Nguyên lý hóa công nghiệp - Lê Thị Như Ý

MÔN HỌC

NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP

30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. J.P. MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999.

2. Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi

- Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2,

Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp

3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P. WAUQUIER, Les

réacteurs chimiques, Technip, 1984.

4. Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí

Minh, 1999.

5. R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980.

Nguyên lý hóa công nghiệp 2

NỘI DUNG MÔN HỌC

Lý thuyết và bài tập

Chương I: Mở đầu

Chương II: Chưng luyện

Chương III: Trích ly

Chương IV: Thiết bị phản ứng – Bài tập áp dụng

Chương V: Thiết bị trao đổi nhiệt

Thực hành

Vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công

nghiệp hóa học


MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU................................................................................................................. 5

1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ........................... 5 1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI......................... 6

1.2.1. Định nghĩa ..................................................................................................................... 6 1.2.2. Phân loại ....................................................................................................................... 6

CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN................................................................................................... 7 2.1. ĐỊNH NGHĨA CHƯNG .................................................................................................. 7 2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG............................................................... 7 2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ .......................................................................... 8 2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ ................................................... 9

2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y .............................................................................................. 9 2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y................................................................................................. 10 2.4.5. Giản đồ phần mol x-y .................................................................................................. 11

2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN ............................................................................................... 12 2.5.1. Nguyên tắc hoạt động.................................................................................................. 12 2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) .................................................................... 13 2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)............................................................................ 14 2.5.4. Cân bằng vật chất........................................................................................................ 16 2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin......................................... 17 2.5.6. Xác định số đĩa thực tế NTT.......................................................................................... 19

THỰC HÀNH

VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG

NGHIỆP HÓA HỌC

I- GIớI THIệU TổNG QUAN ..................................................................................................... 21

1- MụC ĐÍCH, VAI TRÒ CủA THIếT Kế MÔ PHỏNG ........................................................................... 21 2- CÁC PHầN MềM MÔ PHỏNG TRONG CÔNG NGHệ HÓA HọC.......................................................... 22

II- PHầN MềM PRO/II ............................................................................................................... 22 1- LĨNH VựC Sử DụNG................................................................................................................... 22 2- QUÁ TRÌNH MÔ PHỏNG BằNG PHầN MềM PRO/II....................................................................... 23

III- LÝ THUYếT NHIệT ĐộNG HọC........................................................................................ 24 IV- CƠ Sở LựA CHọN MÔ HÌNH NHIệT ĐộNG.................................................................... 25 V- CÁC PHầN CƠ BảN CủA PROII......................................................................................... 28

1- GIAO DIệN CủA PROII- QUI ƯớC BAN ĐầU ............................................................................... 28 2- Cửa sổ PRO/II................................................................................................................... 29

VI- CÁC THAO TÁC THƯờNG DÙNG TRONG MÔ PHỏNG BằNG PRO/II ........................ 30 1- Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG MớI (OPENING A NEW SIMULATION) ................................ 30 2- Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG ĐÃ CÓ (OPENING AN EXISTING SIMULATION) .................. 30 3- GHI MộT FILE MÔ PHỏNG ĐANG HIệN HÀNH (SAVING THE CURRENT SIMULATION).................. 30

a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành ............................................................................. 30 b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác ........................................................................... 31

4- XÓA MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (DELETING A SIMULATION)........................................... 31 5- SAO CHÉP MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (COPY A SIMULATION).......................................... 31


6- THAY ĐổI DạNG ĐƯờNG VIềN CÁC DÒNG (MODIFYING THE FLOWSHEET STREAM BORDER STYLE)........................................................................................................................................ 32 7- HIểN THị TÍNH CHấT CủA DÒNG TRÊN SƠ Đồ MÔ PHỏNG ............................................................ 32 8- Sử DụNG FLASH HOT-KEY TOOL............................................................................................ 33 9- XUấT MộT SƠ Đồ MÔ PHỏNG RA CửA Sổ LƯU TRữ TạM (EXPORTING THE PFD TO THE WINDOWS CLIPBOARD) ............................................................................................................................... 34 10- NHậP MộT FILE PRO/II CÓ SẳN (IMPORTING A PRO/II KEYWORD INPUT FILE)...................... 34 11- XÁC ĐịNH CÁC TÍNH CHấT Về CÂN BằNG LỏNG - HƠI CủA CÁC Hệ 2 CấU Tử (DISPLAY BVLE).. 34

VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG............................................................................................................ 36 BÀI TOÁN 1: MÔ PHỏNG SƠ Đồ CÔNG NGHệ CủA PHÂN XƯởNG TÁCH MÉTHANE ........................... 36 BÀI TOÁN 2: MÔ PHỏNG THIếT Bị TÁCH KHÍ - LỏNG ...................................................................... 38 BÀI TOÁN 3: TÍNH NHIệT Độ SÔI CủA MộT HỗN HợP HAI PHA ở MộT ÁP SUấT NHấT ĐịNH.................. 39 BÀI TOÁN 4: MÔ PHỏNG THÁP TÁCH PROPANE ............................................................................ 40 BÀI TOÁN 5: XÁC ĐịNH ĐĨA NạP LIệU TốI ƯU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG CÔNG Cụ OPTIMISER................................................................................................................................................... 42 BÀI TOÁN 6: XÁC ĐịNH Số ĐĨA LÝ THUYếT TốI THIểU VÀ CHỉ Số HồI LƯU TốI THIểU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG PHƯƠNG PHÁP SHORTCUT ................................................................................... 44

CHƯƠNG 3: TRÍCH LY ........................................................................................................... 46 3.1. NGUYÊN TắC................................................................................................................... 46 3.2. SƠ Đồ .............................................................................................................................. 46 3.3. ỨNG DụNG ...................................................................................................................... 46

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG....................................................................................... 47 4.1. ĐẠI CƯƠNG................................................................................................................. 47

4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG........................................................................... 47 a- Theo pha của hệ ................................................................................................................ 47 b- Điều kiện tiến hành quá trình............................................................................................ 47 c- Theo điều kiện thủy động................................................................................................... 47 4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC ...... 48 a- Thiết bị phản ứng gián đoạn :........................................................................................... 48 b- Thiết bị phản ứng liên tục : ............................................................................................... 49 c- Thiết bị phản ứng bán liên tục : ........................................................................................ 50 4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG .......................................................... 50

4.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT ............................. 51 4.2.4. Cân bằng vật chất........................................................................................................ 51 4.2.5. Cân bằng nhiệt ............................................................................................................ 51

4.3. MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN.................... 52 Thiết bị phản ứng liên tục...................................................................................................... 52 a- Thiết bị phản ứng dạng ống : ............................................................................................ 52 b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng..................................................................... 55 c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) ............................................................................... 59

4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ..................................................................... 60 4.4.7. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN ............................................................. 60 4.4.8. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG............................................................................. 67


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Nhìn chung các quá trình trong công nghệ hóa học được phân thành 4 loại sau:

1. Các quá trình cơ học: gồm các quá trình: đập, nghiền, sàng, … các vật liệu

rắn.

2. Các quá trình thuỷ lực: nghiên cứu về:

− Các định luật về thủy tĩnh, thủy động, chuyển động của chất lỏng, chất khí.

− Các thiết bị vận chuyển khí, lỏng (bơm, quạt, máy nén, …)

− Các phương pháp và thiết bị phân riêng các hệ khí, lỏng không đồng nhất (lắng,

lọc, ly tâm, …)

3. Các quá trình nhiệt: nghiên cứu về:

− Các định luật về truyền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, bức xạ nhiệt, …)

− Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt (đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc)

− Các quá trình làm lạnh.

4. Các quá trình chuyển khối: nghiên cứu về:

− Các định luật về sự di chuyển vật chất giữa các pha với nhau

− Các thiết bị chuyển khối (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, sấy, trích ly, kết tinh,

…)


1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI

1.2.1. Định nghĩa

- Là quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc

trực tiếp với nhau;

- Đây là quá trình đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp hóa học vô cơ,

hữu cơ, lọc hóa dầu, thực phẩm, …

1.2.2. Phân loại

Tuỳ theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của 2 pha → phân loại:

- Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó

vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Đây là quá trình rất phổ

biến (quá trình chưng cất cồn, chưng cất dầu thô, …)

- Hấp thụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng (điều chế oléum

bằng cách cho H2SO4 đậm đặc hấp thụ khí SO2; tách khí acide bằng dung dịch

alkanolamine);

- Hấp phụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha rắn (tách khí acide

ra khỏi hỗn hợp khí tự nhiên hay khí đồng hành bằng rây phân tử);

- Trích ly: là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng

hay chất rắn bằng một chất lỏng khác;

- Kết tinh: là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển

từ pha lỏng vào pha rắn (kết tinh đường, kết tinh phân lân, …);

- Sấy khô: là quá trình tách nước ra khỏi vật chất ẩm, trong đó vật chất (hơi nước)

di chuyển từ pha lỏng hay pha rắn vào pha khí (sấy nông sản thực phẩm);

- Hòa tan: là quá trình vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng (hòa tan muối

hoặc đường vào nước);


CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN

2.1. ĐỊNH NGHĨA CHƯNG

- Là phương pháp dùng để tách các 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;

- Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc gần như nhau, nhưng giữa

chúng có một ranh giới cơ bản:

• Chưng: Dung môi và chất tan đều bay hơi;

• Cô đặc: Chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi;

- Khi chưng → thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được

bấy nhiêu sản phẩm;

- Đối với trường hợp 2 cấu tử :

• sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn + ε cấu tử có độ bay hơi bé;

• sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé + ε cấu tử có độ bay hơi lớn;

2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG

Trong sản xuất, thường gặp các phương pháp chưng sau:

1. Chưng đơn giản:

- dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau

- thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp:

- dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi


- thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước

3. Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu

tử (đối với các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt độ

sôi quá cao)

4. Chưng luyện:

- Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay

hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau;

- Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao;

- Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất

thường;

2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ

1. Dung dịch lý tưởng:

- là dung dịch mà trong 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 vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào. cân bằng lỏng-hơi hoàn

toàn tuân theo định luật Raout;

2. Dung dịch thực:

- Là những dung dịch hoàn toàn không tuân theo định luật Raout;

- Sự sai lệch với định luật Raout là dương nếu lực liên kết giữa các phân tử khác

loại < lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;

- Sự sai lệch với định luật Raout là âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại

> lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;

- Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại << lực liên kết giữa các phân

tử cùng loại → dung dịch sẽ phân lớp.


