Câu 1: Anh (Chị) hãy trình bày những vẩn đề sau của quả trình chưng cất chất lỏng: Khái niệm, phân loại, ứng dụng. Hãy trinh bày sơ đồ nguyên tắc dẫn đến tháp chưng luyện.

Thế nào là chỉ số hồi lưu và cìtỉ sổ hồi lưu thỉch hợp? Chỉ số hồi lưu có vai trờ gì trong chưng luyện?

Nêu tác dụng cùa hơi nước trong quả trình chưng cuốn bằng hơi nước.Trả lời:Quá trình chưng cất chất lỏng

1. Khái niệm: là quá trình tách chất lòng thành các cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hồn hợp.

2. Phân loại: quá trình chưng cất chất lòng được phân loại theo nhiều cácha. Theo áp suất làm việc

- Áp suất chân không- Áp suất thường- Áp suất cao

b. Phân loại theo số lượng cấu tử trong hỗn hợp- Hệ 2 cấu tử- Hệ đa cẩu tử

c. Phân loại theo phương thức làm việc:

- Làm việc gián đoạn- Làm việc liên tục

3. ứng dụngQuá trinh chưng cất chất lỏng được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm các ngành chế biến sản phẩm dầu khí... nhằm mục đích tách cốc hỗn hợp:

a) Dầu mỏ, các tài nguyên khai thác I dạng lỏngb) Sản xuất oxi và nito (chưng cất không khí)c) Quả trình tổng hợp chất hữu cơ thường cho sản phẩm ỏ dạng hỗn họp lỏngd) Công nghệ sinh học thường cho sản phẩm là hỗn hợp lỏng như etylic-nước trong quá trình lên men

4. Sơ đồ nguyên tắc tháp chưng luyện

Trường họp 2 cấu từ, hỗn hợp cần chưng luyện được đưa vào bình cầu, sau đó gia nhiệt phần hơi bay ra được đưa qua một sinh hàn làm lạnh để thu sản phẩm đinh p, phần cặn rắn còn lại là W

Sàn phâm đỉnh p sẽ chứa cấu tử dê bay hơi và một phần nhỏ cẩu tử khó bay hơi.

Sán phẩm đáy W sẽ chứa cấu tử khó bay hơi và một phần nhỏ cấu từ dê bay hơi.Để thu được sản phẩm tinh khiết ta cần tiến hành chưng nhiều lần (chưng luyện) trong tháp chưng luyện

5. Chỉ số hồi lưu và chỉ số hồi lưu thích hợpa. Chỉ số hồi lưu là ti số giừa lượng lỏng hồi lưu và sản phẩm đinh. Chỉ

số hồi lưu càng lớn thì ỉượng nhiệt tiêu thụ ờ đáy tháp càng nhiều nhưng số đĩa lý thuyết càng nhỏ. Ngược lại chỉ số hồi lưu càng nhỏ thì số đĩa sẽ tăng lên như vậy tháp chưng luyện sẽ cao và tốn nhiều chi phí xây dựng lắp đặt.Vì vậy cần xác định được chỉ số hồi lưu thích hợp đề thu được chắt lượng sản phầm tốt mà giá cả hợp lý.

b. Chỉ số hồi lưu thích hợp là chỉ số hồi lưu mà tại đó thiết bị có kích thước bé nhất mà vẫn đàm bào chế độ làm việc tốt nhất.

Nhìn vào hình trên ta thấy vùng làm việc thích hợp là vùng có chì sô hổi lưu nằm ờ điểm uốn của đồ thị tại đây chỉ số hồi lưu được cho là thích họp.Mặt khác ta biết chi số hồi lưu tì lệ với thể tích làm việc của tháp chưng luyện V =fH Trong đó f là tiết diện cùa tháp; H là chiều cao cùa tháp. Ta lại có tiết diện ti lệ với lượng hơi đi trong tháp tức là ti lệ với chỉ số hồi lưu nên thể tích làm việc của tháp sẽ tỉ lệ với NR. Xây dựng hàm liên quan giữa NR và f(R) ta dễ dàng nhận thấy chỉ số hồi lưu thích hợp là cực tiểu của đồ thị.

6. Vai trò của chỉ số hồi lưu:a. Chi số hồi lưu quyết định lượng nhiệt tiêu tổn trong quá trình vận hành

thápc. Chỉ số hồi lưu quyết định số đĩa lý thuyết của tháp qua đó sẽ tác động lên

chiều cao của tháp. Vì vậy chỉ số hồi lưu quyếi định chi phí đầu tư xây dựng tháp.

7. Hơi nước trong quá trình chưng cất hơi nước có tác dụng:a) Làm chất tải nhiệt cung cấp nhiệt cho tháp hoạt độngb) Lôi cuốn cấu tử nhẹ dễ bay hơi ra khỏi tháp.

Sơ đồ chưng cất hơi nước

Câu 2: Nêu các phương pháp tỉnh chiều cao thiết bị truyền khối. Trình bày những vấn để cơ bản của thiết bị chuyển khối loại đĩa chóp.

Trả lời:

1. Các phương pháp tinh chiều cao thiểt bị truyền khối gồm:

a. Tính chiều cao của thiết bị dựa theo phương trình truyền chất:Áp dụng phương trình truyền chất tức là ta phải xác định được hệ so truyen chat kx, ky, động lực trung bình từ đó ta dễ dàng xác định được bề mặt tiếp xúc pha băng công thức:

Mặt khác nếu thể tích làm việc là V, bề mặt riêng là σ thì diện tích bê mặt khi đó là:

F = σV = σHf Với f- Bề mặt tiết diện ngang của thiết bị.Vậy ta có chiều cao cùa thiết bị khi đó là:

b. Tính chiều cao thiết bị dựa vào số bậc thay đồi nồng độ ISố bậc thay đồi hay số đĩa lý thuyết được xác định khi ta biết đường làm viẹc Y = AX + B và đường cân bằng nồng độ y = f(x) khi đó số đĩa lý thuyết được xác định như hình sau:

Từ điểm Xc gióng lên đường cân bằng, qua đó ta kẻ đường thằng song song với trục hoành căt đường làm việc tại 1 điểm A, từ A ta kẻ đường thẳng song song với trục tung căt đường cân băng tại điềm B tương tự như vậy cho đến điểm Xd. Điếm số bậc thang để xác định số đĩa n thuyết (Nlt)Ta lại có :

Ntt = Nlt/ηTrong đó: Ntt — số ngăn thực tế

Nlt — Số ngăn lý thuyết η - Hiệu suất đĩa

Mặt khác — Đối với tháp đĩa chiều cao tính bằng:H = h(Ntt – 1)

- Đối với tháp đệm chiều cao được tính bằng:- H = hoNtt

Trong đó: h: khoảng cách 2 ngănho: chiều cao tương đương của 1 bậc thay đổi nồng độ

c. tính chiều cao dựa vào số đươn vị truyền khối:chiều cao của thiết bị truyền khối được tính:

H = hy.my

Trong đó : hy — là chiều cao của một đơn vị truyền khối; my - số đơn vị truyền khối

d. Tính chiều cao dựa vào đường cong động học:Đây là phương pháp tính số ngăn thực tế chính xác đối với tháp đĩa vì phương pháp có xác định đến động học của quá trình truyền chất, số ngăn thực tế của thiết bi được xác định như hình sau :

Từ đường cân bằng và đường làm việc ta xác định được đường cong động học từ đó ta tìm số ngăn thực tế như phương pháp số bậc thay đồi nồng độ.

2. Những vấn đề cơ bản của thiết bị truyền khối loại đĩa chóp

a. Khái niệm: tháp đĩa chóp là một thiết bị truyền khối, thân hình trụ bên trong có các đĩa, trên đĩa cỏ các chóp. Tháp đĩa chóp được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp hóa học và thực phẩm. Trong tháp đĩa, chất lỏng đi từ ừên xuống, khí đi từ dưới lên tiếp xúc với chất lỏng tại các đĩa thông qua chóp.

b. Phân loại: tháp đĩa chóp chia thành hai loại là:i. Tháp đĩa có ổng chảy chuyền: Trên mỗi đĩa của tháp cỏ lắp thêm ống chảy

chuyền có tác dụng vận chuyển chất lỏng đi từ đĩa này sang đĩa kia. số ống chảy truyền phụ thuộc vào kích thước và luu lượng cùa tháp

ii. Tháp đĩa không cỏ ống chảy chuyền: khi đó thì dòng hơi và lỏng cùng đi qua chóp. Thíp này có cấu tạo đơn giản nhưng có hiệu suất không cao nên không được nhiều ứng dụng trong công nghiệp chỉ sử dụng cho một số trường hợp đặc biệt.

3. ứng dụng cùa tháp đĩa chóp:a. Sử dụng để chưng cất các hỗn hợp lỏng như dầu mỏ, các sản phẩm

cùa quá trình tồng hợp chất hữu cơ lỏng I!.b. Sử dụng làm tháp hấp thụ nhẳm mục đích làm sạch khí, thu hồi cấu tử quý, tách hỗn hợp khí thành các cấu tủ riêng biệt..

4. ống chảy chuyền

Dùng để vận chuyển dòng iủng từ đĩa này sang đĩa kia. số ống chày chuyền phụ thuộc kích thước của tháp và lưu lượng tháp. Có nhiều cácli bố trí ống chảy chuyền như:

5. chóp: có cấu tạo tròn hay dạng khác. Thân chóp hình trụ có rãnh tròn, chữ nhật hoặc tam giác để khí đi qua.

6. Yếu tố ảnh hưởng

Hiệu quả hoạt động cua tháp phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí. Nếu vận tốc khí nhỏ khả năng xục khí kém, nhưng nếu vận tốc khí ỉớn sẽ làm băn chất lỏng hoặc cuốn theo chất lỏng.

Ngoài vận tổc khí còn có các yếu tố khác cung gây ảnh hường đền hiệu quả hoạt động của tháp như khoảng cách giữa các đĩa, chóp ...

Câu 3: Anh (Chị) hãy trình bày những vấn đề sau về quá trình hấp thụ: Khái niệm, phân loại ứng dụng. Viết phương trình cân bằng vật liệu,, phương trình đường làm việc của quả trình hấp thu, Nêu các yếu tổ ảnh hưởng chủ yếu đến quá í rình hấp thụ.

Trả lời:

Quá trình hấp thụ

1. Khái niệm: quá trình hấp thụ là quá trình hút khí bàng chất lỏng. Khí bị hút gọi là chất hấp thụ, chất lỏng hút được gọi là dung môi, khí không bị hút gọi la khí trơ.

2. Phân loại: quá trình hấp thụ được chia làm 3 loạia. Hấp thụ theo phirorg pháp hútb. Hấp thụ theo phương pháp hỏa ìýc. Hấp thụ theo phương pháp hóa học

3. Ứng dụng

a. Thu hồi cấu tử quýb. Tácli cấu tử khí thành các cấu tử riêng biệtc. Làm sạch khí4. Phương trình đường cân bằng và đường làm việc cùa quá trình hấp thụ

a. Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp phụ IGtr(Yd-Yc) = Gx(Xc-Xd)Trong đó : Gtr 1ưu lượng khí trơ, kmol/hGx lưu lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ Yc Yd — nồng độ đầu và cuối cùa hỗn hợp khí Xc, Xd Xc: nồng độ đầu và cuối cùa dung môi Phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kì trong tháp hấp phụ:

Gtr(Y - Yc) = Gx(X-Xd)

Trong đó: X, Y – là nồng độ của dung môi và hỗn hợp khí ở vị trí bất kỳ.

b. Phương trình đường làm việc của quá trình hấp phụ:

Rút Y theo X cùa phương trình cán bằng vật liệu ở vị trí bất kì ta có:

Phương trình trên là phương ưình đường làm việc của quá trinh hấp phụ. Phương trình trên có dạng Y = AX +B do vậy đường làm việc cùa quả trình

hấp phụ có dạng đường thẳng.

Trong đỏ : với A và B là hàng số.

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hẩp thụ gồma. ảnh hưởng của nồng độ

Quá trinh hấp thụ ỉà một quá trình truyền khối nên nó tuân theo định luật truyền khối

G = kyFτΔytb

Diện tích bề mặt phản ứng càng lớn quá trình hấp thụ sẽ càng thuận lợi, nhưng diện càng lớn chi phí thiết bi càng cao do vậy cần phải tính toán để có diện tích bề mặt phản ứng phù hợp.Một yếu tố khác gây ành hường đến quá trình hấp thụ là lượng dung môi phản ứng lượng đung môi phản ứng sẽ quyết định động lực ừung bình của quá trình qua đó sẽ gây ảnh hường đến quá trình hẩp thụ.

Như hình trên ta thấy khi Yc, Yd, Xd cố định động lực trung bình quyết định bởi điểm A (nồng độ dung môi). Neu dung môi càng bé tương ứng với điểm A4 có Xc lớn nhất thi động íực trung bình càng bé, quá trình truyền khối giảm. Nếu dung môi càng lớn tương ứng với điểm A cổ Xc bé nhắt, động lực trung binh lớn nhất quá trình truyền khối tăng. Như vậy dung môi càng lớn thì quá trình chiết càng hiệu quả nhưng kéo theo giá thành càng lớn do vậy khi chiết cần phải tính toán lượng dung môi sao cho hợp lý hoặc sử dụng các quá trình chiết nhiều bậc đề tăng cường quá trình chiết.

b. Ảnh hường của nhiệt độ và áp suất

Nhiệt độ và áp suất là những yểu tố ảnh hưởng quan trọng đến quá trình hâp thụ. Chúng ảnh hưởng chủ yếu lên trạng thái cân bằng động lực qua trình Theo định luật Henry khi nhiệt độ tăng hệ số Henry tăng điều này làm đường cân bàng tiến dần về true tung. Vì vậy động lực trung binh giảm, quá trinh hấp thụ giảm.

Vì vậy khi nhiệt độ tăng quá trình hấp thụ giảm tuy nhiên nỏ sẽ gây giảm trờ lực tăng vận tốc khí tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình chuyển khối. Nhìn chung khi giảm nhiệt độ của hệ thì quá trình hấp thụ diễn ra một cách thuận lợi, nhưng nó sẽ kéo theo sự tăng độ nhớt của dung môi tăng trở lục phần nào cũng gây cản trở quá trình chuyển khối. Vì vậy cần phải xác định nhiệt độ tối ưu phù hợp cho quá ừình hấp phụTrong trường hợp tăng áp suất, ta thấy đường lảm việc địch dần về phia trục hoành tức ià động lực trung bình tăng lên do đó quá trình chuyển khối diễn ra tốt hơn.

Nhưng tăng áp suất thường kèm theo quá trình tăng nhiệt độ cùng gây ảnh hưởng xấu đến quá trình chuyển khổi. Mặt khác việc tăng áp suất sẽ gây khó khăn trong thiết kế vận hành để đảm bảo an toàn vi vậy quá trình hấp thụ chỉ thực hiện ở áp suất cao đổi với cảc khí khô khỏ hòa tan như CO2