TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁP ĐỆM CHƯNG CẤT LIÊN TỤC ĐỂ TÁCH HỖN HỢP HAI CẤU TỬ ETHANOL – NƯỚC

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM

Đồ án mơn học: Đồ án mơn học Q trình và thiết bị trong
Cơng nghệ Thực phẩm
Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁP ĐỆM CHƯNG
CẤT LIÊN TỤC ĐỂ TÁCH HỖN HỢP HAI CẤU
TỬ ETHANOL – NƯỚC

Thành phố Hồ Chí Minh, 12/2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ
CHÍ MINH

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

NHIỆM VỤ BÀI TẬP THIẾT KẾ THIẾT BỊ

BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
HỌ VÀ TÊN:

MSSV:

LỚP:

1. Tên đồ án:
Thiết kế hệ thống tháp đệm chưng luyện liên tục để tách hỗn hợp hai cấu tử Ethanol-nước
với các số liệu sau:
− Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp (Kg/h) :

F=2000 Kg/h

− Nồng độ hỗn hợp đầu (phần khối lượng) :

aF= 38%

− Nồng độ sản phẩm đỉnh (phần khối lượng) :

aD= 97%

− Nồng độ sản phẩm đáy (phần khối lượng) :

aW= 3,2%

2. Nhiệm vụ đồ án (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
- Tổng quan về nguyên liệu
- Tổng quan về phương pháp chưng cất
- Thuyết minh quy trình
- Tính tốn cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng
- Tính tốn thiết kế thiết bị chính
- Tính toán và chọn thiết bị phụ
- Bản vẽ A1 quy trình cơng nghệ


- Bản vẽ A1 chi tiết thiết bị thiết kế

3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 5/08/2019
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 19/12/2019
5. Họ và tên người hướng dẫn:
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 08 năm 2019
TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................


..................................................................................................................................
Phần đánh giá:
• Ý thức thực hiện: ............................................................................................

• Nội dung thực hiện: ........................................................................................
• Hình thức trình bày: ........................................................................................
• Tổng hợp kết quả: ...........................................................................................
Điểm bằng số: ................................... Điểm bằng chữ: .....................................
TP. Hồ Chí Minh, ngày…. tháng… năm 2019

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................


..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Phần đánh giá:
• Ý thức thực hiện: ............................................................................................
• Nội dung thực hiện: ........................................................................................
• Hình thức trình bày: ........................................................................................
• Tổng hợp kết quả: ...........................................................................................

Điểm bằng số: ................................... Điểm bằng chữ: .....................................
TP. Hồ Chí Minh, ngày…. tháng… năm 2019


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH.......................................................................................................... 1
DANH MỤC BẢNG......................................................................................................... 2
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................... 3
A: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT.........4
I. Tổng quan về quá trình chưng cất.................................................................................. 4
1. Định nghĩa, phân loại và thiết bị chưng cất............................................................ 4
1.1 Định nghĩa về chưng cất..................................................................................... 4
1.2 Phân loại.............................................................................................................. 7
1.3 Thiết bị chưng cất............................................................................................... 9
2. Giới thiệu về tháp đệm........................................................................................... 10
II. TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU......................................................................... 11
1. Ethanol.................................................................................................................... 11
2. Nước........................................................................................................................ 14
III. QUI TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL-NƯỚC..................16
1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ..................................................................................... 17
2. Thuyết minh quy trình cơng nghệ......................................................................... 19
B. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ.................................................................................... 21
I: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH.............................................................................. 21
1. CÂN BẰNG VẬT CHẤT....................................................................................... 21
1.1 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC CỦA THÁP..................................23
1.2 Chỉ số hồi lưu thích hợp Rx..................................................................................................................... 25
1.3 Xác định số đĩa lý thuyết và số đĩa thực tế:.................................................... 26
2. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG................................................................................ 29
2.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu............................29
2.2

Cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện............................................... 30

