Nguyên Lý Hóa Công Nghiệp - Các quá trình và thiết bị chuyển khối docx

MÔN HỌC
NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP
30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. J.P. MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999.
2. Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi
- Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2,
Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp
3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P. WAUQUIER, Les
réacteurs chimiques, Technip, 1984.
4. Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí
Minh, 1999.
5. R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980.
Nguyên lý hóa công nghiệp
Chương I:
Chương II:
Chương III:
Chương IV:
Chương V:
NỘI DUNG MÔN HỌC
Lý thuyết và bài tập
Mở đầu
Chưng luyện
Trích ly
Thiết bị phản ứng – Bài tập áp dụng
Thiết bị trao đổi nhiệt
2
Thực hành
Vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công
nghiệp hóa học
Nguyên lý hóa công nghiệp 3

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 5
1.1.
1.2.
PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC 5
NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI 6
1.2.1. Định nghĩa 6
1.2.2. Phân loại 6
CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN 7
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
ĐỊNH NGHĨA CHƯNG 7
PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG 7
PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ 8
CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ 9
2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y 9
2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y 10
2.4.5. Giản đồ phần mol x-y 11
2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN 12
2.5.1. Nguyên tắc hoạt động 12
2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) 13
2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler) 14
2.5.4. Cân bằng vật chất 16
2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu r
f
và số đĩa lý thuyết tối thiểu N
min
17

2.5.6. Xác định số đĩa thực tế N
TT
19
THỰC HÀNH
VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG
NGHIỆP HÓA HỌC
I- GIớI THIệU TổNG QUAN 21
1- M
ụC ĐÍCH
,
VAI TRÒ CủA THIếT Kế MÔ PHỏNG
21
2- C
ÁC PHầN MềM MÔ PHỏNG TRONG CÔNG NGHệ HÓA HọC
22
II- PHầN MềM PRO/II 22
1- L
ĨNH VựC Sử DụNG
22
2- Q
UÁ TRÌNH MÔ PHỏNG BằNG PHầN MềM
PRO/II 23
III- LÝ THUYếT NHIệT ĐộNG HọC 24
IV- CƠ Sở LựA CHọN MÔ HÌNH NHIệT ĐộNG 25
V- CÁC PHầN CƠ BảN CủA PROII 28
1- G
IAO DIệN CủA
PROII- Q
UI ƯớC BAN ĐầU
28

2- Cửa sổ PRO/II 29
VI- CÁC THAO TÁC THƯờNG DÙNG TRONG MÔ PHỏNG BằNG PRO/II 30
1- M
ở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG MớI
(O
PENING A
N
EW
S
IMULATION
) 30
2- M
ở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG ĐÃ CÓ
(O
PENING AN
E
XISTING
S
IMULATION
) 30
3- G
HI MộT FILE MÔ PHỏNG ĐANG HIệN HÀNH
(S
AVING THE
C
URRENT
S
IMULATION
) 30
a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành 30

b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác 31
4- X
ÓA MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG
(D
ELETING A
S
IMULATION
) 31
5- S
AO CHÉP MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG
(C
OPY A
S
IMULATION
) 31
Nguyên lý hóa công nghiệp 4
6- T
HAY ĐổI DạNG ĐƯờNG VIềN CÁC DÒNG
(M
ODIFYING THE
F
LOWSHEET
S
TREAM
B
ORDER
S
TYLE
) 32
7- H

IểN THị TÍNH CHấT CủA DÒNG TRÊN SƠ Đồ MÔ PHỏNG
32
8- S
ử DụNG
F
LASH
H
OT
-K
EY
T
OOL
33
9- X
UấT MộT SƠ Đồ MÔ PHỏNG RA CửA Sổ LƯU TRữ TạM
(E
XPORTING THE
PFD
TO THE
W
INDOWS
C
LIPBOARD
) 34
10- N
HậP MộT FILE
PRO/II
CÓ SẳN
(I
MPORTING A

PRO/II K
EYWORD
I
NPUT
F
ILE
) 34
11- X
ÁC ĐịNH CÁC TÍNH CHấT Về CÂN BằNG LỏNG
-
HƠI CủA CÁC Hệ
2
CấU Tử
(D
ISPLAY
BVLE) 34
VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG 36
B
ÀI TOÁN
1: M
Ô PHỏNG SƠ Đồ CÔNG NGHệ CủA PHÂN XƯởNG TÁCH
M
ÉTHANE
36
B
ÀI TOÁN
2: M
Ô PHỏNG THIếT Bị TÁCH KHÍ
-
LỏNG

38
B
ÀI TOÁN
3: T
ÍNH NHIệT Độ SÔI CủA MộT HỗN HợP HAI PHA ở MộT ÁP SUấT NHấT ĐịNH
39
B
ÀI TOÁN
4: M
Ô PHỏNG THÁP TÁCH PROPANE
40
B
ÀI TOÁN
5: X
ÁC ĐịNH ĐĨA NạP LIệU TốI ƯU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG CÔNG Cụ
O
PTIMISER
42
B
ÀI TOÁN
6: X
ÁC ĐịNH Số ĐĨA LÝ THUYếT TốI THIểU VÀ CHỉ Số HồI LƯU TốI THIểU CHO THÁP TÁCH
PROPANE BằNG PHƯƠNG PHÁP SHORTCUT
44
CHƯƠNG 3: TRÍCH LY 46
3.1.
3.2.
3.3.
N
GUYÊN TắC

46
S
Ơ Đồ
46
Ứ
NG DụNG
46
CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 47
4.1. ĐẠI CƯƠNG 47
4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 47
a- Theo pha của hệ 47
b- Điều kiện tiến hành quá trình 47
c- Theo điều kiện thủy động 47
4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC 48
a- Thiết bị phản ứng gián đoạn : 48
b- Thiết bị phản ứng liên tục : 49
c- Thiết bị phản ứng bán liên tục : 50
4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 50
4.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT 51
4.2.4. Cân bằng vật chất 51
4.2.5. Cân bằng nhiệt 51
4.3. MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN 52
Thiết bị phản ứng liên tục 52
a- Thiết bị phản ứng dạng ống : 52
b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng 55
c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) 59
4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ 60
4.4.7. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN 60
4.4.8. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 67
Nguyên lý hóa công nghiệp

CHƯƠNG 1:
MỞ ĐẦU
5
1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Nhìn chung các quá trình trong công nghệ hóa học được phân thành 4 loại sau:
1.
rắn.
2.
Các quá trình cơ học: gồm các quá trình: đập, nghiền, sàng, … các vật liệu
Các quá trình thuỷ lực: nghiên cứu về:
− Các định luật về thủy tĩnh, thủy động, chuyển động của chất lỏng, chất khí.
− Các thiết bị vận chuyển khí, lỏng (bơm, quạt, máy nén, …)
− Các phương pháp và thiết bị phân riêng các hệ khí, lỏng không đồng nhất (lắng,
lọc, ly tâm, …)
3. Các quá trình nhiệt: nghiên cứu về:
− Các định luật về truyền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, bức xạ nhiệt, …)
− Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt (đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc)
− Các quá trình làm lạnh.
4. Các quá trình chuyển khối: nghiên cứu về:
− Các định luật về sự di chuyển vật chất giữa các pha với nhau
− Các thiết bị chuyển khối (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, sấy, trích ly, kết tinh,
…)
Nguyên lý hóa công nghiệp 6
1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI
1.2.1. Định nghĩa
- Là quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc
trực tiếp với nhau;
- Đây là quá trình đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp hóa học vô cơ,
hữu cơ, lọc hóa dầu, thực phẩm, …
1.2.2. Phân loại

Tuỳ theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của 2 pha → phân loại:
- Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó
vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Đây là quá trình rất phổ
biến (quá trình chưng cất cồn, chưng cất dầu thô, …)
- Hấp thụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng (điều chế oléum
bằng cách cho H
2
SO
4
đậm đặc hấp thụ khí SO
2
; tách khí acide bằng dung dịch
alkanolamine);
- Hấp phụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha rắn (tách khí acide
ra khỏi hỗn hợp khí tự nhiên hay khí đồng hành bằng rây phân tử);
- Trích ly: là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng
hay chất rắn bằng một chất lỏng khác;
- Kết tinh: là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển
từ pha lỏng vào pha rắn (kết tinh đường, kết tinh phân lân, …);
- Sấy khô: là quá trình tách nước ra khỏi vật chất ẩm, trong đó vật chất (hơi nước)
di chuyển từ pha lỏng hay pha rắn vào pha khí (sấy nông sản thực phẩm);
- Hòa tan: là quá trình vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng (hòa tan muối
hoặc đường vào nước);
Nguyên lý hóa công nghiệp
CHƯƠNG 2:
CHƯNG LUYỆN
7
2.1. ĐỊNH NGHĨA 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;
- Trong trường hợp đơn giản nhất thì chưng và cô đặc gần như nhau, nhưng giữa
chúng có một ranh giới cơ bản:
• Chưng: Dung môi và chất tan đều bay hơi;
• Cô đặc: Chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi;
- Khi chưng → thu được nhiều sản phẩm và thường có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được
bấy nhiêu sản phẩm;
- Đối với trường hợp 2 cấu tử :
• sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay hơi lớn + ∑ cấu tử có độ bay hơi bé;
• sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé + ∑ cấu tử có độ bay hơi lớn;
2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG
Trong sản xuất, thường gặp các phương pháp chưng sau:
1. Chưng đơn giản:
- dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau
- thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất
2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp:
- dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi
Nguyên lý hóa công nghiệp
- thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước
8
3. Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu
tử (đối với các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao hay có nhiệt độ
sôi quá cao)
4. 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 huỷ ở nhiệt độ cao;
- Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất
thường;
2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ

1. 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 bằng nhau.
- Khi đó các cấu tử hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào. cân bằng lỏng-hơi hoàn
toàn tuân theo định luật Raout;
2. Dung dịch thực:
- Là những dung dịch hoàn toàn không tuân theo định luật Raout;
- Sự sai lệch với định luật Raout là dương nếu lực liên kết giữa các phân tử khác
loại < lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;
- Sự sai lệch với định luật Raout là âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại
> lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;
- Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại << lực liên kết giữa các phân
tử cùng loại → dung dịch sẽ phân lớp.
Nguyên lý hóa công nghiệp
⇒ Ta xét trường hợp phổ biến nhất:
chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất
cứ tỷ lệ nào
Hình 2-1: Quan hệ giữa áp suất và
thành phần của dung dịch 2 cấu tử
2
1
9
1.
2.
3.
Tuân theo định luật Raout;
Sai lệch dương
Sai lệch âm
3
2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ

2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y
P
P
M
P
0B
Lỏng
T = const
Lỏng - Hơi
Hơi
P
0A
0
x
M
y
M
1
Trong đó:
A
: cấu tử dễ bay hơi →
P
0A
> P
0B
Nguyên lý hóa công nghiệp 10
x
M
, y
M

: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất
P
M
→ Thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P
M
là: 1-x
M
, 1-y
M
⇒ Biểu đồ này ít sử dụng vì trong thực tế P rất ít thay đổi
⇒ Sử dụng biểu đồ T-x-y
2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y
T
P = const
T
0B
Hơi
Lỏng - Hơi
T
M
Lỏng
T
0A
B
x
M
y
M
A
Trong đó:

A
: cấu tử dễ bay hơi →
T
0A
< T
0B
x
M
, y
M
: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở P và T
M
→ thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P
M
là:
1-x
M
, 1-y
M
Nguyên lý hóa công nghiệp
2.4.5. Giản đồ phần mol x-y
Ví dụ ta có giản đồ phần mol x-y của hệ 2 cấu tử Propane và Butane. Trong đó :
− Trục x : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha lỏng ;
− Trục y : biễu diễn phần mol của cấu tử nhẹ Propane trong pha hơi.
90
90
11
Nguyên lý hóa công nghiệp 12
2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN
2.5.1. Nguyên tắc hoạt động

Tháp chưng luyện gồm có 2 đoạn :
− Đoạn luyện : Là phần trên, gồm từ
đĩa tiếp liệu trở lên đỉnh ;
− Đoạn chưng : Là phần dưới, gồm
từ đĩa tiếp liệu trở xuống dưới;
Tháp chưng luyện gồm có nhiều đĩa
⇒ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình
chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi.
Pha hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của
đĩa xuyên qua pha lỏng đi từ trên
xuống theo các ống (vách) chảy
chuyền.
⇒ Vì nhiệt độ trong tháp càng lên cao càng giảm nên khi hơi đi qua các đĩa từ dưới
lên, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ ngưng tụ lại và cuối cùng ở trên đỉnh tháp, ta
sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm hầu hết là các cấu tử nhẹ (dễ bay hơi). Hơi này
sẽ đi vào thiết bị ngưng tụ (condenser) (một phần hoặc hoàn toàn) ở đỉnh tháp để
hồi lưu lỏng ngưng tụ được về lại tháp và lấy ra làm sản phẩm đỉnh.
Ngược lại, pha lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có
nhiệt độ
cao hơn, một phần cấu tử
có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi ⇒ nồng độ của cấu tử nặng (khó bay hơi) trong pha
lỏng sẽ càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp, ta sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm
hầu hết là các cấu tử nặng. Một phần sản phẩm đáy sẽ đi vào thiết bị đun sôi lại
(reboiler) ở đáy tháp để tạo một lượng hơi đưa vào từ đáy tháp, đảm bảo trong tháp
luôn luôn có sự tiếp xúc giữa 2 pha lỏng và hơi.
Säú âéa lyï thuyãút N
LT
Nguyên lý hóa công nghiệp 13
⇒ Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp
lại nhiều lần ở các đĩa

⇒ Pha hơi đi lên càng giàu cấu tử nhẹ
⇒ Pha lỏng đi xuống càng giàu cấu tử
nặng
− Theo lý thuyết → Mỗi đĩa là một
bậc thay đổi nồng độ : thành phần hơi
khi rời khỏi đĩa cân bằng với thành
phần lỏng khi đi vào đĩa ⇒ số đĩa = số
bậc thay đổi nồng độ.
− Thực tế → trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt cân
bằng ⇒ Số đĩa thực tế > số đĩa lý thuyết
⇒ Hiệu suất đĩa  =
=
Säú âéa thæûctãú N
TT
2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser)
có 4 dạng Condenser :
1. Partial (ngưng tụ một phần): Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh và chỉ ngưng
tụ một phần. Loại Condenser này thực sự là một bậc thay đổi nồng độ. Nhiệt độ
trong Condenser chính là nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp hơi cân bằng.
Gồm 2 loại :
- loại Distillat vapor : lỏng ngưng tụ chỉ để hồi lưu về đỉnh tháp, còn sản
phẩm lấy ra ở thể hơi được gọi là Overhead.
Nguyên lý hóa công nghiệp 14
- Loại Distillat mixe : lỏng ngưng tụ một phần để hồi lưu về đỉnh tháp, còn
lại lấy ra làm sản phẩm ⇒ sản phẩm đỉnh gồm 2 loại là sản phẩm hơi và
sản phẩm lỏng.
2. Bubble Temperature : Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh đến nhiệt độ điểm
sôi của hỗn hợp và ngưng tụ hoàn toàn, một phần cho hồi lưu về đỉnh tháp, phần
còn lại lấy ra dạng sản phẩm lỏng, được gọi là Fixe Rate Draw.
Håi

Håi
a- Dạng Partial
Loíng
Loín
b- Dạng Bubble
Distillate vapor Distillate mixe
2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)
có 4 dạng Reboiler :
- Thermosiphon without baffles và with baffles
- Dạng Kettle : được mặc định (qui chuẩn)
- Dạng “one through”
- Dạng lò
Nguyên lý hóa công nghiệp 15
Trong đó, loại Thermosiphon gồm 2 loại: without baffles và with baffles.
Để đạt được chất lượng sản phẩm đáy cao hơn, người ta đã thiết kế loại
Thermosiphon with baffles có cấu tạo như sau:
Nguyên lý hóa công nghiệp
?
?
210
16
?
?
300
50
2.5.4. Cân bằng vật chất
Nếu gọi :
F - Lượng hỗn hợp nguyên liệu đi vào tháp, kg/h
P - Lượng sản phẩm đỉnh, kg/h
W - Lượng sản phẩm đáy, kg/h

a
F
, a
P
, a
W
: nồng độ % khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp nguyên liệu,
trong sản phẩm đỉnh và trong sản phẩm đáy.
Phương trình cân bằng vật chất toàn tháp : F=P+W
Nếu đối với cấu tử dễ bay hơi :
F.a
F
= P.a
P
+ W.a
W
Ta tính được P :
P = F ⋅
a

F

−

a

W
a
P
− a

W
⇒
W=F–P
Hỗn hợpNồng độ %
khối lượngNồng độ phần
molLưu lượng khối
lượng, kg/hLưu lượng
mol, kg/hNguyên liệua
F
x
F
F
F
M
F
Sản phẩm đỉnha
P
x
P
P
P
M
P
Sản phẩm đáya
W
x
W
W
W
M

W
1 − a
F
1 − a P
1 − a
W
Nguyên lý hóa công nghiệp
Chuyển từ nồng độ % khối lượng sang nồng độ phần mol :
17
a
F
a
P
a
W
x F =
a F
M A
M
A
+
M
B
x P =
a P
M A
M
A
+
M

B
x
W
=
a W
M A
M
A
+
M
B
Với M
A
, M
B
: khối lượng mol của cấu tử nhẹ và cấu tử nặng
Tính khối lượng mol trung bình của:
− hỗn hợp nguyên liệu: M
F
= x
F
.M
A
+(1-x
F
).M
B
− sản phẩm đỉnh:
− sản phẩm đáy:
M

P
= x
P
.M
A
+(1-x
P
).M
B
M
W
= x
W
.M
A
+(1-x
W
).M
B
Lập bảng cân bằng vật chất toàn tháp:
2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu r
f
và số đĩa lý thuyết tối thiểu N
min
Chỉ số hồi lưu r
f
là tỉ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh.
Để xác định chỉ số hồi lưu r
f
và số đĩa lý thuyết tối thiểu N

min
, ta thực hiện theo
những bước sau:
b…………r
f
BN
LT
N
LT
(r
f
+ 1)
=
*
Nguyên lý hóa công nghiệp
1- Xác định r
f min
:
r
f min
x

P

−

y

*F
y

F
− x
F
18
Với y
*F
- nồng độ phần mol cân bằng ứng với x
F
2- Xác định các giá trị r
f
= b. r
fmin
với b = 1,2  2,5
3- Xác định các giá trị
B =
x
P
r
f
+ 1
4- Trên đường cân bằng lỏng hơi x-y của hệ hai cấu tử → Vẽ đường làm việc của:
- Đoạn luyện: bằng cách nối điểm (x
P
, y
P
) với điểm (0, B)
- Đoạn chưng: bằng cách nối điểm (x
W
, y
W

) với giao điểm của đường làm
việc của đoạn luyện với đường x = x
F
(nếu hỗn hợp nguyên liệu vào ở điểm sôi)
5- Xác định số bậc thay đổi nồng độ N
LT
bằng cách vẽ các đường thẳng song song
với trục hoành và trục tung bắt đầu từ điểm x
P
cho đến khi quá điểm x
W
. N
LT
thông
thường không phải là số nguyên.
6- Giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu r
f
và số đĩa lý thuyết tối thiểu N
min
tương ứng
với giá trị cực tiểu
của
N
LT
(r
f
+ 1)
Nguyên lý hóa công nghiệp
B = x
P

/(R
x
+1)
Đường làm việc đoạn luyện
Đường làm việc đoạn chưng
19
x
W
2.5.6. Xác định số đĩa thực tế N
TT
N

LT
Số đĩa thực tế:
N
TT
=

tb


P

+ 

F

+ 

W


tb
=
3
x
F
x
P
Với : 
P
, 
F
, 
W
- hiệu suất của đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp, của đĩa nạp liệu và của đĩa
cuối cùng ở đáy tháp.
Hiệu suất đĩa là một hàm của độ bay hơi tương đối 〈 và độ nhớt ∝ của chất lỏng:
 = f
(
〈, ∝
)
Nguyên lý hóa công nghiệp
Trong đó : 〈 - độ bay hơi tương đối của hỗn hợp
∝ - độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N.s/m
2
Độ bay hơi tương đối
của
các hỗn hợp thực được xác định theo công thức:
20
〈 =

y
1 − y
⋅
1 − x
x
y, x : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng
Sau khi tính được tích (〈 , ∝) ⇒ Tra đồ thị “Correlation de O’Connel”⇒ xác
định được 
P
, 
F
, 
W
⇒ xác định tb ⇒ N
TT
Nguyên lý hóa công nghiệp 21
THỰC HÀNH
VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT
SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC
I- Giới thiệu tổng quan
1- Mục đích, vai trò của thiết kế mô phỏng
• Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các
phần mềm chuyên nghiệp
• Mô phỏng là một công cụ cho phép người kỹ sư tiến hành công việc một cách
hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu
tố ảnh hưởng dến một quá trình đang hoạt động trong thực tế.
• Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trường hợp hơn trong
cùng thời gian với độ chính xác cao hơn nếu so với tính toán bằng tay. Hơn nữa,
chúng ta có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh
việc phải thực hiện các phép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm.

• Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để :
- Thiết kế (Designing) một quá trình mới
- Thử lại, kiểm tra lại (Retrofitting) các quá trình đang tồn tại
- Hiệu chỉnh (Troubleshooting) các quá trình đang vận hành
- Tối ưu hóa (Optimizing) các quá trình vận hành
• Để xây dựng một mô hình mô phỏng hiệu quả, chúng ta phải xác định đúng mục
tiêu. Bước đầu tiên trong bất cứ một quá trình mô phỏng nào là lượng hóa các
mục tiêu càng nhiều càng tốt. Các kết quả đạt được thường phụ thuộc vào các
Nguyên lý hóa công nghiệp 22
yêu cầu đặt ra. Như vậy, trước khi mô phỏng một quá trình nên đặt ra các câu
hỏi sau :
- Mục đích sử dụng công cụ mô phỏng trong trường hợp này để làm gì ?
- Quá trình mô phỏng sẽ thực hiện những việc gì ?
- Sự phức tạp có cần thiết không ?
- Cần thiết phải tìm ra các kết quả nào từ quá trình mô phỏng ?
• Cần nhớ rằng các giá trị thu được từ kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào
những lựa chọn ban đầu mà chúng ta đã nhập vào.
2- Các phần mềm mô phỏng trong công nghệ hóa học
• Trong công nghệ hóa học, người ta sử dụng rất nhiều các phần mềm mô phỏng :
- DESIGN II (WINSIM) : sử dụng trong công nghiệp hóa học nói chung
- PRO/II (SIMSCI) : sử dụng trong công nghiệp hóa học, công nghiệp lọc -
hóa dầu
- PROSIM : sử dụng trong công nghiệp hóa học
- HYSIM (HYSYS) : sử dụng trong công nghiệp chế biến khí
• Trong các phần mềm kể trên, phần mềm PRO/II là phần mềm nổi tiếng nhất,
được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
II- Phần mềm PRO/II
1- Lĩnh vực sử dụng
• Phần mềm PRO/II là phần mềm tính toán chuyên dụng trong các lĩnh vực công
nghệ hóa học nói chung, đặc biệt trong lĩnh vực lọc dầu, hóa dầu, polymer, hóa

dược, Đây là phần mềm tính toán rất chính xác các quá trình chưng cất. Là
sản phẩm của SIMSCI, hình thành từ năm 1967 và được chính thức sử dụng vào
Nguyên lý hóa công nghiệp 23
năm 1988 sau nhiều lần được cải tiến. Hiện nay, chúng ta đang sử dụng phiên
bản PRO/II 7.0
• PRO/II vận hành theo các modul liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ và lần
lượt tính cho từng thiết bị.
• PRO/II bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú : thư viện các cấu tử hóa học, các
phương pháp xác định các tính chất nhiệt động, các kỹ xảo vận hành các thiết bị
hiện đại để cung cấp cho các kỹ sư công nghệ các kỹ năng để biểu diễn tất cả
các tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cần thiết khi mô phỏng các trạng
thái dừng của các sơ đồ công nghệ.
• Phần mềm PRO/II được sử dụng theo nhằm 2 mục đích chính:
- Thiết kế một phân xưởng mới (Sizing)
- Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng trong thực tế để nghiên cứu
các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của nó (Rating) như : thay đổi
nguồn nguyên liệu, điều kiện vận hành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của sản
phẩm,
2- Quá trình mô phỏng bằng phần mềm PRO/II
• Trước khi tiến hành mô phỏng, chúng ta phải diễn đạt các dữ liệu từ sơ đồ thực
tế thành mô hình mô phỏng. Quá trình này bao gồm các bước sau :
- Xác định hệ đơn vị đo : có 3 hệ đơn vị đo : hệ Anh, hệ Mét và hệ SI. Tuỳ
trường hợp, chúng ta chọn hệ đơn vị đo cho thích hợp, thông thường chọn
hệ Mét;
- Xác định thành phần cấu tử có trong hệ : được chọn từ nguồn dữ liệu
phong phú các cấu tử của PROII;
- Lựa chọn các phương trình nhiệt động thích hợp : trên cơ sở thành phần
hóa học của nguyên liệu và điều kiện vận hành của thiết bị ;
Nguyên lý hóa công nghiệp 24
- Lựa chọn các dòng nguyên liệu và sản phẩm : xác định thành phần, trạng

thái nhiệt của các dòng;
- Xác định các dữ liệu về thiết bị và điều kiện vận hành cho các thiết bị.
• Hơn nữa, trong nhiều trường hợp chúng ta phải thay đổi sơ đồ công nghệ thực tế
sang mục đích mô phỏng. Mặc dù có sự tương ứng giữa sơ đồ công nghệ thực tế
và sơ đồ mô phỏng nhưng vẫn có những sự khác biệt cần chú ý.
• Vì công cụ mô phỏng chỉ mô tả trạng thái dừng nên trong sơ đồ mô phỏng
không nên bố trí các thiết bị điều khiển, kiểm tra.
•
PRO/II mặc định Condenser được xem là 1 bậc thay đổi nồng độ (1 đĩa lý
thuyết) và Reboiler cũng được xem là một bậc thay đổi nồng độ và dạng Kettle
được mặc định sử dụng.
III- Lý thuyết nhiệt động học
Các tính chất nhiệt động là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất cho việc tính toán quá
trình phân tách toàn hệ thống.
Có nhiều phương pháp tính toán các tính chất này, trong đó, quan trọng nhất là 2
phương pháp :
- Phương pháp tương quan : API và Rackett
- Phương pháp phương trình trạng thái : phương trình bậc ba tổng quát, công
thức Alpha, các qui luật hỗn hợp, phương trình SRK, phương trình PR,
phương trình SRKP, SRKM, SRKS,
Phương pháp API và Rackett tính toán khá chính xác tỉ trọng của pha lỏng, còn
các tính chất nhiệt động khác như : enthalpie, entropie lỏng và hơi, tỉ trọng pha hơi,
thì được tính toán rất chính xác bằng các phương trình trạng thái như : SRK,
SRKM,
Nguyên lý hóa công nghiệp 25
IV- Cơ sở lựa chọn mô hình nhiệt động
• Lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp cho một ứng dụng cụ thể đóng một vai
trò rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả mô phỏng
• Mỗi phương pháp nhiệt động cho phép tính các thông số sau :
- Hằng số cân bằng pha K : thể hiện sự phân bố cấu tử giữa các pha ở điều

kiện cân bằng
- Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : xác định năng lượng cần thiết để
chuyển một hệ từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái khác
- Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : nhằm phục vụ việc tính toán các
máy nén, giản nở và năng lượng tự do tối thiểu ở các thiết bị phản ứng
- Tỉ trọng của pha lỏng và pha hơi : để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở
lực và xác định kích thước tháp chưng cất
• Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa vào các yếu tố sau :
- Bản chất của các đặc trưng nhiệt động của hệ như : Hằng số cân bằng
lỏng-hơi (VLE : Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chưng cất,
cô đặc hoặc bốc hơi, quá trình trích ly,
- Thành phần của hỗn hợp
- Phạm vi nhiệt độ và áp suất
- Tính sẳn có của các thông số hoạt động của các thiết bị
• Cụ thể, ta có thể dựa vào sơ đồ sau :