⇒ Ta xét trường hợp phổ biến nhất:

chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất

cứ tỷ lệ nào

2 1 3

Hình 2-1: Quan hệ giữa áp suất và

thành phần của dung dịch 2 cấu tử

1. Tuân theo định luật Raout;

2. Sai lệch dương

3. Sai lệch âm

2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ

2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y

P0A

Hơi

Lỏng - Hơi

Lỏng

T = const P

PM

P0B

0 xM yM 1

Trong đó:

A : cấu tử dễ bay hơi → P0A > P0

B


xM, yM: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất

PM

→ Thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất PM

là: 1-xM, 1-yM

⇒ Biểu đồ này ít sử dụng vì trong thực tế P rất ít thay đổi

⇒ Sử dụng biểu đồ T-x-y

2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y

T P = const

T0B

T0A

A B

Lỏng - Hơi

Hơi

Lỏng

TM

xM yM

Trong đó:

A : cấu tử dễ bay hơi → T0A < T0

B

xM, yM: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở P và TM

→ thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất PM là:

1-xM, 1-yM


2.4.5. Giản đồ phần mol x-y

Ví dụ ta có giản đồ phần mol x-y của hệ 2 cấu tử Propane và Butane. Trong đó :

− Trục x : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha lỏng ;

− Trục y : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha hơi.

90

90


2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN

2.5.1. Nguyên tắc hoạt động

Tháp chưng luyện gồm có 2 đoạn :

− Đoạn luyện : Là phần trên, gồm từ

đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh ;

− Đoạn chưng : Là phần dưới, gồm

từ đĩa tiếp liệu trở xuống dưới;

Tháp chưng luyện gồm có nhiều đĩa

⇒ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình

chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi.

Pha hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của

đĩa xuyên qua pha lỏng đi từ trên

xuống theo các ống (vách) chảy

chuyền.

⇒ Vì nhiệt độ trong tháp càng lên cao càng giảm nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới

lên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh tháp, ta

sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm hầu hết là các cấu tử nhẹ (dễ bay hơi). Hơi này

sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (condenser) (một phần hoặc hoàn toàn) ở đỉnh tháp để

hồi lưu lỏng ngưng tụ được về lại tháp và lấy ra làm sản phẩm đỉnh.

Ngược lại, pha lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có nhiệt độ cao hơn, một phần cấu tử

có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi ⇒ nồng độ của cấu tử nặng (khó bay hơi) trong pha

lỏng sẽ càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp, ta sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm

hầu hết là các cấu tử nặng. Một phần sản phẩm đáy sẽ đi vào thiết bị đun sôi lại

(reboiler) ở đáy tháp để tạo một lượng hơi đưa vào từ đáy tháp, đảm bảo trong tháp

luôn luôn có sự tiếp xúc giữa 2 pha lỏng và hơi.


⇒ Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp

lại nhiều lần ở các đĩa

⇒ Pha hơi đi lên càng giàu cấu tử nhẹ

⇒ Pha lỏng đi xuống càng giàu cấu tử

nặng

− Theo lý thuyết → Mỗi đĩa là một

bậc thay đổi nồng độ : thành phần hơi

khi rời khỏi đĩa cân bằng với thành

phần lỏng khi đi vào đĩa ⇒ số đĩa = số

bậc thay đổi nồng độ.

− Thực tế → trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt cân

bằng ⇒ Số đĩa thực tế > số đĩa lý thuyết

⇒ Hiệu suất đĩa TT

LT

NN

==η tãú thæûcâéa Säú

thuyãútlyï âéa Säú

2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser)

có 4 dạng Condenser :

1. Partial (ngưng tụ một phần): Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh và chỉ ngưng

tụ một phần. Loại Condenser này thực sự là một bậc thay đổi nồng độ. Nhiệt độ

trong Condenser chính là nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp hơi cân bằng.

Gồm 2 loại :

- loại Distillat vapor : lỏng ngưng tụ chỉ để hồi lưu về đỉnh tháp, còn sản

phẩm lấy ra ở thể hơi được gọi là Overhead.


- Loại Distillat mixe : lỏng ngưng tụ một phần để hồi lưu về đỉnh tháp, còn

lại lấy ra làm sản phẩm ⇒ sản phẩm đỉnh gồm 2 loại là sản phẩm hơi và

sản phẩm lỏng.

2. Bubble Temperature : Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh đến nhiệt độ điểm

sôi của hỗn hợp và ngưng tụ hoàn toàn, một phần cho hồi lưu về đỉnh tháp, phần

còn lại lấy ra dạng sản phẩm lỏng, được gọi là Fixe Rate Draw.

Loín

Håi

Loíng

Håi

a- Dạng Partial

Distillate vapor Distillate mixe

b- Dạng Bubble

2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)

có 4 dạng Reboiler :

- Thermosiphon without baffles và with baffles

- Dạng Kettle : được mặc định (qui chuẩn)

- Dạng “one through”

- Dạng lò


Trong đó, loại Thermosiphon gồm 2 loại: without baffles và with baffles.

Để đạt được chất lượng sản phẩm đáy cao hơn, người ta đã thiết kế loại

Thermosiphon with baffles có cấu tạo như sau:


210

300

?

?

?

?

50

2.5.4. Cân bằng vật chất

Nếu gọi :

F - Lượng hỗn hợp nguyên liệu đi vào tháp, kg/h

P - Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h

W - Lượng sản phẩm đáy, kg/h

aF, aP, aW : nồng độ % khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp nguyên liệu,

trong sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy.

Phương trình cân bằng vật chất toàn tháp : F = P + W

Nếu đối với cấu tử dễ bay hơi : F.aF = P.aP + W.aW

Ta tính được P : WP

WF

aaaaFP

−−

×= ⇒ W = F – P


Chuyển từ nồng độ % khối lượng sang nồng độ phần mol :

B

F

A

F

A

F

MM

Ma1a

a

xF −+

=

B

P

A

P

A

P

MM

Ma1a

a

xP −+

=

B

W

A

W

A

W

MM

Ma1a

a

xW −+

=

Với MA, MB: khối lượng mol của cấu tử nhẹ và cấu tử nặng

Tính khối lượng mol trung bình của:

− hỗn hợp nguyên liệu: MF = xF.MA +(1-xF).MB

− sản phẩm đỉnh: MP = xP.MA +(1-xP).MB

− sản phẩm đáy: MW = xW.MA +(1-xW).MB

Lập bảng cân bằng vật chất toàn tháp:

Hỗn hợp Nồng độ %

khối lượng

Nồng độ phần

mol

Lưu lượng khối

lượng, kg/h

Lưu lượng

mol, kg/h

Nguyên liệu aF xF F FM

F

Sản phẩm đỉnh aP xP P PM

P

Sản phẩm đáy aW xW W WM

W

2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin

Chỉ số hồi lưu rf là tỉ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh.

Để xác định chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin, ta thực hiện theo

những bước sau:


1- Xác định rf min: F

*F

*FP

minf xyyxr

−−

=

Với y*F - nồng độ phần mol cân bằng ứng với xF

2- Xác định các giá trị rf = b. rfmin với b = 1,2 ÷ 2,5

3- Xác định các giá trị 1r

xBf

P

+=

4- Trên đường cân bằng lỏng hơi x-y của hệ hai cấu tử → Vẽ đường làm việc của:

- Đoạn luyện: bằng cách nối điểm (xP, yP) với điểm (0, B)

- Đoạn chưng: bằng cách nối điểm (xW, yW) với giao điểm của đường làm

việc của đoạn luyện với đường x = xF (nếu hỗn hợp nguyên liệu vào ở điểm sôi)

5- Xác định số bậc thay đổi nồng độ NLT bằng cách vẽ các đường thẳng song song

với trục hoành và trục tung bắt đầu từ điểm xP cho đến khi quá điểm xW. NLT thông

thường không phải là số nguyên.

6- Giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin tương ứng

với giá trị cực tiểu của NLT(rf + 1)

b … … … …

rf

B

NLT

NLT(rf + 1)


xP

Đường làm việc đoạn luyện

Đường làm việc đoạn chưng

B = xP/(Rx+1)

xW xF

2.5.6. Xác định số đĩa thực tế NTT

Số đĩa thực tế: tb

LTTT

NNη

=

3

WFPtb

η+η+η=η

Với : ηP, ηF, ηW - hiệu suất của đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp, của đĩa nạp liệu và của đĩa

cuối cùng ở đáy tháp.

Hiệu suất đĩa là một hàm của độ bay hơi tương đối α và độ nhớt µ của chất lỏng:

( )µα=η ,f


Trong đó : α - độ bay hơi tương đối của hỗn hợp

µ - độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N.s/m2

Độ bay hơi tương đối của các hỗn hợp thực được xác định theo công thức:

xx1

y1y −

⋅−

=α

y, x : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng

Sau khi tính được tích (α , µ) ⇒ Tra đồ thị “Correlation de O’Connel”⇒ xác

định được ηP, ηF, ηW ⇒ xác định ηtb ⇒ NTT


THỰC HÀNH

VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT

SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC

I- Giới thiệu tổng quan

1- Mục đích, vai trò của thiết kế mô phỏng

• Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các

phần mềm chuyên nghiệp

• Mô phỏng là một công cụ cho phép người kỹ sư tiến hành công việc một cách

hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu

tố ảnh hưởng dến một quá trình đang hoạt động trong thực tế.

• Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trường hợp hơn trong

cùng thời gian với độ chính xác cao hơn nếu so với tính toán bằng tay. Hơn nữa,

chúng ta có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh

việc phải thực hiện các phép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm.

• Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để :

- Thiết kế (Designing) một quá trình mới

- Thử lại, kiểm tra lại (Retrofitting) các quá trình đang tồn tại

- Hiệu chỉnh (Troubleshooting) các quá trình đang vận hành

- Tối ưu hóa (Optimizing) các quá trình vận hành

• Để xây dựng một mô hình mô phỏng hiệu quả, chúng ta phải xác định đúng mục

tiêu. Bước đầu tiên trong bất cứ một quá trình mô phỏng nào là lượng hóa các

mục tiêu càng nhiều càng tốt. Các kết quả đạt được thường phụ thuộc vào các


yêu cầu đặt ra. Như vậy, trước khi mô phỏng một quá trình nên đặt ra các câu

hỏi sau :

- Mục đích sử dụng công cụ mô phỏng trong trường hợp này để làm gì ?

- Quá trình mô phỏng sẽ thực hiện những việc gì ?

- Sự phức tạp có cần thiết không ?

- Cần thiết phải tìm ra các kết quả nào từ quá trình mô phỏng ?

• Cần nhớ rằng các giá trị thu được từ kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào

những lựa chọn ban đầu mà chúng ta đã nhập vào.

2- Các phần mềm mô phỏng trong công nghệ hóa học

• Trong công nghệ hóa học, người ta sử dụng rất nhiều các phần mềm mô phỏng :

- DESIGN II (WINSIM) : sử dụng trong công nghiệp hóa học nói chung

- PRO/II (SIMSCI) : sử dụng trong công nghiệp hóa học, công nghiệp lọc -

hóa dầu

- PROSIM : sử dụng trong công nghiệp hóa học

- HYSIM (HYSYS) : sử dụng trong công nghiệp chế biến khí

• Trong các phần mềm kể trên, phần mềm PRO/II là phần mềm nổi tiếng nhất,

được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

II- Phần mềm PRO/II

1- Lĩnh vực sử dụng

• Phần mềm PRO/II là phần mềm tính toán chuyên dụng trong các lĩnh vực công

nghệ hóa học nói chung, đặc biệt trong lĩnh vực lọc dầu, hóa dầu, polymer, hóa

dược, ... Đây là phần mềm tính toán rất chính xác các quá trình chưng cất. Là

sản phẩm của SIMSCI, hình thành từ năm 1967 và được chính thức sử dụng vào


năm 1988 sau nhiều lần được cải tiến. Hiện nay, chúng ta đang sử dụng phiên

bản PRO/II 7.0

• PRO/II vận hành theo các modul liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ và lần

lượt tính cho từng thiết bị.

• PRO/II bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú : thư viện các cấu tử hóa học, các

phương pháp xác định các tính chất nhiệt động, các kỹ xảo vận hành các thiết bị

hiện đại để cung cấp cho các kỹ sư công nghệ các kỹ năng để biểu diễn tất cả

các tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cần thiết khi mô phỏng các trạng

thái dừng của các sơ đồ công nghệ.

• Phần mềm PRO/II được sử dụng theo nhằm 2 mục đích chính:

- Thiết kế một phân xưởng mới (Sizing)

- Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng trong thực tế để nghiên cứu

các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của nó (Rating) như : thay đổi

nguồn nguyên liệu, điều kiện vận hành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của sản

phẩm, ...

2- Quá trình mô phỏng bằng phần mềm PRO/II

• Trước khi tiến hành mô phỏng, chúng ta phải diễn đạt các dữ liệu từ sơ đồ thực

tế thành mô hình mô phỏng. Quá trình này bao gồm các bước sau :

- Xác định hệ đơn vị đo : có 3 hệ đơn vị đo : hệ Anh, hệ Mét và hệ SI. Tuỳ

trường hợp, chúng ta chọn hệ đơn vị đo cho thích hợp, thông thường chọn

hệ Mét;

- Xác định thành phần cấu tử có trong hệ : được chọn từ nguồn dữ liệu

phong phú các cấu tử của PROII;

- Lựa chọn các phương trình nhiệt động thích hợp : trên cơ sở thành phần

hóa học của nguyên liệu và điều kiện vận hành của thiết bị ;


- Lựa chọn các dòng nguyên liệu và sản phẩm : xác định thành phần, trạng

thái nhiệt của các dòng;

- Xác định các dữ liệu về thiết bị và điều kiện vận hành cho các thiết bị.

• Hơn nữa, trong nhiều trường hợp chúng ta phải thay đổi sơ đồ công nghệ thực tế

sang mục đích mô phỏng. Mặc dù có sự tương ứng giữa sơ đồ công nghệ thực tế

và sơ đồ mô phỏng nhưng vẫn có những sự khác biệt cần chú ý.

• Vì công cụ mô phỏng chỉ mô tả trạng thái dừng nên trong sơ đồ mô phỏng

không nên bố trí các thiết bị điều khiển, kiểm tra.

• PRO/II mặc định Condenser được xem là 1 bậc thay đổi nồng độ (1 đĩa lý

thuyết) và Reboiler cũng được xem là một bậc thay đổi nồng độ và dạng Kettle

được mặc định sử dụng.

III- Lý thuyết nhiệt động học

Các tính chất nhiệt động là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất cho việc tính toán quá

trình phân tách toàn hệ thống.

Có nhiều phương pháp tính toán các tính chất này, trong đó, quan trọng nhất là 2

phương pháp :

- Phương pháp tương quan : API và Rackett

- Phương pháp phương trình trạng thái : phương trình bậc ba tổng quát, công

thức Alpha, các qui luật hỗn hợp, phương trình SRK, phương trình PR,

phương trình SRKP, SRKM, SRKS, ...

Phương pháp API và Rackett tính toán khá chính xác tỉ trọng của pha lỏng, còn

các tính chất nhiệt động khác như : enthalpie, entropie lỏng và hơi, tỉ trọng pha hơi,

... thì được tính toán rất chính xác bằng các phương trình trạng thái như : SRK,

SRKM, ...


IV- Cơ sở lựa chọn mô hình nhiệt động

• Lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp cho một ứng dụng cụ thể đóng một vai

trò rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả mô phỏng

• Mỗi phương pháp nhiệt động cho phép tính các thông số sau :

- Hằng số cân bằng pha K : thể hiện sự phân bố cấu tử giữa các pha ở điều

kiện cân bằng

- Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : xác định năng lượng cần thiết để

chuyển một hệ từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái khác

- Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : nhằm phục vụ việc tính toán các

máy nén, giản nở và năng lượng tự do tối thiểu ở các thiết bị phản ứng

- Tỉ trọng của pha lỏng và pha hơi : để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở

lực và xác định kích thước tháp chưng cất

• Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa vào các yếu tố sau :

- Bản chất của các đặc trưng nhiệt động của hệ như : Hằng số cân bằng

lỏng-hơi (VLE : Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chưng cất,

cô đặc hoặc bốc hơi, quá trình trích ly, ...

- Thành phần của hỗn hợp

- Phạm vi nhiệt độ và áp suất

- Tính sẳn có của các thông số hoạt động của các thiết bị

• Cụ thể, ta có thể dựa vào sơ đồ sau :




V- Các phần cơ bản của PROII

1- Giao diện của PROII- Qui ước ban đầu

Khi khởi động PROII, đầu tiên sẽ xuất hiện một cửa sổ giao diện qui ước ban đầu:

Các nút hoặc các biểu tượng trong một vài trường hợp được viền quanh bởi 1 trong

6 màu: đỏ, xanh lục, xanh dương, vàng, nâu và đen. Ý nghĩa của mỗi màu như sau :

• Đỏ : dữ liệu yêu cầu cần phải nhập

• Xanh lục : dữ liệu mặc định hoặc lựa chọn

• Xanh dương : dữ liệu bạn vừa cung cấp thoả mãn yêu cầu

• Vàng : báo rằng số liệu bạn vừa nhập ngoài khoảng cho phép

• Nâu : dữ liệu không có giá trị

• Đen : dữ liệu không yêu cầu nhập vào


2- Cửa sổ PRO/II

Từ File menu ⇒ Chọn New : một cửa sổ View1 sẽ xuất hiện cho chúng ta một

flowsheet mới như sau:

Màn hình bao gồm :

• Dòng trên cùng gọi là Application Title Bar (Thanh tiêu đề ứng dụng), ở đó có tên

của ứng dụng là PRO/II with PROVISION, kèm theo là Document Title Bar

(Thanh tiêu đề tài liệu) ở đó có tên của chương trình mô phỏng đang thực hiện (chẳng

hạn là View 1 - là tên nguyên của tài liệu khi mới khởi động PRO/II)

• Dòng thứ hai gọi là Menu Bar (Thanh trình đơn) gồm 10 mục từ File đến Help ;

• Dòng thứ ba gọi là Standard Tool Bar (Thanh công cụ chuẩn) chứa biểu tượng của

các lệnh thường dùng

• Bên phải và phía dưới màn hình là thanh trượt dọc và thanh trượt ngang

• Bên phải màn hình, bên ngoài thanh trượt dọc là thanh công cụ floating PFD (Pipe

Flow Diagram). Nếu thanh công cụ PFD không hiển thị thì ta có thể gọi nó như sau :


- click vào biểu tượng Show or Hide PFD Palette trên Standard Tool Bar

- hoặc từ View ⇒ Palettes ⇒ nhắp chọn (hoặc không) PFD

• Ngoài ra còn có thanh công cụ Run. Để làm xuất hiện hoặc biến mất thanh công cụ

này cũng từ View ⇒ Palettes ⇒ nhắp chọn (hoặc không) Run

VI- Các thao tác thường dùng trong mô phỏng bằng PRO/II

1- Mở một chương trình mô phỏng mới (Opening a New Simulation)

• Từ File Menu ⇒ New

• Nếu bạn muốn PRO/II luôn luôn được mở với một chương trình mô phỏng mới ⇒

Options Menu ⇒ New File on Startup

2- Mở một chương trình mô phỏng đã có (Opening an Existing Simulation)

Bạn có thể mở bất kỳ một chương trình mô phỏng nào đã được ghi trước đó để chỉnh sửa,

xem hoặc in. Qui trình :

• Từ File Menu ⇒ Open ⇒ hiển thị cửa sổ Open Simulation .

• Đánh tên chương trình vào hoặc chọn tên file mô phỏng

• OK hoặc Enter ⇒ hiển thị file Simulation cần thiết

3- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành (Saving the Current Simulation)

a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành

• Từ File Menu ⇒ Save ⇒ nếu bạn chưa ghi chương trình mô phỏng này lần nào thì sẽ

hiển thị cửa sổ Save as ⇒ nhập tên ⇒ Chọn OK hoặc nhắp Enter. Còn sau lần ghi

đầu tiên, muốn ghi lại file đang hiện hành ⇒ nhắp vào biểu tượng Save

• Chương trình PRO/II sẽ tự động nén 3 file dữ liệu (*.pr1, .pr2, .pr3) và 1 file

flowsheet biểu đồ các dòng (*.sfd) thành một file đơn *.prz. Vì vậy, bên cạnh việc

giảm kích thước của các file lưu trữ còn đảm bảo rằng việc cài đặt file đã hoàn thành

mỗi khi chúng ta ghi các chương trình mô phỏng


• Chức năng Autosave của PRO/II sẽ tự động tạo một file sao chép dự phòng (backup

file). Nếu bạn đóng hoặc thoát ra chương trình mô phỏng mà không ghi thì file này sẽ

bị xóa. Hãy chọn Options / simulation Defaults / Autosave từ menu bar ⇒ hiển thị

cửa sổ Autosave Options ⇒ nhắp chọn Automatic Save File every ⇒ nhập chu kỳ

save (phút) ⇒ OK

b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác

Từ File Menu ⇒ chọn Save as ⇒ hiển thị cửa sổ Save as ⇒ Nhập tên mới cho chương

trình mô phỏng ⇒ Chọn OK hoặc nhắp Enter

4- Xóa một chương trình mô phỏng (Deleting a Simulation)

• Từ File Menu ⇒ chọn Delete ⇒ PRO/II sẽ hiển thị một danh sách các file mô phỏng

đã có

• Nhập hoặc chọn tên của flie muốn xóa (Bạn không thể xóa một chương trình mô

phỏng đang hiện hành)

• Chọn OK hoặc nhắp Enter ⇒ PRO/II sẽ xóa tất cả các file liên kết với chương trình

mô phỏng này

5- Sao chép một chương trình mô phỏng (Copy a Simulation)

• PRO/II có thể copy tất cả các file liên kết với chương trình mô phỏng (3 file dữ liệu

và 1 flowsheet) vào một file mô phỏng mới hoặc đang hiện hành. Nếu bạn muốn

copy vào một file mô phỏng đang hiện hành ⇒ PRO/II sẽ hỏi bạn có muốn viết đè lên

file hiện hành này không ?

• Từ File Menu ⇒ chọn Copy ⇒ PRO/II sẽ hiển thị cửa sổ Select File to Copy ⇒

Hãy chọn tên file cần copy (Bạn không thể copy một chương trình mô phỏng đang

hiện hành) ⇒ Nhập tên file đích (target) ⇒ OK


6- Thay đổi dạng đường viền các dòng (Modifying the Flowsheet Stream Border

Style)

• Thông thường đường viền các dòng thường có dạng hình chữ nhật ⇒ Chúng ta có thể

thay đổi thành đường viền dạng tròn. Qui trình như sau :

- Right-click vào dòng được chọn ⇒ hiển thị cửa sổ lựa chọn

- Chọn Display ⇒ xuất hiện cửa sổ Stream Style

- Chọn Circle từ drop-down list box của Stream Label Border

- click OK ⇒ đường viền dòng được chọn từ dạng hình chữ nhật chuyển thành

đường viền dạng tròn

• Với cách như trên, bạn có thể thay đổi dạng đường viền cho từng dòng riêng lẽ. Còn

nếu muốn, bạn có thể click chuột trái và quét chọn một hình chữ nhật bao xung quanh

các dòng muốn thay đổi dạng đường viền rồi tiến hành qui trình như trên. Hoặc bạn có

thể mặc định dạng đường viền cho tất cả các dòng ngay từ đầu theo qui trình sau :

- Từ Options Menu ⇒ Drawing Defauts ⇒ Stream Display ⇒ hiển thị cửa sổ

Stream Style

- Chọn Circle từ drop-down list box của Stream Label Border. Và lựa chọn này

chỉ có giá trị khi chúng ta chọn Name ở mục Stream Label Type ⇒ OK

7- Hiển thị tính chất của dòng trên sơ đồ mô phỏng

• Qui trình như sau :

- Right-click vào dòng được chọn ⇒ hiển thị cửa sổ lựa chọn

- Chọn Display ⇒ xuất hiện cửa sổ Stream Style

- Chọn Properties từ drop-down list box ở mục Stream Label Type

- Mặc định ở mục Property List là Property Label List ⇒ sẽ hiển thị tên, nhiệt

độ, áp suất và lưu lượng dòng ⇒ OK


8- Sử dụng Flash Hot-Key Tool

• PRO/II có một công cụ hữu ích cho phép hiển thị nhanh chóng các tính toán flash của

bất kỳ dòng nào được chọn ⇒ Đó là công cụ Flash Hot-Key, cung cấp một phương

tiện nhanh chóng, dễ dàng để xác định hàm lượng và thành phần của pha lỏng và pha

hơi của bất kỳ dòng nào


9- Xuất một sơ đồ mô phỏng ra cửa sổ lưu trữ tạm (Exporting the PFD to the

Windows Clipboard)

Từ Clipboard, bạn có thể dán một cách đơn giản hình vẽ lên bất kỳ một chương trình

soạn thảo nào như trong Microsoft Word. Qui trình như sau :

• Từ Menu ⇒ File ⇒ Export

• Chọn Flowsheet Drawing

• Click OK ⇒ PRO/II sẽ hiển thị một hộp hội thoại để khẳng định rằng flowsheet đã

được xuất ra cửa sổ lưu trữ tạm

10- Nhập một file PRO/II có sẳn (Importing a PRO/II Keyword Input File)

Bạn có thể nhập một file keyword Input của PRO/II dạng *.inp có sẳn vào giao diện

PRO/II đang hiện hành. PRO/II sẽ tự động chuyển đổi file này thành một sơ đồ tính toán

và chúng ta có thể tiến hành mô phỏng như mô phỏng trên một sơ đồ PFD, từ đó chúng ta

có thể chỉnh sửa theo ý mình

• Từ Menu ⇒ File ⇒ Import

• Nhập hoặc chọn tên của flie muốn nhập

• Chọn OK hoặc nhắp Enter

11- Xác định các tính chất về cân bằng lỏng - hơi của các hệ 2 cấu tử (Display

BVLE)

Để xác định các tính chất về bằng lỏng - hơi của các hệ 2 cấu tử này ở áp suất thường (1

atm) hay ở một áp suất bất kỳ nào đó, ta sử dụng công cụ Display BVLE.

Qui trình như sau :

• Chọn hệ đơn vị

• Chọn cấu tử

• Chọn mô hình nhiệt động thích hợp


• Nhắp chọn biểu tượng Display BVLE ⇒ Chọn các cấu tử, chọn áp suất và nhắp chọn

Calculate ⇒ Ta sẽ được 5 loại biểu đồ:

• Biểu đồ X - Y

• Biểu đồ T - X - Y

• Biểu đồ hệ số Fugacity

• Biểu đồ hằng số cân bằng K thay đổi theo thành phần mol

• Biểu đồ hằng số cân bằng K thay đổi theo


VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG

Bài toán 1: Mô phỏng sơ đồ công nghệ của phân xưởng tách Méthane

Tháp Demethanizer để tách methane ra khỏi hỗn hợp khí trong sơ đồ sử dụng turbo-

expander.

Lưu lượng dòng khí nguyên liệu : 8 m3/s

Nhiệt độ : 120 oF

Aïp suất : 602,7 psia (pound per square inch absolute)

(1 psi = 0,06896 bar; 602,7 psia = 588,2 psig; 1pound = 453,6 g)

Thành phần của hỗn hợp khí ban đầu như sau :

Cấu tử % mol Cấu tử % mol

N2

CH4

C2H6

C3H8

i-C4H10

7,91

73,05

7,68

5,69

0,99

n-C4H10

i-C5H12

n-C5H12

C6H14

C7H16

2,44

0,69

0,82

0,42

0,31

Trong đó: Hiệu suất của máy nén là 75%; Hiệu suất của thiết bị giản nở: 80%

Yêu cầu chất lượng của sản phẩm đáy là tỉ lệ C1/C2 = 0.015

Hãy xác định:

1. Công suất thực của máy nén C1?

2. Thành phần, nhiệt độ và áp suất của các dòng sản phẩm khí và lỏng?

⇒ Phương pháp tiến hành: Chúng ta sẽ chia sơ đồ trên thành 2 vùng :

• Vùng 1 : mô phỏng 3 thiết bị đơn giản để làm quen với phần mềm PROII

• Vùng 2 : Chúng ta sẽ mô phỏng toàn bộ quá trình để tìm hiểu những điểm ưu việt

của phần mềm PROII

Nguyên lý hóa công nghiệp 37 Nguyên lý hóa công nghiệp 37


Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng

Cho vào thiết bị tách khí lỏng một dòng nguyên liệu với các dữ liệu sau:

• Lưu lượng : 100 kmol/h; t = 300C ; P = 10 bar

• Thành phần hóa học: Méthane : 13 kmol/h

Ethane : 22 kmol/h

Propane : 38 kmol/h

Butane : 22 kmol/h

Pentane : 5 kmol/h

Điều kiện làm việc của thiết bị tách: 300C và 7 bar

Hãy xác định:

1. Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách?

2. Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bị tách?

3. Năng suất nhiệt của thiết bị tách?


Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất

nhất định

Nguyên liệu có thành phần như bài toán 2, lưu lượng = 5500 kg/h.

