TỔNG QUAN ĐỒ ÁN
CHƯNG CẤT
1. Khái quát về chưng cất:
Chưng cất 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 của các cấu
tử trong hỗn hợp(nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử
khác nhau).Trong trường hợp đơn giản thì chưng và cô đặc hầu như không khác
nhau.Tuy nhiên giữa chúng có ranh giởi căn bản.Trong trường hợp chưng thì
dung môi và chất tan đều bay hơi,trường hợp cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi
còn chất tan không bay hơi.
Đối với trường hợp hai cấu tử ta có sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ
bay hơi lớn (cấu tử nhẹ) và một phần ít cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu tử nặng) và
sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay
hơi lớn.
Chưng cất hệ nhiều cấu tử thường gặp trong công nghệ hóa dầu và trong
công nghiệp tinh chế các loại tinh dầu thiên nhiên.Việc tính toán thiết kế các
thiết bị chưng cất hệ nhiều cấu tử khá phức tạp so với hệ hai cấu tử, do đó người
ta phải đưa ra một số khái niệm dơn giản hóa như việc phân loại hỗn hợp, xác
định các đại lượng vật lý cũng như cách biễu diễn cân bằng pha.
Hỗn hợp có từ ba cấu tử trở lên được gọi là hỗn hợp nhiều cấu tử.Số lượng
cấu tử trong hỗn hợp càng nhiều thì tính chất phức tạp càng tăng khi chưng
cất.Do đó, người ta đã phân biệt ra hai loại:
a. Hỗn hợp nhiều cấu tử đơn giản:đó là những hỗn hợp mà các cấu tử có thể
xác định được số lượng, nồng độ và chủng loại.
b. Hỗn hợp nhiều cấu tử phức tạp:tính chất phức tạp của loại hỗn hợp này là
do số cấu tử nhiều và đa dạng mà không thể xác định được số lượng và
nồng độ của chúng.
Các phương pháp chưng cất được phân loại theo:
• Áp suất làm việc:chưng cất áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao.
• Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) và bán liên tục.
2. Tính toán chưng cất

D
, y
D
= x
D
) đỉnh tháp chưng cất trên đồ thị.
3 Xác định điểm nhập liệu (x
F
, y
*
F
) trong đó y
*
F
là nồng độ pha hơi cân bằng
ứng với nồng độ nhập liệu.
4 Dựng đường thẳng qua 2 điểm trên, giá trị giao điểm của đường thẳng với
trục trung chính bằng , từ đấy suy ra giá trị R
min.
Xác định số mâm lý thuyết
Xác định số mâm lý thuyết bằng đồ thị được tiến hành như sau:
1 Vẽ đường cân bằng x-y trên đồ thị nồng độ phần mol.
2 Xác định phương trình đường làm việc và biểu diễn phương trình
đương làm việc trên đồ thị.Các phương trình đường làm việc là đương
thẳng nên chỉ cần thiết lập 2 điểm đẻ vẽ các phương trình này.
3 Vẽ các bậc thang thay bắt đàu từ điểm A (x
D
, y
D
= x

n-1
.y
n-1
= L
n
x
n
+ V
n
.y
n
.
Phương trinh cân bằng năng lượng cho từng mâm trên đoạn cất:
L
n+1
.H
L,n+1
+ V
n-1.
H
V,n-1
= L
n
H
L,n
+ V
n.
H
L,n
Mâm nhập liệu:

F
.x
F
+ V
F
.y
F
Phương trình cân bằng năng lượng tại mâm nhập liệu:
L
F+1
.H
L,F+1
+ V
F-1.
H
V,F-1
+ F
L
.+ F
V
= L
F
.H
L,F +
V
F .
H
L,F
Phần chưng
Phương trình cân bằng vật chất cho các mâm ở đoạn chưng

