Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 3: Chưng cất
QUAÙ TRÌNH COÂNG NGHEÄ MOÂI TRÖÔØNG II
Chương 3:
Chưng cất
Distillation
1
Du My Le – Faculty of Environment
1. Định nghĩa – Đặc điểm
Là quá trình dùng để tách các cấu tử của một
hỗn hợp lỏng / hỗn hợp khí - lỏng thành các
cấu tử riêng biệt dựa vào sự bay hơi khác
nhau của các cấu tử đó trong hỗn hợp.
Sự bay hơi khác nhau của các cấu tử được
khảo sát bằng nhiệt độ sôi và áp suất hơi bão
hòa.
Sản phẩm: chủ yếu là cấu tử dễ bay hơi và
một phần cấu tử khó bay hơi.
2
Du My Le – Environment Faculty
1
2
Đặc điểm
Phân biệt chưng cất và một số quá trình có cùng
pha:
─ Chưng cất – Ngưng tụ: Ngưng tụ là quá trình
ngược lại của chưng cất.
─ Chưng cất – Cô đặc: Trong quá
trình cô đặc dung môi bay hơi,
dịch.
5
Du My Le – Environment Faculty
Các phương pháp chưng cất
• Chưng cất đơn giản
• Chưng cất bằng hơi nước trực
tiếp
• Chưng cất liên tục (phân đoạn)
6
Du My Le – Environment Faculty
3
• Dùng tách hỗn hợp có độ bay hơi rất
khác nhau
Chưng cất
đơn giản
• Thường dùng để tách sơ bộ hoặc làm
sạch các cấu tử ra khỏi tạp chất.
• Dùng tách hỗn hợp gồm các chất bay
hơi và tạp chất không bay hơi
• Ứng dụng trong trường hợp chất được
tách không tan trong nước.
Chưng cất
bằng hơi nước
trực tiếp
• Dùng tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu
tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một
phần hoặc hoà tan hoàn toàn vào nhau.
Chưng cất
phân đoạn
• Là phương pháp phổ biến nhất.
7
Du My Le – Environment Faculty
Các trường hợp đặc biệt
• Các cấu tử dễ bị phân hủy ở nhiệt độ sôi cao
=> dùng phương pháp chưng cất ở áp suất thấp.
VD: Dung dịch có nhiệt độ sôi 120oC tại 1atm
⇒Biến đổi dung dịch
⇒Tại áp suất chưng cất 0,8atm:dd sôi ở 100oC
• Nếu các cấu tử trong hỗn hợp không thể hóa
lỏng ở áp suất thường thì tiến hành chưng cất
ở áp suất cao.
8
Du My Le – Environment Faculty
4
2. Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp hai
cấu tử
Cân bằng ở p = const:
- Xét hỗn hợp A,B. Trong đó A là cấu tử dễ bay hơi
to < to
sA
sB
Với x : phần mol cấu tử A ở trạng thái lỏng
y*: phần mol cấu tử A ở trạng thái khí cân bằng
với trạng thái lỏng
- Xét hỗn hợp G (A,B) ở nhiệt độ t1
G: ở trạng thái lỏng
Du My Le – Environment Faculty
9
A-B
tB
• Đường t-y*: đường
nhiệt độ sôi – thành
phần pha khí CB
Đường t-y*
Hơi
L ⇔ H
Đường t-x
G
A
t1
Lỏng
Phân mol A-B
0
xA
y*A
1
(B)
(A)Phân mol A-B
y
Đường cân bằng lỏng hơi
của hỗn hợp A-B
khi p = const
Đường 45o
x10
Du My Le – Environment Faculty
xA
5
Một số khái niệm cần nhớ
• Độ bay hơi tương đối α
• Hỗn hợp lý tưởng – Định luật Raoult
• Giản đồ hàm nhiệt và nồng độ - Hxy
11
Du My Le – Environment Faculty
Độ bay hơi tương đối α
• α là tỉ số giữa tỉ lệ nồng độ A và B trong pha
1 − x
12
Du My Le – Environment Faculty
6
• α là tỉ số giữa tỉ lệ nồng độ A và B trong pha hơi
với tỉ lệ nồng độ A và B trong pha lỏng.
Khoảng cách giữa đường
CB và đường 45o càng lớn
Sự sai biệt thành phần pha
lỏng và hơi càng lớn
Quá trình chưng cất càng
dễ thực hiện
13
Du My Le – Environment Faculty
Hỗn hợp lý tưởng – Định luật Raoult
• PA: áp suất hơi bão hòa của A (phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä)
• p*A: áp suất cân bằng của A (áp suất riêng phần)
p*A = PA.xA
p*B = PB. (1-xA)
Do hỗn hợp lý tưởng:
Pt = p*A + p*B = PA.xA+ PB. (1-xA)
p
14
Du My Le – Environment Faculty
7
Bài tập 1
Haõy tính thaønh phaàn pha hôi caân baèng ôû 500C ñoái vôùi
toaøn khoâng tan laãn nhau.
Bieát raèng aùp suaát hôi baõo hoaø Hexan vaø nöôùc ôû 500C
laàn löôït laø 400 mmHg vaø 92,5 mmHg.
15
Du My Le – Environment Faculty
Giải
Do khoâng tan laãn nhau neân aùp suaát rieâng phaàn cuûa
moãi caáu töû baèng aùp suaát hôi baõo hoaø cuûa chuùng:
P = p*A + p*B A B
= 400 + 92,5 = 492,5 mmHg.
Noàng ñoä phaàn mol :
pA
400
kmol Hexan
yHexan
=
=
= 0,812
∑kmol
pB
P
92,5
kmol nước
=
y nước
=
= 0,188
492,5
∑kmol
16
Du My Le – Environment Faculty
8
Bài tập 2
Haõy tính thaønh phaàn caân baèng pha hôi ôû 600C ñoái vôùi hoãn
hôïp chaát loûng goàm 40%(mol) Benzen vaø 60%mol Toluen,
cho raèng hoãn hôïp naøy ñaëc tröng bôûi ñònh luaät Raoult. Haõy
chæ ra thaønh phaàn hoãn hôïp loûng benzen vaø toluen coù nhieät
ñoä soâi 900C ôû aùp suaát 760mmHg.
Bieát raèng :
- ÔÛ 600C aùp suaát hôi baõo hoøa laø: pB = 385 mmHg
pT = 140 mmHg
- ÔÛ 900C : pB = 1013 mmHg ; pT = 408 mmHg
17
Du My Le – Environment Faculty
Giải
pB = pb
•
xb = 385
•
0,4 = 154 mmHg
a)
pT = pt
•
xt = 140
•
0,6 = 84 mmHg
P = pB + pt = 154 + 84 = 238 mmHg
pB
P
154
238
kmol Benzen
yBenzen
=
=
= 0,648
= 0,352
∑kmolhh
pT
P
84
kmol Toluen
=
y Toluen
=
238
∑kmolhh
18
Du My Le – Environment Faculty
9
b) Ta có:
P = 760 mmHg = PB • xB + PT • xT
= 1013 • xB + 408 • (1-xB)
xB = 58,3 % mol
xT = 41,7 % mol
19
Du My Le – Environment Faculty
Giản đồ hàm nhiệt và nồng độ - Hxy
(xét cho dung dịch lỏng)
cL: nhiệt dung riêng của hỗn hợp
Mtb: khối lượng trung bình của hỗn hợp
∆Hs: nhiệt hòa tan của dung dịch ở nhiệt độ
và nồng độ đã cho theo các cấu tử tinh khiết
tL: nhiệt độ sôi hỗn hợp ở áp suất đã cho
tG: nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp.
