CHƯƠNG 6: CHƯNG CẤT

Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử6.2

Các thiết bị chưng cất6.3

Các khái niệm6.1

6.1 Các khái niệm

Chưng cất: Chưng cất là quá trình tách các

cấu tử của một hỗn hợp lỏng hoặc hỗn hợp khí-

lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ

bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn

hợp (ở cùng điều kiện).

So sánh chưng cất và cô đặc:

Phân biệt quá trình chưng cất:

- Theo áp suất làm việc

- Theo số lượng cấu tử trong hỗn hợp

- Phương thức làm việc: gián đoạn, liên tục

Các phương pháp chưng cất thường gặp

Chưng cất đơn giản

Chưng cất lôi cuốn hơi nước

Chưng cất phân đoạn:

SP đỉnh: chứa nhiều cấu tử có độ bay hơi lớn

(cấu tử có nhiệt đôi sôi thấp)

SP đáy: chứa nhiều cấu tử có độ bay hơi bé

6.2 Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử

6.2.1 Cân bằng ở áp suất không đổi

y*

phần

molA

tro

ng

pha

hơ

i

N

LK

Độ bay hơi tương đối α: tỷ số giữa tỷ số nồng độ A

và B trong pha hơi và tỷ số nồng độ A và B trong

pha lỏng

α =

𝑦∗

(1−𝑦∗)𝑥

(1−𝑥)

= 𝑦∗(1−𝑥)

𝑥(1−𝑦∗)(6.2)

α: thay đổi khi x thay đổi từ 01, tại x=y* thì α=1

không phân riêng được. α >>1 càng dễ phân riêng.

X 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Y 0 26,8 41.8 57.9 66.5 72.9 77.9 82.5 87 91.5 95.8 100

Số liệu cân bằng hệ methanol-H2O

Số liệu cân bằng hệ ethanol-H2O (đẳng phí 89,4%)

Số liệu cân bằng hệ acetone-H2O

X 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Y 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61.4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100

X 0 1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Y 0 25 43 62 76 82 83 84 85 86 87 90 94 100

Ảnh hưởng của áp suất đến dường cân bằng

6.2.2 Hỗn hợp lý tưởng – Định luật Raoult

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.

Gọi:

p*A, p*B: áp suất hơi riêng phần của A và B trên dung dịch

PA, PB: áp suất hơi bão hòa của A và B nguyên chất cùng nhiệt

độ

Pt: áp suất tổng

Thay (6.5) và (6.6) vào biểu thức (6.2), ta được:

α = 𝑃𝐴

𝑃𝐵

Định luật Raoult:

pA* = PA.x và pB* = PB(1-x) (6.3)

Pt = p*A + p*B = PA.x + PB(1 – x) (6.4)

(6.5)

(6.6)

Tại một nhiệt độ không đổi,

áp suất riêng phần và áp

tổng là tính tuyến theo x.

Thành phần của pha hơi cân

bằng y* được biểu diễn bởi

điểm D bằng tỷ số hai đoạn

FG và EG.

6.2.3 Sai lệch so với định luật Raoult

Sai lệch dương – Hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực tiểu:

pA* = a.PA.x (a>1)

Trường hợp này xảy ra khi: lực liên kết giữa các phân tử khác

loại nhỏ hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại:

Hệ etanol-H2O ở 89,4% mol etanol

6.2.3 Sai lệch so với định luật Raoult

Sai lệch âm– Hỗn hợp đẳng phí có nhiệt độ sôi cực đại:

pA* = a.PA.x (a<1)

Trường hợp này xảy ra khi: lực liên kết giữa các phân tử khác

loại lớn hơn lực liên kết giữa các phân tử cùng loại:

Hệ HCl-H2O ở 11,1% mol HCl

6.2.3 Sai lệch so với định luật Raoult

Hai chất hoàn toàn không tan lẫn: hỗn hợp sôi ở nhiệt độ không

đổi, thành phần pha hơi không đổi.

6.2.4 Giản đồ hàm nhiệt – nồng độ (tự đọc)

6.2.5 Chưng cất liên tục

Chưng cất đơn giản liên tục:

Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị làm lạnh

Gia nhiệt

ống xoắn

Thiết bị làm lạnh

F, xF

D, xD

P, xP

W, xw

6.2.4 Giản đồ hàm nhiệt – nồng độ (tự đọc)

6.2.5 Chưng cất liên tục

Chưng cất tiết lưu

6.2.4 Giản đồ hàm nhiệt – nồng độ (tự đọc)

6.2.5 Chưng cất liên tục

Chưng nhiều lần

6.2.4 Giản đồ hàm nhiệt – nồng độ (tự đọc)

6.2.5 Chưng cất liên tục

Chưng cất liên tục (chưng phân đoạn)

Tháp mâm Tháp đệm

1 2

6.2.6 Cân bằng vật chất chưng cất hh 2 cấu tử

F: suất lượng nhập liệu, kmol/h

D: suất lượng sản phẩm đỉnh, kmol/h

W: suất lượng sản phẩm đáy, kmol/h

xF: nồng độ nhập liệu (của cấu tử dễ bay hơi), %mol

xD: nồng độ sản phẩm đỉnh (của cấu tử dễ bay hơi), %mol

xw: nồng độ sản phẩm đáy (của cấu tử dễ bay hơi), %mol

Phương trình cân bằng vật chất:

F = D+W

Cho cấu tử dễ bay hơi: F.xF = D.xD+W.xw

Có 2 phương pháp tính toán tháp chưng cất:

- Ponchon Savarit: tính tương đối chính xác tháp chưng

cất nhưng phải có đủ dữ kiện về hàm nhiệt

- McCabe Thiele: xem đường làm việc là đường thẳng,

thích hợp tính cho một số dung dịch có nhiệt dd nhỏ

Phương trình đường làm việc của tháp chưng cất

Phương trình đường làm việc đoạn cất

Gọi R là tỷ số hoàn lưu của tháp, G: suất lượng hơi (lỏng)

đỉnh tháp, l: suất lượng dòng hoàn lưu, kmol/h

R= l/D = (G-D)/D

G/D = R+1

PT thể hiện quan hệ giữa nồng độ của pha lỏng ở một tiết

diện bất kì trên đoạn cất và nồng độ của pha hơi ở cùng tiết

diện phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu và nồng độ của sản phẩm

đỉnh.

(6.19)

Phương trình đường làm việc của tháp chưng cất

Phương trình đường làm việc đoạn chưng

Gọi L suất lượng mol dòng nhập liệu trên suất lượng mol

sản phẩm đỉnh:

f = L = F/D= 𝒙𝑫−𝒙𝑾

𝒙𝑭−𝒙𝑾

(6.20)

Phương trình đường làm việc của tháp chưng cất

Phương trình đường nhập liệu: dòng nhập liệu có các trạng

thái nhập liệu như trong đồ thị Lỏng dưới

điểm sôi

Lỏng sôi (lỏng

bão hòa)

Lỏng-hơi

cân bằng

Hơi bão

hòa

Hơi quá

nhiệt

xF

xD/(Rmin+1)

Xác định số mâm lý thuyết tháp chưng cất

y*F

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu Rmin

Theo phương trình (6.19) thì độ dốc của đường làm việc

phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu R. Đường làm việc càng gần

đường cân bằng thì chỉ số hồi lưu càng nhỏ. Chỉ số hồi lưu

có độ lớn tối thiểu sao là mâm nhập liệu tồn tại động lực,

tức hiệu số nồng độ y*-y>0. Vậy chỉ số hoàn lưu nhỏ nhất

khi giao điểm của 3 đường làm việc gặp nhau tại đường

cân bằng. Tung độ của đường làm việc phần cất là

xD/(Rmin+1) , xác định y*F trên đường cân bằng từ xF.

(6.22)

Chỉ số hoàn lưu thực tính theo công thức thực nghiệm:

(6.23)

Tính đường kính tháp chưng cất

Vtb: lượng hơi trung bình đi trong tháp, m3/h.

ωtb: tốc độ hơi trung bình đi trong tháp, m/s.

Tính chiều cao tháp chưng cất

- Xác định số mâm lý thuyết: Nlt

- Xác định số mâm thực tế: Ntt= Nlt/ηtb

- ηtb= (ηF+ηD+ηW)/3 : hiệu suất trung bình TB

- Chiều cao tháp:

- h: khoảng cách mâm (chọn)

- 0,8-1 (m) : khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy

VD1 áp dụng:

Hỗn hợp gồm methanol (A)- nước (B) có suất lượng

2500kg/h methanol chiếm 50% khối lượng ở 25oC. Được

chưng cất liên tục ở 1at cho sản phẩm đỉnh chứa 95%

methanol, sản phẩm đáy chứa 1% methanol (theo khối

lượng. Nhập liệu trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy và

đạt trạng thái lỏng sôi. Hơi ở đỉnh ngưng tụ hoàn toàn hoàn

lưu ở điểm sôi. Tỷ số hoàn lưu thực bằng 1,5 lần Rmin. Xác

định:

a. Suất lượng các dòng sản phẩm (Kmol/h)

b. Rmin, R làm việc

c. Số mâm lý thuyết

6.2.7 Cân bằng nhiệt (tự đọc)

Hướng dẫn

a. Tính xF = 0,36 phần mol metanol

Phân tử lượng trung bình nhập liệu:

MtbF = 0,36.32 + 0,64.18 = 23,04 kg/kmol

Dòng nhập liệu: F = 2500(0,5/32 + 0,5/18)=108,4 kmol/h

Hoặc: F=2500/23,04

Tính xD = 0,915 phần mol methanol

xw= 0,00565 phần mol methanol

Cân bằng vật chất: F = D + W

FxF = DxD + WxW

Thế các thông số giải hệ PT ta được:

D = 42,2 kmol/h ; W = 66,2 kmol/h

Hướng dẫn

b. Tính Rmin: tìm bằng đồ thị hoặc tìm y*F và tính bằng 6.22

xFxW xD

xD/(Rmin+1)Đường

làm việc

phần cất

Đường làm

việc phần

chưng

y*F

1

2

3

4

5

Hướng dẫn

Từ đồ thị ta có : xD/(Rmin+1) = 0,56 Rmin = 0,63

Tỷ số hoàn lưu làm việc: R =1,5Rmin = 0,945

c. Tìm số mâm lý thuyết của tháp

Viết PT làm việc phần cất

Vẽ hai đường làm việc trên đồ thị, vẽ đường bậc thang

đếm số bậc thang ta được 9 mâm lý thuyết

Tính L

Viết PT làm việc phần chưng

6.3 Các thiết bị chưng cất

6.3.1. Thiết bị chưng cất mâm xuyên lỗ

6.3 Các thiết bị chưng cất

Nguyên lý hoạt động:

- Hỗn hợp nhập liệu được đưa vào tháp qua ống

nhập liệu 8, trong tháp chưng cất pha lỏng và hơi

tiếp xúc với nhau trên mâm dẫn đến cấu tử nhẹ bị

lôi cuốn lên trên đỉnh, còn cấu tử nặng thì chảy

xuống đáy theo ống chảy chuyền.

- Tại đáy tháp, hỗn hợp lỏng được tháo ra qua ống

6, một phần được lấy làm sản phẩm đáy, phần còn

lại qua nồi đun đáy tháp hóa hơi và quay lại tháp

chưng cất qua ống 5

- Tại đỉnh tháp, hơi ra khỏi tháp qua ống 1 rồi đi vào

thiết bị ngưng tụ thành lỏng-sôi. Một phần được lấy

làm sản phẩm đỉnh, phần còn lại hoàn lưu lại tháp

qua ống hoàn lưu 2

6.3 Các thiết bị chưng cất

Ưu nhược điểm:

- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở

lực thấp hơn tháp chóp và ít tốn kim loại hơn tháp

chóp

- Nhược điểm:

Yêu cầu lắp đặt cao: Mâm lắp phải rất phẳng , đối

với những tháp có đường kính quá lớn (>2,4m) ít

dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối

không đều trên mâm.

6.3 Các thiết bị chưng cất

6.3.2. Thiết bị chưng cất mâm chóp

12

3

4

5

6

7

7

8

6.3 Các thiết bị chưng cất

Nguyên lý hoạt động: tương tự mâm xuyên lỗ,

khác ở chỗ hơi đi từ dưới lên qua chóp và tiếp xúc

với dòng lỏng làm bốc hơi cấu tử nhẹ

Ưu nhược điểm:

- Ưu điểm: hiệu suất truyền khối cao, ổn định và ít

tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn.

- Nhược điểm: chế tạo phức tạp và trở lực lớn.

6.3 Các thiết bị chưng cất

6.3.3. Thiết bị chưng cất tháp đệm

1. Ống hơi ra

2. Ống hoàn lưu

3. Ống phân phối lỏng hoàn lưu

4. Tầng đệm

5. Ống hơi vào

6. Ống lỏng ra

7. Lưới đỡ đệm

8. Dòng nhập liệu vào

9. Đĩa phân phối lỏng

6.3 Các thiết bị chưng cất

6.3 Các thiết bị chưng cất

Cấu tạo: tháp đệm có cấu tạo hình trụ, gồm nhiều

bậc nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật chêm

được cho vào tháp theo một trong hai phương

pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự.

Nguyên lý hoạt động: tương tự, khác quá trình

truyền khối xảy ra trên bề mặt vật liệu chêm.

Ưu nhược điểm:

- Ưu điểm: chế tạo đơn giản và trở lực thấp

- Nhược điểm: hiệu suất thấp, kém ổn định, sử

dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá

trình chưng cất theo không gian tháp và tháp chêm

khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công

nghiệp.