BÀI 10 CHƯNG CẤT IUH

báo cáo thực hành các quá trình thiết bị và cơ học trong công nghệ hoá BÀI 10 CHƯNG CẤT của trường đại học Công nghiệp Tp.HCM do sinh viên biên soạn báo cáo và được giáo viên chỉnh sửa bài đúng theo yêu cầu

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

Lớp học phần:

Ngày thực hành:

06.05.2021 – 13.05.2021

BÀI 10 CHƯNG CẤT 10.1 GIỚI THIỆU

Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tác các hỗn hợp lỏng – lỏng, lỏng – khivà khi – khi thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của các cấu tửtrong hỗn hợp

Số lượng sản phẩm chưng cất phụ thuộc vào số cấu tử có trong hỗn hợp Đối với trườnghợp hỗn hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phầnrất it cấu tử có độ bay hơi thấp, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi thấp và một phầnrất it cấu tử có độ bay hơi lớn

Trong quá trình chưng cất, pha hơi đi từ dưới lên, pha lỏng chảy di chuyển từ trênxuống Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ làm việc cũng thayđổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa haipha lỏng và pha hơi, một phần pha lỏng (phần lớn cấu tử dễ bay hơi) bốc hơi di chuyển từpha lỏng vào pha hơi; một phần pha hơi (phần lớn cấu tử khó bay hơi) ngưng tụ di chuyểntừ pha hơi vào pha lỏng, quá trình lập lại với nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như vậy nên ơđỉnh tháp ta thu được phần lớn cấu tử dễ bay hơi và ơ đáy tháp ta thu được phần lớn cấu tửkhó bay hơi

10.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

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

10.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

10.3.1 Cân bằng vật chất

Quá trình tinh toán cân bằng vật chất chưng cất dựa trên cơ sơ phương pháp Mc Theile [ CITATION Kho \l 1033 ] ,xem gần đúng đường làm việc phần chưng và phần cấtlà đường thẳng và chấp nhận một số giả thuyết sau:

Cabe 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 đỉnhtháp

- Dòng hơi vào và ra của tháp ơ trạng thái hơi bão hòa.

- Dòng hồi lưu vào tháp ơ trạng thái lỏng sôi

- Suất lượng mol pha lỏng không đổi theo chiều cao của đoạn cất và đoạn chưng

10.3.1.1 Phương trình cân bằng vật chất

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

: thành phần mol của cấu tử nhẹ trong hỗn hợp nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sảnphẩm đáy,

10.3.1.2 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)

Chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng hòan lưu (L0) và lưu lượng của dòng sản phẩmđỉnh (P)

Chỉ số hồi lưu thich hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) vàxác định theo công thức: R = b.Rmin

10.3.1.3 Phương trình đường làm việc

Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

Phương trình đường làm việc đoạn chưng:

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

10.3.1.4 Xác định số mâm lý thuyết

Hình 3.1: Xác định số mâm lý thuyết10.3.2 Cân bằng năng lượng

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

Trong đó: : nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu (kW)

: lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu

: là nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu

: nhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị,

: nhiệt mất mát ơ thiết bị gia nhiệt nhập liệu, kW 10.3.2.2 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh:

Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh:

Trong đó: : lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh

: nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh

: nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh

, : nhiệt độ ra và vào của nước (oC)

: lưu lượng dòng giải nhiệt

C: nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt

: nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh (oC)

: nhiệt độ của sản phẩm đỉnh sau làm lạnh (oC)

: nhiệt mất mát ơ thiết bị ngưng tụ (kW)

10.3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Làm lạnh sản phẩm đỉnh:

Làm lạnh sản phẩm đáy:

Trong đó: : lưu lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

, : nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

: nhiệt độ của sản phẩm đỉnh ra và vào khỏi thiết bị (oC)

: nhiệt độ của sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị (oC)

: nhiệt độ vào và ra của nước ơ thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh (oC): nhiệt độ vào và ra của nước ơ thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy (oC): lưu lượng dòng giải nhiệt ơ thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh

: lưu lượng dòng giải nhiệt ơ thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy

: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ơ thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh : nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ơ thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy : nhiệt mất mát ơ thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh (kW)

: nhiệt mất mát ơ thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy (kW)

10.3.2.4 Cân bằng nhiệt toàn tháp



Trong đó: : nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun (kW)

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

: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào (kW)

: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra (kW)

: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra (kW)

: nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ (kW)

: nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào (kW)

10.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

10.4.1 Hệ thống chưng cất

10.4.1.3 Sơ đồ hệ thống

Sgk – trang 103

10.4.2 Trang thiết bị, hoá chất

10.4.2.1 Dụng cụ, hoá chất

- Hỗn hợp cồn (Etanol – Nước) 96 độ cồn

- Tỷ trọng kế (phù kế) từ 0o đến 60o và từ 60o đến 100o

- Ống đong 1 lit

- Ống đong 100ml

- Nhiệt kế

10.4.2.2 Phần mềm DIV3000

Sgk – trang 104, 105, 106 và 107

10.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

- Buổi 1: Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

- Buổi 2: Khảo sát 2 vị tri còn lại của mâm nhâp liệu.

- Mơ hệ thống nước giải nhiệt, cài đặt chế độ làm việc “Auto” và lưu lượng nước giải nhiệt

- Mơ van nhập liệu ơ vị tri thấp nhất, mơ van thu sản phẩm đáy

- Điều chỉnh lưu lượng bơm nhập liệu với hiệu suất 100%, số vòng quay tối đa, sau đó mơ công tắc bơm đưa nhập liệu vào nồi đun Khi lượng lỏng trong nồi đun đã đủ (khi dung dịch chảy qua bình chứ sản phẩm đáy) thì ngưng bơm nhập liệu

- Khoá van nhập liệu và van thu sản phẩm đáy

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

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

- Mơ điện trơ gia nhiệt đồi đun, theo dõi trạng thái hỗn hợp

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

- Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

- Xác định nhiệt độ sôi của nhập liệu

10.5.2 Tiến hành thi nghiệm

- Cài đặt chế độ làm việc “Auto” và giá trị nhiệt độ sôi của nhập liệu trên bộ điều khiển củathiết bị gia nhiệt nhập liệu

- Khi nhiệt độ nhập liệu gần bằng nhiệt độ sôi của nhập liệu, tiến hành mơ van nhập liệu vàđiều chỉnh bơm nhập liệu với tốc độ (10-15) lit/h

- Cài đặt độ giảm áp của tháp chưng cất ơ giá trị 20 mBar trên bộ điều khiển độ chênh áp

- Mơ van thu sản phẩm đỉnh và thu sản phẩm đáy

- Điều chỉnh công tắc chia dòng ơ các vị tri “Cycle” (hồi lưu một phần)

- Cài đặt giá trị tỉ số hồi lưu giá trị thấp nhất bằng 1,5 lần giá trị tỉ số hồi lưu tối thiểu bằng cách cài đặt chế độ làm việc “Manu” , chu kỳ lấy mẫu và giá trị phần trăm hồi lưu

(Vi dụ: cài đặt chu kỳ lấy mẫu 10s, phần trăm hồi lưu 60% thì trong chu kỳ 10s sẽ có 6s van mơ để hồi lưu, 4s tháo sản phẩm, tỉ số hồi lưu R=6/4=1,5)

- Sau 10 phút, tháo hết dung dịch có trong bình chưa sản phẩm đỉnh

- Đo lưu lượng sản phẩm đỉnh bằng phương pháp thể tich và nồng độ sản phẩm đỉnh

- Ghi các thông số nồng độ, nhiệt độ vào trong bảng số liệu

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

10.5.3 Các lưu ý

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

- Lưu lượng dòng nước giải nhiệt vào trong hệ thống, nếu khong có nước giải nhiệt thì phảingừng 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 thich

- Đánh giá kết quả đo thành phần và lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh đề điều chỉnh chế độlàm việc hợp lý

10.5.4 Kết thúc thi nghiệm

- Chuyển công tắc chia dòng về chế độ “Reflux”

- Ngưng bơm, khoá van và tắc điện trơ gia nhiệt nhập liệu

- Tắc điện trơ gia nhiệt đồi đun

- Để nguội 20 phút tháo hết dung dịch trong các bình chứa sản phẩm, nồi đun và bình chứanhập liệu vào thùng chứa

- Khoá hệ thống nước giải nhiệt

- Đóng phầm mềm điều khiển DVI3000 trên máy tinh

- Tắc công tắc tổng

- Vệ sinh, sắp xếp gọn gàng thiết bị, dụng cụ làm việc

10.5.5 Báo cáo

- Chuyển đổi đơn vị nồng độ (phần mol, phần khối lượng), lưu lượng (mol,khối lượng) củacác dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh từ đó dùng phương trình cân bằng vật chất xác định cácgiá trị nồng độ, lưu lượng sản phẩm đáy

- Biểu diễn và nhận xét sự biến đổi của nồng độ sản phẩm đỉnh theo chỉ số hồi lưu, vị timâm và nhiệt độ nhập liệu.

- Xác định các phương trình làm việc , từ đó vẽ và xác định số mâm lý thuyết, hiệu suấtlàm việc tổng quát Đánh giá và giải thich sự thay đổi hiệu suất làm việc

- Xác định lượng trao đổi tại thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy và nồi đun.Biểu diễn và đánh giá sự biến đổi của lượng nhiệt nồi đun cung cấp khi có sự thay đổi vềchỉ số hồi lưu, vị tri mâm và nhiệt độ nhập liệu

- Nhận xét về kết quả thi nghiệm, phan tich và nhận định các nguyên nhân sai số, xác địnhthông số làm việc hợp lý cho quá trình

10.6 BÁO CÁO THÍ NHGIỆM

10.6.1 Kết quả thực nghiệm

Bảng 1: Các thông số của phần tra bảng

r 22o kg/m3 r 82o kg/m3 CpF

(J/Kg.oC)

CpP(J/Kg.oC)

CpW(J/Kg.oC)

Cp (J/Kg.oC)

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

- Nhập liệu ban đầu của độ rượu: 22o (%Vrượu = 22%)  22o) = 785 kg/m3

- Nhiệt độ sôi nhập liệu của rượu: 90oC

- Nồng độ sản phẩm đỉnh của độ rượu: 82o (%Vrượu = 82%)  (82o) = 772 kg/m3

- Khối lượng riêng của nước: 997 kg/m3, phân tử khối của rượu và nước: Mrượu = 46, Mnước

20 40 60 80 100 120

Buổi 2: Khảo sát hai vị trí còn lại của mâm vật liệu

10.6.2 Tính toán cân bằng vật chất ở 3 vị trí mâm nhập liệu R=0,8 và

2 Lưu lượng ơ đỉnh

QP (l/h)

1,3(12/33,32)

0,77(10/46,92)

1,2(10/30)

0,96(10/37,46)

0,72(10/50)

0,63(10/57)

Tính mẫu: R = 0,8

Tinh toán lượng nhập liệu:

= 0,18 (kg/kg)



Khối lượng mol hỗn hợp: = 0,08 (kmol/kmol)

Lưu lượng nhập liệu:

Lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu:

Tinh toán sản phẩm đỉnh: = 0,81 (kg/kg), %VP = 0,85, xP = 0,63



Khối lượng mol hỗn hợp: = 0,58 (kmol/kmol)

Lưu lượng sản phẩm đỉnh:

Lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu:

Tinh toán sản phẩm đáy:

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất: F = D + W

Lưu lượng sản phẩm đáy:

 W = F – P =

PT cân bằng vật chất:





Khối lượng mol hỗn hợp:

Lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu:

Từ tinh mẫu ta được kết quả như bảng sau:

o Cân bằng vật chất

Bảng 4: tính toán cân bằng vật chất của 3 mâm nhập liệu R = 0,8 và R = 1,2

Tên Mâm cuối Mâm giữa Mâm đầu

Tính mẫu R = 0,8 mâm cuối

Tinh Lo ơ mâm cuối tại R = 0,8

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:

Làm lạnh sản phẩm đỉnh:

=

Cho Qmllp = 0

==

Làm lạnh sản phẩm đáy:

=

Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào

Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra

Nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra

Nhiệt lượng dòng hoàn lưu mang vào

Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun

Hiệu suất thu hồi tháp chưng cất: =

 Từ tinh mẫu ta được kết quả như bảng sau:

Bảng 6: Tính toán cân bằng năng lượng của 3 mâm tại R = 0,8 và R = 1,2

- Hiệu suất thu hồi sản phẩm khi sử dụng mâm nhập liệu cuối cao hơn rất nhiều so với khisử dung mâm nhập liệu giữa và đỉnh Khi tăng chỉ số hồi lưu R thì hiệu suất thu hồi sảnphẩm đỉnh giảm

- Vậy khi nhập liệu ơ vị tri mâm nhập liệu càng thấp thì ta thu hồi được càng nhiều sảnphẩm đỉnh và lượng nhiệt Qk cung cấp cho nồi đun càng lớn

10.6.4 Xác định bậc của tháp chưng cất tại 3 vị trí mâm nhập liệu khác nhau:

Tính mẫu tại mâm cuối có R = 0,8

* Phương trình đường làm việc của đoạn cất:

Tại: = 0,63

 y = 0,44x + 0,35

* Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:

Mà chỉ số nhập liệu:

Tương tự, ta tinh tinh được bảng số liệu sau:

Bảng 7: Bảng phương trình đường chưng và phương trình cất ứng với vị trí 3 mâm

khác nhau.

- Số mâm ơ thực tế của thiết bị chưng cất là 16 mâm Gồm có 1 mâm phần chưng và 15mâm phần cất

- Số mâm tinh toán được ơ lý thuyết 7 mâm it hơn số mâm ơ thực tế 16 mâm

- Hiệu suất mâm = = 43,75% Hiệu xuất mâm của thiết bị xấp xỉ gần 50%

- Số mâm tinh toán được ơ lý thuyết 6 mâm it hơn số mâm ơ thực tế 16 mâm

- Hiệu suất mâm = = 37,5% Hiệu xuất mâm của thiết bị nhỏ hơn < 50%

Kết luận: Ta thấy khi sử dụng mâm nhập liệu cuối cùng với chỉ số hồi lưu R=0,8 và R=2

thì hiệu sất mâm rất thấp, ơ phần cất và phần chưng thì chệnh lệch số mâm thực tế lý thuyếtxên xên nhau nên là phần cất và phần chưng đều hoạt động hơi kém hiệu quả

- Số mâm tinh toán được ơ lý thuyết 4 mâm it hơn số mâm ơ thực tế 16 mâm

- Hiệu suất mâm = = 25% Hiệu xuất mâm của thiết bị nhỏ hơn < 50%

- Đường làm việc nằm trong khoảng của đường cân bằng Số mâm lý thuyết của thiết bịchưng cất là N = 5 mâm, với 2 mâm phần chưng và 3 mâm phần cất

- Số mâm ơ thực tế của thiết bị chưng cất là 16 mâm Gồm có 1 mâm phần chưng và 15mâm phần cất

- Số mâm tinh toán được ơ lý thuyết 5 mâm it hơn số mâm ơ thực tế 16 mâm

- Hiệu suất mâm = = 31,25% Hiệu xuất mâm của thiết bị nhỏ hơn < 50%

 Kết luận: Ta thấy khi sử dụng mâm nhập liệu giữa với chỉ số hồi lưu R = 0,8 và R = 1,2

thì hiệu sất mâm khá thấp < 50%, ơ phần cất thì chệnh lệch số mâm thực tế lý thuyết quánhiều nên là phần cất hoạt động không hiệu quả, ơ phần chưng số mâm lý thuyết nhỏ hơnnhiều so với thực tế nên, nên phần chưng thiết bị hoạt động không hiệu quả