Chưng luyện

Nguyên lý hóa công nghiệp 7

CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN
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 + ε cấu tử có độ bay hơi bé;
• sản phẩm đáy gồm c
ấu tử có độ bay hơi bé + ε 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 h
ơi 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 8
- thường được ứng dụng
trong
trường hợp chất được tách không tan vào nước
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 ch
ất 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 loạ
i;
- 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 9
⇒ Ta xét trường hợp phổ biến nhất:
chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất

cứ tỷ lệ nào
2

1

3

Hình 2-1: Quan hệ giữa áp suất và
thành phần của dung dịch 2 cấu tử
1. Tuân theo định luật Raout;
2. Sai lệch dương
3. Sai lệch âm

2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ
2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y










P
0
A
Hơi
Lỏng - Hơi

Lỏng
T = const
P
P
M
P
0
B
0 x
M
y
M
1
Trong đó:
A : cấu tử dễ bay hơi → P
0
A
> P
0
B
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
0
B
T
0

A
A
B
Lỏng - Hơi
Hơi
Lỏng
T
M
x
M
y
M
Trong đó:
A : cấu tử dễ bay hơi → T
0
A
< T
0
B
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 11
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
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 d
ưới 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.
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
TT
LT

N
N
==η
tãú thæûcâéa Säú
thuyãú
tlyï âéa Säú

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 t
ụ 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 phầ
n cho hồi lưu về đỉnh tháp, phần
còn lại lấy ra dạng sản phẩm lỏng, được gọi là Fixe Rate Draw.



Loín

Håi


Loíng
Håi
a- Dạng Partial
Distillate vapor Distillate mixe
b- Dạng Bubble
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 16


210

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 :
WP
WF
aa
aa

FP
−
−
×=
⇒ W = F – P
Nguyên lý hóa công nghiệp 17
Chuyển từ nồng độ % khối lượng sang nồng độ phần mol :
B
F
A
F
A
F
MM
M
a1a
a
x
F
−
+
=

B
P
A
P
A
P
MM

M
a1a
a
x
P
−
+
=

B
W
A
W
A
W
MM
M
a1a
a
x
W
−
+
=

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: M
P
= x
P
.M
A
+(1-x
P
).M
B

− sản phẩm đáy: M
W
= x
W
.M
A
+(1-x

W
).M
B

Lập bảng cân bằng vật chất toàn tháp:
Hỗn hợp
Nồng độ %
khối lượng
Nồng độ phần
mol
Lưu lượng khối
lượng, kg/h
Lưu lượng
mol, kg/h
Nguyên liệu a
F
x
F
F
F
M
F

Sản phẩm đỉnh a
P
x
P
P
P
M

P

Sản phẩm đáy a
W
x
W
W
W
M
W


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:
Nguyên lý hóa công nghiệp 18
1- Xác định r
f min
:

F
*
F
*
FP
minf
xy
yx
r
−
−
=

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
1r
x
B
f
P
+

=

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)
b … … … …
r
f

B
N
LT

N
LT
(r
f
+ 1)

Nguyên lý hóa công nghiệp 19

x
P
Đường làm việc đoạn luyện
Đường làm việc đoạn chưng
B = x

P
/(R
x
+1)
x
W
x
F

2.5.6. Xác định số đĩa thực tế N
TT

Số đĩa thực tế:
tb
LT
TT
N
N
η
=


3
WFP
tb
η+η+η
=η

Với : η
P

, η
F
, η
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 α và độ nhớt µ của chất lỏng:
( )
µα=η ,f

Nguyên lý hóa công nghiệp 20
Trong đó : α - độ bay hơi tương đối của hỗn hợp
µ - 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:

x
x1
y1
y
−
⋅
−
=α

y, x : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng
Sau khi tính được tích (α , µ) ⇒ Tra đồ thị “Correlation de O’Connel”⇒ xác
định được η

P
, η
F
, η
W
⇒ xác định ηtb ⇒ 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 th
ực 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 qu
ả 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 k
ết 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 nghiệ
p 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