Tài liệu Báo cáo chưng cất đẳng phí hệ ba cấu tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HÓA HỌC SEMINAR GVHD: NGUYỄN BẢO VIỆT SVTH: 1. BẠCH THỊ KIM. 2. PHẠM MINH TRƯỜNG. 3. ĐẶNG ĐÌNH SOÁI. 4.DƯƠNG THỊ VÂN. 5. PHẠM ĐỨC HẬU. 6. TRẦN THẾ VINH. MỤC LỤC I) GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG CẤT II) TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT 1) ĐỊNH NGHĨA. 2) CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT. III) CHƯNG CẤT ĐẲNG PHÍ HỆ 3 CẤU TỬ 1) ĐỊNH NGHĨA VỀ CHƯNG CẤT ĐẲNG PHÍ HỆ 3 CẤU TỬ. 2) PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT ĐẲNG PHÍ HỆ 3 CẤU TỬ 3) (AZEOTROPIC DISTILLATION). ỨNG DỤNG CỦA CHƯNG CẤT. IV) I) GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ CHƯNG CẤT Trong thời kì cổ đại người ta đã biết chưng cất tinh dầu . Vào thời kỳ chuyển tiếp thế kỷ (năm 1000), khi axít sulfuric và axít nitric và đặc biệt là từ khi rượu (êtanol) được khám phá ra thì chưng cất trở thành một phương pháp hết sức quan trọng. Thêm vào đó, trong thế kỷ 17, việc chưng cất lấy nước ngọt từ nước biển và chưng cất nhựa đường và hắc ín để trét kín tàu được phát hiện thì phương pháp chưng cất càng đóng vai trò quan trọng hơn nữa. Ngày nay cùng với sự phát triển vượt bậc của nền công nghiệp thế giới và nước nhà, các ngành công nghiệp rất cần nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao. Chưng cất là một trong những quá trình được áp dụng từ lâu đời và đã được nghiên cứu rất kỹ lưỡng. Nó được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm, sinh học và hóa chất để chế biến rượu, cồn, tinh dầu, dầu thực vật, điều chế oxi, lọc dầu . II) TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT 1) Định nghĩa Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một 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 một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau). Khi chưng hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm. Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: Sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn 2) Các phương pháp chưng cất a) Chưng cất đơn giản Dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau. Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất. b) Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp. Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước c) Chưng cất chân không Chưng cất chân không : dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử. Ví dụ như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao. d) Chưng cất Chưng cất là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau. Chưng cất ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao. Chưng cất ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường. Sản phẩm chung:  Đỉnh: có độ bay hơi lớn, nhiệt độ sôi thấp.  Đáy: có bộ bay hơi kém, nhiệt độ sôi cao. Hình : Sơ đồ công nghệ chưng cất điển hình 3) Các loại tháp chưng cất sử dụng trong công nghiệp Ta có thể phân biệt chưng cất ra thành quy trình một lần như trong phòng thí nghiệm để tách một hóa chất tinh khiết ra khỏi một hỗn hợp, và chưng cất liên tục như trong các tháp chưng cất trong công nghiệp. a) Tháp mâm xuyên lổ hoặc mâm đĩa lưới Ưu điểm: chế tạo đơn giản , vệ sinh dễ dàng , trở lực thấp hơn tháp chóp , ít tốn kim loại hơn tháp chóp Nhược điểm: yêu cầu lắp đặt cao : mâm lắp phải rất phẳng , đối với những tháp có đường kính quá lớn (>2.4m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối không đều trên mâm Hình 1.2 Mâm lổ tháp chưng b) Tháp chóp Ưu điểm: hiệu suất truyền khối cao , ổn định , ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số mâm ít hơn. Nhược điểm: chế tạo phức tạp , trở lực lớn Hình: Lắp đặt tháp chưng cất dầu thô của nhà máy lọc dầu Dung Quất c) Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm ) Ưu điểm:chế tạo đơn giản , trở lực thấp Nhược điểm: hiệu suất thấp , kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều , sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng , tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công nghiệp Đối với những hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi giống nhau hoặc rất gần nhau hay gồm những cấu tử tạo thành dung dịch đẳng phí ta không thể dùng phương pháp chưng luyện thông thường như trên để tách chúng ra dạng nguyên chất được dù cho có dùng những tháp vô cùng cao với lượng hồi lưu rất lớn. Để tách các hỗn hợp ấy chúng ta phải dùng phương pháp chưng luyện đặc biệt, thông thường người ta hay dùng phương pháp luyện trích ly và chưng luyện đẳng phí . III) Giới thiệu sơ lược về chưng cất đẳng phí hệ 3 cấu tử 1. Thế nào là hỗn hợp đẳng phí? Hỗn hợp đẳng phí là hỗn hợp dung dịch 2 cấu tử sôi ở nhiệt độ xác định. Đặc điểm: Tại điểm đẳng phí pha lỏng và pha hơi có cùng một thành phần cấu tử, do đó nếu đun sôi hỗn hợp đẳng phí thì pha hơi sẽ có thành phần giống như pha lỏng ban đầu, không thể phân riêng hoàn toàn các cấu tử này bằng phương pháp chưng cất thông thường. Giảng đồ : Hỗn hợp đẳng phí 2. Phương pháp chưng cất đẳng phí (Azeotropic Distillation) Trong hỗn hợp đẳng phí, ta không thể phân riêng hoàn toàn các cấu tử bằng phương pháp chưng cất thông thường. Do đó người ta khắc phục điều đó bằng cách thêm vào hỗn hợp một cấu tử thứ ba. Phương pháp này gọi là phương pháp chưng cất đẳng phí.  Vậy phương pháp chưng cất đẳng phí là gì? Đây là phương pháp cho thêm cấu tử thứ ba vào nhằm thay đổi độ bay hơi tương đối của hai cấu tử trong hệ ban đầu. Có nghĩa là thêm cấu tử thứ ba vào, nó tạo thành với cầu tử bị bay hơi( hay với cả hai cấu tử) dung dịch đẳng phí có độ bay hơi lớn hơn và sản phẩm đáy tháp là cấu tử ở dạng nguyên chất. Ở đáy tháp cấu tử thứ ba thường dùng là Benzen, Cloroform, Toluen…để tạo thành hỗn hợp đẳng phí 3 cấu tử, nhiệt độ sôi của hỗn hợp này thấp hơn nhiệt độ sôi của từng cấu tử riêng biệt. Phương pháp chưng cất dẳng phí được ứng dụng nhiều trong cuộc sống, điển hình là quá trình chưng cất cồn sinh học Etanlol. Sơ đồ nguyên lý chưng dẳng phí Etanol: Nguyên tắc: Hỗn hợp Etanol-nước có nhiệt độ sôi gần nhau tạo thành dung dịch đẳng phí ở 78,150C, áp suất 1,013 bar. Với hỗn hợp này không thể dùng phương pháp chưng luyện thông thường để tách các phân tử ra ở dạng nguyên chất, dù tháp vô cùng cao và lượng hồi lưu là rất lớn. Phương pháp chưng đẳng phí thực hiện đưa thêm cấu tử phân ly có tác dụng phá vỡ hỗn hợp đẳng phí, làm tăng độ bay hơi tương đối của một phân tử trong hỗn hợp.  Công nghệ thực tế áp dụng ở Brasil, sơ đồ công nghệ như sau: Thực hiện đưa cấu tử phá đẳng phí là Bezen, heptan hoặc cyclohexan. Etanol 96% là thể tích được đua vào cột tách nước ở giữa tháp. Etanol 99,8% thu được ở đáy tháp, được đưa di làm lạnh và tồn chứa, bảo quản. Hỗn hợp đồng sôi của ba cấu tử thu được ở đỉnh tháp được ngu tự và phân tách trong thùng lắng gạn. lớp trên của thùng lắng gạn là các hợp chất hữu cơ chứa cả cấu tử phá đẳng phí được đưa về tách Hydrocacbon, tại đó Hydrocacbon phá đẳng phí, Etanol, một lượng hơi nước được đưa đi tuần hoàn về thiết bị ngưng tụ rồi đưa về thùng lắng gạn. Stillage thu được tuần hoàn về tháp chưng cất Etanol. Một số trường hợp khác Stillage được sử dụng trong sản xuất thức ăn cho động vật. Lượng hơi nước sử dụn: 1÷1,5 kg/lít Etanol 99,8% IV) Ứng dụng của chưng cất đẳng phí Quá trình chưng cất đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa học, thực phẩm, sinh học… và trong đời sống. Trong nhiều trường hợp, quá trình chưng cất là đơn giản nhất, kinh tế nhất để tách, làm sạch tinh khiết sản phẩm. Chưng cất đẳng phí được ứng dụng phổ biến trong chưng cất dầu mỏ cư công nghệ hóa dầu và trong sản xuất ethanol. a) Trong công nghệ hóa dầu Quá trình chưng cất được ứng dụng để tách, tinh chế các sản phẩm dầu mỏ. Dầu mỏ (petroleum), dầu thô (crude oil) là hỗn hợp hidro cacbon thiên nhiên rất phức tạp( từ C đến C) Sản phẩm của quá trình chưng cất và ứng dụng  Khí đốt:c,c  Khí hóa lỏng (LPG): c, c được hóa lỏng ở áp suất cao  Xăng: dùng làm dung môi, nhiên liệu oto, máy bay  Kerosene(dầu hỏa)  Gas-oil(diesel fuel)  Mazut nhẹ  Dầu nhớt: sản phẩm của quá trình chưng cất chân không b) Trong chưng cất etanol Ethanol được dùng làm chất phụ gia khi pha vào xăng làm tăng chỉ số octan của xăng Dùng làm chất sát trùng, rửa vết thương trong y tế. dùng làm dược phẩm chữa bệnh. Trong tổng hợp hóa học: cồn được xem là là chất trung gian để xản xuất các chất hóa học khác như: acid axetic, etyl axetat… Ngoài ra người ta có thể dùng chúng làm dung môi hòa tan nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. VÕ VĂN BANG – VŨ BÁ MINH: Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học – Nhà xuất bản đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh 2. http://vi.wikipedia.org/wiki/Ch%C6%B0ng_c%E1%BA%A5t 3. http://www.ebook.edu.vn/ 4. GS.TS. ĐÀO VĂN LƯỢNG: Nhiệt động hóa học – Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật 5. http://tailieu.vn/