L.m
F+1
.H
L,m+1
+ V
m-1.
H
V,m-1
= L
m
.H
L,m
+ V
m
.H
L,m
2.2. Đối với hỗn hợp đa cấu tử
2.2.1.Phương pháp đơn giản hóa Gilliland
Gilliland giúp ta xác đinh được nhiệt độ, lưu lượng và nồng độ các cấu tử
của dòng nhập liệu, đỉnh, đáy; dự đoán được tỉ số hồi lưu và số mâm lý thuyết
làm cơ sở để phục vụ cho phần tính toán từng mâm tiếp theo.
Hệ thức đơn giản hóa
Hai đại lượng quan trọng nhất trong chưng cất là tỷ số hồi lưu R và sỗ bặc
biến dổi nồng độ N.Gilliland đã đưa ra một hệ thức đơn giản hóa nhằm biểu
diễn mối quan hệ giữa tỉ số hồi lưu R và sỗ bậc N dưới dạng các hảm số (N) và
(R):
(R)
Quan hệ giữa hai hệ thức này được biễu diễn bằng thực nghiệm.
Công thức Fense xác định N
min

N
min
=n+1 bậc tổng quát
Công thức Fenske hệ 2 cấu tử
• Đối với hệ nhiều cấu tử
Công thức Fenske cho hệ nhiều cấu tử
Ta thử xét trường hợp chưng cất hỗn hợp nhiều cấu tử với hồi lưu toàn phần
tương ứng với số bậc biến đổi nồng độ tói thiểu N
min
= n+1.
lg(= N
min
lg + lg(
phương trình này biểu diễn sự phân bố tỉ số nồng độ các cấu tử ở đỉnh và đáy
tháp theo đường thẳng theo phương trình logarit.
Tỷ số hồi lưu tối thiểu R
min
min
Vế bên phải của công thức trên mô tả mối quan hệ với các cấu tử khóa ở
nhóm hạng thứ nhất còn nhóm hạng thứ hai với cấu tử nhẹ và nhóm hạng thứ 3
là quan hệ với cấu tử nặng.
Nếu có cấu tử trung gian thì cấu tử trung gian nhẹ sẽ được tính toán theo
cấu tử nhẹ và cấu tử trung gian nặng sẽ được tính theo cấu tử nặng.
Công thức trên được sử dụng tính toán R
min
cho cả hai trường hợp nhập liệu
biên, tuy nhiên có đại lượng l được xác định riêng biệt cho từng trường hợp,cụ
thể được trình bày trong bảng sau:
Cấu tử
Nhập liệu dạng lỏng sôi Nhập liệu dang hơi

- -
j l
i nặng
=Z
j nhẹ
/Z
i nặng
l
i nặng
=Z
jnhẹ
/Z
i nặng
Giải thích các kí hiệu:
Z
i
– nồng độ cấu tử I trong hỗn hợp ban đầu.
– độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử i so với cấu tử khóa nặng (j nặng)
i
v,
i
L
– cấu tử trung gian nhẹ và trung gian nặng.
2.2.2.Phương pháp tính từng mâm
Phương pháp toán từng mâm giúp ta xác định chính xác nồng độ các cấu tử
và nhiệt độ trên từng mâm, số mâm lý thuyết chính xác, từ đây làm cơ sở để trích
phân đoạn sản phẩm theo mong muốn.
• Cơ sở tính toán
Không có sự tổn thất năng lượng trên mâm nên không tính toán đến các
phương trình cân bằng năng lượng.

Hai đoạn chưng và cất đều kéo dài đến mâm nhập liệu nên việc tính toán
kết thúc ở mâm nhập liệu.
Nồng độ cuối cùng tính toán của đoạn chưng và cất phải đồng nhất cho nên
phải xét điều kiện hội tụ qua từng mâm.
Các phương trình tính toán trên mâm
Cân băng pha Cân bằng vất chất
Đoạn cất
(luyện)
V= L+D
Vy
(n+1)
=Lx
i(n)
+Dx
iD
y
i(n+1)
= x
i(n)
+ x
iD
Đoạn chưng y
’
i(m)
=
L
’
= V
’
+ W

Ban đầu việc tính toán ta phải giả thuyết phân bố nồng độ sản phẩm đỉnh và
đáy, sau đó kiểm tra giả thuyết dựa vào độ hội tụ trên mâm nhập liệu.Nếu không
đạt ta phải giả thuyết mới và tính toán lại.
Thông thường khi tính toán, nồng độ tại mâm nhập liệu tại hai 2 giai đoạn
không giông nhau nên phải hiệu chỉnh.
Công thức hiệu chỉnh nồng độ:
l
iD
, l
iW
: số mol cấu tử i giả thuyết tại sản phẩm đỉnh và đáy.
: độ sai lệch số mol cấu tử I tại sản phẩm và đáy.
Nếu độ sại lệch không lớn thì có thể không giả thuyết lại.
Nếu độ sai lệch không lớn thì hiệu chỉnh lại giả thuyết như sau:
l
’
iD
= l
iD
l
’
iW
= l
iW
Với l
’
iD ,
l
’
iW

động hóa tốt và chính xác.
Trường hợp muốn nâng cao chất lượng cồn hơn nữa ta tiến hành chưng
luyện theo sơ đồ bốn tháp( có thêm tháp làm sạch) bao gồm: sơ đồ chưng luyện 3
tháp + một tháp fusel + bốn.
Đối với hỗn hợp hai cấu tử ta sử dụng các phương pháp tính toán như sau:
TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
1. Giả thiết ban đầu:
Chưng cất phân đoạn hỗn hợp cồn thô ở áp suất khí quyển 1atm. Hỗn hợp
cồn thô chứa khoảng 50 cấu tử khác nhau trong đó bao gồm chủ yếu 5 nhóm cấu
tử chính vì vậy trong quá trình chưng cất phân đoạn ta chọn 5 cấu tử đặc trưng
cho từng nhóm cấu tử để làm cơ sở tính toán:
Ta chọn 5 cấu tử đặc trưng đại diện (mỗi cấu tử đại diện cho một nhóm
các cấu tử).
Thành phần nhập liệu:
• Axit axetic: 20 – 200 mg/l
• Ester (Etyl axetat): 150 – 550 mg/l
• Anđêhit axetic: 90 – 900 mg/l
• Izo butylic: 0,2 – 0,5% khối lượng
• Ethanol: 5 – 10% thể tích
• Nước: 892,2g
Lưu lượng dòng nhập liệu: 10lit/h
Thành phần sản phẩm đỉnh (theo tiêu chuẩn cồn loại 1):
• Axit axetic: 20 mg/l
• Ester (Etyl axetat): 50 mg/l
• Anđêhit axetic: 15 mg/l
• Izo butylic: 15 mg/l
• Ethanol: 96% thể tích
2. Chuẩn bị dữ kiện và các giả thiết ban đầu
Chọn cấu tử khóa: ethanol là cấu tử khóa nhẹ: j nhẹ
Nước là cấu tử khóa nặng: j nặng

iF
– x
iD
.D)/W
Điều kiện nhận giá trị là lưu lượng sản phẩm đỉnh nhiều nhất và x
iW
> 0
Sau quá trình biện luận thì giá trị lưu lượng trên phù hợp với điều kiện đặt ra.
Lập bảng giả thiết phân bố nồng độ cho 1l nhập liệu như sau:
Các cấu tử mol sp đỉnh mol sp đáy x
iD
(%mol) x
iW
(%mol)
Izo butylic 0,0000166 0,0649834 0,00001 0,001313348
Axetandehit 0,000028303 0,010971697 0,00002 0,000221722
Axit axetic 0,000025149 0,001488851 0,00002 3.10
-5
Etyl axetat 0,000047144 0,003357856 0,00003 6,793.10
-5
Ethanol 1,27156 0,00844 0,877 0,000166498
Nước 0,17845 49,39155 0,123 0,99819814
Tổng 1,450127196 49,4807918 1,00008 0,999997655
Tính độ bay hơi tương đối:
Ta cần tính độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp tương ứng
với ba vị trí của tháp chưng:
• Đỉnh tháp: α
iD
• Đáy tháp: α
iW

CP +++=
Trong đó:
Các cấu tử C1 C2 C3 C4 C5
Izo butylic 106.295 -9866.4 -11.655 1.0832.10
-17
6
Axetandehit 193.69 -8036.7 -29.502 0.043678 1
Axit axetic 53.27 -6304.5 -4.2985 8.8865.10
-18
6
Etyl axetat 66.824 -6227.6 -6.41 1.7914.10
-17
6
Ethanol 73.304 -7122.3 -7.1424 2.8853.10
-6
2
Nước 73.649 -7258.2 -7.3037 4.1653.10
-6
2
Sau đây là kết quả tính toán:
Nơi đỉnh tháp
Các cấu
tử
Nhiêt độ giả thiết t = 82.2
o
C
y
i
=x
iD

-6
11.8774799
5
Axit
axetic
0.00002
0.291965
58
6.85.10
-5
0.57514721
4
Etyl
axetat
0.00003
1.170396
692
2.563.10
-5
2.30558134
8
Ethanol 0.877
1.156479
961
0.75833566
5
2.27816657
9
Nước 0.123
0.507636

Izo butylic 0.001313 0.5151106 0.00068 0.515440103
Axetandehit 0.000222 9.1580593 0.00203 9.16391731
Axit axetic 3.10
-5
0.5581736 1.7.10
-5
0.558530671
Etyl axetat 6.79.10
-5
2.0079355 0.00014 2.009219862
Ethanol 0.000166 2.2156467 0.00037 2.217063949
Nước 0.998198 0.9993607 0.99756 1
0.999998 1.00079
Vì nhập liệu chúng ta ở trạng thái lỏng sôi nên ta không cần phải giả thiết
phần trăm bay hơi tương đối trong hỗn hợp nhập liệu nhưng phải xác định nhiệt
độ lỏng sôi của hỗn hợp nhập liệu, ta có bảng kết quả:
Xác định nhiệt độ lỏng sôi nhập liệu
Các cấu tử
Nhiệt độ nhập liệu t = 99.3
o
C
x
iF
=y
i
K
i
x
i
=y

α
iF
=K
i
/K
j
nặng
Izo butylic 0.0012762
0.49779895
6
0.00063531 0.513488663
Axetandehit 0.000216
8.98552646
3
0.001940683 9.268733707
Axit axetic 2.973.10
-5
0.54216638
6
1.612.10
-5
0.559254472
Etyl axetat 6.686.10
-5
1.96003929
3
0.000131039 2.021816121
Ethanol 0.0251321
2.15206279
5

min
của các cấu tử với cấu tử khóa
Ta sử dụng công thức Fenske để xác định N
min
và kiểm tra giả thiết phân bố
nồng độ các cấu tử ở đỉnh tháp và đáy tháp
i
iW
jW
jD
iD
x
x
x
x
N

log
.log
min









Công thức Fenske tính N

-
Axit axetic 0.00002 3.10
-5
5.408197856 0.564259 -
Etyl axetat 0.00003 6.794.10
-5
3.583743496
2.107899
3
1.71171
Ethanol 0.877 0.0001665 42746.68253 2.238198 13.23499
Nước 0.123 0.99819814 1 1 -
Tổng 1.00008 0.99999766
Ta thấy các giá trị N
min
chênh lệch nhau khá lớn vì vậy một số giả thiết nồng
độ ban đầu là chưa hợp lý
Thành phần j nặng luôn ảnh hưởng nhiều đến quá trình chưng nên ta dựa
vào thành phần này để hiệu chỉnh.
3.2. Hiệu chỉnh nồng độ:
Đặt số mol Izo butylic trong sản phẩm ở đỉnh tháp là: a (mol)
số mol Axetandehit trong sản phẩm ở đỉnh tháp là: b (mol)
số mol Axit axetic trong sản phẩm ở đỉnh tháp là: c (mol)
số mol Etyl axetat trong sản phẩm ở đỉnh tháp là: d (mol)
số mol Ethanol trong sản phẩm ở đỉnh tháp là: 1.27156 (mol)
số molNước trong sản phẩm ở đỉnh tháp là: 0.17845 (mol)
Bảng tính toán hiệu chỉnh:
Các cấu
tử
Mol


a
a
−
×
065.0
78089.276
0.499
2853
30165.0
065.0
78089.276log
−






−
×
a
a
Axetan
dehit
0.011 b
0.011-
b
b
b

×
001514.0
78089.276
0.564
259
24852.0
001514.0
78089.276log
−






−
×
c
c
Etyl
axetat
0.003
405
d
0.0034
05-d
d
d
−
×

55
- 1 -
Ở đây ta chủ yếu quan tâm đến nồng độ cấu tử khóa nhẹ là ethanol và khóa
nặng là nước ở sản phẩm, vì nồng độ của các cấu tử khác rất ít trong sản phẩm
đỉnh thu được nên để thõa mãn yêu cầu ethanol chiếm 96% V
đỉnh
ta giữ nguyên
nồng độ của cấu tử khóa nhẹ là ethanol và cấu tử khóa nặng là nước.
Đồng nhất các biểu thức N
min
ta tính được các giá trị:
N
min
13.2
a 2.423.10
-8
b 0.010972
c 2.826.10
-9
d 0.0033559
Bảng phân bố nồng độ tính toán được sau khi hiệu chỉnh
Sự sai khác số liệu giả thiết với số liệu tính toán không lớn lắm, chủ yếu là
ở cấu từ nhẹ là axetandehit, ta có thể nhận thấy sau quá trình chưng toàn bộ
axetandehit đều nằm trên đỉnh, dưới đáy hầu như không có, điều này là hoàn
toàn hợp lý vì trong quá trình tính toán ta thấy độ bay hơi tương đối của cấu tử
Các cấu tử
Mol sản
phẩm đỉnh
Mol sản phẩm
đáy

này là lớn nhất tương ứng với nhiết độ sôi của nó là thấp nhất trong hỗn hơp
nhưng vì đây là cấu tử nhẹ nên ta không có yêu cầu chặt chẽ, do đó số liệu phân
bố nồng độ này được sử dụng tính toán cho phần sau.
4. Tính tỷ số hồi lưu tối thiếu R
min
J.C.Maxwell đã biến đổi đơn giản hóa các công thức Gilliland và cuối cùng
đã đưa ra công thức tính hồi lưu tối thiểu R
min
ở dạng sau:
( )
∑
∑
















−
−







−
+
=+
inang
Dinang
inang
Djnhe
inangjnhe
inang
inhe
DjnanginheDinhe
inhe
inhe
Djnang
nhe
j
jD
jnhe
nhejj
x
l
x
xlx
x

ethanol (jnhẹ) 0.025132 2.238198

0.0258221
Etyl axetat (iv) 6.69.10
-5
2.107899 6.869.10
-5
Nước (j nặng) 0.973279 1 1
Izo butylic (i nặng) 0.001276 0.499285 19.692308
Axit axetic (i nặng) 2.97.10
-5
0.564259 845.44254
Giá trị R
min
:
65026.27
65026.28
564259.0238198.2
10.92995.1
44254.845
86835.0
56426.0
499285.0238198.2
10.65474.1
69231.19
86835.0
49929.0
1107899.2
)10.869.612186.000229.0(107899.2
102941.10






−×
+












−






−×
+



+×
=+
−
−
−
−
R
R
5. Xác định số bậc lý thuyết N tương ứng với R hợp lý:
Từ đồ thị thực nghiệm giữa Φ(N) và Φ(R) ta xác định được N theo R, kết quả
tổng hợp trong bảng dưới:
Để tính gần đúng ta có thể lấy chỉ số hồi lưu làm việc:
R = b.R
min
Trong đó: b=(1.2 ÷ 2.5)
R=b.R
min
R-Rmin
ΦR ΦN ΦN+Nmin
N/(N+1) N
33.18 5.5301 0.162 0.48 13.6842 0.9634 26.316
35.945 8.2951 0.225 0.44 13.6442 0.9606 24.365
38.71 11.06 0.279 0.39 13.5942 0.9571 22.286
41.475 13.825 0.325 0.375 13.5792 0.956 21.727
44.24 16.59 0.367 0.34 13.5442 0.9535 20.522
47.005 19.355 0.403 0.32 13.5242 0.9521 19.889
49.77 22.12 0.436 0.3 13.5042 0.9507 19.292
52.535 24.885 0.465 0.28 13.4842 0.9493 18.728
55.301 27.65 0.491 0.25 13.4542 0.9472 17.939
58.066 30.415 0.515 0.25 13.4542 0.9472 17.939