TUÂN.doc

Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
MỞ ĐẦU
Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa và công nghệ chế biến dầu mỏ
được xem như bắt đầu ra đời vào năm 1859 khi mà Edwis Drake (Mỹ) khai thác được
dầu thô, lúc bấy giờ lượng dầu thô khai thác được còn rất ít nó được sử dụng làm nhiên
liệu để đốt chảy thắp sáng. Thế kỷ 19 dầu được coi như nguồn tài nguyên cho mọi
phương tiện giao thông và cho nền kinh tế quốc dân.
Hiện nay dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc
gia trên thế giới. Khoảng 65 ÷ 75% năng lượng sử dụng từ dầu mỏ, chỉ có 20 ÷22%.
Dựa vào các quá trình chế biến như: Chưng cất, hydro crarking, reforming, ankil hoá,
đồng phân hoá, polyme hoá cho ra các sản phẩm xăng, nhiên liệu phản lực dầu mỏ bôi
trơn, có hiệu quả tối đa và một số sản phẩm Dầu khác như: sản phẩm năng lượng, phi
năng lượng, butan, cốc và khí lỏng dân dụng, làm khí đốt và nhiên liệu.
Ngày nay trên 90% sản phẩm hữu cơ có nguồn gốc từ dầu khí và tỷ lệ dầu khí sử
dụng vào mục đích năng lượng sẽ giảm dần do đó dầu khí trong một tương lai lâu dài
vẫn chiếm dữ một vị trí quan trọng trong lĩnh vực năng lượng và nguyên liệu hoá học
mà không có một tài nguyên thiên nhiên nào cạnh tranh nổi.
Dầu mỏ là hỗn hợp phức tạp trong đó có hàng trăm hợp chất khác nhau, nhưng
nguyên tố cơ bản chứa trong dầu khí phần lớn là hyđro cacbon chiếm từ 60 ÷ 90% trọng
lượng trong dầu, còn lại là các chất oxy, lưu huỳnh, nước, các phức chất cơ kim, các
chất nhựa, asphanten. Trong khí còn chứa các khí trơ như He, Ar, Xe….Dầu mỏ là một
hỗn hợp rất phức tạp gồm hyđro cacbon, khí thiênnhiên, khí dầu mỏ và các hợp chất
khác như CO
2
, N
2
, H
2
S, He….
Dầu mỏ muốn sử dụng được rộng rãi, chưng cất sơ khai dầu, chưng cất phân
đoạn. Các phân đoạn thu được phù hợp cho các phương pháp chế biến khác.

Đối với Việt Nam, coi dầu khí là ngành kinh tế mũi nhọn, là chỗ dựa cho ngành
công nghiệp hoá, hiện đại hoá, làm đà thúc đẩy cho nền kinh tế quốc dân. Đây là mũi
nhọn có tính chiến lược của Việt Nam, như vậy ngành công nghiệp dầu nước ta đang
bước vào thời kỳ mới, thời kỳ mà cả nước đang thực hiện mục tiêu công nghiệp hoá,
hiện đại hoá chắc chắn sự đóng góp của ngành dầu khí trong công cuộc công nghiệp hoá
đất nước sẽ có ý nghĩa không chỉ bằng những chỉ tiêu kinh tế cụ thể mà ngành công chế
biến nghiệp mọi nhọn này còn là nguồn động viên tinh thần của đảng, toàn dân và nhất
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
là thành viên đang hoạt động trong ngành dầu khí, hăng hái lao động góp phần xây dựng
đất nước để sau vài thập niên tới sánh vai với các nước trong khu vực và trên thế giới.
Đây không phải là vấn đề mới,trong thực tế đã có nhiều nhà nghiên cứu khoa học
đã đi sâu vào nghiên cứu nguyên lý phép chưng cất và được áp dụng vào thực tiễn mang
lại hiệu quả kinh tế rất cao trong quá trình sản xuất. Song vẫn còn tồn tại một số hạn chế
nhất định. Chính vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng
cất”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1.1 Khái niệm
Chưng là phương pháp tách hổn hợp chất lỏng (cũng như các hổn hợp khí đã hóa
lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong
hổn hợp.
Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm. Thường hổn hợp có bao nhiêu cấu tử thì
có bấy nhiêu sản phẩm. Đối với hổn hợp gồm hai cấu tử sản phẩm sẽ thu được:
Sản phẩm đỉnh: gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi.
Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi.
Thường để thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết tiến hành chưng nhiều lần – chưng