Hãy xác định:

1. Nhiệt độ sôi của hỗn hợp nguyên liệu này ở áp suất 7 bar?

2. Hằng số cân bằng pha của các cấu tử ?

3. Thành phần hỗn hợp hơi cân bằng với lỏng?

4. Năng suất nhiệt của thiết bị tách?

⇒ Giải quyết bài toán

Để giải quyết bài toán trên, ta tiến hành các bước:

• Giả thiết cho hỗn hợp nguyên liệu này đi vào một bình tách làm việc ở áp suất là 7

bar.

• Tiến hành mô phỏng như bài toán 2

• Vì muốn xác định nhiệt độ sôi của hỗn hợp ⇒ ở cửa sổ Flash Drum, ở mục Second

Specification ⇒ Chọn Bubble point ở mục Unit Specification

• Do phải xác định hằng số cân bằng pha của các cấu tử ⇒ ở cửa sổ Flash Drum, ở

mục Print Option ⇒ Chọn Include Component K - values


Sơ đồ bài toán

Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane

Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau :

• Nguyên liệu :

- năng suất : 400 tấn/ngày

- P = 18 bar

- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng C3 và 74 % khối lượng C4

• Tháp :

- 22 đĩa lý thuyết; nạp liệu ở đĩa 13

- áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết

- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn ; áp suất bình tách : 16,2 bar

• Chỉ tiêu chất lượng sau :

- sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4


- sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3

⇒ Hãy xác định :

- Chỉ số hồi lưu ?

- Năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi lại và thiết bị ngưng tụ (MkCal/ngày)

- Lưu lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy ?

Sơ đồ bài toán


Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng

công cụ Optimiser




- P = 18 bar

- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng

butane

• Tháp :

- 22 đĩa lý thuyết

- áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết


- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn

- áp suất bình tách : 16,2 bar




⇒ Hãy xác định đĩa nạp liệu tối ưu để năng suất của thiết bị đun sôi lại là bé nhất


Bài toán 6: Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối

thiểu cho tháp tách propane bằng phương pháp shortcut

Bài toán




- P = 18 bar

- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng

butane

• Tháp :

- áp suất đỉnh : 16,5 bar

- trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết


- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn

- áp suất bình tách : 16,2 bar




⇒ Hãy xác định :

- Số đĩa lý thuyết tối thiểu?

- Chỉ số hồi lưu tối thiểu?


CHƯƠNG 3: TRÍCH LY

3.1. Nguyên tắc - Trích ly là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng hay chất

rắn bằng một chất lỏng khác → Chỉ xét cho hỗn hợp lỏng - lỏng - Yêu cầu của dung môi: - Hòa tan chọn lọc cấu tử cần tách;

- Hệ số khuyếch tán D lớn → vận tốc chuyển khối lớn; - Nhiệt dung riêng và nhiệt hóa hơi nhỏ (tiết kiệm khi hoàn nguyên dung môi); - Độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ); - Không ăn mòn thiết bị, không tác dụng hóa học với các cấu tử trong hỗn hợp; - Rẻ tiền, dễ kiếm;

3.2. Sơ đồ

Hỗn hợp lỏng A + B (A: cấu tử cần tách)

S: dung môi

Pha R (B + εA-S)

Pha E (A-S + εB)

3.3. Ứng dụng - Trong công nghiệp lọc hóa dầu: tách các sản phẩm có nhiệt độ sôi gần nhau; - Trong công nghiệp dược phẩm: tách pénicilline từ hỗn hợp lên men; - Trong công nghiệp luyện kim: tách kim loại trong dung dịch ; - Trong công nghiệp thực phẩm: tách dầu béo, tinh dầu từ nguyên liệu;


CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG

4.1. ĐẠI CƯƠNG

4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG a- Theo pha của hệ

• Theo bản chất pha : thiết bị phản ứng pha khí, lỏng hoặc rắn ;

• Theo số pha :

- thiết bị phản ứng một pha (đồng thể) : pha khí hoặc lỏng,

- thiết bị phản ứng nhiều pha (dị thể) :

- thiết bị phản ứng hai pha : khí-lỏng, lỏng-lỏng, khí-rắn, lỏng-rắn

- thiết bị phản ứng ba pha : khí-lỏng-rắn.

• Theo trạng thái pha : thiết bị phản ứng pha liên tục hoặc pha phân tán

b- Điều kiện tiến hành quá trình

• Theo phương thức làm việc:

- thiết bị phản ứng gián đoạn

- liên tục

- bán liên tục

• Theo điều kiện nhiệt

- thiết bị phản ứng đẳng nhiệt

- đoạn nhiệt

c- Theo điều kiện thủy động

• Theo chiều chuyển động của các pha :

- thiết bị phản ứng xuôi dòng, ngược dòng hoặc dòng chéo nhau

- thiết bị phản ứng dọc trục hoặc xuyên tâm


• Theo chế độ chuyển động :

- thiết bị phản ứng dạng ống ;

- thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn

- thiết bị phản ứng nhiều ngăn.

• Theo trạng thái tầng xúc tác :

- thiết bị phản ứng tầng xúc tác cố định ;

- thiết bị phản ứng tầng xúc tác di động ;

- thiết bị phản ứng tầng sôi ;

- thiết bị phản ứng tầng xúc tác kéo theo

4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM

VIỆC

Tuỳ thuộc vào phương thức làm việc, người ta chia thiết bị phản ứng thành 3 loại :

a- Thiết bị phản ứng gián đoạn :

• Định nghĩa : là thiết bị phản ứng làm việc theo từng mẻ, nghĩa là các thành phần tham

gia phản ứng và các chất phụ gia (dung môi, chất trơ) hoặc các chất xúc tác được đưa

tất cả vào thiết bị ngay từ thời điểm đầu. Sau thời gian nhất định, khi phản ứng đã đạt

được độ chuyển hóa yêu cầu, người ta cho dừng thiết bị và tháo sản phẩm ra.

• Ưu điểm :

- Tính linh động cao : có thể dùng thiết bị đó để thực hiện các phản ứng khác nhau

tạo ra các sản phẩm khác nhau

- Đạt độ chuyển hóa cao do có thể khống chế thời gian phản ứng theo yêu cầu

- Chi phí đầu tư thấp do ít phải trang bị các thiết bị điều khiển tự động

• Nhược điểm :

- Năng suất thấp do thời gian một chu kỳ làm việc dài : đòi hỏi thời gian nạp liệu,

đốt nóng, làm nguội, tháo sản phẩm và làm sạch thiết bị


- Mức độ cơ giới hóa và tự động hóa thấp

- Khó điều chỉnh và khống chế quá trình do tính bất ổn định của phương thức làm

việc gián đoạn

- Mức độ gây độc hại hoặc nguy hiểm đối với người sản xuất cao hơn do mức độ

tự động hóa thấp, người công nhân phải tiếp xúc nhiều hơn với các hóa chất

• Phạm vi ứng dụng :

- Chỉ thích hợp với các phân xưởng năng suất nhỏ

- Phục vụ cho mục đích sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau trong cùng một

thiết bị

b- Thiết bị phản ứng liên tục :

• Định nghĩa : là thiết bị mà trong đó các chất tham gia phản ứng được đưa liên tục vào

thiết bị và sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Sau thời gian khởi động thì nhiệt độ, áp

suất, lưu lượng và nồng độ các chất tham gia phản ứng không thay đổi theo thời gian,

thiết bị làm việc ở trạng thái ổn định

• Ưu điểm :

- Có khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao

- năng suất cao do không tốn thời gian nạp liệu và tháo sản phẩm

- chất lượng sản phẩm ổn định do tính ổn định của quá trình

• Nhược điểm :

- Chi phí đầu tư cao, trước hết là do đòi hỏi phải trang bị các thiết bị tự động điều

khiển để đảm bảo tính ổn định của quá trình

- Tính linh động thấp, ít có khả năng thực hiện các phản ứng khác nhau, tạo các

sản phẩm khác nhau

• Phạm vi ứng dụng : thiết bị phản ứng liên tục được sử dụng thích hợp cho các quá

trình sản xuất với năng suất lớn, chất lượng sản phẩm đảm bảo


c- Thiết bị phản ứng bán liên tục :

• Định nghĩa : là thiết bị mà trong đó có thành phần chất tham gia phản ứng đưa vào

gián đoạn còn các chất khác đưa vào liên tục. Sản phẩm có thể lấy ra gián đoạn hay

liên tục

• Phạm vi ứng dụng : được thực hiện đối với những quá trình không có khả năng thực

hiện theo phương thức liên tục, còn nếu thực hiện theo phương thức gián đoạn lại cho

năng suất thấp

⇒ Khi tính toán thiết kế thiết bị phản ứng phải dựa trên yêu cầu của sản xuất (năng

suất và chất lượng sản phẩm). Trên cơ sở các phương trình cân bằng vật chất và cân

bằng nhiệt - là những phương trình toán học mô tả quan hệ giữa các thông số động học,

nhiệt động và các điều kiện thực hiện quá trình với các thông số đặc trưng cho kích

thước hình học của thiết bị như thể tích, chiều dài thiết bị, thời gian lưu, ... từ đó có thể

tính toán các kích thước cơ bản của thiết bị.

4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG

• Thiết kế một thiết bị phản ứng là xác định kích thước của thiết bị đó để đạt được hiệu

suất thu sản phẩm mong muốn, đồng thời xác định nhiệt độ, áp suất và thành phần của

hỗn hợp phản ứng ở điều kiện vận hành tại các phần khác nhau của thiết bị.

• Các số liệu cần thiết hay còn gọi là điều kiện thiết kế bao gồm :

- Các dữ liệu ban đầu của dòng nguyên liệu như : lưu lượng, nhiệt độ, áp suất,

thành phần các chất tham gia phản ứng, ...

- Chế độ vận hành của thiết bị : gián đoạn hoặc liên tục, đoạn nhiệt hoặc đẳng

nhiệt, ...

- Yêu cầu về năng suất và chất lượng sản phẩm.

• Thiết kế tối ưu dựa trên nguyên liệu, chi phí ban đầu, chi phí vận hành và giá trị

thương mại của sản phẩm cuối cùng


4.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT

4.2.4. Cân bằng vật chất

• Cân bằng vật chất cho một tác chất được viết dưới dạng tổng quát có thể áp dụng cho

bất kỳ một dạng thiết bị phản ứng nào.

• Trong một phân tố thể tích ∆V và một phân tố thời gian ∆t, cân bằng vật chất dạng

tổng quát là :

Lượng tác chất

nhập vào phân −

tố thể tích


rời khỏi phân −

tố thể tích


phản ứng trong =

phân tố thể tích


còn lại trong (III-1)


• Số hạng thứ ba phụ thuộc vào vận tốc phản ứng trong phân tố thể tích ∆V và có dạng

(-rA).∆V.∆t với (-rA) - phương trình vận tốc phản ứng hóa học

• phương trình (5-1) có thể tính theo khối lượng hoặc theo mol.

4.2.5. Cân bằng nhiệt

• Cân bằng nhiệt nhằm mục đích xác định nhiệt độ tại mỗi điểm trong thiết bị phản ứng

(hay tại mỗi thời điểm nếu thiết bị hoạt động gián đoạn) để xác định đúng vận tốc tại

điểm đó.

• Trong một phân tố thể tích ∆V và một phân tố thời gian ∆t, phương trình cân bằng

nhiệt tổng quát cho thiết bị phản ứng là :

Nhiệt do tác chất

mang vào phân −

tố thể tích

Nhiệt do tác chất

mang ra khỏi +


Nhiệt trao đổi

với môi trường =

bên ngoài

Nhiệt tích tụ

lại trong phân (III-2)

tố thể tích

• Dạng của phương trình (III-1) và (III-2) phụ thuộc vào loại thiết bị phản ứng và

phương pháp vận hành. Trong nhiều trường hợp, một hoặc nhiều số hạng của phương

trình trên sẽ không có.


4.3. MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN

Thiết bị phản ứng liên tục Đối với dạng thiết bị này, ta phân thành 2 loại cơ bản :

a- Thiết bị phản ứng dạng ống :

• Trong thiết bị phản ứng dạng ống, nguyên liệu được nhập vào một đầu của ống hình

trụ và dòng sản phẩm ra ở đầu kia ;

• Do thiết bị này thường hoạt động ở trạng thái ổn định, không có sự khuấy trộn theo

phương dọc trục nên tính chất của dòng chảy thay đổi từ điểm này đến điểm khác chỉ

do quá trình phản ứng. Vì vậy, người ta giả thiết rằng trong thiết bị dạng này, tính chất

của các phần tử trên cùng một tiết diện là như nhau và không thay đổi theo thời gian ;

• Chúng ta có sơ đồ đơn giản của thiết bị phản ứng dạng ống như hình vẽ bên dưới. Từ

đó có thể biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ tác chất được xét vào chiều dài của thiết

bị phản ứng là một đường cong liên tục và giảm dần từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị.

Sơ đồ đơn giản của thiết bị phản ứng dạng ống

Đầu vào Đầu ra Chiều dài thiết bị

Sản phẩm Tác chất

xAf

xAo

• Thiết bị phản ứng dạng này thường sử dụng 1 trong 3 loại tầng xúc tác sau : tầng xúc

tác cố định, di động và kéo theo.


• Về phương diện động học, có thể mô tả thiết bị phản ứng dạng ống theo sơ đồ sau :

CAoFAoxAo= 0 vo

CAfFAfxAfvf

FAxA

FA+dFAxA+ dxA

V

dx

dV xA

• Phương trình (III-1) và (III-2) có thể được viết cho một đơn nguyên thể tích ∆V :


nhập vào phân −

tố thể tích


rời khỏi phân −

tố thể tích


phản ứng trong =



còn lại trong (III-1)


• Đối với phương trình (III-1) :

- Số hạng thứ nhất là FAo.(1 - xA ).∆t ;

- Nếu độ chuyển hóa khi ra khỏi phân tố thể tích là xA + ∆xA thì số hạng thứ hai

là : FAo.(1 - xA - ∆xA).∆t ;

- Số hạng thứ ba là (- rA ). ∆V. ∆t ;

- Số hạng thứ tư bằng 0 vì quá trình ở trạng thái ổn định.

Vậy phương trình (5-1) được viết là :

FAo.(1 - xA ).∆t − FAo.(1 - xA - ∆xA).∆t −(- rA ). ∆V. ∆t = 0

Hay : FAo. ∆xA − (- rA ). ∆V = 0


Chia 2 vế cho ∆V và lấy giới hạn khi cho ∆V → 0, ta có :

( )0A

AA

Fr

dVdx −

=

Vì FAo là lưu lượng ban đầu của tác chất nên không đổi, lấy tích phân theo xA từ xA1 đến

xA2 ta có :

( ) ( )1-VI ∫ −=

2A

1A0

x

x A

A

A rdx

FV

Ví dụ 1 : Phản ứng phân hủy pha khí đồng thể ở 650 oC :

4PH3 (k) ⇒ P4 (k) + 6H2 (k)

Đây la phản ứng bậc một với phương trình vận tốc là : ( − rPH3 ) = (10 h-1 ) CPH3

Tìm thể tích bình phản ứng dạng ống hoạt động ở 650 oC và 4,6 at để đạt độ chuyển hóa

là 80% với lưu lượng dòng nguyên liệu phosphin tinh chất ban đầu là 2 kmol/h.

Giải :

Đặt A = PH3, R = P4, S = H2, lúc đó phản ứng được viết dưới dạng :

4A ⇒ R + 6S

Thể tích bình phản ứng dạng ống được xác định theo công thức :

( ) ∫∫ ⋅=

−=

=

=

80

0 A

AA

80x

0x A

AA Ck

dxFr

dxFV0

2A

1A

0

,,

Ở áp suất không đổi, ta có :

( )( ) A

AA

A0

AAAA x1

x1Cx1V

x1FVFC

0

0

α+−

⋅=α+

−==

Lấy tích phân, ta được :

( )∫∫ ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡α−

−α+=

−α+

=

α+−

=A

0

0A

0

0

0

0

x

0A

AA

AA

A

Ax

0 A

A

A

AA

AA x

x111

CkF

dxx1x1

CkF

x1x1Ck

dxFV ln


Với các số liệu cho trước :

FAo = 2 kmol/h = 2000 mol/h

k = 10 h-1

xA = 0,8

R = 0,082 at.l/mol.K

( )

7504

47

0602736500820

64CAo

,

,,

,

=−

=α

=+

=

Vậy : ( )

lêt

,,,

ln,,

7388V

80750801

1750106010

2000V

=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡×−

−+

×=

b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng

• Có 3 cách vận hành : liên tục (ổn định) , gián đoạn và bán liên tục.

a- Liên tục b- Gián đoạn c- Bán liên tục

• Được đặc trưng bằng quá trình khuấy trộn là hoàn toàn, do đó hỗn hợp phản ứng đồng

nhất về nhiệt độ và thành phần trong tất cả các phần của thiết bị và giống dòng ra của

sản phẩm. Điều này có ý nghĩa là phân tố thể tích ∆V trong các phương trình cân bằng

có thể được lấy là thể tích V của toàn thiết bị.


• Người ta giả thiết rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng, nồng độ của tác chất giảm một

cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn thể tích của thiết bị và

nồng độ của dòng sản phẩm ra. Ta có thể biểu diễn sự thay đổi nồng độ của tác chất

từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường gấp khúc như sau :

Nồng độ của tác chất

Đầu vào Đầu ra Thể tích thiết bị

CAo

CAfì

⇒ Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định :

• Xét trường hợp đơn giản chỉ có một dòng nhập liệu và một dòng sản phẩm và tính

chất của các dòng này không thay đổi theo thời gian, như vậy :

- Hai số hạng đầu trong phương trình cân bằng là không đổi : Lượng tác chất nhập

vào thể tích V của thiết bị phản ứng là FAo(1-xAo).∆t và lượng tác chất ra khỏi

thiết bị phản ứng là FAo (1-xAf).∆t ;

- Vì hỗn hợp phản ứng trong bình có nhiệt độ và thành phần đồng nhất, nên vận

tốc phản ứng là không đổi và được xác định với nhiệt độ và thành phần của dòng

sản phẩm và bằng (-rA ).V.∆t ;

- Vì thiết bị phản ứng hoạt động liên tục và ổn định nên không có sự tích tụ tác

chất trong thiết bị, vì vậy số hạng thứ tư bằng 0 ;

• Vậy phương trình vật chất viết cho thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định

trong khoảng thời gian ∆t là :

FAo(1-xAo).∆t − FAo (1-xAf).∆t − (-rA ).V.∆t = 0


Hay : ( ) ( )2-IV fA

AoAf

AA rxx

CV

FV

00−−

=ν

=

trong đó : xAo và xAf - Độ chuyển hóa của tác chất trước khi vào thiết bị và sau khi ra

khỏi thiết bị ;

v - lưu lượng của dòng nguyên liệu (l/h)

Nếu dòng nguyên liệu chứa cấu tử A hoàn toàn chưa chuyển hóa, nghĩa là xAo = 0 thì :

( ) ( )3-IV fA

Af

A rx

FV

0−

=

Ví dụ 1 : Xét phản ứng pha lỏng, thuận nghịch : A + B R + S

với k1 = 7 lít/mol.ph và k1 = 3 lít/mol.ph được thực hiện trong bình phản ứng dạng khuấy

trộn hoạt động ổn định có thể tích 120 lít.

Hai dòng nguyên liệu : một dòng chứa 2,8mol A/l, một dòng chứa 1,6mol B/l được

đưa vào bình phản ứng với lưu lượng thể tích bằng nhau để đạt độ chuyển hóa của B giới

hạn là 75%. Xác định lưu lượng của mỗi dòng.

2,8 mol A/l

xB = 75%

1,6 mol B/l


Giải :

Nồng độ của các cấu tử trong dòng nguyên liệu ban đầu là :

CAo = 1,4 mol/l

CBo = 0,8 mol/l

CRo = CSo = 0

Với độ chuyển hóa của B là xB = 75%, thành phần của hỗn hợp phản ứng trong bình hoặc

trong dòng sản phẩm ra là :

CA = CAo − CBo.xB = 1,4 − 0,8 × 0,75 = 0,8 mol/l

CB = CBo − CBo.xB = 0,8 − 0,8 × 0,75 = 0,2 mol/l

CR = CS = CBo.xB = 0,8 × 0,75 = 0,6 mol/l

Lưu ý : CA = CAo − CAo.xA = CAo − CBo.xB

Vậy : CAo.xA = CBo.xB

Phương trình vận tốc của phản ứng thuận nghịch này là :

(−rA) = (−rB) = k1CACB − k2CRCS

= 7 (l/mol.ph)× 0,8(mol/l)× 0,2 (mol/l) − 3(l/mol.ph)× 0,6(mol/l)× 0,6 (mol/l)

= 0,04 mol/l.ph

Theo biểu thức (IV-2 ), ta có :

( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( )phl8750lmol80

phlmol040l120xCrV

vr

xCr

xCvV

BB

fB

fB

BB

fA

AA

0

00 /,./,

./,=

×=

⋅−⋅

=⇒−

⋅=

−

⋅=

Vậy, lưu lượng mỗi dòng là 4 lít/ph.


c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé)

• Đặc điểm :

- vận hành liên tục ;

- gồm nhiều ngăn, mỗi ngăn có lắp cánh khuấy để khuấy trộn liên tục và hỗn hợp

phản ứng sẽ chuyển động từ ngăn đầu đến ngăn cuối nhờ chảy tràn. Vì vậy có

thể xem đây là hệ nhiều bình phản ứng khuấy trộn liên tục mắc nối tiếp và nồng

độ của tác chất trong mỗi ngăn là như nhau và giảm dần từ ngăn đầu đến ngăn

cuối. Hay nói một cách khác độ chuyển hóa của tác chất trong mỗi ngăn là như

nhau nhưng tăng dần từ ngăn đầu đến ngăn cuối.

• Nếu số ngăn tăng đến vô cực thì thể tích vi của mỗi ngăn sẽ giảm đến tối thiểu sao cho

tổng thể tích là không đổi. Lúc đó, sự biến thiên nồng độ của tác chất giữa hai ngăn

liên tiếp nhau là rất bé và ta có thể vẽ một đường liên tục thay cho đường gấp khúc để

biểu diễn sự biến thiên nồng độ của tác chất từ ngăn đầu đến ngăn cuối. Do đó, dạng

thiết bị phản ứng này được xem là dạng trung gian giữa thiết bị phản ứng dạng ống và

dạng khuấy trộn liên tục.

CAo CAf

CAf

CAo

Ngăn 1 Ngăn 2 Ngăn 3 Ngăn 4


4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ • Để thực hiện một phản ứng theo những điều kiện cho trước, chúng ta có thể dùng

nhiều loại thiết bị phản ứng khác nhau như : thiết bị phản ứng dạng ống, thiết bị phản

ứng khuấy trộn hoạt động liên tục hoặc gián đoạn hoặc hệ nhiều thiết bị phản ứng mắc

nối tiếp hoặc song song.

• Hai thông số thiết kế ảnh hưởng đến tính kinh tế của quá trình là thể tích của thiết bị

phản ứng và hiệu suất thu các sản phẩm. Với một thiết bị phản ứng có kết cấu và thể

tích thích hợp sẽ cho hiệu suất thu sản phẩm chính cực đại, đồng thời hạn chế lượng

sản phẩm phụ là cực tiểu.

• Trong chương này, ta sẽ so sánh các phương án thiết kế thiết bị phản ứng khác nhau

cho thiết bị đơn hoặc cho hệ nhiều thiết bị phản ứng.

4.4.6. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN

4.4.6.1 Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định và thiết bị phản ứng

dạng ống với phản ứng bậc một và bậc hai

• Dạng phương trình vận tốc tổng quát :

( ) nA

AA kC

dtdN

Vr =⋅=−

1

với n biến đổi bất kỳ từ 0 ÷ 3

• Với hai dạng thiết bị phản ứng này, độ chuyển hóa là hàm của lưu lượng nguyên liệu,

thành phần nguyên liệu, bậc phản ứng và hệ số biến đổi thể tích.

• Ta tính thời gian lưu ℑ đối với thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định :

( )( )( )n

A

nAA

nAoA

AAo

Ao

Aokh x

xxCkr

xCF

VCvV

−+

⋅=−

===ℑ − 111

1

..

.. α

• Đối với thiết bị phản ứng dạng ống :

( )( )

( )nA

An

Ax

nAo

x

A

AAo

Ao

Ao

xdxx

Ckrdx

CF

VCvV AA

−+

=−

===ℑ ∫∫ − 111

01

0

.

.ä

α


Chia hai phương trình, vế theo vế ta được :

( )( )

( )( )

( )( )

( )1-V

.

.

.

..

ää

ä⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−α+

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−α+

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=ℑℑ

∫−

−

Ax

0An

A

nA

khA

nA

A

Ao

nAo

khAo

nAo

1nAo

kh1n

Ao

dxx1x1

x1x1x

FVC

FVC

CC

Nếu khối lượng riêng không đổi, thể tích sẽ không đổi và α = 0, ta có :

( )( )

( )

( )ä

ä..

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−=

ℑℑ

∫−

−

Ax

0An

A

kh

nA

A

1nAo

kh1n

Ao

dxx11

x1x

CC

( )( )

( )

( )[ ]( )2-V

..

:1 n våïi, têch phánLáúyä

ä 1nA

kh

nA

A

1nAo

kh1n

Ao

x1n1

1x1

x

CC

−−

−

−−

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

−=

ℑℑ

≠

( )( ) ( )ää ln.

. :1 nvåïi

A

khA

A

1nAo

kh1n

Ao

x1x1

x

CC

−−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=ℑℑ

= −

−

Phương trình (V-1) và (V-2) được biểu diễn bằng đồ thị trên hình (4-1). Với cùng

nồng độ nguyên liệu ban đầu CAo và lưu lượng nguyên liệu FAo, tung độ của giản đồ sẽ

cho ta trực tiếp tỉ số thể tích của hai dạng thiết bị phản ứng trên.

Hình 4.1: So sánh hoạt động của TBPU khuấy trộn hoạt động ổn định và TBPU dạng ống cho phản ứng bậc n. Với cùng điều kiện nạp liệu, trục tung cho giá trị tỉ số Vkh/Vô


4.4.6.2 Ảnh hưởng của sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất trong phản ứng bậc hai

Với phản ứng bậc hai loại : A + B ⇒ sản phẩm , phương trình vận tốc là :

( ) ( ) BABA CCkrr ..=−=−

Hình (4-1) cho phép ta so sánh thể tích của hai loại thiết bị khi nồng độ ban đầu

của hai tác chất bằng nhau. Tuy nhiên trong thực tế, nồng độ ban đầu của hai tác chất

thường không bằng nhau. Tỉ lệ tối ưu phụ thuộc vào các yếu tố như : chi phí phân tách

sản phẩm ra khỏi tác chất chưa phản ứng, chi phí hồi lưu tác chất, ...


Với M = CBo / CAo > 1 và α = 0 , thời gian lưu của tác chất trong thiết bị phản ứng

dạng ống là :

( ) ( )

A

A

AoAo

AoM

A

A

AoAo

AoM

xx

kCFVC

xMxM

MkCFVC

−⋅=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=ℑ

−−

⋅−

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=ℑ

=

≠

11

111

1

1

.

ln.

.

Hình (4-2 ) cho ta so sánh sự hoạt động của thiết bị phản ứng dạng ống với các giá

trị khác nhau của CAo, FAo, M và xA với α = 0.

( )( ) 1MAo

1MAo

CC

=

≠

ττ

Với thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định :


( )( )

( )21

1

1

1

ÁAo

A

Ao

AoM

AAAo

A

Ao

AoM

xkCx

FVC

xMxkCx

FVC

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=ℑ

−−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=ℑ

=

≠

.

..

Hình (4-3 ) cho ta so sánh sự hoạt động của thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, hoạt

động ổn định với các giá trị khác nhau của CAo, FAo, M và xA với α = 0. Với cùng điều

kiện FAo và CAo, tung độ của hai hình (4-2) và (4-3) cho ta tỉ số của hai loại thiết bị.

Ví dụ : Phản ứng pha lỏng : A + B ⇒ sản phẩm với phương trình vận tốc là :

(-rA ) = (500 l/mol.ph ) CA.CB


được thực hiện trong thiết bị phản ứng dạng ống vận hành trong các điều kiện sau :

- thể tích thiết bị : V = 0,1 l ;

- lưu lượng thể tích của nguyên liệu : v = 0,05 l/ph ;

- nồng độ của tác chất trong nguyên liệu : CBo = CAo = 0,01 mol/l

Hãy :

a- Xác định độ chuyển hóa của tác chất ?

b- Với cùng vận tốc và độ chuyển hóa, tìm thể tích của thiết bị dạng khuấy trộn, hoạt

động ổn định ?

c- Với cùng vận tốc, tính độ chuyển hóa có thể đạt được trong thiết bị bị dạng khuấy trộn

có cùng thể tích với thiết bị dạng ống ?

Khi thay đổi dòng tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất trong nguyên liệu : CBo =

0,015 mol/l và CAo = 0,010 mol/l, hãy tính :

d- Với cùng lưu lượng nguyên liệu nạp vào, tìm độ chuyển hóa của A trong thiết bị dạng

ống ban đầu ?

e- Với cùng độ chuyển hóa ban đầu, tìm tỉ lệ tăng năng suất ứng với dòng nguyên liệu

mới ?

f- Tìm lưu lượng nguyên liệu cần thiết nạp vào cho thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn,

hoạt động ổn định có V = 100 l, độ chuyển hóa của tác chất giới hạn là 99% ?

Giải :

a- Xác định độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị phản ứng dạng ống :

Tính thời gian lưu :

( )( ) ( )ph

phll

vV 2

05010

===ℑ/,

,

Do đó : k.CAo.ℑ = 500 (l/mol.ph). 0,01 (mol/l). 2 (ph) = 10


Từ hình (4-2), giao điểm của đường k.CAo.ℑ = 10 và đường M = 1 (nằm ngang) cho ta giá

trị của 1- xA = 0,09 hay xA = xB = 0,91 = 91%

b- Thể tích của thiết bị dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định ở cùng điều kiện :

Với cùng vận tốc và độ chuyển hóa, tung độ trên hình (4-1) cho ta tỉ số thể tích của hai

dạng bình phản ứng Vkh / Vô. Với xA = 0,91, ta tra được :

( )lVV

VV

äkh

kh

11101111

11

,,

ä

=×==⇒

=

c- Độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị khuấy trộn hoạt động ổn định có cùng thể

tích :

Với cùng thể tích bình thì k.CAo.ℑ = 10.

Giao điểm của đường k.CAo.ℑ = 10 và đường M = 1 (nằm ngang) trên hình (4-3) cho ta

giá trị của 1- xA = 0,28 hay xA = 0,72 = 72%

d- Độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị dạng ống có M ≠ 1 :

M = CBo / CAo = 0,015/0,010 = 1,5.

Với cùng lưu lượng nguyên liệu nạp vào, giá trị của k.CAo.ℑ sẽ không đổi và bằng 10

(FAo = CAo.V). Trên hình (4-2), từ giao điểm của hai đường k.CAo.ℑ = 10 và M = 1,5, ta

ngoại suy giá trị của 1- xA = 0,006 hay xA = 0,994 = 99,4%

e- Tỉ lệ tăng năng suất với dòng nguyên liệu mới :

Dòng nguyên liệu mới có M = 1,5 và xA = 0,91. Tung độ trên hình (4-3) cho ta tỉ số :

( )( ) 300

1

51

1

51 ,.. ,, =

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=ℑ

ℑ

=

=

=

=

MAo

MAo

MAo

MAo

CvV

CvV

CC

Mà CAo và V là giống nhau trong cả hai trường hợp, do đó lưu lượng thể tích dòng nguyên

liệu mới sẽ bằng :


( )phlvv MM /,,,

,, 170300050

3001

151 ==×= ==

Như vậy, năng suất đã tăng thêm 240%.

f- Năng suất của thiết bị khuấy trộn hoạt động ổn định có V = 100 lít và xA = 99% :

Với xA = 99% = 0,99 ⇒ 1 - xA = 0,01 và M = 1,5 ; trên biểu đồ (4-3) ta suy ra :

( ) ( ) ( ) phlllmolphmollVkCv

vVkCkC Ao

AoAo /,/,./ 632190

100010500190

190 =××

==⇒==ℑ

4.4.7. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG

4.4.7.1 Thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp và / hoặc mắc song song a- Mắc nối tiếp

Xét j thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp và gọi x1, x2, ...,xj là độ chuyển hóa

của tác chất A khi rời khỏi thiết bị phản ứng 1, 2, ..., j.

Từ cân bằng vật chất dựa trên lưu lượng mol của A vào thiết bị phản ứng đầu tiên,

ta viết được cho thiết bị phản ứng thứ i :

( )∫−−

=iA

iA

x

x A

A

Ao

i

rdx

FV

1

Với j thiết bị mắc nối tiếp :

( ) ( ) ( )

( )∫

∫∫∫

∑

−=

−++

−+

−=

+++==

−=

=

Aj

aû

Aj

A

A

A

Ao

x

A

A

x

x A

Ax

x A

Ax

x A

A

Ao

jj

i Ao

i

Ao

rdx

rdx

rdx

rdx

FVVV

FV

FV

0

21

1

1

2

1

1

0

....

...

Như vậy, với j thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp có tổng thể tích là V sẽ cho độ

chuyển hóa đúng bằng độ chuyển hóa trong một thiết bị phản ứng dạng ống có thể tích V.


b- Mắc song song

Đối với các thiết bị phản ứng dạng ống mắc song song, sự phân phối nguyên liệu

phải đảm bảo sao cho thành phần tại mỗi nhánh là giống nhau, nghĩa là tỉ số V/F hay thời

gian lưu ℑ ở mỗi nhánh là bằng nhau.

Như vậy, với j thiết bị phản ứng dạng ống có thể tích là Vi (i = 1 ÷ j ) mắc song

song sẽ cho độ chuyển hóa đúng bằng độ chuyển hóa trong mỗi thiết bị phản ứng và lưu

lượng của tác chất nạp vào hệ thiết bị phản ứng sẽ bằng tổng lưu lượng đầu vào của các

tác chất của j thiết bị phản ứng.

4.4.7.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng nhau mắc nối tiếp (thiết bị phản

ứng nhiều ngăn)

Xét j bình phản ứng khuấy trộn bằng nhau mắc nối tiếp. Giả sử α = 0

a- Đối với phản ứng bậc một

Phương trình cân bằng vật chất cho bình phản ứng thứ i viết cho cấu tử A là :

( )( )

iAi

Ai

Ai

AiAi

Ai

Ao

Ai

Ao

AiAo

i

A

AiAiAoi

Ao

iAoi

kC

C

kCCC

kCCC

CC

Chay

rxxC

vV

FVC

ℑ+=⇒

−=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=ℑ

−−

===ℑ

−

−

−

−

1

11

1

1

1

1

.

Với thời gian lưu là giống nhau cho tất cả j bình phản ứng khuấy trộn có thể tích Vi bằng

nhau. Do đó :

( ) ji

Aj

Aj

A

A

A

Ao

AjAj

Ao kC

CCC

CC

xCC

ℑ+=⋅⋅⋅=−

= − 1.....1

1 1

2

1

1

Viết cho cả hệ với j bình phản ứng khuấy trộn :


⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=ℑ=ℑ 1.

/1

,

j

Aj

Aoikhj C

Ckjj

Đối với hệ thiết bị phản ứng dạng ống :

A

Ao

CC

klnä

1=ℑ

Từ các phương trình trên, ta có thể so sánh hiệu quả hoạt động của j bình phản ứng khuấy

trộn mắc nối tiếp với một thiết bị dạng ống hoặc một bình khuấy trộn riêng lẻ. Kết quả

được trình bày trên hình (4-7) cho phản ứng bậc một và khối lượng riêng của hệ biến đổi

không đáng kể (α = 0 )

b- Đối với phản ứng bậc hai

Với phản ứng bậc hai loại hai phân tử (M = 1), chứng minh tương tự như trên cho j bình

khuấy trộn mắc nối tiếp : ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ℑ++−+−+−

ℑ= iAo

iAj kC4121211

k21C


Với thiết bị dạng ống : ℑ+= kCCC

AoA

Ao 1

Kết quả được biểu diễn trên hình (4-8)

Ví dụ : Một bình phản ứng dạng khuấy trộn có độ chuyển hóa là 90% tác chất A thành

sản phẩm theo phản ứng bậc hai. Ta dự định thay bình này bằng hai bình có tổng thể tích

bằng thể tích bình trước.

a- Với cùng độ chuyển hóa 90%, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ?

b- Nếu giữ nguyên năng suất như trường hợp một bình, độ chuyển hóa sẽ tăng bao

nhiêu ?


c- Giả sử ta mắc nối tiếp bình thứ nhất với một bình thứ hai có cùng thể tích. Với cùng

độ chuyển hóa, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ?

d- Với cùng năng suất, độ chuyển hóa tăng bao nhiêu ?

Giải :

a- Với cùng độ chuyển hóa 90%, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ?

Thay bình phản ứng dạng khuấy trộn bằng hai bình có tổng thể tích bằng thể tích

của bình đầu và cùng đạt độ chuyển hóa bằng xA = 90% ⇒ 1 - xA = 0,10. Sử dụng hình

(4-8) cho phản ứng bậc hai, ta tra được :

310 1j1j =ℑℑ

=ℑℑ

= ==

ää

vaì :1 j Våïi

33,33

10

FV.C

FV.C

2jAo

Ao

1jAo

Ao

1j ==

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

=ℑℑ

=

=

=

=

2j

:âoï Do

( )( ) 33,3FF

1jAo

2jAo =⇒=

= V vaìC cuìng Våïi Ao

Như vậy, với cùng độ chuyển hóa là 90%, nếu thay một bình bằng hai bình có tổng

thể tích bằng thể tích của bình đầu thì năng suất sẽ tăng thêm 2,33 lần hay 233%.

b- Nếu giữ nguyên năng suất như trường hợp một bình, độ chuyển hóa sẽ tăng bao

nhiêu ?

Với năng suất không đổi cho cùng thể tích bình nên k, ℑ không đổi ⇒ đường

k.CAo.ℑ chính là đường k.CAo.ℑ = 90 trong trường hợp một bình (j = 1) đạt độ chuyển hóa

là 90%. Đường k.CAo.ℑ sẽ cắt đường j = 2 tại điểm 1 - xA = 0,046 ⇒ xA = 95,4%.

⇒ Nếu thay 1 bình bằng 2 bình có tổng thể tích bằng thể tích của bình đầu mà vẫn

giữ nguyên năng suất như trường hợp 1 bình thì độ chuyển hóa sẽ tăng thêm 5,4%.

c- Giả sử ta mắc nối tiếp bình thứ nhất với một bình thứ hai có cùng thể tích. Với cùng

độ chuyển hóa, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ?


Như trong câu a, ta đã xác định được :

( )( ) 66633322

333

1

212

2

1

,, : Våïi

,

=×=⇒=

=ℑ

ℑ

=

===

=

=

jAo

jAojj

j

j

FF

VV

Vậy, năng suất đã tăng thêm 5,66 lần hay 566%.

d- Với cùng năng suất, độ chuyển hóa tăng bao nhiêu ?

Với một bình đạt độ chuyển hóa 90%, từ hình (4-8 ) ta đã tra được : k.CAo.ℑ = 90.

Với hai bình phản ứng thì thời gian lưu sẽ tăng gấp đôi ⇒ k.CAo.ℑ = 180. Đường này sẽ

cắt đường j = 2 tại điểm 1 - xA = 0,026 ⇒ xA = 97,4%.

Như vậy, độ chuyển hóa đã tăng thêm 7,4%.

Documents

Nguyên lý hóa công nghiệp - Lê Thị Như Ý