TỔNG QUAN ĐỒ ÁN CHƯNG CẤT 1. Khái quát về chưng cất: Chưng cất 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 của các cấu tử trong hỗn hợp(nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau).Trong trường hợp đơn giản thì chưng và cô đặc hầu như không khác nhau.Tuy nhiên giữa chúng có ranh giởi căn bản.Trong trường hợp chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi,trường hợp cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi. Đối với trường hợp hai cấu tử ta có sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu tử nhẹ) và một phần ít cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu tử nặng) và sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn. Chưng cất hệ nhiều cấu tử thường gặp trong công nghệ hóa dầu và trong công nghiệp tinh chế các loại tinh dầu thiên nhiên.Việc tính toán thiết kế các thiết bị chưng cất hệ nhiều cấu tử khá phức tạp so với hệ hai cấu tử, do đó người ta phải đưa ra một số khái niệm dơn giản hóa như việc phân loại hỗn hợp, xác định các đại lượng vật lý cũng như cách biễu diễn cân bằng pha. Hỗn hợp có từ ba cấu tử trở lên được gọi là hỗn hợp nhiều cấu tử.Số lượng cấu tử trong hỗn hợp càng nhiều thì tính chất phức tạp càng tăng khi chưng cất.Do đó, người ta đã phân biệt ra hai loại: a. Hỗn hợp nhiều cấu tử đơn giản:đó là những hỗn hợp mà các cấu tử có thể xác định được số lượng, nồng độ và chủng loại. b. Hỗn hợp nhiều cấu tử phức tạp:tính chất phức tạp của loại hỗn hợp này là do số cấu tử nhiều và đa dạng mà không thể xác định được số lượng và nồng độ của chúng. Các phương pháp chưng cất được phân loại theo: • Áp suất làm việc:chưng cất áp suất thấp, áp suất thường, áp suất cao. • Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn (chưng đơn giản) và bán liên tục. 2. Tính toán chưng cất 2.1. Đối với hệ hai cấu tử 2.1.1.Phương pháp Mc Cabe – Theile Phương pháp Mc Cabe – Theile thích hợp cho nhiều trường hợp có tổn thất nhiệt và nhiệt dung riêng không lớn.Cơ sở của phương pháp này là xem gần đúng đường làm việc phần chưng và phần cất là đường thẳng, tức là chứng thùa nhận một số giả thuyết sau: -Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diện của tháp. - Hốn hợp đầu vào tháp ở nhiệt dộ sôi. - Chất lỏng ngưng trong thiết bị ngưng có thành phần bằng thành phần hơi ra khỏi đỉnh tháp. -Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đối gián tiếp. -Số mol chất lỏng không đổi theo chiều cao của đoạn cất và chưng. Phương trình đường làm việc: Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất. Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng. : tỉ số lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh. : chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng dòng hoàn lưu (L 0 ) và lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (D). Chỉ số hồi lưu: Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu (R min ) và quan hệ theo phương trình sau: R= b.R min . Chỉ số hồi lưu tối thiểu dược xác định theo các bước sau: 1 Vẽ đồ thị đường cân bằng pha trên đồ thị