TUÂN.doc

DO AN HOA DAU

Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất MỞ ĐẦU Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa và công nghệ chế biến dầu mỏ được xem như bắt đầu ra đời vào năm 1859 khi mà Edwis Drake (Mỹ) khai thác được dầu thô, lúc bấy giờ lượng dầu thô khai thác được còn rất ít nó được sử dụng làm nhiên liệu để đốt chảy thắp sáng. Thế kỷ 19 dầu được coi như nguồn tài nguyên cho mọi phương tiện giao thông và cho nền kinh tế quốc dân. Hiện nay dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới. Khoảng 65 ÷ 75% năng lượng sử dụng từ dầu mỏ, chỉ có 20 ÷22%. Dựa vào các quá trình chế biến như: Chưng cất, hydro crarking, reforming, ankil hoá, đồng phân hoá, polyme hoá cho ra các sản phẩm xăng, nhiên liệu phản lực dầu mỏ bôi trơn, có hiệu quả tối đa và một số sản phẩm Dầu khác như: sản phẩm năng lượng, phi năng lượng, butan, cốc và khí lỏng dân dụng, làm khí đốt và nhiên liệu. Ngày nay trên 90% sản phẩm hữu cơ có nguồn gốc từ dầu khí và tỷ lệ dầu khí sử dụng vào mục đích năng lượng sẽ giảm dần do đó dầu khí trong một tương lai lâu dài vẫn chiếm dữ một vị trí quan trọng trong lĩnh vực năng lượng và nguyên liệu hoá học mà không có một tài nguyên thiên nhiên nào cạnh tranh nổi. Dầu mỏ là hỗn hợp phức tạp trong đó có hàng trăm hợp chất khác nhau, nhưng nguyên tố cơ bản chứa trong dầu khí phần lớn là hyđro cacbon chiếm từ 60 ÷ 90% trọng lượng trong dầu, còn lại là các chất oxy, lưu huỳnh, nước, các phức chất cơ kim, các chất nhựa, asphanten. Trong khí còn chứa các khí trơ như He, Ar, Xe….Dầu mỏ là một hỗn hợp rất phức tạp gồm hyđro cacbon, khí thiênnhiên, khí dầu mỏ và các hợp chất khác như CO 2 , N 2 , H 2 S, He…. Dầu mỏ muốn sử dụng được rộng rãi, chưng cất sơ khai dầu, chưng cất phân đoạn. Các phân đoạn thu được phù hợp cho các phương pháp chế biến khác. Đối với Việt Nam, coi dầu khí là ngành kinh tế mũi nhọn, là chỗ dựa cho ngành công nghiệp hoá, hiện đại hoá, làm đà thúc đẩy cho nền kinh tế quốc dân. Đây là mũi nhọn có tính chiến lược của Việt Nam, như vậy ngành công nghiệp dầu nước ta đang bước vào thời kỳ mới, thời kỳ mà cả nước đang thực hiện mục tiêu công nghiệp hoá, hiện đại hoá chắc chắn sự đóng góp của ngành dầu khí trong công cuộc công nghiệp hoá đất nước sẽ có ý nghĩa không chỉ bằng những chỉ tiêu kinh tế cụ thể mà ngành công chế biến nghiệp mọi nhọn này còn là nguồn động viên tinh thần của đảng, toàn dân và nhất GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất là thành viên đang hoạt động trong ngành dầu khí, hăng hái lao động góp phần xây dựng đất nước để sau vài thập niên tới sánh vai với các nước trong khu vực và trên thế giới. Đây không phải là vấn đề mới,trong thực tế đã có nhiều nhà nghiên cứu khoa học đã đi sâu vào nghiên cứu nguyên lý phép chưng cất và được áp dụng vào thực tiễn mang lại hiệu quả kinh tế rất cao trong quá trình sản xuất. Song vẫn còn tồn tại một số hạn chế nhất định. Chính vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất” CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.1 Khái niệm Chưng là phương pháp tách hổn hợp chất lỏng (cũng như các hổn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hổn hợp. Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm. Thường hổn hợp có bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm. Đối với hổn hợp gồm hai cấu tử sản phẩm sẽ thu được: Sản phẩm đỉnh: gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi. Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi. Thường để thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết tiến hành chưng nhiều lần – chưng luyện. Vậy “Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue)”. 1.1.2. Lịch sử phát triển Loài người từ xa xưa đã biết áp dụng nguyên lý phép chưng cất vào trong đời sống của mình như: chưng cất,chưng cất rượu, Đối với dầu khí con người biết sử dụng dầu khí đã hàng nghìn năm về trước do sự bắt cháy của dòng khí tự nhiên phụt lên theo các khe nứt của mặt đất. Người Trung Hoa đã dùng khí tự nhiên làm khí đốt vào thế kỷ thứ ba, nhưng kỷ nguyên dầu khí thực sự chỉ bắt đầu ở thế kỷ 19. Xưởng chưng cất dầu thô đầu tiên trên thế gới xuất hiện ở Capcado (Liên Xô cũ) vào năm 1821 những năm 1859 được coi là năm khởi đầu của kỷ nguyên dầu khí do khai thác được mỏ dầu Titusville (Pensylvania ở Mỹ) cũng như việc xây dựng nhà máy đầu tiên ở đó vao năm 1890. Ngày nay, ngành công nghiệp chế biến không ngừng được phát triển với những trang thiết bị, máy móc hiện đại. Đặc biệt là thiết bị của quá trình chưng cất dầu thô. Từ những công cụ, thiết bị đơn giản đem lại hiệu suất kinh tế không cao đã được thay đổi bằng những thiết bị hiện đại. 1.1.3. Phân loại chưng cất GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất a. Phân loại theo áp suất làm việc: Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao b. Phân loại theo nguyên lý làm việc: Chưng cất đơn giản Chưng bằng hơi nước trực tiếp Chưng cất Chưng chân không c. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp 1.2. ÁP SUẤT HƠI 1.2.1. Hiện tượng bay hơi Mọi chất lỏng (dung dịch, nguyên chất) đều bay hơi. Chỉ có các phân tử ở bề mặt chất lỏng (mặt thoáng) có năng lượng vượt trội sẽ bay hơi. Trong giai đoạn đầu, tốc độ bay hơi luôn lớn hơn tốc độ ngưng tụ, sau một thời gian, một lượng phân tử hơi trong không khí đạt cực đại thì tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ bằng nhau. Lúc đó, coi như sự bay hơi không xảy ra nữa (thực tế vẫn xảy ra sự bay hơi). Cần chú ý là hơi và khí về bản chất vật lý là giống nhau, nhưng chỉ gọi là khí khi chất đó ở thể khí trong điều kiện thường như: O 2 , CO 2 , ., còn hơi là chất có liên quan ở thể lỏng trong điều kienj thường như: H 2 O, C 2 H 5 OH, . 1.2.2. Áp suất hơi bão hòa Sự bay hơi và sự ngưng tụ tất yếu sẽ dẫn đến một trạng thái mà ở đó, tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ sẽ bằng nhau gọi là trạng thái cân bằng. Rõ ràng, áp suất hơi lúc đó trở nên không đổi và đạt cực đạt. Áp suất đó được gọi là áp suất hơi bão hòa của chất lỏng. Vậy: áp suất hơi bão hòa của một chất lỏng là áp suất hơi riêng phần được gây ra bởi các phân tử hơi từ chất lỏng đó tồn tại trên mặt thoáng khi chất lỏng bay hơi nhiều nhất. GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất 1.2.2.1. Khái niệm về dung dịch Pha: Là tập hợp chất đồng nhất về mặt vật lý và hóa học.ví dụ: Không khí gồm N 2 , O 2 và các khí khác trộn vào nhau tạo nên pha khí. Nước lỏng nguyên chất tạo nên pha lỏng. Dung dịch: Dung dịch là một pha gồm từ hai chất tan trở lên, nồng độ có thể thay đổi. Dung dịch có thể ở trạng thái lỏng (rượu, xăng, .), khí (không khí, khí tự nhiên .), hoặc rắn ( gang, vàng tây, .). 1.2.2.2. Áp suât hơi bão hòa của dung dịch Dung dịch rượu khi bay hơi cho rượu và hơi nước. Hơi rượu gây ra áp suất riêng phần P rượu , hơi nước gây ra áp suất riêng phần P nước . Do đó,áp suất hơi bão hòa của dung dịch rượu bằng tổng áp suất hơi bão hòa của hơi bão hòa riêng phần của hơi rượu và áp suất hơi bão hòa của hơi nước. Tổng quát: Áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng tổng áp suất riêng phần của các hợp chất. P = ∑P i 1.2.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến áp suất hơi bão hòa. Nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng rất mạnh đến áp suất hơi bão hòa. Khi tăng nhiệt độ, các phân tử ở thể lỏng có năng lượng tăng, kích thích các phân tử lỏng bay nhiều hơn. Do đó, khi nhiệt độ tăng thì áp suất hơi bão hòa tăng rất mạnh. Bảng 1.1. Cho thấy áp suất hơi bão hòa tăng nhanh theo nhiệt độ T ( o C) 0 20 40 60 70 80 90 100 P H 2 4,6 17,5 55,3 149 234 355 525 760 C 6 H 6 26.5 75 183 392 551 758 1016 Aceton 67,3 185 421 860 - Bản chất: Nhiệt bay hơi, nhiệt độ sôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là phụ thuộc vào khối lượng phân tử (M), vào lực hút giữa các phân tử. Nói chung, một chất có M càng lớn sẽ có nhiệt độ sôi càng cao vì sự bay hơi kém. Quy luật này gần như luôn luôn đúng ở các hydrocacbon, đặc biệt khi chúng là đồng đẳng của nhau. Chất có áp suất hơi bão hòa lớn là chất dễ bay hơi. GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất - Nồng độ: Xét pha lỏng ở dạng dung dịch. Ta gọi các chất tạo ra dung dịch là các hợp phần: khả năng bay hơi của mỗi hợp phần không những phụ thuộc vào bản chất, sự tương tác của dung dịch mà còn phụ thuộc vào nòng độ của chúng. 1.2.2.4. Định luật Raoult Gọi: P: áp suất hơi bão hòa của dung dịch i: hợp phần i P i o : áp suất hơi bão hòa của hợp phần i ở trạng thái nguyên chất. P i : áp suất hơi bão hòa riêng phần i N i : nồng độ phần mol của chất i trong dung dịch. Định luật Raoult được phát biểu như sau: Áp suất hơi bão hòa riêng phần của một chất tỷ lệ với nồng độ phần mol của nó trong dung dịch. P i = P i o . N i Ngoài ra, ta biets rằng áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng tổng áp suất hơi bão hòa riêng phần của các hợp chất. Do đó, ta lại có: P = ∑P i = ∑P i o . N i 1.2.2.5.Áp suất riêng phần. Trong điều kiện thường, giả sử trong không khí có hai hợp phần là N 2 và O 2 với P O2 = 0,2 atm, P N2 = 0,8 atm thì áp suất của không khí sẽ là: P KK = P N2 + P O2 = 0.2 + 0,8 = 1atm Mỗi chất khí trong hỗn hợp gây ra một áp suất của riêng mình, áp suất đó gọi là áp suất riêng phần. tổng áp suất riêng phần của tất cả các khí chính là áp suất chung, kí hiệu: P = ∑P i Ngoài ra theo định luật về chất khí, ta có: P i = N i .P Với: P i : áp suất riêng phần N i : nồng độ phần mol P: áp suất chung. Vậy: Áp suất riêng phần bằng nồng độ phần mol nhân với áp suất chung. GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất 1.3. SỰ SÔI 1.3.1.Sự sôi của dung dịch Sự sôi khác với sụ bay hơi. Mọi chất lỏng đều bay hơi (ở mặt thoáng) ở bất nhiệt độ nào. Sự bay hơi càng mạnh khi nhiệt độ càng cao, còn sự sôi là hiện tượng khối chất lỏng bay hơi ồ ạt không những ở trên mặt thoáng của chất lỏng mà còn ở ngay trong lòng chất lỏng. Khi đó áp suất hơi bão hòa của chất lỏng đang sôi bằng áp suất đè lên mặt thoáng, pha hơi lúc đó chỉ gồm hơi do lỏng tạo ra, không chứa các khí vốn đã từng có trên mặt thoáng. Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi thì áp suất hơi còn bé áp suất hơi trên mặt thoáng nên trong pha khí gồm có cả hơi do lỏng tạo ra và các khí có sẵn từ trước. Cần phải nâng nhiệt độ lên nữa để green mặt thoáng chỉ gồm các hơi do lỏng tạo ra đến khi chúng có áp suất tổng bằng áp suất đè lên mặt thoáng thì sự sôi sẽ xảy ra. Như vậy, nhiệt độ sôi của một chất phụ thuộc vào áp suất đè lên mặt thoáng. Áp suất đè lên mặt thoáng càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao. Do đó một chất lỏng sẽ sôi tại nhiệt độ mà ở đó áp suất hơi bão hòa của nó bằng áp suất đè lên mặt thoáng. Cần chú ý rằng ở áp suất không đổi, chất nguyên chất sôi ở một nhiệt độ cố định còn dung dịch thì sôi xảy ra trong một khoảng nhiệt độ. 1.3.2. Định luật Konolalov Xét sự sôi của dung dịch, ở một nhiệt độ nào đó pha hơi sẽ là một hỗn hợp gồm tất cả các hợp phần có mặt trong dung dịch lỏng. Giả sử dung dịch ban đầu gồm có hai chất A và B. Theo định luật Raoult và định luật về chất khí: P A = 0 A P . L A N = P H A P (1) B P = 0 B P . L B N = P H B N (2) Với: L A N : nồng độ phần mol của A trong lỏng H A N : nồng độ phần mol của A trong hơi L B N : nồng độ phần mol của B trong lỏng H B N : nồng độ phần mol của B trong hơi P: áp suất hơi bão hòa của dung dịch GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất P A : áp suất riêng phần của A P B : áp suất riêng phần của B 0 A P : áp suất hơi bão hòa nguyên chất của A O B P : áp suất hơi bão hòa nguyên chất của B Chia (1) cho (2) ta có: L B L A L B 0 B L A 0 A H B H A N N NP NP N N = • • = . α Với α = 0 0 B A P P : Gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B Giả sử A dễ bay hơi hơn B, nên α > 1. Do đó theo (3) ta có: L B L A H B H A N N N N > Rõ ràng nồng độ chất dễ bay hơi hơn A trong pha hơi ở bất đẳng thức trên lớn hơn nồng độ của chất dễ bay hơi A trong dung dịch lỏng ban đầu. Đó cũng chính là định luật Konovalov: Thành phần pha hơi khác thành phần pha lỏng, pha hơi giàu chất dễ sôi hơn so với pha lỏng. Nhận xét: - Dung dịch càng giàu chất dễ sôi thì sôi ở nhiệt độ càng thấp - Khi sôi, dung dịch cho ra pha hơi giàu chất dễ sôi hơn nó (ban đầu). Dung dịch sẽ không sôi ở nhiệt độ đó nữa, nó chỉ sôi khi nhiệt độ được tăng lên. - Dung dịch sôi ở một khoảng nhiệt độ, lớn hơn nhiệt độ của chất dễ sôi và nhỏ hơn nhiệt độ của chất khó sôi 1.3.3. Thành phần của pha hơi khi đun sôi một pha lỏng GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất Hình 1.1. Quan hệ thành phần lỏng – hơi hệ hai chất A -B Như ta đã biết, một chất lỏng sẽ sôi tại nhiệt độ mà ở đó áp suất hơi bão hòa của nó bằng áp suất đè lên mặt thoáng. Ở áp suất không đổi chất nguyên chất sôi ở nhiệt độ cố định. Người ta còn dùng khái niệm áp suất hơi bão hòa Ried, đó là áp suất tuyệt đôi ở 100 o F (37.8 0 C) được đặc trưng cho khả năng bay hơi của phân đoạn xăng, đại lượng này càng lớn khả năng bay hơi càng cao. Khi một chất lỏng nguyên chất sôi thì nó tạo ra một pha hơi nguyên chất. Chúng ta hãy xét trường hợp một dung dịch lỏng sôi. Khi đo pha hơi sẽ là một hỗn hợp thường gồm tất cả các hợp phần có mặt trong dung dịch lỏng. Chúng có thành phần phụ thuộc vào thành phần của dung dịch lỏng theo định luật Konovalov mà ta đã biết: L B L A L B 0 B L A 0 A H B H A N N NP NP N N = • • = . α (3) Với α = 0 0 B A P P : Gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B Giả sử A dễ bay hơi hơn B, thì O B O A PP > . Ta có, α = 0 0 B A P P > 1 → L B L A H B H A N N N N > (4) Từ (4) ta thấy, nồng độ của chất dẽ bay hơi A trong pha hơi rõ ràng lớn hơn nồng độ của chất dễ bay hơi B trong dung dịch lỏng ban đầu. phương trình (3) là phương trình GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất mô tả toán học của định luật Konovalov: Thành phần pha hơi khác thành phần pha lỏng, pha hơi giàu chất dễ bay hơi so với pha lỏng. Khái niệm giàu chất dễ sôi hơn ở đây có nghĩa là nồng độ phần mol chất dễ sôi trong pha hơi lớn hơn nồng độ phần mol của nó trong dung dịch. Ngược lại, dĩ nhiên là nồng độ chất khó sôi trong pha hơi bé hơn ( nghèo chất khó bay hơi) nồng độ của nó trong dung dịch lỏng. Thật vậy, xét hệ benzen (A) và toluen (B) với A là benzen dễ bay hơi hơn B có thành phần 0,2N L Benzen = , 0,8N L Toluen = ở nhiệt độ thường. Khi nâng nhiệt độ lên 70 0 C thì 547mmHg,P 0 Benzen = 202mmHg,P 0 toluen = tức là α = 2,71 202 547 = . Theo định luật Roult: Bezen P = 547 . 0,2 = 109,4 mmHg. Toluen P = 202 . 0,8 = 161,6 mmHg. Nếu P = Toluen P + Bezen P =161,6 + 109,4 =271 mmHg. Theo định luật về chất khí,ta có: Bezen P = P . H Bezen N → H Bezen N = P P Bezen = 271 4,109 = 0,4 Toluen P = P . H Toluen N → H Toluen N = P P Toluen = 271 6,161 = 0,6 Rõ ràng, thành phần pha hơi giàu chất dễ bay hơi hơn so với thành phần pha lỏng đúng theo định luật Konovalov. Ba đường ứng với 3 giá trị α = 0 Toluen 0 Bezen P P là 1; 2,71 và 5. Khi α càng lớn thì được cong càng lệch khỏi đường chéo α = 1. 1.3.4. Giản đồ trạng thái cân bằng lỏng – hơi hệ hai chất Giản đồ trạng thái là một hình cho ta biết sự tồn tại của các pha và mối liên hệ giữa các pha đó,hay nói cách khác, nó cho ta biết sự tương ướng về thành phần các pha của các chất theo nhiệt độ. Giả sử có dung dich a gồm hai chất A và B. Ta biết, dung dịch lỏng này sôi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của chất khó sôi và cao hơn nhiệt độ sôi của chất dễ sôi. GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân . SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu . SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu