Thiết kế hệ thống chưng cất mâm chóp hệ ethanol – nước với suất nhập liệu 2000 L/h, nồng độ nhập liệu độ cồn, nồng độ sản phẩm đỉnh 90 độ cồn

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


BÁO CÁO ĐỒ ÁN
KỸ THUẬT THỰC PHẨM

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ ETANOL –
NƯỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2000 L/H

SVTH (Nhóm 8): Trần Đăng Quân

2005160188

Nguyễn Thị Bích Nhi 2005160155
Lớp: 07DHTP2
Giảng viên hướng dẫn: Thầy Trần Chí Hải

TP. HCM – 12/2019


BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM


BÁO CÁO ĐỒ ÁN
KỸ THUẬT THỰC PHẨM

Đề tài:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT MÂM CHÓP HỆ ETANOL –
NƯỚC NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 2000 L/H

SVTH (Nhóm 8): Trần Đăng Quân

2005160188

Nguyễn Thị Bích Nhi 2005160155
Lớp: 07DHTP2
Giảng viên hướng dẫn: Thầy Trần Chí Hải

TP. HCM – 12/2019


LỜI MỞ ĐẦU
Trong công cuộc ngày càng đổi mới và phát triển. Ta ngày càng tiến sâu vào q
trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước khơng ngừng. Áp dụng những thành
tựu khoa học, kỹ thuật mới, tiên tiến. Trên thế giới, các ngành công nghiệp luôn phát
triển và đổi mới không ngừng nhằm phục vụ cho nhu cầu của con người. Mỗi ngành
đều có những thành tựu to lớn được con người ghi nhận một cách khách quan. Cùng
với sự phát triển đó, đất nước ta ln ln học hỏi, tìm tịi những cải tiến mới để áp
dụng trong ngành công nghiệp của nước nhà.
Mỗi ngành công nghiệp đều có những đóng góp to lớn như ngành cơng nghiệp hóa
học, sinh học, cơ khí, kỹ thuật… Trong đó, ngành cơng nghiệp thực phẩm là một trong
những ngành có đóng góp vơ cùng to lớn đối với nước ta nói riêng cũng như trên thế
giới nói chung.
Hiện nay, trong nhiều ngành sản xuất hóa học cũng như sử dụng sản phẩm hóa

học, nhu cầu sử dụng nguyên liệu hoặc sản phẩm hóa học có độ tinh khiết cao phải phù
hợp với quy trình sản xuất hoặc nhu cầu sử dụng.
Ngày nay, có rất nhiều phương pháp để nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm như:
trích ly, chưng cất, cơ đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính và yêu cầu của sản phẩm mà ta
có thể lựa chọn phương pháp phù hợp. Đối với hệ ethanol – nước là 2 cấu tử tan hồn
tồn vào nhau có sự chênh lệch về nhiệt độ sơi (ethanol có nhiệt độ sôi nhỏ hơn nước),
ta nên dùng phương pháp chưng cất để thu được rượu tinh khiết một cách triệt để.
Đồ án mơn học Q trình và thiết bị là một môn học quan trọng. Môn học này
tổng hợp hầu hết các kiến thức cơ bản mà một sinh viên ngành Cơng nghệ hóa – Thực
phẩm phải có từ truyền nhiệt, kỹ thuật, truyền khối đến các quá trình cơ học, cơ sở
thiết kế máy móc,… giúp sinh viên có đầy đủ kiến thức và kinh nghiệm để có thể thiết
kế một thiết bị hóa học hồn chỉnh, đáp ứng đầy đủ yêu cầu của quá trình phản ứng,
chất lượng sản phẩm, tuổi thọ cao, giá thành phù hợp, an toàn với con người và môi
trường và phục vụ tốt đối với yêu cầu của xã hội và con người.
Nhiệm vụ của nhóm: Thiết kế hệ thống chưng cất mâm chóp hệ ethanol – nước
với năng suất nhập liệu 2000 L/h, nồng độ nhập liệu 9 độ cồn, nồng độ sản phẩm đỉnh
90 độ cồn, nhập liệu trạng thái lỏng sôi và trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.


Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Chí Hải đã hướng dẫn và giúp đỡ
chúng em trong suốt q trình xây dựng đồ án. Trong q trình hồn thành đồ án sẽ
khơng tránh khỏi sai sót, mong q thầy cơ sẽ góp ý và chỉ dẫn thêm.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Nhận xét:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Điểm đánh giá:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
TP. HCM, ngày

tháng

GV ký tên

năm 2019


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Nhận xét:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
Điểm đánh giá:
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
TP. HCM, ngày

tháng

GV ký tên

năm 2019


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN........................................................................................1
1.1. Lý thuyết về chưng cất.........................................................................................1
1.1.1. Khái niệm.........................................................................................................1
1.1.2. Phương pháp chưng cất....................................................................................1
1.1.3. Thiết bị chưng cất.............................................................................................3
1.2. Giới thiệu...............................................................................................................4
1.2.1. Hệ thống chưng cất mâm chóp.........................................................................4
1.2.2. Nguyên liệu......................................................................................................4

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ............................................................10
2.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước................................10
2.2. Thuyết minh quy trình cơng nghệ.....................................................................11
CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT................................................................12
3.1. Các thơng số ban đầu..........................................................................................12
3.2. Xác định các suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy................................................12
3.3. Xác định chỉ số hoàn lưu làm việc.....................................................................14
3.3.1. Chỉ số hoàn lưu tối thiểu.................................................................................14
3.3.2. Chỉ số hoàn lưu làm việc................................................................................15
3.4. Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết............................................15
3.4.1. Phương trình đường làm việc.........................................................................15
3.4.2. Xác định số mâm lý thuyết.............................................................................16
3.5. Xác định số mâm thực tế....................................................................................16
CHƯƠNG IV: CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG..........................................................20
4.1. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp ban đầu.......................20
4.2. Cân bằng nhiệt cho toàn tháp............................................................................22
4.3. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ.....................................................24
4.4. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh..........................26
4.5. Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy...................................27
4.6. Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.................................................................................28
CHƯƠNG V: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH.....................................................29
5.1. Tính đường kính tháp (Dt).................................................................................29
5.1.1. Đường kính đoạn cất......................................................................................29
5.1.2. Đường kính đoạn chưng.................................................................................32
i


5.2. Tính chiều cao tháp.............................................................................................36
5.3. Tính tốn chóp - ống chảy chuyền.....................................................................36
5.3.1. Tính tốn chóp................................................................................................36

5.3.1.1. Tính cho phần cất.....................................................................................38
5.3.1.2. Tính cho phần chưng................................................................................39
5.3.2. Tính tốn ống chảy chuyền.............................................................................40
5.4. Tính trở lực tháp.................................................................................................48
5.4.1. Tính trở lực phần cất.......................................................................................48
5.4.1.1. Trở lực đĩa khô ∆ P k..................................................................................48
5.4.1.2. Trở lực do sức căng bề mặt......................................................................49
5.4.1.3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh ∆ P t).........................49
5.4.2. Tính trở lực phần chưng.................................................................................51
5.4.2.1. Trở lực đĩa khô ∆ P k..................................................................................51
5.4.2.2. Trở lực do sức căng bề mặt......................................................................51
5.4.2.3. Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh ∆ P t).........................52
5.4.3. Tổng trở lực của tháp......................................................................................54
CHƯƠNG VI: TÍNH TỐN CƠ KHÍ.....................................................................55
6.1. Tính bề dày thân trụ của tháp...........................................................................55
6.2. Tính, chọn bề dày của đáy và nắp thiết bị.........................................................58
6.3. Chọn bích và vòng đệm......................................................................................60
6.4. Chân đỡ và tai treo thiết bị................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................68

DANH MỤC HÌNH ẢNH
ii


Hình 1.1. CTCT của Ethanol.........................................................................................4
Hình 1.2. Giản đồ x-y (% mol) của hệ Etanol – Nước...................................................9
Hình 3.1. Giản đồ số mâm lý thuyết............................................................................16
Hình 6.1. CTCT của Ethanol.......................................................................................58
Hình 6.2. Bích liền khơng cổ (kiểu I)...........................................................................61
Hình 6.3. Chân đỡ tháp................................................................................................65

Hình 6.4. Tai treo thiết bị.............................................................................................66

DANH MỤC BẢNG BIỂU

iii


Bảng 6.1. Bích liền bằng thép để nối thiết bị...............................................................61
Bảng 6.2. Kích thước chiều dài đoạn ống nối..............................................................63
Bảng 6.3. Kích thước bề mặt đệm bít kín....................................................................63
Bảng 6.4. Thơng số chân tháp......................................................................................65
Bảng 6.5. Thông số tai treo thiết bị..............................................................................66

iv


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Lý thuyết về chưng cất
1.1.1. Khái niệm
Chưng cất là một phương pháp dùng nhiệt để tách hỗn hợp đồng thể (dung dịch)
của các chất lỏng khác nhau dựa vào độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ sôi khác nhau
ở cùng áp suất).
 Cơ sở khoa học
Do các chất lỏng có áp suất hơi khác nhau tại cùng một nhiệt độ nên q trình
chưng cất dựa trên nhiệt độ sơi 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 sơi thấp hơn trong phần cất cao hơn là ở trong hỗn
hợp ban đầu.

Chưng cất là quá trình trong đó cả dung mơi và chất tan đều bay hơi, khác với cơ
đặc, là q trình trong đó chỉ có dung mơi bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được
bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 hệ cấu tử thì ta thu được 2 sản
phẩm: sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sơi nhỏ), sản
phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi lớn).
 Vậy đối với hệ ethanol – nước:
-

Sản phẩm đỉnh chủ yếu là ethanol.

-

Sản phẩm đáy chủ yếu là nước.

1.1.2. Phương pháp chưng cất
 Phân loại theo quá trình chưng cất
+ Chưng cất phân đoạn: Được dùng để có được một độ tinh khiết cao của phần cất
hay để chưng cất nhiều chất khác nhau từ một hỗn hợp. Có thể chưng cất dưới áp suất

GVHD: Trần Chí Hải

1


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
thấp hơn để cải thiện bước tách nếu nhiệt độ sơi gần nhau vì như thế nhiệt độ sôi sẽ
nằm xa nhau hơn.
+ Chưng cất lôi cuốn: Được dùng khi các chất lỏng cần phải tách hịa tan với nhau,
thí dụ như dung dịch cồn và nước. Nếu hỗn hợp là của những chất không hịa tan vào

nhau, thí dụ như nước và dầu thì lệ thường là có thể tách các chất lỏng bằng cách lắng
và gạn đi.
 Phân loại theo nguyên lý làm việc
+ Chưng cất đơn giản (gián đoạn): Dùng để tách các hỗn hợp gồm có các cấu tử có
độ bay hơi khác nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các
cấu tử khỏi tạp chất.
+ Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp: Phương pháp thường dùng để tách các hỗn
hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi. Thường được ứng dụng
trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.
+ Chưng cất chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sơi của cấu
tử. Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay
trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sơi q cao.
+ Chưng cất hỗn hợp 2 cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục): là q trình được
thực hiện liên tục, nghịch dịng, nhiều đoạn.
 Phân loại theo áp suất làm việc
-

Áp suất thấp

-

Áp suất thường

-

Áp suất cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt
độ sơi của các cấu tử q cao thì ta giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các
cấu tử.

 Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp

GVHD: Trần Chí Hải

2


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
-

Cấp nhiệt trực tiếp

-

Cấp nhiệt gián tiếp

Thường được áp dụng chất được tách không tan trong nước.
 Vậy: đối với hệ Ethanol – 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, người ta thường sử dụng rất nhiều loại tháp chưng cất nhưng
chúng phải có một yêu cầu cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này
phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia.
Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các loại tháp lớn nhất
thường được ứng trong cơng nghiệp lọc hóa dầu. Kích thước của tháp (đường kính và
chiều cao) tùy thuộc vào suất lượng pha lỏng, pha khí và độ tinh khiết của sản phẩm.
Ta sẽ khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.
Tháp mâm:
-

Tháp mâm chóp

-

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp chêm (tháp đệm).
Ưu, nhược điểm của các loại tháp chưng cất:
Tháp mâm chóp

Ưu điểm

Hiệu suất truyền
khối cao, ổn định,
ít tiêu hao năng
lượng => số mâm
ít hơn.

GVHD: Trần Chí Hải

Tháp mâm xuyên lỗ

Tháp chêm

Chế tạo đơn giản, vệ sinh
dễ dàng, trở lực thấp hơn Chế tạo đơn giản,
tháp chóp, ít tốn kim loại trở lực thấp.
hơn tháp chóp.

3

Đồ án kỹ thuật thực phẩm

Nhược điểm

Yêu cầu lắp đặt cao.
Những tháp có đường
Chế tạo phức tạp, kính q lớn (> 2.4m) ít
trở lực lớn.
dùng mâm xun lỗ vì khi
đó chất lỏng phân phối
không đều trên mâm.

Hiệu suất thấp,
kém ổn định, khó
kiểm sốt, khó chế
tạo.

1.2. Giới thiệu
1.2.1. Hệ thống chưng cất mâm chóp
1.2.2. Ngun liệu
a. Ethanol

Hình 1.1. CTCT của

Ethanol

Ethanol, cịn được biết đến như là rượu etylic, ancol etylic, rượu ngũ cốc hay cồn,
là một hợp chất hữu cơ nằm trong dãy đồng đẳng của ancol, dễ cháy, không màu, là

một trong các rượu thơng thường có trong thành phần của đồ uống chứa cồn. Trong
cách nói dân dã, thơng thường nó được nhắc đến một cách đơn giản là rượu.
Ethanol là một ancol mạch hở, cơng thức hóa học của nó là C2H6O hay C2H5OH.
Một cơng thức thay thế khác là CH3-CH2-OH thể hiện cacbon ở nhóm metyl (CH3–)
liên kết với carbon ở nhóm metylen (–CH2–), nhóm này lại liên kết với oxy của nhóm
hydroxyl (–OH). Nó là đồng phân nhóm chức của dimetyl ete. Ethanol thường được
viết tắt là EtOH, sử dụng cách ký hiệu hoá học thường dùng đại diện cho nhóm etyl
(C2H5) là Et.

GVHD: Trần Chí Hải

4


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
 Tính chất vật lý
Rượu etylic là một chất lỏng, không màu, trong suốt, mùi thơm dễ chịu và đặc
trưng, vị cay, nhẹ hơn nước, tan trong nước vô hạn, tan trong ete và clorofom, hút ẩm,
dễ cháy, khi cháy khơng có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời.
-

Khối lượng riêng 0,7936 g/ml ở 15°C

-

Dễ bay hơi (sơi ở nhiệt độ 78,39°C)

-

Hóa rắn ở -114,15°C

Sở dĩ rượu etylic tan vô hạn trong nước và có nhiệt độ sơi cao hơn nhiều so với
este hay aldehyde có khối lượng phân tử xấp xỉ là do sự tạo thành liên kết hydro giữa
các phân tử rượu với nhau và với nước.
 Tính chất hóa học
+ Tính chất của một rượu đơn chức.
+ Phản ứng thế với kim loại kiềm, kim loại kiềm thổ:
2C2H5OH + 2Na → 2C2H5ONa + H2
+ Phản ứng este hóa, phản ứng giữa rượu và axit với môi trường là axit sulfuric
đặc nóng tạo ra este:
C2H5OH + CH3COOH → CH3COOC2H5 + H2O
+ Phản ứng loại nước như tách nước trong một phân tử để tạo thành olefin trong
môi trường axit sulfuric đặc ở 170oC:
C2H5OH

H2SO4 đặc
170°C

C2H4 + H2O

+ Hay tách nước giữa 2 phân tử rượu thành ether:
C2H5OH + C2H5OH → C2H5 – O ‒ C2H5 + H2O
+ Phản ứng oxi hóa:
CH3-CH2-OH + CuO → CH3-CHO + Cu + H2O

GVHD: Trần Chí Hải

5

Đồ án kỹ thuật thực phẩm
CH3-CH2-OH + O2 → CH3-COOH + H2O
C2H5OH + 3O2 → 2 CO2 + 3H2O
+ Phản ứng tạo ra butadien-1,3: cho hơi rượu đi qua chất xúc tác hỗn hợp:
2C2H5OH → CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2
+ Phản ứng lên men giấm:
CH3-CH2-OH + O2 → CH3-COOH + H2O
 Phương pháp sản xuất
Ethanol được sản xuất bằng cả cơng nghiệp hóa dầu, thơng qua cơng nghệ hyđrat
hóa etylen, và theo phương pháp sinh học, bằng cách lên men đường hay ngũ cốc với
men rượu.
-

Hyđrat hóa etylen:

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được
sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thơng qua phương pháp hydrat hóa
etylen bằng xúc tác axit, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho etylen hợp
nước ở 300°C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là axit wolframic hoặc axit
phosphoric:
H2C=CH2

-

+ H2O → CH3CH2OH

Lên men:

Ethanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn ethanol sử dụng
làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định

(quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóa đường trong điều kiện
khơng có oxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra ethanol và carbon dioxit CO2. Phản
ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:
C6H12O6

→ 2CH3CH2OH + 2CO2

 Ứng dụng của ethanol
GVHD: Trần Chí Hải

6


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
 Ethanol ứng dụng trong công nghiệp:
-

Etanol cũng được sử dụng trong các sản phẩm chống đơng lạnh vì điểm
đóng băng thấp của nó.

-

Etanol dùng để điều chế một số hợp chất hữu cơ như axit axetic, dietyl ete,
etyl axetat…

-

Etanol được dùng làm dung môi hoặc chất pha để pha vecni, dược phẩm,
nước hoa…

-

Cồn Etanol 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 vào ngành cơng 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.

-

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.

b. Nước
Nước là một hợp chất hóa học của oxy và hydro, có cơng 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.
GVHD: Trần Chí Hải

7


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
+ Nước: thể lỏng trắng, hầu như không màu, không mùi, độ trong suốt cao, phần
lớn màu sắc ngả về màu lam khi kết tinh hoặc dưới trạng thái lỏng.
+ Khi hóa rắn, nước có thể tồn tại ở nhiều dạng tinh thể khác nhau.
+ Công thức phân tử: H2O.
+ Khối lượng mol: 18.01528(33) g/mol.
+ Nhiệt độ nóng chảy: 0°C.
+ Nhiệt độ sơi: 100°C.
+ Khối lượng riêng: 999.9720 kg/m3 ≈ 1 t/m3 = 1 kg/l = 1 g/cm3 ≈ 62.4 lb/ft3.
Trong công nghiệp, nước là dung mơi phân cực mạnh, có khả năng hịa tan nhiều

chất và là dung môi quan trọng trong kỹ thuật hóa học. Trong cơng nghiệp, nước có
thể hóa lỏng bằng cách làm tan băng đá, hoặc lọc từ nước biển và các nguồn nước
không tinh khiết bằng các phương pháp khác nhau như lọc, chiết, tách, chưng cất, bay
hơi,... có sự kết hợp của ngưng tụ.
c. Hỗn hợp etanol – nước
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp Ethanol – Nước
ở 760 mmHg:
x (%
mol)
y (%
mol)
t (°C)

0
0
100

5
33,
2
90,
5

GVHD: Trần Chí Hải

10

20

30

40

50

60

70

80

90

44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8
86,5 83,2 81,7 80,8

80

79,4

79

100
100

78,6 78,4 78,4

8

Đồ án kỹ thuật thực phẩm

Hình 1.2. Giản đồ x-y (% mol) của hệ Etanol – Nước

GVHD: Trần Chí Hải

9


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ
Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong nước, có nhiệt độ sơi là 78,3°C ở
760mmHg, cịn nhiệt độ sôi của nước là 100°C ở 760mmHg. Do nhiệt độ sôi của hai
cấu tử cách nhau khá xa, ta nên chọn phương pháp chưng cất để thu ethanol một cách
hiệu quả và có độ tinh khiết cao.
Thiết bị chưng cất mâm chóp có hiệu suất truyền khối cao, ổn định, ít tiêu hao
năng lượng nên số mâm ít hơn.
Trong trường hợp này, ta không nên sử dụng phương pháp cô đặc vì hai cấu tử đều
có khả năng bay hơi => không thu được ethanol. Không sử dụng phương pháp trích ly
cũng như phương pháp hấp thụ vì phải đưa vào một chất lỏng khác – dung môi để tách
=> làm q trình trở nên phức tạp và khơng tách được hồn tồn.
2.1. Sơ đồ quy trình cơng nghệ chưng cất hệ Ethanol – Nước
Chú thích:
1/ Bồn chứa nguyên liệu
2/ Bơm
3/ Thiết bị gia nhiệt
4/ Tháp chưng cất
5/ Thiết bị ngưng tụ
6/ Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh
7/ Bồn chứa sản phẩm đỉnh

8/ Nồi đun đáy tháp
9/ Thiết bị trao đổi nhiệt sản phẩm đáy với nhập liệu
10/ Bồn chứa sản phẩm đáy
11/ Bẫy hơi
GVHD: Trần Chí Hải

10


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
12/ Phân phối sản phẩm đỉnh
13/ Bồn cao vị
2.2. Thuyết minh quy trình cơng nghệ
Hỗn hợp Ethanol – Nước có nồng độ ethanol 9 độ cồn, nhiệt độ khoảng 25 oC tại
bồn chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt (9) (trao đổi
nhiệt với sản phẩm đáy). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị
gia nhiệt (3) bằng hơi đốt là hơi nước bão hịa 2,5 atm, tiếp theo đó hỗn hợp được đưa
vào tháp chưng cất (4) 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 đi 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, nồng độ các cấu tử dễ bay hơi càng giảm vì đã bị pha hơi (tạo nên từ nồi
đun (8) bằng hơi nước 3 atm cấp nhiệt gián tiếp) 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 90 độ cồn). Hơi này đi vào thiết bị ngưng tụ (5)
và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua thiết bị làm nguội
sản phẩm đỉnh (6), được làm nguội đến 30oC, rồi được đưa qua bồn chứa sản phẩm
đỉnh (7). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ được hoàn lưu về tháp ở đĩa trên cùng
với chỉ số hồn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sơi thấp được bốc hơi, cịn 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 (nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có
nồng độ Ethanol là 1% (phần khối lượng), còn lại là nước. Dung dịch lỏng đáy đi ra
khỏi tháp vào thiết bị trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu và được chứa ở bồn chứa (10).
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là Ethanol, sản phẩm đáy sau khi
trao đổi nhiệt với nhập liệu được đưa về khu xử lý nước thải.

GVHD: Trần Chí Hải

11


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.1. Các thông số ban đầu
+ Năng suất nhập liệu 2000 L/h.
+ Nồng độ nhập liệu 9 độ cồn.
+ Nồng độ sản phẩm đỉnh 90 độ cồn.
+ Nồng độ sản phẩm đáy: ´x w = 1%.
+ Khối lượng phân tử của rượu và nước: MR = 46; MN = 18.
+ Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi.
 Các ký hiệu:
+ F´ (GF), F: suất lượng nhập liệu (kg/h); (kmol/h)
´ (GD), D: suất lượng sản phẩm đỉnh (kg/h); (kmol/h)
+D
´ (GW), W: suất lượng sản phẩm đáy (kg/h); (kmol/h)
+W

+ xi, x´ i: nồng độ phần mol, phần khối lượng của cấu tử i
3.2. Xác định các suất lượng sản phẩm đỉnh và đáy

 Nồng độ nhập liệu 9 độ cồn:
Ta có: ρnước =998 kg/m3 và ρethanol =789 kg/m3
´x F =

v ethanol × ρethanol
=0,0725
v ethanol × ρ ethanol+(1−v ethanol ) ρnước

Trong đó: v ethanol là %V ethanol so với hỗn hợp.
x´ F
46
xF=
=0,0297
´x F 1− ´x F
+
46
18

GVHD: Trần Chí Hải

12


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
Dựa vào bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp Ethanol –
Nước ở 760 mmHg => Ứng với nồng độ nhập liệu xF = 0,0297 thì tF = 94,357°C.
 Tra bảng 1.2, trang 9 (sổ tay tập 1):
 Khối lượng riêng của nước ở 94,357°C: ρnước =961,9501 kg/m3
 Tra bảng 1.2, trang 9 (sổ tay tập 1):
 Khối lượng riêng của ethanol ở 92,92°C: ρethanol =721,3609 kg/m3

