Tháp chưng cất — Nguyên lý

Tháp chưng cất tách hỗn hợp lỏng bằng cách làm cho hơi đi lên và chất lỏng chảy xuống trong cùng một tháp. Nếu một cấu tử dễ bay hơi hơn ở áp suất đã chọn, nó có xu hướng tập trung về phía đỉnh, còn cấu tử kém bay hơi hơn có xu hướng tập trung về phía đáy.

Ý tưởng chính rất đơn giản: tháp thực hiện nhiều bước bay hơi-ngưng tụ nhỏ bên trong một thiết bị. Sự tiếp xúc lặp lại đó là lý do vì sao chưng cất phân đoạn có thể tách hỗn hợp tốt hơn nhiều so với chỉ một bước đun sôi.

Tháp chưng cất làm gì

Trong hỗn hợp nhị phân, cấu tử dễ bay hơi hơn đi vào pha hơi dễ hơn cấu tử kém bay hơi hơn. Tháp chưng cất dùng sự khác biệt đó để chia dòng cấp thành:

• sản phẩm đỉnh, gọi là distillate, thường giàu cấu tử dễ bay hơi hơn
• sản phẩm đáy, thường gọi là bottoms, thường giàu cấu tử kém bay hơi hơn

Điều này chỉ hiệu quả nếu các cấu tử có tính chất đủ khác nhau trong khoảng áp suất và nhiệt độ đã chọn. Nếu độ bay hơi của chúng quá gần nhau, hoặc nếu hỗn hợp tạo azeotrope, chưng cất thông thường sẽ có giới hạn tách thực sự.

Các bộ phận chính của tháp chưng cất phân đoạn

Mâm hoặc vật liệu đệm

Bên trong tháp, mâm hoặc vật liệu đệm tạo ra sự tiếp xúc lặp lại giữa hơi và lỏng. Chính tại nơi tiếp xúc đó, mỗi bước tách nhỏ diễn ra.

Nồi đun lại

Nồi đun lại ở đáy cung cấp nhiệt. Nó làm sôi một phần chất lỏng và đưa hơi đi lên qua tháp.

Bình ngưng

Bình ngưng ở đỉnh lấy nhiệt ra khỏi dòng hơi đỉnh. Một phần hoặc toàn bộ lượng hơi đó sẽ ngưng tụ.

Hồi lưu

Hồi lưu là phần chất lỏng ngưng tụ ở đỉnh được đưa trở lại tháp. Nó giúp phần trên của tháp được làm giàu hơn về cấu tử dễ bay hơi. Nói chung, hồi lưu nhiều hơn sẽ cải thiện sự tách, nhưng cũng làm tăng tiêu thụ năng lượng.

Điểm cấp liệu

Dòng cấp liệu thường đi vào ở đâu đó giữa đỉnh và đáy. Phía trên điểm cấp liệu, tháp chủ yếu làm giàu cấu tử dễ bay hơi hơn. Phía dưới điểm cấp liệu, tháp chủ yếu tách cấu tử đó ra khỏi dòng lỏng đi xuống.

Quá trình tách diễn ra như thế nào bên trong tháp

Tháp hoạt động theo dòng ngược chiều:

1. Nhiệt ở đáy tạo ra hơi đi lên.
2. Làm lạnh ở đỉnh tạo ra chất lỏng đi xuống.
3. Trên mỗi mâm hoặc dọc theo lớp đệm, hơi và lỏng trao đổi khối lượng.
4. Hơi đi lên trở nên giàu hơn về cấu tử dễ bay hơi.
5. Lỏng đi xuống trở nên giàu hơn về cấu tử kém bay hơi.

Điểm then chốt là hơi và lỏng tiến gần đến cân bằng một cách cục bộ và lặp lại, chứ không phải tất cả cùng lúc. Vì vậy người ta thường mô tả tháp như một chuỗi gồm nhiều bậc tách nhỏ.

Ví dụ minh họa: chưng cất ethanol-nước

Xét một dòng cấp chứa ethanol và nước ở áp suất khí quyển. Trong điều kiện đó, ethanol là cấu tử dễ bay hơi hơn, nên pha hơi có xu hướng chứa tỷ phần ethanol cao hơn pha lỏng.

