tiểu luận về phương pháp chưng cất chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng

I, BẢN CHÁT, MỤC ĐÍCH CÔNG NGHỆ VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG1, Bản chất Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựavào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng bằn

I, BẢN CHÁT, MỤC ĐÍCH CÔNG NGHỆ VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG

1, Bản chất

Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựavào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quátrình bay hơi và ngưng tụ

Sự khác nhau về khả năng bay hơi thể hiện qua sự chênh lệch về nhiệt độ sôi,hoặc ở cùng một nhiệt độ nhưng áp suất khác nhau Trong bài này, nhóm nghiêncứu về sự chênh lệch nhiệt độ sôi Do sự chênh lệch về nhiệt độ, nên các cấu tử cónhiệt độ sôi thấp hơn sẽ bay hơi trước và các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ bayhơi sau

Khi chưng cất ta thu được nhiều sản phẩm và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thuđược bấy nhiêu sản phẩm Và ta xét đến trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, khi

đó quá trình chưng cất sẽ cho:

Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có

độ bay hơi bé

Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có

độ bay hơi lớn

2.2, Hỗn hợp hai cấu tử

Phân loại hỗn hợp hai cấu tử

- Dung dịch lý tưởng: là dung dịch mà ở đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại

và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau, khi đó các cấu tử hòa tan vàonhau theo bất cứ tỷ lệ nào Cân bằng giữa lỏng và hơi hoàn toàn tuân theo định luậtRaoult

- Dung dịch thực: là những dung dịch không hoàn toàn tuân theo định luật Raoult,

sự sai lệch với định luật Raoult là dương nếu lực liên kết giữa các phân tử cùngloại lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử khác loại, ngược lai, sai lệch là âm nếulực liên kết giữa các phân tử cùng loại nhỏ lực liên kết giữa các phân tử khác loại.Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại rất bé so với lực liên kết giữacác phân tử cùng loại thì dung dịch sẽ phân lớp, nghĩa là các cấu tử không hòa tanvào nhau hoặc hòa tan không đáng kể

Căn cứ vào mức độ hòa tan, có thể chia dung dịch hai cấu tử thành các loại sau:

1, Chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào

2, Chất lỏng hòa tan một phần vào nhau

3, Chất lỏng không hòa tan vào nhau

2.3, Cơ sở tính toán quá trình chưng cất hỗn hợp hai cấu tử

2.3.1, Cân bằng pha

Thành phần cân bằng của các pha trong hệ lỏng – hơi bão hòa đối với dung dịch

lý tưởng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tới hạn được xác định bởi định luật Raul: áp suất riêng phần của mỗi cấu tử trong pha hơi bên trên dung dịch bằng tích số của

áp suất hơi bão hòa của cấu tử đó (ở cùng nhiệt độ) với nồng độ phần mol của cấu

x - Nồng độ phần mol của cấu tử trong dung dịch.

Mặt khác, áp suất riêng phần còn được xác định theo phương trình:

. bh

cb

x p p

x - nồng độ phần mol cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.

Phương trình cân bằng vật liệu toàn tháp: G F G BG D

Đối với cấu tử dễ bay hơi: G x F. F G x D. D G x B. B

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện có dạng:

x – nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trog pha lỏng chảy tử đĩa đó xuống đĩa dưới.

x x

G − lượng lỏng hồi lưu về tháp, kmol/s.

Trong phương trình trên đối với mỗi trường hợp cụ thể R x và x D là những đại lượng không đổi, vì thế phương trình trên có dạng đường thẳng

G L

x

F F

x y R

y x





 Trong đó:

có ít hơn nhưng tiêu tốn hơi đốt lại lớn.

Trong tính toán công nghiệp, tùy theo yêu cầu của mức độ chính xác ta có ba cách xác định chỉ số hồi lưu sau đây:

Để tính gần đúng ta có thể lấy chỉ số hồi lưu làm việc bằng:

R x  (1, 2 2,5)  R xmin

Hay R x  1,3R xmin  0,3

Xác định chỉ số hồi lưu từ điều kiện thể tích tháp nhỏ nhất ( không tính đến các chỉ tiêu kinh tế vận hành) Trong trường hợp này ta cần thiết lập quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và thể tích của tháp R x  V

Cũng dễ dàng thấy rằng, thể thích làm việc của tháp tỉ lệ với tích số m R  x( x 1) hay tích

số m R  y( x 1), trong đó m x hay m y là số đơn vị chuyển khối.

Vấn đề là phải xác định các trị số của m x hay m y ứng với giá trị R x khác nhau để thiết

lập quan hệ phụ thuộc giữa R xhay m R  x( x 1) trên đồ thị Điểm cực tiểu của đường cong

vẽ được sẽ cho ta giá trị thể tích thiết bị nhỏ nhất và ứng với điểm đó sẽ có chỉ số hồi lưu thích hợp

Để xác định chi số hồi lưu chính xác nhất ta phải tính đến chỉ tiêu kinh tế Muốn thế ta phải xác định toàn bộ chi phí cho sản xuất của hệ thống với nhiều giá trị chi số hồi lưu

khác nhau Tổng chi phi sản xuất của hệ thống bao gồm: khấu hao giá thành thiết bị A, tiêu tốn sửa chữa P, tiêu tốn vận hành T.

Quan hệ giữa chi phí sản xuất và chỉ số hồi lưu biểu thị ở hình trên Điểm cực tiểu của đường tổng chi phí  ứng với chỉ số hồi lưu thích hợp và tổng chi phí bé nhất.

Hình 2: Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp kinh tế nhất.

2.3, Phân loại

2.3.1, Theo quá trình chưng cất

- Chưng cất phân đoạn: Dùng để có được một độ tinh khiết cao của phần cất hay

để chưng cất nhiều cấu tử khác nhau từ hỗn hợp Có thể thực hiện dưới áp suấtthấp hơn để cải thiện bước tách nếu nhiệt độ sôi gần nhau

- Chưng cất lôi cuốn: Dùng khi các chất lỏng cần tách hòa tan với nhau: nước và

cồn Nếu hỗn hợp là những chất không tan vào nhau như nước dầu, có lắng cặn vàgạt đi

2.3.2, Theo nguyên lý làm việc

a, Chưng cất đơn giản: Tách hỗn hợp các cấu tử có độ bay hơi khác nhau Thường

để làm sạch sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

- Chưng cất bay hơi dần dần: Chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác định

đường cong chưng cất Enghen Chưng cất bay hơi một lần: Cho phép nhận đượcphần chưng cất lớn hơn so với bay hơi một lần.

- Chưng cất bay hơi nhiều lần: Cho phép quá trình tách các phân đoạn theo mong

muốn

b, Chưng cất phức tạp

- Chưng cất có hồi lưu: Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta

tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh Nhờ sự tiếp xúc thêm một lần giữapha lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà

độ phân chia cao hơn

- Chưng cất có tinh luyện: Dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha lỏng

và hơi nhờ vào các đĩa hay đệm Chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn nếu kết hợpvới hồi lưu

- Chưng cất chân không và chưng cất với hơi nước: Độ bền nhiệt các cấu tử trong

dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu Đối với các phân đoạn cónhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân hủy chung (320C – 420C) chưng cất.Nếu nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân hủy chúng ta dùng chưng cất chân khônghay chưng cất hơi nước Hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng phần làm chsung sôi

ở nhiệt độ thấp hơn

2.4, Các phương pháp chưng cất

2.4.1, Chưng cất đơn giản

Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phươngpháp này thường dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

Thường được ứng dụng để chưng cất các sản phẩm không đòi hỏi có độ tinhkhiết cao Trong công nghệ thực phẩm, phương pháp này thường được ứng dụng

để sản xuất các loại tinh dầu thô từ thực vật hoặc các loại rượu thủ công Quá trìnhchưng cất thường được thực hiện ở điều kiện thường Nguyên liệu được đưa vàonồi, sau đó gia nhiệt đến nhiệt độ sôi bằng các tác nhân như củi, than đốt trực tiếphoặc hơi nước Hơi bay lên được đưa vào thiết bị ngưng tụ, sản phẩm ngưng tụ

được đưa về thùng chứa Sau khi kết thúc mẻ chưng cất, bã hoặc phần chất lỏngkhó bay hơi được tháo ra ngoài ở đáy.

Hình 3: Hệ thống chưng cất đơn giản

Hình 4: Chưng cất lôi cuốn hơi nước

Phương pháp này được dùng để phân chia các chất lỏng không hòa tan trongnước Chẳng hạn dùng hơi nước để chưng cất tinh dầu sả, tinh dầu hương nhu,quế, ; chưng cất các phần tử nặng trong chế biến dầu mỏ Hơi nước được phuntrực tiếp vào chất lỏng có chứa thành phần cần chưng cất, làm cho nó sôi, hơi baylên hoà tan cùng với hơi nước để đến thiết bị ngưng tụ Sau khi ngưung tụ ta thuđược hỗn hợp lỏng từ nước và chất dễ bay hơi thể lỏng không hòa tan trong nước.Việc tách sản phẩm lỏng ra khỏi nước được thực hiện lắng phân ly hoặc ly tâm Đương nhiên nếu hỗn hợp lỏng có chứa cả nước với tỷ lệ đáng kể thì ta có thểcấp nhiệt gián tiếp để chưng cất, giống như chưng cất đơn giản

Ưu điểm: Tiến hanh quá trình với nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của chất lỏngchưng cất ở cùng áp suất

2.4.3, Chưng cất liên tục

a, Chưng cất liên tục bằng hệ thống chưng cất đơn giản

Nguyên lý hoạt động: Dung dịch cần chưng cất được dẫn vào thiết bị chưng cất

I và được đun nóng bởi hơi nước gián tiếp đi trong ống ruột gà 1 Hơi của cấu tử dễbay hơi bay lên từ I có nồng độ y1, bị chưng cất II, được đun sôi bởi hơi nướctrong ruột gà Hơi của cấu tử dễ bay hơi bay lên từ II có nồng độ y2 vào thiết bịngưng tụ 3 và được ngưng tụ thành lỏng Lỏng này vào thiết bị chưng cất III đượcchưng cất, hơi bay lên có nồng độ y3 được ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ 3 thànhlỏng Lỏng này vào thiết bị chưng cất IV và tiếp tục được chưng cất, hơi bố lên từthiết bị này có nồng độ y4 được ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ NT3 thành lỏng vàđược lấy làm sản phẩm (nếu nồng độ đạt yêu cầu)

Hình 5: Sơ đồ chưng cất đơn giản, liên tục nhiều thiết bị 1.ống hơi nước bão hòa; 2 Thiết bị chưng cất; 3 Thiết bị ngưng tụ; 4 Sảm phẩm

ưu điểm là đơn giản, sản phẩm có nồng độ cao theo yêu cầu (tùy số lượng ghép các

bộ chưng cất đơn giản) nhưng vẫn cồng kềnh, lượng năng lượng tiêu hao lớn (vìthiết bị chưng cất nào cũng có bộ đốt) Mạt khác hệ thống muốn làm việc được liêntục thì nguyên liệu phải vào liên tục và sản phẩm đáy ở các thiết bị chưng cất I, II,III, IV cũng phải được xả liên tục Theo chiều tăng dần của các thiết bị, nồng độcấu tử dễ bay hơi tăng lên dẫn đến hiện tượng cấu tử xả đáy cũng tăng lên Do vậyhiệu suất thu hồi của cấu tử dễ bay hơi trong hệ thống này giảm

b, Chưng cất liên tục trên hệ thống tháp

Hình 6: Hệ thống tháp chưng cất

1 Bể chứa dung dịch; 2 Bơm; 3 Thùng cao vị; 4 Định lượng; 5 Thiết bị gia nhiệt; 6 Tháp chưng cất; 7 Thiết bị ngưng tụ; 8 Thiết bị làm lạnh thêm;

9 Thùng chứa sản phẩm; 10 Thiết bị đo nồng độ; 11 Thiết bị chứa sản phẩm

đáy; 12; van xả nước ngưng

hđ – hơi đốt; nn – nước ngưng; n – nước làm mát

Nguyên lý hoạt động: Dung dịch chưng cất chứa trong bể chứa 1, được bơm 2bơm lên thùng cao vị 3 Thùng này có tác dụng ổn định áp suất dung dịch vào tháptrong quá trình làm việc Từ thùng cao vị dung dịch qua định lượng 4 rồi chảy quathiêt bị gia nhiệt 5, khi đi qua gia nhệt dung dịch được đốt nóng lên nhiệt độ theoyêu cầu (nhiệt độ sôi) bằng hơi đốt bão hòa trước khi đi vào tháp chưng cất 6 ở vịtrí đĩa tiếp liệu (vị trí tiếp liệu đã được tính toán cụ thể) Trong tháp chưng cất xảy

ra quá trình chuyển khối Với một số đĩa nhất định cuối cùng trên đỉnh tháp ta thuđược cấu tử dễ bay hởi dạng nguyên chất Hơi này ra khỏi tháp đi vào thiết bịngưng tụ 7 được hóa lỏng nhờ nước làm lạnh chảy ngoài ống từ dưới lên Lỏng này

ra khỏi thiết bị ngưng tụ một phần được hồi lưu về tháp, một phần được lấy ra làmsản phẩm Để giảm tổn thất cho sản phẩm ta cho sản phẩm chảy tiếp qua thiết bịlàm lạnh thêm 8 để giảm nhiệt độ xuống trược lúc cho vào thùng chứa 9 Trong hệthống còn có thùng 11 để chứa sản phẩm đáy (cấu tử khó bay hơi) Nếu sản phẩm

đáy không có giá trị thì có thể xả theo cống ra ngoài Để hệ thống làm việc liên tụcthì phải cho nguyên liệu vào liên tục và sản phẩm phải được lấy ra liên tục Nồng

độ sản phẩm cần cao hay thấp được điều chỉnh bởi lượng hồi lưu về tháp nhiều hayít

2.4.4, Một số hệ thống chưng cất

a, Hệ thống chưng cất làm việc gián đoạn

Hình 7: Hệ thống tháp chưng cất làm việc gián đoạn

1 Nồi nấu; 2 Tháp chưng cất; 3 Thiết bị ngưng tụ; 4 Thiết bị làm lạnh thêm sản phẩm; 5 Đo nồng độ; 6 Thùng sản phẩm; 7,8 ống dẫn; 9 ống hồi lưu; n.l – nguyên liệu; hđ – hơi đốt; n.n – nước ngưng; n – nước; s.p – sản phẩm;

c – cặn

Khi hỗn hợp lỏng hai thành phần cần phân riêng đã được nạp đầy nồi nấu 1 thìdừng nạp Cấp nhiệt bằng hơi nước vào thiết bị đốt nóng loại ống xoắn đặt ngaytrong nồi nấu, gia nhiệt để hỗn hợp lỏng sôi và giữ cho nó sôi suốt quá trình chưngcất Hơi bay lên từ nồi nấu có nhiều thành phần dễ bốc hơi theo ống 7 đi vào đáytháp chưng cất 2 rồi đi qua các đĩa chóp ( hoặc lớp vật đệm đếu tháp đệm) để lênđỉnh tháp Khi đi ra từ đỉnh tháp, pha hơi đã có nồng độ chất dễ bốc hơi như ýmuốn, nó được đưa vào thiết bị hồi lưu 3 làm mát bằng hơi nước Một phần pha

hơi được biến thành pha lỏng có nồng độ xem như của pha hơi, từ thiết bị hồi lưuchảy qua ống chữ U chảy về đỉnh tháp Phần hơi còn lại sẽ ngưng tụ hết nhờ thiết

bị ngưng tụ 4, làm mát bằng nước, sản phẩm lỏng chảy qua thiết bị đo nồng độ 5rồi xuống thùng chứa 6

Dòng lỏng hồi lưu có nồng độ cao ở đỉnh tháp, giảm dần khi xuống đáy tháp,theo ống 8 chảy sang nồi nấu Theo thời gian thì nồng độ thành phần dễ bay hơitrong nồi nấu và trong pha hơi bay lên, liên tục giảm xuống Đến khi nào pha lỏngcòn lại trong nồi có nồng độ chất dễ bay hơi như tính toán thì dừng quá trình chưngcất, thao cặn bã khỏi nồi nấu Nếu cặn bã còn giá trị kinh tế thì có thể gọi là sảnphẩm đáy tháp Khi cặn bã không còn giá trị kinh tế thì xử lí như chất thải rồi trả

về môi trường thiên nhiên

Có thể ghép nồi nấu vào ngay đáy tháp cho gọn, khi đó ống 7,8 biến mất

b, Hệ thống chưng cất hỗn hợp lỏng hai cấu tử, làm việc liên tục (theo hình 4).

Hỗn hợp lỏng ban đầu được bơm lên thùng cao vị để ổn định áp lực Từ thùng cao vị 3 hỗn hợp lỏng chảy qua thiết bị gia nhiệt 4 bằng hơi nước nóng rồi chảyvào đĩa cao nhất thuộc phần dưới của tháp (đĩa tiếp liệu) Nhiệt độ của hỗn hợplỏng sau khi gia nhiệt thường đạt đến nhiệt độ sôi Cấp nhiệt cho tháp nhờ hơi nướcnóng và thiết bị truyền nhiệt đặt ở đáy tháp Đối với tháp có năng suất lớn người tađưa phần cấp nhiệt đáy tháp riêng, như vậy dễ lắp đặt, vệ sinh và sửa chữa thay thếhơn Nếu hệ thống tháp đặt ngoài trời thì thiệt bị hồi lưu được lắp đặt dưới thấp và

nó trở thành thiết bị ngưng tụ hoàn toàn hơi đi ra từ đỉnh tháp Dòng hồi lưu đượcbơm hồi lưu đưa lên đĩa trên cùng của đỉnh tháp Trường hợp này thuận tiện choviệc điều chỉnh lưu lượng của bơm hồi lưu thay vì điều chỉnh nhiệt của thiết bị hồilưu khi đặt nó trên cao

Hệ thống tháp chưng cất làm việc liên tục cho ta năng suất cao, chất lượng sảnphẩm ổn định, hiệu quả kinh tế hơn tháp làm việc gián đoạn Để nâng cao hiệu quảkinh tế ta có thể dùng thiết bị truyền nhiệt để lấy nhiệt từ dòng cặn (sản phẩm đáytháp) cấp cho dòng hỗn hợp lỏng ban đầu nhằm giảm lượng hơi nóng cấp cho hệthống Thậm chí còn có thể dùng hỗn hợp lỏng ban đầu có nhiệt độ còn thấp đểlàm mát thiết bị hồi lưu thay cho nước mát

c, Hệ thống chưng cất hỗn hợp lỏng ba cấu tử.

Hình 8: Hệ thống chưng cất hỗn hợp lỏng ba cấu tử A,B,C.

a Phân riêng thành phần C khó bay hơi trước;

b Phân riêng thành phần dễ bay hơi nhất trước tiên là thành phần A.

Ở hình 6.a hỗn hợp ban đầu được tháp thứ nhất, sản phẩm đáy chính là thànhphần C khó bay hơi nhất Pha hơi đi ra từ đỉnh tháp gồ thành phần A và B, sau khiqua thiết bị hồi lưu chúng ngưng tụ thành thể lỏng, một phần hồi lưu về đỉnh thápthứ nhất, phần còn lại chảy sang tháp thứ hai để phân riêng thành sản phẩm A lấy

ra từ đỉnh, sản phẩm B lấy ra từ đáy tháp Ở hình 6.b thì thành phần A được lấy ra

ở đỉnh tháp, thành phần B và C là sản phẩm đáy tháp thứ nhất Sau đó ở tháp thứhai phân riêng thành phần B và C

2.5, Các biến đổi của nguyên liệu.

Các biến đổi chính trong quá trình chưng cất chủ yếu là sự thay đổi về pha diễn

ra trong suốt quá trình chưng cất Kèm theo sự thay đổi về pha, sự thay đổi vềthành phần hóa học trong hai pha lỏng và khi diễn ra liên tục theo khuynh hướngsau: trong pha lỏng, càng lúc càng giàu các cấu tử bay hơi; trong pha khí càng lúccàng giàu các cấu tử dễ bay hơi Sự thay đổi về thành phần hóa học thường dẫn đến

sự thay đổi các tính chất hóa lý khác như tỷ trọng, độ nhớt, khả năng truyền nhiệt

và các tính chất về nhiệt động lực học

2.6, Các yếu tố ảnh hưởnh đến quá trình chưng cất

Quá trình chưng cất chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố sau: