BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ: CHƯNG CẤT

Với tiêu chí ban đầu của bài thực hành: khảo sát sự ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu, vị trí mâm nhập liệu và trạng thái nhập liệu đến các thông số như nồng độ sản phẩm đỉnh, số mâm lý thuyế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÀI 10: CHƯNG CẤT

Họ tên: Nguyễn Hùng Cường MSSV: 14072991

Lớp: DHHO10C Nhóm: 3

Tổ: 1 GVHD: Võ Thanh Hưởng Ngày thực hành: 18/8/2017

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 21, tháng 8, năm 2017

MỤC LỤC

1 Tóm tắt 1

2 Giới thiệu 2

3 Mục đích thí nghiệm 2

4 Thực nghiệm 2

4.1 Các thông số thiết bị: 2

4.2 Nội dung thí nghiệm: 4

4.3 Các bước thực hiện thí nghiệm (buổi 1): 4

5 Kết quả và bàn luận 5

5.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu: 5

5.2 Khảo sát mâm nhập liệu cuối: 6

6 Kết luận 12

7 Tài liệu tham khảo 12

8 Phụ lục 13

1 Tóm tắt

Chưng cất là một phương pháp hết sức quan trọng trong việc tách hỗn hợp khí -lỏng, lỏng – lỏng thành các cấu tử riêng biệt trong công nghệ hóa chất và thực phẩm ngày nay Với tiêu chí ban đầu của bài thực hành: khảo sát sự ảnh hưởng của chỉ số hồi lưu, vị trí mâm nhập liệu và trạng thái nhập liệu đến các thông số như nồng độ sản phẩm đỉnh, số mâm lý thuyết Sau 1 buổi thực hành, nhóm chúng tôi đã thu được một số kết quả quan trọng để kiểm chứng cho lý thuyết và là tiền đề để thiết kế thiết bị chưng cất về sau đạt hiệu quả hơn Kết luận thứ nhất, khi tăng chỉ số hoàn lưu thì số mâm lý thuyết sẽ giảm Kết luận thứ hai, khi tăng chỉ số hồi lưu thì đồng nghĩa với nồng độ sản phẩm đỉnh tăng theo Tôi hi vọng rằng kết quả trên sẽ giúp ích rất nhiều cho các bạn sinh viên đang nghiên cứu và sẽ tìm ra được giải pháp tối ưu cho những đề tài, đồ án của mình có liên quan đến quá trình chưng cất

2 Giới thiệu

Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tách các hỗn hợp lỏng – lỏng, lỏng – khí, và khí – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp

Số lượng sản phẩm chưng cất phụ thuộc vào số cấu tử trong hỗn hợp Đối với trường hợp 2 cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi thấp, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi thấp và 1 phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Trong quá trình chưng cất, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng chảy từ trên xuống Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ làm việc cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền khối giữa 2 pha lỏng và hơi, một phần pha lỏng ( phần lớn cấu tử dễ bay hơi ) bốc hơi di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi; một phần pha hơi ( phần lớn cấu tử khó bay hơi ) ngưng tụ di chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, qua trình lập lại với nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như vậy nên ở đỉnh tháp ta thu được phần lớn cấu tử dễ bay hơi và đáy tháp ta thu được phần lớn cấu tử khó bay hơi.[ CITATION Kho17 \l 1066 ]

3 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, nồng độ và lưu lượng sản phẩm đỉnh

4 Thực nghiệm

4.1 Các thông số thiết bị:

 Thiết bị chưng cất ( gồm 4 cụm chính)

- Cụm nhập liệu: bơm, bình chứa nhập liệu, thiết bị gia nhiệt nhập liệu, nhiệt kế, van,

- Cụm đỉnh tháp: thiết bị ngưng tụ, thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, bình chứa sản phẩm đỉnh,

- Cụm đáy tháp: nồi đun, điên trở gia nhiệt, thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, van,

- Cụm tháp chưng cất: mâm xuyên lỗ, bộ cách nhiệt, van cầu, nhiệt kế,

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý tháp chưng cất[ CITATION wik17 \l 1066 ]

Hình 4.2: hộp điều khiển của tháp

- Công tắc điện trở gia nhiệt

- Công tắc bơm

- Công tắc nồi đun

- Công tắc điện chung

- Công tắc chính

- Bộ phận điều chỉnh dòng hồi lưu

- Bảng hiển thị nhiệt độ, áp suất

4.2 Nội dung thí nghiệm:

- Buổi 1: Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu, khảo sát mâm nhập liệu cuối

- Buổi 2: Khảo sát 2 vị trí mâm còn lại

4.3 Các bước thực hiện thí nghiệm (buổi 1):

 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu Rmin:

- 9h: Vẽ đồ thị cân bằng pha hệ etanol – nước, tính toán pha nồng độ cồn thích hợp

cho quá trình thí nghiệm

- 9h30: Xin hóa chất và pha dung dịch cồn Nồng độ cồn đo được là 30o, nồng độ sản phẩm đỉnh bằng 0,117 Thể tích pha là 20 lít

- 9h35: Khởi động máy tính, đặt các bình nhập liệu, bình thu sản phẩm đỉnh và đáy

vào vị trí

- 9h40: Mở van nước giải nhiệt, van nhập liệu ở vị trí thấp nhất, van thu sản phẩm

đáy, cài đặt chế độ làm việc “ Auto” và lưu lượng nước giải nhiệt

- 9h42: Điều chỉnh lưu lượng bơm với hiệu suất 100%, số vòng quay tối đa, mở

công tắc bơm đưa nhập liệu vào nồi đun, cài đặt chế độ làm việc Auto và độ giảm

áp của tháp ở 20 mbar, chỉnh nhiệt độ nhập liệu là 90 độ C

- 9h45: Chuyển công tắc chia dòng hoàn lưu sang Reflux, mở điện gia nhiệt nồi đun

- 9h53: Dung dịch trong nồi bắt đầu sôi

- 9h55: Ngưng tụ sản phẩm đỉnh

- 10h10: chuyển sang chế độ Draw off, đo nồng độ sản phẩm đỉnh.

- 10h15: đo nồng độ sản phẩm đỉnh lần 1 x P 1 = 0,756

- 10h20: đo nồng độ sản phẩm đỉnh lần 2 x p 2 = 0,550  loại

- 10h38: Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu lần 1: R min = 0,825

 Khảo sát vị trí mâm cuối:

- 10h45: Cài đặt chế độ làm việc Auto và giá trị nhiệt độ sôi nhập liệu trên bộ điều

khiển của thiết bị gia nhiệt nhập liệu

- 10h53: Nhập chỉ số hồi lưu thứ nhất vào thiết bị R1 = 1,4R min = 1,155

- 11h: lần lượt đo nồng độ, lưu lượng, nhiệt độ sản phẩm đỉnh, đáy

- 11h10: Nhập chỉ số hồi lưu thứ 2 R2 = 1,7R min = 1,403

- 11h15: lần lượt đo nồng độ, lưu lượng, nhiệt độ sản phẩm đỉnh, đáy

- 11h20: Nhập chỉ số hồi lưu thứ 3 R3 = 2R min = 1,650

- 11h25: đo nồng độ, lưu lượng, nhiệt độ sản phẩm đỉnh, đáy

5 Kết quả và bàn luận

5.1 Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu:

Bảng 5-1: Nồng độ, nhiệt độ ở sản phẩm đỉnh thu được

Bảng 5-2: Số liệu đo được khi xác định chỉ số hồi lưu

(%V)

t w

(độ C )

W (ml)

τ W

(s)

V D

(%V)

t D

(độ C)

D (ml)

τ D

(s)

- tính toán nhập liệu

+ nồng độ nhập liệu: V F= 30%V

+ Đổi từ %V về phần mol:

+ Công thức tính độ rượu: D (độ rượu) =V ngl

V 100%

V F = 30.20100 =6(L)

Ta có x F =

V F ρ E

46

V F ρ e

46 +ρ N ¿¿ ¿

=

6 X 0 952

46

6 X 0 , 952

46 +

0 998 X 14

18

=0.138 (mol/mol hh)

V D= 91 X 0 2100 = 0.182(L)

Khi đó, x D =

V D ρ E

46

V D ρ E

46 +¿ ¿ ¿

=

0.182 X 0.80

46

0.182 X 0.80

46 +

( 0,2−0.182) X 0.995

18

=0,762 (mol/mol hh)

Từ bảng tra -> y¿ F = 0.48 (mol)

Ta có R min = x D−y¿F

y¿F

−x F = 0 762−0 48 0 48−0 138 =0,825

Với b =1.4 =>R =1.155

Với b = 1.7 =>R=1.403

Với b = 2 => R=1.650

5.2 Khảo sát mâm nhập liệu cuối:

5.2.1 Với R1 = 1,155 ta có:

Bảng 5-3: Số liệu đo được khi khảo sát chỉ số hồi lưu R = 1,155

các thông số của sản phẩm đỉnh ứng với R =1.155

t D (độ

C)

VD

(%V)

(g/m3)

ρ N

(g/m3)

xD (%)

35 93 0.1 0.796 0.994 80,6

các thông số của sản phẩm đáy ứng với R =1.155

Tw

(độ C)

VW

(%V)

(g/m3)

ρ N

(g/m3)

x w(%)

Hình 5.1: Biểu diễn số mâm lý thuyết theo R1

Kết luận: Trường hợp này cần 18 mâm lý thuyết

5.2.2 Với R2 = 1,403 ta có:

Bảng 5-4: Số liệu đo được khi khảo sát chỉ số hồi lưu R = 1,403

các thông số của sản phẩm đỉnh ứng với R =1.403

t D ( 0 C) V D (%V) V D (L) ρ E (g/m3 ) ρ N(g/m3 ) xD (%)

các thông số của sản phẩm đỉnh ứng với R =1.403

Tw ( 0 C) V W (%V) V W (L) ρ E (g/m3) ρ N (g/m3

) xW (%)

Hình 5.2: Biểu diễn số mâm lý thuyết theo R2

Kết luận: Trường hợp này cần 9 mâm lý thuyết

5.2.3 Với R3 = 1,650 ta có:

Bảng 5-5: Số liệu đo được khi khảo sát chỉ số hồi lưu R = 1,650

các thông số của sản phẩm đỉnh ứng với R =1.650

t D ( 0 C) V D (%V) V D (L) ρ E (g/m3 ) ρ N (g/m3 ) xD (%)

các thông số của sản phẩm đáy ứng với R =1.650

Tw ( 0 C) V W (%V) V W (L) ρ E (g/m3 ) ρ N (g/m3 ) xW (%)

Hình 5.3: Biểu diễn số mâm lý thuyết theo R3

Kết luận: Trường hợp này cần 7 mâm lý thuyết

5.2.4 Sự biến đổi của sản phẩm đỉnh theo chỉ số hồi lưu:

Bảng 5-5: Mối liên hệ giữa sản phẩm đỉnh và chỉ số hồi lưu

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Mối liên hệ giữa và R

5.2.5 Nhận xét:

Sau khi tiến hành thực nghiệm xong ta rút ra được nhận xét sau:

- Nồng độ sản phẩm đỉnh không đổi theo thời gian

- Thiết bị chưng cất liên tục có bộ phận gia nhiệt và nồi đun riêng giúp tiết kiệm

được nhiệt lượng so với chưng cất gián đoạn

- Chỉ số hoàn lưu tăng dẫn đến mâm lý thuyết giảm và nồng độ sản phẩm đỉnh tăng.

Sở dĩ nồng độ sản phẩm đỉnh tăng là bởi vì lượng hoàn lưu khi trở lại tháp sẽ tiếp xúc với lượng hơi đi từ dưới lên Do sự tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng nên lượng etanol có trong pha hơi sẽ lôi cuốn lượng etanol trong dòng hoàn lưu, đồng thời lượng nước trong pha hơi sẽ đọng lại ở dòng hoàn lưu Khi tới đỉnh tháp, dòng hơi bị ngưng tụ và nồng độ sản phẩm đỉnh càng tăng lên Quá trình tiếp tục, sản phẩm đỉnh này sẽ được hoàn lưu lại, tương ứng sẽ có nồng độ cấu tử etanol cao hơn dòng hoàn lưu ban đầu Và cứ thế quá trình lôi kéo cấu tử giữa pha hơi và lỏng lại xảy ra, dẫn đến nồng độ sản phẩm đỉnh càng cao

6 Kết luận

Từ kết quả thực nghiệm ta thấy rằng, khi tăng chỉ số hoàn lưu thì số mâm lý thuyết

sẽ giảm, đồng nghĩa lưu lượng sản phẩm đỉnh sẽ giảm Và nồng độ sản phẩm đỉnh tăng

7 Tài liệu tham khảo

[1] K c n h học, “bài chưng cất,” Hồ Chí Minh, khoa công nghệ hóa học trường đại học công nghiệp tp HCM, 2017, p 94

https://en.wikipedia.org/wiki/Continuous_distillation [Đã truy cập 29 August 2017]

[3] Tài liệu hướng dẫn thực hành các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học, Hồ Chí Minh: Khoa công nghệ hóa học trường đại học công nghiệp tp HCM, 2017

8 Phụ lục

Kết quả thô khảo sát vị trí nhập liệu mâm cuối

Bảng 8-1: Kết quả ghi nhận thô

R V W(%V ) V D(%V ) t W(

C¿ ¿❑o

t D¿ W(ml) t W(s) D(ml) t D(s)