TT TT QTTB - N23 phần 1234

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA CƠNG NGHỆ SINH HĨA - THỰC PHẨM
------&&&------

BÁO CÁO

THỰC TẬP THỰC TẾ Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG
HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT
NHẬP LIỆU LÀ 2000 KG/H

Nhóm sinh viên thực hiện:
Nguyễn Hữu Trọng
Võ Thị Kim Vẹn
Trần Thị Thái Trân
Nhan Thanh Thi Trúc


Cần Thơ - 2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA CƠNG NGHỆ SINH HĨA - THỰC PHẨM
------&&&------

THỰC TẬP THỰC TẾ Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ THÁP CHƯNG
HỖN HỢP ETHANOL – NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT
NHẬP LIỆU LÀ 2000 KG/H

Giảng viên hướng dẫn:
ThS. Vi Nhã Trân

Nhóm sinh viên thực hiện
1. Nguyễn Hữu Trọng
2. Võ Thị Kim Vẹn
3. Trần Thị Thái Trân
4. Nhan Thanh Thi
Trúc

1900044
1900663
1900092
1900500


Cần Thơ - 2021


MỤC LỤC
DANH SÁCH BẢNG............................................................................................iv
DANH SÁCH HÌNH.............................................................................................v
CÁCH TRÍCH DẪN TÀI LIỆU...........................................................................vi
LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................vii
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI ...........................................................................................viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU, QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
CHƯNG CẤT........................................................................................................1
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU.................................................................1
1.1.1 Ethanol ......................................................................................................1

a. Tính chất.....................................................................................................1
b. Điều chế......................................................................................................2
c. Ứng dụng....................................................................................................3
1.1.2 Nước..........................................................................................................3
1.1.3 Hỗn hợp ethanol – nước.............................................................................4
1.2. QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT ...........................................................................5
1.2.1 Khái niệm...................................................................................................5
1.2.2 Phân loại ...................................................................................................6
1.2.3 Các phương pháp chưng cất.......................................................................6
1.3 THIẾT BỊ..........................................................................................................7
CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH VÀ THUYẾT MINH .............................................9
2.1. Quy trình cơng nghệ chưng cất hệ ethanol - nước............................................9
2.1.1. Sơ đồ quy trình..........................................................................................9
2.1.2 Quy trình thuyết minh................................................................................9
CHƯƠNG 3: CĂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG............................11
3.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU...........................................................................11
3.1.1 Tính cân bằng vật liệu................................................................................11
3.2 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HỒN LƯU THÍCH HỢP.................................................13
3.2.1. Nồng độ phần mol.....................................................................................13
3.2.2. Tỉ số hoàn lưu tối thiểu.............................................................................13
3.2.3. Tỉ số hoàn lưu thích hợp Rth.....................................................................13
3.2.4. Phương trình làm việc và một số mâm lý thuyết.......................................16
3.3 XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ.....................................................................17
1


3.4 XÁC ĐỊNH XUẤT LƯỢNG MOL CỦA CÁC DÒNG PHA...........................19
3.4.1. Tại đỉnh tháp.............................................................................................19
3.4.2. Tại ví trí mâm nhập liệu............................................................................20
3.4.3. Tại đáy tháp...............................................................................................21

3.5 CÂN BẰNG NHIỆT CHO TOÀN THÁP.........................................................21
3.5.1. Nhiệt dung riêng........................................................................................22
3.5.2. Enthalpy....................................................................................................22
3.5.3 Nhiệt hóa hơi..............................................................................................22
3.6 THIẾT BỊ LÀM NGUỘI SẢN PHẨM ĐÁY....................................................22
3.7 THIẾT BỊ NGƯNG TỤ SẢN PHẨM ĐỈNH.....................................................23
3.8 THIẾT BỊ ĐUN SƠI DỊNG NHẬP LIỆU........................................................23
CHƯƠNG 4: TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH..............................................................25
4.1 TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP ...........................................................................25
4.1.1 Đường kính đoạn luyện..............................................................................25
4.1.1.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện...............................................25
4.1.1.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp.........................................................26
a) Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần luyện...............................26
b) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi tong phần luyện..................................26
4.1.2 Đường kính đoạn chưng.................................................................................27
4.1.2.1 Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng.............................................27
4.1.2.2 Tốc độ hơi trung bình đi trong tháp.........................................................28
a) Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng trong phần chưng.....................28
b) Khối lượng riêng trung bình của pha hơi trong phần chưng.......................29
4.2 TÍNH CHIỀU CAO THÁP................................................................................30
4.3 TÍNH CHĨP - ỐNG CHẢY CHUYỀN.............................................................30
4.3.1 Tính chóp...................................................................................................30
4.3.2 Tính ống chảy chuyền................................................................................32
4.4 Tính tổng tổn thất qua toàn tháp........................................................................34
4.4.1 Gradient chiều cao mực chất lỏng trên mâm ∆...........................................34
4.4.2 Độ giảm áp của pha khí qua một mâm ht...................................................36
4.5 TÍNH TRỞ LỰC THÁP....................................................................................36
4.5.1 Tổng trở lực phần luyện.............................................................................37
2

