Đồ án quá trình thiết bị chưng cất 2 cấu tử methanol và ethanol

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM
KHOA DẦU KHÍ
------------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐỀ TÀI: Thiết kế hệ thống chưng cất
hỗn hợp Methanol và Ethanol

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHÓM SV THỰC HIỆN

TS. Đàm Thị Thanh Hải

1.Lê Đức Tâm
2.Nguyễn Hoàng Thư
3.Vũ Ngọc Huy
Lớp K4LHD

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

KHOA DẦU KHÍ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Họ và tên SV:

Lê Đức Tâm

04PPR110013

Nguyễn Hoàng Thư

04PPR110016

Vũ Ngọc Huy

04PPR110005

Ngành: Lọc Hóa Dầu
Lớp: K4LHD
1. Tên Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – Ethanol.
2. Nhiệm vụ (Nêu nội dung và dữ liệu ban đầu):
Dữ liệu ban đầu:
 Lưu lượng nhập liệu:

25 kmol/ h

 Áp suất chưng cất:

áp suất khí quyển

 Nồng độ nhập liệu (tính theo methanol):

0,4 (mol/mol)

 Nồng độ sản phẩm đỉnh (tính theo methanol):

0,95 (mol/mol)

 Nồng độ sản phẩm đáy (tính theo methanol) :

0,05 (mol/mol)

Nội dung:









Giới thiệu tính chất sản phẩm và quy trình sản xuất
Chọn và thuyết minh quy trình công nghệ
Tính cân bằng vật chất và năng lượng
Tính toán công nghệ thiết bị chính
Tính toán cơ khí thiết bị chính
Tính và chọn và các thiết bị phụ
Kết luận
Tài liệu tham khảo


3. Ngày giao Đồ án môn học: ngày 20 tháng 9 năm 2017
4. Ngày hoàn thành Đồ án môn học: ngày 15 tháng 12 năm 2017

5. Họ tên Người hướng dẫn: TS. Đàm Thị Thanh Hải.
Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày tháng năm
TRƯỞNG KHOA

(Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỞNG BỘ MÔN

(Ký và ghi rõ họ tên)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)


TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

KHOA DẦU KHÍ

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – Ethanol.
Tên sinh viên: Lê Đức Tâm, Nguyễn Hoàng Thư, Vũ Ngọc Huy
Chuyên ngành: Lọc hóa dầu

Khoá: 4

Họ và tên người phản biện:
I. PHẦN NHẬN XÉT:
1) Về hình thức và kết cấu ĐAMH:

2) Về nội dung:
2.1. Nhận xét phần tổng quan tài liệu:

2.2. Nhận xét về phương pháp nghiên cứu:

2.3. Nhận xét về kết quả đạt được:

2.4. Nhận xét phần kết luận:

2.5. Những thiếu sót và tồn tại của ĐAMH:

II. ĐIỂM:

(ghi bằng chữ)

Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày

tháng

NGƯỜI PHẢN BIỆN

năm


TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

KHOA DẦU KHÍ

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Tên đề tài: Thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp Methanol – Ethanol.
Tên sinh viên: Lê Đức Tâm, Nguyễn Hoàng Thư, Vũ Ngọc Huy
Chuyên ngành: Lọc hóa dầu

Khoá: 4

Họ và tên của GVHD: Đàm Thị Thanh Hải
1. Nhận xét về tinh thần thái độ làm việc và nghiên cứu của SV

2. Nhận xét về kết quả:

3. Những tồn tại nếu có:

Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày

tháng

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

năm


PHIẾU CHO ĐIỂM
BẢO VỆ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Sinh viên:………………………….…………………………………………………
……………………………………………………………………………………….
Khóa:……………………..Lớp:…..……..
Chuyên ngành:…………………………………………………………………
Điểm:…………………………………………………………………………..

Chữ ký, họ tên của UVHĐ


TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

KHOA DẦU KHÍ

TỔNG HỢP ĐIỂM BẢO VỆ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Khóa…………………………………………………………………
Chuyên ngành:……………………………………………………….
Lớp:………………………………………………………………….

