chuong 4 QUÁ TRÌNH CHƯNG

Khái niệm: - Chưng là quá trình tách hỗn hợp chất lỏng cũng như hỗn hợp khí hóa lỏng thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.. PT T P

CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH CHƯNG

I Khái niệm:

- Chưng là quá trình tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như hỗn hợp khí hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

- Chưng khác cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi, còn trong cô đặc chỉ có dung môi bay hơi, chất tan không bay hơi Do vậy, khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm khác nhau, có bao nhiêu cấu tử thì thu được bấy nhiêu sản phẩm Trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, thì sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi (P); sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi (W)

- Quá trình chưng bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỉ XI Ngày nay được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp: dầu mỏ, khí hóa lỏng, tách các hợp chất hữu cơ,

- Để thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao, người ta tiến hành chưng nhiều lần gọi là 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 trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ ba cấu tử hoặc số cấu tử

ít hơn 10 và hệ nhiều cấu tử (số cấu tử lớn hơn 10)

• Phương thức làm việc: liên tục hay gián đoạn

Ngoài ra, còn phân biệt các phương thức chưng đặc biệt: Chưng bằng hơi nước trực tiếp, chưng trích li, hay chưng đẳng phí Quá trìng chưng được thực hiện trong vùng chuyển pha lỏng – hơi, tức là có sự qua lại giữa bay hơi và ngưng tụ Do vậy, các quá trình thủy lực, truyền nhiệt, khuyếch tán có vai trò quan trọng trong thiết bị chưng

II Hỗn hợp lỏng hai cấu tử:

1 Khái niệm:

Hỗn hợp hai cấu tử A, B được biểu thị qua:

- Khối lượng: m, bằng kg hay lưu lượng khối lượng kg/h

- Thể tích: V, bằng m3 hay lưu lượng thể tích m3/h

- Số mol: n, bằng kmol hay lưu lượng mol kmol/h

Trong đó: m=V.ρ và

M

m

- Đối với pha khí hoặc hơi cần đề cập tới các đại lượng nhiệt độ

(bằng t 0 C hay T 0 K) và áp suất (bằng at, mmHg hay mmH 2 O)

Với khí lí tưởng:

const T

Ở điều kiện chuẩn (0 0 C và 760 mmHg) theo Avogadro có:

4 , 22

PT

T P n

Với hỗn hợp ở trạng thái lỏng có sai lệch với định luật Raoult, áp suát

riêng phần của các cấu tử có thể biểu thị cùng với hệ số a i:

A

bh A A

B B

- Để thể hiện khả năng bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp, người ta

sử dụng độ bay hơi tương đối α:

P

α càng lớn khả năng tách A ra khỏi B càng dễ Khi α = 1, theo phương pháp chưng bình thường không thể tách A ra khỏi B vì trong trường

hợp này cấu tử A và B có cùng một áp suất ở cùng một nhiệt độ Hỗn hợp hai cấu tử, ví dụ benzen-toluen, etanol-nước, etanol-butanol, thì cấu tử đứng trước luôn có nhiệt độ sôi bé hơn và thành phần của nó được dùng để biểu thị và tính toán, còn thành phần cấu tử kia (cấu tử khó bay hơi) được biểu thị qua (1 – x) hoặc (1 – y)

2 Cân bằng hơi-lỏng của hỗn hợp hai cấu tử:

2.1 Phân loại hỗn hợp hai cấu tử:

Hỗn hợp lỏng hai cấu tử được phân loại dựa trên độ hòa tan, nhiệt hòa tan và các tính chất nhiệt động của nó, cụ thể được phân thành:

2.1.1 Hỗn hợp lý tưởng:

Hỗn hợp lí tưởng là hỗn hợp mà lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau và chúng hòa tan trong nhau theo bất kì tỷ lệ nào, và cân bằng lỏng-hơi tuân theo định luật Raoult:

E A-B = E A-A = E B-B 2.1.2 Hỗn hợp thực:

Hỗn hợp thực là hỗn hợp bao gồm các cấu tử:

* Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, nhưng có sai lệch dương với định luật Raoult:

bh P x a

p= với a < 1

Trong trường hợp này lực liên kết giữa các phân tử khác loại lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại:

E A-B > E A-A ( E B-B )

* Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, nhưng tồn tại điểm đẳng phí Tại

đó, áp suất hơi đạt giá trị cực đại Ví dụ hệ alcol etylic-nước

* Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, nhưng tồn tại điểm đẳng phí Tại

đó, áp suất hơi đạt giá trị cực tiểu Ví dụ hệ axit nitric-nước

* Chúng tan lẫn một phần vào nhau, như hệ nước-n butanol

* Chúng hoàn toàn không tan lẫn vào nhau, như hệ benzen-nước

2.2 Đồ thị x-p:

Quan hệ giữa áp suất với thành phần các cấu tử của hỗn hợp lỏng hai cấu tử được biểu diễn trên hình 4.1 với t = const Quan hệ này tuân theo định luật Raoult (trong đó A cấu tử dễ bay hơi)

P

t = const

bh A P

p =

bh B B

Áp suất cực tiểu

Tan lẫn một phần

Không tan lẫn hoàn toàn t= const

bh A

p =

bh B

p =

Hình 4.2 Quan hệ p-x cho hệ lí tưởng và hệ thực

2.3 Đồ thị t - x, y:

2.3.1 Trạng thái cân bằng trên đồ thị t - x, y:

Ở áp suất không đổi thì có sự phụ thuộc của thành phần các cấu tử trong pha lỏng và pha hơi, ta có đường sôi và đường ngưng tụ Chúng phân không gian làm ba phạm vi: có hai pha đồng nhất là pha lỏng và pha hơi bão hòa, và một pha dị thể lỏng – hơi (hình 4.3) Nhiệt độ sôi của cấu tử A và B

là t sA và t sB tương ứng với áp suất của hệ (áp suất làm việc) Tại nhiệt độ t1 có nồng độ x1 trong pha lỏng tương ứng với nồng độ y1 trong pha hơi ở trạng thái cân bằng nhiệt động Với hỗn hợp lí tưởng áp suất P của hệ luôn luôn

nhỏ hơn áp suất hơi bảo hòa của các cấu tử ở cùng một nhiệt độ sôi Từ đó kết hợp phương trình: A bh A

P

P

y =

rút ra y > x, có nghĩa là thành phần của hơi trong hệ lí tưởng ở trạng thái cân

bằng luôn luôn lớn thành phần của lỏng

phần cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng

là x 1 Hỗn hợp được nâng lên nhiệt độ t 3 H

sôi t 1 (tại C) thu được thành phần hơi

y 1 Quá trình tiếp tục sẽ làm giảm t 2 F E G

thành phần cấu tử dễ bay hơi trong t 1 C D pha lỏng, nên nhiệt độ sôi tăng dần

Ví dụ ở nhiệt độ t 2 (tại E) thành phần x 3 x 2 (x F ) x 1 (x Z ) y 2 (y D ) y 1

lỏng là x 2 và pha hơi là y 2 Cuối cùng Hình 4.4 Quá trình bay hơi

đạt đến đường ngưng tụ (điểm H) ứng với nhiệt độ t 3, ta có nồng độ pha lỏng

là x 3 và pha hơi y 3 Qua biểu diễn của quá trình cho thấy quá trình bay hơi hoặc ngưng tụ của hỗn hợp hai cấu tử ở áp suất không đổi có quan hệ chặt chẽ với sự thay đổi nhiệt độ

2.3.3 Qui tắc đòn bẩy:

Giả sử có Z mol hỗn hợp hai cấu tử trong vùng hai pha (lỏng-hơi) sẽ phân thành F mol lỏng và D mol hơi theo quan hệ:

D F

Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi sẽ là:

D F

Z D

x x

x y D

Z D x x

x y FE

EG D

F Z x y

x x FG

FE Z

Z D x y

x y FG

EG Z

2.3.4 Biểu diễn đồ thị t – x, y cho hỗn hợp thực:

Áp suất cực tiểu

Tan lẫn một phần

Không tan lẫn hoàn toàn P= const

P= const P= const P= const P= const P= const

(nhiệt độ cực tiểu)

Trường hợp hỗn hợp tồn tại điểm đẳng phí ở áp suất cực đại tương ứng với nhiệt độ cực tiểu (hình 4.6) cho thấy phía trái điểm đẳng phí cho

phép chưng luyện được vì nồng độ cân bằng của hơi lớn hơn của lỏng (x 1 <x A

⇒ y 2 > x 2 ) Tại điểm đẳng phí không có khả năng chưng luyện được vì động

lực của quá trình bằng không Phía phải điểm đẳng phí không thực hiện được quá trình chưng luyện vì nồng độ cân bằng của hơi nhỏ hơn nồng độ

cân bằng của lỏng (x 3 > x A⇒ x 4 > y 4 )

Trong trường hợp điểm đẳng phí ở áp suất cực tiểu, tương ứng với nhiệt độ cực đại các quan hệ trên hoàn toàn ngược lại, tức chỉ có phần bên phải điểm đẳng phí là chưng luyện được

theo định luật Raoult

) 1 ( 1

*

− +

Áp suất cực tiểu

Tan lẫn một phần

Không tan 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 và hệ thực

2.5 Cách biểu diễn đường cân bằng:

Từ đường sôi trên đồ thị t-x,y của các cấu tử A và B trong hỗn hợp hai

cấu tử ở áp suất bất kì có thể dựng được đường cân bằng (hình 4.9)

Từ đồ thị P bh -t có thể dựng đường áp suất hơi của các cấu tử riêng biệt

sôi t s Để dựng đường cân bằng tại áp suất cho trước P cần có i thành phần x i

ở i nhiệt sôi Từ giá trị t si và x i sẽ có các điểm trên đồ thị t-x,y Nối các điểm

đó lại được đường sôi

Kết hợp phương trình Raoult và Dalton tính được nồng độ của pha hơi tương ứng nồng độ pha lỏng trong trạng thái cân bằng nhiệt động Đường

III Chưng đơn giản:

1 Nguyên tắc và sơ đồ chưng:

Hình 4.10 Hệ thống chưng đơn giản, đồ thị t-x,y và y-x

Nếu hỗn hợp đầu F có nồng độ x F được đun nóng đến nhiệt độ t 1, thì

sẽ có một lượng hơi bốc lên với nồng độ y pmax cân bằng với nồng độ x F ban đầu Tuy nhiên trạng thái này không có ý nghĩa thực tế, vì không bao giờ nhận được sản phẩm đỉnh ở nồng độ này

Khi hỗn hợp có nhiệt độ ngưng tụ t 3 thì toàn bộ lỏng được bốc hơi và

sản phẩm đỉnh có nồng độ bé nhất y pmin cân bằng với nồng độ x F ban đầu,

đồng thời sản phẩm đáy cũng có nồng độ bé nhất x wmin Trạng thái này trong thực tế cũng không có ý nghĩa vì thành phần hơi bằng thành phần lỏng của hỗn hợp đầu

Trong thực tế phạm vi làm việc của hệ thống:

F P W

y y

Chưng đơn giản được ứng dụng:

- Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác xa nhau

- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

2 Tính toán chưng đơn giản:

Ta xét đối với quá trình chưng gián đoạn, do đó thành phần và lượng sản phẩm luôn luôn thay đổi theo thời gian

Gọi F: lượng hỗn hợp đầu (kg/h)

x F: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu Giả sử ở một thời điểm nào đó có lượng lỏng trong nồi chưng là W với nồng độ x sau một thời gian dτ lượng lỏng bay hơi là dW và nồng độ lỏng trong nồi chưng giảm dx và lượng lỏng còn lại trong nồng chưng là (W

- dW)

Vậy ta có phương trình cân bằng:

y dW dx x dW W x

với y: thành phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi

Do vậy:

x y

dx W

dW

−

Xét chung cho cả quá trình và giả sử lượng lỏng còn lại cuối cùng

trong nồi chưng là W 1 có nồng độ x 1 Ta lấy tích phân phương trình (4.13):

S x y

dx W

dW x F x

F W

IV Chưng bằng hơi nước trực tiếp:

1 Nguyên lí chưng hệ chất lỏng không hòa tan vào nhau:

Trong thực tế không có những chất lỏng không hoà tan vào nhau, nhưng khi độ hòa tan của các chất lỏng vào nhau rất bé (ví dụ như hỗn hợp benzen-nước, cacbonsunfua-nước, ) ta có thể coi chúng không hòa tan vào nhau Đối với hỗn hợp loại này có thể tách các cấu tử bằng phương pháp lắng gạn Những tính chất cơ bản của loại này là:

* Áp suất riêng phần của cấu tử này không phụ thuộc vào sự có mặt của cấu tử kia trong hỗn hợp và bằng áp suất hơi bão hòa của các cấu tử nguyên chất ở cùng một nhiệt độ:

B

bh B A

bh

* Áp suất chung của hỗn hợp bằng tổng số áp suất riêng phần, nghĩa

là bằng tổng áp suất hơi bão hòa của các cấu tử:

bh B

bh A B

p

* Nhiệt độ sôi của hỗn hợp thấp hơn nhiệt độ sôi của các cấu tử

Nhiệt đôi của các cấu tử có thể xác định được bằng đồ thị Ví dụ, xác định nhiệt độ sôi của hỗn hợp benzen-nước ở áp suất 760 mmHg Ta vẽ đường cong phụ thuộc giữa áp suất hơi bão hòa của các cấu tử vào nhiệt độ, sau đó vẽ đường cong phụ thuộc giữa áp suất chung vào nhiệt độ, giao điểm của đường cong đó với đường P = 760 mmHg (điểm M) biểu thị cho nhiệt

độ sôi của hỗn hợp là 690C, còn nhiệt độ sôi của benzen là 800C và của nước

Tra bảng có các số liệu sau:

100 181

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

cần chưng sẽ khuyếch tán vào trong hơi Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm (hình 4.13)

Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lí nhất là chỉ dùng để tách cấu tử không tan trong nước khỏi tạp chất không bay hơi, trường hợp này sản phẩm ngưng sẽ phân lớp: cấu tử bay hơi và nước Ưu điểm của quá trình chưng này là giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp, nghĩa là có thể chưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của từng cấu tử Điều này rất có lợi đối với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao cũng như đối với các chất có nhiệt độ sôi cao Chưng bằng hơi nước trực tiếp có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục

Căn cứ vào trạng thái hơi nước đi ra khỏi thiết bị, người ta phân biệt:

a/ Chưng bằng hơi nước quá nhiệt nếu áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị bé hơn áp suất hơi nước bão hòa ở cùng một nhiệt độ

b/ Chưng bằng hơi nước bão hòa nếu áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị bằng áp suất hơi nước bão hòa ở cùng một nhiệt độ

* Trường hợp trong hệ 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 bão hoà thì trong nồi chưng còn pha thứ hai là nước Như vậy chỉ có một bậc tự do (C = 1 - 2 + 2 = 1) và nếu

áp suất không đổi thì quá trình chỉ xảy ra ở một nhiệt độ nhất định

* Trong trường hợp cấu tử cần chưng không chỉ có một mình mà ở trong dung dịch với dung môi không bay hơi Lúc này thêm một bậc tự do nũa là nồng độ dung dịch và nếu áp suất không thay đổi thì nhiệt độ sẽ phụ thuộc dung dịch trong nồi chưng

3 Giới hạn của nhiệt độ chưng: (Cách chọn nhiệt độ chưng)

Trường hợp cấu tử cần chưng ở một pha riêng biệt (tức là trường hợp tạp chất không bay hơi không tan trong cấu tử cần chưng) ta có thể xác định giới hạn của nhiệt độ chưng theo phương pháp Gralovski như sau:

Trên tọa độ p-t ở trục hoành ghi nhiệt độ, trục tung phía trên ghi áp suất hơi bão hòa bh

Áp suất chung trong nồi chưng bằng tổng số áp suất riêng phần của hơi nước và cấu tử cần chưng:

Hình 4.14 Sơ đồ giới hạn nhiệt độ chưng bằng hơi nước trực tiếp

Đặt áp suất chung P vào trục tung trên và vẽ qua P đường thẳng song song với trục hoành, cắt đường cong (A) tại M Điểm M biểu thị cho nhiệt

độ chưng cực đại t max mà ta có thể tiến hành được ở áp suất P Ở điểm này áp

suất riêng phần của hơi nước bằng không

Từ điểm t max ta kẻ đường song song với đường cong (A) cắt đường

cong (B) tại N Điểm N biểu thị cho nhiệt độ chưng cực tiểu t min mà ta có thể

tiến hành được ở áp suất P

Từ hình vẽ ta thấy rằng:

• Nếu chưng ở nhiệt độ t min thì áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp bằng áp suất hơi nước bão hòa Như vậy ta có quá trình chưng bằng hơi nước bão hòa

• Nếu chưng ở nhiệt độ t > t min thì áp suất riêng phần của hơi nước trong hỗn hợp bé hơn áp suất hơi nước bão hòa ở cùng một nhiệt

độ Như vậy ta có quá trình chưng bằng hơi nước quá nhiệt

4 Xác định lượng hơi nước tiêu tốn:

Lượng hơi nước tiêu tốn thực tế được xác định theo công thức:

ϕ

B

bh B A

bh A B

A

M P

M P G

Suy ra lượng hơi nước tiêu tốn:

ϕ

1 18

A

bh A

bh B B

M P

P

trong đó: G A , G B: lượng cấu tử A và B (kg) (B là hơi nước);

M A , M B: khối lượng mol của cấu tử A và B (kg/mol);

trình chưng (có ba chế độ thủy động: chế độ sủi tăm, chế độ bọt, chế độ tia) Công thức (4.20) chưa tính lượng hơi nước để đun nóng hỗn hợp đến nhiệt độ chưng và làm bay hơi cấu tử Thường đun nóng dung dịch bằng hơi gián tiếp hay bằng khói lò Ngoài ra để tránh phân hủy chất lỏng và để giảm hao tốn hơi, người ta tiến hành chưng chân không

5 Quan hệ giữa năng suất và nhiệt độ chưng:

Năng suất đối với 1kg hơi nước (g):

18 ).

( 18

A A B

A A

p P

M p p

M p g

nhiệt độ (g-t) (Thực vậy, khi M A , P, 18 = const, do g = f(p A ) nghĩa là g = f(t)) Trên trục tung là năng suất, trên trục hoành là nhiệt độ

g

Hình 4.15 Sự phụ thuộc của năng suất chưng vào nhiệt độ

Nhìn vào đồ thị ta thấy năng suất bé nhất ứng với nhiệt độ t min (tức là chưng bằng hơi nước bão hòa) Nhiệt độ tăng thì năng suất tăng và năng suất

lớn nhất khi độ chưng đạt t max

Trên quan điểm năng cao năng suát chưng và tiết kiệm hơi nước thì tốt nhất là chưng ở nhiệt độ cao (tức chưng bằng hơi nước quá nhiệt), nhưng tăng nhiệt độ sẽ ngược với yêu cầu giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp Vì vậy khi chọn nhiệt độ chưng phải xét đến yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật

V Chưng luyện lên tục: (chưng nhiều lần)

1 Nguyên tắc chưng luyện:

Phương pháp chưng đơn giản một bậc không cho phép đạt hiệu quả phân tách cao Để thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao có thể tiến hành chưng nhiều lần theo sơ đồ hình 4.16

Hỗn hợp đầu F liên tục đi vào nồi chưng tiếp liệu, một phần bốc hơi thành sản phẩm đỉnh Ống tháo sản phẩm đáy đồng thời có tác dụng duy trì mức chất lỏng trong bình không đổi Hơi C ở trạng thái cân bằng với chất

lỏng W (xem đồ thị t-x,y)

Hơi C thu được ngưng tụ lại thành chất lỏng D và đi vào nồi chưng thứ hai Từ nồi chưng hai ta thu được hơi G và lỏng E Tương tự quá trình được lập lại ở nồi chưng thứ ba, ở mỗi nồi chưng có một bộ phận đốt nóng riêng biệt Kết quả thu được sản phẩm đỉnh P chứ nhiều cấu tử dễ bay hơi và các sản phẩm đáy W, E, H có nồng độ khác nhau

Sơ đồ chưng trên cần cấp nhiệt ở bộ phận đun sôi nhiều lần nên lãng phí năng lượng Năm 1813, Cellier – Blumental (Pháp) đã phát minh sơ đồ chưng nhiều lần như sau (hình 4.17):

Sơ đồ này có ưu điểm là chỉ cần cấp nhiệt cho quá trình chưng ở nồi cuối cùng, nhiệt độ ở các nồi chưng tiếp theo giảm dần Do đó sản phẩm

đỉnh P thu được giàu cấu tử dễ bay hơi và một sản phẩm đáy W giàu cấu tử khó bay hơi

Sơ đồ này vẫn phức tạp và cồng kềnh Trong thực tế sản xuất, người

ta sử dụng tháp chưng luyện (hình 4.18)

Nguyên lí làm việc của tháp chưng luyện như sau: hơi đi từ dưới lên, lỏng đi từ trên xuống Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ của chúng Cụ

thể, trên đĩa 1 chất lỏng có nồng độ của cấu tử dễ bay hơi là x 1, hơi bốc lên

có nồng độ y 1 (y 1 > x 1) Hơi này qua lỗ đĩa đi lên đĩa 2 tiếp xúc với lỏng ở

đó Nhiệt độ của chất lỏng ở đĩa 2 thấp hơn đĩa 1, nên một phần hơi được

ngưng tụ lại, do đó nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa 2 là x 2 > x 1 Hơi bốc

lên từ đĩa 2 có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là y 2 (y 2 > x 2) đi lên đĩa thứ 3 Nhiệt độ của chất lỏng trên đĩa 3 thấp hơi ở đĩa 2, nên hơi được ngưng tụ

một phần và chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ là x 3 > x 2, Như vậy, trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền chất giữa hai pha lỏng và pha hơi Một phần cấu

tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và một phần khác chuyển từ hơi sang lỏng Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp đi lặp lại nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ của cấu tử dễ bay hơi cao và dưới đáy tháp thu được sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay hơi cao

2 Xác định số đĩa lí thuyết theo phương pháp Mc Cabe và Thiele:

2.1 Đặt vấn đề:

Nếu cần tách các cấu tử trong hỗn hợp bằng chưng luyện, thì cần phải xác định số đĩa lí thuyết của tháp, nơi có sự trao đổi chất giữa pha hơi và pha lỏng để đạt được sản phẩm đỉnh và đáy theo yêu cầu Động lực của quá trình trao đổi chất có thể ∆t s, ∆p i, ∆x i, ∆y i Trong thực tế thường dùng là hiệu số giữa nồng độ của hơi với nồng độ của lỏng cân bằng trên cùng một tiết diện

Độ lớn của hiệu số giữa nồng độ cân bằng và nồng độ làm việc phụ thuộc vào dòng lỏng và dòng hơi đi trong tháp và được xác định bởi chỉ số hồi lưu, nhiệt bay hơi phân tử, nhiệt độ sôi, cũng như tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh

2.2 Những giả thiết của Mc Cabe và Thiele:

1/ Hỗn hợp đi vào tháp ở nhiệt độ sôi Tức chấp nhận qui tắc Trouton

const K

2/ Bỏ qua sự khác biệt về nhiệt độ sôi của các thành phần coi lượng lỏng và hơi đi trong tháp ở đoạn chưng và đoạn luyện là không đổi, nghĩa là:

const G

W(x w ) Hình 4.19 Sơ đồ hệ thống chưng luyện

một lượng lỏng hồi lưu, ở đáy tháp có thiết bị đun sôi Lượng hơi đi ra ở

đỉnh tháp G y

Phương trình cân bằng vật liệu:

W P

Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:

w P

W x

x

P x

2.4 Phương trình đường nồng độ làm việc:

Để đơn giản cho việc thiết lập đường nồng độ làm việc của tháp chưng luyện, cần chấp nhận những giả thiết sau:

1/ Dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trên toàn bộ chiều cao của tháp (G y' =const và G y =const ) Dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống không đổi trong đoạn luyện và đoạn chưng (G x =const và

const F

G

G x' = x + = ) Tức là phải thõa mãn các điều kiện:

- Nhiệt hóa hơi mol của các cấu tử bằng nhau, theo công thức thực

K kmol

kJ K

kmol

kcal T

r s

21

- Không có nhiệt hòa tan ∆Q= 0

- Không có nhiệt mất mát ra môi trường chung quanh

- Sự sai khác về nhiệt riêng của chất lỏng sôi trên các tiết diện khác nhau của tháp được bỏ qua

2/ Hỗn hợp đầu đi vào tháp ở nhiệt độ sôi

3/ Chất lỏng đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành

phần hơi đi ra ở đỉnh tháp (y P = x P)

4/ Hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đáy (y W

= x W)

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)

P G

Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:

P x

y y G x P x

Từ phương trình (4.25) và (4.26) suy ra:

P x

x

P G

P x P G

G

+

+ +

x R

R

1

1

1 + + +

R

Phương trình (4.28) là phương trình đường nồng độ làm việc ở đoạn luyện Nó thể hiện quan hệ giữa nồng độ của pha lỏng ở một tiết diện bất kì trên đoạn luyện và nồng độ của pha hơi ở cùng tiết diện phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu và nồng độ của sản phẩm đỉnh

Phương trình có dạng đường thẳng và góc nghiêng α1 với

y

x G

G R

R

+

= 1 1

cắt trục tung y tại điểm m:

m R

Hình 4.20 Đồ thị y-x biểu diễn đường nồng độ làm việc của đoạn luyện

Trong trường hợp hồi lưu hoàn toàn lượng sản phẩm đỉnh thì:

0 1

x

G

G tg

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):

W G