Quá trình chưng cất - Đỗ Hồng Nam

85 trang phuongnguyen 13260

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Quá trình chưng cất - Đỗ Hồng Nam", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

qua_trinh_chung_cat_do_hong_nam.ppt

Nội dung text: Quá trình chưng cất - Đỗ Hồng Nam

QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT SV: Đỗ Hồng Nam Email:dohongnam93@gmail.com MSV:111250732143 1
I. Khái quát Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp 2
Các Phương Pháp Chưng cất • Phân loại theo áp suất làm việc : Áp suất thấp. Áp suất thường. Áp suất cao. 4
• Phân loại theo nguyên lý làm việc : – Chưng cất đơn giản. – Chưng cất bằng hơi nước – Chưng cất – Chưng chân không. – Các phương pháp chưng khác. 5
Chưng bằng hơi nước trực tiếp • 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 chất được tách không tan vào nước. 6
• Khi chưng bằng hơi nước trực tiếp người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏng bàng một bộ phận phun. Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt. Trong quá trình tiếp xúc giữ 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. 7
• . Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lý nhất là chỉ dùng để tách cấu tử không tan trong nước khỏi tạp chất không bay hơi, trường hợp này sản phẩm ngưng sẽ phân lớp : cấu tử bay hơi và nước, chúng ta lấy sản phẩm ra một cách dễ dàng. Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp là giảm được nhiều nhiệt độ sôi của hỗn hợp nghĩa là chúng ta có thể chưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi bình thường . Điều này rất có lợi đối với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao cũng như đối với các chất có nhiệt độ sôi quá cao mà khi chưng gián tiếp đòi hỏi dùng hơi áp suất cao 8
• Chưng bằng hơi nước trực tiếp có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục hình. Trong cả 2 trường hợp người ta đều phải dùng cách đốt gián tiếp để đun bốc hơi hỗn hợp. Lượng hơi nước trực tiếp đi vào hỗn hợp chỉ có nhiệm vụ mang cấu tử dễ bay hơi ra mà thôi 9
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 có nhiệt độ sôi quá cao. 10
Chưng luyện • Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau. Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở 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. 12
• . Phương án chưng luyện cho sản phẩm cuối quay trở lại và có hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh I là phương án hiệu quả. Tuy nhiên sơ đồ chưng là một nhóm thiết bị như vậy rất cồng kềnh . Để đơn giản người ta thay hệ thống đó bằng một tháp chưng luyện 13
Hệ thống chưng luyện nhiều tháp quy mô công nghiệp • Hệ thống chưng luyện sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, dầu khí, dược phẩm và hóa mĩ phẩm. • Năng suất: 420¸1200 kg/h • Nồng độ: 95¸99,5%
Hệ thống chưng luyện nhiều tháp quy mô vừa và nhỏ • Hệ thống chưng luyện sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, dầu khí, dược phẩm và hóa mĩ phẩm. • Năng suất: 120¸300 kg/h • Nồng độ: 95%
Hệ thống chưng luyện 1 tháp • Hệ thống chưng luyện sử dụng trong công nghiệp thực phẩm, dầu khí, dược phẩm và hóa mĩ phẩm.Năng suất: 45¸100 kg/hNồng độ: 95%
. Các phương pháp chưng khác • Chưng luyện nhiều cấu tử : • Trong thực tế ta thường gặp hỗn hợp nhiều cấu tử hơn là hỗn hợp hai cấu tử. Tuy nhiên việc nghiên cứu về chưng nhiều cấu tử còn ít. Nguyên nhân là số bậc tự do của hệ nhiều cấu tử rất lớn. 17
• Dung dịch lý tưởng là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bàng nhau, khi đó các cấu tử hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào . Cân bằng giữa lõng và hơi hoàn toàn tuân theo định luật Rauolt • Dung dịch thực là dung dịch không hoàn toàn tuân theo định luật Rauolt, sai lệch với định luật Rauolt.
• Các cấu tử không hòa tan vào nhau hoặc hòa tan không đáng kể khi lực liên kết giửa các phân tử khác loại rất bé so với lực liên kết giữa các phân tử cùng loại. • Cân bằng pha trong dung dịch thực chỉ xác định bằng thực nghiệm. Đối với các dung dịch lý tưởng cân bằng phãi xác định bằng định luật Rauolt.
Xét hỗn hợp gồm hai cấu tử A và B. theo định luật Rauolt ta có áp suất riêng phần của các cấu tử là: PA = PbhA.xA PB = PbhB.xB = PbhB.(1 – xA) Áp suất tổng P = PA + PB = PbhA.xA + PbhB.(1 – xA)
• Ta có : P − P P x = bhB bhA A yA = xA PbhA − PbhB P
• Sai lệch âm : lực liên kết giửa các phân tử khác Sai leäch döông loại lớn hơn lực liên kết giửa các phân tử cùng loại. Sai leäch aâm • Sai lệch dương : lực liên kết giữa các phân tử khác Hình 3.1 Quan heä giöõa loại nhỏ hơn lực liên kết aùp suaát vaø thaønh phaàn cuûa dung dòch hai caáu töû giữa các phân tử cùng loại.
• Ví dụ như đối với chưng luyện hai cấu tử khi đã thiết lập áp suất và nồng độ của một cấu tử trong sản phẩm đỉnh thì chế độ làm việc hoàn toàn được xác định. Đối với hệ n cấu tử thì có n bậc tự do, bởi vậy khi áp suất và nồng độ một cấu tử được xác định thì chúng ta cũng không thể xác định được nhiệt độ sôi, thành phần các cấu tử khác vì còn có n-2 bậc tự do.Ta có thể tự do chọn thành phần của n-2 cấu tử. 23
Chưng luyện trích ly và chưng luyện đẳng phí Đối với những hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi giống nhau hoặc rất gần nhau hay gồm những cấu tử tạo thành dung dịch đẳng phí ta không thể dùng phương pháp chưng luyện thông thường như trên để tách chúng ra dạng nguyên chất được dù cho có dùng những tháp vô cùng cao với lượng hồi lưu rất lớn. 24
• Chưng luyện trích ly :
• . Chưng luyện đẳng phí : Phương pháp này cũng dựa trên nguyên tắc thêm vào hỗn hợp một cấu tử phân ly, khác với chưng luyện trích ly là ở đây cấu tử phân ly phải có độ bay hơi lớn hơn độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp. 26
• Tác dụng của nó cũng như trong trường hợp chưng luyện trích ly, nghĩa là làm thay đổi độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp. Thêm vào đó nó tạo thành với cấu tử dễ bay hơi(hay cả hai cấu tử) dung dịch đẳng phí có độ bay hơi lớn. 28
• Như thế trong kết quả chưng luyện sản phẩm đỉnh tháp sẽ là hỗn hợp đẳng phí và sản phẩm đáy là cấu tử ở dạng nguyên chất . Phương pháp này tiện lợi và tiết kiệm trong trường hợp cấu tử phân ly không tan vào cấu tử dễ bay hơi. 29
• . Chưng phân tử : Chưng phân tử ở độ chân không cao (từ 0,01 - 0,0001 mmHg). Ở áp suất đó các phân tử thắng lực hút giữa chúng, số va chạm giữa các phân tử giảm đi và khoảng chạy tự do của các phân tử tăng lên nhiều 30
• . Dựa trên những điều đó nếu ta làm khoảng cách giữa bề mặt bốc hơi và ngưng tụ nhỏ hơn khoảng chạy tự do của các phân tử thì các phân tử của cấu tử dễ bay hơi rời khỏi bề mặt bốc hơi và va vào bề mặt ngưng tụ rồi ngưng tụ ở đấy khoảng cách giữa bề mặt bốc hơi và bề mặt ngưng tụ khoảng 20-30 mm. Hiệu số nhiệt độ giữ chúng khoảng 1000C 32
Sơ đồ tổng quát quá trình chưng cất T.dông c¬ häc b¨m nghiÒn P t s«i Håi l¦u t° SP lo·ng pha dÔ bay h¬i VL ChuÈn bÞ Ch¦ng cÊt B· pha khã bay h¬i ° (F) S¬ då tæng qu¸t qu¸ tr×nh ch¦ng cÊt
Bản Chất • Chưng cất là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của chúng (▲t0 sôi ) bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ 34
Mục đích công nghệ và phạm vi sử dụng • - Mục đích chuẩn bị : thô chế, làm sạch các tạp chất thô, ví dụ : các chất keo, nhựa, bẩn trong quy trình sản xuất rượu hoặc thô chế các nguyên liệu có tinh dầu. -Mục đích khai thác thu nhận sản phẩm như cất cồn, cất rượu, cất các loại tinh dầu. - Mục đích nâng cao chất lượng sản phẩm, đó là quá trình tinh chế ví dụ tinh chế cồn, tinh chế các loại tinh dầu có giá trị kinh tế cao 35
Nguyên lý của quá trình chưng cất • Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue).
Nguyên tắc làm việc • Pha lỏng đi từ trên xuống có nồng độ cấu tử dễ bay hơi giảm dần. • Pha khí đi từ dưới lên có nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần. • Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ.
- Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền khối giữa pha lỏng và pha hơi . Do đó một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như vậy, hay nói một cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất.
• Theo lý thuyết thì mỗi đĩa của tháp là một bậc thay đổi nồng độ: thành phần hơi khi rời khỏi đĩa bằng thành phần cân bằng với chất lỏng khi đi vào đĩa. Do đó theo lý thuyết thì số đĩa bằng số bậc thay đổi nồng độ. Thực tế thì ở trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt được cân bằng
Sơ đồ quy trình công nghệ Thiết bị ngưng yD=xD; G; tSD tụ xD; Gx; Dòng hồi lưu tSD LUYỆN (CẤT) xD; D; tSD xW ; W; tSW xF; F; tSF CHƯNG TB làm lạnh TB làm sp đỉnh TB gia nhiệt yW=xW; tSW Nồi đun lạnh sp đáy nhập liệu D2 D1 xW ; W; tW Bình chứa sản phẩm đỉnh xW; tSW xF; F; tF Bình chứa Bình chứa xD ; D; tD nhập liệu sản phẩm đáy
PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ • Căn cứ vào mức độ hoà tan ta có thể chia dung dịch hai cấu tử thành các loại sau: – Chất lỏng hoàn toàn hoà tan vào nhau theo bất cứ tỉ lệ nào. – Chất lỏng hoà tan một phần vào nhau. – Chất lỏng không hoà tan vào nhau. 41
CHƯNG ĐƠN GIẢN. 1 Nguyên tắc và sơ đồ chưng đơn giản, đồ thị txy. O M t 4 t 3 t Ptb t 2 N Cn t 1 D C S XW XP XD x5 x3 x1 x4 x2 Hình 3.3 Bieãu dieãn quaù trình chöng caát 42
Chưng Cất Đơn Giản Nước vào TB ngưng tụ Nồi chưng Bình chứa sản phẩm Hơi nước Nồi đun Nước ngưng
Chưng đơn giản được ứng dụng cho những trường hợp sau: • Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác nhau xa: • Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. • Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi. • Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử. 44
Tính toán quá trình chưng đơn giản. Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình là: F = W + D x F F = xW W + x D D 45
3.2. Chưng cất liên tục 3.2.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất liên tục. 46
Phương trình cân bằng cho toàn tháp. F = W + D F.xF = W.xW + D.xD Trong đó: F, W, D - suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh, kmol/h xF, xW, xD - phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh. 47
Phương trình đường nồng độ làm việc của đọan cất. Giả thuyết: – Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diện của tháp. – Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi. – Chất lỏng trong thiết bị ngưng có thành phần bằng thành phần hơi ra khỏi đỉnh tháp. – Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp. – Số mol chất lỏng không đổi theo chiều cao của đọan cất và chưng. 48
Phương trình: R x y = x + D R + 1 R + 1 Với G R = x là chỉ số hồi lưu của tháp D Gx- lượng lỏng được hồi lưu, kmol/h 49
Phương trình đường nồng độ làm việc của đọan chưng. L + R L −1 y = x − x R + 1 R + 1 W Với F L = D lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh. 50
Xác định chỉ số hồi lưu Rx Chỉ số hồi lưu tối thiểu * xD − yF Rx min = * yF − xF Chỉ số hồi lưu: R = b.Rmin 51
Xác định số mâm lý thuyết Các bước xác định: 1.Xác định chỉ số hồi lưu 2.Xác định các đường làm việc. 3.Xác định đường cân bằng. 4.Vẽ đồ thị đường làm việc và đường cân bằng. 5.Vẽ số bậc thang thay đổi nồng độ. 6.Số bậc thang là số mâm lý thuyết. 52
3. Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chưng cất 53
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 54
Phương trình cân bằng: Qnl = F.CpF.(tFr – tFv) + Qm 55
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 56
Phương trình Qng = D.(R+1).rD = G.C.(tr – tv) + Qm 57
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh Sản phẩm đỉnh 58
Làm lạnh sản phẩm đỉnh D Qii = D.CpD.(tsD – tD) = G1.C.(tr – tv) + Qm 59
Làm lạnh sản phẩm đáy Sản phẩm đáy Sản Phẩm đáy 60
Phương trình W Qii = W.CpW.(tsW – tW) = G2.C.(tr – tv) + Qm 61
Cân bằng nhiệt lượng toàn tháp 62
Phương trình QF + QK + QL0 = QD + QW + Qm + Qng Hay: QK = QD + QW + Qm + Qng - QF - QL0 63
Các loại tháp chưng cất sử dụng trong công nghiệp: • -Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới • -Tháp chưng cất dùng mâm chóp • -Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm )
Tháp mâm xuyên lỗ • Ưu điểm : chế tạo đơn giản , vệ sinh dễ dàng , trở lực thấp hơn tháp chóp , 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
Tháp chóp • Ưu điểm : hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn • Nhược điểm : chế tạo phức tạp , trở lực lớn
Tháp đệm • Ưu điểm : chế tạo đơn giản , trở lực thấp • Nhược điểm : hiệu suất thấp , kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều , sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng , tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công nghiệp.
•Mô hình tháp chưng cất
• Sơ đồ công nghệ điển hình Mâm lỗ tháp chưng
• Vòng đệm tăng hiệu quả quá trình truyền khối
Ví dụ Tháp chưng cất liên tục dưới áp suất thường dùng để sản xuất 500kg/h axit acetic với nồng độ 70% mol. Nhập liệu vào với nồng độ 29% mol axit acetic ở nhiệt độ sôi. Sản phẩm đỉnh là nước chứa 7% mol axit acetic. Tháp được gia nhiệt bằng hơi bão hòa khô. 1.Vẽ sơ đồ hệ thống chưng cất, đường cân bằng lỏng (x) – hơi(y) % mol 71
2.Tính lượng sản phẩm đỉnh và nhập liệu (kmol/h) . 3. Cho tỉ số hoàn lưu bằng 1,5 Rmin. Xác định số mâm thực của tháp cho biết số mâm thực tương ứng với một bậc thay đổi nồng độ là 2. 4.Tính chiều cao của tháp biết khoảng cách giữa các đĩa là 0,4m, bộ phận gia nhiệt dưới đáy tháp là 1m, khoảng cách từ đĩa trên cùng lên đỉnh tháp là 0,6m (Bề dầy của đĩa là không đáng kể) 72
Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi(y) % mol nước – acetic x 0 5 10 20 30 40 50 y 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53.0 62.6 x 60 70 80 90 100 y 71.6 79.5 86.4 93.0 100 73
Tóm tắc đề W=500kg/h xw= 30%mol nước xF= 71%mol nước xD= 93%mol nước R= 1.5 Rmin 74
1. Vẽ sơ đồ hệ thống chưng cất 75
Vẽ đường cân bằng lỏng hơi y 90 80 70 60 50 40 30 20 10 x 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 76
2. Tính lượng sản phẩm đỉnh và nhập liệu -Tính lưu lượng mol sản phẩm đáy: Khối lượng trung bình hổn hợp nhập liệu: MFtb =18 x 0.3 + 60 x 0.7 = 5.4 + 42 M Ftb = 45.4 Lưu lượng mol sản phẩm đáy: W 500 W==11 kmol / h 45.4 77
Phương trình cân bằng vật liệu F = W + D F.xF = W.xW + D.xD Thay giá trị vào ta được: F = 11 + D Fx0.71 = 11x0.3 + Dx0.93 Giải hệ phương trình ta được: F = 31.5 kmol/h D = 20.5 kmol/h 78
Xác định chỉ số hoàn lưu tối thiểu * xD − yF Rx min = * yF − xF xF= 0.71 => y*F = 0.80 mol/mol 0.93− 0.80 0.13 R = = =1.44 xmin 0.8− 0.71 0.22 79
Chỉ số hoàn lưu thực tế Chỉ số hoàn lưu thực tế =1.5 Rmin Suy ra: R = 1.5*1.44 = 2.16 80
Xác định số mâm thực của tháp Xác định số bậc thay đổi nồng độ: - Phương trình đường làm việc của đoạn cất: R x y = x + D R + 1 R + 1 2.16 0.93 yx=+ 2.16++ 1 2.16 1 yx=+0.68 0.3 81
- Phương trình đường L + R L −1 y = x − x làm việc của đoạn chưng: R + 1 R + 1 W Với: L= 31.5/20.5=1.54 Suy ra: 1.54+− 2.16 1.54 1 yx=−*0.30 2.16++ 1 2.16 1 Pt đường làm việc đoạn chưng: y = 1.17x - 0.05 82
_Đoạn cất y = 0. 68x + 0.3 _Đoạn chưng y = 1.17x - 0.05 83
Vẽ đồ thị các đường làm việc y% 90 80 70 60 50 40 30 20 10 x% 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 84
Hết • Bài : Quá trình chưng cất. • Sinh viên : Đỗ Hồng Nam • Mã Sinh Viên : 111250732143 85