TT

Sinh

Tên

viên

ĐAMH

GVHD

GVPB

Điểm

Điểm

bảo vệ

ĐAMH

Ghi chú

1

2

3
(Tổng số SV:

)

Bà Rịa-Vũng Tàu, ngày… tháng…..năm
THƯ KÝ

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

LỜI CÁM ƠN
Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời
gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay, chúng em đã nhận được rất

nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn
sâu sắc nhất, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Đàm Thị Thanh Hải – người
đã đồng hành cùng chúng em trong suốt thời gian làm đồ án môn học Quá trình và Thiết
bị. Cô đã giúp đỡ chúng em rất nhiều không chỉ nội dung mà còn cách trình bày một đồ án
sao cho hợp lý. Đây là lần đầu tiên em cũng như các bạn trong nhóm được tiếp cận với đồ
án nên bài làm sẽ khó tránh khỏi sai sót, mong thầy cô Bộ môn Lọc – Hóa Dầu có thể chỉ
dạy thêm cho chúng em. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn các thầy cô.

I


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ..................................................................................................................... I
MỤC LỤC .......................................................................................................................... II
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................. V
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. VI
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................................... 2
1.1. Methanol .................................................................................................................... 2
1.1.1. Tính chất vật lý ................................................................................................... 2
1.1.2. Tính chất hóa học ............................................................................................... 2
1.1.3. Ứng dụng ............................................................................................................ 3
1.2. Ethanol ....................................................................................................................... 3
1.2.1. Tính chất vật lý ................................................................................................... 3
1.2.2. Tính chất hóa học ............................................................................................... 4
1.2.3. Ứng dụng ............................................................................................................ 5

1.3. Chưng cất ................................................................................................................... 5
1.4. Sơ đồ công nghệ ........................................................................................................ 7
CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT............................................................................ 9
2.1. Thông số đầu vào ....................................................................................................... 9
2.2. Xác định lượng sản phẩm đỉnh .................................................................................. 9
2.3. Xác định chỉ số hồi lưu ............................................................................................ 10
2.3.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu ..................................................................................... 10
II


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

2.3.2. Chỉ số hồi lưu thích hợp ................................................................................... 12
2.4. Phương trình làm việc và số đĩa .............................................................................. 13
2.4.1. Phương trình đường làm việc của đoạn cất ...................................................... 13
2.4.2. Phương trình đường làm việc của đoạn chưng ................................................. 13
2.4.3. Số đĩa lý thuyết ................................................................................................. 13
2.4.4. Số đĩa thực tế .................................................................................................... 14
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG .................................................................. 19
3.1. Đường kính .............................................................................................................. 19
3.1.1. Đường kính đoạn cất ........................................................................................ 19
3.1.2. Đường kính đoạn chưng ................................................................................... 23
3.2. Chiều cao ................................................................................................................. 27
3.3. Trở lực của tháp ....................................................................................................... 27
CHƯƠNG 4. CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG .................................................................. 31
4.1. Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng cất ............................................................... 31
4.2. Nhiệt lượng cung cấp cho thiết bị ngưng tụ ............................................................ 36
4.3. Nhiệt lượng của thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu ................................................... 37

4.4. Nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đáy xuống 35oC .............................. 38
4.5. Nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh xuống 35oC ............................. 39
CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ .............................................................................. 41
5.1. Chọn vật liệu ........................................................................................................... 41
5.2. Tính chiều dày tháp ................................................................................................. 41
5.3. Tính toán chóp......................................................................................................... 44
5.4. Tính toán đáy và nắp thiết bị ................................................................................... 46

III


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

5.5. Bích ghép thân và nắp ............................................................................................. 47
5.6. Đường kính các ống dẫn và bích ghép các ống dẫn ................................................ 49
5.7. Tính toán khối lượng ước tính của tháp, chân đỡ và tai treo .................................. 55
CHƯƠNG 6. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ .................................................................. 58
6.1. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh............................................................................. 58
6.2. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ........................................................................... 65
6.3. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy ............................................................................ 71
6.4. Thiết bị đun sôi nhập liệu ........................................................................................ 77
6.5. Thiết bị đun sôi đáy tháp ......................................................................................... 83
6.6. Bồn cao vị ............................................................................................................... 89
6.7. Bơm ......................................................................................................................... 92
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 99
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 100

