chuong 4 QUÁ TRÌNH CHƯNG

86
CHƯƠNG 4:

QUÁ TRÌNH CHƯNG

I. Khái niệm:
- Chưng là quá trình tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như hỗn hợp khí
hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của
các cấu tử trong hỗn hợp.
- Chưng khác cô đặc: trong quá trình chưng, các cấu tử đều bay hơi,
còn trong cô đặc chỉ có dung môi bay hơi, chất tan không bay hơi. Do vậy,
khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm khác nhau, có bao nhiêu cấu tử thì thu
được bấy nhiêu sản phẩm. Trường hợp hỗn hợp gồm hai cấu tử, thì sản
phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi (P); sản
phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi
(W)
- Quá trình chưng bắt đầu với việc sản xuất rượu từ thế kỉ XI. Ngày
nay được ứng dụng rộng rãi để tách các hỗn hợp: dầu mỏ, khí hóa lỏng, tách
các hợp chất hữu cơ, ...
- Để thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao, người ta tiến hành chưng
nhiều lần gọi là chưng luyện. Khi tiến hành chưng hay chưng luyện cần phân
biệt theo:
• Áp suất làm việc: chân không, áp suất thường hay áp suất cao.
• Số cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ ba cấu tử hoặc số cấu tử
ít hơn 10 và hệ nhiều cấu tử (số cấu tử lớn hơn 10)
• Phương thức làm việc: liên tục hay gián đoạn.
Ngoài ra, còn phân biệt các phương thức chưng đặc biệt: Chưng bằng
hơi nước trực tiếp, chưng trích li, hay chưng đẳng phí . Quá trìng chưng
được thực hiện trong vùng chuyển pha lỏng – hơi, tức là có sự qua lại giữa
bay hơi và ngưng tụ. Do vậy, các quá trình thủy lực, truyền nhiệt, khuyếch
tán có vai trò quan trọng trong thiết bị chưng.

87
II. Hỗn hợp lỏng hai cấu tử:
1. Khái niệm:
Hỗn hợp hai cấu tử A, B được biểu thị qua:
- Khối lượng: m, bằng kg hay lưu lượng khối lượng kg/h.
- Thể tích: V, bằng m3 hay lưu lượng thể tích m3/h.
- Số mol: n, bằng kmol hay lưu lượng mol kmol/h.
Trong đó:

m = V .ρ và

n=

m
M

(4.1)

- Đối với pha khí hoặc hơi cần đề cập tới các đại lượng nhiệt độ
(bằng t0C hay T0K) và áp suất (bằng at, mmHg hay mmH2O).
Với khí lí tưởng:
PV
= const
T

(4.2)

Ở điều kiện chuẩn (00C và 760 mmHg) theo Avogadro có:

(m3)

V0 = n.22,4

(4.3)

Thể tích ở nhệt độ và áp suất bất kì:
V = n.22,4.

P0T
PT0

(m3)

(4.4)

Với hỗn hợp ở trạng thái lỏng có sai lệch với định luật Raoult, áp suát
riêng phần của các cấu tử có thể biểu thị cùng với hệ số ai:
và

p A = a A PAbh x A

p B = a B PBbh x B

(4.5)

- Để thể hiện khả năng bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp, người ta
sử dụng độ bay hơi tương đối α:
α=

PAbh
≥1
PBbh

(4.6)

α càng lớn khả năng tách A ra khỏi B càng dễ. Khi α = 1, theo
phương pháp chưng bình thường không thể tách A ra khỏi B vì trong trường


88
hợp này cấu tử A và B có cùng một áp suất ở cùng một nhiệt độ. Hỗn hợp
hai cấu tử, ví dụ benzen-toluen, etanol-nước, etanol-butanol, ... thì cấu tử
đứng trước luôn có nhiệt độ sôi bé hơn và thành phần của nó được dùng để
biểu thị và tính toán, còn thành phần cấu tử kia (cấu tử khó bay hơi) được
biểu thị qua (1 – x) hoặc (1 – y).
2. Cân bằng hơi-lỏng của hỗn hợp hai cấu tử:
2.1. Phân loại hỗn hợp hai cấu tử:
Hỗn hợp lỏng hai cấu tử được phân loại dựa trên độ hòa tan, nhiệt hòa
tan và các tính chất nhiệt động của nó, cụ thể được phân thành:
2.1.1. Hỗn hợp lý tưởng:
Hỗn hợp lí tưởng là hỗn hợp mà lực liên kết giữa các phân tử cùng
loại và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau và chúng hòa tan
trong nhau theo bất kì tỷ lệ nào, và cân bằng lỏng-hơi tuân theo định luật
Raoult:
EA-B = EA-A = EB-B
2.1.2. Hỗn hợp thực:
Hỗn hợp thực là hỗn hợp bao gồm các cấu tử:
* Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, nhưng có sai lệch dương với
định luật Raoult:

p = a.x.P bh

với

a>1

Trong trường hợp này lực liên kết giữa các phân tử khác loại bé hơn
lực liên kết giữa các phân tử cùng loại:
EA-B < EA-A ( EB-B)
* Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, nhưng có sai lệch âm với định
luật Raoult:
p = a.x.P bh

với

a<1


89
Trong trường hợp này lực liên kết giữa các phân tử khác loại lớn hơn
lực liên kết giữa các phân tử cùng loại:
EA-B > EA-A ( EB-B)
* Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, nhưng tồn tại điểm đẳng phí. Tại
đó, áp suất hơi đạt giá trị cực đại. Ví dụ hệ alcol etylic-nước.
* Chúng hoàn toàn tan lẫn vào nhau, nhưng tồn tại điểm đẳng phí. Tại
đó, áp suất hơi đạt giá trị cực tiểu. Ví dụ hệ axit nitric-nước.
* Chúng tan lẫn một phần vào nhau, như hệ nước-n butanol.
* Chúng hoàn toàn không tan lẫn vào nhau, như hệ benzen-nước
2.2. Đồ thị x-p:
Quan hệ giữa áp suất với thành phần các cấu tử của hỗn hợp lỏng hai

cấu tử được biểu diễn trên hình 4.1 với t = const. Quan hệ này tuân theo định
luật Raoult (trong đó A cấu tử dễ bay hơi).
P
t = const
PAbh

P = pA + p B
p A = x A PAbh

PBbh

p B = x B PBbh

x
(B)

Hình 4.1. Quan hệ p-x

(A)

Đường APBbh : biểu diễn sự phụ thuộc giữa áp suất hơi của cấu tử B
vào thành phần của nó trong dung dịch.


90
Đường BPAbh : biểu diễn sự phụ thuộc giữa áp suất hơi của cấu tử A vào
thành phần của nó trong dung dịch.
Đường PBbh PAbh : biểu diễn sự phụ thuộc giữa áp suất chung của hỗn hợp
vào thành phần của các cấu tử.
Đồ thị 4.2. biểu diễn mối quan hệ p-x cho hỗn hợp lý tưởng và hỗn

hợp thực.
Loại hỗn hợp
Lý tưởng

Sai lệch

Sai lệch

Áp suất

Áp suất

Tan lẫn

Không tan

dương

âm

cực đại

cực tiểu

một phần

lẫn hoàn
toàn

t= const

t= const

t= const

t= const

t= const

t= const
P

pB

P
pA

P

pB

pA

pB

pB

P

pA

P
P

t= const

pA

p A = PAbh

pA

P
pB

pB
pA

p B = PBbh

Hình 4.2. Quan hệ p-x cho hệ lí tưởng và hệ thực
2.3. Đồ thị t - x, y:
2.3.1. Trạng thái cân bằng trên đồ thị t - x, y:
Ở áp suất không đổi thì có sự phụ thuộc của thành phần các cấu tử
trong pha lỏng và pha hơi, ta có đường sôi và đường ngưng tụ. Chúng phân
không gian làm ba phạm vi: có hai pha đồng nhất là pha lỏng và pha hơi bão
hòa, và một pha dị thể lỏng – hơi (hình 4.3). Nhiệt độ sôi của cấu tử A và B
là tsA và tsB tương ứng với áp suất của hệ (áp suất làm việc). Tại nhiệt độ t1 có
nồng độ x1 trong pha lỏng tương ứng với nồng độ y1 trong pha hơi ở trạng
thái cân bằng nhiệt động. Với hỗn hợp lí tưởng áp suất P của hệ luôn luôn

91
nhỏ hơn áp suất hơi bảo hòa của các cấu tử ở cùng một nhiệt độ sôi. Từ đó
kết hợp phương trình:

PAbh
yA =
xA
P

rút ra y > x, có nghĩa là thành phần của hơi trong hệ lí tưởng ở trạng thái cân
bằng luôn luôn lớn thành phần của lỏng.
t(oC)
P=const
tsB

Đường ngưng tụ

t1

hơi

lỏng+hơi

lỏng
đường sôi
x1

tsA

y1

x,y

Hình 4.3. Quan hệ t – x, y
t(0C)

2.3.2. Qúa trình bay hơi:
Giả sử hỗn hợp đầu có thành

=D

=F

phần cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng
là x1. Hỗn hợp được nâng lên nhiệt độ t3

H

sôi t1 (tại C) thu được thành phần hơi
y1. Quá trình tiếp tục sẽ làm giảm

t2

thành phần cấu tử dễ bay hơi trong

t1

F

E
C

G
D

pha lỏng, nên nhiệt độ sôi tăng dần.
Ví dụ ở nhiệt độ t2 (tại E) thành phần
lỏng là x2 và pha hơi là y2. Cuối cùng

x3

x2 (xF) x1 (xZ)

y2(yD) y1

Hình 4.4. Quá trình bay hơi


92
đạt đến đường ngưng tụ (điểm H) ứng với nhiệt độ t3, ta có nồng độ pha lỏng
là x3 và pha hơi y3. Qua biểu diễn của quá trình cho thấy quá trình bay hơi
hoặc ngưng tụ của hỗn hợp hai cấu tử ở áp suất không đổi có quan hệ chặt
chẽ với sự thay đổi nhiệt độ.
2.3.3. Qui tắc đòn bẩy:
Giả sử có Z mol hỗn hợp hai cấu tử trong vùng hai pha (lỏng-hơi) sẽ
phân thành F mol lỏng và D mol hơi theo quan hệ:
Z =F+D

(4.7)

Phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi sẽ là:
Z .x Z = F .x F + D. y D

(4.8)

Kết hợp phương trình (2.7) và (2.8) có quan hệ qui tắc đòn bẩy:
F y D − xZ
=
D xZ − xF

(4.9)

Trên đồ thị t – x, y ta có:
____

EG ≅ pha lỏng
____

FE ≅ pha hơi
____

FG ≅ hỗn hợp hai pha

Từ đó rút ra các quan hệ sau:
____

F EG y D − x Z
=

=
D _____ x Z − x F
FE

(4.9a)

____

x − xF
D FE
= _____ = Z
Z
yD − xF
FG

(4.10)

____

F EG y D − x Z
=
=
Z _____ y D − x F
FG

(4.11)


93
2.3.4. Biểu diễn đồ thị t – x, y cho hỗn hợp thực:

t(oC)
Loại hỗn hợp
Lý tưởng

Sai lệch

Sai lệch

Áp suất

Áp suất

Tan lẫn

Không tan

dương

âm

cực đại

cực tiểu

một phần

lẫn hoàn
toàn

P= const

P= const

P= const

P= const

P= const

P= const

P= const

x,y
Hình 4.5. Quan hệ t-x,y cho hệ lí tưởng và hệ thực
t(0C)

tách được bằng

P = const

chưng luyện

x2

x1

y2

xA

y4

x3

x4

x,y

Hình 4.6. Quan hệ t-x,y của hệ có điểm đẳng phí ở áp suất cực đại
(nhiệt độ cực tiểu)
Trường hợp hỗn hợp tồn tại điểm đẳng phí ở áp suất cực đại tương
ứng với nhiệt độ cực tiểu (hình 4.6) cho thấy phía trái điểm đẳng phí cho


94
phép chưng luyện được vì nồng độ cân bằng của hơi lớn hơn của lỏng (x1
⇒ y2 > x2). Tại điểm đẳng phí không có khả năng chưng luyện được vì động
lực của quá trình bằng không. Phía phải điểm đẳng phí không thực hiện
được quá trình chưng luyện vì nồng độ cân bằng của hơi nhỏ hơn nồng độ
cân bằng của lỏng (x3 > xA ⇒ x4 > y4).
Trong trường hợp điểm đẳng phí ở áp suất cực tiểu, tương ứng với
nhiệt độ cực đại các quan hệ trên hoàn toàn ngược lại, tức chỉ có phần bên
phải điểm đẳng phí là chưng luyện được.
2.4. Đồ thị y-x:
Trong chưng luyện đồ thị y-x được dùng phổ biến. Động lực của quá
trình chưng luyện được tính qua hiệu số nồng độ đường cân bằng và đường
chéo (hình 4.7). y
P=const

y* = f(x)

y*
y=x
y

x*

x

x

Hình 4.7. Quan hệ y-x
Điều kiện để tiến hành chưng luyện là nồng độ của hơi phải lớn hơn
nồng độ của lỏng ở trạng thái cân bằng nhiệt động (nghĩa là trong pha
hơi: ∆y = y * − y hoặc trong pha lỏng ∆x = x − x * ). Đường cân bằng được tính


95
theo định luật Raoult y * =

αx
. Trong thực tế được lấy từ các bảng cho
1 + x(α − 1)

sẵn ở sổ tay hoặc sách chuyên môn.
Khả năng bay hơi của từng cấu tử trong hỗn hợp được biểu thị qua độ
bay hơi tương đối α là đại lượng tỷ lệ với động lực của quá trình. Vì vậy
đường cân bằng càng cong (càng xa đường chéo) thì động lực quá trình càng

lớn và độ bay hơi α càng lớn, nên khả năng tách các cấu tử càng tốt. Trong
trường hợp α = 1 quá trình tách không thực hiện được, vì các cấu tử trong
hỗn hợp có cùng nhiệt độ sôi và áp suất hơi bão hòa, nên động lực bằng
không (hình 4.8).
y(%mol)
Loại hỗn hợp
Lý tưởng

Sai lệch

Sai lệch

Áp suất

Áp suất

Tan lẫn

Không tan

dương

âm

cực đại

cực tiểu

một phần

lẫn hoàn
toàn

P= const

P= const

P= const

P= const

P= const

P= const

P= const

x(%mol)
Hình 4.8. Quan hệ y-x cho hệ lí tưởng và hệ thực
2.5. Cách biểu diễn đường cân bằng:
Từ đường sôi trên đồ thị t-x,y của các cấu tử A và B trong hỗn hợp hai
cấu tử ở áp suất bất kì có thể dựng được đường cân bằng (hình 4.9).
Từ đồ thị Pbh-t có thể dựng đường áp suất hơi của các cấu tử riêng biệt
ở đồ thị P-x. Tại x = 0 có PBbh và x = 1 có PAbh , đường nối PAbh và PBbh sẽ thể
hiện sự phụ thuộc giữa áp suất làm việc và nồng độ của pha lỏng ở nhiệt độ


96
sôi ts. Để dựng đường cân bằng tại áp suất cho trước P cần có i thành phần xi
ở i nhiệt sôi. Từ giá trị tsi và xi sẽ có các điểm trên đồ thị t-x,y. Nối các điểm

đó lại được đường sôi.
Kết hợp phương trình Raoult và Dalton tính được nồng độ của pha hơi
tương ứng nồng độ pha lỏng trong trạng thái cân bằng nhiệt động. Đường
ngưng tụ:

y i* =

pibh
xi
P

Từ các cặp xi-yi sẽ dựng được đường cân bằng ở áp suất P.
Pbh(mmHg)

p

P

t(0C)

x
t(0C)

y
yi

tsi

xi

xi

yi x,y

Hình 4.9. Cách dựng đường cân bằng
Đối với hỗn hợp thực việc xác định đường cân bằng dựa vào thực
nghiệm.


97
III. Chưng đơn giản:
1. Nguyên tắc và sơ đồ chưng:
t
F

t3
P

t2
t1

xwminx2
W

xF

y2 ypmax

ypmin

y(%mol)
ypmax
yp
ypmin

xwmin xw

xF

x(%mol)

Hình 4.10. Hệ thống chưng đơn giản, đồ thị t-x,y và y-x
Nếu hỗn hợp đầu F có nồng độ xF được đun nóng đến nhiệt độ t1, thì
sẽ có một lượng hơi bốc lên với nồng độ ypmax cân bằng với nồng độ xF ban
đầu. Tuy nhiên trạng thái này không có ý nghĩa thực tế, vì không bao giờ
nhận được sản phẩm đỉnh ở nồng độ này.


98
Khi hỗn hợp có nhiệt độ ngưng tụ t3 thì toàn bộ lỏng được bốc hơi và
sản phẩm đỉnh có nồng độ bé nhất ypmin cân bằng với nồng độ xF ban đầu,
đồng thời sản phẩm đáy cũng có nồng độ bé nhất xwmin. Trạng thái này trong
thực tế cũng không có ý nghĩa vì thành phần hơi bằng thành phần lỏng của
hỗn hợp đầu.
Trong thực tế phạm vi làm việc của hệ thống:
y P min < y P < y P max
W
Chưng đơn giản được ứng dụng:
- Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác xa nhau.