20
Du My Le – Environment Faculty
10
H
N
HG
HL
M
M(zM,HM): hỗn hợp M
N(zN,HN): hỗn hợp N
P
C
E
D
tA
0
M+N = P
x, y
1
(B)
y
(A)
Hỗn hợp (M+N) = P(zP,HP)
21
Du My Le – Environment Faculty
x
Lưu ý: Ký hiệu toạ độ M(zM,HM): ký hiệu z để chỉ thành
phần pha lỏng hoặc pha hơi bất kỳ (x = y = z)
Trong đó:
(J/mol)
HL = cL.(tL – to).Mtb + ∆Hs
HG = y.[cLA.MA.(tG – to) + rA.MA]
+ (1-y).[cLB.MB.(tG – to) + rB.MB]
22
Du My Le – Environment Faculty
11
Cân bằng vật chất
• Khi trộn đoạn nhiệt hỗn hợp M và N :
(M, N, P: xét theo số mol)
M + N = P
M.zM + N.zN = P.zP
M.HM + N.HN = P.HP
Khử P
3 điểm M, N và P trên đồ thị thẳng hàng
P sẽ chia trong đoạn MN theo nguyên tắc đòn bẩy
Du My Le – Environment Faculty
23
3. Quá trình chưng cất đơn giản
• Quá trình có 1 giai đoạn, trong đó pha lỏng được
cho bốc hơi, pha hơi luôn ở trạng thái cân bằng đối
với pha lỏng.
• Pha hơi được thu hồi ở thiết bị ngưng tụ.
• Quá trình có thể thực hiện gián đoạn hay liên tục.
• Ứng dụng:
– Khi nhiệt độ sôi của cấu tử khá xa nhau và không đòi
hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao.
– Khi tách hỗn hợp lỏng ra khỏi hợp chất không bay hơi
– Khi tách sơ bộ nhiều cấu tử.
24
Du My Le – Environment Faculty
12
Công thức tính toán
• Phương trình của quá trình chưng cất đơn giản:
x
Trong đó:
F: lượng hỗn hợp ban đầu đem chưng
W: lượng hỗn hợp còn lại trong nồi sau khi chưng.
y* và x: nồng độ cân bằng của cấu tử dễ bay hơi trong
pha hơi và trong pha lỏng.
xF: nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp ban
đầu.
xW: nồng độ của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy.
25
Du My Le – Environment Faculty
Bài tập 3
Chöng caát ñôn giaûn 1000kg hoãn hôïp chöùa 60% (khoái
chöng caát xW = 5%(khoái löôïng) coàn. Haõy xaùc ñònh
thaønh phaàn saûn phaåm, khoái löôïng saûn phaåm vaø khoái
löôïng ñaùy.
Cho ñöôøng caân baèng nhö sau :
26
Du My Le – Environment Faculty
13
x
y*
y* - x
0,200
0,310
0,416
0,450
0,455
0,440
0,410
0,378
0,340
0,304
0,267
0,228
0,189
0,150
0,110
0,085
0,055
1/ (y* – x)
5,000
0,025
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
0,350
0,400
0,450
0,500
0,550
0,600
0,650
0,700
0,750
0,225
0,360
0,516
0,600
0,655
0,690
0,710
0,728
0,740
0,754
0,767
0,778
0,789
0,800
0,810
0,835
0,855
3,226
2,404
2,222
2,198
2,273
2,439
2,646
2,941
3,289
3,745
4,386
5,291
6,667
9,091
11,765
0,800
18,182
Giải
• Các ký hiệu: G: pha nhẹ (khí), L: pha nặng (lỏng).
F :dòng nhập liệu
W: dòng lấy ra từ đáy tháp, D: dòng lấy ra từ đỉnh tháp
• Từ phương trình chưng cất:
• Theo ĐL CBKL: F = D + W
• Do đó
hay D = F ( 1- e-s)
28
Du My Le – Environment Faculty
14
Kết quả lấy tích phân cho s = 1,612
0.6
d x
s =
= 1.612
∫
y H − x
0.05
Vì F = 1000 kg/h, nên: D = F ( 1- e-s) = 800 kg/h
D là dòng sản phẩm ở đỉnh tháp nên cũng có thể
ký hiệu là GD. Vậy GD = 800 kg/h
Theo Định luật bảo toàn khối lượng: Dòng lỏng ở
đáy tháp W (hay LW): LW = 1000-800 = 200 kg/h
29
Du My Le – Environment Faculty
Hoặc cũng coù theå tính theo:
L = 1000 (1 - e-1.612 ) = 200 kg
GD = L0 – L = 1000 – 200 = 800 kg
MW = Gw . xw = 200 . 0,05 = 10 kg
- Löôïng coàn trong saûn phaåm ñænh :
MD = GD . xD = 1000. 0.6 – 10 = 590 kg
- Noàng ñoä khoái löôïng coàn trong saûn phaåm ñænh:
M D
GD
590
800
XD =
kg/ kg
=
= 0.737
30
Du My Le – Environment Faculty
15
Lưu ý: Ở BT này, ta cần hiểu nhập liệu là dung
dịch cồn có nồng độ thấp (60%), cần chưng
cất để tăng nồng độ. Do đó, dòng sản phẩm
chính là dòng hơi cồn đậm đặc lấy ra ở đỉnh
tháp. Sau đó, lượng hơi này sẽ được ngưng tụ
để cho dung dịch cồn có nồng độ cao.
Phần tính toán quá trình ngưng tụ là một phân
riêng, không gộp chung trong việc tính toán
quá trình chưng cất.
31
Du My Le – Environment Faculty
4. Chưng cất liên tục hỗn hợp 2 cấu tử
• Là phương pháp nghịch dòng, liên tục và nhiều
đoạn.
• Nhập liệu: F, xF, HF.
• Bài toán cần giải quyết:
– Tính số mâm để sản phẩm đỉnh có nồng độ xD, HD.
– Tính số mâm để sản phẩm đáy có nồng độ xW, HW.
32
Du My Le – Environment Faculty
16
G1, y1, HG1
Qc
Lo, xo, HLo
D, xD, HD
1
2
(mol/s)
Gn+1, yn+1, HGn+1
Phần cất
n
Ln, xn, HLn
F, xF, HF,
nhiệt
f
lượng
Phần
chưng
Nt
Hơi nóng
Nước ngưng tụ
W, xW, HW
33
Du My Le – Environment Faculty
34
Du My Le – Environment Faculty
17
• Tỉ số hoàn lưu: R = Lo / D
Xét TB ngưng tụ:
• CBVC: G1 = Lo + D
(1)
G1 = D + R.D = D (R + 1) (2)
• Đối với cấu tử A:
G1.y1 = Lo.xo+ D.xD
• Cân bằng năng lượng:
(3)
G1.HG1 = QC + Lo.HLo + D.HD (4)
QC = G1.HG1 - Lo.HLo + D.HD (5)
• Nhiệt tải cho nồi đun:
QD = D.HD - W.HW + QC + QL - F.HF (6)
Điều kiện gIả thiết đường làm việc là đường thẳng
35
Du My Le – Environment Faculty
Điều kiện gIả thiết đường làm việc là đường thẳng
Phương pháp Mc.Cable-Thiele
36
Du My Le – Environment Faculty
18
Phương pháp Mc.Cable-Thiele
1/ Phần cất:
G1, y1, HG1
Qc
ooLo
DD
1
2
(mol/s)
Gn+1, yn+1, HGn+1
Phần cất
n
Ln, xn, HLn
Do ngưng tụ ở lỏng - bão hòa và dòng hoàn lưu cũng ở lỏng-bão
hòa nên suất lượng của dòng lỏng và hơi qua các mâm của
phần cất là không đổi.
L1 = L2 = … = Ln = L
G1 = G2 = … = Gn = G
• CBVC: G = L + D = D (R + 1)
• Đối với cấu tử A:
(7)
n+1 nn
• PT đường làm việc của phần cất sẽ là:
(9)
38
Du My Le – Environment Faculty
19
y1
D
1
R
2
R +1
xD
R +1
Đường làm việc
xD
39
Du My Le – Environment Faculty
2/ Phần chưng:
• CBVC: L = G + W
(10)
(11)
• Đối với cấu tử A:
L.x= G.y+ W.x
F, xF, HF,
nhiệt
f
lượng
L, xm
m
Phần
chưng
G, ym+1
Nt
Hơi nóng
G, yW
Nước ngưng tụ
L, xNt
W, xW
40
Du My Le – Environment Faculty
20
Tải về để xem bản đầy đủ
24 trang
19760
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 3: Chưng cất", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_qua_trinh_hoa_hoc_va_hoa_ly_trong_ky_thuat_moi_tr.pdf
- 2.Vi_du_tinh_toan_qua_trinh_chung_cat.pdf
- 3.Bai_tap_qua_trinh_chung_cat.pdf
