Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách hiệu quả cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí bằng phương pháp mô phỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TIÊN THỊ LƢỢT NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TÁC NHÂN TÁCH HIỆU QUẢ CHO QUÁ TRÌNH CHƢNG CẤT TĂNG CƢỜNG ĐỂ TÁCH HỖN HỢP ĐẲNG PHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP MƠ PHỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC HÀ NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TIÊN THỊ LƢỢT NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TÁC NHÂN TÁCH HIỆU QUẢ CHO QUÁ TRÌNH CHƢNG CẤT TĂNG CƢỜNG ĐỂ TÁCH HỖN HỢP ĐẲNG PHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP MƠ PHỎNG Ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 9520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CAO THỊ MAI DUYÊN GS.TS NGUYỄN HỮU TÙNG HÀ NỘI - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu thực hướng dẫn GS.TS Nguyễn Hữu Tùng TS Cao Thị Mai Duyên Tôi xin cam đoan số liệu kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tập thể giảng viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh TS.Cao Thị Mai Duyên Tiên Thị Lượt GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng i LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Nguyễn Hữu Tùng TS Cao Thị Mai Duyên người thầy, người cô tận tâm ln nghiêm khắc, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Kỹ thuật hóa học, Bộ mơn Q trình- Thiết bị Cơng nghệ hóa học & Thực phẩm cho phép giúp đỡ thực luận án thời gian học tập, nghiên cứu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cô sinh viên chuyên ngành kỹ thuật hóa học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội cộng tác, trao đổi, thảo luận đóng góp ý kiến quý báu cho luận án, đồng thời tạo nhiều điều kiện thuận lợi để tơi hồn thiện luận án Tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo đồng nghiệp Viện Cơ điện Nông nghiệp Công nghệ sau thu hoạch, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận án Để hồn thành tốt chương trình học tập bên cạnh giúp đỡ thầy cơ,, đồng nghiệp bạn bè cịn có ủng hộ động viên gia đình, chỗ dựa vững để yên tâm học tập hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ trân trọng lòng biết ơn sâu nặng Nghiên cứu sinh Tiên Thị Lượt ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lịch sử phát triển ứng dụng phương pháp chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp khó tách .4 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Tổng quan phương pháp tách hỗn hợp đẳng phí 1.1.3 Lựa chọn q trình tách cho hỗn hợp đẳng phí, hỗn hợp khó tách 1.1.4 Tầm quan trọng vấn đề lựa chọn tác nhân tách 1.1.5 Tóm tắt lịch sử q trình chưng cất tăng cường 1.2 Tổng quan quy tắc tiêu chí lựa chọn tác nhân tách cho trình chưng cất tăng cường 10 1.2.1 Các tiêu chí lựa chọn tác nhân tách 10 1.2.2 Các quy tắc lựa chọn tác nhân tách 11 1.2.3 Lượng tác nhân tách tiêu tốn cho trình chưng cất tăng cường 19 1.2.4 Nhận xét tiêu chí quy tắc lựa chọn tác nhân tách 19 1.3 Tổng quan ứng dụng phương pháp mô nghiên cứu tách hỗn hợp đẳng phí 21 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 Độ tin cậy mơ hình cân pha để xác định hệ số hoạt độ cấu tử dung dịch vơ lỗng (hệ hai pha lỏng – hơi): .25 2.1.1 Hệ số hoạt độ dung dịch vơ lỗng 25 2.1.2 Độ tin cậy mơ hình nhiệt động học để đánh giá hệ số hoạt độ cấu tử dung dịch vơ lỗng 25 2.2 Mơ hình cân pha NRTL ứng dụng để dự đoán hệ số hoạt độ cân pha hệ ba pha lỏng - lỏng – hơi: 31 2.2.1 Thuật tốn xác định thơng số mơ hình cân pha NRTL .33 iii 2.2.2 So sánh kết dự đoán cân pha điểm đẳng phí theo mơ hình cân pha NRTL với số liệu thực nghiệm cho hệ etanol – nước – xyclohexan 35 2.3 Mơ hình chưng cân pha liên tục FLASH để xác định hệ số hoạt độ  độ chọn lọc giới hạn tác nhân tách S12 41 2.4 Mơ hình chưng cân pha liên tục FLASH để xác định lượng tác nhân tách tiêu tốn nhỏ (S/F)min: 43 2.5 Mơ hình tổng qt tháp chưng cất liên tục hỗn hợp nhiều cấu tử (Hệ phương trình MESH: Material balance – phase Equibrium – mole Summation – energy balance (H)) 44 2.6 Tiêu chí tổng chi phí năm (Total annual costs - TAC) ứng dụng để lựa chọn tác nhân tách cho trình chưng cất tăng cường 47 Chƣơng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 3.1 Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ gần với hệ lý tưởng 48 3.1.1 Số liệu cân pha lỏng – hệ n-butan(1) - cis-2- buten(2) (Mơ hình cân pha UNIFAC Dortmund) 48 ∞ 3.1.2 Xác định độ chọn lọc giới hạn S n-butan(1) - cis-2-buten(2) số tác nhân tách 49 3.1.3 Xác định lượng tác nhân tách thích hợp (S/F)opt theo tiêu chí (TAC)min 50 12  3.1.4 Xếp hạng tác nhân tách theo độ chọn lọc giới hạn S theo tiêu chí tổng chi phí năm (TAC) 52 3.2 Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ đẳng phí 54 12 3.2.1 Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ đẳng phí cực tiểu đồng thể 54 3.2.2 Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ đẳng phí phức tạp 61 3.3 Nghiên cứu mơ trình chưng cất tăng cường sử dụng hỗn hợp tác nhân tách 111 3.3.1 Lựa chọn xác định thơng số mơ hình cân pha NRTL sử dụng để mô trình chưng cất tăng cường 111 3.3.2 Mơ q trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí etanol - nước hỗn hợp tác nhân tách (etylen glycol + KAc) 114 KẾT LUẬN 119 ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 120 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHỤ LỤC……………………………… … …… ……………………… …129 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ thiết kế trình tách phương pháp chưng cất tăng cường [12] Hình Sơ đồ lựa chọn tác nhân tách cho chưng cất trích ly dựa theo độ chọn lọc  giới hạn Sij [17] Hình Sơ đồ thuật tốn xác định thơng số mơ hình cân pha NRTL …33 Hình 2 Đồ thị thể cân pha lỏng – lỏng theo thơng số khác mơ hình cân pha NRTL Hình Đồ thị thể cân pha lỏng – lỏng điểm đẳng phí dự đốn theo mơ hình cân pha NRTL sử dụng thông số mặc định phần mềm tính tốn Hình Đồ thị thể cân pha lỏng – lỏng điểm đẳng phí theo mơ hình NRTL sử dụng thơng số Keil (1992) Hình Đồ thị thể cân pha lỏng – lỏng điểm đẳng phí dự đốn theo mơ hình cân pha NRTL sử dụng thơng số Karrer (1990) 38 Hình Đồ thị thể cân pha lỏng – lỏng điểm đẳng phí theo mơ hình cân pha NRTL sử dụng thông số tối ưu 38 Hình Sơ đồ ngun lý mơ hình FLASH dùng để xác định hệ số hoạt độ      , độ chọn lọc giới hạn S  1 12 Hình Sơ đồ ngun lý mơ hình FLASH sử dụng để xác định (S/F)min Hình Mơ hình tháp chưng cất hỗn hợp nhiều cấu tử Hình Đồ thị cân pha hệ n-butan – cis-2-buten, P = atm Hình Sơ đồ hệ thống tách hỗn hợp n-butan(1) – cis-2-buten(2) trình chưng cất tăng cường sử dụng tác nhân tách axeton(3) Hình 3 Đồ thị xác định (S/F) opt theo tiêu chí tổng chi phí năm (TAC) cho trình tách hệ n-butan(1) – cis-2-buten(2) tác nhân tách axeton(3) ………….52  Hình Quan hệ TAC độ chọn lọc giới hạn S12 tác nhân tách sử dụng cho trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp n-butan – cis-2-buten (thành phần hỗn hợp đầu (1)/(2) = 50/50) Hình Đồ thị tam giác hỗn hợp axeton(1) – n-heptan(2) – benzen(3) v Hình Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu S/F đến độ bay tương đối α12 hỗn hợp axeton(1) – n-heptan(2) với tác nhân tách benzen(3) 55 Hình Sơ đồ tháp chưng cất hỗn hợp đẳng phí axeton – n-heptan sử dụng tác nhân tách benzen 56 Hình Phân bố nồng độ tháp chưng cất (thể đồ thị tam giác đồ thị vng góc) tỷ lệ S/F = 0,01 < ((S/F)min = 0,15) tỷ số hồi lưu L/F = 66, D = 90,99 kmol/h 57 Hình Ảnh hưởng tỷ số hồi lưu đến khả xuất đa trạng thái ổn định tháp chưng cất với số đĩa lý thuyết N =44 đĩa 59 Hình 10 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến tồn đa trạng thái ổn định 60 Hình 11 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến hệ số bay tương đối α12 hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách xyclohexan (S/F)min = 1,25 63 Hình 12 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến dịch chuyển điểm đẳng phí hệ etanol – nước với tác nhân tách xyclohexan 64 Hình 13 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến hệ số bay tương đối α12 hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách benzen (S/F)min = 0,6 65 Hình 14 Ảnh hưởng tỷ lệ dịng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu S/F đến dịch chuyển điểm đẳng phí hệ etanol – nước với tác nhân tách benzen 65 Hình 15 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến hệ số bay tương đối α12 hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách hexaclo-1,3-butadien với (S/F)min= 0,02 67 Hình 16 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến dịch chuyển điểm đẳng phí hệ etanol – nước với tác nhân tách hexaclo-1,3-butadien 67 Hình 17 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến hệ số bay tương đối α12 hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách 1,5diamino pentan với (S/F)min = 0,05 68 Hình 18 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến dịch chuyển điểm đẳng phí hệ etanol – nước với tác nhân tách 1,5diamino pentan 69 vi Hình 19 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến hệ số bay tương đối α12 hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách etylen glycol với (S/F)min = 0,05 70 Hình 20 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến dịch chuyển điểm đẳng phí hệ etanol – nước với tác nhân tách etylen glycol 70 Hình 21 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến hệ số bay tương đối α12 hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách dietylen triamin (S/F)min = 0,02 71 Hình 22 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến dịch chuyển điểm đẳng phí hệ etanol – nước với tác nhân tách dietylen triamin 72 Hình 23 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến hệ số bay tương đối α12 hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách glyxerol (S/F)min = 0,05 73 Hình 24 Ảnh hưởng tỷ lệ dòng tác nhân tách dòng hỗn hợp đầu (S/F) đến dịch chuyển điểm đẳng phí hệ etanol – nước với tác nhân tách glyxerol …73 Hình 25 Giản đồ tam giác hệ etanol(1) – nước(2)–– tác nhân tách(3) có nhiệt độ sơi cao (mơ hình cân pha NRTL, P = 1atm) 76 Hình 26 Sơ đồ nguyên lý hệ thống tách hỗn hợp đẳng phí etanol(1)– nước(2) – tác nhân tách(3) có nhiệt độ sơi cao 77 Hình 27 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc TAC vào tỷ lệ S/F cho trình chưng cất tăng cường hỗn hợp etanol – nước tác nhân tách etylen glycol 81 Hình 28 Phân bố nồng độ cấu tử pha lỏng tháp T1 T2 để tách hỗn hợp đẳng phí etanol - nước sử dụng tác nhân tách etylen glycol 82 Hình 29 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc TAC vào tỷ lệ S/F cho trình chưng cất tăng cường hỗn hợp etanol – nước tác nhân tách glyxerol 85 Hình 30 Phân bố nồng độ cấu tử pha lỏng tháp T1 T2 hệ etanol - nước – glyxerol 86 Hình 31 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc TAC vào tỷ lệ S/F cho trình chưng cất tăng cường hỗn hợp etanol – nước tác nhân tách 1,5-diamino pentan 89 vii S/F=0,5; D=94 kmol/h Block B3: Composition Profiles Liquid mole fraction ACETO-01 fraction Liquid mole fraction N-HEP01 Liquid mole fraction BENZE-01 Mole 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Stage 41 42 4344 56 S/F=0,5; D=95 kmol/h Liquid mole fraction ACETO-01 Mole fraction Block B3: Composition Profiles 0.0 Liquid mole fraction N-HEP01 Liquid mole fraction BENZE-01 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 4344 Stage 57 S/F=1,0; D=85 kmol/h Block B3: Composition Profiles Mole fraction Liquid mole fraction ACETO-01 Liquid mole fraction N-HEP01 Liquid mole fraction BENZE-01 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 4344 Stage 58 S/F=1,0; D=87 kmol/h Block B3: Composition Profiles Liquid mole fraction ACETO-01 Liquid mole fraction N-HEP-01 Liquid mole fraction BENZE-01 Mole fraction 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 4344 Stage 59 S/F=1,0; D=89 kmol/h Block B3: Composition Profiles Liquid mole fraction ACETO01 Liquid mole fraction N-HEP01 Mole fraction Liquid mole fraction BENZE-01 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Stage 60 38 39 40 41 42 4344 S/F=1,0; D=90 kmol/h Block B3: Composition Profiles Liquid mole fraction ACETO01 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Mole fraction Liquid mole fraction N-HEP01 Liquid mole fraction BENZE-01 Stage 61 38 39 40 41 42 4344 S/F=1,0; D=90,9 kmol/h Block B3: Composition Profiles Liquid mole fraction ACETO-01 Mole fraction Liquid mole fraction N-HEP01 Liquid mole fraction BENZE-01 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Stage 62 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 4344 S/F=1,0; D=92 kmol/h Block B3: Composition Profiles Liquid mole fraction ACETO-01 Liquid mole fraction N-HEP01 Liquid mole fraction BENZE-01 Mole fraction 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 2930 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 4344 Stage 63 S/F=1,0; D=94 kmol/h Block B3: Composition Profiles Liquid mole fraction ACETO-01 Mole fraction Liquid mole fraction N-HEP01 Liquid mole fraction BENZE-01 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Stage 42 4344 64 S/F=1,0; D=95 kmol/h Block B3: Composition Profiles fraction Liquid mole fraction ACETO-01 Liquid mole fraction N-HEP01 Liquid mole fraction BENZE-01 Mole 0.0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 Stage 42 4344 65 ... trở lại tháp chưng cất tăng cường cấu tử hỗn hợp cần tách tách tháp chưng cất riêng biệt 1.1.3 Lựa chọn trình tách cho hỗn hợp đẳng phí, hỗn hợp khó tách Tách hỗn hợp đẳng phí hỗn hợp cấu tử có... quan phương pháp tách hỗn hợp đẳng phí 1.1.3 Lựa chọn q trình tách cho hỗn hợp đẳng phí, hỗn hợp khó tách 1.1.4 Tầm quan trọng vấn đề lựa chọn tác nhân tách 1.1.5 Tóm tắt lịch sử trình chưng. .. chí lựa chọn tác nhân tách cho trình chưng cất tăng cường 1.2.1 Các tiêu chí lựa chọn tác nhân tách Việc lựa chọn tác nhân tách thường dựa hai yếu tố: khả tăng cường trình tách thuận lợi q trình