- 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.
2. Tính toán chưng đơn giản:
Ta xét đối với quá trình chưng gián đoạn, do đó thành phần và lượng
sản phẩm luôn luôn thay đổi theo thời gian.
Gọi

F: lượng hỗn hợp đầu (kg/h)
xF: thành phần cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu

Giả sử ở một thời điểm nào đó có lượng lỏng trong nồi chưng là W
với nồng độ x. sau một thời gian dτ lượng lỏng bay hơi là dW và nồng độ
lỏng trong nồi chưng giảm dx và lượng lỏng còn lại trong nồng chưng là (W
- dW).
Vậy ta có phương trình cân bằng:
W .x = (W − dW )( x − dx) + dW . y

với

y: thành phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi.
dW.dx: lượng vô cùng nhỏ nên có thể bỏ qua.

(4.12)


99
dW
dx
=

W
y−x

Do vậy:

(4.13)

Xét chung cho cả quá trình và giả sử lượng lỏng còn lại cuối cùng
trong nồi chưng là W1 có nồng độ x1. Ta lấy tích phân phương trình (4.13):
F

dW
∫W W =
1

S = ln

xF

dx

∫ y−x =S

(4.14)

x1

F
W1

(4.15)

Với S được giải bằng phương pháp đồ thị:
1
y−x

S=

xF

dx

∫ y−x

x1

x1

xF

x

Hình 4.11. Đồ thị để tính quá trình chưng đơn giản.
Mặt khác ta có phương trình cân bằng:
F = W1 + P

(4.16)

P: lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)
Viết phương trình cân bằng vật liệu cho cấu tử dễ bay hơi:

F .x F = W1 .x1 + P.x P

(4.17)

xP: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đỉnh.
xP =

F .x F − W1 .x1
P

(4.18)


100
IV. Chưng bằng hơi nước trực tiếp:
1. Nguyên lí chưng hệ chất lỏng không hòa tan vào nhau:
Trong thực tế không có những chất lỏng không hoà tan vào nhau,
nhưng khi độ hòa tan của các chất lỏng vào nhau rất bé (ví dụ như hỗn hợp
benzen-nước, cacbonsunfua-nước, ...) ta có thể coi chúng không hòa tan vào
nhau. Đối với hỗn hợp loại này có thể tách các cấu tử bằng phương pháp
lắng gạn. Những tính chất cơ bản của loại này là:
* Áp suất riêng phần của cấu tử này không phụ thuộc vào sự có mặt
của cấu tử kia trong hỗn hợp và bằng áp suất hơi bão hòa của các cấu tử
nguyên chất ở cùng một nhiệt độ:
PAbh = p A ; PBbh = p B

* Áp suất chung của hỗn hợp bằng tổng số áp suất riêng phần, nghĩa
là bằng tổng áp suất hơi bão hòa của các cấu tử:
P = p A + p B = PAbh + PBbh

* Nhiệt độ sôi của hỗn hợp thấp hơn nhiệt độ sôi của các cấu tử.
Nhiệt đôi của các cấu tử có thể xác định được bằng đồ thị. Ví dụ, xác
định nhiệt độ sôi của hỗn hợp benzen-nước ở áp suất 760 mmHg. Ta vẽ
đường cong phụ thuộc giữa áp suất hơi bão hòa của các cấu tử vào nhiệt độ,
sau đó vẽ đường cong phụ thuộc giữa áp suất chung vào nhiệt độ, giao điểm
của đường cong đó với đường P = 760 mmHg (điểm M) biểu thị cho nhiệt
độ sôi của hỗn hợp là 690C, còn nhiệt độ sôi của benzen là 800C và của nước
là 1000C (điểm N và R trên hình 4.12)
Thường người ta ứng dụng tính chất này để chưng các hỗn hợp có
nhiệt độ sôi cao, gồm các cấu tử không hòa tan vào nước.
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp cũng có thể tính được bằng giải tích nếu biết
hai áp suất ở hai nhiệt độ. Ví dụ, đối với hỗn hợp phenol-nước, ta tính nhiệt
độ sôi của hỗn hợp ở áp suất 760 mmHg như sau:


101
Tra bảng có các số liệu sau:
1000C

1810C

pph (mmHg)

40

760

pnc (mmHg)

760

7790

Pc (mmHg)

800

8550

Nhiệt độ

Nhiệt độ của hỗn hợp là: t s = 181 −

181 − 100
(8550 − 760) = 99,58 0 C
8550 − 800

P(mmHg)
760

M

N

R

600

400
200

0

20

40

60

80

100

Hình 4.12. Đồ thị xác định nhiệt sôi của hỗn hợp
hai chất lỏng không hòa tan vào nhau
2. Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp:
Khi chưng bằng hơi nước trực tiếp, người ta phun hơi nước qua lớp
chất lỏng bằng một bộ phận phun. Hơi nước có thể là hơi bão hòa hay hơi
quá nhiệt. Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và lớp chất lỏng, cấu tử


102
cần chưng sẽ khuyếch tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay
hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm (hình 4.13).

Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lí 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. Ưu điểm của quá
trình chưng này là giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp, nghĩa là có thể
chưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của từng cấu tử. 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 cao. Chưng bằng hơi nước trực tiếp có thể tiến hành gián đoạn
hay liên tục.
Căn cứ vào trạng thái hơi nước đi ra khỏi thiết bị, người ta phân biệt:


103
a/ Chưng bằng hơi nước quá nhiệt nếu áp suất riêng phần của hơi
nước trong hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị bé hơn áp suất hơi nước bão hòa ở
cùng một nhiệt độ.
b/ Chưng bằng hơi nước bão hòa nếu áp suất riêng phần của hơi nước
trong hỗn hợp đi ra khỏi thiết bị bằng áp suất hơi nước bão hòa ở cùng một
nhiệt độ.
* Trường hợp trong hệ chỉ gồm có cấu tử cần chưng và nước, nếu
chưng bằng hơi nước quá nhiệt thì ở trong nồi chưng chỉ có một pha lỏng là
cấu tử bay hơi. Như vậy hệ có bậc tự do là 2 (C = 1 - 1 + 2 = 2). Nếu cho áp
suất của quá trình không đổi thì chúng ta có thể thay đổi nhiệt độ. Bởi vậy
với hệ thống này, khi chưng bằng hơi nước quá nhiệt chúng ta có thể tiến
hành ở nhiều nhiệt độ khác nhau.
* Trường hợp chưng bằng hơi nước bão hoà thì trong nồi chưng còn
pha thứ hai là nước. Như vậy chỉ có một bậc tự do (C = 1 - 2 + 2 = 1) và nếu
áp suất không đổi thì quá trình chỉ xảy ra ở một nhiệt độ nhất định.
* Trong trường hợp cấu tử cần chưng không chỉ có một mình mà ở
trong dung dịch với dung môi không bay hơi. Lúc này thêm một bậc tự do
nũa là nồng độ dung dịch và nếu áp suất không thay đổi thì nhiệt độ sẽ phụ
thuộc dung dịch trong nồi chưng.
3. Giới hạn của nhiệt độ chưng: (Cách chọn nhiệt độ chưng)
Trường hợp cấu tử cần chưng ở một pha riêng biệt (tức là trường hợp
tạp chất không bay hơi không tan trong cấu tử cần chưng) ta có thể xác định
giới hạn của nhiệt độ chưng theo phương pháp Gralovski như sau:

Trên tọa độ p-t ở trục hoành ghi nhiệt độ, trục tung phía trên ghi áp
suất hơi bão hòa PAbh của cấu tử cần chưng và trục tung phía dưới ghi áp suất
hơi bão hòa PBbh của nước.
Vẽ đường cong phụ thuộc giữa áp suất và nhiệt độ (hình 4.14)


104
Áp suất chung trong nồi chưng bằng tổng số áp suất riêng phần của
hơi nước và cấu tử cần chưng:
P = p A + pB

PAbh

P

M
(A)
tmin

pA
pB

(B)

tmax
t

N

PBbh

Hình 4.14. Sơ đồ giới hạn nhiệt độ chưng bằng hơi nước trực tiếp
Đặt áp suất chung P vào trục tung trên và vẽ qua P đường thẳng song
song với trục hoành, cắt đường cong (A) tại M. Điểm M biểu thị cho nhiệt
độ chưng cực đại tmax mà ta có thể tiến hành được ở áp suất P. Ở điểm này áp
suất riêng phần của hơi nước bằng không.
Từ điểm tmax ta kẻ đường song song với đường cong (A) cắt đường
cong (B) tại N. Điểm N biểu thị cho nhiệt độ chưng cực tiểu tmin mà ta có thể
tiến hành được ở áp suất P.
Từ hình vẽ ta thấy rằng:
• Nếu chưng ở nhiệt độ tmin thì áp suất riêng phần của hơi nước trong
hỗn hợp bằng áp suất hơi nước bão hòa. Như vậy ta có quá trình
chưng bằng hơi nước bão hòa.


