Bài giảng Nguyên lý hóa công nghiệp

MÔN HỌC NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP 30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. J.P. MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999. 2. Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi - Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2, Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp 3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P. WAUQUIER, Les réacteurs chimiques, Technip, 1984. 4. Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, 1999. 5. R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980. Nguyên lý hóa công nghiệp 2 NỘI DUNG MÔN HỌC Lý thuyết và bài tập Chương I: Mở đầu Chương II: Chưng luyện Chương III: Trích ly Chương IV: Thiết bị phản ứng – Bài tập áp dụng Chương V: Thiết bị trao đổi nhiệt Thực hành Vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công nghiệp hóa học Nguyên lý hóa công nghiệp 3 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU................................................................................................................. 5 1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ........................... 5 1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI......................... 6 1.2.1. Định nghĩa ..................................................................................................................... 6 1.2.2. Phân loại ....................................................................................................................... 6 CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN................................................................................................... 7 2.1. ĐỊNH NGHĨA CHƯNG .................................................................................................. 7 2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG............................................................... 7 2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ .......................................................................... 8 2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ ................................................... 9 2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y .............................................................................................. 9 2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y................................................................................................. 10 2.4.5. Giản đồ phần mol x-y .................................................................................................. 11 2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN ............................................................................................... 12 2.5.1. Nguyên tắc hoạt động.................................................................................................. 12 2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) .................................................................... 13 2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)............................................................................ 14 2.5.4. Cân bằng vật chất........................................................................................................ 16 2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin......................................... 17 2.5.6. Xác định số đĩa thực tế NTT.......................................................................................... 19 THỰC HÀNH VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC I- GIớI THIệU TổNG QUAN ..................................................................................................... 21 1- MụC ĐÍCH, VAI TRÒ CủA THIếT Kế MÔ PHỏNG ........................................................................... 21 2- CÁC PHầN MềM MÔ PHỏNG TRONG CÔNG NGHệ HÓA HọC.......................................................... 22 II- PHầN MềM PRO/II ............................................................................................................... 22 1- LĨNH VựC Sử DụNG................................................................................................................... 22 2- QUÁ TRÌNH MÔ PHỏNG BằNG PHầN MềM PRO/II....................................................................... 23 III- LÝ THUYếT NHIệT ĐộNG HọC........................................................................................ 24 IV- CƠ Sở LựA CHọN MÔ HÌNH NHIệT ĐộNG.................................................................... 25 V- CÁC PHầN CƠ BảN CủA PROII......................................................................................... 28 1- GIAO DIệN CủA PROII- QUI ƯớC BAN ĐầU ............................................................................... 28 2- Cửa sổ PRO/II................................................................................................................... 29 VI- CÁC THAO TÁC THƯờNG DÙNG TRONG MÔ PHỏNG BằNG PRO/II ........................ 30 1- Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG MớI (OPENING A NEW SIMULATION) ................................ 30 2- Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG ĐÃ CÓ (OPENING AN EXISTING SIMULATION) .................. 30 3- GHI MộT FILE MÔ PHỏNG ĐANG HIệN HÀNH (SAVING THE CURRENT SIMULATION).................. 30 a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành ............................................................................. 30 b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác ........................................................................... 31 4- XÓA MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (DELETING A SIMULATION)........................................... 31 5- SAO CHÉP MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (COPY A SIMULATION).......................................... 31 Nguyên lý hóa công nghiệp 4 6- THAY ĐổI DạNG ĐƯờNG VIềN CÁC DÒNG (MODIFYING THE FLOWSHEET STREAM BORDER STYLE)........................................................................................................................................ 32 7- HIểN THị TÍNH CHấT CủA DÒNG TRÊN SƠ Đồ MÔ PHỏNG ............................................................ 32 8- Sử DụNG FLASH HOT-KEY TOOL............................................................................................ 33 9- XUấT MộT SƠ Đồ MÔ PHỏNG RA CửA Sổ LƯU TRữ TạM (EXPORTING THE PFD TO THE WINDOWS CLIPBOARD) ............................................................................................................................... 34 10- NHậP MộT FILE PRO/II CÓ SẳN (IMPORTING A PRO/II KEYWORD INPUT FILE)...................... 34 11- XÁC ĐịNH CÁC TÍNH CHấT Về CÂN BằNG LỏNG - HƠI CủA CÁC Hệ 2 CấU Tử (DISPLAY BVLE).. 34 VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG............................................................................................................ 36 BÀI TOÁN 1: MÔ PHỏNG SƠ Đồ CÔNG NGHệ CủA PHÂN XƯởNG TÁCH MÉTHANE ........................... 36 BÀI TOÁN 2: MÔ PHỏNG THIếT Bị TÁCH KHÍ - LỏNG ...................................................................... 38 BÀI TOÁN 3: TÍNH NHIệT Độ SÔI CủA MộT HỗN HợP HAI PHA ở MộT ÁP SUấT NHấT ĐịNH.................. 39 BÀI TOÁN 4: MÔ PHỏNG THÁP TÁCH PROPANE ............................................................................ 40 BÀI TOÁN 5: XÁC ĐịNH ĐĨA NạP LIệU TốI ƯU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG CÔNG Cụ OPTIMISER ................................................................................................................................................... 42 BÀI TOÁN 6: XÁC ĐịNH Số ĐĨA LÝ THUYếT TốI THIểU VÀ CHỉ Số HồI LƯU TốI THIểU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG PHƯƠNG PHÁP SHORTCUT ................................................................................... 44 CHƯƠNG 3: TRÍCH LY ........................................................................................................... 46 3.1. NGUYÊN TắC................................................................................................................... 46 3.2. SƠ Đồ .............................................................................................................................. 46 3.3. ỨNG DụNG ...................................................................................................................... 46 CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG....................................................................................... 47 4.1. ĐẠI CƯƠNG................................................................................................................. 47 4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG........................................................................... 47 a- Theo pha của hệ ................................................................................................................ 47 b- Điều kiện tiến hành quá trình............................................................................................ 47 c- Theo điều kiện thủy động................................................................................................... 47 4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC ...... 48 a- Thiết bị phản ứng gián đoạn :........................................................................................... 48 b- Thiết bị phản ứng liên tục : ............................................................................................... 49 c- Thiết bị phản ứng bán liên tục : ........................................................................................ 50 4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG .......................................................... 50 4.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT ............................. 51 4.2.4. Cân bằng vật chất........................................................................................................ 51 4.2.5. Cân bằng nhiệt ............................................................................................................ 51 4.3. MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN.................... 52 Thiết bị phản ứng liên tục...................................................................................................... 52 a- Thiết bị phản ứng dạng ống : ............................................................................................ 52 b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng..................................................................... 55 c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) ............................................................................... 59 4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ..................................................................... 60 4.4.7. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN ............................................................. 60 4.4.8. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG............................................................................. 67 Nguyên lý hóa công nghiệp 5 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Nhìn chung các quá trình trong công nghệ hóa học được phân thành 4 loại sau: 1. Các quá trình cơ học: gồm các quá trình: đập, nghiền, sàng, … các vật liệu rắn. 2. Các quá trình thuỷ lực: nghiên cứu về: − Các định luật về thủy tĩnh, thủy động, chuyển động của chất lỏng, chất khí. − Các thiết bị vận chuyển khí, lỏng (bơm, quạt, máy nén, …) − Các phương pháp và thiết bị phân riêng các hệ khí, lỏng không đồng nhất (lắng, lọc, ly tâm, …) 3. Các quá trình nhiệt: nghiên cứu về: − Các định luật về truyền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, bức xạ nhiệt, …) − Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt (đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc) − Các quá trình làm lạnh. 4. Các quá trình chuyển khối: nghiên cứu về: − Các định luật về sự di chuyển vật chất giữa các pha với nhau − Các thiết bị chuyển khối (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, sấy, trích ly, kết tinh, …) Nguyên lý hóa công nghiệp 6 1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI 1.2.1. Định nghĩa - Là quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau; - Đây là quá trình đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp hóa học vô cơ, hữu cơ, lọc hóa dầu, thực phẩm, … 1.2.2. Phân loại Tuỳ theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của 2 pha → phân loại: - Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Đây là quá trình rất phổ biến (quá trình chưng cất cồn, chưng cất dầu thô, …) - Hấp thụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng (điều chế oléum bằng cách cho H2SO4 đậm đặc hấp thụ khí SO2; tách khí acide bằng dung dịch alkanolamine); - Hấp phụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha rắn (tách khí acide ra khỏi hỗn hợp khí tự nhiên hay khí đồng hành bằng rây phân tử); - Trích ly: là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất lỏng khác; - Kết tinh: là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha rắn (kết tinh đường, kết tinh phân lân, …); - Sấy khô: là quá trình tách nước ra khỏi vật chất ẩm, trong đó vật chất (hơi nước) di chuyển từ pha lỏng hay pha rắn vào pha khí (sấy nông sản thực phẩm); - Hòa tan: là quá trình vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng (hòa tan muối hoặc đường vào nước); 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 cấu 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 hơi 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 chất 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 loại; - 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 P0A Hơi Lỏng - Hơi Lỏng T = const P PM P0B 0 xM yM 1 Trong đó: A : cấu tử dễ bay hơi → P0A > P0B Nguyên lý hóa công nghiệp 10 xM, yM: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất PM → Thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất PM là: 1-xM, 1-yM ⇒ 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 T0B T0A A B Lỏng - Hơi Hơi Lỏng TM xM yM Trong đó: A : cấu tử dễ bay hơi → T0A < T0B xM, yM: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở P và TM → thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất PM là: 1-xM, 1-yM 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 dưới 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 thuyãútlyï 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 tụ 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 phần cho hồi lưu về đỉnh tháp, phần còn lại lấy ra dạn