Thí nghiệm quá trình thiết bị phần chưng cất 3

Nội dung, mục đích thí nghiêm. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu, vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp chưng cất  Lựa chọn thông số lư

I.1 Nội dung, mục đích thí nghiêm.

 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu, vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp chưng cất

 Lựa chọn thông số lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu tối ưu cho tháp chưng cất

I.2 Cách tiến hành.

 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu:

- Khi khảo sát lưu lượng dòng hoàn lưu, thì vị trí mâm nhập liệu là không đổi (mâm 4); lưu lượng dòng nhập liệu không đổi (ở độ đọc 30)

- Tiến hành đo các các thí nghiêm với lưu lượng dòng hoàn lưu thay đổi lần lượt ở các mức đọc 5, 10, 15 (3 thí nghiệm)

- Đo các thông số : lưu lượng sản phẩm đỉnh (ml/phút), Độ rượu của dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh, nhiệt độ của dòng nhập liệu (tF), đỉnh (tD), hoàn lưu (tL0) trong mỗi thí nghiệm (riêng lưu lượng và độ rượu của dòng nhập liệu có thể đo chỉ 1 lần cho tất cả thí nghiệm)

 Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu:

- Khi khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu thì lưu lượng dòng nhập liệu vẫn không đổi và lưu lượng dòng hoàn lưu cũng giữ không đổi (ở độ đọc 10)

- Thực hiện các thí nghiệm với vị trí mâm nhập liệu ở mâm thứ 2 và mâm thứ 5

- Các bước đo số liệu được tiến hành như khi khảo sát dòng hoàn lưu

I.3 Kết quả.

 Lưu lượng dòng nhập liệu, lưu lượng dòng hoàn lưu, lưu lượng dòng sản phẩm đáy có thể tính được theo công thức:

Lưu lượng dòng (ml/phút) = độ đọc x 5,64

 Phần mol C2H5OH ( x) của dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh:

x =

18

)

1 ( 46

)

) (

N R

R a a

a

ρ ρ

ρ

− +

Trong đó:

 a : độ rượu/100

 ρN : khối lượng riêng của H2O

 ρR : khối lượng riêng của C2H5OH

 Dựa vào phương trình bảo toàn vật chất ta có thể xác định được các thông số khác như : xw, tỉ số hoàn lưu, q, HF, HGL, HLF ứng với từng thí nghiệm

 Viết phương trình đường nhập liệu, phương trình đường cất

 Vẽ đường nhập liệu, đường cất, từ đó xác định đường chưng

 Qua đồ thị xác định được số mâm lí thuyết

 Tính hiệu suất mâm tổng quát và so sánh với các thí nghiệm

II. Lí thuyết thí nghiệm

Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản dựa trên các cơ sở :

 Cân bằng giữa pha lỏng – hơi cho hỗn hợp 2 cấu tử

 Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm cho 2 pha lỏng – hơi :

 Pha lỏng phải hoà trộn hoàn toàn trên mâm (nồng độ đồng nhất)

 Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có nồng độ đồng nhất tại mọi vị trí trên tiết diện mâm

 Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha

I.4 Hiệu suất.

Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực ta cần phải biết hiệu suất mâm Có 3 loại hiệu suất mâm thường dùng là :

 Hiệu suất mâm tổng quát, liên quan đến toàn tháp

 Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến một mâm

 Hiệu suất cục bộ, liên quan đến một vị trí cụ thể trên mâm

a) Hiệu suất mâm tổng quát (E0):

Được định nghĩa :

E0 = (Số mâm lý thuyết) / (Số mâm thực)

= (Số bậc thang – 1) / (Số mâm thực) Đơn giản khi sử dụng nhưng kém chính xác nhất

Với nồi đun được xem là tương đương với một mâm lý thuyết

b) Hiệu suất mâm Murphree (EM)

1

* 1 +

+

−

−

=

n n

n n M

y y

y y E

Trong đó :

yn : Nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n

yn+1 : Nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n (từ dưới lên)

Hiệu suất mâm Murphree do đó là tỉ số giữa sự biến đổi nồng độ pha hơi qua một mâm với sự biến đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi rời mâm cân bằng với pha lỏng rời mâm thứ n Nói chung với một mâm có đường kính lớn, pha lỏng rời mâm với nồng độ không bằng với nồng độ trung bình pha lỏng trên mâm, do đó có khái niệm hiệu suất cục bộ

c) Hiệu suất cục bộ (EC)

1 ' '

1 ' ' +

+

−

−

=

n en

n n M

y y

y y E

Trong đó

y’

n : Nồng độ rời khỏi vị trí cụ thể trên mâm n

y’

n+1 : Nồng độ pha hơi vào mâm n tại cùng vị trí

y’

en : Nồng độ pha hơi cân bằng pha lỏng tại cùng vị trí

∗ Mối liên hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất tổng quát

Hiệu suất tổng quát của tháp không bằng với hiệu suất trung bình của từng mâm Mối liên hệ giữa hai hiệu suất này tùy thuộc vào độ dốc tương đối của đường cân bằng và đường làm việc

Tuy nhiên, khi phân tích hoạt động của tháp hay một phần của tháp thực tế, trong đó, ta xác định được sự biến thiên nồng độ qua một hoặc vài mâm ở các vị trí khác nhau sẽ xác định giá trị chính xác của Em và Em có thể lấy bằng E0( Em=

E0)

I.5 Phương trình đường nhập liệu và phần cất

a) Dòng nhập liệu :

Phương trình đường làm việc cho dòng nhập liệu là:

y = x - xF Trong đó:

LF GF

F GF H H

H H q

−

−

= : Là tỉ số giữa nhiệt cần thiết để biến đổi 1 mol nhập liệu từ trang thái ban đầu ra thành hơi bão hòa với ẩn nhiệt bốc hơi (HG-HL) Nhập liệu vào tháp có thể ở trang thái nhiệt bất kì từ lỏng dưới điểm sôi đến hơi quá nhiệt và tương ứng với mỗi trang thái nhiệt là có một giá trị q

b) Phần cất :

Phương trình đường làm việc cho phần cất là:

1 1

+

R

x x R

R

n n

Trong đó :

R : Tỉ số hoàn lưu ( R=L0/D)

xD: Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh c) Phần chưng:

Phương trình đường làm việc cho phần chưng là:

w m

W L

W x

W L

L y

−

−

−

= + 1

Trong đó :

L : Suất lượng pha lỏng

G: Suất lượng pha lỏng

* ) Trong thực tế khi ta xác định số mâm lý thuyết không cần phải tìm cả ba

phương trình Chỉ cần biết hai trong ba phương trình, dựa vào đồ thị xác định số mâm lý thuyết

III. Kết quả thí nghiệm

III.1 Số liệu thí nghiệm

a) Bảng số liệu

T

N

Vị trí

mâm

Lưu lượng dòng (độ dọc)

Độ chỉ của phù kế (độ rượu)

Nhiệt độ đo ( o C) Nhập liệu

(Độ đọc) (F)

Đỉnh (ml/phút) (D)

Hoàn lưu (Độ đọc) (Lo)

Nhập

Nhập liệu (t F )

Đỉnh (t D )

Hoàn lưu (t LO )

b) Xử lý số liệu thô

N

Vị trí

mâm

Lưu lượng dòng (ml/phút) độ đọc*5.64

Phân mol dòng (mol C2H5OH / mol tổng) Nhập

liệu (F)

Đỉnh (ml/phút) (D)

Hoàn lưu (Lo)

Nhập liệu (xF)

Đỉnh (xD)

Đáy (xW)

c) Kết quả tính toán các thông số

T

N Vị trímâm Tỉ số hoànlưu (R) tF

H F

(Kcal/Kmol )

H GF

(Kcal/Kmol )

H LF

d) Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu

TN đường nhập liệuPhương trình Phương trình đường cất

1 y = 6.36 x - 0.82 yn+1 = 0.19 xn + 0.528

2 y =6.16 x - 0.79 yn+1 = 0.39 xn + 0.529

3 y = 5.82 x - 0.73 yn+1 = 0.58 xn + 0.329

4 y = 7.29 x - 0.96 yn+1 = 0.42 xn + 0.278

5 y = 7.12 x - 0.93 yn+1 = 0.42 xn + 0.293

III.2 Đồ thị

1) Thí nghieäm 3.

2) Thí nghieäm 4.

3) Thí nghieäm 5.

TN Vị trímâm R lý thuyếtSố mâm xD Hiệu suất mâm

tổng quát

III.3 Bàn luận.

1) Aûnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất tổng quát của tháp chưng cất

• Aûnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu.

- Quá trình chưng cất là quá trình phân riêng các cấu tử của hỗn hợp lỏng hay hơi gồm có 2 hay nhiều cấu tử thành từng cấu tử riêng biệt có độ tinh khiết mong muốn, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử của hổn hợp

- Cấu tạo tháp chưng cất được chia làm 2 phần : Phần chưng, phần cất Trong phần chưng có dòng hơi từ dưới lên và dòng lỏng do nhập liệu đi từ trên xuống do đó có sự truyền khối giữa hai pha Trong phần cất chỉ có dòng hơi bay lên do đó thường một phần được trích ra từ sản phẩm sẽ được hoàn lưu lại trong tháp nhằm tăng độ tinh khiết của sản phẩm

- Quá trình chưng cất không có hoàn lưu độ tinh khiết của sản phẩm chỉ đạt đến một giá trị nào đó (thường chỉ áp dụng để tách 2 cấu tử có nhiệt độ sôi khác xa nhau và độ sạch của sản phẩm không cần cao lắm)

- Khi tăng lưu lượng dòng hoàn hưu, độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh tăng

- Hiệu suất tổng quát Có thể xem E0 = EM (Hiệu suất mâm Murphree)

1

* 1 +

+

−

−

=

n n

n n M

y y

y y E

Khi tăng lưu lượng hoàn lưu, yn và yn+1 tăng và yn tiến đến y*

n nên EM tiến đến 1 Hiệu suất mâm tăng dẫn đến hiệu suất mâm tổng quát tăng

- Trong quá trình chưng cất, dòng lỏng, dòng hơi thay đổi nồng độ khi

đi qua mỗi mâm

- Nếu như nhập liệu gần đáy tháp thì quá trình truyền khối trong phần cất diễn ra tốt độ tinh khiết của sản phẩm cao (do chiều cao phần cất lớn) tuy nhiên thực tế việc ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu đến hiệu suất tháp không rõ ràng

- Dựa vào sự sai lệch giữa số mâm thực và số mâm lý thuyết Hiệu suất càng cao khi số mâm lý thuyết càng cao

- Trong thí nghiệm này vị trí nhập liệu tối ưu là mâm số 4

2) Hiện tượng và quá trình xảy ra khi tháp hoạt đông ổn định

- Trên mỗi mâm đều sảy ra hiện tượng sôi của hỗn hợp nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở mỗi mâm là khác nhau và giảm dần đến mâm cuối cùng

- Khi hệ thống hoạt động ổn định tức

 Các điện trở gia nhiệt các dòng hoạt động đúng công suất nhằm đảm bảo việc cung cấp nhiệt cho các dòng

 Các lưu lượng kế đo các dòng phải ổn định (Tâm viên bi khong trồi sụt), nhằm để ổn định lưu lượng dòng nhập liêu cũng như dòng hoàn lưu

 Sản phẩm đỉnh phải đảm bảo hoàn toàn thuộc nồng dộ cần khảo sát

do đó phải chờ mực chất lỏng trong bình chứa sản phẩm đỉnh dâng lên đến

miệng ống chảy tràn thì mở van xả sản phẩm đỉnh.Việc tháo này giúp cho ta có thể xác định chính xác số liệu cần đo và đảm bảo hệ thống hoạt động ở chế độ cần khảo sát

3) Các nguyên nhân dẫn đến sai số và cách khắc phục

- Trong quá trình thí nghiệm

 Các van không mở hết nên lưu lượng không ổn định

 Viên bi luôn trồi sụt nên phải luôn theo dõi lưu lượng kế

 Đo độ rươu bằng phù kế không chính xác do người đọc

 Sai số do đo lưu lương ( bấm đồng hồ không chính xác, lưu lượng không ổn định)

 Thiết bị ngưng tụ và tháp chưng không bọc cách nhiệt vì thế nhiệt độ đo được không chính xác

 Không đọc các giá trị đo cùng lúc

- Trong quá trình tính toán : Làm tròn số liệu, tra bảng, chuyển đổi đơn

vị đo, vẽ đồ thị không chính xác

- Hạn chế và khắc phục : Thí nghiệm phải cẩn thận, thao tác của các thành viên phải phối hơp nhịp nhàng

III.4 Phụ lục

Các công thức sử dụng trong tính toán chưng cất là:

a) Phần mol C2H5OH ( x) của dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh

x =

18

)

1 ( 46

)

) (

N R

R a a

a

ρ ρ

ρ

− +

b) Suất lượng mol cho dòng nhập liệu

18

)

1 ( 46

thetich mol

F a a

F

Trong đó:

Fmol : Suất lượng mol dòng nhập liệu ( Kmol/phút)

Fthetich : Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ( m3/phút)

ρN : khối lượng riêng của H2O ( Kg/m3)

ρR : khối lượng riêng của C2H5OH ( Kg/m3) c) Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp C2H5OH - H2O (Chh)

N R

C = + ( 1 − )

CN : Nhiệt dung riêng của nước (Kcal/Kmol.oC)

CR : Nhiệt dung riêng của rượu (Kcal/Kmol.oC) d) Ẩn nhiệt hoá hơi trung bình của hỗn hợp C2H5OH - H2O (Kcal/Kmol)

N R

r = + ( 1 − )

rhh, rR, rN : ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp, rượu nguyên chất, nước ở nhiệt độ t đang xét

e) Nhiệt hàm của dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, hoàn lưu

H = C.t + r Nếu ở trạng thái dưới sôi cho đến sôi thì H = C.t Với t là nhiệt độ của dòng lưu chất

f) Nồng độ sản phẩm đáy

D x F x

x = F − D

IV. Tài liệu tham khảo.

[1] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị – tập 3 – truyền khối”, ĐHQG Tp HCM

[2] Trịnh Văn Dũng, “Tóm tắt bài giảng Các quá trình và thiết bị truyền khối”, ĐH Bán công Tôn Đức Thắng

[3] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Ví dụ và bài tập – Tập 10”, ĐH Kỹ Thuật Tp HCM