CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG LUYỆN2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất.2.1.1. Khái niệm về chưng cất.Chưng là phương pháp dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thụ hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ [9, tr49].
Trong sản xuất, thường gặp các phương pháp chưng sau:
2.1.2. Khái niệm về cân bằng lỏng – hơi.Cân bằng lỏng hơi là trạng thái mà tại đó pha lỏng và pha hơi (pha khí) cân bằng với nhau, tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ ở mức độ phân tử và lúc đó, xem như là không có sự chuyển pha lỏng – hơi. Mặc dù, theo lý thuyết, quá trình chuyển pha luôn đạt đến cân bằng, nhưng trên thực tế, sự cân bằng chỉ được thiết lập trong một hệ tương đối kín, khi chất lỏng và hơi của nó tiếp xúc với nhau trong thời gian đủ dài và không có sự tác động từ bên ngoài hoặc tác động từ từ. Nồng độ của pha hơi khi tiếp xúc với pha lỏng của nó, đặc biệt ở trạng thái cân bằng, được đặc trưng bởi áp suất hơi, hoặc áp suất riêng phần trong hỗn hợp hơi. Áp suất hơi cân bằng của một chất lỏng thường phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Ở trạng thái cân bằng lỏng – hơi, một pha lỏng với những cấu tử có nồng độ nhất định sẽ có pha hơi cân bằng, trong đó nồng độ hay áp suất riêng phần của các cấu tử hơi sẽ đạt giá trị không đổi, phụ thuộc vào nồng độ của các cấu tử trong pha lỏng và nhiệt độ. Ngược lai, nếu pha hơi có nồng độ các cấu tử hay áp suất riêng phần không đổi thì ở trạng thái cân bằng, pha lỏng của nó có nồng độ không đổi, phụ thuộc vào nồng độ pha hơi và nhiệt độ. Show
Nồng độ cân bằng của mỗi cấu tử trong pha lỏng thường khác với nồng độ hay áp suất hơi của nó trong pha hơi, nhưng giữa chúng có sự tương quan. Nồng độ cân bằng lỏng – hơi thường được xác định qua thực nghiệm cho hỗn hợp lỏng – hơi có nhiều cấu tử. Trong một số trường hợp, các số liệu của cân bằng lỏng – hơi có thể được xác định nhờ Định luật Raoult, Định luật Dalton hay Định luật Henry. Cân bằng lỏng hơi được ứng dụng nhiều trong việc thiết kế tháp chưng cất, đặc biệt là tháp đĩa. 2.1.3. Hỗn hợp hai cấu tử.Phân loại hỗn hợp hai cấu tử:
Căn cứ vào mức độ hòa tan, có thể chia dung dịch hai cấu tử thành các loại sau:
2.2. Các phương pháp chưng cất.2.2.1. Chưng đơn giản.
Trong quá trình chưng đơn giản hơi được lấy ra ngay và cho ngưng tụ. Ta có thể xem diễn biến của quá trình trên đồ thị t-y-x (hình 2.1):  Hình 2.1. Cân bằng pha cho trường hợp chưng đơn giản Lúc đầu dung dịch có thành phần biểu thị ở điểm C, khi đun đến nhiệt độ sôi hơi bốc lên có thành phần ứng với điểm P, vì trong hơi khi nào cũng có cấu tử dễ bay hơi hơn trong lỏng nên trong thời gian chưng cất thành phần lỏng sẽ chuyển dần về phía cấu tử khó bay hơi. Cuối cùng ta có chất lỏng còn lại trong nồi chưng với thành phần là Cn và thu được hỗn hợp hơi P, P1, P2, ..., Pn, thành phần trung bình của hỗn hợp hơi biểu thị ở điểm Ptb [9, tr118] Sơ đồ chưng cất đơn giản biểu diễn trên hình 2.2: dung dịch đầu được cho vào nồi chưng 1, ở đây dung dịch được đun bốc hơi, hơi tạo thành đi vào thiết bị ngưng tụ -làm lạnh 2. Sau khi được ngưng tụ và làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết, chất lỏng đi vòa các thùng chứa 3. Thành phần chất lỏng ngưng luôn luôn thay đổi. Sau khi đã đạt được yêu cầu chung, chất lỏng còn lại trong nồi được tháo ra. Như vậy quá trình là gián đoạn. Ta cũng có thể tiến hành chưng liên tục được, khi đó thành phần sản phẩm không thay đổi.
