THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC AXIT AXETIC

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: TS. Trần Lưu Dũng
SVTH: Hồ Thị Thu Thảo
MSSV:

2004170161

Tháng 12, 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 đến Thầy Trần Lưu Dũng, 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 Thầy hướng dẫn làm đồ án. Em xin chân thành cảm ơn

Thầy đã tận tâm hướng dẫn cho em qua những buổi thảo luận. Nếu không có những lời
hướng dẫn, dạy bảo của Thầy 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 Thầy 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 Thầy 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:TS. Trần Lưu Dũng

i


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên: Hồ Thị Thu Thảo
Mã số sinh viên: 2004170161
Nhận xét:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

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

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

ii


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên: Hồ Thị Thu Thảo
Mã số sinh viên: 2004170161
Nhận xét:
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

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

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

iii


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN............................................................................................ 2
1.1. Lý thuyết về chung cất .............................................................................................. 2
1.1.1.

Khái niệm ........................................................................................................... 2

1.1.2.

Các phương pháp chưng cất ................................................................................ 2

1.2. Giới thiệu sơ bộ về nguyên liệu................................................................................. 4

1.2.1. Axit axetic ............................................................................................................. 4
1.2.2. Nước ...................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ...................................................................... 7
2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ ........................................................................................ 7
2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ ............................................................................. 7
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG ................... 8
3.1. Cân bằng vật chất...................................................................................................... 8
3.2. Cân bằng năng lượng .............................................................................................. 15
CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH ......................................................................... 24
4.1. Đường kính tháp ..................................................................................................... 24
4.1.1. Đường kính đoạn cất ............................................................................................ 24
4.1.2. Đường kính đoạn chưng ....................................................................................... 27
4.2. Chiều cao tháp ........................................................................................................ 30
4.3. Trở lực tháp ............................................................................................................ 31
4.3.1.

Trở lực của đĩa khô ........................................................................................... 32

4.3.2.

Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt ................................................................... 33

4.3.3.

Trở lực của chất lỏng trên đĩa ........................................................................... 35

4.3.4.

Trở lực của tháp chóp ....................................................................................... 40

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

iv


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ ............................................................................. 43
5.1. Bề dày tháp ............................................................................................................. 43
5.2.

Tính chi tiết ống dẫn ......................................................................................... 48

5.2.1.

Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ .................................................. 48

5.2.2.

Ống dẫn dòng hoàn lưu, dòng sản phẩm đỉnh ................................................... 49

5.2.3.

Ống dẫn dòng nhập liệu .................................................................................... 50

5.2.4.

Ống dẫn dòng sản phẩm đáy ............................................................................. 51

5.2.5.

Ống dẫn từ nồi đun qua tháp ............................................................................. 51

5.3.

Bích để nối các ống dẫn .................................................................................... 52

5.4. Bích ghép thân – đáy và nắp ................................................................................... 54
5.5.

Tai treo - chân đỡ ............................................................................................. 55

5.5.1.

Tính sơ bộ khối lượng tháp ............................................................................... 55

5.5.2.

Tai treo ............................................................................................................. 58

5.2.3.

Chân đỡ ............................................................................................................ 59

5.6. Lớp cách nhiệt ........................................................................................................ 59
CHƯƠNG 6: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ ............................................................................. 62
6.1.Thiết bị ngưng tụ ..................................................................................................... 62
6.1.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình............................................................................ 62

6.1.2.Lượng nhiệt trao đổi ............................................................................................. 62
6.1.3.Chọn thiết bị ......................................................................................................... 62
6.1.4.Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ ................................................................ 63
6.2.Thiết bị làm nguội sản phẩm đáy ............................................................................. 68
6.2.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình............................................................................ 68
6.2.2.Lượng nhiệt trao đổi ............................................................................................. 68

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

v


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

6.2.3.Chọn thiết bị ......................................................................................................... 69
6.2.4.Bề mặt truyền nhiệt ............................................................................................... 69
6.2.5.Chiều dài ống ........................................................................................................ 70
6.3.Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh ............................................................................ 70
6.3.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình............................................................................ 70
6.3.2.Lượng nhiệt trao đổi ............................................................................................. 70
6.3.3.Chọn thiết bị ......................................................................................................... 71
6.3.4.Bề mặt truyền nhiệt ............................................................................................... 71
6.3.5.Chiều dài ống ........................................................................................................ 71
6.4. Thiết bị đun sôi đáy tháp ......................................................................................... 72
6.4.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình............................................................................ 72
6.4.2.Lượng nhiệt trao đổi ............................................................................................. 72
6.4.3.Chọn thiết bị ......................................................................................................... 72
6.4.4.Hệ số cấp nhiệt ..................................................................................................... 73

6.4.5.Bề mặt truyền nhiệt ............................................................................................... 75
6.4.6.Chiều dài mỗi ống ................................................................................................. 76
6.5.Thiết bị đun sôi dòng nhập liệu ................................................................................ 76
6.5.1.Điều kiện nhiệt độ của quá trình............................................................................ 76
6.5.2.Lượng nhiệt trao đổi ............................................................................................. 76
6.5.3.Chọn thiết bị ......................................................................................................... 76
6.5.4.Hệ số cấp nhiệt ..................................................................................................... 77
6.5.5.Bề mặt truyền nhiệt ............................................................................................... 80
6.5.6.Chiều dài mỗi ống ................................................................................................. 81
6.6. Bồn cao vị............................................................................................................... 81
6.7. Bơm........................................................................................................................ 85
GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

vi


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

KẾT LUẬN ................................................................................................................... 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 91

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

vii


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

Khoa Công nghệ Hóa học

ii


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 2000l/h, nồng độ nhập liệu là 20 % (kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm
đỉnh là 80 % (kg nước/kg hỗn hợp), nồng độ sản phẩm đáy là 5 % (kg nước/kg hỗn hợp).
Sử dụng hơi đốt có áp suất 2 (at).

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

1


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:TS. Trần Lưu Dũng

2


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.

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

3


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

So sánh ưu nhược điểm của các loại tháp
Tháp chêm

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp mâm chóp

- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực tương đối
- Khá ổn định.
- Làm việc được với chất lỏng thấp.
- Hiệu suất cao.
bẩn nếu dùng đệm cầu có   - Hiệu suất khá cao.
- Trở lực thấp.

Ưu

điểm

 của chất lỏng.
- Do có hiệu ứng thành  hiệu
suất truyền khối thấp.

Nhược
điểm

­ Độ ổn định không cao, khó
- Có trở lực lớn.
vận hành.
- Không làm việc được
- Tiêu tốn nhiều
- Do có hiệu ứng thành  khi với chất lỏng bẩn.
vật tư, kết cấu
tăng năng suất thì hiệu ứng - Kết cấu khá phức tạp.
phức tạp.
thành tăng  khó tăng năng
suất.
- Thiết bị khá nặng nề.

Vậy ta sử dụng tháp mâm chóp 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
o

20( C). Khi hạ nhiệt độ xuống 1 ít đã đông đặc thành 1 khối tinh thể có Tonc = 16,635 –
0,002o, Tosôi = 118 (oC), tan trong nước, rượu và ete theo bất kỳ tỷ lệ nào. Là 1 axit yếu,

hằng số phân ly nhiệt động của nó ở 25 (oC) là K = 1,75.10 5 .
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.
GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

4


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

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.

Coban axetat ôû 80 o C

 CH3COOH
CH3CHO + ½ O2        
- 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.
GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

5


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

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.
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:TS. Trần Lưu Dũng

6


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 20% (theo phần khối lượng), nhiệt độ
khoảng 30 (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 (13), rồi
được đưa vào tháp chứng cất (7) 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 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 (12) 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 80% phần khối
lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng tụ hoàn toàn. Được bộ phân
chia dòng (9) chia làm 2 dòng. Một phần của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở
đĩa trên cùng. Một phần vào thiết bị làm nguội (10) được làm nguồi và sau đó đưa vào bể
chứa tại bồn chứa sản phẩm đỉnh (11).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 5% phần khối lượng, còn lại là axit axetic. Dung dịch lỏng ở đáy đi ra
khỏi tháp vào nồi đun (12). 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 (14), được làm nguội đến 40 (oC), rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm
đáy (15).
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:TS. Trần Lưu Dũng

7


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NĂNG
LƯỢNG
3.1. Cân bằng vật chất.
3.1.1. Các thông số ban đầu
Chọn loại tháp là tháp mâm chóp
Khi chưng luyện dung dịch axit axetic thì cấu tử dễ bay hơi là nước.

Axit axetic : CH 3 COOH  M A  60 (g / mol)
Hỗn hợp: 
Nöôùc: H 2 O  M N  18 (g / mol)
­ Năng suất nhập liệu: vF = 2000 (l/h).
- Nồng độ nhập liệu: xF = 20% (kg nước/ kg hỗn hợp).
- Nồng độ sản phẩm đỉnh: xD = 80% (kg nước/ kg hỗn hợp).
- Nồng độ sản phẩm đáy: xW = 5% (kg nước/ kg hỗn hợp).
Chọn:
- Nhiệt độ nhập liệu: tFV = 30 (oC).
- Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
Đối với thiết bị đun sôi đáy tháp
- Áp suất hơi đốt : Ph = 2 (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 = 30 (oC).
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40 (oC).