2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ................................................... 32
3. Tính đường kính tháp chưng luyện....................................................................... 32


3.1 Tính đường kính đoạn luyện............................................................................ 32
3.2 Tính đường kính đoạn chưng.......................................................................... 36
4. Tính chiều cáo tháp chưng luyện.......................................................................... 38
5. Tính trở lực của tháp............................................................................................. 39
5.1. Trở lực của đoạn luyện.................................................................................... 39
5.2 Trở lực của đoạn chưng.................................................................................... 40
6. Tính tốn cơ khí...................................................................................................... 41
6.1. Tính tốn đường kính các đường ống dẫn..................................................... 41
6.2 Tính chiều dày thân tháp hình trụ.................................................................. 43
6.3. Tính chiều dày đáy và nắp thiết bị................................................................. 45
6.4 Tra mặt bích...................................................................................................... 46
6.5 Tính lưới đỡ đệm, đĩa phân phối chất lỏng..................................................... 48
6.6 Tính chọn tai treo và chân đỡ.......................................................................... 52
II. TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ....................................................................................... 54
1. Tính tốn thiết bị truyền nhiệt:............................................................................. 54
1.1 Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu......................................................................... 54
1.2 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh.................................................................... 57
1.3 Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh................................................................... 60
1.4 Thiết bị đun sôi đáy tháp.................................................................................. 64
2. Bồn cao vị................................................................................................................ 66
2.1 Tổn thất đường ống dẫn................................................................................... 66
2.2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sơi dịng nhập liệu....................68
2.3 Tính chiều cao bồn cao vị................................................................................. 68

3. Bơm......................................................................................................................... 69
3.1 Năng suất bơm.................................................................................................. 69
3.2 Tính cột áp........................................................................................................ 69
III. TÍNH TỐN GIÁ THÀNH THIẾT BỊ.................................................................. 71
C. KẾT LUẬN................................................................................................................ 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 74


DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Ưu điểm, nhược điểm của từng loại tháp............................................................. 10
Hình 2: Cơng thức cấu tạo của ethanol............................................................................. 13
Hình 3: Sơ đồ thiết bị chưng cất....................................................................................... 18
Hình 4: Phương trình cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử
ethanol – Nước ở 760 mmHg........................................................................................... 24
Hình 5: Xác định bằng đồ thị số bậc thay đổi nồng độ của tháp chưng cất......................27

8


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Các thiết bị trong hệ thống chưng cất................................................................. 19
Bảng 2: Cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp 2 cấu tử ethanol – Nước
ở 760 mmHg.................................................................................................................... 24
Bảng 3: Thông số vật liệu bằng thép X18H10T............................................................... 44
Bảng 4: Thông số mặt bích liền bằng thép X18H10T để nối thân với đáy và nắp thiết bị47
Bảng 5: Thông số các bộ phận của thiết bị và ống........................................................... 47
Bảng 6: Chiều dài đoạn ống nối dựa vào đường kính của các ống................................... 48
Bảng 7: Thông số về lưới đỡ đệm, đĩa phân phối............................................................. 48
Bảng 8: Thông số thiết bị tai treo..................................................................................... 53
Bảng 9: Thơng số của thiết bị chân đỡ............................................................................. 53

Bảng 10: Tính toán giá tiền thiết bị.................................................................................. 72


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước
nhà, các ngành công nghiệp rất cần nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao.
Chưng cất là một trong những quá trình được áp dụng từ lâu đời và đã được
nghiên cứu rất kỹ lưỡng. Nó được áp dụng rất rộng rãi trong công nghệ thực phẩm, sinh
học và hóa chất đễ chế biến rượu, cồn, tinh dầu, dầu thực vật, điều chế oxi, lọc dầu. Vì
thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luôn luôn được cải tiến và đổi mới để ngày
càng hồn thiện hơn như là: cơ đặc, hấp thụ, hấp phụ, chưng cất, trích ly… Tùy theo đặc
tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lực chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ
ethanol – nước là hai cấu tử hòa tan lẫn hoàn toàn vào nhau, nên ta phải dùng phương
pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm.
Nhiệm vụ của đồ án này là thiết kế hệ thống chưng cất hỗn hợp ethanol – nước có
năng suất là 2000 kg/h, nồng độ hỗn hợp đầu 38% mol, nồng độ của sản phẩm ở đỉnh là
97% mol, nồng độ sản phẩm ở đáy là 3.2% mol, tháp làm việc ở áp suất bình thường.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy đã tận tâm hướng dẫn, hỗ trợ và giúp đỡ
tận tình em hồn thành đồ án này.
Trong q trình thực hiện đồ án khơng thể tránh khỏi những sai sót và hạn chế. Vì
thế, em rất mong nhận được sự góp ý, nhận xét phê bình của quý thầy cô và các bạn để đồ
án của em được hoàn thiện hơn.


A: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT
I. Tổng quan về quá trình chưng cất
1. Định nghĩa, phân loại và thiết bị chưng cất
1.1 Định nghĩa về chưng cất
Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng – lỏng cũng
như hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các

cấu tử trong hỗn hợp (tức là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử
là khác nhau bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ, trong đó,
vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. [1]
Trong q trình chưng cất, cả dung mơi 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 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm: Sản phẩm đỉnh gồm có
chủ yếu là các cấu tử dễ bay hơi và một phần ít các cấu tử có độ bay hơi thấp hơn. Sản
phẩm đáy gồm chủ yếu là các cấu tử có độ bay hơi thấp và một phần ít các cấu tử dễ bay
hơi.
Do các chất lỏng có áp suất hơi khác nhau tại cùng một nhiệt độ nên quá trình
chưng cất dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các chất lỏng tham gia. Vì có áp suất hơi
khác nhau nên khi đưa năng lượng vào hệ thống, chất có áp suất hơi cao hơn (hay nhiệt
độ sôi thấp hơn) bốc hơi nhiều hơn các chất khác, vì thế mà trong quá trình chưng cất,
nồng độ chất có nhiệt độ sôi thấp hơn trong phần cất cao hơn là ở trong hỗn hợp ban đầu.
Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như
trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong q trình chưng cất pha mới được tạo nên
bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cơ đặc
khơng khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới là trong q trình
chưng cất dung mơi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả
hai pha nhưng với tỉ lệ khác nhau), còn trong q trình cơ đặc thì chỉ có dung môi bay hơi
còn chất tan không bay hơi [1].


Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Trong đề tài này ta chỉ quan tâm đến hỗn hợp gồm hai cấu tử,
khi đó quá trình chưng cất sẽ cho:
-

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có
độ bay hơi bé [1].

-

Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ
bay hơi lớn [1]

-

Đối với hệ cấu tử ethanol – nước thì sản phẩm đỉnh chủ yếu là ethanol và một ít
nước, sản phẩm đáy chủ yếu là nước và một ít ethanol.
Hỗn hợp chưng cất không thể tách ra bằng các phương pháp khác, khi tiến hành

chưng cất, chất có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ nằm ở đáy tháp, chất có nhiệt độ sôi thấp hơn
sẽ bay hơi trước và thu được ở đỉnh tháp. Tùy thuộc vào thời gian, nhiệt độ và phương
pháp chưng cất mà lượng sản phẩm thu được ở thiết bị gia nhiệt và thiết bị chứa sản
phẩm đỉnh sẽ khác nhau [2]. Quá trình chưng cất thường diễn ra liên tục sẽ cho hiệu
suất cao hơn, sản phẩm có độ tinh sạch hơn các phương pháp khác [5].
Về quá trình chưng cất liên tục hai cấu tử nước và acid acetic bằng tháp mâm
thường bao gồm một hệ thống gồm các thiết bị chính sau: tháp chưng cất, thiết bị ngưng
tụ sản phẩm, thiết bị gia nhiệt nhập liệu, thiết bị gia nhiệt sản phẩm đáy, thiết bị hồn
lưu sản phẩm đỉnh [6].
Q trình tách các cấu tử trong hỗn hợp đòi hỏi ba điều kiện: Thứ nhất, cả hai pha
lỏng và hơi đều có mặt và tiếp xúc với nhau trên mỗi giai đoạn trong tháp tách. Thứ hai,
các thành phần phải có các biến động khác nhau ở những vị trí khác nhau trong quá trình
tách. Thứ ba, hai giai đoạn có thể được phân tách bằng lực hấp dẫn hoặc bằng lực cơ
học có nghĩa [4].
Trong các quy trình chưng cất liên tục, một dòng nguồn nhập liệu liên tục được
nhập vào cột. Nguồn nhập liệu này có thể chứa hai thành phần trong trường hợp này
được gọi là hỗn hợp hai cấu tử, nếu nguyên liệu chứa nhiều hơn hai thành phần thì được

gọi là hỗn hợp đa thành phần. Trong việc thiết kế một cột cho một khoảng cách nhất
định, số giai đoạn cần thiết và tốc độ dòng chảy của dòng chất lỏng và hơi đầu tiên phải
được xác định bằng cách sử dụng phương pháp chung. Trong thiết kế cơ khí của cột,
đường kính tháp, khoảng cách mâm, và cách bố trí chi tiết của mỗi mâm được xem xét.
Trước hết, đường kính là được tính tốn, sau đó có thể xem xét các cấu tạo hình học của
mâm một cách chi tiết hơn và cuối cùng, để kiểm tra các điều kiện hoạt động chung cho
tháp và thiết lập của nó trong một phạm vi hoạt động tối ưu.
Đối với dạng chưng cất này, nhà nghiên cứu áp dụng một quy trình thiết kế cho
một cột chưng cất để tách riêng hỗn hợp (nước – ethanol).
Chưng cất là một trong những hoạt động đơn vị lâu đời nhất. Trong khi kỹ thuật
đầu tiên được phát triển năm 1597, chưng cất đã được thực hành cho nhiều hợp chất đặc
biệt là đối với nồng độ cồn ethyl đối với đồ uống. Ngày nay, chưng cất là một trong
những hoạt động được sử dụng nhiều nhất và cũng sử dụng năng lượng lớn nhất trong các
q trình của ngành cơng nghiệp [4]
Từ xưa, ở trên thế giới như trong thế kỷ thứ VIII, Jabir Ibn Hayyan (Geber) là
người đầu tiên cô đọng axit axetic từ giấm bằng cách chưng cất. Trong thời Phục Hưng,
axit axetic băng được điều chế bằng cách chưng cất khô các axetat kim loại nhất định
(loại phổ biến nhất là đồng (II) axetat). Nhà giả kim thuật Đức thế kỷ thứ XVI Andreas
Libavius đã miêu tả cách chưng cất như thế, và ông đã so sánh axit axetic tạo ra bằng
phương pháp này với từ giấm. Sự có mặt của nước trong giấm đã làm ảnh hưởng đến
tính chất của axit axetic mà đối với các nhà hóa học trong vài thế kỷ đã cho rằng axit
axetic băng và axit axetic trong giấm là hai chất khác nhau. Nhà hóa học Pháp Pierre Adet
đã chứng minh rằng chúng là một… Từ lâu các tác giả đã nghiên cứu, tính tốn để thiết
kế hệ thống chưng cất hỗn hợp hai cấu tử có nhiệt độ bay hơi khác nhau. Phương pháp mà
họ sử dụng bao gồm chưng cất phân đoạn hỗn hợp hai cấu tử bằng tháp chêm, tháp mâm,
… Kết quả mà họ thu được là đã tìm ra các thơng số phù hợp cho q trình chưng cất hồi
lưu giúp sản phẩm tinh sạch, hiệu suất cao. Tháp được thiết kế hợp lý, thông số phù hợp
và khắc phục được nhiều nhược điểm. Mặc dù có phương pháp tính

toán và thiết kế có khác nhau nhưng kết quả cuối cùng là vẫn tách được hai cấu tử ra
khỏi hỗn hợp.
1.2 Phân loại
Phương pháp chưng
cất Theo áp suất làm
việc:
-

Chưng cất ở áp suất thấp: dùng cho các hỗn hợp có cấu tử dễ bị phân hủy ờ nhiệt
độ cao hoặc các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao

-

Chưng cất ở áp suất thường

-

Chưng cất ở áp suất cao: dùng cho các hỗn hợp không hóa hơi ở áp suất thường.

Theo nguyên lý làm việc: 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.
-

Chưng cất đơn giản: tách hỗn hợp các cấu tử có độ bay hơi khác nhau. Thường
để làm sạch sơ bộ và làm sạch các cấu tử ra khỏi tạp chất.
+ Chưng cất bay hơi dần dần: cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn cho
chưng cất bay hơi một lần.
+ Chưng cất bay hơi nhiều lần: cho phép chưng cất các phân đoạn theo mong muốn.

-

Chưng cất phức tạp:
+ Chưng cất có hồi lưu để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta
cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc thêm một lần nữa giữa pha
lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà độ
phân chia cao hơn.
+ Chưng cất có tinh luyện: dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha lỏng
và hơi nhờ vào các đĩa hay đệm. Chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn nếu kết
hợp với hồi lưu
+ Chưng cất chân không và chưng cất có hơi nước: độ bền nhiệt của các cấu tử
phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian lưu. Đối với các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao,


người ta cần tránh sự phân hủy chúng bằng cách giảm nhiệt độ chưng cất. Nếu
nhiệt độ


sôi cao hơn nhiệt độ chưng cất ta dùng chưng cất chân không hoặc chưng cất bằng
hơi nước. Hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng phần làm giảm nhiệt độ sơi của cấu
tử.
Phân loại theo q trình chưng cất
Chưng cất phân đoạn: dùng để có được độ tinh khiết cao của phần cất hay dùng để
chưng cất nhiều cấu tử khác nhau từ hỗn hợp. Có thể thực hiện dưới áp suất thấp hơn để
cải thiện bước tách nếu nhiệt độ sôi của các cấu tử gần nhau.
Chưng cất lôi cuốn: dùng khi các chất lỏng cần tách hòa tan vào nhau. Nếu hỗn
hợp là các cấu tử không tan vào nhau, có thể để lắng và gạt đi các cấu tử.
Phân loại theo phương pháp thực hiện
Phương pháp chưng cất đơn giản: thường để chưng cất những sản phẩm không đòi
hỏi độ tinh khiết cao, trong công nghệ thực phẩm, phương pháp này thường được sử dụng

để sản xuất các loại tinh dầu thô từ thực vật hoặc các loại rượu thủ cơng. Q trình chưng
cất thường được thực hiện ở điều kiện thường. Nguyên liệu được đưa vào nồi sau đó gia
nhiệt đến nhiệt độ sôi. Hơi bay lên được đưa vào thiết bị ngưng tụ, sản phẩm ngưng tụ
được đưa vào thùng chứa. Sau khi kết thúc mẻ chưng cất, phần lỏng khó bay hơi sẽ được
tháo ra ngoài.
Phương pháp chưng cất đơn giản hồi lưu: sản phẩm sẽ được hồi lưu một phần vào
tháp chưng cất để giúp tăng hiệu suất chưng cất cũng như giúp sản phẩm tinh sạch hơn.
Phương pháp chưng cất phân đoạn bằng hệ thống chưng cất liên tục: là quá trình
thực hiện liên tục quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần, nồng độ của các cấu tử trong
pha bay hơi càng lúc càng tăng cao. Quá trình chưng cất phân đoạn sẽ gồm nhiều giai
đoạn như vậy. Trong mỗi giai đoạn sẽ diễn ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ một phần.
Vậy ở đề tài này, hỗn hợp bao gồm hai cấu tử là nước và ethanol, trong đó nước có
nhiệt độ sôi là 100℃ [2], của ethanol là 64.7 ℃ [2]. Do đó, đối với hệ Nước – ethanol,
chúng tôi chọn phương pháp chưng cất liên tục ở áp suất thường.


1.3 Thiết bị chưng cất
Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá
trình chưng cất. Tuy nhiên yêu cầu cơ bàn chung cho 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.
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường
được dùng trong cơng nghiệp lọc hóa dầu. Kích thước của tháp như đường kính tháp và
chiều cao tháp tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của
sản phẩm. Ở đây ta khảo sát 2 loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp đệm.
Tháp mâm gồm thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn các mâm có câu 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 có gắn chóp và ống chảy chuyền, ống chảy
chuyền có thể có tiết diện hình tròn, viên phân, một ống hay nhiều ống tùy

suất lượng pha lỏng
• Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, đường kính lỗ từ
3÷12mm. Đối với những tháp có đường kính q lớn (>2,4m) ít dùng mâm
xun lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm.
Tháp đệm: là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiên
hay xếp thứ tự.
Tháp đệm

Tháp mâm chóp

Tháp mâm xuyên lỗ


- Cấu tạo đơn giản Ưu điểm

Trở lực thấp.

- Hoạt động ổn định.

- Trở lục tương đối thấp.

- Hiệu suất cao.

- Hiệu suất cao.

- Làm việc được với
chất lỏng bẩn.

- Vệ sinh dễ dàng

- Chế tạo đơn giản
- Hoạt động ổn định

- Do
Nhược
điểm

có

hiệu

ứng - Trở lực lớn.

- Yêu cầu lắp đặt cao (mâm

lắp phải rất phẳng).
thành nên hiệu suất - Cấu tạo phức tạp.
truyền khối thấp.
- Tháp có đường kính q
- Độ ổn định khơng

lớn (>2,4m) thì chất lỏng

cao, khó vận hành.

phân phối khơng đều trên

- Thiết bị nặng nề.

mâm.

Hình 1: Ưu điểm, nhược điểm của từng loại tháp
Do số lượng hỗn hợp ban đầu nhỏ nên tôi chọn đồ án thiết kế chưng cất tháp đệm
để dễ dàng chế tạo và trở lực nhỏ. Chính vì vậy, tơi chọn đề tài thiết kế hệ thống chưng
cất hỗn hợp ethanol – nước có năng suất là 2000 kg/h, nồng độ hỗn hợp đầu 38% mol,
nồng độ của sản phẩm ở đỉnh là 97% mol, nồng độ sản phẩm ở đáy là 3.2% mol
2. Giới thiệu về tháp đệm
Tháp đệm: là một tháp hình trụ gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Vật chêm được đổ đầy trong tháp theo một trong 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiên
hay xếp thứ tự. Vật chêm sử dụng gồm nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số vật
chêm như: vòng Raschig, vật chêm hình yên ngựa, vật chêm vòng xoắn,..


Yêu cầu chung của các loại vật chêm là phải có diện tích bề mặt riêng, thể tích tự
do lớn để giảm trở lực của dòng lưu chất. Vật liệu chế tạo vật chêm phải có khối lượng
riêng nhò và bền hóa học. Toàn bộ vật chêm được đặt trên bộ phận đỡ vật chêm. Chất
lỏng được phân phối ở đỉnh tháp qua bộ phận phân phối lỏng sao cho chất lỏng phải thấm
ướt được toàn bộ vật chêm.
II. TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU
1. Ethanol
Ethanol (còn gọi là cồn ethylic) có công thức phân tử là C2H6O, khối lượng phân tử:
46đvC, là chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.
Công thức: C2H5OH
Điểm sôi: 78,37 ° C
Khối lượng mol: 46,07 g / mol
Mật độ: 789 kg / m³
Điểm nóng chảy: -114,1 ° C
Tính chất hóa học:
* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH3-CH2-OH

CH3-CH2-O- +

H+
Hằng số phân ly của etanol: KCH −CH −OH = 10 −18 , cho nên etanol là chất trung tính.
3

2

+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri
hydrua(NaH), Natri amid(NaNH2):
CH3-CH2-OH + NaH

CH3-CH2-ONa + H2
Natri etylat

Do KCH −CH −OH
3

2


= 10

−14

: tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid của nước, nên

H 2O

khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành rượu trở lại.
*Tác dụng với acid hữu cơ tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với
nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H2SO4, HNO3 và acid hữu cơ đều tạo ra ester.


H+

CH3-CH2OH + CH3-COOH

CH3-COO-C2H5

CH3-CH2-OH + HO-SO3-H

+ H2O

CH3-CH2O-SO3-H + H2O

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

CH3-CH2-X + H2O

+ Tác dụng với Triclo Phốt pho
CH3-CH2-OH + PCl3

CH3-CH2-Cl + POCl + HCl

+ Tác dụng với NH3

CH3-CH2-OH + NH3

CH3-CH2-OH
+ Phản ứng hydro và oxy hoá:
CH3-CH2-OH

C2H5-NH2 + H2O

to

+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:

2CH3-CH2-OH

Al2O3

H2SO4
>150oC

H2SO4

(CH3-CH2)2O

CH2=CH2

+

H2 O

+ H2 O

o

>150 C
Cu

CH3-CHO

+ H2

200-300oC

Ứng dụng: Ethanol đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Đây là
nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150 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.
* Sơ đồ tóm tắt vị trí của ethanol trong các ngành cơng nghiệp.
Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hoá etylen với
xúc tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc
tác dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…Trong công
nghiệp, điều chế ethanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ đường. Ngồi
ra trong cơng nghiệp người ta có thể sử dụng quá trình chưng cất để tách ethanol ra khỏi
nước để thu được ethanol với nồng độ cao. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản


suất ethanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men
tinh bột.


Cồn Etanol được sản xuất bằng khá nhiều cách tiêu biểu như thông qua công nghệ hydrat

hóa ethylene hoặc dùng phương pháp sinh học đó là lên men đường hay ngũ cốc với men
rượu
- Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế etanol: hydrat hoá etylen với xúc
tác H2SO4; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol khi đun nóng với nước xúc tác
dung dịch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ các hợp chất cơ kim…
- Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn tinh bột và rỉ
đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất etanol chủ yếu là sử dụng
chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để lên men tinh bột:

Nấm men

C6H6O6

2C2H5OH

+ 2CO2 + 28 Kcal

Zymaza

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

Hình 2: Cơng thức cấu tạo của ethanol
Cấu tạo phân tử của Ethanol
Cacbon ở nhóm metyl (CH3–) liên kết với carbon ở nhóm metylen (–CH2–), nhóm
này lại liên kết với oxy của nhóm hydroxyl (–OH).


2. Nước

Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hidro có công thức hóa học là H2O. Với
các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrơ và tính bất thường
của khối lượng riêng), nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và
trong đời sống. 70% diện tích bề mặt của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3%
tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống.
Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng khơng màu, khơng mùi, không vị,
nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt. Công thức phân tử H2O, phân tử lượng 18
đvC. Màu sắc tự nhiên của nước thường được xác định bởi các chất rắn lơ lửng và chất lơ
lửng, hoặc bằng cách phản chiếu bầu trời, hơn là do nước. Điều này có nghĩa là màu sắc
của nước phụ thuộc vào góc phản xạ và khúc xạ của ánh sáng chiếu đến. Phân tử nước
bao gồm hai nguyên tử hiđrô và một nguyên tử oxy. Về mặt hình học thì phân tử nước có
góc liên kết là 104,45℃. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch
đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 95,84 picômét.
Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác
nhau. Các thơng số vật lí của nước:
- Nhiệt độ sôi: 100℃
- Nhiệt độ nóng chảy: 0℃
- Khối lượng riêng ở 20℃: ρ = 998 kg/m3
- Độ nhớt ở 20oC: μ = 1 x 10-3 N.s/m2 = 1cP
- Hệ số dẫn nhiệt ở 20℃: λ = 0.597 W/m.độ
- Nhiệt dung riêng ở 20℃: Cp = 4180 J/kg.độ

Oxy có độ âm điện cao hơn hydro. Việc cấu tạo thành hình ba góc và việc tích điện
từng phần khác nhau của các nguyên tử đã dẫn đến cực tính dương ở các nguyên tử hydro
và cực tính âm ở nguyên tử oxy, gây ra sự lưỡng cực.


Cấu tạo của phân tử nước tạo nên các liên kết hiđrô giữa các phân tử là cơ sở cho
nhiều tính chất của nước. Cho đến nay một số tính chất của nước vẫn còn là câu đố cho
các nhà nghiên cứu mặc dù nước đã được nghiên cứu từ lâu.

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước đã được Anders Celsius dùng làm hai
điểm mốc cho độ bách phân Celcius. Cụ thể, nhiệt độ đóng băng của nước là 0 độ
Celcius, còn nhiệt độ sôi (760 mm Hg) bằng 100 độ Celcius. Nước đóng băng được gọi là
nước đá. Nước đã hóa hơi được gọi là hơi nước và có nhiệt độ sôi tương đối cao nhờ liên
kết hydro.
Dưới áp suất bình thường nước có khối lượng riêng (tỷ trọng) cao nhất là ở 4°C:
0.998 g/cm³ đó là vì nước vẫn tiếp tục giãn nở khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4°C. Điều
này không được quan sát ở bất kỳ một chất nào khác. Điều này có nghĩa là: với nhiệt độ
trên 4°C, nước có đặc tính giống mọi vật khác là nóng nở, lạnh co; nhưng với nhiệt độ
dưới 4°C, nước lại lạnh nở, nóng co. Do hình thể đặc biệt của phân tử nước (với góc liên
kết 104,45°), khi bị làm lạnh các phân tử phải dời xa ra để tạo liên kết tinh thể lục giác
mở. Vì vậy mà tỉ trọng của nước đá nhẹ hơn nước thể lỏng.
Nước là một dung môi tốt nhờ vào tính lưỡng cực. Các hợp chất phân cực hoặc có
tính ion như axít, rượu và muối đều dễ tan trong nước. Tính hòa tan của nước đóng vai
trò rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra trong dung dịch
nước.
Nước tinh khiết khơng dẫn điện. Mặc dù vậy, do có tính hòa tan tốt, nước hay có
tạp chất pha lẫn, thường là các muối, tạo ra các ion tự do trong dung dịch nước cho phép
dòng điện chạy qua.
Về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính, có thể phản ứng như một, có thể
hiểu đơn giản khi một oxit axit hoặc một oxit bazơ tác dụng với nước sẽ tạo ra
dung dịch acid hay bazo tương ứng. Ở 7 pH (trung tính) hàm lượng các ion hydroxyt
(OH-) cân bằng với hàm lượng của hydronium (H 3O+). Khi phản ứng với một axit mạnh
hơn ví dụ như HCl, nước phản ứng như một chất kiềm:


HCl + H2O ↔ H3O+ + ClVới ammoniac nước lại phản ứng như một axit: