Ứng dụng các nguyên lý vào kỹ thuật tách đối với hỗn hợp nhiều cấu tử (Tập 1 - Tái bản lần thứ 2): Phần 2

(BQ) Phần 2 cuốn sách cung cấp cho người học các kiến thức: Các quá trình chưng cất ứng dụng trong công nghiệp, chưng cất nhiều bậc gián đoạn, tiết kiệm năng lượng trong chưng cất. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chương 4 CÁC QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT ỨNG DỤNG

4.1 PHẠM VI THAY ĐỔI CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CÙA CÁC QUÁ TRÌNH CHƯNG CÁT TRONG CÔNG NGHIỆP

Đ ể đảm bảo điếu kiện làm việc của hệ thống thiét bị và đ ể đạt được hiệu qu ả kinh tế cũng như đảm bảo các yêu cẩu vể m ôi trường, các thòng số của các q uá trình chư ng cẩt công nghiệp phải nằm trong m ột khoảng thay đổi n h ất định Chương này sẽ để cập tới phạm vi thay đổi của m ột số thô ng số quan trọ n g n h ất của quá ư ln h chưng cất trong công nghiệp

4.1.1 Phạm vi thay đồi của nhiệt độ

Đối với các quá trìn h chưng cất trong công nghiệp luô n tổn tại giới hạn trên cùa nhiệt độ làm việc M ột tro n g những ]ý do phải giới hạn nhiệt độ làm việc của các quá trìn h chưng cất đó chính là nguy cơ bị p h ân hủy n h iệt của các cấu tử ở trong hỗn hợp cẩn tách T ro n g thực tế rất nhiểu các hợp chắt

bị phân hủy d ẩn dẩn ở nhiệt độ cao M ột số các hợp chất th ậm chí còn bị phân hủy ở ngay tại nhiệt độ sôi thường của chúng N hiệt độ cho phép tối đa của m ột số hợ p chất được dẫn tro n g bảng 4 1

Bàng 4.1 Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép của các tháp chưng cát

đẻ tránh phân hủy nhiệt

H ợp ch ẩt N h iệ t độ làm việc lớn

nhất, °c

Áp suất làm

Dầu thô đã tách phân

đoạn nhẹ

nhiệt độ sôi thường

T ạo th àn h NOx và có thể tách được bằng quá trin h nhả bằng

k hô ng khí

Q uá trin h p h àn hủy nhiệt cùa các chất p h ụ thuộc vào n h iệt độ cúng n h ư thời gian chịu tác dụng của nhiệt độ Các số liệu d ẫn trong bảng 4.1 là các giá trị gắn đ ú n g cho các điểu kiện chưng cất điển h ình.

Nguyên n h â n th ứ hai góp ph ẩn quyết định giới hạn trên của nh iệt độ chính là n gu ổn nhiệt được

sử dụn g tro n g công nghiệp N goại trừ m ột vài trường hợp đặc biệt, còn tro n g đại đa số các trường hợp nguốn nhiệt được sử d ụ n g rộ n g rãi chính là hơi nước bão hòa Áp suất có th ể tạo được của hơi nước sẽ quyết định giới hạn trên của nhiệt độ Ngoài ra, giới hạn trên của nh iệt độ cũng sẽ p h ụ thuộc vào hiệu

số nhiệt độ cẩn thiết đ ể quá trin h truyển nh iệt diễn ra b ình thường tro n g các th iết bị đ u n nóng và đun bay hơi các h ỗ n h ợ p lỏng (hiệu số nhiệt độ này khoảng 10 - 30°C) T ro n g các trư ờ n g hợ p đặc biệt (ví dụ

n h ư quá trin h chưng cất dẩu thô, qu á trìn h nân g cao nổ ng độ của axit sunphuaríc) nh iệt đ ộ cao có thể đạt được bằng cách sử dụng chất tải nhiệt là dẩu nóng hoặc bằng khói lò T ro n g n h ữ n g trường hợp này nhiệt đ ộ p h ù hợp tương ứng sẽ khoảng 300 và 400°c T hô ng thường, các tháp ch ư n g cất k hông sừ dụng nguổn nhiệt là năn g lượng điện T rong bảng 4.2 đẫn các số liệu về n h iệt độ tổi đ a và giá so sánh của

m ột số nguổn nhiệt dùng cho các tháp chưng cất số liệu vé giá tương đối của các nguồn nhiệt dẫn trong bảng chỉ m ang tính tham khảo vì các số iiệu này không được đại đa số các công ty đánh giá m ột cách chính xác và đặc biệt giá cùa hơi áp suất cao luôn có xu th ế ước tính th ấp h ơ n so với thự c tế

Bàng 4.2 Nhỉệt độ tôi đa và giá so sánh của một số nguòn nhiệt

H ơi nước:

45 - 50°c (nhiệt đ ộ cao n h ấ t của nước làm lạnh thường không vượt qu á 4 5 - 50°C)

H iện tại, x u th ế sử d ụ n g k h ô n g khí làm chất làm lạn h ngày càng được tân g cường nên nhiệt độ

n h ỏ n h ất tro n g th áp ch ư n g cất sẽ tro n g khoảng 60 - 70°c Đ ối khi nước đá hoặc các tác n h â n lạnh đã

h ó a lỏng (n h ư a m ô n iic , p rô p a n , nitơ ) cũng được sù d ụ n g làm chất làm lạnh , n h ư n g các chất làm lạnh này thư ờng có giá th à n h cao N h iệt độ th ấp n h ấ t và giá so sánh của m ộ t số ch ấ t làm lạnh đtiỢc dẫn tro n g bản g 4.3

Bàng 4.3 Nhiệt độ nhỏ nhất và glá tương đối của một số chất làm lạnh

Chất ỉàrti lạnh Nhiệt độ, °c G iá tươ ng đối, %

4.1.2 Phạm vl thay đ&i của áp suất

Đ ể thỏa m ãn các yêu cẩu vể nhiệt độ đ u n nóng và nhiệt đ ộ làm nguội thl cẩn phải chọn đúng áp suất làm việc của th áp h oặc phải bổ sung thêm các cấu tử có n h iệt đ ộ sôi thấp T hô ng thường, để giảm nhiệt độ làm việc, quá trìn h tách cấn p h ải được tiến hành ở áp suất chân không Vể m ặt kỹ thuật, đ ể tạo được áp suất làm việc của tháp tro n g khoảng 0,06 0,08 bar chỉ cẩn sử d ụ n g bơm chân không kiểu rôto

m ột cấp T ro n g trư ờ ng hợ p nếu cẩn áp suất làm việc của th áp khoảng 0,013 b ar sẽ phải sử đụng bơm

chân không hai cấp Chân không cao hơn (2 -í- 5) 1 Or3bar rất ít khi được sử dụng trong tháp chưng cắt vì

khi đỏ chi ph í vận h àn h và chì phí đ ầu tư cho hệ thống tạo chân không sẽ rất cao

T rong n hữ ng trư ờ ng hợp trên, thay vỉ sử dụn g độ chân không cao có th ể thêm vào hỗn hợp cẩn tách các chất có nhiệt đ ộ sôi thấp n hằm giảm nhiệt độ sôi của h ỗ n hợp Các chất ph ụ gia {bổ sung vào hỗn hợp) thư ờ ng là các chất khí trơ (không khí và nitơ) và đặc biệt cho các hệ hữ u cơ thường bổ sung hơi nước {vì nưốc sẽ dễ dàn g được tách ra sau khi ngưng tụ)

Đ ể tăng nh iệt đ ộ sôi của các h ỗ n hợp có nhiệt độ sồi thấp, tháp chưng cất có th ể làm việc ở áp suất cao hơn T u y nhiên, khi áp suất làm việc của tháp càng cao thì m ức đ ộ khác n h a u giữa nố ng độ cùa pha hơi và pha lỏng sẽ càng nhỏ Giới hạn trên của áp suất làm việc của th áp sẽ n ằm tra n g khoảng áp suất tới h ạn của các cấu tử Các hợ p chất hyđrôcacbon có nhiệt độ sôi thấp n h ư m êtan thư ờng được tách trong các th áp làm việc ở áp suất bằng khoảng 70% áp suất tới hạn của các hợ p chất này, T rong khi đó êtylen và êtan lại được chưng cất ở áp suất bằng 40% - 50% áp suất tới hạn của chúng, còn prôpylen và prôpan lại được chưng cất ở áp suất bằng 34 - 50% áp suất tới hạn

Làm việc ở áp suất cao là m ột vấn đé rất cơ bản và phức tạp cùa các quá trin h công nghiệp vì khi

đó các d ò n g k h í và các dò n g lỏng p h ải được nén và bơm đến áp suất cao h ơ n T ro n g m ộ t số trư ở ng hợp nên tăng áp suất của p h a lỏng thay cho việc tăng áp suất của ph a hơi vì tiêu hao nản g lượng khi nén lỏng

sẽ thấp hơ n n h iều so với trư ờ ng hợ p nén pha hơi Các sổ liệu dùng để so sánh tiêu hao năng lượng khi nén 1 kg không khí và 1 kg nước được thể hiện trên h ìn h 4.1 Các đổ thị trên hìn h này cho thấy rất rõ

tiêu hao năng lượng kh i nén k hông khí gấp hàng trăm đ ến h àng ngh ìn lán so với tiêu hao n ăng lượng khi nén nước Sự khác n hau này sẽ đúng cho tất cả các hệ bởi có sự khác n h au đáng kể giữa khối lượng riêng cùa lỏng và của hơi.

20

10

1 2 4 6 10 20 40 60 100

p/p0 o

Hình 4.1 So sảnh tiêu hao năng luụng N (kw/kg) khi nén không khỉ (Nu)

và nón nu&c (Nhỉo) đến ảp suất cao

4.1.3 Phạm vi thay đỗi kích thước của tháp

Sổ bậc lý thuyết tro n g các tháp chưng cất cũng có giới hạn, Các số liệu dẫn tro ng bàng 4.4 cho thấy sổ bậc lý thuyết của m ộ t th áp chưng cất lớn h ơ n 1 0 0 rất ít khi được sử dụn g tro n g công nghiệp

M ột vấn để rất quan trọng thường gặp trong thiết kế các tháp chính là vấn để chọn đúng vật liệu

chế tạo tháp Đối vói các hệ có khả năng ăn m òn cao (ví dụ như các axít) th ủy tin h Pyrex phải được chọn làm vật liệu ch ế tạo tháp T ro n g trư ở ng hợ p này, đường k ính của th áp sẽ không th ể vượt quá

D ổ lm và áp suất làm việc cũng sẽ không vư ợt quá p<, Ibar Các tháp chưng cất công nghiệp có đường

kinh lớn n h ất khoảng D = 13 - 15 m

Bảng 4.4 Các cáu tử chính cửa các quá trinh chưng cát công nghiệp quan trọng

và sổ đĩa lý thuyết điển hình của tháp [Perry, 1984]

4.2 TÁCH HỒN HỢP HAt CẢU TỬ

T ro n g ph ẩn này sẽ xét m ột vài ví dụ của các quá trin h chưng cat công nghiệp dù ng đ ể tách hỗn hợp hai cấu từ Các ví d ụ được dẫn dưới đày chủ yếu để m inh họa tầm q u an trọng cùa các giới hạn của các thông số vừa được trìn h bảy ở ư ên

4.2.1 Quá trình nâng cao nòng độ axít sunphuaríc

Axít sunphuaríc là m ộ t tro n g nhữ ng hóa chất cơ b ản q uan trọ ng n h át của công nghiệp hóa chất Axít sunphuaríc được sử dụ n g tro n g nhiểu quá trìn h hóa học n hầm tâng cường các p h ản ứng hóa học

và trong đại đa số các trư ờ ng hợp, sau khi thực hiện phản ứng, axít sunphuaríc sẽ ở dạng axít loãng

N hiệt độ sôi và nhiệt độ điểm sương của h ỗ n hợp H 2 O / H 2 S O 4 tại áp suất p = lb a r được thể hiện

trên hình 4.2 H ệ trên có điểm đẳng phí cực đại có nông độ H 2 S O 4 bằng 98,4% khối lượng Trong khoảng nổng độ của axít H2SO4 đến 75% khối lượng, p ha hơi hầu như chỉ có nước Ấ p suất hơi của hệ

H 2 O / H 2 S O 4 tại các nhiệt độ khác n h a u được thể hiện trên h ìn h 4.3 [Perry, 1984] Đ ố thị trén hlnh 4.3 rất hữu ích cho việc xác định các điểu kiện của quá trình nâng cao nổng độ H2SO4

Nước được sử dụng để làm lạnh và ngưng tụ hơi đi ra khỏi đỉnh của tháp VI vậy, nhiệt độ nhò nhất ở trên đỉnh tháp khoảng 40 - 50°c (xem bảng 4.3) D o đi ra khỏi đ ỉn h th áp h âu n h ư là nước tinh khiết nên áp suất làm việc n h ỏ n h ấ t của tháp sẽ khoảng 0,12 bar N ổng độ lớn n h ất của axít ở dưới đáỵ

tháp sẽ p h ụ thuộc vào n guồn nhiệt Khi sử dụng hơi nước có áp suất P ịị = 15 bar (200“C) làm nguổn

nhiệt thì nhiệt độ lớn n h ất ở trong tháp sẽ khoảng 170°c và tương ứng với n hiệt đ ộ này nổng độ axít sẽ khoảng 8 6% khối lượng D o có giới hạn vé nhiệt độ như trên nên nổng độ của axít sunphuaríc nhận được trong các nhà m áy công nghiệp sẽ thấp hơn nhiéu so với giới hạn nh iệt động do điểm đẳng phí tạo

ra {< 98,4% khối lượng)

Đ ể nân g cao nổng độ của axít sunphuaríc có thể sử dụng quá trỉn h làm việc tại hai m ức áp suất khác nhau (hìn h 4.4) Ở giai đoạn đáu, axít loãng được n ân g nống độ đ ến 72% k hố i lượng tại áp suất

thường trong thiết bị chưng cất một bậc Ở các điéu kiện trên pha hơi ra khòi thiết bị chỉ chứa duy nhất

nước (không chứa H2SO4 hoặc S O 3 ) Ở giai đoạn hai, axít sẽ được nâng n ổ n g độ đến 86% khối lượng tại

áp suất p = 0,12 bar D o tro n g pha hơi có chứa H2SO4 (ở dạng S O 3 ) nên quá trìn h tách sẽ được thực hiện trong tháp chưng cất có nhiều bậc Khí S O 3 trong ph a hơi sẽ được hấp thụ bâng dòn g axít sunphuaríc đi vào đỉnh tháp

Q uá trin h tuắn h o à n H 2 S O 4không chỉ đơn thuẩn nhằm nâng cao nố ng độ của axít H2SO4 m à còn

để loại bò các tạp chắt T ro n g quá trìn h nâng cao nông độ của axít các chất h ữ u cơ bị ph àn hủ y và sẽ đì theo dòng hơi đi ra khỏi thiết bị Các chất vô cơ thưởng bị kết tùa tro n g qu á trìn h n ân g cao nổng độ cùa axít và quá trìn h kết tủa này xảy ra chù yếu ở khoảng nổng độ 60% khối lượng của H2SO4

4.2.2 Quá trình thu hổi amôniắc từ nước thài

A m ôniắc là m ột hóa chất độc hại và thường có tro n g nước thải và vì vậy phải được tách ra khỏi nước thải và th u hổi ở dạng lỏng tin h khiết H àm lượng điển hình của am ôniắc tro n g nước thải khoảng 1% Có th ể thấy từ h ìn h 4.5 [Rizvi và H eidem ann, 1987] nhiệt độ điểm sương của am ôniắc rất thấp

( - 33,4°C) tại áp suất thấp p = 1 bar Đ ể nâng nhiệt độ điểm sương đến 50°c {nhiệt độ n h ỏ nh ất có thể làm nguội - ngưng tụ bẳng nước), thì cần phải tăng áp suất đến khoảng p = 20 bar Tại áp suất này,

nhiệt độ sôi của nước khoảng 2 1 2° c và đây là nhiệt độ quá cao đối với thiết bị đ u n bay hơi sử dụng

nguổn nh iệt là hơi nưóc VI nhữ n g lý do nêu trên nên quá trìn h tách am ôniắc thư ờng cắn được thực hiện theo sơ đổ hai bước (hìn h 4.6) [W under, 1990] Tại bước thứ nhất, p h ẩ n lớn nước được tách ở dưới đáy của th áp c - 1 làm việc tại áp suất thường H ỗ n hợ p ở trên đỉnh của tháp này phải có nhiệt độ sôi

thấp hơn 45°c Theo hình 4.5, tại nhiệt độ này nóng độ tối đa của N H ỉ trong hỗn hợp đinh tháp sẽ bằng

2 0% khối lượng H ỗ n hợ p đỉn h này sẽ được n én đến áp suất p = 20 b a r và đư a sang tháp c - 2 Sản

phẩm đinh của tháp c - 2 sẽ là am ôniắc tinh khiết N hiệt độ ở đáy của th áp c - 2 khoảng 180°c và úng với nh iệt độ này nổng độ n h ỏ n h ất của N H j trong h ỗ n hợ p đáy sẽ khoảng 10% khối lượng, vỉ vậy dòng này phải được tuẩn h oàn vế th áp c - 1 D o h ỗ n hợp đáy của tháp c - 1 là nước n ên có thể loại bỏ thiết

bị đun bay hơi đáy th áp c - 1 và sử dụng hơi nước trực tiếp để cắp nh iệt cho tháp

- o

Hình 4.5 Sự phụ thuộc cùa áp suất hơi của dung dịch Amônlic/Nước vào nhiệt độ

[Rizvi vả Heidemann, 1987] Tham số trỀn hình vè: Nồng độ % khối lượng NH, trong tòng

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý quá trình thu hồi amõniic từ nước thải ỊWunder,1990]

Như vậy, khi cho Bĩ tuẫn hoàn vể tháp c - 1 lưu lượng dòng vào tháp này tăng thêm 8% Dòng

vào tháp c - 2 bằng 9% đỏng vào của to àn bộ quá trình

4.2.3 Quá trình thu hôi khí hyđrô clorua từ hỗn hợp khí tro>

Quá trin h thu hồi khí HC1 từ h ỗ n hợp với khí trơ được th ể hiện trê n h ìn h 4.7 [Stichlm aừ, 1979]

Q uá trìn h này có th ể áp d ụ n g đ ề tách h ỗ n hợ p khí giàu khí HC1 và k h ô n g chứa (hoặc chứa ít) nước

N hiệt độ sôì thư ờ ng của HC1 là - 85°c Đ ể tránh q uá trinh làm việc ở n hiệt độ thấp, khí HC1 trước tiên được hấp th ụ bằng nước, sau đó sẽ th u hồi HC1 bằng phương pháp chư ng cắt D o k h í HC1 h òa tan rất

tố t trong nước, nên sau th áp hấp th ụ có th ể n h ận được axít clohyđríc có n ó n g độ đến 31% khối lượng

Quá trình hấp thụ khí HC1 bằng nước là quá trình tỏa nhiêu nhiệt nên nhiệt độ sẽ tăng trong thiết bị hấp thụ Ở nhiệt độ cao, nước sẽ bay hơi từ lỏng và chuyến sang pha khí Hơi nước đi ra khỏi đinh tháp sẽ được ngưng tụ và cho tuẩn hoàn vê tháp.

Axít clohyđríc tạo thành trong tháp hấp thụ sẽ đi qua thiết bị trao đổi nhiệt, sau đó đi vào tháp chưng cất C -2 Khí HCl tinh khiết được tách ra sẽ đi lên đỉnh tháp và đi ra ngoài, còn hỗn hợp đẳng phí axít HC1 - Nước (21% khối lượng) được lấy ra ở đáy tháp, sau đó tuẩn hoàn vể đoạn dưới của tháp C -l

D o dòng nước mới được liên tục đưa vào quá trinh, do đó một lượng nước hoặc phân đoạn giàu nước phải được lấy ra ngoài Trong đại đa số các trường hợp, một phần của hỗn hợp đáy của tháp hẫp thụ được lấy ra ngoài làm sản phẩm phụ vì axít clohyđríc nông độ 31% khối lượng đáp ứng các tiêu chuẩn của sản phẩm thương mại Trong khi đó, khí HC1 tinh khiết thu hổi được sẽ dùng để sàn xuất axít có nổng độ không dưới 45% khối lượng.

Hình 4.7 Sơ đồ nguyển Ịý quá ừinh thu hồl HCI từ hỗn hợp VỚI khi thải trơỊStlchlmaìr, 1979J

Hình 4.8 thể hiện đổ thị y - X của quá trình thu hổi HCl từ hỗn hợp với khí trơ Do vai trò của khí trơ trong tháp hấp thụ chỉ là làm giảm áp suất riêng phần của nước và của HCl, nên trong quá trinh tính toán không cẩn phải quan tâm đến các khỉ này Như vậy, khi tính toán chỉ phải xét đến nước và HCl tại áp suất P ị - Pkh! tro, Hệ quả là nhiệt độ sôi của lỏng cũng sẽ được xác định tại hiệu số áp suất trên (tương tự như trong tháp chân không).

D o nhiệt tỏa ra khi hấp thụ HCl tương đương với nhiệt hóa hơi của nưóc nên lưu lượng dòng hỗn hợp khí (bỏ qua phân khí ư ơ ) hầu như không đổi, và đường cân bằng pha cho hệ HCl ' Nước có thể xác định tại áp suất không đổi p t - Pthi tro- Khi áp suắt riêng phần của HCl trong hỗn hợp đáu lớn hơn 0 ,1 bar thì đường cân bằng pha trong tháp hấp thụ và tháp chưng cất sẽ gân như nhau.

Hình 4.8 Đồ thị McCabe - Thlolữ cùa quả trình thu hồl HCl biểu diễn trên hình 4.7

Quá trình thu hổi HC1 trên có thể thay đổi bằng cách lấy sản phẩm phụ (22% khối lượng HC1 ở

dưới đáy tháp chưng cất C -2 thay cho sản phẩm ờ đáy tháp hấp thụ C - l) D o hỗn hợp Bỉ có nổng độ HC1 thấp hơn và nổng độ nước cao hơn, nên hiệu suất thu hổi H ơ tinh khiết sẽ đạt đến 70% Tuy nhiên, hỗn hợp B2 có nổng độ thấp hơn so với tiêu chuẩn của sản phẩm phụ là axít 31% khối lượng.

V ỉ d ụ 4.2

Hãy xác định hiệu suất thu hổi khí HC1 tinh khiết vả lưu lượng cùa các dòng của quá trình thể hiện trên hình 4.7

Bài giải

- Góc nghiêng cùa đường làm việc của đoạn trên của tháp hấp thụ có thể xác định theo hlnh 4.8:

- Góc nghiêng của đường làm việc cùa đoạn dưới của tháp hấp thụ (hlnh 4.8):

- Lưu lượng dòng nước đưa vào quá trình:

T ừ (1) và (2) rú t ra được L = ILịị 0 và điếu này có nghĩa là m ộ t n ử a dòng lỏng đi trong đ o ạn trên

của tháp hấp th ụ sẽ d o thiết bị ngưng tụ tạo ra và phán còn lại được đưa từ ngoài vào

T oàn bộ lượng nước đưa vào th áp sẽ được lấy ra theo dòng sản phắm phụ s (axít đ o h y đ ríc 31% khổi lượng)

- C ân bằn g vật chất theo nước:

N h ư vậy hiệu suất thu hồi HCI tinh khiết sẽ bằng 45% Lượng HC1 còn lại sẽ đi vào dòng s (axít

đ ohyđríc 31% khối lượng)

- D òng h ỗ n hợ p đấu của th áp C -2:

- D òng h ỗ n hợ p đáy Bỉ của tháp C -2:

B 2 = F j — D 2 = 3 ,2 5 G h c i - 1 ,4 5 G h c i = 1 i8 G h c i (9 )

4.2.4 Quá trình Linde dùng để tách hôn hợp không khí

Tách hỗn hợp k h ông khí th àn h các cấu tử nitơ và ôxy (và th ư ờ ng tách cả argon) được thực hiện ở qui m ô lớn bằng các quá trìn h nhiệt độ thấp (quá trìn h thâm lạnh) V ào năm 1980 sản lượng cùa ôxy đã

đạt 112,2.10* T/nãm và quá trinh tách không khí đã trở thành quá trinh quan trọng thứ hai chì sau quá

trìn h lọc dẩu [Baldus, 1983],

Không khíg Khi 5 bgr

— (ịậ

-Hấp phụ L - - j

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên tý qué trình Lindữ để tách hỗn hợp không khí

Sơ đồ nguyên lý của quá trìn h Linde dùng để tách h ỗ n hợp k h ôn g khí đư ợc th ể hiện trên hình 4.9 [Baldus, 1983] Đ ầu tiên không khí được nén đến áp suắt khoảng 6 b a r và sau đó được làm lạnh bằng

các dòng nitơ và ôxy Sau đó nước, khí COỉ và các hyđrô cácbon được tách ra khỏi hỗn hợp khí băng phương pháp hấp p h ụ trên chất hấp phụ Zêoỉít (rây phân từ) Tiếp theo h ỗ n hợp không khí được làm lạnh cho tới khi khoảng 20% khí được hóa lỏng H ỗn hợp khí - lỏng của không khí sau đó dược đưa vào tháp kép của Linde đ ể tách thành nitơ và ôxy Cả hai sản phẩm này được đưa qua các thiết bị trao đổi nhiệt E - 1, E -2 vả E -3.

Trong các thiết bị này không khí đấu sẽ được hạ nhiệt độ, còn nitơ, ôxy sản phẩm sẽ được đốt nóng

N hiệt độ thấp cẩn thiết cho quá trình tách của Linde được tạo ra bằng cách d ãn m ột phần nitơ (khoảng 12% h ỗ n hợp đẩu) từ áp suất 5,7 bar đến 1,3 bar (hiệu ứng Joule - T hom son)

Đặc điểm nổi bật của quá trìn h Linde chính là tháp chưng cắt kép Đ ây ià m ộ t tháp chưng cất không có thiél bị đ u n bay hơi ở đáy tháp và không có thiết bị ngưng tụ trên đ ỉn h tháp Đ ể có thể hiểu rõ hơn nhiệm vụ của tháp có thế sử dụng sơ đổ trên hình 4.10 Tách h ỗ n hợ p hai cấu tử trong tháp kép Linde được thực hiện theo hai bước Tại bước thứ nhất, m ộ t phẩn nitơ tin h khiết được lách ra khỏi hỏn hợp không khí Tại bước này, do h ỗ n hợp đấu gốm chủ yếu là khí (chỉ có khoảng 12% hỏn hợp đấu là lỏng) nên tháp chỉ cẩn có đo ạn luyện và thiết bị ngưng tụ trên đỉnh th áp (tháp C - l ) H ỗn hợp đìn h cùa tháp C - l được sử dụn g làm dòng hồi lưu cho tháp C -2 (sau khi đi qua van tiết lưu nhiệt độ của dòng

này sẽ giảm từ nhiệt đ ộ khoảng 93°K đến khoảng 79ŨK) D òng hỗn hợ p đáy của th áp C - l sau khi qua

van tiết lưu được đưa vào tháp C- 2 (hỗn hợp đấu p2) và được tách trong tháp này th àn h nitơ và ôxy Do

dòng hổi lưu của tháp C -2 được lấy từ tháp C - l {dòng Di) nên tháp C -2 không có thiết bị ngưng tụ trên đình tháp N h ư vậy tháp C - l chỉ có thiết bị ngưng tụ trên đ ỉn h tháp, còn tháp C -2 chỉ có thiếl bị

đun bay hơi đáy tháp D o quá trìn h ngưng tụ trên đỉnh tháp C - l được th ự c hiện tại áp suất p = 5,7 bar, còn quá trinh đun bay hơi ở đáỵ tháp C -2 được thực hiện tại áp suất p = 1,3 bar, nén hai thiết bị nàỵ có

thể kết nối nhiệt với n h au và khi đó nhiệt lấy đi từ thiết bị ngdng tụ của tháp C - l sẽ dùn g để cấp cho thiết bị đ u n bay hơi ở đáy của tháp C -2 Áp suất làm việc nhỏ n h ất của tháp C -2 kh ông thể nh ỏ hơn1,3 bar vl còn cấn phải có áp suất đ ể thắng trở lực của các thiết bị trao đổi nhiệt E - l , E -2 và E-3 Đ ể tạo động lực cho quá trình trao đổi nhiệt cẩn phải có hiệu số nhiệt đ ộ ít n h ất bầng 2,5°K nên áp suất làm việc trong tháp C - l khi đỏ phải khống được nhò hơn 5,7 bar (xem h ìn h 4 11)

T rong th áp kép của Linde, tháp C -2 được đặt chổng lên đỉn h cùa tháp C - l và khi đ ó thiết bị ngưng tụ của tháp C - l và thiết bị đ u n bay hơi đáy tháp C- 2 được kết hợ p thành m ộ t thiết bị trao đổi nhiệt duy nhẩt

Q uá trìn h tách h ỗ n hợ p không khí ở nhiệt độ thấp là quá trin h rấ t tinh tế N ăn g lượng cắn thiết cho quá trình tách d o m áy nén h ỗ n hợ p khí đáu cung cắp N hiệt độ thấp của quá trin h được tạo ra khi tiế t lưu các d ò n g lỏng từ áp suất 5,7 b a r xuống 1,3 bar (sử dụn g hiệu ứng Joule - thom son), T rong các

hệ thống tách không kh í hiện đại, khi m ột p h ần của các sản phẩm được lấy ra ở dạng lỏng có nhiệt độ thấp (nhiệt độ thâm độ), các van tiết lưu được thay th ế bằng các m áy d ãn khí N ăn g lượng tiêu tốn cho quá trình tách k hông khí hiện đại sẽ khoảng 1,9 kW /km ol không khí (khi sử dụng m áy dân và lấy các sản phẩm ở dạng khí) [Streich, 1975} Khi thay thế các tháp đĩa loại ỉỗ (tháp áp suất cao có 40 đĩa và

tháp áp suất tháp có ỐO đĩa) bằng các tháp loại đệm cắu trúc, năng lượng tiêu tốn cho quá trình tách hỗn

hợp không khí sẽ giảm được khoảng 8% [Agrawal et aỉ., 1992],

Hình 4.10, Quá trình tách ôxỵ và nltơra khỏi hỗn hợp không khí

A - S ơ đồ hai tháp; B - Sơ ữồ tháp kép của Linde

t - o

Hình 4.11 Xác định áp suất iàm việc khi có kết nối nhiệt giữa hai tháp C - 1 và C - 2 của tháp kép Unde

4.2.5 Quá trình tinh ché nước

N ước thải từ rấ t n h iểu quá trìn h bị ô nhiễm các chất hữu cơ có đ ộ hòa tan rất hạn ch ế trong

nưỏc Các h ỗ n hợp nước - các chất hữ u cơ thường tạo thành các hỗn hợ p đẳng p h í dị thể có nhiệt độ sôi thấp Kết quả là các ch ấ t h ữ u cơ này có thế lấy ra ở dạng các h ỗ n hợ p đỉnh cùa các tháp (ngay cả khi

các chất h ữ u cơ có n h iệt độ sòi cao h ơ n nhiệt độ sôi của nước vẫn tách được ở trê n đ ỉn h tháp)

Xét ví dụ tách tôluen ra khỏi h ỗ n hợp với nước Giả thiết nước bão h òa tôluen ở nhiệt độ 80°c

N ổng độ của tôluen tro n g nước khi đó sẽ là 1,6% mol N hiệt độ sôi của hỗn hợ p gốm hai ph a lỏng tôluen - nước sẽ bằn g 8 4 ,l°c Áp su ất hơi của nước ở nhiệt độ 84,1 ° c sẽ b ằng 0,55 b a r và áp suẫt hơi của tôluen sê bằng 0,45 b a r (tổng của hai áp suất sẽ bằng 1 bar (hình 4.17)) T rong vùng không tan lẫn của hai chất cân b ằng pha sẽ không p h ụ thuộc vào nốn g độ của lỏng (xem h ìn h 4.12a) H ỗ n hợp đ ẳng phí có nóng độ cùa nước bằng 0,55% moỉ Đ ổi với quá trìn h tách tôluen, ph ẫn cùa đư ờng cân bâng pha nằm gắn phía cấu tử nước tin h khiết (đặc biệt là vùng tôluen tan trong nước) sẽ rất q u an trọng V ùng này được thể h iện riêng trên hình 4.12b

ọ.

ỉ

1.00.8(X60.4

Q2 0

r iI

\0

Hình 4.12 Đồ thỊ McCabe - Thiele của quá trình tách tôluen ra khôi hỗn họp nước.

Ở vùng nổng độ trên đưởng cân bằng pha nằm phía dưới đường chéo của đổ thị M cCabe - Thiele Đ iếu này có nghĩa là ở vùng này cấu tử nước (cấu tử có nhiệt độ sôi th ấp hơn tôluen) lại là cấu từ bay hơi yếu hơ n so với tôluen, và vì vậy nổng độ của nước trong pha lỏng sẽ cao hơn nổng độ của cấu tử này trong pha hơi Pha hơi sẽ được làm giàu cấu tử tôluen đến 45% H ỗ n hợ p hơi này sau khi ngưng tụ

sẽ tạo thành hai pha lỏng: p h a lỏng có nổng độ nưóc cao sẽ được hổi lưu vế tháp , cò n p h a hữ u cơ có nổng độ tôluen cao (nổng độ nước tro n g pha này khoảng 0,02% m ol [Sorensen và Arlt,1979]) sẻ được lấy ra ngoài

Đối với quá trìn h trên, nếu sử dụng hơi nước trực tiếp để đ u n bay hơi ở đáy th áp (hơi nước thải

có giá thành thấp) thì sẽ k hông cấn thiết bị đ u n bay hơi đáy tháp và vi vậy chi phí đ ể thự c hiện quá trinh tách sẽ giảm xuống T ro n g trư ờ n g hợ p này, điểm kết thúc của đường làm việc sẽ k h ô ng nằm trên đường

chéo của đổ thị M cCabe - Thiele và sẽ có tọa độ ( y H ữ = 1, X ~ X B ) {hình 4 1 2)

H ình 4.13 biểu diễn sơ đổ nguyên lý của quá trinh chuẩn dùn g đ ể tách các chất h ữ u cơ có nhiệt

độ sôi cao ra khỏi h ỗ n hợ p với nước Q uá trìn h này sẽ sử dụng được khi cấu tử h ữ u cơ chính ít nhất

phải không được tan hoàn toàn trong nưóc Lượng hơi nước tiêu tốn điển hlnh cho quá trình này bẳng

khoảng 5 - 1 0 % lượng h ỗ n hợp đẩu F.

Nếu pha h ũ u cơ lấy ra khỏi tháp chứa quá nhiểu nước th ì có th ể tin h chế ph a này bằng m ột bước tách tương tự và m ột ví d ụ của quá trình này sẽ được trinh bày trong p h ẩn 4.4

T rong nhiếu trư ờ ng hợp, khi ph a h ữ u cơ chứa các cấu tử nhẹ tan hoàn toàn tro n g nước (ví dụ như m ethanol hoặc axêtôn) thl các cấu tử này có th ể tách được ở dạng h ỗ n hợp đỉnh của tháp tách thứ

nliàt (hình 4.14) Ví d ụ hệ có chứa cấu tử hữu cơ nhẹ là hệ Axêtôn - N ư ớ c - Tôlưen Giả sử hỏn hnụ trên bão hòa tôluen, khi đ ó axêtôn sẽ được tách ở dạng hốn hợ p đỉnh Di của tháp C - l H ỗ n hợp đáy R của tháp này sẽ có th àn h p h ấ n n àm tro n g vùng không tan lẫn của nước và tôluen và h ỗ n hợp này SỂ được tách tro n g thiết bị lẳng ph ân lớp s - 1 thành pha hữu cơ và pha nước P ha nước sau đó được tách trong tháp C- 2 (tháp này thư ờ ng chỉ có đoạn chưng) bằng cách sử dụ ng hơi nước trực tiếp tương tự như quá trìn h th ể hiện trên hình 4.13.

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý của quá trình chuẩn dùng để tách các chất hữu cơ

cỏ nhiệt độ sôi cao từ hỗn hợp với nước

Đối với quá trình th ể hiện trên hình 4.14, hơi đi ra khỏi đ ỉn h tháp C -2 và sau đó được ngưng tụ

có nống độ bằng nổng độ của hơi tạo ra trong thiết bị đun hay hơi ở đáy của tháp C-L Vì vậy, quá trinh trên có thể được hoàn thiện thêm bằng cách kết nối trực tiếp hai tháp Khi kết nối, dòn g hơi đi ra khỏi đỉnh tháp C -2 sẽ được đưa trực tiếp vào đáy tháp C - l , vì vậy thiết bị ngư ng tụ trên đ ỉn h tháp C -2 và thiết bị đun bay hơi ở đáy th áp C - l sẽ được loại bỏ Khi kết nối trực tiếp h ai tháp C - l và C -2 sẽ được

m ột tháp kết hợp và sản phắm ở trên đỉnh của tháp này sẽ là axêtôn, còn sản phẩm đáy của tháp này sẽ

là nước tinh khiết Các chất h ữ u cơ nặn g (ở đây là tôluen) sẽ tập tru n g ở giữa tháp và ở đây sẽ tạo thành vùng hai pha lỏng H ỗn hợp lỏng này sẽ được lấy ra từ m ộ t vài đĩa nằm p h ía dưới đĩa tiếp Liệu và được đưa sang tách ph ân lớp tro n g thiết bị lắng ph ân lớp Từ th iết bị lắng p h â n lớp, p h a nư ớc sẽ được đưa

tu án hoàn vế tháp, còn pha h ữ u cơ sẽ được lấy ra làm sản p h ẩm phụ

Tùy theo độ hòa tan của nước tro n g pha hữu cơ, lượng nước tro n g nhiếu trư ờ ng hợ p trong pha này có th ể tương đối n h iểu và lượng nước này có th ể được dễ dàng tách ra khỏi pha h ữ u cơ bằng tháp

chưng cất th ứ hai (hình 4.16) H ò n h ợ p đình của th áp thứ hai ờ dạng h ơ i được đư a tu ầ n h o àn về tháp

chính, còn h ỗ n hợ p đáy sẽ là sản p h ẩm h ữ u cơ tinh khiết

Hình 4.14. S ơ đồ nguyên lý quá ừình tách các chắt hữu cơ có nhiệt độ sỏi títấp

và nhiệt độ sôi cao từ hỗn hợp với nước

Hình 4.15 S ơ đồ két nốl Ưực tlép các thảp của quá trình biều diễn trên hình 4.14

Hình 4.16. So* đồ nguyên lý của quá trình tách các chất hữu cơ có nhiệt độ sõi thấp

4.2.6 Chưng cát bằng hơi nước trực tiếp

C hưng cất bằng hơi nước trực tiếp là trường hợp đặc biệt của quá trìn h chư ng cất dù ng đé tách cấu tử hữu cơ có nh iệt độ sôi cao ít tan trong nước ra khỏi h ỗ n hợ p với nước Do tro n g hỗn hợp này luôn tô n tại vùng k h ông tan lẫn của các cẩu tử nên n hiệt độ sôi của h ỗ n hợp sẽ được giảm xuống và nhiệt độ sôi của hỗn hợ p luôn nhỏ hơn nhiệt độ sôi của cấu tữ có nhiệt độ sôi th ấp nhất Ngay cả các

cấu tử hữ u cơ có nhiệt độ sôi cao, khi ở trong h ỗ n hợp với nước, sẽ có n h iệt độ sôi nh ỏ hơn nhiệt độ sôt

của nước Như vậy, quá trình chưng cất bằng hơi nước trực tiếp sẽ tạo điểu kiện để tránh phân hủy nhiệt cùa các hợp chất hữu cơ Đây là một trong những ưu thế chính của quá trình tách hỗn hợp bằng phương pháp chưng cất bằng hơi nước trực tiếp.

N hiệt độ sôi của các h ỗ n hợp các hợp chất khồng tan tro n g nưóc có th ể dễ dàng xác đ ịn h được

theo đô thị trên hình 4.17 Từ đổ thị này dễ dàng xác định được sự phụ thuộc của hiệu số giữa áp suất

chung của hệ p, và áp suất hơi của nước PH Q vào nhiệt đ ộ t ( Ap = Pi - PH o = / ( 0 ) • H ìn h 4.17 biểu

diễn các đổ thị cho hai giá trị pi = 1 b a r v à p , = 0,1 bar Từ giao điểm của các đường cong (p t - p H ũ ) với

đường áp suất hơi cùa các chất hữu cơ sẽ dễ dàng tìm được nhiệt độ sôi cùa hỗn hợp T ừ giao điểm này

cũng sẽ xác định được áp suất hơi bão hòa pi° của các chất hữu cơ cũng n h ư sẽ tính được nóng độ trong pha hơi của các cấu tử h ữ u cơ ỵ ' = p°i Ị p ị Đ ô thị trên hình 4.17 cho thấy ngay cả các chất hữ u cơ có nhiệt

độ sôi rất cao nhưng trong hỗn hợp với nước cũng sẽ sôi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nước.

Sơ đổ nguyên lý của quá trìn h chưng cất bằng hơi nước trực tiếp làm việc theo phư ơ n g thức gián đoạn được thể hiện trên h ìn h 4.18 [Sattler, 1988],

Theo sơ đổ này, hơi nước được sục trực tiếp vào lỏng ờ trong bình chưng và hơí nước sẽ bị ngưng

tụ một phần Ngay sau khi nhiệt độ của hỗn hợp lỏng trong binh chưng đạt tới nhiệt độ sôi, chất hữu cơ

sẽ được bay hơi và được tách ra khỏi h ỗ n hợp D òng hơi đi ra khỏi b inh chưng và đi vào thiết bị ngưng

tụ Lỏng nhận được sau ngưng tụ sẽ bị phân thành hai pha: pha hữu cơ và pha nước Pha nước (nằm ở

phẩn dưới của thiết bị ngưng tụ) sẽ được lấy ra ngoài Pha nước tạo thành thường chứa một lượng nhỏ chất hữu cơ (nước thải bị ô nhiễm) sẽ là nhược điểm chính của phương pháp chưng cất bằng hơi nước trực tiếp.

1 Toiưene C 7H8 4 Butyric acid C4H8O j 7 Teiraìin C 10H )2

2 Octana CgH|g s Phenol CgHgO 8 DiphenyleUier CjgHjoO

3 Ethyibenzena CBH10 6 o-Cresol C?HsO 9. Palmiiic ackJ C ^ K jjO j

Hình 4.17 Sự phụ thuộc cùa ấp suất hoi băo hòa cùa một số chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao và it tan trong

nu&c pi° vào nhiệt độ t P t- áp suất chung, bar; PHÌO - ấp suất của hoi nước, bar

Chân không

— o —

Sản phẩm

N ước thải

Hình 4.18 Sơ đồ nguyên tỷ cửa quá ừình chưng cất gián đoạn bằng bơi nước trực tíỂp

Sơ đổ nguyên lý của quá trình chưng cát liên tục bằng hơi nước trực tiếp được thể hiện trên hình 4.19 Đ ể gìàm đến mức tối thiểu lượng hơi nước trực tiếp dùng cho quá trình chưng cất (lượng nước này sau đó sẽ bị ô nhiễm các chất hữu cơ), trong sơ đô chưng cắt thường sử dụng thiết bị đun bay hơi đáy tháp được cấp nhiệt bằng hơi gián tiếp Ngoài ra, trong tháp tách sẽ sử dụng nguyên tắc ngược chiểu cùa các dòng pha lỏng và pha hơi để tâng cường hiệu suất của quá trình chuyển khối Trong nhiều trường hợp, hơi quá nhiệt cũng sẽ được sử dụng cho quá trình chưng cất bằng hơi nước trực tiếp.

Quá trin h chưng cất bằng hơi nước trực tiếp rất đơn giản n hư ng hiệu qu ả k h i d ù n g để tinh chế các hợp chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao (ví dụ như để tin h chế tin h dẩu cho m ỹ ph ẩm , các axít béo có phân tử lượng lớn) và d ù n g để khử m ùi, khử m àu của các chất béo và của các loại dẩu [Ellerbe, 1997].

Hình 4.19 Sơ đồ nguyên ìý của quả trình chưng cắt liên tục bằng hơi nước trực tiếp

H ình 4.20 biểu diễn sơ đổ nguyên ỉý của quá trinh khử m ùi của các este b ằn g chư ng cất sử dụng hơi nước trực tiếp Các tạp chất d ễ bay hơi trong este thô có nổng đ ộ điển hình n h ỏ hơn 1% Lượng hơi nước cẩn thiết đ ể tách các tạp chất (khử m ùi) từ este bằng khoảng 5 - 10% so với lượng hỗ n hợp este đẩu [Johannisbauer và Jerom in, 1992],

Este th ô

Hình 4.20 S ơ đồ nguyên lý của quá trình khừ mùi este thô bằng quá trình chưng cắt bằng hơi nưởc trực tiếp [Johannlsbauer và Jeromin, 1992J.

M ột lĩnh vực ứng dụng qu an trọ n g khác của phương pháp chưng cất bằng hơi nước trực tiếp là quá trỉnh tinh chế dẩu cọ [Dew và P robst, 1981], Phiên bản rất hiện đại của quá trìn h khừ m ùi và khử axít dầu cọ được th ể hiện trên hình 4.21 [Stage, 1988] Các điểu kiện làm việc điển hình của quá trinh

trên gốm: áp suất p “ 2 - 3m m H g, nhiệt độ khoảng t = 260°c Hệ th ố n g này được đốt nóng bằng dầu

nóng Thiết bị đun bay hơi đáy tháp là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống Trong thiết bị này lòng chảy thành màng m ỏng trên thành ống theo hướng ngược chiểu với dòng hơi ờ bên trong ống Thời gian lưu cùa sản phẩm ở trong thiết bị khống chế khoảng 1 0 phút nhằm tránh phân hùy nhiệt Chuyển động ngược chiếu của dòng lòng và dòng hơi trong ổng cho phép giảm lượng hơi nước tiêu tốn cho quá

trinh tách hiệu quả Lượng hơi nước tiêu tốn điển hình cho qu á trìn h bằng kho ảng 1 % lượng d ầu thô đi vào thiết bị N gưng tụ dòng hơi đi ra từ đỉnh tháp tách được thực hiện b ằn g cách sù d ụ n g chất làm lạnh

là sản phẩm đinh đã được làm lạnh.

Q uá trìn h tách bằn g hơi nước trực tiếp cũng được sử dụ ng rộng rãi tro n g chưng cất dấu thô (xem

phấn 4.3.2) Phương pháp chưng cất bằng hơi nước trực tiếp so với quá trình chưng cẵt thông thường có những ưu điểm chính sau đây:

- Hạ được nhiệt độ làm việc (vi vậy vể cơ bản sẽ tránh được p h â n h ủ y nh iệt cùa các hợp chất

hữu cơ);

- Có thể sử dụ n g được hơi nước có áp suất thấp (hơi thải);

- T ro n g n hiểu trường hợp có thể loại bỏ thiết bị đun bay hơi đáy tháp vì vậy hệ thống thiết bị sẽ đơn giản hơn T uy nhiên quá trin h chưng cất bằng hơi nước trực tiếp lại tiêu tốn m ộ t lượng ỉớn hơi nước, phát sinh ra m ột lượng lớn nưức thải bị ô nhiễm các chất hữ u cơ và có nguy cơ tạo nhiều bọt và nhũ tương

4.3 TÁCH HÕN HỢP NHIỀU CÁU TỬ KHÔNG TẠO ĐẢNG PHÍ

Đ ể tách h o à n to àn m ộ t h ỗ n h ợ p lỏng nhiếu cấu tữ th à n h các cấu tử tin h kh iết cần p h ải tiến hành

m ột sổ bước chưng cất N h ư đã trìn h bày tro n g chương 3, m ột hỗ n hợ p ba cấu từ có th ể tách trong một tháp th àn h h ỗ n h ợ p đỉnh và h ô n hợ p đáy có nổng độ chỉ nằm tro n g m ộ t khoảng n h ất định H ình 3.20 biểu diễn giới hạn n ổ n g đ ộ củ a các h ỗ n h ợp đỉnh và đáy trên đổ thị tam giác T ro n g các trường hợ p đặc

b iệt có th ể tách được sản phẩm đinh tinh khiết (a) hoặc sản phẩm đáy tin h k hiết (c) Các h ô n hợp hai

cấu tử tạo th àn h phải đư ợc tách tiếp theo tro n g th áp thứ hai

4.3.1 Lộ trình tách hỗn hợp nhiêu cấu tử

H ìn h 4.22 th ể hiện lộ ư ln h nhiệt độ sôi tháp (lộ trin h a) và lộ trin h nh iệt đ ộ sôi cao (lộ trinh

-c) dùng để tách h ỗ n h ợ p ba cấu tử k h ông có điểm đẳng phí.

T heo lộ trìn h - a, cấu tử có nhiệt độ sôi thấp a được tách trưốc tiên (lộ trìn h nh iệt độ thấp) Sau

đó h ỗ n hợ p đáy b - c sẽ được đ u a sang tách tro n g tháp th ứ h ai th àn h các cấu tử tinh kh iết b và c.

T heo lộ trìn h - c, cấu tử c có nhiệt độ sôi cao sẽ được tách trước tiên (lộ ư ìn h nhiệt đ ộ sôi cao) Sau đó hỗn hợ p đ ỉn h gồm các cẫu tử a và b được đưa ở dạng hơi sang tách tro n g th áp th ứ hai.

M ột lộ trin h khác có thể d ù n g để tách h ỗ n hợp ba cấu từ đó là lộ trìn h có n h iệt đ ộ sôi tru n g gian

(lộ trìn h a/c) T heo lộ trìn h nảy thì sản phẩm đỉnh của tháp thứ n h ất chỉ chứa cấu từ a và b m à không chứa cấu tử có nhiệt đ ộ sôi cao c, còn sản p h im đáy của th áp này chỉ chứ a cấu tử b và c m à không chứa

cáu tử có nhiệt độ sôi thấp a lộ (trình a/c). Đ ể tách hai hỗn hợp hai cấu tử trên cẩn phải có thêm hai

tháp Khi đó cấu tử b sẽ được tách ra ở dạng sản phẩm đáy của m ộ t tháp và ở d ạng hỗ n hợp đ ỉn h tháp

kia Ở góc độ n ăng lượng, lộ trìn h tách a/c sẽ là lộ trin h hiệu quả khi cẩn nổ n g độ củ a cấu tử b cao (cấu

tử có nhiệt đ ộ sôi tru n g gian)

ờbc

Lộ trinh - c Lộ trinh - a /c

Đ ề tá n h h ỗ n hợ p 4 cấu tử có th ể có 22 lộ ư ìn h tách khác n h au (h ìn h 4.23) T ương tự, đ ể tánh hôn

hợp 5 cấu từ có th ể tổ n tại 719 lộ trìn h tách khả thi khác nhau

M ỗi m ộ t lộ trin h tách sẽ cần m ộ t lượng năng lượng tiêu tốn tư ơng ứng Lượng n ăn g lượng này sẽ

p h ụ thuộc trước tiên vào th àn h ph ẩn của h ỗ n hợp đầu và để tìm ra được lộ trìn h tách với n ăng lượng tiêu hao thấp n h ất cán phải có nhữ n g nghiên cứu chi tiết

T ro n g thực tế, trìn h tự tách h ỗ n hợp nhiếu cấu từ thường k h ôn g chỉ d o lượng năn g lượng tiêu tốn quyết địn h m à còn p h ụ thuộc vào các điéu kiện khác (Ví d ụ do sự ổ n đ ịn h cùa các qu á trinh , do

mức độ ăn m ò n cùa các chẫt, do nguy cơ cháy, nổ, do độ độc hại, d o khả năn g kết nối với các bộ phận bên trong của th á p ) Ở các trường hợp trên, nếu có thể thì cấu tử khó tách n h ất sẽ được tách trước tiên N h ư vậy, lượng năn g lượng tiêu tố n cho quá trìn h tách chỉ là m ộ t tro n g n hữ n g yếu tố quyết định việc chọn trìn h tự tách (lộ trìn h tách) của hỗn hợp nhiêu cẫu tử.

d ' IỊ j Kd j

IPc

3 + l + 3 + 3 + 3 + 32 = 22 IỘ trìn h

H ỗn hợp 5 cẩu tử _

bcde

Icđe

b | ặ 3] e

A - L ộ trình nhiệt độ sôi thấp (hông thường

Phẩn cồn lạí của tháp C - 2 sẽ là tháp phụ chỉ có đoạn luyện C-2'.

Tách hỗn hợp nhiéu cấu tử thường được tiến hành trong các tháp kết hợp Các tháp này không làm thay đổi lộ trìn h tách m à đầy chỉ là các thiết bị khác được thiết k ế dùng để tách cáu tử có nhiệt độ sôi thấp hoặc nhiệt đ ộ sôi cao và nhằm m ục đích chính là đơ n giản h óa hệ thống tách.

T rên hình 4.24 đo ạn phía dưới của tháp C- 2 được kết hợp với tháp C - l tro n g lộ trìn h tách nhiệt

đ ộ sôi th ấp (lộ trìn h tách cấu tử có nhiệt độ sôi thấp a trước tiên) Vì vậy thiết bị đ u n bay hơi ờ đáy tháp

C -2 có th ể được loại bỏ

Lộ trìn h tách h ỗ n hợp n h ư trên không đem lại hiệu quả tiết kiệm n ăn g lượng N gược lại, do lượng nhiệt Qm phải được cẫp tại nhiệt độ cao hơ n nên sẽ bất lợi ở góc độ sử dụ ng exergy Ngoài ra, tải trọ n g bên tro n g của tháp (phẩn gạch - gạch) sẽ tăng lên Lộ trình tách này chi có lợi khi lượng cấu từ có nhiệt độ sôi tru n g gian b tương đối nhỏ

H ìn h 4.25 th ể h iện sơ đổ SŨ dụn g th áp kết hợp theo lộ trinh nh iệt độ sôi cao đ ể tách hỗ n hợp ba cấu từ Ở sơ đổ này đ oạn luyện cùa tháp c ~ 2 được kết hợ p với tháp C - l bằng cách loại bỏ thiết bị ngưng tụ trên đỉn h tháp C -2 Lưu lượng dòng hơi và dòng lỏng ở đ o ạn trên cùa th áp kết hợp (phần gạch - gạch) sẽ tăng lên M ột ph ẩn dòng lỏng được lấy ra khỏi tháp C - l để đưa vào phần còn Lại của

th áp C -2 (đoạn chưng cù a th áp C -2 )

C-2’

Hình 4.25 Sử dụng tháp kết họp để tách hỗn hợp ba cáu tử

A ~ L ộ trình nhiệt độ sôi cao thông (hường.

B - Sơ đổ kết hợp đoạn luyện của tháp C -2 với thốp C-1.

Phằn còn lại của tháp C -2 sẽ là tháp phụ chì có đoạn chưng 0 -2 '.

Ưu điểm của th áp kết hợ p chính là khả năng loại bớt các thiết bị ngưng tụ (theo lộ trinh nhiệt độ sôi cao) hoặc các thiết bị đ u n bay hơi đáy tháp (theo lộ trinh nhiệt độ sôi thấp), T u y n h iến lượng nhiệt tiêu tốn cho toàn bộ quá trìn h tách sẽ thay đổi không đáng kể.

4.3.2.1 Tách argon từ hỗn hợp không khí đã hóa lỏng

Q uá trin h tách arg o n ra khỏi h ỗ n hợp không khí là m ộ t ví d ụ áp d ụ n g th áp kết hợp tro n g quá trình chưng luyện công nghiệp

K hông k h í chứa khoảng 1% m ol argon Argon là cấu tử có nhiệt độ sôi tru n g gian trong h ỗ n hợp lỏng nitơ - argon - ôxy

Tháp kết hợp (tháp kép) d ù n g đ ể tách hôn hợp nitơ - argo n - ôxy gốm hai đ o ạn tháp làm việc ở hai áp suất khác nh au theo quá trìn h Linde (hai áp suất đ ể tạo lạnh khi dãn do hiệu ứng ĩoule - Thom son) T ro n g đ o ạn th áp làm việc ở áp suất thấp (tháp c - 2) cùa tháp kép Linde ôxy được lấy ra ở dạng sản p hẩm đáy, còn n itơ được lấy ra ở dạng sản phẩm đỉnh Khi đó argon sê tập tru n g ở vùng giữa của tháp và th ô n g th ư ở n g đ ạt tới 8,5% m ol trong ph a hơi

Hình 4.27. Sc> dụng tháp két hợp để tách Argon ra ktìòl hỗn họp khõng khi ờong quá trình tách Unde

theo lộ trình nhiệt độ sôi thấp

H ình 4.27 biểu diễn tháp kết hợp d ù n g để tách argon ra khỏi h ô n hợ p với nitơ và ôxy Ở đây dòng hơi chứa 8,5% m ol argon được lấy ra khỏi tháp C -2 và đưa sang tháp C -3 (chì có đ o ạn luyện)

H ỗn hợp đỉnh của th áp C -3 có nổng độ argon cao (khoảng 96% mol) cò n h ỗ n hợp đáy của tháp này được đưa quay trở lại th áp C -2

Đ ê thự c hiện ngưng tụ trên đỉnh tháp C -3 sẽ sử dụ ng chất làm lạnh là h ỗ n hợp lấy từ đáy cùa

tháp C - l làm việc ở áp suất cao và cho đi qua van tiết lư u dễ dãn tớ i áp su ất 1,3 bar Sau van tiết lưu

nhiệt độ của lỏng sẽ giảm x u ống tối nhiệt đ ộ thấp hơ n nh iệt độ sôi củ a argon vì tro n g lỏng chứa nhiều nitơ có nhiệt độ sôi thấp hơ n nhiệt độ sôi của argon

Đ ể nhận argon có độ tinh khiết cao thì lượng ôxy còn lại tro n g argon kỹ thu ật có thể được loại bỏ bằng phản ứng cháy với hyđrô trên xúc tác sau đó ngưng tụ lượng nước tạo th àn h [Baldus et al 1983]

Khi sử d ụ n g các th áp loại đệm cẩu trú c có hiệu suất cao lầm việc ở áp suất thấp (tháp C -3 ) thl sẽ

có khả n ãn g tách trực tiếp argon có độ tinh khiết cao ở d ạng h ỗ n h ợ p đ ỉn h và n h ư vậy trán h được cồng đoạn phải tin h chế argon kỹ th u ật b ằng phư ơ ng pháp hó a học Đ ể n h ậ n được arg o n tinh khiết, tháp C -3 phải có khoảng 180 bậc cân b ằng (số bậc này do cân bằng ph a lỏng h ơ i của argon - ôxy quyết định)

4.3.2.2 Chưng cất dầu thô

Bước đầu tiên của b ấ t kỳ quá trìn h lọc (tinh chế) dẩu m ỏ sẽ là bước tách d ấu thô thàn h các phân đoạn bằng ph ư ơ n g p h áp chư ng cất C ác p h ẳn đoạn dầu này có th ể được sử d ụ n g n h ư m ột sản phẩm, hoặc được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trìn h tin h ch ế khác, hoặc dùn g làm nguyên liệu cho các xưởng chế biến tiếp th eo [W atkins,1979] V ì vậy, chưng cất dâu th ô là m ột tro n g n h ữ n g quá trìn h chưng cất quan trọ n g n h ấ t tro n g công nghiệp

D ẩu thô chứa m ộ t loạt các loại hợp chất hyđrôcácbon khác nhau N hiệt độ sôi thưởng (tại p = 1 at)

của các cấu tử tro n g d ấ u thô n ằm tro n g khoảng từ ( - 150°C) đến h ơ n 500°c K hi lọc dẫu, h ỗ n hợp dắu

th ô thư ờng được tách th à n h đến 10 p h â n đoạn Các p hân đo ạn không phải là các cấu tử tin h khiết m à là

các hỗn hợ p ph ứ c tạp của các cấu tử có nhiệt độ sôi gẩn nhau, hoặc n ằm tro n g cùng m ộ t kh oản g nhiệt

H ìn h 4.28 biểu diễn sơ đổ nguyên lý của tháp áp suất thường của xưởng tin h ch ế (lọc) dấu thô (theo lộ trìn h nhiệt độ sồi cao)

H ỗn h ợ p dầu th ô được coi là h ỗ n hợp gổm sáu giả cẩu từ (6 pseudo com ponents) và được tách thành sáu ph ân đ oạn theo lộ trìn h nh iệt độ sôi cao Theo ]ộ trình này cấu tử có n h iệt độ sôi cao n h ất của từng phân đoạn được tách trước tiên (hình 4.25 và 4.26) Các đoạn luyện cửa tấ t cả các tháp được kết hợp trong th áp chính, còn các đoạn chưng sẽ tạo th ản h các tháp phụ T háp chính thư ờng gổm 35 đĩa thực tế, còn m õi đoạn chưng của các th áp p h ụ thường có khoảng 4 đĩa th ự c tế

Hình 4.28 Chưng cất dằu thô trong tháp kết hợp làm việc tại áp suất ứtường có sừdụng các tháp phụ

c hỉ gồm các đoạn chưng làm việc ờ áp suất thiPẾmg theo lộ trình nhiệt độ sôi cao

Các sản phẩm bao gổm naphata nhẹ, naphata nặng, kerosene, diesel, và h ỗ n hợ p dẩu khí tại áp suất khí quyển (A tm ospheric gas - oil - AGO) và phẫn dầu thô còn lại ờ đáỵ th áp (lượng dẩu này chiếm khoảng 50 đến 60% lượng dấu lúc đẩu đưa vào tháp) Lượng dẩu đáy tháp sau đ ó được đưa sang tách tiếp tro n g hệ th ố n g th áp chân không.

H ỗn hợp dẫu thô sau khi đi qua lò n a n g sẽ tạo thành h ỗ n hợ p lỏng - hơi và đưa vào tháp áp suất thường P hấn lỏng chứa chủ yếu các chất có nhiệt độ sôi cao và m ộ t p h ẩn các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp Phấn lòng này sau đó được chưng cất trực tiếp bằng hơi nước q uá nhiệt Lượng nh iệt cấn cấp cho các tháp p h ụ được tạo ra bằng cách hoặc đùng thiết bị đ u n bay hơi đáy th áp hoặc d ù n g hơi nước trực tiếp Do tro n g đoạn luyện của tháp chính (tháp kết hợp) có lắp m ột số đoạn luyện nên lưu lượng dòng hơi sẽ tăng lên ở p h ấ n p h ía trên của tháp Đây sẽ là điểm bất lợi vì khi đ ó đư ờng k in h của tháp sẽ tăng lên và tất cả lượng n h iệt sẽ được lấy đí ở trên đỉnh tháp tại nhiệt độ th ấp nhắt Đ ể khầc p hục nhược điểm này cán lắp đặt m ộ t số bơm đ ể lấy nhiệt ra khỏi tháp chính Vì vậy m ộ t lượng lòng sê được bơm

ỉấy ra khỏi tháp và được hạ nhiệt độ bằng cách dùng lỏng này để đ u n nóng sơ b ộ d áu thô sau đó sẽ được

đưa quay trở lại th áp ở vị trí cao h ơ n 3 đĩa so với vị trí lấy lỏng

4.4 TÁCH CÁC HỔN HỢP c ó ĐIÉM ĐẲNG PHÍ NÂM TRONG VÙNG DỊ THẾ

4.4.1 Hỗn hợp hai cáu tử

Các điểm đẳng ph í tạo th àn h rào càn cho quá trìn h tách b ằng phư ơ n g pháp chưng cất Để tách các hỗn hợ p đẳng phí cần phải kết hợp quá trìn h chưng cất với m ột (hoặc m ột vài) qu á trình khác Ví

dụ điểm đ ẳng ph í dị th ể có thể vượt qua được bằng cách sủ dụng thiết b ị lắng p h â n lóp (decanter) Ví

dụ trên h ln h 4.29, tách h ỗ n hợ p hai cấu tử nitrôm ethane - nước cẩn phải có hai th áp C - l và C- 2 nhưng

cả hai chất tinh khiết đểu lấy ra ồ dạng sản p hẩm đáy Ở đây nước có nh iệt sôi th ấp h ơ n nh iệt độ sôi cùa

N itrôm ethane

Hình 4.29 Sơ đồ nguyên /ý về đồ thl McCabe - Thiele của quả ùinh tách hỗn hợp hai cẩu tử Nước - Nitrômethane

H ỗn hợ p Nước - N itrom ethane tạo vùng không tan lẫn (vùng chấm - chấm ) với điểm đ ẳng phí cực tiểu dị th ể (trong vùng k hông tan làn) Tách hoàn toàn h ỗ n hợp có th ể thực hiện được tro n g sơ đổ hai tháp C - í và C -2 và thiết bị lắng ph ân lớp S - l Vùng gạch - gạch trên đố thị y - X là vùng dùng để xác định số đĩa lý thuyết N u hoặc số đơn vị chuyển khối Hoy.

T hàn h ph ăn pha hơ i ở trên đinh của các tháp gần với thành p h ần đẳng phí vì vậy hai d ò n g hơi này có th ể trộ n với n h a u và ngưng tụ ư o n g cùng m ộ t thiết bị ngưng tụ Lỏng sau ngưng tụ gổm hai pha

lỏng được đưa vào thiết bị ỉắng - phân lớp S - l Pha giàu cấu tử N itrom eth ane với nón g độ X F2 được đưa

vào tháp C -2 , còn pha giàu cấu tử nước với nồng độ X ỉ i được đưa vào th áp C - l Do nước là sản phẩm đáy của tháp C - l nên đ ể cấp nhiệt cho tháp C - l có thể dùng trực tiếp dòn g hơi nước và không cần thiết

bị đun bay hơi đáy tháp

Q uá trìn h trên có th ể áp dụn g cho nhiểu hệ (heptane - nước, iso -b u tan o l - nư óc, n -b u ta n o l - nước, ethylaxêtate - nư ớ c )- Theo Drew (1979), các chất hữu cơ nên lấy ra ở dạng hơi ở phía trên đáy

tháp m ột vài đĩa vì tro n g h õ n hợ p đầu có thể có lẫn các tạp chắt hoặc các cấu tử có n h iệt độ sôi cao.

4.4.2 Hệ ba cấu tử

T rong các hệ ba cấu tử, có th ể có m ộ t vải vùng chưng cất và các vùng này được ph ân chia bởi các đường biên giới chưng cất C ũng tư ơng tự như đối với hệ hai cẩu tử, các đường biên giới chung cất này không th ể vượt qua được chỉ bằng phương pháp chưng cất Tuy nhiên, tro n g trư ờ ng hợ p nếu có sự phần pha thì đường biên giới chưng cất có th ể vượt qua được bằng quá trìn h tách tro n g thiết bị lắng p hân lớp

Ví dụ, quá trinh tách hỗn hợ p ba cấu từ axêtôn - nước - 1-b u ta n o l được th ể hiện trên hlnh 4.30 [Pucci và các công sự, 1986]

C-2

Nước

S ĩ

1-b u ta n o l

Hình 4.30„ Sơ đồ nguyên lý và đồ thị tam giác cùa quá trinh titch hỗn họp ba cáu tử

axỗtôn - nu&c - 1-butanol (P = 1,013 bar)

Sự tô n tại của vùng hai pha lỏng cho phép tách h oàn toàn hỗn hợ p bẳng sơ đố hai tháp C - l và

C -2 và m ột số thiết bị lắng ph ân lớp tru n g gian S -I (Các hỗn hợp hai cấu tử D2 và Bi đều nằm trong vùng hai pha)

H ỗ n hợ p nư ớc - 1-b u ta n o l tạo hỗn hợ p đẳng phí dị thể Đ ường biên giới chư ng cẵt chạy từ điểm đẳng phí này tới đỉnh axêtôn có n hiệt độ sôi thấp Hệ ba cấu tử trên được tách Ư ơng hệ thống hai tháp Axêtôn được tạo ra ở trên đỉnh th áp thứ n h ất (hỗn hợp D l) H ỗn hợp đáy cùa th áp C - l (điểm B l) nằm trong vùn g hai p h a lỏng và vl vậy được tách thành hai hỗn hợp SI giàu cấu tử nước và pha S2 giàu butanol tro n g thiết bị lắng ph ần lớp S - l Vì điểm S2 nằm tro n g vùn g chưng cất p h ía bên trái đường biên giới chưng cất nên butanol có thể tách ở dạng hỗn hợp đáy của th áp C -2 (hỗn hợ p B2) H ỗ n hợp đình của tháp C -2 (hổn hợ p D2) có thành ph án gẵn với thành ph án của h ỗ n hợ p đ ẳn g phí dị th ể nên cũng được đưa vào thiết bị S - l H ỗ n hợp SI giàu cấu tử nước và có lẫn m ộ t ph ẩn tạp chất 1- butanol và

vì vậy cần phải được xử lý trước khi thải ra ngoài

4.5 TÁCH HÕN HỢP ĐẢNG PHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THAY ĐỔI ÁP SUÁT CÙA HỆ

VỊ trí của các điểm đẳn g p h í có thể dịch chuyển đáng kể khi áp suất của hệ thay đổi Đặc biệt trong các hệ có h ỗ n h ợ p đẳng p h í có nhiệt đ ộ sôi thấp thl nổng độ của h ỗ n h ợ p đ ẳn g phí ph ụ thuộc nhiểu vào nhiệt độ và nổng độ này sẽ thay đổi khi áp su ất làm việc th ay đổi M ột ví dụ quan trọn g của

hệ trên là h ỗ n hợ p rượu etylíc - nước [Gm ehling và Kolbe,1988] Đ iểm đẳng ph í của hệ này có thể biến

m ất tại nhiệt độ thấp (áp suất thấp) (hình 4.31)

Hình 4,31 Sự phụ thuộc của nồng độ cùa hỗn họp đẳng phí rượu êtylic - nước vào nhiệt độ

H ỗn hợ p T etrahydrofuran (THF) - nước là m ột ví d ụ khác vé sự p h ụ thuộc của nống độ của hỗn

hợ p đang phí vào nhiệt độ T rên h ìn h 4.32, có th ể n h ận thấy hệ trên có m ộ t điểm đẳng phí cực tiểu và điểm này sẽ dịch chuyển vé phía cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (THF) khi áp suất của hệ giảm

I -XJ - 1

HjO ° -2 ° ' 4 ° ' 6 ° '8 THF

x w -=*

Hình 4.32 Sơ đồ nguyên lý và đồ thị McCabe - Thíete cùa quá trình tách hỗn hợp hal cấu tử

Tetrahydrofuran ~ nước Ưong hệ thống hai tháp làm việc tại các ấp suất khàc nhau

Điểm đẳn g phí có thể vượt qua được bằng việc tách trước tiên cấu tử có n h iệt độ sôi cao (nước) tại áp suất P| = 1 b ar tro n g tháp C - l N ồng độ cùa hỗn hợp đỉnh D I càng gắn với nồn g độ của hỗ n hợp

đẳng phí tại áp suất Pi thì càng th u ận lợi cho quá trỉn h tách Sau khi n âng áp suất đến Pi = 8 bar

(0,8 M Pa), D I được đưa vào tháp C -2 T háp C -2 làm việc ở áp suất p 2 = 8 b a r và tại áp suất p 2 h ỗ n hợp

đẳng phí có n ổ n g độ của T etrahydrofuran th ấp h ơ n so với nỗng độ đ ẳn g phí tại áp suất Pl vì vậy điểm

D l đã nằm tro n g vùng chưng cất bên phải và có th ể tách cấu tử TH F ở dạng h ỗn hợp đáy B2 H ỗ n hợp đỉnh D2 của tháp C -2 nên lấy ra ở dạng hơi và sau khi giảm áp đến P I được đưa quay trở lại tháp

C - l D o tháp C - l có hai dòng vào (dòng F ở dạng lỏng và dòng D2 ở dạng hơi) nên đư dng làm việc của tháp có hai điểm gãy N hiệt độ của hỗn hợp đỉnh của tháp C -2 cao hơ n nhiệt độ sôi ở đáy cùa tháp C - l , nên cần phải kết nối gián tiếp (kết nối nhiệt) các tháp nhằm giảm lượng nhiệt tiêu tốn cho quá trình tách

Q uá trìn h trên có th ể áp dụng để tách nhiểu hệ M ột sổ hệ có th ể tách b ằn g quá trìn h trên xem

trong bảng 4.5 (tro n g b ảng dẫn m ộ t số các giá trị áp suất Pi và Pi điển hlnh).

Bảng 4.5 Ví dụ một sổ hệ có thề tách đirợc bằng phương pháp

thay đổi áp suất làm việc trong các tháp

4.6 TÁCH HỖN HỢP ĐẢNG PHÍ BÀNG TÁC NHÂN TÁCH (DUNG MÔI)

H ỗ n hợp đẳng phí có th ể tách được thành các cẫu từ tinh khiết b ằng p h ư ơ n g ph áp sử dụng chất phụ trợ - tác nh ân tách [H offm ann 1964, Tassios 1972], Tác n hân tách được ch ọ n phải cho phép dẽ dàng tách được các cấu từ của h ỗ n hợp và sau đó có thể h oàn nguyên để tái sử đ ụ n g tác n h â n này.Các nguyên tắc tách h ỗ n hợ p đẳng phí bằng tác n h ân tách sẽ được thể hiện trên các ví dụ tách hỗn hợp đẳng phí hai cắu tử ở p h ẩ n dưới đây Khi thêm tác n h ân tách, hệ ba cấu tử sẽ được h ìn h thành,

vỉ vậy bản chất cùa quá trin h này sẽ đễ dàng được thể hiện khi sử d ụ n g các quy tắc chưng cát ba cấu tử (chương 3)

Khi tách h ỗ n hợp ba cấu tử có điểm đẳng phí bằng tác n h ân tách th ư ờ ng tồ n tại hai quan điểm sau đây Theo quan điểm thứ n h ất, tác n h ân tách phải chọn sao cho tro n g hệ ba cấu tử không có đường

biên giới chưng cất Theo qu an điểm thứ hai, tác nhân tách phải được chọn sao cho các cấu từ a và b của

hỗn hợp đẩu phải cùng là điểm xuất p h át hoặc cùng là điểm kết thúc của các đ ư ờ n g chưng cất Ở trường

hợ p này, điểm đẳng p h í sẽ là điểm xuất phát hoặc là điểm kết thúc của đường biên giới chưng cất

4.6.1 Các quá trình tách diễn ra chì trong một vùng chưng cất của hệ ba cáu tử

4.6.1.1 Tiêu chuẩn chọn tác nhãn tách (dung môi)

Các quá trin h tro n g các hệ k hông cỏ đường biên giới chưng cất đ ã được [D oherty và C aldaroh,

1986] nghiên cứu kỹ lưỡng Tác n h ân được chọn sao cho cấu tù a và b phải ở tro n g cùng m ột vùng chưng cất H ỗn hợ p đẳn g phí a - b phải là điềm xuất p h át hoặc là điểm kết th ú c của các đư ờng chưng

cất Bảng 4.6 dẫn các tiêu chuẩn chọn tác nhân tách xuất p h át từ các yêu cắu trên Đày là n h ũ n g yêu cáu tổi thiểu cho việc chọn tác nh ân tách, T rong hệ cũng có th ể tổ n tại các điểm đẳng phí khác

Bảng 4.6 Tiêu chuẩn chọn tác nhân tách cho các hệ không có đường biên giớỉ chưng cát

Tác nhân tách cho hệ có điểm đẳng p h í cực tiểu p hả i có:

- N hiệt độ sôi tru n g gian

- N hiệt độ sôi th ấp và phải tạo điểm đẳng p h í cực đại có n hiệt độ sôi tru n g gian với cấu từ a.

Tác nhân tách cho hệ cố điểm đẳng p h í cực đại p h ả i có:

- N hiệt độ sôi tru n g gian

- N hiệt đ ộ sôi cao và phải tạo điểm đẳng phí cực tiểu có nh iệt đ ộ sôi tru n g gian với cấu tử b.

T ro n g h ệ trên, tất cả các đư ờng chưng cất đểu bắt đắu từ cấu tù b có nhiệt đ ộ sôi cao và kết thúc

tại điểm đẳng ph í cực tiểu với nhiệt độ sôi thấp n h ấ t (56,6°C)

H ỗ n hợ p đắu F đư ợc trộ n với tác nh ân tách (B2) đ ể tạo th àn h h ỗ n hợ p M đi vào tháp C - l Tháp

C - l sẽ tách hỗn hợp Aí th àn h cấu tử b tro n g Hổn hợp đáy B( H ỏ n hợp đ ỉn h D I ở dạng hơi được đưa

sang tháp C “ 2 và tại tháp này cấu tử có nhiệt sôi thấp a được tách ra tro n g h ỗn hợ p đ in h D2 và tác n h ân

e được tách ra ở dạng hỗn hợp đáy B2 Tác nhân tách được tuán hoàn trở lại tháp C - l T rình tự tách ở

đày tương tự quá trìn h tách h ố n hợp không có đẳng phí ba cấu tử (đã xét ở trên)

Hình 4.33 Tách hỗn hợp đẳng phí Axêtôn - Heptan bằng tảc nhân tách Benien

có nhiệt độ sôi trung gian (80,1°C) Hệ không có đường biên giới chưng cất

A - S ơ đồ n gu yên lý; 0 - Đồ thị tam giấc [Doherty và Caldavola, 1986].

Phương ấn b

C ấu tử có nh iệt độ sôi thấp a cũng có th ể được tách trước tiên tro n g tháp C - l T heo quá trình

này, hỗn hợ p đáy của th áp C - l sẽ gổm cấu từ b và tác nh ân tách e và được đ ư a sang tháp C -2 Tháp

C -2 sẽ tách tác nhân e ớ dạng hỗn hợp đỉnh D2 và cấu từ b tinh khiết ở dạng h ổ n hợ p đáy B2 Tuy nhiên, phương án tách này trong đại đa số trường hợp không có lợi bàng phương án tách ở trên (phương án a).

Phương án a/c

H ổn hợp trên cũng có th ể được tách theo phư ơng án thứ ba (hình 4.34) H ỗ n hợ p đẩu F và tác

nh ân tách e cùng được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp C - l H ỏn hợp đỉnh của th áp này (D l) không chứa cấu tử có nhiệt độ sôi cao b, còn h ô n h ợp đáy (B l) không chứa cấu tử có nh iệt độ sôi thắp a, Cả hai hỏn

hợp này được đư a riêng biệt vào tháp C -2 H ỗn hợp đỉnh của tháp C -2 chi chứ a cấu tử a tinh khiết, còn hỗn hợp đáy chỉ chứa cấu tử b tinh khiết Tác n h ân e được lấy ra ở giữa th áp và cho quay vế tháp

C - l T ro n g đại đa số các trư ờ ng hợp phương án tách này có lợi n h ấ t vì n ân g lượng cần cấp cho quá trình là thấp nhất

Hình 4.34 Tảch hỗn hợp đẳng p hi Axêtôn - Heptan bằng tác n h in tách Benzen

Đây là m ột phư ơ ng án khác của quá trìn h tách được th ể hiện trên hình 4.33 và cho hiệu quả kinh

tế cao hơn

Aacetone

0 56-2*0

M ột phư ơng án rất hay để thực hiện quá trinh tách trên là ph ư ơ ng án chỉ sử dụ ng m ột tháp có

vách ngăn ở đoạn giữa của tháp (hình 4.34 C) T rong tháp này, h ỗ n hợ p đầu ab được đưa vào phía bên

trái cùa vách ngăn còn tác nh ân tách được thu hồi ở phía bên phải của vách ngăn và sau đó được tuấn hoàn nội bộ vể h ò n hợp đầu Sự hoạt động của tháp có vách ngăn sẽ được giải thích chi tiết trong phấn 6.3.1 trên h ìn h 6.10

N hững thay đổi vé kết cấu n h ư trên của tháp cho phép tách ho àn to àn h ỗ n hợp đẳn g phí chi trong m ột tháp Tác n h â n tách vẫn ở lại trong tháp trong quá trìn h tách và thiết lập ché độ tách không

cỏ bất kỳ tác độrig nào từ bên ngoài

B - Tác nhân tách e có nhiệt độ sôi thấp nhất

H lnh 4.35 thể h iện quá trin h tách h ỗ n hợ p a - b có điểm đẳng p h í cực tiểu bằng tác n h ân e có nhiệt độ sôi thấp và tạo h ỗ n hợp đẳng phí cực đại có nhiệt độ sói tru n g gian với cấu tử a Q uá trìn h này tương tự với q uá trìn h trên hìn h 4.33 và h ỗ n hợp đẳng phí e - a đóng vai trò n h ư m ộ t tác n h ân tách có

nhiệt độ sôi tru n g gian

Phương á n d

e

Hình 4.35 Đồ thỊ tam giác của quả trình tầch hỗn hợp đẳng phí bằng tác nhãn tách có nhiệt độ sôi thắp

và tác nhản này tạo với cấu từ a hỗn hợp đẳng phí cực đại có nhiệt độ sôi trung gian.

S ơ đồ nguyên lý cùa quà trình tương tự như trên hình 4.33a.

Q uá trìn h tách h ỗ n hợp đ ẳng phí không có đường biên giới chưng cẩt bao gốm hai tháp chưng cất và m ột vòng tu ẩn hoàn V ấn đế của các quá trìn h này nẳm ở chỗ phải tlm được tác n h ân tách thích hợp N h ư đ ã biết, xác suất tạo h ỗ n hợp đẳng phí sẽ tăng lên khi sự khác n h au vể n hiệt độ sôi giữa hai

cấu tử a và b giảm xuống Hệ quả là hẩu hết các hỗn hợp đẳng phí tách bâng phư ơng p h áp chưng cất

đểu là các chất có n h iệt độ sôi gần nhau VI vậy, trong nhiểu trường hợp rất khó tìm hoặc hấu như

không th ể tìm được chất có n h iệt độ sôi tru n g gian giữa a và b mà k h ôn g tạo th àn h đẳng phí mới Thậm

chí ngaỵ cả khi đã tìm được m ộ t chất n h ư trên thì quá trình tách có th ể sẽ không kinh tế vì khác nhau vế nhiệt độ sôi củ a các cấu tử tro n g hệ sẽ bé, và như vậy to àn bộ quá trìn h sẽ diễn ra tro n g khoảng hẹp của

nhiệt độ sôi của các cấu tử a và b H ệ Axêtôn - Benzene - H eptan thể hiện trên h ìn h 5.33 là m ột trong

số ít các ví dụ tro n g đ ó quá trin h tách đạt được hiệu quả kinh tế N h ư vậy tách h ổ n hợ p đẳng phí trong

m ột vùng chưng cất sẽ gặp nhiểu khó khăn tro n g việc chọn tác n h ân tách e

4.6.2 Câc quá trìn h tách trong hai vùng chưng cất

4.6.2.1 Tiêu chuần chọn tác nhân tách (dung môi)

N hóm các q uá trin h này đ ã được [stichlm air, 1988; Stichlm air và H erguijuela, 1992] nghiên cứu Gấn đây [W idago và Seider, 1996] đã công bố m ột bản tổng quan khá tố t vế nh ó m các quá trìn h này

Tác nh ân tách phải được chọn sao cho cả hai cấu tử a vả b cần tách của h ỗ n hợp đ ẳng phí phải là

điểm xuất phát hoặc điểm kết thúc của các đường chưng cất Các hệ này bao giờ cũng có đường biên

giới chưng cất Tác n h â n tách phải cho phép thu hồi sản phẩm a và b trên đ in h hoặc ở dưới đ áy của tháp

chưng cất Việc này chỉ có thể thực hiện được nếu các đường chưng cắt trên đ ố th ị tam giác hoặc là bắt

đẩu hoặc là kết th ú c tại a và b H ĩn h 4.36 đã chl ra các yêu cấu đ ịn h tín h tói th iểu của tác n h ân tách cần

phải được thỏa m ãn

T ro n g trư ờ n g h ợ p h ỗ n h ợ p đẳng phí cực đại hai cáu từ (hìn h 4.36 A đ ến 4.36 C), cấu tử a và b trong hỗn h ợ p đ âu là các chất có n h iệt độ sôi thấp v à vl vậy các đường chư ng cất sê kết thúc tại đinh a

và đỉnh b Tác n h â n tách được dù n g phải đảm bảo để các đường chư ng cất cửa hai h ỗ n hợp a - e và b - e

cũng phải kết th úc tại a và b.

Điểu kiện này sẽ được thôa m ãn nếu tác nh ân tách e có nhiệt đ ộ sôi cao n h ắ t (hình 4.36A).

Tách hỗn họp đẳng phỉ thành các cẳu từ a và b tinh khểt chỉ có thể thực hiện được khi các đường

chưng cất có điểm xuất phát hoặc điểm kết ứìúc tạ/ a và b.

Khi tác n h â n tách ỉà cấu tử có nhiệt độ sôi tru n g gian thì cấu tử a có th ể tách được ở dạng tinh khiết, còn cấu tử b chỉ cỏ thể tách được nếu hai cấu tử b và e tạo th àn h h ỗ n h ợp đ ẳng p h í cực đại

{hình 4.36B)

Với tác nhằn tách là cấu tử có nhiệt độ sôi thấp (hình 4.36C) thì tro n g cả hai hỗn hợp b - e và a - e nhất thiết phải tạo th àn h hỗn hợ p đẳng phí cực đại thì m ới tách được hai cấu từ a và b ở dạng tinh khiết Các sản p h ẩm ữ v à b sẽ được tách ở trên đìn h tháp chưng cất nếu các đỉnh a và b là các điểm kết thúc cùa các đ ư ờ n g ch ư n g cất và điểu này có nghĩa là các điếm a và b phải là các điểm lõ m trên bé

m ặt n h iệt đ ộ sôi

T ro n g trư ờ ng hợ p hệ có điểm đẳng phí cực tiểu hai cấu tử (hìn h 4.36 D -ỉ- 4.36 F) đ ể tách được hỗn hợp th àn h cấu tử a và í) tinh khiết thì a và b phải là các cấu tử có nhiệt độ sôi cao h ơ n nhiệt độ đẳng phí và các đư ờng chưng cất sẽ bắt đầu từ a và b Yêu cầu trên cũng đún g cho trư ờ n g hợ p đ ẳng phí cực tiểu ba cấu tử Điéu kiện trên sẽ luôn được thỏa m ãn khi tác nhân tách e là chất có nh iệt độ sôi thấp (hình 4.36F) N ếu tác n h â n tách e là cấu tử có nhiệt độ sồi trung gian thì cấu tử b có th ể tách được ờ dạng tinh khiết Tuy n h iên cấu tử a tinh khiết sẽ chỉ có th ể tách được nếu tro n g h ỗ n hợp a ~ e tạo thành

hốn hợp đẳng p h í cực tiểu {hình 4.36E)

N ếu tác nh ân e là cấu tử có nhiệt độ sôi cao (hình 4.36D) thì a và & tin h khiết có th ể th u được nếu

tác nhân tách e tạo với cả a và & các h ỗ n hợp đẳng phí cực tiểu, và a và b sẽ n h ận được ở dạng sản phẩm đáy vì các điểm a và b sẽ là các điểm xuẩt phát của các đường chưng cất.

N hư vậy, h ỗ n hợp hai cấu tử với điểm đẳng phí cực đại nói chung chỉ có th ể tách được thành hai cấu tử nếu tác n hân tách có nhiệt đ ộ cao hơ n nhiệt độ sôi của hỗn hợ p đẳng phí, hoặc nó tạo thàn h các hôn hợp đ ẳng phí cực đại có nhiệt độ sôi cao

Ngược lại, để tách hỗn hợp đẳng ph í cực tiểu cẩn phải chọn tác nh ân tách có nhiệt độ sôi thấp, hoặc nó phải tạo thành h ỗ n hợp đẳng phí cực tiểu có nhiệt độ sôi thấp N ói cách khác, đ ể tách được hỗn hợp đẳng phí thành các cấu tử tinh khiết phải chọn tác n h ân tách sao cho tro n g h ệ chi có hoặc cùng m ột loại đẳng phí cực tiểu, hoặc cùng m ộ t loại đẳng phí cực đại

N hững yêu cẩu tối thiểu đốí với tác nh ân tách xem bảng 4.7 N h ư sau này sẽ chỉ ra bằng các VI dụ

cụ thể, các điểm đẳng phí bổ sung và kể cả trong trường hợp tạo điểm đ ẳn g phí ba cấu tử thì chúng phải cùng m ột loại hoặc đẳng phí cực tiểu, hoặc đẳng phí cực đại N h ư vậy, ch ọ n tác n h ân tách cho quá trinh tách trong hai vùng chưng cất dễ dàng hơn nhỉếu so với quá trình tách hỗn hợp đẳng phí trong m ột vùng chưng cất

4. 6 2.2 Quà trình tách tổng quát hỗn hợp đẳng phí trong hai vùng chưng cắt

H ình 4.37 th ể hiện quá trìn h tổng quát dùng để tách triệt đ ể h ỗ n hợ p đẳng phí cực tiểu của hai

cấu tử - b.

Bảng 4.7 Chì tiêu chọn tác nhản tách cho quá trình trong các hệ

cỏ đường biên giới chưng cát

Tấc nhân tách hỗn hợp đẳng p h í cực tiểu phải cỏ:

- N hiệt đ ộ sôi th ấp hơ n nhiệt độ sôi của hỗn hợp đẳng phí

- N hiệt độ sôi tru n g gian và tạo th ành hỗn hợp đẳng p h í cực tiểu m ới với cấu tử có n h iệt đ ộ sổi

thấp (a)

- N hiệt độ sôi cao, và tạo các h ỗ n hợ p đẳng phí cực tiểu mới với cả hai cấu tử a và b, và ít n h ấ t m ột trong hai h ỗ n h ợp đẳng phí m ới phải có nhiệt độ sôi thấp hơ n nh iệt độ sỏi của h ổ n hợp đẳng phí đáu

Tác nhân tách hỗn hợp đẳng p h í cực đại phải có:

- N hiệt độ sôi cao h ơ n nhiệt độ sôi của hỗn hợp đẳng p h í cực đại.

- Nhiệt độ sôi trung gian, và tạo h ỗ n hợp đẳng phí cực đại mới với cấu tử có nhiệt độ sôi cao (b)

- Nhiệt độ sôi thẫp, và tạo các hỗn hợp đẳng phí cực đại mới với cả hai cấu từ a và b và ít nhất m ột trong hai hỗn hợp đẳng phí mới phải có nhiệt độ sôi cao hơ n nhiệt độ sôi của h ỗ n hợp đẳng phí đẩu

T heo bảng 4.7 có thể chọn cấu tử dùng để tách (tác nh àn tách) có n hiệt đ ộ sôi thấp h ơ n nhiệt độ

sôi cùa h ỗ n hợp đẳn g phí a ~ b T rong hệ nàỵ, các đường chưng cất sẽ xuất p h á t từ các đỉnh (cấu tử tinh khiết) a và b, và các cẫu tử này có thể tách ra ở dạng các sản phẩm đáy ở các bước chưng cất khác nhau.

t

Hình 4.37 Quá trình tách hỗn hợp hai cấu tử có điểm đẳng p hí cực tiểu bằng tác nhãn tách

có nhiệt độ SÔI thấp e Hỗn hợp đầu F (a + b) giàu cấu từ a.

A - S ơ đồ nguyên lý; B~ĐỒ thị tam giác (ìộ trình nhiệt độ sôi cao)

Đ ổ thị tam giác được đường biên giới chưng cất chia làm hai vù ng chưng cất Ở đây, đường biên

giới chưng cất chạy từ điểm đẳng phí cực tiểu đến cấu tử tác n hân tách e.

Trước tiên, giả thiết h ỗ n hợ p đấu F có điểm biểu diễn nằm tro n g vùng chưng cất đ ể cấu tử a có

thể tách được ở dạng hỗn hợ p đáy tro n g tháp C - l H ỗn hợp đỉnh Di sẽ có nố ng đ ộ gẩn với nồng độ của hỗn hợp đẳng phí

T iếp theo trộ n h ỗ n hợp đỉnh Di vớỉ tác nh ân tách (trộn vđi h ỗ n hợ p D3 giẩu cấu tủ e) sẽ được hỗn hợp M2 nằm ở p h ía bên kia đường biên giới chưng cất Ở vùng chưng cất này cấu tử cấu tử b có thế

tách được ở dạng h ỗ n hợ p đáy B2 của tháp C -2 H ỗn hợp đ ỉnh D2 sẽ nằm ở vùng lõm và ngay sát đường biên giới chưng cất

Giả thiết đ ư ờ n g biên giới chưng cất là đường cong và hỏn hợp D2 nằm ở p h ía lõm cùa đường này Khi đỏ h ỗ n hợ p D2 có th ể tách tro n g tháp C -3 thành hỗn hợp đỉnh D3 và h ỗ n h ợp đáy B3 và cả hai hỗn hợp này cỏ th àn h p h ẩn đểu nằm vể phía bên kia cùa đưởng biên giới chưng cất (xem hlnh 3.23)

H ỗn hợp đ ỉn h D 3 được đư a quay trở lại để dùng làm tác n h ân tách, còn h ỗ n hợ p đáy B 3 được đưa quay vể tháp C - l T ùy thuộc vào th àn h phán, h ỗ n hợ p đáy Bi có th ể đư a quay vế th áp C - l ở dạng dòng

độc lập hoặc trộ n với h ô n hợp đẩu F.

N h ư vậy, quá trin h tổ n g quát dùn g đé tách hỗn hợ p đẳng p h í sẽ gồm ba bư ớc tách và hai dòng tuẩn hoàn Q uá trìn h sẽ gổm hai bước tách ờ vùng lồi và m ột bước tách ở vùng lõm của đư ờng biên giới chưng cất

C ân bằng vật chất của cụm hai tháp C -2 và C -3 cho thấy điểm biểu diễn của h ỗ n hợp D| (cấu tử

b tinh khiết) và của hai h ỗ n hợ p đáy B2 và B3 phải nằm trên cùng m ột đư ờng thẳng vì:

H iệu quả của quá trìn h tách trên sẽ càng cao khi lượng tác nhân tách (hỗn hợ p đ ìn h D_í) cho quay

vẽ tháp C -2 sẽ càng nhỏ Các nghiên cứu chi tiết cho thấy lượng hỗn hợ p đỉnh D2 càng nhỏ sè càng tốt

vi cả hai h ỗn h ợ p của th áp C“ 3 (D3 và B3) đểu được tuán hoàn trở lại (nếu r>2 càng n h ỏ thì tiêu hao năng lượng tro n g th áp C -3 sẽ càng nhỏ) Lượng D2 sẽ do việc tách hỗn hợp M ỉ th àn h các h ồ n hợp D2 và B2

quyết định D o hỗn h ợ p dáy Bỉ chứa h ẩu như toàn bộ lượng cấu tử b có tro n g h ỗ n h ợp đ ẩu F nên:

Lượng h ỗ n hợ p đỉnh D2 có thể xác định bằng quy tắc đòn bẩy:

D2 = B 2 B 2 M l / - = F x B 2 M 2 / - (4.2a)

N h ư vậy, lượng h ỗ n hợp tuần hoàn Dĩ và Bì sẽ nhỏ khi đoạn M 2D 2 sẽ lớn so với đoạn B2M 2 (vì

khi đó lượng D 2 sẽ nhỏ) Yêu cẩu này sẽ được thỏa màn khi đường biên giới chư ng cất có độ cong lớn

và khi đó điểm M 2 sẽ ở xa đường biên giới chưng cất.

H ình 4.38a biểu diễn quá trin h tổng quát đùng để tách hổn hợp đẳng phí cực tiểu a - b khi hỏn hợp đẩu F có điểm biểu diễn nằm ở vùng chưng cất có thể tách được cẫu tử b có nhiệt độ sôi cao ở dạng

tinh khiết

Ở trườ ng hợ p này, trìn h tự tách các cấu tử sẽ khác so với trường hợp trên h ìn h 4.37

e

Hình 4.38a Quá trình tách hỗn hợp hal cấu tử có điểm đẳng phi cực tiểu bẳng tác nhắn tách

có nhiệt độ SÔI thấp Hỗn hợp đầu giàu cấu từ b.

F Đẳng phí D3 B3 cực tiểu

X , -►

Hình 4.38b Quá trình tách hỗn hợp hal cầu t ừ a - b c ó điểm đẳng phí cực tiểu

khi s ừ dụng tó e nhẳn tách có nhiệt độ sôi thắp e

thể tién hành trong hai tháp 0 - 1 và c - 2 (không cần có tháp c - 3).

C ân bằng vật chất của cụm hai tháp c “ 2 và c - 3:

Phương trình trên cho thấy ba điểm D l, M2 và B3 phải nằm trên cùng m ột đường thẳng trên đổ thị tam giác

Ở cả hai trư ờ n g hợp trên, quá trìn h tách tổng q u át hỗn hợp đẳng phí cực tiểu bằng tác nhân tách

có nhiệt độ sôi thấp đểu bao gồm hai giai đoạn tách ở vùng ỉôì và m ộ t giai đo ạn tách ở vùng lõm của đường biên giới chư ng cất và hai dòng tuẩn hoàn

Q uá trìn h tách tổng q u át trên cũng đúng cho trường hợ p tảch h ỗ n hợp đẳng phí cực đại (hình 4.39) Ở trư ờ n g hợ p này, sơ đổ nguyên lý c ủ a quá trìn h sẽ được lật ngược lại so với trường hợp đẳng phí cực tiểu

tác nhản tách có nhiệt độ sôi cao Hỗn hợp đàu F giàu cấu tử b

Sơ đồ nguyên lý của quá trình tà phiên bàn quay ngược cùa quá trình trên hình 4.37a

A - S ơ đồ nguyên lý của quá trình; B - Đồ thị tam giác ịlộ trình nhiệt độ sôi thấp).