BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆBÀI 8CHƯNG CẤT

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

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 CÔNG NGHỆ

BÀI 8 CHƯNG CẤT

GVHD: Võ Thanh Hưởng SVTH:

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 03 năm 2016

Bài 8

CHƯNG CẤT

I MỤC ĐÍCH.

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

II LÝ THUYẾT.

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

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

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

 Pha lỏng phải hòa trộn hoài toàn trên mâm

 Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời

có nồng độ đồng nhất tại mọi vị trí trên tiết diện

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

1 Hiệu suất:

Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực ta cần phải biết hiệu suất mâm

Có ba loại hiệu suất mâm được 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

Hiệu suất tổng quát E0: là hiệu suất đơn giản khi sử dụng nhưng kén chính xác nhất, được định nghĩa là tỉ số giữa số mâm lý tưởng và số mâm thực cho toàn tháp

E

0 = số mâm lýtưởng

số mâm thực =

số bậc thang −1

số mâmthực

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 thể đạt được khi pha hơi rời mâm cân bằng với pha lỏng rời mâm thứ n

E M=y n−y n +1

y n¿

−y n +1

Trong đó:

y n: nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n

y n+ 1 : nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n

y 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 của pha lỏng trên mâm nên dẫn đến khái niệm hiệu cục bộ

Hiệu suất cục bộ được định nghĩa như sau:

E M=y n '❑−y ' n+1

y en ' −y ' n+ 1

y n ': nồng độ pha hơi rời khỏi vị trí cụ thể trên mâm n

y ' n+1 : nồng độ pha hơi mâm n tại cùng vị trí

y en ' : nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại cùng vị trí

2 MỐI QUAN HỆ GIỮA HIỆU SUẤT MÂM MURPHREE VÀ HIỆU SUẤT MÂM TỔNG QUÁT.

Hiệu suất mâm tổng quát của tháp không bằng với hiệu suất trung bình của từng mâm Mối quan hệ giữa hai hiệu suất này tùy thuộc trên độ dốc tương đối của đường cân bằng

và đường làm việc Khi mG/L >1 hiệu suất tổng quát có giá trị lớn hơn và Mg/L < 1 hiệu suất tổng quát có giá trị nhỏ hơn Như vậy, với quá trình trong đó có cả hai vùng như trên (chưng cất) thì hiệu suất tỏng quát E0 có thể gần bằng hiệu suất mâm EM .Tuy nhiên khi phân tích hoạt động của một tháp hay một phần của tháp thực tế, trong đó đo được sự biến thiên nồng độ qua một hoặc một vài mâm sẽ xác định được giá trị đúng của EM hơn

là giả sử EM = E0

III THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT.

- Hệ thống cột chưng cất 5 mâm xuyên lỗ (xem hình vẽ)

- Một hệ thống đo nhiệt độ

- Một phù kế

- Một thì kế

- Hai ống khắc vạch 250ml

- 60 lít hỗn hợp rượu etanol và nước

IV PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM.

1 Thực hiện thí nghiệm.

a Khởi động:

1 Cho nhập liệu từ 20 – 60 lít vào bình chứa qua nắp C1

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

3 Đưa điện vào hệ thống, sau đó bật nút nồi đun (boiler) và chờ nồi đun sôi sẽ khởi động bơm nhập liệu (nút feed pump) Quan sát nhiệt độ trong nồi qua nhiệt kế gần

ở mặt trước nồi

4 Quan sát mức chất lỏng trong nồi thống qua ống đo mức bên trái nồi đun trong suốt thời gian làm thí nghiệm Nếu mực chất lỏng giảm dưới mức 1/3 phải cấp them nhập liệu, nếu nồi đun quá đầy phải tháo bớt chất lỏng trong nồi

5 Trong khi hệ thống đang đun nóng mở van chảy tràn của sản phẩm đỉnh, van V2,

để thông hơi vơi bình chứa, các van sau sẽ đóng

- Van V3 xả sản phẩm đỉnh

- Van hoàn lưu V1 dẫn sản phẩm đỉnh lại cột

6 Mở van WI cho nước hoặc dòng làm lạnh đủ để hóa lỏng tất cả các hơi qua bộ phận ngưng tụ

7 Nối đầu ống dẫn nhập liệu vào một mâm nhập liệu thích hợp trên cột Điều chỉnh lưu lượng nhập liệu bằng van V6 (đóng van V7) ở trị số thích hợp trên lưu lượng kế

8 Sản phẩm đỉnh thu được sẽ cho hoàn lưu về đỉnh cột qua lưu lượng kế Điều chỉnh lưu lượng dòng hoàn lưu bằng van V4

9 Đun nóng dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu

10 Để rút sản phẩm đỉnh thay vì cho chảy về bình chứa vật liệu, đóng van V2, hứng sản phẩm đỉnh ngay dưới van V3 trong khi mở van này

