quá trình thiết bị chưng cất mới nhất 2015

1. CHƯƠNG 6: CHƯNG CẤT
Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử6.2
Các thiết bị chưng cất6.3
Các khái niệm6.1

2. 6.1 Các khái niệm
Chưng cất: Chưng cất là quá trình tách các
cấu tử của một hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí-
lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ
bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn
hợp (ở cùng điều kiện).
So sánh chưng cất và cô đặc:
Phân biệt quá trình chưng cất:
- Theo áp suất làm việc
- Theo số lượng cấu tử trong hỗn hợp
- Phương thức làm việc: gián đoạn, liên tục

3. Các phương pháp chưng cất thường gặp
Chưng cất đơn giản
Chưng cất lôi cuốn hơi nước
Chưng cất phân đoạn:
SP đỉnh: chứa nhiều cấu tử có độ bay hơi lớn
(cấu tử có nhiệt đôi sôi thấp)
SP đáy: chứa nhiều cấu tử có độ bay hơi bé

4. 6.2 Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử
6.2.1 Cân bằng ở áp suất không đổi
y*phầnmolAtrongphahơi
N
L
K

5. Độ bay hơi tương đối α: tỷ số giữa tỷ số nồng độ A
và B trong pha hơi và tỷ số nồng độ A và B trong
pha lỏng
α =
𝑦∗
(1−𝑦∗)
𝑥
(1−𝑥)
=
𝑦∗(1−𝑥)
𝑥(1−𝑦∗)
(6.2)
α: thay đổi khi x thay đổi từ 01, tại x=y* thì α=1
không phân riêng được. α >>1 càng dễ phân riêng.

6. X 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Y 0 26,8 41.8 57.9 66.5 72.9 77.9 82.5 87 91.5 95.8 100
Số liệu cân bằng hệ methanol-H2O
Số liệu cân bằng hệ ethanol-H2O (đẳng phí 89,4%)
Số liệu cân bằng hệ acetone-H2O
X 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61.4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100
X 0 1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Y 0 25 43 62 76 82 83 84 85 86 87 90 94 100

7. Ảnh hưởng của áp suất đến dường cân bằng

8. 6.2.2 Hỗn hợp lý tưởng – Định luật Raoult
Hỗn hợp lí tưởng là hỗn hợp mà lực liên kết giữa các phân tử
cùng loại và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau
và chúng hòa tan trong nhau theo bất kì tỷ lệ nào.
Gọi:
p*A, p*B: áp suất hơi riêng phần của A và B trên dung dịch
PA, PB: áp suất hơi bão hòa của A và B nguyên chất cùng nhiệt
độ
Pt: áp suất tổng

9. Thay (6.5) và (6.6) vào biểu thức (6.2), ta được:
α =
𝑃 𝐴
𝑃 𝐵
Định luật Raoult:
pA* = PA.x và pB* = PB(1-x) (6.3)
Pt = p*A + p*B = PA.x + PB(1 – x) (6.4)
(6.5)
(6.6)

10. Tại một nhiệt độ không đổi,
áp suất riêng phần và áp
tổng là tính tuyến theo x.
Thành phần của pha hơi cân
bằng y* được biểu diễn bởi
điểm D bằng tỷ số hai đoạn
FG và EG.

11. 6.2.3 Sai lệch so với định luật Raoult
Sai lệch dương – Hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực tiểu:
pA* = a.PA.x (a>1)
Trường hợp này xảy ra khi: lực liên kết giữa các phân tử khác
loại nhỏ hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại:
Hệ etanol-H2O ở 89,4% mol etanol

12. 6.2.3 Sai lệch so với định luật Raoult
Sai lệch âm– Hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực đại:
pA* = a.PA.x (a<1)
Trường hợp này xảy ra khi: lực liên kết giữa các phân tử khác
loại lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại:
Hệ HCl-H2O ở 11,1% mol HCl

13. 6.2.3 Sai lệch so với định luật Raoult
Hai chất hoàn toàn không tan lẫn: hỗn hợp sôi ở nhiệt độ không
đổi, thành phần pha hơi không đổi.

14. 6.2.4 Giản đồ hàm nhiệt – nồng độ (tự đọc)
6.2.5 Chưng cất liên tục
Chưng cất đơn giản liên tục:
Thiết bị ngưng tụ
Thiết bị làm lạnh
Gia nhiệt
ống xoắn
Thiết bị làm lạnh
F, xF
D, xD
P, xP
W, xw

15. 6.2.4 Giản đồ hàm nhiệt – nồng độ (tự đọc)
6.2.5 Chưng cất liên tục
Chưng cất tiết lưu

16. 6.2.4 Giản đồ hàm nhiệt – nồng độ (tự đọc)
6.2.5 Chưng cất liên tục
Chưng nhiều lần

17. 6.2.4 Giản đồ hàm nhiệt – nồng độ (tự đọc)
6.2.5 Chưng cất liên tục

18. Chưng cất liên tục (chưng phân đoạn)
Tháp mâm Tháp đệm
1 2

19. 6.2.6 Cân bằng vật chất chưng cất hh 2 cấu tử
F: suất lượng nhập liệu, kmol/h
D: suất lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h
W: suất lượng sản phẩm đáy, kmol/h
xF: nồng độ nhập liệu (của cấu tử dễ bay hơi), %mol
xD: nồng độ sản phẩm đỉnh (của cấu tử dễ bay hơi), %mol
xw: nồng độ sản phẩm đáy (của cấu tử dễ bay hơi), %mol
Phương trình cân bằng vật chất:
F = D+W
Cho cấu tử dễ bay hơi: F.xF = D.xD+W.xw
Có 2 phương pháp tính toán tháp chưng cất:
- Ponchon Savarit: tính tương đối chính xác tháp chưng
cất nhưng phải có đủ dữ kiện về hàm nhiệt
- McCabe Thiele: xem đường làm việc là đường thẳng,
thích hợp tính cho một số dung dịch có nhiệt dd nhỏ

20. Phương trình đường làm việc của tháp chưng cất
Phương trình đường làm việc đoạn cất
Gọi R là tỷ số hoàn lưu của tháp, G: suất lượng hơi (lỏng)
đỉnh tháp, l: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h
R= l/D = (G-D)/D
G/D = R+1
PT thể hiện quan hệ giữa nồng độ của pha lỏng ở một tiết
diện bất kì trên đoạn cất và nồng độ của pha hơi ở cùng tiết
diện phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu và nồng độ của sản phẩm
đỉnh.
(6.19)

21. Phương trình đường làm việc của tháp chưng cất
Phương trình đường làm việc đoạn chưng
Gọi L suất lượng mol dòng nhập liệu trên suất lượng mol
sản phẩm đỉnh:
f = L = F/D=
𝒙 𝑫
−𝒙𝑾
𝒙 𝑭
−𝒙𝑾
(6.20)

22. Phương trình đường làm việc của tháp chưng cất
Phương trình đường nhập liệu: dòng nhập liệu có các trạng
thái nhập liệu như trong đồ thị Lỏng dưới
điểm sôi
Lỏng sôi (lỏng
bão hòa)
Lỏng-hơi
cân bằng
Hơi bão
hòa
Hơi quá
nhiệt
xF

23. xD/(Rmin+1)
Xác định số mâm lý thuyết tháp chưng cất
y*F

24. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu Rmin
Theo phương trình (6.19) thì độ dốc của đường làm việc
phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu R. Đường làm việc càng gần
đường cân bằng thì chỉ số hồi lưu càng nhỏ. Chỉ số hồi lưu
có độ lớn tối thiểu sao là mâm nhập liệu tồn tại động lực,
tức hiệu số nồng độ y*-y>0. Vậy chỉ số hoàn lưu nhỏ nhất
khi giao điểm của 3 đường làm việc gặp nhau tại đường
cân bằng. Tung độ của đường làm việc phần cất là
xD/(Rmin+1) , xác định y*F trên đường cân bằng từ xF.
(6.22)
Chỉ số hoàn lưu thực tính theo công thức thực nghiệm:
(6.23)

25. Tính đường kính tháp chưng cất
Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, m3/h.
ωtb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, m/s.
Tính chiều cao tháp chưng cất
- Xác định số mâm lý thuyết: Nlt
- Xác định số mâm thực tế: Ntt= Nlt/ηtb
- ηtb= (ηF+ηD+ηW)/3 : hiệu suất trung bình TB
- Chiều cao tháp:
- h: khoảng cách mâm (chọn)
- 0,8-1 (m) : khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy

26. VD1 áp dụng:
Hỗn hợp gồm methanol (A)- nước (B) có suất lượng
2500kg/h methanol chiếm 50% khối lượng ở 25oC. Được
chưng cất liên tục ở 1at cho sản phẩm đỉnh chứa 95%
methanol, sản phẩm đáy chứa 1% methanol (theo khối
lượng. Nhập liệu trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy và
đạt trạng thái lỏng sôi. Hơi ở đỉnh ngưng tụ hoàn toàn hoàn
lưu ở điểm sôi. Tỷ số hoàn lưu thực bằng 1,5 lần Rmin. Xác
định:
a. Suất lượng các dòng sản phẩm (Kmol/h)
b. Rmin, R làm việc
c. Số mâm lý thuyết
6.2.7 Cân bằng nhiệt (tự đọc)

27. Hướng dẫn
a. Tính xF = 0,36 phần mol metanol
Phân tử lượng trung bình nhập liệu:
MtbF = 0,36.32 + 0,64.18 = 23,04 kg/kmol
Dòng nhập liệu: F = 2500(0,5/32 + 0,5/18)=108,4 kmol/h
Hoặc: F=2500/23,04
Tính xD = 0,915 phần mol methanol
xw= 0,00565 phần mol methanol
Cân bằng vật chất: F = D + W
FxF = DxD + WxW
Thế các thông số giải hệ PT ta được:
D = 42,2 kmol/h ; W = 66,2 kmol/h

28. Hướng dẫn
b. Tính Rmin: tìm bằng đồ thị hoặc tìm y*F và tính bằng 6.22
xF
xW xD
xD/(Rmin+1)
Đường
làm việc
phần cất
Đường làm
việc phần
chưng
y*F
1
2
3
4
5

29. Hướng dẫn
Từ đồ thị ta có : xD/(Rmin+1) = 0,56  Rmin = 0,63
Tỷ số hoàn lưu làm việc: R =1,5Rmin = 0,945
c. Tìm số mâm lý thuyết của tháp
Viết PT làm việc phần cất
Vẽ hai đường làm việc trên đồ thị, vẽ đường bậc thang
đếm số bậc thang ta được 9 mâm lý thuyết
Tính L
Viết PT làm việc phần chưng

30. 6.3 Các thiết bị chưng cất
6.3.1. Thiết bị chưng cất mâm xuyên lỗ

31. 6.3 Các thiết bị chưng cất
Nguyên lý hoạt động:
- Hỗn hợp nhập liệu được đưa vào tháp qua ống
nhập liệu 8, trong tháp chưng cất pha lỏng và hơi
tiếp xúc với nhau trên mâm dẫn đến cấu tử nhẹ bị
lôi cuốn lên trên đỉnh, còn cấu tử nặng thì chảy
xuống đáy theo ống chảy chuyền.
- Tại đáy tháp, hỗn hợp lỏng được tháo ra qua ống
6, một phần được lấy làm sản phẩm đáy, phần còn
lại qua nồi đun đáy tháp hóa hơi và quay lại tháp
chưng cất qua ống 5
- Tại đỉnh tháp, hơi ra khỏi tháp qua ống 1 rồi đi vào
thiết bị ngưng tụ thành lỏng-sôi. Một phần được lấy
làm sản phẩm đỉnh, phần còn lại hoàn lưu lại tháp
qua ống hoàn lưu 2

32. 6.3 Các thiết bị chưng cất
Ưu nhược điểm:
- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở
lực thấp hơn tháp chóp và ít tốn kim loại hơn tháp
chóp
- Nhược điểm:
Yêu cầu lắp đặt cao: Mâm lắp phải rất phẳng , đối
với những tháp có đường kính quá lớn (>2,4m) ít
dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối
không đều trên mâm.

33. 6.3 Các thiết bị chưng cất
6.3.2. Thiết bị chưng cất mâm chóp
1
2
3
4
5
6
7
7
8

34. 6.3 Các thiết bị chưng cất
Nguyên lý hoạt động: tương tự mâm xuyên lỗ,
khác ở chỗ hơi đi từ dưới lên qua chóp và tiếp xúc
với dòng lỏng làm bốc hơi cấu tử nhẹ
Ưu nhược điểm:
- Ưu điểm: hiệu suất truyền khối cao, ổn định và ít
tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn.
- Nhược điểm: chế tạo phức tạp và trở lực lớn.

35. 6.3 Các thiết bị chưng cất
6.3.3. Thiết bị chưng cất tháp đệm
1. Ống hơi ra
2. Ống hoàn lưu
3. Ống phân phối lỏng hoàn lưu
4. Tầng đệm
5. Ống hơi vào
6. Ống lỏng ra
7. Lưới đỡ đệm
8. Dòng nhập liệu vào
9. Đĩa phân phối lỏng

36. 6.3 Các thiết bị chưng cất

37. 6.3 Các thiết bị chưng cất
Cấu tạo: tháp đệm có cấu tạo hình trụ, gồm nhiều
bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm
được cho vào tháp theo một trong hai phương
pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.
Nguyên lý hoạt động: tương tự, khác quá trình
truyền khối xảy ra trên bề mặt vật liệu chêm.
Ưu nhược điểm:
- Ưu điểm: chế tạo đơn giản và trở lực thấp
- Nhược điểm: hiệu suất thấp, kém ổn định, sử
dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá
trình chưng cất theo không gian tháp và tháp chêm
khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công
nghiệp.