Thí nghiệm quá trình thiết bị phần chưng cất 4

TRÍCH YẾU: 1.1 Mục đích thí nghiệm: Khảo sát ảnh hưởng của lượng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt động của nhập liệu đếnđộ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp

1 TRÍCH YẾU:

1.1 Mục đích thí nghiệm:

Khảo sát ảnh hưởng của lượng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt động của nhập liệu đếnđộ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp chưng

1.2 Cách tiến hành thí nghiệm

- Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu: giữ lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 vào mâm số 4 không đổi, thí nghiệm với 3 trị số khác nhau của dòng hoàn lưu ở độ đọc 5, 10, 15

- Ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu: thay đổi hai vị trí mới của nhập liệu vào mâm số 5 và mâm số 2, giữ nguyên lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 và dòng hoàn lưu ở độ đọc 10

- Đo nhiệt độ dòng nhập liệu trước khi vào mâm TE và nhiệt độ dòng hoàn lưu TR

- Trong mỗi thí nghiệm, lần lượt lấy mẫu ở E, K để đo x1E, x1K

- Đo lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh K

1.3 Kết quả thí nghiệm:

Thí

nghiệm

Vị trí

mâm

nhập

liệu

Lưu lượng dòng Độ chỉ phù

kế

Nhiệt độ đo ( ·C ) Nhập

liệu (F)

Hoàn lưu (L0)

Đỉnh (D) (ml/ph) Nhậpliệu Đỉnh t

F tD tL0

2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:

Mô hình số mâm lý thuyết là một mô hình toán đơn giản nhất, nó dựa trên các cơ sở sau:

(a) - Cân bằng giữa hai pha

(b) - Phù hợp với các điều kiện và động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm sao cho ta có được một mâm lý thuyết giữa hai pha (hơi, lỏng) và như vậy nó phải thỏa mãn các điều kiện sau:

- Pha lỏng phải được hòa trộn hoàn toàn trên mâm

- Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có nồng độ đồng đều ở mọi vị trí trên một tiết diện của dòng piston

- Trên từng mâm luôn luôn có sự cân bằng giữa hai pha

Để thiết lập mô hình, ta có định nghĩa về Độ trao đổi: đại lượng tổng quát đánh giá sự trao đổi giữa các pha, nó đánh giá sự khác nhau giữa một mâm thực và một mâm lý tưởng

- Trong trường hợp độ trao đổi đánh giá một mâm, người ta còn gọi là hiệu suất theo Murphee:

1 n

* n

1 n n

M y y

y y E

+

+

−

−

=

- Khi đánh giá cho toàn bộ tháp, người ta gọi là hiệu suất tháp và được định nghĩa (khi xác định số mâm lý thuyết kể cả mâm đáy):

E0 =

mâmthực

1 ng sốbậctha −

- Khi chỉ khảo sát một phần, một vùng trên mâm thì no có tên là độ trao đổi cục bộ:

1 1

'

n n C

en n

E

+ +

−

=

−

(c) - Phương trình các đường vận hành

- Phương trình đường luyện:

y = RR+1x + R1+1xD

Với:

• R tỷ số hoàn lưu ; R = L0/D (L0: dòng hoàn lưu; D: lượng sản phẩm đỉnh)

• xD : nồng độ sản phẩm đỉnh

- Phương trình đường chưng:

' '

w

L x Wx y

G

−

= Với:

• xw: nồng độ sản phẩm đáy

• W: dòng sản phẩm đáy

• L’, G’: dòng lỏng, hơi đi trong phần chưng

- Phương trình đường nhập liệu:

f

x q

Với:

• x1E : nồng độ nhập liệu

• q : tỷ số giữa nhiệt cần thiết để biến một mol nhập liệu từ trạng thái đầu thành hơi bão hòa; q được tính theo công thức:

G F

G L

h h q

h h

−

=

−

Trong đó:

• hF = cF.TF (cF: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu; TF: nhiệt độ của trạng thái nhập liệu ở nồng độ xF )

• hG: nhiệt hàm của pha hơi đi trong tháp

• hL : nhiệt hàm của pha lỏng đi trong tháp

Mặt khác, hiệu suất mâm EM tại mâm n được định nghĩa như sau:

EM = Với:

• yn : nồng độ thực của pha hơi rời mâm n

• y*n : nồng độ cân bằng của pha hơi rời mâm n

• yn+1: nồng độ thực của pha hơi vào mâm n Nếu giả sử được đường vận hành và đường cân bằng là những đường thẳng, ta có thể liên hệ E0 với EM theo phương trình sau:

E0 =

) log(

)]

1 (

1 log[

L

mV L

mV

+

Với m là độ dốc đường cân bằng tại mâm đang xét

Khi biết E0, m, độ dốc đường điều hành phần cất, ta có thể lần lượt xác định được hiệu suất các mâm và vẽ được đường cân bằng mới dùng để xác định số mâm thực.Tuy nhiên khi phân tích hoạt động của tháp hay 1 phần của tháp thực tế trong đó người ta xác định sự biến thiên nồng độ qua 1 vài mâm ở các vị trí khác nhau sẽ xác định chính xác giá trị EM và EM có thể lấy bằng E0

Mặt khác ta có thể xác định được hiệu suất cục bô E0 bằng cách dùng đồ thị dựa trên phương trình đường chưng và đường nhập liệu

3 THIẾT BỊ – DỤNG CỤ – PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 3.1 Thiết bị – dụng cụ:

• Hệ thống tháp chư ng cất gồm 5 mâm thực, loại mâm xuyên lỗ

• Các đồng hồ đo nhiệt độ các dòng nhập liệu hoàn lưu, sản phẩm đỉnh, nồi đun và tại các mâm

• Hai lưu lượng kế để đo dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu

• Một phù kế đo độ rượu

• Hai ống khắc vạch (ống đong nhỏ và lớn): ống lớn để chứa rượu và ống nhỏ để

đo lưu lượng sản phẩm đỉnh

3.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm:

3.2.1 Khởi động hệ thống:

• Kiểm tra nguyên liệu: mực chất lỏng phải hơn 1/3 ống thủy bên hông nồi đun

• Đưa điện vào hệ thống: đóng cầu dao điện, bật nút main power

• Bơm nguyên liệu vào nồi đun sau đó gia nhiệt cho nồi đun đồng thời mở van nước ngưng tụ

3.2.2 Nhập liệu vô mâm:

• Khi thấy có pha hơi bốc lên và ngưng tụ thì mở bơm nhập liệu và bật công tắc gia nhiệt dòng nhập liệu

• Chỉnh lưu lượng kế ở độ đọc 30

3.2.3 Khởi động dòng hoàn lưu:

• Bật công tắc bơm hoàn lưu và điện trở gia nhiệt hoàn lưu

• Chỉnh lưu lượng kế ở các độ đọc cần khảo sát

3.2.4 Chuyển đổi các chế độ khảo sát:

• Khi muốn chuyển đổi giữa các chế độ khảo sát ta phải đảm bảo sản phẩm đỉnh thuộc hoàn toàn chế độ khảo sát

• Sau khi chỉnh lưu lượng dòng hoàn lưu, ta đợi cho mực nước trong bình sản phẩm đỉnh dâng lên khoảng 5cm thì tháo ra hết

• Sau đó tiếp tục đo các số liệu như lần thí nghịêm trước

3.2.5 Các số liệu cần đo và phương pháp đo:

• Độ rượu nguyên liệu và sản phẩm đỉnh: đo bằng phù kế

• Lưu lượng dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu: đo bằng lưu lượng kế

• Lưu lượng sản phẩm đỉnh: đo bằng phương pháp cổ điển: đo thể tích dòng sản phẩm đỉnh chảy được trong một đơn vị thời gian

4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Bảng 1: Số liệu thô

Thí

nghiệm Vị trímâm

nhập

liệu

Lưu lượng dòng Độ chỉ phù

kế Nhiệt độ đo( ·C ) Nhập

liệu (F)

Hoàn lưu (L0)

Đỉnh (D) (ml/ph)

Nhập liệu

Đỉnh tF tD tL0

Bảng 2: Xử lý số liệu thô:

Thí

nghiê

m

Vị trí

mâm Lưu lượng dòng (ml/ph)= độdọc*5.64 Phân mol dòng

Nhập liệu (F)

Đỉnh (D)

Hoàn lưu (L0)

Nhập liệu (xF)

Đỉnh (xD)

Đáy (xW)

Với xW là nồng độ của sản phẩm đáy do tính toán ra kết quả âm nên suy ra từ nhiệt độ sôi của đáy

Bảng 3: Kết quả tính toán các thông số:

TN Vị trí

mâm Tỉ sốhoàn lưu t

F

(0C) H

F

(J/kmol) H

G_F

L_F

q

−

Bảng 4: Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu:

Thí nghiệm Phương trình đường nhập

liệu

Phương trình đường làm việc phần cất

1 y=8.52x – 0.6 y = 0.17x + 0.54

2 y= 8.75x – 0.62 y = 0.36x + 0.37

3 y= 8.81x – 0.63 y = 0.53x + 0.27

4 y= 10.26x – 0.74 y = 0.38x + 0.21

5 y= 10.26x – 0.74 y = 0.44x + 0.13

Bảng 5: Kết quả thí nghiệm:

Thí

nghiệm

Vị trí

mâm

R Số mâm

lý thuyết

Phân mol tiên đoán

xD Hiệu suất

tổng quát

1 4 0.2861

2 4 0.7976

3 4 1.4374

4 2 0.6295

5 5 0.7169

TN 1

0

20

40

60

80

100

120

x%

TN 2

0

20

40

60

80

100

120

x%

TN 3

0

20

40

60

80

100

120

x%

TN 4

0

20

40

60

80

100

120

x%

TN 5

0

20

40

60

80

100

120

x%

TN 3: 4 mâm TN 4: 3 mâm

5 BÀN LUẬN:

5.1 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất tổng quát của tháp chưng cất:

5.1.1 Aûnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu:

Khi lưu lượng dòng hoàn lưu tăng -> R tăng -> hệ số góc của phương trình đường cất tăng -> số mâm tăng -> hiệu suất của quá trình chưng cất tăng -> độ tinh khiết của sản phẩm tăng

5.1.2 Ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu:

5.2.1 Trong quá trình chưng cất, dòng lỏng cũng như dòng hơi sẽ thay đổi

nồng độ khi đi qua mỗi mâm (bậc thay đổi nồng độ) Tuy nhiên, sự thay đổi này không giống nhau ở mọi mâm mà còn phụ thuộc vào khả năng trao đởi trong mâm đó

Rõ ràng là khi cho nhập liệu ở các mâm gần đáy thì số bậc trao đổi tăng , làm cho độ tinh khiết của sản phẩm có thể tăng theo; khi cho nhập liệu ở các mâm gần đỉnh thì kết quả sẽ ngược lại

Tuy nhiên, khi cho vị trí mâm nhập liệu không giống với vị trí tính được theo lý thuyết thì khả năng trao đối của các mâm sẽ giảm (dù số mâm lý thuyết khi đó có tăng), cho nên việc đạt được độ tinh khiết cao hơn là không chắc chắn

5.2.2 Việc ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu lên hiệu suất mâm cũng không thể kết luận được dựa trên vị trí cao hay thấp của nó mà phải dựa vào sự sai lệch của nó so với vị trí lý thuyết: càng gần vị trí này thì hiệu suất của mâm càng cao

5.3 Giải thích các hiện tượng diễn ra trong khi tháp hoạt động ổn định :

Trong quá trình chưng luyện thì vị trí mâm nhập liệu được xác định tại 1 vị trí nào đó trên tháp , nhưng phần nằm trên vị trí mâm nhập liệu đựơc gọi là phần cất còn phần nằm dưới vị trí mâm nhập liệu được gọi là phần chưng Pha lỏng chuyển động trong phần cất từ trên đi xuống do dòng hoàn lưu từ trên đỉnh tháp , dòng hoàn lưu và sản phẩm đỉnh là do pha hơi ngưng tụ lại thành chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi Pha lỏng trong phần chưng càng về dưới càng ít cấu tử dễ bay hơi vì nó đã bị lôi cuốn lên các mâm trên Chất lỏng lấy từ đỉnh gọi là sản phẩm đỉnh của quá trìng chưng cất Đây là sản phẩm cuới cùng có nhiều cấu tử dễ bay hơi nhất Tóm lại trong tháp thì pha hơi đi từ dưới lên và pha lỏng đi từ trên xuống và xảy ra quá trình truyền khối giữa hai pha, nhở đó các cấu tử dể bay hơi sẽ được lôi cuốn lên trên còn các cấu tử khó bay hơi sẽ nằm dưới nồi đun gọi là sản phẩm đáy Các pha trong tháp luôn ỡ trạng thái bảo hoà ( tức là luôn ở nhiệt độ sôi và nhiệt độ ngưng tụ) , do đó nhiệt độ cao nhất là ở đáy tháp và thấp nhất là ở đỉnh tháp

5.4 Các nguyên nhân dẫn đến sai số và cách khắc phục :

trong thí nghiệm này có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số:

Các sai số hệ thống do thiết bị hệ thống và các dụng cụ đo không chính xác

+ lưu lượng kế không được chính xác

+ Hệ thống chưng cất không đượcđạt tiêu chuẩn như lý thuyết

+ Phù kế không chính xác

+ Các sai số hệ thống của thiết bị đã được ghi sẳn trên dụng cụ

Đay là các sai số không thể khắc phục được do đó để hạn chế các sai số này là cần phải làm thí nghiệm nhiều lần

Các sai số do tiến hành thí nghiệm:

+ Hệ thống chưa đạt ổn định mà đã làm thí nghiệm

+ Đọc các số liệu tại các thời điểm không đồng thờ

+ Người đọc các số liệu không chíng xác : đọc phù kế , đọc nhiệt độ , đo lưu lượng v.v

+ Quá trình tính toán phải nôi suy nhiều lần gây sai số

+ Thao tác thí nghiệm chưa thật chính xác có thể làm sai các số kiệu thí nghiệm Cách khắc phục:

+ Phải chờ cho hệ thống hoạt động ổn định

+ Làm thí nghiệm thì các thành viên trong nhóm thí nghiệm phải có sự đồng bộ, thống nhất chặt chẽ

+ Đọc các số liệu thì phải chính xác , phải hiểu rõ cách đọc phù kế và đọc các số liệu phải hết sức cẩn thận Trong quá trình tính toán các công thức , nôi suy phải chính xác

+ Phải hiểu rõ các thao tác củng như chức năng của các thiết bị để dễ dàng cho việc thí nghiệm tránh các rắc rối phát sinh trong quá trình làm thí nghiệm

6.TÍNH TOÁN:

Việc tính toán cho số liệu của cả 5 thí nghiệm là tương tự như nhau

Ta cần tính lần lượt các thông số sau:

• Đổi từ độ chỉ phù kế thành phân mol xF , xD :

xi =

n

n R

R

r R

M

) độrượu 100

.(

M

độrượu

M

độrượu

− ρ

+ ρ

ρ

• Chuyển sang thành thành phần phần trăm dùng để tra khối lượng riêng của hỗn hợp rượu:

Xi=46xi+46(1.xi−xi)18 -> ρi =

1

i i

r n

−

• MtbF , MtbD : Mtbi = xi.46+(1-xi )18

• Đổi lưu lượng các dòng từ đơn vị ml/phút thành suất lượng mol:

Gi =

6

.10 60

i tbi

i M

(Kmol/s)

• Tính xW =

D F

D D F F

G G

x G x G

−

−

• Tính tỷ số hoàn lưu R = L0/D

• Tìm ra hệ số góc đường cất bằng R /(R +1) , và thừa số tự do trong phương trình của nó bằng xD / (R +1):

1 R

+

+ +

• Trong trường hợp nhập liệu chưa sôi coi gần đúng : xL= (xF + xD)/2

Từ xL , thay vào phương trình đường cất -> nồng độ pha hơi tương ứng trong đĩa nhập liệuy

• G F

G L

q

−

=

−

với hG = yL.(Cr.tnt +rr)+(1-yL)(Cn.tnt+ rn)

hL = xL.Cr.tS +(1-xL)Cn.tS

hF = [xF.Cr +(1-xF)Cn].tF

• Phương trình đường nhập liệu : y= q1 x F1

x

Dựa trên đồ thị x-y vẽ các đường chưng và đường cất rồi từ đó ta vẽ được số bậc thang -> số mâm lý thuyết -> hiệu suất tổng quát

1 số bảng số liệu cần biết khi tính toán thí nghiệm :

Số liệu cân bằng pha x-y va T-xy cho hệ rượu etylic – nước: (p.148 [3])

Nhiệt dung riêng của nước: Cp-nước = 75348j/kmol.K

Nhiệt dung riêng của rượu: bảng 1.154, p.172 [2]

Khối lượng riêng của rượu và nước : bảng 1.90, p.70 [2]

7.TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1 ] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị –tập 3- Truyền khối”,

ĐHQG Tp.HCM;

[2 ] Các tác giả, “Sổ tay Quá trình và thiết bị, tập 1”, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1999 [3 ] Các tác giả, “Sổ tay Quá trình và thiết bị, tập 2”, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1999.