Đồ án thiết bị chưng cất mâm xuyên lỗ

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM
-----------------------0o0-----------------------

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

THIẾT KẾ HẾ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC
AXIT AXETIC

GVHD: Th.S Võ Phạm Phương Trang
SVTH: Bùi Vương Thịnh
MSSV:

2004160168

Tháng 06, năm 2019


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

LỜI CẢM 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 là gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian
từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học ở trường đến nay, 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, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đền Võ Phạm Phương Trang, ở khoa Công
Nghệ Hoá Học – Trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TPHCM, với tri thức và tâm
huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em tại trường. Và đặc biệt
trong học kỳ này, em đã được Cô hướng dẫn làm đồ án. Em xin chân thành cảm ơn Cô đã

tận tâm hướng dẫn cho em qua những buổi thảo luận. Nếu không có những lời hướng
dẫn, dạy bảo của Cô thì em nghĩ đồ án này của em sẽ rất khó có thể hoàn thiện tốt được.
Trong quá trình hoàn thành đồ án, mặc dù đã nổ lực hết sức nhưng khó tránh khỏi
sai sót, rất mong Cô bỏ qua. Đồng thời kinh nghiệm thực tiễn cũng như kiến thức còn hạn
hẹp, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của Cô để em học thêm được nhiều kinh
nghiệm và sẽ hoàn thành tốt hơn trong những đồ án sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

2


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên: Bùi Vương Thịnh
Mã số sinh viên: 2004160168
Nhận xét:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

Điểm đánh giá:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Ngày … tháng … năm 2019
(Ký tên, ghi rõ họ và tên)

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

3


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên: Bùi Vương Thịnh
Mã số sinh viên: 2004160168
Nhận xét:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

Điểm đánh giá:
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
Ngày … tháng … năm 2019
(Ký tên, ghi rõ họ và tên)

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

4


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

MỤC LỤC

DANH SÁCH HỈNH ẢNH

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

5


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

6


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao
về độ tinh khiết của các sản phẩm. Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn
luôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ,
chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà chúng ta có sự lựa chọn
phương pháp phù hợp. Đối với hệ Nước – Axit axetic là hai cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta
phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết.
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 Công nghệ Hóa học tương lai. Môn học giúp em giải quyết
nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghệ, kết cấu, giá thành của một thiết bị
trong sản xuất hóa chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên để em 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 nhất.
Nhiệm vụ của Đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất Nước – Axit axetic có
năng suất là 2500 (kg/h), nồng độ nhập liệu là 70 % (kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản
phẩm đỉnh là 96 % (kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 2 % (kg nước/kg hỗn
hợp). Sử dụng hơi đốt có áp suất 2,5 (at).

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

7


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý thuyết về chung cất
1.1.1. Khái niệm
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một 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 một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác
nhau).
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.
Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy
nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung
môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với
tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan
không 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 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm
-

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

có độ bay hơi bé.

Đối với hệ Nước – Axit axetic thì
-

Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước.
Sản phẩm đáy chủ yếu là axit axetic.

1.1.2. Các phương pháp chưng cất
Phân loại theo áp suất làm việc: Áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao.
Phân loại theo nguyên lý làm việc: Chưng cất đơn giản, chưng bằng hơi nước trực
tiếp, chưng cất.
GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

8


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp, cấp nhiệt
gián tiếp.
Vậy đối với hệ axit axetic – nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp
nhiệt gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
1.1.3. Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất.
Tuy nhiên yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau nghĩa là diện tích bề mặt
tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một 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,… Ở đây ta khảo sát 2 loại 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, trên đó pha lỏng và pha hơi được 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…
+ Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh.
Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc 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.
So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

Cấu tạo khá đơn giản.
Ưu
điểm

Trở lực thấp.
Làm việc được với chất lỏng

Trở lực tương đối
thấp.

bẩn nếu dùng đệm cầu có ρ ≈

Hiệu suất khá cao.

Khá ổn định.
Hiệu suất cao.

ρ của chất lỏng.
Nhược
điểm

Do có hiệu ứng thành → hiệu
suất truyền khối thấp.
Độ ổn định không cao, khó
vận hành.

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

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

Có trở lực lớn.
Tiêu tốn nhiều
vật tư, kết cấu
phức tạp.
9


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Do có hiệu ứng thành → khi
tăng năng suất thì hiệu ứng
thành tăng → khó tăng năng
suất.
Thiết bị khá nặng nề.
Vậy ta sử dụng tháp mâm xuyên lỗ để chưng cất hệ axit axetic – nước.
1.2. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu
1.2.1. Axit axetic
Là 1 chất lỏng không màu, có mùi sốc đặc trưng, trọng lượng riêng 1,0497 ở
20(oC). Khi hạ nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có T onc = 16,635 –
0,002o, Tosôi = 118 (oC), tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào. Là 1 axit yếu,
−5

o

hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25 ( C) là K = 1,75.10 .
Tính ăn mòn kim loại: Axit axetic ăn mòn sắt, nhôm bị ăn mòn bởi axit loãng, nó
đề kháng tốt đối với axit axetic đặc và thuần khiết. Đồng và chì bị ăn mòn bởi axit axetic
với sự hiện diện của không khí. Thiếc và một số loại thép nikel – crom đề kháng tốt đối
với axit axetic.
Axit axetic được điều chế bằng cách:
Oxy hóa có xúc tác đối với cồn etylic để biến thành andehit axetic, là một giai
đoạn trung gian. Sự oxy hóa kéo dài sẽ tiếp tục oxy hóa andehit axetic thành axit axetic.
CH3CHO + ½ O2 = CH3COOH
C2H5OH + O2 = CH3COOH + H2O
Oxy hóa andehit axetic được tạo thành bằng cách tổng hợp từ acetylen. Sự oxy
hóa andehit được tiến hành bằng khí trời với sự hiện diện của coban axetat. Người ta thao
tác trong andehit axetic ở nhiệt độ gần 80 ( oC) để ngăn chặn sự hình thành peroxit. Hiệu
suất đạt 95 – 98% so với lý thuyết. Người ta đạt được như thế rất dễ dàng sau khi chế axit
axetic kết tinh được.

CH3CHO + ½ O2

Cobanaxetatôû80o C
       
→

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

CH3COOH
10


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Tổng hợp đi từ cồn metylic và cacbon oxit. Hiệu suất có thể đạt 50 – 60% so với
lý thuyết bằng cách cố định cacbon oxit trên cồn metylic qua xúc tác. Nhiệt độ từ 200 –
500 (oC), áp suất 100 – 200 (atm)
CH3OH + CO → CH3COOH
Với sự hiện diện của metaphotphit hoặc photpho – vonframat kim loại 2 và 3 hóa
trị (chẳng hạn sắt, coban).
Axit axetic là một axit quan trọng nhất trong các loại axit hữu cơ. Axit axetic tìm
được rất nhiều ứng dụng vì nó là loại axit hữu cơ rẻ tiền nhất. Nó được dùng để chế tạo
rất nhiều hợp chất và ester. Nguồn tiêu thụ chủ yếu của axit axetic là:
Làm dấm ăn (dấm ăn chứa 4,5% axit axetic).
Làm đông đặc nhựa mủ cao su.
Làm chất dẻo tơ sợi xenluloza axetat – làm phim ảnh không nhạy lửa.
Làm chất nhựa kết dính polyvinyl axetat.
Làm các phẩm màu, dược phẩm, nước hoa tổng hợp.

Axetat nhôm dùng làm chất cắn màu (mordant trong nghề nhuộm)
Phần lớn các ester axetat đều là các dung môi, thí dụ: izoamyl axetat hòa tan được
nhiều loại nhựa xenluloza.

