Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách hiệu quả cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí bằng phương pháp mô phỏng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (12.75 MB, 246 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------
TIÊN THỊ LƢỢT
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TÁC NHÂN TÁCH HIỆU QUẢ
CHO QUÁ TRÌNH CHƢNG CẤT TĂNG CƢỜNG ĐỂ TÁCH
HỖN HỢP ĐẲNG PHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP MƠ PHỎNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC
HÀ NỘI – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------
TIÊN THỊ LƢỢT
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TÁC NHÂN TÁCH HIỆU QUẢ
CHO QUÁ TRÌNH CHƢNG CẤT TĂNG CƢỜNG ĐỂ TÁCH
HỖN HỢP ĐẲNG PHÍ BẰNG PHƢƠNG PHÁP MƠ PHỎNG
Ngành: Kỹ thuật hóa học
Mã số: 9520301
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HĨA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. CAO THỊ MAI DUYÊN
2. GS.TS. NGUYỄN HỮU TÙNG
HÀ NỘI - 2021
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn
của GS.TS. Nguyễn Hữu Tùng và TS. Cao Thị Mai Duyên. Tôi xin cam đoan các số
liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong các
cơng trình nào khác.
Tập thể giảng viên hướng dẫn
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2021
Nghiên cứu sinh
TS.Cao Thị Mai Duyên
Tiên Thị Lượt
GS.TS.Nguyễn Hữu Tùng
i
LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Nguyễn Hữu Tùng và TS. Cao
Thị Mai Duyên là những người thầy, người cô tận tâm và đã ln nghiêm khắc, tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện bản luận án này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Kỹ thuật
hóa học, Bộ mơn Q trình- Thiết bị Cơng nghệ hóa học & Thực phẩm đã cho phép
và giúp đỡ tôi thực hiện luận án trong thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cơ và sinh viên chun ngành kỹ thuật
hóa học - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cộng tác, trao đổi, thảo luận và
đóng góp những ý kiến quý báu cho luận án, đồng thời tạo nhiều điều kiện thuận lợi
để tơi hồn thiện luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo và các đồng nghiệp của Viện Cơ điện
Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng
Yên đã ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tơi có thể hồn thành luận án.
Để hồn thành tốt chương trình học tập bên cạnh sự giúp đỡ của các thầy cô,,
đồng nghiệp và bạn bè cịn có sự ủng hộ và động viên của gia đình, đây là chỗ dựa
vững chắc để tơi n tâm học tập và hồn thành bản luận án. Tôi xin được bày tỏ sự
trân trọng và lòng biết ơn sâu nặng.
Nghiên cứu sinh
Tiên Thị Lượt
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................... ii
MỤC LỤC..............................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG................................................................................................ v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT............................................ ix
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
Chƣơng 1. TỔNG QUAN....................................................................................... 4
1.1. Tổng quan về lịch sử phát triển và ứng dụng của phương pháp chưng cất tăng
cường để tách các hỗn hợp khó tách.................................................................4
1.1.1. Đặt vấn đề................................................................................................. 4
1.1.2. Tổng quan về các phương pháp tách hỗn hợp đẳng phí............................5
1.1.3. Lựa chọn q trình tách cho các hỗn hợp đẳng phí, hỗn hợp khó tách......6
1.1.4. Tầm quan trọng của vấn đề lựa chọn tác nhân tách................................... 8
1.1.5. Tóm tắt lịch sử của quá trình chưng cất tăng cường.................................. 9
1.2. Tổng quan về các quy tắc và các tiêu chí lựa chọn tác nhân tách cho quá trình
chưng cất tăng cường...................................................................................... 10
1.2.1. Các tiêu chí lựa chọn tác nhân tách......................................................... 10
1.2.2. Các quy tắc lựa chọn tác nhân tách......................................................... 11
1.2.3. Lượng tác nhân tách tiêu tốn cho quá trình chưng cất tăng cường..........19
1.2.4. Nhận xét về các tiêu chí và các quy tắc lựa chọn tác nhân tách..............19
1.3. Tổng quan về ứng dụng phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu tách hỗn
hợp đẳng phí................................................................................................... 21
Chƣơng 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................................................... 25
2.1. Độ tin cậy của các mơ hình cân bằng pha để xác định hệ số hoạt độ của các
cấu tử trong dung dịch vơ cùng lỗng (hệ hai pha lỏng – hơi):.......................25
2.1.1. Hệ số hoạt độ trong dung dịch vơ cùng lỗng......................................... 25
2.1.2. Độ tin cậy của các mơ hình nhiệt động học để đánh giá hệ số hoạt độ của
các cấu tử trong dung dịch vơ cùng lỗng........................................................ 25
2.2. Mơ hình cân bằng pha NRTL và ứng dụng để dự đoán hệ số hoạt độ và cân
bằng pha trong hệ ba pha lỏng - lỏng – hơi:.................................................... 31
2.2.1. Thuật toán xác định các thơng số của mơ hình cân bằng pha NRTL.......33
iii
2.2.2. So sánh kết quả dự đoán cân bằng pha và điểm đẳng phí theo mơ hình cân
bằng pha NRTL với số liệu thực nghiệm cho hệ etanol – nước – xyclohexan ...... 35
2.3. Mơ hình chưng cân bằng pha liên tục FLASH để xác định các hệ số hoạt độ
và độ chọn lọc giới hạn của tác nhân tách S12 ............................................... 41
2.4. Mơ hình chưng cân bằng pha liên tục FLASH để xác định lượng tác nhân
tách tiêu tốn nhỏ nhất (S/F)min: ........................................................................ 43
2.5. Mơ hình tổng qt của tháp chưng cất liên tục hỗn hợp nhiều cấu tử (Hệ
phương trình MESH: Material balance – phase Equibrium – mole Summation
– energy balance (H)). ..................................................................................... 44
2.6. Tiêu chí tổng chi phí năm (Total annual costs - TAC) và ứng dụng để lựa
chọn tác nhân tách cho quá trình chưng cất tăng cường.................................. 47
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................. 48
3.1. Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ gần với hệ lý tưởng .................... 48
3.1.1. Số liệu cân bằng pha lỏng – hơi của hệ n-butan(1) - cis-2- buten(2) (Mơ
hình cân bằng pha UNIFAC Dortmund) ........................................................... 48
∞
3.1.2. Xác định độ chọn lọc giới hạn S của n-butan(1) - cis-2-buten(2) trong
một số tác nhân tách. ......................................................................................... 49
3.1.3. Xác định lượng tác nhân tách thích hợp (S/F)opt theo tiêu chí (TAC)min. ..... 50
12
3.1.4. Xếp hạng tác nhân tách theo độ chọn lọc giới hạn S và theo tiêu chí
tổng chi phí năm (TAC). .................................................................................... 52
3.2. Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ đẳng phí ..................................... 54
12
3.2.1. Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ đẳng phí cực tiểu đồng thể .. 54
3.2.2. Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ đẳng phí phức tạp ................ 61
3.3. Nghiên cứu mơ phỏng q trình chưng cất tăng cường sử dụng hỗn hợp tác
nhân tách ........................................................................................................ 111
3.3.1. Lựa chọn và xác định các thơng số của mơ hình cân bằng pha NRTL sử
dụng để mơ phỏng q trình chưng cất tăng cường ........................................ 111
3.3.2. Mơ phỏng q trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí
etanol - nước bằng hỗn hợp tác nhân tách (etylen glycol + KAc). .................. 114
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 119
ĐỊNH HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ................................................... 120
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............. 121
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 122
PHỤ LỤC………………………………...…..……..………………………..…129
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Sơ đồ thiết kế quá trình tách bằng phương pháp chưng cất tăng cường
[12] ............................................................................................................................. 9
Hình 1. 2. Sơ đồ lựa chọn tác nhân tách cho chưng cất trích ly dựa theo độ chọn lọc
giới hạn Sij [17] ....................................................................................................... 1
7
Hình 2. 1. Sơ đồ thuật tốn xác định các thơng số của mơ hình cân bằng pha NRTL
............................................................................................................................... …33
Hình 2. 2. Đồ thị thể hiện cân bằng pha lỏng – lỏng theo các bộ thơng số khác nhau
của mơ hình cân bằng pha NRTL ............................................................................. 3
5
Hình 2. 3. Đồ thị thể hiện cân bằng pha lỏng – lỏng và các điểm đẳng phí được dự
đốn theo mơ hình cân bằng pha NRTL sử dụng bộ thơng số mặc định của phần
mềm tính tốn ........................................................................................................... 3
6
Hình 2. 4. Đồ thị thể hiện cân bằng pha lỏng – lỏng và các điểm đẳng phí theo mơ
hình NRTL sử dụng bộ thông số của Keil (1992). .................................................... 3
7
Hình 2. 5. Đồ thị thể hiện cân bằng pha lỏng – lỏng và các điểm đẳng phí được dự
đốn theo mơ hình cân bằng pha NRTL sử dụng bộ thơng số của Karrer (1990) ... 38
Hình 2. 6. Đồ thị thể hiện cân bằng pha lỏng – lỏng và các điểm đẳng phí theo mơ hình
cân bằng pha NRTL sử dụng bộ thơng số đã tối ưu ......................................... 38
Hình 2. 7. Sơ đồ ngun lý của mơ hình FLASH dùng để xác định các hệ số hoạt độ
, và độ chọn lọc giới hạn S . ....................................................................... 4
1
1
2
12
Hình 2. 8. Sơ đồ ngun lý của mơ hình FLASH sử dụng để xác định (S/F)min ....... 4
3
Hình 2. 9. Mơ hình tháp chưng cất hỗn hợp nhiều cấu tử........................................ 4
5
Hình 3. 1. Đồ thị cân bằng pha của hệ n-butan – cis-2-buten, P = 3 atm ............... 4
8
Hình 3. 2. Sơ đồ hệ thống tách hỗn hợp n-butan(1) – cis-2-buten(2) bằng quá trình
chưng cất tăng cường sử dụng tác nhân tách axeton(3) .......................................... 5
0
Hình 3. 3. Đồ thị xác định (S/F) opt theo tiêu chí tổng chi phí năm (TAC) min cho quá
trình tách hệ n-butan(1) – cis-2-buten(2) bằng tác nhân tách axeton(3) ………….52
Hình 3. 4. Quan hệ giữa TAC và độ chọn lọc giới hạn S12 của các tác nhân tách sử
dụng cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp n-butan – cis-2-buten
(thành phần hỗn hợp đầu (1)/(2) = 50/50) ............................................................... 5
3
Hình 3. 5. Đồ thị tam giác của hỗn hợp axeton(1) – n-heptan(2) – benzen(3) ........ 5
4
v
Hình 3. 6. Ảnh hưởng của tỷ lệ dịng tác nhân tách và dòng hỗn hợp đầu S/F đến độ
bay hơi tương đối α12 của hỗn hợp axeton(1) – n-heptan(2) với tác nhân tách
benzen(3)................................................................................................................. 55
Hình 3. 7. Sơ đồ tháp chưng cất hỗn hợp đẳng phí axeton – n-heptan sử dụng tác
nhân tách benzen..................................................................................................... 56
Hình 3. 8. Phân bố nồng độ trong tháp chưng cất (thể hiện trên đồ thị tam giác và
đồ thị vng góc) tại tỷ lệ S/F = 0,01 < ((S/F)min = 0,15) và tỷ số hồi lưu L/F = 66,
D = 90,99 kmol/h.................................................................................................... 57
Hình 3. 9. Ảnh hưởng của tỷ số hồi lưu đến khả năng xuất hiện đa trạng thái ổn
định trong tháp chưng cất với số đĩa lý thuyết N =44 đĩa....................................... 59
Hình 3. 10. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến sự tồn tại của đa trạng thái ổn định.................................................................. 60
Hình 3. 11. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến hệ số bay hơi tương đối α12 của hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách
xyclohexan (S/F)min = 1,25..................................................................................... 63
Hình 3. 12. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến sự dịch chuyển của điểm đẳng phí của hệ etanol – nước với tác nhân tách
xyclohexan............................................................................................................... 64
Hình 3. 13. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến hệ số bay hơi tương đối α12 của hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách
benzen (S/F)min = 0,6.............................................................................................. 65
Hình 3. 14. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu S/F đến
sự dịch chuyển của điểm đẳng phí của hệ etanol – nước với tác nhân tách benzen
65
Hình 3. 15. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến hệ số bay hơi tương đối α12 của hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách
hexaclo-1,3-butadien với (S/F)min= 0,02................................................................. 67
Hình 3. 16. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến sự dịch chuyển của điểm đẳng phí của hệ etanol – nước với tác nhân tách
hexaclo-1,3-butadien............................................................................................... 67
Hình 3. 17. Ảnh hưởng của tỷ lệ dịng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến hệ số bay hơi tương đối α12 của hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách 1,5diamino pentan với (S/F)min = 0,05......................................................................... 68
Hình 3. 18. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến sự dịch chuyển của điểm đẳng phí của hệ etanol – nước với tác nhân tách 1,5diamino pentan........................................................................................................ 69
