Phúc trình thí nghiệm quá trình thiết bị bài CHƯNG cất

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ thuật Hóa học BỘ MƠN Q TRÌNH & THIẾT BỊ Phúc trình thí nghiệm Q trình & Thiết bị Bài: CHƯNG CẤT CBHD: Thầy Trần Lê Hải Sinh viên: Phan Thị Lưu Ly MSSV: 1914097 Nhóm: L02B Lớp:L09 Ngày TN: 10/02/2022 Năm học 2021 – 2022 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHƯNG CẤT Kết thí nghiệm thơ Bảng 1: Số liệu thơ Lưu lượng dòng Độ phù kế (độ đọc) (độ rượu) TN Vị trí mâm Nhập Đỉnh liệu (F) (D) ml/phút Hồn lưu (L0) Nhập liệu Đỉnh Nhiệt độ đo Nhập Đáy liệu (tF) (tW) Đỉnh (tD) Hoàn lưu (tL0) 30 76 20 60 61 90 42,1 89 30 58 10 20 61 62 90 41,9 83 30 44 15 20 69 67 90 41,7 81 30 54 10 20 54 66 90 43,3 85 5 30 58 10 20 53 66 90 42,4 86 Xử lý số liệu Bảng 2: Xử lý số liệu thơ TN Vị trí mâm 4 Lưu lượng dòng (ml/phút) = độ đọc x 5,64 Nhập liệu (F) 169.2 169.2 169.2 169.2 169.2 Đỉnh (D) 76 58 44 54 58 Hoàn lưu (L0) 28.2 56.4 84.6 56.4 56.4 Phân mol dòng Nhập liệu (xF) 0.0698 0.0697 0.0695 0.0695 0.0695 Đỉnh (xD) 0.3132 0.3223 0.4037 0.2629 0.2553 Đáy (xW) -0.0380 -0.0064 0.0062 0.0104 0.0061 2.1 Số liệu cần thiết làm phúc trình • x y T Số liệu cân pha x-y T-xy cho hệ rượu etylic – nước atm 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.332 0.442 0.531 0.576 0.614 0.654 0.699 0.753 0.818 0.898 100 90.5 86.5 83.2 81.7 80.8 80 79.4 79 78.6 78.4 78.4 Điểm đẳng phí: x = y = 0.894, T = 78.15oC • Giản đồ tỉ trọng nhiệt dung rượu etylic theo phân mol nhiệt độ BẢNG NHIỆT DUNG RIÊNG THEO NHIỆT ĐỘ T, oC Cr, kJ/kg.độ Cn, kJ/kg.độ 20 2.480 4.180 40 2.710 4.175 60 2.970 4.190 80 3.220 4.190 100 3.520 4.230 120 3.810 4.275 • BẢNG KHỐI LƯỢNG RIÊNG THEO NHIỆT ĐỘ to ρr (kg/m3) ρn (kg/m3) -20 823 806 1000 20 789 998 40 772 992 60 754 983 80 735 972 100 716 958 120 693 943 Giản đồ nhiệt bốc theo nhiệt độ rượu etylic nước BẢNG NHIỆT HÓA HƠI THEO NHIỆT ĐỘ T, oC 20 60 100 140 rr, kJ/kg 921.80 913.40 879.90 812.90 712.30 rn, kJ/kg 2493.10 2446.90 2359.00 2258.40 2149.50 2.2 Cơng thức tính tốn 2.2.1 Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh nồng độ phần mol dòng nhập liệu theo độ rượu ρr ×độ rượu Mr xi = , 𝑝ℎầ𝑛 𝑚𝑜𝑙 ρr ×độ rượu ρn ×(100 - độ rượu) + Mr Mn 2.2.2 Nồng độ phần mol sản phẩm đáy 𝑥𝑊 = 𝐹 × 𝑥𝐹 − 𝐷 × 𝑥𝐷 , 𝑝ℎầ𝑛 𝑚𝑜𝑙 𝐹−𝐷 Vì tính tốn xW công thức thu với giá trị xW < Để khảo sát trọn vẹn trình tiếp theo, ta dựa vào nhiệt độ tương ứng tW tìm nồng độ phần mol xW theo giản đồ T - x, y 2.2.3 Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh nồng độ phần mol dòng nhập liệu theo độ rượu x̅i = ρr ×độ rượu ρr ×độ rượu + ρn ×(100 - độ rượu) 2.2.4 Khối lượng riêng trung bình dung dịch theo độ rượu tương ứng ρtb = ρr ×độ rượu + ρn ×(100 - độ rượu) 100 2.2.5 Khối lượng mol trung bình hỗn hợp M = xr × Mr + (1 − xr ) × Mn , g/mol Mr = 46 g/mol Mn = 18 g/mol 2.2.6 Nhiệt dung riêng trung bình hỗn hợp Cp = x̅r × Cr + (1 − x̅r ) × Cn (kJ/kg.độ) 2.2.7 Lưu lượng mol/ph dòng F (𝑚𝑙/𝑝ℎ) × ρtb F= (𝑚𝑜𝑙/𝑝ℎ) 1000 × M 2.2.8 Tỷ số hồn lưu R 𝐿0 𝐷 2.2.9 Entalpi dịng nhập liệu, dịng dịng lỏng hồn lưu 𝑅= HF = CF × t F , kJ/kg HLF = CLF × t FS , kJ/kg HGF = HLF + rFS , kJ/kg CLF = xD × Cr + (1 − xD ) × Cn , Kj/kg.độ Trong đó: xD tính theo phần khối lượng Cr , Cn nhiệt dung nhiệt độ 𝑡𝐹𝑆 (tra từ xF) rFS = x̅F × rr + (1 − x̅F ) × rn 2.2.10 Thông số nhập liệu q q= HGF − HF HGF − HLF 2.2.11 Phương trình đường nhập liệu y= q xF x− q−1 q−1 2.2.12 Phương trình đường cất y= R xD + R+1 R+1 2.2.13 Hiệu suất mâm tổng quất 𝐸0 = 𝑠ố 𝑚â𝑚 𝑙ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡 𝑠ố 𝑏ậ𝑐 𝑡ℎ𝑎𝑛𝑔 − = 𝑠ố 𝑚â𝑚 𝑡ℎự𝑐 𝑡ế 𝑠ố 𝑚â𝑚 𝑡ℎự𝑐 𝑡ế 2.3 Kết tính tốn Bảng 3: Kết tính tốn thơng số TN Vị trí mâm Tỉ số hoàn lưu ( R) tF 0C HF kJ/kg HG.F kJ/kg HL.F kJ/kg q q/(q-1) 4 0.3711 0.9724 1.9227 1.0444 0.9724 61 62 67 66 66 243.75 247.87 268.57 264.42 264.42 2377.61 2376.96 2371.25 2383.01 2383.76 333.23 332.46 326.09 337.98 338.73 1.0438 1.0414 1.0281 1.0360 1.0363 23.85 25.17 36.56 28.80 28.52 Bảng 4: Phương trình đường làm việc đường nhập liệu TN Phương trình đường nhập liệu Phương trình đường cất 23.85x-1.5935 0.2706x+0.2285 25.17x-1.6849 0.4930x+0.1634 36.56x-2.4706 0.6579x+0.1381 28.80x-1.9329 0.5109x+0.1286 28.52x-1.9134 0.4930x+0.1294 2.4 Vẽ đồ thị: ( đồ thị) 1) Đồ thị dùng để xác định số mâm lý thuyết, giản đồ cho trường hợp TN TN1 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 2) Từ đồ thị suy độ tinh khiết dự đoán (bằng cách vẽ số mâm thực từ xW với hiệu suất tổng quát) so sánh với độ tinh khiết đo sản phẩm đỉnh TN2 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 TN4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 TN5 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2  Độ tinh khiết dự đoán cao độ tinh khiết đo sản phẩm đỉnh Bảng 5: Kết TN Vị trí mâm R Số mâm 4 0.3711 0.9724 1.9227 1.0444 0.9724 1 1 Phân mol tiên đoán sản phẩm đỉnh (xD TĐ) 0.3456 0.3456 0.5819 0.3456 0.3456 xD Hiệu suất mâm tổng quát 0.3132 0.3223 0.4037 0.2629 0.2553 0.2 0.2 0.4 0.2 0.2 BÀN LUẬN 3.1 Bàn luận ảnh hưởng lưu lượng dịng hồn lưu vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết sản phẩm hiệu suất tổng quát tháp chưng cất  Ảnh hưởng lưu lượng dịng hồn lưu  Về độ tinh khiết sản phẩm 10 Qua thí nghiệm 1, ta thấy rõ ràng lưu lượng dịng hồn lưu tăng lên độ tinh khiết sản phẩm tăng Điều giải thích dựa sở nhiệt Với lượng nhiệt cung cấp không đổi, suất lượng mol dịng G0 khơng đổi Ta có G0 = L0 + D Khi lưu lượng dịng hồn lưu tăng có nghĩa giảm lưu lượng sản phẩm đỉnh Xét cho toàn tháp, lượng nhiệt cấp vào nồi đun có chức làm tách pha hỗn hợp Độ phân riêng tỉ lệ thuận với lượng nhiệt cung cấp riêng - tính 1mol sản phẩm đỉnh Vì vậy, D giảm, tức nhiệt cung cấp riêng tăng làm tăng độ phân riêng, tức làm tăng độ tinh khiết sản phẩm (kể sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy)  Về hiệu suất tổng quát Qua thí nghiệm, ta thấy tăng lưu lượng dịng hồn lưu, hiệu suất q trình tăng Hiệu suất tăng tức hệ thống làm việc gần với lý thuyết Tuy nhiên, phải nhìn nhận điều hiệu suất mâm tổng quát không cho phép đánh giá mức độ kinh tế thiết bị Mục đích sản xuất sản phẩm có độ tinh khiết mong muốn Khi tăng dịng hoàn lưu, hiệu suất mâm tăng, tức số mâm thực cần thiết giảm, giảm chi phí ban đầu để chế tạo thiết bị Tuy nhiên, Khi tăng dịng hồn lưu, nói trên, cung cấp riêng tăng Muốn thu lượng sản phẩm mong muốn phải tốn thêm chi phí nhiệt Chi phí chiếm tỉ lệ lớn tổng chi phí q trình Trong thực tế sản xuất, người ta phải tính tốn dịng hồn lưu thích hợp, cho tổng chi phí để tạo sản phẩm mong muốn thấp  Ảnh hưởng vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết sản phẩm hiệu suất mâm Mỗi thiết bị chưng cất cho trước có vị trí nhập liệu tối ưu, với hiệu suất tối ưu (vị trí mâm số thí nghiệm này) Khi ta thay đổi vị trí nhập liệu lên cao hay thấp làm giảm nồng độ sản phẩm đỉnh giảm hiệu suất chưng cất: Khi chuyển vị trí nhập liệu từ mâm sang mâm hay mâm nồng độ sản phẩm đỉnh giảm Hiệu suất mâm vị trí mâm nhìn chung cao mâm 11 Vị trí mâm nhập liệu tối ưu xác định theo phương pháp McCabe – Thiele: vị trí mâm chứa giao điểm đường làm việc đồ thị 3.2 Giải thích tượng trình diễn tháp tháp hoạt động ổn định Nêu nguyên nhân gây sai số cách khắc phục TN  Các tượng trình diễn tháp tháp hoạt động ổn định Nguyên liệu dược đưa vào vị trí tháp, phần gọi phần chưng(có tác dụng làm giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi), phần gọi phần cất(có tác dụng làm tăng nồng độ cấu tử dễ bay hơi) Pha lỏng từ xuống theo đường dẫn gọi ống chảy chuyên, pha khí từ lên xuyên qua lỗ mâm sục vào pha lỏng; trình truyền khối xảy mâm trình ngược chiều, pha khí lơi cấu tử dễ bay pha lỏng làm tăng nồng độ cấu tử dễ bay pha khí, nồng độ cấu tử dễ bay pha lỏng giảm dần Trong tháp chưng cất, dòng nhập liệu nhập vào mâm tháp, gọi mâm nhập liệu Phần nằm vị trí mâm nhập liệu gọi phần cất, cịn phần nằm vị trí mâm nhập liệu gọi phần