MÔN HỌC
NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP
30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH) TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. J.P. MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999.
2. Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi
- Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2,
Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp
3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P. WAUQUIER, Les
réacteurs chimiques, Technip, 1984.
4. Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí
Minh, 1999.
5. R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980.
Nguyên lý hóa công nghiệp 2
NỘI DUNG MÔN HỌC
Lý thuyết và bài tập
Chương I: Mở đầu
Chương II: Chưng luyện
Chương III: Trích ly
Chương IV: Thiết bị phản ứng – Bài tập áp dụng
Chương V: Thiết bị trao đổi nhiệt
Thực hành
Vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công
nghiệp hóa học
THỨC
CƠ
BẢN
CỦA
QUÁ
TRÌNH
CHUYỂN
KHỐI......................... 6
1.2.1. Định nghĩa ..................................................................................................................... 6
1.2.2. Phân loại ....................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN................................................................................................... 7
2.1. ĐỊNH
NGHĨA
CHƯNG .................................................................................................. 7
2.2. PHÂN
LOẠI
CÁC
PHƯƠNG
2
CẤU
TỬ................................................... 9
2.4.3. Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y .............................................................................................. 9
2.4.4. Giản đồ đẳng áp T-x-y................................................................................................. 10
2.4.5. Giản đồ phần mol x-y .................................................................................................. 11
2.5. THÁP
CHƯNG
LUYỆN ............................................................................................... 12
2.5.1. Nguyên tắc hoạt động.................................................................................................. 12
2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) .................................................................... 13
2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)............................................................................ 14
2.5.4. Cân bằng vật chất........................................................................................................ 16
2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu r
f
và số đĩa lý thuyết tối thiểu N
min
......................................... 17
2.5.6. Xác định số đĩa thực tế N
TT
.......................................................................................... 19
THỰC HÀNH
VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG
NGHIỆP HÓA HỌC
IAO DIệN CủA
PROII-
Q
UI ƯớC BAN ĐầU
............................................................................... 28
2- Cửa sổ PRO/II................................................................................................................... 29
VI- CÁC THAO TÁC THƯờNG DÙNG TRONG MÔ PHỏNG BằNG PRO/II ........................ 30
1-
M
ở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG MớI
(O
PENING A
N
EW
S
IMULATION
)................................ 30
2-
M
ở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG ĐÃ CÓ
(O
PENING AN
E
XISTING
S
IMULATION
) .................. 30
).......................................... 31
Nguyên lý hóa công nghiệp 4
6-
T
HAY ĐổI DạNG ĐƯờNG VIềN CÁC DÒNG
(M
ODIFYING THE
F
LOWSHEET
S
TREAM
B
ORDER
S
TYLE
)........................................................................................................................................ 32
7-
H
IểN THị TÍNH CHấT CủA DÒNG TRÊN SƠ Đồ MÔ PHỏNG
............................................................ 32
8-
S
ử DụNG
F
LASH
H
OT
I
NPUT
F
ILE
)...................... 34
11-
X
ÁC ĐịNH CÁC TÍNH CHấT Về CÂN BằNG LỏNG
-
HƠI CủA CÁC Hệ
2
CấU Tử
(D
ISPLAY
BVLE).. 34
VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG............................................................................................................ 36
B
ÀI TOÁN
1:
M
Ô PHỏNG SƠ Đồ CÔNG NGHệ CủA PHÂN XƯởNG TÁCH
M
ÉTHANE
........................... 36
B
ÀI TOÁN
2:
6:
X
ÁC ĐịNH Số ĐĨA LÝ THUYếT TốI THIểU VÀ CHỉ Số HồI LƯU TốI THIểU CHO THÁP TÁCH
PROPANE BằNG PHƯƠNG PHÁP SHORTCUT
................................................................................... 44
CHƯƠNG 3: TRÍCH LY ........................................................................................................... 46
3.1. N
GUYÊN TắC
................................................................................................................... 46
3.2. S
Ơ Đồ
.............................................................................................................................. 46
3.3. Ứ
NG DụNG
...................................................................................................................... 46
CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG....................................................................................... 47
4.1. ĐẠI
CƯƠNG................................................................................................................. 47
4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG........................................................................... 47
a- Theo pha của hệ ................................................................................................................ 47
b- Điều kiện tiến hành quá trình............................................................................................ 47
c- Theo điều kiện thủy động................................................................................................... 47
4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC ...... 48
a- Thiết bị phản ứng gián đoạn :........................................................................................... 48
b- Thiết bị phản ứng liên tục : ............................................................................................... 49
c- Thiết bị phản ứng bán liên tục : ........................................................................................ 50
4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG.......................................................... 50
4.2. CÂN
THIẾT
BỊ
PHẢN
ỨNG
ĐỒNG
THỂ
CƠ
BẢN.................... 52
Thiết bị phản ứng liên tục...................................................................................................... 52
a- Thiết bị phản ứng dạng ống :............................................................................................ 52
b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng..................................................................... 55
c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) ............................................................................... 59
4.4. ÁP
DỤNG
PHƯƠNG
TRÌNH
THIẾT
KẾ..................................................................... 60
hữu cơ, lọc hóa dầu, thực phẩm, …
1.2.2. Phân loại
Tuỳ theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của 2 pha → phân loại:
- Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó
vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Đây là quá trình rất phổ
biến (quá trình chưng cất cồn, chưng cất dầu thô, …)
- Hấp thụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng (đ
iều chế oléum
bằng cách cho H
2
SO
4
đậm đặc hấp thụ khí SO
2
; tách khí acide bằng dung dịch
alkanolamine);
- Hấp phụ: là quá trình vật chất di chuyển từ pha khí vào pha rắn (tách khí acide
ra khỏi hỗn hợp khí tự nhiên hay khí đồng hành bằng rây phân tử);
- Trích ly: là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng
hay chất rắn bằng một chất lỏng khác;
- Kết tinh: là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển
từ pha lỏng vào pha rắn (kết tinh đường, kết tinh phân lân, …);
- S
ấy khô: là quá trình tách nước ra khỏi vật chất ẩm, trong đó vật chất (hơi nước)
di chuyển từ pha lỏng hay pha rắn vào pha khí (sấy nông sản thực phẩm);
- Hòa tan: là quá trình vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng (hòa tan muối
hoặc đường vào nước);
Nguyên lý hóa công nghiệp 7
CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN
- Là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay
hơi có tính ch
ất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau;
- Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao;
- Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất
thường;
2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ
1. Dung dịch lý tưởng:
- là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết
giữa các phân tử khác loại
bằng
nhau.
- Khi đó các cấu tử hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào.
cân bằng
lỏng-hơi hoàn
toàn tuân theo định luật Raout;
2. Dung dịch thực:
- Là những dung dịch hoàn toàn không tuân theo định luật Raout;
- Sự sai lệch với định luật Raout là dương nếu lực liên kết giữa các phân tử khác
loại < lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;
- Sự sai lệch với định luật Raout là âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại
> lực liên kết giữa các phân tử cùng loạ
i;
- Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại << lực liên kết giữa các phân
tử cùng loại → dung dịch sẽ phân lớp.
Nguyên lý hóa công nghiệp 9
⇒ Ta xét trường hợp phổ biến nhất:
chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất
cứ tỷ lệ nào
2
P
P
M
P
0
B
0 x
M
y
M
1
Trong đó:
A : cấu tử dễ bay hơi → P
0
A
> P
0
B
Nguyên lý hóa công nghiệp 10
x
M
, y
M
: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất
P
M
→ Thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P
M
là: 1-x
B
Lỏng - Hơi
Hơi
Lỏng
T
M
x
M
y
M
Trong đó:
A : cấu tử dễ bay hơi → T
0
A
< T
0
B
x
M
, y
M
: thành phần của cấu tử A trong pha lỏng và pha hơi ở P
và T
M
→ thành phần của cấu tử B trong pha lỏng và pha hơi ở nhiệt độ T và áp suất P
M
là:
1-x
M
sẽ đi vào
thiết bị ngưng tụ (condenser) (một phần hoặc hoàn toàn) ở đỉnh tháp để
hồi lưu lỏng ngưng tụ được về lại tháp và lấy ra làm sản phẩm đỉnh.
Ngược lại, pha lỏng đi từ trên xuống gặp hơi có
nhiệt độ
cao hơn, một phần cấu tử
có nhiệt độ sôi thấp sẽ bốc hơi ⇒ nồng độ của cấu tử nặng (khó bay hơi) trong pha
lỏng sẽ càng tăng và cuối cùng ở đáy tháp, ta sẽ thu được hỗn hợp sản phẩm gồm
hầu hết là các cấu tử nặng. Một phần sản phẩm đáy sẽ đi vào thiết bị đun sôi lại
(reboiler) ở đáy tháp để tạo một lượng hơi đưa vào từ đáy tháp, đảm bảo trong tháp
luôn luôn có sự tiếp xúc giữa 2 pha lỏng và hơi.
Nguyên lý hóa công nghiệp 13
⇒ Quá trình bốc hơi và ngưng tụ lặp
lại nhiều lần ở các đĩa
⇒ Pha hơi đi lên càng giàu cấu tử nhẹ
⇒ Pha lỏng đi xuống càng giàu cấu tử
nặng
− Theo lý thuyết → Mỗi đĩa là một
bậc thay đổi nồng độ : thành phần hơi
khi rời khỏi đĩa cân bằng với thành
phần lỏng khi đi vào đĩa ⇒ số
đĩa = số
bậc thay đổi nồng độ.
− Thực tế → trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt cân
bằng ⇒ Số đĩa thực tế > số đĩa lý thuyết
⇒ Hiệu suất đĩa
TT
LT
N
N
Loíng
Håi
a- Dạng Partial
Distillate vapor Distillate mixe
b- Dạng Bubble
2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)
có 4 dạng Reboiler :
- Thermosiphon without baffles và with baffles
- Dạng Kettle : được mặc định (qui chuẩn)
- Dạng “one through”
- Dạng lò
Nguyên lý hóa công nghiệp 15
Trong đó, loại Thermosiphon gồm 2 loại: without baffles và with baffles.
Để đạt được chất lượng sản phẩm đáy cao hơn, người ta đã thiết kế loại
Thermosiphon with baffles có cấu tạo như sau: Nguyên lý hóa công nghiệp 16 210
300
?
?
?
−
×=
⇒ W = F – P
Nguyên lý hóa công nghiệp 17
Chuyển từ nồng độ % khối lượng sang nồng độ phần mol :
B
F
A
F
A
F
MM
M
a1a
a
x
F
−
+
=
B
P
A
P
A
P
MM
M
a1a
F
= x
F
.M
A
+(1-x
F
).M
B
− sản phẩm đỉnh: M
P
= x
P
.M
A
+(1-x
P
).M
B
− sản phẩm đáy: M
W
= x
W
.M
A
+(1-x
W
).M
Sản phẩm đáy a
W
x
W
W
W
M
W2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu r
f
và số đĩa lý thuyết tối thiểu N
min
Chỉ số hồi lưu r
f
là tỉ số giữa lượng lỏng hồi lưu và lượng sản phẩm đỉnh.
Để xác định chỉ số hồi lưu r
f
và số đĩa lý thuyết tối thiểu N
min
, ta thực hiện theo
những bước sau:
Nguyên lý hóa công nghiệp 18
1- Xác định r
f min
:
F
*
4- Trên đường cân bằng lỏng hơi x-y của hệ hai cấu tử → Vẽ đường làm việc của:
- Đoạn luyện: bằng cách nối điểm (x
P
, y
P
) với điểm (0, B)
- Đoạn chưng: bằng cách nối điểm (x
W
, y
W
) với giao điểm của đường làm
việc của đoạn luyện với đường x = x
F
(nếu hỗn hợp nguyên liệu vào ở điểm sôi)
5- Xác định số bậc thay đổi nồng độ N
LT
bằng cách vẽ các đường thẳng song song
với trục hoành và trục tung bắt đầu từ điểm x
P
cho đến khi quá điểm x
W
. N
LT
thông
thường không phải là số nguyên.
6- Giá trị thích hợp của chỉ số hồi lưu r
f
và số đĩa lý thuyết tối thiểu N
min
tương ứng
x
+1)
x
W
x
F
2.5.6. Xác định số đĩa thực tế N
TT
Số đĩa thực tế:
tb
LT
TT
N
N
η
=3
WFP
tb
η+η+η
=η
Với : η
P
, η
F
F
, η
W
⇒ xác định ηtb ⇒ N
TT
Nguyên lý hóa công nghiệp 21
THỰC HÀNH
VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT
SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC
I- Giới thiệu tổng quan
1- Mục đích, vai trò của thiết kế mô phỏng
• Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các
phần mềm chuyên nghiệp
• Mô phỏng là một công cụ cho phép người kỹ sư tiến hành công việc một cách
hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu
tố ảnh hưởng dến một quá trình đang hoạt động trong th
ực tế.
• Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trường hợp hơn trong
cùng thời gian với độ chính xác cao hơn nếu so với tính toán bằng tay. Hơn nữa,
chúng ta có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh
việc phải thực hiện các phép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm.
• Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để :
-
Thiết kế (Designing) một quá trình mới
- Thử lại, kiểm tra lại (Retrofitting) các quá trình đang tồn tại
- Hiệu chỉnh (Troubleshooting) các quá trình đang vận hành
- Tối ưu hóa (Optimizing) các quá trình vận hành
• Để xây dựng một mô hình mô phỏng hiệu quả, chúng ta phải xác định đúng mục
tiêu. Bước đầu tiên trong bất cứ một quá trình mô phỏng nào là lượng hóa các
bản PRO/II 7.0
• PRO/II vận hành theo các modul liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ và lần
lượt tính cho từng thiết bị.
• PRO/II bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú : thư viện các cấu tử hóa học, các
phương pháp xác định các tính chất nhiệt động, các kỹ xảo vận hành các thiết bị
hiện đại để cung c
ấp cho các kỹ sư công nghệ các kỹ năng để biểu diễn tất cả
các tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cần thiết khi mô phỏng các trạng
thái dừng của các sơ đồ công nghệ.
• Phần mềm PRO/II được sử dụng theo nhằm 2 mục đích chính:
- Thiết kế một phân xưởng mới (Sizing)
- Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng trong th
ực tế để nghiên cứu
các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của nó (Rating) như : thay đổi
nguồn nguyên liệu, điều kiện vận hành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của sản
phẩm, ...
2- Quá trình mô phỏng bằng phần mềm PRO/II
• Trước khi tiến hành mô phỏng, chúng ta phải diễn đạt các dữ liệu từ sơ đồ thực
tế thành mô hình mô phỏng. Quá trình này bao gồ
m các bước sau :
- Xác định hệ đơn vị đo : có 3 hệ đơn vị đo : hệ Anh, hệ Mét và hệ SI. Tuỳ
trường hợp, chúng ta chọn hệ đơn vị đo cho thích hợp, thông thường chọn
hệ Mét;
- Xác định thành phần cấu tử có trong hệ : được chọn từ nguồn dữ liệu
phong phú các cấu tử của PROII;
- Lựa chọn các phương trình nhiệt động thích h
ợp : trên cơ sở thành phần
hóa học của nguyên liệu và điều kiện vận hành của thiết bị ;
Nguyên lý hóa công nghiệp 24
- Lựa chọn các dòng nguyên liệu và sản phẩm : xác định thành phần, trạng
- Hằng số cân bằng pha K : thể hiện sự phân bố cấu tử giữa các pha ở điều
kiện cân bằng
- Enthapie củ
a các pha lỏng và pha hơi : xác định năng lượng cần thiết để
chuyển một hệ từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái khác
- Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : nhằm phục vụ việc tính toán các
máy nén, giản nở và năng lượng tự do tối thiểu ở các thiết bị phản ứng
- Tỉ trọng của pha lỏng và pha hơi : để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở
lực và xác đị
nh kích thước tháp chưng cất
• Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa vào các yếu tố sau :
- Bản chất của các đặc trưng nhiệt động của hệ như : Hằng số cân bằng
lỏng-hơi (VLE : Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chưng cất,
cô đặc hoặc bốc hơi, quá trình trích ly, ...
- Thành phần của hỗn hợp
- Phạm vi nhiệt độ và áp suất
-
Tính sẳn có của các thông số hoạt động của các thiết bị
• Cụ thể, ta có thể dựa vào sơ đồ sau :
Copyright: Tài liệu đại học ©