luyện.
Vậy “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)”.
1.1.2. Lịch sử phát triển
Loài người từ xa xưa đã biết áp dụng nguyên lý phép chưng cất vào trong đời
sống của mình như: chưng cất,chưng cất rượu,....Đối với dầu khí con người biết sử dụng
dầu khí đã hàng nghìn năm về trước do sự bắt cháy của dòng khí tự nhiên phụt lên theo
các khe nứt của mặt đất.
Người Trung Hoa đã dùng khí tự nhiên làm khí đốt vào thế kỷ thứ ba, nhưng kỷ
nguyên dầu khí thực sự chỉ bắt đầu ở thế kỷ 19. Xưởng chưng cất dầu thô đầu tiên trên
thế gới xuất hiện ở Capcado (Liên Xô cũ) vào năm 1821 những năm 1859 được coi là
năm khởi đầu của kỷ nguyên dầu khí do khai thác được mỏ dầu Titusville (Pensylvania
ở Mỹ) cũng như việc xây dựng nhà máy đầu tiên ở đó vao năm 1890.
Ngày nay, ngành công nghiệp chế biến không ngừng được phát triển với những
trang thiết bị, máy móc hiện đại. Đặc biệt là thiết bị của quá trình chưng cất dầu thô. Từ
những công cụ, thiết bị đơn giản đem lại hiệu suất kinh tế không cao đã được thay đổi
bằng những thiết bị hiện đại.
1.1.3. Phân loại chưng cất
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
a. Phân loại theo áp suất làm việc:
Áp suất thấp
Áp suất thường
Áp suất cao
b. Phân loại theo nguyên lý làm việc:
Chưng cất đơn giản
Chưng bằng hơi nước trực tiếp
Chưng cất
Chưng chân không

c. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp:
Cấp nhiệt trực tiếp
Cấp nhiệt gián tiếp
1.2. ÁP SUẤT HƠI
1.2.1. Hiện tượng bay hơi
Mọi chất lỏng (dung dịch, nguyên chất) đều bay hơi. Chỉ có các phân tử ở bề mặt
chất lỏng (mặt thoáng) có năng lượng vượt trội sẽ bay hơi. Trong giai đoạn đầu, tốc độ
bay hơi luôn lớn hơn tốc độ ngưng tụ, sau một thời gian, một lượng phân tử hơi trong
không khí đạt cực đại thì tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ bằng nhau. Lúc đó, coi như
sự bay hơi không xảy ra nữa (thực tế vẫn xảy ra sự bay hơi).
Cần chú ý là hơi và khí về bản chất vật lý là giống nhau, nhưng chỉ gọi là khí khi chất
đó ở thể khí trong điều kiện thường như: O
2
, CO
2
,..., còn hơi là chất có liên quan ở thể
lỏng trong điều kienj thường như: H
2
O, C
2
H
5
OH,...
1.2.2. Áp suất hơi bão hòa
Sự bay hơi và sự ngưng tụ tất yếu sẽ dẫn đến một trạng thái mà ở đó, tốc độ bay
hơi và tốc độ ngưng tụ sẽ bằng nhau gọi là trạng thái cân bằng.
Rõ ràng, áp suất hơi lúc đó trở nên không đổi và đạt cực đạt. Áp suất đó được gọi
là áp suất hơi bão hòa của chất lỏng. Vậy: áp suất hơi bão hòa của một chất lỏng là áp
suất hơi riêng phần được gây ra bởi các phân tử hơi từ chất lỏng đó tồn tại trên mặt
thoáng khi chất lỏng bay hơi nhiều nhất.

GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
1.2.2.1. Khái niệm về dung dịch
Pha: Là tập hợp chất đồng nhất về mặt vật lý và hóa học.ví dụ:
Không khí gồm N
2
, O
2
và các khí khác trộn vào nhau tạo nên pha khí.
Nước lỏng nguyên chất tạo nên pha lỏng.
Dung dịch:
Dung dịch là một pha gồm từ hai chất tan trở lên, nồng độ có thể thay đổi. Dung
dịch có thể ở trạng thái lỏng (rượu, xăng,...), khí (không khí, khí tự nhiên...), hoặc rắn
( gang, vàng tây,...).
1.2.2.2. Áp suât hơi bão hòa của dung dịch
Dung dịch rượu khi bay hơi cho rượu và hơi nước. Hơi rượu gây ra áp suất riêng
phần P
rượu
, hơi nước gây ra áp suất riêng phần P
nước
.
Do đó,áp suất hơi bão hòa của dung dịch rượu bằng tổng áp suất hơi bão hòa của
hơi bão hòa riêng phần của hơi rượu và áp suất hơi bão hòa của hơi nước.
Tổng quát: Áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng tổng áp suất riêng phần của
các hợp chất. P = ∑P
i
1.2.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến áp suất hơi bão hòa.
Nhiệt độ:
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất mạnh đến áp suất hơi bão hòa. Khi tăng nhiệt độ, các
phân tử ở thể lỏng có năng lượng tăng, kích thích các phân tử lỏng bay nhiều hơn.

Do đó, khi nhiệt độ tăng thì áp suất hơi bão hòa tăng rất mạnh.
Bảng 1.1. Cho thấy áp suất hơi bão hòa tăng nhanh theo nhiệt độ
T (
o
C) 0 20 40 60 70 80 90 100
P
H
2
4,6 17,5 55,3 149 234 355 525 760
C
6
H
6
26.5 75 183 392 551 758 1016
Aceton 67,3 185 421 860
- Bản chất: Nhiệt bay hơi, nhiệt độ sôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là phụ
thuộc vào khối lượng phân tử (M), vào lực hút giữa các phân tử. Nói chung, một chất có
M càng lớn sẽ có nhiệt độ sôi càng cao vì sự bay hơi kém. Quy luật này gần như luôn
luôn đúng ở các hydrocacbon, đặc biệt khi chúng là đồng đẳng của nhau.
Chất có áp suất hơi bão hòa lớn là chất dễ bay hơi.
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
- Nồng độ: Xét pha lỏng ở dạng dung dịch. Ta gọi các chất tạo ra dung dịch là
các hợp phần: khả năng bay hơi của mỗi hợp phần không những phụ thuộc vào bản chất,
sự tương tác của dung dịch mà còn phụ thuộc vào nòng độ của chúng.
1.2.2.4. Định luật Raoult
Gọi: P: áp suất hơi bão hòa của dung dịch
i: hợp phần i
P
i

o
: áp suất hơi bão hòa của hợp phần i ở trạng thái nguyên chất.
P
i
: áp suất hơi bão hòa riêng phần i
N
i
: nồng độ phần mol của chất i trong dung dịch.
Định luật Raoult được phát biểu như sau:
Áp suất hơi bão hòa riêng phần của một chất tỷ lệ với nồng độ phần mol của nó
trong dung dịch.
P
i
= P
i
o
. N
i
Ngoài ra, ta biets rằng áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng tổng áp suất hơi
bão hòa riêng phần của các hợp chất. Do đó, ta lại có:
P = ∑P
i
= ∑P
i
o
. N
i
1.2.2.5.Áp suất riêng phần.
Trong điều kiện thường, giả sử trong không khí có hai hợp phần là N
2

và O
2
với
P
O2
= 0,2 atm, P
N2
= 0,8 atm thì áp suất của không khí sẽ là:
P
KK
= P
N2
+ P
O2
= 0.2 + 0,8 = 1atm
Mỗi chất khí trong hỗn hợp gây ra một áp suất của riêng mình, áp suất đó gọi là
áp suất riêng phần. tổng áp suất riêng phần của tất cả các khí chính là áp suất chung, kí
hiệu: P = ∑P
i
Ngoài ra theo định luật về chất khí, ta có:
P
i
= N
i
.P
Với: P
i
: áp suất riêng phần
N
i

: nồng độ phần mol
P: áp suất chung.
Vậy: Áp suất riêng phần bằng nồng độ phần mol nhân với áp suất chung.
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
1.3. SỰ SÔI
1.3.1.Sự sôi của dung dịch
Sự sôi khác với sụ bay hơi. Mọi chất lỏng đều bay hơi (ở mặt thoáng) ở bất nhiệt
độ nào. Sự bay hơi càng mạnh khi nhiệt độ càng cao, còn sự sôi là hiện tượng khối chất
lỏng bay hơi ồ ạt không những ở trên mặt thoáng của chất lỏng mà còn ở ngay trong
lòng chất lỏng. Khi đó áp suất hơi bão hòa của chất lỏng đang sôi bằng áp suất đè lên
mặt thoáng, pha hơi lúc đó chỉ gồm hơi do lỏng tạo ra, không chứa các khí vốn đã từng
có trên mặt thoáng.
Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi thì áp suất hơi còn bé áp suất hơi trên mặt
thoáng nên trong pha khí gồm có cả hơi do lỏng tạo ra và các khí có sẵn từ trước. Cần
phải nâng nhiệt độ lên nữa để green mặt thoáng chỉ gồm các hơi do lỏng tạo ra đến khi
chúng có áp suất tổng bằng áp suất đè lên mặt thoáng thì sự sôi sẽ xảy ra. Như vậy, nhiệt
độ sôi của một chất phụ thuộc vào áp suất đè lên mặt thoáng. Áp suất đè lên mặt thoáng
càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao. Do đó một chất lỏng sẽ sôi tại nhiệt độ mà ở đó áp
suất hơi bão hòa của nó bằng áp suất đè lên mặt thoáng.
Cần chú ý rằng ở áp suất không đổi, chất nguyên chất sôi ở một nhiệt độ cố định
còn dung dịch thì sôi xảy ra trong một khoảng nhiệt độ.
1.3.2. Định luật Konolalov
Xét sự sôi của dung dịch, ở một nhiệt độ nào đó pha hơi sẽ là một hỗn hợp gồm
tất cả các hợp phần có mặt trong dung dịch lỏng.
Giả sử dung dịch ban đầu gồm có hai chất A và B. Theo định luật Raoult và định
luật về chất khí:
P
A
=

0
A
P
.
L
A
N
=
P
..
H
A
P
(1)

B
P
=
0
B
P
.
L
B
N
=
P
..
H
B

N

(2)
Với:
L
A
N
: nồng độ phần mol của A trong lỏng

H
A
N
:
nồng độ phần mol của A trong hơi

L
B
N
: nồng độ phần mol của B trong lỏng

H
B
N
: nồng độ phần mol của B trong hơi
P: áp suất hơi bão hòa của dung dịch
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
P
A
: áp suất riêng phần của A

P
B
: áp suất riêng phần của B

0
A
P
: áp suất hơi bão hòa nguyên chất của A

O
B
P
: áp suất hơi bão hòa nguyên chất của B
Chia (1) cho (2) ta có:
L
B
L
A
L
B
0
B
L
A
0
A
H
B
H
A

N
N
NP
NP
N
N
=
•
•
=
. α
Với α =
0
0
B
A
P
P
: Gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B
Giả sử A dễ bay hơi hơn B, nên α > 1. Do đó theo (3) ta có:
L
B
L
A
H
B
H
A
N
N

N
N
>
Rõ ràng nồng độ chất dễ bay hơi hơn A trong pha hơi ở bất đẳng thức trên lớn
hơn nồng độ của chất dễ bay hơi A trong dung dịch lỏng ban đầu.
Đó cũng chính là định luật Konovalov: Thành phần pha hơi khác thành phần pha
lỏng, pha hơi giàu chất dễ sôi hơn so với pha lỏng.
Nhận xét:
- Dung dịch càng giàu chất dễ sôi thì sôi ở nhiệt độ càng thấp
- Khi sôi, dung dịch cho ra pha hơi giàu chất dễ sôi hơn nó (ban đầu). Dung dịch
sẽ không sôi ở nhiệt độ đó nữa, nó chỉ sôi khi nhiệt độ được tăng lên.
- Dung dịch sôi ở một khoảng nhiệt độ, lớn hơn nhiệt độ của chất dễ sôi và nhỏ
hơn nhiệt độ của chất khó sôi
1.3.3. Thành phần của pha hơi khi đun sôi một pha lỏng
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
Hình 1.1. Quan hệ thành phần lỏng – hơi hệ hai chất A -B
Như ta đã biết, một chất lỏng sẽ sôi tại nhiệt độ mà ở đó áp suất hơi bão hòa của
nó bằng áp suất đè lên mặt thoáng. Ở áp suất không đổi chất nguyên chất sôi ở nhiệt độ
cố định.
Người ta còn dùng khái niệm áp suất hơi bão hòa Ried, đó là áp suất tuyệt đôi ở
100
o
F (37.8
0
C) được đặc trưng cho khả năng bay hơi của phân đoạn xăng, đại lượng này
càng lớn khả năng bay hơi càng cao.
Khi một chất lỏng nguyên chất sôi thì nó tạo ra một pha hơi nguyên chất. Chúng
ta hãy xét trường hợp một dung dịch lỏng sôi. Khi đo pha hơi sẽ là một hỗn hợp thường
gồm tất cả các hợp phần có mặt trong dung dịch lỏng. Chúng có thành phần phụ thuộc

vào thành phần của dung dịch lỏng theo định luật Konovalov mà ta đã biết:
L
B
L
A
L
B
0
B
L
A
0
A
H
B
H
A
N
N
NP
NP
N
N
=
•
•
=
. α (3)
Với α =
0

0
B
A
P
P
: Gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B
Giả sử A dễ bay hơi hơn B, thì
O
B
O
A
PP
>
. Ta có,
α =
0
0
B
A
P
P
> 1 →
L
B
L
A
H
B
H
A

N
N
N
N
>
(4)
Từ (4) ta thấy, nồng độ của chất dẽ bay hơi A trong pha hơi rõ ràng lớn hơn nồng
độ của chất dễ bay hơi B trong dung dịch lỏng ban đầu. phương trình (3) là phương trình
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
mô tả toán học của định luật Konovalov: Thành phần pha hơi khác thành phần pha lỏng,
pha hơi giàu chất dễ bay hơi so với pha lỏng.
Khái niệm giàu chất dễ sôi hơn ở đây có nghĩa là nồng độ phần mol chất dễ sôi
trong pha hơi lớn hơn nồng độ phần mol của nó trong dung dịch. Ngược lại, dĩ nhiên là
nồng độ chất khó sôi trong pha hơi bé hơn ( nghèo chất khó bay hơi) nồng độ của nó
trong dung dịch lỏng.
Thật vậy, xét hệ benzen (A) và toluen (B) với A là benzen dễ bay hơi hơn B có
thành phần
0,2N
L
Benzen
=
,
0,8N
L
Toluen
=
ở nhiệt độ thường. Khi nâng nhiệt độ lên 70
0
C

thì
547mmHg,P
0
Benzen
=

202mmHg,P
0
toluen
=
tức là α =
2,71
202
547
=
.
Theo định luật Roult:
Bezen
P
= 547 . 0,2 = 109,4 mmHg.
Toluen
P
= 202 . 0,8 = 161,6 mmHg.
Nếu P =
Toluen
P
+
Bezen
P
=161,6 + 109,4 =271 mmHg.

Theo định luật về chất khí,ta có:
Bezen
P
= P .
H
Bezen
N
→
H
Bezen
N
=
P
P
Bezen
=
271
4,109
= 0,4

Toluen
P
= P .
H
Toluen
N
→
H
Toluen
N

=
P
P
Toluen
=
271
6,161
= 0,6
Rõ ràng, thành phần pha hơi giàu chất dễ bay hơi hơn so với thành phần pha lỏng
đúng theo định luật Konovalov.
Ba đường ứng với 3 giá trị α =
0
Toluen
0
Bezen
P
P
là 1; 2,71 và 5. Khi α càng lớn thì được
cong càng lệch khỏi đường chéo α = 1.
1.3.4. Giản đồ trạng thái cân bằng lỏng – hơi hệ hai chất
Giản đồ trạng thái là một hình cho ta biết sự tồn tại của các pha và mối liên hệ
giữa các pha đó,hay nói cách khác, nó cho ta biết sự tương ướng về thành phần các pha
của các chất theo nhiệt độ.
Giả sử có dung dich a gồm hai chất A và B. Ta biết, dung dịch lỏng này sôi ở
nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của chất khó sôi và cao hơn nhiệt độ sôi của chất dễ sôi.
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
Trục hoành: Trục thành phần.
Trục tung: Trục nhiệt độ.
Giản đồ như hình 1.2 cho ta thấy sự phụ thuộc nhiệt độ sôi của dung dịch vào

thành phần dung dịch ban đầu như mô ta ở đường Ua
3
V gọi là đường lỏng hay đường
sôi. Đường lỏng là đường biễu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ của dung dịch lỏng vào
thành phần pha lỏng. Đường Ua
5
V gọi là đường hơi. Đường hơi là đường biễu diễn sự
phụ thuộc của nhiệt độ mà pha hơi bị ngưng tụ phụ thuộc vào thành phần pha hơi. Vùng
bị kẹp hai đường trên gọi là vùng cân bằng lỏng – hơi.
Giả sử chất A dễ sôi hơn chất B, theo lý thuyết, nếu dung dịch có nồng độ phần
mol của chất A càng lớn thì nhiệt độ sôi của dung dịch càng nhỏ. Nếu thành phần ban
đầu của hỗn hợp có nồng độ của chất A (dễ bay hơi) lần lượt là 0,2; 0,57; 0,85 thì theo
hình vẽ ta có T
3
> T
2
>T
d.
Tất cả các dung dịch có nhiệt độ thấp hơn hiệt độ tương ứng
với đường lỏng đều chứa sôi, nghĩa là vẫn còn nguyên ở thể lỏng. Ta có thể thấy được
điều này ở hình vẽ, dung dịch a được đun nóng đến nhiệt độ T
1
(điểm hệ là a
1
), nhiệt độ
T
2
(điểm hệ là a
2
) hay dung dịch b được đun nóng đến nhiệt độ T

1
(điểm hệ là b
1
), nhiệt
độ T
2
(điểm hệ là b
2
) hoặc dung dịch c được đun nóng đến nhiệt độ T
1
(điểm hệ là c
1
),...,
chúng đều chưa sôi.
Hình 1.2: Giản đồ trạng thái cân bằng lỏng - hơi
Xét quá trình đun sôi dung dịch a (dung dich có 80% mol B và 20% mol A).
Khi đun nóng a đến T
1
ta được dung dịch a
1
. Dung dich này vẫn gồm 80% mol B và
20% mol A, nó vẫn ở thể lỏng, tương tự dung dịch a
2
vẫn ở thể lỏng dù nhiệt độ được
nâng lên T
2
.
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
Khi đun nóng dung dich a đến nhiệt độ T

3
, dung dịch a trở thành a
3
. Dung a
3
vẫn
gồm 80% mol B và có nhiệt độ T
3
. Tại nhiệt độ này, dung dịch a
3
bắt đầu sôi. Tương tự,
khi đun nóng dung dịch c đến nhiệt độ T
2
,dung dịch c trở thành dung dịch c
2
và nó bắt
đấu sôi.
Các điểm a, a
1
, a
2,
a
3
, b, b
1
, b
2
,c,c
1
,c

2
,... biễu diễn thành phần và nhiệt độ của pha
lỏng nên được gọi là điểm lỏng. Tập hợp các điểm lỏng gọi là vùng lỏng. Vùng lỏng
nằm ở vùng lỏng và dưới vùng lỏng. Bất kỳ một dung dịch nào có điểm biểu diễn nằm
dưới đường lỏng đều không sôi như dung dịch a
1
, a
2,
b
1,
b
2
,.... Bất kỳ một dung dịch lỏng
nào có điểm biễu diễn nằm trên đường lỏng đều bắt đầu sôi như các dung dịch g
5,
f
4,
a
3
,
b
2
,...
Ta lần lượt xét các dung dịch sau:
Dung dịch a với:N
A
= 0,2 và N
B
= 0,8 sôi ở nhiệt độ T
3

.
Dung dịch b với N
A
= 0,42 và N
B
= 0,58 sôi ở nhiệt độ T
3
.
Dung dịch c với N
A
= 0,57 và N
B
= 0,43 sôi ở nhiệt độ T
2
.
Khi đun nóng dung dịch a đến nhiệt độ T
3
, dung a trở thành dung dịch a
3
. Lúc
này dung dịch a
3
vẫn gồm có 0,2 A và 0,8 B ở nhiệt độ T
3
và bắt đầu sôi. Tương tự, nếu
ta đun dung dịch c đến nhiệt độ T
2
, dung dịch d đến nhiệt độ T
d
thì chúng lần lượt là

dung dịch là c
2
và d
d
sôi ở nhiệt độ T
2
và T
d
.
Các điểm a, a
1
,a
2,
b, b
1
, b
2
,c,c
1
, d,d
1
, biễu diễn thành phần và nhiệt độ của pha
lỏng nên được gọi là những điểm lỏng. Tập hợp các điểm lỏng gọi là vùng lỏng. Vùng
lỏng nằm dưới đường lỏng.các điểm thuộc vùng lỏng chưa sôi, còn các dung dịch có các
điểm nằm trên đường lỏng như h
5
, g
4
, a
3

, c
2
, d
1
bắt đầu sôi.
Dựa vào hình vẽ ta thấy: khi đun nóng dung dịch a đến nhiệt độ T
3
, dung dịch
vẫn ở thể lỏng (bắt đầu sôi) được biễu diễn bằng điểm a
3
, lỏng a
3
bắt đầu sôi sinh ra hơi
c
3
. Hơi c
3
là điểm biểu diễm thành phần và nhiệt đội của pha hơi c
3
sinh ra từ lỏng a
3
.
Lỏng a
3
và hơi c
3
có cùng nhiệt độ nhưng thành phần khác nhau. Hơi c
3
có N
B

= 0,43
trong khi lỏng a
3
chứa N
B
= 0,80, hay nói cách khác, hơi c
3
có N
A
= 0,57 trong khi đó
lỏng a
3
chỉ chứa 0,2N
A
mà thôi.rõ ràng pha hơi sinh ra sẽ giàu chất dễ bay hơi hơn so
với lỏng ban đầu của nó và dĩ nhiên lỏng còn lạ đang sôi theo đúng định luật Konovalov
đã chỉ rõ.
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
Vì lỏng a
3
sôi sinh ra hơi c
3
giàu A hơn nên lỏng còn lại sẽ nghèo A hơn hay nói
cách khác, lỏng còn lại sẽ giàu B hơn, nên nó không sôi nữa. Muốn chúng tiếp tục sôi, ta
phải nâng nhiệt độ lên một ít nữa. Lỏng còn lại đó sẽ sôi cho ra một hơi giàu A

hơn so
với bản thân nó nhưng hơi đó sẽ không bao giờ giàu A hơn ban đầu được (nên có thành
phần N

A
< 0,20).
Xét ở nhiệt độ T
4
có lỏng f
4
và hơi b
4
. Lỏng f
4
có N
A
= 0,11, N
B
= 0,89. Ta bảo
lỏng có điểm biểu diễn là a
4
. Hơi b
4
có N
B
= 0,58, N
A
= 0,42 cũng ở nhiệt độ T
4
. Ta bảo
b
4
là điểm hơi biểu diễn pha hơi đó. Quan hệ giữa hơi b
4

và lỏng f
4
được tính theo quy
tắcđòn cánh cân như sau:
Ở nhiệt độ T
4
hệ có hai pha là pha hơi và pha lỏng. Chúng phụ thuộc vào hệ a
ban đầu nên điểm a
4
là điểm biểu diễn thành phần của hệ. Điểm a
4
gọi là điểm hệ. Theo
quy tắc đòn cánh cân ta có:
Đoạn thẳng
44
ba
. Lượng pha hơi b
4
= đoạn thẳng
44
fa
. Lượng pha lỏng f
4
.
Theo hình vẽ:
44
ba
= 0,80 – 0,58 = 0,22

44

fa
= 0,89 – 0,80 = 0,09
Nên,
4
4
b hoi pha Luong
f long pha Luong
=
44
44
fa
ba
=
9
22
29,0
22,0
=
Quan hệ đó có nghĩa là tại nhiệt độ này, pha lỏng vẫn còn nhiều hơn pha hơi 22/9
lần, lượng pha lỏng bằng 22/31 lượng hệ, lượng hơi bằng 9/31 lượng hệ.
Ta thấy lỏng a
3
, lỏng f
4
là các pha lỏng bắt đầu sôi và luôn cho ra một pha hơi
tương ứng có điểm biễu diễn trên đường hơi lần lượt là c
3
và b
4
. Lỏng c

2
, lỏng d
d
sôi cho
ra hơi d
2
, hơi e
d
lần lượt ở nhiệt độ T
2
, T
d.
vùng nằm giữa vùng lỏng và vùng hơi là vùng
dị thể, nghĩa là vùng mà nếu mà điểm hệ nằm trong đó như là điểm a
4
, b
3
thì hệ luôn
luôn gồm hai pha: pha lỏng và pha hơi với thành phần được tính theo quy tắc đòn cánh
cân như trên. Ta bảo vùng dị thể có cân bằng lỏng – hơi.
Ví dụ, Ở nhiệt độ T
2
hệ có 0,43B với điểm hệ là c
2
. Điểm c
2
trùng với điểm lỏng
c
2
, ta có điểm hơi d

2
nên:

22
dc
. Lượng hơi =
22
cc
. Lượng lỏng
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
Vì:
22
cc
= 0 mà
22
dc
#0, nên dễ thấy lượng hơi bằng 0. Chính xác hơn là
22
cc
gần bằng không, nghĩa là lượng hơi có nhưng rất ít vì hơi chỉ mới bắt đầu sinh ra
mà thôi.
Khi đun nóng a đến nhiệt độ T
5
, điểm hơi là a
5
trùng với điểm hệ, còn điểm lỏng
la g
5
. Lỏng g

5
chứa đến 0,97B và chỉ còn 0,3A. Hệ bây giờ giàu B (chất khó sôi nên sôi
ở nhiệt độ cao hơn là T
5
để cho ra hơi là a
5
). Thực ra trong hệ chỉ có hơi a
5
, có rất ít lỏng
g
5
vì theo quy tắt đòn cánh cân, tại đây:
55
aa
. Lượng hơi =
55
ga
. Lượng lỏng
Vì
55
aa
= 0 và
55
ga
# 0 nên lượng lỏng g
5
= 0 (gần bằng không). Sự sôi của
hệ a kết thúc tại đây.
Nếu nâng nhiệt độ lên T
6

, ta chỉ còn pha hơi a
6
. Tất cả các điểm biễu diễn nằm
phía trên đường hơi chỉ gồm một pha hơi. Tập hợp các điểm biểu diễn gọi là vùng hơi.
Tóm lại :
Ở nhiệt độ thấp hơn đường lỏng, hệ vẫn là pha lỏng, chưa sôi.
Ở nhiệt độ ứng với đường lỏng thì hệ bắt đầu sôi.
Ở nhiệt độ nằm trong vùng dị thể thì hệ đang sôi, gồm pha hơi và pha
lỏng.
Ở nhiệt độ ứng với đường hơi thì hầu hết là pha hơi. Sự sôi sắp kết thúc.
Ở nhiệt độ trên đường hơi, hệ chỉ có một pha, đó là pha hơi.
Như vậy, dung dịch chỉ sôi ở một khoảng nhiệt độ nhất định, chúng phụ thuộc
mạnh vào nồng độ của các chất trong dung dịch và điều tất yếu xẩy ra là nhiệt độ tăng
dần trong quá trình sôi.
1.4. Ý NGHĨA CỦA QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
Qúa trình chưng cất có ý nghĩa rất quan trọng, chưng cất để tách các dung dịch
thành các cấu tử khác nhau theo nhu cầu mong muốn sử dụng của con người. Đồng thời
mang lại hiệu quả cao nhất trong quá trình sản xuất.
Đối với ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ việc sử dụng dầu mỏ ở dạng thô không
thuận lợi, không kinh tế, kém hiệu quả. Do đó cần phải chế biến dầu mỏ thành những
sảm phẩm có tình kỷ thuật ngày càng cao. Để chế biến dầu thô thành các sản phẩm thì
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
việc đầu tiên và bắt buộc là phải phân chia nó thành các phân đoạn bằng phương pháp
chưng cất.
Quá trình chế biến dầu mỏ được cải thiện trong các nhà máy lọc dầu và hóa dầu.
Các nhà máy lọc dầu chế biến dầu mỏ thành những sảm phẩm gồm từ những hợp chất
hóa học về cơ bản đã có trong dầu mỏ. Các sản phẩm đó là xăng dùng cho ô tô, dầu
diezel làm nhiên liệu cho động cơ diezel, chất bôi trơn, nhiên liệu phản lực, nhựa
đường,....Vì những đặc điểm kể trên mà việc chưng cất dầu thô được tiến hành trong

