TUÂN.doc

DO AN HOA DAU

MỞ ĐẦU

Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa và công nghệ chế biến dầu mỏ được xem như bắt đầu ra đời vào năm 1859 khi mà Edwis Drake (Mỹ) khai thác được dầu thô, lúc bấy giờ lượng dầu thô khai thác được còn rất ít nó được sử dụng làm nhiên liệu để đốt chảy thắp sáng Thế kỷ 19 dầu được coi như nguồn tài nguyên cho mọi phương tiện giao thông và cho nền kinh tế quốc dân

Hiện nay dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới Khoảng 65 ÷ 75% năng lượng sử dụng từ dầu mỏ, chỉ có 20 ÷22%.Dựa vào các quá trình chế biến như: Chưng cất, hydro crarking, reforming, ankil hoá, đồng phân hoá, polyme hoá cho ra các sản phẩm xăng, nhiên liệu phản lực dầu mỏ bôi trơn, có hiệu quả tối đa và một số sản phẩm Dầu khác như: sản phẩm năng lượng, phi năng lượng, butan, cốc và khí lỏng dân dụng, làm khí đốt và nhiên liệu

Ngày nay trên 90% sản phẩm hữu cơ có nguồn gốc từ dầu khí và tỷ lệ dầu khí sử dụng vào mục đích năng lượng sẽ giảm dần do đó dầu khí trong một tương lai lâu dài vẫn chiếm dữ một vị trí quan trọng trong lĩnh vực năng lượng và nguyên liệu hoá học

mà không có một tài nguyên thiên nhiên nào cạnh tranh nổi

Dầu mỏ là hỗn hợp phức tạp trong đó có hàng trăm hợp chất khác nhau, nhưng nguyên tố cơ bản chứa trong dầu khí phần lớn là hyđro cacbon chiếm từ 60 ÷ 90% trọng lượng trong dầu, còn lại là các chất oxy, lưu huỳnh, nước, các phức chất cơ kim, các chất nhựa, asphanten Trong khí còn chứa các khí trơ như He, Ar, Xe….Dầu mỏ là một hỗn hợp rất phức tạp gồm hyđro cacbon, khí thiênnhiên, khí dầu mỏ và các hợp chất khác như CO2, N2, H2S, He…

Dầu mỏ muốn sử dụng được rộng rãi, chưng cất sơ khai dầu, chưng cất phân đoạn Các phân đoạn thu được phù hợp cho các phương pháp chế biến khác

Đối với Việt Nam, coi dầu khí là ngành kinh tế mũi nhọn, là chỗ dựa cho ngành công nghiệp hoá, hiện đại hoá, làm đà thúc đẩy cho nền kinh tế quốc dân Đây là mũi nhọn có tính chiến lược của Việt Nam, như vậy ngành công nghiệp dầu nước ta đang bước vào thời kỳ mới, thời kỳ mà cả nước đang thực hiện mục tiêu công nghiệp hoá, hiện đại hoá chắc chắn sự đóng góp của ngành dầu khí trong công cuộc công nghiệp hoá đất nước sẽ có ý nghĩa không chỉ bằng những chỉ tiêu kinh tế cụ thể mà ngành công chế biến nghiệp mọi nhọn này còn là nguồn động viên tinh thần của đảng, toàn dân và nhất

là thành viên đang hoạt động trong ngành dầu khí, hăng hái lao động góp phần xây dựng đất nước để sau vài thập niên tới sánh vai với các nước trong khu vực và trên thế giới.

Đây không phải là vấn đề mới,trong thực tế đã có nhiều nhà nghiên cứu khoa học

đã đi sâu vào nghiên cứu nguyên lý phép chưng cất và được áp dụng vào thực tiễn mang lại hiệu quả kinh tế rất cao trong quá trình sản xuất Song vẫn còn tồn tại một số hạn chế

nhất định Chính vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1.1 Khái niệm

Chưng là phương pháp tách hổn hợp chất lỏng (cũng như các hổn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hổn hợp

Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm Thường hổn hợp có bao nhiêu cấu tử thì

có bấy nhiêu sản phẩm Đối với hổn hợp gồm hai cấu tử sản phẩm sẽ thu được:

Sản phẩm đỉnh: gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi

Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi

Thường để thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết tiến hành chưng nhiều lần – chưng luyện

Vậy “Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng

tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất

dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue)”

1.1.2 Lịch sử phát triển

Loài người từ xa xưa đã biết áp dụng nguyên lý phép chưng cất vào trong đời sống của mình như: chưng cất,chưng cất rượu, Đối với dầu khí con người biết sử dụng dầu khí đã hàng nghìn năm về trước do sự bắt cháy của dòng khí tự nhiên phụt lên theo các khe nứt của mặt đất

Người Trung Hoa đã dùng khí tự nhiên làm khí đốt vào thế kỷ thứ ba, nhưng kỷ nguyên dầu khí thực sự chỉ bắt đầu ở thế kỷ 19 Xưởng chưng cất dầu thô đầu tiên trên thế gới xuất hiện ở Capcado (Liên Xô cũ) vào năm 1821 những năm 1859 được coi là năm khởi đầu của kỷ nguyên dầu khí do khai thác được mỏ dầu Titusville (Pensylvania

ở Mỹ) cũng như việc xây dựng nhà máy đầu tiên ở đó vao năm 1890

Ngày nay, ngành công nghiệp chế biến không ngừng được phát triển với những trang thiết bị, máy móc hiện đại Đặc biệt là thiết bị của quá trình chưng cất dầu thô Từ những công cụ, thiết bị đơn giản đem lại hiệu suất kinh tế không cao đã được thay đổi bằng những thiết bị hiện đại

1.1.3 Phân loại chưng cất

a Phân loại theo áp suất làm việc:

Áp suất thấp

Áp suất thường

Áp suất cao

b Phân loại theo nguyên lý làm việc:

Chưng cất đơn giản

Chưng bằng hơi nước trực tiếp

Chưng cất

Chưng chân không

c Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:

Cấp nhiệt trực tiếp

Cấp nhiệt gián tiếp

1.2 ÁP SUẤT HƠI

1.2.1 Hiện tượng bay hơi

Mọi chất lỏng (dung dịch, nguyên chất) đều bay hơi Chỉ có các phân tử ở bề mặt chất lỏng (mặt thoáng) có năng lượng vượt trội sẽ bay hơi Trong giai đoạn đầu, tốc độ bay hơi luôn lớn hơn tốc độ ngưng tụ, sau một thời gian, một lượng phân tử hơi trong không khí đạt cực đại thì tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ bằng nhau Lúc đó, coi như

sự bay hơi không xảy ra nữa (thực tế vẫn xảy ra sự bay hơi)

Cần chú ý là hơi và khí về bản chất vật lý là giống nhau, nhưng chỉ gọi là khí khi chất

đó ở thể khí trong điều kiện thường như: O2, CO2, , còn hơi là chất có liên quan ở thể lỏng trong điều kienj thường như: H2O, C2H5OH,

1.2.2 Áp suất hơi bão hòa

Sự bay hơi và sự ngưng tụ tất yếu sẽ dẫn đến một trạng thái mà ở đó, tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ sẽ bằng nhau gọi là trạng thái cân bằng

Rõ ràng, áp suất hơi lúc đó trở nên không đổi và đạt cực đạt Áp suất đó được gọi

là áp suất hơi bão hòa của chất lỏng Vậy: áp suất hơi bão hòa của một chất lỏng là áp suất hơi riêng phần được gây ra bởi các phân tử hơi từ chất lỏng đó tồn tại trên mặtthoáng khi chất lỏng bay hơi nhiều nhất

1.2.2.1 Khái niệm về dung dịch

Pha: Là tập hợp chất đồng nhất về mặt vật lý và hóa học.ví dụ:

Không khí gồm N2, O2 và các khí khác trộn vào nhau tạo nên pha khí

Nước lỏng nguyên chất tạo nên pha lỏng

Dung dịch:

Dung dịch là một pha gồm từ hai chất tan trở lên, nồng độ có thể thay đổi Dung dịch có thể ở trạng thái lỏng (rượu, xăng, ), khí (không khí, khí tự nhiên ), hoặc rắn ( gang, vàng tây, )

1.2.2.2 Áp suât hơi bão hòa của dung dịch

Dung dịch rượu khi bay hơi cho rượu và hơi nước Hơi rượu gây ra áp suất riêng phần Prượu, hơi nước gây ra áp suất riêng phần Pnước

Do đó,áp suất hơi bão hòa của dung dịch rượu bằng tổng áp suất hơi bão hòa của hơi bão hòa riêng phần của hơi rượu và áp suất hơi bão hòa của hơi nước

Tổng quát: Áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng tổng áp suất riêng phần của các hợp chất P = ∑Pi

1.2.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến áp suất hơi bão hòa.

Nhiệt độ:

Nhiệt độ có ảnh hưởng rất mạnh đến áp suất hơi bão hòa Khi tăng nhiệt độ, các phân tử ở thể lỏng có năng lượng tăng, kích thích các phân tử lỏng bay nhiều hơn

Do đó, khi nhiệt độ tăng thì áp suất hơi bão hòa tăng rất mạnh

Bảng 1.1 Cho thấy áp suất hơi bão hòa tăng nhanh theo nhiệt độ

- Nồng độ: Xét pha lỏng ở dạng dung dịch Ta gọi các chất tạo ra dung dịch là các hợp phần: khả năng bay hơi của mỗi hợp phần không những phụ thuộc vào bản chất,

sự tương tác của dung dịch mà còn phụ thuộc vào nòng độ của chúng

1.2.2.4 Định luật Raoult

Gọi: P: áp suất hơi bão hòa của dung dịch

i: hợp phần i

Pio : áp suất hơi bão hòa của hợp phần i ở trạng thái nguyên chất

Pi : áp suất hơi bão hòa riêng phần i

Ni : nồng độ phần mol của chất i trong dung dịch

Định luật Raoult được phát biểu như sau:

Áp suất hơi bão hòa riêng phần của một chất tỷ lệ với nồng độ phần mol của nó trong dung dịch

Pi = Pio NiNgoài ra, ta biets rằng áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng tổng áp suất hơi bão hòa riêng phần của các hợp chất Do đó, ta lại có:

Mỗi chất khí trong hỗn hợp gây ra một áp suất của riêng mình, áp suất đó gọi là

áp suất riêng phần tổng áp suất riêng phần của tất cả các khí chính là áp suất chung, kí hiệu: P = ∑Pi

Ngoài ra theo định luật về chất khí, ta có:

Pi = Ni.PVới: Pi: áp suất riêng phần

Ni: nồng độ phần mol

P: áp suất chung

Vậy: Áp suất riêng phần bằng nồng độ phần mol nhân với áp suất chung

1.3 SỰ SÔI

1.3.1.Sự sôi của dung dịch

Sự sôi khác với sụ bay hơi Mọi chất lỏng đều bay hơi (ở mặt thoáng) ở bất nhiệt

độ nào Sự bay hơi càng mạnh khi nhiệt độ càng cao, còn sự sôi là hiện tượng khối chất lỏng bay hơi ồ ạt không những ở trên mặt thoáng của chất lỏng mà còn ở ngay trong lòng chất lỏng Khi đó áp suất hơi bão hòa của chất lỏng đang sôi bằng áp suất đè lên mặt thoáng, pha hơi lúc đó chỉ gồm hơi do lỏng tạo ra, không chứa các khí vốn đã từng

có trên mặt thoáng

Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi thì áp suất hơi còn bé áp suất hơi trên mặt thoáng nên trong pha khí gồm có cả hơi do lỏng tạo ra và các khí có sẵn từ trước Cần phải nâng nhiệt độ lên nữa để green mặt thoáng chỉ gồm các hơi do lỏng tạo ra đến khi chúng có áp suất tổng bằng áp suất đè lên mặt thoáng thì sự sôi sẽ xảy ra Như vậy, nhiệt

độ sôi của một chất phụ thuộc vào áp suất đè lên mặt thoáng Áp suất đè lên mặt thoáng càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao Do đó một chất lỏng sẽ sôi tại nhiệt độ mà ở đó áp suất hơi bão hòa của nó bằng áp suất đè lên mặt thoáng

Cần chú ý rằng ở áp suất không đổi, chất nguyên chất sôi ở một nhiệt độ cố định còn dung dịch thì sôi xảy ra trong một khoảng nhiệt độ

N

= P NHB (2)Với: L

A

N : nồng độ phần mol của A trong lỏng

NHA : nồng độ phần mol của A trong hơi

PA: áp suất riêng phần của A

PB: áp suất riêng phần của B

0 B

L A

0 A H B

H A

N

NNP

NPN

: Gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B

Giả sử A dễ bay hơi hơn B, nên α > 1 Do đó theo (3) ta có:

L B

L A H B

H A

N

NN

- Dung dịch càng giàu chất dễ sôi thì sôi ở nhiệt độ càng thấp

- Khi sôi, dung dịch cho ra pha hơi giàu chất dễ sôi hơn nó (ban đầu) Dung dịch

sẽ không sôi ở nhiệt độ đó nữa, nó chỉ sôi khi nhiệt độ được tăng lên

- Dung dịch sôi ở một khoảng nhiệt độ, lớn hơn nhiệt độ của chất dễ sôi và nhỏ hơn nhiệt độ của chất khó sôi

1.3.3 Thành phần của pha hơi khi đun sôi một pha lỏng

Hình 1.1 Quan hệ thành phần lỏng – hơi hệ hai chất A -B

Như ta đã biết, một chất lỏng sẽ sôi tại nhiệt độ mà ở đó áp suất hơi bão hòa của

nó bằng áp suất đè lên mặt thoáng Ở áp suất không đổi chất nguyên chất sôi ở nhiệt độ

cố định

Người ta còn dùng khái niệm áp suất hơi bão hòa Ried, đó là áp suất tuyệt đôi ở

100oF (37.80C) được đặc trưng cho khả năng bay hơi của phân đoạn xăng, đại lượng này càng lớn khả năng bay hơi càng cao

Khi một chất lỏng nguyên chất sôi thì nó tạo ra một pha hơi nguyên chất Chúng

ta hãy xét trường hợp một dung dịch lỏng sôi Khi đo pha hơi sẽ là một hỗn hợp thường gồm tất cả các hợp phần có mặt trong dung dịch lỏng Chúng có thành phần phụ thuộc vào thành phần của dung dịch lỏng theo định luật Konovalov mà ta đã biết:

L B

L A L B

0 B

L A

0 A H B

H A

N

NNP

NPN

: Gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B

Giả sử A dễ bay hơi hơn B, thì O

H A

N

NN

N

> (4)

Từ (4) ta thấy, nồng độ của chất dẽ bay hơi A trong pha hơi rõ ràng lớn hơn nồng

độ của chất dễ bay hơi B trong dung dịch lỏng ban đầu phương trình (3) là phương trình

mô tả toán học của định luật Konovalov: Thành phần pha hơi khác thành phần pha lỏng, pha hơi giàu chất dễ bay hơi so với pha lỏng.

