CHƯNG cất đa cấu tử CHƯƠNG 3 các PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG cất PHÂN đoạn hỗn hợp NHIỀU cấu tử đơn GIẢN

Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tử  Có hai phương pháp thiết lập mối quan hệ giữa số đĩa lý thuyết số bậc thay đổi nồng độ, tỷ số lỏng-hơi và nồng độ các dòn

Trang 1

CHƯNG CẤT ĐA

CẤU TỬ

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT PHÂN ĐOẠN HỖN HỢP

NHIỀU CẤU TỬ ĐƠN GIẢN

Trang 3

1 Phương pháp tính số bậc thay đổi

nồng độ đối với hệ hai cấu tử

 Có hai phương pháp thiết lập mối quan hệ giữa số đĩa lý thuyết (số bậc thay đổi nồng độ), tỷ số lỏng-hơi và nồng độ các dòng sản phẩm

 Phương pháp Ponchon – Savarit: sử dụng giản đồ Hxy

và xy, có thể áp dụng được trong mọi trường hợp, tuy nhiên cần có đủ các dữ kiện về nhiệt

 Phương pháp Mc Cape – Thiele: sử dụng giản đồ xy,

đơn giản hơn phương pháp trên, thích hợp trong một số trường hợp có tổn thất nhiệt, cơ sở của phương pháp là xem gần đúng đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyên là đường thẳng

Trang 4

Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tử

Phương pháp Ponchon – Savarit

Trang 5

Thiết lập cân bằng trong đoạn chưng và luyện

Với rfp = Lp/D là tỷ số hồi lưu tại đĩa p ta có

Trên giản đồ enthalpie các điểm Vp+1, Lp và PR nằm trên một đường thẳngVới rfp = Lp/D là tỷ số hồi lưu tại đĩa p ta có

Trên giản đồ enthalpie các điểm Vp+1, Lp và PR nằm trên một đường thẳng

Trang 6

Trang 7

Giản đồ cân bằng enthalpie

Khi xác định được các điểm PR và PE, với thành phần pha lỏng xp, xq+1 đã biết, hoàn toàn có thể xác định thành phần pha hơi dựa vào giản đồ cân bằng

Trang 8

Xây dựng giản đồ

 Xác định các điểm PE, PR, A trên 1 đường thẳng từ cân bằng chung của tháp

Trang 9

 Xây dựng giản đồ trong đoạn luyện từ V1 tương ứng thành phần y1 = xD

Trang 10

 Xác định vị trí nạp liệu: xét 2 trạng thái nhập liệu đơn giản

 Nhập liệu ở điểm sôi

Đoạn luyện:

Ln, Vm, PR thẳng hàng

Đoạn chưng:

Lm, Vm+1, PE thẳng hàng

Trang 11

 Xác định vị trí nạp liệu: xét 2 trạng thái nhập liệu đơn giản

 Nhập liệu ở điểm sương

Trang 12

Nhập liệu ở

điểm sôi

Trang 13

Bài tập (giải và gởi theo đc:

lop06h5dhbk@gmail.com)

 Hỗn hợp có lưu lượng 1000 kg/h gồm 42% mole heptane và 58% mole ethyl benzene

được tách bằng chưng cất Yêu cầu sản phẩm đỉnh có độ tinh khiết đạt 97% mole heptane và sản phẩm đáy đạt 99% mole ethyl benzene Sử dụng ngưng tụ hoàn toàn

Nguyên liệu đưa vào ở trạng thái lỏng bão hòa.

 Giá trị cân bằng nồng độ – enthalpie của hỗn hợp tại 1 atm cho như sau:

 Tỷ số hồi lưu tối thiểu

 Số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) tối thiểu

 Số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) tại giá trị tỷ số hồi lưu bằng 2.5

Trang 14

Phương pháp Mc.Cabe Thiele

 Các đường này đi qua các

điểm xD, xB, xF theo thứ tự

 Xác định số đĩa lý thuyết

Trang 15

 Phân tích đoạn luyện, xác định

đường nồng độ làm việc của đoạn

luyện ROL dựa vào xD và R

 Phân tích vùng nạp liệu, xác định

trạng thái nhập liệu thông qua giá

trị q

 Xác định đường nhập liệu (đường

q) dựa vào giá trị xF và q

 Định vị giao điểm giữa ROL và

đường q

 Phân tích đoạn chưng, xác định

đường nồng độ làm việc đoạn chưng SOL thông qua giao điểm

Trang 16

QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THEO PHƯƠNG

PHÁP MC.CABE

THIELE

Trang 17

Trang 18

Phương pháp Mc.Cape Thiele

Trang 19

L1 = L2 = L3 = = Ln = constantV1 = V2 = V3 = = Vn = constant

Trang 20

 Phân tích đoạn luyện, xác định

đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ROL dựa vào xD và R

trạng thái nhập liệu thông qua giá trị

q

đường q

giữa ROL và đường q và xR

Trang 21

Đường làm việc đoạn luyện

Cân bằng tổng: Vn+1 = Ln + D Đối với cấu tử nhẹ Vn+1 yn+1 = Ln xn + D xD

 (Ln + D) yn+1 = Ln xn + D xD Giả thiết:

L1 = L2 = Ln-1 = Ln = Ln+1 = L = constant V1 = V2 = Vn-1 = Vn = Vn+1 = V = constant

 (L + D) yn+1 = L xn + D xD

Trang 22

Trang 23

(xD - x1) = sự giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng khi nó di chuyển xuống dưới (từ 1 xuống 2) (y1 - y2) = sự tăng nồng độ cấu tử dễ

bay hơi trong pha hơi khi nó di chuyển lên trên (từ 2 lên 1)

Trang 24

 Phân tích vùng nạp liệu, xác

định trạng thái nhập liệu thông

qua giá trị q

đường q

giữa ROL và đường q và xR

Trang 25

Vùng nạp liệu – đường q

Lượng lỏng = q F moles/hr

Lượng hơi = (1-q) F moles/hr

Phương trình cân bằng: L' = L + q F

V = V' + (1-q) F Đoạn luyện : V y = L x + D xD

Đoạn chưng : V' y = L' x - B xB

Tại đĩa nạp liêu : (V - V') y = (L - L') x + D xD + B xB

 V - V' = ( 1 - q ) F

L - L' = - q F Mặt khác: F xF = D xD + B xB

Trang 26

Vùng nạp liệu – đường q

Nhập liệu lỏng dưới điểm sôi:

Trang 27

Vùng nạp liệu – Giá trị q

Trang 28

Có thể tính q dựa vào

giản đồ cân bằng

Enthalpie

Trang 29

Trang 30

trạng thái nhập liệu thông qua giá trị

q

đường q

 Phân tích đoạn chưng, xác định

đường nồng độ làm việc đoạn chưng SOL thông qua giao điểm

giữa ROL và đường q và x R

Trang 31

Đường làm việc đoạn chưng (SOL)

Xác định dựa vào ROL và đường q Với ROL cố định, SOL thay đổi theo đường q

Trang 32

Đường làm việc đoạn chưng (SOL)

Giả thiết:

L'm = L'm+1 = = L' = constant V'm = V'm+1 = = V' = constant Cân bằng vật chất:

Cb tổng : L' = V' + B' Đối với cấu tử nhẹ : L'xm = V'ym+1 + B xB

Suy ra

hay

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

Trang 33

Tỷ số hồi lưu – Mối quan hệ R-N

Trang 34

Trang 35

Tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin

Tại N: chuyển khối = 0

Quá trình tách không xảy ra tại điểm này (Pinch Point)

 Lượng lỏng hồi lưu tối thiểu

 Công suất reboiler và condenser tối thiểu

 Để đạt chất lượng tách, số bậc thay đổi nống độ N  

F F

F

P x

x y

y

x R

Trang 36

Hồi lưu hoàn toàn, tỷ số hồi lưu R  

Toàn bộ vùng giữa đường cb

Trang 37

Ứng với một tỷ số hồi lưu bất kỳ giữa tỷ số hồi lưu tối thiểu và hồi lưu toàn phần sẽ cho số đĩa

lý thuyết giữa số đĩa vô cực và sô đĩa tối thiểu cho một quá trình chưng

luyện định trước

Trang 38

Trang 39

Trang 40

2 Nguyên tắc phương pháp tính chính xác số

bậc thay đổi nồng độ của Lewis & Matheson

 Dữ kiện ban đầu (tính toán tháp chưng cất thu hai sản phẩm, ngưng tụ hoàn toàn):

 Đặc trưng của nguyên liệu: Lưu lương, số cấu tử và thành phần của chúng [ziA], enthalpie (HA)

 Hai tiêu chuẩn của sản phẩm

 Ước đoán cân bằng vật chất dựa vào thành phần và lưu lượng của D và R

 Lựa chọn áp suất để cố định điều kiện cân bằng lỏng-hơi và cho phép tính nhiệt độ và enthalpie của D, R, V1

 Chọn tỷ số hồi lưu cho phép tinh cân bằng nhiệt của thiết bị ngưng tụ và tính được QC, QR và tính được cân bằng nhiệt tổng

Trang 41

 Tính cân bằng vật chất và cân bằng pha trên từng đĩa lý thuyết và trong từng đoạn riêng biệt

 Việc tính toán kết thúc tại đĩa nạp liệu, khi nồng độ các cấu tử tại đĩa nạp liệu đồng nhất đối với hai quá trình tính toán

2 Nguyên tắc phương pháp tính chính xác số

bậc thay đổi nồng độ của Lewis & Matheson

Trang 42

3 CHƯNG CẤT PHÂN ĐOẠN HỖN HỢP

NHIỀU CẤU TỬ ĐƠN GIẢN

Trang 43

Phương pháp đơn giản hóa Gilliland

1.1 Hệ thức đơn giản hóa

 Hai đại lượng quan trọng nhất trong chưng cất là tỷ số hồi lưu R và số bậc thay đổi nồng độ N có quan hệ chặc chẽ với nhau.

 Gilliland đã vận dụng mọi quy ước cũng như các giả thiết được chấp nhận trong chưng cất hai cấu tử để giảm tính phức tạp đối với hệ đa cấu tử, đưa ra hệ thức đơn giản hóa biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ số hồi lưu R và số bậc thay đổi nồng độ N dưới dạng các hàm số (N) và (R)

Trang 44

1.1 Hệ thức đơn giản hóa

Trang 45

1.2 Công thức Fenske

 Sử dụng để xác định số bậc thay đổi nồng độ tối thiểu Nmin (tương ứng với trường hợp hồi lưu hoàn toàn)

 Đối với hệ hai cấu tử

 Đối với hệ đa cấu tử



lg

1 1

D

x

x x

x N

ij iR

jR jD

iD x

x x

iR

iD

x

x N

x

lglg

lg min 

Trang 46

1.3 Tỷ số hồi lưu tối thiểu

Trong chưng cất hệ đa cấu tử, Gilliland đã đề nghị một số phương pháp tính Rmin trong đó nêu lên một số vân đề sau:

 Việc hồi lưu các cấu tử khóa là cơ sở chính cho việc tính toán

 Việc hồi lưu các cấu tử khóa nặng và nhẹ vẫn có tác dụng trực tiếp đến toàn bộ hỗn hợp do đó tính toán bổ sung thêm dưới dạng hiệu chỉnh

 Trạng thái nhập liệu tương ứng với hai trường hợp biên sau:

 Nhập liệu ở trạng thái lỏng: tuy nhiên không phải hoàn toàn lỏng vì có các cấu tử nhẹ hơn cấu tử khóa nhẹ bay hơi

 Nhập liệu ở trạng thái hơi: cũng không phải hơi hoàn toàn mà các cấu tử nặng hơn cấu tử khóa nặng không bay hơi

 Các trường hợp nhập liệu biên sẽ cho các tỷ số hồi lưu tối thiểu tương ứng và từ đó có thể nội suy tuyến tính cho tỷ số hồi lưu bất kỳ tương ứng với trạng thái nhập liệu nằm giữa hai trạng thái biên trên

Trang 47

1.3 Tỷ số hồi lưu tối thiểu

 Maxwell đã biến đổi đơn giản hóa các công thức của Gilliland và đưa ra công thức tính Rmin:

 Sử dụng tính Rmin cho cả hai trường hợp nhập liệu biên, l được xác định riêng biệt cho từng trường hợp.

D CV L

CV L

V

D CL V

D V V

V

D CL CV

D CV CV

CV CV

x l

x

x l x

x l

R

, ,

,

, min

1

1 1

Trang 48

L lL=zCV/zL lL=zCV/zL

Trang 49

Ví dụ

 Tiến hành chưng cất phân đoạn hỗn hợp sau ở áp suất 10atm

 Biết nhiệt độ nhập liệu là 65°C

Trang 50

Trình tự tính toán

1 Chuẩn bị dữ kiện và các giả thiết

2 Tính Nmin

3 Tính Rmin

Trang 51

1. Chuẩn bị dữ kiện và các giả thiết

 Chọn cấu tử khóa

 Cấu tử khóa nhẹ CV: C3

 Cấu tử khóa nặng CL: iC5

 Giả thiết sự phân bố nồng độ ở đỉnh và đáy

 C2 không có ở đáy

 iC4 là cấu tử trung gian nhẹ, phân bố ở đỉnh nhiều hơn ở

đáy

 nC4 là cấu tử trung gian nặng, phân bố đều ở đỉnh và đáy

 C5 tổng (nC5 +iC5) phân bố ở đỉnh 1%, được chia đều cho

hai cấu tử

Trang 52

Bảng giả thiết phân bố nồng độ

Cấu tử

Nguyên liệu Sản phẩm đỉnh Sản phẩm đáy

Trang 53

1 Chuẩn bị dữ kiện và các giả thiết

 Tính độ bay hơi tương đối

 Lấy giá trị trung bình tại 3 vị trí: đỉnh, đáy,

nạp liệu

 Tại mỗi vị trí cần biết nhiệt độ, từ đó suy ra

giá trị hằng số cân bằng pha và tính được

độ bay hơi tương đối

 Chú ý: tính theo cấu tử khóa nặng iC5

Trang 54

Tại đỉnh tháp:

Nhiệt độ tại đỉnh là nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp đỉnh

Cấu tử Nhiệt độ giả thiết là nhiệt độ điểm sương t = 50°C

Trang 55

Tại đáy tháp:

Nhiệt độ tại đáy là nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp đáy

Cấu tử Nhiệt độ giả thiết là nhiệt độ điểm sôi t= 102°C

Trang 56

Tại đĩa nạp liệu:

Nhiệt độ nạp liệu theo giả thiết là 65°C

Tại nhiệt độ này ta sẽ tính %bốc hơi và suy ra giá trị cân bằng pha

Trang 58

2. Xác định Nmin theo công thức Fenske

 Kiểm tra giả thiết phân bố nồng độ bằng cách giải hệ phương

trình Fenske viết cho từng cấu tử khác nhau

 Gọi a là số mol iC5 trong sản phẩm đỉnh tháp, ta có

 Công thức Fenske được viết dưới dạng

Cấu tử Đỉnh ĐáyiC5 (mol) a 10 -anC5 (mol) 0,32 - a 21,68 + a

iD

x

x x

x







Trang 59

2. Xác định Nmin theo công thức Fenske

 Viết công thức Fenske cho lần lượt các cặp cấu tử sau

10 5

, 0

5 ,

866 , 4 ( 32

, 0

68 ,

21 5

, 0

5 ,

Trang 60

2 Xác định Nmin theo công thức Fenske

 Gọi b là số mol C2 ở đỉnh, Viết công thức Fenske cho C2 và iC5

) 721 , 12

( 176 , 0

824 ,

9

b

9206 , 4

) 450 , 2

( 176 , 0

824 ,

9

c

9206 , 4

) 962 , 1

( 176 , 0

824 ,

9

d

Trang 61

Bảng phân bố nồng độ tính toán được

Cấu tử Nguyên liệu Sản phẩm đỉnh Sản phẩm đáy

mol phần mol mol phần mol mol phần molC2 (V) 8 0,080 7,998 0,174 0,002 0,000C3 (CV) 22 0,220 21,500 0,467 0,500 0,009iC4 (iV) 14 0,140 8,331 0,181 5,669 0,105nC4 (iL) 24 0,240 7,920 0,172 16,080 0,298iC5 (CL) 10 0,100 0,176 0,004 9,824 0,182nC5 (L) 22 0,220 0,144 0,003 21,856 0,405Tổng 100 1,000 46,070 1,000 53,930 1,000

Trang 62

Nhận xét về kết quả tính toán sự phân bố nồng độ và Nmin

 Sự sai khác giữa kết quả tính toán với giả thiết phân bố nồng độ ban đầu không lớn lắm trừ trường hợp của nC4 Tuy nhiên đây chỉ là cấu tử trung gian, ta không có yêu cầu chặt chẽ Mặt khác giá trị phân bố nồng độ tính toán được cũng không làm thay đổi đáng kể nhiệt độ điểm sương và nhiệt độ sôi của hỗn hợp tại đỉnh và tại đáy Do vậy có thể

sử dụng số liệu phân bố nồng độ và giá trị Nmin tính toán được mà không cần phải tính lặp lại.

Trang 63

3. Tính tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin: Sử dụng công thức Maxwell tính

Rmin ở hai trường hợp biên của trạng thái nạp liệu, sau đó nội suy

ra Rmin tương ứng với hỗn hợp nguyên liệu

 Tính các giá trị l:

Cấu tử zi i Nhập liệu dạng lỏng Nhập liệu dạng hơi

%bốc hơi l %bốc hơi lC2 (V) 0,080 12,721 8 0,0629

78

0,0629C3 (CV) 0,220 4,866 2,200 0,452iC4 (iV) 0,140 2,450 1,400 0,571nC4 (iL) 0,240 1,962 0,917 0,370iC5 (CL) 0,100 1,000

Trang 64

3. Tính tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin:

 Xác định Rmin cho trạng thái nạp liệu dạng lỏng:

4368,

0

4368,

1

)003,

01

467,0(817,0866,4

817,0

)172,

0917,0

467,0(962,1866,4

962,1

)004,0.4,1181,0(145,2

45,2

)004,0.0629,

0174,0

(1721,12

721,12

004,

02

,2

467,01

866,4

12,2.866,41

% 8 min

Trang 65

3. Tính tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin:

 Xác định Rmin cho trạng thái nạp liệu dạng hơi:

1717,2

)003,

01

467,0(817,0866,4

817,0

)172,

0370,0

467,0(962,1866,4

962,1

)004,0.571,0181,0(145,2

45,2

)004,0.0629,0174,0(1721,12

721,12

004,

0452,0

467,

01

866,4

1452,0.866,41

% 78 min

Định dạng
Số trang	66
Dung lượng	11,46 MB