một hệ thống gồm nhiều tháp chưng cất hoạt động ở các áp suất khác nhau.
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. NGUYÊN LÝ PHÉP CHƯNG CẤT
Ta khảo sát quá trinh chưng cất trong thiết bị đơn giản hình 2.1 như sau:


Hình 2.1: Sơ đồ chưng cất đơn giản
1. Nguồn nhiệt 9. Cổng hút chân không
2. Bình thủy tinh 10. Adapter (thiết bị kết nối)
3. Cột ngưng tụ-bay hơi 11. Điều chỉnh nhiệt độ
4. Nhiệt kế 12. Điều chỉnh tốc độ khuấy
5. Ống sinh hàn 13. Thiết bị khấy và gia nhiệt
6. Nước làm lạnh đầu vào 14. Dầu gia nhiệt
7. Nước làm lạnh đầu ra 15. Cánh khuấy
8. Bình chứa sản phẩm chưng cất
16. Dung dịch làm lạnh
Dung dịch chưng cất gồm hai chất A và B gọi là dung dịch a,
chúng được đựng trong bình (2) nguồn nhiệt (1) cấp cho bình. Dung dịch sôi ở nhiệt độ
T
3
.
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân
Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất
Hơi bay vào ống sinh hàn (5) được chảy trong ống dẫn hơi ngưng tụ nằm trong ống sinh
hàn, khi gặp lạnh, ngưng tụ thành các giọt lỏng (distillat) chảy vào ống nhận distillat (8).
Để quá trình sôi diễn ra điều hòa, người ta thêm vào trong bình một ít đá bọt hoặc
nhúng vào dung dịch một mao quản (15). Nhiệt kế (4) dùng để theo giỏi nhiệt độ của
hơi lấy ra.

Như vậy, phép chưng cất dựa trên sự sôi trong một hệ mở gần như đẳng áp vì hơi
sinh ra liên tục và liên tục được lấy ra khỏi hệ, giống như khi ta đun sôi một nồi nước
không đậy nắp.
Như hình trên ta thấy rằng lỏng chảy vào ống nhận có N
A
= 0,57 và N
B
= 0,43 so
với lỏng ban đầu là N
A
= 0,2 và N
B
= 0,8.
Vậy, bằng cách chưng cất dung dịch a nghèo A trong bình đun ta thu được
distillat c
3
giàu A hơn. Đó là phép chưng cất đơn giản nhất.
Chưng cất là phương pháp tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó rồi ngưng tụ
bay hơi ra để tách được hai phần: phần nhẹ gọi là distillat và phần nặng gọi là cặn chưng
cất.
Nếu bây giời ta dùng distillat c
3
cho vào thiết bị trên để chưng cất tiếp thì dung
dịch c bây giờ đóng vài trò dung dịch cần chưng cất có N
A
= 0,57.
Gia nhiệt dung dịch c chỉ đến nhiệt độ T
2
(nhỏ hơn T
3

) thì nó đã sôi và ta thu
được hơi d
2
, hơi đó được làm lạnh, cho ta distillat d
1
có N
A
cao hơn nữa: N
A
= 0,85.
Tiếp tục làm nhiều lần như vậy thì ta sẽ thu được A gần như nguyên chất.
Vậy, phép chưng cất có thể tách dung dịch thành distillat có thành phần mong
muốn và cặn chưng cất.
2.2.CHƯNG ĐƠN GIẢN
2.2.1.Chưng bay hơi dần dần
Sơ đồ chưng cất bay hơi dần dần được trình bày ở hình 2.2. Hỗn hợp chất lỏng
được đưa vào thiết bị đốt nóng(2) liên tục trong bình chưng (1) từ nhiệt đọ thấp tới
nhietj độ sôi cuối khi liên tục tách hơi sảm phẩm và ngưng tụ hơi bay ra trong thiết bị
ngưng tụ (3), cuối cùng thu sảm phẩm lỏng trong bể chứa (4). Phương pháp chưng này
thường chỉ áp dụng trong phòng thí nghiệm.
GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân