Bài giảng Chưng cất

* CHƯƠNG 3 CHƯNG CẤT * I. Khái quát 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 * các phương pháp chưng Chưng đơn giản Chưng bằng hơi nước trực tiếp Chưng chân không Chưng cất * 1. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ Căn cứ vào mức độ hoà tan ta có thể chia dung dịch hai cấu tử thành các loại sau: Chất lỏng hoàn toàn hoà tan vào nhau theo bất cứ tỉ lệ nào. Chất lỏng hoà tan một phần vào nhau. Chất lỏng không hoà tan vào nhau. * Xét hỗn hợp gồm hai cấu tử A và B. theo định luật Rauolt ta có áp suất riêng phần của các cấu tử là: PA = PbhA.xA PB = PbhB.xB = PbhB.(1 – xA) Áp suất tổng P = PA + PB = PbhA.xA + PbhB.(1 – xA) * * 2. CHƯNG ĐƠN GIẢN. 1 Nguyên tắc và sơ đồ chưng đơn giản, đồ thị txy. * Chưng đơn giản được ứng dụng cho những trường hợp sau: Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác nhau xa: 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. * Tính toán quá trình chưng đơn giản. Phương trình cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình là: * 3. CHƯNG CẤT 3.1. Nguyên tắc làm việc của tháp. Hơi đi dưới lên qua các lỗ của đĩa, chất lỏng chảy từ trên xuống dưới theo các ống chảy chuyền. 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. * Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi. Do đó một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng. Quá trình chưng cất được thực hiện trong thiết bị lọai tháp làm vịêc liên tục hay gián đọan. * 3.2. Chưng cất liên tục 3.2.1 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất liên tục. * Phương trình cân bằng cho toàn tháp. F = W + D F.xF = W.xW + D.xD Trong đó: F, W, D - suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh, kmol/h xF, xW, xD - phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh. * Phương trình đường nồng độ làm việc của đọan cất. Giả thuyết: Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diện của tháp. Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi. Chất lỏng trong thiết bị ngưng có thành phần bằng thành phần hơi ra khỏi đỉnh tháp. Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp. Số mol chất lỏng không đổi theo chiều cao của đọan cất và chưng. * Phương trình: Với là chỉ số hồi lưu của tháp Gx- lượng lỏng được hồi lưu, kmol/h * Phương trình đường nồng độ làm việc của đọan chưng. Với lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh. * Xác định chỉ số hồi lưu Rx Chỉ số hồi lưu tối thiểu Chỉ số hồi lưu: R = b.Rmin * Xác định số mâm lý thuyết Các bước xác định: Xác định chỉ số hồi lưu Xác định các đường làm việc. Xác định đường cân bằng. Vẽ đồ thị đường làm việc và đường cân bằng. Vẽ số bậc thang thay đổi nồng độ. Số bậc thang là số mâm lý thuyết. * 3. Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chưng cất * Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu * Phương trình cân bằng: Qnl = F.CpF.(tFr – tFv) + Qm * Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ * Phương trình Qng = D.(R+1).rD = G.C.(tr – tv) + Qm * Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh * Làm lạnh sản phẩm đỉnh QiiD = D.CpD.(tsD – tD) = G1.C.(tr – tv) + Qm * Làm lạnh sản phẩm đáy * Phương trình QiiW = W.CpW.(tsW – tW) = G2.C.(tr – tv) + Qm * Cân bằng nhiệt lượng toàn tháp * Phương trình QF + QK + QL0 = QD + QW + Qm + Qng Hay: QK = QD + QW + Qm + Qng - QF - QL0 * Ví dụ Tháp chưng cất liên tục dưới áp suất thường dùng để sản xuất 500kg/h axit acetic với nồng độ 70% mol. Nhập liệu vào với nồng độ 29% mol axit acetic ở nhiệt độ sôi. Sản phẩm đỉnh là nước chứa 7% mol axit acetic. Tháp được gia nhiệt bằng hơi bão hòa khô. 1.Vẽ sơ đồ hệ thống chưng cất, đường cân bằng lỏng (x) – hơi(y) % mol * 2.Tính lượng sản phẩm đỉnh và nhập liệu (kmol/h) . 3. Cho tỉ số hoàn lưu bằng 1,5 Rmin. Xác định số mâm thực của tháp cho biết số mâm thực tương ứng với một bậc thay đổi nồng độ là 2. 4.Tính chiều cao của tháp biết khoảng cách giữa các đĩa là 0,4m, bộ phận gia nhiệt dưới đáy tháp là 1m, khoảng cách từ đĩa trên cùng lên đỉnh tháp là 0,6m (Bề dầy của đĩa là không đáng kể) * Thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi(y) % mol nước – acetic x 0 5 10 20 30 40 50 y 0 9.2 16.7 30.3 42.5 53.0 62.6 x 60 70 80 90 100 y 71.6 79.5 86.4 93.0 100 * Tóm tắc đề W=500kg/h xw= 30%mol nước xF= 71%mol nước xD= 93%mol nước R= 1.5 Rmin * 1. Vẽ sơ đồ hệ thống chưng cất * Vẽ đường cân bằng lỏng hơi * 2. Tính lượng sản phẩm đỉnh và nhập liệu -Tính lưu lượng mol sản phẩm đáy: Khối lượng trung bình hổn hợp nhập liệu: Lưu lượng mol sản phẩm đáy: W * Phương trình cân bằng vật liệu F = W + D F.xF = W.xW + D.xD Thay giá trị vào ta được: F = 11 + D Fx0.71 = 11x0.3 + Dx0.93 Giải hệ phương trình ta được: F = 31.5 kmol/h D = 20.5 kmol/h * Xác định chỉ số hoàn lưu tối thiểuxF= 0.71 => y*F = 0.80 mol/mol * Chỉ số hoàn lưu thực tế Chỉ số hoàn lưu thực tế =1.5 Rmin Suy ra: R = 1.5*1.44 = 2.16 * Xác định số mâm thực của tháp Xác định số bậc thay đổi nồng độ: - Phương trình đường làm việc của đoạn cất: * - Phương trình đường làm việc của đoạn chưng: Với: L= 31.5/20.5=1.54 Suy ra: Pt đường làm việc đoạn chưng: y = 1.17x - 0.05 * _Đoạn cất y = 0. 68x + 0.3 _Đoạn chưng y = 1.17x - 0.05 * Vẽ đồ thị các đường làm việc