Chưng luyện

Nguyên lý hóa công nghiệp 7 CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN 2.1. ĐỊNH NGHĨA CHƯNG - Là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp; - Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc gần như nhau, nhưng giữa chúng có một ranh giới cơ bản: • Chưng: Dung môi và chất tan đều bay hơi; • Cô đặc: Chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi; - Khi chưng → thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm; - Đối với trường hợp 2 cấu tử : • sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn + ε cấu tử có độ bay hơi bé; • sản phẩm đáy gồm c ấu tử có độ bay hơi bé + ε cấu tử có độ bay hơi lớn; 2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG Trong sản xuất, thường gặp các phương pháp chưng sau: 1. Chưng đơn giản: - dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau - thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất 2. Chưng bằng h ơi nước trực tiếp: - dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi Nguyên lý hóa công nghiệp 8 - thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước 3. Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử (đối với các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt độ sôi quá cao) 4. Chưng luyện: - Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính ch ất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau; - Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao; - Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường; 2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ 1. Dung dịch lý tưởng: - là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau. - Khi đó các cấu tử hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào. cân bằng lỏng-hơi hoàn toàn tuân theo định luật Raout; 2. Dung dịch thực: - Là những dung dịch hoàn toàn không tuân theo định luật Raout; - Sự sai lệch với định luật Raout là dương nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại < lực liên kết giữa các phân tử cùng loại; - Sự sai lệch với định luật Raout là âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại > lực liên kết giữa các phân tử cùng loạ i; - Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại << lực liên kết giữa các phân tử cùng loại → dung dịch sẽ phân lớp. Nguyên lý hóa công nghiệp 9 ⇒ Ta xét trường hợp phổ biến nhất: chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào 2 1 3 Hình 2-1: Quan hệ giữa áp suất và thành phần của dung dịch 2 cấu tử 1. Tuân theo định luật Raout; 2. Sai lệch dương 3. Sai lệch âm 2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ 2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y P 0 A Hơi Lỏng - Hơi Lỏng T = const P P M P 0 B 0 x M y M 1 Trong đó: A : cấu tử dễ bay hơi → P 0 A > P 0 B Nguyên lý hóa công nghiệp 10 x M , y M : thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P M → Thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P M là: 1-x M , 1-y M ⇒ Biểu đồ này ít sử dụng vì trong thực tế P rất ít thay đổi ⇒ Sử dụng biểu đồ T-x-y 2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y T P = const T 0 B T 0 A A B Lỏng - Hơi Hơi Lỏng T M x M y M Trong đó: A : cấu tử dễ bay hơi → T 0 A < T 0 B x M , y M : thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở P và T M → thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P M là: 1-x M , 1-y M Nguyên lý hóa công nghiệp 11 2.4.5. Giản đồ phần mol x-y Ví dụ ta có giản đồ phần mol x-y của hệ 2 cấu tử Propane và Butane. Trong đó : − Trục x : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha lỏng ; − Trục y : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha hơi. 90 90 Nguyên lý hóa công nghiệp 12 2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN 2.5.1. Nguyên tắc hoạt động Tháp chưng luyện gồm có 2 đoạn : − Đoạn luyện : Là phần trên, gồm từ đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh ; − Đoạn chưng : Là phần dưới, gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống dưới; Tháp chưng luyện gồm có nhiều đĩa ⇒ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Pha hơi đi từ d ưới lên qua các lỗ của đĩa xuyên qua pha lỏng đi từ trên xuống theo các ống (vách) chảy chuyền. ⇒ Vì nhiệt độ trong tháp càng lên cao càng giảm nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới lên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh tháp, ta sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm hầu hết là các cấu tử nhẹ (dễ bay hơi). Hơi này sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (condenser) (một phần hoặc hoàn toàn) ở đỉnh tháp để hồi lưu lỏng ngưng tụ được về lại tháp và lấy ra làm sản phẩm đỉnh. Ngược lại, pha lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi ⇒ nồng độ của cấu tử nặng (khó bay hơi) trong pha lỏng sẽ càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp, ta sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm hầu hết là các cấu tử nặng. Một phần sản phẩm đáy sẽ đi vào thiết bị đun sôi lại (reboiler) ở đáy tháp để tạo một lượng hơi đưa vào từ đáy tháp, đảm bảo trong tháp luôn luôn có sự tiếp xúc giữa 2 pha lỏng và hơi. Nguyên lý hóa công nghiệp 13 ⇒ Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp lại nhiều lần ở các đĩa ⇒ Pha hơi đi lên càng giàu cấu tử nhẹ ⇒ Pha lỏng đi xuống càng giàu cấu tử nặng − Theo lý thuyết → Mỗi đĩa là một bậc thay đổi nồng độ : thành phần hơi khi rời khỏi đĩa cân bằng với thành phần lỏng khi đi vào đĩa ⇒ số đĩa = số bậc thay đổi nồng độ. − Thực tế → trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt cân bằng ⇒ Số đĩa thực tế > số đĩa lý thuyết ⇒ Hiệu suất đĩa TT LT N N ==η tãú thæûcâéa Säú thuyãú tlyï âéa Säú 2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) có 4 dạng Condenser : 1. Partial (ngưng tụ một phần): Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh và chỉ ngưng tụ một phần. Loại Condenser này thực sự là một bậc thay đổi nồng độ. Nhiệt độ trong Condenser chính là nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp hơi cân bằng. Gồm 2 loại : - loại Distillat vapor : lỏng ngưng t ụ chỉ để hồi lưu về đỉnh tháp, còn sản phẩm lấy ra ở thể hơi được gọi là Overhead. Nguyên lý hóa công nghiệp 14 - Loại Distillat mixe : lỏng ngưng tụ một phần để hồi lưu về đỉnh tháp, còn lại lấy ra làm sản phẩm ⇒ sản phẩm đỉnh gồm 2 loại là sản phẩm hơi và sản phẩm lỏng. 2. Bubble Temperature : Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh đến nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp và ngưng tụ hoàn toàn, một phầ n cho hồi lưu về đỉnh tháp, phần còn lại lấy ra dạng sản phẩm lỏng, được gọi là Fixe Rate Draw. Loín Håi Loíng Håi a- Dạng Partial Distillate vapor Distillate mixe b- Dạng Bubble 2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler) có 4 dạng Reboiler : - Thermosiphon without baffles và with baffles - Dạng Kettle : được mặc định (qui chuẩn) - Dạng “one through” - Dạng lò Nguyên lý hóa công nghiệp 15 Trong đó, loại Thermosiphon gồm 2 loại: without baffles và with baffles. Để đạt được chất lượng sản phẩm đáy cao hơn, người ta đã thiết kế loại Thermosiphon with baffles có cấu tạo như sau: Nguyên lý hóa công nghiệp 16 210 300 ? ? ? ? 50 2.5.4. Cân bằng vật chất Nếu gọi : F - Lượng hỗn hợp nguyên liệu đi vào tháp, kg/h P - Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h W - Lượng sản phẩm đáy, kg/h a F , a P , a W : nồng độ % khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp nguyên liệu, trong sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy. Phương trình cân bằng vật chất toàn tháp : F = P + W Nếu đối với cấu tử dễ bay hơi : F.a F = P.a P + W.a W Ta tính được P : WP WF aa aa FP − − ×= ⇒ W = F – P [...]... 1,2 ÷ 2,5 3- Xác định các giá trị B = xP rf + 1 4- Trên đường cân bằng lỏng hơi x-y của hệ hai cấu tử → Vẽ đường làm việc của: - Đoạn luyện: bằng cách nối điểm (xP, yP) với điểm (0, B) - Đoạn chưng: bằng cách nối điểm (xW, yW) với giao điểm của đường làm việc của đoạn luyện với đường x = xF (nếu hỗn hợp nguyên liệu vào ở điểm sôi) 5- Xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT bằng cách vẽ các đường thẳng... chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin tương ứng với giá trị cực tiểu của NLT(rf + 1) b rf B NLT NLT(rf + 1) … … … … Nguyên lý hóa công nghiệp 19 Đường làm việc đoạn luyện B = xP/(Rx+1) Đường làm việc đoạn chưng xW xF xP 2.5.6 Xác định số đĩa thực tế NTT Số đĩa thực tế: N TT = η tb = N LT ηtb ηP + ηF + η W 3 Với : ηP, ηF, ηW - hiệu suất của đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp, của đĩa nạp liệu và... pha lỏng và pha hơi : để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở lực và xác định kích thước tháp chưng cất • Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa vào các yếu tố sau : - Bản chất của các đặc trưng nhiệt động của hệ như : Hằng số cân bằng lỏng-hơi (VLE : Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chưng cất, cô đặc hoặc bốc hơi, quá trình trích ly, - Thành phần của hỗn hợp - Phạm vi nhiệt... PRO/II là phần mềm tính toán chuyên dụng trong các lĩnh vực công nghệ hóa học nói chung, đặc biệt trong lĩnh vực lọc dầu, hóa dầu, polymer, hóa dược, Đây là phần mềm tính toán rất chính xác các quá trình chưng cất Là sản phẩm của SIMSCI, hình thành từ năm 1967 và được chính thức sử dụng vào Nguyên lý hóa công nghiệp 23 năm 1988 sau nhiều lần được cải tiến Hiện nay, chúng ta đang sử dụng phiên bản PRO/II . THÁP CHƯNG LUYỆN 2.5.1. Nguyên tắc hoạt động Tháp chưng luyện gồm có 2 đoạn : − Đoạn luyện : Là phần trên, gồm từ đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh ; − Đoạn chưng. hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau; - Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao; - Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các