IV

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI
DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1.Sơ đồ công nghệ của quá trình chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol ............. 7
Hình 2.1. Giản đồ cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp methanol và ethanol ở 1 atm .......... 11
Hình 2.2. Đồ thị quan hệ giữa R và (R+1).Nlt ................................................................... 12
Hình 2.3. Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết của hỗn hợp methanol – ethanol ..................... 13
Hình 2.4. Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị ......................................................... 15
Hình 4.1. Tháp chưng cất ................................................................................................... 31
Hình 5.1. Nắp và đáy thiết bị .............................................................................................. 46
Hình 5.2. Bích ghép thân và nắp ........................................................................................ 48
Hình 5.3. Đường kính ống dẫn và bích ghép ống dẫn ....................................................... 49
Hình 5.4. Chân đỡ .............................................................................................................. 56

V


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI
DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng
Bảng
Bảng

Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng
Bảng

1.1. So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp ........................................................... 6
2.1. Tóm tắt các thông số ......................................................................................... 10
2.2. Số liệu cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – ethanol............................. 11
2.3. Quan hệ giữa R và Nlt....................................................................................... 12
4.1. Cân bằng nhiệt lượng........................................................................................ 36
5.1. Bảng thông số chọn bích ................................................................................... 48
5.2. Bảng chọn kích thước bích ................................................................................ 49
5.3. Thông số bích 1 ................................................................................................. 51
5.4. Thông số bích 2 ................................................................................................. 52
5.5. Thông số bích 3 ................................................................................................. 53
5.6. Thông số bích 4 ................................................................................................. 53
5.7. Thông số bích 5 ................................................................................................. 54
5.8. Thông số chân đỡ .............................................................................................. 57

VI


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển đóng góp to lớn cho nền công nghiệp toàn cầu. Một
trong những ngành có đóng góp vô cùng to lớn đó là ngành công nghiệp hóa học, đặc biệt
là ngành sản xuất các hóa chất cơ bản.
Hiện nay, các ngành công nghiệp cần sử dụng rất nhiêu hóa chất có độ tinh khiết cao. Do
đó các nhà sản xuất cần sử dụng nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm
như: chưng cất, trính ly, hấp thụ, ... Tùy theo từng yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa
chọn phương pháp cho phù hợp. Đối với hỗn hợp methanol – ethanol là hỗn hợp của 2 chất
lỏng hòa tan vào nhau, ta chọn phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho
methanol và ethanol.
Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế hệ thống chưng cất methanol – ethanol có lưu lượng dòng
nhập liệu là 100kmol/h, nhập liệu ở nhiệt độ sôi với nồng độ 40% phần mol methanol, sản
phẩm đỉnh có nồng độ 95% phần mol methanol, sản phẩm đáy có nồng độ 5% phần mol
methanol.

1


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Methanol
1.1.1. Tính chất vật lý
Methanol là chất lỏng không màu, trung tính, có tính phân cực, tan trong nước, benzene,
rượu, este và hầu hết các dung môi hữu cơ. Methanol có khả năng hòa tan nhiều loại nhựa,
ít tan trong các loại chất béo, dầu. Do có tính phân cực nên tan được trong một số chất hữu

cơ.
Methanol dễ tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí (7-34 %), rất độc cho sức khỏe con người,
với lượng 10 ml trở lên có thể gây tử vong.
1.1.2. Tính chất hóa học
Methanol là hợp chất đơn giản đầu tiên trong dãy đồng đẳng các rượu no đơn chức, hóa
tính của nó được quyết định bởi nhóm –OH. Các quá trình phản ứng của methanol đi theo
hướng cắt đứt liên kết C-O hoặc nhóm OH và được đặc trưng bởi sự thay thế nguyên tử H
hay nhóm OH trong phân tử.
Một số phản ứng đặc trưng:


Phản ứng hydro hóa
CH3OH + H2  CH4 + H2



Phản ứng tách nước
CH3OH + H2  CH4 + H2O



Phản ứng oxy hóa

Khi oxy hóa methanol trên xúc tác kim loại (Ag, Pt, Cu, O2) hay xúc tác oxide hoặc (FeMo, Ti-Mo) trong điều kiện thích hợp thu được fomandehyde và các sản phẩm phụ:
1

CH3OH + O2  HCHO + H2O, H = -159 KJ/mol
2

2

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

Nếu oxy hóa lâu hơn sẽ tạo ra fomandehyde:
CH3OH + O2  HCHO + H2O
Nếu oxy hóa hoàn toàn thu được CO, CO2 và H2O:
1