x,y. 2 Xác định điểm D (x D , y D = x D ) đỉnh tháp chưng cất trên đồ thị. 3 Xác định điểm nhập liệu (x F , y * F ) trong đó y * F là nồng độ pha hơi cân bằng ứng với nồng độ nhập liệu. 4 Dựng đường thẳng qua 2 điểm trên, giá trị giao điểm của đường thẳng với trục trung chính bằng , từ đấy suy ra giá trị R min. Xác định số mâm lý thuyết Xác định số mâm lý thuyết bằng đồ thị được tiến hành như sau: 1 Vẽ đường cân bằng x-y trên đồ thị nồng độ phần mol. 2 Xác định phương trình đường làm việc và biểu diễn phương trình đương làm việc trên đồ thị.Các phương trình đường làm việc là đương thẳng nên chỉ cần thiết lập 2 điểm đẻ vẽ các phương trình này. 3 Vẽ các bậc thang thay bắt đàu từ điểm A (x D , y D = x D ) và kết thúc ở điểm C (x w , x w ).Số bậc thang trên đồ thị ứng số mâm lý thuyết cần tìm. 2.1.2.Phương pháp Ponchon- Savarit. Phương pháp này giả sử rằng nhiệt tổn thất không đáng kể. Phần cất : Cân bằng vật chất bộ phận phân phối lỏng: V N = L N + 1 +D Phương trình cân bằng vật chất cho các mâm ở đoan cất: L n+1 + V n-1 = L n + V n L n+1 .x n+1 + V n-1 .y n-1 = L n x n + V n .y n . Phương trinh cân bằng năng lượng cho từng mâm trên đoạn cất: L n+1 .H L,n+1 + V n-1. H V,n-1 = L n H L,n + V n. H L,n Mâm nhập liệu: Phương trình cân bằng vật chất tại mâm nhập liệu L F+1 + V F-1 + F L + F V =L F + V F\ L F+1 .x F+1 +V F-1 .y F-1 + F L .x F + F V .y F = L F .x F + V F .y F Phương trình cân bằng năng lượng tại mâm nhập liệu: L F+1 .H L,F+1 + V F-1. H V,F-1 + F L .+ F V = L F .H L,F + V F . H L,F Phần chưng Phương trình cân bằng vật chất cho các mâm ở đoạn chưng L m+1 + V m-1 = L m +V m L m+1 .x m+1 + V m-1 .y m-1 = L m .x m+ V m .y m Phương trình cân bằng tạ vị trí nồi đun: W + L 2 = V 1 Phương trình cân bằng năng lượng trên từng mâm cho đoạn chưng: L.m F+1 .H L,m+1 + V m-1. H V,m-1 = L m .H L,m + V m .H L,m 2.2. Đối với hỗn hợp đa cấu tử 2.2.1.Phương pháp đơn giản hóa Gilliland Gilliland giúp ta xác đinh được nhiệt độ, lưu lượng và nồng độ các cấu tử của dòng nhập liệu, đỉnh, đáy; dự đoán được tỉ số hồi lưu và số mâm lý thuyết làm cơ sở để phục vụ cho phần tính toán từng mâm tiếp theo. Hệ thức đơn giản hóa Hai đại lượng quan trọng nhất trong chưng cất là tỷ số hồi lưu R và sỗ bặc biến dổi nồng độ N.Gilliland đã đưa ra một hệ thức đơn giản hóa nhằm biểu diễn mối quan hệ giữa tỉ số hồi lưu R và sỗ bậc N dưới dạng các hảm số (N) và (R): (R) Quan hệ giữa hai hệ thức này được biễu diễn bằng thực nghiệm. Công thức Fense xác định N min Số bậc nồng độ tối thiểu (N min ) ứng với trường hợp hồi lưu hoàn toàn.Đối với hệ 2 cấu tử N min có thể xác định bằng đồ thị nhưng với hệ nhiều cấu tử đơn giản thì người ta thường dùng đến công thức Fenske. • Đối với hệ 2 cấu tử Khi hồi lưu hoàn toàn hai đường làm việc sẽ trùng nhau với đương phân giác gốc phần thứ tư thứ nhất.( đường y=x). Xét một tháp n+1 bậc biến đổi nồn độ trong đó bao gồm nồi đun (bậc n+1). Tại đỉnh tháp : mâm thứ n y 1= y D y 2 =x 1 Tại nồi đun ( đáy tháp): mâm thứ n+1 x n+1 =x w y n+1 =x n phương trình cân bằng pha cho N min =n+1 bậc tổng quát Công thức Fenske hệ 2 cấu tử • Đối với hệ nhiều cấu tử Công thức Fenske cho hệ nhiều cấu tử Ta thử xét trường hợp chưng cất hỗn hợp nhiều cấu tử với hồi lưu toàn phần tương ứng với số bậc biến đổi nồng độ tói thiểu N min = n+1. lg(= N min lg + lg( phương trình này biểu diễn sự phân bố tỉ số nồng độ các cấu tử ở đỉnh và đáy tháp theo đường thẳng theo phương trình logarit. Tỷ số hồi lưu tối thiểu R min min Vế bên phải của công thức trên mô tả mối quan hệ với các cấu tử khóa ở nhóm hạng thứ nhất còn nhóm hạng thứ hai với cấu tử nhẹ và nhóm hạng thứ 3 là quan hệ với cấu tử nặng. Nếu có cấu tử trung gian thì cấu tử trung gian nhẹ sẽ được tính toán theo cấu tử nhẹ và cấu tử trung gian nặng sẽ được tính theo cấu tử nặng. Công thức trên được sử dụng tính toán R min cho cả hai trường hợp nhập liệu biên, tuy nhiên có đại lượng l được xác định riêng biệt cho từng trường hợp,cụ thể được trình bày trong bảng sau: Cấu tử Nhập liệu dạng lỏng sôi Nhập liệu dang hơi % bay hơi Tính l % bay hơi Tính l i nhẹ 100 – j nhẹ l i nhẹ =Z j nhẹ / Z j nặng i v l iv =Z iv /Z j nặng i L l iL = Z j nhẹ /Z Il j nặng - - j l i nặng =Z j nhẹ /Z i nặng l i nặng =Z jnhẹ /Z i nặng Giải thích các kí hiệu: Z i – nồng độ cấu tử I trong hỗn hợp ban đầu. – độ bay hơi tương đối trung bình của cấu tử i so với cấu tử khóa nặng (j nặng) i v, i L – cấu tử trung gian nhẹ và trung gian nặng. 2.2.2.Phương pháp tính từng mâm Phương pháp toán từng mâm giúp ta xác định chính xác nồng độ các cấu tử và nhiệt độ trên từng mâm, số mâm lý thuyết chính xác, từ đây làm cơ sở để trích phân đoạn sản phẩm theo mong muốn. • Cơ sở tính toán Không có sự tổn thất năng lượng trên mâm nên không tính toán đến các phương trình cân bằng năng lượng. Số mâm tính là số mâm lý thuyết,tức là tại mỗi mâm quá trinh truyền khối đều đạt đến quá trình cân bằng pha. Ta chia tháp chưng cất thành hai phần riêng biệt: Đọan cất ta tính từ đỉnh tháp xuống, khi đó ta có x iD =y i1 (y i1 nồng đồ mâm thứ 1 của đoạn cất). Đoạn chưng ta tính từ đáy tháp lên,khi đó ta có x iW =x ’ i0 (x ’ i0 nồng độ mâm thứ 0 của đoạn chưng tức nồi đun). Lưu lượng pha hơi và pha lỏng ở mỗi đoạn tháp là không đổi: Đoạn cất (luyện):V=const; L=const Đoạn chưng: V ’ = const; L ’ = const. Trên mỗi mâm ta tính cân bằng pha trước rồi tính cân bằng vật chất để xác định nồng độ cấu tử mâm tiếp theo. Hai đoạn chưng và cất đều kéo dài đến mâm nhập liệu nên việc tính toán kết thúc ở mâm nhập liệu. [...]... đầu cho đoạn chưng và đoạn cất 3 Tổng quan về chưng cất cồn thô: Muốn tách cồn thô khỏi giấm chính và sau đó tinh chế nó để nhận được cồn có chất lượng cao, người ta có thể thực hiện theo các phương pháp gián đoạn, bán liên tục hoặc liên tục theo các sơ đò thiết bị khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp, tùy theo điều kiện vốn đầu tư và yêu cầu chất lượng đề ra của cơ sở sản xuất Chưng gián đoạncó ưu... cũng đang bỏ dần kiểu chưng lạc hậu và kém hiệu quả kinh tế này Hệ thống chưng cất cồn có thể thực hiện theo nhiều sơ đồ khác nhau: 2 tháp, 3 tháp, 4 tháp Hệ thống chưng luyện hai tháp tuy có tiên tiến hơn so với chưng luyện gián đoạn và bán liên tục nhưng chất lượng cốn vẫn chưa cao và muốn thu nhận cồn tốt phải lấy tăng lượng cồn đầu Hệ thống chưng luyện ba tháp gồm sơ đò gián tiếp một dòng có ưu... tính toán của đoạn chưng và cất phải đồng nhất cho nên phải xét điều kiện hội tụ qua từng mâm Các phương trình tính toán trên mâm Cân băng pha Cân bằng vất chất V= L+D Đoạn cất (luyện) Vy(n+1)=Lxi(n) +DxiD yi(n+1)= xi(n) + xiD L’= V’ + W Đoạn chưng y’i(m)= L’x’i(m+1)= V’y’i(m) +Wx’iw x’i(m+1)= y’i(m)) + x’iw y,x :nồng độ pha hơi và pha lỏng ở đoạn cất y’,x’: nồng độ pha hơi và pha lỏng ở đoạn chưng. .. Lưu ý: Tính toán từng mâm cho đoạn chưng phức tạp hơn rất nhiều so với việc tính toán từng mâm cho đoạn cất vì ở đoạn chưng phần lớn nồng độ các cấu từ nhẹ rất ít (gần như bằng không) nên ở đây khi tính toán đến mâm nào mà nồng độ cấu từ khoảng x’.10-5 hoặc x’.10-6 trở xuống ta xem như trên mâm đó nồng độ cấu tử đó bằng 0 để đơn giản hóa quá trình tính toán Ngoài ra, trong quá trình tính toán còn gặp... định, nhưng tốn hơi Còn sơ đồ vừa gián tiếp vừa trực tiếp, hai dòng có ưu điểm là tiết được thời gian nhưng đòi hỏi sự tự động hóa tốt và chính xác Trường hợp muốn nâng cao chất lượng cồn hơn nữa ta tiến hành chưng luyện theo sơ đồ bốn tháp( có thêm tháp làm sạch) bao gồm: sơ đồ chưng luyện 3 tháp + một tháp fusel + bốn Đối với hỗn hợp hai cấu tử ta sử dụng các phương pháp tính toán như sau: TÍNH CÂN BẰNG... không ổn định và giảm dần theo thời gian Sơ đồ tinh chế gián đoạn tuy cho phép nhận được cồn có chất lượng nhưng hiệu suất thu hồi thấp, tốn hơi và công sức lao động do phải cất lại, do đo hiện nay ít dùng Chưng liên tục cho phép khắc phục các nhược điểm kể trên và đảm bảo hiệu quả kinh tế cao hơn Hiện nay ở các nước tiên tiến không còn tồn tại sơ đồ chưng gián đoạn.Ở nước ta nhiều xí nghiệp vừa và nhỏ... Dựa vào đồ thị trên kết hợp với biểu thức xác định chỉ số hồi lưu thích hợp trong thực tế: Rx = 1.3*Rxmin +0.3 = 1.3*27.65026+0.3 = 36.24533 Kết luận: Vậy sau khi sử dụng phương pháp đơn giản hóa Gilliland để tính toán ta dự đoán được số mâm lý thuyết của tháp chưng phân đoạn là 24 mâm lý thuyết tương ứng với chỉ số hồi lưu thích hợp R là 36 6 Tính từng mâm 6.1 Tính toán từng mâm cho đoan cất Để thuận... t=99oC -6 -6 0 0 (chấp 7.362.1 0.0001 nhận) 0-5 3366 0.02219 0.0451 9266 0208 xMethanol/x 0.97756 0.9544 Nước=0.0 22709 6973 0564 3.12681 2>A 0.50453 tiếp theo Tổng 1 1 1 0873 Bảng kết quả tính toán đoạn cất 2 Izo butylic Axetand ehit Axit axetic Etyl axetat Ethanol Nước Tổng 6.838.108 0.001415 523 6.521.109 0.001975 788 0.758308 736 0.238299 878 1 giả thiết t=85.3oC 0.47864 1.429.1 2772 0-7 11.3237 0.00012 3565 5005 . TỔNG QUAN ĐỒ ÁN CHƯNG CẤT 1. Khái quát về chưng cất: Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất. đoạn chưng và cất đều kéo dài đến mâm nhập liệu nên việc tính toán kết thúc ở mâm nhập liệu. Nồng độ cuối cùng tính toán của đoạn chưng và cất phải đồng