ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
MC LC
LI M U
CHNG I : TNG QUAN
I . Lí THUYT V CHNG CT
1 . Phng phỏp chng ct
2 . Thit b chng ct:
II . GII THIU S B NGUYấN LIU
1 . Etanol
2 . Nc
3 . Hn hp Etanol Nc
III . CễNG NGH CHNG CT H ETANOL NC
CHNG II : CN BNG VT CHT
I . CC THễNG S BAN U
II . XC NH SUT LNG SN PHM NH V SN PHM
Y
III . NHIT LNG DềNG NHP LIU
IV . TNH TON THIT B NGNG T
1 . T s hon lu ti thiu
2 . T s hon lu thớch hp
3 . Nhit lng cn phi ly thit b ngng t
4 . Lng hi nc cn thit cho thit b
5 . Nng lng ni un
V . XC NH S MM THC T
CHNG III :TNH TON THIT K THP CHNG CT
I . NG KNH THP
1 . ng kớnh on ct
2 . ng kớnh on chng
II . TNH TR LC CA THP
1 . Tr lc phn ct
2 . Tr lc phn chng

VI . CHN TAI TREO
1 . Chõn
2 . Tai treo
CHNG VII : TNH BO ễN
CHNG VIII : GI THNH THIT B
I . TNH S B GI THNH CA THIT B
II . KT LUN
TI LIU THAM KHO
2
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
LI M U
Mt trong nhng ngnh cú s úng gúp to ln n ngnh cụng nghip nc ta núi
riờng v th gii núi chung, ú l ngnh cụng nghip húa hc. c bit l ngnh húa
cht c bn.
Hin nay, trong nhiu ngnh sn sut húa hc cng nh s dng sn phm húa hc,
nhu cu s dng nguyờn liu hoc sn phm cú tinh khit cao phi phự hp vi quy
trỡnh sn sut hoc nhu cu s dng.
Ngy nay, cỏc phng phỏp c s dng nõng cao tinh khit: trớch ly, chng
ct, cụ c, hp thu Tựy theo c tớnh yờu cu ca sn phm m ta cú s la chn
phng phỏp thớch hp. i vi h Etanol - Nc l 2 cu t tan ln hon ton, ta phi
dựng phng phỏp chng ct nõng cao tinh khit cho Etanol.
ỏn mụn hc Quỏ trỡnh v Thit b l mt mụn hc mang tớnh tng hp trong
quỏ trỡnh hc tp ca cỏc k s hoỏ- th c phm tng lai. Mụn hc giỳp sinh viờn
gii quyt nhim v tớnh toỏn c th v: yờu cu cụng ngh, kt cu, giỏ thnh ca mt
thit b trong sn xut hoỏ cht - thc phm. õy l bc u tiờn sinh viờn vn
dng nhng kin thc ó hc ca nhiu mụn hc vo gii quyt nhng vn k thut
thc t mt cỏch tng hp.
Nhim v ca AMH l thit k thỏp chng ct h Etanol - Nc hot ng liờn tc
vi nõng sut sn phm nh : 1000 lớt/h, nhp liu cú nng ru l 30
0

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, nhều đoạn.
• Phương pháp cất nhiệt ở đáy tháp: cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước: thường
được áp dụng trường hợp chất được tách không tan trong nước .
Vậy: đối với hệ Etanol – Nước, ta chọn phương pháp chưng cất liên tục cấp nhiệt
gián tiếp bằng nồi đun ở áp suất thường.
4
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
2 . Thiết bị chưng cất:
-Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều 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 vaò lưu chất kia .
- Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng ,các tháp lớn nhất thường được
ứng dụng trong công nghiệp lọc hoá dầu. Kích thước của tháp : đường kính tháp và chiều
cao tháp tuỳ thuộc suất lượng pha lỏng, pha khí của tháp và độ tinh khiết của sản phẩm.
Ta khảo sát 2 loại tháp chưng cất thường dùng là tháp mâm và tháp chêm.
• Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu
tạo khác nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, trên mâm pha lỏng
và pha hơi đựơc cho tiếp xúc với nhau. Tùy theo cấu tạo của đĩa, ta có:
* Tháp mâm chóp : trên mâm bố trí có chép dạng:tròn ,xú bắp ,chữ s…
* Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm bố trí các lỗ có đường kính (3-12) mm.
• Tháp chêm(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 hai phương pháp: xếp

