Tuần 6 Nhóm 5.docx

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN: KỸ THUẬT THỰC PHẨM 3

Đề tài: tính toán và thiết kế thiết bị chưng cất GVHD: Phan Thế Duy Nhóm:5 Thành viên nhóm: Võ Nghị Nghị

2005170468

Trần Ngọc Mãi

2005170090

Bùi Phương Ngân

2005170458

Lê Thị Hồng Ngọc

2005170106

Thạch Ngọc Thanh Nga

2005175024

1

Mục lục I. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT ............................................................................... 4 1.

Khái niệm ................................................................................................................. 4

2.

Các phương pháp chưng cất: ................................................................................. 4

II. MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT LIÊN TỤC, HỆ HAI CẤU TỬ:................................................................................................... 5 1. Về tính cân bằng vật chất: ........................................................................................ 5 a)

Nguyên tắc ............................................................................................................. 5

b) Công thức tính cân bằng vật chất ........................................................................... 6 Tính cân bằng nhiệt lượng ...................................................................................... 6

2. a)

Cân bằng nhiệt lượng của chưng cất liên tục ..................................................... 6

b)

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng: ..................................................... 8

c)

Cân bằng nhiệt của tháp...................................................................................... 9

d)Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ ............................................... 10 e)Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh ........................................................ 10 3.

Tính cân bằng vật liệu ........................................................................................... 12

III. PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG NỒNG ĐỘ LÀM VIỆC CỦA THÁP CHƯNG CẤT 13 1.

Phương trình đường nồng độ làm việc ở đoạn luyện ......................................... 13

2.

Phương trình đường làm việc của đoạn chưng .................................................. 15

3.

Đối với tháp chưng chỉ có cột chưng.................................................................... 17

4.

Chỉ số hồi lưu tối thiểu .......................................................................................... 19

5.

Chỉ số hồi lưu hiệu quả và số đĩa lý thuyết ......................................................... 20

6.

Chỉ số hồi lưu thích hợp ........................................................................................ 22

IV. XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ VÀ HIỆU SUẤT QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT: 24 1.

Xác định số mâm thực tế: ..................................................................................... 24

2.

Hiệu suất quá trình chưng cất: ............................................................................ 26

V.

CÁC THIẾT BỊ CHƯNG CẤT ............................................................................ 27 2

Chưng cất liên tục .................................................................................................. 27

1.

2.

a.

Chưng cất bốc hơi ............................................................................................... 28

b.

Chưng cất tiết lưu ............................................................................................... 29 Chưng cất đơn giản (gián đoạn) ........................................................................... 30

Tài liệu tham khảo:.......................................................................................................... 31

3

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT I.

LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT 1. Khái niệm

Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách hỗn hợp lỏng ra thành các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng một nhiệt độ, vì thế ta sẽ thu được hóa chất tinh khiết hơn. Phương pháp chưng cất dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau). Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm và thường bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Muốn có quá trình chưng cất đạt hiệu quả cao ta phải tìm hiểu tính chất của hỗn hợp lỏng sẽ đem chưng cất. Hỗn hợp lỏng rất đa dạng, ở đây ta đề cập đến hỗn hợp lỏng hai thành phần vì chúng là những đối tượng của quá trình chưng cất gặp rất nhiều trong thực tế. Quá trình phân riêng các thành phần của hỗn hợp lỏng có nhiều thành phần cũng tương tự như hỗn hợp lỏng có hai thành phần. Đối với trường hợp 2 cấu tử ta có: Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.      





2. Các phương pháp chưng cất: Phân loại theo áp suất làm việc: Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao Phân loại theo nguyên lý làm việc: Chưng cất đơn giản:dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi khác nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất. Chưng cất bằng hơi nước: dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chât được tách không tan với nước. Khi chưng bằng hơi nước người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏng bằng một bộ phận phun. Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt. Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và lớp chất lỏng, các cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm. Chưng luyện: là phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn với nhau. Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở

4

nhiệt độ cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao. Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.  Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử. Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử ở nhiệt độ sôi quá cao.  Các phương pháp chưng cất khác.

II. MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT LIÊN TỤC, HỆ HAI CẤU TỬ: 1. Về tính cân bằng vật chất: Cân bằng vật chất thực chất là công cụ thống kê ghi lại một cách định lượng nguyên liệu sử dụng tại mỗi công đoạn sản xuất. Cân bằng vật chất đối với đánh giá SXSH là cân bằng có số liệu tin cậy về tổn thất nguyên nhiên liệu đi theo dòng thải. Căn cứ trên số liệu cân bằng và kiểm chứng trong phần đặc trưng dòng thải ta sẽ có số liệu về chi phí mất theo dòng thải. Cân bằng vật chất có thể được thể hiện dưới một trong hai hình thức sau: + Cân bằng tổng thể: Dùng cho tất cả các dòng nguyên liệu vào đây chuyền sản xuất. Cân bằng được tiến hành qua từng công đoạn với sự biến đổi của tất cả các thành phần tham gia vào dây chuyền sản xuất. + Cân bằng từng phần: Chỉ dùng cho một loại nguyên liệu hoặc từng phần có giá trị. Theo dõi biến đổi của từng phần này trên mỗi công đoạn. Nhằm định lượng tổn thất vật liệu của từng quá trình rồi tập hợp cho cả dây chuyền sản xuất. Trên cơ sở các số liệu đã tính toán, thông thường nhóm sản xuất lựa chọn và đề xuất các cơ hộis sản xuất, sắp xếp theo thứ tự ưu tiên. Đồng thời, thực hiện số liệu nền cho tình hình sản xuất hiện tại. a) Nguyên tắc Nguyên tắc cơ bản của cân bằng vật chất là nguyên liệu đi vào dây chuyền sẽ phải ra khỏi dây chuyền sản xuất ở một điểm nào đó, dưới một hình thức nào đó. - Phương trình cân bằng vật chất được thể hiện như sau: ∑ Vật chất vào = ∑ Vật chất ra + ∑ Tổn thất - Cân bằng vật chất được dựa trên các số liệu có được bằng phương pháp tính toán lý thuyết hay các số liệu có được bằng phương pháp đo đạc thực tế sản xuất hoặc kết hợp cả hai phương - Lập kế hoạch đo đạc số liệu đầu vào và đầu ra cho một ngày sản xuất, ghi lại lượng tiêu thụ các dòng thải cho một thời gian. - Lập bảng các thông số đầu vào và đầu ra đối với vật chất điển hình, đại diện được đo đạc.

5

b) Công thức tính cân bằng vật chất Ta có: Suất lượng nhập liệu (Gđ) Gđxđ = Gcxc Tổng lượng hơi thứ bốc lên G đ = Gc + W Suy ra: W = Gđ - Gc Trong đó: Gđ : suất lượng nhập liệu đầu Gc : suất lượng nhập liệu cuối Xđ : nồng độ nhập liệu đầu Xc : nồng độ nhập liệu cuối W : cân bằng vật chất 2. Tính cân bằng nhiệt lượng Mục đích của cân bằng nhiệt lượng: -Là để xác định nước lạnh cần thiết cho quá trình ngưng tụ và làm lạnh,cũng như để xác định lượng hơi đốt cần thiết khi đun nóng hỗn hợp ban đầu và bốc hơi ở đáy tháp a)

Cân bằng nhiệt lượng của chưng cất liên tục

Trường hợp 1: - Xét các mâm trong tháp là mâm lý tưởng và được đánh số từ đỉnh xuống, chỉ số của ký hiệu dòng cho biết mâm dòng đó đi ra. Ví dụ: Lo là suất lượng (mol/s) pha lỏng đi ra tưg mâm thứ n. Ký hiệu gạch trên để chỉ dòng đi trong phần chưng. Sản phẩm đỉnh có thể ở trạng thái lỏng, hơi hoặc hỗn hợp. Tuy nhiên, dòng hoàn lưu phải ở trạng thái lỏng. Định nghĩa tỉ số hoàn lưu (ngoại) là số mol của dòng hoàn lưu chia cho số mol sản phẩm đỉnh: 𝑅=

𝐿0 𝐷

(1)

Xét thiết bị ngưng tụ, tạo hình 1, cân bằng vật chất tổng cộng là: Gl = D+Lo (2) 6

Gl = D+ RD = D (R+1) (3) Với cấu tử A: Glyl = Dzp+Loxo (4)

Hình 1. Cân bằng vật chất – năng lượng cho tháp chưng cất Phương trình (2) và (5) được dùng để xác định suất lượng và thành phần các dòng ở đỉnh tháp. Cân bằng nhiệt lượng bao (hình 1) 𝐺1 𝐻𝐺1 = 𝑄𝑐 + 𝐿0 𝐻𝐿0 + 𝐷𝐻𝐷

(5)

𝑄𝑐 = 𝐷 (𝑅 + 1)𝐻𝐺1 − 𝑅𝐻𝐿0 − 𝐻𝐷

(6)

Phương trình trên được dùng để tính nhiệt tải của thiết bị ngưng tụ. Nhiệt tải do nồi đun cung cấp được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ tháp, bao. 𝑄𝐷 = 𝐷𝐻𝐷 + 𝑊𝐻𝑊 + 𝑄𝑐 + 𝑄𝐿 − 𝐹𝐻𝐹

(7)

7

Trong đó 𝑄𝐿 là nhiệt tổn thất ra môi trường ngoài. Để tiết kiệm năng lượng, có thể cho dòng sản phẩm đáy ở nhiệt độ sôi trao đổi nhiệt với dòng nhập liệu, hoặc dòng nhập liệu làm môi trường lạnh để ngưng tụ hơi trong thiết bị ngưng tụ nhằm gia nhiệt nhập liệu trước khi vào tháp. Trường hợp 2 Xét lần lượt từng thiết bị trong hệ thống hình b) Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng: QD1 + Qf =Q’f + Qm

(8)

QD1- Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào: QD1 = D1r

(9)

D1 - lượng hơi đốt,kg/s; r- ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt,J/kg;

Qf - Nhiệt lượng do dung dịch đầu mang vào

Hình 2: Sơ đồ để cân bằng nhiệt của quá trình chưng cất liên tục

8

Ta có: Qf = FCf tf ,W

(10)

Với: F - Lượng hỗn hợp đầu, kg/s Cf - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu,J/kg độ; tf - nhiệt độ của hỗn hợp, Q’f - nhiệt lượng do hỗn hợp mang ra khỏi thiết bị và đi vào tháp chưng: Q’f =FC’f t’f , W

(11)

Với: C’f - nhiệt dung riêng của hỗn hợp, J/kg độ; tf - nhiệt độ của hỗn hợp, Qf - nhiệt mất ra môi trường xung quanh, thường lấy Qm = 5%QD1, W. Thay các giá trị tích được vào phương trình và giải ra,ta xác định được lượng hơi đốt cần thiết để đun nóng dung dịch đầu: D1 = f(C’f t’f - Cf tf) / 0,95r, kg/s

(12)

c) Cân bằng nhiệt của tháp Q’f + QD2 + Qx = Qn + Qw + Qm

(13)

Từ đây tính được lượng hơi đốt cần thiết để đun bốc hơi ở đáy tháp: D2 = (Qn + Qw + Qm -Q’f - Qx) /r

(14)

Trong đó Qn - nhiệt do hơi mang ra Qn = P(1 + R)  , W

(15)

Ở đây P - lượng sản phẩm đỉnh, kg/s R - chỉ số hồi lưu, kg/kg;

 = α1  1+  2 α2  1  2 - nhiệt lượng riêng của các cấu tử trong hỗn hợp, J/kg α1, α2 - nồng độ các cấu tử trong hỗn hợp, % khối lượng; Qw - nhiệt do sản phẩm đáy mang ra: Qw = twCwW , W

(16)

Ở đây : W - lượng sản phẩm đáy, J/kg ; Cw - nhiệt dung riêng sản phẩm đáy, J/kg độ; Tw - nhiệt độ sản phẩm đáy, ℃; Qm - nhiệt mất ra môi trường xung quanh, lấy bằng 5% QD2; Q’f - xác định theo công thức 9

Qx - nhiệt do lượng hồi lưu mang vào Qx = R P Cx tx , W;

(17)

Trong đó: Cx - nhiệt dung riêng của chát lỏng hồi lưu,J/kg độ; Tx - nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu,℃; d)Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ Nếu chỉ ngưng tụ hồi lưu: P.R.r = G1C1 (t2 - t1) (18) Từ đây ,ta có lượng nước lạnh tiêu tốn là: G1 = P.R.r / C1 (t2 - t1), kg/s

(19)

Trong đó: C1 - nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình ttb - 0,5(t1+t2), J/kg độ; r - ẩn nhiệt hóa hơi, J/kg; t1 , t2 - nhiệt độ vào và nhiệt độ ra của nước, Nếu ngưng tụ hoàn toàn ta có: P (1+R) r = G2C1 (t2 - t1)

(20)

Do đó lượng nước tiêu tốn là: G2 = P(1+R) r / C1 (t2 - t1), kg/s;

(21)

e)Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh Trường hợp ngưng tụ hồi lưu: P (r+C(t’2 - t’1) = G3C1 (t2 - t1)

(22)

Trường hợp ngưng tụ hoàn toàn: P (t’2 - t’1) C = G4C1 (t2 - t1)

(23)

Trong đó ngoài các đại lượng đã biết còn: C - nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh, J/kg độ t’2, t’1 - nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh, ℃; G3, G4 - lượng nước lạnh tiêu tốn trong 2 trường hợp, kg/s * Quy tắc pha Gibbs: - Quy tắc pha Gibbs là một quy tắc tổng quát nhất áp dụng cho mọi cân bằng pha, nó cho phép xét định tính các mối quan hệ của những thông số nhiệt động trong các hệ cân bằng dị thể và từ đó tìm ra các mốiquan hệ định lượng giữa các thông số này c = tổng thông số trạng thái – tổng phương trình liên hệ C=k–f+n

10

Trong đó n là hai thông số bên ngoài quyết định trạng thái của hệ (thường chọn là áp suất và nhiệt độ). Nên n = 2 Nếu T = const hoặc P = const: c = k – f + 1 Nếu T, P = const

:c=k-f

* Cách biểu diễn trên giản đồ pha: - Biễu diễn thành phần 2 cấu tử: sử dụng phần mol hoặc phần trăm khối lượng. Để biểu diễn ta dùng một thẳng chia đều 100 phần bằng nhau. Khi điểm biểu diễn của hệ càng gần phía cầu tử nào thì phầntrăm của nó càng cao.

Thành phần của các cấu tử trên giản đồ pha thường dùng là phần mol xi hay phần trăm khối lượng yi. Trong hệ hai cấu tử, dùng một đoạn thẳng được chia thành 100% như sau: Trên trục toạ độ chỉ cần biểu diễn cho một cấu tử vì thành phần củacấu tử còn lại được xác định theo công thức: xA+ xB = 1 hay y1 + y2 = 100% Khi điểm biểu diễn của hệ càng gần cấu tử nào thì hàm lượng của cấu tử đó càng lớn *Năng lượng là thước đo độ vận động của vật chất. ứng với những hình thái vận động khác nhau của vật chất chúng ta có những hình thái năng lượng khác nhau như thế năng, động năng, nội năng… Hai dạng thể hiện của năng lượng hóa học là: Nhiệt (Q) và Công (W) Lưu ý : không có giá trị năng lượng bằng 0 tuyệt đối mà chỉ có năng lượng bằng 0 ứng với một hệ quy chiếu chuẩn nào đó. Nhiệt (q) là thước đo sự chuyển động hỗn loạn (chuyển động nhiệt) của các tiểu phân tạo nên chất hay hệ. Hệ thống hai cấu tử: Ở hệ thống gồm hai hay nhiều cấu tử tạo thành thì vị trí cân bằng của nó không chỉ phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào thành phần của pha. Đối với hệ hai cấu tử có hai pha thì số bật tự do là: C=2–2+2=2 Nghĩa là ở hệ bật hai, tức có thể thay đổi đồng thời cả áp suất và nhiệt độ mà số pha trong hệ vẫn không thay đổi, song ngoài áp suất và nhiệt độ còn có thành phần pha, 11

nên để đặc trưng cho hệ này thông thường thừa nhận một yếu tố là không đổi, còn yếu tố kia phụ thuộc vào đơn vị thành phần pha, nghĩa là khi áp suất không đổi thì một thành phần pha sẽ ứng với một nhiệt độ nhất định và ngược lại khi nhiệt độ không đổi thì thành phần pha sẽ ứng với một áp suất nhất định. 3. Tính cân bằng vật liệu Sơ đồ hình biểu diễn hệ thống chưng luyện liên tục. Hỗn hợp đầu F được tách thành sản phẩm đỉnh P và sản phẩm đáy W.Ở đĩa trên cùng có một lượng lỏng hồi lưu.Ở đáy tháp có thiết bị đun sôi.Lượng hơi đi ra đỉnh tháp DO.

Hình 3 :Sơ đồ hệ thống chưng luyện Phương trình cân bằng vật liệu: F=P+W

(24)

Cho cấu tử dễ bay hơi: F. xF= P. xP + W. xW

(25)

Thông thường hỗn hợp đầu F,nồng độ hỗn hợp đầu cho trước.Từ phương trình(24) và (25) tính được lượng sản phẩm đáy hoặc đỉnh, thay: P=F-W

(26)

Vào phương trình có:

12

F.xF= (F-W) xP + W.xW Rút ra:

W = F.

P= F.

III.

x x x x 

F



W

x x x x F

W



W

(27) (28)

(29)

PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG NỒNG ĐỘ LÀM VIỆC CỦA THÁP CHƯNG

CẤT - Để đơn giản cho việc thiết lập đường làm việc của tháp chưng cất cần chấp nhận những giả thiết sau: Dòng mol pha hơi đi từ dưới lên không đổi trên toàn bộ chiều cao của tháp. Dòng mol pha lỏng đi từ trên xuống không đổi trong đoạn cất và đoạn chưng, tức là phải thõa mãn các điều kiện: - Nhiệt hóa hơi mol của các cấu tử bằng nhau,theo công thức kinh nghiệm của Trouton: 𝑟 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝐽 ≈ 21 ℎ𝑜ặ𝑐 ≈ 88 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 𝑇 𝑘𝑚𝑜𝑙°𝐾 𝑘𝑚𝑜𝑙°𝐾  Không có nhiệt hòa tan. ∆𝑄 = 0  Không có nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh.  Sự sai khác về nhiệt lượng riêng của chất lỏng sôi trên các tiết diện khác nhau của tháp được bỏ qua. Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi. Chất lỏng đi ra khỏi thiết bị ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi đi ra ở đỉnh tháp. Hơi bốc lên từ đáy tháp có nồng độ bằng nồng độ sản phẩm đáy. Đun sôi đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp. 1. Phương trình đường nồng độ làm việc ở đoạn luyện Cân bằng vật liệu ở vị trí bất kỳ ở đoạn cất (hình 4)

13

Hình 4: Sơ đồ đoạn luyện của tháp chưng luyện

𝐷0 = 𝐿0 + 𝑃 𝐷0 𝑦 = 𝐿0 . 𝑥 + 𝑃. 𝑥𝑃

(30) (31)

Từ hai phương trình (1) và (2), ta rút ra: 𝑦=

Gọi

𝐿0 𝑃

𝐿0 𝑃+𝐿0

.𝑥 +

𝑃 𝑃+𝐿0

. 𝑥𝑃

(32)

= 𝑅 là chỉ số hồi lưu, ta có: 𝑅

𝑦=

𝑅+1

.𝑥 +

Hoặc 𝑦 = 𝐴𝑥 + 𝐵. Với 𝐴 =

1 𝑅+1

𝑅 𝑅+1

. 𝑥𝑃

;𝐵 =

(33) 𝑥𝑃

𝑅+1

Phương trình (33) là phương trình đường nồng độ làm việc ở đoạn cất. Nó có dạng đường thẳng và góc nghiêng α1 ( hình 5). tgα1 = R  R 1

L D

0

(34)

0

cắt trục trung tại điểm m: (y)x=0 =

x



R 1

 m(35)

14

Hình 5: Đồ thị y x biểu diễn đường làm việc của đoạn luyện

Tại y = x có xP = yD,tức đi qua điểm y = xP trên đường chéo. Điều này thể hiện quan hệ giữa nồng độ của pha lỏng ở một tiết diện bất kỳ trên đoạn luyện và nồng độ pha hơi ở cùng tiết diện phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu và nồng độ của sản phẩm đỉnh. Trong trường hợp hồi lưu hoàn toàn lượng sản phẩm đỉnh thì: LO= DO ;

L D

O

 1 , α1 = 45̊

O

P = 0 và R →  . Có nghĩa không thu được sản phẩm đỉnh và đường làm việc trùng với đường chéo. 2. Phương trình đường làm việc của đoạn chưng

15

Xuất phát từ phương trình cân bằng vật liệu ở vị trí bất kỳ của đoạn chưng (hình 6), ta có:

Hình 6: Sơ đồ đoạn chưng của tháp chưng luyện

𝐷𝑢 = 𝐿𝑢 − 𝑊 𝐷𝑢 . 𝑦 ′ = 𝐿𝑢 . 𝑥 ′ − 𝑊. 𝑥𝑊 Từ hai phương trình (4) và (5), ta rút ra: 𝑦′ =

𝐿𝑢 𝐿𝑢 −𝑊

. 𝑥′ −

𝑊

. 𝑥𝑊

𝐿𝑢 −𝑊

(36) (37)

(38)

𝐿𝑢 = 𝐿0 + 𝐹 𝑊 =𝐹−𝑃 Thay vào phương trình (38), ta có: Mặt khác:

𝑦′ = Thay 𝑦′ =

𝐿0 +𝐹 𝐿0 +𝑃 𝐹 𝑃

. 𝑥′ −

𝐹−𝑃 𝐿+𝑃

. 𝑥𝑊

(39)

= 𝑓 vào phương trình (39) ta rút ra:

𝑅+𝑓 𝑅+1

. 𝑥′ +

1−𝑓 𝑅+1

. 𝑥𝑊

(40)

Hoặc 𝑦 ′ = 𝐴′ . 𝑥 ′ + 𝐵′ Với 𝐴′ =

𝑅+𝑓 𝑅+1

, 𝐵′ =

1−𝑓 𝑅+1

(41) . 𝑥𝑊 16

Phương trình (40) là phương trình đường nồng độ làm việc ở đoạn chưng. Nó là đường thẳng và có góc nghiêng : tg𝛼2 =

𝐿𝑢 𝐿𝑢 −𝑊

=

𝐿𝑢 𝐷𝑢

và tại điểm 𝑥 ′ = 𝑦′ nó đi qua điểm 𝑦𝑊 = 𝑥𝑊 trên đường chéo (hình 2.31). Trong trường hợp hồi lưu hoàn toàn lượng sản phẩm đáy bằng không và đường làm việc trùng với đường chéo.

Hình 7: Đồ thị y - x biểu diễn đường làm việc của đoạn chưng

3. Đối với tháp chưng chỉ có cột chưng Trường hợp cần tách cấu tử khó bay hơi ở độ tinh khiết lớn,thì dùng tháp chưng luyện liên tục chỉ có đoạn chưng(hình).Hỗn hợp đầu được đưa vào tháp ở đỉnh,không cần lượng hồi lưu. Đường làm việc được thiết lập cũng tuân theo những giả thiết của Mc Cabe và Thile. Phương trình cân bằng vật liệu cho toàn tháp: F= P+W Hoặc

F.xF = P.xP + W.xW (giống như trường hợp chưng luyện

thông thường). Phương trình cân bằng vật liệu ở đáy tháp: L= D + W

17

Lx = Dy + W.xW

(42)

Phương trình cân bằng vật liệu ở đỉnh tháp: F + D= P + L F.xF + Dy= P. xP + Lx

(43)

Từ phương trình (42) rút ra phương trình đường nồng độ làm việc: Dy = L.x - W.xW y=

F W X D D

x

W

(44)

Lượng lỏng thu được: L= F.q Với

(45) q=

i i I i D

D

F



y  xF

L

yx

(46)

Lượng hơi đi trong tháp: D = L - W=F.q - W

(47)

Thay phương trình (45) vào (47) thu được phương trình nồng độ làm việc cho trường hợp tháp chỉ có đoạn chưng: y=

q.F W .x  q.F  W q.F

x

W

(48)

Với góc nghiêng α: tgα=

L q.F q.F   (49) D q.F  W P  F (q  1)

Đường làm việc đi qua điểm yW = xW khi y = x và tại y =1 cắt trục tung ở: x’ = 1 -

W (1  xW )(50) F .q  W

18

Hình 8: Tháp chưng luyện chỉ có cột chưng

Hình 9 : Đồ thị x, y

Hình 9: Biểu diễn đường làm việc và số đĩa lý thuyết. Để xác định thành phần của sản phẩm đỉnh yD và sản phẩm đáy xW.Khi nồng độ hỗn hợp đầu xF ta cần có ba đĩa như hình (9).Giao điểm của yD và xF là điểm đi qua của đường làm việc. 4. Chỉ số hồi lưu tối thiểu Động lực của quá trình chưng luyện được xác định qua hiệu số nồng độ giữa đường cân bằng và đường làm việc, theo pha hơi có(y* -y) và theo pha lỏng có (x - x*). Trong đó dấu (*) chỉ nồng độ cân bằng. Theo phương trình (hình 10) thì độ dốc của đường làm việc phụ thuộc chỉ số hồi lưu R. Do đó cường độ làm việc càng gần với đường cân bằng thì chỉ số hồi lưu càng nhỏ. Vậy chỉ số hồi lưu có độ lớn tối thiểu, khi đĩa dưới cùng của đoạn luyện(còn gọi là đĩa tiếp liệu) tồn tại động lực, tức hiệu số nồng độ y* - y dương. Ở trường hợp giới hạn có chỉ số hồi lưu tối thiểu, tức tại xF thì(y* -y) bằng 0 (hình 10)

19

Hình 10: Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Để xác định giá trị của chỉ số hồi lưu tối thiểu , xuất phát từ điểm xP = yD trên đường chéo kéo đường thẳng qua điểm Z là giao điểm của đường thẳng vuông góc với trục hoành qua xF với đường cân bằng,cắt trục trung tai điểm BO có đoạn m’, theo công thức (51): m’ =

x



Rmin  1

(51)

Xác định được chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin: Rmin = x  1(52) m'

Từ đồ thị hình theo công thức: tgα1=

R R

min

min

Rút ra

Rmin=

1



y x x

D  y*F



F



x x x

  y*F



F

x  y* y*  x 

F

F

F

Với y*F là nồng độ cân bằng với xF. Tại điểm z động lực tính theo pha hơi và pha lỏng đều bằng 0. 5. Chỉ số hồi lưu hiệu quả và số đĩa lý thuyết 20

Hình 11: Đồ thị y- x xác định số đĩa lý thuyết Các trường hợp giới hạn đã nêu trong thực tế không thực hiện là: R=Rmin thì Nlt→  R→  thì Nlt = Nmin Trong đó: Nlt - Số đĩa lý thuyết của tháp chưng luyện. Vì vậy tháp cần làm việc ở chỉ số hồi lưu hiệu quả nằm ở giữa các trường hợp giới hạn trên.Theo quy tắc của Faust thì chỉ số hồi lưu hiệu quả là: Rhq = (1,1……….1,5) Rmin

(53)

với giá trị Rhq có thể xác định m trên đồ thị y-x, đường làm việc và số đĩa lí thuyết (hình 11) Qua đồ thị số đĩa lí thuyết đoạn luyện là Nlt=2 và đoạn chưng là Nlt = 2. Số đĩa của toàn tháp:

Nlt = Nlt = 4

Những điểm trên đường cân bằng tương ứng với các đĩa có lượng hơi bay lên cân bằng với lượng dòng chảy xuống cũng từ các đĩa ấy là: 21

2 4 6 8 như kí hiệu Tại đĩa n: ↑Dn ↓Ln Những điểm trên đường làm việc tương ứng với các đĩa có lượng hơi bay lên gặp với lượng lỏng ở đĩa trên chảy xuống với sự trao đổi chát và trao đổi nhiệt là: 1 3 5 7 như kí hiệu: Tại đĩa n: ↑Dn ↓Ln+1 6. Chỉ số hồi lưu thích hợp Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làm bay hơi lượng hồi lưu này.Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm dần cùng với sự tăng của chỉ số hồi lưu. Nếu giảm chỉ số hồi lưu thì sẽ làm tăng chi phí chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc.Vì vậy cần tiếp cận giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu.Bằng phương pháp đồ thị dự vào quan hệ giữa chỉ số hồi lưu và số đĩa lí thuyết để xá định chỉ số hồi lưu thích hợp theo quan hệ NltR= f(R). Đồ thị quan hệ Nlt = f(R) chỉ ra vùng làm việc thích hợp,từ đó có thể tính được quan hệ thích hợp giữa Nlt và R (hình 12)

Hình 12: Đồ thị quan hệ N = f(R) Vùng làm việc thích hợp Để xác định chính xác giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu Rup ta dùng quan hệ N.R = f(R). Giá trị cực tiểu của đồ thị cho ra chỉ số hồi lưu thích hợp Rup vì tại đó thiết bị có kích thước bé nhất nhưng vẫn đảm bảo chế độ làm việc tốt nhất .Điều này có thể được giải thích: Sự phụ thuộc giữa chủi số hồi lưu và kích thướt tháp qua thể tích làm việc V = f.H, trong đó: 22

f là tiết diện tháp (㎡). H là chiều cao tháp (m). Mặt khác tiết diện tỷ lệ thuận với lượng hơi đi trong tháp D=(R+1).P,có nghĩa tỷ lệ với lượng hồi lưu. Do đó trong điều kiện làm việc nhất định P= const, thì f ~ D ~R,nên V ~ N.R.Trên cơ sở đó xây dựng quan hệ NR= f(R) sẽ xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp (hình 13)

Hình 13: Đồ thị quan hệ NR = f(R) Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp: Tính lượng lỏng và hơi đi trong tháp Với đoạn luyện có cân bằng vật liệu: Do = Lo+ P (54) Và R =

L P

Lượng lỏng đi trong đoạn luyện: Lo= R + P

(55)

Lượng hơi đi trong đoạn luyện: Du = P (R+1)

(56) 23

Nếu nhiệt độ của hỗn hợp đầu bằng nhiệt độ sôi thì lượng hơi và lỏng đi trong đoạn chưng được tính: Du = Do = P (R+1)

(57)

Lu = Lo + F = R. P + F

(58)

Lượng hơi và lỏng đi trong đoạn chưng và đoạn luyện sẽ quyết định cho việc xác định kích thước chính của tháp chưng luyện. IV. XÁC ĐỊNH SỐ MÂM THỰC TẾ VÀ HIỆU SUẤT QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT: 1. Xác định số mâm thực tế: Số mâm thực tế được tính theo hiệu suất trung bình: Ntt=

𝑁𝑙𝑡 𝑡𝑏

Trong đó: 𝑡𝑏 : Hiệu suất trung bình của đĩa, là 1 hàm số của độ bay hơi tương đối và độ nhớt của hỗn hợp lỏng: =f(α,µ) 𝑁𝑡𝑡 : Số mâm thực tế 𝑁𝑙𝑡 : Số mâm lý thuyết Xác định hiệu suất trung bình của tháp 𝑡𝑏 : + Độ bay hơi tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α=

𝑦∗ 1+𝑦 ∗

×

1−𝑥 𝑥

Với: 𝑥: Phần mol của nước trong pha lỏng 𝑦: Phần mol của nước trong pha hơi cân bằng với pha lỏng lgµℎℎ = 𝑥1 lgµ1 + 𝑥2 lgµ2  Ví dụ: Tính toán tháp chưng cất hệ hỗn hợp 2 cấu tử nước-acid axetic, với năng suất nhập liệu là 0,8 m3/h, nồng độ nhập liệu 88% khối lượng nước, nồng độ sản phẩm đỉnh 99,55% khối lượng nước, nồng độ sản phẩm đáy 70% khối lượng nước, nhiệt độ nhập liệu 100,1727℃, nhiệt độ sản phẩm đỉnh 100,0235℃, nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt 40℃, trạng thái nhập liệu lỏng sôi. Các thông số ban đầu: Năng suất nhập liệu: 𝐹̅ = 0,8 m3/h 24

Nồng độ nhập liệu: ̅̅̅ 𝑥𝐹 = 88% kl nước Nồng độ sản phẩm đỉnh: ̅̅̅ 𝑥𝐷 = 99,55% kl nước Nồng độ sản phẩm đáy: 𝑥 ̅̅̅̅ 𝑊 = 70% kl nước Nhiệt độ nhập liệu: tF = 100,1727℃ Nhiệt độ sản phẩm đỉnh: tD = 100,0235℃ Nhiệt độ sản phẩm đáy sau khi trao đổi nhiệt: t’W = 40℃ Khối lượng phân tử nước và phân tử acid acetic: MN = 18, MA = 60 Giải  Chuyển từ phần khối lượng sang phần mol xF =

̅̅̅̅ 𝑥𝐹 𝑀𝑁 ̅̅̅̅ 𝑥𝐹 ̅̅̅̅̅̅̅̅ 1−𝑥𝐹 + 𝑀𝑁 𝑀𝐴

xD

=

xW =

=

0,88 18 0,88 1−0,88 + 18 60

̅̅̅̅̅ 𝑥𝐷 𝑀𝑁 ̅̅̅̅̅ 𝑥𝐷 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 1−𝑥𝐷 + 𝑀𝑁 𝑀𝐴

̅̅̅̅̅̅ 𝑥 𝑊 𝑀𝑁 ̅̅̅̅̅̅ 𝑥𝑊 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 1−𝑥𝑊 + 𝑀𝑁 𝑀𝐴

= 0,9607 ( phần mol nước)

=

0,9985

(

phần

mol

nước

)

= 0,8861 ( phần mol nước )

 Tại vị trí nhập liệu: xF = 0,9607 ta tra đồ thị cân bằng của hệ 𝑦 ∗ F = 0,9700 tF = 100,1727℃

+ αF =

𝑦 ∗𝐹 1−𝑦 ∗

× 𝐹

1−𝑥𝐹 𝑥𝐹

=

0,9700 1−0,9700

×

1−0,9607 0,9607

=1,27

+ tF = 100,1727℃, µ𝛼 = 0,46×10-3 N.s/m2, µ𝑛 = 0,284×10-3 N.s/m2 25

µ𝐹 = 0,443×10-3 N.s/m2 = 0,443 cP  αF× µ𝐹 = 1,27×0,443 = 0,563 𝐹 = 0,58  Tại vị trí mâm đáy: xW = 0,8861 ta tra đồ thị cân bằng của hệ 𝑦 ∗ W = 0,925 +αW =

𝑦 ∗𝑊 1−𝑦 ∗

×

𝑊

1−𝑥𝑊 𝑥𝑊

=

0,925 1−0,925

×

1−0,8861 0,8861

=1,58

+ µ𝛼 = 0,46×10-3 N.s/m2, µ𝑛 = 0,284×10-3 N.s/m2 µ𝐹 = 0,443×10-3 N.s/m2 = 0,443 cP  αF× µ𝐹 = 1,58×0,443 = 0,7 𝑊 = 0,54  Tại vị trí mâm đỉnh: xD = 0,9985 ta tra đồ thị cân bằng của hệ 𝑦 ∗ D = 0,999 tD = 100,0235℃ +αD =

𝑦 ∗𝐷 1−𝑦 ∗

×

𝐷

1−𝑥𝐷 𝑥𝐷

=

0,999 1−0,999

×

1−0,9985 0,9985

=1,5

+ tD = 100,0235℃, µ𝛼 = 0,46×10-3 N.s/m2, µ𝑛 = 0,284×10-3 N.s/m2 µ𝐹 = 0,443×10-3 N.s/m2 = 0,443 cP  αD× µ𝐷 = 1,5×0,443 = 0,7 𝐷 = 0,56  Hiệu suất trung bình của đĩa 𝑡𝑏 =

𝐹 +𝑊 +𝐷 3

=

0,58+0,54+0,56 3

= 0,56

 Số mâm đĩa thực tế của tháp Ntt: Ntt =

23 0,56

= 41 mâm

2. Hiệu suất quá trình chưng cất: - Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực ta cần phải biết hiệu suất mâm. Có 3 loại hiệu suất mâm được dùng là: + Hiệu suất tổng quát E0, liên quan đến toàn bộ tháp, là hiệu suất đơn giản khi sử dụng nhưng kén chính xác nhất, được định nghĩa là tỉ số giữa số mâm lý tưởng và số mâm thực cho toàn tháp

26

E0 =

số mâm lý tưởng số mâm thực

=

𝑠ố 𝑏ậ𝑐 𝑡ℎ𝑎𝑛𝑔−1 số mâm thực

+ Hiệu suất mâm Murphree EM, liên quan đến một mâm, là tỉ số giữa sự biến đổi nồng độ pha hơi qua một mâm với sự biến đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi rời mâm cân bằng với pha lỏng rời mâm thứ n EM =

𝑦𝑛 −𝑦𝑛−1 𝑦′𝑛 −𝑦𝑛+1

Trong đó 𝑦𝑛 : Nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n 𝑦𝑛+1 : Nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n 𝑦′𝑛 : Nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng rời ống chảy chuyền mâm thứ n + Hiệu suất cục bộ ECB, liên quan đến một vị trí cụ thể trên một mâm ECB =

𝑦 ′ 𝑛 −𝑦 ′𝑛−1 𝑦 ′ 𝑒𝑛 −𝑦 ′𝑛+1

Trong đó 𝑦′𝑛 : Nồng độ pha hơi rời khỏi vị trí cụ thể trên mâm n 𝑦′𝑛+1 : Nồng độ pha hơi mâm n tại cùng vị trí 𝑦′𝑒𝑛 : Nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại cùng vị trí V.

CÁC THIẾT BỊ CHƯNG CẤT

1. Chưng cất liên tục Hệ thống thiết bị chưng cất liên tục gồm có: Tháp chưng cất 1. Đáy tháp: phần dưới gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi là đoạn chưng 2. Thiết bị đun nóng dùng để đun nóng hỗn hợp đầu 3. Đỉnh tháp: phần trên gồm từ trên đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh gọi là đoạn luyện 4. Thùng chứa cao vị có tác dụng là điều áp và điều chỉnh dung lượng 5. Thiết bị ngưng tụ hồi lưu; hơi đi ngoài ống nước lạnh đi trong ống 6. Thiết bị làm lạnh để làm lạnh sản phẩm đỉnh. Trường hợp cần phải ngưng tụ hơi còn lại gọi là thiết bị ngưng tụ làm lạnh 7. Thùng chứa sản phẩm 8. Thùng chứa cặn bã

27

9. Dụng cụ nhìn kiểm tra

Hình ảnh thiết bị chưng cất liên tục Quá trình làm việc của hệ thống: Hỗn hợp lỏng ban đầu được bơm lên thùng cao vị để ổn định áp lực. Từ thùng cao vị 3 hỗn hợp lỏng chảy qua thiết bị gia nhiệt 4 bằng hơi nước nóng rồi chảy vào đĩa cao nhất thuộc phần dưới của tháp (còn gọi là đĩa tiếp nhận). Nhiệt độ của hỗn hợp lỏng sau khi gia nhiệt độ sôi. Cấp nhiệt do tháp nhờ hơi nước nóng và thiết bị truyền nhiệt đặt ở đáy tháp. Đối với tháp có năng suất lớn người ta đưa phần cấp nhiệt đáy tháp riêng, như vậy dễ lắp đặt, vệ sinh và sữa chữa thay thế hơn. Nếu hệ thống lắp đặt ngoài trời thì thiết bị lưu hồi được đặt dưới thấp và nó thiết bị ngưng tụ hoàn toàn hơi đi ra từ đỉnh tháp. Dòng hồi lưu được bom hồi lưu đưa trên đĩa trên cùng của đỉnh tháp. Trường hợp này thuận tiện cho việc điều chỉnh nhiệt của thiết bị hồi lưu khi nó đặt trên cao. a. Chưng cất bốc hơi Nếu độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp lớn người ta có thể tiến hành chưng đơn giản, tức cho bốc hơi một lần liên tục:

28

Sơ đồ hệ thống chưng cất bốc hơi Hỗn hợp được đưa vào có nồng XF cấu tử dễ bay hơi sẽ được đun tới nhiệt độ sôi t trong vùng hơi lỏng với nồng độ hơi yD > xF và nộng độ lỏng xW < xF.Khi đó có một lượng hơi D bay lên cân bằng nhiệt động với nhiệt lỏng W. b. Chưng cất tiết lưu Chưng tiết lưu được tiến hành như chưng bốc hơi,song trong một hệ thống có bố trí một van tiết lưu để giảm áp dòng hơi sau khi ra khỏi thiết bị bốc hơi. Hỗn hợp đầu F được đưa vào thiết bị bốc hơi ở áp suất P1 và nhiệt độ t1 nhỏ hơn nhiệt độ sôi ts1 khi đi ra, rồi qua van tiết lưu hạ áp xuống P2 < P1 ứng với nhiệt độ t2 trong vùng hơi lỏng.

29

Sơ đồ hệ thống chưng cất tiết lưu

2. Chưng cất đơn giản (gián đoạn) Cấu tạo của tháp chưng cất trong trường hợp chưng cất gián đoạn có sự thay đổi, ta có thể coi tháp chưng cất gián đoạn như là đoạn luyện của tháp chưng cất liên tục.

30

Hình ảnh máy chưng cất gián đoạn

Qúa trình làm việc của hệ thống: Khi hỗn hợp lỏng gồm hai thành phần cần phân riêng đã được nạp đầy nồi nấu 1 thì dừng nạp. Cấp nhiệt bằng hơi nước vào thiết bị đốt nóng loại ống xoắn đặt ngay trong lòng nồi nấu, gia nhiệt để hỗn hợp lỏng sôi và giữ cho nó sôi trong suốt quá trình chưng cất. Hơi bay lên từ nồi nấu có nhiều thành phần dễ bay hơi theo ống đi vào đáy tháp chưng cất 2 rồi đi qua các đĩa chóp (hoặc lớp vật đệm nếu là tháp đệm) để lên đỉnh tháp. Khi đi ra từ đỉnh tháp, pha hơi đã có nồng độ chất dễ bay hơi như ý muốn, nó được đưa qua thiết bị hồi lưu 3 làm mát bằng nước. Một phần pha hơi được biến thành pha lỏng có nồng độ xem như của pha hơ, từ thiết bị hồi lưu chảy qua ống chữ U (tránh pha hơi đi ngược) chảy về đỉnh tháp (chảy vào đĩa trên cùng). Phần hơi còn lại sẽ ngưng tụ hết nhờ thiết bị ngưng tụ 4, làm mát bằng nước, sản phẩm lỏng chảy qua thiết bị đo nồng độ rồi xuống thùng chứa 5. Dòng lỏng hồi lưu có nồng độ cao ở đỉnh tháp, giảm dần khi xuống đáy tháp, theo ống chảy sang nồi nấu. Theo thời gian làm việc thì nồng độ thành phần dễ bay hơi trong nồi nấu và trong pha hơi bay lên, liên tục giảm xuống. Đến khi nào pha lỏng còn lại trong nồi có nồng độ chất dễ bay hơi như tính toán thì dừng quá trình chưng cất (ngừng cấp hơi đốt), tháo cạn bã khỏi nồi nấu. Nếu cặn bã còn có giá trị kinh tế thì xử lí như chất thải rồi trả về môi trường thiên nhiên. Tài liệu tham khảo: [1] Nguyễn Bin - Các quá trình, thiết bị trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm Tập 4 – Phân riêng dưới tác dụng nhiệt – NXB KH&KT Hà Nội 2005. [2] Trịnh Văn Dũng – Qúa trình và thiết bị Công nghệ Hóa học & Thực phẩm, bài tập Truyền khối – NXB Đại học Quốc gia Tp. HCM, 2006. [3] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Phạm Xuân Toản – Sổ tay Qúa trình và thiết bị Công nghệ Hóa học- Tập 1 – NXB KH&KT Hà Nội, 2004. [4] Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh – Qúa trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học và Thực phẩm – Tập 3 – Truyền khối – NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2007.

31