Chưng cất đa cấu tử

CHƯNG CẤT ĐA CẤU TỬ CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THÁP CHƯNG CẤT PHÂN ĐOẠN HỖN HỢP NHIỀU CẤU TỬ ĐƠN GIẢN ĐẶT VẤN ĐỀ Đối với hệ hai cấu tử  đường cong cân bằng t–x(y) và y-x  số liệu ban đầu là nồng độ của 1 cấu tử ở 3 vị trí: nhập liệu, đỉnh và đáy tháp  đơn giản  tính chính xác Đối với hệ đa cấu tử  sử dụng các phương pháp đơn giản hóa để tính toán 1. Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tử Có hai phương pháp thiết lập mối quan hệ giữa số đĩa lý thuyết (số bậc thay đổi nồng độ), tỷ số lỏng-hơi và nồng độ các dòng sản phẩm Phương pháp Ponchon – Savarit: sử dụng giản đồ Hxy và xy, có thể áp dụng được trong mọi trường hợp, tuy nhiên cần có đủ các dữ kiện về nhiệt Phương pháp Mc Cape – Thiele: sử dụng giản đồ xy, đơn giản hơn phương pháp trên, thích hợp trong một số trường hợp có tổn thất nhiệt, cơ sở của phương pháp là xem gần đúng đường làm việc của đoạn chưng và đoạn luyên là đường thẳng Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tửPhương pháp Ponchon – Savarit GIẢN ĐỒ CÂN BẰNG PHA Cân bằng vật chất và enthalpie Cân bằng tổng: A = L + V Cân bằng vật chất: A.z = L.x + V.y Cân bằng enthalpie: A.H = L.h + V.H Phương pháp Ponchon – SavaritThiết lập cân bằng trong đoạn chưng và luyện CÂN BẰNG TRONG ĐOẠN LUYỆN Phương pháp Ponchon – SavaritThiết lập cân bằng trong đoạn chưng và luyện CÂN BẰNG TRONG ĐOẠN CHƯNG Phương pháp Ponchon – SavaritThiết lập cân bằng trong đoạn chưng và luyện Giản đồ cân bằng enthalpie Khi xác định được các điểm PR và PE, với thành phần pha lỏng xp, xq+1 đã biết, hoàn toàn có thể xác định thành phần pha hơi dựa vào giản đồ cân bằng Phương pháp Ponchon – SavaritXây dựng giản đồ Xác định các điểm PE, PR, A trên 1 đường thẳng từ cân bằng chung của tháp Phương pháp Ponchon – SavaritXây dựng giản đồ Xây dựng giản đồ trong đoạn luyện từ V1 tương ứng thành phần y1 = xD Xác định vị trí nạp liệu Xây dựng giản đồ trong đoạn chưng: từ Vm xác định Lm dựa vào đường cân bằng cho đến khi thành phần pha lỏng x xA > xn+1 Các bước: Xác định Ln Xác định xm+1 Xác định Vm từ đường thẳng VmLm+1PE Phương pháp Ponchon – SavaritXây dựng giản đồ Xác định vị trí nạp liệu: xét 2 trạng thái nhập liệu đơn giản Nhập liệu ở điểm sôi Đoạn luyện: Ln, Vm, PR thẳng hàng Đoạn chưng: Lm, Vm+1, PE thẳng hàng Phương pháp Ponchon – SavaritXây dựng giản đồ Xác định vị trí nạp liệu: xét 2 trạng thái nhập liệu đơn giản Nhập liệu ở điểm sương Đoạn luyện: Ln, Vn+1, PR thẳng hàng Đoạn chưng: Lm, Vm+1, PE thẳng hàng Ln, Vm-1, PE thẳng hàng Nhập liệu ở điểm sôi Bài tập (giải và gởi theo đc: lop06h5dhbk@gmail.com) Hỗn hợp có lưu lượng 1000 kg/h gồm 42% mole heptane và 58% mole ethyl benzene được tách bằng chưng cất. Yêu cầu sản phẩm đỉnh có độ tinh khiết đạt 97% mole heptane và sản phẩm đáy đạt 99% mole ethyl benzene. Sử dụng ngưng tụ hoàn toàn. Nguyên liệu đưa vào ở trạng thái lỏng bão hòa. Giá trị cân bằng nồng độ – enthalpie của hỗn hợp tại 1 atm cho như sau: Tính: Tỷ số hồi lưu tối thiểu Số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) tối thiểu Số bậc thay đổi nồng độ (số đĩa lý thuyết) tại giá trị tỷ số hồi lưu bằng 2.5 Công suất các thiết bị ngưng tụ và thiết bị đun sôi lại Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tửPhương pháp Mc.Cabe Thiele Cần biết: Giản đồ pha Đặc trưng nguyên liệu, sản phẩm đỉnh, đáy Tỷ số hồi lưu Số đĩa lý thuyết Nguyên tắc: Vẽ đường nồng độ làm viêc đoạn luyện Vẽ đường nồng độ làm việc đoạn chưng Vẽ đường trạng thái nhập liệu (đường q) Các đường này đi qua các điểm xD, xB, xF theo thứ tự Xác định số đĩa lý thuyết Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tửPhương pháp Mc.Cabe Thiele Các bước: Phân tích đoạn luyện, xác định đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ROL dựa vào xD và R Phân tích vùng nạp liệu, xác định trạng thái nhập liệu thông qua giá trị q Xác định đường nhập liệu (đường q) dựa vào giá trị xF và q Định vị giao điểm giữa ROL và đường q Phân tích đoạn chưng, xác định đường nồng độ làm việc đoạn chưng SOL thông qua giao điểm giữa ROL và đường q và xR QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP MC.CABE THIELE Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tửPhương pháp Mc.Cabe Thiele Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tửPhương pháp Mc.Cape Thiele Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tửPhương pháp Mc.Cape Thiele L1 = L2 = L3 = ......... = Ln = constant V1 = V2 = V3 = ......... = Vn = constant Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tửPhương pháp Mc.Cabe Thiele Các bước: Phân tích đoạn luyện, xác định đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ROL dựa vào xD và R Phân tích vùng nạp liệu, xác định trạng thái nhập liệu thông qua giá trị q Xác định đường nhập liệu (đường q) dựa vào giá trị xF và q Định vị giao điểm giữa ROL và đường q Phân tích đoạn chưng, xác định đường nồng độ làm việc đoạn chưng SOL thông qua giao điểm giữa ROL và đường q và xR Phương pháp Mc.Cape ThieleĐường làm việc đoạn luyện (Ln + D) yn+1 = Ln xn + D xD Giả thiết: L1 = L2 = .......... Ln-1 = Ln = Ln+1 = L = constant V1 = V2 = .......... Vn-1 = Vn = Vn+1 = V = constant (L + D) yn+1 = L xn + D xD Phương pháp Mc.Cape ThieleĐường làm việc đoạn luyện Phương pháp Mc.Cape ThieleĐường làm việc đoạn luyện (xD - x1) = sự giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng khi nó di chuyển xuống dưới (từ 1 xuống 2) (y1 - y2) = sự tăng nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi khi nó di chuyển lên trên (từ 2 lên 1) . Khi R thay đổi, ROL thay đổi Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tửPhương pháp Mc.Cabe Thiele Các bước: Phân tích đoạn luyện, xác định đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ROL dựa vào xD và R Phân tích vùng nạp liệu, xác định trạng thái nhập liệu thông qua giá trị q Xác định đường nhập liệu (đường q) dựa vào giá trị xF và q Định vị giao điểm giữa ROL và đường q Phân tích đoạn chưng, xác định đường nồng độ làm việc đoạn chưng SOL thông qua giao điểm giữa ROL và đường q và xR Phương pháp Mc.Cape ThieleVùng nạp liệu – đường q Lượng lỏng = q F moles/hrLượng hơi = (1-q) F moles/hr Phương trình cân bằng: L' = L + q F V = V' + (1-q) F Đoạn luyện : V y = L x + D xD Đoạn chưng : V' y = L' x - B xB Tại đĩa nạp liêu : (V - V') y = (L - L') x + D xD + B xB  V - V' = ( 1 - q ) F L - L' = - q F Mặt khác: F xF = D xD + B xB  (1 - q) F y = - q F x + F xF Phương pháp Mc.Cape ThieleVùng nạp liệu – đường q Nhập liệu lỏng dưới điểm sôi: q > 1 Nhập liệu tại điểm sôi (lỏng bão hòa): q = 1 Nhập liệu lỏng-hơi: 0 < q < 1 Nhập liệu tại điểm sương (hơi bão hòa): q = 0 Nhập liệu hơi qua nhiệt: q < 0 Phương pháp Mc.Cape ThieleVùng nạp liệu – Giá trị q CB năng lượng: FHF + LHL,f-1 + V'HV,f+1 = L' HL,f + VHV,f Giả sử: HL,f-1 = HL,f = HL, HV, f+1 = HV,f = HV Suy ra: F HF + L HL + V' HV = L' HL + V HV F HF = (V - V') HV + (L' - L) HL F HF = (1 - q ) F HV + q F HL HF = HV - q HV + q HL q (HV - HL) = HV - HF Phương pháp Mc.Cape ThieleVùng nạp liệu – Giá trị q Có thể tính q dựa vào giản đồ cân bằng Enthalpie Phương pháp Mc.Cape ThieleVùng nạp liệu – Giá trị q Có thể tính q dựa vào công thức Nhập liệu lỏng quá lạnh: Nhập liệu hơi quá nhiệt: Phương pháp tính số bậc thay đổi nồng độ đối với hệ hai cấu tửPhương pháp Mc.Cabe Thiele Các bước: Phân tích đoạn luyện, xác định đường nồng độ làm việc của đoạn luyện ROL dựa vào xD và R Phân tích vùng nạp liệu, xác định trạng thái nhập liệu thông qua giá trị q Xác định đường nhập liệu (đường q) dựa vào giá trị xF và q Định vị giao điểm giữa ROL và đường q Phân tích đoạn chưng, xác định đường nồng độ làm việc đoạn chưng SOL thông qua giao điểm giữa ROL và đường q và xR Phương pháp Mc.Cape ThieleĐường làm việc đoạn chưng (SOL) Xác định dựa vào ROL và đường q. Với ROL cố định, SOL thay đổi theo đường q Phương pháp Mc.Cape ThieleĐường làm việc đoạn chưng (SOL) Giả thiết: L'm = L'm+1 = .... = L' = constant V'm = V'm+1 = ..... = V' = constant Cân bằng vật chất: Cb tổng : L' = V' + B' Đối với cấu tử nhẹ : L'xm = V'ym+1 + B xB Suy ra hay Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng Phương pháp Mc.Cape ThieleTỷ số hồi lưu – Mối quan hệ R-N Phương pháp Mc.Cape ThieleTỷ số hồi lưu – Mối quan hệ R-N Phương pháp Mc.Cape ThieleTỷ số hồi lưu – Mối quan hệ R-NTỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin Tại N: chuyển khối = 0 Quá trình tách không xảy ra tại điểm này (Pinch Point) Lượng lỏng hồi lưu tối thiểu Công suất reboiler và condenser tối thiểu Để đạt chất lượng tách, số bậc thay đổi nống độ N   Phương pháp Mc.Cape ThieleTỷ số hồi lưu – Mối quan hệ R-NHồi lưu hoàn toàn, tỷ số hồi lưu R   Toàn bộ vùng giữa đường cb và đường y = x dùng để tách chuyển khối lớn nhất N  Nmin Công suất reboiler và condenser tối đa Nhập liệu = 0 Hồi lưu toàn bộ sản phẩm đỉnh và đáy Phương pháp Mc.Cape ThieleTỷ số hồi lưu – Mối quan hệ R-N Ứng với một tỷ số hồi lưu bất kỳ giữa tỷ số hồi lưu tối thiểu và hồi lưu toàn phần sẽ cho số đĩa lý thuyết giữa số đĩa vô cực và sô đĩa tối thiểu cho một quá trình chưng luyện định trước Phương pháp Mc.Cape ThieleTỷ số hồi lưu – Mối quan hệ R-N Phương pháp Mc.Cape ThieleTỷ số hồi lưu – Mối quan hệ R-N 2. Nguyên tắc phương pháp tính chính xác số bậc thay đổi nồng độ của Lewis & Matheson Dữ kiện ban đầu (tính toán tháp chưng