Bên trong tháp, hơi đi lên về phía đỉnh sẽ ngày càng giàu ethanol hơn, còn lỏng chảy xuống sẽ ngày càng giàu nước hơn. Kết quả là:

• distillate ở đỉnh chứa nhiều ethanol hơn dòng cấp
• bottoms ở đáy chứa nhiều nước hơn dòng cấp

Ví dụ này cũng cho thấy một giới hạn quan trọng. Ở áp suất khí quyển, chưng cất phân đoạn thông thường không thể tạo ra ethanol hoàn toàn tinh khiết từ hỗn hợp ethanol-nước vì hệ này tạo azeotrope. Nguyên lý vẫn đúng, nhưng độ tinh khiết cuối cùng phụ thuộc vào cân bằng hơi-lỏng thực tế.

Những lỗi thường gặp của học sinh

Nghĩ rằng nhiệt độ sôi thấp hơn nghĩa là lập tức tinh khiết

Cấu tử dễ bay hơi hơn sẽ được làm giàu về phía đỉnh, nhưng điều đó không có nghĩa là sản phẩm đỉnh trở nên tinh khiết chỉ sau một bước tiếp xúc. Sự tách phụ thuộc vào đủ số bậc, đủ hồi lưu và hành vi pha thuận lợi.

Bỏ qua vai trò của hồi lưu

Nếu không có hồi lưu, phần đỉnh của tháp sẽ mất đi một trong những cơ chế chính để nâng cao độ tinh khiết. Hồi lưu là yếu tố trung tâm giúp chưng cất phân đoạn đạt độ sắc nét đủ để hữu ích.

Cho rằng mọi hỗn hợp đều có thể tách hoàn toàn

Một số hỗn hợp có độ bay hơi quá gần nhau nên khó tách, và một số hỗn hợp tạo azeotrope. Trong những trường hợp đó, một tháp tiêu chuẩn có thể không đạt được độ tinh khiết mục tiêu nếu không thay đổi áp suất hoặc dùng phương pháp khác.

Xem tháp chỉ là một thiết bị gia nhiệt

Tháp chưng cất không chỉ là một tháp nóng. Nó phụ thuộc vào cả gia nhiệt lẫn làm lạnh, và vào sự tiếp xúc hơi-lỏng bên trong. Nếu thiếu toàn bộ vòng này, cách hiểu về quá trình tách sẽ không đầy đủ.

Tháp chưng cất được dùng ở đâu

Tháp chưng cất được dùng khi cần tách một hỗn hợp lỏng dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi. Những ứng dụng phổ biến gồm lọc dầu, thu hồi dung môi, xử lý cồn và sản xuất hóa chất quy mô lớn.

Ý tưởng tương tự cũng xuất hiện trong các hệ chuyên biệt hơn, như tách không khí ở nhiệt độ cực thấp, nơi điều kiện áp suất và nhiệt độ được chọn để các cấu tử có thể được tách bằng cân bằng hơi-lỏng theo từng bậc.

Cách đọc một bài toán về tháp chưng cất

Khi gặp một bài toán về tháp chưng cất, trước hết hãy xác định cấu tử dễ bay hơi hơn và hỏi xem nó sẽ được làm giàu ở đâu. Sau đó kiểm tra vị trí cấp liệu, sản phẩm đỉnh và đáy, cũng như xem có hồi lưu và tải nhiệt nồi đun lại hay không. Trình tự đó thường giúp sơ đồ quá trình dễ hiểu hơn nhiều.

Hãy thử một trường hợp tách tương tự

Hãy tự thử với một hỗn hợp nhị phân khác và đặt ra ba câu hỏi: cấu tử nào dễ bay hơi hơn, điều gì sẽ xảy ra ở đỉnh, và điều gì sẽ xảy ra ở đáy. Nếu muốn đi xa hơn, một công cụ giải hóa học có thể giúp bạn kiểm tra phần cân bằng khối lượng sau khi ý tưởng tách đã rõ ràng.