tính toán chưng cất hóa học

Khi tính toán thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp đa cấu tử đơn giản thu hai sản phẩm đỉnh và đáy, các dữ liệu cần thiết để tính toán bao gồm:  3 yếu tố đặc trưng cho nguyên l

1 Khi tính toán thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp đa cấu tử đơn giản thu hai sản phẩm (đỉnh

và đáy), các dữ liệu cần thiết để tính toán là gì?

2 Cho một hỗn hợp có thành phần như sau :

Cấu tử Ethane,

C2

Propene, C3=

Propane, C3

Iso butane, C4

n-butane, C4

iso pentane iC5

n-pentane nC5

Hỗn hợp ở trạng thái có 30% thể tích là pha lỏng, ở áp suất 12 atm, có lưu lượng là 400 kmol/h Cần thiết kế tháp tách propane để thu hồi

- Ở đỉnh: thu được sản phẩm gồm C2 và phân đoạn C3 hiệu suất thu hồi phân đoạn C3 đạt 96%

- Ở đáy: thu được phân đoạn C4 và C5 với độ lẫn của các cấu tử nhẹ tối đa là 3%

Sử dụng phương pháp Shortcut để tính toán quá trình chưng cất này theo trình tự như sau: (bỏ qua tổn thất áp suất trong hệ thống chưng cất)

1 Cấu tử khóa là gì? Xác định các cấu tử khóa trong hệ này và giải thích (1đ)

2 Giả thiết sự phân bố nồng độ ở đỉnh và ở đáy tháp tuân theo yêu cầu chất lượng sản phẩm (1đ)

3 Thiết lập sơ đồ thuật toán tính toán nhiệt độ nhập liệu (1đ) và chứng tỏ giá trị này khoảng

74oC (1đ) (Sai số cho phép <10%)

4 Hãy tính độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp tại đĩa nạp liệu, tại đỉnh và đáy tháp biết nhiệt độ tại đĩa nạp liệu, đỉnh và đáy tháp lần lượt là 74oC, 35oC và 94oC (1.5đ)

5 Thiết lập phương trình FENSKE cho các cấu tử khóa và xác định Nmin (1đ)

6 Trình bày nguyên tắc tính tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin theo phương pháp Maxwell (1đ)

7 Sau khi xác định được Rmin và Nmin làm thế nào xác định giá trị R và N thích hợp? (0,5đ) (Hằng số cân bằng pha của các cấu tử theo nhiệt độ tại áp suất 12atm có thể tham khảo từ giản

đồ kèm theo)

Khi tính toán thiết kế tháp chưng cất hỗn hợp đa cấu tử đơn giản thu hai

sản phẩm (đỉnh và đáy), các dữ liệu cần thiết để tính toán bao gồm:

 3 yếu tố đặc trưng cho nguyên liệu

 Lưu lượng nạp liệu: liên quan đến kích thước tháp

 Thành phần nguyên liệu: thành phần của từng cấu tử trong

nguyên liệu để tính cân bằng vật chất

 Trạng thái nhiệt động (enthalpie) : ảnh hưởng đến lưu lượng

lỏng- hơi đi trong tháp và ảnh hưởng đến vị trí của đĩa nạp liệu

Trạng thái nhiệt động được xác định từ giá trị nhiệt độ và áp suất

của nguyên liệu

0,5đ

 2 yếu tố đặc trưng cho tiêu chuẩn sản phẩm:

 Độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh và đáy (mức độ lẫn các cấu tử

nặng trong sản phẩm đỉnh hoặc ngược lại mức độ lẫn của cấu tử

nhẹ trong sản phẩm đáy)

 Hiệu suất thu hồi sản phẩm từ nguyên liệu ban đầu thể hiện ở

hiệu suất thu hồi cấu tử nhẹ trong sản phẩm đỉnh và cấu tử nặng

trong sản phẩm đáy

0,5đ

 Lựa chọn áp suất vận hành: Việc chọn lựa này dựa vào sự xem xét

tính kinh tế và kỹ thuật Áp suất vận hành tối ưu của một tháp chưng

cất là áp suất cho phép thực hiện một quá trình tách có giá thành

thấp nhất

0,5đ

Đối với các dung dịch lý tưởng hay gần lý tưởng như hỗn hợp các

hydrocarbon, chênh lệch độ bay hơi giữa các cấu tử được tách sẽ tăng khi

áp suất giảm Do vậy đối với những hỗn hợp này, cần yêu cầu làm việc ở

áp suất càng thấp càng tốt để quá trình tách được dễ dàng nhất Tuy nhiên

cũng cần lưu ý xem xét khả năng ngưng tụ hơi ở đỉnh tháp, trong thiết bị

ngưng tụ và trong bình hồi lưu

Như vậy áp suất vận hành của một tháp chưng cất được xác định bởi

những điều kiện được thiết lập sau khi đã tìm hiểu các yếu tố liên quan

đến bản chất hỗn hợp cần tách, khả năng và điều kiện ngưng tụ hơi đỉnh

để hồi lưu để đảm bảo tính kinh tế cho cả quá trình tách

0,5đ

Đối với một số hỗn hợp nhiều cấu tử đơn giản hydrocarbon, ta có thể

xác định được hệ số cân bằng pha của các cấu tử trong hỗn hợp và từ đó

xác định được độ bay hơi tương đối giữa chúng Khi đó cần chọn một

cấu tử trong hỗn hợp để làm chuẩn so sánh độ bay hơi, đó là cấu tử

khoá Trong tính toán chưng cất đa cấu tử thường chọn đến hai cấu tử

khóa (nặng, nhẹ) nhằm giúp xác định việc phân bố nồng độ các cấu tử ở

các phân đoạn phù hợp với yêu cầu sản xuất

0,5 đ

Căn cứ trên yêu cầu phân tách đối với hỗn hợp này ta có đường phân

tách lý thuyết của hỗn hợp này như sau:

C2 (5%)

0,5đ

C3= (10%) C3 (30%) iC4 (15%) nC4 (20%) iC5 (7%) nC5 (13%) Như vậy có thể chọn

Cấu tử khóa nhẹ là Propane

Cấu tử khóa nặng là iso Butane

Ta có bảng thành phần hỗn hợp đầu:

Trong chưng cất đa cấu tử, phương pháp đơn giản hóa Gilliland chấp

nhận cơ sở chính cho việc tính toán là dựa vào cấu tử khóa, các cấu tử

còn lại tùy theo yêu cầu chất lượng phân tách mà giả thiết phân bố phù

hợp rồi sau đó sẽ hiệu chỉnh nếu cần thiết

Để đơn giản chúng ta giả thiết sự phân bố nồng độ các cấu tử như sau:

- Ethane phân bố hoàn toàn ở đỉnh tháp

- iC5 và nC5 phân bố hoàn ở đáy

- C3= và C3 sẽ phân bố ở đáy với lượng C3 nhiều hơn

- iC4 và nC4 sẽ phân bố ở đỉnh với lượng iC4 nhiều hơn

0,5đ

Với các giả thiết này ta có thể tính được lượng C3 phân bố ở đáy và

lượng iC4, nC4, iC5 phân bố ở đỉnh

Gọi tổng lượng C3 phân bố ở đáy là x, tổng lượng C4 phân bố ở đỉnh là

y Vì hiệu suất thu hồi phân đoạn C3 ở đỉnh là 96% nên:

Độ lẫn các cấu tử nhẹ trong sản phẩm đáy tối đa 3% nên

Ta giả thiết bảng phân bố nồng độ như sau:

Cấu

Phần mol

0,5đ

Thiết lập sơ đồ thuật toán tính nhiệt độ nhập liệu: 0,5

Các dữ liệu đã biết là thành phần hỗn hợp zi, phần trăm pha hơi V

Gọi xi, yi là nồng độ của cấu tử i ở pha lỏng và pha hơi khi cân bằng Ta

có :

i i i

i

i Lx Vy V x Vy

Z    ( 1  )  , Z i x i[1V(K i1)]

)]

1

(

1



i

i

i

K

V

Z

x

Với giả thiết ở điều kiện hỗn hợp đầu có 30%vol pha lỏng, nhiệt độ hỗn

hợp là 74oC, tra giản đồ hằng số cân bằng pha theo điều kiện nhiệt độ

này (tại và áp suất 12 atm) ta có các giá trị hằng số cân bằng pha Ki của

các cấu tử Áp dụng sơ đồ thuật toán xác định giá trị thành phần pha

lỏng xi và thành phần pha hơi yi Nếu tổng các giá trị thành phần từng

pha này bằng 1 thì giả thiết nhiệt độ là đúng

0,5đ

Ta có kết quả:

Sai số của bài toán khoảng 3% Vậy giá trị 74oC là nhiệt độ của nguyên

liệu

0,5đ

Tại các giá trị nhiệt độ đã cho tương ứng với với từng vị trí nhập liệu,

đỉnh và đáy tháp ta xác định hằng số cân bằng pha của mỗi cấu tử theo

giản đồ (ở 12atm) từ đó xác định độ bay hơi tương đối αij = Ki/Kj với i

là cấu tử bất kỳ và j là cấu tử khóa nặng Ta có kết quả:

Tại đỉnh tháp: nhiệt độ 35oC là nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp Vì

ngưng tụ hoàn toàn nên thành phần sản phẩm đỉnh xiD cũng chính là

thành phần hơi đỉnh yi Ta có bảng kết quả sau:

0,5đ

Tại đáy tháp: nhiệt độ 94oC là nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp Ta có kết

quả:

0,5đ

Tại vị trí nạp liệu có nhiệt độ 74oC Với giá trị Ki đã xác định tại câu 3

ta có giá trị độ bay hơi như sau

0,5đ

Sử dụng phương trình FENSKE xác định Nmin

Phương trình FENSKE được thiết lập trong trường hợp tháp hồi lưu

hoàn toàn Khi đó số đĩa lý thuyết là tối thiểu và được xác định theo

công thức:

0,5đ

lg

lg

jR iD

ij

x x

N



�



Trong đó ij là độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử i bất kỳ so

với cấu tử khóa nặng j

Bảng giá trị độ bay hơi tương đối trung bình

Chấp nhận sự phân bố nồng độ của hai cấu tử khóa C3 và iC4, viết

phương trình FENSKE cho hai cấu tử khóa này ta tính được:

Nmin = 7.138

Cần kiểm tra lại giá trị này có phù hợp với giả thiết phân bố nồng độ

ban đầu hay không

0,5đ

Phương pháp tính Rmin của Maxwell dựa trên công thức đơn giản hóa

của Gilliland với việc giả thiết 2 trạng thái nhập liệu biên

- Nhập liệu ở trạng thái lỏng: tuy nhiên không phải hoàn toàn lỏng vì

có các cấu tử nhẹ hơn cấu tử khóa nhẹ bay hơi

- Nhập liệu ở trạng thái hơi: cũng không phải hơi hoàn toàn mà các

cấu tử nặng hơn cấu tử khóa nặng không bay hơi

0,5đ

Ứng với mỗi trường hợp nhập liệu biên sẽ cho các tỷ số hồi lưu tối thiểu

tương ứng và từ đó có thể nội suy tuyến tính cho tỷ số hồi lưu bất kỳ

tương ứng với trạng thái nhập liệu nằm giữa hai trạng thái biên trên

0,5đ

Sau khi xác định được Rmin và Nmin, dựa vào giản đồ (hoặc công thức)

mối quan hệ giữa N và R xác định các giá trị N tương ứng với từng giá

trị R Thông thường R nằm trong khoảng 1,05.Rmin ÷ 2.Rmin

Có thể đánh giá sơ bộ giá trị R và N thích hợp thông qua đồ thị quan hệ

R – N(R+1) Giá trị cực tiểu N(R+1) tương ứng với R thích hợp thể hiện

chi phí đầu tư cho thiết bị là nhỏ nhất (liên quan đến kích thước thiết bị)