Khái quát “ Chưng là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử t
Trang 1KỸ THUẬT QUÁ TRÌNH VÀ
THIẾT BỊ 2
Chương 6: Quá trình chưng cất
GV: TS Bùi Tấn Nghĩa
email: btnghia109@gmail.com
Website: www.nghiahiepchemeng.com
Facebook: Tan Nghia Bui
1
I Khái quát
“ Chưng là quá trình dùng để tách
các cấu tử của một hỗn hợp chất
lỏng cũng như các hỗn hợp khí –
lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa
vào độ bay hơi khác nhau của các
cấu tử trong hỗn hợp.”
3
Các phương pháp chưng
– Chưng đơn giản – Chưng bằng hơi nước trực tiếp – Chưng chân không
– Chưng cất
1 PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ Căn cứ vào mức độ hoà tan ta có thể chia dung dịch hai cấu tử thành các loại sau:
–Chất lỏng hoàn toàn hoà tan vào nhau theo bất cứ tỉ lệ nào
–Chất lỏng hoà tan một phần vào nhau
–Chất lỏng không hoà tan vào nhau
Trang 2Xét hỗn hợp gồm hai cấu tử A và B theo
định luật Raoult ta có áp suất riêng phần
của các cấu tử là:
PA= PbhA.xA
PB= PbhB.xB= PbhB.(1 – xA)
Áp suất tổng
P = PA+ PB= PbhA.xA+ PbhB.(1 – xA)
6
0 0 100
5 33.2 90.5
10 44.2 86.5
20 53.1 83.2
30 57.6 81.7
40 61.4 80.8
50 65.4 80.0
60 69.9 79.4
70 75.3 79.0
80 81.8 78.6
90 89.8 78.4
100 100 78.4
70
75
80
85
90
95
100
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
X_T Y_T
7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Đường cân bằng lỏng hơi
x y T
0 0 100
5 33.2 90.5
10 44.2 86.5
20 53.1 83.2
30 57.6 81.7
40 61.4 80.8
50 65.4 80
60 69.9 79.4
70 75.3 79
80 81.8 78.6
90 89.8 78.4
100 100 78.4
8
Trang 32 CHƯNG ĐƠN GIẢN
1 Nguyên tắc và sơ đồ chưng đơn giản, đồ thị
txy
TB ngưng tụ
Nồi đun Bình chứa sản phẩm
Nước vào
Hơi nước
Nước ngưng
Nồi
chưng
11
Chưng đơn giản được ứng dụng cho những trường hợp sau:
• Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác nhau xa:
• 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
Tính toán quá trình chưng đơn giản
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình là:
D x W x F x
D W F
D W
Trang 43 CHƯNG CẤT
3.1 Nguyên tắc làm việc của
tháp
Hơi đi dưới lên qua các lỗ của
đĩa, chất lỏng chảy từ trên xuống
dưới theo các ống chảy chuyền
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
14
Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình
chuyển khối giữa pha lỏng và pha
hơi.
Do đó một phần cấu tử dễ bay
hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi
và một phần ít hơn chuyển từ pha
hơi vào pha lỏng.
Quá trình chưng cất được thực
hiện trong thiết bị lọai tháp làm
vịêc liên tục hay gián đọan.
3.1 Nguyên tắc làm việc của tháp
15
3.2 Chưng cất liên tục
3.2.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất liên tục
16
Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp
F = W + D F.xF= W.xW+ D.xD Trong đó:
F, W, D - suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh, kmol/h
xF, xW, xD- phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh
Trang 5Phương trình đường nồng độ làm việc của
đoạn cất
Giả thuyết:
– Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng
nhau trong tất cả tiết diện của tháp.
– Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi.
– Chất lỏng trong thiết bị ngưng có thành
phần bằng thành phần hơi ra khỏi đỉnh
tháp.
– Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.
– Số mol chất lỏng không đổi theo chiều cao
của đọan cất và chưng.
Phương trình làm việc phần cất
Với
là chỉ số hồi lưu của tháp
LO- lượng lỏng được hồi lưu, kmol/h
1
1
R
x x R
R
D
L
R o
19
Phương trình đường nồng độ làm việc của
đọan chưng
Với
lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh
W
x R
L x R
R L y
1
1
D
F
L
Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu):
* Phương pháp đại số:
*
F y
F F
F D
x y
y x R
*
* min
: nồng độ pha hơi cân bằng ứng với nồng độ nhập liệu pha lỏng xF.
R=b.Rmin R=1,3.Rmin+0,3 hoặc R=(1,2÷2,5).Rmin
Rmin: chỉ số hồi lưu tối thiểu
Trang 6Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu):
=> Xác định lượng R sao cho thích hợp với
điều kiện kinh tế và kỹ thuật:
Nếu lượng hồi lưu quá bé thì tháp vô cùng
cao,điều này khó thực hiện
Nếu lượng hồi lưu tăng thì số mâm lý thuyết
giảm, đường kính thiết bị tăng, kích thước thiết
bị ngưng tụ tăng, nhiệt cung cấp cho nồi đun
tăng, công cung cấp cho bơm tăng => chi phí
tăng và lượng sản phẩm đỉnh giảm
22
Xác định số mâm lý thuyết
Các bước xác định:
1 Xác định chỉ số hồi lưu
2 Xác định các đường làm việc
3 Xác định đường cân bằng
4 Vẽ đồ thị đường làm việc và đường cân bằng
5 Vẽ số bậc thang thay đổi nồng độ
6 Số bậc thang là số mâm lý thuyết
Số mâm lý thuyết
1
R
x
B D
D
W
F
1
1
R
x x R
R
W
x R
L x R R L y
1
1
24
3 Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chưng cất
ng m W D Lo K
F Q Q Q Q Q Q
Q
Lo F ng m W D
K Q Q Q Q Q Q
Q
QK: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, W.
Qm: nhiệt tổn thất
Qm= 5% - 10% Qk
Toàn tháp
Trang 73 Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chưng cất
QF: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, W.
F P
F F C t
Q
F .
QD: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, W.
D P
D D C t
Q
D .
Toàn tháp
3 Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chưng cất
dòng sản phẩm đáy mang ra, W.
W P
W W C t Q
W
Qng: nhiệt lượng trao đổi trong thiết
bị ngưng tụ, W.
D o
ng D L r
27
3 Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chưng cất
dòng hoàn lưu mang vào, W
D D o
L L C t
Q
o
ng m W D Lo K
F Q Q Q Q Q Q
Q
Lo F ng m W D
K Q Q Q Q Q Q
Q
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Q F = F.C pF (t Fr – t Fv ) + Q m
Trang 8Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Q ng = D.(R+1).r D = G x r D = G n C.(t r – t v ) + Q m
30
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh
Sản phẩm đỉnh
Q D = D.C pD (t sD – t D ) = G 1 C.(t r – t v ) + Q m
31
Làm lạnh sản phẩm đáy
Sản phẩm đáy
Sản phẩm đáy
Q w = W.C pW (t sW – t W ) = G 2 C.(t r – t v ) + Q m
Chưng bằng hơi nước trực tiếp
32
Trang 9Ví dụ
Tháp chưng cất liên tục dưới áp suất thường
dùng để sản xuất 500kg/h acid acetic với nồng
độ 70% mol Nhập liệu vào với nồng độ 29%
mol acid acetic ở nhiệt độ sôi Sản phẩm đỉnh là
nước chứa 7% mol acid acetic Tháp được gia
nhiệt bằng hơi bão hòa khô
1.Vẽ sơ đồ hệ thống chưng cất, đường cân
bằng lỏng (x) – hơi(y) % mol
2.Tính lượng sản phẩm đỉnh và nhập liệu
(kmol/h)
3 Cho tỉ số hoàn lưu bằng 1,5 Rmin Xác định
số mâm thực của tháp cho biết số mâm thực
tương ứng với một bậc thay đổi nồng độ là 2
4.Tính chiều cao của tháp biết khoảng cách
giữa các đĩa là 0,4m, bộ phận gia nhiệt dưới đáy
tháp là 1m, khoảng cách từ đĩa trên cùng lên
đỉnh tháp là 0,6m (Bề dày của đĩa là không đáng
kể)
5
35
Thành phần cân bằng lỏng (x) – – hơi(y) % mol hơi(y) % mol
nước – – acetic acetic
T 118.1 115.4 113.8 110.1 107.5 105.8
T 104.4 103.3 102.1 101.3 100.6 100
Tóm tắt đề W=500kg/h
xw= 30%mol nước
xF= 71%mol nước
xD= 93%mol nước R= 1.5 Rmin
Trang 101 Vẽ sơ đồ hệ thống chưng cất
38
Vẽ đường cân bằng lỏng hơi
x
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90
y
10
20
30
40
50
60
70
80
90
39
2 Tính lượng sản phẩm đỉnh và nhập liệu
-Tính lưu lượng mol sản phẩm đáy:
Khối lượng trung bình sản phẩm đáy:
Lưu lượng mol sản phẩm đáy: W
500
45.4
W kmol h
47,4 10,548 kmol/h
18 0.3 60 0.7 5.4 42 45.4
Ftb Ftb
M
47,4
Wtb
Wtb
40
Phương trình cân bằng vật liệu
F = W + D F.xF= W.xW+ D.xD Thay giá trị vào ta được:
F = 10,548 + D Fx0.71 = 10,548x0.3 + Dx0.93 Giải hệ phương trình ta được:
F = 30,2 kmol/h
D = 19,66 kmol/h
Trang 11Xác định chỉ số hoàn lưu tối thiểu
xF= 0.71 => y*F= 0.80 mol/mol
F F
F D x
x y
y x R
*
*
min
min
1.44
x
Chỉ số hoàn lưu thực tế
Chỉ số hoàn lưu thực tế =1.5 Rmin
Suy ra:
R = 1.5*1.44 = 2.16
43
Xác định số mâm thực của tháp
Xác định số bậc thay đổi nồng độ:
- Phương trình đường làm việc của đoạn cất:
1
1
R
x x R
R
2.16 0.93 2.16 1 2.16 1 0.68 0.3
- Phương trình đường làm việc của đoạn chưng:
Với:L= 30,2/19,66=1,54 Suy ra:
Pt đường làm việc đoạn chưng:
y = 1.17x - 0.05
W
x R
L x R
R L y
1
1
1.54 2.16 1.54 1
* 0.30 2.16 1 2.16 1
Trang 12_Đoạn cất
y = 0 68x + 0.3
_Đoạn chưng
y = 1.17x - 0.05
46
Vẽ đồ thị các đường làm việc
x%
5 10 20 30 40 50 60 70 80 90
y%
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Thank you for your attention !
47