Khái niệm giàu chất dễ sôi hơn ở đây có nghĩa là nồng độ phần mol chất dễ sôi trong pha hơi lớn hơn nồng độ phần mol của nó trong dung dịch Ngược lại, dĩ nhiên là nồng độ chất khó sôi trong pha hơi bé hơn ( nghèo chất khó bay hơi) nồng độ của nó trong dung dịch lỏng

Thật vậy, xét hệ benzen (A) và toluen (B) với A là benzen dễ bay hơi hơn B có thành phần N L 0,2

Nếu P = P Toluen + P Bezen =161,6 + 109,4 =271 mmHg

Theo định luật về chất khí,ta có:

4 , 109

6 , 161

P

P

là 1; 2,71 và 5 Khi α càng lớn thì được

cong càng lệch khỏi đường chéo α = 1

1.3.4 Giản đồ trạng thái cân bằng lỏng – hơi hệ hai chất

Giản đồ trạng thái là một hình cho ta biết sự tồn tại của các pha và mối liên hệgiữa các pha đó,hay nói cách khác, nó cho ta biết sự tương ướng về thành phần các pha của các chất theo nhiệt độ

Giả sử có dung dich a gồm hai chất A và B Ta biết, dung dịch lỏng này sôi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của chất khó sôi và cao hơn nhiệt độ sôi của chất dễ sôi

Trục hoành: Trục thành phần.

Trục tung: Trục nhiệt độ

Giản đồ như hình 1.2 cho ta thấy sự phụ thuộc nhiệt độ sôi của dung dịch vào thành phần dung dịch ban đầu như mô ta ở đường Ua3V gọi là đường lỏng hay đường sôi Đường lỏng là đường biễu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ của dung dịch lỏng vào thành phần pha lỏng Đường Ua5V gọi là đường hơi Đường hơi là đường biễu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ mà pha hơi bị ngưng tụ phụ thuộc vào thành phần pha hơi Vùng

bị kẹp hai đường trên gọi là vùng cân bằng lỏng – hơi

Giả sử chất A dễ sôi hơn chất B, theo lý thuyết, nếu dung dịch có nồng độ phần mol của chất A càng lớn thì nhiệt độ sôi của dung dịch càng nhỏ Nếu thành phần ban đầu của hỗn hợp có nồng độ của chất A (dễ bay hơi) lần lượt là 0,2; 0,57; 0,85 thì theo hình vẽ ta có T3 > T2 >Td Tất cả các dung dịch có nhiệt độ thấp hơn hiệt độ tương ứng với đường lỏng đều chứa sôi, nghĩa là vẫn còn nguyên ở thể lỏng Ta có thể thấy được điều này ở hình vẽ, dung dịch a được đun nóng đến nhiệt độ T1 (điểm hệ là a1), nhiệt độ T2 (điểm hệ là a2) hay dung dịch b được đun nóng đến nhiệt độ T1(điểm hệ là b1), nhiệt

độ T2 (điểm hệ là b2) hoặc dung dịch c được đun nóng đến nhiệt độ T1 (điểm hệ là c1), , chúng đều chưa sôi

Hình 1.2: Giản đồ trạng thái cân bằng lỏng - hơi

Xét quá trình đun sôi dung dịch a (dung dich có 80% mol B và 20% mol A).Khi đun nóng a đến T1 ta được dung dịch a1 Dung dich này vẫn gồm 80% mol B và 20% mol A, nó vẫn ở thể lỏng, tương tự dung dịch a2 vẫn ở thể lỏng dù nhiệt độ được nâng lên T2

Khi đun nóng dung dich a đến nhiệt độ T3, dung dịch a trở thành a3 Dung a3 vẫn gồm 80% mol B và có nhiệt độ T3 Tại nhiệt độ này, dung dịch a3 bắt đầu sôi Tương tự, khi đun nóng dung dịch c đến nhiệt độ T2,dung dịch c trở thành dung dịch c2 và nó bắt đấu sôi.

Các điểm a, a1, a2, a3, b, b1, b2,c,c1,c2, biễu diễn thành phần và nhiệt độ của pha lỏng nên được gọi là điểm lỏng Tập hợp các điểm lỏng gọi là vùng lỏng Vùng lỏng nằm ở vùng lỏng và dưới vùng lỏng Bất kỳ một dung dịch nào có điểm biểu diễn nằm dưới đường lỏng đều không sôi như dung dịch a1, a2, b1, b2, Bất kỳ một dung dịch lỏng nào có điểm biễu diễn nằm trên đường lỏng đều bắt đầu sôi như các dung dịch g5, f4, a3, b2,

Ta lần lượt xét các dung dịch sau:

Dung dịch a với:NA = 0,2 và NB = 0,8 sôi ở nhiệt độ T3

Dung dịch b với NA = 0,42 và NB = 0,58 sôi ở nhiệt độ T3

Dung dịch c với NA = 0,57 và NB = 0,43 sôi ở nhiệt độ T2

Khi đun nóng dung dịch a đến nhiệt độ T3, dung a trở thành dung dịch a3 Lúc này dung dịch a3 vẫn gồm có 0,2 A và 0,8 B ở nhiệt độ T3 và bắt đầu sôi Tương tự, nếu

ta đun dung dịch c đến nhiệt độ T2, dung dịch d đến nhiệt độ Td thì chúng lần lượt là dung dịch là c2 và dd sôi ở nhiệt độ T2 và Td

Các điểm a, a1,a2, b, b1, b2,c,c1, d,d1, biễu diễn thành phần và nhiệt độ của pha lỏng nên được gọi là những điểm lỏng Tập hợp các điểm lỏng gọi là vùng lỏng Vùng lỏng nằm dưới đường lỏng.các điểm thuộc vùng lỏng chưa sôi, còn các dung dịch có các điểm nằm trên đường lỏng như h5, g4, a3, c2, d1 bắt đầu sôi

Dựa vào hình vẽ ta thấy: khi đun nóng dung dịch a đến nhiệt độ T3, dung dịch vẫn ở thể lỏng (bắt đầu sôi) được biễu diễn bằng điểm a3, lỏng a3 bắt đầu sôi sinh ra hơi c3 Hơi c3 là điểm biểu diễm thành phần và nhiệt đội của pha hơi c3 sinh ra từ lỏng a3 Lỏng a3 và hơi c3 có cùng nhiệt độ nhưng thành phần khác nhau Hơi c3 có NB = 0,43 trong khi lỏng a3 chứa NB = 0,80, hay nói cách khác, hơi c3 có NA = 0,57 trong khi đó lỏng a3 chỉ chứa 0,2NA mà thôi.rõ ràng pha hơi sinh ra sẽ giàu chất dễ bay hơi hơn so với lỏng ban đầu của nó và dĩ nhiên lỏng còn lạ đang sôi theo đúng định luật Konovalov

đã chỉ rõ

Vì lỏng a3 sôi sinh ra hơi c3 giàu A hơn nên lỏng còn lại sẽ nghèo A hơn hay nói cách khác, lỏng còn lại sẽ giàu B hơn, nên nó không sôi nữa Muốn chúng tiếp tục sôi, ta phải nâng nhiệt độ lên một ít nữa Lỏng còn lại đó sẽ sôi cho ra một hơi giàu A hơn so với bản thân nó nhưng hơi đó sẽ không bao giờ giàu A hơn ban đầu được (nên có thành phần NA < 0,20).

Xét ở nhiệt độ T4 có lỏng f4 và hơi b4 Lỏng f4 có NA = 0,11, NB = 0,89 Ta bảo lỏng có điểm biểu diễn là a4 Hơi b4 có NB = 0,58, NA = 0,42 cũng ở nhiệt độ T4 Ta bảo b4 là điểm hơi biểu diễn pha hơi đó Quan hệ giữa hơi b4 và lỏng f4 được tính theo quy tắcđòn cánh cân như sau:

Ở nhiệt độ T4 hệ có hai pha là pha hơi và pha lỏng Chúng phụ thuộc vào hệ a ban đầu nên điểm a4 là điểm biểu diễn thành phần của hệ Điểm a4 gọi là điểm hệ Theo quy tắc đòn cánh cân ta có:

Đoạn thẳng a 4 b 4 Lượng pha hơi b4 = đoạn thẳng a 4 f 4 Lượng pha lỏng f4

f long pha Luong

=

4 4

4 4

f a

b a

ra hơi d2, hơi ed lần lượt ở nhiệt độ T2, Td.vùng nằm giữa vùng lỏng và vùng hơi là vùng

dị thể, nghĩa là vùng mà nếu mà điểm hệ nằm trong đó như là điểm a4, b3 thì hệ luôn luôn gồm hai pha: pha lỏng và pha hơi với thành phần được tính theo quy tắc đòn cánh cân như trên Ta bảo vùng dị thể có cân bằng lỏng – hơi

Ví dụ, Ở nhiệt độ T2 hệ có 0,43B với điểm hệ là c2 Điểm c2 trùng với điểm lỏng c2, ta có điểm hơi d2 nên:

c2d2 Lượng hơi = c2c2 Lượng lỏng

Vì: c2c2 = 0 mà c2d2 #0, nên dễ thấy lượng hơi bằng 0 Chính xác hơn là

2

2c

c gần bằng không, nghĩa là lượng hơi có nhưng rất ít vì hơi chỉ mới bắt đầu sinh ra

mà thôi

Khi đun nóng a đến nhiệt độ T5, điểm hơi là a5 trùng với điểm hệ, còn điểm lỏng

la g5 Lỏng g5 chứa đến 0,97B và chỉ còn 0,3A Hệ bây giờ giàu B (chất khó sôi nên sôi

ở nhiệt độ cao hơn là T5 để cho ra hơi là a5) Thực ra trong hệ chỉ có hơi a5, có rất ít lỏng g5 vì theo quy tắt đòn cánh cân, tại đây:

5

5a

a Lượng hơi = a5g5 Lượng lỏng

Vì a5a5 = 0 và a5g5 # 0 nên lượng lỏng g5 = 0 (gần bằng không) Sự sôi của

hệ a kết thúc tại đây

Nếu nâng nhiệt độ lên T6, ta chỉ còn pha hơi a6 Tất cả các điểm biễu diễn nằm phía trên đường hơi chỉ gồm một pha hơi Tập hợp các điểm biểu diễn gọi là vùng hơi

Tóm lại :

Ở nhiệt độ thấp hơn đường lỏng, hệ vẫn là pha lỏng, chưa sôi

Ở nhiệt độ ứng với đường lỏng thì hệ bắt đầu sôi

Ở nhiệt độ nằm trong vùng dị thể thì hệ đang sôi, gồm pha hơi và pha lỏng

Ở nhiệt độ ứng với đường hơi thì hầu hết là pha hơi Sự sôi sắp kết thúc

Ở nhiệt độ trên đường hơi, hệ chỉ có một pha, đó là pha hơi

Như vậy, dung dịch chỉ sôi ở một khoảng nhiệt độ nhất định, chúng phụ thuộc mạnh vào nồng độ của các chất trong dung dịch và điều tất yếu xẩy ra là nhiệt độ tăng dần trong quá trình sôi

1.4 Ý NGHĨA CỦA QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

Qúa trình chưng cất có ý nghĩa rất quan trọng, chưng cất để tách các dung dịch thành các cấu tử khác nhau theo nhu cầu mong muốn sử dụng của con người Đồng thời mang lại hiệu quả cao nhất trong quá trình sản xuất

Đối với ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ việc sử dụng dầu mỏ ở dạng thô không thuận lợi, không kinh tế, kém hiệu quả Do đó cần phải chế biến dầu mỏ thành những sảm phẩm có tình kỷ thuật ngày càng cao Để chế biến dầu thô thành các sản phẩm thì

việc đầu tiên và bắt buộc là phải phân chia nó thành các phân đoạn bằng phương pháp chưng cất.

Quá trình chế biến dầu mỏ được cải thiện trong các nhà máy lọc dầu và hóa dầu Các nhà máy lọc dầu chế biến dầu mỏ thành những sảm phẩm gồm từ những hợp chất hóa học về cơ bản đã có trong dầu mỏ Các sản phẩm đó là xăng dùng cho ô tô, dầu diezel làm nhiên liệu cho động cơ diezel, chất bôi trơn, nhiên liệu phản lực, nhựa đường, Vì những đặc điểm kể trên mà việc chưng cất dầu thô được tiến hành trong một hệ thống gồm nhiều tháp chưng cất hoạt động ở các áp suất khác nhau

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 NGUYÊN LÝ PHÉP CHƯNG CẤT

Ta khảo sát quá trinh chưng cất trong thiết bị đơn giản hình 2.1 như sau:

Hình 2.1: Sơ đồ chưng cất đơn giản

1 Nguồn nhiệt 9 Cổng hút chân không

2 Bình thủy tinh 10 Adapter (thiết bị kết nối)

3 Cột ngưng tụ-bay hơi 11 Điều chỉnh nhiệt độ

4 Nhiệt kế 12 Điều chỉnh tốc độ khuấy

5 Ống sinh hàn 13 Thiết bị khấy và gia nhiệt

6 Nước làm lạnh đầu vào 14 Dầu gia nhiệt

7 Nước làm lạnh đầu ra 15 Cánh khuấy

8 Bình chứa sản phẩm chưng cất 16 Dung dịch làm lạnh

Dung dịch chưng cất gồm hai chất A và B gọi là dung dịch a,

chúng được đựng trong bình (2) nguồn nhiệt (1) cấp cho bình Dung dịch sôi ở nhiệt độ T3

Hơi bay vào ống sinh hàn (5) được chảy trong ống dẫn hơi ngưng tụ nằm trong ống sinh hàn, khi gặp lạnh, ngưng tụ thành các giọt lỏng (distillat) chảy vào ống nhận distillat (8)

Để quá trình sôi diễn ra điều hòa, người ta thêm vào trong bình một ít đá bọt hoặc nhúng vào dung dịch một mao quản (15) Nhiệt kế (4) dùng để theo giỏi nhiệt độ của hơi lấy ra

Như vậy, phép chưng cất dựa trên sự sôi trong một hệ mở gần như đẳng áp vì hơi sinh ra liên tục và liên tục được lấy ra khỏi hệ, giống như khi ta đun sôi một nồi nước không đậy nắp

Như hình trên ta thấy rằng lỏng chảy vào ống nhận có NA = 0,57 và NB = 0,43 so với lỏng ban đầu là NA = 0,2 và NB = 0,8

Vậy, bằng cách chưng cất dung dịch a nghèo A trong bình đun ta thu được distillat c3 giàu A hơn Đó là phép chưng cất đơn giản nhất

Chưng cất là phương pháp tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó rồi ngưng tụ bay hơi ra để tách được hai phần: phần nhẹ gọi là distillat và phần nặng gọi là cặn chưng cất

Nếu bây giời ta dùng distillat c3 cho vào thiết bị trên để chưng cất tiếp thì dung dịch c bây giờ đóng vài trò dung dịch cần chưng cất có NA = 0,57

Gia nhiệt dung dịch c chỉ đến nhiệt độ T2 (nhỏ hơn T3) thì nó đã sôi và ta thu được hơi d2, hơi đó được làm lạnh, cho ta distillat d1 có NA cao hơn nữa: NA = 0,85

Tiếp tục làm nhiều lần như vậy thì ta sẽ thu được A gần như nguyên chất

Vậy, phép chưng cất có thể tách dung dịch thành distillat có thành phần mong muốn và cặn chưng cất

2.2.CHƯNG ĐƠN GIẢN

2.2.1.Chưng bay hơi dần dần

Sơ đồ chưng cất bay hơi dần dần được trình bày ở hình 2.2 Hỗn hợp chất lỏng được đưa vào thiết bị đốt nóng(2) liên tục trong bình chưng (1) từ nhiệt đọ thấp tới nhietj độ sôi cuối khi liên tục tách hơi sảm phẩm và ngưng tụ hơi bay ra trong thiết bị ngưng tụ (3), cuối cùng thu sảm phẩm lỏng trong bể chứa (4) Phương pháp chưng này thường chỉ áp dụng trong phòng thí nghiệm

2.2.2 Chưng cất bay hơi một lần

Hinh 2.3: Sơ đồ chưng bay hơi một lần

Phương pháp này còn gọi là bay hơi cân bằng sơ đồ như hình vẽ 2.3 Hỗn hợp chất lỏng được cho liên tục vào thiết bị đun sôi (2), ở đây hỗn hợp được đốt nóng đến nhiệt độ xác định và ở áp suất cho trước Pha lỏng – hơi được tạo thành và đạt đến trạng thái cân bằng, ở điều kiện đó lại được cho vào thiết bị phân chia một lần trong thiết bị đoạn nhiệt (1) Pha hơi qua thiết bị ngưng tụ (3) rồi vào bể chứa (4) ta nhận được phần cất, phía dưới thiết bị (1) pha lỏng tách ra liên tục và nhận được phần cặn Tỷ

lệ giữa lượng hơi được tạo thành khi bay hơi một lần với lượng chất lỏng nguyên liệu chưng ban đầu gọi là phần chưng cất (gọi tắt là phần chưng)

Chưng cất bay hơi một lần như vậy sẽ cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với bay hơi dần dần ở cùng một điều kiện về nhiệt độ và áp suất Ưu điểm nổi bật này của quá trình chưng cất cho phép áp dụng trong điều kiện thực tế chưng cất dầu

Thùng bay hơi 1 lần

Sản phẩm chưng lỏng

Dầu thô

Sản phẩm đáy

Dầu

Cặn

Thùng bay hơi

Sản phẩm chưng cất phân đoạn

Hình 2.2 Sơ đồ chưng bay hơi dần dần

Tuy với nhiệt độ chưng giới hạn, nhưng vẫn cho phép nhận được một lượng phần cất lớn hơn

2.2.3 Chưng cất bay hơi nhiều lần

Đây là quá trình gồm nhiều quá trình chưng bay hơi một lần nối tiếp nhau ở nhiệt

độ tăng cao dần (hơi ở áp suất thấp hơn) đối với phần cặn Sơ đồ như hình vẽ 2.4

Phần cặn của chưng lần một, là nguyên liệu cho chưng lần hai sau khi được đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn Từ đỉnh của thiết bị chưng lần một ta nhận được sản phẩm đỉnh, còn ở đáy của thiết bị chưng lần hai nhận được phần cặn

Phương pháp chưng cất dầu bằng bay hơi một lần và bay hơi nhiều lần có ý nghĩa rất lớn trong thực tế công nghiệp chế biết dầu mỏ ở các dây chuyền hoạt động liên tục Qúa trình bay hơi một lần được áp dụng khi đốt nóng dầu trong thiết bị trao đổi nhiệt, trong lò ống và tiếp theo quá trình tách pha hơi khỏi pha lỏng ở bộ phận cung cấp, phân phối của tháp tinh luyện

Chưng cất đơn giản, nhất là loại bay hơi một lần, không đạt được độ phân chia cao khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử thành phần của hỗn hợp chất lỏng Để nâng cao khả năng phân chia một hỗn hợp chất lỏng người ta phải tiến hành chưng cất có hồi lưu hay chưng cất có tinh luyện – đó là chưng cất phức tạp

Ưu điểm: của quá trình chưng cất cho phép áp dụng trong điều kiện thực tế chưng cất dầu

Nhược điểm: của phương pháp này là nhiệt độ chưng lại bị giới hạn và không tách được sản phẩm trắng riêng ra

Hình 2.4 Sơ đồ chưng bay hơi nhiều lần

2.3 CHƯNG CẤT PHỨC TẠP

2.3.1 Chưng cất có hồi lưu

Chưng cất có hồi lưu là quá trình chưng khi lấy ra một phần chất lỏng ngưng tụ

từ hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng hơi bay lên

Nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm cấu tử nhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khi không có sự hồi lưu, nhờ vậy mà có độ phân chia cao hơn Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế bằng bộ phận đặc biệt và được bố trí phía trên thiết bị chưng

Tùy theo mục đích ý nghĩa mà người ta sử dụng các dạng hồi lưu như sau:

* Hồi lưu đỉnh:

Hồi lưu đỉnh có hai dạng đó là hồi lưu nóng và hồi lưu nguội

+ Hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách cho ngưng tụ một phần hơi sản phẩm đỉnh

ở nhiệt độ sôi của nó sau đó cho tưới trở lại đỉnh tháp Như vậy, chỉ cần cấp một lượng nhiệt đủ để cho chúng bay hơi (do bị ngưng tụ)

+ Hồi lưu lạnh được thực hiện bằng cách làm nguội và ngựng tụ sản phẩm đỉnh rồi tưới lại đỉnh tháp

Khi đó, nhiệt lượng cần thiết để cấp cho phần hồi lưu bao gồm nhiệt cần đun nóng nó đến nhiệt độ và nhiệt lượng cần để hóa hơi

* Hồi lưu hơi:

Được thực hiện bằng cách đun sôi để bay hơi một phần sản phẩm đáy (cặn VR) rồi đưa về vùng đáy tháp

* Hồi lưu vòng

Hồi lưu dạng này còn được gọi là hồi lưu trung gian Để phân bố lưu lượng lỏng

và hơi hydrocacbon được đồng đều hơn cũng như việc điều chỉnh nhiệt độ của các vùng trong tháp chưng cất, người ta rút bớt một lượng lỏng ở một độ cao (thích hợp) nào đó, làm lạnh nó, rồi lại đưa vào tháp ở vài ba đĩa cao hơn

Hồi lưu vòng có ưu điểm là giảm lưu lượng ở một vùng nào đó trong tháp nhằm làm giảm tiết diện của tháp (làm tăng công suất của tháp), hơn nữa, nó tận dụng một lượng nhiên liêu rất lớn ở trong tháp chưng cất để đun nóng dầu thô hoặc trao đổi nhiệt

với các nguyên liệu cần thiết khác nên trong trường hợp này, ý nghĩa chính của sự hồi lưu là làm tăng độ phân tách – giảm đi rất nhiều.

2.3.2 Chưng cất có tinh luyện

Chưng cất có tinh luyện còn cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu

Cơ sở của quá trình tinh luyện là sự trao đổi chất nhiều lần về cả phía hai phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau Quá trình này được thực hiện trong tháp tinh luyện Để đảm bảo sự tiếp xúc hoàn thiện giữa pha hơi và pha lỏng, trong tháp được trang bị các đĩa hay đệm Độ phân chia các hỗn hợp trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha, vào lượng hồi lưu ở đỉnh tháp

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý làm việc của các tầng đĩa trong tháp chưng luyện

Pha hơi Vn bay lên từ đĩa thứ n lên đĩa thứ n – 1 được tiếp xúc với pha lỏng Ln1 chảy từ đĩa n – 1 xuống, còn pha lỏng Ln từ đĩa n chảy xuống đĩa phía dưới n + 1 lại tiếp xúc với pha hơi Vn + 1 bay từ dưới lên Nhờ quá trình tiếp xúc như vậy mà quá trình trao đổi chất xảy ra tốt hơn Pha hơi bay lên ngày càng được làm giàu thêm cấu tử nhẹ còn pha lỏng chảy xuống phía dưới ngày càng chứa nhiều cấu tử nặng Số lần tiếp xúc càng nhiều, quá trình trao đổi chất càng được tăng cường và kết quả phân tách của tháp càng tốt, hay nói casch khác, tháp có độ phân chia càng cao Đĩa trên cũng có hồi lưu đỉnh và

M¸ng ch¶y

truyÒn

Håi l­u trung gian

Cöa th¸o håi l­u

đĩa dưới cũng có hồi lưu đáy Nhờ có hồi lưu ở đỉnh và đáy làm cho tháp hoạt động liên tục ổn định và có khản năng phân tách cao Ngoài đỉnh và đáy người ta con thiết kế hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn tháp cho qua trao đổi nhiệt làm lạnh rồi quay lại tưới vào tháp, khi lấy sản phẩm cạnh sườn của tháp người ta trang bị thêm các bộ phận tách trung gian cạnh sườn.

Hình 2.6 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất

2.3.3 Chưng cất trong chân không và chưng cất với hơi nước.

Hỗn hợp các cấu tử có trong dầu thô không bền, dễ bị phân huỷ nhiệt nhất là các hợp chất chứa lưu huỳnh và các chất cao phân tử như nhựa… Các hợp chất parafin kém bền nhiệt hơn các hợp chất naphten và các naphten lại kém bền nhiệt hơn các hợp chất thơm Độ bền nhiệt của các cấu tử tạo thành dầu không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc cả vào thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ đó Trong thực tế chưng cất, đối với các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân huỷ nhiệt chúng khi đốt