Thí nghiệm QTTB Chưng cất

MỤC ĐÍCH _ Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt động củanhập liệu trên hiệu suất của một cột chưng cất và độ tinh khiết của sản phẩm.. Phươ

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

HỌC KỲ I – NĂM HỌC 2018-2019

MỤC LỤC

1 TRÍCH YẾU 3

1.1 MỤC ĐÍCH 3

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.2.1 Định nghĩa 3

1.2.2 Cách xác định số mâm lý thuyết 4

1.2.3 Tỷ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) và tỷ số hồi lưu (R) 4

1.2.4 Phương trình đường nồng độ làm việc 5

1.2.5 Hiệu suất 5

1.2.6 Mối liên hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất mâm tổng quát 6

2 THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 7

2.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 7

2.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 7

2.1.2 Mô tả sơ đồ 7

2.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 8

3 KẾT QUẢ ĐO SỐ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 10

3.1 KẾT QUẢ ĐO SỐ LIỆU 10

3.2 CÔNG THỨC TÍNH TOÁN 10

3.2.1 Dòng nhập liệu 10

3.2.2 Dòng sản phẩm đỉnh 10

3.2.3 Dòng hoàn lưu 11

3.2.4 Dòng sản phẩm đáy 11

3.2.5 Tỷ số hoàn lưu 11

3.2.6 Tính HF 11

3.2.7 Tính 11

3.2.8 Tính 11

3.2.9 Tính q 11

3.2.10.Phương trình đường nhập liệu 11

3.2.11.Phương trình đường cất 11

3.2.12.Phương trình đường chưng 11

3.3 XỬ LÝ SỐ LIỆU 12

3.4 ĐỒ THỊ 15

4 BÀN LUẬN 22

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

CHƯƠNG 1 : TRÍCH YẾU

1.1 MỤC ĐÍCH

_ Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt động củanhập liệu trên hiệu suất của một cột chưng cất và độ tinh khiết của sản phẩm Căn cứ vào số mâmthực, ước đoán độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh

+ Dòng nhập liệu ở trạng thái sôi

+ Hơi sản phẩm đỉnh là ngưng tụ hết hoàn toàn

+ Có dòng hồi lưu đồng thời dòng sản phẩm đỉnh không được làm nguội

+ Cấp nhiệt đun sôi lỏng đáy tháp bằng phương pháp truyền nhiệt gián tiếp

+ Sản phẩm đáy cũng không được làm nguội

1.2.2 Cách xác định số mâm lý thuyết

_ Để xác định số mâm lý thuyết :

 Viết phương trình làm việc phần cất : y =

 Viết phương trình làm việc của phần chưng: y =

_ Ta vẽ hai đường làm việc trên đồ thị , vẽ đường bậc thang rồi đếm số bậc thang Đây chính là sốmâm lý thuyết ta cần tìm

1.2.3 Tỷ số hồi lưu tối thiểu (R min ) và tỷ số hồi lưu (R)

_ Tỷ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) : =

+ Trong đó: y* F là nồng độ cân bằng ở pha y (khí trơ) ứng với nồng độ xF ở pha lỏng

+ Lưu ý : Công thức này chỉ áp dụng cho trường hợp khi nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi và

đường nồng độ cân bằng không có điểm uốn

_ Tỷ số hồi lưu (R) : R = Rmin

+ Trong đó: là hệ số hồi lưu dư (1,13)

+ Trường hợp không biết thì R được tính bằng công thức: R = 1,3Rmin + 0,3

1.2.4 Phương trình đường nồng độ làm việc

_ Phương trình đường làm việc của phần chưng : y=

+ Trong đó :

f = là tỷ số xuất lượng mol tương đối dòng nhập liệu ứng với 1 mol sản phẩm đỉnh.

f = 1+ W với W = = gọi là xuất lượng mol tương đối của dòng sản phẩm đáy ứng

với 1 mol sản phẩm đỉnh (tức là tính theo 1 mol sản phẩm đỉnh)

+ Đường nồng độ làm việc ở phần chưng đi qua điểm có tọa độ (yw,xw) và yw= xw trên 45o và

đi qua điểm F có tọa độ tương ứng (xF,yF) trong đó F là giao điểm của 2 đường nồng độ làm việc _ Phương trình đường làm việc của phần cất : y =

+ Với : R = ; R=

+ Đường làm việc của phàn cất đi qua điểm có tọa độ xD = yD và đi qua điểm F (giao điểmcủa hai đường làm việc)

_ Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản dựa trên các cơ sở sau :

a Cân bằng giữa pha lỏng – hơi cho hỗn hợp hai cấu tử

b Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm cho 2 pha lỏng – hơi là:

+ Pha lỏng phải 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 độđồng nhất tại mọi vị trí trên tiết diện mâm

+ Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha

1.2.5 Hiệu suất

_ Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực, ta cần phải biết hiệu suất mâm, có 3 loại hiệusuất mâm thường dùng là:

 Hiệu suất tổng quát, liên quan đến toàn tháp

 Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến một mâm

 Hiệu suất cục bộ, liên quan đến một vị trí cụ thể trên một mâm

a) Hiệu suất tổng quát

_ Là hiệu suất đơn giản khi sử dụng nhưng kém chính xác nhất, được định nghĩa là tỉ số giữa sốmâm lý tưởng và số mâm thực cho toàn tháp :

b) Hiệu suất mâm Murphree

_ Là tỉ số giữa sự biến đổi nồng độ pha hơi qua một mâm với sự biến đổi nồng độ cực đại có thểđạt được khi pha hơi rời mâm cân bằng với pha lỏng rời mâm thứ n :

+ Trong đó :

: Nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n

: Nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n: Nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng rời ống chảy chuyền mâm thứ n_ Nói chung, pha lỏng rời mâm có nồng độ không bằng với nồng độ trung bình pha lỏng trên mâm,nên dẫn đến khái niệm hiệu suất cục bộ.

c) Hiệu suất mâm cục bộ E C

+ Trong đó:

: Nồng độ pha hơi rời khỏi vị trí cụ thể trên mâm n

: Nồng độ pha hơi mâm n tại cùng vị trí

: Nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại cùng vị trí

1.2.6 Mối liên hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất mâm tổng quát

_ Hiệu suất tổng quát của tháp không bằng với hiệu suất trung bình của từng mâm Mối quan hệgiữa hai hiệu suất này tùy thuộc vào độ dốc tương đối của đường cân bằng và đường làm việc._ Tuy nhiên, khi phân tích hoạt động của tháp hay một phần của tháp thực tế, trong đó, ta đo được

sự biến thiên nồng độ qua một hoặc một vài mâm ở các vị trí khác nhau sẽ xác định giá trị chínhxác của EM hơn là giả sử EM = E0

CHƯƠNG 2 : THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

2.1. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

2.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nhiệt động lực học

13 Lưu lượng kế đo dòng nhập liệu

14 Lưu lượng kế đo dòng hoàn lưu

15 Điện trở đun nóng dòng nhập liệu

16 Điện trở đun nóng dòng hoàn lưu

17 Cửa nhập liệu nồi đun

2.1.2 Mô tả sơ đồ

_Hệ thống tháp chưng cất gồm 5 mâm xuyên lỗ

_ Hệ thống đo nhiệt độ các dòng nhập liệu, hoàn lưu, sản phẩm đỉnh, nồi đun và ở các mâm

_ Hai lưu lượng kế đo lưu lượng dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu

_ Một phù kế đo độ rượu

_ Hai ống khắc vạch (ống đong nhỏ và lớn): trong đó ống lớn để chứa và ống nhỏ để đo lưu lượngsản phẩm đỉnh

_ Hỗn hợp rượu etanol – nước pha sẵn với thể tích 60 L.

_ Khởi động :

 Cho nhập liệu từ 20 – 60 L vào bình chứa qua nắp C1

 Để đưa nhập liệu vào khoảng 1/3 nồi đun, ta mở van V7 và bật bơm nhập liệu

 Đưa điện vào hệ thống, sau đó bật nút nồi đun và chờ nồi đun sôi thì khởi động bơm nhậpliệu Quan sát nhiệt độ trong nồi bằng hệ thống nhiệt kế điện tử

 Quan sát mức chất lỏng trong nồi thông qua ống đo mức nước ở bên trái nồi đun trong suốtthời gian làm thí nghiệm, nếu mức chất lỏng giảm dưới 1/3 thì phải thêm nhập liệu, nếu quá đầy thìtháo bớt chất lỏng trong nồi

 Trong khi hệ thống đang đun nóng, mở van chảy tràn của sản phẩm đỉnh, van V2 để thônghơi với bình chứa, các van sau đây đóng

 Van V3: xả sản phẩm đỉnh

 Van hoàn lưu V1: dẫn sản phẩm đỉnh về lại tháp chưng cất

 Mở van WI cho nước vào làm lạnh hệ thống ngưng tụ

 Nối đầu ống dẫn nhập liệu vào một mâm nhập liệu thích hợp trên tháp, điều chỉnh lưu lượngnhập liệu bằng van V6, đóng van V7 ở trị số thích hợp trên lưu lượng kế

 Sản phẩm đỉnh thu được sẽ cho hoàn lưu về đỉnh cột qua lưu lượng kế, điều chỉnh lưu lượngdòng hoàn lưu bằng van V4

 Đun nóng dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu

 Để rút sản phẩm đỉnh thay vì cho chảy về bình nhập liệu, đóng van V2, hứng sản phẩm đỉnhngay dưới van V3

 Khi thay đổi vị trí mâm, tháo đầu ống nhập liệu ở mâm cũ gắn vào mâm mới, lúc tháokhông cần điểu chỉnh lưu lượng kế

 Theo dõi thường xuyên mức chất lỏng trong nồi, nếu vì một lý do nào đó, mức chất lỏngtrong nồi xuống dưới điện trở, dòng điện tự động ngắt, khi nhiệt độ trong nồi giảm bớt thì cho điệntrở hoạt động trở lại

_ Ngừng máy :

 Tắt điện trở nồi đun

 Tắt điện trở đung nóng nhập liệu, hoàn lưu và tắt các bơm.

 Tháo sản phẩm đỉnh bằng cách mở van R2, van R1 đóng Khi không còn hơi ngưng thì mởvan R3 để rút một phần sản phẩm đỉnh còn lại, van R3 vẫn để mở để hệ thống ngưng hơi khinguội

 Đóng van W1 khi không còn sản phẩm đỉnh

 Ngắt điện hệ thống

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ ĐO SỐ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

3.1 KẾT QUẢ ĐO SỐ LIỆU

 M R và M N là trọng lượng phân tử của rượu và nước

 x F là độ rượu đo được

b) Tình :

c) Tính MF :

d) Tính của dòng nhập liệu (tính theo phân mol khối lượng) :

e) Tính suất lượng mol F (mol/s) :

b) Tính của dòng hoàn lưu:

d) Tính suất lượng mol Lo (mol/s) :

 Tính phân mol dòng

Thí

nghiệm

Vị trí mâm

 Phương trình đường chưng

 Phương trình đường nhập liệu

 Thí nghiệm 2 :

 Thí nghiệm 3 :

 Thí nghiệm 4 :

 Thí nghiệm 5 :

 Thí nghiệm 6 :

_ Từ các đồ thị trên : Hiệu suất tổng quát Eo ở thí nghiệm 1: Eo =

+Hiệu suất mâm củng bị ảnh hưởng , hiệu suất càng cao khi vị trí mâm nhập liệu thấp.

2 Các nguyên nhân sai số và cách khắc phục

 Nguyên nhân

+ Đọc độ rượu trên phù kế không đúng

+ Đọc nhiệt độ trên các đồng hồ không chính xác vì số trên đồng hồ nhảy liên tục

+ Đo lưu lượng sản phẩm đỉnh bằng ống đong không chính xác

+ Lưu lượng đo dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu trồi sụt lên xuống không ổn định nên phảichỉnh liên tục cho đúng lưu lượng theo yêu cầu thí nghiệm

+ Do sai số trong việc tính toán như tra các thông số nhiệt dung riêng, khối lượng riêng và

ẩn nhiệt hóa hơi

+ Việc sai số rất dễ xảy ra khi ta trích một phần rượu ở sản phẩm đỉnh ra ống đong để xácđịnh lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh

+ Khi đang thí nghiệm nhóm đã đổ hỗn hợp sản phẩm đỉnh vào bình nguyên liệu do đó làmthay đổi nồng độ ban đầu của nguyên liệu

 Khắc phục

+ Tìm hiểu và nắm rõ quy trình trước khi tiến hành thí nghiệm

+ Lưu ý bật bơm trước khi gia nhiệt để tránh bơm bị hỏng

+ Chờ thiết bị ổn định mới tiến hành thí nghiệm

+ Lấy số liệu khi thiết bị đang ổn định.

+ Thao tác cẩn thận, chính xác hơn trong việc lấy sản phẩm đỉnh để đo lưu lượng dòng nhậpliệu

+ Kiểm tra kĩ các thông số nhiệt độ và lưu lượng dòng hoàn lưu và nhập liệu

PHỤ LỤC

 Khối lượng riêng của nước theo nhiệt độ ( Tra ở bảng “Bảng tra cứu Quá trình cơ học Truyền nhiệt - Truyền khối”, bảng 43, trang 42)

 Giản đồ t-x,y (Tra ở bảng tra cứu Quá trình cơ học Truyền nhiệt - Truyền khối, bảng 51, trang 44)

CHƯƠNG 5 : TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình và thiết bị truyền nhiệt”, ĐHBK TP.HCM,