Hình 2.2. Sơ đồ chưng đơn giản
2.2.2. Chưng bằng hơi nước trực tiếp.
Nếu có hai chất lỏng A và B không hòa tan vào nhau thì khi trộn lẫn, áp suất của chúng trên hỗn hợp không phụ thuộc vào thành phần của A và B và áp suất chung bằng tổng áp suất hơi bão hòa của các cấu tử ở cùng nhiệt độ [9, tr60].
Khi chưng bằng hơi nứớc trực tiếp người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏng bằng một bộ phận phun. Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt. Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và lớp chất lỏng, cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm [9, tr61]. Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lý nhất là chỉ dùng để tách cấu tử không tan trong nước ra khỏi tạp chất không bay hơi, trường hợp này sản phẩm ngưng sẽ phân lớp: cấu tử bay hơi và nước, chúng ta lấy sản phẩm ra một cách dễ dàng. Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp là giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp nghĩa là ta có thể chưng ở nhiệt độ sôi thấp hơn bình thường. Điều này rất có lợi với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao cũng như đối với các chất có nhiệt độ sôi quá cao mà khi chưng cất gián tiếp đòi hỏi dùng hơi áp suất cao. Chưng bằng hơi nước trực tiếp có thể tiến hành gián đoạn hay liên tục (hình 2.3). Trong cả hai trường hợp người ta đều phải dùng cách đốt gián tiếp để đun bốc hơi hỗn hợp. Lượng hơi nước trực tiếp đi vào hỗn hợp chỉ có nhiệm vụ mang cấu tử dễ bay hơi ra mà thôi [9,p62]. Chưng liên tục Chưng gián đoạn Hình 2.3: Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp
2.2.3. Chưng luyện liên tục.
Phương pháp chưng đơn giản không cho phép ta thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao. Muốn thu được những sản phẩm có độ tinh khiết cao người ta phải tiến hành chưng nhiều lần, sơ đồ chưng cất thể hiện trên hình 2.4 [9, tr71]. Hỗn hợp đầu liên tục đi vào nồi chưng thứ nhất. Một phần chất lỏng bốc hơi thành sản phẩm đỉnh, ống tháo sản phẩm đỉnh đồng thời là ống để duy trì mực chất lỏng trong nồi không đổi. hơi C ở trong trạng thái cân bằng với lỏng B. Hơi C thu được đó ngưng tụ lại thành chất lỏng D và đi vào nồi chưng thứ hai. Trong nồi chưng thứ hai ta thu được hơi F và chất lỏng E. tương tự như thế quá trình lặp lại ở nồi thứ ba. Ở mỗi nồi có bộ phận đốt trong riêng biệt. Kết quả là ta thu được các sản phẩm đáy B, E, H và sản phẩm đỉnh I chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi [9, tr71]. Người ta đã thay đổi sơ đồ sản xuất trên để chỉ thu được một sản phẩm đáy có chứa nhiều cấu tử ít bay hơi. Để đạt được mục đích đó ta cho sản phẩm đáy của nồi thứ hai trở về nồi thứ nhất và sản phẩm đáy của nồi thứ ba trở về nồi thứ hai,… Dĩ nhiên là trạng thái cân bằng trong các nồi không giống như sơ đồ trên nữa. Nếu ta khống chế quá trình đốt nóng tốt thì ta có thể liên tục và ổn định thu được sản phẩm đỉnh I và sản phẩm đáy B. Ta cũng có thể lắp thêm một nồi hay nhiều hơn vào trước nồi thứ nhất với nguyên liệu đầu vào là sản phẩm đáy B của nồi thứ nhất, thực hiện quá trình chưng ta thu được sản phẩm đáy K chứa nhiều cấu tử khó bay hơi. Thiết bị làm việc như thế có thể thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao nhưng cũng có nhược điểm là tốn hơi đốt quá nhiều.
Hình 2.5: Sơ đồ chưng nhiều lần cải tiến. Nhìn vào đồ thị của hình 2.5 ta thấy hơi của nồi trước có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của chất lỏng của nồi sau. Đằng nào thì hơi này cũng được ngưng tụ thành lỏng để đi vào nồi sau, vì thế không cần thiết phải ngưng tụ ở trong thiết bị ngưng tụ gián tiếp và để tiết kiệm hơi đốt cũng như giảm bớt các thiết bị ngưng tụ người ta cho hơi của nồi trước trực tiếp đi vào nồi sau qua bộ phận phun. Phương pháp này cho phép ta tiết kiệm được hơi đốt rất nhiều, vì trừ nồi thứ nhất ra thì tất cả các nồi còn lại đều được đun trực tiếp từ hơi bốc ra từ các nồi chưng. Một vấn đề đặt ra là lấy lỏng ở đâu để cho vào các nồi phía sau nồi cho hỗn hợp đầu vào. Chỉ có một cách duy nhất là sau khi ngưng tụ hơi ở nồi trên cùng ta cho một phần chất lỏng ngưng quay lại nồi trên cùng đó. Lượng chất lỏng này gọi là lượng hồi lưu [9, tr72]. Trạng thái cân bằng trong các nồi chưng thể hiện ở đồ thị hình 2.6.
Hình 2.6: Sơ đồ chưng nhiều lần có hồi lưu Tuy nhiên sơ đồ thiết bị như vậy vẫn có nhược điểm là chế tạo phức tạp và cồng kềnh. Người ta đã đơn giản hệ thống đó bằng cách thay bằng một tháp gọi là tháp chưng luyện và quá trình chưng nhiều lần như vậy gọi là quá trình chưng luyện. Sơ đồ tháp chưng luyện (hình 2.7): tháp gồm nhiều đĩa, mỗi đĩa của tháp ứng với mỗi nồi của các sơ đồ trên. Ở đây tháp có bộ phận đun bốc hơi. Nguyên tắc làm việc của tháp: hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa, lỏng chảy từ trên xuống theo các ống chảy chuyền. Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi theo tương ứng với sự thay đổi nồng độ. Trên đĩa 1 chất lỏng chứa cấu tử dễ bay hơi nồng độ x1, hơi bốc lên từ đĩa có nồng độ cân bằng với x1 là y1 > x1, hơi này qua các lỗ đi lên đĩa 2 tiếp xúc với chất lỏng ở đó. Nhiệt độ đĩa 2 thấp hơn đĩa 1 cho nên một phần hơi được ngưng lại, do đó nồng độ x2 > x1. Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ cân bằng với x2 là y2 > x2, hơi này đi lên đĩa 3 tiếp xúc với chất lỏng ở đó và nhiệt độ đĩa 3 thấp hơn đĩa 2, một phần hơi được ngưng lại, do đó chất lỏng trên đĩa 3 có nồng độ x3 > x2.
Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi, 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, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như thế hay nói cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi ở dạng nguyên chất. Theo lý thuyết thì mỗi đĩa của tháp là một bậc thay đổi nồng độ: thành phần hơi đi ra khỏi đĩa bằng thành phần cân bằng với chất lỏng khi đi vào đĩa. Do đó theo lý thuyết thì số đĩa bằng số bậc thay đổi nồng độ. Thực tế thì trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa hai pha thường không đạt cân bằng. Quá trình chưng luyện được thực hiện trong thiết bị loại tháp làm việc liên tục hay gián đoạn.
2.2.4. Các phương pháp chưng khác.2.2.4.1. Chưng luyện trích ly và chưng luyện đẳng phí.Đối với những hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi gần giống nhau hoặc rất gần nhau hay gồm những cấu tử tạo thành dung dịch đẳng phí ta không thể dùng phương pháp chưng luyện thông thường như đã nghiên cứu ở trên để tách chúng ra ở dạng gần như nguyên chất được dù cho có dùng những tháp vô cùng cao với lượng hồi lưu rất lớn. Để tách các hỗn hợp ấy chúng ta phải dùng các phương pháp chưng luyện đặc biệt, thông thường người ta hay dùng phương pháp chưng luyện trích ly và chưng luyện đẳng phí. 1. Chưng luyện trích ly.Phương pháp này dựa trên cơ sở thêm một cấu tử mới vào hỗn hợp ở đĩa trên cùng của tháp, cấu tử đó gọi là cấu tử dễ phân ly có độ bay hơi bé, nó có tác dụng làm thay đổi độ bay hơi của các cấu tử khác trong hỗn hợp. Tất nhiên ta phải chọn cấu tử phân ly làm sao để khi thêm vào hoh cần chưng thì nó làm tăng độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp. Nếu hỗn hợp tạo thành dung dịch đẳng phí, điểm đẳng phí đó sẽ mất đi khi thêm cấu tử phân ly vào. Ví dụ ta có hỗn hợp gồm hai cấu tử A và B có nhiệt độ sôi gần nhau tạo thành hỗn hợp đẳng phí, khi thêm cấu tử phân ly R vào thì đẳng phí đó mất đi trong hỗn hợp ABR và cho ta khả năng tách cấu tử dễ bay hơi A ở dạng nguyên chất (tương đối). Sản phẩm đáy tháp là R+B. Ta có sơ đồ chưng luyện trích ly biểu diễn trên hình 2.8: R và B có độ bay hơi khác xa nhau nên ta tách chúng dễ dàng theo phương pháp chưng luyện thông thường.
Hình 2.8: Sơ đồ thiết bị chưng luyện trích ly Quá trình chưng luyện trích ly gần giống như trích ly: cấu tử phân ly R kéo cấu tử B đi và giải phóng cấu tử A; vì vậy quá trình này gọi là chưng luyện trích ly. 2. Chưng luyện đẳng phí.Phương pháp này cũng dựa trên nguyên tắc thêm vào một cấu tử phân ly. Quá trình này khác với chưng luyện trích ly là ở đây cấu tử phân ly phải có độ bay hơi lớn hơn độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp. Tác dụng của nó cũng tương tự như trong trường hợp chưng luyện trích ly, nghĩa là làm thay đổi độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp. Thêm vào đó nó tạo thành với cấu tử dễ bay hơi (hay cả hai cấu tử) dung dịch đẳng phí có độ bay hơi lớn. Như thế trong kết quả chưng luyện sản phẩm đỉnh tháp sẽ là hỗn hợp dẳng phí và sản phẩm đáy là cấu tử ở dạng n guyên chất. Phương pháp này tiện lợi và tiết kiệm trong trường hợp cấu tử phân ly không tan vào cấu tử dễ bay hơi. Ví dụ ta xem sơ đồ chưng luyện đẳng phí hỗn hợp hai cấu tử A, B với cấu tử phân ly S. Cấu tử phân ly S tạo với cấu tử A dung dịch đẳng phí đi lên đỉnh. Sau thiết bị ngưng tụ hỗn hợp đẳng phí được phân lớp: một lớp là cấu tử phân ly S cho trở về tháp và lớp kia gồm phần lớn là cấu tử A được đưa sang tháp chưng luyện khác để tách A. Hỗn hợp đẳng phí AS cũng đi lên ở đỉnh qua ngưng tụ rồi vào thiết bị phân lớp. Cấu tử B thu được ở dạng nguyên chất trong sản phẩm đáy của tháp thứ nhất. Hình 2.9: Sơ đồ thiết bị chưng luyện đẳng phí 3. So sánh chưng luyện trích ly và chưng luyện đẳng phí.Khi chưng luyện trích ly không cần phải bốc hơi cấu tử phân ly, vì thế lượng hơi đốt sẽ tốn ít hơn. Trong cả hai trường hợp yêu cầu của cấu tử phân ly là phải làm tăng độ bay hơi của cấu tử trong hỗn hợp. Đối với chưng luyện trích ly thì yêu cầu độ bay hơi của cấu tử phân ly càng bé càng tốt và ngược lại đối với chưng luyện đẳng phí thì độ bay hơi của cấu tử phân ly phải lớn. 2.2.4.2. Chưng luyện nhiều cấu tử.Hệ thống gồm ba cấu tử trở lên gọi là hệ nhiều cấu tử. Hệ nhiều cấu tử có thể chia làm hai loại: loại thứ nhất là hỗn hợp chứa những cấu tử tuân theo định luật Raoult gọi là hỗn hợp lý tưởng (hỗn hợp các hydrocarbon); loại thứ hai là hỗn hợp chứa những cấu tử không tuân theo định luật Raoult, gọi là hỗn hợp thực (hỗn hợp rượu).
Khi chưng luyện mỗi tháp chỉ có hai sản phẩm, vì thế để tách hỗn hợp nhiều cấu tử ta cần nhiều tháp. Theo nguyên tắc thì để tách được n cấu tử ta cần có (n-1) tháp. Trong thực tế để tách n cấu tử người ta thường ghép nhiều tháp lại thành một. Каталог: wp-content -> uploads -> 2015 tải về 4.39 Mb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
