chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

Khái niệmChưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp n

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT

1.1 Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau) bằng cách lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm

Trong hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử, ta thu được 2 sản phẩm : Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi thấp) Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sôi cao) Đối với hệ chloroform – tetrachloromethane Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm chloroform và một ít tetrachloromethane.Sản phẩm đáy chủ yếu là tetrachloromethane và một ít chloroform

1.2 Phương pháp chưng cất

Trong thực tế thường sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây:

- Chưng cất đơn giản : Được 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 phân đoạn: Dùng để tách các chất bay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào

sự chênh lệch nhiệt độ sôi không nhiều của các chất trong hỗn hợp Sự phân tách các cấu tử trải qua nhiều lần bay hơi ngưng tụ theo nhiệt độ của từng tỉ lệ thành

phần của các cấu tử trong hỗn hợp

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi

và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước Ưu điểm của phương pháp này là hạ được nhiệt độ sôi của chất ( do sử dụng hơi nước) và sản phẩm ít bị biến tính

- Chưng cất lôi cuốn theo hơi nước: Dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước

của những hợp chất hữu cơ khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao Hơi quá nhiệt

sẽ đi trực tiếp vào trong nguyên liệu và lôi cuốn tinh dầu trong nguyên liệu đi theo Phương pháp chưng cất này cần nồi hơi riêng hoặc bộ phận hóa hơi riêng nên tốn kém chi phí

1.3 Nguyên tắc làm việc

Pha lỏng đi từ trên xuống theo các cạnh của đĩa hay theo ống chảy chuyền (tùy thuộc vào loại đĩa) có nồng độ cấu tử dễ ngưng tụ tăng dần Pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa

có nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần Trên mỗi đĩa sẽ xảy ra các quá trình truyền nhiệt

và truyền khối: Pha lỏng đi từ trên xuống trao đổi nhiệt với pha hơi đi từ dưới lên Cấu tử

dễ bay hơi di chuyển từ pha lỏng sang pha hơi đi lên trên Cấu tử dễ ngưng tụ di chuyển

từ pha hơi sang pha lỏng chảy xuống dưới Quá trình bay hơi, ngưng tụ lặp lại nhiều lần Sản phẩm đỉnh thu được từ cấu tử dễ bay hơi với độ tinh khiết nhất có thể và tương tự ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi tinh khiết nhất có thể Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ

1.4 Các loại thiết bị chưng cất

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầu chung cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phân tán của lưu chất này vào lưu chất kia Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng, các tháp lớn nhất thường được sử dụng trong công nghiệp lọc dầu

Kích thước, đường kính và chiều cao tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha hơi đi vào trong tháp và độ tinh khiết của sản phẩm Trong công nghiệp hóa chất nói chung người ta

sử dụng hai loại tháp chưng cất là tháp mâm và tháp đệm (tháp chêm).

Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong gắn các mâm có cấu tạo khác

nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau trên bề mặt mâm và tại đây xảy ra quá trình truyền khối, tùy theo cấu tạo của mâm

ta có:

- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí các chóp dạng tròn, xupap

- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh

Tháp đệm (tháp chêm): thân hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay

hàn Vật đệm được cho vào tháp bằng một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay được sắp xếp một cách thứ tự, vật đệm có cấu tạo đa dạng: đệm vòng rasiga, đệm hình yên ngựa, đệm vòng sứ

Ta so sánh ưu và nhược điểm của ba loại tháp vừa nêu trên:

Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của các thiết bị chưng cất

Tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên lỗ Tháp đệm

Ưu điểm

- Cấu tạo khá đơn giản

- Trở lực thấp

- Làm việc được với chất lỏng bẩn nếu dùng đệm cầu có d ≈ d của chất lỏng

- Trở lực tương tối thấp

- Hiệu suất khá cao

- Khá ổn định

- Hiệu suất cao

Nhược điểm

- Có trở lực lớn

- Tiêu tốn nhiều vật tư, kết cấu phức tạp

- Không làm việc được với chất lỏng bẩn

- Kết cấu khá phức tạp

- Hiệu suất truyền khối thấp

- Độ ổn định không cao, khó vận hành

- Khó tăng năng suất

- Thiết bị khá nặng nề

Nhận xét: Ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ chloroform – tetrachloromethane

vì tháp mâm chóp thích hợp cho thiết bị hoạt động dài lâu và độ ổn định cao

2 GIỚI THIỆU VỀ NGUYÊN LIỆU

2.1 Chloroform

a) Tính chất hoá lý

Chloroform, hay còn gọi là tricloromethan và methyl trichcloride, và một hợp chất hoá học thuộc nhóm trihalomethan có công thức CHCl3 Nó không cháy trong không khí, trừ khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn Người ta sử dụng chloroform làm chất phản ứng và dung môi Chloroform còn là một chất độc với môi trường

- Khối lượng phân tử: 119,5 g/mol

- Khối lượng riêng: 1,48 g/cm3

- Nhiệt độ nóng chảy: -63,5 oC

- Điểm sôi : 61,2 oC

- Độ hòa tan trong nước: 8 g/L nước ở 20 oC

b) Ứng dụng

Ngày nay ứng dụng chính của Chloroform là làm dung môi Nhờ đặc tính trơ, ít phản ứng trộn hợp với hầu hết các chất lỏng hữu cơ và dễ dàng bay hơi, nên Chloroform được dùng làm dung môi để giúp sản xuất thuốc nhuộm và thuốc trừ sâu

2.2 Tetrachloromethane

a) Tính chất hoá lý

Tetrachloromethane hay tetraclorua cacbon là một hợp chất hóa học có công thức hóa học CCl4 Người ta sử dụng chủ yếu hợp chất này làm chất phản ứng trong tổng hợp hữu cơ Trước đây nó còn làm chất dập lửa và làm chất làm lạnh Đây là một chất lỏng không màu có mùi "thơm".Theo danh pháp IUPAC, hợp chất này có hai tên gồm cacbon tetraclorua và tetraclometan Người ta còn gọi nó một cách thông tục là "cacbon tet"

- Khối lượng phân tử: 154 g/mol

- Khối lượng riêng: 1,58 g/cm3

- Nhiệt độ nóng chảy: -22,92 oC

- Điểm sôi : 76,72 oC

- Độ hòa tan trong nước: 800 mg/L nước ở 25 oC

b) Ứng dụng

Tetrachloromethane được dùng làm dung môi trong nghiên cứu hóa tổng hợp, nhưng do các tác động xấu tới sức khỏe nên nó không còn được sử dụng rộng rãi nữa và các nhà hóa học nói chung cố gắng thay thế nó bằng các dung môi khác Đôi khi nó hữu ích để làm dung môi cho phổ hồng ngoại học do không có các dải hấp thụ đáng kể (> 1.600

cm−1) Do tetrachloromethane không chứa bất kỳ nguyên tử hydro nào, nên trong quá khứ

nó được dùng trong phổ NMR proton Tuy nhiên, tetrachloromethane là độc hại và khả năng hòa tan của nó là thấp Nó đã bị thay thế phần lớn bởi các dung môi đơteri hóa, thường là có các thuộc tính hòa tan tốt hơn và cho phép phổ kế giữ đơteri

2.3 Hỗn hợp Chloroform – Tetrachloromethane

Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Chloroform - Tetrachloromethane ở 760 mmHg (% mol) được trình bày dưới bảng sau:

Bảng 1.2: Thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp

y (% mol) 0,0 13,5 26,5 39,5 52,0 63,5 72,5 81,0 88,5 95,0 100,0

t (oC) 76,8 74,7 72,6 70,6 68,6 66,9 65,3 63,9 62,6 61,5 60,8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Thành phần cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng, %

Hình 1.1: Giản đồ pha cân bằng lỏng – hơi của hệ Chloroform- Tetrachloromethane

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 60

62

64

66

68

70

72

74

76

78

80

% phần mol của x, y

Hình 1.2: Giản đồ tỷ lệ lỏng – hơi của hệ Chlorofom – Tetrachloromethane theo nhiệt độ

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT

1 THÔNG SỐ BAN ĐẦU

Tháp là tháp mâm chóp

Khi chưng luyện hỗn hợp Chloroform- Tetrachloromethane thì cấu tử dễ bay hơi là Chloroform

Hỗn hợp { Chloroform CH Cl3→ M Chloroform=119,5 g/mol

Tetrachloromethane C Cl4→ M Tetrachloromethane=154 g/mol

Năng suất nhập liệu: GF = 3800 (kg/h)

Nồng độ nhập liệu (tính theo cloroform): x F= 0,15 pKl

Nồng độ sản phẩm đỉnh (cloroform): x D= 0,815 pKl

Nồng độ sản phẩm đáy (cloroform): x W= 0,03 pKl

Kí hiệu:

 F: suất lượng nhập liệu (kmol/h)

 xF: phần mol nhập liệu (mol cloroform/mol hỗn hợp)

 D: suất lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

 xD: phần mol đỉnh (mol Cloroform/mol hỗn hợp)

 W: suất lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

 xW: phần mol đáy (mol Cloroform /mol hỗn hợp)

 x F: Phân khối lượng cloroform trong dòng nhập liệu

 x D: Phân khối lượng cloroform trong sản phẩm đỉnh

 x W: Phân khối lượng cloroform trong sản phẩm đáy

Chọn:

 Nhiệt độ nhập liệu:

 Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi làm nguội:

 Nhiệt độ

 Nhiệt độ

2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT

2.1 Đổi nồng độ phân khối lượng sang nồng độ phân mol

Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm nhập liệu:

xF =

x F

M C

x F

M C+

1−x F

M T

=

0,12 119,5 0,12 119,5+

1−0,12 154

= 0,1495 = 14,95% phân mol Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm đỉnh:

xD =

x D

M C

x D

M C+

1−x D

M T

=

0,815 119,5 0,815 119,5+

1−0,815 154

= 0,8502 = 85,02% phân mol Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm đáy:

xW =

x W

M C

x W

M C+

1−x W

M T

=

0,03 119,5 0,03 119,5+

1−0,03 154

= 0,0383 = 3,83% phân mol

2.2 Tính phân tử lượng trung bình

Phân tử lượng trung bình của nhập liệu:

MF= xF.MC + (1 - xF).MT= 0,1495.119,5 + (1 - 0,1495).154= 148,8434 kg/kmol Phân tử lượng trung bình của sản phẩm đỉnh:

MD= xD.MC + (1 - xD).MT= 0,8502.119,5 + (1 - 0,8502).154= 124,6668 kg/kmol Phân tử lượng trung bình của sản phẩm đáy:

MW= xW.MC + (1 - xW).MT= 0,0383.119,5 + (1 - 0,0383).154= 152,6776 kg/kmol

2.3 Tính suất lượng

Suất lượng nhập liệu:

F= G F

M F=

3800 148,8434=25,5302 kmol/h Suất lượng dòng sản phẩm đỉnh:

G D=GF x F−x W

x D−x W=3800.

0,12−0,03 0,815−0,03=435,6688 kg/h

Suất lượng sản phẩm đỉnh:

D= G D

M D=

435,6688

124,6668=3,4947 kmol /h

Suất lượng dòng sản phẩm đáy:

Cân bằng vật chất cho toàn tháp: G F=GD+¿ G W

Suy ra: G W=¿G F−GD=3800−435,6688=3364,3312 kg/h

Suất lượng sản phẩm đáy:

W = G W

M W=

3364,3312

152,6776 =22,0355 kmol/h

Bảng 3.1 Thông số các dòng

Thông số

Dòng Nồng độ x Nồng độ Năng suất nguyên liệu

Phân tử lượng trung bình Mtb

(% khối lượng) (% mol) (kg/h) (kmol/h) (kg/kmol)

2.4 Tỷ số hoàn lưu

2.4.1 Tỷ số hoàn lưu tối thiểu

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vô cực Do đó, chi phí cố định là vô cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm ) là tối thiểu

Phương pháp xác định: Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi

Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng cất:

R min=x D−y F¿

y¿F

−xF Trong đó: y¿F

là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng xF của hỗn hợp ban đầu

Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi ta có xF = 0,1853 mol/mol

 yF* = 0,1996 (mol cloroform/mol hỗn hợp)

Vậy

R min=x D−y F¿

y¿F

−xF=

0,8502−0,1996 0,1996−0,1495=12,9860

2.4.2 Tỷ số hoàn lưu tối ưu

Tỷ số hoàn lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làm bay hơi lượng hoàn lưu này Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng với sự tăng của chỉ số hoàn lưu Nếu giảm tỷ số hoàn lưu thì sẽ làm tăng chi phí chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc Vì vậy, cần xác định giá trị thích hợp của tỷ số hoàn lưu

Thông thường tỷ số hoàn lưu tối ưu bằng 1,2 – 1,5R min

Để tính gần đúng ta lấy tỷ số hoàn lưu thích hợp theo công thức:

R = 1,3R min+0,3

R = 1,3 12,9860 + 0,3 = 17,1818

2.4.3 Phương trình làm việc và xác định số mâm

2.4.3.1 Phương trình làm việc phần cất

y= R

R+1 x +

x D R+1

= 17,1818+ 117,1818 x+ 0,8502

17,1818+1=0,9450 x +0,0468 Vậy: y = 0,95 x+0,047

2.4.3.2 Phương trình làm việc phần chưng

y= R+L

R+1 x +

L−1

R + L x W

Với: L = F D = 25,53023,4947 =7,3054

y=17,1818+7,3054

17,1818+1 x+

7,3054−1 17,1818+7,3054 0,0383=1,3468 x+ 0,0099 Vậy: y = 1,3468x + 0,0099

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Hình 3.1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Tetrachloromethane – Chloroform tại P = 1atm

2.4.3.3 Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế

Từ đồ thị, ta xác định được số mâm lý thuyết là 22 mâm

Trong đó bao gồm 10 mâm chưng, 12 mâm cất, mâm nhập liệu là mâm số 12

Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: Ntt = Nlt/tb

Trong đó: Nt – số đĩa thực tế, Nlt - số đĩa lý thuyết, tb – hiệu suất trung bình của thiết

bị

Trong trường hợp này ta tính: tb = n D+nF+nW

3

Với n D n F nW - lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và

hiệu suất ở đĩa dưới cùng

Xác định 𝜂i: Ta xác định ηi dựa vào hình 3.3(IX.11/171, [1]):

Hình 3.2 Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị

Sau khi tính được tích số giữa độ bay hơi tương đối α và độ nhớt của hỗn hợp lỏng

μhh, ta tra đồ thị sau để tìm ηi:

Xác định độ nhớt của hỗn hợp theo công thức (I.12/84, [2]):

log μhh= xD.log μC + (1 - xD).logμT (*)

Trong đó:

 μℎℎ: độ nhớt của hỗn hợp lỏng

 μC: độ nhớt của Chloroform

 μT: độ nhớt của Tetrachloromethane

Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α = 1− y y 1−x

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 nhập liệu ta có:

xF = 0,1495 ta tra đồ thị cân bằng của hệ: yF = 0,2139 → tF = 76,76oC(nội suy)

αF = 1− yF yF × 1−xF

xF = 1−0,21390,2139 .1−0,1495

0,1494 = 1,5480 (xF Độ nhớt Cloroform100%) + (1-xF) Độ nhớt của Tetrachloromethane

Tra bảng I.101 trang 91[1] tại xF = 0,1495 → tF = 76,760C

Độ nhớt của Cloroform: µC = 0,3398 (cP)

Độ nhớt của Tetrachloromethane: µT = 0,4913 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (Công thức I.12 trang 84)[1]:

log (µF) = xF.logµC + (1 - xF).logµT = 0,3558.log(0,3398) + (1 - 0,3558).log (0,4913)

→µF = 0,4309 (cP) Suy ra:α F.µF = 1,5573.0,4309 = 0,6710

Tra đồ thị hình IX.11 trang 171 [2], ta có ŋF = 56,45%

Tại vị trí mâm đáy:

xW = 0,0383 ta tra đồ thị Hình 1.3 yW = 0,0615

αW = 1− yW yW × 1−xW

xW = 1−0,06150,0615 ×1−0,0383

0,0383 = 1,6454 Tra bảng I.101, trang 91[1] tại xW = 0,0256 → tW = 76,790C

Độ nhớt của Cloroform: µ C = 0,3396 (cP)

Độ nhớt của Tetrachloromethane: µT = 0,4909 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (công thức I.12 trang 84)[1]:

logµW = xW.logµC + (1 - xW).logµT = 0,0256.log (0,3396) + (1- 0,0256).log (0,4909)

→ µW = 0,4863 (cP)

Suy ra: αW.µW = 1.0,2867 = 0,2867 Tra đồ thị IX.11 trang 171[2] → ŋW = 62,66%

Tại vị trí mâm đỉnh:

xD = 0,8502 ta tra đồ thị Hình 1.3 yD = 0,8547

αD = 1− yD yD × 1−xD

xD = 1−0,85470,8547 ×1−0.8502

0.8502 = 1,0364 Tra bảng I.101, trang 91[1] tại xD = 0,9608 → tD = 76,620C

Độ nhớt của Cloroform: µC = 0,3402 (cP)

Độ nhớt của Tetrachloromethane: µT = 0,5699 (cP)

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (Công thức I.12 trang 84)[1]:

logµD = xD.logµC+ (1 - xD).logµT = 0,9608.log (0,3402) + (1 - 0,9608).log(0,5699)

→ µD = 0,3472 (cP)

Suy ra: αD µD = 1,0107.0,3472 = 0,351; Tra đồ thị IX.11 trang 171[2] → ŋD = 64,91%

Bảng 3.2 Tổng hợp các thông số về độ nhớt, hiệu suất và nhiệt độ

Mâm nhập liệu (F) Mâm đáy (W) Mâm đỉnh (D)

Độ nhớt (µ) 0,4309 (cP) 0,4863 (cP) 0,3472 (cP)

Nhiệt độ (0C) 76,730C 76,790C 64,910C

Suy ra hiệu suất trung bình của tháp: ŋtb= ŋF+ŋW +ŋD3 =56,45+62,66+64,91

61,34%

Số mâm thực tế tháp chưng cất: Ntt = ⴄ tb Nlt= 33

61,34 % = 53,79 mâm, lấy tròn 54 mâm Trong đó:

Nchưng tt= Nchưng< ¿

ŋtb=

23 61,34 %¿ = 37,49 mâm, lấy tròn 38 mâm