4.5.1.1 Trở lực đĩa khô ∆Pk............................................................................37
4.5.1.2 Trở lực do sức căn bề mặt...................................................................37
4.5.1.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh ∆Pt)....................38
4.5.2 Tổng trở lực phần chưng............................................................................39
4.5.2.1 Trở lực đĩa khô....................................................................................39
4.5.2.2 Trở lực do sức căng bề mặt.................................................................40
4.5.2.3 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh)..........................40
4.6 TÍNH BỀ DÀY THÂN TRỤ CỦA THÁP ........................................................41
4.7 TÍNH – CHỌN BỀ DÀY ĐÁY VÀ NẮP THIẾT BỊ.........................................44
4.8 CHỌN BÍCH VÀ VỊNG ĐỆM........................................................................46
4.8.1 Bích và đệm để nối và bít kín thiết bị ........................................................46
4.8.2 Bích để nối các ống dẫn ............................................................................47
4.8.2.1 Đường kính ống dẫn hơi vào thiết bị ngưng tụ....................................47
4.8.2.2 Ống dẫn dịng chảy hồn lưu .............................................................47
4.8.2.3 Ống dẫn dòng nhập liệu .....................................................................47
4.8.2.4 Ống dẫn dòng sản phẩm đáy...............................................................48
4.8.2.5 Ống dẫn từ nồi đun qua tháp...............................................................49
4.8.3 Bích để nối các ống dẫn ............................................................................49
4.9 CHÂN ĐỠ VÀ TAI TREO THIẾT BỊ...............................................................50
4.9.1 Tính sơ bộ khối lượng tháp .......................................................................50
4.9.2 Chọn tai treo ..............................................................................................53
4.9.3 Chọn chân đỡ.............................................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................56

3


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.1 Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp ethanol – nước ở

760mmHg................................................................................................................ 4
Bảng 1.2 Ưu điểm, nhược điểm của tháp chưng cất mâm xuyên lỗ - tháp chóp - tháp
đệm.......................................................................................................................... 7
Bảng 3.1 Bảng ký hiệu............................................................................................11
Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa R và tích số Nlt(R+1)................................................ 13
Bảng 3.3 Bảng tổng kết số lượng chương 3.............................................................24
Bảng 4.1 Bích liền bằng kim loại đen để nối các bộ phận của thiết bị và ống.........49
Bảng 4.2 Kích thước bề mặt đệm bích kín..............................................................50
Bảng 4.3 Tai treo thiết bị thẳng đứng......................................................................53
Bảng 4.4 Chân thép đối với thiết bị thẳng đứng......................................................54
Bảng 4.5 Bảng tổng kết số lượng chương 4.............................................................54

4


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1 Đồ thị cân bằng pha của hệ Ethanol – Nước ............................................5
Hình 1.2 Giản đồ T - x, y của hệ Ethanol - Nước ...................................................5
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất ethanol...........................................9
Hình 3.1 Đồ thị cần bằng pha của hệ Ethanol – Nước với R = 1,744 .....................14
Hình 3.2 Đồ thị cần bằng pha của hệ Ethanol – Nước với R = 1,962 .....................14
Hình 3.3 Đồ thị cần bằng pha của hệ Ethanol – Nước với R = 2,18 .......................15
Hình 3.4 Đồ thị cần bằng pha của hệ Ethanol – Nước với R = 2,398 .....................15
Hình 3.5 Đồ thị cần bằng pha của hệ Ethanol – Nước với R = 2,725 .....................16
Hình 3.6 Đồ thị mối quan hệ giữa R và tích số Nlt.(R+1).......................................16
Hình 3.7 Đồ thị cần bằng pha của hệ Ethanol – Nước với Rth = 1,962 ..................17
Hình 3.8 Sơ đồ cân bằng dịng pha tại đỉnh tháp ....................................................20
Hình 3.9 Sơ đồ cân bằng dịng pha tại mâm nhập liệu............................................20
Hình 3.10 Sơ đồ cân bằng dịng pha tại đáy tháp....................................................21
Hình 4.1 Đáy và nắp có gờ......................................................................................45

Hình 4.2 Bích ghép thân, đáy và nắp.......................................................................46
Hình 4.3 Bích ghép ống dẫn....................................................................................49
Hình 4.4 Tai treo .....................................................................................................53
Hình 4.5 Chân đỡ tháp............................................................................................54

5


CÁCH TRÍCH DẪN TÀI LIỆU
Bảng IX.2a, trang 145 [3]: Tra bảng IX.2a ở trang 145 của tài liệu số 3 trong mục
tài liệu tham khảo.
Công thức IX.16, trang 144 [3]: Theo công thức IX.16 ở trang 144 của tài liệu số 3
trong mục tài liệu tham khảo

6


LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành cơng nghiệp nước ta
nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành cơng nghiệp hóa học. Đặc biệt là ngành
hóa chất cơ bản.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản suất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa
học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm có độ tinh khiết cao phải phù hợp
với quy trình sản suất hoặc nhu cầu sử dụng. Ngày nay, các phương pháp được sử
dụng để nâng cao độ tinh khiết: trích ly, chưng cất, cỏ đặc, hấp thu... Tùy theo đặc
tỉnh yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ
Ethanol - Nước là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất
để nâng cao độ tinh khiết cho Ethanol.
Đồ án môn thực tập thực tế q trình thiết bị là một mơn học mang tính tổng
hợp trong q trình học tập của các kỹ sư hóa học thực phẩm tương lai. Mơn học

giúp sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính tốn cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu,
giá thành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm. Đây là bước đầu tiên
để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết
những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của môn học này là thiết kế tháp chưng cất hệ Ethanol - Nước hoạt
động liên tục với năng suất nhập liệu là 2000 kg/h có nồng độ 10% theo phân khối
lượng thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ 75% theo phân khối lượng và nồng độ
sản phẩm đáy là 5% theo phân khối lượng.
Đây là lần đầu tiên tiếp nhận nhiệm vụ thiết kế hệ thống tháp chưng cất mang
tính chất đào sâu chuyên ngành do kiến thức và tài liệu cịn hạn chế nên khơng thể
tránh khỏi sai sót trong q trình thiết kế. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ
bảo tận tình của giảng viên hướng dẫn và quý thầy cô bộ mơn, để nhóm có thể hồn
thành tốt mơn học này.

7


NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Tên đề tài: Tính tốn và thiết kế tháp chưng hỗn hợp Ethanol – Nước với
năng suất nhập liệu là 2000kg/h
2. Số liệu ban đầu
- Năng suất nhập liệu: 2000 kg/h
- Nồng độ nhập liệu: aF = 10 % phân khối lượng
- Nồng độ của sản phẩm đỉnh: aP= 75 % phân khối lượng
- Nồng độ của sản phẩm đáy: aW = 5 % phân khối lượng
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn
Chương 1: Tổng quan về nguyên liệu, quá trình, thiết bị
Chương 2: Quy trình và thuyết minh
Chương 3: Cân bằng vật chất và năng lượng
Chương 4: Tính tốn thiết bị chính

4. Ngày giao nhiệm vụ: 20/09/2021
5. Ngày hoàn thành đồ án: 28/11/2021
Giáo viên hướng dẫn
ThS. Vi Nhã Trân

8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGUYÊN LIỆU,
QUÁ TRÌNH, THIẾT BỊ
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUN LIỆU
1.1.1 Ethanol
a. Tính chất
Ethanol hay Etanol, cịn được gọi bằng nhiều cái tên khác như rượu ethylic,
alcohol ethylic, rượu ngũ cốc hay cồn. Ethanol là một hợp chất hữu cơ dễ cháy,
không màu, là một trong các loại rượu thơng thường có trong thành phần của đồ
uống chứa cồn. Trong cách nói dân dã thì thơng thường Ethanol được nhắc đến một
cách đơn giản gọi là rượu [1].
Ethanol là một alcohol mạch thẳng, cơng thức hóa học của nó là C2H6O hay
C2H5OH. Một cơng thức thay thế khác là CH 3-CH2-OH thể hiện carbon ở nhóm
Methyl (CH3-) liên kết với carbon ở nhóm methylene (-CH 2-), nhóm này lại liên kết
với oxi của nhóm hydroxyl (-OH) [1].
Ở điều kiện tự nhiên, Ethanol là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi
thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, dễ cháy, không màu, tan vô hạn trong nước. Là
một trong các loại rượu thơng thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn
[1].
Tính chất vật lý của Ethanol [1]
o Ethanol là chất lỏng trong suốt, không màu, có mùi thơm nhẹ và dễ cháy.
o Có vị cay đặc trưng.
o Ethanol tan vô hạn trong nước.

o Nhẹ hơn nước với khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 150C.
o Dễ bay hơi, sơi ở nhiệt độ 78,390C, hóa rắn ở -114,150C.
Tính chất hóa học của Ethanol
Mang tính chất của một rượu đơn chức
 Phản ứng thế H của nhóm -OH
+ Tác dụng với kim loại
Phương trình phản ứng: 2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2
+ Phản ứng với Cu(OH)2
Phương trình phản ứng: 2C3H5(OH)3 + Cu(OH)2 → [C3H5(OH)2O] 2Cu + 2H2O
 Phản ứng thế nhóm -OH
+ Phản ứng với acid vơ cơ
Phương trình phản ứng: C2H5-OH + H-Br → C2H5-Br + H2O
+ Phản ứng với acid hữu cơ (phản ứng este hóa)
1


Phương trình phản ứng: CH3COOH + C2H5-OH → CH3COOC2H5 + H2O
Lưu ý:
ₒ Phản ứng được thực hiện trong môi trường acid và đun nóng.
ₒ Phản ứng có tính thuận nghịch nên chú ý đến chuyển dịch cân bằng.
ₒ Phản ứng với alcohol (điều kiện phản ứng H2SO4 đậm đặc, 1400C)
Phương trình phản ứng : C2H5-OH + H-O-C2H5 → C2H5-O-C2H5 + H2O
 Phản ứng oxi hóa
- Phản ứng oxi hóa hồn toàn (phản ứng cháy)
+ Đối với alcohol no, đơn chức mạch hở
Phương trình phản ứng: CnH2n + 2O + (3n/2)O2 → nCO2 + (n + 1)H2O
+ Đối với alcohol no, đa chức mạch hở
Phương trình phản ứng: CnH2n + 2Ox + (3n+1-x)/2O2 → nCO2 + (n + 1)H2O
- Phản ứng oxi hóa khơng hồn tồn (oxi hóa hữu hạn)
Phương trình phản ứng: C2H5OH + CuO → CH3-CHO + H2O + Cu

- Tính chất hóa học khác
+ Phản ứng tạo ra butadien-1,3 khi cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp.
+ Phản ứng lên men giấm: oxi hóa rượu ethylic 10 độ bằng oxi khơng khí có mặt
men giấm ở nhiệt độ 25 °C.
C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O
Ethanol được sản xuất bằng cả cơng nghiệp hóa dầu, thơng qua hệ thống
hydrat hóa ethylene, và theo phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay
ngũ cốc với men rượu.
Ethanol có thể được sử dụng như là nhiên liệu (thông thường trộn lẫn với
xăng) và trong hàng loạt các quy trình cơng nghiệp khác. Ethanol tinh chất và
ethanol 95% là các dung môi tốt được sử dụng trong các loại nước hoa, sơn và cồn
thuốc. Ethanol được sử dụng trong các gel kháng khuẩn do có tính chất khử trùng.
Các loại đồ uống có cồn có hương vị khác nhau do các chất tạo mùi khác nhau được
hòa tan trong ethanol trong suốt quá trình ủ và nấu. Khi ethanol được sản xuất như
đồ uống hỗn hợp thì nó là rượu ngũ cốc tinh khiết [1].
b. Điều chế
Cồn Ethanol được sản xuất bằng khá nhiều cách tiêu biểu như thơng qua cơng
nghệ hydrat hóa ethylene hoặc dùng phương pháp sinh học đó là lên men đường hay
ngũ cốc với men rượu.
 Thơng qua cơng nghệ hóa dầu hydrat hóa ethylene.
Ethanol được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ thơng qua phương pháp
hydrat hóa ethylene bằng xúc tác acid. Cho ethylene hợp nước ở 300 0C, áp suất 7080 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric [1]:
Ta có phương trình điều chế sau: H2C=CH2+ H2O → CH3CH2OH
2


 Thông qua con đường sinh học là lên men
Trong điều kiện khơng có oxi thì một số loại men rượu sẽ chuyển hóa đường tạo
ra Ethanol và Carbon dioxide.
Phương trình điều chế như sau : C6H12O6→ 2CH3CH2OH+ 2CO2

Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ
rượu. Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng
nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất [1].
Để sản xuất dung môi Ethanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc
thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường. Trong việc ủ men bia, theo
truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha. Trong quá
trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzyme có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường.
Để sản xuất ethanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành
glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với acid sulfuric
loãng, enzyme nấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp.
 Thông qua con đường làm tinh khiết giữa Ethanol và nước
Đối với hỗn hợp ethanol và nước, điểm sôi hỗn hợp (azeotrope) cực đại ở nồng
độ 96% ethanol và 4% nước. Vì lý do này, chưng cất phân đoạn hỗn hợp ethanolnước (chứa ít hơn 96% ethanol) không thể tạo ra ethanol tinh khiết hơn 96%. Vì
vậy, 95% ethanol trong nước là dung mơi phổ biến nhất [1].
c. Ứng dụng
 Ethanol ứng dụng trong công nghiệp
 Ethanol cũng được sử dụng trong các sản phẩm chống đơng lạnh vì điểm
đóng băng thấp của nó.
 Ethanol dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như axid acetic,
diethyl ether, ethyl acetat…
 Ethanol được dùng làm dung môi hoặc chất pha để pha vecni, dược
phẩm, nước hoa…
 Cồn Ethanol dùng để pha chế xăng sinh học E5, E10, thường tỉ lệ xăng
chiếm trên 90%.
 Ethanol dùng trong công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may.
 Cồn Ethanol dùng trong ngành điện tử, lau vi mạch, bo mạch.
 Ethanol ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm
 Ethanol ứng dụng vào ngành công nghiệp thực phẩm hay cịn gọi là cồn
thực phẩm và có những ứng dụng sau đây:
 Ethanol là một trong những nguyên liệu để tạo ra đồ uống có cồn mà

hằng ngày chúng ta vẫn hay sử dụng như bia, rượu, …
 Ethanol còn được dùng như nước ướp gia vị
 Ethanol ứng dụng trong dược phẩm và y học
 Ethanol được dùng như một chất chống vi khuẩn, sát trùng
3


 Ethanol được dùng để điều chế thuốc ngủ
 Ethanol ở nồng độ nhất định còn là dung dịch dùng để tẩy rửa, vệ sinh
các dụng cụ y tế. [1]
1.1.2 Nước
Nước là một chất hóa học vơ cơ, trong suốt, không vị, không mùi và gần như
không màu, là thành phần chính của thủy quyển Trái đất và chất lỏng trong tất cả
các sinh vật sống đã biết. Nước rất quan trọng đối với tất cả các dạng sống đã biết,
mặc dù nó khơng cung cấp calo hoặc chất dinh dưỡng hữu cơ.
Cơng thức hóa học là H2O, có nghĩa là mỗi phân tử của nó chứa một nguyên tử
oxi và hai nguyên tử hydro, được nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Hai
nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử oxi một góc 104,45° [2].
Khối lượng phân tử: 18g / mol.
Khối lượng riêng d40C: 1g / ml
Nhiệt độ nóng chảy: 00C
Nhiệt độ sơi: 1000C
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 một dung mơi tốt nhờ vào tính lưỡng cực. Các hợp chất phân cực hoặc
có tính ion như acid, rượu và muối đều dễ tan trong nước. Tính hịa tan của nước
đóng vai trị rất quan trọng trong sinh học vì nhiều phản ứng hóa sinh chỉ xảy ra
trong dung dịch nước [2].
Theo Hồng Kim Anh, 2008 thì về mặt hóa học, nước là một chất lưỡng tính,
có thể phản ứng như một, có thể hiểu đơn giản khi một oxide acid hoặc một oxide

base tác dụng với nước sẽ tạo ra dung dịch acid hay base tương ứng. Ở pH=7
(trung tính) hàm lượng các ion hydroxide (OH -) cân bằng với hàm lượng của
hydronium (H3O+). Khi phản ứng với một acid mạnh hơn ví dụ như HCl, nước phản
ứng như một chất kiềm:
HCl + H2O ↔ H3O+ + ClVới ammoniac nước lại phản ứng như một acid:
NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH- .
1.1.3 Hỗn hợp ethanol – nước
Bảng 1.1 Thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp ethanol – nước ở 760mmHg

T0C

100

90,5

86,5

83,2

81,7

80,8

80

79,4

79

78,6

78,4

78,4

x

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

y

0

33,2

44,2

53,1

57,6

61,4

65,4

69,9

75,3

81,8

89,8

100

(Nguồn: Bảng IX.2a, trang 148 [3])

Trong đó: x là thành phần lỏng của ethanol (% mol)

y là thành phần hơi của ethanol (% mol)
4


Hình 1.1 Đồ thị cân bằng pha của hệ Ethanol - Nước
Hình 1.2 Giản đồ T – x, y của hệ Ethanol – Nước