Đối với thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: tV = 30 (oC).
- Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: tR = 40 (oC).
Các ký hiệu:
F: lượng nguyên liệu đầu (kmol/h).
GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

8


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

F̅: lượng nguyên liệu đầu (kg/h).
D: lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h).
̅ : lượng sản phẩm đỉnh (kg/h).
D
W: lượng sản phẩm đáy (kmol/h).
̅ : lượng sản phẩm đáy (kg/h).
W
xF : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu
x̅F : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu.
xD : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh.
x̅D : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh.
xW : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
x̅W : nồng độ phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
3.1.2. Tính cân bằng vật chất
-

Bảng thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp hai cấu tử
ở 760mmHg (%mol) (IX.2a trang 148 [2])

x 0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

y 0

9.2

16.7

30.3

42.5

53

62.6

71.6

79.5

86.4

93

100

t

118.1 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100
-

Chuyển đổi nồng độ phần khối lượng về nồng độ phần mol

𝑥̅𝐹
0,2

𝑀𝑁ướ𝑐
18
𝑥𝐹 =
=
= 0,4545 (𝑚𝑜𝑙 𝑛ướ𝑐 ⁄𝑚𝑜𝑙 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝)
𝑥̅𝐹
1 − 𝑥̅𝐹
0,2 1 − 0,2
+
+
𝑀𝑁ướ𝑐
𝑀𝐴𝑥𝑖𝑡
18
60
𝑥̅𝑤
0,05
𝑀𝑁ướ𝑐
18
𝑥𝑤 =
=
= 0,1493(𝑚𝑜𝑙 𝑛ướ𝑐 ⁄𝑚𝑜𝑙 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝)
𝑥̅𝑤
1 − 𝑥̅𝑤
0,05 1 − 0,05
+
+
𝑀𝑁ướ𝑐
𝑀𝐴𝑥𝑖𝑡
18
60

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

9


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

𝑥̅𝐷
0,8
𝑀𝑁ướ𝑐
18
𝑥𝐷 =
=
= 0,9302(𝑚𝑜𝑙 𝑛ướ𝑐 ⁄𝑚𝑜𝑙 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝)
𝑥̅𝐷
1 − 𝑥̅𝐷
0,8 1 − 0,8
+
+
𝑀𝑁ướ𝑐
𝑀𝐴𝑥𝑖𝑡
18
60
 Nội suy từ đường cân bằng ta được:
𝑥𝐹 = 0,4545 => yF = 0,5823 => tF = 105,037 (oC)
𝑥𝐷 = 0,9302 => 𝑌𝐷 = 0,9511 => 𝑡𝐷 = 100,4188 (oC)
𝑥𝑤 = 0,1493 => 𝑌𝑤 = 0,2340 => 𝑡𝑤 = 111,9759(oC)
 tF = 105.037 (oC) .Nội suy bảng I.2, trang 9, [1] ta được:

 Khối lượng riêng của nước: Nước = 954.2223 (kg/m3).
 Khối lượng riêng của axit axetic : Axit = 948.9334 (kg/m3)
Áp dụng trong công thức (I.2), trang 5, [1]
1
x̅F
1 − x̅F
0,2
1 − 0,2
=
+
=
+
ρhh ρNước
ρAxit
954,2223 948,9334
𝜌ℎℎ = 949,986 (𝑘𝑔⁄𝑚3 )
F̅ = 𝜌ℎℎ .V = 949,986. 2000.10-3 =1899,972 (kg/h)
MF = xF × Mnước + (1 − xF) × Maxit=0,4545.18 + (1-0,4545) .60 = 40.911
F=
-

̅
F
MF

=

1899,972
40,911

= 46,4416 (kmol/h)

Cân bằng vật chất tính theo suất lượng mol và nồng độ phần mol (IX.16 và IX.17
trang 144 [2])
{
< =>
⇒{

F= D+W
F × xF = D × xD + W × xW

D + W = 46,4416
{
0,9302 × D + 0,1493 × W = 46,4416 × 0,4545

D = 18,1508 (kmol/h)
W = 28,2908 (kmol/h)

̅ = D × MD = D × [xD × Mnước + (1 − xD ) × M𝑎𝑥𝑖𝑡 ]
+D
GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

10


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

= 18,1508 × (0,9302 × 18 + (1 − 0,9302) × 60) = 379,9253 (kg/h)

̅ = W × MW = W × [xW × Mnước + (1 − xW ) × Maxit ]
+W
= 28,2908 × (0,1493 × 18 + (1 − 0,1493) × 60) = 1520,0477 (kg/h)
 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
Áp dụng trong công thức (IX.24), trang 158, [2]
𝑅𝑚𝑖𝑛

𝑥𝐷 − 𝑦𝐹∗ 0,9302 − 0,5823
= ∗
=
= 2,7222
𝑦𝐹 − 𝑥𝐹 0,5823 − 0,4545

 Tỉ số hoàn lưu làm việc
Áp dụng trong công thức (IX.25b), trang 159, [2]
𝑅 = 1,3𝑅𝑚𝑖𝑛 + 0,3 = 1,3 × 2,7222 + 0,3 = 3,8389
𝐿=

𝐹 46,4416
=
= 2,5587
𝐷 18,1508

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

𝑅
𝑥𝐷

3,8389
0,9302
𝑥+
=
𝑥+
= 0,7933𝑥 + 0,1922
𝑅+1
𝑅 + 1 3,8389 + 1
3,8389 + 1

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

𝑅+𝐿
𝐿−1
3,8389 + 2,5587
2,5587 − 1
𝑥−
𝑥𝑊 =
𝑥−
0,1493 = 1,3221𝑥 − 0,0481
𝑅+1
𝑅+1
3,8389 + 1
3,8389 + 1

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

11

Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

 Số mâm lý thuyết được suy ra thông qua đồ thị đường cân bằng

1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

 Số mâm lý thuyết là 16. Vị trí mâm nhập liệu là mâm số 6(nằm ở phần chưng).
Số mâm chưng là 5, số mâm cất là 10
 Số mâm thực tế
Ntt =

Nlt
tb

(𝐈𝐗. 𝟓𝟗 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟕𝟎 [𝟐])

Nlt : số mâm lý thuyết
GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

12


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

tb: hiệu suất trung bình của thiết bị, là một hàm số của độ bay hơi tương đối của
hỗn hợp và độ nhớt của hỗn hợp lỏng, tb = f(α, μ)
 Độ bay hơi tương đối của hỗn hợp
y∗
1−x

α=
×
(IX. 61 trang 171 [2])
1 − y∗
x
x: phần mol của nước trong pha lỏng
y ∗ : phần mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng
 Tính hiệu suất trung bình của tháp
* Tại vị trí nhập liệu
+ Tra bảng IX.2a trang 148 [2] với xF = 0.4545 thì yF∗ = 0,5823; t F =
105,037°C
yF∗
1 − xF
0,5823
1 − 0,4545
+ αF =
×
=
×
= 1,6729
1 − yF∗
xF
1 − 0,5823
0.4545
+ Tra bảng I.101 trang 91 [1] với t F = 105,037°C ta có:
μnước = 0,2709 × 10−3 (N × s/m2 )
μaxit = 0,4348 × 10−3 (N × s/m2 )
lgμF = xF × lgμnước + (1 − xF)lgμaxit (𝐈. 𝟏𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟖𝟒 [𝟏])
= 0,4545 × 0,2709 × 10−3 + (1 − 0,4545) × 0,4348 × 10−3
⇒ μF = 3,507 × 10−4 (N × s/m2 ) = 0,3507 (cP)

⇒ αF × μF = 0,5867
+ Tra hình IX.11 trang 171 [2] ta có F = 0.58
* Tại vị trí mâm đáy
∗
+ Tra bảng IX.2a trang 148 [2] với xW = 0,1493 thì yW
= 0,2340, t W =

111,9759°C

GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

13


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

+ αW =

Khoa Công nghệ Hóa học

∗
yW
1 − xW
0,2340
1 − 0,1493
=
×
= 1,7413
∗ ×
1 − yW

xW
1 − 0,2340
0,1493

+ Tra bảng I.101 trang 92 [1] với t W = 111,9759°C ta có:
μnước = 0.2529 × 10−3 (N × s/m2 )
μaxit = 0.4001 × 10−3 (N × s/m2 )
lgμW = xW × lgμnước + (1 − xW )lgμaxit (𝐈. 𝟏𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟖𝟒 [𝟏])
= 0,1493 × 0.2529 × 10−3 + (1 − 0,1493) × 0.4001 × 10−3
⇒ μW = 3,736 × 10−4 (N × s/m2 ) = 0.3736 (cP)
⇒ αW × μW = 0,65
+ Tra hình IX.11 trang 171 [2] ta có W = 0,56
*Tại vị trí mâm đỉnh
+ Tra bảng IX.2a trang 148 [2] với xD = 0,9302 thì yD∗ = 0,9511, t D =
100,4188°C
yD∗
1 − xD
0,9511
1 − 0,9302
+ αD =
×
=
×
= 1,4587
1 − yD∗
xD
1 − 0,0,9511
0,9302
+ Tra bảng I.101 trang 92 [1] với t D = 100,4188°C ta có:
μnước = 0,2829 × 10−3 (N × s/m2 )

μaxit = 0,4579 × 10−3 (N × s/m2 )
lgμD = xD × lgμnước + (1 − xD )lgμaxit (𝐈. 𝟏𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟖𝟒 [𝟏])
= 0, 9302 × 0,2829 × 10−3 + (1 − 0,9302) × 0,4579 × 10−3
⇒ μD = 2,926 × 10−4 (N × s/m2 ) = 0,2926 (cP)
⇒ αD × μD = 0.4268
+ Tra hình IX.11 trang 171 [2] ta có D = 0,61
⇒ Hiệu suất trung bình của tháp
GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

14


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

tb =

F + W + D
3

=

Khoa Công nghệ Hóa học

0,58 + 0,56 + 0,61
= 0,583
3

Vậy số mâm thực tế
Ntt =

Nlt
16
=
= 27 mâm
tb
0,583
Gồm 17 mâm cất, 1 mâm nhập liệu ở vị trí số 10 , 9 mâm chưng.

3.2. Cân bằng năng lượng
- Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu
Q D1 + Q f = Q F + Q ng1 + Q xq1

(𝐈𝐗. 𝟏𝟒𝟗 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐])

Q D1 : nhiệt lượng hơi đốt mang vào (J/h)
Q f ∶ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/h)
Q F ∶ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/h)
Q ng1 ∶ nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/h)
Q xg1 ∶ nhiệt lượng mất mát (J/h)
10−3
1(kW) = 1(kJ/s) =
(J/h)
3600
+ Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào :
Q D1 = D1 × λ1 = D1 × (r1 + θ1 × C1 )

(𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟎 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐])

C1 : nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg × độ)
λ1 : hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/kg)

θ1 : nhiệt độ nước ngưng (°C)
r1 : ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
D1 : lượng hơi đốt (kg/h)
 Chọn hơi đốt là hơi nước bão hòa: p=2at
 Tra bảng I.148 trang 166 [1] ta có t s = θ1 = 119,62°C
 Nội suy từ bảng I.212 trang 254 [1] ở t s = θ1 = 119,62°C ta có :
GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

15


Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TPHCM

Khoa Công nghệ Hóa học

r1 = 526.247 (kcal/kg) = 2203,29 × 103 (J/kg)
 Nội suy từ bảng I.148 trang 166 [1] ở t s = θ1 = 119,62°C ta có:
C1 = 1,014 (kcal/kg°C) = 4245,4152 (J/kg°C)
+ Nhiệt lượng do hỗn hợp nhập liệu mang vào:
Q f = F̅ × Cf × t f

(𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟏 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐])

F̅ ∶ lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
Cf ∶ nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg × độ)
t f : nhiệt độ đầu của hỗn hợp (°C)
 Chọn nhiệt độ ban dầu của hỗn hợp : t f = 30°C
 x = x̅F = 0,2
 Nội suy từ bảng I.153 trang 172 và bảng I.154 trang 172 [1], với t f = 30°C
ta có :

Cnước = 4177,5 (J/kg°C)
Caxit = 2047 (J/kg°C)
⇒ Cf = Chh = x × Cnước + (1 − x) × Caxit
= 0,2 × 4177,5 + (1 − 0,2) × 2047 = 2473,1 (J/kg°C)
⇒ Q f = 1899,972 × 2473,1 × 30 = 140964622,6 (J/h) = 39,1568 (kW)
+ Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra:
Q F = F̅ × CF × t F

(𝐈𝐗. 𝟏𝟓𝟐 𝐭𝐫𝐚𝐧𝐠 𝟏𝟗𝟔 [𝟐])

CF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp khi đi ra (J/kg × độ)
t F : nhiệt độ hỗn hợp khi đi ra khỏi thiết bị đun nóng(°C)
 Nội suy từ bảng IX.2a trang 148 [2], ta có : t F = 105,037°C
 x = x̅F = 0,2
 Nội suy từ bảng I.153/172 và bảng I.154/172 [1], với t F = 105,037°C, ta có :
C𝑛ướ𝑐 = 4241,3333 (J/kg°C)
GVHD:TS. Trần Lưu Dũng

16