vi
Hình 3. 19. Ảnh hưởng của tỷ lệ dịng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến hệ số bay hơi tương đối α12 của hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách etylen
glycol với (S/F)min = 0,05........................................................................................ 70
Hình 3. 20. Ảnh hưởng của tỷ lệ dịng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến sự dịch chuyển của điểm đẳng phí của hệ etanol – nước với tác nhân tách
etylen glycol............................................................................................................ 70
Hình 3. 21. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến hệ số bay hơi tương đối α12 của hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách
dietylen triamin (S/F)min = 0,02.............................................................................. 71
Hình 3. 22. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến sự dịch chuyển của điểm đẳng phí của hệ etanol – nước với tác nhân tách
dietylen triamin....................................................................................................... 72
Hình 3. 23. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến hệ số bay hơi tương đối α12 của hỗn hợp etanol – nước với tác nhân tách
glyxerol và (S/F)min = 0,05...................................................................................... 73
Hình 3. 24. Ảnh hưởng của tỷ lệ dòng tác nhân tách trên dòng hỗn hợp đầu (S/F)
đến sự dịch chuyển của điểm đẳng phí của hệ etanol – nước với tác nhân tách
glyxerol................................................................................................................ …73
Hình 3. 25. Giản đồ tam giác của hệ etanol(1) – nước(2)–– tác nhân tách(3) có
nhiệt độ sơi cao (mơ hình cân bằng pha NRTL, P = 1atm).....................................76
Hình 3. 26. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống tách hỗn hợp đẳng phí etanol(1)– nước(2)
– tác nhân tách(3) có nhiệt độ sơi cao..................................................................... 77
Hình 3. 27. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của TAC vào tỷ lệ S/F cho quá trình
chưng cất tăng cường hỗn hợp etanol – nước bằng tác nhân tách etylen glycol.....81
Hình 3. 28. Phân bố nồng độ các cấu tử trong pha lỏng của tháp T1 và T2 để tách
hỗn hợp đẳng phí etanol - nước sử dụng tác nhân tách etylen glycol.....................82
Hình 3. 29. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của TAC vào tỷ lệ S/F cho quá trình
chưng cất tăng cường hỗn hợp etanol – nước bằng tác nhân tách glyxerol............85
Hình 3. 30. Phân bố nồng độ các cấu tử trong pha lỏng của các tháp T1 và T2 hệ
etanol - nước – glyxerol........................................................................................... 86
Hình 3. 31. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của TAC vào tỷ lệ S/F cho quá trình
chưng cất tăng cường hỗn hợp etanol – nước bằng tác nhân tách 1,5-diamino
pentan...................................................................................................................... 89
vii
Hình 3. 32. Phân bố nồng độ các cấu tử trong pha lỏng của các tháp T1 và T2 hệ
etanol - nước - 1,5-diamino pentan......................................................................... 90
Hình 3. 33. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của TAC vào tỷ lệ S/F cho quá trình
chưng cất tăng cường hỗn hợp etanol – nước bằng tác nhân tách hexaclo-1,3butadien................................................................................................................... 93
Hình 3. 34. Phân bố nồng độ các cấu tử trong pha lỏng của các tháp T1 và T2 hệ
etanol – nước – hexanclo-1,3-butadien................................................................... 94
Hình 3. 35. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của TAC vào tỷ lệ S/F cho quá trình chưng
cất tăng cường hỗn hợp etanol – nước bằng tác nhân tách dietylen triamin 97
Hình 3. 36. Phân bố nồng độ các cấu tử trong pha lỏng của các tháp T1 và T2 hệ
etanol - nước - dietylen triamin............................................................................... 98
Hình 3. 37. Quan hệ giữa TAC và độ chọn lọc giới hạn S của các tác nhân tách có
nhiệt độ sơi cao sử dụng cho q trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng
phí etanol – nước..................................................................................................... 99
Hình 3. 38. Giản đồ tam giác của hệ etanol(1) – nước(2) – xyclohexan(3) (P = 2
atm).......................................................................................................................100
Hình 3. 39. Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng
phí cực tiểu dị thể..................................................................................................101
Hình 3. 40. Các bước tách thể hiện trên giản đồ tam giác của hệ etanol(1) –
nước(2) – xyclohexan(3)(Mơ hình cân bằng pha NRTL, P = 2 atm).....................102
Hình 3. 41. Sơ đồ nguyên lý của thuật toán phân rã sử dụng để giải hệ phương trình
gồm (N1+ N2+1).(2k+3) phương trình , mơ tả hệ thống tách hỗn hợp phức tạp bằng
phương pháp chưng cất tăng cường [81].......................................................... …103
Hình 3. 42. Sự phụ thuộc của tổng chi phí năm (TAC) vào tỷ số S/F cho quá trình
chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp etanol – nước bằng tác nhân tách
xyclohexan………………..................................................................................110
Hình 3. 43. Sơ đồ nguyên lý của quá trình chưng cất tăng cường sử dụng hỗn hợp
tác nhân tách ……………………………………………………………..……………….115
viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Chọn tác nhân tách theo các quy tắc của Scheibel
[22]. .......................
1
5
Bảng 2. 1. Các phương pháp thực nghiệm xác định hệ số hoạt độ trong dung dịch
vơ cùng lỗng của các cấu tử ................................................................................... 2
5
Bảng 2. 2. Phương trình xác định hệ số hoạt độ trong dung dịch hai cấu tử vơ cùng
lỗng ......................................................................................................................... 2
6
Bảng 2. 3. Mơ hình xác định hệ số hoạt độ trong dung dịch vơ cùng lỗng sử dụng
các số liệu về khả năng hòa tan của các cấu tử. ...................................................... 2
7
Bảng 2. 4. So sánh các kết quả thực nghiệm với các kết quả dự đoán của hệ số hoạt
độ trong dung dịch vơ cùng lỗng [67]. ............................................................. 2
9
1
Bảng 2. 5. So sánh các kết quả dự đoán hệ số hoạt độ trong dung dịch vơ cùng
lỗng theo mơ hình UNIFAC – Dordmund cho một số hệ dung dịch nước với các số
liệu thực nghiệm [68, 69]. ........................................................................................ 2
9
Bảng 2. 6. Kết quả xác định các thông số tối ưu của mơ hình cân bằng pha NRTL
cho hệ etanol(1) – nước(2) – xyclohexane(3) theo số liệu thực nghiệm tham khảo tài
liệu [71] .................................................................................................................... 3
4
Bảng 2. 7. Các thông số của mơ hình cân bằng pha NRTL cho hệ etanol(1) –
nước(2) – xyclohexane (3) được xác định theo một số tác giả [72,73] ................... 3
4
Bảng 2. 8. So sánh sai số trong dự đoán cân bằng pha hệ etanol (1) – nước (2) –
xyclohexan (3) theo mơ hình cân bằng pha NRTL sử dụng các thông số khác nhau
với các số liệu thực nghiệm [71] .............................................................................. 3
5
Bảng 2. 9. Số liệu điểm đẳng phí được dự đốn theo mơ hình cân bằng pha NRTL
sử dụng bộ thông số mặc định trong phần mềm tính tốn ....................................... 3
6
Bảng 2. 10. Số liệu điểm đẳng phí được dự đốn theo mơ hình cân bằng pha NRTL
sử dụng bộ thông số của Keil (1992). ....................................................................... 3
7
Bảng 2. 11. Số liệu điểm đẳng phí được dự đốn theo mơ hình cân bằng pha NRTL
sử dụng bộ thông số của Karrer (1990) ................................................................... 3
7
Bảng 2. 12. Số liệu điểm đẳng phí được dự đốn theo mơ hình cân bằng pha NRTL
sử dụng bộ thơng số đã tối ưu .................................................................................. 3
8
Bảng 2. 13. So sánh số liệu cân bằng pha lỏng – lỏng - hơi của hệ etanol(1) nước(2) - xyclohexan(3) được xác định theo mơ hình cân bằng pha NRTL sử dụng
bộ thông số đã tối ưu với số liệu thực nghiệm [74]. ................................................ 3
9
Bảng 2. 14. So sánh số liệu cân bằng pha lỏng - hơi của hệ etanol(1)-nước(2)xyclohexan(3) được xác định theo mơ hình cân bằng pha NRTL sử dụng bộ thông số
đã tối ưu với số liệu thực nghiệm [74]. .................................................................... 4
0
Bảng 2. 15. Bảng thông số làm việc của mơ hình thiết bị đun sơi (T1) và buồng
phân ly lỏng – hơi (T2) ............................................................................................. 4
2
Bảng 3. 1. Kết quả xác định hệ số bay hơi tương đối 12 và y1* của hệ n-butan(1) –
cis-2-buten(2)…………………………………………… ……………………..…………..48
ix
Bảng 3. 2. Độ chọn lọc giới hạn S12 của một số tác nhân tách sử dụng cho quá trình
chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp n-butan(1) - cis-2-buten(2) được xác định theo mơ
hình cân bằng pha UNIFAC Dortmund ở điều kiện áp suất P=3atm………………….49
Bảng 3. 3. Tổng chi phí năm (TAC) tại các lưu lượng dịng tác nhân tách khác nhau
cho quá trình tách hệ n-butan(1) – cis-2-buten(2) – axeton(3) với lưu lượng dòng
hỗn hợp đầu 100 kmol/h.......................................................................................... 51
Bảng 3. 4. Quan hệ giữa TAC và độ chọn lọc giới hạn S12 của quá trình chưng cất
tăng cường để tách hỗn hợp n-butan(1) – cis-2-buten(2) (tại tỷ lệ (1)/(2) = 50/50)
…53
Bảng 3. 5. Sự phụ thuộc của hệ số bay hơi tương đối α12 vào lưu lượng dòng tác
nhân tách benzen..................................................................................................... 54
∞
∞
Bảng 3. 6. Độ chọn lọc giới hạn S12 ( hoặc S21 ) của một số tác nhân tách cho quá
trình chưng cất tăng cường tách hỗn hợp đẳng phí etanol(1) - nước(2).................62
Bảng 3. 7. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số bay hơi tương đối α12 của hệ etanol(1) –
nước(2) trong hỗn hợp với tác nhân tách xyclohexan(3) vào nồng độ etanol trong
hỗn hợp đầu tại tỷ lệ S/F= 1,25; x3=0,556 phần mol.............................................. 63
Bảng 3. 8. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số bay hơi tương đối α12 của hệ etanol(1) –
nước(2) trong hỗn hợp với tác nhân tách benzen(3) vào nồng độ etanol trong hỗn
hợp đầu tại tỷ lệ S/F= 0,6; x3=0,375 phần mol....................................................... 64
Bảng 3. 9. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số bay hơi tương đối α12 của hệ etanol(1) –
nước(2) trong hỗn hợp với tác nhân tách hexaclo-1,3-butadien(3) vào nồng độ
etanol trong hỗn hợp đầu tại tỷ lệ S/F= 0,02; x3=0,0196 phần mol........................66
Bảng 3. 10. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số bay hơi tương đối α12 của hệ etanol(1)
– nước(2) trong hỗn hợp với tác nhân tách 1,5-diamino pentan(3)
vào nồng độ
etanol trong hỗn hợp đầu tại tỷ lệ S/F= 0,05; x3=0,0476 phần mol........................68
Bảng 3. 11. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số bay hơi tương đối α12 của hệ etanol(1)
– nước(2) trong hỗn hợp với tác nhân tách etylen glycol(3) vào nồng độ etanol
trong hỗn hợp đầu tại tỷ lệ S/F = 0,05; x3 = 0,0476 phần mol................................69
Bảng 3. 12. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số bay hơi tương đối α12 của hệ etanol(1)
– nước(2) trong hỗn hợp với tác nhân tách dietylen triamin(3) vào nồng độ etanol
trong hỗn hợp đầu tại tỷ lệ S/F= 0,02; x3=0,0196 phần mol..................................71
Bảng 3. 13. Khảo sát sự phụ thuộc của hệ số bay hơi tương đối α12 của hệ etanol(1)
– nước(2) trong hỗn hợp với tác nhân tách glyxerol vào nồng độ etanol trong hỗn
hợp đầu tại tỷ số S/F= 0,05; x3=0,0476 phần mol.................................................. 72
Bảng 3. 14. Kết quả xác định độ bay hơi tương đối α12, lượng tác nhân tách tiêu tốn
nhỏ nhất (S/F)min và xếp thứ hạng cho một số tác nhân tách theo12 (hoặc21) và
S12 (hoặc S21) cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp etanol(1) –
nước(2).................................................................................................................... 74
Bảng 3. 15. Các thông số làm việc của hệ thống tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách etylen glycol tại các tỷ lệ S/F khác nhau....................78
x
Bảng 3. 16. Kết quả mô phỏng của tháp T1, T2 tại các tỷ lệ S/F khác nhau với tác
nhân tách etylen glycol............................................................................................ 79
Bảng 3. 17. Kết quả tính tốn các chi phí cho sơ đồ tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách etylen glycol tại các tỷ lệ S/F khác nhau....................80
Bảng 3. 18. Các thông số làm việc của hệ thống tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách glyxerol tại các tỷ lệ S/F khác nhau............................82
Bảng 3. 19. Kết quả mô phỏng của tháp T1, T2 tại các tỷ lệ S/F khác nhau với tác
nhân tách glyxerol................................................................................................... 83
Bảng 3. 20. Kết quả tính tốn các chi phí cho sơ đồ tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách glyxerol tại các tỷ lệ S/F khác nhau............................84
Bảng 3. 21. Các thông số làm việc của hệ thống tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách 1,5- diamino pentan tại các tỷ lệ S/F khác nhau.........86
Bảng 3. 22. Kết quả mô phỏng của tháp T1, T2 tại các tỷ lệ S/F khác nhau với tác
nhân tách 1,5-Diamino pentan................................................................................ 87
Bảng 3. 23. Kết quả tính tốn các chi phí cho sơ đồ tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách 1,5-diamino pentan tại các tỷ lệ S/F khác nhau..........88
Bảng 3. 24. Các thông số làm việc của hệ thống tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách hexaclo-1,3-butadien tại các tỷ lệ S/F khác nhau.......90
Bảng 3. 25. Kết quả mô phỏng của tháp T1, T2 tại các tỷ lệ S/F khác nhau với tác
nhân tách hexaclo-1,3-butadien.............................................................................. 91
Bảng 3. 26. Kết quả tính tốn các chi phí cho sơ đồ tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách hexaclo-1,3-butadien tại các tỷ lệ S/F khác nhau.......92
Bảng 3. 27. Các thông số làm việc của hệ thống tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách dietylen triamin tại các tỷ số S/F khác nhau...............94
Bảng 3. 28. Kết quả mô phỏng của tháp T1, T2 tại các tỷ lệ S/F khác nhau với tác
nhân tách dietylen triamin....................................................................................... 95
Bảng 3. 29. Kết quả tính tốn các chi phí cho sơ đồ tách hỗn hợp đẳng phí etanol –
nước sử dụng tác nhân tách dietylen triamin tại các tỷ lệ S/F khác nhau...............96
Bảng 3. 30. Tổng hợp kết quả xếp thứ hạng của một số tác nhân tách có nhiệt độ sơi
cao cho q trình tách hỗn hợp đẳng phí etanol – nước theo TAC và theo độ chọn
lọc giới hạn S ....................................................................................................... 98
Bảng 3. 31. Thông số của tháp T1 chưng cất tăng cường tách etanol...................104
Bảng 3. 32. Thông số của thiết bị trao đổi nhiệt trên đỉnh tháp T1.......................104
Bảng 3. 33. Thông số hoạt động của hiết bị phân ly lỏng-lỏng.............................104
Bảng 3. 34. Thơng số của tháp hồn ngun tác nhân tách T2.............................104
Bảng 3. 35. Kết quả tính nồng độ bằng phương pháp lặp cho dòng hữu cơ l0 (hồi
lưu) và dịng tuần hồn D2, tại tỷ số L/F = 1,979.................................................105
xi
Bảng 3. 36. Thơng số các dịng trong sơ đồ hệ thống tách etanol – nước bằng tác
nhân tách xyclohexan............................................................................................106
Bảng 3. 37. Kết quả mô phỏng tại tỷ số S/F = 1,973.............................................107
Bảng 3. 38. Kết quả mô phỏng tại tỷ số S/F = 1,315.............................................107
Bảng 3. 39. Kết quả về lưu lượng và thành phần của các dòng sau các bước tính lặp
108
Bảng 3. 40. Thơng số của các dịng nhận được khi q trình mơ phỏng hệ thống
tách hội tụ.............................................................................................................109
Bảng 3. 41. Bộ thơng số đã tối ưu hóa của mơ hình NRTL cho hệ etanol(1) nước(2) - etylen glycol(3) - KAc(4).......................................................................112
Bảng 4. 42. Các số liệu cân bằng pha lỏng – hơi của etanol – nước trong hệ
etanol(1) - nước(2) - etylen glycol(3) - KAc(4) (tại x4 = 0,05)..........................…112
Bảng 4. 43. Các số liệu cân bằng pha lỏng – hơi của etanol – nước trong hệ
etanol(1) - nước(2) - etylen glycol(3) - KAc(4) (tại x4 = 0,022)........................…112
Bảng 3. 44. Các kết quả mô phỏng cho tháp chưng cất tăng cường T1 để tách hỗn
hợp etanol – nước bằng hỗn hợp tác nhân tách ………………………………….…..112
Bảng 3. 45. So sánh các kết quả mô phỏng tháp T1 với các số liệu thực nghiệm. .112
Bảng 3. 46. Kết quả mô phỏng tháp hoàn nguyên hỗn hợp tác nhân tách T2..…..112
Bảng 3. 47. So sánh các kết quả mơ phỏng tháp hồn ngun hỗn hợp tác nhân tách
T2 với các số liệu thực nghiệm ………………………………………………….....…..112
xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
và ký hiệu
Chữ viết tắt
Diễn giải
ACID
Activity Coefficients at infinite dilution
ASOG
Analytical Solutions of Groups
MESH
Material balance – phase Equilibrium – mole Summation - energy
balance (H)
MOSCED
LLE
Modified Separation of Cohesive Energy Model and UNIFAC
Liquid – Liquid Equilibrium
NRTL
Non-random two Liquid
PDD
Pierotti – Deal – Derr
TAC
Total annual costs
UNIFAC
UNIQUAC
UNIQUAC Funcional – Group Activity Coefficients
Universal Quasi - Chemical
Ký hiệu
ai
(1)
Hoạt độ của cấu tử i trong pha lỏng 1
A12
Thông số tương tác giữa cấu tử 1 và 2
a12
Hệ số bay hơi tương đối của hai cấu tử 1 và 2.
B1
Dòng đáy tháp T1
B2
Dòng đáy tháp T2
D1
Dòng đỉnh tháp T1
D2
Dòng đỉnh tháp T2
DC
Thiết bị phân ly lỏng – lỏng
F
g12
γ1,γ2
KAc
Dòng hỗn hợp đầu
Thông số tương tác giữa cấu tử 1 và 2
Hệ số hoạt độ của cấu tử 1 và 2 ở trong dung dịch
Kali axetat
xiii
L/F
Tỷ số giữa lưu lượng dòng hồi lưu trên dòng hỗn hợp đầu
lo
lA
Dòng pha hữu cơ
N
Đĩa lý thuyết
N1
N2
Số đĩa lý thuyết của tháp chưng cất tăng cường T1
Dòng pha nước
Số đĩa lý thuyết của tháp hoàn nguyên tác nhân tách T2
NS
NF1
Vị trí dịng tác nhân tách vào tháp chưng cất tăng cường
NF2
Vị trí dịng liệu vào tháp hồn ngun tác nhân tách T2.
NT1, NT2
Vị trí dịng hỗn hợp đầu F vào tháp chưng cất tăng cường
Thiết bị ngưng tụ trên đỉnh tháp T1, T2
P1 o, P2 o
Áp suất hơi bão hịa của cấu tử 1, 2 tinh khiết
q1, q2
Diện tích bề mặt van der Waals tương đối của cấu tử 1 và cấu tử 2
QR
Năng lượng tiêu tốn đáy tháp
QT
Nhiệt lượng làm mát cần thiết
r1 , r2
R1
R2
Rb1, Rb2
S
12
S
¥
ij
S
(S/F)min
tđ
tđáy
Thể tích van der Waals tương đối của cấu tử 1 và cấu tử 2
Tỷ số hồi lưu trên đỉnh tháp T1
Tỷ số hồi lưu trên đỉnh tháp T2
Thiết bị đun sôi dưới đáy tháp T1, T2
Độ chọn lọc giới hạn của tác nhân tách
Độ chọn lọc của tác nhân tách
Dòng tác nhân tách
Tỷ số lưu lượng dòng tác nhân tách trên lưu lượng dòng hỗn hợp
đầu nhỏ nhất
Nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất
Nhiệt độ đáy tháp chưng cất
T1
Tháp chưng cất tăng cường
T2
Tháp hồn ngun tác nhân tách
u12
Thơng số tương tác giữa cấu tử 1 và cấu tử 2
V1
Thể tích mol của cấu tử 1 lỏng tinh khiết
x1F
Nồng độ cấu tử 1 trong hỗn hợp đầu F của hai cấu tử 1 và 2.
xiv
xD
Nồng độ trong pha lỏng của dòng đỉnh tháp chưng cất
x3
Nồng độ của tác nhân tách (cấu tử 3) trong dòng trộn chứa 3 cấu tử
1, 2 và tác nhân tách.
y
Nồng độ cấu tử trong pha hơi
xv
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án:
Trong thực tế sản xuất thường xuyên cần phải tiến hành tách hệ nhiều cấu tử
phức tạp với số lượng cấu tử trong hệ lớn và có hành vi của các cấu tử khơng tuân
theo các quy luật lý tưởng: các cấu tử trong hệ có khả năng tạo với nhau các hỗn
hợp đẳng phí hai, ba cấu tử và trong hệ có thể xuất hiện các vùng dị thể hai pha
lỏng. Ví dụ: hệ dung dịch etanol – nước sản xuất bằng phương pháp lên men là một
hệ dung dịch thực, phức tạp điển hình có nhiều ứng dụng trong đời sống. Sản xuất
etanol đạt nồng độ cao ( 99% thể tích ) vượt qua điểm đẳng phí hiện nay đang
được ứng dụng nhiều trên thế giới với mục đích làm phụ gia cho xăng sinh học,
dùng làm dung môi trong sản xuất sơn, để chiết xuất và làm chất mang trong y học
và cơng nghiệp dược phẩm. Vì vậy, cho đến nay việc nghiên cứu để tách các hệ
dung dịch đẳng phí phức tạp vẫn đang là những vấn đề rất được quan tâm. Bằng
phương pháp chưng cất thông thường không thể tách hiệu quả các hệ này do:
+ Hệ thống thiết bị tách phức tạp,
+ Chi phí thực hiện cho quá trình tách quá lớn.
Để tách các hệ trên cần phải sử dụng phương pháp chưng cất trích ly hoặc
phương pháp chưng cất đẳng phí. Theo quan điểm hiện nay, chưng cất trích ly chỉ
được coi là trường hợp riêng của chưng cất đẳng phí. Trong sổ tay của Perry đã gộp
hai phương pháp trên với tên gọi chung là ―chưng cất tăng cường‖. Hiệu quả của
các quá trình chưng cất tăng cường như vậy sẽ do việc lựa chọn tác nhân tách quyết
định.
Lựa chọn tác nhân tách hiệu quả cho quá trình chưng cất tăng cường thường tốn
nhiều thời gian và kinh phí. Từ những năm 1948 các tiêu chí hoặc các quy tắc để lựa
chọn tác nhân tách tiềm năng đã được đề xuất và công bố trong các tài liệu. Tuy
nhiên, những tiêu chí và các quy tắc lại được thể hiện hoặc ở dạng nặng về định
tính, hoặc ở dạng các quy trình thuật tốn cịn chưa hoàn chỉnh. Trong nhiều trường
hợp, các quy tắc và các thuật toán nêu trên lại mâu thuẫn và loại bỏ nhau.
Vì vậy, việc nghiên cứu để có thể đưa ra được tiêu chí tổng quát và định lượng
theo hiệu quả kinh tế và áp dụng để lựa chọn tác nhân tách hiệu quả cho quá trình
chưng cất tăng cường để tách các hệ dung dịch phức tạp sẽ có ý nghĩa quan trọng
trong thực tế sản xuất.
Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án:
Mục đích: Lựa chọn và đề xuất quy trình xác định tiêu chí có tính tổng quát
và định lượng là “Tổng chi phí năm (Total annual costs - TAC)” để lựa chọn tác
nhân tách hiệu quả cho quá trình chưng cất tăng cường để tách các hỗn hợp khó
tách và các hỗn hợp đẳng phí phức tạp.
Đối tượng nghiên cứu: Các nghiên cứu sẽ được tiến hành trên các ví dụ tiêu
biểu cho các hỗn hợp gần với hệ lý tưởng, các hỗn hợp đẳng phí đồng thể, dị thể
điển hình đã và đang có các ứng dụng quan trọng trong cơng nghiệp:
- Hệ gần với hệ lý tưởng: chọn hệ n-butan – cis-2-buten (hệ khó tách)
1
- Hệ đẳng phí phức tạp:
+ Hệ đẳng phí đồng thể: chọn hệ
* Axeton – n-heptan – tác nhân tách benzen
* Etanol – nước – các tác nhân tách có nhiệt độ sơi cao.
+ Hệ đẳng phí dị thể tiêu biểu:
Etanol – nước – tác nhân tách xyclohexan
Phạm vi và các nội dung nghiên cứu chính của luận án:
Phạm vi: Nghiên cứu lựa chọn và đề xuất quy trình xác định tiêu chí tổng
chi phí năm (Total annual costs – TAC) áp dụng để lựa chọn tác nhân tách hiệu quả
cho quá trình chưng cất tăng cường để tách các hỗn hợp phức tạp.
Các nội dung nghiên cứu chính của luận án:
1) Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô phỏng để xác định độ chọn lọc giới hạn
S12 (hoặc S21 ) của các tác nhân tách (được xác định tại nồng độ vơ cùng lỗng của
các cấu tử trong tác nhân tách) nhằm mục đích lập danh sách các tác nhân tách tiềm
năng cho các quá trình tách các hỗn hợp phức tạp bằng phương pháp chưng cất tăng
cường. Xếp thứ hạng tác nhân tách cho quá trình chưng cất tăng cường theo tiêu chí
độ chọn lọc giới hạn S12 (hoặc S21 ).
2) Nghiên cứu đề xuất quy trình xác định tiêu chí tổng chi phí năm (TAC) cho các
quá trình chưng cất tăng cường:
2.1) Tách hỗn hợp gần với hệ lý tưởng:
Cần xác định lượng tác nhân tách tiêu tốn thích hợp (S/F)opt theo tiêu chí
(TAC)min.
2.2) Tách hỗn hợp đẳng phí phức tạp:
+ Xác định lượng tác nhân tách tiêu tốn nhỏ nhất (S/F)min.
+ Nghiên cứu quy trình và đề xuất thuật tốn xác định lượng tác nhân tách tiêu
tốn thích hợp (S/F)opt cho các q trình chưng cất tăng cường để tách các hỗn hợp
đẳng phí phức tạp theo tiêu chí (TAC) min. Quy trình xác định (S/F)opt tạo điều kiện
để hệ thống tách hoạt động ổn định, tránh được khả năng xuất hiện đa trạng thái ổn
định trong tháp và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
3) Xác định phạm vi ứng dụng của các tiêu chí sàng lọc tác nhân tách hiệu quả theo
độ chọn lọc giới hạn của tác nhân tách S12 (hoặc S21 ) và theo tiêu chí tổng chi
phí năm (TAC) cho các quá trình chưng cất tăng cường:
+ Cho dung dịch gần với hệ lý tưởng: chọn theo tiêu chí độ chọn lọc giới hạn
của tác nhân tách S12 (hoặc S21 ) (thay cho tiêu chí TAC).
+ Cho hệ dung dịch thực (bao gồm dung dịch đẳng phí và phức tạp): chọn tiêu
chí định lượng theo hiệu quả kinh tế là tổng chi phí năm (TAC).
4) Nghiên cứu mơ phỏng q trình chưng cất tăng cường sử dụng hỗn hợp tác nhân
tách (hỗn hợp tác nhân tách lỏng + muối tan).
2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Đã lựa chọn và đề xuất được quy trình và thuật tốn để xác định tiêu chí có
tính định lượng là ―Tổng chi phí năm (TAC)‖ để lựa chọn tác nhân tách hiệu quả
cho quá trình chưng cất tăng cường.
- Tiêu chí đưa ra có tính tổng qt, áp dụng được cho các quá trình chưng cất
tăng cường (bao gồm cả q trình chưng cất đẳng phí và chưng cất trích ly).
- Tiêu chí đánh giá lựa chọn tác nhân tách cho q trình chưng cất tăng cường
có tính định lượng theo hiệu quả kinh tế.
- Các nghiên cứu được thực hiện trên các quá trình tách các hệ dung dịch điển
hình, mang tính khái qt và có các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp
ở Việt Nam và trên Thế giới. Các kết quả và phương pháp nghiên cứu đã
được sử dụng có thể áp dụng được cho các quá trình tách các hệ phức tạp
khác.
Những đóng góp mới của luận án:
1) Đã đề xuất được phương pháp xác định tỷ số giữa dòng tác nhân tách và dòng
hỗn hợp đầu nhỏ nhất (S/F)min bằng phương pháp mô phỏng. Phương pháp này cho
phép tiết kiệm thời gian, nhanh chóng thiết lập được danh sách các tác nhân tách
tiềm năng. Tại giá trị (S/F)min điểm đẳng phí sẽ dịch chuyển ra khỏi vùng chưng cất.
Sự dịch chuyển này tạo các điều kiện thuận lợi cho quá trình tách hỗn hợp.
2) Đã nghiên cứu lựa chọn được tiêu chí tổng chi phí năm (Total annual costs –
TAC) và đề xuất được quy trình và thuật tốn phân rã bài tốn để xác định tỷ số
giữa dòng tác nhân tách và dòng hỗn hợp đầu thích hợp (S/F)opt, để từ đó xác định
được tiêu chí tổng chi phí năm (TAC). Đây là tiêu chí có tính chất tổng qt và định
lượng về hiệu quả kinh tế của quá trình chưng cất tăng cường.
3
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về lịch sử phát triển và ứng dụng của phương
pháp chưng cất tăng cường để tách các hỗn hợp khó tách.
1.1.1. Đặt vấn đề
Trong cơng nghiệp, phương pháp chính để tách các hỗn hợp lỏng là phương
pháp chưng luyện. Trong sản xuất thực tế thường gặp các hỗn hợp nhiều cấu tử
phức tạp (hỗn hợp có nhiệt độ sơi gần nhau; hỗn hợp đẳng phí). Hỗn hợp đẳng phí
có thể có nhiệt độ sơi cực đại hoặc cực tiểu. Trong hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sơi
cực tiểu (được gọi là hỗn hợp đẳng phí cực tiểu), các phân tử đẩy nhau. Trong khi
đó, trong hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sơi cực đại (được gọi là hỗn hợp đẳng phí
cực đại), các phân tử lại hút nhau [1]. Nếu ở nhiệt độ cân bằng hỗn hợp chất lỏng
tương ứng với điểm đẳng phí là đồng nhất thì được gọi là hỗn hợp đẳng phí đồng
thể. Trường hợp ngược lại được gọi là hỗn hợp đẳng phí dị thể.
Hỗn hợp của các cấu tử có nhiệt độ sơi gần nhau ln có xu thế tạo thành hỗn
hợp đẳng phí khi cấu trúc hóa học của các cấu tử khác nhau [1]. Gần một nửa trong
số 18.800 hệ hai cấu tử thu thập trong tài liệu của Gmehling. et al. (1995) [2] là hệ
đẳng phí. Hơn 90% của hỗn hợp đẳng phí là hỗn hợp đẳng phí cực tiểu trong hệ 2
cấu tử và hơn 80% trong số này là hỗn hợp đẳng phí đồng thể [2].
Tách các hỗn hợp phức tạp là nhiệm vụ khó khăn, khơng thể sử dụng phương
pháp chưng luyện thông thường để nhận được sản phẩm tinh khiết (vì tại điểm đẳng
phí, động lực của q trình chưng cất = y i* - xi =0) mà phải sử dụng các q trình
chưng cất đặc biệt (chưng cất trích ly hoặc chưng cất đẳng phí [3,4]). Cả hai q
trình chưng cất này đều phải có sự tham gia của tác nhân tách. Theo quan điểm hiện
nay, chưng cất trích ly được xem là trường hợp riêng của chưng cất đẳng phí [3].
Trong sổ tay của Perry [4], các quá trình chưng cất trích ly và chưng cất đẳng phí
được gọi chung bằng thuật ngữ ―Chưng cất tăng cường‖.
Tác nhân tách được sử dụng phải tương tác khác nhau với các cấu tử của hỗn hợp
nhằm làm thay đổi (hoặc tăng, hoặc giảm) độ bay hơi tương đối của chúng, tạo điều
kiện thuận lợi cho quá trình tách. Như vậy, lựa chọn tác nhân tách phù hợp sẽ ảnh
hưởng đến tính khả thi và hiệu quả của các q trình này. Lựa chọn tác nhân tách và
thiết kế quá trình chưng cất tăng cường cần phải có các thơng tin chi tiết về các tính
chất nhiệt động của hỗn hợp cần tách.
Trong nhiều thập kỉ, việc lựa chọn tác nhân tách cho các quá trình chưng cất tăng
cường thường được tiến hành dựa theo các quy tắc khả thi đơn giản [5-9].
Trong cơng nghiệp, chưng cất tăng cường có thể tiến hành theo phương thức liên
tục trên hệ thống gồm hai tháp: tháp chưng cất tăng cường và tháp thu hồi tác nhân
tách mắc nối tiếp nhau.
Trong thực tế cũng tồn tại các q trình ít gặp của chưng cất tăng cường như các
quá trình sử dụng tác nhân tách là chất lỏng ion [10] có hành vi như các tác nhân
tách có nhiệt độ sơi cao. Mặt khác, các quá trình chưng cất tăng cường sử dụng tác
nhân tách dị thể sẽ tạo ra thêm sự linh hoạt cho các q trình chưng cất tăng cường
liên tục thơng qua việc điều chỉnh chỉ số hồi lưu [10].
4
Theo quan điểm hiện đại, các tác nhân tách có nhiệt độ sôi thấp, trung gian, cao
và các tác nhân tách dị thể, đều có thể sử dụng để tách hỗn hợp đẳng phí cực tiểu,
hoặc cực đại, cũng như các hỗn hợp có hệ số bay hơi tương đối xấp xỉ 1 (hỗn hợp
khó tách) [7-9]. Điều này chứng tỏ các định nghĩa trước đây về chưng cất trích ly và
chưng cất đẳng phí chỉ thích hợp trong một phạm vi hẹp. Ngày nay hai loại quá
trình chưng cất này được gộp chung vào nhóm các q trình chưng cất tăng cường
và lựa chọn tác nhân tách cho các quá trình này đều tuân theo các nguyên tắc như
nhau.
Sau khi căn cứ vào độ chọn lọc và dung lượng để lựa chọn sơ bộ các tác nhân
tách tiềm năng, thì cần phải có tiêu chí khả thi tổng qt để tìm ra tác nhân tách hiệu
quả nhất, cũng như tìm ra các cấu hình quá trình phù hợp với dòng tác nhân tách
được đưa vào tháp tại các vị trí khác nhau (khác với vị trí vào tháp của hỗn hợp cần
tách), và khi đó tháp chưng cất sẽ bao gồm cả đoạn nằm giữa đĩa tiếp nhận hỗn hợp
đầu và đĩa tiếp nhận dòng tác nhân tách. Các kết quả nghiên cứu cho thấy cấu tử bay
hơi mạnh nhất (hoặc yếu nhất), sẽ tách được ở trên đỉnh tháp (hoặc ở dưới đáy
tháp).
Các quá trình chưng cất tăng cường cũng đều tuân theo các quy tắc lựa chọn tác
nhân tách như nhau, nhưng khoảng làm việc của các thơng số (tỷ số dịng tác nhân
tách với dịng hỗn hợp đầu S/F, tỷ số hồi lưu L/F) sẽ khác nhau trong từng quá trình
cụ thể.
1.1.2. Tổng quan về các phương pháp tách hỗn hợp đẳng phí
Các điểm đẳng phí tạo thành rào cản trong quá trình tách bằng phương pháp
chưng cất thơng thường. Trong kỹ thuật tách, có thể sử dụng một số phương pháp
sau để tách hỗn hợp đẳng phí:
-
Phương pháp thay đổi áp suất của hệ: Phương pháp này sử dụng sự thay đổi
áp suất để dịch chuyển điểm đẳng phí ra khỏi vùng chưng cất [1]. Vị trí của
điểm đẳng phí có thể dịch chuyển đáng kể khi áp suất của hệ thay đổi. Đặc
biệt trong các hệ có hỗn hợp đẳng phí cực tiểu thì nồng độ của hỗn hợp đẳng
phí phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ này sẽ thay đổi khi áp suất làm việc
thay đổi. Tách hỗn hợp đẳng phí hai cấu tử A và B được tiến hành trên 2 tháp
chưng cất làm việc ở áp suất khác nhau.
-
Phương pháp chưng luyện kết hợp quá trình màng: Đây là phương pháp sử
dụng quá trình màng để vượt qua điểm đẳng phí. Hỗn hợp đẳng phí A và B
có thành phần gần điểm đẳng phí được tăng áp và đưa qua các mơ đun màng
(có lắp các cuộn màng chỉ cho phép cấu tử B đi qua). Phía cửa ra của các mô
đung này được hút chân không. Sau màng sẽ nhận được phân đoạn giàu cấu
tử B, tại áp suất chân không phân đoạn này sẽ bốc hơi nên phải tiến hành
ngưng tụ được bơm sang tháp tách cấu tử B tinh khiết. Phân đoạn trước
màng giàu cấu tử A (có nồng độ cấu tử A lớn hơn nồng độ đẳng phí) được
đưa sang tháp tách cấu tử A tinh khiết. Các dòng đỉnh của tháp tách cấu tử A
và tháp tách cấu tử B, có thành phần gần điểm đẳng phí sẽ được nâng áp để
đưa vào các mơ đun màng.
-
Phương pháp chưng cất kết hợp với quá trình hấp phụ: Đây là một trong
những phương pháp vượt qua điểm đẳng phí rất hiệu quả trong các q trình
5
tách. Quá trình hấp phụ giúp vượt qua được điểm đẳng phí. Với q trình
tách hỗn hợp đẳng phí A và B, hỗn hợp đầu được chưng cất đến nồng độ gần
thành phần đẳng phí sau đó được đưa qua một tháp hấp phụ (chứa các lớp vật
liệu rắn mà có khả năng hấp phụ được cấu tử B và không hấp phụ cấu tử A).
Sản phẩm sau tháp hấp phụ sẽ thu được cấu tử A gần như tinh khiết. Sau một
khoảng thời gian lớp chất hấp phụ sẽ bão hịa cấu tử B và cần thực hiện q
trình nhả hấp phụ (thường thực hiện quá trình này ở điều kiện áp suất thấp
bằng chính hơi của cấu tử A). Hỗn hợp hơi của quá trình nhả hấp phụ chứa
chủ yếu cấu tử B sẽ được đưa sang tháp chưng cất để tách cấu tử B tinh khiết
ở đáy tháp và hỗn hợp gần đẳng phí ở trên đỉnh tháp.
-
Phương pháp chưng luyện kết hợp với quá trình lắng phân lớp: Phương pháp
này sẽ dùng quá trình lắng phân lớp lỏng – lỏng để vượt qua điểm đẳng phí.
Hỗn hợp có thành phần gần điểm đẳng phí nằm trong vùng 2 pha lỏng – lỏng
được đưa vào thiết bị lắng phân lớp để tách thành 2 pha lỏng: pha lỏng giàu
cấu tử A (được đưa sang tháp tách cấu tử A), pha lỏng giàu cấu tử B (được
đưa sang tháp tách cấu tử B).
-
Phương pháp trích ly bằng tác nhân tác: Phương pháp này sử dụng q trình
trích ly bằng bằng tác nhân tách (thường là dung môi hữu cơ có khả năng hịa
tan tốt cấu tử B của hỗn hợp đẳng phí nhưng khơng hịa tan cấu tử A cần
tách). Sản phẩm của q trình trích ly sẽ thu được 1 pha chứa dung môi E và
cấu tử B, 1 pha chứa chủ yếu là cấu tử A cần tách.
-
Phương pháp chưng cất phản ứng: tách nhân tách được đưa vào tháp chưng
cất có xảy ra phản ứng thuận nghịch với 1 trong 2 cấu tử tạo đẳng phí.
-
Phương pháp chưng cất tăng cường (bao gồm chưng cất đẳng phí và chưng
cất trích ly): Tác nhân tách được đưa vào tháp chưng cất (thường là các dung
môi hữu cơ) nhằm mục đích làm thay đổi hệ số bay hơi tương đối của hai cấu
tử chính của hỗn hợp cần tách (giúp tăng cường khả năng tách trong tháp
chưng cất). Sơ đồ quá trình tách thường bao gồm 2 tháp chưng cất hoặc 2
tháp chưng cất và 1 thiết bị phân lớp lỏng – lỏng. Dòng tác nhân tách và
dòng hỗn hợp đầu được đưa vào tháp chưng cất tăng cường trên cùng 1 đĩa
hoặc trên 2 đĩa khác nhau. Tác nhân tách được hồn ngun ở tháp cịn lại và
được đưa tuần hoàn trở lại tháp chưng cất tăng cường. 2 cấu tử trong hỗn hợp
cần tách được tách ra trong 2 tháp chưng cất riêng biệt.
1.1.3. Lựa chọn q trình tách cho các hỗn hợp đẳng phí, hỗn hợp
khó tách.
Tách các hỗn hợp đẳng phí và các hỗn hợp của các cấu tử có nhiệt độ sơi gần
nhau là q trình phổ biến trong cơng nghiệp hóa chất. Trong kỹ thuật có nhiều q
trình tách đã được nêu ở trên. Tuy nhiên, cần phải phân tích từng phương pháp để
lựa chọn được quá trình tách phù hợp:
-
Tách theo phương pháp thay đổi áp suất: Phương pháp này có thể áp dụng để
tách các hỗn hợp đẳng phí cực tiểu có thành phần của hỗn hợp đẳng phí thay
đổi theo sự thay đổi của áp suất. Tuy nhiên, phương pháp này khơng áp dụng
được cho q trình tách các hỗn hợp của các cấu tử có nhiệt độ sơi gần nhau,
vì thay đổi áp suất sẽ dẫn đến sự thay đổi gần như nhau của nhiệt độ sôi của
6
