ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ: CHƯNG CẤT ETANOLNƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA– VŨNG TÀU
VIỆN KỸ THUẬT– KINH TẾ BIỂN
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT HỖN HỢP
HAI CẤU TỬ ETANOL– NƯỚC
CÔNG SUẤT 3500 KG/H

GVHD:

Dương Quốc Khanh

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần
Khóa:

2016 – 2020

Vũng Tàu, tháng 12 năm 2019.


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU
VIỆN KỸ THUẬT – KINH TẾ BIỂN
NGÀNH CN KỸ THUẬT HÓA HỌC

CÔNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
1. Họ tên sinh viên
Trần Bá Thuần

MSSV:16031492

2. Giáo viên hướng dẫn: Thầy Dương Quốc Khanh
3. Tên đồ án: Thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp hai cấu tử
etanol – nước năng suất 3500 kg/h.
4. Dữ kiện ban đầu
+ Năng suất nhập liệu 30% khối lượng.
+ Nồng độ ethanol trong sản phẩm đỉnh 80% khối lượng.
+ Nồng độ ethanol trong sản phẩm đáy 0,5% khối lượng.
5. Nhiệm vụ đồ án
Nội dung:
- Xây dựng hoặc lựa chọn được quy trình công nghệ và
dạng thiết bị phù hợp.
- Tính cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng.
- Tính các thông số cơ bảng cho thiết bị.
- Tính toán và lựa chọn thiết bị phụ.
Bảng vẽ:
- 01 bảng A1 vẽ sơ đồ công nghê (vẽ máy).
- 01 bảng vẽ A1 chi tiết thiết bị chính (vẽ tay).
6. Ngày nhận đồ án: 24/12/2019
7. Ngày hoàn thành:
Lãnh đạo Ngành

Giáo viên hướng dẫn

Dương Quốc Khanh


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 làm đồ án đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan
tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô và bạn bè đặc biệt là Thầy Dương Quốc Khanh thầy
luôn quan tâm, động viên cũng như giúp đỡ chúng em để chúng em có thể hoàn thành
được đồ án này.
Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý Thầy Cô khi mà
với tri thức và tâm huyết của mình đã truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em
trong suốt thời gian qua. Và đặc biệt, trong học kỳ này, Ngành đã tổ chức cho chúng
em được tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh viên ngành Công
Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học. Đó là “Đồ Án Quá Trình Và Thiết Bị”.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Dương Quốc Khanh đã tận tâm
hướng dẫn chúng em qua từng buổi học trên lớp cũng như những buổi hướng dẫn
riêng. Nếu không có những lời hướng dẫn, chia sẽ của thầy thì em nghĩ đồ án của
chúng em rất khó có thể hoàn thiện được. Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm
ơn thầy.
Đồ án này được thực hiện trong khoảng thời gian gần 10 tuần. Lần đầu
tiên được tiếp xúc với đồ án, kiến thức của chúng em còn hạn chế và còn nhiều bỡ
ngỡ. Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được những
ý kiến đóng góp quý báu của quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của
em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn.
Nhóm sinh viên thực hiện
Trần Bá Thuần


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
1. Mức độ hoàn thành yêu cầu
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................

..........................................................................................................................
2. Bố cục
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
3. Nội dung
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
4. Nhận xét khác
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(ký và ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
1. Mức độ hoàn thành yêu cầu
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
2. Bố cục
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................

..........................................................................................................................
3. Nội dung
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
..........................................................................................................................
4. Nhận xét khác
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
(ký và ghi rõ họ tên)


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta
nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành hóa
chất cơ bản.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa học và 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 xuất 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 Etanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta
phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho Etanol.

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong
quá trình học tập của các kỹ sư hóa học tương lai. Môn học giúp sinh viên giải quyết
nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị
trong sản xuất hóa chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng những
kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một
cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của Đồ án môn học là thiết kế tháp chưng cất hệ Etanol- Nước hoạt
động liên tục với năng suất nhập liệu: 3500 kg/h, năng suất nhập liệu là 30% khối
lượng, thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 80% khối lượng etanol, sản phẩm đáy có
nồng độ 0.5% khối lượng etanol với áp suất làm việc của nồi hơi là 2,5at.

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 1


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

MỤC LỤ

LỜI MỞ ĐẦU...................................................................................................................................1
1.1. Lý Thuyết Về Chưng Cất.......................................................................................................4
1.1.1. Phương pháp chưng cất.................................................................................................4
1.1.2. Thiết bị chưng cất...........................................................................................................5
1.2. Giới Thiệu Sơ Bộ Nguyên Liệu..............................................................................................6
1.2.1. Dung dịch Etanol (Còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm)....................7
1.2.2. Nước..............................................................................................................................10
1.2.3. Hỗn hợp Etanol – Nước................................................................................................10

1.3. Công Nghệ Chưng Cất Hệ Etanol – Nước...........................................................................11
1.3.1. Thuyết minh dây chuyền công nghệ.............................................................................11
1.3.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ........................................................................................12
CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT...........................................................................................14
2.1. Các Thông Số Ban đầu........................................................................................................14
2.2. Cân bằng vật liệu................................................................................................................15
2.2.1. Tính nồng độ phần mol dựa vào nồng độ khối lượng...................................................15
2.2.2. Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp............................................................15
2.2.3. Tính khối lượng mol trung bình....................................................................................16
2.2.4. Chỉ số hồi lưu thích hợp, số đệm lý thuyết....................................................................16
2.3. Phương trình đường làm việc số mâm lý thuyết..................................................................18
2.3.1. Phương trình đường làm việc của đoạn luyện..............................................................18
2.3.2. Phương trình đường làm việc của đoạn chưng............................................................18
2.4. Xác định số đĩa thực tế........................................................................................................20
3.1. Đường kính tháp..................................................................................................................23
3.1.1. Lượng hơi trung bình đi trong tháp..............................................................................23
3.1.2. Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp..............................................................................26
3.1.3. Tính lượng hơi trung bình trong đoạn cất....................................................................27
3.1.4. Đường kính đoạn chưng...............................................................................................28
3.2. Mâm Lỗ – Trở Lực Của Mâm..............................................................................................31
Trang 2
Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

3.2.1. Cấu tạo mâm lỗ.............................................................................................................31
3.2.2. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm.........................................................................32

3.2.3. Độ giảm áp qua mâm khô.............................................................................................32
3.2.4. Độ giảm áp do chiều cao mức chất lỏng trên mâm......................................................34
3.2.5. Độ giảm áp do sức căng bề mặt...................................................................................35
3.2.6. Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động...........................................................................36
3.3.1. Bề dày thân tháp..........................................................................................................38
3.3.2. Đáy và nắp thiết bị........................................................................................................40
3.3.3. Bích ghép thân, đáy và nắp...........................................................................................41
3.3.4. Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn......................................................42
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ.......................................52
4.1. Các Thiết Bị Truyền Nhiệt...................................................................................................52
4.2. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.........................................................................................54
4.2.1. Suất lượng nước cần dùng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh...............................................54
4.2.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt........................................................................................55
4.3. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh.......................................................................................60
4.3.1. Suất lượng nước cần dùng để làm mát sản phẩm đỉnh.................................................60
4.3.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt........................................................................................61
4.4. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy..........................................................................................66
4.4.1. Suất lượng hơi nước cần dùng......................................................................................67
4.4.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt........................................................................................67
4.5. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy......................................................71
4.5.1. Nhiệt độ dòng nhập liệu sau khi trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy...............................71
4.5.2. Xác định bề mặt truyền nhiệu.......................................................................................72
4.6. Thiết gia nhiệt nhập liệu......................................................................................................78
4.6.1. Suất lượng hơi nước cần dùng :...................................................................................79
4.6.2. Xác định bề mặt truyền nhiệt........................................................................................79
4.7. Tính chiều cao bồn cao vị....................................................................................................85
4.7.1. Tổn thất đường ống dẫn................................................................................................86
4.7.2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị trao đổi nhiệt...................................................87
4.7.3. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị gia nhiệt nhập liệu...........................................88
Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 3


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

4.8. Chọn bơm............................................................................................................................91

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Lý Thuyết Về Chưng Cất.
1.1.1. Phương pháp chưng cất.
Chưng cất là quá trình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các cấu
tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác
nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi- ngưng tụ,
trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc, chưng
cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản
phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ), sản
phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi thấp (nhiệt độ sôi lớn). Đối với hệ EtanolNước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm etanol và một ít nước, ngược lại sản phẩm đáy chủ
yếu gồm nước và một ít etanol.
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:
 Áp suất làm việc:
+ Chưng Cất Áp Suất Thấp.
+ Áp Suất Thường.
+ Áp Suất Cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là 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.
 Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) và liên tục.

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 4


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

– Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong
các trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ 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.
– Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá
trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhều đoạn.
 Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường
được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước.
Vậy: đối với hệ Etanol– Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt
gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
1.1.2. 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.
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất
thường được ứng dụng trong công nghiệp lọc hóa 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 khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và
tháp chêm.
 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 chép dạng: tròn, chữ s…

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 5


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

–

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm.

 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: xếp
ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Bảng 1.1: So sánh ưu và nhược điểm của các loại tháp

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp chêm.
Ưu điểm

- Đơn giản.
- Trở lực thấp.

- Hiệu suất tương đối
cao.
- Hoạt động khá ổn định.

Tháp mâm chóp.
- Hiệu suất cao.
- Hoạt động ổn định.

- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
Nhược
điểm

- Hiệu suất thấp.

- Trở lực khá cao.

- Cấu tạo phức tạp.

- Yêu cầu lắp đặt khắt
- Độ ổn định kém.

khe → lắp đĩa thật

- Trở lực lớn.

phẳng.
- Thiết bị nặng.

- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.

Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và
tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ Etanol- Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên tục ở
áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
1.2. Giới Thiệu Sơ Bộ Nguyên Liệu.
Nguyên liệu là hỗn hợp Etanol- Nước.
Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 6


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

1.2.1. Dung dịch Etanol (Còn gọi là rượu etylic, cồn etylic hay cồn thực phẩm).
Etanol có công thức phân tử: CH3-CH2-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là chất
lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.
 Một số thông số vật lý và nhiệt động của etanol:
+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78,3oC.
+ Khối lượng riêng: d420 = 810 (Kg/m3).
 Tính chất hóa học:

Tất cả các phản ứng hóa học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là
thể hiện tính chất hóa học của nó.
Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl
CH3-CH2-OH



CH3-CH2-O- + H+

– Hằng số phân ly của etanol: , cho nên etanol là chất trung tính.
– Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm,
Natrihydrua(NaH), Natriamit(NaNH2).
CH3-CH2-OH + NaH

→ CH3-CH2-ONa + H2
(Natri etylat)

Do : tính acid của rượu 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: Rượu etanol có tính bazơ tương đương
với nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H 2SO4, HNO3 và acid hữu
cơ đều tạo ra ester.
CH3-CH2-OH + HO-SO3-H
CH3-CH2O-H + HO-CO-CH3
Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Lạnh

H+

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

+ H2O
Trang 7


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

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

CH3-CH2-X + H2O

+ Tác dụng với Photpho trichloride:
CH3-CH2-OH + PCl3

CH3-CH2-Cl + POCl + HCl

+ Tác dụng với NH3:
CH3-CH2-OH + NH3

Al2O3,
t0

C2H5-NH2 + H2O

+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:
2CH3-CH2-OH

CH3-CH2-OH

H2SO4
<150oC

H2SO4
170oC

(CH3-CH2)2O

+

CH2=CH2 +

H2O

H2O

+ Phản ứng hydro và oxy hoá
+ Công nghiệp cao su tổng
hợp, Động lựcCH3-CH2-OH

Cu
200300oC

+ Dung môi hữu cơ:pha sơn..
+ Nguyên

CH3-CHO
+ H2liệu.

 Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan
trọng
trong nền kinh tế quốc dân. Nó là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150
+ Rượu
mùi.
Nhiên liệu.
+ Dấm.
mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp
nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông
nghiệp...
+ Động lực.
+ Thuốc trừ sâu.

Etanol

+ Đồ nhựa.
+ Keo dán.
+ Hương liệu.

+ Thuốc nhuộm.
+ Tơ nhân tạo.

Trang 8

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

+ Sát trùng.

+ Pha chế thuốc.

+ Sơn.
+ Vecni.


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

+ Thuốc súng không khói.
+Nhiên liệu hoả tiễn, bom
bay.

Sơ đồ 1.1: Tóm tắt vị trí của etanol trong các ngành công nghiệp.



Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat

hóa etylen với xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và este của etanol khi đun
nóng với nước xúc tác dung dịch bazơ; hydro hóa aldyhyt acetic; từ các hợp chất cơ
kim…
Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh
bột. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản xuất etanol chủ yếu là sử dụng
chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:
C6H6O6

Nấm men
Zymaza

2C2H5OH

+ 2CO2 (+28 Kcal)

Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO2.

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 9


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxerin, acid
sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ (lactic, butyric…).
1.2.2. Nước.
–

Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi,

không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
–

Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
+ Khối lượng phân tử

–

: 18 g/mol

+ Khối lượng riêng c

: 1 g/ml

+ Nhiệt độ nóng chảy

: 00C

+ Nhiệt độ sôi

: 1000 C

Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước

biển) và rất cần thiết cho sự sống.
–

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hòa tan nhiều chất và là

dung môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
1.2.3. Hỗn hợp Etanol – Nước.
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol Nước ở 760 mmHg:
Bảng 1.2: Thành phần lỏng x (% phần mol)– hơi y(% phần mol) và nhiệt độ sôi của
hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg. Trích bảng IX.2a(II-146)

x

0

y

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

33,2 44,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9

75,3

81,8

t(oC) 100 90,5 86,5

83,2

81,7

80,8

80

79,4

79

78,6

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

90
89,

8
78,

100
100
78,
Trang 10


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

4

4

Hình 1.1: Thành phần lỏng x (% phần mol)– hơi y(% phần mol) và nhiệt độ sôi của
hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg

1.3. Công Nghệ Chưng Cất Hệ Etanol – Nước.
Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H 2O, nhiệt độ sôi là 78,3 0C ở
760mmHg, nhiệt độ sôi của nước là 100 oC ở 760mmHg: hơi cách biệt khá xa nên
phương pháp hiệu quả để thu etanol 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 khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp
hơn hay quá trình tách không được hồn tồn.
1.3.1. Thuyết minh dây chuyền công nghệ.
Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 11


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

Dung dịch đầu được bơm vào thùng chứa (1) lên bồn cao vị (4) nhờ bơm thủy lực
(2) rồi chảy vào thiết bị trao đổi nhiệt (5) của dòng tận dụng nhiệt của sản phẩm đáy. Sau
đó được dẫn qua lưu lượng kế (8) để kiểm soát lưu lượng trước khi vào thiết bị gia nhiệt
nhập liệu (6). Ở đây dung dịch được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước qua nhiệt.
Dung dịch sau khi đun sôi sẽ đi vào tháp chưng luyện.
Tại đĩa tiếp liệu đoạn lỏng được trộn lẫn với phần lỏng của đoạn cất của tháp chảy
xuống. Trong tháp chưng luyện, hơi đi từ dưới lên và gặp chất lỏng chảy từ trên xuống. Ở
đây đây có sự tiếp xúc và trao đổi giữa hai pha với nhau. Pha lỏng chuyển động trong
phần chưng, càng xuống dưới càng giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi vì bị pha hơi tạo nên
nồi đun đi từ dưới lên lôi cuốn các cấu tử dễ bay hơi. Đối với hỗn hợp nguyên liệu này thì
etanol có nhiệt độ sôi thấp nên là cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên
hơi có đi từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ bị ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh
tháp ta thu được etanol nhiều nhất. Hơi ra khỏi tháp sẽ qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm
đỉnh (13), sản phẩm đỉnh sau khi được ngưng tụ được chia dòng tại thiết bị chia dòng
(14). Một lượng dòng sẽ được hồi lưu đi qua lưu lượng kế trước khi về tháp tại đĩa trên
cùng để nâng cao hiệu suất tách etanol trong sản phẩm đỉnh. Dòng còn lại sẽ đi qua thiết
bị làm lạnh (15) để giảm nhiệt độ rồi chuyển xuống thùng chứa sản phẩm đỉnh (16).
Chất lỏng chảy từ trên xuống gặp hơi nước từ dưới lên có nhiệt độ cao nên một phần
cấu tử nhẹ sẽ bay hơi. Do đó càng xuống thấp nồng độ cấu tử khó bay hơi càng cao, cuối
cùng sản phẩm đáy ta thu được hầu hết là cấu tử nặng. Hỗn hợp này sẽ ra khỏi tháp được
bơm vào nồi đun sản phẩm đáy (10). Trong nồi đun các cấu tử dễ bay hơi sẽ bốc hơi cung
cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun và đi qua thiết bị trao

đổi nhiệt (5) để tận dụng nhiệt. Sau đó được đưa vào thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (11)
rồi vào bồn chứa sản phẩm đáy (12). Ở đáy tháp có áp kế (18) và nhiệt kế (17) để kiểm
soát áp suất và nhiệt độ.
Thiết bị gia nhiệt (6) và nội đun (10) được gia nhiệt bằng hơi đốt nên sau một
khoảng thời gan trao đổi nhiệt sẽ có nước ngưng tụ, nước ngưng này sẽ chiếm một
khoảng thể tích trong thiết bị gia nhiệt nên nó được tháo ra ngoài bằng bẩy hơi (7).
Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 12


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

1.3.2. Sơ đồ dây chuyền công nghệ.

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 13


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

TRANG
NÀY BỎ
SÀI CAD
THẾ VÀO

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 14


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

CHƯƠNG 2: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
2.1. Các Thông Số Ban đầu.
Kí hiệu đại lượng như sau:
–F: Lượng nguyên liệu đầu (kmol/h)
–P: Lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)
–W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h)
–GF, GP, GW: lượng nguyên liệu đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
–xF, xP, xW: phần mol của etanol trong pha lỏng ở nhập liệu, đỉnh và đáy.
–y*F, y*p, y*W: nồng độ cân bằng của etanol ứng với xF, xP, xW
–yF, yp, yW: phần mol của axeton trong pha hơi ở nhập liệu, đỉnh và đáy.
Giả thiết:
–Số mol pha hơi đi từ dưới lên là bằng nhau trong tất cả mọi tiết diện của tháp.
–Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao của đoạn chưng và đoạn luyện.
–Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi
–Chất lỏng ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi
đi ra ở đỉnh.
–Cấp nhiệt bằng đáy tháp hơi đốt gián tiếp
Yêu cầu thiết bị:
–Năng suất nhập liệu: F = 3500 kg/h
–Nồi hóa hơi làm việc ở áp suất (P= 2.5at)

–Tháp loại: Tháp mâm xuyên lỗ
–Điều kiện:
=30% khối lượng (kg etanol/kg hỗn hợp) = 0,3 (kg etanol/kg hỗn hợp)
= 80% khối lượng (kg etanol/kg hỗn hợp) = 0,8 (kg etanol/kg hỗn hợp)
= 0.5% khối lượng (kg etanol/kg hỗn hợp) = 0,005 (kg etanol/kg hỗn hợp)
Khối lượng phân tử của etanol MA = 46 kg/kmol
Khối lượng phân tử của nước MB = 18 kg/kmol
2.2. Cân bằng vật liệu.
Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 15


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

2.2.1. Tính nồng độ phần mol dựa vào nồng độ khối lượng.


Thành phần mol trong hỗn hợp đầu



Thành phần mol trong sản phẩm đỉnh



Thành phần mol trong sản phẩm đáy

2.2.2. Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp.
F = P + W (1)
Hay GF = GP + GW


Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi (axeton)
xF. F = xP. P + xW.W (2)
hay GF. xF = GP. xP + xW. GW

Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được
P = GP = 815,4390 (kg/h)
W= GW = 2684,561 (kg/h)
2.2.3. Tính khối lượng mol trung bình.


Trong hỗn hợp đầu
MF = xF. MA + (1 –xF). MB = 0,1436.46 + (1- 0,1436). 18 = 22,0208 (kg/kmol)



Trong hỗn hợp đỉnh
MP = xP. MA + (1 –xP). MB = 0,6101.46 + (1- 0,6101). 18 = 35,0828 (kg/kmol)

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 16


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC



GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

Trong hỗn hợp đáy
MW = xW. MA + (1 –xW). MB = 0,0019.46 + (1- 0,0019). 18 = 18,0532 (kg/kmol)

Lưu lượng mol tính theo kmol/h

Bảng 1.1: Bảng thống kê thành phần nguyên liệu đầu.

Phần khối

Phần mol

lượng

Lưu lượng

Lưu lượng

(kg/h)

(kmol/h)

Hỗn hợp đầu

0,3000

0,1436

3500,0000

158,9406

Sản phẩm đỉnh

0,8

0,6101

815,4390

23,2432

Sản phẩm đáy

0,0050

0,0019

2684,561

148,7028

2.2.4. Chỉ số hồi lưu thích hợp, số đệm lý thuyết.
Có rất nhiều phương pháp để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp, ta sử dụng phương
pháp xác định thay đổi theo bậc nồng độ (số đĩa lý thuyết)



Là lượng hồi lưu nhỏ nhất ở đỉnh tháp
Từ số liệu bảng IX, 2a, trang 146 - [2] ta có thành phần cân bằng lỏng-hơi của

etanol-nước là:
Bảng 2.2: Thành phần lỏng x (% phần mol)– hơi y(% phần mol) và nhiệt độ sôi của
hỗn hợp Etanol - Nước ở 760 mmHg. Trích bảng IX.2a(II-146)

x

0

y

0

5

10

20

30

40

33,

44,

53,

57,

61,

2

2

1

6

4

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

50

60

70

65,4

69,9

75,3

80
81,
8

90

100

89,8

100

Trang 17


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

t(oC)

100



GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

90,

86,

83,

81,

80,

5

5

2

7

8

80

79,4

79

78,
6

78,4

78,4

Từ bảng số liệu ta vẽ được đồ thị biểu diễn đường cân bằng lỏng – hơi

Hình 2.1: Đồ thị biểu diễn đường cân bằng lỏng- hơi

Với giá trị xF = 0,1436 và áp dụng vào đồ thị ta tìm được y*F = 0,482 (phần mol)
Gọi


y*F, y*P, y*W: Nồng độ phần mol của phần mol hơi cân bằng với pha lỏng

trong hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy của etanol ứng với xF, xP, xW.
 tF, tP, tW: nhiệt độ sôi của hỗn hợp đầu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
+Chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin
+ Tỉ số hoàn lưu làm việc:
R = 1,3Rmin + 0,3 = 1,3 .0,3448+0,3 = 0,7842
+Chỉ số nhập liệu

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 18


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

2.3. Phương trình đường làm việc số mâm lý thuyết.
2.3.1. Phương trình đường làm việc của đoạn luyện.

y =0,4395x + 0,3419
2.3.2. Phương trình đường làm việc của đoạn chưng.

y = 2,8451x – 1,8452
Ta vẽ được đồ thị:
Hình 2.2. Đồ thị xác định số đĩa lý thuyết

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 19


CHƯNG LUYỆN ETANOL-NƯỚC

GVHD: KS. DƯƠNG QUỐC KHANH

Từ đồ thị xác định số đĩa lý thuyết là:


Số đĩa lý thuyết của đoạn luyện là 18



Số đĩa lý thuyết của đoạn chưng là 9



Số đĩa nhập liệu là 1

Nhóm SVTH: Trần Bá Thuần

Trang 20