BCTHTB CHUNG CẤT QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CƠ HỌC

Định nghĩa về chưng Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợpkhí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tửtrong hỗn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ

-oOo -BÁO CÁO THỰC HÀNH

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD: PHẠM VĂN HƯNG SVTH: LÊ THỊ PHỤNG LINH MSSV: 13022711

LỚP: DHHO9A NHÓM: 2 TỔ: 4 HỌC KÌ: 1 NĂM HỌC: 2015 - 2016

Tháng 3 năm 2016

CHƯNG CẤT GIÁN ĐOẠN

- Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

- Xác định nhiệt độ sôi của nhập liệu

1 Định nghĩa về chưng

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợpkhí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tửtrong hỗn hợp

Chưng khác cô đặc ở chỗ là chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi, trường hợp

cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tann không bay hơi Tuy nhiên, trongtrường hợp đơn giản thì chưng và cô đặc hầu như không khác nhau

Khi chưng, thường có bấy nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm Đối vớitrường hợp có hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu

tử nhẹ) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé (cấu tử nặng) còn sản phẩm đáygồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

2 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 đườngthẳng và chấp nhận một số giả thiết sau:

- Suất lượng mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diệncủa tháp

- Nồng độ pha lỏng sau khi ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi rakhỏi đỉnh tháp

- Dòng hơi vào và ra khỏi 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 đoạnchưng

2.1 Phương trình cân bằng vật chất

F = W + D

F.x F = W x W + D x D

Trong đó:

F là lượng nhập liệu ban đầu (kmol/h)

x F : thành phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu (mol/mol)

2.2 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)

Chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng dòng hoàn lưu (Lo) và lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (D)

R = Lo DChỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin)

và xác định theo phương trình sau:

: nồng độ pha hơi cân bằng ứng với nhập liệu

2.3 Phương trình đường làm việc

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

y cat= R

R +1 x+

x D R+1

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

y chung=R+ L

R+1 x−

L−1 R+1 x D

Trong đó:

L= F

D : tỉ lệ lưu lượng hỗn hợp nhập liệu so với lưu lượng sản phẩm đỉnh

2.4 Xác định số mâm lí thuyết

Xác định số mâm lí thuyết tiến hành như sau:

- Vẽ đường cân bằng x – y trên đồ thị nồng độ phần mol

- Xác định phương trình đường làm việc và biểu diễn phương trình đường làm việc trên đồ thị

- Vẽ số bậc thang bắt đầu từ điểm A (x D , y D=x D¿ và kết thúc ở điểm C (x w , x W¿

Số bậc thang trên đồ thị ứng với số mâm lý thuyết cần tìm

3 Cân bằng năng lượng

3.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Qnl= ´F C P F .(t F R−tFv)+Qm

Q nl là nhiệt lượng cần cung cấp kW

´

F là lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu, kg/s

C P F là nhiệt lượng riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg.oC

t F R, t F v là nhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị , oC

3.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh

Qng= ´D ( R+1) r D=G C (t r−tv)+Qm

Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh

Q ng= D (R+ 1) r´ D+ ´D ( R+1 ) C P D .(t S D−t D)=G C (t r−t v)+Qm

´

D là lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/s

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

C P Dlà nhiệt lượng riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg.oC

t r ,t v là nhiệt độ vào và ra của nước, oC

G là lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s

C là nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg.oC.

t S D, là nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, oC

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

3.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

D , Wlà lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/s

C P D ,C P W là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kJ/kg.oC

t D v , t D R là nhiệt độ của sản phẩm đỉnh vào và ra khỏi thiết bị, oC

t W v ,t W r là nhiệt độ của sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị, oC

3.4 Cân bằng nhiệt lượng toàn tháp

Q F+QK+Q Lo=QD+QW+QM+Qng

Suy ra Q K=QD+QW+QM+Q ng−QLo−Q F

Q K là nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kW

Q M là nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh và thường được lấy gần bằngkhoảng 5% đến 10% lượng nhiệt cần cung cấp

Q F là nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, kW

Q F= ´F C P F t F

Q D là nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, kW

Q D= ´D C P t D

Q W là nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra, kW.

III.1. Dụng cụ: Nhiệt kế, cồn kế, ống đong.

- Pha trộn cồn và nước vào bình nhập liệu

- Đo độ cồn của dung dịch nhập liệu bằng cồn kế (20 đến 30 độ cồn)

- Bật công tắc nguồn hệ thống , mở máy tính, khởi động chương trình

DVI3000

- Mở hệ thống nước giải nhiệt, cài đặt chế độ “Auto” trên máy tính ở cửa sổ

Control 1 Mở van thu sản phẩm đáy

- Cài đặt bơm hiệu suất 100% trên cửa sổ làm việc chính của DVI3000, đưa nhập liệu vào nồi đun Khi lượng trong nồi đun chảy tràn qua bình chứa sản phẩm đáy thì khoá van lại

- Cài đặt độ giảm áp ở giá trị 30mBar trên bộ điều khiển

- Chuyển công tắc sang chế độ “Reflux”(hồi lưu hoàn toàn) trên hộp điều

khiển hệ thống

- Mở điện trở gia nhiệt nồi đun Khi xuất hiện dòng ngưng tụ ở đỉnh tháp

Tiến hành lấy sản phẩm đỉnh bằng cách chuyển công tắc sang “Draw off” (Không hồi lưu) Lấy mẫu xong chuyển công tắc về chế độ “Reflux”

- Đo độ cồn của sản phẩm đỉnh bằng cồn kế

III.3 Những lưu ý trong quá trình làm thí nghiệm

- Luôn luôn phải có dòng nước giải nhiệt vào trong hệ thống Kiểm tra xemnước có chảy không Nếu không có nước thì phải ngừng hệ thống

- Đảm bảo lượng hỗn hợp nhập liệu đủ, nếu hết thì phải ngừng quá trình làmviệc

- Theo dõi sự biến đổi nhiệt độ trong suốt thời gian làm việc

IV Kết quả thí nghiệm

IV.1 Kết quả thu được

3.1 Các công thức tính toán và số liệu tra cứu

 Chuyển đổi đơn vị

46 +

1−0,21 18

46 +

1−0,853 18

VI.1 Nhận xét

- Nồng độ sản phẩm đỉnh giảm theo thời gian

- Trong quá trình chưng, lượng cấu tử dễ bay hơi ít dần

- Khi tăng nhiệt độ thì lượng sản phẩm đinh tăng và lượng sản phẩm đáy giảm

VI.2 Bàn luận

1 Ứng dụng của quá trình chưng gián đoạn là: khi hai cấu tử có nhiệt độ sôi khác xa nhau, không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao, khi cần tách hỗn hợp lỏng ra khỏi các tạp chất không bay hơi, khi muốn tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

2 Giữa chưng cất gián đoạn và chưng cất liên tục có gì giống và khác?Đều là quá trình phân riêng hổn hợp lỏng cũng như hỗn hợp lỏng - khí thànhcác cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗnhợp Chưng cất gián đoạn là chưng cất theo từng mẻ Gia nhiệt cho một hỗnhợp gồm hai chất A và B đến khi dung dịch bay hơi phía trên phần lỏng.Trongphần hơi này thì tỉ lệ giữa A và B sẽ khác với tỉ lệ trong phần lỏng (nghĩa là A

sẽ nhiều hơn B) Điểu này sẽ làm cho tỉ lệ giữa 2 thành phần luôn thay đổitrong quá trình chưng cất và thành phần B sẽ ngày càng tăng lên trong dungdịch

Chưng cất liên tục Hỗn hợp chất lỏng sẽ liên tục được cho vào quá trình vàviệc tách chất được liên tục thực hiện theo thời gian Quá trình này luôn tồntại thành phần còn lại ở dưới đáy và nó chứa các thành phần khó bay hơi nhấttrong dung dịch Có một điều khác biệt đặc trưng giữa chưng cất liên tục sovới chưng cất theo mẻ là nồng độ dung dịch luôn không đổi theo thời gian

BUỔI 2:

Bài 10 :CHƯNG CẤT LIÊN TỤC

10.1.Mục đích

- Khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dòng nhập liệu

- Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ dòng nhập liệu

- Khảo sát ảnh hưởng vị trí nhập liệu

- Khảo sát ảnh hưởng chỉ số hồi lưu

10.2 Tiến hành thí nghiêm.

10.2.1.Sơ đồ thí nghiệm:

Hình 10.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm

10.2.2.Mô tả thí nghiệm:

- Khởi động hệ thống ( đóng mở cầu dao điện theo đúng trình tự giáo viênhướng dẫn)

- Khởi động máy tính

- Mở nước giải nhiệt

- Xác định nồng độ cồn bằng cồn kế, sau đó tiến hành pha cồn Đo ở cồn 400

( chú ý thao tác cẩn thận tránh làm đổ ra sàn)

- Mở van nhập liệu, van thu sản phẩm đáy

- Cắm đầu hút của bơm nhập liệu vào bình chứa

- Mở công tắc nguồn

- Mở công tắc tổng

- Chạy phần mềm : có 2 giao diện

 giao diện 1: công suất và lưu lượng

 giao diện 2: gồm có 3 bảng

 Bảng 1: gia nhiệt

o PV: màu xanh : giá trị thực tế

o SP: màu vàng : giá trị cài đặt (90%)

o OP: màu đỏ :độ tối ưu hóa ( 100%)

 Bảng 2: cột áp suất

o PV: màu xanh : giá trị thực tế

o SV: màu vàng : giá trị cài đặt ( 30 mBar)

o OP: màu đỏ: độ tối ưu hóa

 Bảng 3: nhiệt độ đáy tháp – nhiệt độ nồi đun

o PV: màu xanh : giá trị thực tế

o SV: giá trị cài đặt (100℃)

o OP: độ tối ưu hóa

- Chỉnh chu kì : 10 giây

- Lưu lượng dòng hoàn lưu : 40%( Min output)

- Bật công tắc sang chế độ CYCLE (chưng cất với chỉ số hồi lưu xác định)

- Chỉnh hệ thống điều khiển ở chế độ AUTO

- Đo độ cồn ở sản phẩm đáy và đỉnh bằng dụng cụ đo tỷ trọng

- Ghi lại các giá trị nhiệt độ

- Thay đổi lưu lượng dòng hoàn lưu ( tăng 5% mỗi lần và tăng đến giá trị 95%thì ngưng)

- Mỗi lần đo phải xả hết sản phẩm ở đáy và đỉnh ở lần đo trước

- Lưu ý : khi tốc độ sản phẩm đỉnh ra chậm ta giảm áp, ngưng bơm, chờ chấtlỏng trong đĩa hạ xuống Sau khi tốc độ sản phẩm đỉnh ổn định ta tăng áp trởlại và khởi động bơm

- Sau khi thực hiện xong các thí nghiệm ta ngừng thí nghiệm

- Tắt hệ thống máy tính

- Tắt công tắc gia nhiệt nhập liệu

- Tắt bơm nhập liệu, khóa van nhập liệu vào tháp

- Đặt bộ chỉnh dòng hoàn lưu ở chế độ DRAW OFF

- Tắt gia nhiệt nồi đun

- Đợi khoảng 2-3 phút tắt hệ thống nước làm lạnh

- Xả hết dung dịch trong bình chứa sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh

- Chờ dung dịch trong nồi đun nguội thì tháo ra

Bảng 10.2 Chuyển đổi đơn vị

Wmol/h

 Lưu lượng nhập liệu F (mol/h)

Với: M E , M N: Khối lượng mol của rượu etylic và nước ở 14.70C

ρ E , ρ N: Khối lượng riêng của rượu etylic và nước ở 14.70C

Với: M E , M N: Khối lượng mol của rượu etylic và nước

ρ E , ρ N: Khối lượng riêng của rượu etylic và nước

Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đỉnh

x W= v W∗MN¿ρ E

M E¿ρ N−v W∗(M E¿ρ N−MN¿ρ E)

Với: M E , M N: Khối lượng mol của rượu etylic và nước

ρ E , ρ N: Khối lượng riêng của rượu etylic và nước

Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đáy

Phương trình đường làm việc:

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:

y= R

R+1 x +

x D R+1

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:

Ntt =N η =15 (η l à hiệu suất của đĩa Hiệu suất η là l hàm số của độ bay hơi tương đối

α của các hỗn hợp thực và độ nhớt của chất lỏng η = f(α, µ),), muốn tính được ta phảixác định tích số α.µ), rồi tra đồ thị xác định hiệu suất trung bình của thiết bị hình3.27/130 sách TRUYỀN KHỐI η thường có giá trị từ 0,2 ÷ 0,9)

 Hiệu suất của tháp:

H= N¿

Ntt.100 %

Lưu lượng khối lượng dòng giải nhiệt

Để đổi lưu lượng dòng giải nhiệt G từ đơn vị l/h sang l/s ta có công thức sau :

Tra CE , CN tại T6 (bảng tra 4.5)

t F là nhiệt độ của nhập liệu (oC)

 Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra

Tra CE , CN tại T1 (bảng tra 4.5)

t W là nhiệt độ của đáy (oC)

 Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun

Từ phương trình cân bằng nhiệt toàn tháp ta có

 Phương trình đường làm việc:

 Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:

y= R

R+1 x +

x D R+1

 Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun

Từ phương trình cân bằng nhiệt toàn tháp ta có

Q F+QK+Q L 0=QD+QW+Qm+Qng

Suy ra :

Q K=QD+QW+Qm+Qng−QF −Q Lo

Trong đó Q Klà nhiệt lượng cần cung cấp

Đường cất Đường chưng

Đường cất Đường chưng

Đường cất Đường chưng

Tài liệu tham khảo

[1] Trịnh Văn Dũng - Bài tập truyền khối - Quá trình thiết bị công nghệ hóa học

& thực phẩm - NXB Đại Học Quốc Gia TP HCM.

[2] Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt - Truyền khối- Bộ môn máy và

thiết bị - NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM, 2012

[3] Hướng dẫn thực hành quá trình và thiết bị - Bộ môn máy thiệt bị - hệ đại học

- Khoa công nghệ hóa Đại Học Công Nghiệp TP.HCM - NXB lao động

[4] Quá trình và thiết bị truyền khối –Khoa máy và thiết bị hóa học –Trường Đại

Học Công Nghiệp TP.HCM