BÁO cáo THỰC HÀNH các QUÁ TRÌNH và THIẾT bị TRONG CÔNG NGHỆ hóa học bài 10 CHƯNG cất

Mục đích thí nghiệm Khảo sát và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số: chỉ số hồi lưu, nhiệt độ trạngthái và vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất quá trình chưng cất vàl

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÁO CÁO THỰC HÀNH

CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÀI 10: CHƯNG CẤT

Giảng viên hướng dẫn: TS TRẦN THẢO QUỲNH NGÂN

Sinh viên thực hiện: TRẦN NGUYỄN HOÀNG QUYÊN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2020

BÀI 10: CHƯNG CẤT

10.1 Mục đích thí nghiệm

Khảo sát và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số: chỉ số hồi lưu, nhiệt độ (trạngthái) và vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất quá trình chưng cất vàlượng nhiệt cần sử dụng

10.2 Cơ sở lý thuyết

10.2.1 Cân bằng vật chất

Quá trình tính toán cân bằng vật chất chưng cất dựa trên cơ sở phương pháp McCabeTheile xem gần đúng đường làm việc phần chưng và phần cất là đường thẳng vàchấp nhận một số giả thuyết sau:

 Suất lượng mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả các tiết diệncủa tháp

 Nồng độ pha lỏng sau khi ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi ra khỏiđỉnh tháp

 Dòng hơi vào và ra của tháp ở trạng thái hơi bão hòa

 Dòng hồi lưu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi

 Suất lượng mol pha lỏng không đổi theo chiều cao của đoạn cất và đoạn chưng

10.2.1.1 Phương trình cân bằng vật chất

F=P+W

x F F=x P P+ x W .W

Trong đó:

F , P ,W: suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh, kmol/h

x F ,x P , x w: thành phần mol của cấu tử nhẹ trong hỗn hợp nhập liệu, sản phẩm đỉnh,

sản phẩm đáy, mol/mol

10.2.1.2 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)

 Chỉ số hồi lưu là tỷ số giữa lưu lượng hoàn lưu (L0) và lưu lượng của dòng sảnphẩm đỉnh (P)

F= L P0

 Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu (R min

) và xác định theo công thức: R=b R min

10.2.1.3 Phương trình đường làm việc

 Phương trình làm việc của đoạn cất:

10.2.2 Cân bằng năng lượng

10.2.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Q nl =F C p F .(t F r −t F v)+Q m nl

Trong đó:

Q nl: nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu, kW

F: lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu, kg/s

C p F là nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg.℃

t F r ,t F v: nhiệt độ nhập liệu ra và vào khỏi thiết bị,℃

Q m nl: nhiệt mất mát ở thiết bị gia nhiệt nhập liệu, kW

10.2.2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

 Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh

Q ng =P (R+1).r P =G C (t r −t v)+Q m ng

 Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh

Q ng =P (R+1).r P +P (R+1).C p P .(t S P −t P )=G C (t r −t v)+Q m ng

Trong đó:

P: lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/s

r P: nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg

C p P: nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg.℃

t r ,t v: nhiệt độ ra và vào của nước,℃

G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s

C: nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg.℃

t S P: nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh,℃

t P: nhiệt độ của sản phẩm đỉnh sau làm lạnh,℃

Q m ng: nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ, kW

10.2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

P , W: lưu lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/s

C p P ,C p W: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, kJ/kg.℃

t P r ,t P v: nhiệt độ của sản phẩm đỉnh ra và vào khỏi thiết bị,℃

t Wr ,t Wv: nhiệt độ của sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị,℃

t 1r ,t 1 v: nhiệt độ vào và ra của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh,℃

t 2 r ,t 2v: nhiệt độ vào và ra của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy,℃

G1: lưu lượng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kg/s

G2: lưu lượng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kg/s

C1: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, J/kg.℃

C2: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, J/kg.℃

Q m¿P: nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kW

Q m¿W: nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kW

10.2.2.4 Cân bằng nhiệt toàn tháp

Hình 10.2 Sơ đồ tính toán cân bằng nhiệt lượng

 Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Q F +Q K +Q L0 =Q F +Q K +Q F +Q m +Q ng

⟹Q K =Q P +Q W +Q m +Q ng −Q F −Q L0

Trong đó:

Q K: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kW

Q m: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh và thường được lấy gần bằng khoảng 5% đến 10% lượng nhiệt cần cung cấp

Q F: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, kW

 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu, khảo sát mâm nhập liệu cuối cùng

 Khảo sát 02 vị trí còn lại của mâm nhập liệu

10.3.2 Các lưu ý

Trong suốt quá trình làm thí nghiệm cần chú ý những vấn đề sau:

 Lưu lượng dòng nước giải nhiệt vào trong hệ thống, nếu không có nước giảinhiệt thì phải ngưng hệ thống

 Lưu lượng hỗn hợp nhập liệu hết thì phải ngừng quá trình làm việc

 Theo dõi sự biến đổi nhiệt độ trong suốt thời gian làm việc và giải thích

 Đánh giá kết quả đo thành phần và lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh để điềuchỉnh chế độ làm việc hợp lý

10.4.1.2 Buổi 2: Khảo sát các vị trí của mâm nhập liệu

Bảng 10.2 Kết quả thí nghiệm khảo sát mâm nhập liệu ở đáy, giữa và đỉnh tháp với tỷ số

hồi lưu R=2,333

ST

10.4.2 Xử lý số liệu:

Các thông số cố định:

 Nhập liệu ban đầu: 20(l) cồn 30° (%V rượu=30% ¿ tại nhiệt độ phòng t=30℃

 Ở nhiệt độ t=30℃: ρ nước=995,7(kg/m3) ρ rượu=780,5(kg/m3)

10.4.2.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

 Chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Hình 10.3 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

Ta có:x P =0,8105(kmol /kmolhh), x F =0,1103(kmol/kmolhh),B=0,4

10.4.2.2 Tính toán lượng vật liệu của các mâm

 Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu :

Bảng 10.4 Xử lý số liệu tại các mâm nhập liệu ở đáy, giữa và đỉnh tháp với tỷ số hồi lưu

10.4.2.3.1 Phương trình làm việc đường chưng, đường cất và tính số mâm lý

thuyết tại các mâm nhập liệu

 Phương trình làm việc phần chưng (khảo sát tại mâm đỉnh)

 Tương tự ta được kết quả:

Bảng 10.6 Phương trình đường chưng và đường cất tại mâm

PT cất y cất =0,91 x+0,0138

 Tính số mâm lý thuyết:

 Mâm đáy:  Số mâm lý thuyết: 4,5 mâm

Mâm đáy

Hình 10.4 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu đáy

 Mâm giữa:  Số mâm lý thuyết: 3 mâm

Mâm giữa

Hình 10.5 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu giữa

6

 Mâm đỉnh:  Số mâm lý thuyết: 5 mâm

Mâm đỉnh

Hình 10.6 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu đỉnh

10.4.2.3.1 Cân bằng nhiệt lượng

 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu:

 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu:

C ρ F =x F .C ρ r +C ρ n .(1−x F)=0,2406.2,98+4,19.(1−0,2406)=3,899(kJ /kg℃)

Nhiệt lượng của cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu:

Q nl =F C p F .(t F r −t F v)+Q m nl =9,6477.3,899.(94,8−30,1)+0=2433,78(kJ /h)

 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:

 Ẩn nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh:

Bảng 10.7 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

r P Q ng

Mâm đáy 969,11 6053,97Mâm giữa 969,11 1659,47Mâm đỉnh 984,36 1583,42

 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:

 Tương tự, ta có bảng số liệu sau:

Bảng 10.8 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

C p P Q¿P C p w Q¿w

Mâm đáy 3 274,37 3,9 2000,43Mâm giữa 3 79,65 3,93 2093,83Mâm đỉnh 3,01 83,01 3,92 2092,45

8

 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng:

 Tương tự, ta có bảng số liệu sau:

Bảng 10.9 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp

độ sản phẩm đỉnh cũng cao hơn sao với nhập liệu mâm giữa và mâm đỉnh (minh chứngqua số mâm lý thuyết).

 Nguyên nhân gây sai số trong quá trình thực nghiệm: do ảnh hưởng của điều kiện môitrường xung quanh tới thiết bị; trong quá trình tính toán, xử lý số liệu có làm tròn số

 Ngoài ra, quá trình hoạt động của tháp chưng không ổn định do thời tiết, các thông sốlàm việc không phù hợp với trạng thái nhập liệu; thiết bị cũ kỹ; bảo ôn, cách nhiệt kém;

thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh làm việc thiếu hiệu quả

10.4.2.4 Tỷ số hồi lưu R=1,5

10.4.2.4.1 Phương trình làm việc đường chưng, đường cất và tính số mâm lý

thuyết tại các mâm nhập liệu

 Phương trình làm việc phần chưng (khảo sát tại mâm giữa)

 Tương tự ta được kết quả:

Bảng 10.6 Phương trình đường chưng và đường cất tại mâm

10

 Tính số mâm lý thuyết:

 Mâm đáy:  Số mâm lý thuyết: mâm

Hình 10.4 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu đáy

 Mâm giữa:  Số mâm lý thuyết: mâm

Hình 10.5 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu giữa

10.4.2.4.1 Cân bằng nhiệt lượng

 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu:

 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu:

C ρ F =x F .C ρ r +C ρ n .(1−x F)=0,2406.2,98+4,19.(1−0,2406)=3,899(kJ /kg℃)

Nhiệt lượng của cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu:

Q nl =F C p F .(t F r −t F v)+Q m nl =9,6477.3,899.(94,8−30,1)+0=2433,78(kJ /h)

 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:

 Ẩn nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh:

r P =x p .r r+(1−x p).r n=0,9162.846,57+(1−0,9162).2308,9=969,11(kJ/kg)

 Nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:

Q ng =P (R+1).r P +Q m ng=1,874.(2,333+1).969,11=6053,97(kJ/h)

 Tương tự ta có băng số liệu sau:

Bảng 10.7 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

r P Q ng

Mâm đáyMâmgiữa

 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:

C p w =x w .C ρ r +C ρ n .(1−x w)=0,2212.2,89+(1−0,2212).4,19=3,9(kJ /kg℃)

Nhiệt lượng làm lạnh sản phẩm đỉnh:

Q¿w =W C p w .(t w r −t w v)+Q m¿P =8,5577 3,9 (91,7−31,8)+0=76,15(kJ /h)

 Tương tự, ta có bảng số liệu sau:

Bảng 10.8 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

C p P Q¿P C p w Q¿w

Mâm đáyMâm giữa

 Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng:

 Tương tự, ta có bảng số liệu sau:

Bảng 10.9 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp