chuong 4 QUÁ TRÌNH CHƯNG

86 CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH CHƯNG I Khái niệm: - Chưng trình tách hỗn hợp chất lỏng (cũng hỗn hợp khí hóa lỏng) thành cấu tử riêng biệt, dựa độ bay khác cấu tử hỗn hợp - Chưng khác cô đặc: trình chưng, cấu tử bay hơi, cô đặc có dung môi bay hơi, chất tan không bay Do vậy, chưng ta thu nhiều sản phẩm khác nhau, có cấu tử thu nhiêu sản phẩm Trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay phần cấu tử khó bay (P); sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay phần cấu tử dễ bay (W) - Quá trình chưng bắt đầu với việc sản xuất rượu từ kỉ XI Ngày ứng dụng rộng rãi để tách hỗn hợp: dầu mỏ, khí hóa lỏng, tách hợp chất hữu cơ, - Để thu sản phẩm có độ tinh khiết cao, người ta tiến hành chưng nhiều lần gọi chưng luyện Khi tiến hành chưng hay chưng luyện cần phân biệt theo: • Áp suất làm việc: chân không, áp suất thường hay áp suất cao • Số cấu tử hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ ba cấu tử số cấu tử 10 hệ nhiều cấu tử (số cấu tử lớn 10) • Phương thức làm việc: liên tục hay gián đoạn Ngoài ra, phân biệt phương thức chưng đặc biệt: Chưng nước trực tiếp, chưng trích li, hay chưng đẳng phí Quá trìng chưng thực vùng chuyển pha lỏng – hơi, tức có qua lại bay ngưng tụ Do vậy, trình thủy lực, truyền nhiệt, khuyếch tán có vai trò quan trọng thiết bị chưng 87 II Hỗn hợp lỏng hai cấu tử: Khái niệm: Hỗn hợp hai cấu tử A, B biểu thị qua: - Khối lượng: m, kg hay lưu lượng khối lượng kg/h - Thể tích: V, m3 hay lưu lượng thể tích m3/h - Số mol: n, kmol hay lưu lượng mol kmol/h Trong đó: m = V ρ n= m M (4.1) - Đối với pha khí cần đề cập tới đại lượng nhiệt độ (bằng t0C hay T0K) áp suất (bằng at, mmHg hay mmH2O) Với khí lí tưởng: PV = const T (4.2) Ở điều kiện chuẩn (00C 760 mmHg) theo Avogadro có: (m3) V0 = n.22,4 (4.3) Thể tích nhệt độ áp suất bất kì: V = n.22,4 P0T PT0 (m3) (4.4) Với hỗn hợp trạng thái lỏng có sai lệch với định luật Raoult, áp suát riêng phần cấu tử biểu thị với hệ số ai: p A = a A PAbh x A p B = a B PBbh x B (4.5) - Để thể khả bay cấu tử hỗn hợp, người ta sử dụng độ bay tương đối α: α= PAbh ≥1 PBbh (4.6) α lớn khả tách A khỏi B dễ Khi α = 1, theo phương pháp chưng bình thường tách A khỏi B trường 88 hợp cấu tử A B có áp suất nhiệt độ Hỗn hợp hai cấu tử, ví dụ benzen-toluen, etanol-nước, etanol-butanol, cấu tử đứng trước có nhiệt độ sôi bé thành phần dùng để biểu thị tính toán, thành phần cấu tử (cấu tử khó bay hơi) biểu thị qua (1 – x) (1 – y) Cân hơi-lỏng hỗn hợp hai cấu tử: 2.1 Phân loại hỗn hợp hai cấu tử: Hỗn hợp lỏng hai cấu tử phân loại dựa độ hòa tan, nhiệt hòa tan tính chất nhiệt động nó, cụ thể phân thành: 2.1.1 Hỗn hợp lý tưởng: Hỗn hợp lí tưởng hỗn hợp mà lực liên kết phân tử loại lực liên kết phân tử khác loại chúng hòa tan theo tỷ lệ nào, cân lỏng-hơi tuân theo định luật Raoult: EA-B = EA-A = EB-B 2.1.2 Hỗn hợp thực: Hỗn hợp thực hỗn hợp bao gồm cấu tử: * Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, có sai lệch dương với định luật Raoult: p = a.x.P bh với a>1 Trong trường hợp lực liên kết phân tử khác loại bé lực liên kết phân tử loại: EA-B < EA-A ( EB-B) * Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, có sai lệch âm với định luật Raoult: p = a.x.P bh với a EA-A ( EB-B) * Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, tồn điểm đẳng phí Tại đó, áp suất đạt giá trị cực đại Ví dụ hệ alcol etylic-nước * Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, tồn điểm đẳng phí Tại đó, áp suất đạt giá trị cực tiểu Ví dụ hệ axit nitric-nước * Chúng tan lẫn phần vào nhau, hệ nước-n butanol * Chúng hoàn toàn không tan lẫn vào nhau, hệ benzen-nước 2.2 Đồ thị x-p: Quan hệ áp suất với thành phần cấu tử hỗn hợp lỏng hai cấu tử biểu diễn hình 4.1 với t = const Quan hệ tuân theo định luật Raoult (trong A cấu tử dễ bay hơi) P t = const PAbh P = pA + p B p A = x A PAbh PBbh p B = x B PBbh x (B) Hình 4.1 Quan hệ p-x (A) Đường APBbh : biểu diễn phụ thuộc áp suất cấu tử B vào thành phần dung dịch 90 Đường BPAbh : biểu diễn phụ thuộc áp suất cấu tử A vào thành phần dung dịch Đường PBbh PAbh : biểu diễn phụ thuộc áp suất chung hỗn hợp vào thành phần cấu tử Đồ thị 4.2 biểu diễn mối quan hệ p-x cho hỗn hợp lý tưởng hỗn hợp thực Loại hỗn hợp Lý tưởng Sai lệch Sai lệch Áp suất Áp suất Tan lẫn Không tan dương âm cực đại cực tiểu phần lẫn hoàn toàn t= const t= const t= const t= const t= const t= const P pB P pA P pB pA pB pB P pA P P t= const pA p A = PAbh pA P pB pB pA p B = PBbh Hình 4.2 Quan hệ p-x cho hệ lí tưởng hệ thực 2.3 Đồ thị t - x, y: 2.3.1 Trạng thái cân đồ thị t - x, y: Ở áp suất không đổi có phụ thuộc thành phần cấu tử pha lỏng pha hơi, ta có đường sôi đường ngưng tụ Chúng phân không gian làm ba phạm vi: có hai pha đồng pha lỏng pha bão hòa, pha dị thể lỏng – (hình 4.3) Nhiệt độ sôi cấu tử A B tsA tsB tương ứng với áp suất hệ (áp suất làm việc) Tại nhiệt độ t1 có nồng độ x1 pha lỏng tương ứng với nồng độ y1 pha trạng thái cân nhiệt động Với hỗn hợp lí tưởng áp suất P hệ luôn 91 nhỏ áp suất bảo hòa cấu tử nhiệt độ sôi Từ kết hợp phương trình: PAbh yA = xA P rút y > x, có nghĩa thành phần hệ lí tưởng trạng thái cân luôn lớn thành phần lỏng t(oC) P=const tsB Đường ngưng tụ t1 lỏng+hơi lỏng đường sôi x1 tsA y1 x,y Hình 4.3 Quan hệ t – x, y t(0C) 2.3.2 Qúa trình bay hơi: Giả sử hỗn hợp đầu có thành =D =F phần cấu tử dễ bay pha lỏng x1 Hỗn hợp nâng lên nhiệt độ t3 H sôi t1 (tại C) thu thành phần y1 Quá trình tiếp tục làm giảm t2 thành phần cấu tử dễ bay t1 F E C G D pha lỏng, nên nhiệt độ sôi tăng dần Ví dụ nhiệt độ t2 (tại E) thành phần lỏng x2 pha y2 Cuối x3 x2 (xF) x1 (xZ) y2(yD) y1 Hình 4.4 Quá trình bay 92 đạt đến đường ngưng tụ (điểm H) ứng với nhiệt độ t3, ta có nồng độ pha lỏng x3 pha y3 Qua biểu diễn trình cho thấy trình bay ngưng tụ hỗn hợp hai cấu tử áp suất không đổi có quan hệ chặt chẽ với thay đổi nhiệt độ 2.3.3 Qui tắc đòn bẩy: Giả sử có Z mol hỗn hợp hai cấu tử vùng hai pha (lỏng-hơi) phân thành F mol lỏng D mol theo quan hệ: Z =F+D (4.7) Phương trình cân vật liệu cho cấu tử dễ bay là: Z x Z = F x F + D y D (4.8) Kết hợp phương trình (2.7) (2.8) có quan hệ qui tắc đòn bẩy: F y D − xZ = D xZ − xF (4.9) Trên đồ thị t – x, y ta có: EG ≅ pha lỏng FE ≅ pha FG ≅ hỗn hợp hai pha Từ rút quan hệ sau: F EG y D − x Z = = D _ x Z − x F FE (4.9a) x − xF D FE = _ = Z Z yD − xF FG (4.10) F EG y D − x Z = = Z _ y D − x F FG (4.11) 93 2.3.4 Biểu diễn đồ thị t – x, y cho hỗn hợp thực: t(oC) Loại hỗn hợp Lý tưởng Sai lệch Sai lệch Áp suất Áp suất Tan lẫn Không tan dương âm cực đại cực tiểu phần lẫn hoàn toàn P= const P= const P= const P= const P= const P= const P= const x,y Hình 4.5 Quan hệ t-x,y cho hệ lí tưởng hệ thực t(0C) tách P = const chưng luyện x2 x1 y2 xA y4 x3 x4 x,y Hình 4.6 Quan hệ t-x,y hệ có điểm đẳng phí áp suất cực đại (nhiệt độ cực tiểu) Trường hợp hỗn hợp tồn điểm đẳng phí áp suất cực đại tương ứng với nhiệt độ cực tiểu (hình 4.6) cho thấy phía trái điểm đẳng phí cho 94 phép chưng luyện nồng độ cân lớn lỏng (x1 x2) Tại điểm đẳng phí khả chưng luyện động lực trình không Phía phải điểm đẳng phí không thực trình chưng luyện nồng độ cân nhỏ nồng độ cân lỏng (x3 > xA ⇒ x4 > y4) Trong trường hợp điểm đẳng phí áp suất cực tiểu, tương ứng với nhiệt độ cực đại quan hệ hoàn toàn ngược lại, tức có phần bên phải điểm đẳng phí chưng luyện 2.4 Đồ thị y-x: Trong chưng luyện đồ thị y-x dùng phổ biến Động lực trình chưng luyện tính qua hiệu số nồng độ đường cân đường chéo (hình 4.7) y P=const y* = f(x) y* y=x y x* x x Hình 4.7 Quan hệ y-x Điều kiện để tiến hành chưng luyện nồng độ phải lớn nồng độ lỏng trạng thái cân nhiệt động (nghĩa pha hơi: ∆y = y * − y pha lỏng ∆x = x − x * ) Đường cân tính 95 theo định luật Raoult y * = αx Trong thực tế lấy từ bảng cho + x(α − 1) sẵn sổ tay sách chuyên môn Khả bay cấu tử hỗn hợp biểu thị qua độ bay tương đối α đại lượng tỷ lệ với động lực trình Vì đường cân cong (càng xa đường chéo) động lực trình lớn độ bay α lớn, nên khả tách cấu tử tốt Trong trường hợp α = trình tách không thực được, cấu tử hỗn hợp có nhiệt độ sôi áp suất bão hòa, nên động lực không (hình 4.8) y(%mol) Loại hỗn hợp Lý tưởng Sai lệch Sai lệch Áp suất Áp suất Tan lẫn Không tan dương âm cực đại cực tiểu phần lẫn hoàn toàn P= const P= const P= const P= const P= const P= const P= const x(%mol) Hình 4.8 Quan hệ y-x cho hệ lí tưởng hệ thực 2.5 Cách biểu diễn đường cân bằng: Từ đường sôi đồ thị t-x,y cấu tử A B hỗn hợp hai cấu tử áp suất dựng đường cân (hình 4.9) Từ đồ thị Pbh-t dựng đường áp suất cấu tử riêng biệt đồ thị P-x Tại x = có PBbh x = có PAbh , đường nối PAbh PBbh thể phụ thuộc áp suất làm việc nồng độ pha lỏng nhiệt độ 127 Đường nồng độ làm việc thiết lập tuân theo giả thiết Mc Cabe – Thiele * Phương trình cân vật liệu cho toàn tháp: F=P+W Và: F x F = P.x P + W x w * Phương trình cân vật liệu đáy tháp: Gx = Gy + W Và: G x x = G y y + W x w (4.65) * Phương trình cân vật liệu đỉnh tháp: F + Gy = P + Gx Và: F x F + G y y = P.x P + G x x (4.66) Từ phương trình (4.65) rút phương trình đường nồng độ làm việc: G y y = G x x − W x w y= Gx W x− xW Gy Gy (4.67) Lượng lỏng thu được: Gx = F.q Trong trường hợp q = (4.68) G x i y − iF = F i y − ix Lượng tháp: Gy = Gx – W = F.q – W (4.69) Thay phương trình (4.68) (4.69) vào phương trình (4.67), ta có phương trình đường nồng độ làm việc trường hợp tháp có đoạn chưng y= Gx W F q W x− xW = x− xW Gy Gy F q − W F q − W (4.70) 128 Với góc nghiêng α: tgα = F q F q = F q − W P + F (q − 1) (4.71) Đường làm việc qua qua điểm có tọa độ (xw,yw) y = x điểm ( x ' = − W (1 − xW ), y = ) F q Tính số đĩa lí thuyết dòng hồi lưu hoàn toàn – phương trình Fenske: Cho hỗn hợp lí tưởng hai cấu tử có độ bay tương đối gần không đổi khoảng nhiệt độ chưng, theo Fenske số đĩa lí thuyết xác định số hồi lưu đạt vô cùng, tức y = x Theo định luật Raoult Dalton: y A P = x A PAbh và: (1 − y A ).P = (1 − x A ).PBbh rút ra: yA x A PAbh xA = α bh = − y A − x A PB − xA (4.72) Tổng quát: y x = α 1− y 1− x (4.73) Giả sử trường hợp có đĩa lí thuyết hình vẽ (hình 4.29) y y1 y2 y3 1’ 2’ 3’ 4’ x4 x3 x2 Hình 4.29 Đồ thị y – x x1 x 129 Tại điểm làm việc 1’ có: y1 = x1, nên điểm cân theo phương trình (4.73) có: Từ rút ra: y1 x2 = α − y1 − x (4.74) x1 x2 = α − x1 − x (4.75) Ở điểm làm việc 2’ tiếp theo: hoặc: x y2 x2 = α= ( y2 = x2) − y − x3 − x2 (4.76) x y1 x = = α2 − y1 − x1 − x3 (4.77) Tổng quát: để chưng hỗn hợp lỏng gồm hai cấu tử theo chế độ hồi lưu hoàn toàn, để đạt sản phẩm đỉnh có nồng độ xP sản phẩm đáy xW số bậc lí thuyết là: hay: x yP xP = = W αn − y P − x P − xW (4.78) x xP = W α Nlt − x P − xW (4.79) n = Nlt(min): số đĩa lí thuyết Từ phương trình (4.79) rút ra: lg N lt (min) = x P (1 − xW ) xW (1 − x P ) lg α (4.80) Xác định số hồi lưu cực tiểu theo Fenske Underwood: Để xác định số hồi lưu cực tiểu cần biết trước nồng độ sản phẩm đỉnh đáy độ bay tương đối Theo Fenske-Underwood, hỗn hợp khí lí tưởng, độ bay tương đối cặp cấu tử (α) hệ xem số, giá trị Rmin tính từ thông số vật lí hệ 130 Như vậy, tháp vận hành với điều kiện Rmin tức tháp có vô hạn số đĩa lí thuyết Điều có nghĩa thành phần cấu tử đĩa thứ n tương tự thành phần đĩa thứ (n+1) Phương trình cân vật liệu đĩa thứ n: Gy.yn(A) = Gx.xn(A) + P.xp(A) (7.81) Gy.yn(B) = Gx.xn(B) + P.xp(B) (7.82) Chia phương trình (7.81) cho (7.82), ta có: α hay: α x n ( A) xn( B ) x n ( A) xn( B ) = = G x x n ( A) + P.x P ( A) (7.83) G x x n ( B ) + P.x P ( B ) R.x n ( A) + x P ( A) (7.84) R.x n ( B ) + x P ( B ) Biến đổi phương trình (7.84) ta có: R= xP(B) ⎞ ⎛⎜ x P ( A) ⎟ −α α − ⎜⎝ x n ( A) x n ( B ) ⎟⎠ (7.85) Nhìn chung đĩa có giá trị R khác Để đáp ứng yêu cầu tách giá trị Rmin thích hợp giá trị R đĩa mà nguyên liệu nạp vào, tỷ số hồi hồi lưu cực tiểu yêu cầu tách là: Rmin = xP( B) ⎞ ⎛⎜ x P ( A) ⎟ −α α − ⎜⎝ x F ( A) x F ( B ) ⎟⎠ (7.86) Đối với hỗn hợp hai cấu tử thì: hay: Rmin = − x P ( A) ⎞ ⎛⎜ x P ( A) ⎟ −α α − ⎜⎝ x F ( A) − x F ( A) ⎟⎠ Rmin = − xP ⎛ xP ⎜⎜ −α α − ⎝ xF − xF V Chưng luyện gián đoạn: Sơ đồ chưng luyện gián đoạn: ⎞ ⎟⎟ ⎠ (7.87) (7.88) 131 TB NT TBL Lạnh Thùng chứa SP đỉnh (P) TBĐS F Thùng chứa SP đáy (W) Hình 4.30 Sơ đồ hệ thống chưng luyện gián đoạn Có thể coi tháp chưng luyện gián đoạn đoạn luyện tháp chưng luyện liên tục (không có đoạn chưng) Trong hệ thống chưng luyện gián đoạn, hỗn hợp đầu đua vào thiết bị đun sôi (1), đun nóng gián tiếp đến nhiệt độ sôi giữ cho nhiệt độ sôi đặn Hơi tạo thành vào tháp (2), trình xảy tháp giống đoạn luyện tháp chưng luyện liên tục Hơi đĩa vào thiết bị ngưng tụ (3) Ở phần lỏng hồi lưu tháp đĩa cùng, phần lại vào thiết bị làm lạnh (4) để vào thùng chứa sản phẩm (5) Khi muốn thu nhiều loại sản phẩm đặt nhiều thùng chứa ứng với sản phẩm Sau chưng xong, sản phẩm đáy tháo cho hỗn hợp đầu vào để tiến hành mẻ Quá trình chưng luyện gián đoạn tiến hành theo hai cách: • Chưng luyện gián đoạn với số hồi lưu không đổi • Chưng luyện gián đoạn với sản phẩm đỉnh không đổi 132 Xác định số đĩa lí thuyết chưng luyện gián đoạn: 2.1 Chưng với số hồi lưu không đổi.: Số đĩa lí thuyết xác định dựa vào phương pháp Mc Cabe Thiele giống đoạn luyện tháp chưng luyện liên tục Phương trình đường nồng độ làm việc: y= R x + x P R +1 R +1 y = Ax + B Với A = tgα = x R ; B = y x =0 = P R +1 R +1 Qua nồng độ lúc đầu hỗn hợp lỏng (xF) sản phẩm đỉnh tương ứng (xP), xác định đợc số hồi lưu tối thiểu Rmin = x P − B0 Từ B0 xác định số hồi lưu thích hợp: Rop = (1,1 1,5)Rmin Vì số hồi lưu không đổi tức độ dốc đường làm việc không đổi Vì nồng độ sản phẩm đỉnh thay đổi suốt trình chưng Do tính số đĩa lí thuyết phải tính giá trị trung bình nồng độ sản phẩm đỉnh ( x P ) 2.2 Chưng với thành phần sản phẩm đỉnh không đổi.: Lúc đầu nồng độ cấu tử dễ bay nồi chưng xF, trình chưng nồng độ giảm dần cuối trình xW Trong lúc phải giữ nồng độ cấu tử dễ bay sản phẩm đỉnh không đổi xP Điều đòi hỏi tăng số đĩa lí thuyết (tức tăng chiều cao tháp) tăng số hồi lưu Trong thực tế, tháp làm việc với số đĩa lí thuyết không đổi, có cách tăng số hồi lưu dần lên để bù đắp lại giảm nồng độ cấu tử dễ bay đáy tháp Như độ dốc đường làm việc thay đổi 133 suốt trình Do vậy, tính số đĩa lí thuyết phải tính giá trị trung bình số hồi lưu Rtb (Cách tính số đĩa lí thuyết, cân vật liệu, lượng hồi lưu, Rtb, ) đọc thêm tài liệu VI Cân nhiệt lượng trình chưng luyện: Mục đích cân nhiệt lượng để xác định lượng nước lạnh cần thiết cho trình ngưng tụ làm lạnh, để xác định lượng đốt cần thiết đun nóng hỗn hợp đầu bốc đáy tháp Cân nhiệt lượng chưng luyện liên tục: t2 Qh t1 Qx t1' t2 Q’F t1 t ’2 QD1 QD2 QF QP QW Hình 4.31 Sơ đồ để cân nhiệt trình chưng luyện liên tục 1.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị đun sôi hỗn hợp đầu: QD1 + QF = QF' + Qm Trong (7.89) QD1 = D1.r (W) : nhiệt lượng đốt mang vào D1: lượng hơi nước dùng để đun sôi hỗn hợp đầu (kg/s) r: ẩn nhiệt hóa (J/kg) 134 QF = F.CF.tF (W): nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang vào F: lượng hỗn hợp đầu (kg/s) CF: nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu (J/kg.độ) tF: nhiệt độ đầu hỗn hợp (0C) Q’F = F.C’F.t’F (W): nhiệt lượng hỗn hợp đầu mang C’F: nhiệt dung riêng hỗn hợp sôi (J/kg.độ) t’F: nhiệt độ sôi hỗn hợp (0C) Qm = 5%QD1 (W): nhiệt lượng tổn thất môi trường chung quanh Suy ra: D1 = F (C F' t F' − C F t F ) 0,95.r (4.90) 1.2 Cân nhiệt lượng cho tháp chưng: QF' + QD + Q x = Qh + QW + Qm (4.91) Từ tính lượng nước dùng để đun đáy tháp (D2): Qh + QW + Qm − QF' − Q x D2 = r Qh = Gy.λ=P(R+1)λ (W): nhiệt lượng mang (4.92) (4.93) P: lượng sản phẩm đỉnh (kg/s) R: số hồi lưu (kg/kg) λ= a1λ1 + a2λ2: nhiệt lượng riêng hỗn hợp (J/kg) a1,a2: nồng độ cấu tử hỗn hợp (% khối lượng) λ1,λ2: nhiệt lượng riêng cấu tử hỗn hợp (J/kg) QW = W.CW.tW (W): nhiệt lượng sản phẩm đáy mang (4.94) W: lượng sản phẩm đáy (kg/s) CW: nhiệt dung riêng sản phẩm đáy (J/kg.độ) tF: nhiệt độ sản phẩm đáy (0C) Qx = Gx.Cx.tx= R.P Cx.tx (W): nhiệt lượng lượng hồi lưu mang vào Cx: nhiệt dung riêng lỏng hồi lưu (J/kg.độ) 135 tx: nhiệt độ lỏng hồi lưu (0C) Qm = 5%QD2 (W): nhiệt lượng tổn thất môi trường chung quanh 1.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ: • Nếu ngưng tụ hồi lưu: Gx.r = P.R.r = G1C1(t2 –t1) (4.97) Suy lượng nước lạnh tiêu tốn (G1): G1 = P.R.r C1 (t − t1 ) (kg/s) (4.98) C1: nhiệt dung riêng nước nhiệt độ trung bình ttb=0,5( t1+t2) t1, t2 : nhiệt độ vào nước (0C) r: ẩn nhiệt hóa nước (J/kg) • Nếu ngưng tụ hoàn toàn: Gy.r = P.(R+1).r = G2C1(t2 –t1) (4.99) Suy lượng nước lạnh tiêu tốn (G2): G2 = P.( R + 1).r C1 (t − t1 ) (kg/s) (4.100) 1.4 Cân nhiệt thiết bị làm lạnh: • Trường hợp ngưng tụ hồi lưu: [ ] P r + C P (t1' − t 2' ) = G3 C1 (t − t1 ) (4.101) CP: nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh (J/kg.độ) t1' ,t 2' : nhiệt độ đầu nhiệt độ cuối sant phẩm đỉnh ( C) • Trường hợp ngưng tụ hoàn toàn: PC P (t1' − t 2' ) = G4 C1 (t − t1 ) (4.102) Cân nhiệt lượng chưng luyện gián đoạn: • Chưng luyện thành phần đỉnh tháp không đổi: Lượng nhiệt cần thiết phải lấy thiết bị ngưng tụ: Q1 = r(Rtb + 1)P (4.103) 136 Công thức (4.103) dùng cho trường hợp ngưng tụ toàn phần, có ngưng tụ hồi lưu lượng nhiệt cần lấy là: Q2 = r.Rtb P (4.104) • Chưng luyện số hồi lưu không đổi: Trường hợp ngưng tụ toàn phần lượng nhiệt cần lấy thiết bị ngưng tụ: P Q1 = ( R + 1) ∫ rdP (4.105) Tích phân xác định phương pháp đồ thị, tức tìm phụ thuộc ẩn nhiệt hóa với sản phẩm đỉnh P VII Chưng luyện nhiều cấu tử: Phương pháp chưng từ cấu tử trở lên gọi chung chưng nhiều cấu tử Quan hệ cân hỗn hợp nhiều cấu tử: Quan hệ cân hỗn hợp nhiều cấu tử không khác so với hỗn hợp hai cấu tử Việc tính toán cân hỗn hợp nhiều cấu tử khác nhiều so với hỗn hợp hai cấu tử ảnh hưởng cấu tử quan hệ lí tưởng Theo định luật cân pha Gibbs: C=K-φ+2 Với số pha C = K, tức số bậc tự số cấu tử Với hệ nhiều cấu tử cân cho thành phần hàm số phụ thuộc tính chất cấu tử khác, mà phụ thuộc vào lượng Ở hỗn hợp nhiều cấu tử quan hệ cân biểu thị qua số cân (K), quan hệ thành phần lỏng: K= y x (4.106) Hằng số cân K cho hỗn hợp lí tưởng cấu tử: 137 pi P bh y Ki = i = P = i pi P xi bh Pi (4.107) Độ bay tương đối hỗn hợp nhiều cấu tử: Độ bay tương đối đặc trưng khả bay cấu tử Ở hỗn hợp hai cấu tử thì: α = PAbh , hỗn hợp nhiều cấu tử, độ bay PBbh tương đối biểu diễn qua số cân bằng: α= Ki KS (4.108) với Ks: số cân cấu tử có độ bay thấp chọn cấu tử so sánh Như vậy, độ bay tương đối cấu tử so sánh α S = Cho hỗn hợp n cấu tử, xác định (n –1) độ bay tương đối cấu tử Hệ thống chưng luyện nhiều cấu tử: Đối với hệ có n cấu tử có n bậc tự Vì vậy, áp suất nồng độ của cấu tử xác định ta chưa xác định nhiệt độ sôi, thành phần cấu tử khác (n-2) bậc tự Khi chưng luyện tháp tách hai cấu tử, có nhiều cấu tử cần nhiều tháp Trên nguyên tắc để tách n cấu tử ta cần (n-1) tháp Trong thực tế dùng tháp kết nối từ nhiều tháp chồng lên nhau, nên tháp thu nhiều sản phẩm 4.Cấu tử nhẹ cấu tử chủ đạo: Khi tách hỗn hợp nhiều cấu tử thường có yêu cầu tách hai cấu tử khỏi Những cấu tử gọi cấu tử cần tập trung vào cấu tử để làm đơn giản hóa hỗn hợp phức tạp Giả sử có hỗn hợp gồm cấu tử A, B, C D Trong A cấu tử dễ bay D cấu tử khó bay cần tách bảng 4.3 138 Bảng 4.3: Tách hỗn hợp nhiều cấu tử Nguyên liệu Sản phẩm đầu cột A A B B B C C C D Sản phẩm đáy cột D Như vậy, B cấu tử nhẹ có mặt sản phẩm đáy cột gọi cấu tử nhẹ chủ đạo, C cấu tử nặng có mặt sản phẩm đầu cột gọi cấu tử nặng chủ đạo Mục đích trình phân đoạn tách B khỏi C Tính toán số đĩa lí thuyết cần thiết cho yêu cầu tách: Một phương pháp thành công việc tính toán số đĩa lí thuyết cần thiết cho yêu tách phương pháp Lewis Matheson Phương pháp dựa phương pháp Lewis-Sorel trình bày phần tách hỗn hợp hai cấu tử Nếu biết thành phần pha lỏng đĩa thành phần pha tính toán dựa vào áp suất độ bay tương đối cấu tử Thành phần pha lỏng đĩa xác định từ phương trình đường làm việc, hỗn hợp hai cấu tử, trường hợp có phương trình riêng cho cấu tử Giả sử hỗn hợp cóu chứa cấu tử A, B, C, D, , có phần mol tương ứng xA, xB, xC, xD, pha lỏng yA, yB, yC, yD, pha Khi đó: yA + yB + yC + yD + = suy ra: y A y B yC y D + + + + = yB yB yB yB yB hay: α AB (4.109) x xA x x + α BB B + α CB C + α DB D + = xB xB xB xB yB 139 suy ra: ∑α iB ⇒ yB = Tương tự: yA = yC = yD = xB yB xi = (4.110) xB ∑α iB xi xA ∑α x xC ∑α iC xi xD ∑α (4.111) iA i iD xi (4.112) (4.113) Như vậy, thành phần pha xác định từ thành phần cấu tử pha lỏng độ bay tương đối chúng Ví dụ: Một hỗn hợp gồm ortho, meta, para mononitrophenol có thành phần đồng phân tương ứng 60; 36% mol, chưng cất liên tục sản phẩm đáy cột chứa 98% mol ortho sản phẩm đáy cột chứa 12,5% mol ortho Hỗn hợp chưng cất nhiệt độ 1370C cần áp suất khoảng 60 kN/m2 Nếu cột vận hành với tỉ số hồi lưu cần đĩa lí thuyết để đáp ứng yêu cầu tách nói Cho biết độ bay tương đối ortho para vào khoảng 1,7 ortho meta 1,16 khoảng nhiệt độ 107 – 1420C VIII: Các phương pháp chưng khác: Chưng luyện hỗn hợp đẳng phí: Đối với hỗn hợp gồm cấu tử có nhiệt độ sôi giống gần hay tạo thành dung dịch đẳng phí, dùng phương pháp chưng luyện thông thường nghiên cứu để tách cấu tử dạng nguyên chất được, dù tháp vô cao với lượng hồi lưu lớn Để tách hỗn hợp phải có phương pháp chưng đặc biệt Đó phương pháp chưng luyện trích li hay gọi phương pháp chưng luyện đẳng phí, 140 tùy thuộc vào độ bay tương đối cấu tử thêm vào, thường gọi cấu tử phân li (hình 4.32) TB NT TB NT A B TB ĐN TB ĐN R A-B BR Hình 4.32 Hệ thống chưng luyện trích li (cấu tử phân li có độ bay bé) Phương pháp dựa sở thêm cấu tử phân li có độ bay bé vào đĩa tháp chưng Nó có tác dụng làm thay đổi độ bay cấu tử khác hỗn hợp, trường hợp tạo thành hỗn hợp gồm cấu tử phân li R cấu tử B có độ bay bé, cấu tử A có độ bay lớn Hỗn hợp R B có độ bay khác nên dễ dàng tách theo phương pháp chưng luyện thông thường Quá trình gần giống trình trích li, cấu tử R kéo cấu tử B giải phóng cấu tử A Vì gọi phương pháp chưng luyên trích li Nếu cấu tử phân li R có độ bay lớn cấu tử hỗn hợp, thêm vào kết hợp với cấu tử A để tạo thành hỗn hợp đẳng phí có độ bay lớn Kết chưng luyện sản phẩm đỉnh hỗn hợp đẳng 141 phí, sản phẩm đáy cấu tử B khó bay Phương pháp tiện lợi tiết kiệm trường hợp cấu tử phân li không tan lẫn vào cấu tử dễ bay A, nên tách chúng phương pháp phân li (hình 4.33) Vì thêm cấu tử phân li vào tạo dung dịch đẳng phí nên gọi phương pháp chưng luyện đẳng phí TB NT AR R TB NT R R(A) R A AB B A A Hình 4.33 Hệ thống chưng luyện đẳng phí (cấu tử phânli có độ bay lớn) Chưng phân tử: Chưng phân tử thể độ chân không cao (từ 0.01 đến 0.0001 mmHg) Ở áp suất lực hút phân tử yếu số lần va chạm chúng giảm làm khoảng cách tự phân tử tăng lên nhiều Trên sở đó, làm khoảng cách bề mặt bốc bề mặt ngưng tụ nhỏ khoảng chạy tự phân tử, phân tử cấu tử dễ bay rời khỏi bề mặt bốc va vào bề mặt ngưng tụ ngưng tụ [...]... lỏng còn lại cuối cùng trong nồi chưng là W1 có nồng độ x1 Ta lấy tích phân phương trình (4. 13): F dW ∫W W = 1 S = ln xF dx ∫ y−x =S (4. 14) x1 F W1 (4. 15) Với S được giải bằng phương pháp đồ thị: 1 y−x S= xF dx ∫ y−x x1 x1 xF x Hình 4. 11 Đồ thị để tính quá trình chưng đơn giản Mặt khác ta có phương trình cân bằng: F = W1 + P (4. 16) P: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h) Viết phương trình cân bằng vật liệu cho cấu... đường chéo b/ Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng: Xuất phát từ phương trình cân bằng vật liệu ở vị trí bất kì của đoạn chưng (hình 4. 19): G y' = G x' − W (4. 31) 1 14 Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: (4. 32) G y' y ' = G x' x ' − W x w Từ phương trình (4. 31) và (4. 32) rút ra: y' = Mặt khác: G x' W x ' − ' x w ' Gx − W Gx − W G x' = G x + F W =F−P ⇒ (4. 33) G x' − W = G... tháp (yP = xP) 4/ Hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đáy (yW = xW) 5/ Đun sôi đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp a/ Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện: Phương trình cân bằng vật liệu ở vị trí bất kì của đoạn luyện: (hình 4. 19) G y = Gx + P (4. 25) Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: G y y = G x x + P.x P (4. 26) Từ phương trình (4. 25) và (4. 26) suy ra:... ⇒R= P R +1 B (4. 40) 117 Mà B = B0: cực đại, suy ra: Rmin = Mặt khác: x P − B0 B0 (4. 41) G = k y F∆y tb Trong điều kiện ổn định G, ky = const, suy ra F.∆ytb = const Vì giao điểm nằm trên đường cân bằng nên ∆ytb bé nhất Vậy F lớn nhất hay chiều cao thiết bị (H) là cao nhất) Từ đồ thị (4. 21) ta có hệ số góc: Rmin y P − y F* = A = tgα 1 = Rmin + 1 x P − x F (4. 42) biến đổi phương trình (4. 42), ta có: Rmin... thức: mx = xP dx ∫ x−x * =S xW Phương trình trên chỉ giải bằng phương pháp đồ thị (xem chương 1) - Sau đó tính thể tích tháp: VTB = F H mà F = f (G y ) (vì F = suy ra: G y ( yl − y n ) k y ∆ytb (4. 46) ) và Gy = P(R + 1) F = f[P(R+1)] (4. 47) trong điều kiện làm việc ở P = const, ta có: F = f(R+1) (4. 48) 119 H= ta có: G mx k x σf ( x d − x c ) (4. 49) ⇒ H = f (m x ) Vậy: (4. 50) VTB = F H ≈ m x ( R + 1) lập... Phương trình cân bằng vật liệu: (4. 22) F = P +W Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi: Rút ra: F x F = P.x P + W x w (4. 23) F P W = = xP − xw x p − xw xP − xF (4. 24) Phương trình này để xác định lượng sản phẩm đáy hay sản phẩm đỉnh khi biết nồng độ của cấu tử dễ bay hơi hay ngược lại để xác định nồng độ của cấu tử dễ bay hơi khi biết được lượng sản phẩm đỉnh và sẩn phẩm đáy 2 .4 Phương trình. .. P(mmHg) 760 M N R 600 40 0 200 0 20 40 60 80 100 Hình 4. 12 Đồ thị xác định nhiệt sôi của hỗn hợp hai chất lỏng không hòa tan vào nhau 2 Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp: Khi chưng bằng hơi nước trực tiếp, người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏng bằng một bộ phận phun Hơi nước có thể là hơi bão hòa hay hơi quá nhiệt Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và lớp chất lỏng, cấu tử 102 cần chưng sẽ khuyếch... chỉ gồm có cấu tử cần chưng và nước, nếu chưng bằng hơi nước quá nhiệt thì ở trong nồi chưng chỉ có một pha lỏng là cấu tử bay hơi Như vậy hệ có bậc tự do là 2 (C = 1 - 1 + 2 = 2) Nếu cho áp suất của quá trình không đổi thì chúng ta có thể thay đổi nhiệt độ Bởi vậy với hệ thống này, khi chưng bằng hơi nước quá nhiệt chúng ta có thể tiến hành ở nhiều nhiệt độ khác nhau * Trường hợp chưng bằng hơi nước... = G x + P Thay vào phương trình (4. 33), ta có: y' = Thay Gx + F ' F − P x − x w Gx + P Gx + P (4. 34) F = L : chỉ số hỗn hợp đầu (lượng hỗn hợp đầu tính trên một P đơn vị sản phẩm đỉnh), ta có: y' = R + L ' 1− L x + xW R +1 R +1 hoặc y ' = A ' x ' + B ' , trong đó: A' = (4. 35) R + L ' 1− L ;B = xW R +1 R +1 Phương trình (4. 35) là phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng Nó là đường thẳng và... suy ra x= B' − B A − A' (4. 36) thay các giá trị A, A’, B và B’ vào ta có: (1 − L) xW x − P R +1 x = R +1 R R+L − R +1 R +1 = x P + ( L − 1) xW L F = P +W W ⇒ = L −1 F L= P P Mặt khác ta có: (4. 37) (4. 38) Thay phương trình (4. 38) vào phương trình (4. 37), ta có: x= xP + W xW P.x P + W xW F x F P = = = xF F L P.L P P (4. 39) Như vậy giao điểm của đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện nằm trên