Bài tập hóa kỹ thuật: Phần 1

Tài liệu Bài tập hóa kỹ thuật phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Kỹ thuật tách chất; Các phương pháp cơ học tách chất; Các phương pháp nhiệt tách chất; Giới thiệu về kỹ thuật tiến hành phản ứng; Những vấn đề động học ứng dụng trong kỹ thuật tiến hành các phản ứng đồng thể; Giới thiệu chung về tính toán trong các thiết bị phản ứng;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

NGUYEN DIEM TRANG

HA SY UYEN

PHAM HUNG VIET

Phạm Nguyên Chương (Chủ biên), Trần Hỏng Côn, Nguyễn Văn Nội, Hoa Hữu Thu, Nguyễn Diễm Trang,

KHKT-02

LỜI NÓI ĐẦU

Món học Hoá kỹ thuật cơ sở đã dược đưa vào chương trình giảng dạy hon 20 nam qua tại Khoa Hoá, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Tài liệu dùng cho sinh viên học món học này trước dây là cuốn Giáo trình Hoá kỹ thuật eơ sở, xuất bản năm: 1980 do tác giả Nguyễn Xuân Dũng, Phạm Nguyên Chương và Nguyễn Bích Hà biên soạn San thời gian đó, dựa trên những kinh nghiệm tích lu§ được trong quá trình giảng dạy cũng như sự phát tiển của ngành Công nghệ Hoá học, cuốn Hoá kỹ thuật cơ

sở dã được tập thể cán bộ giảng dạy Bộ món Công nghệ Hoá học biên

oan lai,

có sửa chữa bở xung và nâng cao nhằm phuc vụ cho việc đào tạo cử nhân khoa học ngành Hóa học trong giai đoạn mới

Giáo trình Hoá kỹ thuật biên soạn lắn này gồm lai cuốn

Cuốn 1: Hoá kỹ thuật

Cuốn 2: Bài tập Hoá kỹ thuật

Giáo trình này dùng để giảng dạy cho xinh viên năm thứ ba ngành Hoá học, hệ dào tạo cử nhân khoa học Hoá học

Cuẩn "Hoá kỹ thuật" được biên soạn gỏm bốn phần

Phẩm I: Kỹ thuật tách chất (30 tiẻt)

Phản II: Kỹ thuật tiến hành phảm ứng (30 tiết)

Phân IHI: Kỹ thuật vô cơ (1Š tiết)

Phẩm IV: Kỹ thuật hữu cơ (15 tiết)

Phản "Ki

Uyên và Nguyễn Diễm Trang biên soạn

thuật tách chất" do các tác giả Phạm Nguyễn Chương, Hà Sỹ

Phẩm "Kỹ thuật tiến hành phản ứng" do các tác giả Nguyễn Văn Nội và Pham Hing Viet biên soạn

Phần “Kỹ thuật sản xuất các hợp chất võ cơ và hữu cơ” do các tác giả

Trang và Hoa Hữu Thu

Các tác giả võ cùng cảm ơn khi nhận được những ý kiến của đồng nghiệp và sinh viên về những thiết sót nội dung cũng như hình thức của cuốn

giáo trình

Các tác giả

MỤC LỤC

Lời nói dau

Phân I KỸ THUẬT TÁCH CHẤT

Chương 1 Các phương pháp cơ học tách chất

1.1 Các phương pháp chia nhỏ chat rin

1.2 Phân loại theo cỡ hạt

1.2.1 Phân loại theo phương pháp sàng

1.2.2 Phương pháp phân loại bằng dòng không khí (sức gió)

1.2.3 Phan loại bằng dòng,

1.3 Các phương pháp cơ học tách chất

1.3.1 Tách chất dựa vào tỷ trọng

1.3.2 Tách bằng phương pháp từ trường

1.3.3 Tách theo phương pháp điện trường

1.3.4 Tách chất theo phương pháp tuyển nổi

1.3.5 Phương pháp lọc

Chương 2 Các phương pháp nhiệt tách chất

2.1 Sấy khô chất rắn

2.1.1 Sấy khô bằng không khí nóng,

2.1.2 Sấy khô bằng phương pháp tiếp xúc

2.2 Chưng cất

2.2.1 Cột chưng cất

2.2.2 Các khả năng tiết kiệm năng lượng

2.2.3 Chưng cất hệ nhiều cấu tử

2.4.3 Các quá trình chiết lỏng - lỏng quan trọng trong kỹ thuật

2.5 Tách chất bằng phương pháp hấp phụ

2.5.1 Khái niệm chung

2.5.2 Các chất hấp phụ và ứng dụng của chúng trong công nghiệp

2.6 Tach chất nhờ màng bán thấm

2.6.1 Khái niệm chung

2.6.2 Thẩm thấu, thẩm thấu ngược và siêu lọc

Phần II KỸ THUẬT TIẾN HÀNH PHẢN ỨNG

Chương 3 Giới thiệu vẻ kỹ thuật tiến hành phản ứng,

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

3.2 Định nghĩa vẻ tốc độ phản ứng

Chương 4 Những vấn đề động học ứng dụng trong kỹ thuật tiến hành

các phản ứng đồng thể

4.1 Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ

4.1.1 Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ theo định luật

Arrhenius 4.1.2 Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ theo lý thuyết nhiệt

động học

4.1.3 Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ theo thuyết vá chạm

4.1.4 Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nhiệt độ theo thuyết trạng thái

Hóa kỹ thuật

4.2.1 Toe độ phản ứng đồng thể

4.2.2 Biểu diễn sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào nồng đó

4.2.3 Mo hinh dng hoc cho cdc phan ting khong cơ bản

4.2.4 Tìm mô hình động học cho phản ứng,

Chuớng 5 Giới thiệu chung về tính toán trong các thiết bị phản ứng

Chương 6 Tỉnh toán trong thiết bị phản ứng gián đoạn

6.1 Thiết bị phản ứng gián đoạn đẳng tích

6.1.1 Phân tích xử lý các số liệu vẻ áp suất tổng nhận được từ hệ thống

dang tich 6.1.2 Phương pháp tích phân để xử lý các sổ liệu thực nghiệm

6.2 Phản ứng có thể tích thay đổi

Chương 7 Các thiết bị phản ứng lý tưởng

7.1 Giới thiệu chung

7.2 Thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng gián đoạn

7.3 Thời gian lưu biểu kiến và tốc độ thể tích biểu kiến

7.4 Thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng liên tục

7.5 Thiết bị phản ứng ống dòng

7.6 Thời gian lưu thực t và thời gian lưu biểu kiến +

7.6.1 Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục IMR+

7.6.2 Thiết bị ống dòng PFR

Chương 8 Hệ thống các thiết bị phản ứng

8.1 Hệ thống các thiết bị ống dòng PFR mắc song song và nối tiếp

8.2 Hệ thống thiết bị phản ứng gồm các IMR có thẻ tích bảng nhau mắc nối tiếp

Phần III KỸ THUẬT VÔ CƠ

Chương 10 Kỹ thuật sản xuất các loại axit

10.1.1 Sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc 203

10.1.2 Sản xuất axit sunfuric theo phương pháp nitrozo 209

10.2.1 Sản xuất khí nitơ monoaxit và nitơ đioxit 21

10.4.1 Sản xuất axit photphoric bằng phương pháp trao đổi 220 10.4.2 Sản xuất axit photphoric bằng phương pháp nhiệt 222

Chương II Kỹ thuật sản xuất các bazơ

11.1.4 Phương pháp điện phân sử dụng catot thuỷ ngân 229

Chương 12 Sản xuất một sô muôi vô cơ quan trọng

12.2.1 Phương pháp chuyển hoá tương hỗ sản xuất sođa 241 12.2.2 Phương pháp chuyển hoá tương hỗ sản xuất kali nitrat 250

12.2.3 Phương pháp chuyển hoá tương hỗ sản xuất amoni sunfat 251

12.2.5 Phương pháp trung hoà sản xuất amoni nitrat 254

12.3 Phương pháp oxy hoá điện hoá sản xuất một số muối vô cơ 265

Chương 13 Sản xuất một số vật liệu silicat và vật liệu kết dính

Phần IV KỸ THUẬT HỮU CƠ

Chương 14 Dâu mỏ và lọc - hóa dâu

14.1 Dầu mỏ và các sản phẩm chính của nhà máy lọc - hoá dầu 283

Chương 15 Chê biển đâu mỏ bằng các phương pháp dùng xúc tác

15.1.2 Cac phan ting xay ra trong cracking xtic tic 296

Chương 18 Các phương pháp tổng hợp làm tăng chỉ số octan của xàng

Chương 20 Than và các phương pháp chế hoá than

Hóa kỹ thuật lI

Chung 21 Kỹ thuật tổng hợp hữu co từ các nguôn nguyên liệu thực vật

Phần I

KỸ THUẬT TÁCH CHẤT

7 Be SỐ có 7 7

Chương 1

CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC TÁCH CHẤT

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHIA NHỎ CHẤT RAN

Các phản ứng hóa học xảy ra ở pha di thể, ví dụ: như giữa chất rắn với chất lỏng

giữa chat ran v6i khí, giữa chất lỏng với khí hoặc hơi được tiến hành nhanh và liên tục

tuỳ theo diện tích bẻ mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng với nhau, tốc độ phản ứng ở

đây tý lệ với điện tích bể mặt của các chất tham gia phản ứng, do đó việc làm tang bé

mật tiếp xúc là rất cần thiết (bằng cách chia nhỏ chất rán nhờ tác động của lực cơ học)

Mục đích của việc chia nhỏ chất rắn nhằm:

L) Chuẩn bị nguyên liệu cho quá trình tách chất 2) Chuẩn bị nguyên liệu cho các phản ứng hóa học

3) Tạo ra các hạt chất rắn có kích cỡ theo yêu cầu chất lượng của sản phẩm cuối

Quá trình chia nhỏ chất rắn ở đây cần lưu ý đến độ cứng của nguyên liệu và độ

chia nhó của chất rần

Tuỳ theo yêu cầu của độ chia nhỏ, người ta sử dụng các phương pháp công nghệ

thích hợp như đập nghiền, cất v.v

Độ cứng ở đây chính là độ cản chống lại của vật thể này lên một vật thể khác khi

tac dung vào nhau

Độ chia nhỏ ø được

xác định bởi tỷ lệ của 2 > ee

đem chia nhỏ D và đường 1 3

D: duimg kinh hat nguyén — Hinh 1-1 Mo ta eae lực cơ hoc ding dé chia nhỏ chất rán

và được thực hiện nhờ các máy đập, máy xay, máy nghiên

khi chia nhỏ

: Javeng nạp nguyên liệu

2 trục quay dich chuyển nhờ lò xo

Đường nạp nguyên liệu

Các thiết bị nghiền và ép:

3 vòng bì treo ; 4 cơ cẩu cam

Chuyển động của bi cho thiết bị nghiền bi:

3) nghiền thô b) nghiền tỉnh

Hình 1.1 Mô tà các lực cơ học dùng để chia nhỏ chất rán và được thực hiện nhờ

các máy đập, máy xay, máy nghiền (tiếp theo)

Hóa kỹ thuật 7 _ 17

Máy dập búa đẻ đập những tảng nguyên lieu có kích cỡ từ 0.2 đến 1.5 m thành những hạt cỡ từ 25 đến 350 mm Máy đập búa phục vụ cho việc đập thô các tảng nguyên liệu lớn công suất máy có thể đạt từ 5 đến 1200 tần/giờ

Máy xay trục lần dùng xay các hạt nguyên liêu có kích cỡ từ 100 đến 350 mm thành các hạt có cỡ từ 15 đến 80 mm, công suất đạt từ 50 đến 1200 tấn giờ

Máy nghiên bị có khá năng nghiền hạt nguyễn liêu từ 20 đến 30 mm thành hạt sản phẩm nhỏ hơn 0,1 mm, công suất máy dạt từ 2 đến 60 tăn/giờ

Trong tất cả các phương pháp chia nhỏ chất rắn người ta tiến hành gia công ở dạng khô Máy nghiền bi có thể nghiền ướt nguyên liệu cần nghiền được tạo huyền phù với nước và được nghiền nhỏ nhờ những quả cầu bảng sứ hoặc bảng thép không nhiễm

từ người ta cũng có thể tăng hiệu suất nghiền bàng cách cho thêm chất trợ nghiền

Đổi với các nguyên liệu khi chia nho bị ảnh hưởng tới chất lượng vì nhiệt độ tăng trong quá trình gia công, người ta tiến hành phương pháp nghiền lạnh để loại trừ khả năng sinh nhiệt cũng như khả năng bay hơi của các chất thơm như cà phê v.v

1.2, PHAN LOAI THEO CO HẠT

Sau khi đập, xay, nghiền ta thu được một hỏn hợp các hạt sản phẩm có kích cỡ

khác nhau Quá trình phân loại dựa theo kích thước hình học của hạt hoặc tách các cấu

tử dựa theo tính chất vật lý để phục vụ cho việc tách hỏn hợp trên thành từng loại hạt có

kích cỡ đẻu nhau

Dùng phương pháp phản loại bằng sàng và tách loại bang dong khong khí cho các sản phẩm gia công khô và dùng phương pháp phân loại bảng đồng và xiclon thuỷ lực

cho các sản phẩm gia công ưới

1.3.1 Phân loại theo phương pháp sàng

Việc tách các hạt chất rắn có cùng kích cỡ hình học nhờ các tấm đáy sàng có kích thước lỗ khác nhau, sàng rung đông để cho các hạt có đường kính nhỏ hơn lỗ sàng chui qua còn các hạt có

giữ lại Phương pháp

phân loại theo sàng thích

Hinh 1.2 Thiét bi sang:

a) sàng lưới: b sàng 70Ing Đằng iệrgtừ——-

THỨ VIÊN |

Hình 1.2 mô tả thiết bị phân loại theo sàng Tuỳ theo cau trúc sàng, các hạt

chuyển động theo hình tròn hay hình elip hay chuyển động thẳng

1.2.2 Phương pháp phân loại bằng dòng không khí (sức gió)

Phương pháp này dược ứng dụng cho phân loại hạt khỏ (độ ẩm dưới 5 + 6%),

các hạt có đường kính từ 3 mm đến 10 mm Độ lớn của hat phân loại được điều chỉnh:

theo độ thổi mạnh của dòng không khí Thiết bị phân loại bằng sức gió tương tự như máy quạt thóc để tách loại hạt lép, hạt may

Hình 1.3 mô tả thiết bị tách bằng sức gió Các thiết bị này bao gồm các bộ phận: nguồn tạo ra luồng gió, buồng nạp nguyên liệu, buồng hứng hạt nặng, hứng hạt nhẹ và

Hinh 1.3 Thiết bì tách bằng sức gió:

1) buồng nạp nguyên liệu: 2) trục điểu chinh cho nguyên liệu vào: 3) buồng thồi

4) nguồn tạo ra luồng gid: 5) buồng hứng hat nang: 6) buồng tách: 7) xiclon:

8) buồng hứng hạt nhẹ: 9) thiết bị khử bui và xả khí

Các hạt có độ lớn khác nhau dưới tác động của các lực sẽ có các đường chuyển

động khác nhau Lực tác động ở đây là lực cản, lực trọng trường, lực ly tâm, lực quán

trong đó V: thể tích của quả cảu (hạt): 2: độ nhớt của chất lỏng;

Ø : tỷ trọng của chất lỏng; w : tốc độ của quả cầu rơi;

ø : gia tốc trọng trường; + : bán hính quả cầu;

áp dụng theo định luật Stockes trong vùng mà chỉ số Reynolds_&e < 0,6

Phương pháp phân loại bằng dòng dùng cho các hạt có kích cỡ dưới l mm

Hình 1-4 Mô tả các thiết bi phân loại bàng dòng:

a) Thiet bi phan loại kiểu nằm ngang: b) Thiết bi phan loại kiểu thẳng đứng:

1) hồn hợp đầu: 2) hạt tỉnh: 3) hạt thô 1) hồn hợp đâu; 2) hạt tỉnh: 3) lưới sit;

4) đường dẫn nước vào: 5) hat tho,

Ngày nay trong công nghệ hóa học người ta thường dùng máy phân loại dòng kiểu ly tâm ướt Các hạt nặng rơi xuống phía dưới còn các hạt nhẹ sẽ theo dòng hướng

lên phía trên và tràn ra ngoài

Hình I.S Xiclon thuỷ lực : ) So dé xiclon thuỷ lực

b) Tương quan dòng trong xiclon thủy lực

©) Ống phun của xiclon thủy lực

Các hạt chất rắn được tách loại theo các tính chất vật lý khác nhau: như các

phương pháp tỷ trọng, phương pháp từ, phương pháp điện và phương pháp tuyển nổi

1.3.1 Tách chất dựa vào tỷ trọng

Phương pháp này được tiến hành nhờ có sự khác nhau rất lớn về tỷ trọng của các

cấu tử cần tách trong hỗn hợp chất rắn, người ta thường ứng dụng trong tách ướt nên

phương pháp này còn gọi là phương pháp chìm nổi

Các cấu tử có thể tách ra khỏi nhau một cách dễ dàng nếu ta cho thêm vào một

dung dịch chất lỏng có khối lượng riêng nằm giữa tỷ trọng của hai cấu tử cần tách Các

dung dịch huyền phù có hạt rất mịn của các chất có tỷ trọng lớn cần được điều chế để tỷ trọng riêng của chúng nằm giữa tỷ trọng của quặng và tỷ trọng chất rắn cần tách Các

dung dịch huyền phù này được gọi là chất lỏng nặng

Ví dụ ta có dung dịch huyền phù và ferrosilic trong nước, tỷ trọng ø= 6,7 g/cm`,

Dung dịch huyền phù Barytin trong nước có ø= 4,3 đến 4,7 g/cm`,

Dung dịch huyền phù cát thạch anh trong nước có = 2,6 g/cm`

Các dung dịch huyền phù được khuấy liên tục để không bị lắng, nó tác dụng như

các chất lỏng đồng thể

Trong phòng thí nghiệm thường dùng các chất lỏng bromoform, pentacloetan

Phương pháp tỷ trọng được ứng dụng đầu tiên để tách than đá khỏi đá quặng.

Hóa kỹ thuật 2I

“Than đá có tỷ trọng là 1,4 g/cm` đá quặng có tỷ trọng là 2,6 g/cm`, nếu ta cho

vào hón hợp trên một dung dịch huyền phù có tỷ trong là 2 g/cm` thì hai loại đó sẽ tách

ra khỏi nhau đễ dàng,

Cần phải thu hỏi chất lỏng nặng sau khi tách loại Các hạt mịn nhỏ của chất lỏng

nàng bám vào hạt chất nổi à chất chìm, nếu các hạt này khong c6 tir tinh ví dụ như: đất

đá cát thì ta có thể dùng nước rửa sạch dé tách chúng ra, còn trường hợp hạ

ilic thì dùng phương pháp từ tính để lấy ra Các hạt cấu tử cản tách ở đây có giới hạn kích thước không được nhỏ hơn 3 5 mm do tỷ trọng chất lỏng nặng dùng là cao nên tốc độ chìm lắng rất nhỏ

4) Sơ đồ máy tách loại hình trống: b) Sơ đỏ quá trình tách bằng

1) đường nạp của hỗn hợp đầu; phương pháp tỷ trọng:

2) đường nạp của chất lòng nặng: 1) đường nạp hỗn hợp dầu:

3) đường ra của hạt nhẹ: 2) đường ra của hạt nh

4) đường ra của hạt nặng: 3) đường ra của hat năng:

5) động cơ điện: 4) lưới đỡ,

6) cánh khuẩy, 5) dòng nước thụ hồi

1.3.3 Tách theo phương pháp điện trường,

Phương pháp này được tiến hành nếu trong hỗn hợp tách có chứa các hạt chất rắn

có khả năng dẫn điện và hạt không dẫn điện (có độ dẫn điện riêng nhỏ hơn 10'`

© 'em `) quan trọng ở đây là làm thế nào để tích điện khác dấu cho các hạt cần tách

Hình 1.7 Mô tả các thiết bị phản loại bằng từ:

a) Thiet bi tách loại khô hình trống: b) Thiết bị tách loại ướt

1) đường nạp nguyên liệu: 1) đường nạp nguyên liệu:

2) hệ thong nam cham; 2) hệ nam cham:

3) hệ thống trống quay theo chiều mũi tên; 3) trống quay theo chiều mũi tên;

4) tấm vách ngàn có thể diều chỉnh được; 4) hạt không nhiễm từ:

5) hạt có tir tinh: 5) hạt có từ tính:

6) hạt không có từ tính 6) đường tràn nước

Tích điện cho hỗn hợp chất rắn:

Việc tích điện cho các hỗn hợp chất rắn được thực hiện qua hệ phân cực tiếp xúc,

qua cọ xát và trong điện trường phát quang Khi cọ xát hai vật có độ dẫn diện khác nhau

thì có thể tích điện khác nhau cho chúng, chất rắn nào có hằng số điện môi cao hơn sẽ

tích điện dương, chất nào có hằng số điện môi thấp hơn sẽ tích điện âm (theo nguyên lý

Cohen)

Tích điện trong điện trường phát quang do sự phóng điện trong chất khí, các ion

khí sẽ có cùng dấu như điện cực phát quang, các ion khí này sẽ tích điện cho các tiểu

phân chất rắn

Khi đưa một hỗn hợp tách qua một trục quay là điện cực dương và được nối với

đất Còn điện cực đối diện là điện cực âm thì các chất không dẫn điện chỉ bị phân cực và

bám dính vào trục quay, các chất dẫn điện sẽ tích điện dương và bị đẩy khỏi trục quay

Hình 1.8 Thiết bì mô tả phương pháp phân loai bằng dien trường (tích điền cho các hạt chất ran

theo phương pháp phản cực tiếp xúc):

1) đường nạp nguyên liệu: 4) bỏ phản cần gạt hạt không dân diện:

2) điện cực đương là trục quay: 5) hạt đân điện:

3) điền cực âm đối điện với trục qua 6) hạt không dân điện

1.3.4 Tách chất theo phương pháp tuyển nổi

Phương pháp tuyển nổi dùng để tách hỏn hop chat ran hạt mịn và rất mịn dựa trên tính ky nước của bề mặt một trong các chất này

Khi huyền phù hóa hỗn hợp chất rắn và thổi vào dung dịch những bong bóng không khí nhỏ thì các tiểu phân chất rắn ky nước sẽ di lên phía trên theo bọt không khí, còn các tiểu phân chất rắn không ky nước sẽ chìm xuống đáy Trước khi tuyển nổi hỗn

hợp chất rắn được đem nghiền nhỏ sau đó đem huyền phù trong nước và trộn với hóa

chất có tính hấp phụ trên bề mat của một trong các cấu tử của hôn hợp Trên bề mat của hạt cấu tử này bị phủ toàn bộ hoặc một phần chất tuyển nổi do đó các tiểu phân này trở

nên ky nước và háo không khí Hoá chất ky nước này gọi là chất thu góp

Chất tạo bọt có tác dụng làm bền bọt khí trong quá trình tuyển nổi

Người ta chia chất tuyển nổi thành ba nhóm: chất thu góp, chất tạo bọt và chất

điều chỉnh

Chất thu góp thường được dùng là các hợp chất hữu cơ có chứa một nhóm ưa nước (phản lớn là nhóm ion) và một gốc hydrocacbon (nhóm ky nước) Nhóm ưa nước

có thể là anion hoặc cation, ta gọi là chất thu góp hoạt tính hoặc hoạt tính cation