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.
Tính chất vật lý:
Khối lượng phân tử

: 18 (g/mol)

Khối lượng riêng d40 c

: 1 (g/ml)

Nhiệt độ nóng chảy

: 0 (oC)

Nhiệt độ sôi

: 100 (oC)

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.
GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

11

Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung môi
rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

12


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ
2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ
Hỗn hợp Nước – Axit axetic có nồng độ nước 70% (theo phần khối lượng), nhiệt độ
khoảng 27 (oC) tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3). Sau
đó, hỗn hợp được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi trong thiết bị đun sôi dòng nhập liệu (4), rồi
được đưa vào tháp chứng cất (9) ở đĩa nhập liệu.
Trên đĩa nhập liệu, chất lỏng được trộn với phần lỏng từ đoạn luyện của tháp chảy
xuống. Trong tháp, hơi đi từ dưới lên gặp chất lỏng từ trên xuống. Ở 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 các cấu tử dễ bay hơi vì đã bị pha hơi tạo nên từ nồi đun (11) 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 axit axetic sẽ ngưng tụ lại, cuối cùng trên đỉnh
tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử nước chiếm nhiều nhất (có nồng độ 96% phần khối
lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (9) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần của
chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng. 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 tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (axit
axetic). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ nước là 2% phần khối lượng, còn lại là axit
axetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (11). Trong nồi đun dung dịch
lỏng một phần sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi
nồi đun đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đáy (12), được làm nguội đến 40 ( oC), rồi
được đưa qua bồn chứa sản phẩm đáy (13).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là nước được thải bỏ, sản phẩm
đáy là axit axetic được giữ lại.

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

13


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.1. Các thông số ban đầu
Chọn loại tháp là tháp mâm xuyên lỗ.
Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước.

Hỗn hợp:

Axit axetic: CH 3COOH ⇒ M A = 60(g/ mol)

: H 2O ⇒ M N = 18(g/ mol)
Nöôùc

Năng suất nhập liệu: GF = 2500 (kg/h).
Nồng độ nhập liệu: xF = 70% (kg nước/ kg hỗn hợp).
Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 96% (kg nước/ kg hỗn hợp).
Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 2% (kg nước/ kg hỗn hợp).
Chọn:
Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 25 (oC).
Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp
Áp suất hơi đốt : Ph = 2,5 (at).
Đối với thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: tWR = 40 (oC).
Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 25 (oC).
Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 35 (oC).
Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 25 (oC).
Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40 (oC).
Các ký hiệu
GF, F: suất lượng nhập liệu tính theo (kg/h, kmol/h).
GD, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo (kg/h, kmol/h).
GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

14


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

GW, W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo (kg/h, kmol/h).
xi, xi : nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i.
3.2. Xác định suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy thu được
Tra bảng I.249, trang 310, [1]
⇒ Khối lượng riêng của nước ở 25 (oC): ρN = 996,5 (kg/m3).
Tra bảng I.2, trang 9, [1]
⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 25 (oC): ρAL = 1042,75 (kg/m3)
Áp dụng trong công thức (I.2), trang 5, [1]
⇒
Năng suất nhập liệu : GF = 2500 (kg/h).
Áp dụng trong công thức (IX.16), (IX.17), trang 144, [2]

Đun gián tiếp :

⇔

G F = G D + G W

G F xF = G D xD + G W xW

GW
GF
GD
=
=
xD − xW xF − xW xD − xF

Áp dụng trong công thức (IX.18), trang 144, [2]
Nên : (kg/h).
Áp dụng trong công thức (IX.19), trang 144, [2]
Và: GW = GF – GD = 2500 – 1808,5 = 691,5 (kg/h).
3.3. Xác định tỉ số hoàn lưu làm việc
• Nồng độ phần mol

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

15


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

• Suất lượng mol tương đối của dòng nhập liệu

• Tỉ số hoàn lưu làm việc
Tra bảng IX.2a, trang 148, [2]
⇒ Dựa vào đồ thị ta có y*f = 0,925
• Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
Áp dụng trong công thức (IX.24), trang 158, [2]

• Tỉ số hoàn lưu làm việc
Áp dụng trong công thức (IX.25b), trang 159, [2]

• Phương trình đường làm việc
Phương trình đường làm việc làm cất
Áp dụng trong công thức (IX.20), trang 144, [2]

Phương trình đường làm việc phần chưng
Áp dụng trong công thức (IX.22), trang 158, [2]

3.4. Xác định suất lượng mol của dòng pha
Coi lưu lượng mol của các dòng pha đi trong mỗi đoạn tháp (chưng và luyện) là
không đổi.
• Tại đỉnh tháp
GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

16


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Vì tại đỉnh tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau.
⇒ Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đỉnh tháp là bằng nhau
.
Suất lượng khối lượng của dòng hơi tại đỉnh tháp
.
Suất lượng mol của dòng hơi tại đỉnh tháp

Suất lượng khối lượng của dòng hoàn lưu

Suất lượng mol của dòng hoàn lưu

• Tại mâm nhập liệu
Khối lượng mol của dòng nhập liệu

Suất lượng mol của dòng nhập liệu

• Tại đáy tháp
Vì tại đáy tháp nồng độ phần mol của nước trong pha lỏng và pha hơi bằng nhau.
⇒ Khối lượng của pha hơi và pha lỏng tại đáy tháp là bằng nhau
GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

17


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Suất lượng mol của dòng sản phẩm đáy

CHƯƠNG 4: TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Chọn hơi đốt là hơi nước ở 2,5 (at).
Tra bảng I.251, trang 314, [1]
Nhiệt hóa hơi:
Nhiệt độ sôi:

rH2O

tH2O

= rn = 2189500 (J/kg).

= tn = 126,25 (oC).

Dòng sản phẩm tại đáy có nhiệt độ
Trước khi vào nồi đun (lỏng): tS1 = 118,0672 (oC).
Sau khi được đun sôi (hơi): tS2 = 100,1197 (oC).
Cân bằng nhiệt cho toàn tháp
Qđ + GFhFS = (R+1) GDrD + GDhDS + GWhWS + Qm
Giả sử Qm = 0,05Qđ ⇒ 0,95Qđ = (R+1) GDrD + GD(hDS – hFS) + GW(hWS – hFS)
hFS = cF.tFS = [

xF cN + (1− xF )cA

hWS = cW.tWS = [
hDS = cD.tDS = [
rD =

]tFS

xW cN + (1− xW )cA

xD cN + (1− xD )cA

]tWS

]tDS

xD rN + (1− xD )rA

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

18

Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Với xF = 0,89 ⇒ tFS = 100,6698 (oC).
xD = 0,98 ⇒ tDS = 100,1197 (oC).
xW = 0,06 ⇒ tWS = 118,0672 (oC).
Nhiệt dung riêng
Tra bảng I.249, trang 310, [1]
Nhiệt dung riêng của nước ở 118,0672 (oC)= 4,952117 (kJ/kg.K).
Nhiệt dung riêng của nước ở 100,6698 (oC) = 4,218018 (kJ/kg.K).
Nhiệt dung riêng của nước ở 100,1197 (oC) = 4,195816 (kJ/kg.K)

.

Tra bảng I.154, trang 172, [1]
Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 118,0672 (oC) = 2,524658 (kJ/kg.K).
Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,6698 (oC) = 2,433445 (kJ/kg.K).
Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 100,1197 (oC) = 2,430615 (kJ/kg.K).
• Enthalpy
hFS = [ 0,7. 4,218018 + (1-0,7) . 2,433445) . 100,6698 = 370,731 (kJ/kg).
hWS = [ 0,02 . 4,952117 + (1-0,02) . 2,524658) . 118,0672 = 303,811 (kJ/kg).
hDS = [ 0,96 . 4,195816 + (1-0,96) . 2,430615) . 100,1197 = 413,015 (kJ/kg).
• Nhiệt hóa hơi
Tra bảng I.250, trang 312, [1]
Nhiệt hóa hơi của nước ở 100,1197 (oC) = rN = 2259,712 (kJ/kg).
Dùng toán đồ I.65, trang 255, [1]
Nhiệt hóa hơi của axit axetic ở 100,1197(oC)= rA = 100 (Kcal/kg) = 419,7 (kJ/kg)
Tra bảng I.251, trang 314, [1]

Nhiệt hóa hơi của nước ở 2,5 (at) =

rH2O

= 2189,5 (kJ/kg).

Nên: rD = 0,96 2259,712 + (1-0,96) . 419,7= 2186.112 (kJ/kg).
Nhiệt lượng cần cung cấp

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

19


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Qđ =

Khoa Công nghệ Hóa học

(R + 1)G D rD + G D (hDS − hFS ) + G W (hWS − hFS )
0,95

= 13935913,77 (kJ/h).

Nếu dùng hơi nước bão hòa (không chứa ẩm) để cấp nhiệt thì: Qđ =

G H2O =

G H2O rH2O

.

Qñ
rH2O

Vậy lượng hơi nước cần dùng là :

= 6364,884 (kg/h).

• Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy
Chọn
Nước làm lạnh đi trong ống trong với nhiệt độ vào t V = 25 (oC) và nhiệt độ ra tR =
35 (oC).
Sản phẩm đáy đi trong ống ngoài với nhiệt độ vào tWS = 118,0672 (oC) và nhiệt độ
ra tWR = 40 (oC).
Cân bằng nhiệt: Q = GW(hWS – hWR) = Gn (hR – hV).
Nhiệt dung riêng của nước ở 40 (oC) = 4,178 (kJ/kg.K).
Nhiệt dung riêng của axit ở 40 (oC) = 2,1(kJ/kg.K).
Nên: hWR = (0,02. 4,178 + 0,98. 2,1). 40 = 85,6624 (kJ/kg).
Tra bảng I.250, trang 312, [1]
⇒ Enthalpy của nước ở 25 (oC) : hV = 104,75 (kJ/kg).
⇒ Enthalpy của nước ở 35 (oC) : hR = 146,65 (kJ/kg).
Lượng nhiệt trao đổi
Q = GW(hWS – hWR) = [691,5.(303,811 – 85,6624)] =150849,7569 (kJ/h).

Gn =
Suất lượng nước lạnh cần dùng:

Q
hR − hV

= 3600,233 (kg/h).

• Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
Chọn
Nước làm lạnh đi trong ống với nhiệt độ vào tV = 25 (oC) và nhiệt độ ra
GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

20


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

tR = 40 (oC).
Dòng hơi tại đỉnh đi ngoài ống với nhiệt độ ngưng tụ tngưng = 100,6698 (oC).
Cân bằng nhiệt: Qnt = (R + 1)GDrD = Gn (hR – hV).
rD =

xD rN + (1− xD )rA

= 0,96. 2259,712 + 0,04. 419,7 = 2186,112 (kJ/kg).

Nên: Qnt = (R + 1)DrD = (2,341+1).96. 2186,112 = 701164,818 (kJ/h).
Tra bảng I.250, trang 312, [1]
⇒ Enthalpy của nước ở 25 (oC) : hV = 104,75 (kJ/kg).
⇒ Enthalpy của nước ở 40 (oC) : hR = 146,65 (kJ/kg).

Gn =

Lượng nước cần dùng:

Q nt
hR − hV

= 11156,163 (kg/h).

• Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu
Chọn
Dòng nhập liệu đi trong ống trong với nhiệt độ vào t V = tFV = 25 (oC) và nhiệt độ
ra tR = tFS = 100,6698 (oC).
Hơi ngưng tụ đi trong ống ngoài có áp suất 2,5 (at):
Nhiệt hóa hơi:
Nhiệt độ sôi:

rH2O

tH2O

= rn = 2189500 (J/kg).

= tn = 126,25 (oC).

Tra bảng I.249, trang 310, [1]
⇒ Nhiệt dung riêng của nước ở 25 (oC) = 4,178(kJ/kg.K).
Tra bảng I.154, trang 172, [1]
⇒ Nhiệt dung riêng của axit axetic ở 25 (oC) = 2,0205 (kJ/kg.K).
hFV = cF.tFV = [

xF cN + (1− xF )cA

]tFV = (0,7. 4,178 + 0,3. 2,0205). 25 = 88,3025 (kJ/kg)

Cân bằng nhiệt: Q = GF(hFS – hFV) = Gnrn
Nên: Q = GF(hFS – hFV) = 2500.( 370,731 – 88,3025) = 706071,25 (kJ/h).
GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

21


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Gn =
Lượng hơi đốt cần dùng:

Q
rn

Khoa Công nghệ Hóa học

= 322,481 (kg/h).

CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH
Phương trình đường làm việc
Phương trình đường làm việc làm cất

y=

Rx
Rx + 1

x+

xD
Rx + 1

= 0,548x + 0,364

Phương trình đường làm việc phần chưng

y=

Rx + f
Rx + 1

x-

1− f
Rx + 1

xw = 1,302x – (1,975 10-3)

5.1. Đường kính tháp
• Phần cất
- Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện
Nồng độ phần mol trung bình của pha lỏng trong phần luyện
⇒ Nhiệt độ trung bình của pha lỏng trong phần luyện: TLL = 100,779 (oC).
Nồng độ phần khối lượng trung bình của pha lỏng trong luyện
Tra bảng I.249, trang 310, [1]

⇒ Khối lượng riêng của nước ở 100,799 (oC): ρNL = 957,809 (kg/m3).
Tra bảng I.2, trang 9, [1]
⇒ Khối lượng riêng của axit axetic ở 100,799 (oC): ρAL = 956,562 (kg/m3).
Áp dụng trong công thức (I.2), trang 5, [1]
⇒.
GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

22


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Hình 1: Giản đồ T – x,y của hệ Axit axetic – Nước

-

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện

Nồng độ trung bình của pha hơi trong phần luyện
yL = 0,701xL + 0,295 = 0,7010,935 + 0,295 = 0,95044
Dựa vào hình 1
⇒ Nhiệt độ trung bình của pha hơi trong phần luyện: THL = 100,599 (oC)
-

Khối lượng mol trung bình của pha hơi trong phần luyện
MHL = yL. MN + (1 – yL). MA
= 0,9504418 + (1 – 0,95044)60 = 20,0815 (kg/kmol)

-

Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần luyện

-

Tính vận tốc pha hơi đi trong phần luyện

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

23


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Tra bảng IX.4a, trang 169, [2]
Với đường kính tháp trong khoảng 1,4 ÷ 1,6 (m) thì khoảng cách mâm là: ∆h = 400 (mm)
= 0,4 (m)
Tra đồ thị 6.2, trang 256, [3] ⇒ C = 0,057
-

Vận tốc pha hơi đi trong phần luyện

Tính đường kính phần luyện
Suất lượng mol của pha hơi trong phần luyện: nHL = nHD = (kmol/h)
Suất lượng thể tích của pha hơi trong phần luyện
Đường kính phần luyện
•

Phần luyện
Tính toán tương tự như phần luyện ⇒ ta có bảng kết quả sau:

0,302

0,153

0,347

109

107,4

45,41
5

952,92
4

944,68
0

0,001

945,92
8

1,449

1,456

1,933

1,4

Vì φL ≈ φC ⇒ ta có thể lấy đường kính của toàn tháp là đường kính của phần
chưng
Chọn theo chuẩn ⇒ φ = 1,4 (m)
GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

24


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

Kết luận: đường kính tháp là φ = 1,4 (m)
Vận tốc pha hơi trong phần chưng và phần luyện theo thực tế:

GVHD: Th.S Võ P. Phương Trang

25