1.2 QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

1.2.1 Khái niệm

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn
hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu
tử trong hỗn hợp [4].
Sự khác nhau về khả năng bay hơi thể hiện qua sự chênh lệch về nhiệt độ sôi.
Do nhiệt độ sôi chênh lệch nên dưới tác dụng của nhiệt độ, cấu tử nào có nhiệt độ
sôi thấp sẽ bay hơi trước, cấu tử nào có nhiệt độ sơi cao sẽ bay hơi sau [5].
Trong quá trình chưng cất, tất cả các cấu tử trong hỗn hợp đều có thể hóa 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:

5


+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và và 1 phần rất ít
các cấu tử có độ bay hơi bé.
+ 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 [7].
Ví dụ: đối với hệ Nước – Acetic acid thì:

+ Sản phẩm đỉnh chủ yếu là nước
+ Sản phẩm đáy chủ yếu là acetic acid
1.2.2 Phân loại
 Theo quá trình chưng cất [6]
Chưng cất phân đoạn: dùng để có được một độ tinh khiết cao của phần cất hay
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 gần nhau.
Chưng cất lơi cuốn: dùng khi các chất lỏng cần tách hịa tan với nhau: nước và
cồn. Nếu hỗn hợp là những chất khơng tan vào nhau như nước dầu, có lắng cặn và
gạt đi.
 Theo nguyên lý làm việc [7]
 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 khỏi tạp chất.
 Chưng cất bay hơi dần dần: chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác
định đường cong chưng cất Enghen.
 Chưng cất bay hơi một lần: cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so
với bay hơi một lần.
 Chưng cất bay hơi nhiều lần: cho phép quá trình tách các phân đoạn theo
mong muốn.
 Chưng cất phức tạp [6]
 Chưng cất hồi lưu: để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta
tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc thêm một
lần giữa pha lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cầu tử
nhẹ nhờ đó mà độ phân chia cao hơn
 Chung cất có tính 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 với hơi nước: độ bền nhiệt các cấu tử
trong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu. Đối với các phân
đoạn có nhiệt độ sơi cao người ta cần tránh sự phân hủy chúng (giảm độ

nhớt, độ bên oxi hoá) bằng cách hạn chế nhiệt độ (320°C- 420 0C) chưng
cất. Nếu nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân hủy chúng ta dùng chưng cất
chân không hay chưng cất hơi nước, hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng
phần làm chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn.
1.2.3. Các phương pháp chưng cất
6


Theo Vũ Bá Minh và Võ Văn Bang, 2006 thì các phương pháp chưng cất bao
gồm các phương pháp sau:
Chưng cất đơn giản: Đây là quá trình chưng cất nước để tách các hỗn hợp gồm
các cấu tử có độ bay hơi khác nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ
hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.
Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp: Đây là phương pháp dùng để tách các hỗn
hợp gồm các chất khó bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được
tách không tan trong nước. Đây là phương pháp được dùng trong trường hợp cần hạ
thấp nhiệt độ sôi của cấu tử.
Chưng luyện: Đây là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn
hợp các cấu tử bay hơi có tính chất hịa tan hồn tồn vào nhau.Chưng luyện ở áp
suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và hỗn hợp có nhiệt
độ sơi q cao.
1.3 THIẾT BỊ
Tháp chưng cất là một hệ thống gồm nhiều đĩa, mỗi đĩa của tháp ứng với một
nồi chưng trong quá trình chưng cất. Bộ phận đun nóng ở dưới đáy. Hơi đi từ dưới
qua các lỗ của đĩa. Chất lỏng chảy từ trên xuống qua các ống chuyền. Nồng độ các
cấu tử sẽ thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng [7].
Các loại tháp chưng cất sử dụng trong công nghiệp:
+ Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới
+ Tháp chưng cất dùng mâm chóp
+ Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật 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 tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo
đĩa mà có.
+ Tháp mâm chóp: trên mâm có bố trí các chóp hình dạng trịn hay một dạng
khác, có rãnh xung quanh để pha khí đi qua và ống chảy chuyền có hình trịn.
+ Tháp mâm xun lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh, có đường kính 312mm được bố trí trên các đỉnh tam giác, bước lỗ bằng 2,5 đến 5 lần đường kính.
Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn.
Vật chêm được cho vào tháp theo một trong 2 phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay
xếp thứ tự [7].
Bảng 1.2 Ưu điểm, nhược điểm của tháp chưng cất mâm xuyên lỗ-tháp chóp-tháp đệm.

Tên

Ưu điểm

Nhược điểm

THÁP
CHƯNG
CẤT
MÂM
XUYÊN
LỖ

- Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng. - Yêu cầu kỹ thuật lắp đặt cao: mâm
- Trở lực thấp hơn tháp chóp, ít tốn phải thẳng, đối với những tháp có
đường kính q lớn (>2,4m) ít dùng
kim loại hơn tháp chóp
mâm xun lỗ vì lúc đó chất lỏng
phân phối khơng đều trên mâm.

THÁP

- Hiệu suất truyền khối cao, ổn

- Trở lực khá cao
- Cấu tạo phức tạp.
7


CHĨP

định.

- Trở lực lớn

- Ít tiêu hao năng lượng hơn nên có
số mâm ít hơn
THÁP
ĐỆM

- Chế tạo đơn giản.
- Trở lực thấp

- Hiệu suất thấp kém ổn định do sự
phân bố các pha theo tiết diện tháp
không đều.
- Sử dụng tháp chêm khơng cho
phép ta kiểm sốt q trình chưng
cất theo khơng gian tháp trong khi

đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện
qua từng mâm một cách rõ ràng.
- Tháp chêm khó chế tạo được kích
thước lớn ở quy mô công nghiệp.

(Nguồn: [7])

8


Chương 2: QUY TRÌNH VÀ THUYẾT MINH
2.1. QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL - NƯỚC
2.1.1. Sơ đồ quy trình
Hình 2.1 Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất ethanol

Chú thích:

9


1. Bồn chứa nguyên liệu
2. Bơm
3. Bồn cao vị
4. Lưu lượng kế
5. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu
6. Bẫy hơi
7. Tháp chưng cất

8. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh
9. Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh

10. Bồn chứa sản phẩm đỉnh
11. Nồi đun
12. Thiết bị làm nguội đỉnh
13. Bồn chứa sản phẩm đáy
14. Thiết bị phân phối dòng lỏng

2.1.2. Thuyết minh quy trình
Hỗn hợp ethanol–nước có nồng độ ethanol 10% (theo phân khối lượng), nhiệt độ
khoảng 27°C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (3).
Từ đó được đưa đến thiết bị gia nhiệt (5) hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi
trong thiết bị gia nhiệt hỗn hợp được đưa vào tháp chưng 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 (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 sơi cao là nước sẽ ngưng tụ lại, cuối
cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều nhất có nồng
độ 75 % (theo phân khối lượng). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (8) và được ngưng
tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
(9), được làm nguội đến 30°C, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm đỉnh (10). Phần
còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn
lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp được bốc hơi, cịn lại cấu tử có
nhiệt độ sơi 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 (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng
độ ethanol 5 % (theo phân khối lượng), còn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra
khỏi tháp vào nồi đun (11). Trong nồi đun dung dịch lỏng một phần sẽ bốc hơi cũng
cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi
nhiệt với dòng nước giải nhiệt qua thiết bị làm nguội đáy (12).
Chất lượng cồn thu được tùy thuộc vào chiều cao tháp và cách vận hành của từng xí

nghiệp, nhưng về ngun tắc hồn tồn có thể thỏa mãn tiêu chuẩn Việt Nam TCVN
– 1971.

CHƯƠNG 3. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1 CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
Chọn loại tháp là tháp mâm chóp. Thiết bị hoạt động liên tục.
Khi chưng luyện dung dịch ethanol thì cấu tử dễ bay hơi là ethanol.
Năng suất nhập liệu: GF = 2000 (kg/h)
Nồng độ nhập liệu: aF = 10% (phân khối lượng)
Nồng độ sản phẩm đỉnh: aP = 75% (phân khối lượng)
Nồng độ sản phẩm đáy: aW = 5% (phân khối lượng)
Khối lượng phân tử của ethanol (C2H5OH) và nước (H2O):
+ Methanol = MA= 46 (kg/kmol)
+Mnước = MB = 18 (kg/kmol)
-Chọn:
+ Nhiệt độ nhập liệu: 280C.
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội: 300C.
+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi vào: 300C.
+ Nhiệt độ dòng nước lạnh đi ra: 450C.
10


+ Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
+ Áp suất hơi đốt: Ph = 3at.
- Các ký hiệu:
Bảng 3.1: Bảng ký hiệu

Ký hiệu

Tên gọi

Đơn vị

GF

Lưu lượng khối lượng dòng nguyên liệu

Kg/h

GP

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh

Kg/h

GW

Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy

Kg/h

F

Lưu lượng dòng nguyên liệu

Kmol/h

P

Lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh

Kmol/h

W

Lưu lượng của dòng sản phẩm đáy

Kmol/h

aF

Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng nguyên liệu

% khối lượng

aP

Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đỉnh

% khối lượng

aW

Phần khối lượng cấu tử nhẹ trong dòng sản phẩm đáy

% khối lượng

xF

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng nguyên liệu

% mol

xp

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đỉnh

% mol

xW

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha lỏng dòng sản phẩm đáy

% mol

yF

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng nguyên liệu

% mol

yP

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dòng sản phẩm đỉnh

% mol

yW

Phần mol cấu tử nhẹ trong pha hơi dịng sản phẩm đáy

% mol

3.1.1 Tính cân bằng vật liệu
- Công thức liên hệ nồng độ phần mol và nồng độ phần khối lượng:

x=

(phần mol)
- Thành phần mol của nước ở nhập liệu:
(phần mol)
- Thành phần mol của nước ở sản phẩm đỉnh:

(phần mol)
- Thành phần mol của nước của sản phẩm đáy:

(phần mol)
- Tính phân tử lượng trung bình của hỗn hợp theo cơng thức:
MK=MA . xK+MB . (1-xK), (kg/kmol) (Với K là F, P, W)
+ Trong hỗn hợp đầu:
MF = MA . xF + MB . (1- xF) = 46 . 0,042 + 18 . (1-0,042)= 19,176 (kg/kmol)
+ Trong sản phẩm đỉnh:
Mp = MA . xP + MB . (1-xP) = 46 . 0,54 + 18 . (1-0,54)=33,12 (kg/kmol)
+ Trong sản phẩm đáy:
MW = MA . xW + MB . (1- xW) =46 . 0,02 + 18 . (1-0,02)=18,56 (kg/kmol)
- Phương trình cân bằng vật liệu của tháp:
GF = GP + GW (1) (Công thức IX.16, trang 144 [3])
11

- Đối với cấu tử dễ bay hơi:
aF . GF = aP . GP + aW . Gw (2) (Công thức IV.17, trang 144 [3])
Từ (1) và (2) suy ra:
+ Lưu lượng khối lượng dịng sản phẩm đỉnh: (Cơng thức IX.18, trang 144 [3])
Lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy: (Cơng thức IX.19, trang 144
[3])
- Lưu lượng mol tính theo công thức:
+ Lưu lượng mol của nguyên liệu vào:
+ Lưu lượng mol của sản phẩm đỉnh:
+ Lưu lượng mol của sản phẩm đáy:
3.2 XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HỢP
3.2.1 Nồng độ phần mol
xF = 0,042
xP = 0,54
xW = 0,02
3.2.2 Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
Tỉ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết
là vơ cực. Do đó, chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu,
nước và bơm…) là tối thiểu.
Bằng phương pháp nội suy và dựa vào đồ thị ta có kết quả :
xF=0,042 => y*F=0,28
Tỷ
số
hồn
lưu
tối
thiểu:
(Cơng thức IX.24, trang 158 [3])
3.2.3 Tỉ số hồn lưu thích hợp Rth
Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi

đun, và công để bơm vào cũng tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm dần đến điểm cực
tiểu rồi tăng đến vơ cực khi hồn lưu hồn toàn, lượng nhiệt và lượng nước sử dụng
cũng tăng theo tỉ số hồn lưu.
Tuy nhiên, đơi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm sốt nên người
ta có thể tính tỉ số hồn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất. Để tính được tỉ số
hồn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (khơng tính đến chi phí điều hành),
ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hồn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn Rth ứng với
thể tích tháp là nhỏ nhất.
Để tính được tỉ số hồn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất, ta cần lập
mối quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và thể tích tháp thơng qua lập mối quan hệ giữa R
và tích số Nlt.(R+1).
Chỉ số hồi lưu làm việc tổng quát: R = β.Rmin (Công thức IX.25, trang 158
12


[3])
Trong đó: β – hệ số dư.
Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa R và tích số Nlt(R+1)

β
R=β *Rmin
Nlt
Nlt.(R+1)

1,6
1,744
5
13,72

1,8

1,962
4
11,848

2
2,18
4
12,72

2,2
2,398
4
13,592

2,5
2,725
4
14,9

R = 1,962
100

y (% phân mol)

90
80
70
60
50
40

30
20
10
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

70

80

90

100

x (% phân mol)
R = 1,74 4

y (% phân mol)

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

10

20

30

40

50

60

x (% phân mol)
Hình 3.1 Đồ thị cần bằng pha của hệ Ethanol – Nước với R = 1,744
Hình 3.2 Đồ thị cần bằng pha của hệ Ethanol – Nước với R = 1,962

13