chưng Trong tháp, hoạt động ổn định pha từ lên, cịn pha lỏng từ xuống xảy trình truyền khối hai pha Nhờ vậy, cấu tử dễ bay bị lôi lên lấy từ đỉnh tháp (gọi sản phẩm đỉnh) cịn cấu tử khó bay bị kéo xuống nồi đun (gọi sản phẩm đáy) Pha lên gần đỉnh tháp chứa nhiều cấu tử dễ bay pha lỏng xuống chứa nhiều cấu tử khó bay Động lực q trình chênh lệch nồng độ hai pha Các pha tháp trạng thái bão hịa (tức lỏng ln nhiệt độ sôi nhiệt độ ngưng tụ), nhiệt độ cao đáy tháp nhiệt độ thấp đỉnh tháp  Các nguyên nhân dẫn tới sai số - Sai số thiết bị dụng cụ đo: + Lưu lượng kế hoạt động không ổn định (viên bi trồi, sụt) phải ln chỉnh lưu lượng hai dịng nhập liệu hoàn lưu + Hệ thống chưng cất không đạt tiêu chuẩn lý thuyết + Sai số dụng cụ đo nhiệt độ phù kế + Đo thời gian kế đơn giản, khơng chun dụng 12 + Đo lưu lượng ống đong có sai số lớn + Thiết bị, dụng cụ cũ, không cịn xác - Sai số thao tác thí nghiệm: + Hệ thống chưa ổn định mà làm thí nghiệm Chính mà khơng đảm bảo dịng sản phẩm đỉnh thuộc hoàn toàn chế độ khảo sát + Đọc giá trị đo không đồng thời + Độ chia phù kế nhỏ ảnh hưởng khúc xạ đọc khơng xác giá trị phù kế mặt cong chất lỏng + Độ chia đồng hồ nhiệt độ rộng khó đọc xác  Khắc phục + Chờ hệ thống ổn định tiến hành thí nghiệm + Cả nhóm phải đồng q trình thí nghiệm + Tìm hiểu kỹ dụng cụ trước sử dụng, hiểu rõ cách đọc phù kế đọc xác số liệu + Trong q trình tính tốn cần nội suy cơng thức xác + Cần tiến hành theo bước giáo trình yêu cầu cách cẩn thận, tránh phạm phải sai lầm nêu + Cố gắng đảm bảo tối đa dịng sản phẩm đỉnh thuộc hồn tồn chế độ khảo sát + Thuần thục thao tác thí nghiệm + Đối với sai số dụng cụ đo ta dùng đến hệ số hiệu chỉnh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị – tập – Truyền khối“, ĐHQG Tp.HCM [2] Các tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị tập 1& 2", ĐHBK Hà Nội [3] Các tác giả, "Quá trình & Thiết bị - Ví dụ tập 10", ĐHQG Tp.HCM [4] Bảng tra cứu Quá trình học truyền nhiệt-truyền khối, ĐH Bách khoa TP.HCM, 2004 13 ... Bang – Vũ Bá Minh, ? ?Quá trình Thiết bị – tập – Truyền khối“, ĐHQG Tp.HCM [2] Các tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị tập 1& 2", ĐHBK Hà Nội [3] Các tác giả, "Quá trình & Thiết bị - Ví dụ tập 10",... liệu đến độ tinh khiết sản phẩm hiệu suất mâm Mỗi thiết bị chưng cất cho trước có vị trí nhập liệu tối ưu, với hiệu suất tối ưu (vị trí mâm số thí nghiệm này) Khi ta thay đổi vị trí nhập liệu lên... dụng 12 + Đo lưu lượng ống đong có sai số lớn + Thiết bị, dụng cụ cũ, khơng cịn xác - Sai số thao tác thí nghiệm: + Hệ thống chưa ổn định mà làm thí nghiệm Chính mà khơng đảm bảo dịng sản phẩm đỉnh