I TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT Nguyên lí hoạt động tháp chưng cất Hình 1: Cấu trúc tháp chưng cất sản phẩm Thuyết minh: Giới thiệt nguyên liệu Benzen Toluene Hỗn hợp Benzene-Toluene Bảng 1: Thành phần lỏng (x)- (y) nhiệt độ sôi hỗn hợp Benzene-Toluene 760 mmHg [1] II TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT Giới thiệu chung Các loại mô hình sử dụng chủ yếu cho tháp chưng cất mơ hình vật lý mơ hình tốn học  Mơ hình vật lý: Các thiết bị hệ thống đơn giản hóa thu nhỏ với tỷ lệ định Việc xây dựng mơ hình loại nhiều thời gian kinh phí, thường khó khả thi  nhà máy, dự án nhỏ Mơ hình tốn học: Là mơ hình trừu tượng đặc tính hệ thống phản ánh qua phương trình tốn học Mơ hình xây dựng phương pháp lí thuyết, phương pháp thực nghiệm kết hợp hai phương pháp lí thuyết thực nghịệm Ở này, ta sử dụng mơ hình tốn học Các phương pháp xây dựng mơ hình tốn học Về ngun tắc, có hai phương pháp để xây dựng mơ hình tốn học: II.1 Phương pháp lí thuyết Xây dựng mơ hình dựa định luật vật lí, hóa học kết hợp với thông số kĩ thuật thiết bị công nghệ, kết nhận hệ phương trình vi phân phương trình đại số Mơ hình lí thuyết xuất phát từ phương trình cân vật chất (cân tổng khối lượng cân thành phần) cân lượng Phương pháp lí thuyết phụ thuộc nhiều vào q trình cụ thể, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế Chưng cất q trình động hỗn hợp phân tách, trữ lượng tháp nồng độ thành phần cấu tử thay đổi liên tục, mơ hình tốn học q trình phải động, bao gồn phương trình đại số phương trình vi phân Một mơ hình chi tiết cho tháp chưng cất bao gồm phương trình cân vật chất, lượng mâm, cân nồng độ thành phần, mơ hình bình ngưng thiết bị gia nhiệt Tuy nhiên, mô hình đơn giản hóa với nhiều giả thiết bỏ qua ảnh hưởng cấu trúc tháp đến cân lượng, bỏ qua động học dòng lỏng, bỏ qua động học áp suất…Đây phương pháp sử dụng II.2 Phương pháp thực nghiệm Các bước xây dựng mơ hình tốn học phương pháp lí thuyết  Thiết lập phương trình cân vật chất, lượng  Xây dựng phương trình mơ tả q trình tất khâu, phương trình liên hệ khâu  Xây dựng mơ hình, lựa chọn phương pháp giải hệ phương trình III MƠ HÌNH HĨA THÁP CHƯNG CẤT HAI CẤU TỬ BENZENE-TOLUENE Đề Các biến trình Bảng 2: Các biến trình STT Kí hiệu F Mơ tả Nồng độ phần mol Benzene pha lỏng sản phẩm đỉnh Nồng độ phần mol Benzene pha lỏng sản phẩm đáy Nồng độ phần mol Benzene pha đáy tháp Nồng độ phần mol cấu tử Benzene pha lỏng mâm i Nồng độ phần mol cấu tử Benzene pha mâm i Đơn vị phần mol phần mol phần mol phần mol phần mol Lưu lượng dòng nhập liệu kmol/s 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23     Nồng độ phần mol dòng nhập liệu phần mol ZF B Lưu lượng sản phẩm đáy kmol/s L Lưu lượng hồi lưu đỉnh tháp kmol/s D Lưu lượng sản phẩm đỉnh kmol/s MB Lượng chất lỏng thiết bị đun đáy tháp Kmol MD Lượng chất lỏng bình ngưng đỉnh tháp Kmol Mi Lượng chất lỏng mâm thứ i Kmol Li Lưu lượng lỏng mâm thứ i kmol/s hi Enthalpy dòng lỏng mâm thứ i kcal/kmol hB Enthalpy pha lỏng sản phẩm đáy kcal/kmol hD Enthalpy pha lỏng sản phẩm đỉnh kcal/kmol Hi Enthalpy dòng mâm thứ i kcal/kmol HB Enthalpy dòng hồi lưu đáy tháp kcal/kmol Vi Lưu lượng mâm thứ i kmol/s VB Lưu lượng dòng hồi lưu đáy tháp kmol/s Qc Lưu lượng nhiệt thu hồi bình ngưng (Condenser) kcal/s QR Lưu lượng nhiệt cấp cho nồi đun (Re-boiler) kcal/s Các giả thiết đơn giản hóa Hỗn hợp đầu vào coi gồm hai cấu tử nặng nhẹ Bỏ qua động học thiết bị ngưng tụ thiết bị đun sôi đáy tháp Áp suất, nhiệt độ mâm bên tháp đồng Trữ lượng mâm không đáng kể, phải xây dựng phương trình cân    vật chất ta cần quan tâm tới lượng chất lỏng mâm Nhiệt độ mâm xác định sau trạng thái cân Sự hóa khơng có ảnh hưởng đến việc truyền nhiệt mơi trường Enthalpy dòng chất lỏng thay đổi khơng đáng kể, nghĩa chênh lệch nhiệt độ mâm     gần bỏ qua, phương trình cân nhiệt bỏ qua Thành phần sản phẩm đỉnh tháp coi ngưng tụ hoàn toàn Tốc độ bay tốc độ ngưng tụ Độ bay tương đối cấu tử dễ bay so với cấu tử khó bay coi không thay đổi Tất mâm đạt trạng thái cân nhiệt động học hai pha, tức hiệu suất đạt 100% Khi đạt trạng thái cân lỏng-hơi, độ bay tương đối biểu theo biểu thức  Bỏ qua cân động lượng mâm Các phương trình tốn động học 4.1 Tại thiết bị ngưng tụ Hình 2: Mơ tả dòng vật chất thiết bị ngưng tụ Phương trình cân vật chất tổng: Phương tình cân vật chất cho cấu tử Benzene: Phương trình cân lượng 4.2 Tại mâm đỉnh tháp (Mâm n, i=n) Hình 3: Mơ tả dòng vật chất mâm n Phương trình cân vật chất tổng: Phương tình cân vật chất cho cấu tử Benzene: Phương trình cân lượnng: 4.3 Tại mâm thứ i Hình 4: Mơ tả dòng vật chất mâm thứ i Phương trình cân vật chất tổng: Phương tình cân vật chất cho cấu tử Benzene: Phương trình cân lượnng: 4.4 Tại mâm nhập liệu f (Mâm f; i=f) Hình 5: Mơ tả dòng vật chất mâm nhập liệu f Phương trình cân vật chất tổng: Phương tình cân vật chất cho cấu tử Benzene: Phương trình cân lượnng: q: thành phần lỏng có dòng nhập liệu 4.5 Tại mâm cuối cùng, đáy tháp chưng cất Hình 6: Mơ tả dòng vật chất mâm Phương trình cân vật chất tổng: Phương tình cân vật chất cho cấu tử Benzene: Phương trình cân lượng: 4.6 Thiết bị đun sôi đáy tháp (Lo=B) Hình 6: Mơ tả dòng vật chất nồi đun Phương trình cân vật chất tổng: Phương tình cân vật chất cho cấu tử Benzene: Phương trình cân lượng Ngồi ra, có thêm phương trình:  Phương trình cân pha mâm:  Tổng phần mol hỗn hợp cấu tử: Cần quan tâm đến tới động học chất lỏng mâm, hay nói cách khác mối liên quan  trữ lượng chất lỏng mâm lưu lượng chất lỏng khỏi mâm Trữ lượng lớn lưu lượng rời khỏi mâm lớn Ta tính theo cơng thức Francis Weir: Thông thường giá trị chọn Mơ hình phi tuyến tháp chưng cất với đầu nồng độ sản phẩm tháp Sơ đồ thuật toán BEGIN Các giá trị xác lập i:=1; Tính yD; L(i); dM/dt(i); d(M.x)/dt(i); dx/dt(i) theo i:=i+1 i