Tính toán và thiết kế hệ thống chưng cất ethanol nước dùng tháp mâm xuyên lỗ, năng suất 2000lh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ
MINH
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT
ETHANOL – NƯỚC
BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NĂNG SUẤT 2000 L/h

Giáo viên hướng dẫn: KS. BÙI VĂN A
Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THỊ QUỲNH NHƯ
NGUYỄN VĂN NGỌC
Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC
Niên khóa: 2013 - 2017

Tháng 11/2017


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT ETHANOL – NƯỚC
BẰNG THÁP MÂM XUYÊN LỖ NĂNG SUẤT 2000 L/H

Tác giả

NGUYỄN THỊ QUỲNH NHƯ
NGUYỄN VĂN NGỌC

Báo cáo đồ án học kỳ 3 năm học 2016 – 2017
Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học

Giáo viên hướng dẫn
KS. BÙI VĂN A

Tháng 09/2017


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa
học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp với
quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, các phương pháp được sử dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly,
chưng cất, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa
chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ Ethanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn,
ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol.
Đồ án thiết kế tháp chưng cất hệ Ethanol - Nước hoạt động liên tục với nâng suất
nhập liệu: 2000 L/h có nồng độ 15% mol ethanol, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ
85% mol ethanol với độ thu hồi ethanol là 99%.
Bằng sự nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy
Bùi VĂN A, chúng em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Do thời gian làm đồ án có
hạn và trình độ còn nhiều hạn chế không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy, cô cũng như là các bạn sinh viên để bài đồ án
này hoàn thiện hơn nữa.
Nhóm sinh viên thực hiện đồ án.


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên giáo viên:.........................................................................................................
Chức vụ:..........................................................................................................................
Nhận xét:..........................................................................................................................

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Giáo viên hướng dẫn

KS. Bùi VĂN A


TÓM TẮT
Sinh viên thực hiện Nguyễn VĂN NGỌC – Nguyễn Thị Quỳnh Như đồ án
được bảo vệ vào tháng 11 năm 2017, tên đồ án “Tính toán và thiết kế hệ thống chưng
cất Ethanol – Nước dùng tháp mâm xuyên lỗ, năng suất 2000l/h”.
Đồ án được thực hiện từ tháng 8 đến tháng 9 năm 2017.
Nội dung đồ án và kết quả thu được:
- Thiết kế, tính toán tháp chưng cất ethanol – dùng tháp mâm xuyên lỗ quy mô
công nghiệp.
- Tính toán tương đối chi tiết quá trình làm việc và khả năng chịu bền của thiết bị
về tính ăn mòn cơ học và hoá học, cũng như điều kiện làm việc của thiết bị.


MỤC LỤC
TRANG TỰA.................................................................................................................I
LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................................II
NHẬN XÉT................................................................................................................. III
TÓM TẮT...................................................................................................................IV

MỤC LỤC.................................................................................................................... V
DANH SÁCH HÌNH..................................................................................................VII
DANH SÁCH BẢNG...............................................................................................VIII
CHƯƠNG 1.
1. 1.

TỔNG QUAN......................................................................................1

Nguyên liệu.......................................................................................................1

1.1.1. Ethanol..........................................................................................................1
1.1.2. Nước.............................................................................................................5
1.1.3. Hỗn hợp ethanol – nước................................................................................7
1. 2.

Phương pháp chưng cất.....................................................................................7

1.2.1. Bản chất quá trình chưng cất.........................................................................7
1.2.2. Phân loại chưng cất.......................................................................................8
1.2.3. Thiết bị chưng cất.......................................................................................12
CHƯƠNG 2.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ..............................................................15

2.1.

Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ ethanol – nước.................................15

2.2.

Thuyết minh sơ đồ quy trình công nghệ..........................................................17

CHƯƠNG 3.

CÂN BẰNG VẬT CHẤT..................................................................18

3.1.

Các thông số ban đầu......................................................................................18

3.2.

Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy.....................................18


3.3.

Xác định tỉ số hoàn lưu thích hợp...................................................................20

3.3.1. Tỉ số hoàn lưu tối thiểu...............................................................................20
3.3.2. Tỉ số hoàn lưu thích hợp.............................................................................21
3.4.

Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết...........................................21

3.4.1. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:..................................21
3.4.2. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:.............................21
3.4.3. Số mâm lý thuyết:.......................................................................................22
3.5.

Xác định số mâm thực tế.................................................................................23

CHƯƠNG 4.
4.1.

TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT..............................25

Đường kính tháp.............................................................................................25

4.1.1. Đường kính đoạn cất...................................................................................25
4.1.2. Đường kính đoạn chưng.............................................................................27
4.2.

Mâm lỗ - trở lực của mâm...............................................................................30

4.2.1. Cấu tạo mâm lỗ...........................................................................................30
4.2.2. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm........................................................31
4.2.3. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động..........................................................35
4.2.4. Chiều cao của tháp......................................................................................36
4.3.

Tính toán cơ khí của tháp................................................................................37

4.3.1. Bề dày thân tháp.........................................................................................37
4.3.2. Đáy và nắp thiết bị......................................................................................38
4.3.3. Bích ghép thân, đáy và nắp.........................................................................39
4.3.4. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn.....................................40
4.3.5. Tai treo và chân đỡ......................................................................................44
CHƯƠNG 5.
5.1.

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT – THIẾT BỊ PHỤ...........47

Các thiết bị truyền nhiệt..................................................................................47

5.1.1. Cân bằng năng lượng..................................................................................47
5.1.2. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.................................................................49


5.1.3. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh...............................................................53
5.1.4. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy..................................................................58
5.1.5. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy...............................61
5.1.6. Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu................................................................65
5.2.

Tính bảo ôn của thiết bị...................................................................................69

5.3.

Tính toán bơm nhập liệu.................................................................................70

5.3.1. Tính chiều cao bồn cao vị...........................................................................70
5.3.2. Chọn bơm...................................................................................................75
CHƯƠNG 6.

KẾT LUẬN........................................................................................78


DANH SÁCH HÌNH
Hình1.1: Cấu trúc phân tử của ethanol..........................................................................1

Hình 1.2: Sơ đồ tóm tắt ứng dụng của ethanol trong các đời sống................................3
Hình 1.3: Biểu đồ cân bằng lỏng hơi của hệ ethanol – nước.........................................7
Hình 1.4: Hệ thống chưng cất đơn giản........................................................................9
Hình 1.5: Hệ thống chưng cất liên tục.........................................................................10
Hình 1.6: Hệ thống chưng cất hơi nước trực tiếp........................................................11
Hình 1.7: Hệ thống chưng cất chân không..................................................................12
Hình 1.8: Tháp mâm chóp...........................................................................................13
Hình 1.9: Tháp mâm xuyên lỗ.....................................................................................13
Hình 1.10: Tháp đệm (tháp chêm)..............................................................................14
Hình 2.1: Sơ đồ khối quy trình chưng cất ethanol – nước...........................................15
Hình 2.2: Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hỗn hợp ethanol – nước....................16
Hình 3.1: Biểu đồ xác định Rmin..................................................................................20
Hình 3.2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết................................................................22
Hình 4.1: Đáy và nắp thiết bị......................................................................................40
Hình 4.2: Bích ghép thân............................................................................................41
Hình 4.3: Tai treo và chân đỡ......................................................................................46


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1: Một số thông số vật lý và nhiệt động của ethanol.........................................1
Bảng 1.2: Một số thông số vật lý và nhiệt động của nước.............................................6
Bảng 1.3: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol - Nước
ở 760 mmHg.................................................................................................................. 7
Bảng 1.4: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp...................................................14
Bảng 3.1: Tổng kết cân bằng vật chất.........................................................................19
Bảng 4.1: Tổng kết tính toán, thiết kế tháp chưng cất.................................................48
Bảng 5.1: Bảng tổng kết các thông số nhiệt lượng......................................................51


Chương 1.

TỔNG QUAN

1. 1. Nguyên liệu
1.1.1.

Ethanol
Danh pháp IUPAC: ethanol, rượu etylic.
Tên khác: cồn, hydroxyetan.
Công thức phân tử: C2H5OH, C2H6O.
Khối lượng phân tử: 46 đvC.

1.1.1.1 Tính chất vật lý
Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu, vị cay,
nhẹ hơn nước (khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15 0C), dễ bay hơi (sôi ở nhiệt độ
78,390C), hóa rắn ở -114,150C, hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa
có màu xanh da trời, tan vô hạn trong nước, sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong nước
và có nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp
xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử rượu với nhau và với nước.
Ethanol có tính khúc xạ hơi cao hơn so với của nước, với hệ số khúc xạ là
1,36242 (ở λ=589,3 nm và 18,350C). Điểm ba trạng thái của ethanol là 150 0K ở áp
suất 4,3.10−4 Pa.
Bảng 1.1: Một số thông số vật lý và nhiệt động của ethanol
Nhiệt độ nóng chảy
Nhiệt độ sôi
Tỷ trọng
Tỷ trọng và pha
Điểm bắt lửa
1.1.1.2 Tính chất hóa học

-114,30C (158,80K)
78,40C (351,60K)
= 810 (kg/m3)
0,789 g/cm3, lỏng
130C

Hình1.1: Cấu trúc phân tử của ethanol
Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của ethanol là
thể hiện tính chất hoá học của nó.
- Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH3-CH2-OH

CH3-CH2-O- + H+


Hằng số phân ly của ethanol: , cho nên ethanol là chất trung tính.
 Tính acid của ethanol thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, natri hydrua
(NaH), natri amid (NaNH2):
CH3-CH2-OH + NaH

CH3-CH2-ONa + H2

Do : tính acid của ethanol nhỏ hơn tính acid của nước, nên khi muối natri
etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại.
 Tác dụng với acid tạo ester: ethanol có tính bazơ tương đương với nước.
Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra
ester.
CH3-CH2-OH + HO-SO3-H

Lạnh

CH3-CH2-OH + HO-CO-CH3

H+

CCH3-CH2O-SO3-H + H2O
CH3-COO-C2H5 + H2O

- Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
 Tác dụng với HX: CH3-CH2-OH + HX

CH3-CH2-X + H2O

 Tác dụng với triclo phospho:
CH3-CH2-OH + PCl3

CH3-CH2-Cl + POCl + HCl

 Tác dụng với NH3:
Al2O
C2H5-NH2 + H2O
3
- Phản ứng tạo eter và tách loại nước: to
H2SO
2CH3-CH2-OH 4
(CH3-CH2)2O +
H2 O
>150o
+ Công nghiệp cao su tổng hợp
+ Dung môi hữu cơ:pha sơn..

H2SO
C
+ Động lực.
CH3-CH2-OH
CH2=CH2+ Nguyên
+ H2Oliệu.
4

CH3-CH2-OH + NH3

- Phản ứng hydro và oxy hoá:
+ Rượu mùi.
+ Dấm.

CH3-CH2-OH

>150o
C Cu

200-3000C

CH3-CHO + H2
Nhiên liệu.

1.1.1.3 Ứng dụng
Ethanol có nhiều ứng dụng hơn methanol, nó đóng một vai trò quan trọng
+ Động lực.
Ethanol
trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 mặt hàng
+ Thuốc trừ sâu.

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 gỗ và nông nghiệp.
+ Đồ nhựa.
+ Thuốc nhuộm.
+ Keo dán.
+ Tơ nhân tạo.
+ Hương liệu.

+ Sát trùng.
+ Pha chế thuốc.

+ Sơn.
+ Vecni.


Hình 1.2: Sơ đồ tóm tắt ứng dụng của ethanol trong các đời sống
- Nhiên liệu hoặc phụ gia xăng dầu:
 Ethanol có thể sử dụng như nhiên liệu (thông thường trộn lẫn với xăng) và
dùng trong các quy trình công nghiệp khác.
 Hỗn hợp xăng (90%) và cồn ethanol (10% thường thu được bằng cách lên
men nông sản) hoặc xăng dầu (97%) và methanol hoặc rượu.
 Ethanol được sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóng
băng thấp của nó.


- Đồ uống có cồn:
 Ethanol là thành phần chính của đồ uống có cồn, khi uống, ethanol chuyển
hóa như 1 năng lượng cung cấp chất dinh dưỡng.
- Nguyên liệu:
 Cồn ethanol là thành phần quan trọng trong công nghiệp và sử dụng rộng

rãi như một hợp chất hữu cơ khác, bao gồm ethyl halogenua, ethyl ester,
diethyl ether, acid acetic, ethylamin ,…
- Thuốc sát trùng:
 Cồn ethanol được sử dụng trong y tế và chống vi khuẩn.
 Dung dịch chứa 70% ethanol chủ yếu được sử dụng như chất tẩy uế. Nó là
hiệu quả trong việc chống lại phần lớn các loại vi khuẩn và nấm cũng như
nhiều loại virus,…nhưng không hiểu quả trong việc chống lại các bào tử vi
khuẩn.
- Làm dung môi:
 Có thể hòa tan trong nước và các dung môi khác. Cồn ethanol có trong sơn,
cồn thuốc, các sản phẩm chăm sóc cá nhân như nước hoa và chất khử
mùi…
- Dược:
 Về mặt y dược, ethanol là thuốc ngủ, mặc dù nó ít độc hại hơn so với các
rượu khác, cái chết thường xảy ra nếu nồng độ cồn trong máu vượt quá
khoảng 5%.
 Có thể giảm thị lực, bất tỉnh sẽ xảy ra ở nồng độ thấp hơn.
1.1.1.4 Điều chế
Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó
được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat
hóa etylen bằng xúc tác acid, được trình bày theo phản ứng hóa học sau.
Cho etylen hợp nước ở 3000C, áp suất 70 – 80 atm với chất xúc tác là acid
wolframic hoặc acid phosphoric:
H2C = CH2 + H2O

CH3CH2OH


Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử
dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu

nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong
điều kiện không có oxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra ethanol và CO2. Phản
ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:
C6H6O6

Nấm men
Zymaza

2C2H5OH

+ 2CO2 + 28 Kcal

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành ethanol và CO2, 5% nguyên liệu
chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid
hữu cơ (lactic, butylic…).
1.1.2.

Nước

1.1.2.1 Tính chất vật lý
Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hydro. Công thức hóa học là
H2O.
Trong điều kiện thường, nước tồn tại ở dạng lỏng, không màu không mùi và
không vị. Nhưng khối nước dày có màu xanh nhạt.
Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hydro giữa các phân tử là cơ
sở cho nhiều tính chất của nước. Cho đến nay một số tính chất của nước vẫn còn là
câu đố cho các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu từ lâu.
Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùng
làm hai điểm mốc cho độ bách phân Celcius. Cụ thể, nhiệt độ đóng băng của nước
là 0 độ Celcius, còn nhiệt độ sôi (760 mmHg) bằng 100 độ Celcius.

Nước đóng băng được gọi là nước đá. Nước đã hóa hơi được gọi là hơi
nước. Nước có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên kết hidro.
Dưới áp suất bình thường, nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là
1 g/cm³ (ở 40C) đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới
40C. Hiện tượng này không được quan sát ở bất kỳ một chất nào khác.
Điều này có nghĩa là: với nhiệt độ trên 4 0C, nước có đặc tính giống mọi vật
liệu khác là khi nóng sẽ giãn nở, khi lạnh sẽ co lại; nhưng với nhiệt độ dưới 4 0C,
nước lại lạnh nở, nóng co.


Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên kết 104,45°), khi bị làm
lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác mở. Vì vậy mà tỉ
trọng của nước đá nhẹ hơn nước dạng thể lỏng.
Nước tinh khiết không dẫn điện. Tuy nhiên do khả năng hòa tan tốt nên
nước hay có tạp chất pha lẫn bên trong, thường các chất pha lẫn bên trong là muối,
các muối này khi hòa tan vào nước sẽ phân ly ra các ion tự do trong dung dịch,
dung dịch này có khả năng dẫn điện tốt.
Nước là hợp chất có cấu tạo bền vừng về mặt hóa học nhờ có liên kết hydro
nên rất khó oxy hóa. Nước còn là chất duy nhất trong điều kiện tự nhiên tồn tại ở cả
3 trạng thái rắn, lỏng, khí.
Nước là dung môi phân cực mạnh, hoà tan tốt các chất tan phân cực hoặc có
tính ion như acid, rượu và muối... có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi rất
quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
Bảng 1.2: Một số thông số vật lý và nhiệt động của nước
Khối lượng phân tử
Khối lượng riêng ở nhiệt độ 4oC
Nhiệt độ đóng băng
Nhiệt độ sôi

18 g/mol

1 g/cm3
00C
1000C (760 mmHg)

1.1.2.2 Tính chất hóa học
Nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như một acid hay bazơ. Ở
pH =7 (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt (OH -) cân bằng với hàm lượng của
hydronium (H3O+). Khi phản ứng với một axit mạnh hơn thí dụ như HCl, nước phản
ứng như một chất kiềm:
HCl + H2O ↔ H3O+ + ClVới ammoniac nước lại phản ứng như một axit:
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH-


1.1.3.

Hỗn hợp ethanol – nước
Bảng 1.3: Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp

Ethanol - Nước ở 760 mmHg
x (% phần
mol)
y (% phần
mol)
t (0C)

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

33,

44,

53,

57,

61,

65,

69,

75,

81,

89,

2
86,

1
83,

6
81,

4
80,

4

9
79,

3

10

2
90,

8
78,

8
78,

0

5

5

2

7

8

6

4

0

80

4

79

100
100
78,4

(Nguồn: Tài liệu tham khảo [1], Bảng 51, trang 44)

Hình 1.3: Biểu đồ cân bằng lỏng hơi của hệ ethanol – nước
1. 2. Phương pháp chưng cất
1.2.1.

Bản chất quá trình chưng cất
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như

hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các


cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu
tử khác nhau).
Có thể nói chưng cất là một phương pháp tách dùng nhiệt để tách hỗn hợp
đồng thể (dung dịch) của các chất lỏng khác nhau. Chất rắn hòa tan, thí dụ như các
loại muối, được tách ra khỏi chất lỏng bằng cách kết tinh. Dung dịch muối có thể
làm cô đặc bằng cách cho bay hơi. Một khả năng khác để tách dung dịch là đông tụ.
Trong các ngôn ngữ châu Âu, từ chưng cất bắt nguồn từ tiếng La tinh destillare có
nghĩa là nhỏ giọt xuống.
Chưng cất dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các chất lỏng tham gia.
Người ta cũng nói là các chất lỏng có áp suất hơi khác nhau tại cùng một nhiệt độ.
Nếu đưa năng lượng vào hệ thống, vì có áp suất hơi khác nhau, chất có áp suất hơi
cao hơn (nhiệt độ sôi thấp hơn) bốc hơi nhiều hơn các chất khác. Vì thế mà nồng độ
của chất có nhiệt độ sôi thấp hơn trong phần cất cao hơn là ở trong hỗn hợp ban

đầu.
Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai
pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới
được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.
1.2.2.

Phân loại chưng cất
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:

1.2.2.1 Áp suất làm việc
- Áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hỗn
hợp có nhiệt độ sôi quá cao.
- Áp suất thường
- Áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.
Nguyên tắc: dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ sôi của các
cấu tử quá cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử.
1.2.2.2 Nguyên lý làm việc
- Chưng cất đơn giản:
Chưng đơn giản có 2 loại là chưng đơn giản có hồi lưu và chưng đơn giản
không có hồi lưu.


Phương pháp này được sử dụng trong các trường hợp sau:
 Khi có sự khác biệt lớn giữa nhiệt độ sôi của các cấu tử.
 Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
 Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
 Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
Trong công nghệ thực phẩm, phương pháp này thường được ứng dụng để
sản xuất các loại tinh dầu thô từ thực vật hoặc các loại rượu thủ công. Quá trình
chưng cất thường được thực hiện ở điều kiện thường.

Nguyên liệu được đưa vào nồi, sau đó được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi bằng
các tác nhân như củi, than đốt trực tiếp hay hơi nước. Hơi bay lên được đưa vào
thiết bị ngưng tụ, sản phẩm ngưng tụ sẽ được đưa về thùng chứa. Sau khi kết thúc
phần chưng cất thì phần bả hoặc chất lỏng khó bay hơi sẽ được tháo ra ngoài ở phần
đáy.
Trong quá trình chưng đơn giản, hơi (khí) được lấy ra gay và cho ngưng tụ
thu sản phẩm tại đỉnh, thành phần chất lỏng ngưng tụ luôn thay đổi. Thành phần cấu
tử nhẹ trong sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy giảm dần trong quá trình chưng cất.
Ưu điểm của quá trình chưng cất này là thiết bị rất đơn giản, vốn đầu tư
thấp, linh động và thực hiện dễ dàng.
Nhược điểm là nồng độ sản phẩm đỉnh không cao, còn nhiều cấu tử nhẹ
trong sản phẩm đáy, năng suất chưng cất thấp.

Hình 1.4: Hệ thống chưng cất đơn giản


- Chưng liên tục
Chưng liên tục dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi.
Nguyên tắc của chưng liên tục là lặp lại quá tình chưng đơn giản nhiều lần.
Tức là thực hiện liên tục quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần, nồng độ các cấu
tử dễ bay hơi trong pha khí càng lúc sẽ càng tăng cao.
Chất lỏng từ trên tháp chưng đi xuống do trọng lượng, hơi từ dưới lên nhờ
áp suất dư của quá trình sôi ở nồi đun. Một phần sản phẩm ngưng tụ trong tháp sẽ
được hoàn lưu. Nguyên liệu được đưa vào tháp liên tục.

Hình 1.5: Hệ thống chưng cất liên tục


- Chưng cất hơi nước trực tiếp:
Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp dùng để tách cấu tử không tan trong

nước khỏi tạp chất không bay hơi.
Khi chưng bằng hơi nước trực tiếp người ta phun hơi nước qua lớp chất
lỏng bằng một bộ phận phun. Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt. Trong quá
trình tiếp xúc giữ hơi nước và lớp chất lỏng, các cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào
trong hơi. Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản
phẩm.
Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp là giảm được nhiều
nhiệt độ sôi của hỗn hợp nghĩa là chúng ta có thể chưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt
độ sôi bình thường.
Điều này rất có lợi đối với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao cũng như
đối với các chất có nhiệt độ sôi quá cao mà khi chưng gián tiếp đòi hỏi dùng hơi áp
suất cao.
Trong cả 2 trường hợp trên người ta đều phải dùng cách đốt gián tiếp để
đun bốc hơi hỗn hợp. Lượng hơi nước trực tiếp đi vào hỗn hợp chỉ có nhiệm vụ
mang cấu tử dễ bay hơi ra ngoài.

Hình 1.6: Hệ thống chưng cất hơi nước trực tiếp


- Chưng cất chân không:
Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử, nhằm hạn chế
gây hỏng mẫu khi các cấu tử dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay trường hợp cấu tử
có nhiệt độ sôi quá cao.
Chưng cất chân không thường được ứng dụng để chưng cất dầu thô.

Hình 1.7: Hệ thống chưng cất chân không
- Phương pháp cấp nhiệt ở đáy:
Gồm cấp nhiệt trực tiếp và cấp nhiệt gián tiếp. Cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi
nước thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước.
1.2.3.

Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một

yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ
phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có
các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun…
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất
thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp: đường
kính tháp và chiều cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ
tinh khiết của sản phẩm. Ta tìm hiểu 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm
và tháp chêm.


1.2.3.1 Tháp mâm
Thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác
nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng và pha hơi
đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
- Tháp mâm chóp:
Trên mâm bố trí có chóp dạng: tròn, xupap, chữ s…
1. Ống hơi bay ra
2. Ống hoàn lưu
3. Phần cất
4. Phần chưng
5. Ống hơi vào
6. Ống lỏng ra
7. Mâm
8. Ống nhập liệu
Hình 1.8: Tháp mâm chóp
- Tháp mâm xuyên lỗ:

Trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm. Trong tháp mâm xuyên
lỗ, pha khí đi từ dưới lên và phân tán vào lớp chất lỏng đang chuyển động từ trên
xuống theo các ống chảy chuyền.
1. Ống hơi bay ra
2. Ống hoàn lưu
3. Phần cất
4. Phần chưng
5. Ống hơi vào
6. Ống lỏng ra
7. Mâm
8. Ống nhập liệu
Hình 1.9: Tháp mâm xuyên lỗ


1.2.3.2 Tháp chêm (tháp đệm)
Tháp hình trụ, gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật
chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp là xếp ngẫu nhiên hay xếp
thứ tự.
1. Ống hơi ra
2. Ống hoàn lưu
3. Ống phân phối lỏng
hoàn lưu
4. Tầng đệm
5. Ống hơi vào
6. Ống lỏng ra
7. Lưới đỡ đệm
8. Dòng nhập liệu vào
9. Đĩa phân phối lỏng
Hình 1.10: Tháp đệm (tháp chêm)
Bảng 1.4: So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp

Ưu
điểm

Tháp chêm
- Cấu tạo khá đơn giản.

Tháp mâm xuyên lỗ
Tháp mâm chóp
- Trở lực tương đối - Khá ổn định.

- Trở lực thấp.

thấp.

- Hiệu suất cao.

- Làm việc được với chất lỏng - Hiệu suất khá cao.
bẩn nếu dùng đệm cầu có   
của chất lỏng.
- Do có hiệu ứng thành  hiệu - Không làm việc - Có trở lực lớn.
suất truyền khối thấp.

được với chất lỏng - Tiêu tốn nhiều vật

- Độ ổn định không cao, khó bẩn.
Nhược
điểm

vận hành.

- Kết cấu khá phức tạp.

- Do có hiệu ứng thành  khi tạp.
tăng năng suất thì hiệu ứng thành
tăng  khó tăng năng suất.
- Thiết bị khá nặng nề.

tư, kết cấu phức


Chương 2.

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H 2O, nhiệt độ sôi là 78,30C ở 760
mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100 0C ở 760 mmHg : hơi cách biệt khá xa nên
phương pháp hiệu quả để thu ethanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.
Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử
đều có khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương
pháp hấp thụ do phải đưa vào một pha mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp
hơn hay quá trình tách không được hoàn toàn.
2.1.

Sơ đồ quy trình công nghệ chưng cất hệ ethanol – nước

Hình 2.1: Sơ đồ khối quy trình chưng cất ethanol – nước