CH3OH + O2  CO2 + H2O
2



Phản ứng dehydro hóa

Khi tham gia phản ứng dehydro hóa sẽ tạo thành sản phẩm là HCHO
CH3OH ⇌ CH2O + H2
1.1.3. Ứng dụng
Methanol thường được dùng làm dung môi và làm nguyên liệu cho sản xuất những hóa chất
hữu cơ khác với lượng lớn (như formaldehyde). Tuy nhiên, sau năm 1990, nhu cầu
methanol làm nguyên liệu sản xuất methyl tert-butyl ether (MTBE) tăng cao khi MTBE trở
thành một thành phần thiết yếu trong nhiên liệu động cơ.
Methanol không phải là thực phẩm. Vì vậy, việc sử dụng các loại rượu có nồng độ methanol
vượt mức quy định (ngưỡng cho phép là <0.1%, nghĩa là trong 100 ml rượu chỉ có dưới 1
ml methanol) có thể gây ngộ độc methanol.
Một số lượng lớn methanol được sử dụng để bảo vệ các đường ống dẫn khí thiên nhiên
chống lại sự tạo thành khí hydrat ở nhiệt độ thấp, làm tác nhân hấp phụ trong các thiết bị

làm sạch khí để loại bỏ CO2, H2S ở nhiệt độ thấp.
Nói tóm lại, methanol dùng để sản xuất MTBE, acide axetic, làm dung môi, chất tải lạnh,
chất chống đông, có trong thành phần của sơn và vecni, sản xuất fomandehyde, nhiên liệu
/xăng.
1.2. Ethanol
1.2.1. Tính chất vật lý
Ethanol gọi là rượu etylic, rượu ngũ cốc, rượu nguyên chất, là một chất lỏng không màu,
dễ bay hơi, dễ cháy. Ethanol được biết đến phổ biến nhất là đồ uống có cồn, bên cạnh đó
nó còn được dùng làm dung môi, nhiên liệu.
3


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

Ethanol có công thức phân tử: C2H5OH, là chất lỏng không màu, trong suốt, mùi thơm dễ
chịu đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước.
1.2.2. Tính chất hóa học


Phản ứng thế với kim loại kiềm, kiềm thổ:

2 C2H5OH + 2 Na  2 C2H5ONa + H2


Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và axit trong môi trường: H 2SO4 đặc nóng

tạo ra este.
C2H5OH + CH3COOH  CH3COOC2H5 + H2O



Phản ứng tách loại nước trong môi trường axit sulfuric đặc ở 170 °C:

C2H5OH  C2H4 + H2O


Tạo ete:

C2H5OH + C2H5OH  C2H5-O-C2H5 + H2O


Phản ứng oxi hóa 3 mức thành aldehyt, axit, (đốt cháy) thành CO2 và H2O.

Mức 1 (Tcao):
CH3-CH2-OH + CuO  CH3-CHO + Cu + H2O
Mức 2, có xúc tác:
CH3-CH2-OH + O2  CH3-COOH + H2O
Mức 3:
C2H5OH + 3 O2  2 CO2 + 3 H2O


Phản ứng tạo butadien-1,4: xúc tác hỗn hợp Cu + Al2O3 ở 380-4000C, lúc đó xảy ra

phản ứng tách loại nước
2C2H5OH  CH2=CH-CH=CH2 + 2 H2O + H2


Phản ứng lên men giấm:

CH3-CH2-OH + O2 (kk) CH3-COOH + H2O (lên men trong môi trường hiếm khí).

4


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

1.2.3. Ứng dụng
- Ethanol được dùng để pha vào xăng để tăng trị số octan cho xăng. Hiện nay Việt Nam
đang sản xuất xăng sinh học E5 với % ethanol.
- Dùng làm dung môi cho ngành công nghiệp hóa chất, dùng trong ngành dược, …
- Cồn thực phẩm: sản xuất rượu, đồ uống có cồn, nước ướp gia vị, chiết xuất dược liệu, pha
chế thuốc, vệ sinh, sát trùng, mỹ phẩm, …
- Cồn công nghiệp: dùng cho công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, sản xuất mỹ
phẩm, dược phẩm, …
1.3. Chưng cất
Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hóa lỏng)
thành những cấu tử riêng dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
Trong chưng cất, có hai loại: chưng cất đơn giản và chưng cất phức tạp. Với chưng cất đơn
giản, số lượng cấu tử có thể đếm được, ví dụ như đối với hệ Etanol - Metanol là chưng cất
2 cấu tử, trong đó sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm metanol và một ít etanol, ngược lại sản phẩm
đáy chủ yếu gồm etanol và một ít methanol. Chưng cất phức tạp thì số của rất nhiều, thường
phải chia thành các phân đoạn.
Các phương pháp chưng cất thường được phân loại dựa vào áp suất làm việc (chân không,
áp suất thường, áp suất cao), nguyên lý làm việc (chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước
trực tiếp, chưng cất) hay dựa vào phương pháp cấp nhiệt (trực tiếp hay gián tiếp). Việc lựa
chọn các phương pháp chưng cất tùy thuộc vào tính chất lý hóa của sản phẩm. Đối với hệ
Etanol - Metanol ta chọn phương pháp chưng cất liên tục, cấp nhiệt gián tiếp bằng nồi đun

ở áp suất thường.
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên
yêu cầu chung của các thiết bị vẫn giống nhau là bề mặt tiếp xúc pha phải lớn. Điều này
phụ thuộc vào mức độ phân tán của pha này vào pha kia. Ta khảo sát hai loại tháp thường
dùng là tháp mâm và tháp đệm.
5


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

 Tháp đĩa: thân hình trụ, thẳng đứng, phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau
trên đó pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của mâm ta có tháp mâm
chóp hay tháp mâm xuyên lỗ.
 Tháp đệm: tháp trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng bích hay hàn. Vật chêm được
cho vào tháp bằng hai phương pháp xếp ngẫu nhiên hay có thứ tự.
Bảng 1.1. So sánh ưu nhược điểm của hai loại tháp
Tháp đệm
- Cấu tạo đơn giản
Ưu điểm

- Trở lực thấp

Tháp đĩa chóp
- Khá ổn định
- Hiệu suất cao

- Làm việc được với

Tháp đĩa xuyên lỗ
- Trở lực tương đối
thấp
- Hiệu suất cao

chất lỏng bẩn
- Do có hiệu ứng
thành nên hiệu suất
Nhược điểm

- Trở lực lớn
- Kết cấu phức tạp

truyền khối thấp
-Độ ổn định không

- Không làm việc
được với chất lỏng
bẩn
- Kết cấu phức tạp.

cao, khó vận hành.
*Ở đây, để chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol ta chọn tháp chưng cất loại đĩa chóp
vì tháp hoạt động khá ổn định và hiệu suất cao.

6


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

1.4. Sơ đồ công nghệ

Hình 1.1.Sơ đồ công nghệ của quá trình chưng cất hỗn hợp methanol và ethanol
Chú thích:
1. Bồn chứa nguyên liệu

10. Thiết bị ngưng tụ

2. Bơm

11. Bồn chứa tạm thời

3. Bồn cao vị

12. Bồn chứa sản phẩm đỉnh

4. Van

13. Thiết bị đun sôi đáy tháp

5. Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu

14. Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy

6. Lưu lượng kế

15. Bồn chứa sản phẩm đáy

7. Nhiệt kế

16. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

8. Áp kế
9. Tháp chưng

7


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

*Mô tả sơ đồ công nghệ:
Hỗn hợp methanol - ethanol có nồng độ methanol 40% (theo số mol), nhiệt độ khoảng 30oC
tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm lên bồn cao vị (2). Từ đó được đưa đến thiết bị đun
sôi nhập liệu (5) (trao đổi nhiệt hơi đốt). Sau đó, hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (9)
ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn cất của tháp chảy xuống.
Trong tháp hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng chảy từ trên xuống. Tại đây, có sự tiếp xúc và
trao đổi giữa 2 pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong phần chưng càng xuống dưới
càng giảm nồng độ các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ thiết bị đun sôi đáy
tháp (13) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên khi hơi đi qua
các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là etanol sẽ bị ngưng tụ lại, cuối cùng trên
đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử methanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 95% theo
số mol). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (10) và được ngưng tụ, sau đó được chứa ở bồn
chứa tạm thời, tại đây một phần chất lỏng ngưng tụ được đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm
đỉnh rồi đưa tới bồn chứa sản phẩm đỉnh (12), phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được
hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỷ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi

thấp được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng. Cuối
cùng, ở đáy tháo ta thu được hỗn hợp lỏng gồm hầu hết cấu tử khó bay hơi (etanol). Hỗn
hợp lỏng ở đáy có nồng độ methanol là 5% theo số mol, còn lai là etanol. Dung dịch lỏng
ở đáy ra khỏi tháp vào thiết bị đun sôi đáy tháp (13), tại đây dung dịch lỏng một phần sẽ
bốc hơi cung cấp lạ tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi thiết bị đun sôi đáy tháp
rồi đi qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy (14), rồi được đưa tới bồn chứa sản phẩm đáy.
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là methanol, sản phẩm đáy là etanol.

8


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

CHƯƠNG 2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1. Thông số đầu vào
Khi chưng cất hỗn hợp methanol – ethanol thì cấu tử dễ bay hơi là methanol.


Ký hiệu:
 F: lưu lượng nhập liệu, kmol/h
 D: lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h
 W: lượng sản phẩm đáy, kmol/h
 Mm : Khối lượng mol của methanol là 32 kg/mol
 Me : Khối lượng mol của ethanol là 46 kg/mol



Lưu lượng nhập liệu: F = 25kmol/h



Áp suất chưng cất: áp suất khí quyển P= 1atm



Nồng độ nhập liệu (tính theo methanol): xF = 0.4 mol/mol



Nồng độ sản phẩm đỉnh (theo phần mol): xD = 0.95 mol/mol



Nồng độ sản phẩm đáy (theo phần mol):: xW = 0.05mol/mol



Nồng độ phần khối lượng nhập liệu (tính theo methanol): x̅F



Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh: x̅D



Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đáy: x̅W



Chọn:
 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: 35°C
 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội: 35°C
 Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.

2.2. Xác định lượng sản phẩm đỉnh
 Phần khối lượng của dòng nhập liệu với xF = 0.4 mol/mol :
x̅F =

x F ∗ Mm
0.4 ∗ 32
=
= 0.3168
xF ∗ Mm + (1 − xF ) ∗ Me 0.4 ∗ 32 + (1 − 0.4) ∗ 46

9


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

Tương tự với dòng sản phẩm đỉnh ta có phần khối lượng ứng với xD = 0.95 mol/mol là
x̅D = 0.9297 và phần khối lượng sản phẩm đáy với xW = 0.05mol/mol là x̅W = 0.0353.
Phương trình cân bằng vật chất[3]:
{

F=W+D
xF F = xW W + xD D

Với F = 25 kmol/h, xF = 0.4 mol/mol, xD = 0.95 mol/mol, xW = 0.05 mol/mol, thay vào
phương trình cân bằng vật chất ta tính được:
{

D = 9.72 kmol/h
W = 15.28 kmol/h

Bảng 2.1. Tóm tắt các thông số
Nhập liệu

Sản phẩm đỉnh

Sản phẩm đáy

F = 25 kmol/h

D = 9.72 kmol/h

W = 15.28 kmol/h

xF = 0.4 mol/mol

xD = 0.95 mol/mol

xW = 0.05mol/mol

F̅ = 1010 kg/h

̅ = 317.9 kg/h

D

̅ = 692.1 kg/h
W

x̅F = 0.3168 kg/kg

x̅D = 0.9297 kg/kg

x̅W = 0.0353 kg/kg

2.3. Xác định chỉ số hồi lưu
2.3.1. Chỉ số hồi lưu tối thiểu
Ta có công thức tính chỉ số hồi lưu tối thiểu [3]:
R min

xD − yF∗
= ∗
yF − xF

Trong đó: yF∗ là nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi (methanol) trong pha hơi của
dòng nhập liệu.

10


ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: ĐÀM THỊ THANH HẢI

yF∗ được xác định bằng đồ thị cân bằng lỏng hơi.
Ta có bảng giá trị x, y của đường cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol và ethanol như
sau:
Bảng 2.2. Số liệu cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – ethanol [5]
T

o

77.96

77.40

76.43

73.35

71.91

70.52

68.54

67.28

66.66

64.98

64.21

x

mol/mol

0.00

0.04

0.10

0.30

0.40

0.50

0.65

0.75

0.80

0.94

1.00

y

mol/mol

0.00

0.07

0.16

0.42

0.53

0.63

0.76

0.84

0.88

0.97

1.00

C

Từ bảng giá trị ta vẽ được đồ thị cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol và ethanol như
sau:

Hình 2.1. Giản đồ cân bằng lỏng – hơi của hỗn hợp methanol và ethanol ở 1 atm
Từ đồ thị ta có tại xF = 0.4 ⇒ yF∗ =0.53
⇒ R min =

0.95 − 0.53
= 3.23
0.53 − 0.4
11