- Etanol 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 etanol:
+ Nhiệt độ sôi ở 760(mmHg): 78.3
o
C.
+ Khối lượng riêng: d
4
20
= 810 (Kg/m
3
).
• Tính chất hóa học:
Tất cả các phản ứng hoá học xảy ra ở nhóm hydroxyl (-OH) của etanol là thể
hiện tính chất hoá học của nó.
* Phản ứng của hydro trong nhóm hydroxyl:
CH
3
-CH
2
-OH CH
3
-CH
2
-O
-

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 rượu trở
lại.
+ Tác dụng với acid tạo ester: Rượu etanol có tính bazơ tương đương với
nước. Khi rượu tác dụng với acid vô cơ H
2
SO
4
, HNO
3
và acid hữu cơ đều tạo
ra ester.
CH
3
-CH
2
-OH + HO-SO
3
-H CH
3
-CH
2
O-SO

2
O
+ Tác dụng với Triclo Phốt pho:
6
L nhạ
H
+
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
CH
3
-CH
2
-OH + PCl
3
CH
3
-CH
2
-Cl + POCl + HCl
+ Tác dụng với NH
3
:
CH
3
-CH
2
-OH + NH
3
C
2

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

• Ứng dụng: etanol có nhiều ứng dụng hơn metanol, nó đóng một vai trò quan
trọng trong nền kinh tế quốc dân. Đây là nguyên liệu dùng để sản suất hơn 150
mặt hàng khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: công nghiệp
nặng, y tế và dược, quốc phòng, giao thông vận tải, dệt, chế biến gỗ và nông
nghiệp.
7
Al
2
O
3
t
o
H
2
SO
4
>150
o

2C
2
H
5
OH + 2CO
2
+ 28 Kcal
Trong đó: 95% nguyên liệu chuyển thành etanol và CO
2
.
5% nguyên liệu chuyển thành sản phẩm phụ: glyxêrin, acid
sucxinic, dầu fusel, metylic và các acid hữu cơ(lactic, butylic…).
2 . Nước:
- Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng
khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt.
- Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau:
Khối lượng phân tử: 18 g / mol
8
Nấm men
Zymaza
+ Thuốc súng không khói.
+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.
+ Động lực.
+ Thuốc trừ sâu.
+ Sơn.
+ Vecni.
+ Đồ nhựa.
+ Keo dán.
+ Hương liệu.
+ Sát trùng.

9
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
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
III. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ETANOL – NƯỚC:
-Etanol là một chất lỏng tan vô hạn trong H
2
O, nhiệt độ sôi là 78,3
0
C ở 760mmHg, nhiệt
độ sôi của nước là 100
o
C ở 760mmHg : hơi cách biệt khá xa nên phương pháp hiệu quả
để thu etanol có độ tinh khiết cao là phương pháp chưng cất.
- Trong trường hợp này, ta không thể sử dụng phương pháp cô đặc vì các cấu tử đều có
khả năng bay hơi, và không sử dụng phương pháp trích ly cũng như phương pháp hấp thụ
do phải đưa vào một khoa mới để tách, có thể làm cho quá trình phức tạp hơn hay quá
trình tách không được hoàn toàn.
* Sơ đồ qui trình công nghệ chưng cất hệ Etanol – nước:
Chú thích các kí hiệu trong qui trình:
1 . Bồn chứa nguyên liệu.
2 . Bơm.
3 . Bồn cao vị.
4 . Thiết bị gia nhiệt nhập liệu.
5 . Bẩy hơi.
6 . Lưu lượng kế.
7 . Nhiệt kế.

0
C , rồi được đưa qua
bồn chứa sản phẩm đỉnh (15). 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 tại van xã khí (16), 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 etanol là 0,11 % phân mol, 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 cung cấp lại cho tháp để tiếp tục làm việc, phần còn lại ra khỏi nồi đun được trao đổi
nhiệt với dòng nhập liệu trong thiết bị (4) (sau khi qua bồn cao vị).
- Hệ thống làm việc liên tục cho ra sản phẩm đỉnh là etanol, sản phẩm đáy sau khi trao đổi
nhiệt với nhập liệu có nhiệt độ là 86
0
C được thải bỏ.
12
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu : G
F
= 1000 (l/h) .
• Nồng độ nhập liệu : x
F
= 30%mol etanol.
• Nồng độ sản phẩm đỉnh : x
D
= 92%mol etanol .
• Tỷ lệ thu hồi etanol : h= 99%.
• Khối lượng phân tử của rượu và nước : M
R

+ x
i
,
i
x
: phân mol , phân khối lượng của cấu tử i .
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯỢNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY :
Ta có:
*Ở 79
0
C
-klr ethanol: 0,736
-klr nước : 0,972
*Ở 25
0
C
-klr ethanol: 0,784
-klr nước: 0,999
G
D
= lưu lượng. (độ rượu.
46
e
KLR
) + (100 – 92) .
2
0
18
H

100
46 18
e
e
ruou KLR
ruou KLR
ruou−
+
G
F
=
.
0,99.
D D
F
G x
x
Từ công thức:
G
F
= G
D
+G
W

G
W
= G
F
-G

(1- độ thu hồi)

X
W
=
( )
. . .
=
F F
W
0 01 G X
G
Suất lượng (kmol/h) phân mol dòng
nhập liệu
G
F
đỉnh
G
D
đáy
G
W
nhập
liệu
(x
F
)
đỉnh
(x
D

(x
W
)
2718,435 754,885 1963,550 0,252 0,897 0,003
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
III . NHIT LNG DềNG NHP LIU:
Q
1
=G
F
.C
P
.t
-Chn nhit ban u ca dũng nhp liu: t
F
= 25
0
-Nhit lng sụi ca nguyờn liu: t
F
= 86
0
.

Nhit trung bỡnh: t
FTB
: 55,5
0
- Nhit lng sụi ca dũng sn phm nh: t
D
= 79

Lng hi nc cn dựng:
Q
1
= r + h
1
-r : n nhit chuyn pha (J/kg)
Tra nhit ngng t ca hi nc bo hũa, chn nhit ngng t l 120
0
(hi nc bo hũa
ỏp sut 2atm).
r = 2202 kJ/kg.
h1 = 290,606 kg/h.
IV . TNH TON THIT B NGNG T:
1 . T s hon lu ti thiu:
- T s hon lu ti thiu l ch lm vic m ti ú ng vi s mõm lý thuyt l vụ
cc .Do ú ,chi phớ c nh l vụ cc nhng chi phớ iu hnh (nhiờn liu ,nc v
bm) l ti thiu .
15
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
- Do th cõn bng ca h Etanol-Nc cú im un ,nờn xỏc nh t s hon lu ti
thiu bng cỏch :
+Trờn th cõn bng y-x ,t im (0,77;0,77) ta k mt ng thng tip tuyn
vi ng cõn bng ti im un , ct trc Oy ti im cú y
o
= 0,40 .
+Theo phng trỡnh ng lm vic on ct , khi x
o
=0 thỡ
y
o

D

G
H
= 2199,78 kg/h.
3. Nhit lng cn phi ly TBNT:
Q
C
= G
H
. r
hh
W
r
hh
: n nhit chuyn pha ca hn hp hi nhit hi bo hũa, phõn mol ca
dũng nh ( tra trờn th).
-r
(e)
= 866,519 kJ/kg.
16
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
-r
(H2O)
= 2309,706 kJ/kg.
r
hh
= r
(e)
.X

(H2O)
= 4174 J/kg.độ.

Gn = 35670,211 kg/h.
5. Năng lượng cho nồi đun:
Q
D
= G
D
.H
D
+G
W
.H
W
+Q
C
+Q
L
-G
F
.H
F
Chọn Q
tt
= 1,05 ÷ 1,1
Ta có:
H
D
= Cp

Mà:
Cp
D
(tb) = X
D
(tb).Cp
(e)
+(1-X
D
(tb)).Cp
(H2O)
(4)
Cp
F
(tb) = X
F
(tb).Cp
(e)
+(1-X
F
(tb)).Cp
(H2O)
(5)
Cp
W
(tb) = X
W
(tb).Cp
(e)
+(1-X

= 2329284,33 kJ/h
= 647,02 kW.
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Hiệu suất mâm là hàm số theo độ bay hơi tương đối (α), và độ nhớt của hổn hợp
lỏng (µ).
E = f(α.µ).

• Xác định hiệu suất của mâm:
+ Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi :
* *
* *
y 1 x
α
1 y x
−
=
−
Với : x
*
:phân mol của rượu trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
* Tại vị trí mâm 1:
x
*
= 0,01
y
*
=0,04

*
=0,595
 α
2
= 2,612
* Tại vị trí mâm 7:
x
*
= 0,605
y
*
=0,695
 α
7
= 1,15
* Tại vị trí mâm 9:
x
*
= 0,72
y
*
=0,76
 α
9
= 1,23
• Xác định độ nhớt tại mâm đỉnh theo T
o
, T
D
:

ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
Vậy hiệu xuất tại mỗi mâm:
α
1
.µ
1
= 0,825 => E
1
=0,52
α
2
.µ
2
= 1,798 => E
2
=0,42
α
3
.µ
3
= 2,71 => E
3
=0,39
α
5
.µ
5
= 0,91 => E
5
=0,51

=
9
17,65
0,51
LT
TB
N
E
= =
Chọn : N
TT
= 18 mâm
20
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ
CHNG III :TNH TON THIT K THP
CHNG CT .
I . NG KNH THP :(D
t
)
tbyy
tb
g
).(
0188,0
.3600.
4V
D
tb
tb
t

d
: lng hi ra khi nh thỏp kg/h.
g
1
: lng hi i vo on luyn (c xỏc nh theo PTCB vt liu v CB
nhit lng kg/h.
Xỏc nh g
d
:
g
d
= G
R
+G
D
=G
D
.(R+1) =754,89.(1,91+1)= 2196,73 kg/h

Xỏc nh g
1
: T h phng trỡnh :
1 1 1
1 1 1 1 1
1 1
754,89(1)
. . . 0,3. 754,89.0,92(2)
. .
D
D D

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
:
r
1
= r
a
.y
1
+(1-y
1
).r
D
(4)
* Tính r
d
:
r
d
= r
a
.y
d
+(1-y

D
= 861.092+(1-0,92).2301
= 976,2 kJ/kg

1 1
. .
d d
g r g r=
-> g
1
= 1203
G
1
= g
1
-G
D
= 1203-754,89 = 448,11 kg/h.
y
1
= 36%
Vậy lượng hơi trung bình:
2
1
gg
g
d
tb
+
=

n n
xR
y x
R R
+
= +
+ + = 0,656 x
n
+ 0,265
 y
Tb
= 0,656 x
Tb
+0,265
= 0,56 (phân mol)
• Đối với pha khí:
( )
.46 1 .18 .273
22,4.
tb tb
ytb
y y
T
ρ
+ − 
 
=

ρ
=
kg/m
3
( 2 )
790,7
xtb H O
ρ
=
kg/m
3
23
ÑAMH Quaù Trình vaø Thieát Bò
Ta có:
1
0,00127
xtb
ρ
=

xtb
ρ
= 787 kg/m
3
c. Tốc độ khí đi trong phần cất tháp chóp:
( . ) 0.065 . .
y y tb xtb ytb
h
ρ ρ ρ
ω = ψ[δ].

ω

= 0,75 m
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
2
1
,,
,
gg
g
n
tb
+
=
kg/h
g’
n
: lượng hơi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện
g’
n
= g
1
= 1203 kg/h.
g’
1
: lượng hơi đi vào đoạn chưng được xác định theo hệ phương trình cân
bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng kg/h.
' '
1 1

n
: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng.
G
W
= 1963,55 kg/h
x
W
= 0,35%
y’ = y
W
= 0,04
Phân mol bằng 9,62%
r’
1
= r
a
.y’
1
+(1- y’
1
).r
b (4’)
r’
n
= r
a
.y’
n
+(1- y’
n

1. 1
1
'
g r
r
= 973,9 kg/h
b . Khối lượng riêng trung bình trong tháp :
• Đối với pha khí:
Phần mol trung bình ethanol trong pha lỏng.
x’
tb
=
2
w F
x x+
= 0,128 phân mol
Nhiệt độ trung bình phần chưng
t’ =
2
F W
t t+
= 92,95
0
C
Từ phương trình đường làm việc phần chưng, ta có công thức:
25