Đang tải... (xem toàn văn)
Bài tập chưng cất đa cấu tử
Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Bài tập 1: Tính toán cân bằng pha cho hệ bốn cấu tử có thành phần: C2=0,15 mol, C3 = 0,3 mol, C4 = 0,35 mol, C5 = 0,2 mol; ở 10 atm. Đồng thời xác định nhiệt độ tạo bởi hai pha lỏng-hơi cân bằng với pha hơi V = 40% mol ở cùng áp suất trên. Bài giải : Phương trình dùng để tính toán cân bằng pha có dạng: Ki là hệ số cân bằng, có thể tra toán đồ đối với các hydrocarbon. Cơ sở tính toán theo phép tính lặp, có giả thiết và kiểm tra giả thiết, theo hệ thức : Tra hằng số cân bằng pha của các cấu tử theo giản đồ sau : SVTH Page 1 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân 1. Trường hợp 1: Hệ vào ở trạng thái lỏng (điểm sôi): như vậy hệ tồn tại ở trạng thái 100% lỏng, và thành phần x của mỗi cấu tử trong pha lỏng chính bằng thành phần z của nó trong hệ. Ta tính toán theo thuật toán sau : SVTH Page 2 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Tra toán đồ hằng số cân bằng của các cấu tử: (có thể dùng định luật Raoult và tra P bh từ ngân hàng dữ liệu), các kết quả tính được cho ở bảng sau : Giả thiết t =320C Giả thiết t = 350C Giả thiết t = 330C P =10 xi = zi atm Ki yi= Ki.xi Ki yi=Ki.xi Ki yi=Ki.xi C2 0,15 3,2 0,48 3,45 0,52 3,3 0,51 C3 0,3 1,05 0,315 1,2 0,36 1,1 0,33 C4 0,35 0,36 0,126 0,395 0,138 0,39 0,136 C5 0,2 0,115 0,0028 0,125 0,025 0,12 0,024 Total 1,00 0,944 1,0315 1,000 o Vậy, nhiệt độ thích hợp để hệ tồn tại ở trạng thái lỏng bão hòa là 33 C. Kết quả nhiệt độ theo ProII là 32,15oC 2, Trường hợp 2: Hệ ở trạng thái điểm sương, tức là 100% ở trạng thái hơi, và thành phần yi của mỗi cấu tử trong pha hơi chính là thành phần của nó trong hệ. Cũng làm với thuật toán như sau : SVTH Page 3 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Tra toán đồ hằng số cân bằng của các cấu tử: (có thể dùng định luật Raoult và tra P bh từ ngân hàng dữ liệu), các kết quả tính được cho ở bảng sau : P = 10 atm C2 C3 C4 C5 yi = Zi 0,15 0,3 0,35 0,2 Giả thiết T = 750C Ki xi= yi/Ki. 5,8 0,2586 2,15 0,1395 0,9 0,3889 0,37 0,5405 1,095 Giả thiết T = 780C Ki xi= yi/Ki 6 0,0250 2,2 0,1362 0,95 0,3684 0,39 0,5128 1,043 Giả thiết T = 800C Ki xi = yi/Ki 6,1 0,0246 2,3 0,1304 0,98 0,3517 0,405 0,4903 1,005 Vậy, nhiệt độ thích hợp để hệ tồn tại ở trạng thái hơi bão hòa là 80oC. Kết quả nhiệt độ theo ProII là 76oC 3, Trường hợp 3: Hệ ở TTCB L -V vởi phần thể tích lỏng bằng 0,4 Cần xác định nhiệt độ cần thiết để làm bốc hơi lượng pha hơi V = 40%, Gọi xi, yi là nồng độ của cấu tử i ở pha lỏng và pha hơi khi cân bằng Zi là nồng độ tổng của cấu tử i trong hệ. SVTH Page 4 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Ta có :=> Thực hiện phương pháp giả sử nhiệt độ rồi kiểm tra lại tổng thành phần xi bằng 1 theo thuật toán ở dưới. Kết quả nhiệt độ giả sử đúng là 55oC và kết quả thành phần pha lỏng và pha hơi cho ở bảng sau : Cấu tử Ki xi yi Vi Li C2 6,65 0,046 0,306 0,122 0,028 C3 1,83 0,225 0,412 0,165 0,135 C4 0,55 0,427 0,235 0,094 0,256 C5 0,183 0,297 0,054 0,022 0,178 0,995 1,007 0,403 0,597 Tổng Thuật toán của quá trình kiểm tra được cho ở trang sau : SVTH Page 5 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Bài tập 2 : Hỗn hợp có lưu lượng 1000 kg/h gồm 42% mole heptane và 58% mole ethyl benzene được tách bằng chưng cất. Yêu cầu sản phẩm đỉnh có độ tinh khiết đạt 97% mole heptane và sản phẩm đáy đạt 99% mole ethyl benzene. Sử dụng ngưng tụ hoàn toàn. Nguyên liệu được đưa vào ở trạng thái bão hòa. xheptane 0,0 0,08 0,18 0,25 0,49 0,65 0,79 0,91 1,0 yheptane 0,0 0,28 0,43 0,51 0,73 0,83 0,9 0,96 1,0 H1(kJ/kmol)x103 24,3 24,1 23,2 22,8 22,05 21,75 21,7 21,6 21,4 Hv(kJ/kmol)x103 61,2 59,6 58,5 58,1 56,5 54,4 53,8 53,3 55,2 Giá trị cân bằng nồng độ - ethalpie của hỗn hợp tại 1atm cho như sau : Tính : 1. Tỷ số hồi lưu tối thiểu. 2. Số bậc thay đổi nồng độ(số đĩa lý thuyết) tối thiểu. 3. Số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) tại giá trị tỷ số hồi lưu bằng 2,5. SVTH Page 6 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân 4. Công suất của thiết bị ngưng tụ và thiết bị đun sôi lại. Bài giải: Heptan = C7H16 ; Mheptan =100 Ethyl benzene = C6H5C2H5 ; Methylbezen = 106 Khối lượng mol phân tử trung bình của hốn hợp nguyên liệu: Mtb = 0,42.100+0,58.106 = 103,48 (g/mol) Lưu lượng mol của nguyên liệu: F = 1000/103,48 = 9,6637 (kmol/h) Từ số liệu đã cho ta xây dựng giãn đồ H-x-y; giãn đồ đường cân bằng x-y 1. Xác định tỉ số hồi lưu tối thiểu Nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa nên xF = zF = 0,42 Từ giản đồ H-x-y ta biết được HF = 22,7.103 (kJ/kmol) Sản phẩm đỉnh chứa 97% mol heptan tức là xD = 0.97 Từ giản đồ H-x-y ta biết được HD = 21.103 (kJ/kmol) SVTH Page 7 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Sản phẩm đáy chứa 99% mol ethylbenzen tức là xW = 0,01 Từ giản đồ H-x-y ta biết được HW = 24,5.103 (kJ/kmol) Khi chỉ số hồi lưu là tối thiểu thì số đĩa lý thuyết tiến về vô cùng, khi đó số bậc thay đổi nồng độ gần như liền sát nhau trên giãn đồ x, y. Hay nói cách khác trên giản đồ Hx-y các đường thẳng thể hiện số đĩa lý thuyết của tháp là kề liền nhau, ta có thể cho rằng khi đó điểm (yF ; HG) cũng nằm trên đường thẳng F; QC’; QR’ . Như vậy để vẽ đường thẳng F; Q’C; QR’ ta làm theo các bước sau: - Xác định F(xF; HF) trên H-x-y - Xác định nồng độ yF cân bằng với xF theo giản đồ x-y. Suy ra được điểm (yF; HG) Từ hai điểm đã xác định trên ta xác định được đường thẳng F; Q’C; QR’. Với xD; xW đã biết ta xác định được QC’; QR’ từ giãn đồ H-x-y QC’ = 98,4.103 kJ/kmol ; QR’ = 34,5.103 kJ/kmol ; HG = 53,7.103 kJ/kmol Tỉ số hồi lưu tối thiểu: 2. Số đĩa lý thuyết tối thiểu Số đĩa lý thuyết tối thiểu được xác định là số bậc thay đổi nồng độ trên đường cân bằng (hồi lưu hoàn toàn). Số đĩa lý thuyết xác định được là 6,98. 3. Công suất của thiết bị ngưng tụ và thiết bị đun sôi lại Cân bằng vật chất: SVTH F=D +W Page 8 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân FxF = DxD + WxW Hay 9.6637 = D + W 9.6637 *0.42 = 0.97*D +0.01*W Giải hệ phương trình trên ta được : D = 4,127 kmol/h ; W = 5,537 kmol/h Tỉ số hồi lưu : Suy ra: QC’ = 135.45*103 kJ/h Cân bằng năng lượng : F.HF = D.Qc’ + W.Q’R Từ các giá trị F, HF, D, QC’ và W đã có ta suy ra được QR’ = -61,35.103 kJ/h Mặt khác ta có: Q’C = HD +QC/D Q’R = HW –QR/R Từ đây suy ra : QC = 472,36.103 kJ/h = 131,21 kW QR = 475,31.103 kJ/h = 132,03 kW SVTH Page 9 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân 4. Xác định số đĩa lý thuyết khi tỉ số hồi lưu là 2,5 Dựa vào hai giản đồ H-x-y và x-y ta xác định được số đĩa lý thuyết ứng với tỉ số hồi lưu 2,5 SVTH Page 10 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Như vậy ta xác định được 11 đĩa lý thuyết, và đĩa nạp liệu nằm ở vị trí đĩa thứ 7 tính từ trên xuống. Đề 10 : Cho một hỗn hợp có thành phần như sau : Cấu tử % mol Ethane, Propene, Propane C2 3,75 C3= 11,25 , C3 30 Isobutane, n-butane, iC4 21 iso pentane n-pentane iC5 10 nC5 15 C4 9 Hỗn hợp ở trạng thái sôi, áp suất 12 atm, lưu lượng là 400 kmol/h. Hỗn hợp nguyên liệu được chưng cất ở áp suất 12atm để thu hồi - Ở đỉnh: thu hồi iC4 với hiệu suất thu hồi cấu tử này đạt 98% - Ở đáy: thu hồi hoàn toàn phân đoạn C5 có trong nguyên liệu 1/ Hãy viết các phương trình biểu diễn sự hoạt động của tháp ở chế độ hồi lưu hoàn toàn : - Phương trình cân bằng vật liệu - Các phương trình FENSKE biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng riêng phần của các cấu tử trong sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. 2/ Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và thành phần của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. 3/ Tính Rmin 4/ Dựa trên giản đồ Gilliland cho biết các giá trị R và N tương ứng Bài làm : 1. Viết các phương trình cân bằng vật liệu Gọi: D là tổng lượng sản phẩm đỉnh. R là tổng lượng sản phẩm đáy. A là lượng nguyên liệu vào xiR là nồng độ phần mol của cấu tử i trong sản phẩm đáy. ziA là nồng độ phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu. xiD là nồng độ phần mol của cấu tử i trong sản phẩm đỉnh. * Viết ptcb vật liệu: Cho toàn tháp: SVTH A = D + R (1) Page 11 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Cho từng cấu tử: A.ziA = D.xiD + R.xiR (2) * Viết pt Fenske biểu diễn quan hệ lưu lượng riêng phần cấu tử trong sản phẩm đáy và đỉnh: Với là độ bay hơi tương đối của cấu tử 2 cấu tử bất kỳ. 2. Xác định Nmin, thành phần sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy. 2.1. Chuẩn bị dữ kiện và giả thiết : Chọn cấu tử khóa : • Cấu tử khóa nhẹ CV: iC4 Cấu tử khóa nặng CL: iC5 Giả thiết sự phân bố nồng độ ở đỉnh và đáy: • - nC4 là cấu tử trung gian, phân bố ở cả đỉnh và đáy. - Toàn bộ C5 phân bố ở đáy - C3 phân bố 1% ở đáy. - C3= phân bố ở đáy: - iC5 lẫn trong sản phẩm đỉnh: Bảng giả thiết phân bố nồng độ Cấu tử C2 (V) C3= (V) C3 (V) iC4 CV) nC4 (i) iC5 CL) nC5 (L) Tổng • Nguyên liệu mol phần mol 15 0.0375 45 0.1125 120 0.3000 84 0.2100 36 0.0900 40 0.1000 60 0.1500 400 1.0000 SP đỉnh mol phần mol 15.00 0.051 44.96 0.154 119.40 0.409 82.32 0.282 30.00 0.103 0.12 0.000 0.00 0.000 291.80 1.000 SP đáy mol phần mol 0.00 0.000 0.05 0.000 0.60 0.006 1.68 0.016 6.00 0.055 39.88 0.369 60.00 0.555 108.21 1.000 Tính độ bay hơi tương đối: Lấy giá trị trung bình tại 3 vị trí đỉnh, đáy, nạp liệu => tại mỗi vị trí cần biết nhiệt độ, từ đó tính được hằng số K và tính được độ bay hơi tương đối. Tính theo cấu tử khóa nặng iC5. SVTH Page 12 Bài tập chưng cất đa cấu tử - - Tại đỉnh tháp: Nhiệt độ điểm sương giả thiết: 55oC Cấu tử yi = xiD Ki C2 (V) 0.051 3.9 C3= (V) 0.154 1.6 C3 (V) 0.409 1.4 iC4 (CV) 0.282 0.68 nC4 (i) 0.103 0.52 iC5 (CL) 0.000 0.27 nC5 (L) 0.000 0.18 Tổng 1.000 Tại đáy tháp: Nhiệt độ điểm sôi giả thiết: 130oC Cấu tử C2 (V) C3= (V) C3 (V) iC4 (CV) nC4 (i) iC5 (CL) nC5 (L) Tổng - GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân xi = xiR 0.0000 0.0004 0.0055 0.0155 0.0555 0.3686 0.5545 1.000 Ki 9 4.2 3.6 1.8 1.6 1.12 0.85 xi = yi/Ki 0.013 0.096 0.292 0.415 0.198 0.002 0.000 1.016 αiD = Ki/KCL 14.444 5.926 5.185 2.519 1.926 1.000 0.667 yi = Ki.xi 0.000 0.002 0.020 0.028 0.089 0.413 0.471 1.022 αiR = Ki/KCL 8.036 3.750 3.214 1.607 1.429 1.000 0.759 Tại đĩa nạp liệu: Theo đề, nạp liệu ở vị trí điểm sôi. Ta giả sử điểm sôi là 57oC Cấu tử C2 (V) C3= (V) C3 (V) iC4 (CV) nC4 (i) iC5 (CL) nC5 (L) Tổng xi = Zi 0.038 0.113 0.300 0.210 0.090 0.100 0.150 1.000 Ki 4 1.6 1.4 0.68 0.52 0.28 0.22 yi = Ki.xi 0.150 0.180 0.420 0.143 0.047 0.028 0.033 1.001 αiA = Ki/KCL 14.286 5.714 5.000 2.429 1.857 1.000 0.786 Bảng tổng kết số liệu độ bay hơi tương đối Cấu tử C2 (V) C3= (V) C3 (V) iC4 (CV) nC4 (i) iC5 (CL) SVTH αiA 14.286 5.714 5.000 2.429 1.857 1.000 αiD 14.444 5.926 5.185 2.519 1.926 1.000 Page 13 αiR 8.036 3.750 3.214 1.607 1.429 1.000 αi 11.836 5.026 4.368 2.142 1.722 1.000 Bài tập chưng cất đa cấu tử nC5 (L) GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân 0.786 0.667 0.759 0.735 2.2. Xác định Nmin theo công thức Fenske: Kiểm tra giả thiết phân bố nồng độ bằng cách giải hệ pt Fenske viết cho từng cấu tử khác nhau: Gọi a là số mol nC4 trong sản phẩm đỉnh, ta có: Cấu tử nC4 (mol) iC4 (mol) iC5 (mol) Đỉnh a 82.3 0.12 Đáy 36 - a 1.7 39.88 Công thức Fenske đượcviết dưới dạng: - Viết công thức Fenske cho lần lượt các cấu tử sau nC4 và iC4 - nC4 và iC5 Giải hệ ta có: Nmin = 10,9 và a = 29,86 Cấu tử nC4 (mol) Đỉnh 29,86 Đáy 6,14 Gọi b là số mol C2 ở đỉnh, viết công thức Fenske choC2 và iC4 Giải ra được b = 15 Gọi c là số mol C3 ở đỉnh, viết công thức Fenske choC3 và iC4 SVTH Page 14 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Giải ra được c = 119.999 Gọi d là số mol C3= ở đỉnh, viết công thức Fenske choC3= và iC4 Giải ra được d = 45 Bảng phân bố nồng độ tính toán được Cấu tử C2 (V) C3= (V) C3 (V) iC4 (CV) nC4 (i) iC5 (CL) nC5 (L) Tổng Nguyên liệu mol phần mol 15 0.038 45 0.113 120 0.300 SP đỉnh mol phần mol 15.000 0.051 45.000 0.154 119.999 0.411 SP đáy mol 0.000 0.000 0.001 phần mol 0.000 0.000 0.000 84 0.210 82.320 0.282 1.680 0.016 36 40 60 400 0.090 0.100 0.150 1.000 29.860 0.120 0.000 292.299 0.102 0.00041 0.000 1.000 6.140 39.880 60.000 107.701 0.057 0.370 0.557 1.000 Sự sai khác giữa kết quả tính toán với giả thiết phân bố nồng độ ban đầu không đáng kể. Do vậy có thể sử dụng số liệu phân bố nồng độ và giá trị Nmin tính toán được. Xác định số bậc thay đổi nồng độ tối thiểu n min cho đoạn luyện và mmin cho đoạn chưng. Ta viết phương trinh Fenske cho một cấu tử ở đỉnh là C3 và cấu tử khóa nơi nhập liệu (iC5) để xác định nmin Độ bay hơi tương đối trung bình : Phương trình Fenske là : 3. Tính tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin Sử dụng CT Maxwell tính Rmin ở 2 trường hợp biên của trạng thái nạp liệu, sau đó nội suy Rmin tương ứng với hỗn hợp nguyên liệu. 3.1. Tính các giá trị l: cấu tử SVTH zi αi Nhập liệu lỏng Page 15 Nhập liệu hơi Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân % bốc hơi C2 (V) C3= (V) C3 (V) iC4 (CV) nC4 (iV) iC5 (CL) nC5 (L) 0.038 0.113 0.300 0.210 0.090 0.100 0.150 11.836 5.026 4.368 2.142 1.722 1.000 0.735 45 l 0.032 0.224 0.687 2.100 0.900 % bốc hơi 85 1.400 l 0.032 0.224 0.687 0.980 0.523 1.400 3.2. Tính Rmin cho trạng thái nạp liệu lỏng: 3.3. Tính Rmin cho trạng thái nạp liệu hơi 3.4. Xác định Rmin cho trạng thái nạp liệu thực tế với 0% bốc hơi: Từ 2 giá trị trên, áp dụng phương pháp nôi suy ta có: 4. Dựa trên giản đồ Gilliland cho biết tính trị R và N tương ứng Từ đồ thị thực nghiệm giữa Φ(N) và Φ(R) ta xác định được N ứng với mỗi R. SVTH Page 16 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Kết quả tổng hợp trong bảng sau: R R - Rmin Φ(R) Φ(N) Φ(N) + Nmin N N.(R+1) 0.8 0.18 0.100 0.513 11.403 23.415 42.15 1 0.38 0.190 0.44 11.330 20.232 40.46 1.2 0.58 0.264 0.396 11.286 18.685 41.11 1.6 0.98 0.377 0.327 11.217 16.667 43.33 1.8 1.18 0.421 0.3 11.190 15.986 44.76 2 1.38 0.460 0.28 11.170 15.514 46.54 Ta vẽ đồ thị biễu diễn quan hệ giữa N và N(R+1) Dựa vào đồ thị ta thấy số đĩa tối ưu là 20. Khi đó N(R+1) = 40,4 Suy ra R = 40,4/20 -1 = 1,02 SVTH Page 17 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Gọi n và m lần lượt là số bậc thay đổi nồng độ của đoạn luyện và đoạn chưng Ta có : Kết luận : Tháp có 20 đĩa trong đó đoạn luyện có 6 đĩa và đoạn chưng có 14 đĩa Bài tập 4 : Cho phân đoạn Gasoil có các dữ kiện sau : - Tỷ trọng : d15/4 = 0,87 Số liệu đường cong chưng cất ASTM như sau : % chưng cất IP T10 T30 T50 T70 T90 FP Nhiệt độ, oC 225 268 298 315 332 360 405 1. Xác định đường cong TBP, EFV bằng phương pháp Edmister. 2. Xác định đường TBP của pha lỏng và pha hơi tương ứng với % bốc hơi của nguyên liệu ở áp suất 1 atm. 3. Xác định đường cong ASTM thành phần tương ứng với 40% hóa hơi của nguyên liệu ở áp suất 1atm. 4. Tính tỷ trọng mỗi pha ở trạng thái cân bằng. 5. Sử dụng giản đồ Cox, tìm điểm hội tụ F trên giản đồ. Bài giải : 1. Xác định đường cong TBP, EFV bằng phương pháp Edmister Nguyên tắc của phương pháp : SVTH Page 18 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Đầu tiên, xác định điểm 50% trên đồ thị cần tìm từ vị trí điểm 50% của đồ thị - đã biết. Tiếp theo, xác định sự chênh lệch nhiệt độ 0 – 10%, 10 – 30%, 30 – 50%,…của - đường cong chưng cất đã biết với đường cong chưng cất cần chuyển đổi. Cuối cùng, xây dựng đường cong cần tìm từ điểm 50% bằng cách thêm vào hoặc trừ đi độ chênh lệch. Chuyển đổi sang đường cong TBP : TASTM50 = 315 oC → ΔT50(TBP – ASTM) = 17oC → T50(TBP) = 315 + 17 = 332oC ΔT(50-30)ASTM = 17oC → ΔT(50-30)TBP = 28oC → T30(TBP) = 332 – 28 =304oC ΔT(30-10)ASTM = 30oC → ΔT(30-10)TBP = 45oC → T10(TBP) = 304 – 45 =259oC ΔT(10-0)ASTM = 43oC → ΔT(10-0)TBP = 64oC → IP (TBP) = 259 – 64 =195oC ΔT(70-50)ASTM = 17oC → ΔT(70-50)TBP = 24oC → T70(TBP) = 332 + 24 =356oC ΔT(90-70)ASTM = 28oC → ΔT(90-70)TBP = 33oC → T90(TBP) = 356 + 33 =389oC ΔT(FP - 90)ASTM = 45oC → ΔT(FP-90)TBP = 52oC → FP(TBP) = 389 + 52 =441oC Tổng hợp kết quả trong bảng sau: % chưng cất IP ASTM, oC 225 10 268 ΔTASTM, oC ΔTTBP, oC 43 64 259 30 30 304 28 315 332 17 70 45 298 17 50 24 332 356 28 90 360 FP 405 TBP, oC 195 33 389 45 52 441 Chuyển đổi sang đường cong EFV: TASTM50 = 315 oC và ΔT(30%-10%)ASTM = 30oC → ΔT50(EFV – ASTM) = 14oC → T50(EFV) = 315 + 14 = 329oC ΔT(50-30)ASTM = 17oC → ΔT(50-30) EFV = 8oC → T30(EFV) = 329 – 8 =321oC ΔT(30-10)ASTM = 30oC → ΔT(30-10) EFV = 19oC → T10(EFV) = 321 – 19 = 302oC Tương tự ta có kết quả trong bảng sau: SVTH Page 19 Bài tập chưng cất đa cấu tử % chưng cất IP ASTM, oC 225 10 268 GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân ΔTASTM, oC ΔTEFV, oC 43 21 302 30 30 EFV, oC 281 19 298 321 17 50 8 315 329 17 70 9 332 338 28 90 360 FP 405 14 352 45 21 373 2. Xác định đường TBP của pha lỏng và pha hơi tương ứng với % bốc hơi của nguyên liệu ở áp suất 1 atm. Ta có ở một nhiệt độ t bất kỳ: a = v + l Trong đó : a là phần trăm bốc hơi của hỗn hợp đầu v là phần trăm bốc hơi của phân đoạn nhẹ l là phần trăm bốc hơi của phân đoạn nặng Đồng thời kết hợp với hệ thức sau: v = V.Y; l = L.X Trong đó: V, L là % thể tích của phân đoạn nhẹ và nặng trong hỗn hợp đầu Y, X là các hệ số tỷ lệ và chúng có mối quan hệ với nhau như sau : Đại lượng α được xác định bằng đồ thị thực nghiệm và phụ thuộc vào độ dốc của đường cong TBP của hỗn hợp đầu trong khoảng 10% thể tích đến 70% thể tích. Độ dốc : Suy ra : α = 8 Với V = 0,4 và L = 0,6 và nhiệt độ T được tra dựa vào đường cong TBP và giá trị a tính được. X 0,00 0,10 0,20 0,40 0,60 0,80 0,90 1,00 Y 0,00 0,47 0,67 0,84 0,92 0,97 0,99 1,00 l = L.X 0,00 0,06 0,12 0,24 0,36 0,48 0,54 0,60 v = V.Y 0,00 0,19 0,27 0,34 0,37 0,39 0,39 0,40 a=v+l 0,00 0,25 0,39 0,58 0,73 0,87 0,93 1,00 SVTH Page 20 Bài tập chưng cất đa cấu tử T, oC 195 295 GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân 320 340 360 380 400 441 3. Xác định đường cong ASTM thành phần tương ứng với 40% hóa hơi của nguyên liệu ở áp suất 1atm: • Đường cong ASTM cho pha hơi Từ đường cong ASTM của nguyên liệu, dựa vào độ dốc từ 10% đến 70% trên đường này và giản đồ III.1.26 ta xác định được đường cong ASTM cho pha hơi. Độ dốc của đường cong ASTM nguyên liệu từ 10% đến 70% Sử dụng giản đồ III.1.26 và xử lý số liệu ta có kết quả như sau: Nguyên liệu t, oC %V 225 PI 268 10 298 30 315 50 332 70 360 90 405 PF • Pha hơi o ∆t, C 10 14 23 30 35 40 42 t, oC 215 254 275 285 297 320 363 Đường cong ASTM cho pha lỏng Cách làm tương tự như đối với pha hơi nhưng sử dụng giản đồ III.1.27, ta có kết quả sau: Nguyên liệu t, oC %V 225 PI 268 10 298 30 315 50 332 70 360 90 405 PF SVTH Pha lỏng ∆t, C t, oC 25 250 24 292 20 318 13 328 9 341 5 365 3 408 o Page 21 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Từ kết quả thu được ta vẽ đường cong ASTM của nguyên liệu, pha lỏng, pha hơi như sau : 4. Tính tỉ trọng của mỗi pha ở trạng thái cân bằng Dựa vào độ dốc của đường ASTM nguyên liệu từ 10% đến 30% và tỉ trọng của nguyên liệu, tra giản đồ III.1.25 ta biết được tỉ trọng của mỗi pha Độ dốc của nguyên liệu từ 10% đến 30% : 1,5 Tra giản đồ III.1.25 ta có kết quả: Tỉ trọng của pha hơi ở trạng thái cân bằng: d = 0,85 Tỉ trọng của pha lỏng ở trạng thái cân bằng: d = 0,885 5. Xác định điểm hội tụ trên biểu đồ Cox • • Hỗn hợp nhiều cấu tử có thể được đưa đi chưng cất phân đoạn ở áp suất cao, áp suất khí quyển hoặc ở áp suất thấp (chưng cất chân không). Việc xác định nhiệt độ phân đoạn phải dựa vào đường cong cân bằng EFV. Trên biểu đồ logarit, mối quan hệ cân bằng giữa nhiệt độ áp suất và % thể tích dịch ngưng (Hình 1.13 - Giáo trình chưng cất đa cấu tử), là những đường thẳng và chùm đường thẳng này hội tụ tại một điểm F. Như vậy, nếu ta có số liệu EFV ở áp suất nào đó và biết được điểm hội tụ F thì xây dựng được chùm đường thẳng P-T tương ứng với các % thể tích. Từ đó, ta sẽ dễ dàng xây dựng được đường EFV ở áp suất bất kì nào khác. W.C Edmisster đã đưa ra phương pháp thực nghiệm để xác định điểm hội tụ F được ứng dụng rộng rãi trong hóa dầu. Độ dốc của đường cong ASTM từ 10% đến 90% thể tích của nguyên liệu : Nhiệt độ trung bình thể tích tương ứng với các điểm 10, 30, 50, 70 và 90% Quan sát biểu đồ điểm hội tụ F (Hình 1.14). Đây là biểu đồ thực nghiệm phức tạp với vạch chia logarit, tung độ là áp suất, hoành độ là nhiệt độ. Ở cuối trục hoành có một đoạn ngắn vạch chia thường biểu diến nhiệt độ trung bình thể tích t v của đường ASTM. Trong ba nhóm đường cong, một nhóm biểu diễn tỷ trọng d của hỗn hợp, một nhóm biểu diễn độ dốc S của hỗn hợp, còn nhóm phía trên biểu diễn tỷ số A như sau: SVTH Page 22 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Dựa vào 3 đại lượng: tỉ trọng nguyên liệu, độ dốc, và tỷ số A , sử dụng giản đồ III.1.24 ta có kết quả điểm hội tụ F : t = 510oC; P = 25,5 atm BÀI TẬP 5 : Dựa theo đường cong TBP của một mẫu dầu thô, người ta chia ra 11 cấu tử pseudo. Các số liệu thực nghiệm và số liệu tra cứu từ các biễu đồ thực nghiệm sẽ được tổng hợp trình bày trong các bảng số liệu dưới đây, trong đó có ấn định luôn các cấu tử khóa. Nhiệt độ Cấu tử % thể tích phần TB P, atm d 0,74 M mol mol, oC Kw (260 oC) α lgα a 10 5 0,81 102 0,173 98,3 11,9 25,9 79 1,8976 b 10 5 0,84 141 0,133 163 11,5 9,2 28,1 1,4487 c d e f 10 10 10 10 2 0,86 0,87 0,88 0,89 165 192 210 227 0,1215 0,099 0,0987 0,092 207 238 264 281 11,4 11,4 11,5 11,4 2,79 1,43 0,885 0,599 8,55 4,37 2,31 1,83 0,932 0,6405 0,3636 0,2625 g (LK) 8 6 0,91 242 0,0705 301 11,4 0,428 1,31 0,1173 h (HK) i k 7 6 10 3 0,93 0,95 270 300 353 0,0562 0,0434 0,0641 325 353 404 11,4 11,5 11,5 0,327 0,184 0,0545 1 0,565 0,167 0 -0,248 -0,777 SVTH Page 23 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân 5 0,000 j 9 1,03 485 0,045 509 11,6 0,0002 6 -3,222 So sánh kết quả phân bố cấu tử pseudo (bằng phần mềm PRO II) ở hai phân đoạn sản phẩm đỉnh và đáy tháp tương ứng với sử dụng hai tiêu chuẩn sản phẩm khác nhau như sau: • Phân bố 90% cấu tử khóa nhẹ (Light Key - LK) ở sản phẩm đỉnh và 90% cấu tử khóa nặng (Heavy Key – HK) nằm ở sản phẩm đáy. • Sử dụng tiêu chuẩn dựa trên đường cong ASTM cho phân đoạn nhẹ và phân đoạn nặng. BÀI LÀM : Đầu tiên, ta dùng phần mềm PRO II để mô phỏng cho quá trình phân tách dùng tiêu chuẩn 1 : Phân bố 90% cấu tử khóa nhẹ (Light Key - LK) ở sản phẩm đỉnh và 90% cấu tử khóa nặng (Heavy Key – HK) nằm ở sản phẩm đáy. Các bước mô phỏng như sau : Chọn mô hình nhiệt động SRK. Dòng công nghệ gồm 11 cấu tử giả. Để định nghĩa các cấu tử này ta có thể dùng hai trong số các đặc trưng của từng cấu tử. Ở đây, ta chọn tỷ trọng và nhiệt độ sôi trung bình mol. Dùng shortcut để mô phỏng quá trình chưng cất. Trạng thái dòng công nghệ: Áp suất khí quyển 1 bar và nhiệt độ điểm sôi (Bubble Point). Cấu tử khóa nhẹ là cấu tử thứ 7 (cấu tử g) Cấu tử khóa nặng là cấu tử thứ 8 (cấu tử h) Ước lượng phần trăm thể tích của sản phẩm đỉnh là 68%. • Tiến hành mô phỏng bằng PRO II dựa trên tiêu chuẩn về hiệu suất thu hồi: 90% cấu tử nhẹ phân bố ở sản phẩm đỉnh và 90% cấu tử nặng phân bố ở sản phẩm đáy. SVTH Page 24 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Ta có kết quả Đường cong ASTM của dầu thô : Đường cong ASTM của sản phẩm đỉnh S2: SVTH Page 25 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Đường cong ASTM của sản phẩm đáy S3: Thành phần của các dòng như sau: SVTH Page 26 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Chỉ số hồi lưu tối thiểu : 0,1073 Số đĩa lý thuyết tối thiểu : 8,35 Từ kết quả trên, ta tính được giá trị GAP/OVERLAP của quá trình: Δt = T(5%pd nặng) – T(95%pd nhẹ) = 326,81 – 285,55 = 41,26oC (GAP) Để có thể mô phỏng cho trường hợp 2, tính giá trị sau : Δt2 = T(5%pd nặng) - T(5%pd nhẹ) = 326,81 – 64,36 = 262,45 oC TRƯỜNG HỢP 2 : Mô phỏng theo tiêu chuẩn chênh lệch nhiệt độ đã tính ở trên . Trường hợp này, ta chỉ thay đổi tiêu chuẩn thiết lập cho Short-cut : Kết quả thu được hoàn toàn giống như kết quả mô phỏng ở trường hợp 1 : SVTH Page 27 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết tối thiểu cũng thay đổi không đáng kể (Nmin = 8,36 và Rfmin = 0,1076) SVTH Page 28 [...]... phân bố ở sản phẩm đáy SVTH Page 24 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Ta có kết quả Đường cong ASTM của dầu thô : Đường cong ASTM của sản phẩm đỉnh S2: SVTH Page 25 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Đường cong ASTM của sản phẩm đáy S3: Thành phần của các dòng như sau: SVTH Page 26 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân... mô phỏng quá trình chưng cất Trạng thái dòng công nghệ: Áp suất khí quyển 1 bar và nhiệt độ điểm sôi (Bubble Point) Cấu tử khóa nhẹ là cấu tử thứ 7 (cấu tử g) Cấu tử khóa nặng là cấu tử thứ 8 (cấu tử h) Ước lượng phần trăm thể tích của sản phẩm đỉnh là 68% • Tiến hành mô phỏng bằng PRO II dựa trên tiêu chuẩn về hiệu suất thu hồi: 90% cấu tử nhẹ phân bố ở sản phẩm đỉnh và 90% cấu tử nặng phân bố ở... từng cấu tử: A.ziA = D.xiD + R.xiR (2) * Viết pt Fenske biểu diễn quan hệ lưu lượng riêng phần cấu tử trong sản phẩm đáy và đỉnh: Với là độ bay hơi tương đối của cấu tử 2 cấu tử bất kỳ 2 Xác định Nmin, thành phần sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy 2.1 Chuẩn bị dữ kiện và giả thiết : Chọn cấu tử khóa : • Cấu tử khóa nhẹ CV: iC4 Cấu tử khóa nặng CL: iC5 Giả thiết sự phân bố nồng độ ở đỉnh và đáy: • - nC4 là cấu. .. -1 = 1,02 SVTH Page 17 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Gọi n và m lần lượt là số bậc thay đổi nồng độ của đoạn luyện và đoạn chưng Ta có : Kết luận : Tháp có 20 đĩa trong đó đoạn luyện có 6 đĩa và đoạn chưng có 14 đĩa Bài tập 4 : Cho phân đoạn Gasoil có các dữ kiện sau : - Tỷ trọng : d15/4 = 0,87 Số liệu đường cong chưng cất ASTM như sau : % chưng cất IP T10 T30 T50 T70... Bài làm : 1 Viết các phương trình cân bằng vật liệu Gọi: D là tổng lượng sản phẩm đỉnh R là tổng lượng sản phẩm đáy A là lượng nguyên liệu vào xiR là nồng độ phần mol của cấu tử i trong sản phẩm đáy ziA là nồng độ phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu xiD là nồng độ phần mol của cấu tử i trong sản phẩm đỉnh * Viết ptcb vật liệu: Cho toàn tháp: SVTH A = D + R (1) Page 11 Bài tập chưng cất đa cấu tử. .. được độ bay hơi tương đối Tính theo cấu tử khóa nặng iC5 SVTH Page 12 Bài tập chưng cất đa cấu tử - - Tại đỉnh tháp: Nhiệt độ điểm sương giả thiết: 55oC Cấu tử yi = xiD Ki C2 (V) 0.051 3.9 C3= (V) 0.154 1.6 C3 (V) 0.409 1.4 iC4 (CV) 0.282 0.68 nC4 (i) 0.103 0.52 iC5 (CL) 0.000 0.27 nC5 (L) 0.000 0.18 Tổng 1.000 Tại đáy tháp: Nhiệt độ điểm sôi giả thiết: 130oC Cấu tử C2 (V) C3= (V) C3 (V) iC4 (CV) nC4... -0,248 -0,777 SVTH Page 23 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân 5 0,000 j 9 1,03 485 0,045 509 11,6 0,0002 6 -3,222 So sánh kết quả phân bố cấu tử pseudo (bằng phần mềm PRO II) ở hai phân đoạn sản phẩm đỉnh và đáy tháp tương ứng với sử dụng hai tiêu chuẩn sản phẩm khác nhau như sau: • Phân bố 90% cấu tử khóa nhẹ (Light Key - LK) ở sản phẩm đỉnh và 90% cấu tử khóa nặng (Heavy Key... giản đồ Bài giải : 1 Xác định đường cong TBP, EFV bằng phương pháp Edmister Nguyên tắc của phương pháp : SVTH Page 18 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Đầu tiên, xác định điểm 50% trên đồ thị cần tìm từ vị trí điểm 50% của đồ thị - đã biết Tiếp theo, xác định sự chênh lệch nhiệt độ 0 – 10%, 10 – 30%, 30 – 50%,…của - đường cong chưng cất đã biết với đường cong chưng cất cần... còn nhóm phía trên biểu diễn tỷ số A như sau: SVTH Page 22 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Dựa vào 3 đại lượng: tỉ trọng nguyên liệu, độ dốc, và tỷ số A , sử dụng giản đồ III.1.24 ta có kết quả điểm hội tụ F : t = 510oC; P = 25,5 atm BÀI TẬP 5 : Dựa theo đường cong TBP của một mẫu dầu thô, người ta chia ra 11 cấu tử pseudo Các số liệu thực nghiệm và số liệu tra cứu từ các... 3.214 1.607 1.429 1.000 αi 11.836 5.026 4.368 2.142 1.722 1.000 Bài tập chưng cất đa cấu tử nC5 (L) GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân 0.786 0.667 0.759 0.735 2.2 Xác định Nmin theo công thức Fenske: Kiểm tra giả thiết phân bố nồng độ bằng cách giải hệ pt Fenske viết cho từng cấu tử khác nhau: Gọi a là số mol nC4 trong sản phẩm đỉnh, ta có: Cấu tử nC4 (mol) iC4 (mol) iC5 (mol) Đỉnh a 82.3 0.12 Đáy 36 - a ... Cấu tử khóa nhẹ cấu tử thứ (cấu tử g) Cấu tử khóa nặng cấu tử thứ (cấu tử h) Ước lượng phần trăm thể tích sản phẩm đỉnh 68% • Tiến hành mô PRO II dựa tiêu chuẩn hiệu suất thu hồi: 90% cấu tử. .. S2: SVTH Page 25 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Đường cong ASTM sản phẩm đáy S3: Thành phần dòng sau: SVTH Page 26 Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn... trang sau : SVTH Page Bài tập chưng cất đa cấu tử GVHD : Dr Nguyễn Thị Thanh Xuân Bài tập : Hỗn hợp có lưu lượng 1000 kg/h gồm 42% mole heptane 58% mole ethyl benzene tách chưng cất Yêu cầu sản phẩm