Nguyên lý hóa công nghiệp 10 x M , y M : thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P M → Thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P M là: 1-x M , 1-y M ⇒ 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 T 0 B T 0 A A B Lỏng - Hơi Hơi Lỏng T M x M y M Trong đó: A : cấu tử dễ bay hơi → T 0 A < T 0 B x M , y M : thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở P và T M → thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P M là: 1-x M , 1-y M Nguyên lý hóa công nghiệp 11 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 Nguyên lý hóa công nghiệp 12 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 d ưới 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. Nguyên lý hóa công nghiệp 13 ⇒ 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 N N ==η tãú thæûcâéa Säú thuyãú t lyï âé a 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 t ụ chỉ để hồi lưu về đỉnh tháp, còn sản phẩm lấy ra ở thể hơi được gọi là Overhead. Nguyên lý hóa công nghiệp 14 - 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 phầ n 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 Nguyên lý hóa công nghiệp 15 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: Nguyên lý hóa công nghiệp 16 210 300 ? ? ? ? 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 a F , a P , a W : 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.a F = P.a P + W.a W Ta tính được P : WP WF aa aa FP − − ×= ⇒ W = F – P Nguyên lý hóa công nghiệp 17 Chuyển từ nồng độ % khối lượng sang nồng độ phần mol : B F A F A F MM M a1a a x F − + = B P A P A P MM M a1a a x P − + = B W A W A W MM M a1a a x W − + = Với M A , M B : khối lượng mol của cấu tử nhẹ và cấu tử nặng Tính khối lượng mol trung bình của: − hỗn hợp nguyên liệu: M F = x F .M A +(1-x F ).M B − sản phẩm đỉnh: M P = x P .M A +(1-x P ).M B − sản phẩm đáy: M W = x W .M A +(1-x W ).M B 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 a F x F F F M F Sản phẩm đỉnh a P x P P P M P Sản phẩm đáy a W x W W W M W 2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu r f và số đĩa lý thuyết tối thiểu N min Chỉ số hồi lưu r f là tỉ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh. Để xác định chỉ số hồi lưu r f và số đĩa lý thuyết tối thiểu N min , ta thực hiện theo những bước sau: Nguyên lý hóa công nghiệp 18 1- Xác định r f min : F * F * FP minf xy yx r − − = Với y * F - nồng độ phần mol cân bằng ứng với x F 2- Xác định các giá trị r f = b. r fmin với b = 1,2 ÷ 2,5 3- Xác định các giá trị 1r x B f 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 (x P , y P ) với điểm (0, B) - Đoạn chưng: bằng cách nối điểm (x W , y W ) với giao điểm của đường làm việc của đoạn luyện với đường x = x F (nếu hỗn hợp nguyên liệu vào ở điểm sôi) 5- Xác định số bậc thay đổi nồng độ N LT bằng cách vẽ các đường thẳng song song với trục hoành và trục tung bắt đầu từ điểm x P cho đến khi quá điểm x W . N LT thông thường không phải là số nguyên. 6- Giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu r f và số đĩa lý thuyết tối thiểu N min tương ứng với giá trị cực tiểu của N LT (r f + 1) b … … … … r f B N LT N LT (r f + 1) . Trục y : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha hơi. 90 90 Nguyên lý hóa công nghiệp 12 2. 5. THÁP CHƯNG LUYỆN 2. 5.1. Nguyên tắc hoạt động Tháp chưng luyện gồm có 2 đoạn : −. suất P M l : 1-x M , 1-y M Nguyên lý hóa công nghiệp 11 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. with baffles có cấu tạo như sau: Nguyên lý hóa công nghiệp 16 21 0 300 ? ? ? ? 50 2. 5.4. Cân bằng vật chất Nếu gọi : F - Lượng hỗn hợp nguyên liệu đi vào tháp, kg/h