Luận án Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách hiệu quả cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí bằng phương pháp mô phỏng

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TÁC NHÂN TÁCH HIỆU QUẢ CHO QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT TĂNG CƯỜNG ĐỂ TÁCH HỖN HỢP ĐẲNG PHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

Ngành:

Kỹ thuật hóa học

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án "NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN TÁC NHÂN TÁCH HIỆU QUẢ CHO QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT TĂNG CƯỜNG ĐỂ TÁCH HỖN HỢP ĐẲNG PHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG" thuộc ngành Kỹ thuật hóa học, giải quyết vấn đề cấp thiết trong sản xuất công nghiệp là tách các hệ dung dịch phức tạp, đặc biệt là hỗn hợp đẳng phí, bằng phương pháp chưng cất tăng cường. Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc đáng kể vào việc lựa chọn tác nhân tách. Tuy nhiên, các tiêu chí và quy tắc hiện có thường mang tính định tính, chưa hoàn chỉnh hoặc mâu thuẫn.

Mục đích chính của luận án là lựa chọn và đề xuất quy trình xác định tiêu chí tổng quát và định lượng dựa trên "Tổng chi phí năm (Total annual costs - TAC)" để lựa chọn tác nhân tách hiệu quả cho các quá trình chưng cất tăng cường, áp dụng cho cả hỗn hợp khó tách và hỗn hợp đẳng phí phức tạp. Đối tượng nghiên cứu bao gồm các quá trình tách hỗn hợp điển hình có ứng dụng quan trọng trong công nghiệp, từ hệ gần lý tưởng đến hệ đẳng phí phức tạp (đồng thể và dị thể).

Các nội dung nghiên cứu chính bao gồm: nghiên cứu áp dụng phương pháp mô phỏng để xác định độ chọn lọc giới hạn của tác nhân tách (S12⁰ hoặc S21⁰) nhằm lập danh sách và xếp hạng các tác nhân tiềm năng; đề xuất quy trình xác định tiêu chí TAC cho các quá trình chưng cất tăng cường, bao gồm việc xác định lượng tác nhân tách tiêu tốn thích hợp (S/F)opt và lượng nhỏ nhất (S/F)min; xác định phạm vi ứng dụng của các tiêu chí sàng lọc; và mô phỏng quá trình chưng cất tăng cường sử dụng hỗn hợp tác nhân tách (lỏng + muối tan).

Luận án đã đóng góp mới bằng việc đề xuất phương pháp xác định tỷ số dòng tác nhân tách và dòng hỗn hợp đầu nhỏ nhất (S/F)min bằng mô phỏng, giúp tiết kiệm thời gian và tăng hiệu quả tách. Đồng thời, nghiên cứu lựa chọn tiêu chí TAC và đề xuất quy trình, thuật toán phân rã để xác định (S/F)opt, mang tính tổng quát và định lượng cao về hiệu quả kinh tế. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp cao với số liệu thực nghiệm, đặc biệt khi sử dụng hỗn hợp tác nhân tách lỏng – muối, giúp tăng cường độ bay hơi tương đối, giảm chiều cao tháp và chi phí vận hành. Luận án khẳng định tiêu chí TAC là phương pháp đánh giá định lượng hiệu quả kinh tế cho việc lựa chọn tác nhân tách trong chưng cất tăng cường, đặc biệt đối với các hệ dung dịch thực.

Mục lục chi tiết:

Cấu trúc của luận án:

• Mở đầu (3 trang)
• Chương 1 - Tổng quan (21 trang)
• Chương 2 - Phương pháp nghiên cứu (23 trang)
• Chương 3 - Kết quả và thảo luận (71 trang)
• Kết luận (1 trang)
• Danh mục các công trình công bố của tác giả (1 trang, với 4 công trình đã công bố)
• Tài liệu tham khảo (7 trang, với 89 tài liệu tham khảo)
• 63 bảng và 54 hình vẽ

NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN

Chương 1. TỔNG QUAN

• Tổng quan về lịch sử phát triển và ứng dụng của phương pháp chưng cất tăng cường để tách các hỗn hợp khó tách: Tổng quan về các phương pháp tách hỗn hợp đẳng phí, lựa chọn quá trình tách cho các hỗn hợp đẳng phí, hỗn hợp khó tách, tầm quan trọng của vấn đề lựa chọn tác nhân tách và tóm tắt lịch sử phát triển của phương pháp chưng cất tăng cường;
• Tổng quan về các quy tắc và các tiêu chí lựa chọn tác nhân tách cho quá trình chưng cất tăng cường: các tiêu chí lựa chọn tác nhân tách theo độ bay hơi tương đối hoặc theo độ chọn lọc, độ chọn lọc giới hạn của tác nhân tách, các quy tắc lựa chọn tác nhân tách cho các quá trình chưng cất đẳng phí, các quy tắc lựa chọn tác nhân tách cho các quá trình chưng cất trích ly, lượng tác nhân tách tiêu tốn cho quá trình chưng cất tăng cường, nhận xét về các tiêu chí và các quy tắc lựa chọn tác nhân tách;
• Tổng quan về ứng dụng phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu tách hỗn hợp đẳng phí.

Chương 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

• 2.1. Độ tin cậy của các mô hình cân bằng pha để xác định hệ số hoạt độ của các cấu tử trong dung dịch vô cùng loãng (hệ hai pha lỏng - hơi).
• 2.2. Mô hình cân bằng pha NRTL và ứng dụng để dự đoán hệ số hoạt độ và cân bằng pha trong hệ ba pha lỏng - lỏng - hơi:
• 2.3. Mô hình chưng cân bằng pha liên tục FLASH để xác định các hệ số hoạt độ và độ chọn lọc giới hạn của tác nhân tách S12∞
• 2.4. Mô hình chưng cân bằng pha liên tục FLASH để xác định lượng tác nhân tách tiêu tốn nhỏ nhất (S/F)min:
• 2.5. Mô hình tổng quát của tháp chưng cất liên tục hỗn hợp nhiều cấu tử (Hệ phương trình MESH: Material balance – phase Equilibrium – mole Summation – energy balance(H)).
• 2.6. Tiêu chí tổng chi phí năm (Total annual costs - TAC) và ứng dụng để lựa chọn tác nhân tách cho quá trình chưng cất tăng cường.

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

• 3.1. Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ gần với hệ lý tưởng
  • 3.1.1. Số liệu cân bằng pha lỏng - hơi của hệ n-butan(1) - cis-2-buten(2) (Mô hình cân bằng pha UNIFAC Dortmund)
  • 3.1.2. Xác định độ chọn lọc giới hạn S12∞ của n-butan(1) - cis-2-buten(2) trong một số tác nhân tách (Bảng 3.4).
  • 3.1.3. Xác định lượng tác nhân tách thích hợp (S/F)opt theo tiêu chí (TAC)min (Hình 3.3).
  • 3.1.4. Xếp hạng tác nhân tách theo độ chọn lọc giới hạn S12∞ và theo tiêu chí tổng chi phí năm (TAC) (Bảng 3. 4).
• 3.2. Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ đẳng phí:
  • 3.2.1. Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ đẳng phí cực tiểu đồng thể: Ví dụ chọn hệ axeton(1) – n-heptan(2) bằng tác nhân tách benzen.
    • 3.2.1.1. Xác định lượng tác nhân tách tiêu tốn nhỏ nhất (S/F)min (Hình 3.6).
    • 3.2.1.2. Nghiên cứu khả năng xuất hiện đa trạng thái ổn định trong tháp chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí:
    • 3.2.1.3. Quy trình xác định lưu lượng dòng tác nhân tách thích hợp (S/F)opt cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí.
    • 3.2.1.4. Lựa chọn tác nhân tách hiệu quả cho quá trình chưng cất tăng cường
  • 3.2.2. Nghiên cứu lựa chọn tác nhân tách cho hệ đẳng phí phức tạp
    • 3.2.2.1. Xếp thứ hạng tác nhân tách tiềm năng theo độ chọn lọc giới hạn S12∞ (hoặc S21⁰) cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí etanol(1) - nước(2) (Bảng 3. 14).
    • 3.2.2.2. Xác định lượng tác nhân tách tiêu tốn nhỏ nhất (S/F)min của một số tác nhân tách cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí etanol - nước (Bảng 3.14).
    • 3.2.2.3. Lựa chọn tác nhân tách theo tiêu chí tổng chi phí năm (TAC) cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí etanol - nước.
      • A. Lựa chọn tác nhân tách theo tiêu chí TAC cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí đồng thể etanol - nước sử dụng một số tác nhân tách có nhiệt độ sôi cao.
        • 1) Xác định lượng tác nhân tách tiêu tốn thích hợp (S/F)opt
        • 2) Xếp thứ hạng tác nhân tách theo tiêu chí tổng chi phí năm (TAC) và theo độ chọn lọc giới hạn S12∞ (hoặc S21⁰) cho các tác nhân tách có nhiệt độ sôi cao (Bảng 3. 30 và Hình 3. 37).
      • B. Lựa chọn tác nhân tách theo tiêu chí TAC cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hệ đẳng phí dị thể (hệ etanol - nước - xyclohexan)
        • 1) Sơ đồ hệ thống chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí dị thể (Hình 3. 39).
        • 2) Thuật toán phân rã để giải hệ phương trình mô tả hệ thống chưng cất tăng cường (Hình 3. 41).
        • 3) Xác định tỷ số (S/F)opt cho quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp etanol – nước bằng tác nhân tách xyclohexan
• 3.3. Nghiên cứu mô phỏng quá trình chưng cất tăng cường sử dụng hỗn hợp tác nhân tách
  • 3.3.1. Lựa chọn và xác định các thông số của mô hình cân bằng pha NRTL sử dụng để mô phỏng quá trình chưng cất tăng cường
  • 3.3.2. Mô phỏng quá trình chưng cất tăng cường để tách hỗn hợp đẳng phí etanol - nước bằng hỗn hợp tác nhân tách (etylen glycol + KAc).
    • 3.3.2.1. Sơ đồ công nghệ của quá trình:
    • 3.3.2.2. Kết quả mô phỏng hệ thống chưng cất tăng cường
    • 3.3.2.3. Tiểu kết: