<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN</b>

<b>1. LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT</b>

<b>1.1. Khái niệm</b>

Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của 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 nhiệt độ, áp suất hơi bão hoà của các cấu tử khác nhau) bằng cách lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi – ngưng tụ.

Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm.

Trong hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử, ta thu được 2 sản phẩm : Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi thấp) Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi nhỏ (nhiệt độ sơi cao). Đối với hệ chloroform – tetrachloromethane. Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm chloroform và một ít tetrachloromethane.Sản phẩm đáy chủ yếu là tetrachloromethane và một ít chloroform.

<b>1.2. Phương pháp chưng cất</b>

Trong thực tế thường sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây:

<b>- Chưng cất đơn giản : Được sử dụng trong các trường hợp sau: khi nhiệt độ sôi của</b>

các cấu tử khác xa nhau, khơng địi 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.

<b>- Chưng cất phân đoạn: Dùng để tách các chất bay hơi ra khỏi một hỗn hợp dựa vào</b>

sự chênh lệch nhiệt độ sôi không nhiều của các chất trong hỗn hợp. Sự phân tách các cấu tử trải qua nhiều lần bay hơi ngưng tụ theo nhiệt độ của từng tỉ lệ thành

<b>phần của các cấu tử trong hỗn hợp. </b>

<b>- Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi</b>

và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước. Ưu điểm của phương pháp này là hạ được nhiệt độ sôi của chất ( do sử dụng hơi nước) và sản phẩm ít bị biến tính.

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>- Chưng cất lôi cuốn theo hơi nước: Dựa trên sự khuếch tán và lôi cuốn theo hơi nước</b>

của những hợp chất hữu cơ khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao. Hơi quá nhiệt sẽ đi trực tiếp vào trong nguyên liệu và lôi cuốn tinh dầu trong nguyên liệu đi theo. Phương pháp chưng cất này cần nồi hơi riêng hoặc bộ phận hóa hơi riêng nên tốn kém chi phí.

<b>1.3. Nguyên tắc làm việc</b>

Pha lỏng đi từ trên xuống theo các cạnh của đĩa hay theo ống chảy chuyền (tùy thuộc vào loại đĩa) có nồng độ cấu tử dễ ngưng tụ tăng dần. Pha khí đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa có nồng độ cấu tử dễ bay hơi tăng dần. Trên mỗi đĩa sẽ xảy ra các quá trình truyền nhiệt và truyền khối: Pha lỏng đi từ trên xuống trao đổi nhiệt với pha hơi đi từ dưới lên. Cấu tử dễ bay hơi di chuyển từ pha lỏng sang pha hơi đi lên trên. Cấu tử dễ ngưng tụ di chuyển từ pha hơi sang pha lỏng chảy xuống dưới. Quá trình bay hơi, ngưng tụ lặp lại nhiều lần. Sản phẩm đỉnh thu được từ cấu tử dễ bay hơi với độ tinh khiết nhất có thể và tương tự ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó bay hơi tinh khiết nhất có thể. 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.

<b>1.4. Các loại thiết bị chưng cất</b>

<b>Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp nhưng chúng đều có một yêu cầuchung cơ bản là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào độ phântán của lưu chất này vào lưu chất kia. Tháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứngdụng, các tháp lớn nhất thường được sử dụng trong cơng nghiệp lọc dầu. </b>

<b>Kích thước, đường kính và chiều cao tháp tùy thuộc suất lượng pha lỏng, pha hơi đi vàotrong tháp và độ tinh khiết của sản phẩm. Trong cơng nghiệp hóa chất nói chung người tasử dụng hai loại tháp chưng cất là tháp mâm và tháp đệm (tháp chêm).</b>

<b>Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng, phía trong gắn các mâm có cấu tạo khác</b>

nhau để chia thân tháp thành những đoạn bằng nhau, pha lỏng và pha hơi tiếp xúc với nhau trên bề mặt mâm và tại đây xảy ra quá trình truyền khối, tùy theo cấu tạo của mâm ta có:

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>- Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí các chóp dạng trịn, xupap...- Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh</b>

<b>Tháp đệm (tháp chêm): thân hình trụ, gồm nhiều bậc nối với nhau bằng mặt bích hay</b>

hàn. Vật đệm được cho vào tháp bằng một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay được sắp xếp một cách thứ tự, vật đệm có cấu tạo đa dạng: đệm vịng rasiga, đệm hình n ngựa, đệm vịng sứ...