105
• Nếu chưng ở nhiệt độ t > tmin thì áp suất riêng phần của hơi nước
trong hỗn hợp bé hơn áp suất hơi nước bão hòa ở cùng một nhiệt
độ. Như vậy ta có quá trình chưng bằng hơi nước quá nhiệt.
4. Xác định lượng hơi nước tiêu tốn:
Lượng hơi nước tiêu tốn thực tế được xác định theo công thức:
G A PAbh M A
ϕ
=
G B PBbh M B

(4.19)

Suy ra lượng hơi nước tiêu tốn:
GB =

trong đó:

PBbh .18 1
PAbh M A ϕ

(4.20)

GA, GB: lượng cấu tử A và B (kg) (B là hơi nước);
MA, MB: khối lượng mol của cấu tử A và B (kg/mol);

ϕ : hệ số bão hòa (phụ thuộc vào chế độ thủy động của quá
trình chưng (có ba chế độ thủy động: chế độ sủi tăm, chế độ bọt, chế độ tia).
Công thức (4.20) chưa tính lượng hơi nước để đun nóng hỗn hợp đến
nhiệt độ chưng và làm bay hơi cấu tử. Thường đun nóng dung dịch bằng hơi
gián tiếp hay bằng khói lò. Ngoài ra để tránh phân hủy chất lỏng và để giảm
hao tốn hơi, người ta tiến hành chưng chân không.
5. Quan hệ giữa năng suất và nhiệt độ chưng:
Năng suất đối với 1kg hơi nước (g):
g=

pAM A
pAM A
=
p B .18 ( P − p A ).18

(4.21)

Phương trình này cho phép ta tìm được sự phụ thuộc giữa năng suất
chưng và nhiệt độ chưng.

Từ đồ thị p-t ta tìm áp suất pA ứng với nhiều nhiệt độ khác nhau, tính
năng suất đối với mỗi nhiệt độ, sau đó vẽ đồ thị phụ thuộc giữa năng suất và


106
nhiệt độ (g-t) (Thực vậy, khi MA, P, 18 = const, do g = f(pA) nghĩa là g =
f(t)) . Trên trục tung là năng suất, trên trục hoành là nhiệt độ.
g

tmin

tmax

t

Hình 4.15. Sự phụ thuộc của năng suất chưng vào nhiệt độ
Nhìn vào đồ thị ta thấy năng suất bé nhất ứng với nhiệt độ tmin (tức là
chưng bằng hơi nước bão hòa). Nhiệt độ tăng thì năng suất tăng và năng suất
lớn nhất khi độ chưng đạt tmax.
Trên quan điểm năng cao năng suát chưng và tiết kiệm hơi nước thì
tốt nhất là chưng ở nhiệt độ cao (tức chưng bằng hơi nước quá nhiệt), nhưng
tăng nhiệt độ sẽ ngược với yêu cầu giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp. Vì vậy
khi chọn nhiệt độ chưng phải xét đến yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật.
V. Chưng luyện lên tục: (chưng nhiều lần)
1. Nguyên tắc chưng luyện:


107
Phương pháp chưng đơn giản một bậc không cho phép đạt hiệu quả
phân tách cao. Để thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao có thể tiến hành

chưng nhiều lần theo sơ đồ hình 4.16.
Hỗn hợp đầu F liên tục đi vào nồi chưng tiếp liệu, một phần bốc hơi
thành sản phẩm đỉnh. Ống tháo sản phẩm đáy đồng thời có tác dụng duy trì
mức chất lỏng trong bình không đổi. Hơi C ở trạng thái cân bằng với chất
lỏng W (xem đồ thị t-x,y).
Hơi C thu được ngưng tụ lại thành chất lỏng D và đi vào nồi chưng
thứ hai. Từ nồi chưng hai ta thu được hơi G và lỏng E. Tương tự quá trình
được lập lại ở nồi chưng thứ ba, ở mỗi nồi chưng có một bộ phận đốt nóng
riêng biệt. Kết quả thu được sản phẩm đỉnh P chứ nhiều cấu tử dễ bay hơi và
các sản phẩm đáy W, E, H có nồng độ khác nhau.
Sơ đồ chưng trên cần cấp nhiệt ở bộ phận đun sôi nhiều lần nên lãng
phí năng lượng. Năm 1813, Cellier – Blumental (Pháp) đã phát minh sơ đồ
chưng nhiều lần như sau (hình 4.17):

Sơ đồ này có ưu điểm là chỉ cần cấp nhiệt cho quá trình chưng ở nồi
cuối cùng, nhiệt độ ở các nồi chưng tiếp theo giảm dần. Do đó sản phẩm


108
đỉnh P thu được giàu cấu tử dễ bay hơi và một sản phẩm đáy W giàu cấu tử
khó bay hơi.
Sơ đồ này vẫn phức tạp và cồng kềnh. Trong thực tế sản xuất, người
ta sử dụng tháp chưng luyện (hình 4.18).

Nguyên lí làm việc của tháp chưng luyện như sau: hơi đi từ dưới lên,
lỏng đi từ trên xuống. 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 của chúng. Cụ
thể, trên đĩa 1 chất lỏng có nồng độ của cấu tử dễ bay hơi là x1, hơi bốc lên
có nồng độ y1 (y1 > x1). Hơi này qua lỗ đĩa đi lên đĩa 2 tiếp xúc với lỏng ở
đó. Nhiệt độ của chất lỏng ở đĩa 2 thấp hơn đĩa 1, nên một phần hơi được

109
ngưng tụ lại, do đó nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa 2 là x2 > x1. Hơi bốc
lên từ đĩa 2 có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là y2 (y2 > x2) đi lên đĩa thứ 3.
Nhiệt độ của chất lỏng trên đĩa 3 thấp hơi ở đĩa 2, nên hơi được ngưng tụ
một phần và chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ là x3 > x2, ... Như vậy, trên mỗi
đĩa xảy ra quá trình truyền chất giữa hai pha lỏng và pha hơi. Một phần cấu
tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi và một phần khác chuyển từ
hơi sang lỏng. Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp đi lặp lại nhiều lần, cuối
cùng trên đỉnh tháp thu được sản phẩm đỉnh có nồng độ của cấu tử dễ bay
hơi cao và dưới đáy tháp thu được sản phẩm đáy có nồng độ cấu tử khó bay
hơi cao.
2. Xác định số đĩa lí thuyết theo phương pháp Mc Cabe và Thiele:
2.1. Đặt vấn đề:
Nếu cần tách các cấu tử trong hỗn hợp bằng chưng luyện, thì cần phải
xác định số đĩa lí thuyết của tháp, nơi có sự trao đổi chất giữa pha hơi và pha
lỏng để đạt được sản phẩm đỉnh và đáy theo yêu cầu. Động lực của quá trình
trao đổi chất có thể ∆ts, ∆pi, ∆xi, ∆yi. Trong thực tế thường dùng là hiệu số
giữa nồng độ của hơi với nồng độ của lỏng cân bằng trên cùng một tiết diện.
Độ lớn của hiệu số giữa nồng độ cân bằng và nồng độ làm việc phụ thuộc
vào dòng lỏng và dòng hơi đi trong tháp và được xác định bởi chỉ số hồi
lưu, nhiệt bay hơi phân tử, nhiệt độ sôi, cũng như tổn thất nhiệt ra môi
trường xung quanh.
2.2. Những giả thiết của Mc Cabe và Thiele:
1/ Hỗn hợp đi vào tháp ở nhiệt độ sôi. Tức chấp nhận qui tắc Trouton
r
= 21kcal / kmol.0 K = const , với nhiệt hóa hơi r không đổi có thể xác định
Ts

được nhiệt độ sôi.


110
2/ Bỏ qua sự khác biệt về nhiệt độ sôi của các thành phần coi lượng
lỏng và hơi đi trong tháp ở đoạn chưng và đoạn luyện là không đổi, nghĩa là:
G x'
G
Gx
= const , hoặc
= const và đường làm việc có độ dốc tgα = x
'
Gy
Gy
Gy

3/ Lượng hơi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp được ngưng tụ hoàn toàn,
nghĩa là nồng độ cấu tử dễ bay hơi (cấu tử A) trong hỗn hợp hơi đi ra khỏi
tháp bằng nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng khi ngưng tụ (yP = xP).
4/ Nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở đĩa cuối cùng bằng nồng độ sản phẩm
đáy (yW = xW).
5/ Để có dòng mol không đổi và đường làm việc là đường thẳng, cần
chấp nhận tháp chưng luyện làm việc là đoạn nhiệt, nghĩa là sẽ không có sự
lấy và cấp nhiệt với môi trường.
Gy(yP)
TBNTụ
Gy

Gx
P(xP)

Đoạn luyện

Gx

F(xF)
G y'

G x'

TBĐSôi
W(xw)
Hình 4.19. Sơ đồ hệ thống chưng luyện
2.3. Cân bằng vật liệu:
Sơ đồ 4.19 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