Báo cáo thực hành truyền khối hoàn chỉnh

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát quá trình sấy đối lưu vật liệu là giấy lọc trong thiết bị sấy bằng không khí đượcnung nóng nhằm: - Xác định đường cong sấy W=f .. Xác định độ ẩm tới hạn và

MỤC LỤC

BÀI 1 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY

2 BÀI 2 TĨNH HỌC QUÁ TRÌNH SẤY

18 BÀI 3 KHẢO SÁT CHẾ ĐỘ CỘT CHÊM (THÁP ĐỆM)

27 BÀI 5 CHƯNG GIÁN ĐOẠN KHÔNG HOÀN LƯU

38 BÀI 8 CHƯNG LIÊN TỤC

50

Bài 1 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Khảo sát quá trình sấy đối lưu vật liệu là giấy lọc trong thiết bị sấy bằng không khí đượcnung nóng nhằm:

- Xác định đường cong sấy W=f( )

- Xác định đường cong tốc độ sấy dW f(W)

- Kiểm tra thiết bị sấy: Đổ nước vào chỗ đo nhiệt độ bầu ướt

- Ghi giá trị bầu ướt và bầu khô tại thời điểm ban đầu

- Điều chỉnh tốc độ quạt ở nút điều chỉnh tốc độ, bật công tắc quạt (chờ một phútcho phòng sấy khô)

- Cài đặt mức nhiệt lượng của điện trở, bật công tắc điện trở để gia nhiệt

- Cài thiết bị sấy hoạt động ổn định (nhiệt độ bầu khô không đổi)khoảng 10 phút,

mở cửa phòng sấy, đặt nhẹ nhàng các tờ giấy lọc lên giá đỡ, đóng cửa phòng sấy

- Ghi nhận các giá trị: chỉ số cân, nhiệt độ bầu khô, nhiệt độ bầu ướt và không khítrong phòng sấy tại thời điểm ban đầu

- Ghi nhận các giá trị: chỉ số cân, nhiệt độ bầu khô, nhiệt độ bầu ướt trong phòng sấysau khoảng 3 phút Khi khối lượng vật liệu không thay đổi sau 3 lần đo thì ngừngthí nghiệm

- Tiến hành thí nghiệm ở mức điện trở 3, 5, 7

- Ngừng thiết bị: chuyển các nút điều chỉnh về trạng thái “0”, đóng công tắc gianhiệt điện trở, đóng công tắc quạt

TÍNH TOÁN:

1 Các thông số ban đầu:

- Diện tích bề mặt bay hơi: F (m2)

- Nửa chiều dày một tấm giấy lọc: R (m)

- Khối lượng giấy lọc khô tuyệt đối: G0 (g)

- Bề mặt riêng khối lượng của vật liệu: f=F/G (m3/kg)



- Gi : khối lượng vật liệu theo thời gian (g)

2 Đường cong tốc độ sấy:

- Vẽ đường cong tốc độ sấy W=f(t)

- Dựng đường cong tốc độ sấy bằng cách lấy vi phân đường cong sấy Từ điểm Itrên đường cong sấy vẽ tiếp tuyến với đường cong tại I, giá trị hệ số góc của tiếptuyến là giá trị tốc độ sấy

3 Xác định độ ẩm tới hạn và độ ẩm cân bằng:

- Độ ẩm tới hạn quy ước Wk:

Thực nghiệm: Xác định trên đường cong tốc độ sấy khi giai đoạn đẳng tốc kết thúc

Lý thuyết: W1

1.8

- Độ ẩm cân bằng Wc : tìm được tại điểm N=0 trên đường cong tốc độ sấy

4 Xác định áp suất hơi bão hòa Pb và áp suất hơi riêng phần Ph:

Từ nhiệt độ bầu ướt tư và bầu khô tk xác định ph, pb theo giản đồ không khí ẩmRankin

5 Các thông số lý thuyết:

- Xác định cường độ bay hơi ẩm Jm

- Xác định tốc độ sấy

- Xác định hệ số K trong giai đoạn giảm tốc

- Xác định thời gian sấy giai đoạn đẳng tốc và giảm tốc

III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ:

36 0.0640 35.5 27.1

Xử lý kết quả:

Các công thức sử dụng:

Các thông số ban đầu:

b : Chiều dài tờ giấy (m)

Khối lượng giấy lọc khô tuyệt đối: G0(1) =0.0474(Kg)

G0(2) =0.052(Kg)

G0(3) =0.052(Kg)

Bề mặt riêng khối lượng của vật liệu: f=F/G (m3/kg)

2 1

0(1)

0.36

7.595 0.0474

0(2)

0.36

6.923 0.052

0(3)

0.36 6 0.06



Gi : khối lượng vật liệu theo thời gian (g)

Vận tốc của dòng không khí sấy

IV BẢNG KẾT QUẢ TÍNH TOÁN:

Bảng 4: Kết quả tính toán các thông số động học.,

Kg J

Kg J

Kg J

TÍNH TOÁN TA ĐƯỢC BẢNG SỐ LIỆU ĐỘNG HỌC SAU:

V BÀN LUẬN:

1 Nhận xét đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy:

 Đường cong sấy:

- Ở giai đoạn đẳng tốc: Đường cong sấy giảm đều như một đường thẳng xiên do hàm

ẩm của vật liệu giảm dần theo thời gian

- Ở giai đoạn giảm tốc: Đường cong sấy chuyển từ đường thẳng xiên sang nằm ngang,

sự giảm không đều

 Đường cong tốc độ sấy:

- Ở giai đoạn đẳng tốc: Đường cong tốc độ sấy tuy có độ chênh lệch nhưng gần giống nhưmột đường thẳng song song với trục hoành (trục X)

- Ở giai đoạn giảm tốc: Đường cong sấy giảm nhanh và đạt được giá trị N = 0

2 Ở các chế độ khác nhau thì thời gian sấy thay đổi như thế nào? Ở chế độ nào có lợi hơn?

Trên thực tế thì nhiệt độ càng cao thì thời gian sấy càng giảm

3 Nguyên nhân dẫn đến sai số trong thí nghiệm và tính toán

- Khoảng thời gian giữa 2 lần cân không đều nhau

- Cân và đọc số liệu không hoàn toàn chính xác do khối lượng vật liệu luôn thay đổi theo thời gian

- Mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm chỉ là mô hình mô phỏng, đôi khi còn có hỏng hóc, ngừng quá trình sấy ngay trong thời gian sấy nên không đảm bảo được thời gian sấy và độ chính xác

BÀI 2 TĨNH LỰC HỌC QUÁ TRÌNH SẤY

II LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:

1 Sơ đồ nguyên lý làm việc máy sấy bằng không khí:

Trong quá trình sấy nếu dùng tác nhân sấy là không khí thì gọi là sấy bằng khôngkhí Khi sấy không khí nóng tiếp xúc với bề mặt vật liệu ẩm làm bốc hơi nước trongvật liệu ẩm tạo thành hỗn hợp không khí ẩm thoát ra ngoài

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy sấy bằng không khí được mô tả trên hình sau:

Vật liệu ban đầu vẫn còn ẩm cho qua cửa và nhờ bộ phận vận chuyển đưa qua phòngsấy Không khí bên ngoài được quạt hút đưa vào caloriphe sưởi rồi vào phòng sấy Tạicaloriphe sưởi không khí được đun nóng đến nhiệt độ cần thiết, khi vào phòng sấy khôngkhí tiếp xúc với vật liệu, cấp nhiệt cho nước trong vật liệu bốc hơi ra ngoài

Hỗn hợp không khí sau khi sấy xong theo chiều hút của quạt thoát ra ngoài Đôikhi cần bổ sung nhiệt độ không khí sấy, nguwowid ta dung caloriphe bổ sung để cấpnhiệt cho không khí ngay thại phòng sấy.

2 Sấy lý thuyết:

Để đơn giản cho việc nghiên cứu quá trình sấy trước tiên ta nghiên cứu qua về sấy

lý thuyết Trong sấy lý thuyết coi các đại lượng bổ sung và nhiệt tổn thất đều bằng

Trong thực tế nếu thường gặp trường hợp nhiệt bổ sung bằng nhiệt tổn thất

, do đó cũng coi là sấy lý thuyết

Cân bằng hai phương trình này:

Nhiệt lượng tiêu tốn riêng ở caloriphe sưởi:

, (J/kg ẩm)Lượng nhiệt tiêu hao riêng ở caloriphe bổ sung trong phòng sấy tính theo côngthức:

, J/kg ẩm

III KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ:

Các công thức tính toán và số liệu tra cứu:

Độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu khô tuyệt đối

Độ ẩm của vật liệu trước và sau khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt:

, : độ ẩm vật liệu trước và sau khi sấy, tính theo % khối lượng vật liệu ướt

W: lượng ẩm được tách ra khỏi vật liệu trước khi ra máy sấy, kg/s

Lượng không khí khô cần sử dụng cho quá trình sấy lý thuyết:

Lượng không khí khô cần sử dụng cho quá trình sấy thực tế:

th

L  F (Kg/s)

Với F: Tiết diện mặt bên của phòng sấy mà quạt đưa không khí vào (m2).

31.180Kg m/

  : Khối lượng riêng của không khí khô ở 300C

 : Vận tốc dòng khí (m/s)

Vì phòng sấy có dạng hình hộp chữ nhật nên ta có:

F = a.ba: Chiều rộng mặt bên của phòng sấy

b: Chiều cao mặt bên của phòng sấy (a = b =0.5m)

20.5 0.5 0.25

Khối lượng vật liệu khô tuyệt đối: G0 = 0,0886g

Kết quả tra số liệu

(kg/kg)

H(kJ/kg) (kg/kg)

H(kJ/kg) (kg/kg)

H(kJ/kg)1

 ĐỒ THỊ SO SÁNH NHIỆT CUNG CẤP CỦA QT SẤY LÝ THUYẾT VÀ THỰC TẾ.

đó ta nhận thấy quá trình sấy đạt được hiệu quả.

 Đánh giá sự khác nhau giữa nhiệt lượng cần gia nhiệt của quá trình sấy lýthuyết và sấy thực tế

Qua tính toán và qua đỗ thị đã vẽ phía trên, ta nhận thấy lượng nhiệt sử dụng choquá trình sấy lý thuyết đã tính toán lớn hơn so với lượng nhiệt thực tế của quá trìnhsấy Vì vậy ta có thể nói quá trình sấy đạt được hiệu quả như mong muốn

 Đánh giá sự khác nhau về hàm nhiệt của không khí sau khi ra khỏi thiết bịcủa quá trình sấy lý thuyết và thực tế

Theo quá trình sấy lý thuyết thì hàm nhiệtcủa không khí không thay đổi trong suốtquá trình H=const, nhưng trong thực tế ta lại nhận được không khí với hàm nhiệt H2 <

Một số tác động bởi các yếu tố ngoại cảnh…

Chính vì thế dẫn đến sự khác biệt trong quá trình sấy lý thuyết và sấy trong thực tế

BÀI 3 THÁP ĐỆM

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:

Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của tháp đệm bằng cáchxác định:

- Ảnh hưởng của vận tốc khí và lỏng lên độ giảm áp suất của dòng khí qua cột

- Sự biến đổi của hệ số ma sát f ck trong cột theo chuẩn số Reynolds Rec của dòng khí

Vật đệm sử dụng phổ biến :

Vòng Rasching

Vật đệm hình yên ngựa

Vật đệm vòng xoắn

2 Sự chuyển động của lưu chất qua tháp đệm

Khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống và pha khí chuyển động từ dưới có thểxảy ra 4 chế độ thủy lực:

Đây là phương trình đường thẳng có hệ số góc n

4 Độ giảm áp khi cột khô

Trong giai đoạn đầu lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp là không đổi theo tốc độkhí.Giai đoạn kế tiếp lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp tăng nhanh theo tốc độ khí,các chỗ trống trong tháp nhỏ dần và độ giảm áp của pha khí tăng nhanh

5 Thừa số ma sát F CK theo Re c khi cột khô

Thừa số ma sát fck là hàm số theo chuẩn số Re với Re :

Rec = G*De/ = 4G/a Trong đó:  : độ nhớt của dòng khí, kg/m.s

Zhavoronkow đã xác định được khí dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sangchảy rối ứng với trị số Rec = 50 Trong vùng chảy rối 50< Re < 7000 với cột chêmngẫu nhiên thì

G ck

G

L g

v a f

2 1

2

.

Trong đó: fck = được tính từ hệ thức liên hệ với Re

 = vận tốc dài của khí ngay trước khi vào cột chêm

= độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước

IV BÁO CÁO THÍ NGHIỆM:

3

80 0.08

1600 1.61.165

0.0185 10

.0.67

Công thức tính fcư:

fcư =  fck

Với  =

ck

cu P

P





Bảng kết quả tính toán

Kết quả tính toán cột khô

G, kg/m2.s Log G ∆Pck/Z,

0.5728 -0.24200 235.4400 2.3719 344.024 1.18160.5012 -0.29999 178.4194 2.2514 301.021 1.21360.4296 -0.36694 130.5956 2.1159 258.018 1.25160.3580 -0.44612 97.4869 1.9889 215.015 1.29800.2864 -0.54303 52.1156 1.7170 172.012 1.35730.2148 -0.66797 25.7513 1.4108 129.009 1.4377

 Đồ thị log (∆P ck /Z) theo log G

Kết quả tính toán cột ướt:

Sự liên hệ giữa độ giảm áp khô ∆P cư =  .∆P ck với:

 Kết quả tính toán log (∆P cư /Z) cho cột ướt

 Đồ thị log (∆P cư /Z) theo log G

0.00.51.01.52.02.53.0

BÀN LUẬN

- Dựa vào đồ thị và số liệu thực nghiệm ta thấy:

o Đối với cột khô: khi G tăng thì độ giảm áp tăng theo đường thẳng

o Đối với cột ướt: khi G tăng thì độ giảm áp cũng tăng theo nhưng chia thành từng vùng

rõ rệt như giản đồ trong lý thuyết đã đề cập Khi lưu lượng lỏng càng tăng thì cột càng dễgần đến điểm lụt hơn Từ đồ thị thu được ta thấy vùng sau điểm gia trọng thì giá trị Ptăng lên rất nhanh, đột ngột Đoạn thẳng trong vùng này rất dốc nên ta rất khó vận hànhcột chêm ở chế độ nhũ tương này mặc dù cột chêm hoạt động tốt nhất ở chế độ đó

- Giản đồ f theo Re được lập nhằm để biểu diễn sự phụ thuộc của trở lực vào lưu lượngcủa dòng lưu chất Trong đồ thị trên thì ta lại thấy khi lưu lượng tăng lên thì trở lực lạigiảm dần, kết quả này thu được do ảnh hưởng của sai số trong quá trình thí nghiệm Nếubiết một trong hai giá trị Re hoặc f thì có thể dùng đồ thị có thể dùng đồ thị để xác địnhgiá trị còn lại như sau:

Từ giá trị f hoặc Re đã biết kẻ một đường thẳng theo phương ngang hoặc theophương đứng, cắt đồ thị f-Re tại một điểm Từ giao điểm đó, kẻ một đường thẳng vuônggóc với trục còn lại thì sẽ xác định được giá trị cần tìm

- Sự liên hệ giữa các đối tượng tương đối gần với dự đoán Cụ thể là các mối liên hệ sau:

o Log(Pck/Z)-logG: là phụ thuộc tuyến tính với nhau theo đường thẳng giống như lý

thuyết đã nhận định

o Pcử/Z-G càng gần như được chia thành hai hướng rõ rệt: vùng dưới điểm gia trọng vàvùng trên điểm gia trọng vùng dưới điểm gia trọng thì P tăng chậm và đều dặn nên cácđiểm này thu được gần như cùng nằm trên một đường thẳng vùng trên điểm gia trọng thì

P tăng nhanh, đột ngột nên đoạn thẳng rất dốc; nếu tăng lưu lượng lỏng và khí lên caonữa thì sẽ tiến đến điểm lụt của cột

o Log-L: hoàn toàn phụ thuộc tuyến tính với nhau nên được thể hiện thành một đườngthẳng trên đồ thị Phù hợp với lý thuyết đã đề cập đến

Tuy nhiên trong quá trình làm thí nghiệm cũng có nhiều sai số Những nguyên nhân cóthể dẫn đến sai số là do:

o Lưu lượng dòng lỏng không ổn định

o Lưu lượng dòng khí không ổn định

o Cột nước duy trì ở đáy cột không đảm bảo yêu cầu làm cho mực nước xâm nhập vàoống đo độ chênh áp làm ảnh hưởng đến kết quả

o Ma sát giữa dòng khí có tốc độ lớn với ống dẫn làm cho ống nóng lên và làm tăng thểtích khí làm tăng áp suất cũng ảnh hưởng đến độ chênh áp

BÀI 5 CHƯNG GIÁN ĐOẠN KHÔNG HOÀN LƯU

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:

 Khảo sát hiệu suất tháp chưng khi tiến hành không hồi lưu

 Sự biến đổi nồng độ sản phẩm đỉnh theo thời gian chưng cất

II.LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:

1 Định nghĩa hoàn lưu:

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng, khí lỏng thành các cấu tửriêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (cùng nhiệt độ, ápsuất hơi của các cấu tử khác)

Chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi, cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi cònchất tan không bay hơi

Khi chưng trường hợp 2 cấu tử ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độbay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độbay hơi bé và một phần rất ít có độ bay hơi lớn

2 Nguyên tắc và sơ đồ gián đoạn không hoàn lưu:

Trong quá trình chưng đơn giản hơi nước được lấy ra ngay và cho ngưng tụ

Lượng cấu tử dễ bay hơi chuyển vào pha hơi là:

Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi ở thời điểm đang xét:

Lượng rất bé ta có thể bỏ qua được, đơn giản đi ta có:

Phương trình cho toàn bộ quá trình là:

2 Cân bằng năng lượng:

Cân bằng nhiệt toàn tháp:

QF +QK = QD +QW +Qm +Qng

 QK = QD + QW +Qm +Qng -QF

QK: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, W

Qm: nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh (W) được lấy từ 5% đến 10%nhiệt lượng cần cung cấp

QF: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, W

t C F

Q 

_ _ _ _

_ _ _

.F x W x D x

D W F

QD: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, W

QW: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra, W

Qng: nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, W

: , ,

W D

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

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:

Đối với quá trình ngưng tụ không làm lạnh:

Đối với quá trình ngưng tụ làm lạnh:

Trong đó: t , v t r: nhiệt độ vào và ra của nước, 0C

G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/sC: nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg/độ

D S

t : nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, 0C

m v r D

S P D



).(

.).(

m v r D

Q

R .

_



D P

Q  D

Mô hình chưng cất:

Hệ thống chưng cất 7 mâm xuyên lỗ

TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

- Hòa trộn 5l hỗn hợp nhập liệu có nồng độ 20 đến 30 độ cồn

- Đổ dung dịch vào nồi đun qua nắp nồi, đo nồng độ nhập liệu mỗi lần đổ vào và lấygiá trị trung bình Nhớ đóng chặt nắp nồi

- Mở công tắc điện chính, đèn trắng được kích hoạt

- Mở hệ thống nước giải nhiệt

- Mở công tắc tổng bằng cách mở nút khẩn cấp và nhấn nút bấm màu xanh

- Thiết lặp giá trị trên bộ điều khiển PID của lưu lượng dòng nước giải nhiệt

- Mở điện trở nồi đun

- Cài đặt độ giảm áp của tháp chưng cất ở giá trị thấp nhất là 10mB trên bộ điềukhiển PID

- Chuyển công tắc chia dòng hoàn lưu sang chế độ “Reflux” hồi lưu hoàn toàn

- Sau khi đạt trạng thái ổn định (khoảng 30 đến 45 phút) chuyển công tắc chia dònghoàn lưu sang chế độ “Draw off” – không hồi lưu hoanf toàn và thu sản phẩmđỉnh

- Đợi 15 phút, đo thể tích và nồng độ sản phẩm thu được

- Cài đặt giá trị P ở mức bằng 12mB và đợi thêm khoảng 15 phút và lấy mẫu đo

- Tương tự, tiến hành các thí nghiệm khác với các giá trị P khác nhau

Lưu ý: Trong một số trường hợp mặc dù giá trị nhiệt độ đọc theo tháp chưng cấtkhông thay đổi nhưng trạng thái ổn định chưa thể đạt được bởi vì giá trị thành phầncủa các pha thay đổi rất chậm Vì vậy, thời gian làm việc kéo dài hơn và để dễ dàngxác định thời gian lấy mẫu ứng với mỗi 15 phút