11

CHƯƠNG 3

CHƯNG CẤT

22

I. Khái quátI. Khái quát

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

33

các phương pháp chưng các phương pháp chưng

–Chưng đơn giản

–Chưng bằng hơi nước trực tiếp

–Chưng chân không

–Chưng cất

44

1. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ 1. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ

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

– Chất lỏng hoàn toàn hoà tan vào nhau theo bất cứ tỉ lệ nào.

– Chất lỏng hoà tan một phần vào nhau.

– Chất lỏng không hoà tan vào nhau.

55

Xét hỗn hợp gồm hai cấu tử A và B. theo định luật Rauolt ta có áp suất riêng phần của các cấu tử là:

PA = PbhA.xA

PB = PbhB.xB = PbhB.(1 – xA)

Áp suất tổng

P = PA + PB = PbhA.xA + PbhB.(1 – xA)

66

t4

t 3

t2

t1

Hình 3.3 Bieãu dieãn quaù trình chöng caát

O M

N

D S

x5 x3 x1 x4 x2

77

2. CHƯNG ĐƠN GIẢN. 2. CHƯNG ĐƠN GIẢN.

1 Nguyên tắc và sơ đồ chưng đơn giản, đồ thị txy.

t Ptb

Cn

C

XW XP XD

88

Chưng đơn giản được ứng dụng cho những trường hợp sau:

•Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác nhau xa:

•Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.

•Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi.

•Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử.

99

Tính toán quá trình chưng đơn giản.Tính toán quá trình chưng đơn giản.

Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình là:

DxWxFx

DWF

DWF

1010

3. CHƯNG CẤT 3. CHƯNG CẤT

3.1. Nguyên tắc làm việc của tháp.

Hơi đi dưới lên qua các lỗ của đĩa, chất lỏng chảy từ trên xuống dưới theo các ống chảy chuyền.

Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ.

1111

Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi.

Do đó một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng.

Quá trình chưng cất được thực hiện trong thiết bị lọai tháp làm vịêc liên tục hay gián đọan.

1212

3.2. Chưng cất liên tục 3.2. Chưng cất liên tục

3.2.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất liên tục.

1313

Phương trình cân bằng cho toàn tháp.Phương trình cân bằng cho toàn tháp.

F = W + D

F.xF = W.xW + D.xD

Trong đó:

F, W, D - suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh, kmol/h

xF, xW, xD - phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh.

1414

Phương trình đường nồng độ làm việc của Phương trình đường nồng độ làm việc của đọan cấtđọan cất. .

Giả thuyết:– Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng

nhau trong tất cả tiết diện của tháp.– Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi.– Chất lỏng nhưng trong thiết bị ngưng có

thành phần bằng thành phần hơi ra khỏi đỉnh tháp.

– Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.– Số mol chất lỏng không đổi theo chiều cao

của đọan cất và chưng.

1515

Phương trình:Phương trình:

Với

là chỉ số hồi lưu của tháp

Gx- lượng lỏng được hồi lưu, kmol/h

11

R

xx

R

Ry D

D

GR x

1616

Phương trình đường nồng độ làm việc của Phương trình đường nồng độ làm việc của đọan chưng.đọan chưng.

Với

lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh.

WxR

Lx

R

RLy

1

1

1

D

FL

1717

Xác định chỉ số hồi lưu RXác định chỉ số hồi lưu Rxx

Chỉ số hồi lưu tối thiểu

Chỉ số hồi lưu: R = b.Rmin

FF

FDx xy

yxR

*

*

min

1818

Xác định số mâm lý thuyếtXác định số mâm lý thuyết

Các bước xác định:

1.Xác định chỉ số hồi lưu

2.Xác định các đường làm việc.

3.Xác định đường cân bằng.

4.Vẽ đồ thị đường làm việc và đường cân bằng.

5.Vẽ số bậc thang thay đổi nồng độ.

6.Số bậc thang là số mâm lý thuyết.

1919

3. Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chưng cất 3. Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chưng cất

2020

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệuliệu

2121

Phương trình cân bằng:Phương trình cân bằng:

Qnl = F.CpF.(tFv – tFr) + Qm

2222

Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụCân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

2323

Phương trìnhPhương trình

Qng = D.(R+1).rD = G.C.(tr – tv) + Qm

2424

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnhCân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Sản phẩm đỉnh

2525

Làm lạnh sản phẩm đỉnhLàm lạnh sản phẩm đỉnh

QiiD = D.CpD.(tsD – tD) = G1.C.(tr – tv) + Qm

2626

Làm lạnh sản phẩm đáyLàm lạnh sản phẩm đáy

Sản phẩm đáy

Sản Phẩm

đáy

2727

Phương trìnhPhương trình

QiiW = W.CpW.(tsW – tW) = G2.C.(tr – tv) + Qm

2828

Cân bằng nhiệt lượng toàn thápCân bằng nhiệt lượng toàn tháp

2929

Phương trìnhPhương trình

QF + QK + QL0 = QD + QW + Qm + Qng

Hay:

QK = QD + QW + Qm + Qng - QF - QL0

3030

Ví dụVí dụ

Tháp chưng cất liên tục dưới áp suất thường dùng để sản xuất 700kg/h axit acetic với nồng độ 80% mol. Nhập liệu vào với nồng độ 35% mol axit acetic ở nhiệt độ sôi. Sản phẩm đỉnh là nước chứa 5% mol axit acetic. Tháp được gia nhiệt bằng hơi bão hòa khô.

1.Vẽ sơ đồ hệ thống chưng cất, đường cân bằng lỏng (x) – hơi(y) % mol

3131

2.Tính lượng sản phẩm đỉnh và nhập liệu (kmol/h) .

3. Cho tỉ số hoàn lưu bằng 1,5 Rmin. Xác định số mâm thực của tháp cho biết số mâm thực tương ứng với một bậc thay đổi nồng độ là 2.

4.Tính chiều cao của tháp biết khoảng cách giữa các đĩa là 0,4m, bộ phận gia nhiệt dưới đáy tháp là 1m, khoảng cách từ đĩa trên cùng lên đỉnh tháp là 0,6m (Bề dầy của đĩa là không đáng kể)

3232

Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi(y) % mol Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi(y) % mol nước – aceticnước – acetic

x 0 5 10 20 30 40 50

y 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53.0 62.6

x 60 70 80 90 100

y 71.6 79.5 86.4 93.0 100

3333

Tóm tắc đềTóm tắc đề

W=500kg/h

xw= 30%mol nước

xF= 71%mol nước

xD= 93%mol nước

R= 1.5 Rmin

3434

1. Vẽ sơ đồ hệ thống chưng cất1. Vẽ sơ đồ hệ thống chưng cất

3535

Vẽ đường cân bằng lỏng hơiVẽ đường cân bằng lỏng hơi

x5 10 20 30 40 50 60 8070 90

y

10

20

30

40

50

60

70

80

90

3636

2. Tính lượng sản phẩm đỉnh và nhập liệu2. Tính lượng sản phẩm đỉnh và nhập liệu

-Tính lưu lượng mol sản phẩm đáy:

Khối lượng trung bình hổn hợp nhập liệu:

Lưu lượng mol sản phẩm đáy: W

18 0.3 60 0.7 5.4 42

45.4Ftb

Ftb

M x x

M

50011 /

45.4W kmol h

3737

Phương trình cân bằng vật liệuPhương trình cân bằng vật liệu

F = W + D

F.xF = W.xW + D.xD

Thay giá trị vào ta được:

F = 11 + D

Fx0.71 = 11x0.3 + Dx0.93

Giải hệ phương trình ta được:

F = 31.5 kmol/h

D = 20.5 kmol/h

3838

Xác định chỉ số hoàn lưu tối thiểuXác định chỉ số hoàn lưu tối thiểu

xxFF= 0.71 => y*= 0.71 => y*FF = 0.80 mol/mol = 0.80 mol/mol

FF

FDx xy

yxR

*

*

min

min

0.93 0.80 0.131.44

0.8 0.71 0.22xR

3939

Chỉ số hoàn lưu thực tếChỉ số hoàn lưu thực tế

Chỉ số hoàn lưu thực tế =1.5 Rmin

Suy ra:

R = 1.5*1.44 = 2.16

4040

Xác định số mâm thực của thápXác định số mâm thực của tháp

Xác định số bậc thay đổi nồng độ:

- Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

11

R

xx

R

Ry D

2.16 0.93

2.16 1 2.16 10.68 0.3

y x

y x

4141

- Phương trình đường làm việc của đoạn chưng:

Với: L= 31.5/20.5=1.54

Suy ra:

Pt đường làm việc đoạn chưng:

y = 1.17x - 0.05

WxR

Lx

R

RLy

1

1

1

1.54 2.16 1.54 1*0.30

2.16 1 2.16 1y x

4242

_Đoạn cất

y = 0. 68x + 0.3

_Đoạn chưng

y = 1.17x - 0.05

4343

Vẽ đồ thị các đường làm việcVẽ đồ thị các đường làm việc

x%5 10 20 30 40 50 60 8070 90

y%

10

20

30

40

50

60

70

80

90