Microsoft PowerPoint 1 Distillation K2010 ppt [Compatibility Mode] 1 Chưng cất QUAÙ TRÌNH COÂNG NGHEÄ MOÂI TRÖÔØNG II Chương 3 Distillation Du My Le – Faculty of Environment 1 1 Định nghĩa – Đặc điểm[.]
QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG II Chương 3: Chưng cất Distillation Du My Le – Faculty of Environment Định nghĩa – Đặc điểm Là trình dùng để tách cấu tử hỗn hợp lỏng / hỗn hợp khí - lỏng thành cấu ấ tử riêng ê biệt ệ dựa vào bay khác cấu tử hỗn hợp Sự bay khác cấu tử khảo sát nhiệt độ sôi áp suất bão hòa Sản phẩm: chủ yếu cấu tử dễ bay phần cấu tử khó bay Du My Le – Environment Faculty Du My Le – Environment Faculty Du My Le – Environment Faculty Đặc điểm Phân biệt chưng cất số trình có pha: ─ Chưng cất – Ngưng tụ: Ngưng tụ trình ngược lại chưng cất ─ Chưng cất – Cơ đặc: Trong q trình đặc dung mơi bay hơi, chất tan cịn lại dung dịch Du My Le – Environment Faculty Các phương pháp chưng cất • Chưng cất đơn giản • Chưng cất nước trực tiếp • Chưng cất liên tục (phân đoạn) Du My Le – Environment Faculty Chưng cất đơn giản • Dùng tách hỗn hợp có độ bay khác • Thường dùng để tách sơ làm cấu tử khỏi tạp chất Chưng cất nước trực tiếp • Dùng tách hỗn hợp gồm chất bay tạp chất khơng bay • Ứng dụng trường hợp chất tách không tan nước Chưng cất phân đoạn • Dùng Dù tá h hoàn tách h toàn t hỗn hỗ hợp h cấu ấ tử dễ bay có tính chất hịa tan phần hồ tan hồn tồn vào • Là phương pháp phổ biến Du My Le – Environment Faculty Các trường hợp đặc biệt • Các cấu tử dễ bị phân hủy nhiệt độ sôi cao g phương g pháp chưng g cất áp suất thấp => dùng VD: Dung dịch có nhiệt độ sơi 120oC 1atm ⇒Biến đổi dung dịch ⇒Tại áp suất chưng cất 0,8atm:dd sôi 100oC • Nếu cấu tử g hỗn hợp ợp khơng g thể hóa lỏng áp suất thường tiến hành chưng cất áp suất cao Du My Le – Environment Faculty Cân lỏng hỗn hợp hai cấu tử Cân p = const: - Xét hỗn hợp A,B A B Trong A cấu tử dễ bay tosA < tosB Với x : phần mol cấu tử A trạng thái lỏng y*: phần mol cấu tử A trạng thái khí cân với trạng thái lỏng - Xét hỗn hợp G (A,B) nhiệt độ t1 G: trạng thái lỏng Du My Le – Environment Faculty • Đường t-y*: đường A-B nhiệt độ sơi – thành phần pha khí CB Đường t-y* tB L⇔H Đường t-x t1 G tA Lỏ Lỏng xA (B) y y*A Phân mol A-B (A) Phân mol A-B Đường cân lỏng hỗn hợp A-B p = const Du My Le – Environment Faculty Hơi Đường 45o xA 10 x Một số khái niệm cần nhớ • Độ bay tương đối α • Hỗn hợp lý tưởng – Định luật Raoult • Giản đồ hàm nhiệt nồng độ - Hxy 11 Du My Le – Environment Faculty Độ bay tương đối α •α tỉ số tỉ lệ nồng độ A B pha với tỉ lệ nồng độ A B pha lỏng α = Du My Le – Environment Faculty y* y * ( − x ) 1− y* = x x − y * (1 − x ) ( ) ( ) 12 • α tỉ số tỉ lệ nồng độ A B pha với tỉ lệ nồng độ A B pha lỏng Khoảng cách đường CB đường 45o lớn Sự sai biệt thành phần pha lỏng lớn Quá trình chưng cất dễ thực 13 Du My Le – Environment Faculty Hỗn hợp lý tưởng – Định luật Raoult • PA: áp suất bão hịa A (phụ thuộc vào nhiệt độ) • p*A: áp suất cân A (áp suất riêng phần) p*A = PA.xA p*B = PB (1-xA) Do hỗn hợp lý tưởng: Pt = p*A + p*B = PA.xA+ PB (1-xA) y = * p * A Pt * 1− y* = Du My Le – Environment Faculty p = PA xA Pt 1− x = PB A Pt Pt B α= PA PB 14 Bài tập Hãy tính thành phần pha cân 500C chất long chat lỏng gom gồm Hexan va nươc nước cho rang chung chúng hoan hoàn toàn không tan lẫn Biết áp suất bão hoà Hexan nước 500C laø 400 mmHg vaø 92,5 mmHg 15 Du My Le – Environment Faculty Giải Do không tan lẫn nên áp suất riêng phần cấu tử áp suất bão hoà chúng: P=p p*A + p p*B = PA + PB = 400 + 92,5 = 492,5 mmHg Nồng độ phần mol : pA 400 yHexan = = = 0,812 P 492 492,5 y nước = Du My Le – Environment Faculty pB 92,5 = = 0,188 P 492,5 kmol Hexan ∑kmol k l kmol nước ∑kmol 16 Bài tập Hãy tính thành phần cân pha 600C hỗn hợp chất lỏng gồm 40%(mol) Benzen 60%mol Toluen, cho h rang è hon h ã hợ hơ p ø đặ đ ëc trưng t bơi định đị h luậ l ät Raoult R lt Hay H õ thành phần hỗn hợp lỏng benzen toluen có nhiệt độ sôi 900C áp suất 760mmHg Biết : - Ở 600C áp suất bão hòa là: pB = 385 mmHg pT = 140 mmHg - Ở 900C : pB = 1013 mmHg ; pT = 408 mmHg 17 Du My Le – Environment Faculty Giải a) pB = pb • xb = 385 • 0,4 = 154 mmHg pT = pt • xt = 140 • 0,6 = 84 mmHg P = pB + pt = 154 + 84 = 238 mmHg H yBenzen = y Toluen = pB P = pT = P Du My Le – Environment Faculty 154 238 84 238 = 0,648 = 0,352 kmol Benzen ∑kmolhh kmol Toluen ∑kmolhh 18 b) Ta có: P = 760 mmHg = PB • xB + PT • xT = 1013 • xB + 408 • (1-xB) xB = 58,3 % mol xT = 41,7 % mol 19 Du My Le – Environment Faculty Giản đồ hàm nhiệt nồng độ - Hxy (xét cho dung dịch lỏng) cL: nhiệt dung riêng hỗn hợp Mtb: khối lượng trung bình hỗn hợp ∆Hs: nhiệt hòa tan dung dịch nhiệt độ nồng độ cho theo cấu tử tinh khiết tL: nhiệt độ sôi hỗn hợp áp suất cho tG: nhiệt độ điểm sương hỗn hợp Du My Le – Environment Faculty 20 10 H N M M(zM,HM): hỗn hợp M HG P C N(zN,HN): hỗn hợp N E HL D M+N = P tA x, y (B) y (A) Hỗn hợp (M+N) = P(zP,HP) 21 Du My Le – Environment Faculty x Lưu ý: Ký hiệu toạ độ M(zM,HM): ký hiệu z để thành phần pha lỏng pha (x = y = z) Trong g đó: HL = cL.(tL – to).Mtb + ∆Hs (J/mol) HG = y y.[c [ LA.MA.(t ( G – to) + rA.MA] (J/kmol) + (1-y).[cLB.MB.(tG – to) + rB.MB] Du My Le – Environment Faculty 22 11 Cân vật chất • Khi trộn đoạn nhiệt hỗn hợp M N : M+N=P (M, N, P: xét theo số mol) M.zM + N.zN = P.zP M.HM + N.HN = P.HP Khử P M zN − zP H N − H P = = N zP − zM H P − H M điểm M, N P đồ thị thẳng hàng P chia đoạn MN theo nguyên tắc đòn bẩy Du My Le – Environment Faculty 23 Quá trình chưng cất đơn giản • Q trình có giai đoạn, pha lỏng cho bốc hơi, pha trạng thái cân pha lỏng • Pha thu hồi thiết bị ngưng tụ • Quá trình thực gián đoạn hay liên tục • Ứng dụng: – Khi nhiệt độ sôi cấu tử xa khơng địi hỏi sản ả phẩm hẩ có ó độ tinh ti h khiết cao – Khi tách hỗn hợp lỏng khỏi hợp chất không bay – Khi tách sơ nhiều cấu tử Du My Le – Environment Faculty 24 12 Công thức tính tốn • Phương trình q trình chưng cất đơn giản: Trong đó: F xF dx ln = ∫ * W xW y − x F: lượng hỗn hợp ban đầu đem chưng W: lượng hỗn hợp lại nồi sau chưng y* x: nồng độ cân cấu tử dễ bay pha pha lỏng xF: nồng độ cấu tử dễ bay hỗn hợp ban đầu xW: nồng độ cấu tử dễ bay sản phẩm đáy Du My Le – Environment Faculty 25 Bài tập Chưng cất đơn giản 1000kg hỗn hợp chứa 60% (khối lương) lượ ng) rượ rươu u etilic va 40% (khoi (khối lượ lương) ng) nươc nước Sau chưng cất xW = 5%(khối lượng) cồn Hãy xác định thành phần sản phẩm, khối lượng sản phẩm khối lượng đáy Ch đườ Cho đ øng câân bằ b èng nhö h sau : Du My Le – Environment Faculty 26 13 x y* y* - x 1/ (y* – x) 0,025 0,225 0,200 5,000 0,050 0,360 0,310 3,226 0,100 0,516 0,416 2,404 0,150 0,600 0,450 2,222 0,200 0,655 0,455 2,198 0,250 0,690 0,440 2,273 0,300 0,710 0,410 2,439 0,350 0,728 0,378 2,646 0,400 0,740 0,340 2,941 0,450 0,754 0,304 3,289 0,500 0,767 0,267 3,745 0,550 0,778 0,228 4,386 0,600 0,789 0,189 5,291 0,650 0,800 0,150 6,667 0,700 0,810 0,110 9,091 0,750 0,835 0,085 11,765 0,800 0,855 0,055 18,182 Du My Le – Environment Faculty 27 Giải • Các ký hiệu: G: pha nhẹ (khí), L: pha nặng (lỏng) F :dòng nhập liệu W: dòng lấy từ đáy tháp, D: dịng lấy từ đỉnh tháp • Từ phương trình chưng cất: • Theo ĐL CBKL: F = D + W • Do Du My Le – Environment Faculty hay D = F ( 1- e-s) 28 14 Kết lấy tích phân cho s = 1,612 0.6 s= ∫ 0.05 dx y H −x = 1.612 Vì F = 1000 kg/h, nên: D = F ( 1- e-s) = 800 kg/h D dòng sản phẩm đỉnh tháp nên ký hiệu GD Vậy GD = 800 kg/h Theo Định Th Đị h luật l ật bảo bả toàn t khối lượng: l Dò lỏng Dòng lỏ đáy tháp W (hay LW): LW = 1000-800 = 200 kg/h 29 Du My Le – Environment Faculty Hoặc tính theo: L = 1000 (1 - e-1.612 ) = 200 kg GD = L0 – L = 1000 – 200 = 800 kg - Lượ Lương ng cồn lạ laii đay: đáy: MW = Gw xw = 200 0,05 = 10 kg - Lượng cồn sản phẩm đỉnh : MD = GD xD = 1000 0.6 – 10 = 590 kg - Nồng độ khối lượng cồn sản phẩm ñænh: XD = Du My Le – Environment Faculty M D 590 = = 0.737 GD 800 kg/ kg 30 15 Lưu ý: Ở BT này, ta cần hiểu nhập liệu dung dịch cồn có nồng độ thấp (60%), cần chưng cất để tăng nồng độ Do đó, dịng sản phẩm dịng cồn đậm đặc lấy ấ đỉnh ỉ tháp Sau đó, lượng ngưng tụ dung dịch cồn có nồng độ cao Phần tính tốn q trình ngưng tụ phân riêng, không gộp chung việc tính tốn q trình t ì h chưng h cất ất Du My Le – Environment Faculty 31 Chưng cất liên tục hỗn hợp cấu tử • Là phương pháp nghịch dòng, liên tục nhiều đoạn • Nhập liệu: F, xF, HF • Bài tốn cần giải quyết: – Tính số mâm để sản phẩm đỉnh có nồng độ xD, HD – Tính số mâm để sản phẩm đáy có nồng độ xW, HW Du My Le – Environment Faculty 32 16 G1, y1, HG1 Qc Lo, xo, HLo Phần cất (mol/s) Gn+1, yn+1, HGn+1 n Ln, xn, HLn F, xF, HF, nhiệt lượng Phần chưng h D, xD, HD f Hơi nóng Nt Nước ngưng tụ Du My Le – Environment Faculty Du My Le – Environment Faculty W, xW, HW 33 34 17 • Tỉ số hồn lưu: R = Lo / D Xét TB ngưng tụ: • CBVC: G1 = Lo + D G1 = D + R.D = D (R + 1) (1) (2) • Đối ố với cấu ấ tử A: G1.y1 = Lo.xo+ D.xD • Cân lượng: G1.HG1 = QC + Lo.HLo + D.HD QC = G1.HG1 - Lo.HLo + D.HD (3) (4) ((5)) • Nhiệt tải cho nồi đun: QD = D.HD - W.HW + QC + QL - F.HF (6) Điều kiện gIả thiết đường làm việc đường thẳng Du My Le – Environment Faculty 35 Điều kiện gIả thiết đường làm việc đường thẳng Phương pháp Mc.Cable-Thiele Du My Le – Environment Faculty 36 18 Phương pháp Mc.Cable-Thiele 1/ Phần cất: G1, y1, HG1 Qc Lo, xo, HLo Phần cất D, xD, HD (mol/s) Gn+1, yn+1, HGn+1 n Ln, xn, HLn F, xF, HF, f nhiệt D Do ngưng t tụ lỏ lỏng bã bão hòa hò dịng dị hồn h lưu l ũ lỏng-bão lỏ bã lượng hòa nên suất lượng dòng lỏng qua mâm Phần phần cất khơng đổi chưng Nt Hơi nóng L1 = L2 = … = Ln = L Du My Le – Environment Faculty • CBVC: G = G = … = Gn = G 37 Nước ngưng tụ G = L + D = D (R + 1) (7) • Đối với cấu tử A: G.yn+1 = L.xn+ D.xn (8) • PT đường làm việc phần cất là: yn+1 = R x xn + D R +1 R +1 (9) L L L R = = = G L + D D.( R + 1) R + Du My Le – Environment Faculty 38 19 y1 D R R +1 xD R +1 Đường làm việc xD 39 Du My Le – Environment Faculty 2/ Phần chưng: • CBVC: L = G + W (10) • Đối với cấu tử A: ym+1+ W.xw L.xm = G.y F, xF, HF, nhiệt lượng Phần chưng h ((11)) f L, xm m G, ym+1 Hơi nóng Nt G, yW Nước ngưng tụ Du My Le – Environment Faculty L, xNt W, xW 40 20