cất thu hai sản phẩm, ngưng tụ hoàn toàn): Đặc trưng của nguyên liệu: Lưu lương, số cấu tử và thành phần của chúng [ziA], enthalpie (HA) Hai tiêu chuẩn của sản phẩm Ước đoán cân bằng vật chất dựa vào thành phần và lưu lượng của D và R Lựa chọn áp suất để cố định điều kiện cân bằng lỏng-hơi và cho phép tính nhiệt độ và enthalpie của D, R, V1 Chọn tỷ số hồi lưu cho phép tinh cân bằng nhiệt của thiết bị ngưng tụ và tính được QC, QR và tính được cân bằng nhiệt tổng. THÔNG SỐ BAN ĐẦU ĐIỀU KIỆN TÍNH TOÁN Tính cân bằng vật chất và cân bằng pha trên từng đĩa lý thuyết và trong từng đoạn riêng biệt Đoạn luyện: tính từ đỉnh tháp trở xuống Đoạn chưng: tính từ đáy tháp trở lên Việc tính toán kết thúc tại đĩa nạp liệu, khi nồng độ các cấu tử tại đĩa nạp liệu đồng nhất đối với hai quá trình tính toán 2. Nguyên tắc phương pháp tính chính xác số bậc thay đổi nồng độ của Lewis & Matheson 3. CHƯNG CẤT PHÂN ĐOẠN HỖN HỢP NHIỀU CẤU TỬ ĐƠN GIẢN Phương pháp đơn giản hóa Gilliland Phương pháp tính từng đĩa (Shortcut) Phương pháp đơn giản hóa Gilliland1.1 Hệ thức đơn giản hóa Hai đại lượng quan trọng nhất trong chưng cất là tỷ số hồi lưu R và số bậc thay đổi nồng độ N có quan hệ chặc chẽ với nhau. Gilliland đã vận dụng mọi quy ước cũng như các giả thiết được chấp nhận trong chưng cất hai cấu tử để giảm tính phức tạp đối với hệ đa cấu tử, đưa ra hệ thức đơn giản hóa biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ số hồi lưu R và số bậc thay đổi nồng độ N dưới dạng các hàm số (N) và (R) Phương pháp đơn giản hóa Gilliland1.1 Hệ thức đơn giản hóa Phương pháp đơn giản hóa Gilliland1.2 Công thức Fenske Sử dụng để xác định số bậc thay đổi nồng độ tối thiểu Nmin (tương ứng với trường hợp hồi lưu hoàn toàn) Đối với hệ hai cấu tử Đối với hệ đa cấu tử Phương pháp đơn giản hóa Gilliland1.3 Tỷ số hồi lưu tối thiểu Trong chưng cất hệ đa cấu tử, Gilliland đã đề nghị một số phương pháp tính Rmin trong đó nêu lên một số vân đề sau: Việc hồi lưu các cấu tử khóa là cơ sở chính cho việc tính toán Việc hồi lưu các cấu tử khóa nặng và nhẹ vẫn có tác dụng trực tiếp đến toàn bộ hỗn hợp do đó tính toán bổ sung thêm dưới dạng hiệu chỉnh Trạng thái nhập liệu tương ứng với hai trường hợp biên sau: Nhập liệu ở trạng thái lỏng: tuy nhiên không phải hoàn toàn lỏng vì có các cấu tử nhẹ hơn cấu tử khóa nhẹ bay hơi Nhập liệu ở trạng thái hơi: cũng không phải hơi hoàn toàn mà các cấu tử nặng hơn cấu tử khóa nặng không bay hơi Các trường hợp nhập liệu biên sẽ cho các tỷ số hồi lưu tối thiểu tương ứng và từ đó có thể nội suy tuyến tính cho tỷ số hồi lưu bất kỳ tương ứng với trạng thái nhập liệu nằm giữa hai trạng thái biên trên Phương pháp đơn giản hóa Gilliland1.3 Tỷ số hồi lưu tối thiểu Maxwell đã biến đổi đơn giản hóa các công thức của Gilliland và đưa ra công thức tính Rmin: Sử dụng tính Rmin cho cả hai trường hợp nhập liệu biên, l được xác định riêng biệt cho từng trường hợp. Tách CV - CL Tách V - CL Tách L - CV Cách tính l Ví dụ Tiến hành chưng cất phân đoạn hỗn hợp sau ở áp suất 10atm Biết nhiệt độ nhập liệu là 65°C Yêu cầu về sản phẩm: Nồng độ propan ở sản phẩm đáy  1% Pentan phải thu được ở sản phẩm đáy ít nhất là 99% tổng lượng pentan trong hỗn hợp Xác định Nmin và Rmin Trình tự tính toán Chuẩn bị dữ kiện và các giả thiết Tính Nmin Tính Rmin Trình tự tính toán Chuẩn bị dữ kiện và các giả thiết Chọn cấu tử khóa Cấu tử khóa nhẹ CV: C3 Cấu tử khóa nặng CL: iC5 Giả thiết sự phân bố nồng độ ở đỉnh và đáy C2 không có ở đáy iC4 là cấu tử trung gian nhẹ, phân bố ở đỉnh nhiều hơn ở đáy nC4 là cấu tử trung gian nặng, phân bố đều ở đỉnh và đáy C5 tổng (nC5 +iC5) phân bố ở đỉnh 1%, được chia đều cho hai cấu tử Bảng giả thiết phân bố nồng độ Trình tự tính toán Chuẩn bị dữ kiện và các giả thiết Tính độ bay hơi tương đối Lấy giá trị trung bình tại 3 vị trí: đỉnh, đáy, nạp liệu Tại mỗi vị trí cần biết nhiệt độ, từ đó suy ra giá trị hằng số cân bằng pha và tính được độ bay hơi tương đối Chú ý: tính theo cấu tử khóa nặng iC5 Tại đỉnh tháp: Nhiệt độ tại đỉnh là nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp đỉnh Tại đáy tháp: Nhiệt độ tại đáy là nhiệt độ điểm sôi của hỗn hợp đáy Tại đĩa nạp liệu: Nhiệt độ nạp liệu theo giả thiết là 65°CTại nhiệt độ này ta sẽ tính %bốc hơi và suy ra giá trị cân bằng pha Bảng tổng kết số liệu  Trình tự tính toán Xác định Nmin theo công thức Fenske Kiểm tra giả thiết phân bố nồng độ bằng cách giải hệ phương trình Fenske viết cho từng cấu tử khác nhau Gọi a là số mol iC5 trong sản phẩm đỉnh tháp, ta có Công thức Fenske được viết dưới dạng Trình tự tính toán Xác định Nmin theo công thức Fenske Viết công thức Fenske cho lần lượt các cặp cấu tử sau C3 và iC5 C3 và nC5 Giải hệ ta có: Nmin = 4,9206 Trình tự tính toán Xác định Nmin theo công thức Fenske Gọi b là số mol C2 ở đỉnh, Viết công thức Fenske cho C2 và iC5 Giải ra được b = 7,998 Gọi c là số mol iC4 ở đỉnh, Viết công thức Fenske cho iC4 và iC5 Giải ra được c = 8,331 Gọi d là số mol nC4 ở đỉnh, Viết công thức Fenske cho nC4 và iC5 Giải ra được d = 7,920 Bảng phân bố nồng độ tính toán được Nhận xét về kết quả tính toán sự phân bố nồng độ và Nmin Sự sai khác giữa kết quả tính toán với giả thiết phân bố nồng độ ban đầu không lớn lắm trừ trường hợp của nC4. Tuy nhiên đây chỉ là cấu tử trung gian, ta không có yêu cầu chặt chẽ. Mặt khác giá trị phân bố nồng độ tính toán được cũng không làm thay đổi đáng kể nhiệt độ điểm sương và nhiệt độ sôi của hỗn hợp tại đỉnh và tại đáy. Do vậy có thể sử dụng số liệu phân bố nồng độ và giá trị Nmin tính toán được mà không cần phải tính lặp lại. Trình tự tính toán Tính tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin: Sử dụng công thức Maxwell tính Rmin ở hai trường hợp biên của trạng thái nạp liệu, sau đó nội suy ra Rmin tương ứng với hỗn hợp nguyên liệu Tính các giá trị l: Trình tự tính toán Tính tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin: Xác định Rmin cho trạng thái nạp liệu dạng lỏng: Trình tự tính toán Tính tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin: Xác định Rmin cho trạng thái nạp liệu dạng hơi: Trình tự tính toán Tính tỷ số hồi lưu tối thiểu Rmin: Xác định Rmin cho trạng thái nạp liệu thực tế với 25% bốc hơi: Xác định R từ biểu đồ Gilliland