Học

6


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



Phần 1 : Giới Thiệu Chung
1.1. Mở Đầu.
Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng (cũng như các
hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác
nhau của các cấu tử trong hỗn hợp. Chúng ta có thể thực hiện nhiều phương pháp
chưng khác nhau như chưng gián đoạn, chưng liên tục, chưng đơn giản, và chưng
đặc biệt (chưng luyện hỗn hợp đẳng phí, chưng phân tử, chưng bằng hơi nước trực
tiếp, chưng trích ly).
Ngày nay, chưng được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp:
+ Dầu mỏ, các tài nguyên được khai thác ở dạng lỏng.
+ Không khí hóa lỏng.
+ Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất
lỏng. Ví dụ: sản xuất metanol, etylen…
+ Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp chất lỏng như
etylic-nước từ quá trình lên men.

Khi chưng, hỗn hợp đầu chứa bao nhiêu cấu tử thì ta thu được bấy nhiêu
cấu tử sản phẩm. Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiến hành chưng
nhiều lần hay còn gọi là chưng luyện.
Trong quá trình sản xuất Etanol thường kèm theo rất nhiều sản phẩm phụ là
Nước. Vì vậy, nồng độ cũng như độ tinh khiết của Etanol không được cao. Trong
phần đồ án này sẽ trình bày thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để
phân tách hỗn hợp Etanol – Nước. Hỗn hợp đầu gồm 2 cấu tử là Etanol và Nước
nên được gọi là chưng luyện hỗn hợp 2 cấu tử. Etanol – Nước được phân tách
thành hai cấu tử riêng biệt nhờ phương pháp chưng luyện liên tục với tháp chưng

Khoa Công Nghệ Hóa Học

7


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



luyện là loại tháp đệm, làm việc ở áp suất thường (1at) với hỗn hợp đầu vào được
gia nhiệt đến nhiệt độ sôi.
Sau quá trình chưng luyện, ta thu được sản phẩm đỉnh là cấu tử có độ bay hơi
lớn hơn (Etanol) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bay hơi hơn (Nước). Sản phẩm
đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi (Nước) và một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi
(Etanol).
Trong suốt quá trình tính toán và thiết kế, được sự hưóng dẫn trực tiếp và sự
giúp đỡ nhiệt tình của ……cũng như với sự nỗ lực và cố gắng của bản thân bản đồ

án thiết kế tháp chưng luyện liên tục loại tháp đệm để phân tách Etanol – Nước với
các thông số như nội dung đề tài được giao của em đã được hoàn thành với nội
dung sau:
Phần 1. Giới thiệu chung.
Phần 2. Tính toán, thiết kế thiết bị chính.
Phần 3. Tính toán, thiết kế thiết bị phụ.
Phần 4. Kết luận chung.
Phần 5. Tài liệu tham khảo.

Khoa Công Nghệ Hóa Học

8


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



1.2. Thuyết minh dây chuyền sản xuất.
Nguyên liệu đầu được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên
thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất ở thùng cao vị được khống chế bởi cửa
chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị (3) tự chảy xuống thiết bị đun nóng hỗn
hợp đầu (4), quá trình tự chảy này được theo dõi bằng van và đồng hồ đo lưu
lượng. Tại thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hoà), hỗn hợp
đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi. Sau khi đạt đến nhiệt độ sôi, hỗn hợp này
được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5). Trong tháp, pha
lỏng đi từ trên xuống tiếp xúc với hơi được tạo thành ở thiết bị đun sôi đáy tháp

(9) đi từ dưới lên, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Theo
chiều cao của tháp, càng lên cao thì nhiệt độ càng thấp nên khi hơi đi qua các tầng
đệm từ dưới lên, cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ. Quá trình tiếp xúc lỏng –
hơi trong tháp diễn ra liên tục làm cho pha hơi ngày càng giàu cấu tử dễ bay hơi,
pha lỏng ngày càng giàu cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng trên đỉnh tháp ta sẽ thu
được hầu hết là cấu tử dễ bay hơi (Etanol) và một phần rất nhỏ cấu tử khó bay hơi
(Nước). Hỗn hợp hơi này được đi vào thiết bị ngưng tụ hồi lưu (6) và tại đây nó
được ngưng tụ hoàn toàn (tác nhân là nước lạnh). Một phần chất lỏng sau ngưng tụ
chưa đạt yêu cầu được đi qua thiết bị phân dòng để hồi lưu trở về đỉnh tháp; phần
còn lại được đưa vào thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết sau đó
đi vào thùng chứa sản phẩm đỉnh (8). Chất lỏng hồi lưu đi từ trên xuống dưới, gặp
hơi có nhiệt độ cao đi từ dưới lên, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (Etanol) lại
bốc hơi đi lên, một phần cấu tử khó bay hơi (Nước) trong pha hơi sẽ ngưng tụ đi
xuống. Do đó, nồng độ cấu tử khó bay hơi trong pha lỏng ngày càng tăng. Cuối
cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết là cấu tử khó bay hơi
(Nước), một phần rất ít cấu tử dễ bay hơi (Etanol). Hỗn hợp lỏng này được đưa ra
khỏi đáy tháp, qua thiết bị phân dòng, một phần được đưa ra thùng chứa sản phẩm
đáy (10), một phần được tận dụng đưa vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp (9) dùng hơi
nước bão hòa. Thiết bị gia nhiệt (9) này có tác dụng đun sôi tuần hoàn và bốc hơi

Khoa Công Nghệ Hóa Học

9


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



hỗn hợp đáy (tạo dòng hơi đi từ dưới lên trong tháp). Nước ngưng của các thiết bị
gia nhiệt được tháo qua thiết bị tháo nước ngưng (11) đi xử lý.
Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào và sản phẩm
được cung cấp và lấy ra liên tục.

Khoa Công Nghệ Hóa Học

10


Đồ án QTTB
Chuẩn
1.5.

SVTH: Phan Thế



Sơ đồ dây chuyền công nghệ.
N íc

6
3
N í c l¹ nh

5

7

H¬i ®èt

N íc
N í c l¹ nh

4
9

11

N í c ng ng

H¬i ®èt

11

N í c ng ng

2

10

1

Khoa Công Nghệ Hóa Học

11

8

Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



* Chú thích:
1- Thùng chứa hỗn hợp đầu
3- Thùng cao vị
5- Tháp chưng luyện
7- Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh
9- Thiết bị gia nhiệt đáy tháp
11- Thiết bị tháo nước ngưng
1.6.

2- Bơm
4- Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu
6- Thiết bị ngưng tụ hồi lưu
8- Thùng chứa sản phẩm đỉnh
10- Thùng chứa sản phẩm đáy

Chế độ làm việc của tháp đệm.
Tùy thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm là chế

độ dòng, xoáy hay sủi bọt. Chế độ dòng, vận tốc khí còn bé, lực hút phân tử lớn
hơn lực ỳ nên chuyển khối được quyết định bằng khuếch tán phân tử. Tăng dần
vận tốc đến khi lực ỳ bằng lực phân tử quá trình chuyển khối được quyết định

không chỉ bằng khuếch tán phân tử mà còn có khuếch tán đối lưu. Chế độ thủy
động chuyển sang chế độ quá độ. Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta có chế
độ xoáy và quá trình chuyển khối được quyết định bởi khuếch tán đối lưu. Đến
một giới hạn nào đó của vận tốc khí sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha. Lúc này chất
lỏng sẽ choán toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn khí phân tán vào lỏng và
trở thành pha phân tán. Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi là vận tốc đảo pha.
Do khí sục vào lỏng nên tạo bọt.
Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất,
song trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở vận tốc đảo pha, vì nếu tăng nữa sẽ rất
khó đảm bảo quá trình ổn định. Chế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanh
đệm, nên còn gọi là chế độ màng. Do đó, trong thực tế tháp làm việc ở chế độ
màng.

1.5. Ưu, nhược điểm của tháp đệm.

Khoa Công Nghệ Hóa Học

12


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



1.5.1. Ưu điểm của tháp đệm.
+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc pha lớn.
+ Cấu tạo tháp đơn giản.

+ Trở lực trong tháp không lớn lắm.
+ Giới hạn làm việc của tháp tương đối rộng.

1.5.2. Nhược điểm của tháp đệm.
+ Khó làm ướt đều đệm.
+ Tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều.

1.6. Bảng kê các ký hiệu thường dùng trong đồ án.
- F: Lượng hỗn hợp đầu, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- P: Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- W: Lượng sản phảm đáy, kg/h (hoặc kg/s, kmol/h)
- Các chỉ số

F, P, W

: tương ứng chỉ đại lượng đó thuộc về hỗn hợp đầu, sản

phẩm đỉnh, sản phẩm đáy.
- a: nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi, kg nước/kg hỗn hợp
- x: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi, kmol nước/kmol hỗn hợp
- M: Khối lượng mol phân tử, kg/kmol
- µ: độ nhớt, Ns/m2
- ρ: khối lượng riêng, kg/m3
- Các chỉ số

A, N, x, y, hh

: tương ứng chỉ đại lượng thuộc về cấu tử axeton, nước,

thành phần lỏng, thành phần hơi và hỗn hợp.

Phần 2 : Tính toán, thiết kế thiết bị chính.
Khoa Công Nghệ Hóa Học

13


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



2.1. Tính toán cân bằng vật liệu toàn tháp.
2.1.1. Tính cân bằng vật liệu.
- Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp.
F=P+W
- Đối với cấu tử dễ bay hơi:
F.aF = P.ap + W.aw
- Lượng sản phẩm đỉnh là:
P = F.

aF − aw
a p − aw

- Lượng sản phẩm đáy là:
W=F–P
Đầu bài cho: F = 2.5 tấn/h
hay F = 2500 Kg/h

Vậy ta có lượng sản phẩm đỉnh là:
P = F.

aF − aw
0.32 − 0.04
= 2500 *
= 875 Kg/h
a p − aw
0.84 − 0.04

- Lượng sản phẩm đáy là:
W = F - P = 2500 – 875 = 1625 Kg/h
* Đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol:
áp dụng công thức:

x=

Với:

aA
MA
a
aA
+ N
MA MN

M A = M C3 H 6 0 = 46

Kg/Kmol

Khoa Công Nghệ Hóa Học

14


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



M N = M H 2 0 = 18 Kg/Kmol

Thay số liệu vào ta có:
aF
MA
xF =
(1 − a F )
aF
+
MA
MN

0.32
46
=
= 0.1555 phần mol
0.32 1 − 0.32
+

46
18

aP
0.84
MA
46
xP =
=
= 0.672 phần mol
a P (1 − a P )
0.84 1 − 0.84
+
+
46
18
MA
MN
aw
0.04
MA
46
xw =
=
= 0.016 phần mol
a w (1 − a w )
0.04 1 − 0.04
+
+
46

18
MA
MN

* Tính khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản
phẩm đáy.
- Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp đầu:
MF = xF.MA + (1 - xF).MN
MF = 0.1555*46 + (1- 0.1555)*18
MF = 22.354 Kg/Kmol
- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đỉnh:
Mp = xp.MA + (1 - xp).MN
Mp = 0.672*46 + (1- 0.672)*18
Mp = 36.816 Kg/Kmol
- Khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm đáy:

Khoa Công Nghệ Hóa Học

15


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



Mw = xw.MA + (1 - xw).MN
Mw = 0.016*46 + (1- 0.016)*18

Mw = 18.446 Kg/Kmol
* Đổi đơn vị của F, P, W từ Kg/h sang Kmol/h:
F=

F ( kg / h )
2500
=
= 111 .83Kmol / h
MF
22.354

P=

P( kg / h )
875
=
= 23.76 Kmol / h
Mp
36.816

W =

W ( kg / h )
1625
=
= 80.09 Kmol / h
Mw
18.446

2.1.2. Xác định số bậc thay đổi nồng độ.

2.1.2.1. Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin).
Theo số liệu Bảng tra cứu thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ
sôi của hỗn hợp 2 cấu tử etanol – Nước ở 760 mmHg (% mol) ta có bảng sau:
Bảng 1: Thành phần cân bằng lỏng hơi.
x(%phân
mol)
y(%phân
mol)
t(oC)

0
0
100

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

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

80

79,4

79

1], với giá trị xF = 0.1555 ta dóng lên đường cân bằng và tìm được giá trị y*F =

Hình 1: Đồ thị đường cân bằng lỏng – hơi

Khoa Công Nghệ Hóa Học

16

100

78,6 78,4 78,4

Từ số liệu trong bảng trên ta vẽ đồ thị đường cân bằng lỏng (x) – hơi (y) [Hình
0.494

100

Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế


Hệ Etanol
-Nước

y(%mol)

100

90
80
70
60
50
40
30
20
10

x(%mol)

0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Rmin được tính theo công thức :
R xmin =

x p − y *F
y F* − x F

y*F: nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha
lỏng xF của hỗn hợp.
=> R xmin =

x p − y F*
y − xF
*

F

=

0.672 − 0.494
= 0.525
0.494 − 0.1555

2.1.2.2. Tính chỉ số hồi lưu thích hợp (Rth).

Khoa Công Nghệ Hóa Học

17

100


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



Rth: chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất.
Cơ sở của việc chọn Rth theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất là:
V = H.S
H: tỷ lệ với Nlt
G = W.S = P.(R + 1)
 S tỷ lệ với (R + 1)

 V = H*S tỷ lệ với Nlt *(R + 1)
Giá thành tháp tỷ lệ với V, mà V tỷ lệ với N lt(R + 1), giá thành tháp thấp nhất
ứng với thể tích tháp nhỏ nhất. Vì vậy cần phải chọn chế độ làm việc thích hợp
cho tháp, tức là Rth.
Trong đó:

V: là thể tích của tháp
H: chiều cao của tháp
S: tiết diện của tháp
Nlt: số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết)

ứng với mỗi giá trị của R > Rmin ta dựng được một đường làm việc tương ứng
và tìm được một giá trị Nlt
Bảng 2: Bảng giá trị thể hiện biến đổi Rth- Nlt(Rth+ 1).
Rth

0.7875

1.3125

1.575

2

2.625

B

1.5

2.5

3

3.8

5

Nlt

8

6

5

5

5

14.3

13.875

12.875

15

18.125

Nlt(Rth+ 1)

Xây dựng đồ thị quan hệ giữa Rth – Nlt(Rth+1). Qua đồ thị ta thấy, với Rth =
1.575 thì Nlt(Rth + 1) là nhỏ nhất hay thể tích tháp nhỏ nhất. Vậy ta có Rth = 1.575
(Đồ thị hình 2).
Hình 2: Đồ thị quan hệ giữa Rth – Nlt(Rth+1).

Khoa Công Nghệ Hóa Học

18


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



2.1.2.3. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện.
y=

Rth
XP
x+
Rth + 1
Rth + 1

Trong đó:
+y: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ đĩa dưới lên

đĩa.
+x: là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa đó xuống.
+Rth : chỉ số hồi lưu thích hợp.
Thay số liệu vào ta có:
yL =

Rth
XP
1.575
0..672
x+
=
x+
Rth + 1
Rth + 1 1.575 + 1
1.575 + 1

yL = 0.611x + 0.26

2.1.2.4. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng.
x=

Rth + 1
f −1
y+
xw
Rth + f
Rth + f

Khoa Công Nghệ Hóa Học

19


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế


⇔ y=

Rth + f
f −1
x−
xw
Rth + 1
Rth + 1

Trong đó:
f =

F 111 .83
=
= 4.7 (lượng hỗn hợp đầu tính cho 1kmol sản phẩm đỉnh).
P 23.76

Thay số liệu vào ta có:
yC =

Rth + f
f −1
1.575 + 4.7
4.7 − 1
x−
xw =
x−
.0.016
Rth + 1
Rth + 1
1.575 + 1
1.575 + 1

yc = 2.436x – 0.023

2.1.2.5. Số mâm lý thuyết.

- Vẽ đồ thị xác định số mâm ta được 5 mâm bao gồm :
+ 3 mâm cất
+ 2 mâm chưng
 Nlt = 5 mâm.

2.1.2.6. Xác định số mâm thực tế.

Khoa Công Nghệ Hóa Học

20


Đồ án QTTB

Chuẩn

SVTH: Phan Thế



- Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :
Trong đó: ηtb: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương đối
và độ nhớt của hỗn hợp lỏng : η = f(α,μ).
Ntt: số mâm thực tế. Nlt: số mâm lý thuyết.
- Xác định hiệu suất trung bình của tháp ηtb

y* 1− x
Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi : α =
1− y* x
Với : x là phần mol của rượu trong pha lỏng .
*
y : phần mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
+Tại vị trí nhập liệu:
tra đồ thị cân bằng của hệ ta được

Từ

và

;

.

, tra tài liệu tham khảo [1 (tập 1) – trang 107] ta được:

Suy ra:
Tra tài liệu tham khảo [1 (tập 2) – trang 171]: F = 0,39
+Tại vị trí mâm đáy:
tra đồ thị cân bằng của hệ ta được

Từ

và

;

.

, tra tài liệu tham khảo [1 (tập 1) – trang 107] ta

được:
Suy ra:
Tra tài liệu tham khảo [1 (tập 2) – trang 171]:
+Tại vị trí mâm đỉnh:
tra đồ thị cân bằng của hệ ta được

Từ

và

= 0,38
;

.

, tra tài liệu tham khảo [1 (tập 1) – trang 107] ta

được:
Suy ra:

Khoa Công Nghệ Hóa Học

F

21


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



Tra tài liệu tham khảo [1 (tập 2) – trang 171]:

P

= 0,75

Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp:

.507

Số mâm thực tế của tháp Ntt:

Vậy số mâm thực tế là 10 mâm.

2.2. Tính đường kính tháp.
Đường kính tháp được xác định theo công thức:
D = 0.0188

g tb
( ρ y .ω y ) tb

,m

[IX.90 – II.181]

Trong đó:
gtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, kg/h.
(y.y)tb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, kg/m2.s
Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau
trong mỗi đoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn.

2.2.1. Đường kính đoạn luyện.
2.2.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện.
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình
cộng của lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới
cùng của đoạn luyện.
g tb =

g d + g1
, kg/h

2

[IX.91- II.181]

Trong đó:

Khoa Công Nghệ Hóa Học

22


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



+gtb: lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện, kg/h.
+gđ: lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp, kg/h.
+gl: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện, kg/h.
*Lượng hơi ra khỏi đỉnh tháp:
gđ =

+

= (Rth+1)

[IX.92 - II.181]

gđ = 875(1.575 + 1)
gđ = 2253.125 kg/h
*Lượng hơi đi vào đoạn luyện:
Lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của
đoạn luyện được xác định theo hệ phương trình.
g1 = G1 + Gp
g1.y1 = G1.x1 + Gp.xp

[II.182]

g1.r1 = gđ.rđ
Trong đó:
+y1: hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện, phần khối lượng.
+G1: lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện.
+r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất.
+rđ: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp.
x1 = xF = 0.1555 phần mol tương đương với 0.32 phần khối lượng.
* r1 = ra.y1 + (1-y1).rn

[II.182]

Với ra, rn : ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Etanol và Nước ở
t01 = t0F . Từ x1= xF = 0.1555 dựa vào Bảng 1 ta được t01 = t0F = 85 0C
Với t01 = 85 0 C nội suy theo Bảng I.212 [I.254] ta được:
ra = rC 2 H 5O = 1011 .02 kJ/kg.
rn = r

H 2O

= 2387.16

Khoa Công Nghệ Hóa Học

kJ/kg.

23


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế





r1 = 1011.2y1 + (1 - y1)2387.16



r1 = 2387.16 – 1375.96.14y1

kJ/kg.

* rđ = ra.yđ + (1 – yđ).rn

[II.182]

Với ra, rn : ẩn nhiệt hoá hơi của các cấu tử nguyên chất là Etanol và Nước ở

t02 = t0p . Từ xp = 0.672 dựa vào Bảng I ta được t0p = 79.10C.
+ yđ: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp, phần khối lượng.
yđ = yp = xp = 0.84 phần khối lượng.
Với t02 = tP = 79.10C nội suy theo Bảng I.212 [I.254] ta được:
ra = rC 2 H 5O = 854.61
rn = rH 2O = 2355.28

kJ/kg.
kJ/kg.



rđ = 854.61*0.84 + (1 - 0,84)*2355.28



rđ = 1094.72

kJ/kg.

Thay các giá trị đã tính được vào hệ phương trình trên ta được:
g1 = G1 + 875
g1y1 = 0.32G1 + 875*0.84
g1(2387.16 – 1375.96y1) = 2253.125*1094.72= 24667541
Giải hệ phương trình ta được:
g1 = 1588.51 kg/h
G1 = 713.51
y1 = 0.606

kg/h

phần khối lượng

Thay y1 = 0.606 vào r1 ta được:
r1 = 2387.16 – 1375.96*0.606 = 1553.91

kJ/kg

* Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện là:
g tb L =

g d + g1 2253.125 + 1588.51
=
= 1920.8175
2
2

Khoa Công Nghệ Hóa Học

24

kg/h.


Đồ án QTTB
Chuẩn

SVTH: Phan Thế



2.2.1.2. Tính khối lượng riêng trung bình.
* Khối lượng riêng trung bình đối với pha hơi được tính theo:
ρ ytb =

y tb1 .M A + (1 − y tb1 ).M N
22.4 * T

* 273

,kg/m3

[IX.102 – II.183]

Trong đó:
T: nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, 0K.
ytb1: nồng độ phần mol của Etanol lấy theo giá trị trung bình
y tb1 =

y d1 + y c1

[II - 183]

2

Với y d , y c : nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh, phần mol.
1

1

y d1 = yp = 0.672

phần mol

y c1 = y1 = 0.606

phần khối lượng

+ Đổi sang phần mol ta có:
0.606
46
y c1 =
= 0.376
0.606 1 − 0.606
+
46
18
⇒ y tb1 =

y d1 + y c1
2

=

0.672 + 0.376
= 0.524
2

phần mol

phần mol

+ Với y tb = 0.524 phần mol. Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta được:
L

t y0tb L = 79.8 0 C


T = 79.8 + 273 = 352.8 0K.

Khoa Công Nghệ Hóa Học

25