BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHƯNG CẤT QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số: chỉ số hồi lưu, nhiệt độ trạng thái và vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất quá trình chưng cất và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHIỆ HÓA HỌC

Lớp: DHHO10CNhóm 1

Tổ : 4

TP Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 12 năm 2017

CHƯNG CẤT

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Khảo sát và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số: chỉ số hồi lưu, nhiệt độ (trạng thái) và vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất quá trình chưng cất và lượng nhiệt cần sử dụng

Suất lượng mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diện của tháp.Nồng độ pha lỏng sau khi ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi ra khỏi 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 đoạn chưng

2.2.1 Phương trình cân bằng vật chất

F=P+W

x F F=x P P+ x W W

Trong đó: F, P, W: suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh, kmol/h

x F , x P , x W: là thành phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong tháp nhập liệu, sảnphẩm đỉnh và sản phẩm đáy, mol/mol

2.2.2 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)

Chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng dòng hoàn lưu (L0¿ và lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (D)

R= L0

D

Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu (

R min¿ và xác định theo phương trình sau: R=b R min

2.2.3 Phương trình đường làm việc

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

y cất= R

R +1 x+

x P R+1

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

y chưng=R+f

R+1 x −

f −1 R+1 x W

f = F

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

2.2.4 Xác định số mâm lý thuyết

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

+ Xác định phường trình đường làm việc đoạn cất và đoạn chưng và biễu diễn phươngtrình đường làm việc lên đồ thị

+ Vẽ các bâc thang bắt đầu từ điểm P (x=x P , y= y P) và kết thúc

W(x=x W , y= y W) Số bậc thang trên đồ thị chính là số mâm lý thuyết cần tìm

2.3 Cân bằng năng lượng

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

Q nl= ´F C pF (t Fr−t Fv)+Q m nl

Trong đó: Q nl: nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu, kW

´

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

C pF: là nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg.℃

t Fr , t Fv: nhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị, ℃

Q : nhiệt mất mát ở thiết bị gia nhiệt nhập liệu, kW

2.3.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh

Qng= ´P ( R+1) rP=G C (t r−t v)+Qm ng

Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh

Q ng= ´P ( R+1) r P+ ´P ( R+1 ) C Pp (t sP−t P)=G C (t r−t v)+Q m ng

Trong đó: ´P: lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/s

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

C Pp: nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg.℃

t r ,t v: nhiệt độ ra và vào của nước, ℃.G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s

C: nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg.℃

t sP: nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, ℃

Q m ng: nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ

2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Làm lạnh sản phẩm đỉnh

Q llP= ´P C Pp (t Pr−t Pv)=G1 C1.(t 1 r−t 1 v)+Q m llP.Làm lạnh sản phẩm đáy

Q llW= ´W C Pw (t Wr−t Wv)=G2 C2.(t 2 r−t 2 v)+Q m llW.Trong đó:

´P , ´ W: lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/s

C Pp ,C pW: nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kJ/kg.℃

t Pr , t Pv: nhiệt độ của sản phẩm đỉnh ra và vào khỏi thiết bị, ℃

t Wr , t Wv: nhiệt độ của sản phẩm đáy ra và vào khỏi thiết bị, ℃

t 1r ,t 1 v: nhiệt độ ra và vào của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, ℃

t 2 r ,t 2 v: nhiệt độ ra và vào của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, ℃

G2: lưu lượng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kg/s.

C1: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh,J/kg.℃

C2: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, J/kg.℃

Q m llP: nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kW

Q m llW: nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kW

2.2.4 Cân bằng nhiệt toàn tháp

Q F+Q K+Q L0=Q P+Q W+Q m+Q ng

→ Q K=Q P+Q W+Q m+Q ng−Q F−Q L0

Trong đó: Q K: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kW

Q m: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh và thường được lấy gần bằng khoảng 5% đến 10% nhiệt lượng cần cung cấp

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

Mở van nhập liệu ở vị trí thấp nhất, mở van sản phẩm đáy

Điều chỉnh lưu lượng bơm nhập liệu với hiệu suất 100%, số vòng quay tối đa, sau đó

mở công tắc bơm đưa nhập liệu vò nồi đun Khi lượng lỏng trong nồi đun đã đủ (khi dungdịch chảy qua bình chứa sản phẩm đáy) thì ngưng bơm nhập liệu

Khóa van nhập liệu và van thu hồi sản phẩm đáy

Cài đặt chế độ làm việc “Auto” và độ giảm áp của tháp chưng cất ở giá trị 20mBar trên bộ điều khiển độ chênh áp PID

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

Mở điện trở gia nhiệt nồi đun, theo dõi trạng thái hỗn hợp

Khi xuất hiện dòng ngưng tụ ở đỉnh tháp, tiến hành lấy sản phẩm đỉnh, bằng cách chuyển công tắc chia dòng hồi lưu sang chế độ “ Draw off” (không hồi lưu) Sau khi lấy mẫu xong chuyển công tắc trở về chế độ “ Reflux”, đo nồng độ sản phẩm đỉnh

Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

Xác định nhiệt độ sôi của nhập liệu

Mở van thu sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

Điều chỉnh công tắc chia dòng ở vị trí “ Cycle” (hồi lưu một phần)

Cài đặt giá trị tỉ số hồi lưu giá trị thấp nhất bằng 1.5 lần giá trị chỉ số hồi lưu tối thiểu bằng cách cài đặt chế độ làm việc “Manu”, chu kỳ lấy mẫu và giá trị phần trăm hồi lưuSau 10p, tháo hết dung dịch có trong bình chứa sản phẩm đỉnh

Đo lưu lượng sản phẩm đỉnh bằng phương pháp thể tích và nồng độ sản phẩm đỉnhGhi các thông số nồng độ, nhiệt độ vào trong bảng số liệu

Lần lượt tiến hành thí nghiệm với cấc giá trị tỉ số hồi lưu, vị trí mâm nhập liệu và nhiệt độ nhập liệu khác nhau Sau mỗi lần điều chỉnh chế độ làm việc phải đợi 10p để hệ thống ổn định mới tháo hết dung dịch trong bình chứa sản phẩm đỉnh và xác định các thông số

4.3 Các lưu ý

Trong suốt quá trình làm thí nghiệm cần chú ý những vấn đề sau:

- Lưu lượng dòng nước giải nhiệt vào trong hệ thống, nếu không có thì phải ngừng hệ thống

- Lượng hỗn hợp nhập liệu hết thì phải ngừng quá trình làm việc

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

- Đánh giá kết quả đo thành phần và lưu lượng dòng sản phẩm để điều chỉnh chế độ làm việc hợp lí

- Từ R min ta khảo sát các giá trị chỉ số hồi lưu sau đây:

- R=1.5 R min=1.68

- R=2 R min=2.24

- R=2.5 R min=2.81

 Tính cân bằng vật chất:

Bảng kết quả thí nghiệm: Khảo sát mâm nhập liệu cuối cùng (mâm 1)

nhiệt độ nồi đun, ℃

T2: nhiệt độ mâm đáy tháp, ℃

T3: nhiệt độ mâm giữa tháp, ℃

(Kmol h )

W(Kmol h )

- Phương trình đường cất có dạng:

y= R R+1 x +

x P R+1

- Phương trình đường chưng có dạng: ( f = F

P )

y= R+f R+1 x−

f −1 R+1 x W

R Phương trình đường cất Phương trình đường chưng

Đồ thị:

- Ứng với R=1.68

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.2

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.2

- Ứng với R=2.81

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.2

0.73 0.74 0.74 0.75 0.75 0.76 0.76 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3

Biểu đồ quan hệ R-x(P)

Nhận xét: Khi chỉ số hồi lưu tăng thì nồng độ sản phẩm đỉnh cũng tăng

Bảng kết quả thí nghiệm: Khảo sát mâm nhập liệu giữa (mâm 2)

x P ´x P

P(Kmol h)

W(Kmol h)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.2

- Ứng với R=2.24

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.2

- Ứng với R=2.81

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.2

Khi chỉ số hồi lưu tăng thì nồng độ sản phẩm đỉnh cũng tăng.

Bảng kết quả thí nghiệm: Khảo sát mâm nhập liệu trên cùng (mâm 3)

97,1

87,9

86,1

79,4

90,9

29,2

30,12.2

4 10 0,78 93

98,9

96,8

87,5

Bảng tóm tắt giá trị nhập liệu mâm trên cùng (mâm 3)

R x F ´x F

F(Kmol h x P ´x P

P(Kmol)

W(Kmol) x W ´x W

8 0,093 0,207 0,457 0,733 0,875 0,036 0,421 0,038 0,0912.2

4 0,093 0,207 0,457 0,756 0,888 0,020 0,437 0,063 0,1462.8

1 0,093 0,207 0,457 0,756 0,888 0,018 0,439 0,065 0,150

- Phương trình đường cất có dạng:

y= R R+1 x +

x P R+1

- Phương trình đường chưng có dạng: (f = F

P)

y= R+f R+1 x−

f −1 R+1 x W

R Phương trình đường cất Phương trình đường chưng

Suy ra số mâm lý thuyết: N¿=9

H%=159 ×100=60 %

- Ứng với R= 2.24

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.2

- Ứng với R= 2.81

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 -0.2

Suy ra số mâm lý thuyết: N¿9

Nhận xét: Chỉ số hồi lưu tăng mà số mâm lý thuyết không đổi

0 0.5

1 1.5

2 2.5

3

Biểu đồ quan hệ R - x(D)

Qua khảo sát vị trí 3 mâm với 3 giá trị chỉ số hồi lưu như trên, ta thấy vị trí mâm

nhập liệu cùng giá trị chỉ số hồi lưu có ảnh hưởng đến số mâm lý thuyết cũng như là

nồng độ sản phẩm đỉnh

6 Cân bằng năng lượng

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

6.1.1 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

C pW

(kJ/kg.độ )

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc Qk vào R của nhập liệu mâm cuối

C pW

(kJ/kg.độ )

r P

kJ/kg

L0 = R.P

1.68 4.85 1.3523 3.4977 3.8517 3.3677 4.2162 1109.381

0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 0.0000

0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500 0.3000

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc Qk vào R của nhập liệu mâm giữa

C pW

(kJ/kg.độ )

0.0500 0.1000 0.1500 0.2000 0.2500

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc Qk vào R của nhập liệu mâm đỉnh

 Qua các đồ thị ta có thể rút ra được các nhận xét như sau:

 Khi ta tăng dần chỉ số hồi lưu thì số mâm lý thuyết giảm dần

 Lý do mà ta có thể kết luận được như vậy là dựa vào đồ thị hình vẽ và nguyênnhân sâu xa hơn nữa là: khi ta tăng dần chỉ số hồi lưu thì quá trình tiếp xúc phagiữa pha hơi và pha lỏng được diễn ra tốt hơn, do đó động lực của quá trình tănglên dẫn đến hiệu quả của quá trình chưng cất cũng tăng lên đáng kể.

 Nhưng vấn đề đặt ra ở đây là nếu ta hoàn lưu quá nhiều thì diện tích tiếp xúc giữapha lỏng và pha hơi chiếm diện tích càng nhiều, vì vậy kích thước của thiết bị lên

Vì vậy mà ta cần phải xác định được chỉ số hồi lưu bao nhiêu là thích hợp đểchúng ta tìm ra được điểm tối ưu cho quá trình chưng cất cũng như tối ưu hóađược chi phí sản xuất mà chất lượng sản phẩm thu được vẫn có chất lượng nhưmong muốn

 Nếu như ta không hoàn lưu sản phẩm đỉnh thì quá trình tiếp xúc pha sẽ không xảy

ra được vì thế mà sản phẩm chúng ta sẽ không thu được ở nồng độ cao Mà lúc sốmâm lý thuyết đạt rất là lớn và chiều cao của thiết bị cũng rất là cồng kềnh

 Từ những nhận xét trên mà ta có thể rút ra được kết luận là tùy thuộc vào nồng độsản phẩm đỉnh mà ta chọn được chế độ hồi lưu khác nhau hay quá trình chưng cấtkhác nhau Vì thế ta phải xác định được nhu cần thiết yếu mà lựa chon cho mìnhđược giải pháp tối ưu

 Nhận xét quá trình cung cấp nhiệt lượng giữa hai vị trị mâm nhập liệu

 Khi ta giữ nguyên các thông số khác chỉ thay đổi vị trí mâm nhập liệu thì rõ ràngkhi ta thấy có sự khác biệt nhau nhiều về nhiệt lượng Mà khi vị trí mâm càng lêncao thì thời gian ta thu được sản phẩm đỉnh càng lâu dần, dẫn đến năng lượng màcần cuung cấp cho quá trình gia nhiệt từ đó cũng tăng lên theo dẫn đến chí phícung cấp cho quá trình chưng cất cũng vì đó mà tăng theo

 Chính vì thế ta phải xác định được vị trí mâm nhập liệu sau cho phù để tại đó màđộng lực quá trình xảy ra lớn nhất, từ đó thu được lượng sản phẩm có chất lượng

mà chi phí vẫn đảm bảo là thấp nhất

 Những nguyên nhân dẫn đến quá trình sai số

 Do một nguyên nhân nào đó dẫn đến sai số rất dẫn đến không thể vẽ được số mâm

lý thuyết ở vị trí mâm nhập liệu ở giữa

Nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng tách của hỗn hợp Do đó cần nhiệt độ thích hợp để táchhoàn toàn cấu tử ra khỏi hỗn hợp Nếu nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp sẽ hòa lẫn vào nhau làm cho hiệu suất chưng cất thấp Thông số làm việc hợp lí của quá trình chưng cất

là chọn chỉ số hồi lưu R= 2.43 tại mâm nhập liệu số 2 sẽ cho hiệu suất chưng lớn nhất (đạt 100%)

8 NGUYÊN NHÂN CỦA SAI SỐ

+ Các giá trị đo được lấy sai số

+ Sai số trong quá trình tính toán, xử lý số liệu

 Cách khắc phục:

+ Nắm rõ các thông số cần phải xác định trong quá trình thí nghiệm

+ Đọc kết quả và tính toán cẩn thận, lấy sai số ở mức tối thiểu

9 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Bin – Các quá quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

[2] Tài liệu hướng dẫn thực hành Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học, trường Đại học Công nghiệp TP HCM