11 Khi phải thay đổi vị trí mâm, tháo đầu ống dẫn nhập liệu ở mâm cũ và gắn vào mâm mới Trong khi tháo không cần điều chỉnh lưu lượng kế

12 Theo dõi thường xuyên mức chất lỏng trong nồi Nếu vì một lý do nào mức chất lỏng trong nồi xuống dưới điện trở, dòng điện tự động ngắt, khi nhiệt độ trong nồi giảm bớt cho điện trở hoạt động trở lại

b Ngừng máy:

1 Tắt điện trở nồi đun

2 Tắt điện trở nung nóng vật liệu và hoàn lưu và tắt các bơm

3 Tháo sản phẩm đỉnh mở van V2, van R1 đóng Khi không còn hơi ngưng tụ mở van R3 để rút một phần sản phẩm đỉnh còn lại (hứng vào ly thủy tinh), Van R3 vẫn

mở để hệ thống ngưng hơi khi nguội

4 Đóng van WI khi không còn sản phẩm đỉnh

5 Ngắt điện vào hệ thống chưng cất

2 Số liệu:

- Số liệu cân bằng pha x-y và t-x-y cho hệ rượu etylic- nước 1atm

- Giản đồ tỉ trọng và nhiệt dung rượu etylic theo phân mol ở các nhiệt độ

- Giản đồ của nhiệt bốc hơi theo nhiệt độ của rượu etylic và nước

V NỘI DUNG THÍ NGHIỆM

a Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu: giữ lưu lượng dòng nhập liệu ở một độ đọc tại vị trí mâm số 4 (hoặc mâm bất kỳ nào khác ) không đổi Thí nghiệm với 3 trị số khác nhau của dòng hoàn lưu

b Ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu: thay đổi vị trí mới của nhập liệu vào mâm số

5 và mâm số 2 (hoặc 2 mâm khác với thí nghiệm 1) Giữ nguyên lưu lượng dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu

- Đo nhiệt độ nhập liệu tF trước khi vào mâm nhập liệu và nhiệt độ dòng hoàn lưu t L0

- Trong mỗi thí nghiệm lần lượt lấy mẫu để đo nồng độ nhập liệu xF , sản phẩm đỉnh

xD

VI PHÚC TRÌNH

1 Số liệu thí nghiệm

TN V trí mâmị trí mâm

L u lưu lượng dòng ưu lượng dòngợng dòngng dòng Đ ch phù kộ chỉ phù kế ỉ phù kế ế Nhi t đ đoệt độ đo ộ chỉ phù kế F(cm3/ph) Lo(cm3/ph) (cmD3/s) xD(Độ chỉ phù kế

rưu lượng dòngợng dòngu) rxưu lượng dòngợng dòngF(Độ chỉ phù kếu) tF tLo

2 Xử lý số liệu

Ta có:

Thí nghiệm 1: Mâm 1

Khối lượng riêng rượu etylic,Nước theo tF

Khối lượng riêng rượu etylic, Nước theo tLo

- Đổi nồng độ ra %mol

x D=

ρ r d r

M r

ρ r d r

M r +

ρ n(100−dr)

M n

=

639.36 x 91.5

46

639.36 x 91.5

46 +

971.73 x (100−91.5)

18

=0.735

- Đổi ra % khối lượng

x D= 46 x 0.835

46 x 0.835+ (1−0.835) x 18=0.928

- Tính D:

´

∑

i=1

1 x´i

ρ i

0.928

639.36+

(1−0.928) 971.73

=809.85

- Tính M D :

´

i=1

1

x i M i=0.928 x 46+(1−0.928) x 18=41.38

- Đổi cm3/s  mol/s

D= 1.1 cm

3

1.1 x ´ ρ D x 10−3

´

M D =0.0174 mol/ s

Tương tự đối với các giá trị L0 và F ta có bảng sau:

xD(Độ chỉ phù kế

rưu lượng dòngợng dòngu) x

D (% mol)

D MLo = MD D, mol/s

C xF (% mol)

+0.04 xF (% KL)

TN V trímâmị trí mâm lưu lượng dòngợng dòngL uưu lượng dòngng

dòng

Đ chộ chỉ phù kế ỉ phù kế phù kế Nhi tđ đoộ chỉ phù kế ệt độ đo F(cm3/

3/

3/ s) xmol)D(% xmol)F(% tF tLo

TN V trímâmị trí mâm lưu lượng dòngợng dòngL uưu lượng dòngng

dòng

Đ chộ chỉ phù kế ỉ phù kế phù kế Nhi tđ đoộ chỉ phù kế ệt độ đo F(mol/s) Lo(mol/s) D (mol/s) xD (%

Tính R:

R= L o

D=

0.0264 0.0174=1.52

Tính xw

x w=F x F−D x D

0.1369 x 0.112−0.0174 x 0.835

0.1369−0.0174 =0.007

W (%mol)

Tính hF

hF = [xF.CR +(1 – xF).CN].tF = [0.244x3172+(1-0.244)x4199]x74.8=295358 J/kg

Tính CLF

CLF = xD.CR + (1 – xD).CN = 0.928x3270+(1-0.928)x4207=3338 J/kg.K

Trong đó : xD tính theo phần trăm khối lượng

CR, CN là nhiệt dung tại nhiệt độ tFS

- Tính hLF

.

LF LF Fs

Tính

2

1

i



= xF.rR + (1 – xF).rN =0.244x663928+(1-0.244)x2330131=1923577J/kg -Tính hGF

.

GF LF Fs F

Tính:

q= H GF−H F

H GF−H LF=

2198877−295358 2198877−275300=0.99

Với tFS ta tra đồ thị hệ rượu-nước:

0

20

40

60

80

100

120

Rượu-nước

x y

x,y

- Ta có các dữ liệu tra sau:

Nhiệt dung riêng của rượu và nước theo tF:

Tra t FS theo x F

xF (%

Nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi của rượu và nước theo tFS:

N, J/kg.K rR, J/kg rN, J/kg

tF

CR,

N, J/kg.K

Dùng các dữ liệu trên và áp dụng các công thức ta tính được kết quả như sau:

xD (%

F (%

Ta có phương trình đường nhập liệu có dạng:

y=

q q−1 x−

x F q−1

Phương trình đường cất có dạng:

y=

R R+1 x+

x D R+1

R/(R +

1) xD/(R+ 1) PT đưu lượng dòngờng cấtng c tất q/(q - 1) 1) (-0.7)xF/(q - PT đưu lượng dòngờng cấtng nh p li uập liệu ệt độ đo

Phương trình đoạn chưng có dạng như sau:

y=

R+f

1−f

Với f= F/D

f = F/

D (R+f)/(R+1) (1-f)xW/(R+1) PT đch ngưu lượng dòngưu lượng dòngờng cấtng

44.19

80.88

ĐỒ THỊ

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

đường cân bằng đường chéo W

D đường x=xF Đường nối F

đường nối W và F

Mâm 1 với Lo =100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

đường cân bằng đường chéo W

D đường x=xF Đường nối F

đường nối W và F

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

đường cân bằng đường chéo W

D đường nối đường thẳng x=xF F

đường nối W và F

Mâm 2 với Lo =100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

đường cân bằng đường chéo W

D đường thẳng x=xF đường nối F

đường nối W và F

Mâm 2 với Lo=150

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

đường cân bằng đường chéo W

D đường x=xF Đường nối F

đường nối W và F

 Từ các đồ thị trên tính được số mâm lý thuyết và hiệu suất tổng quát như sau :

E o=số mâm lý tưởng

số mâm thực =

số mâm bậc thang−1

số mâm thực

mâm

thang

Số mâm

lý thuyết

Số mâm thực

Hiệu suất tổng quát mâm

3 BÀN LUẬN.

a Hoàn lưu giúp tăng nồng độ sản phẩm đỉnh, tránh hiên tượng khô mâm.

Khi tỉ số hoàn lưu càng lớn, nồng độ sản phẩm đỉnh càng lớn thì sản phẩm lấy ra ít Hơi từ tháp chưng cất đi lên thiết bị ngưng tụ tiếp xúc với lượng lỏng hòan lưu này Do sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi, cấu tử etanol trong hơi sẽ lôi kéo một lượng etanol trong dung dịch hoàn lưu, đồng thời hơi nước trong pha hơi sẽ được giữ lại một phần trong dung dịch hoàn lưu Do đó khi ngưng tụ, nồng độ sản phẩm đỉnh tăng lên

Như vậy, khi ta bỏ qua việc hoàn lưu thì nồng độ sản phẩm đỉnh sẽ không cao và hiệu suất sẽ thấp

b Trong cùng một mâm khi ta tăng lưu lượng dòng hoàn lưu thì lưu lượng

dòng sản phẩm đỉnh giảm

Ở vị trí các mâm khác nhau khi tỉ số hoàn lưu tăng, nồng độ sản phẩm đỉnh tăng thì hiệu suất mâm cũng tăng theo

c Một số loại tháp chưng cất:

Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa dưới

Tháp chưng cất dùng mâm chóp

Tháp đệm ( tháp chưng cất dùng vật chêm)

d Tỉ số hoàn lưu: là tỉ số trọng lượng hoàn lưu quay về tháp và sản phẩm

đỉnh lấy ra

Ý nghĩa:tăng nồng độ sả phẩm đỉnh và làm cho tháp hoạt động

Nếu tỉ số hoàn lưu tăng, nồng độ sản phẩm đỉnh tăng thì sản phẩm lấy ra ít.Nếu tỉ

số hoàn lưu thấp, nồng độ sản phẩm đỉnh giảm thì sản phẩm đỉnh lấy ra nhiều

=> Cho nên tỉ số hoàn lưu thích hợp đảm bảo đủ lớn để năng xuất lấy ra nhiều

e Dòng hoàn lưu có tác dụng làm tăng nồng độ sản phẩm đỉnh.