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
Trang 1BỘ 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
Trang 3BÀI 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 diện của tháp
Nồng độ pha lỏng sau khi ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi ra khỏi đỉnh 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 sản phẩm 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 Rmin
10.2.1.3 Phương trình đường làm việc
Trang 410.2.1.4 Xác định số mâm lý thuyết
Hình 10.1 Xác định số mâm lý thuyết
10.2.2 Cân bằng năng lượng
10.2.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Q nl: nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu, kW
F: lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu, kg/s
2download by : skknchat@gmail.com
Trang 5C 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
C p P: nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg.℃ tr ,tv: nhiệt độ ra và vào của nước,℃
G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s
t S P : nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh,℃
m ng: nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ, kW
10.2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh
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 2 v: 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
Trang 6C 1: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, J/kg.℃
C 2: 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
Trang 7Xác 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 giải nhiệt 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 điều chỉnh 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
Trang 96download by : skknchat@gmail.com
Trang 1010.4.2 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
Trang 111download by : skknchat@gmail.com
Trang 12Ta 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 :
Trang 13Bảng 10.4 Xử lý số liệu tại các mâm nhập liệu ở đáy, giữa và đỉnh tháp
với tỷ số hồi lưu R=2,333
Trang 14download by : skknchat@gmail.com
Trang 15Tương tự ta được kết quả:
Bảng 10.6 Phương trình đường chưng và đường cất tại mâm
Trang 164download by : skknchat@gmail.com
Trang 17PT cất y cất =0,91 x+ 0,0138
Tính số mâm lý thuyết:
Mâm đáy
Hình 10.4 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu đáy
Mâm giữa
Hình 10.5 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu giữa
Trang 18download by : skknchat@gmail.com
Trang 19Mâm 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:
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:
Trang 20Bảng 10.7 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Tương tự, ta có bảng số liệu sau:
Bảng 10.8 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh
Trang 21Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng:
Tương tự, ta có bảng số liệu sau:
Bảng 10.9 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp
Qua thực nghiệm, ta thấy ở cùng một nhiệt độ nhập liệu ở mâm trên, mâm giữa và
mâm dưới khi chỉ số hồi lưu R không đổi thì nồng độ sản phẩm đỉnh giảm
Nhập liệu ở mâm dưới được xem là tối ưu nhất bởi thời gian lưu của dòng lưu lượngnhập liệu khi chảy xuống nồi đun sẽ thấp hơn nhiều, do quãng đường ngắn hơn nên nồng
Trang 22độ sản phẩm đỉnh cũng cao hơn sao với nhập liệu mâm giữa và mâm đỉnh (minh chứng qua số mâm lý thuyết).
Nguyên nhân gây sai số trong quá trình thực nghiệm: do ảnh hưởng của điều kiện môi trường 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.
Tương tự ta được kết quả:
Bảng 10.6 Phương trình đường chưng và đường cất tại mâm
Trang 23download by : skknchat@gmail.com
Trang 24Tính số mâm lý thuyết:
Hình 10.4 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu đáy
Hình 10.5 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu giữa
11download by : skknchat@gmail.com
Trang 2510.4.2.4.1 Cân bằng nhiệt lượng
Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập
liệu: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu:
Nhiệt lượng của cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu:
Q nl =F C p F (t F r −t F v )+Qm 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:
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 đáyMâmgiữaCân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm
Trang 26C 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:
Tương tự, ta có bảng số liệu sau:
Bảng 10.8 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh
Tương tự, ta có bảng số liệu sau:
Bảng 10.9 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp
13download by : skknchat@gmail.com
Trang 27thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh làm việc thiếu hiệu quả.
