BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐỒ ÁN
CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96%
TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h
GVHD: PGS. TS TRƯƠNG VĨNH
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
Tháng 03/2013
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96%
TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h
Tác giả
Nguyễn Quốc Thắng
Nguyên Bình Phương Thanh Trúc
Báo cáo được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
môn học Đồ Án
Công Nghệ Hóa Học
Giáo viên hướng dẫn:
PGS. TS. TRƯƠNG VĨNH
Tháng 3/2013
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
MỤC LỤC
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 1
ĐỒ ÁN 1
CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 1
THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT CỒN 96% 1
TỪ GỖ VỤN – NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 1000 Kg/h 1
GVHD: PGS. TS TRƯƠNG VĨNH 1
SINH VIÊN THỰC HIỆN: 1

II . MÂM LỖ – TRỞ LỰC CỦA MÂM: 29
1 . Cấu tạo mâm lỗ: 29
2 . Độ giảm áp của pha khí qua một mâm: 29
3 . Kiểm tra ngập lụt khi tháp hoạt động: 33
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP: 34
1 . Bề dày thân tháp: 34
2 . Đáy và nắp thiết bị: 36
3 . Bích ghép thân, đáy và nắp: 37
4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn: 38
5 . Tai treo và chân đỡ: 41
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT BỊ PHỤ 44
4
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT: 44
1 . Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh: 45
2 . Thiết bị làm nguội sản phẩm đỉnh: 50
3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy: 55
4 . Thiết bị trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy: 59
5 . Thiết gia nhiệt nhập liệu: 64
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ: 69
III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU: 70
1 . Tính chiều cao bồn cao vị: 70
2 . Chọn bơm: 74
CHƯƠNG V: GIÁ THÀNH THIẾT BỊ 77
I . TÍNH SƠ BỘ GIÁ THÀNH CỦA THIẾT BỊ: 77
II . KẾT LUẬN: 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

5
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH

nhau ở cùng áp suất), bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi - ngưng
tụ, trong đó vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi hoặc ngược lại. Khác với cô đặc,
chưng cất là quá trình trong đó cả dung môi và chất tan đều bay hơi, còn cô đặc là
quá trình trong đó chỉ có dung môi 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 gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi
nhỏ ), sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé(nhiệt độ sôi lớn) .Đối
với hệ Ethanol - Nước sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm ethanol và một ít nước, ngược
lại sản phẩm đáy chủ yếu gồm nước và một ít ethanol.
Các phương pháp chưng cất: được phân loại theo:
• Áp suất làm việc: chưng cất áp suất thấp, áp suất thường và áp suất cao.
Nguyên tắc của phương pháp này là 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.
• Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản và liên tục).
* Chưng cất đơn giản (gián đoạn): phương pháp này đuợc sử dụng trong
các trường hợp sau:
+ Khi nhiệt độ

sôi của các cấu tử khác xa nhau.
+ Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
+ Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.
+ Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.
* Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá
trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn.
7
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
• Phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước:
thường được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .

lỏng bẩn.
Nhược - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.
8
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
điểm:
- Độ ổn định kém.
- Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đĩa thật
phẳng. - Trở lực lớn.
- Thiết bị nặng.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
Nhận xét: tháp mâm xuyên lỗ là trạng thái trung gian giữa tháp chêm và
tháp mâm chóp. Nên ta chọn tháp chưng cất là tháp mâm xuyên lỗ.
Vậy: Chưng cất hệ Ethanol - Nước ta dùng tháp mâm xuyên lỗ hoạt động liên
tục ở áp suất thường, cấp nhiệt gián tiếp ở đáy tháp.
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU:
Nguyên liệu là hỗn hợp Ethanol - Nước.
1 . Ethanol
Ethanol có công thức phân tử: CH
3
-CH
2
-OH, khối lượng phân tử: 46 đvC. Là
chất lỏng có mùi đặc trưng, không độc, tan nhiều trong nước.
• Một số thông số vật lý và nhiệt động của ethanol:
+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3
o
C.
+ Khối lượng riêng: d

, cho nên ethanol là
chất trung tính.
+ Tính acid của rượu thể hiện qua phản ứng với kim loại kiềm, Natri
hydrua(NaH), Natri amid(NaNH
2
):
CH
3
-CH
2
-OH + NaH CH
3
-CH
2
-ONa + H
2
Natri etylat
9
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
Do
14
10
223
−
−−
=<
OHOHCHCH
KK
: tính acid của rượu nhỏ hơn tính acid
của nước, nên khi muối Natri etylat tan trong nước sẽ bị thuỷ phân thành

3
CH
3
-COO-C
2
H
5
+ H
2
O
* Phản ứng trên nhóm hydroxyl:
+ Tác dụng với HX: CH
3
-CH
2
-OH + HX CH
3
-CH
2
-X + H
2
O
+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:
CH
3
-CH
2
-OH + PCl
3
CH

)
2
O + H
2
O
CH
3
-CH
2
-OH CH
2
= CH
2
+ H
2
O
* Phản ứng hydro và oxy hoá:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CHO + H
2

• Ứng dụng: ethanol có nhiều ứng dụng hơn methanol, nó đóng một vai trò
quan trọng trong nền kinh tế quốc dân. Nó 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

Sơ đồ tóm tắt vị trí của ethanol trong các ngành công nghiệp.
11
Ethanol
Công nghiệp cao su tổng
hợp.
.
Rượu mùi.
Dấm.
Dung môi hữu cơ.
Nguyên liệu
Thuốc súng không khói.
Nhiên liệu hỏa tiển, bom bay.
Đồ nhựa, keo dán.
Hương liệu.
Sơn.
Vẹc ni.
Nhiên liệu.
Động lực.
Thuốc trừ sâu.
Thuốc nhuộm.
Tơ nhân tạo.
Sát trùng.
Pha chế thuốc.
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
• Phương pháp điều chế: có nhiều phương pháp điều chế ethanol: hydrat hoá
etylen với xúc tác H
2
SO
4
; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của ethanol khi

4
0
c : 1 g / ml
Nhiệt độ nóng chảy : 0
0
C
Nhiệt độ sôi : 100
0
C
Nước là hợp chất chiếm phần lớn trên trái đất (3/4 diện tích trái đất là nước
biển) và rất cần thiết cho sự sống.
Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất và là dung
môi rất quan trọng trong kỹ thuật hóa học.
3 . Hỗn hợp Ethanol – Nước:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol -
Nước ở 760 mmHg:
x(%phân mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân mol) 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100
t(
o
C) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4
12
Nấm men
Zymaza
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
13
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETHANOL – NƯỚC:
Ethanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H
2

HÓA/ SINH)
THỦY PHÂN
NGUYÊN LIỆU
(TỔ HỢP ENZ
THỦY PHÂN)
LÊN MEN DỊCH
ĐƯỜNG (CHỦNG
NẤM MEN)
DỊCH SAU LÊN
MEN
(NHẬP LIỆU)
BỒN CAO VỊ
TĐN SP ĐÁY
GIA NHIỆT
NHẬP LIỆU
THÁP
CHƯNG CẤT
SẢN
PHẨM
ĐỈNH
SẢN
PHAM
ĐÁY
NỒI ĐUN
BỒN CHỨA SP
ĐÁY
NGƯNG TỤ
BỒN
CHỨA
SP

Hỗn hợp ethanol – nước có nồng độ ethanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ
khoảng 28
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vị (4).
Từ đó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy. Sau đó, hỗn hợp
được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bị gia nhiệt (5), 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 (12) lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi. Nhiệt độ càng lên trên càng thấp, nên
khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên thì cấu tử có nhiệt độ sôi cao là nước sẽ ngưng tụ
lại, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp có cấu tử ethanol chiếm nhiều
nhất (sản phẩm cồn 96 độ với nồng độ 85% phân mol). 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 (10), được làm nguội đến 35
0
C, rồi được đưa qua bồn
chứa sản phẩm đỉnh (14). Phần còn lại của chất lỏng ngưng tụ đựơc hoàn lưu về
tháp ở đĩa trên cùng với tỉ số hoàn lưu tối ưu. Một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp
được bốc hơi, còn lại cấu tử có nhiệt độ sôi cao trong chất lỏng ngày càng tăng.
Cuối cùng, ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp lỏng hầu hết là các cấu tử khó bay hơi (
nước). Hỗn hợp lỏng ở đáy có nồng độ ethanol rất nhỏ, chủ yếu là nước. Dung dịch
lỏng đáy, đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12). Trong nồi đun, dung dịch lỏng một phần
sẽ bốc hơi cung cấp lại cho tháp, nhằm giảm nhiệt độ dòng sản phẩm đáy, tận dụng
nhiệt thoát ra cung cấp cho nồi hơi tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun
được trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu.
Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là ethanol, sản phẩm đáy sau
khi trao đổi nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 60

5
)
n
+ nH
2
O → nC
6
H
12
O
6
(xúc tác H
+
)
C
6
H
12
O
6
→ 2C
2
H
5
OH + 2CO
2
(xúc tác Saccharomyces cerevisiae)
• Tính toán theo phương trình:
+ Lượng vật liệu thô ban đầu cần sử dụng là: 392 (Kg/h) (với hiệu suất
chuyển hóa đạt 99%).

= 35
o
C .
+Trạng thái nhập liệu là trạng thái lỏng sôi .
• Các kí hiệu:
+ G
F
, F: suất lượng nhập liệu tính theo Kg/h, Kmol/h .
+ G
D
, D: suất lượng sản phẩm đỉnh tính theo Kg/h, Kmol/h .
+ G
W
,W: suất lượng sản phẩm đáy tính theo Kg/h, Kmol/h .
18
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
+ x
i
,
i
x
: phân mol, phân khối lượng của cấu tử i .
III . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHAM ĐỈNH VÀ SẢN PHAM ĐÁY:
• 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

M
G
=
8.20
1000
= 48,077 (Kmol/h)
* Phân mol sản phẩm đỉnh: x
D
= 0,85 (phân mol ethanol) .
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh:
M
D
=
18).1(.46
DD
xx −+
= 41,8 (Kg/Kmol).
Giải 3 phương trình (II.1),(II.2),(II.3),ta có:
D = 5,600 (Kmol/h)
W = 42,477 (Kmol/h)
x
W
= 0,0011 (phân mol ethanol )
Suy ra, khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy:
M
W
=
18).1(.46
WW
xx −+

Khi R tăng, số mâm sẽ giảm nhưng đường kính tháp, thiết bị ngưng tụ, nồi đun
và công để bơm cũng tăng theo. Chi phí cố định sẽ giảm dần đến cực tiểu rồi tăng
đến vô cực khi hoàn lưu toàn phần, lượng nhiệt và lượng nước sử dụng cũng tăng
theo tỉ số hoàn lưu.
Tổng chi phí bao gồm: chi phí cố định và chi phí điều hành. Tỉ số hoàn lưu
thích hợp ứng với tổng chi phí là cực tiểu.
Tuy nhiên, đôi khi các chi phí điều hành rất phức tạp, khó kiểm soát nên người
ta có thể tính tỉ số hoàn lưu thích hợp từ điều kiện tháp nhỏ nhất .Để tính được tỉ số
hoàn lưu thích hợp theo điều kiện tháp nhỏ nhất (không tính đến chi phí điều
hành),ta cần lập mối quan hệ giữa tỉ số hoàn lưu và thể tích tháp, từ đó chọn R
th
ứng với thể tích tháp là nhỏ nhất.
Nhận thấy, tiết diện tháp tỉ lệ với lượng hơi đi trong tháp, mà lượng hơi lại tỉ lệ
với lượng lỏng hồi lưu trong tháp,d o trong điều kiện làm việc nhất định thì G
D
sẽ
không đổi nên lượng lỏng hồi lưu sẽ tỉ lệ với (R+1), do đó, tiết diện tháp sẽ tỉ lệ với
(R+1). Ngoài ra, chiều cao tháp tỉ lệ với số đơn vị chuyển khối m
ox
hay số mâm lý
thuyết N
lt
. Cho nên, thể tích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số m
ox
*(R+1). Như
vậy, ta có thể thiết lập quan hệ giữa R và V
tháp
theo quan hệ R và m
ox
*(R+1).Từ đồ

R
D
=
1973,2
85,0
.
1973,2
973,2
+
+
+
x

= 0,7483 .x + 0.2139
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
y =
W
x
R
f
x
R
fR
.
1
1
.
1 +
−
+

3 . Số mâm lý thuyết:
Đồ thị xác định số mâm lý thuyết: (Xem hình ở trang sau ).
21
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH

Từ đồ thị, ta có: 29 mâm bao gồm: 19 mâm cất
1 mâm nhập liệu
5 mâm chưng(4 mâm chưng+1 nồi đun)
Tóm lại, số mâm lý thuyết là N
lt
= 28 mâm .
VI . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình:

tb
lt
tt
η
N
N =
trong đó: η
tb
: hiệu suất trung bình của đĩa, là một hàm số của độ bay hơi tương
đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: η = f(α,µ).
N
tt
: số mâm thực tế.
N
lt
: số mâm lý thuyết.

+
10,0
10,01
.
442,01
442,0
x
x1
y1
y
α
F
F
*
*
F
−
−
=
−
−
=
F
F
= 7,129
+ Từ
%12,22=
F
x
và t

W
= 100
o
C
+
0011,0
0011,01
.
018,01
018,0
x
x1
y1
y
α
W
W
*
*
W
−
−
=
−
−
=
W
W
= 16,177
+ Từ

. m
W
= 16,177.0,245 = 3,967
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171]: h
W
= 0,365
*Tại vị trí mâm đỉnh:
x
D
= 0,85 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: y
*
D
= 0,856
t
D
= 78,5
o
C
23
ÑA CNHH GVHD: PGS TS TRƯƠNG VĨNH
+
85,0
85,01
.
856,01
856,0
x
x1
y1
y

= 78,5
o
C, tra tài liệu tham
khảo [4(tập 1) – trang 107]:
m
D
= 51.10
-6
.9,81= 0,500.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,500 (cP)
Suy ra: a
D
. m
D
= 1,049.0,500 = 0,525
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171]: h
D
= 0,600
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp:
h
tb
=
4567,0
3
600,0365,0395,0
3

0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ
==
(m)
V
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (m
3
/h).
ω
tb
: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp (m/s).
g
tb
: lượng hơi trung bình đi trong tháp (Kg/h).
Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó,
đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau.
1. Đường kính đoạn cất:
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp:
2
1
gg
g
d


=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg
DGg11
1111
11
(III.1)
Với: G
1:
lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất .
r
1:
ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất
r
d
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp .
* Tính r
1
: t
1
= t
F