 Áp dụng công thức 1.2, trang 5 (sổ tay tập 1):
→ Khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng:
´x
(1−0,0725) 0,0725
1 (1− ´x F )
=
+ F =
+
→ ρhh = 939,23903 kg/m3
ρhh
ρnước
ρethanol
961,9501 721,3609

Ta có: 2000 L/h = 2 m3/h → F´ = 2 (m3/h) x 939,23903 (kg/m3) = 1878,4781 (kg/h)
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu:
M F =46. x F + ( 1−x F ) .18=46 ×0,0297+ (1−0,0297 ) ×18=18,8316(kg /kmol)
F=

G F 1878,4781
kmol
=
=99,7514(
)
MF
18,8316
h

 Nồng độ sản phẩm đỉnh 90 độ cồn:
Ta có: ρnước =998 kg/m3 và ρethanol =789 kg/m3

´x D =

v ethanol × ρethanol
=0,8768
v ethanol × ρethanol +(1−v ethanol ) ρnước

Trong đó: v ethanol là %V ethanol so với hỗn hợp.
x´ D
46
xD=
=0,7358
´x D 1− x´ D
+
46
18

Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đỉnh:

GVHD: Trần Chí Hải

13


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
M D =46. x D + ( 1−x D ) .18=38,6024 (kg /kmol)

 Nồng độ sản phẩm đáy ´x w = 1%:
x´ W
46
xW=

=0,0039
x´ W 1− ´x W
+
46
18

 Cân bằng vật chất cho toàn tháp: F=D+W (II.1)
Cân bằng cấu tử ethanol (cấu tử nhẹ): F . x F =D . x D +W . x W (II.2)
Từ (II.1), (II.2), ta có:
99,7514 = D + W
99,7514 x 0,0297 = D x 0,7358 + W x 0,0039

 D = 3,5163 (kmol/h) và W = 96,2351 (kmol/h)
Khối lượng phân tử trung bình dịng sản phẩm đáy:
M W =46. x W + ( 1−x W ) .18=18,1092(kg /kmol)
D=

GD
kg
→G D =135,7376( )
MD
h

W=

GW
kg
→GW =1742,7407( )
MW
h

3.3. Xác định chỉ số hoàn lưu làm việc
3.3.1. Chỉ số hoàn lưu tối thiểu
Chỉ số hoàn lưu tối thiểu của tháp chưng luyện: 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.

GVHD: Trần Chí Hải

14


Đồ án kỹ thuật thực phẩm
Dựa vào bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ của hỗn hợp Ethanol –
Nước ở 760 mmHg => Ứng với nồng độ nhập liệu x F = 0,0297 thì nồng độ pha hơi cân
bằng y*F = 0,197208.
x D − y ¿F 0,7358−0,197208
Rmin = ¿
=
=3,2153
y F −x F 0,197208−0,0297

3.3.2. Chỉ số hoàn lưu làm việc
Chỉ số hoàn lưu làm việc thường được xác định qua chỉ số hoàn lưu tối thiểu:
R=b . R min (b: hệ số dư)

Vấn đề chọn chỉ số hồn lưu thích hợp rất quan trọng, vì khi chỉ số hồn lưu bé thì
số bậc của tháp lớn nhưng tiêu tốn hơi đốt ít, ngược lại khi chỉ số hồn lưu lớn thì số
bậc của tháp ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại rất lớn. Trong tính tốn cơng nghiệp, ta
có thể chọn cách xác định chỉ số hồn lưu sau đây:

R=1,3. Rmin +0,3=4,4799

3.4. Phương trình đường làm việc – số mâm lý thuyết
3.4.1. Phương trình đường làm việc
Phương trình đường làm việc của đoạn cất: (IX.20, trang 144, sổ tay 2)
y=

xD
R
4,4799
0,7358
x+
=
x+
R+1
R+1 4,4799+1
4,4799+1

 y cất =0,8175 x+ 0,1343
Phương trình đường làm việc của đoạn chưng: (IX.22, trang 158, sổ tay 2)
y=

R+ L
L−1
4,4799+28,3683
28,3683−1
x−
x =
x−
×0,0039

R+1
R +1 W
4,4799+1
4,4799+ 1

 y chưng =5,9943 x−0,0195
Với: L=

F 99,7514
=
=28,3683
D 3,5163

GVHD: Trần Chí Hải

15