Chọn chất thu góp có ý nghĩa quan trọng trong quá trình tuyển nổi, người ta đã

biết một số chất hữu cơ làm chất thu góp thích hợp cho một nhóm khoáng xác định

Các ankylamin bậc nhất có độ dài mạch khác nhau dùng để tuyển nổi muối

khoáng sylvin từ hôn hợp các clorua và sunfat kim loại kiềm và kiểm thổ Quá trình

tuyển nổi còn phụ thuộc vào các yếu tố như độ bazơ, tỷ trọng của huyền phủ, nhiệt độ vav Các bọt khí ở đây có vai trò rất quan trọng, nó phải có độ lớn xác định tuỳ theo

khoáng cản tuyển nổi, bọt khí phải bén, không được vỡ hoặc kết hợp với nhau, nếu

không sẽ làm chìm lại các phần khoáng đã nổi lên phía trên

Chát thú góp — | Xanthogenat Cacboxylat Ankylsunfat Ankylsunfonat

Chải thu góp — | Ankylamin bác 1 | Ankylamin bác 2 | Ankylamin bạc 3 | Ankylamin bác 4 hoat tinh cation |g nut! R,-NNS R.-NH* RN

Chất tao bọt ở đây thường là phenol, rượu béo hoặc xuất tecpen

Chất điều chỉnh nhằm giúp cho chất tạo bọt tăng khả năng ky nước của chát thu

góp tuỳ theo iừng loại của cấu tử cần tuyển nổi

Chất tạo bọt cũng là một hợp chất hoá học có hoạt tính bẻ mặt, nó làm giảm sức

cảng bề mặt của nước nằm ở bề mặt phân chia giữa nước và không khí

Phương pháp tuyển nổi trên được sử dụng hầu hết cho khoáng nặng, 90% khai thác mỏ quặng sunfua của chì, kẽm, đồng trên thế giới đều ứng dụng phương pháp này

Hình 1.9 Mo tả sơ đồ thùng tuyển nổi:

1) máy khuấy để hút không khí và dịch tuyển nổi: 2) trục giữa đản khí:3) lưới 4) thiết bị gat bot: 5) đường din dong chảy của chất tạo bọt và các hạt khoáng ky nước

Hình 1.10 Sơ đó các quá trình tuyển nỗi bao gom: tuyển thô, tuyển tình

và tuyển thu hỏi:

a) dong chat trong quá trình tuyển nổi: b) sơ đồ khối của thiết bị tuyển nổi

lớp lọc phụ (lọc bánh) Nếu chất rắn ở dạng thô, cứng không bị ép lại khi áp suất tầng thì quá trình lọc sẽ nhanh hơn, vì có khoảng trống để chất lỏng đi qua và chảy xuống phía

dưới Bản chất của chất lỏng cũng ảnh hưởng tới quá trình lọc do sức cảng bẻ mật và độ

Ap : áp suất lọc (hiệu của áp suất trên và dưới màng loc), bar;

nị : độ nhớt của

Phương trình (1.8) dé xác định các đại lượng @ va B

Vật liệu dùng làm màng lọc có thể là khăn vải, lưới đệt sợi tổng hợp, sợi thuỷ

tỉnh, dây kim loại, các tấm lỗ xốp bằng nhựa tổng hợp, lớp lỗ xốp bằng kim loại, bảng

gốm sứ hoặc trong các trường hợp đặc biệt vật liệu lọc làm bảng các lớp cát, lớp sỏi, đá

đăm hoặc than hoạt tính (ví dụ trong lọc trong nước sinh hoạt)

“Trong kỹ thuật người ta thường sử dụng các máy lọc ly tâm, lọc áp suất và lọc hút chân không

Máy lọc hút chân không được trình bày ở hình I.1a Đây là thiết bị lọc hút chân không hình trống có chia nhiều ngãn với đường kính tới 3 m và diện tích lọc tổng cộng

100 mổ 1/3 trống được dat chim vào dung dịch huyền phù cần lọc Bé mat trống được

căng một tấm sàng lỗ để làm đế giữ lớp màng lọc Bên trong trống được chia làm nhiều

ngăn Trống quay nhờ bộ điều khiển chương trình mà lần lượt các ngăn được vận hành theo chu kỳ với bộ phận hút chân không, bộ phận phun hơi nước hoặc khí nén Nhờ vậy

các quá trình lọc, hút khô, rửa bánh lọc, thổi khí nén và tái sinh lại màng lọc bằng hơi

nước được tiến hành

Hoa ky thuat 27

Viéc tao chân không nhờ các thiết bị bơm hút và được trình bay 6 hinh 1.1 1b

thứ hai

Viing lấy bã lọc ra 'Vũng làm khô lần

Chế dế trên

Hình 1.11a Phương thức làm việc của máy lọc chân không hình trống có nhiều ngàn:

1 trồng lọc: 2 bã lọc; 3 đây nổi giữa trống lọc và bộ điều khiển: 4 bộ điều khiển; 5 đường ra của khí nén từ bộ diều khiển: 6 đường ra của hơi nước từ bộ điều khiển; 7 bô phân nối với chân không của bộ

điểu khiển: 8 bể đưng dung dịch cần lọc: 9 bộ phận khuấy chống lắng

Hình 1.11b Sơ đồ thiết bị lọc chân không hình trống có nhiều ngân

1 bể đựng dung địch; 2 bơm tuần hoàn: 3 thiết bị lọc; 4 dịch lọc ; 5 đường ra của địch lọc:

6 bộ phân ngưng tụ: 7 đường ra của bộ phận ngưng tụ

29

Chương 2

CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỆT TÁCH CHẤT

2.1 SAY KHO CHAT RAN

Quá trình sấy khô chất rán là quá trình tách chất lỏng (phản lớn là nước) liên kết

trên bẻ mật hoặc trong ống mao quản, trong mạng lưới tinh thể của chất rắn Sau đây là

hai phương pháp chủ yếu sấy khô chất rắn trong kỹ thuật

2.1.1 Sấy khô bằng không khí nóng,

Theo phương pháp này, người ta cho chất ran cần được sấy khô tiếp xúc với dong không khí nóng chứa lượng hơi nước ít hơn so với giá trị bão hòa Không khí nóng sẽ nhận hơi nước từ chất rắn cần làm khô và bị nguội đi vì mất nhiệt để hóa hơi nước Vì không khí bị nguội đi nên giá trị bão hòa của hơi nước (áp suất của hơi nước) bị giảm Quá trình làm khô sẽ dừng lại khi thành phần của hơi nước trong không khí đạt tới giá

trị bão hòa

của chất lỏng trong các lỗ mao quản nhỏ hơn so với áp suất hơi của chất lỏng trên bể mặt lớn Ngoài ra, vì phải khuếch tán ra từ các lỗ mao quản nên tốc độ hóa hơi bị giảm

Biểu diễn hàm lượng nước còn lại trong chất rắn cản làm khỏ theo thời gian ta thấy, sau khi tách nước trên bể mặt có xuất hiện điểm gãy phản chia hai giai đoạn làm khô Ở giai đoạn làm khỏ thứ hai, tốc độ làm khô nhỏ hơn so với ở giai đoạn làm khô thứ nhất Tốc độ làm khô giảm theo hàm lượng nước trong chất rắn giảm vì sự làm khô xảy ra ở các lỗ mao quản ngày càng nhỏ hơn Sau đây chúng ta xem xét một số thiết bị

sấy khô trong kỹ thuật

Hầm sáy: Chất rắn cần làm khô được chất trên các xe đẩy hoặc bảng chuyển đi qua hầm sấy Không khí nóng được thổi vào hầm theo hướng cùng chiều ngược chiều

ngược chiều của chất

rắn và không khí nóng chỉ được thực hiện khi chất rắn cần làm khô hoàn toàn bẻn nhiệt Đối với các chất rắn hữu cơ như polyme tổng hợp hoặc các sản phẩm nông nghiệp, độ bền nhiệt và bẻn oxy hóa chỉ giới hạn khoảng trên 100*C, vì vậy không thể sấy khô chúng bằng không khí nóng có nhiệt độ lớn hơn 200°C Ở trường hợp này, người ta tiến hành sấy khô theo phương pháp dòng cùng chiều

t rắn Việc

hoặc vuông góc so với hướng chuyển động của c

Sử dụng hảm sấy có nhược điểm là trong quá trình sấy chất rắn không được đảo

trộn và do vậy bề mật sấy của nó không được đổi mới

Băng sấy: Chất rắn cần làm khô được đảo trộn khi chuyển từ băng này sang bãng khác, do đó các tiểu phân chất rắn cẩn làm khô luôn được tiếp xúc lặp di lặp lại với

lắp gọn hơn

không khí nóng Băng sấy có ưu việt hơn hầm sấy ở chỗ xã

Lò sáy tầng: Chất rắn cần làm khô được đưa vào tầng trên cùng và được đảo trộn

nhờ các răng cào gắn với cánh tay đòn và gắn vào trục trung tam quay Rang cào còn

đảm nhiệm cả việc chuyển chất rắn xuống tầng dưới Tùy theo độ bền nhiệt của chất rắn cần làm khô mà người ta dẫn không khí nóng vào lò sấy theo hướng cùng chiều hoặc ngược chiều

Trống sáy: Sử dụng trống sấy thích hợp với các mẻ sấy lớn Trống sấy là một ống dài chuyển động quay xung quanh trục của nó, có xây lắp bên trong ống để tạo sự đảo trộn rất tốt chất rắn cần làm khô Ở đây chất rắn được sấy bằng không khí nóng

Hình 2.2 Các khả năng có tính chất nguyên tắc tiền hành liên tục sấy khô bằng khỏ khí nóng Ï :

a) hầm sấy; b) băng sấy: c) lò say tang

— +)

Hình 2.3 Các khả năng có tính chất nguyên tac để tiến hành

liên tục sấy khô bằng không khí nóng II:

a) trống sấy; b) sấy dong

“Tất cả các thiết bị làm khô chất rắn bằng không khí nóng đã nói ở trên chỉ được

dùng khi chất rắn cần làm khô ở dạng các hạt nhỏ Để làm bay hơi dung dịch có chứa

làm bay hơi dung dịch huyền phù, đồng thời với việc làm khô chất rắn còn

lại người ta dùng thiết bị sấy phun

chất tan hoạ

Hình 24 Sấy phun gồm miệng phun xielon và lọc öng

Say phun: Dung dịch hoặc huyền phù được phun qua một miệng quay trong

dòng không khí nóng, như vậy nước sẽ bay hơi và chất rắn còn lại được sấy khô Người

ta tách các tiểu phản chất rắn đã khô khỏi dòng không khí nhờ sa lắng hoặc bằng xiclon

hoặc bằng cái lọc ống Trong kỹ thuật, người ta dùng sấy phun để sản xuất bột giặt và để

tách nhũ tương PVC,

Việc sấy khô các muối vô cơ bằng không khí nóng nhìn chung không có gì khó

khăn

2.1.2 Sấy khô bằng phương pháp tiếp xúc

Trong phương pháp sấy khô tiếp xúc, người ta đưa chất rắn cần làm khô tiếp xúc với bể mặt đốt nóng

Do sự truyền nhiệt đến các lớp chất rắn tiếp theo rất kém nên việc làm khô tốt chỉ có thể đạt được khi bé mặt đốt nóng có nhiệt độ cao và lớp cl

hoặc thường xuyên đảo trộn để đổi mới lớp chất rắn tiếp zúc với bẻ mặt đốt nóng Ö phương pháp sấy khô tiếp xúc có thể tiến hành sấy trong chân không và có thể thu hồi

it rắn sấy phải nóng

dung môi thoát ra trong quá trình sấy.

33

Ea

Hinh 2.5 Các khả năng có tính chất nguyễn tác tiến hành liên tục

sấy khó bằng phương pháp tiếp xúc:

a) may làm khô bảng trục quay (được gia nhiế! bảng điền hay hơi nóng):

b) máy làm khô bằng phương pháp cào xoán (trục ruột máy và vỏ được gia nhiệt bằng điện hay hơi nóng)

2.2 CHUNG CẤT

2.2.1 Cột chưng cất

Để tách chất bằng phương pháp chưng cất, thông thường người ta phải sử dụng

cột cất có chứa các đĩa (đĩa chuông, đĩa râ hoặc chứa các chất nhồi cột Các đĩa

hoặc chất nhỏi cột có nhiệm vụ làm để dàng cho sự trao đổi chất giữa pha hơi đi lên

trong cột và pha lỏng chảy từ trên xuống Quá trình trao đổi chất có tính quyết định đến

J

Sa phẩm, Sia phẩm đầu cặc đây cột

Hình 2.6 Sơ đỏ cột cất làm việc liên tục

ay

Dem nạp hỏn hợp ban đầu đã được đun nóng trước tới sói liên tục vào khoảng giữa cột Cung nhiệt tại đáy cột để hóa hơi hỗn hợp cán tách Õ đầu cột có láp thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ làm ngưng tụ hơi của cấu tử dễ bay hơi ở đảu cột Một phản

chất lỏng ngưng tụ được dẫn hồi lưu vẻ đầu cột, phản còn lại được lấy ra và dược gọi là sản phẩm đầu cột Ở những thiết bị chưng cất lớn trong kỹ thuật, người ta không lắp thiết bị trao đổi nhiệt ở phía trên của đầu cột, theo cách lắp này, phản chát lỏng hỏi lưu

do trọng lực có thể tự chảy vẻ cột, ma lap thiết bị trao đổi nhiệt ở bên cạnh cột Sỡ dĩ vậy

là do hai nguyên nhân sau:

~ Ở các cột chưng cất lớn, thiết bị trao đổi nhiệt có khối lượng rat Ion, ma lai lap

đật nó ở phía trên đầu cột điều đó làm tốn kém do chỉ phí giá đỡ

~ Ở chưng cất cao, việc lắp đặt thiết bị trao đổi nhiệt bên cạnh cót có lợi hơn so

với lắp thiết bị trao đổi nhiệt ở phía trên đầu cột về phương diện năng lượng vì chỉ phí

năng lượng cho việc dẫn một lượng tương đối nhỏ của sản phẩm hỏi lưu vẻ đầu cột nhỏ hơn nhiều so với chỉ phí năng lượng để dẫn một lượng lớn hơn nhiều của nước làm lạnh

Ở đáy cột, người ta lấy sản phẩm ra liên tục Trong chưng cất hệ hai cấu tứ, sản

phẩm đáy cột là cấu tử khó bay hơi

Phương pháp chưng cất không cho ta sản phẩm tỉnh khiết tuyệt đối Đồi hỏi về

mức độ tỉnh khiết của sản phẩm đầu cột và đáy cột được xác định trên cơ sở của các tiêu chuẩn về mật kinh tế và kỹ thuật Mức độ tỉnh khiết của sản phẩm quyết định chỉ phí của quá trình chưng cất mà người ta phải tiến hành Ngoài ra, các dữ kiện vẻ cân bảng lỏng hơi của hệ cần tách cũng có tính quyết định về chỉ phí cho quá trình chưng cất

bang long hoi của hệ cần tách và biết đồi hỏi vẻ độ tinh khiết của sản pÏ

đáy cột, người ta có thể xác định tối ưu các thông số kỹ thuật quan trọng của quá trình

chưng cất Các thông số đó bao gồm:

~ Số đĩa lý thuyết của cột

- Bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ và bộ phận gia nhiệt ở đáy cột

2.2.2 Các khả nang tiết kiệm năng lượng

Tiêu chuẩn quan trọng nhất vẻ kinh tế của quá trình tách chất bảng phương pháp chưng cất là chỉ phí năng lượng Vẻ vấn đẻ này thường người ta nghĩ đến lượng hơi cản

Hóa kỹ thuật 35

thiết dẻ đun nóng và nước làm lạnh Chỉ phí nàng lượng lớn xuất hiện khi cản phải hóa hơi một lượng lớn cấu tử không có giá trị (ví dụ hóa hơi dung dịch nước của chất khó tan hoặc không bay hơi) hoặc khi trong quá trình chung cất tích chất nào đó cần thiết phải tiến hành với tỷ số hồi lưu lớn Đổi với hai trường hợp trên, biện pháp giải quyết trong

kỹ thuật là phải làm giảm tối đa chỉ phí hơi dun nóng và nước làm lạnh

Trường hợp phải hóa hơi dung dịch nước chứa chát tan khó bay hơi (muôi, đường ) người ta sử dụng dãy các thùng hóa hơi, trong đó đẻ đun nóng thùng thứ nhất người ta sử dụng nhiệt của hơi mới, còn thùng thứ hai sử dụng nhiệt của hơi thoát ra từ thùng thứ nhất và ở thùng thứ ba sử dụng nhiệt của hơi thoát ra từ thùng thứ hai Tất nhiẻn nhiệt độ của thùng thứ hai sẽ thấp hơn so với ở thùng thứ nhất và nhiệt độ ở thùng thứ ba sẽ thấp hơn so với ở thùng thứ hai Người ta hút hơi của thùng cuối cùng bảng cái bơm tỉa nước và ngưng tụ trực tiếp bảng hỗn hợp với nước lạnh

Trường hợp hệ tách bảng phương pháp chưng cất rất khó khăn là trường hợp điểm xôi của các cấu tử cần tách của hệ rất gần nhau, do đó để tách chúng không chỉ đòi hỏi cọt có số đĩa nhiều hơn mà còn đòi hỏi chưng cất ở tỷ số hồi lưu lớn Trong trường hợp này, để giảm nh cầu vẻ hơi đun nóng và nước làm lạnh người ta phải sử dụng nguyên lý bơm nhiệt (nén hơi) Hơi ra khỏi đầu cột được nén bằng máy nén tuabin và tại đây nhiệt độ của hơi sẽ tăng lên Hơi quá nhiệt, vì ở áp suất cao nên được hóa hơi và có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của đáy cột, vì vậy người ta sử dụng nó để đun nóng đáy cột Nhờ cách này mà tiết kiệm được hơi đun nóng và nước làm lạnh cần cho ngưng tụ hơi ở dau cột Tuy nhiên để thực hiện được điều này, người ta cũng phải chỉ một lượng tương đối nhỏ năng lượng để chạy máy nén tuabin

u cấu tử

2.2.3 Chưng cất hệ n

Dùng một cột cất, người ta chỉ có thể thu được sản phẩm đầu cột và sản phẩm

đáy cột tnh khiết khi tiến hành tách chất bằng phương pháp chưng cất của hệ gồm hai

chât, Đối với hệ gồm ba chất thì cần thiết phải dùng hai cột để thu được từng cấu tử

phẩm sườn cột này đi chế biến hoặc sử dụng luôn Nhìn chung, sản phẩm sườn cột được

dẫn vào một cột nhỏ, trong đó sản phẩm mong muốn sẽ dược lấy ra ở đầu hoặc đáy cột

nhỏ còn sản phẩm không mong muốn được dẫn ra trả lại cột chính

Hình 2.8 Hai kha nang tách bảng phương pháp chưng cất hỏn hợp ba chất (A+B+C)

Hình 2.9 mô tả sự lấy dòng chất bên sườn cột cất của pha chưng cất sơ cấp dầu

mỏ Sản phẩm lấy ra là một hỗn hợp hydrocacbon trong vùng sôi xác định Qua việc sử

ke Hơi -Xăng nặng,

Hơi Dau hod

Hình 2.9 Chưng cất dâu mỏ ở áp suất thường: thổi hơi nước và

lấy dòng sản phẩm bên suim cot

Thổi hơi nước: trong chưng cất dầu mỏ người ta thổi trực tiếp hơi nước vào cột cất Việc làm này có ưu điểm sau:

~ Truyền nhiệt của hơi nước cho sự hóa hơi của các cấu tử bay hơi trong hệ mà

không cần sử dụng bộ phận trao đổi nhiệt để đun nóng

- Qua tác dụng của hơi nước ở phản cuối cột như là khí trơ mà hơi của các cấu

tử có điểm sôi cao cũng có thể bị lôi cuốn theo tại nhiệt độ dưới điểm sôi của nó, cho nên ở phần cuối của cột có được hiệu quả giống như chưng cất trong chân không, và do vậy mà nhiệt độ phần cuối cột không cao nên tránh được khuynh hướng các cấu tử

không bay hơi chuyển sang nhựa và cốc

Tuy nhiên, việc thổi hơi nước vào cột cất chỉ tiến hành khi đồng chất lấy ra ở đầu cột gồm nước và sản phẩm mong muốn phải tách pha khỏi nhau Trong chưng cất dầu

mỏ, các hyđrocacbon sản phẩm không tan trong nước Hydrocacbon sản phẩm chưng cất

ra sẽ nằm ở lớp trên, còn nước nằm ở lớp dưới

2.2.4 Cân bằng lỏng - hơi

Để tính toán thiết kế cột chưng cất, người ta cẩn phải biết vẻ các dữ kiện cân bằng lỏng - hơi.của hệ cần tách Ở đây, chúng ta chỉ xem xét cân bằng lỏng - hơi của hệ hai cấu tử Cân bằng lỏng - hơi của nó có thể biểu diễn một cách đơn giản trên giản đồ

Còn đối với hệ nhiều cấu tử, người ta thường chỉ tính toán mà không biểu diễn trên giản

Từ giản đồ T/s, tai thành phần x xác định của pha long (x là phản số mol của cấu

tử có điểm sôi thấp), người ta có thể đọc được điểm sôi cũng như thành phần tương ứng với điểm sôi này của pha hơi

Giản đổ y/x biểu diễn thành phản của pha hơi như là hàm của thành phản pha lỏng Trong đó y là phản số mol của cấu tử để bay hơi ở pha hơi và x là phản số mol của cấu tử này ở pha lỏng Thường đường cong cân bảng lỏng - hơi uốn cong ở phía trên đường phân giác ít hoặc nhiều Đường cong cân bằng trong giản đồ y/ càng uốn sát đường phân giác thì việc tách bằng chưng cất của hệ càng khó khăn

1

Hinh 2.10 Can bang long - hoi đẳng áp của hệ nước - etylen glycol 6747 mmHg:

a) gian d6 Tix b) giản đổ yw

¬ hoi; = ~~ - ~~ ~ ~long

Hóa kỹ thuật 39

Việc tách bảng phương pháp chưng cát của hệ hai câu tử sẽ không thực hiện được khi đường cong can bàng lỏng hơi trong gián đó v/v cát đường phân giác (hình 2.11b) tuong ứng với trường hợp trên giản dó Ï'+ xuất hiện điểm sôi cực đại (hình

3.114) Cũng có mối quan hệ tương tự như vậy khi trên giản đồ 7v xuất hiện điểm sôi cực tiếu Tuy nhiên ở đây thành phản pha hơi luon năm gản thành phần của điểm đẳng

phí hơn so với thành phần pha lỏng

Hình2.1I Cân bàng lỏng - hơi đảng áp của hè HNO,- H,O ở 760 mmHg

(hé dang phi co diem soi cure dai)

a) gidn d6 Tiv —b) gidn dé yix

Từ hình 2.11 ta thấy rằng,chừng nào phản số mol x của cấu từ có điểm sôi thấp

lớn hơn so với giá trị x.ứng với điểm sôi cực dại (điểm đẳng phí) thì cấu tử có điểm sôi

thấp sẽ giàu ở pha hơi và nhờ vậy có thể chưng cát tách chất Khi phần số mol x trong pha lỏng nhỏ hơn so với giá trị x ứng với điểm đảng phí thì cấu tử khó bay hơi sẽ giàu ở pha hơi và ở trường hợp này cũng có thể chưng cất tách chất Thành phần của pha lỏng còn lại sẽ dịch chuyển mỗi lúc một gần thành phản điểm đẳng phí, và tại thành phần điểm đẳng phí thì thành phần của pha hơi giống như thành phần của pha lỏng và tại đây

việc tách các cấu tử bảng phương pháp chưng cất thông thường không thực hiện được

Moi quan hệ tương tự như vậy trong trường hợp tồn tại hệ đảng phí với điểm sôi cực

tiểu, khi đó trên giản đỏ 7/v xuất hiện điểm sôi cực tiểu

Trường hợp trong hệ bậc hai có xuất hiện hệ dẳng phí, người ta cũng có thể tách

hoàn toàn hỗn hợp bảng cách thực hiện chưng cất tiến hành ở các bậc áp suất khác nhau

vì thành phần của hệ đẳng phí phụ thuộc vào áp suất Điều này thực hiện khá tốn kém

Vi vay, người ta thường hay tách hỗn hợp đảng phí nhờ cách thêm một cấu tử thứ ba vào

hệ cần tách (gọi cấu tử thứ ba là dung môi chọn lọc),