Ta so sánh ưu và nhược điểm của ba loại tháp vừa nêu trên:

<i><b>Bảng 1.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của các thiết bị chưng cất</b></i>

<b>Tháp mâm chópTháp mâm xuyên lỗTháp đệm</b>

<b>Nhận xét: Ta sử dụng tháp mâm chóp để chưng cất hệ chloroform – tetrachloromethane</b>

vì tháp mâm chóp thích hợp cho thiết bị hoạt động dài lâu và độ ổn định cao.

<b>2. GIỚI THIỆU VỀ NGUN LIỆU2.1. Chloroform</b>

<b>a) Tính chất hố lý</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

Chloroform, hay còn gọi là tricloromethan và methyl trichcloride, và một hợp chất hố học thuộc nhóm trihalomethan có cơng thức CHCl<small>3</small>. Nó khơng cháy trong khơng khí, trừ khi tạo thành hỗn hợp với các chất dễ bắt cháy hơn. Người ta sử dụng chloroform làm chất phản ứng và dung mơi. Chloroform cịn là một chất độc với môi trường.

<b>- Khối lượng phân tử: 119,5 g/mol- Khối lượng riêng: 1,48 g/cm</b><small>3</small>

<b>- Nhiệt độ nóng chảy: -63,5</b><small> o</small>C

<b>- Điểm sơi : 61,2 </b><small>o</small>C

<b>- Độ hịa tan trong nước: 8 g/L nước ở 20 </b><small>o</small>C

<b>b) Ứng dụng</b>

Ngày nay ứng dụng chính của Chloroform là làm dung mơi. Nhờ đặc tính trơ, ít phản ứng trộn hợp với hầu hết các chất lỏng hữu cơ và dễ dàng bay hơi, nên Chloroform được dùng làm dung môi để giúp sản xuất thuốc nhuộm và thuốc trừ sâu.

<b>2.2. Tetrachloromethanea) Tính chất hố lý</b>

Tetrachloromethane hay tetraclorua cacbon là một hợp chất hóa học có cơng thức hóa học CCl<small>4</small>. Người ta sử dụng chủ yếu hợp chất này làm chất phản ứng trong tổng hợp hữu cơ. Trước đây nó cịn làm chất dập lửa và làm chất làm lạnh. Đây là một chất lỏng không màu có mùi "thơm".Theo danh pháp IUPAC, hợp chất này có hai tên gồm cacbon tetraclorua và tetraclometan. Người ta cịn gọi nó một cách thông tục là "cacbon tet".

<b>- Khối lượng phân tử: 154 g/mol- Khối lượng riêng: 1,58 g/cm</b><small>3</small>

<b>- Nhiệt độ nóng chảy: -22,92</b><small> o</small>C

<b>- Điểm sơi : 76,72 </b><small>o</small>C

<b>- Độ hịa tan trong nước: 800 mg/L nước ở 25 </b><small>o</small>C

<b>b) Ứng dụng</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

Tetrachloromethane được dùng làm dung môi trong nghiên cứu hóa tổng hợp, nhưng do các tác động xấu tới sức khỏe nên nó khơng cịn được sử dụng rộng rãi nữa và các nhà hóa học nói chung cố gắng thay thế nó bằng các dung mơi khác. Đơi khi nó hữu ích để làm dung mơi cho phổ hồng ngoại học do khơng có các dải hấp thụ đáng kể (> 1.600 cm<small>−1</small>). Do tetrachloromethane không chứa bất kỳ nguyên tử hydro nào, nên trong quá khứ nó được dùng trong phổ NMR proton. Tuy nhiên, tetrachloromethane là độc hại và khả năng hòa tan của nó là thấp. Nó đã bị thay thế phần lớn bởi các dung mơi đơteri hóa, thường là có các thuộc tính hịa tan tốt hơn và cho phép phổ kế giữ đơteri.

<b>2.3. Hỗn hợp Chloroform – Tetrachloromethane</b>

Ta có bảng thành phần cân bằng lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Chloroform - Tetrachloromethane ở 760 mmHg (% mol) được trình bày dưới bảng sau:

<i><b>Bảng 1.2: Thành phần cân bằng lỏng - hơi và nhiệt độ sôi của hỗn hợp</b></i>

y (% mol) 0,0 13,5 26,5 39,5 52,0 63,5 72,5 81,0 88,5 95,0 100,0 t (<small>o</small>C) 76,8 74,7 72,6 70,6 68,6 66,9 65,3 63,9 62,6 61,5 60,8

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Hỗn hợp

{

<i>^{Chloroform CH Cl}</i><small>3</small><i>→ M_Chloroform</i>=119,5 g/mol

<i>Tetrachloromethane C Cl</i>₄<i>→ M_{Tetrachloromethane}</i>=154 g/mol Năng suất nhập liệu: G<small>F </small>= 3800 (kg/h)

Nồng độ nhập liệu (tính theo cloroform): <i>x_F</i>= 0,15 pKl Nồng độ sản phẩm đỉnh (cloroform): <i>x_D</i>= 0,815 pKl Nồng độ sản phẩm đáy (cloroform): <i>x_W</i>= 0,03 pKl Kí hiệu:

 F: suất lượng nhập liệu (kmol/h)

 x<small>F</small>: phần mol nhập liệu (mol cloroform/mol hỗn hợp)  D: suất lượng sản phẩm đỉnh (kmol/h)

 x<small>D</small>: phần mol đỉnh (mol Cloroform/mol hỗn hợp)  W: suất lượng sản phẩm đáy (kmol/h)

 x<small>W</small>: phần mol đáy (mol Cloroform /mol hỗn hợp)  <i>x_F</i>: Phân khối lượng cloroform trong dòng nhập liệu.  <i>x_D</i>: Phân khối lượng cloroform trong sản phẩm đỉnh.  <i>x_W</i>: Phân khối lượng cloroform trong sản phẩm đáy.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>2.1. Đổi nồng độ phân khối lượng sang nồng độ phân mol</b>

Phân mol chloroform trong dòng sản phẩm nhập liệu:

<b>2.2. Tính phân tử lượng trung bình</b>

Phân tử lượng trung bình của nhập liệu:

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Suất lượng dòng sản phẩm đáy:

Cân bằng vật chất cho toàn tháp: <i>G_F</i>=G<i>_D</i>+¿ <i>G_W</i>

<b> 2.4.1. Tỷ số hoàn lưu tối thiểu</b>

Tỷ số hoàn lưu tối thiểu là chế độ làm việc mà tại đó ứng với số mâm lý thuyết là vơ cực. Do đó, chi phí cố định là vơ cực nhưng chi phí điều hành (nhiên liệu, nước và bơm...) là tối thiểu.

Phương pháp xác định: Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp chưng cất:

−x<i>_F</i> Trong đó: <i>y</i><small>¿</small><i>_F</i>

là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng x<small>F</small> của hỗn hợp ban đầu.

Dựa vào đồ thị cân bằng lỏng hơi ta có xF = 0,1853 mol/mol

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<b> 2.4.2. Tỷ số hoàn lưu tối ưu</b>

Tỷ số hồn lưu càng lớn thì lượng nhiệt được tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làm bay hơi lượng hoàn lưu này. Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng với sự tăng của chỉ số hoàn lưu. Nếu giảm tỷ số hoàn lưu thì sẽ làm tăng chi phí chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc. Vì vậy, cần xác định giá trị thích hợp của tỷ số hồn lưu.

Thơng thường tỷ số hồn lưu tối ưu bằng 1,2 – 1,5<i>R_min</i>

Để tính gần đúng ta lấy tỷ số hồn lưu thích hợp theo cơng thức:

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

<i><b>Hình 3.1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết chưng hệ Tetrachloromethane – Chloroform tại P =1atm</b></i>

<b>2.4.3.3. Số mâm lý thuyết và số mâm thực tế</b>

Từ đồ thị, ta xác định được số mâm lý thuyết là 22 mâm.

Trong đó bao gồm 10 mâm chưng, 12 mâm cất, mâm nhập liệu là mâm số 12 Số mâm thực tế tính theo hiệu suất trung bình: N<small>tt</small> = N<small>lt</small>/<small>tb</small>

Trong đó: N<small>t</small> – số đĩa thực tế, N<small>lt</small> - số đĩa lý thuyết, <small>tb</small> – hiệu suất trung bình của thiết bị

Trong trường hợp này ta tính: <small>tb</small> = <i>ⁿ<small>D</small></i>+n<i>_F</i>+n<i>_W</i> 3

<i>Với n<small>D</small>n_F</i>

<i>n</i>

<i>_W</i> _{- lần lượt là hiệu suất ở đĩa trên cùng, hiệu suất ở đĩa nhập liệu và}

hiệu suất ở đĩa dưới cùng

Xác định 𝜂<small>i</small>: Ta xác định η<small>i</small> dựa vào hình 3.3(IX.11/171, [1]):

<i><b>Hình 3.2. Xác định hiệu suất trung bình của thiết bị</b></i>

Sau khi tính được tích số giữa độ bay hơi tương đối α và độ nhớt của hỗn hợp lỏng μ<small>hh</small>, ta tra đồ thị sau để tìm η<small>i</small>:

Xác định độ nhớt của hỗn hợp theo công thức (I.12/84, [2]):

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

log μ<small>hh</small>= x<small>D</small>.log μ<small>C</small> + (1 - x<small>D</small>).logμ<small>T</small> (*) Trong đó:

 μ<small>ℎℎ</small>: độ nhớt của hỗn hợp lỏng  μ<small>C</small>: độ nhớt của Chloroform

 μ<small>T</small>: độ nhớt của Tetrachloromethane

Độ bay tương đối của cấu tử dễ bay hơi: α = <i>_{1− y}^y.^1−x</i>

<i>x</i> (Với x: Phân mol của rượu trong pha lỏng, y*: Phân mol của rượu trong pha hơi cân bằng với pha lỏng).

(xF. Độ nhớt Cloroform100%) + (1-xF). Độ nhớt của Tetrachloromethane Tra bảng I.101 trang 91[1] tại x<small>F</small> = 0,1495 → tF = 76,76<small>0</small>C

Độ nhớt của Cloroform: µ<small>C </small>= 0,3398 (cP).

Độ nhớt của Tetrachloromethane: µ<small>T </small>= 0,4913 (cP).

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (Công thức I.12 trang 84)[1]:

log (µ<small>F</small>) = x<small>F</small>.log<small>µC </small>+ (1 - x<small>F</small>).log<small>µT </small>= 0,3558.log(0,3398) + (1 - 0,3558).log (0,4913)

<b>→µ</b><small>F</small> = 0,4309 (cP). Suy ra:α<small> F</small>.µ<small>F</small> = 1,5573.0,4309 = 0,6710 Tra đồ thị hình IX.11 trang 171 [2], ta có ŋF = 56,45%

<b>Tại vị trí mâm đáy:</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (công thức I.12 trang 84)[1]:

logµ<small>W</small> = x<small>W</small>.log<small>µC</small> + (1 - x<small>W</small>).log<small>µT</small> = 0,0256.log (0,3396) + (1- 0,0256).log (0,4909)

Độ nhớt của hỗn hợp nhập liệu (Cơng thức I.12 trang 84)[1]:

log<small>µD</small> = x<small>D</small>.log<small>µC</small>+ (1 - x<small>D</small>).log<small>µT </small>= 0,9608.log (0,3402) + (1 - 0,9608).log(0,5699) → µ<small>D</small> = 0,3472 (cP).

Suy ra: α<small>D</small>. µ<small>D</small> = 1,0107.0,3472 = 0,351; Tra đồ thị IX.11 trang 171[2] → ŋD = 64,91%

<i><b>Bảng 3.2 Tổng hợp các thông số về độ nhớt, hiệu suất và nhiệt độ</b></i>

Mâm nhập liệu (F) Mâm đáy (W) Mâm đỉnh (D)

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

N<small>cất tt</small>= <i>Ncất <</i> ^¿ <i>ŋtb</i>⁼

61,34 %^¿ = 16,3 mâm, lấy tròn 16 mâm.

<b>Vậy: Số mâm thực tế là 54 mâm trong đó có 38 mâm chưng, 16 mâm cất, mâm nhậpliệu thuộc mâm số 16.</b>

<i>V_tb</i>: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m<small>3</small>/h)

<i>ω_tb</i>: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (m<small>3</small>/h)

<i>g_tb</i>: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp (Kg/h)

(<i>ρ_y. ω_y</i>¿ ¿<i>_tb</i>: tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp (Kg/m<small>2</small>.s)

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng và đoạn cất khác nhau. Do đó, đường kính đoạn chưng và đoạn cất cũng khác nhau. Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗi đoạn cho nên ta phải tính lượng hơi trung bình riêng

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

<i>g</i>₁: lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của chưng (kg/h)

G<small>1</small>: lượng lỏng ở đĩa thứ nhất của đoạn cất (kmol/h)

r<small>1</small>: ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn cất (kcal/kg) r<small>d</small> : ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra ở đỉnh tháp (kcal/kg)

<b>Tính r<small>1</small>:</b>

Với t<small>1</small> = t<small>F</small> = 76,7553<small>o</small>C , tra bảng I.212/254 và I.213/254, tài liệu tham khảo [2] và nội suy giá trị ẩn nhiệt hóa hơi theo nhiệt độ t<small>F</small> = 76,7553<small>o</small>C , ta có:

<b>- Ẩn nhiệt hóa hơi của Chloroform: r</b><small>C</small> = 57,5 kcal/kg = 240,6 (kJ/kg)

<b>- Ẩn nhiệt hóa hơi của Tetrachloromethane: r</b><small>T </small>= 46,6 kcal/kg = 195,1 (kJ/kg) Suy ra: r<small>1</small> = r<small>C</small>.y<small>1</small> + (1 – y<small>1</small>). r<small>T </small>

= 240,6.y<small>1</small> + (1 – y<small>1</small>).195,1 = 45,5.y<small>1</small> + 195,1

<b>Tính r<small>D</small>:</b>

Với t<small>D</small> = 76,62<small> o</small>C , tra bảng I.212/254 và I.213/254, tài liệu tham khảo [2] và nội suy giá trị ẩn nhiệt hóa hơi theo nhiệt độ t<small>D</small> = 76,62<small> o</small>C , ta có:

<b>- Ẩn nhiệt hóa hơi của Chloroform: r</b><small>C</small> = 57,48 kcal/kg = 240,66 (kJ/kg)

<b>- Ẩn nhiệt hóa hơi của Tetrachloromethane: r</b><small>T </small>= 46,58 kcal/kg = 195,02 (kJ/kg)

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

xD = 0,8502 tra theo đường cân bằng yD = 0,8547

</div>