Thời điểm sensor TI1 đạt khoảng 840C, nhiệt độ sensor TI3 bắt đầu tăng nhanh từ vọt từ 320C lên đến 700C, lúc này nồi đun C1 sôi mạnh, bong bóng xuất hiện nhiều, dòng khí di chuyển với v
Trang 1MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
BÀI 6 CHƯNG CẤT GIÁN ĐOẠN 2
I KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM: 2
II TÍNH TOÁN: 3
1 Trường hợp 1: tỉ số hoàn lưu R=1 3
2 Trường hợp 2: tỉ số hoàn lưu R=2 6
III BÀN LUẬN 9
TÀI LIỆU THAM KHẢO 10
Trang 2I KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:
Bảng 1: Kết quả thí nghiệm chưng cất gián đoạn
Bảng 2: Kết quả thí nghiệm chưng cất gián đoạn
Khối lượng riêng của nước ở
nhiệt độ trung bình (kg/m3) 995.23 995.31
Bảng 3: Bảng chuyển đổi độ rượu về 20 o C (% thể tích) [4]
Trang 3CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
Độ rượu trên
Độ rượu chuyển
1 Trường hợp 1: tỉ số hoàn lưu R=1
a Tính toán lượng sản phẩm đỉnh và đáy thu được:
Khối lượng riêng của nước ở 20ºC: 998.23 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu tinh khiết ở 20ºC: 789 kg/m3
(Trích: “Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, trang 12”).
Công thức chuyển đổi từ độ rượu sang phần mol của rượu (a là độ rượu):
1+M M R
N
ρ N
ρ R(1−a
a )(molhh molR)
Công thức chuyển từ phần mol sang phần khối lượng:
x+ M R
M N ×(1−x)( kgR
kghh)
Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp:
M=x R × M R+(1−x R)× M N( g
mol) Công thức xác định khối lượng riêng hỗn hợp:
1
ρ hh=x R
ρ R+1−x R
ρ N
Suất lượng mol dòng nhập liệu:
F= ρ F × V F
M =982.08 × 5× 10
−3
22.06 × 10−3 =222.59(mol
h )
Trang 4Ta có phương trình:
{ W +D=222.59
0.098 W +0.76 D=0.145× 222.59
Suy ra:
{W=206.79 mol /h
D=15.8 mol/h
b Tính tỉ số hoàn lưu cục bộ, tỉ số hoàn lưu toàn phần:
Nhiệt cung cấp cho thiết bị nồi đun:
Q R =500 W =500 ×36001000 =1800 kJ /h
Nhiệt cung cấp cho thiết bị ngưng tụ tại nhiệt độ trung bình:
30.4+32.5
2 =31.45
o C
Tại 31.45oC ta có ρN= 995.23 ;Tra bảng “Nhiêt dung riêng của một số chất lỏng
phụ thuộc vào nhiệt độ, Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, Trang 171,172” với 31.45oC được giá trị nhiệt dung riêng của nước C=4177.14 J/kg
Q C =F ×C × ∆ t=75 ×10−3×995.23 × 4.17714 ×(32.5−30.4)
¿654.76kJ /h
Q i =Q R −Q c=1800 – 654.76 = 1145.24 kJ /h
Khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:
mD = D.Mhh = {15.8 × [0.76×46 + (1 - 0.76)×18]}×10−3 = 0.621 kg/h
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rN = 540 kcal/kg= 2260.872 kJ/kg
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: rR = 206.4 kcal/kg= 864.156 kJ/kg
(Tra “Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, Trang 253,254”).
Tỉ số hoàn lưu cục bộ:
D × m D ×r R +(1−x D )×m D ×r N
0.553× 0.621× 864.156+(1−0.553)× 0.621× 2260.872
¿ 1.24
Trang 5CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
c Vẽ đồ thị (x, y) Vẽ đường làm việc phần cất Vẽ đường bậc thang suy ra số đĩa lý thuyết:
Bảng cân bằng pha lỏng – hơi của rượu – nước:
Phương trình đường làm việc đoạn cất có dạng :
y= R T
R T+1x+ 1 R T+1x D
Trang 60.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
R
D
F
W
f(x) = − 50.018749286 x⁶ + 168.99046005 x⁵ − 223.04357566 x⁴ + 145.72193172 x³ − 48.848880401 x²
+ 8.1966736802 x
R² = 0.99967323538206
đường 45 đường cất
Hình 1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
⇒Từ đồ thị suy ra số bậc thang là 5
d Tính hiệu suất tổng quát của tháp:
E0= Số mâmlý tưởng Số mâm thực tế = Số bậc thang−1 Số mâmthựctế = 5−17 ×100 %=57%
2 Trường hợp 2: tỉ số hoàn lưu R=2
a Tính toán lượng sản phẩm đỉnh và đáy thu được:
Chọn căn bản tính trong 1 giờ
Khối lượng riêng của nước ở 20ºC: 998.23 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu tinh khiết ở 20ºC: 789 kg/m3
Trang 7CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
F= ρ F × V M F =982.08 × 5× 10−3
22.06 × 10−3 =222.59(mol
h )
Ta có phương trình:
{ W +D=222.59
0.13 W +0.826 D=0.145 × 222.59
Suy ra:
{W=217.79 mol /h
D=4.8mol /h
b Tính tỉ số hoàn lưu cục bộ, tỉ số hoàn lưu toàn phần:
Nhiệt cung cấp cho thiết bị nồi đun:
Q R =500 W =500 ×36001000 =1800 kJ /h
Nhiệt cung cấp cho thiết bị ngưng tụ tại nhiệt độ trung bình:
30.4+32
2 =31.2
o C
Tại 31.2oC ta có ρN= 995.31 ;Tra bảng “Nhiêt dung riêng của một số chất lỏng
phụ thuộc vào nhiệt độ, Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, Trang 171,172” với 31.2oC được giá trị nhiệt dung riêng của nước C=4177.2 J/kg
Q C =F ×C × ∆ t
¿75×10−3× 995.31× 4.1772×(32−30.4)=498.91kJ /h
Q i =Q R −Q c =1800−498.91=1301.09kJ /h
Khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:
mD = D.Mhh = {4.8× [0.826×46 + (1 – 0.826)×18]}×10−3= 0.197 kg/h
Ẩn nhiệt hóa hơi của nước: rN = 540 kcal/kg= 2260.872 kJ/kg
Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu: rR = 206.4 kcal/kg= 864.156 kJ/kg
(Tra “Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, Trang 253,254”).
Tỉ số hoàn lưu cục bộ:
x D × m D ×r R +(1−x D )×m D ×r N
0.65× 0.197 ×864.156+(1−0.65)×0.197 × 2260.872=4.88
Tỉ số hoàn lưu tổng: RT = R + Ri = 2 + 4.88 = 6.88
Trang 8Bảng cân bằng pha lỏng – hơi của rượu – nước:
Phương trình đường làm việc đoạn cất có dạng :
y= R T
R T+1x+ 1 R T+1x D
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
R
D
F W
f(x) = − 50.018749286 x⁶ + 168.99046005 x⁵ − 223.04357566 x⁴ + 145.72193172 x³ − 48.848880401 x²
+ 8.1966736802 x
R² = 0.99967323538206
Giản đồ Mc Cabe - Thiele
Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết
⇒Từ hình suy ra số bậc thang là 6
Trang 9CBHD: TS Lương Huỳnh Vủ Thanh
d Tính hiệu suất tổng quát của tháp:
E0= Số mâmlý tưởng Số mâm thực tế = Số bậc thang−1 Số mâmthựctế = 6−17 ×100 %=71.4 %
Hỗn hợp ethanol 40 độ được đưa vào nồi đun (C1), được điện trở (J1) cấp nhiệt 500W Sensor nhiệt độ TI1 thể hiện nhiệt độ của nồi đun, các sensor TI2, TI3, TI4 nằm ở các đoạn của tháp chưng cất Thời điểm sensor TI1 khoảng 40-500C, trong nồi đun xuất hiện các bong bóng khí, dòng khí bắt đầu xuất hiện, di chuyển với vận tốc bé Thời điểm sensor TI1 đạt khoảng 840C, nhiệt độ sensor TI3 bắt đầu tăng nhanh từ vọt
từ 320C lên đến 700C, lúc này nồi đun C1 sôi mạnh, bong bóng xuất hiện nhiều, dòng khí di chuyển với vận tốc tăng mạnh Mở van V10 cho nước vào vào để ngưng tụ, làm lạnh, bật R và chỉnh thời gian đóng-mở phù hợp Nhiệt độ nước vào TI5 chênh lệch với nước ra TI6 sau khí qua thiết bị ngưng tụ không lớn nên nó được tiếp tục dùng làm lạnh để thu sản phẩm đỉnh Đợi thiết bị ổn định nhiệt độ, lượng sản phẩm đỉnh đủ để xác định thì tắt hệ thống và thu sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy
Trong quá trình thí nghiệm có xảy ra hiện tượng ngập lụt, để giải quyết trường hợp này ta có thể giảm nhiệt lượng đun, tắt hệ thống đun hoặc mở van xả áp trên tháp(trường hợp này hạn chế sử dụng), trong bài ta chọn phương án tắt hệ thống đun khoảng 5p cho hiện tượng ngập lụt mất đi
Dòng lỏng hoàn lưu đi xuống gặp dòng hơi nóng đi lên, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra: cấu tử khó bay hơi sẽ ngưng thành lỏng, cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi tăng lên Lượng hơi sau tiếp xúc có nồng độ etanol cao hơn, nồng độ cấu tử nước giảm đi Đây là quá trình truyền khối xảy ra trên mâm, mỗi khi lượng hơi đi qua 1 mâm, nồng
độ etanol lại tăng lên Do đó, nồng độ sản phẩm đỉnh phụ thuộc vào số lượng mâm trong tháp và tỷ số hoàn lưu Số mâm là cố định vậy nên nồng độ sản phẩm đỉnh phụ thuộc vào tỷ số hoàn lưu Ở trường hợp R=1 ta thu được sản phẩm có độ rượu 91.1 (ở điều kiện chuẩn 200C), với trường hợp R=2 ta thu được sản phẩm có độ rượu 93.9 (ở điều kiện chuẩn 200C) Có thể thấy khi tăng tỉ số hoàn lưu thì nồng độ sản phẩm đỉnh tăng
Vậy nếu ta chọn một chỉ số hoàn lưu lớn cho thiết bị thì sao?
Công thức tỷ số hoàn lưu: R =
Theo công thức trên ta thấy tỷ số hoàn lưu tỉ lệ thuận với lưu lượng hoàn lưu L, nên khi R tăng thì L tăng, vì thế lượng sản phẩm thực thu được (D – L) giảm dẫn đến năng suất giảm, đồng thời thiết bị tiêu tốn nhiều công suất hơn Tuy nhiên, khi tăng tỷ
số hoàn lưu R thì hiệu suất của quá trình chưng cất tăng
Trang 101 Trần Xoa và tập thể tác giả, Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tập 1, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội
2 Phan Văn Thơm, Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa dụng, 2011, NXB Đại học Cần Thơ
3 Vũ Bá Minh và Hoàng Minh Nam, 2004 Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học Tập 2: Cơ học vật liệu rời, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 265 trang
4 Elettronica Veneta and InEL S.P.A, 2002 Batch distillation pilot plant User’s Handbook.