ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
MỤC LỤC

trang
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.......................................................................
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1 . Phương pháp chưng cất
2 . Thiết bò chưng cất:
II . GIỚI THIỆU SƠ BỘ NGUYÊN LIỆU
1 . Acid axetic
2 . Nước
3 . Hỗn hợp Acid axetic – Nước
III . CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT HỆ ACID AXETIC– NƯỚC
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
II . XÁC ĐỊNH SUẤT LƯNG SẢN PHẨM ĐỈNH VÀ SẢN PHẨM
ĐÁY
III . XÁC ĐỊNH TỈ SỐ HOÀN LƯU THÍCH HP
1 . Tỉ số hoàn lưu tối thiểu
2 . Tỉ số hoàn lưu thích hợp
IV . PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG LÀM VIỆC – SỐ MÂM LÝ
THUYẾT
1 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
3 . Số mâm lý thuyết
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP CHƯNG CẤT
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP
1 . Đường kính đoạn cất
2 . Đường kính đoạn chưng

26
27
28
29
30
31
32
33
34
2
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
III . TÍNH TOÁN CƠ KHÍ CỦA THÁP
1 . Bề dày thân tháp :
2 . Đáy và nắp thiết bò :
3 . Bích ghép thân, đáy và nắp :
4 . Đường kính các ống dẫn – Bích ghép các ống dẫn :
5 . Tai treo và chân đỡ:
CHƯƠNG IV : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT- THIẾT
BỊ PHỤ
I . CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT
1 . Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh
2 . Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh
3 . Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
4 . Thiết bò trao đổi nhiệt giữa nhập liệu và sản phẩm đáy
5 . Thiết gia nhiệt nhập liệu
II. TÍNH BẢO ÔN CỦA THIẾT BỊ
III . TÍNH TOÁN BƠM NHẬP LIỆU
1 . Tính chiều cao bồn cao vò
2 . Chọn bơm
CHƯƠNG V : GIÁ THÀNH THIẾT BỊ

60
61
62
63
64
65
66
6
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
LỜI MỞ ĐẦU
Một trong những ngành có sự đóng góp to lớn đến ngành công nghiệp nước ta
nói riêng và thế giới nói chung, đó là ngành công 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, cô đặc, hấp thu… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự
lựa chọn phương pháp thích hợp. Đối với hệ acid axetic- Nước là 2 cấu tử tan lẫn
hoàn toàn, ta phải dùng phương pháp chưng cất để nâng cao độ tinh khiết cho
acid axetic.
Đồ án môn học Quá trình và Thiết bò là một môn học mang tính tổng hợp
trong quá trình học tập của các kỹû sư hoá- thự c phẩm tương lai. Môn học giúp
sinh viên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu,
giá thành của một thiết bò 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 kỹû thuật thực tế một cách tổng hợp.
Nhiệm vụ của ĐAMH là thiết kế tháp chưng cất hệ acid axetic - Nước hoạt
động liên tục với nâng suất nhập liệu : 5m
3

89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
10
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN.
I . LÝù THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT:
1 . Phương pháp chưng cất :
Chưng cất là qua ùtrình phân tách hỗn hợp lỏng (hoặc khí lỏng) thành các
cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (hay nhiệt độ
sôi khác 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

110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139


- Làm việc với chất lỏng
bẩn.
Nhược
điểm: - Hiệu suất thấp. - Trở lực khá cao. - Cấu tạo phức tạp.

5
- Thiết bò nặng.
- Không làm việc với
chất lỏng bẩn.
- Độ ổn đònh kém. - Yêu cầu lắp đặt khắt
khe -> lắp đóa thật
phẳng.
- Trở lực lớn.
17
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156

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
-
+ H
+
Hằng số phân ly của etanol:
18
10
23
−
−−
=

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
3
-H + H
2
O
CH
3
-CH
2
O-H + HO-CO-CH

3
-CH
2
-Cl + POCl + HCl
+ Tác dụng với NH
3
: CH
3
-CH
2
-OH + NH
3
C
2
H
5
-NH
2
+
H
2
O
7
Lạnh
H
+
Al
2
O
3

192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
26
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
+ Phản ứng tạo eter và tách loại nước:
2CH
3
-CH
2
-OH (CH
3
-CH
2
)
2
O + H
2
O
CH
3

; thuỷ phân dẫn xuất halogen và ester của etanol
khi đun nóng với nước xúc tác dung dòch bazơ; hydro hoá aldyhyt acêtic; từ
các hợp chất cơ kim…
Trong công nghiệp, điều chế etanol bằng phương pháp lên men từ nguồn
tinh bột và rỉ đường. Những năm gần đây, ở nước ta công nghệ sản suất
etanol chủ yếu là sử dụng chủng nấm men Saccharomyses cerevisiae để
lên men tinh bột:
8
H
2
SO
4
>150
o
C
H
2
SO
4
>150
o
C
Cu
200-300
o
C
Nấm men
Zymaza
+ Thuốc súng không khói.
+ Nhiên liệu hoả tiễn, bom bay.

212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241

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 Etanol – Nước:
Ta có bảng thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Etanol
- Nước ở 760 mmHg:

9
x(%phân mol)
0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
y(%phân mol)
0 9.2 16.7 30.3 42.5 53 62.6 71.6 79.5 86.4 93 100
t(
o
C) 118.4 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100
33
245
246
247
248
249

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 vò.
4 . Lưu lượng kế.
5 . Thiết bò trao đổi nhiệt với sản phẩm đáy.
6 . Thiết bò gia nhiệt nhập liệu.
7 . Bẩy hơi.
8 . Tháp chưng cất.
9 . Nhiệt kế.
10 . p kế.
11 . Thiết bò ngưng tụ sản phẩm đỉnh.
12 . Nồi đun.
13 . Thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh.
14 . Bồn chứa sản phẩm đỉnh.
15 . Bồn chứa sản phẩm đáy.
16 . Bộ phận phân dòng.
11
41
268

299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
42
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
12
45
309
310
311
312
313
314
315
316
46
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
13
49
317
50
ẹAMH Quaự Trỡnh vaứ Thieỏt Bũ GVHD : NGUYEN ẹèNH THOẽ
14

ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
* Thuyết minh qui trình công nghệ:
Hỗn hợp etanol – nước có nồng độ etanol 10% ( theo phân mol), nhiệt độ
khoảng 28
0
C tại bình chứa nguyên liệu (1) được bơm (2) bơm lên bồn cao vò (3).
Từ đó được đưa đến thiết bò trao đổi nhiệt (5) ( trao đổi nhiệt với sản phẩm
đáy ). Sau đó, hỗn hợp được đun sôi đến nhiệt độ sôi trong thiết bò gia nhiệt(6)ù,
hỗn hợp được đưa vào tháp chưng cất (8) ở đóa nhập liệu.
Trên đóa 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 bò
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 đóa 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 etanol chiếm nhiều nhất (có nồng độ 85% phân mol). Hơi này đi vào thiết bò
ngưng tụ (11) và được ngưng tụ hoàn toàn. Một phần chất lỏng ngưng tụ đi qua
thiết bò làm nguội sản phẩm đỉnh (13), 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 đóa 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 etanol là 0,11 %
phân mol, còn lại là nước. Dung dòch lỏng đáy đi ra khỏi tháp vào nồi đun (12).
Trong nồi đun dung dòch 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 bò (5) (sau khi qua bồn cao vò).

370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
58
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
CHƯƠNG II : CÂN BẰNG VẬT CHẤT .
I . CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU :
• Năng suất nhập liệu:
• (
x
=x
1
*M
1
/(x
1
*M
1
+(1-x
1

D
= 0.5% mol acid axetic( x
D
=0.995)
• Nồng độ sản phẩm đáy : x
W
= 30% mol acid axetic.(x
W
=0.7)
• Khối lượng phân tử của acid axetic và nước : M
A
=60 kg/kmol , M
N
=18
kg/kmol .
• Chọn :
+ Nhiệt độ nhập liệu : t’
F
=28
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau khi làm nguội : t’
D
=35
o
C .
+ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt : t’
W
= 35
o

= 8%(phân mol acid axetic ).
Khối lượng phân tử trung bình dòng nhập liệu :
M
F
=
18).1(.60
FF
xx
−+
= 21.36 (Kg/Kmol).
F =
F
F
M
G
=
36.21
8.5025
=235.29 (Kmol/h)
* Phân mol sản phẩm đỉnh : x
D
=0,5% (phân mol acid axetic ) .

Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đáy :
16
61
383
384
385
386

417
418
62
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
M
W
=
18).1(.60
WW
xx
−+
= 30.6 (Kg/Kmol).
Khối lượng phân tử trung bình dòng sản phẩm đỉnh :
M
D
=
18).1(.60
DD
xx
−+
=18.21 (Kg/Kmol).
Giải 2 phương trình (II.1),(II.2)ta có :
17
65
419
420
421
422
66
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ

D
=0.32
Vậy : tỉ số hoàn lưu tối thiểu : R
min
= 2.109
or
R
min
=
x
y
y
x
F
F
F
D
−
−
*
*
=
92.0945.0
945.0995.0
−
−
=2
Tỉ số hoàn lưu thích hợp:R
X
=1.3R

424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453

y =
1
.
1
.
+
+
+
R
x
x
R
R
D
=
19,2
995,0
.
19,2
9,2
+
+
+
x

=0,7436.x + 0.2551
2 . Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :
y =
W
x

Với : f =
47.175
29.235
=
D
F
= 1.341 : chỉ số nhập liệu .
3 . Số mâm lý thuyết :
Đồ thò xác đònh số mâm lý thuyết :(Xem hình ở trang sau ).

19
73
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475

495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
78
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
V . XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ:
Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình :

tb
lt

Với : x :phân mol của nước trong pha lỏng .
y
*
: phân mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng.
* Tại vò trí nhập liệu :
x
F
= 0.92 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
F
= 0.945
t
F
= 100.52
o
C
+
92.0
92.01
.
945.01
945.0
x
x1
y1
y
α
F
F
*

= 0,422 (cP)
Suy ra : α
F
. µ
F
= 7,129.0,422 =3,007
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
F
= 0,395
* Tại vò trí mâm đáy :
x
W
= 0.7 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
W
= 0.795
t
W
= 102.1
o
C
+
7.0
7.01
.
795.01
795.0
x
x1
y1

W
= 100
o
C ,tra tài liệu tham
khảo [4(tập 1) – trang 107] :
µ
W
=25.10
-6
.9,81= 0,245.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,245 (cP)
Suy ra : α
W
. µ
W
= 16,177.0,245 = 3,967
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
W
= 0,365
*Tại vò trí mâm đỉnh :
x
D
= 0.995 ta tra đồ thò cân bằng của hệ : y
*
D
= 0.997

541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
82
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
+
995.0
995.01
.
997.01
997.0
x
x1
y1
y
α
D
D
*
*
D
−

-6
.9,81= 0,500.10
-3
(N.s/m
2
)
= 0,500 (cP)
Suy ra : α
D
. µ
D
= 1,049.0,500 = 0,525
Tra tài liệu tham khảo [4(tập 2) – trang 171] : η
D
= 0,600
Suy ra: hiệu suất trung bình của tháp :
η
tb
=
4567,0
3
600,0365,0395,0
3
=
++
=
++
DWF
ηηη
• Số mâm thực tế của tháp N

567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
86
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
CHƯƠNG III :TÍNH TOÁN –THIẾT KẾ THÁP
CHƯNG CẤT .
I . ĐƯỜNG KÍNH THÁP :(D
t
)

tbyy
tb
g
)ω.(
0188,0
ω.3600.π
4V
D
tb
tb
t
ρ

1
: lượng hơi đi vào đóa dưới cùng của đoạn cất (Kg/h).
• Xác đònh g
d
: g
d
= D.(R+1) =175.47(2,9+1) = 684.333 (Kmol/h)
= 40973.75(Kg/h)
(Vì M
thD
=60.y
D
+(1-y
D
).18 = 59.874Kg/Kmol).
• Xác đònh g
1
: Từ hệ phương trình :





=
+=
+=
dd
D
rgrg
xDxGyg

R1
= 24195.24 (KJ/kmol) .
Suy ra : r
1
= r
R1
.y
1
+ (1-y
1
).r
N1
= 40512.96 – 16317.72y
1
(KJ/kmol)
* Tính r
d
: t
D
= 100.22
o
C , tra tài liệu tham khảo IV (tập 1) ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r
Nd
= 40512.96 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của acid : r
Rd
= 24195.24(KJ/kmol) .
Suy ra : r
d

595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
90
ĐAMH Quá Trình và Thiết Bò GVHD : NGUYỄN ĐÌNH THỌ
* x
1
= x
F
= 0.92
Giải hệ (III.1) , ta được : G
1
= 483.96 (Kmol/h)
y
1
= 0.647 (phân mol acid) _ M
1
=45.174
g

• Xác đònh ρ
ytb
:
( )
[ ]
( )
273.4,22
273.18.160.
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ

Với: + Nồng độ phân mol trung bình : y
tb
=
2
1 D
yy
+
=
2
997.0647.0
+
=0.822

2
099592.0
+
= 0.4577
Suy ra :
18).1(.60
.60
tbtb
tb
tb
xx
x
x
−+
=
=0.7378 .
t
tb
= 100.37
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)-trang 9], ta có :
ρ
a
=958kg/m
3
ρ
n=958 kg/m

9376.0.745.1
38.42135
.0188,0
= 3.017 (m).
2. Đường kính đoạn chưng :
a . Lượng hơi trung bình đi trong tháp :
24
93
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630

: g’
n
= g
1
= 561,873 (Kg/h)
• Xác đònh g’
1
: Từ hệ phương trình :





==
+=
+=
1111
1
'
1
1
'
1
'
1
'
.'.''.'
..'.
rgrgrg
xWygxG

= 100
o
C , tra tài liệu tham khảo [4 (tập 1)], ta có :
n nhiệt hoá hơi của nước : r’
N1
= 40680 (KJ/kmol) .
n nhiệt hoá hơi của rượu : r’
R1
= 36394,3 (KJ/kmol) .
Suy ra : r’
1
= r’
R1
.y
W
+ (1-y
W
).r’
N1
= 40543,9 (KJ/kmol)
* Tính r
1
: r
1
= 41280 – 3885.y
1
=41280–3885.0,297 =40126,155(KJ/kmol)
* W = 42,477 (Kmol/h)
Giải hệ (III.2) , ta được : x’
1

ω
=
Với : ρ'
xtb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (Kg/m
3
) .
ρ'
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha hơi (Kg/m
3
) .
• Xác đònh ρ’
ytb
:
( )
[ ]
( )
273'.4,22
273.18.'146.'
'
+
−+
=
tb
tbtb
ytb
t
yy
ρ

666
667
668
669
98