Tài liệu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất dầu mỏ

        Đồ án hóa dầu “Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất”                     SVTH: Nguyễn Chí Tuân GSVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân                                                           Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất MỞ ĐẦU Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa và công nghệ chế biến dầu mỏ được xem như bắt đầu ra đời vào năm 1859 khi mà Edwis Drake (Mỹ) khai thác được dầu thô, lúc bấy giờ lượng dầu thô khai thác được còn rất ít nó được sử dụng làm nhiên liệu để đốt chảy thắp sáng. Thế kỷ 19 dầu được coi như nguồn tài nguyên cho mọi phương tiện giao thông và cho nền kinh tế quốc dân. Hiện nay dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới. Khoảng 65 ÷ 75% năng lượng sử dụng từ dầu mỏ, chỉ có 20 ÷22%. Dựa vào các quá trình chế biến như: Chưng cất, hydro crarking, reforming, ankil hoá, đồng phân hoá, polyme hoá cho ra các sản phẩm xăng, nhiên liệu phản lực dầu mỏ bôi trơn, có hiệu quả tối đa và một số sản phẩm Dầu khác như: sản phẩm năng lượng, phi năng lượng, butan, cốc và khí lỏng dân dụng, làm khí đốt và nhiên liệu. Ngày nay trên 90% sản phẩm hữu cơ có nguồn gốc từ dầu khí và tỷ lệ dầu khí sử dụng vào mục đích năng lượng sẽ giảm dần do đó dầu khí trong một tương lai lâu dài vẫn chiếm dữ một vị trí quan trọng trong lĩnh vực năng lượng và nguyên liệu hoá học mà không có một tài nguyên thiên nhiên nào cạnh tranh nổi. Dầu mỏ là hỗn hợp phức tạp trong đó có hàng trăm hợp chất khác nhau, nhưng nguyên tố cơ bản chứa trong dầu khí phần lớn là hyđro cacbon chiếm từ 60 ÷ 90% trọng lượng trong dầu, còn lại là các chất oxy, lưu huỳnh, nước, các phức chất cơ kim, các chất nhựa, asphanten. Trong khí còn chứa các khí trơ như He, Ar, Xe….Dầu mỏ là một hỗn hợp rất phức tạp gồm hyđro cacbon, khí thiênnhiên, khí dầu mỏ và các hợp chất khác như CO2, N2, H2S, He…. Dầu mỏ muốn sử dụng được rộng rãi, chưng cất sơ khai dầu, chưng cất phân đoạn. Các phân đoạn thu được phù hợp cho các phương pháp chế biến khác. Đối với Việt Nam, coi dầu khí là ngành kinh tế mũi nhọn, là chỗ dựa cho ngành công nghiệp hoá, hiện đại hoá, làm đà thúc đẩy cho nền kinh tế quốc dân. Đây là mũi nhọn có tính chiến lược của Việt Nam, như vậy ngành công nghiệp dầu nước ta đang bước vào thời kỳ mới, thời kỳ mà cả nước đang thực hiện mục tiêu công nghiệp hoá, hiện đại hoá chắc chắn sự đóng góp của ngành dầu khí trong công cuộc công nghiệp hoá đất nước sẽ có ý nghĩa không chỉ bằng những chỉ tiêu kinh tế cụ thể mà ngành công chế biến nghiệp mọi nhọn này còn là nguồn động viên tinh thần của đảng, toàn GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất dân và nhất là thành viên đang hoạt động trong ngành dầu khí, hăng hái lao động góp phần xây dựng đất nước để sau vài thập niên tới sánh vai với các nước trong khu vực và trên thế giới. Đây không phải là vấn đề mới,trong thực tế đã có nhiều nhà nghiên cứu khoa học đã đi sâu vào nghiên cứu nguyên lý phép chưng cất và được áp dụng vào thực tiễn mang lại hiệu quả kinh tế rất cao trong quá trình sản xuất. Song vẫn còn tồn tại một số hạn chế nhất định. Chính vì vậy tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất” GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1.1 Khái niệm Chưng là phương pháp tách hổn hợp chất lỏng (cũng như các hổn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hổn hợp. Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm. Thường hổn hợp có bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm. Đối với hổn hợp gồm hai cấu tử sản phẩm sẽ thu được: Sản phẩm đỉnh: gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi. Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi. Thường để thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết tiến hành chưng nhiều lần – chưng luyện. Vậy “Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue)”. 1.1.2. Lịch sử phát triển Loài người từ xa xưa đã biết áp dụng nguyên lý phép chưng cất vào trong đời sống của mình như: chưng cất,chưng cất rượu,....Đối với dầu khí con người biết sử dụng dầu khí đã hàng nghìn năm về trước do sự bắt cháy của dòng khí tự nhiên phụt lên theo các khe nứt của mặt đất. Người Trung Hoa đã dùng khí tự nhiên làm khí đốt vào thế kỷ thứ ba, nhưng kỷ nguyên dầu khí thực sự chỉ bắt đầu ở thế kỷ 19. Xưởng chưng cất dầu thô đầu tiên trên thế gới xuất hiện ở Capcado (Liên Xô cũ) vào năm 1821 những năm 1859 được coi là năm khởi đầu của kỷ nguyên dầu khí do khai thác được mỏ dầu Titusville (Pensylvania ở Mỹ) cũng như việc xây dựng nhà máy đầu tiên ở đó vao năm 1890. Ngày nay, ngành công nghiệp chế biến không ngừng được phát triển với những trang thiết bị, máy móc hiện đại. Đặc biệt là thiết bị của quá trình chưng cất dầu thô. Từ những công cụ, thiết bị đơn giản đem lại hiệu suất kinh tế không cao đã được thay đổi bằng những thiết bị hiện đại. GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất 1.1.3. Phân loại chưng cất a. Phân loại theo áp suất làm việc: Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao b. Phân loại theo nguyên lý làm việc: Chưng cất đơn giản Chưng bằng hơi nước trực tiếp Chưng cất Chưng chân không c. Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp: Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp 1.2. ÁP SUẤT HƠI 1.2.1. Hiện tượng bay hơi Mọi chất lỏng (dung dịch, nguyên chất) đều bay hơi. Chỉ có các phân tử ở bề mặt chất lỏng (mặt thoáng) có năng lượng vượt trội sẽ bay hơi. Trong giai đoạn đầu, tốc độ bay hơi luôn lớn hơn tốc độ ngưng tụ, sau một thời gian, một lượng phân tử hơi trong không khí đạt cực đại thì tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ bằng nhau. Lúc đó, coi như sự bay hơi không xảy ra nữa (thực tế vẫn xảy ra sự bay hơi). Cần chú ý là hơi và khí về bản chất vật lý là giống nhau, nhưng chỉ gọi là khí khi chất đó ở thể khí trong điều kiện thường như: O2, CO2,..., còn hơi là chất có liên quan ở thể lỏng trong điều kienj thường như: H2O, C2H5OH,... 1.2.2. Áp suất hơi bão hòa Sự bay hơi và sự ngưng tụ tất yếu sẽ dẫn đến một trạng thái mà ở đó, tốc độ bay hơi và tốc độ ngưng tụ sẽ bằng nhau gọi là trạng thái cân bằng. Rõ ràng, áp suất hơi lúc đó trở nên không đổi và đạt cực đạt. Áp suất đó được gọi là áp suất hơi bão hòa của chất lỏng. Vậy: áp suất hơi bão hòa của một chất lỏng là áp suất hơi riêng phần được gây ra bởi các phân tử hơi từ chất lỏng đó tồn tại trên mặt GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất thoáng khi chất lỏng bay hơi nhiều nhất. 1.2.2.1. Khái niệm về dung dịch Pha: Là tập hợp chất đồng nhất về mặt vật lý và hóa học.ví dụ: Không khí gồm N2, O2 và các khí khác trộn vào nhau tạo nên pha khí. Nước lỏng nguyên chất tạo nên pha lỏng. Dung dịch: Dung dịch là một pha gồm từ hai chất tan trở lên, nồng độ có thể thay đổi. Dung dịch có thể ở trạng thái lỏng (rượu, xăng,...), khí (không khí, khí tự nhiên...), hoặc rắn ( gang, vàng tây,...). 1.2.2.2. Áp suât hơi bão hòa của dung dịch Dung dịch rượu khi bay hơi cho rượu và hơi nước. Hơi rượu gây ra áp suất riêng phần Prượu, hơi nước gây ra áp suất riêng phần Pnước. Do đó,áp suất hơi bão hòa của dung dịch rượu bằng tổng áp suất hơi bão hòa của hơi bão hòa riêng phần của hơi rượu và áp suất hơi bão hòa của hơi nước. Tổng quát: Áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng tổng áp suất riêng phần của các hợp chất. P = ∑Pi 1.2.2.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến áp suất hơi bão hòa. Nhiệt độ: Nhiệt độ có ảnh hưởng rất mạnh đến áp suất hơi bão hòa. Khi tăng nhiệt độ, các phân tử ở thể lỏng có năng lượng tăng, kích thích các phân tử lỏng bay nhiều hơn. Do đó, khi nhiệt độ tăng thì áp suất hơi bão hòa tăng rất mạnh. Bảng 1.1. Cho thấy áp suất hơi bão hòa tăng nhanh theo nhiệt độ T (oC) P 0 H2 4,6 C6H6 26.5 Aceton 20 40 17,5 55,3 60 70 80 90 100 149 234 355 525 760 551 758 1016 75 183 392 67,3 185 421 860 - Bản chất: Nhiệt bay hơi, nhiệt độ sôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố đặc biệt là phụ thuộc vào khối lượng phân tử (M), vào lực hút giữa các phân tử. Nói chung, một GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất chất có M càng lớn sẽ có nhiệt độ sôi càng cao vì sự bay hơi kém. Quy luật này gần như luôn luôn đúng ở các hydrocacbon, đặc biệt khi chúng là đồng đẳng của nhau. Chất có áp suất hơi bão hòa lớn là chất dễ bay hơi. - Nồng độ: Xét pha lỏng ở dạng dung dịch. Ta gọi các chất tạo ra dung dịch là các hợp phần: khả năng bay hơi của mỗi hợp phần không những phụ thuộc vào bản chất, sự tương tác của dung dịch mà còn phụ thuộc vào nòng độ của chúng. 1.2.2.4. Định luật Raoult Gọi: P: áp suất hơi bão hòa của dung dịch i: hợp phần i Pio : áp suất hơi bão hòa của hợp phần i ở trạng thái nguyên chất. Pi : áp suất hơi bão hòa riêng phần i Ni : nồng độ phần mol của chất i trong dung dịch. Định luật Raoult được phát biểu như sau: Áp suất hơi bão hòa riêng phần của một chất tỷ lệ với nồng độ phần mol của nó trong dung dịch. Pi = Pio . Ni Ngoài ra, ta biets rằng áp suất hơi bão hòa của dung dịch bằng tổng áp suất hơi bão hòa riêng phần của các hợp chất. Do đó, ta lại có: P = ∑Pi = ∑Pio . Ni 1.2.2.5.Áp suất riêng phần. Trong điều kiện thường, giả sử trong không khí có hai hợp phần là N2 và O2 với PO2 = 0,2 atm, PN2 = 0,8 atm thì áp suất của không khí sẽ là: PKK = PN2 + PO2 = 0.2 + 0,8 = 1atm Mỗi chất khí trong hỗn hợp gây ra một áp suất của riêng mình, áp suất đó gọi là áp suất riêng phần. tổng áp suất riêng phần của tất cả các khí chính là áp suất chung, kí hiệu: P = ∑Pi Ngoài ra theo định luật về chất khí, ta có: Pi = Ni.P Với: Pi: áp suất riêng phần GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất Ni: nồng độ phần mol P: áp suất chung. Vậy: Áp suất riêng phần bằng nồng độ phần mol nhân với áp suất chung. 1.3. SỰ SÔI 1.3.1.Sự sôi của dung dịch Sự sôi khác với sụ bay hơi. Mọi chất lỏng đều bay hơi (ở mặt thoáng) ở bất nhiệt độ nào. Sự bay hơi càng mạnh khi nhiệt độ càng cao, còn sự sôi là hiện tượng khối chất lỏng bay hơi ồ ạt không những ở trên mặt thoáng của chất lỏng mà còn ở ngay trong lòng chất lỏng. Khi đó áp suất hơi bão hòa của chất lỏng đang sôi bằng áp suất đè lên mặt thoáng, pha hơi lúc đó chỉ gồm hơi do lỏng tạo ra, không chứa các khí vốn đã từng có trên mặt thoáng. Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi thì áp suất hơi còn bé áp suất hơi trên mặt thoáng nên trong pha khí gồm có cả hơi do lỏng tạo ra và các khí có sẵn từ trước. Cần phải nâng nhiệt độ lên nữa để green mặt thoáng chỉ gồm các hơi do lỏng tạo ra đến khi chúng có áp suất tổng bằng áp suất đè lên mặt thoáng thì sự sôi sẽ xảy ra. Như vậy, nhiệt độ sôi của một chất phụ thuộc vào áp suất đè lên mặt thoáng. Áp suất đè lên mặt thoáng càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao. Do đó một chất lỏng sẽ sôi tại nhiệt độ mà ở đó áp suất hơi bão hòa của nó bằng áp suất đè lên mặt thoáng. Cần chú ý rằng ở áp suất không đổi, chất nguyên chất sôi ở một nhiệt độ cố định còn dung dịch thì sôi xảy ra trong một khoảng nhiệt độ. 1.3.2. Định luật Konolalov Xét sự sôi của dung dịch, ở một nhiệt độ nào đó pha hơi sẽ là một hỗn hợp gồm tất cả các hợp phần có mặt trong dung dịch lỏng. Giả sử dung dịch ban đầu gồm có hai chất A và B. Theo định luật Raoult và định luật về chất khí: PA = PA0 . N LA = P .. PAH PB Với: = PB0 . N LB = P .. N HB (1) (2) N LA : nồng độ phần mol của A trong lỏng N HA : nồng độ phần mol của A trong hơi GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất N LB : nồng độ phần mol của B trong lỏng N HB : nồng độ phần mol của B trong hơi P: áp suất hơi bão hòa của dung dịch PA: áp suất riêng phần của A PB: áp suất riêng phần của B PA0 : áp suất hơi bão hòa nguyên chất của A PBO : áp suất hơi bão hòa nguyên chất của B Chia (1) cho (2) ta có: Với α = N HA P A0 • N LA N LA = L .α = 0 N HB P B • N LB NB PA0 : Gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B PB0 Giả sử A dễ bay hơi hơn B, nên α > 1. Do đó theo (3) ta có: N HA N LA > N HB N LB Rõ ràng nồng độ chất dễ bay hơi hơn A trong pha hơi ở bất đẳng thức trên lớn hơn nồng độ của chất dễ bay hơi A trong dung dịch lỏng ban đầu. Đó cũng chính là định luật Konovalov: Thành phần pha hơi khác thành phần pha lỏng, pha hơi giàu chất dễ sôi hơn so với pha lỏng. Nhận xét: - Dung dịch càng giàu chất dễ sôi thì sôi ở nhiệt độ càng thấp - Khi sôi, dung dịch cho ra pha hơi giàu chất dễ sôi hơn nó (ban đầu). Dung dịch sẽ không sôi ở nhiệt độ đó nữa, nó chỉ sôi khi nhiệt độ được tăng lên. - Dung dịch sôi ở một khoảng nhiệt độ, lớn hơn nhiệt độ của chất dễ sôi và nhỏ hơn nhiệt độ của chất khó sôi GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất 1.3.3. Thành phần của pha hơi khi đun sôi một pha lỏng Hình 1.1. Quan hệ thành phần lỏng – hơi hệ hai chất A -B Như ta đã biết, một chất lỏng sẽ sôi tại nhiệt độ mà ở đó áp suất hơi bão hòa của nó bằng áp suất đè lên mặt thoáng. Ở áp suất không đổi chất nguyên chất sôi ở nhiệt độ cố định. Người ta còn dùng khái niệm áp suất hơi bão hòa Ried, đó là áp suất tuyệt đôi ở 100oF (37.80C) được đặc trưng cho khả năng bay hơi của phân đoạn xăng, đại lượng này càng lớn khả năng bay hơi càng cao. Khi một chất lỏng nguyên chất sôi thì nó tạo ra một pha hơi nguyên chất. Chúng ta hãy xét trường hợp một dung dịch lỏng sôi. Khi đo pha hơi sẽ là một hỗn hợp thường gồm tất cả các hợp phần có mặt trong dung dịch lỏng. Chúng có thành phần phụ thuộc vào thành phần của dung dịch lỏng theo định luật Konovalov mà ta đã biết: N HA PA0 • N LA N LA = = . α (3) N HB PB0 • N LB N LB Với α = PA0 : Gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B PB0 Giả sử A dễ bay hơi hơn B, thì PAO > PBO . Ta có, GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất α= PA0 >1 PB0 N HA N LA > N HB N LB → (4) Từ (4) ta thấy, nồng độ của chất dẽ bay hơi A trong pha hơi rõ ràng lớn hơn nồng độ của chất dễ bay hơi B trong dung dịch lỏng ban đầu. phương trình (3) là phương trình mô tả toán học của định luật Konovalov: Thành phần pha hơi khác thành phần pha lỏng, pha hơi giàu chất dễ bay hơi so với pha lỏng. Khái niệm giàu chất dễ sôi hơn ở đây có nghĩa là nồng độ phần mol chất dễ sôi trong pha hơi lớn hơn nồng độ phần mol của nó trong dung dịch. Ngược lại, dĩ nhiên là nồng độ chất khó sôi trong pha hơi bé hơn ( nghèo chất khó bay hơi) nồng độ của nó trong dung dịch lỏng. Thật vậy, xét hệ benzen (A) và toluen (B) với A là benzen dễ bay hơi hơn B có L thành phần N LBenzen = 0,2 , N Toluen = 0,8 ở nhiệt độ thường. Khi nâng nhiệt độ lên 700C 0 0 thì PBenzen = 547mmHg, P toluen = 202mmHg, tức là α= 547 = 2,71 . 202 Theo định luật Roult: PBezen = 547 . 0,2 = 109,4 mmHg. PToluen = 202 . 0,8 = 161,6 mmHg. Nếu P = PToluen + PBezen =161,6 + 109,4 =271 mmHg. Theo định luật về chất khí,ta có: PBezen = P . N HBezen → N HBezen = PBezen 109,4 = = 0,4 P 271 H H PToluen = P . N Toluen → N Toluen = PToluen 161,6 = = 0,6 P 271 Rõ ràng, thành phần pha hơi giàu chất dễ bay hơi hơn so với thành phần pha lỏng đúng theo định luật Konovalov. Ba đường ứng với 3 giá trị α = 0 P Bezen 0 PToluen là 1; 2,71 và 5. Khi α càng lớn thì được cong càng lệch khỏi đường chéo α = 1. 1.3.4. Giản đồ trạng thái cân bằng lỏng – hơi hệ hai chất Giản đồ trạng thái là một hình cho ta biết sự tồn tại của các pha và mối liên hệ GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất giữa các pha đó,hay nói cách khác, nó cho ta biết sự tương ướng về thành phần các pha của các chất theo nhiệt độ. Giả sử có dung dich a gồm hai chất A và B. Ta biết, dung dịch lỏng này sôi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của chất khó sôi và cao hơn nhiệt độ sôi của chất dễ sôi. Trục hoành: Trục thành phần. Trục tung: Trục nhiệt độ. Giản đồ như hình 1.2 cho ta thấy sự phụ thuộc nhiệt độ sôi của dung dịch vào thành phần dung dịch ban đầu như mô ta ở đường Ua3V gọi là đường lỏng hay đường sôi. Đường lỏng là đường biễu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ của dung dịch lỏng vào thành phần pha lỏng. Đường Ua5V gọi là đường hơi. Đường hơi là đường biễu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ mà pha hơi bị ngưng tụ phụ thuộc vào thành phần pha hơi. Vùng bị kẹp hai đường trên gọi là vùng cân bằng lỏng – hơi. Giả sử chất A dễ sôi hơn chất B, theo lý thuyết, nếu dung dịch có nồng độ phần mol của chất A càng lớn thì nhiệt độ sôi của dung dịch càng nhỏ. Nếu thành phần ban đầu của hỗn hợp có nồng độ của chất A (dễ bay hơi) lần lượt là 0,2; 0,57; 0,85 thì theo hình vẽ ta có T3 > T2 >Td. Tất cả các dung dịch có nhiệt độ thấp hơn hiệt độ tương ứng với đường lỏng đều chứa sôi, nghĩa là vẫn còn nguyên ở thể lỏng. Ta có thể thấy được điều này ở hình vẽ, dung dịch a được đun nóng đến nhiệt độ T1 (điểm hệ là a1), nhiệt độ T2 (điểm hệ là a2) hay dung dịch b được đun nóng đến nhiệt độ T1(điểm hệ là b1), nhiệt độ T2 (điểm hệ là b2) hoặc dung dịch c được đun nóng đến nhiệt độ T1 (điểm hệ là c1),..., chúng đều chưa sôi. Hình 1.2: Giản đồ trạng thái cân bằng lỏng - hơi GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất Xét quá trình đun sôi dung dịch a (dung dich có 80% mol B và 20% mol A). Khi đun nóng a đến T1 ta được dung dịch a1. Dung dich này vẫn gồm 80% mol B và 20% mol A, nó vẫn ở thể lỏng, tương tự dung dịch a2 vẫn ở thể lỏng dù nhiệt độ được nâng lên T2. Khi đun nóng dung dich a đến nhiệt độ T3, dung dịch a trở thành a3. Dung a3 vẫn gồm 80% mol B và có nhiệt độ T3. Tại nhiệt độ này, dung dịch a3 bắt đầu sôi. Tương tự, khi đun nóng dung dịch c đến nhiệt độ T2,dung dịch c trở thành dung dịch c2 và nó bắt đấu sôi. Các điểm a, a1, a2, a3, b, b1, b2,c,c1,c2,... biễu diễn thành phần và nhiệt độ của pha lỏng nên được gọi là điểm lỏng. Tập hợp các điểm lỏng gọi là vùng lỏng. Vùng lỏng nằm ở vùng lỏng và dưới vùng lỏng. Bất kỳ một dung dịch nào có điểm biểu diễn nằm dưới đường lỏng đều không sôi như dung dịch a1, a2, b1, b2,.... Bất kỳ một dung dịch lỏng nào có điểm biễu diễn nằm trên đường lỏng đều bắt đầu sôi như các dung dịch g5, f4, a3, b2,... Ta lần lượt xét các dung dịch sau: Dung dịch a với:NA = 0,2 và NB = 0,8 sôi ở nhiệt độ T3. Dung dịch b với NA = 0,42 và NB = 0,58 sôi ở nhiệt độ T3. Dung dịch c với NA = 0,57 và NB = 0,43 sôi ở nhiệt độ T2. Khi đun nóng dung dịch a đến nhiệt độ T3, dung a trở thành dung dịch a3. Lúc này dung dịch a3 vẫn gồm có 0,2 A và 0,8 B ở nhiệt độ T3 và bắt đầu sôi. Tương tự, nếu ta đun dung dịch c đến nhiệt độ T2, dung dịch d đến nhiệt độ Td thì chúng lần lượt là dung dịch là c2 và dd sôi ở nhiệt độ T2 và Td. Các điểm a, a1,a2, b, b1, b2,c,c1, d,d1, biễu diễn thành phần và nhiệt độ của pha lỏng nên được gọi là những điểm lỏng. Tập hợp các điểm lỏng gọi là vùng lỏng. Vùng lỏng nằm dưới đường lỏng.các điểm thuộc vùng lỏng chưa sôi, còn các dung dịch có các điểm nằm trên đường lỏng như h5, g4, a3, c2, d1 bắt đầu sôi. Dựa vào hình vẽ ta thấy: khi đun nóng dung dịch a đến nhiệt độ T3, dung dịch vẫn ở thể lỏng (bắt đầu sôi) được biễu diễn bằng điểm a3, lỏng a3 bắt đầu sôi sinh ra hơi c3. Hơi c3 là điểm biểu diễm thành phần và nhiệt đội của pha hơi c3 sinh ra từ lỏng a3. Lỏng a3 và hơi c3 có cùng nhiệt độ nhưng thành phần khác nhau. Hơi c3 có NB = 0,43 trong khi lỏng a3 chứa NB = 0,80, hay nói cách khác, hơi c3 có NA = 0,57 trong GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất khi đó lỏng a3 chỉ chứa 0,2NA mà thôi.rõ ràng pha hơi sinh ra sẽ giàu chất dễ bay hơi hơn so với lỏng ban đầu của nó và dĩ nhiên lỏng còn lạ đang sôi theo đúng định luật Konovalov đã chỉ rõ. Vì lỏng a3 sôi sinh ra hơi c3 giàu A hơn nên lỏng còn lại sẽ nghèo A hơn hay nói cách khác, lỏng còn lại sẽ giàu B hơn, nên nó không sôi nữa. Muốn chúng tiếp tục sôi, ta phải nâng nhiệt độ lên một ít nữa. Lỏng còn lại đó sẽ sôi cho ra một hơi giàu A hơn so với bản thân nó nhưng hơi đó sẽ không bao giờ giàu A hơn ban đầu được (nên có thành phần NA < 0,20). Xét ở nhiệt độ T4 có lỏng f4 và hơi b4. Lỏng f4 có NA = 0,11, NB = 0,89. Ta bảo lỏng có điểm biểu diễn là a4. Hơi b4 có NB = 0,58, NA = 0,42 cũng ở nhiệt độ T4. Ta bảo b4 là điểm hơi biểu diễn pha hơi đó. Quan hệ giữa hơi b4 và lỏng f4 được tính theo quy tắcđòn cánh cân như sau: Ở nhiệt độ T4 hệ có hai pha là pha hơi và pha lỏng. Chúng phụ thuộc vào hệ a ban đầu nên điểm a4 là điểm biểu diễn thành phần của hệ. Điểm a4 gọi là điểm hệ. Theo quy tắc đòn cánh cân ta có: Đoạn thẳng a 4 b 4 . Lượng pha hơi b4 = đoạn thẳng a 4 f 4 . Lượng pha lỏng f4. Theo hình vẽ: a 4 b 4 = 0,80 – 0,58 = 0,22 a 4 f 4 = 0,89 – 0,80 = 0,09 Nên, Luong pha long f 4 a 4 b 4 0,22 22 = = = Luong pha hoi b 4 0,29 9 a 4f 4 Quan hệ đó có nghĩa là tại nhiệt độ này, pha lỏng vẫn còn nhiều hơn pha hơi 22/9 lần, lượng pha lỏng bằng 22/31 lượng hệ, lượng hơi bằng 9/31 lượng hệ. Ta thấy lỏng a3, lỏng f4 là các pha lỏng bắt đầu sôi và luôn cho ra một pha hơi tương ứng có điểm biễu diễn trên đường hơi lần lượt là c3 và b4. Lỏng c2, lỏng dd sôi cho ra hơi d2, hơi ed lần lượt ở nhiệt độ T2, Td.vùng nằm giữa vùng lỏng và vùng hơi là vùng dị thể, nghĩa là vùng mà nếu mà điểm hệ nằm trong đó như là điểm a4, b3 thì hệ luôn luôn gồm hai pha: pha lỏng và pha hơi với thành phần được tính theo quy tắc đòn cánh cân như trên. Ta bảo vùng dị thể có cân bằng lỏng – hơi. Ví dụ, Ở nhiệt độ T2 hệ có 0,43B với điểm hệ là c2. Điểm c2 trùng với điểm lỏng c2, ta có điểm hơi d2 nên: GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất c 2 d 2 . Lượng hơi = c 2 c 2 . Lượng lỏng Vì: c 2 c 2 = 0 mà c 2 d 2 #0, nên dễ thấy lượng hơi bằng 0. Chính xác hơn là c 2 c 2 gần bằng không, nghĩa là lượng hơi có nhưng rất ít vì hơi chỉ mới bắt đầu sinh ra mà thôi. Khi đun nóng a đến nhiệt độ T5, điểm hơi là a5 trùng với điểm hệ, còn điểm lỏng la g5. Lỏng g5 chứa đến 0,97B và chỉ còn 0,3A. Hệ bây giờ giàu B (chất khó sôi nên sôi ở nhiệt độ cao hơn là T5 để cho ra hơi là a5). Thực ra trong hệ chỉ có hơi a5, có rất ít lỏng g5 vì theo quy tắt đòn cánh cân, tại đây: a5 a5 . Lượng hơi = a 5 g 5 . Lượng lỏng Vì a5 a5 = 0 và a5 g 5 # 0 nên lượng lỏng g5 = 0 (gần bằng không). Sự sôi của hệ a kết thúc tại đây. Nếu nâng nhiệt độ lên T6, ta chỉ còn pha hơi a6. Tất cả các điểm biễu diễn nằm phía trên đường hơi chỉ gồm một pha hơi. Tập hợp các điểm biểu diễn gọi là vùng hơi. Tóm lại : Ở nhiệt độ thấp hơn đường lỏng, hệ vẫn là pha lỏng, chưa sôi. Ở nhiệt độ ứng với đường lỏng thì hệ bắt đầu sôi. Ở nhiệt độ nằm trong vùng dị thể thì hệ đang sôi, gồm pha hơi và pha lỏng. Ở nhiệt độ ứng với đường hơi thì hầu hết là pha hơi. Sự sôi sắp kết thúc. Ở nhiệt độ trên đường hơi, hệ chỉ có một pha, đó là pha hơi. Như vậy, dung dịch chỉ sôi ở một khoảng nhiệt độ nhất định, chúng phụ thuộc mạnh vào nồng độ của các chất trong dung dịch và điều tất yếu xẩy ra là nhiệt độ tăng dần trong quá trình sôi. 1.4. Ý NGHĨA CỦA QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT Qúa trình chưng cất có ý nghĩa rất quan trọng, chưng cất để tách các dung dịch thành các cấu tử khác nhau theo nhu cầu mong muốn sử dụng của con người. Đồng thời mang lại hiệu quả cao nhất trong quá trình sản xuất. Đối với ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ việc sử dụng dầu mỏ ở dạng thô không thuận lợi, không kinh tế, kém hiệu quả. Do đó cần phải chế biến dầu mỏ thành những GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất sảm phẩm có tình kỷ thuật ngày càng cao. Để chế biến dầu thô thành các sản phẩm thì việc đầu tiên và bắt buộc là phải phân chia nó thành các phân đoạn bằng phương pháp chưng cất. Quá trình chế biến dầu mỏ được cải thiện trong các nhà máy lọc dầu và hóa dầu. Các nhà máy lọc dầu chế biến dầu mỏ thành những sảm phẩm gồm từ những hợp chất hóa học về cơ bản đã có trong dầu mỏ. Các sản phẩm đó là xăng dùng cho ô tô, dầu diezel làm nhiên liệu cho động cơ diezel, chất bôi trơn, nhiên liệu phản lực, nhựa đường,....Vì những đặc điểm kể trên mà việc chưng cất dầu thô được tiến hành trong một hệ thống gồm nhiều tháp chưng cất hoạt động ở các áp suất khác nhau. GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. NGUYÊN LÝ PHÉP CHƯNG CẤT Ta khảo sát quá trinh chưng cất trong thiết bị đơn giản hình 2.1 như sau: Hình 2.1: Sơ đồ chưng cất đơn giản 1. Nguồn nhiệt 9. Cổng hút chân không 2. Bình thủy tinh 10. Adapter (thiết bị kết nối) 3. Cột ngưng tụ-bay hơi 11. Điều chỉnh nhiệt độ 4. Nhiệt kế 12. Điều chỉnh tốc độ khuấy 5. Ống sinh hàn 13. Thiết bị khấy và gia nhiệt 6. Nước làm lạnh đầu vào 14. Dầu gia nhiệt 7. Nước làm lạnh đầu ra 15. Cánh khuấy 8. Bình chứa sản phẩm chưng cất 16. Dung dịch làm lạnh Dung dịch chưng cất gồm hai chất A và B gọi là dung dịch a, chúng được đựng trong bình (2) nguồn nhiệt (1) cấp cho bình. Dung dịch sôi ở nhiệt độ T3. GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất Hơi bay vào ống sinh hàn (5) được chảy trong ống dẫn hơi ngưng tụ nằm trong ống sinh hàn, khi gặp lạnh, ngưng tụ thành các giọt lỏng (distillat) chảy vào ống nhận distillat (8). Để quá trình sôi diễn ra điều hòa, người ta thêm vào trong bình một ít đá bọt hoặc nhúng vào dung dịch một mao quản (15). Nhiệt kế (4) dùng để theo giỏi nhiệt độ của hơi lấy ra. Như vậy, phép chưng cất dựa trên sự sôi trong một hệ mở gần như đẳng áp vì hơi sinh ra liên tục và liên tục được lấy ra khỏi hệ, giống như khi ta đun sôi một nồi nước không đậy nắp. Như hình trên ta thấy rằng lỏng chảy vào ống nhận có NA = 0,57 và NB = 0,43 so với lỏng ban đầu là NA = 0,2 và NB = 0,8. Vậy, bằng cách chưng cất dung dịch a nghèo A trong bình đun ta thu được distillat c3 giàu A hơn. Đó là phép chưng cất đơn giản nhất. Chưng cất là phương pháp tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó rồi ngưng tụ bay hơi ra để tách được hai phần: phần nhẹ gọi là distillat và phần nặng gọi là cặn chưng cất. Nếu bây giời ta dùng distillat c3 cho vào thiết bị trên để chưng cất tiếp thì dung dịch c bây giờ đóng vài trò dung dịch cần chưng cất có NA = 0,57. Gia nhiệt dung dịch c chỉ đến nhiệt độ T2 (nhỏ hơn T3) thì nó đã sôi và ta thu được hơi d2, hơi đó được làm lạnh, cho ta distillat d1 có NA cao hơn nữa: NA = 0,85. Tiếp tục làm nhiều lần như vậy thì ta sẽ thu được A gần như nguyên chất. Vậy, phép chưng cất có thể tách dung dịch thành distillat có thành phần mong muốn và cặn chưng cất. 2.2.CHƯNG ĐƠN GIẢN 2.2.1.Chưng bay hơi dần dần Sơ đồ chưng cất bay hơi dần dần được trình bày ở hình 2.2. Hỗn hợp chất lỏng được đưa vào thiết bị đốt nóng(2) liên tục trong bình chưng (1) từ nhiệt đọ thấp tới nhietj độ sôi cuối khi liên tục tách hơi sảm phẩm và ngưng tụ hơi bay ra trong thiết bị ngưng tụ (3), cuối cùng thu sảm phẩm lỏng trong bể chứa (4). Phương pháp chưng này thường chỉ áp dụng trong phòng thí nghiệm. GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất Sản phẩm chưng cất phân đoạn Thùng bay hơi Dầu Cặn Hì nh 2.2. S ơ đ ồ c h ư ng bay hơi dần d ần   2.2.2. Chưng cất bay hơi một lần Sản phẩm chưng lỏng Thùng bay hơi 1 lần Dầu thô Sản phẩm đáy Hinh 2.3: Sơ đồ chưng bay hơi một lần Phương pháp này còn gọi là bay hơi cân bằng. sơ đồ như hình vẽ 2.3. Hỗn hợp chất lỏng được cho liên tục vào thiết bị đun sôi (2), ở đây hỗn hợp được đốt nóng đến nhiệt độ xác định và ở áp suất cho trước. Pha lỏng – hơi được tạo thành và đạt đến trạng thái cân bằng, ở điều kiện đó lại được cho vào thiết bị phân chia một lần trong thiết bị đoạn nhiệt (1). Pha hơi qua thiết bị ngưng tụ (3) rồi vào bể chứa (4) ta nhận được phần cất, phía dưới thiết bị (1) pha lỏng tách ra liên tục và nhận được phần cặn. Tỷ lệ giữa lượng hơi được tạo thành khi bay hơi một lần với lượng chất lỏng nguyên liệu chưng ban đầu gọi là phần chưng cất (gọi tắt là phần chưng). Chưng cất bay hơi một lần như vậy sẽ cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với bay hơi dần dần ở cùng một điều kiện về nhiệt độ và áp suất. Ưu điểm nổi bật này của quá trình chưng cất cho phép áp dụng trong điều kiện thực tế chưng cất GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân Đồ án hóa dầu Nghiên cứu về nguyên lý phép chưng cất dầu. Tuy với nhiệt độ chưng giới hạn, nhưng vẫn cho phép nhận được một lượng phần cất lớn hơn. 2.2.3. Chưng cất bay hơi nhiều lần Đây là quá trình gồm nhiều quá trình chưng bay hơi một lần nối tiếp nhau ở nhiệt độ tăng cao dần (hơi ở áp suất thấp hơn) đối với phần cặn. Sơ đồ như hình vẽ 2.4. Phần cặn của chưng lần một, là nguyên liệu cho chưng lần hai sau khi được đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn. Từ đỉnh của thiết bị chưng lần một ta nhận được sản phẩm đỉnh, còn ở đáy của thiết bị chưng lần hai nhận được phần cặn. Phương pháp chưng cất dầu bằng bay hơi một lần và bay hơi nhiều lần có ý nghĩa rất lớn trong thực tế công nghiệp chế biết dầu mỏ ở các dây chuyền hoạt động liên tục. Qúa trình bay hơi một lần được áp dụng khi đốt nóng dầu trong thiết bị trao đổi nhiệt, trong lò ống và tiếp theo quá trình tách pha hơi khỏi pha lỏng ở bộ phận cung cấp, phân phối của tháp tinh luyện. Chưng cất đơn giản, nhất là loại bay hơi một lần, không đạt được độ phân chia cao khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử thành phần của hỗn hợp chất lỏng. Để nâng cao khả năng phân chia một hỗn hợp chất lỏng người ta phải tiến hành chưng cất có hồi lưu hay chưng cất có tinh luyện – đó là chưng cất phức tạp. Ưu điểm: của quá trình chưng cất cho phép áp dụng trong điều kiện thực tế chưng cất dầu. Nhược điểm: của phương pháp này là nhiệt độ chưng lại bị giới hạn và không tách được sản phẩm trắng riêng ra. Hình 2.4. Sơ đồ chưng bay hơi nhiều lần GVHD: Th.s Lê Thị Mỹ Nhân SVTH: Nguyễn Chí Tuân