Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài chưng cất

Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài chưng cất Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài chưng cất Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài chưng cất Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài chưng cất Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài chưng cất

Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh Trường Đại Học Bách Khoa Khoa Kỹ Thuật Hóa Học

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Phúc trình thí nghiệm Quá trình & Thiết bị Bài:

Năm học: 2016 - 2017

MỤC LỤC

1 TRÍCH YẾU Trang 01 1.1 Mục đích thí nghiệm Trang 01 1.2 Phương pháp thí nghiệm Trang 01 1.3 Kết quả và nhận xét Trang 01

2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM Trang 02 2.1 Chưng cất hệ 2 cấu tử Trang 02

2.1.1 Cân bằng pha trong chưng cất 2 cấu tử A và B

2.1.2 Các phương trình đường làm việc trong tháp chưng cất

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất Trang 04

2.2.1 Trạng thái nhiệt động của nguyên liệu

2.2.2 Tỉ số hoàn lưu

2.2.3 Độ bay hơi tương đối

2.3 Các cách đánh giá hiệu suất quá trình chưng cất Trang 06

3 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Trang 08 3.1 Dụng cụ và thiết bị Trang 08 3.2 Nguyên liệu Trang 08 3.3 Sơ đồ thiết bị sử dụng trong thí nghiệm Trang 08 3.4 Phương pháp thí nghiệm Trang 09

3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu

3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu

1 TRÍCH YẾU:

1.1 Mục đích thí nghiệm :

- Tiến hành chưng cất thu Ethanol từ hỗn hợp ethanol – nước để khảo sát ảnh hưởng của:

+ Lưu lượng dòng hoàn lưu

+ Vị trí mâm nhập liệu

đến độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh và hiệu suất của tháp chưng cất

1.2 Phương pháp thí nghiệm :

1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu : (3 chế độ TN)

- Điều chỉnh lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 và nhập liệu vào một mâm cố định (mâm

số 4); vị trí mâm được tính từ dưới lên và trên miệng nồi đun không có mâm

- TN với ba chế độ khác nhau của dòng hoànlưu ở độ đọc: 5, 10, 15

1.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu: (2 chế độ TN)

- Thay đổi 2 vị trí nhập liệu (mâm số 5, 2) Lưu lượng dòng nhập liệu vận được giữ nguyên ở

Đỉnh (D) ml/

30s

Hoàn lưu (L 0 )

Nhập

Nhập liệu (t F )

Hoàn lưu (t L0 )

Đáy (t W )

Kết quả tương đối phù hợp so với lý thuyết:

- Lưu lượng hoàn lưu càng lớn, sản phẩm đỉnh càng tinh khiết.

- Vị trí mâm nhập liệu càng thấp, sản phẩm đỉnh càng không tinh khiết

2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:

- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêngbiệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.

- Cơ sở của quá trình chưng là dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp: ởcùng một nhiệt độ thì cấu tử nào có áp suất hơi lớn hơn sẽ dễ bay hơi hơn, ở cùng một áp suất thìcấu tử nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dễ bay hơi hơn

- Chưng cất (chưng luyện) là chưng một hỗn hợp nhiều lần bằng cách tiến hành lặp lại quátrình đun sôi và ngưng tụ hỗn hợp Đây là cách phân tách triệt để nhất và được dùng phổ biếnnhất trong công nghiệp hóa học

B: lần lượt là áp suất hơi bão hòa của A và B nguyên chất ở cùng nhiệt độ

- xA, yA, xB, yB: lần lượt tương ứng là phần mol của A và B trong pha lỏng và pha khí

- Đối với hệ lý tưởng, theo dịnh luật Raoult, ta có:

p o B: gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B.

- Nhưng đối với hệ ethanol-nước, do hệ này là hệ có sai lệch dương nên có áp suất tổng lớn

hơn áp suất tính theo định luật Rauolt (phương trình (1)) Vì vậy không thể áp dụng phương trình(2) để vẽ đồ thị cân bằng pha Hệ ethanol-nước có điểm đẳng phí, tại đó nhiệt độ sôi của hệ đạtcực tiểu

- Số liệu cân bằng pha của hệ ethanol-nước ở áp suất thường lấy theo thực nghiệm như sau (x,

y là phần trăm mol của cấu tử ethanol trong pha lỏng và pha khí)

Bảng 2: Số liệu cân bằng pha x -y của hệ rượu - nước ở 25 0 C

- Từ đó ta thấy được, nếu áp dụng chưng cất để phân riêng hỗn hợp này, nồng độ rượu cao

nhất chỉ có thể đạt tới 89.4% mol, tức là độ rượu = 96.46 độ Muốn thu cồn tuyệt đối ta phải dùng

x F q−1(5)

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất:

2.2.1 Trạng thái nhiệt động của nguyên liệu:

Hình 1: Ký hiệu các dòng lỏng, dòng hơi, dòng nhập liệu tại mâm nhập liệu

- Đại lượng q cho biết lưu lượng lỏng thay đổi thế nào khi đi từ đoạn cất tới đoạn chưng Do

đường nhập liệu chứa quỹ tích các điểm nhập liệu (giao điểm đường chưng và đường cất) nên qthay đổi sẽ làm thay đổi hệ số góc của phương trình đường nhập liệu dẫn đến thay đổi vị trí nhậpliệu

- Sự ảnh hưởng đó được thể hiện trong bảng 3 và hình trên

Bảng 3

Trạng thái nhiệt

Hệ số gócđường nhập liệu

q q−1

x0

F0

12

3

45

Hình 2: Đồ thị miều tả ảnh hưởng của trạng thái nhiệt động dòng nhập liệu (mỗi đường ứng

với từng trường hợp nhập liệu như trên bảng 3)

- Nhập liệu ở trạng thái (2) là tốt nhất vì khi đó tháp làm việc ổn định, suất lượng mol pha hơi

trong đoạn chưng và đoạn cất không đổi, dễ nhập liệu và tính toán đơn giản

2.2.2 Tỷ số hoàn lưu:

- Tỷ số hoàn lưu R ảnh hưởng đến vị trí hai đường nồng độ làm việc dẫn đến ảnh hưởng số đĩa

lý thuyết và năng suất tháp chưng cất

- Khi R→∞, phương trình đường chưng và đường cất tiến dần đến trùng với đường y = x Lúc

đó, số đĩa lý thuyết sẽ giảm về giá trị thấp nhất Rõ ràng, khi số đĩa lý thuyết giảm, số đĩa thực sẽgiảm theo dẫn đến chiều cao tháp giảm, hiệu suất tháp chưng cất giảm

- Khi R→Rmin, đường chưng và đường cất áp sát đường cân bằng, số đĩa lý thuyết tăng dẫnđến số đĩa thực cũng phải tăng để đảm bảo nồng độ sản phẩm như ý muốn Do đó chiều cao tháp,chi phí chế tạo sẽ tăng theo Đặc biệt khi R = Rmin, động lực quá trình bằng 0 tức không có sựtruyền khối xảy ra

- Đúng đắn nhất nên lựa chọn R sao cho thuận lợi nhất về kinh tế - kỹ thuật Theo kinh nghiệm

R = 1.3Rmin + 0.3

R min=x D−y F¿

y F¿−x F(7)

 y F¿: là tung độ giao điểm đường nhập liệu với đường cân bằng

2.2.3 Độ bay hơi tương đối:

α= pA

o

p o B

- α càng lớn, đường cân bằng càng nằm xa đường y = x dẫn đến động lực quá trình càng lớn.

Do p o A và p B o phụ thuộc nhiệt độ nên tại mỗi nhiệt độ ta có giá trị α khác nhau Do đó, đường cân

bằng trong cưng cất 2 cấu tử là đường cong

- Trong tính toán, ta ít khi dùng α vì tính toán phức tạp và hệ khảo sát không phải lý tưởng, để

có đồ thị đường cân bằng ta làm thực nghiệm đo nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hai pha tạinhững nhiệt độ khác nhau Từ đó lập được đồ thị t – x, y và đồ thị y – x

2.2.4 Các cách đánh giá hiệu suất quá trình chưng cất:

- Mô hình mâm lý thuyết là một mô hình toán đơn giản nhất để đánh giá hiệu suất tháp chưng

cất, nó dựa trên các cơ sở sau

Cân bằng giữa hai pha

Phù hợp với các điều kiện và động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm sao cho ta cóđược 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 (η).).

- 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

x, y: nồng độ cấu tử cần xét trong pha lỏng và pha hơi

r, v: ký hiệu đầu vào, ký hiệu đầu ra

*: nồng độ đầu ra của pha này cân bằng với nồng độ đầu vào của pha kia (hai dòng pha

đi ngược chiều nhau)

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

η DB=E M= y n−y n+1

y n¿

−y n+1(9)

- Với:

 y n: nồng độ thực của pha hơi rời mâm n

y n¿: nồng độ pha hơi cân bằng pha lỏng rời ống chảy chuyền mâm n

 y n+ 1: nồng độ thực của pha hơi vào mâm n

- 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):

yn ,: nồng độ thực của pha hơi rời vị trí cụ thể trên mâm n.

y n ,∗¿¿: nồng độ pha hơi cân bằng pha lỏng cùng vị trí trên mâm n

y n+ 1 , : nồng độ thực của pha hơi vào mâm n tại cùng vị trí

- Hiệu suất mâm cục bộ chỉ có khi đường kính mâm lớn, dòng chảy trên mâm xuất hiện vùng

xoáy và ảnh hưởng bởi tiết diện ống chảy truyền Lúc đó, trên cùng một mâm, nồng độ pha hơi

và pha lỏng tại các vị trí khác nhau là khác nhau

- Số mâm thực là số mâm có trên thiết bị sao cho các sản phẩm đỉnh và đáy đều đạt nồng độ

như mong muốn, tức là xD, xW lý thuyết và thực phải giống nhau

o Xác định số bậc thang truyền khối giữa đường cân bằng và đường làm việc bắtđầu từ W đến D.

o nLT = số bậc thang – 1

- Tính dần từng đĩa: tính toán nhiều nên cần sự trợ giúp của máy tính.

Dựa vào tất cả các thông số có được, nội suy các phương trình đường cân bằng, đườnglàm việc

Tính lần lược nồng độ đầu vào, đầu ra của pha hơi và pha lỏng của đoạn chưng và đoạncất riêng biệt đến khi nào giá trị xD, xF đạt được giá trị mong muốn

Mỗi lần tính lặp là một mâm lý thuyết

- Để tính hiệu suất từng mâm cần phải đo tất cả các thông số trên từng mâm và tại từng vị trí

của mâm Đây là công việc khá khó khăn vì cần sử dụng các thiết bị đo mang tính tự động và kỹthuật cao

3 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:

3.1 Dụng cụ và thiết bị:

- Hệ thống tháp chưng 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 đo dòng nhập liệu và hoàn lưu

- Hỗn hợp rượu etanol – nước được pha sẵn có nồng độ nhất định với thể tích khoảng 60 lít.

3.3 Sơ đồ thiết bị sử dụng trong thí nghiệm :

Sơ đồ hệ thống thí nghiệm

Sơ đồ thí nghiệm

Ghi chú:

1 Mâm xuyên lỗ

5 Bình chứa sản phẩm đỉnh 13 Lưu lượng kế đo dòng nhập liệu

F4

5 4

N1 3 2

9 Bơm nhập liệu 17 Cửa nhập liệu nồi đun

3.4

Phương pháp thí nghiệm :

- Tổng cộng có 5 chế độ thí nghiệm

3.4.1 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu: ( 3 chế độ TN )

- Điều chỉnh lưu lượng của dòng nhập liệu ở đô đọc 30 và nhập liệu vào một mâm cố định

( mâm số 4 ); vị trí mâm được tính từ dưới lên và trên miệng nồi đun không có mâm

- TN với 3 chế độ khác nhau của dòng hoàn lưu ở độ đọc 5, 10, 15

3.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu: ( 2 chế độ TN)

- Thay đổi 2 vị trí nhập liêu ( mâm số 5,2 ) Lưu lượng dòng nhập liệu vẫn được giữ nguyên ở

Đỉnh (D) ml/

30s

Hoàn lưu (L 0 )

Nhập

Nhập liệu (t F )

Hoàn lưu (t L0 )

Đáy (t W )

Nhập liệu F

(*) Giá trị này được tra từ giản đồ T-xy của hệ Ethanol – H2O ở 250C

Bảng 5: Kết quả tính toán các thông số

mâm

Tỉ số hoàn lưu R

t F

H F (kJ/kmol)

H GF (kJ/kmol)

H LF

q q−1

Bảng 6: Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu

Số mâm

Hiệu suất tổng quát

5 5 4 0.613 3 0.614 0.6

5 ĐỒ THỊ :

- Thí nghiệm 1 : Vị trí mâm số 4, R = 0.282, 2 mâm lý thuyết, xD = 0.548

- Thí nghiệm 2 : Vị trí mâm số 4, R = 0.705, 2.5 mâm lý thuyết, xD = 0.632

- Thí nghiệm 3 : Vị trí mâm số 4, R = 1.567, 5 mâm lý thuyết, xD = 0.777

- Thí nghiệm 4 : Vị trí mâm số 2, R = 0.829, 2 mâm lý thuyết, xD = 0.597

- Thí nghiệm 5 : Vị trí mâm số 5, R = 0.613, 3 mâm lý thuyết, xD = 0.614

6 BÀN LUẬN:

6.1 Bàn lu n v nh h ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ng c a l u l ủa lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ư ượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ng dòng hoàn l u và v trí mâm nh p li u ư ị trí mâm nhập liệu ệu

đ n đ tinh khi t c a s n ph m và hi u su t t ng quát c u tháp ch ng c t ủa lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ẩm và hiệu suất tổng quát cảu tháp chưng cất ệu ất tổng quát cảu tháp chưng cất ổng quát cảu tháp chưng cất ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ư ất tổng quát cảu tháp chưng cất :

a. nh h ưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ng c a l u l ủa lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ư ượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ng dòng hoàn l u đ n đ tinh khi t c a s n ph m ư ủa lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu ẩm và hiệu suất tổng quát cảu tháp chưng cất :

- Quá trình ch ng c t là quá trình dùng đ tách các c u t c a m t h n h p l ng cũngể tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng ử của một hỗn hợp lỏng cũng ủa một hỗn hợp lỏng cũng ột hỗn hợp lỏng cũng ỗn hợp lỏng cũng ợp lỏng cũng ỏng cũng

nh h n h p khí-l ng thành các c u t riêng bi t d a trên s khác nhau v đ bay h i c a ỗn hợp lỏng cũng ợp lỏng cũng ỏng cũng ử của một hỗn hợp lỏng cũng ệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ề độ bay hơi của ột hỗn hợp lỏng cũng ơi của ủa một hỗn hợp lỏng cũngchúng Khi ti n hành m t quá trình nh v y, h n h p bao g m ch t tan và dung môi sẽ ột hỗn hợp lỏng cũng ậy, hỗn hợp bao gồm chất tan và dung môi sẽ ỗn hợp lỏng cũng ợp lỏng cũng ồm chất tan và dung môi sẽ

đ ợp lỏng cũngc phân thành hai pha l ng và h i dỏng cũng ơi của ới tác dụng của nhiệt Tuy nhiên, không phải cấu i tác d ng c a nhi t Tuy nhiên, không ph i c u ụng của nhiệt Tuy nhiên, không phải cấu ủa một hỗn hợp lỏng cũng ệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ải cấu

t nào có đ bay h i ử của một hỗn hợp lỏng cũng ột hỗn hợp lỏng cũng ơi của th p là trong pha h i và c u t nào có đ bay hở trong pha hơi và cấu tử nào có độ bay h ơi của ử của một hỗn hợp lỏng cũng ột hỗn hợp lỏng cũng ơi của i cao là trong pha ở trong pha hơi và cấu tử nào có độ bay h

l ng mà chúng hi n di n trong c hai pha, v i t l khác nhau T l này ph thu c và b n ỏng cũng ệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ải cấu ới tác dụng của nhiệt Tuy nhiên, không phải cấu ỉ lệ khác nhau Tỷ lệ này phụ thuộc và bản ệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ỷ lệ này phụ thuộc và bản ệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ụng của nhiệt Tuy nhiên, không phải cấu ột hỗn hợp lỏng cũng ải cấu

ch t các c u t có trong h n h p mà c th là đ bay h i tử của một hỗn hợp lỏng cũng ỗn hợp lỏng cũng ợp lỏng cũng ụng của nhiệt Tuy nhiên, không phải cấu ể tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng ột hỗn hợp lỏng cũng ơi của ơi của ng đ i c a chúng và vào n ngối của chúng và vào nồng ủa một hỗn hợp lỏng cũng ồm chất tan và dung môi sẽ

đ ban đ u c a nó.ột hỗn hợp lỏng cũng ầu của nó ủa một hỗn hợp lỏng cũng

- Qua k t qu thu đải cấu ợp lỏng cũng ừ thí nghiệm 1, 2 và 3c t thí nghi m 1, 2 và 3ệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ,quan sát t các đ đ c khác nhau ( 5, ừ thí nghiệm 1, 2 và 3 ột hỗn hợp lỏng cũng ọc khác nhau ( 5,

10, 15) thì đ tinh khi t c a s n ph m cũng tăng m t cách đáng k ( xột hỗn hợp lỏng cũng ủa một hỗn hợp lỏng cũng ải cấu ẩm cũng tăng một cách đáng kể ( x ột hỗn hợp lỏng cũng ể tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng D tăng l n lầu của nó ợp lỏng cũngt 0.548; 0.632; 0.777) ta th y đ ợp lỏng cũngc rõ ràng s nh hựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ải cấu ở trong pha hơi và cấu tử nào có độ bay hng c a l u lủa một hỗn hợp lỏng cũng ợp lỏng cũngng dòng hoàn l u lên

đ tinh khi t c a s n ph một hỗn hợp lỏng cũng ủa một hỗn hợp lỏng cũng ải cấu ẩm cũng tăng một cách đáng kể ( x Mà lý thuy t v ch ng c t cũng th a nh n s gia tăng l u ề độ bay hơi của ừ thí nghiệm 1, 2 và 3 ậy, hỗn hợp bao gồm chất tan và dung môi sẽ ựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của

l ợp lỏng cũngng dòng hoàn l u sẽ làm cho đ tinh khi t c a s n ph m tăng lên, t c là l u lột hỗn hợp lỏng cũng ủa một hỗn hợp lỏng cũng ải cấu ẩm cũng tăng một cách đáng kể ( x ức là lưu lượng càng ợp lỏng cũngng càng

l n thì s n ph m thu đới tác dụng của nhiệt Tuy nhiên, không phải cấu ải cấu ẩm cũng tăng một cách đáng kể ( x ợp lỏng cũngc càng tinh khi t

- Đi u này có th đề độ bay hơi của ể tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng ợp lỏng cũngc gi i thích d a trên c s nhi t V i m t lải cấu ựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ơi của ở trong pha hơi và cấu tử nào có độ bay h ệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của ới tác dụng của nhiệt Tuy nhiên, không phải cấu ột hỗn hợp lỏng cũng ợp lỏng cũngng nhi t cung c p ệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của không đ i, su t lổi, suất lượng mol dòng hơi G ợp lỏng cũngng mol dòng h i Gơi của o không đ iổi, suất lượng mol dòng hơi G