Báo cáo tiểu luận môn nhiệt đông học HYDROCACBON HỖN HỢP CÂN BẰNG LỎNG HƠI
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (665.33 KB, 55 trang )
CHƯƠNG 6
HỖN HỢP CÂN BẰNG LỎNG HƠI
GVHD:
HV:
TS.HUỲNH QUYỀN
DƯƠNG KIM NGÂN
1
NỘI DUNG TRÌNH BÀY
1.
2.
3.
HIỆN TƯỢNG BAY HƠI VÀ NGƯNG
TỤ
ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG LỎNG HƠI
CỦA HỖN HỢP
THAY ĐỔI CÂN BẰNG HỖN HỢP
THEO NHIỆT ĐỘ, ÁP SUẤT, THÀNH
PHẦN
2
6.1.HIỆN TƯỢNG BAY HƠI VÀ NGƯNG
TỤ
1.
2.
3.
Để mô tả hỗn hợp địi hỏi phải có kiến thức về:
áp suất,
nhiệt độ,
thành phần.
Để minh hoạ sự chuyển pha, trước hết ta phải
xem như hỗn hợp cân bằng tại đẳng áp, sau đó
xét tại đẳng nhiệt.
Hình 6.1, 6.3 và kết hợp bảng 6.1 diễn tả hỗn
hợp propane và n-pentane
3
6.1.HIỆN TƯỢNG BAY HƠI VÀ NGƯNG
TỤ
Cân bằng được tính tốn bằng phương
pháp Soave-Redlich-Kwong, sẽ nói rỏ
trong chương 8.
Tổng hợp giá trị tính tốn trên bảng 6.1
4
6.1.HIỆN TƯỢNG BAY HƠI VÀ NGƯNG
TỤ
5
6.1.1.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG ÁP
1.
Trước hết, xét ví dụ hỗn hợp propane và
n-pentane tại áp suất 5bar.
Sơ đồ 6.1: trục hoành là phần mol của
cấu tử trong hỗn hợp với
z1 là nồng độ toàn bộ hỗn hợp,
2.
x1 là nồng độ của pha lỏng,
3.
y1 là nồng độ của pha hơi
6
6.1.1.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG ÁP
7
6.1.1.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG ÁP
Khi hỗn hợp đạt trạng thái cân bằng, tổng
phần mol của cả 2 thành phần phải bằng
1.
Từ đây, phần mol của cấu tử thứ 2 dễ
dàng suy ra từ cả z1 , x1, hay y1
Thông thường, chỉ số 1 sẽ bị quy cho hầu
hết thành phần bay hơi, với điểm sôi thấp
nhất, hay áp suất hơi cao nhất.
8
6.1.1.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG ÁP
Trên trục tung, là cột nhiệt độ.
Cụ thể tại trục hoành giá trị 1 và 0, ta có
nhiệt độ sơi của cấu tử 1 và 2 tương ứng
1.5oC cho propane và 92oC cho n-pentane,
tại áp suất đang xét.
9
6.1.1.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG ÁP
Nếu nồng độ hỗn hợp z1 (VD z1=0.5), thì hỗn hợp
ở dạng lỏng đồng nhất tại nhiệt độ thấp.
Nếu tại đẳng áp, ta cung cấp nhiệt độ, và tăng
dần nhiệt độ từ từ đến khi đạt “điểm sơi” (tại
26.4oC), tại đó có 1 điểm sôi đầu tiên xuất hiện.
Tại điểm này, rỏ ràng pha lỏng có thành phần như
nhau thì tồn bộ hỗn hợp x1=z1. Nhưng pha hơi
xuất hiện 1 thành phần khác y1 điểm sơi. Nói
chung, khi đó Pha hơi sẽ nhiều thành phần chất
bay hơi. Trong VD này thì y1=0.915
10
6.1.1.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG ÁP
Nếu ta tiếp tục tăng nhiệt độ, ta quan sát
thấy nhiệt độ tăng lên thì đồng thời pha
hơi cũng tăng. Chia thành 2 thành phần
khác nhau x1 và y1.
Các pha này có quan hệ với các điều kiện
cân bằng của áp súât, nhiệt độ. Thêm vào
đó, thành phần của những pha này với NL
là số lượng mole trong pha lỏng và NV là
số lượng mole của pha hơi.
11
6.1.1.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG ÁP
12
6.1.1.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG ÁP
Tổng quát, sự bay hơi của hỗn hợp tiến dần
đến “điểm sương”. Hỗn hợp được thử lại
trong điều kiện cân bằng, nhưng pha hơi
biến mất.
Sự kết hợp của điểm này là nhiệt độ điểm
sương, thành phần x1 điểm sương của pha
lỏng, y1 điểm sương=z1 của pha hơi. Hỗn
hợp của propane và n-pentane tại áp suất 5
bar, thì nhiệt độ điểm sương là 67.5oC và ta
có x1=0.13
13
6.1.1.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG ÁP
Nếu ta tiếp tục tăng nhiệt độ, nó thành
đồng nhất và được gọi là hơi quá nhiệt.
Tất nhiên, nhiệt độ điểm sôi và nhiệt độ
điểm sương phụ thuộc vào áp suất. Và sẽ
làm rõ trên giản đồ 6.3
14
6.1.2.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG
NHIỆT. ĐIỂM CRITICAL VÀ NGƯNG TỤ
15
6.1.2.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐIỂM
ĐẲNG NHIỆT. ĐIỂM CRITICAL VÀ NGƯNG TỤ
Sơ đồ 6.3 diễn tả mối quan hệ của hỗn hợp propane và
n-pentane tại T=300K.
ÁP suất được vẽ trên cột tung và đại diện cho chất tinh
khiết; chúng ta có áp súât hơi cho 2 thành phần, 10 bar
cho prppane và 0.7bar cho n-pentane.
Ở mật độ thấp, hỗn hợp ở pha hơi và áp suất thấp. Thể
tích giảm gây ra áp suất tăng, xuất hiện giọt lỏng đầu
tiên tại P=1.36bar (ta gọi tại đây là áp súât điểm
sương), sau đó một phần ngưng tụ của hỗn hợp sẽ chia
thành 2 pha, pha lỏng và pha hơi, sự biến mất của bọt
cuối cùng của hơi tại P=5bar, và sự nén của 1 pha lỏng
đồng nhất.
16
6.1.2.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI ĐẲNG
NHIỆT. ĐIỂM CRITICAL VÀ NGƯNG TỤ
Với sơ đồ 6.5 thì ta quan tâm đến 1 sự
thay đổi khác, là nhiệt độ. Là sơ đồ cân
bằng của enthane benzen, được tính tốn
theo phương pháp Soave-Redlich-Kwong.
VD, trên giản đồ này ta theo sự thay đổi
dạng của hỗn hợp với nồng độ của hỗn
hợp z1=0.7
17
6.1.2.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI
ĐẲNG NHIỆT. ĐIỂM CRITICAL VÀ NGƯNG
TỤ
18
6.1.2.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI
ĐIỂM ĐẲNG NHIỆT. ĐIỂM TỚI HẠN VÀ
NGƯNG TỤ
Nhiệt độ tăng dần đến nhiệt độ tới hạn của 1 thành
phần tại sơ đồ 6.5, VD ở 90oC, thì điểm nhiệt độ
critical của ethane là 305K.
Hỗn hợp z1=0.7 cịn có điểm sương tại nhiệt độ
4.7bar cũng như 1 điểm bọt P=76.9 bar. Tại điểm
tương ứng với áp súât cao nhất thì điểm này, pha
lỏng và pha hơi đạt cân bằng và đồng nhất trong
thành phần và tính chất của chúng(enthapy,
entropy, ..). Đây là điểm critical của cân bằng lỏnghơi tại nhiệt độ có được.
19
6.1.2.SƠ ĐỒ CÂN BẰNG LỎNG-HƠI TẠI
ĐẲNG NHIỆT. ĐIỂM CRITICAL VÀ NGƯNG
TỤ
Tại 155oC, điểm tới hạn tương ứng với hỗn
hợp z1=0.7.
Có sự thay đổi hình dạng đường cong khi
áp súât tăng lên sẽ thấy pha hơi đồng
nhất, và khi đó áp súât tới hạn đạt được là
108bar. Tại áp súât cao, hỗn hợp 1 lần
nữa được đồng nhất.
20
6.1.3.HỆ ĐẲNG PHÍ
Xét hệ cyclohexane benzene mà có đẳng
phí áp súât cao nhất, hay
hexafluorobenzene benzene với 2 thành
phần đẳng phí, 1 thành phần tại áp suất
cực đại, 1thành phần tại áp suất cực tiểu.
Cân bằng lỏng-hơi không chọn lọc, được
gọi là “đẳng phí”.
21
6.1.3.HỆ ĐẲNG PHÍ
Xem sơ đồ 6.7
Chúng ta biết rằng để 1 cấu tử trong thành phần mà
đa số là chất bay hơi, thì ít hơn thành phần đẳng
phí, pha hơi được nhiều lên trong thành phần pha
lỏng.
Mặt khác, ngoài thành phần đẳng phí, sự chọn lọc bị
đảo ngược. Tại đáy của cột, ta có 1 hay 2 thành
phần, phù hợp với thành phần của hỗn hợp gốc. Do
đó, Hiện tượng đẳng phí tạo thành 1 giới hạn để
chưng cất phân đoạn.
22
6.1.3.HỆ ĐẲNG PHÍ
23
6.1.3.HỆ ĐẲNG PHÍ
Một hỗn hợp có thành phần đẳng phí do đó sự bốc hơi
tại nhiệt độ có được, xem như là chất tinh khiết. Áp
suất không thay đổi trong súơt q trình bốc hơi.
Tuy nhiên, nếu xem sơ đồ tương tự tại 1 nhiệt độ khác,
ta quan sát thấy rằng thành phần đẳng phí bị thay đổi.
Vậy sự khác nhau là hỗn hợp đẳng phí từ chất tinh
khiết, và cho phép ta nghĩ đến giới hạn của sự phân
tách.
2 thành phần mà có 1 thành phần đẳng phí có thể làm
phân tách 2 giai đoạn chưng cất tại 2 áp suất khác
nhau.
24
6.1.3.HỆ ĐẲNG PHÍ
Bảng 6.2 [Otsuki và William, 1953] chỉ
định những giá trị áp súât cao hơn áp suất
khí quyển.
25
