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 Năm học 2021 – 2022 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Kết thí nghiệm thơ Bảng Số liệu thơ TN Vị trí mâm 4 Lưu lượng (độ đọc) Nhập Đỉnh (D) Hoàn liệu (F) mL/phút lưu (Lo) 30 76 30 58 10 30 44 15 30 54 10 30 58 10 Độ rượu Nhập Đỉnh liệu 20 20 20 20 20 60 61 69 54 53 Nhập liệu (tF) 61 62 67 66 66 Nhiệt độ (0C) Đỉnh Hoàn (tD) lưu (tLo) 42.1 89 41.9 83 41.7 81 43.3 85 42.4 86 Đáy (tW) 90 90 90 90 90 Xử lý số liệu Bảng Xử lý số liệu thô TN Vị trí Lưu lượng dịng (ml/phút) = độ đọc x mâm Phân mol dòng 5.64 Nhập liệu Đỉnh (D) Hoàn lưu (L0) (F) Nhập liệu Đỉnh (xF) (xD) Đáy (xw) Đáy (xw*) 169.2 76 28.2 0.0689 0.31 -0.038 0.045 169.2 58 56.4 0.069 0.32 -0.006 0.045 169.2 44 84.6 0.0692 0.4 0.007 0.045 169.2 54 56.4 0.0692 0.26 0.011 0.045 5 169.2 58 56.4 0.0692 0.25 0.007 0.045 Xw*: Xác định theo nhiệt độ nồi đun tra theo đồ thị t-xy 2.1 Số liệu cần thiết làm phúc trình  Số liệu cân pha x-y T-xy cho hệ rượu etylic – nước atm Giản đồ Txy hệ Etanol - nước 120 120 100 100 80 80 60 60 40 40 20 20 0 20 40 60 80 100 120 Giản đồ xy hệ Etanol - nước 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120  Giản đồ tỉ trọng nhiệt dung rượu etylic theo phân mol nhiệt độ  Giản đồ nhiệt bốc theo nhiệt độ rượu etylic nước 2.2 Cơng thức tính tốn 2.2.1 Các thông số nhiệt động C (kJ/kg.độ), r (kJ/kg), (kg/m3) tra từ Bảng tra cứu Quá trình học truyền nhiệt – truyền khối 2.2.2 Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh nồng độ dòng nhập liệu theo độ rượu ρ r ×đ ộ rư ợ u Mr xi = ρr ×đ ộ rư ợ u ρn × ( 100 - đ ộ rư ợ u ) + Mr Mn 2.2.3 Khối lượng riêng trung bình dung dịch x 1−x = + ρhh ρr ợ u ρ nư c SẢN PHẨM ĐÁY Rượu Nước 725.5 965 725.5 965 725.5 725.5 965 965 NHẬP LIỆU Trun Rượu Nước g bình 735.9 972.5 925.2 5 925.8 736.9 973.1 741.6 975.8 929.0 5 740.7 975.3 928.3 SẢN PHẨM ĐỈNH Trun Rượu Nước g bình 755.8 983.9 847.1 755.7 983.8 844.6 755.5 983.7 826.2 756.9 984.4 861.6 HỒI LƯU Nướ Trun Rượu c g bình 724.5 819.1 964.3 718.8 811.4 960.1 716.9 790.5 958.7 720.7 961.5 829.9 725.5 965 740.7 975.3 928.3 756.1 984.0 863.2 721.7 962.2 833.2 2.2.4 Khối lượng trung bình dung dịch M hh ( g/mol)=M r x r + M n ( 1−x r ) 2.2.5 Lưu lượng mol/s dòng F (mol /s)=F ¿¿ 2.2.6 Hệ số hoàn lưu R R= L0 D 2.2.7 Nhiệt dung riêng trung bình hỗn hợp   tF 61 62 67 66 66 NHIỆT DUNG RIÊNG (J/Kg.K)   NHIỆT DUNG RIÊNG (J/Kg.K) Nước rượu cF tsF Nước rượu cF 4180.794 4113.71349 3207.55 89 4200.064 3385 4143.885841 4181.212 4113.19869 3195.1 89 4200.064 3385 4143.847925 4183.803 4200.983 3132.85 4111.07454 90 3370 4143.476959 4183.302 4111.51722 4200.983 3145.3 90 3370 4143.515379 4183.302 4111.51722 4200.983 3145.3 90 3370 4143.515379 C hh ( J / Kg đ ộ ) =x C R + ( 1−x ) C N 2.2.8 Ẩn nhiệt háo trung bình hỗn hợp r hh ( J / Kg đ ộ )=x r R +(1−x )r N   tsF 89 89 90 90 90 ẨN NHIỆT HÓA HƠI Nước rượu rF 2331335 861475 2230025.129 2331335 861475 2229956.753 2333850 863150 2232073.002 2333850 863150 2232140.998 2333850 863150 2232140.998 2.2.9 Enthapi dòng nhập liệu, dịng hồn lưu dịng lỏng hồn lưu H F ( J /kg ) =C F ×t F H G F ( J /kg )=C Fs ×t Fs +r Fs H L F ( J /kg )=C Fs × t Fs 2.2.10 Thơng số nhập liệu q q= H G F −H F H G F −H L F 2.2.11 Phương trình dịng nhập liệu y= xF q x+ q−1 q−1 2.2.12 Phương trình phần cất y= xD R x+ R+1 R+1 2.2.13 Tính tốn xW xW= F x F −D x D F−D Vì tính tốn xW cơng thức trên, xW thu với giá trị xW < Để khảo sát trọn vẹn trình tiếp theo, ta tiến hành đo nhiệt độ tương ứng tW tìm nồng độ phần mol xW theo giản đồ T-x-y 2.2.14 Hiệu suất mâm tổng quát E0 = S ố m â ml ý t huy ế t S ố b ậ c t h ang−1 = S ố m â mt h ự c S ố mâ m t h ự c Với nồi đun xem tương đương với mâm lý thuyết 2.3 Kết tính tốn Bảng Kết tính tốn thơng số tF HF HG.F HL.F q q q−1 0.359 61 250936.5 2598831.0 368805.8 1.053 19.92 0.934 62 255018.3 2598759.2 368802.5 1.051 20.60 1.840 67 275442.0 2604985.9 372912.9 1.044 23.90 1.006 66 271360.1 2605057.4 372916.4 1.045 22.98 5 0.939 66 271360.1 2605057.4 372916.4 1.045 22.98 TN Vị trí Tỷ số hồn mâm lưu (R) Bảng Phương trình đường làm việc đường nhập liệu TN Phương trình đường nhập liệu Phương trình đường cất y = 19.92x + 1.304 y = 0.264x + 0.229 y = 20.6x + 1.352 y = 0.483x + 0.165 y = 23.9x + 1.585 y = 0.648x + 0.141 y = 22.98x + 1.52 y = 0.502x + 0.13 y = 22.98x + 1.52 y = 0.484x + 0.131 2.4 Vẽ đồ thị ( đồ thị ) Đồ thị dùng để xác định số mâm lý thuyết, giản đồ cho trường hợp TN 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 Thí nghiệm Số mâm lý thuyết = Hiệu suất mâm tổng quát: 1/5 = 0.2 Dự đoán giá trị xD = 0.56 Độ tinh khiết 56%, cao so với độ tinh khiết đo sản phẩm đỉnh (31.08%) Giản đồ xy hệ Etanol - nước 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 Thí nghiệm Số mâm lý thuyết = Hiệu suất mâm tổng quát: 1/5 = 0.2 Dự đoán giá trị xD = 0.52 Độ tinh khiết 52%, cao so với độ tinh khiết đo sản phẩm đỉnh 31.98% Giản đồ xy hệ Etanol - nước 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 Thí nghiệm Số mâm lý thuyết = Hiệu suất mâm tổng quát: 3/5 = 0.6 Dự đoán giá trị xD = 0.54 Độ tinh khiết 54%, cao so với độ tinh khiết đo sản phẩm đỉnh (40%) Giản đồ xy hệ Etanol - nước 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 Thí nghiệm Số mâm lý thuyết = Hiệu suất mâm tổng quát: 1/5 = 0.2 Dự đoán giá trị xD = 0.29 Độ tinh khiết 29%, cao so với độ tinh khiết đo sản phẩm đỉnh (26.1%) Giản đồ xy hệ Etanol - nước 120 100 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 Thí nghiệm Số mâm lý thuyết = Hiệu suất mâm tổng quát: 2/5 = 0.4 Dự đoán giá trị xD = 0.34 Độ tinh khiết 34%, cao so với độ tinh khiết đo sản phẩm đỉnh (25.32%) Bảng Kết TN Vị trí mâm R Số mâm lý Phân mol tiên đoán thuyết sản phẩm đỉnh (xD – Hiệu suất mâm xD tổng quát ) TĐ 0.359 0.56 0.31 0.2 0.934 0.52 0.32 0.2 1.840 0.54 0.4 0.6 1.006 0.29 0.26 0.2 5 0.939 0.34 0.25 0.4 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 10 3.1.1 Ảnh hưởng dịng hồn lưu đến độ tinh khiết sản phẩm Qua thí nghiệm 1, 2, ta thấy rõ lưu lượng dịng hồn lưu tăng lên độ tinh khiết sản phẩm tăng Hoàn lưu giúp tăng nồng độ sản phẩm đỉnh, tránh tượng khơ mâm Khi tỷ số hồn lưu lớn, nồng độ sản phẩm đỉnh lớn sản phẩm lấy Hơi từ tháp chưng cất lên thiết bị ngưng tụ tiếp xúc với lượng lỏng hoàn lưu Do tiếp xúc hai pha lỏng pha hơi, cấu tử etanol lơi kéo lượng etanol dung dịch hồn lưu, đồng thời nước pha giữ lại phần dung dịch hồn lưu Do ngưng tụ, nồng độ sản phẩm đỉnh tăng lên Tóm lại, tăng lượng hồn lưu, ta có độ tinh khiết dòng sản phẩm đỉnh tăng đó, độ tinh khiết sản phẩm đáy tăng 3.1.2 Ảnh hưởng dịng hồn lưu đến 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 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 Có thể thấy tăng dịng hồn lưu, hiệu suất mâm tăng, tức số mâm thực cần thiết giảm, giảm chi phí ban đầu để chế tạo thiết bị Tuy nhiên, với lượng nhiệt cung cấp không đổi, suất lượng mol dịng G0 khơng đổi Ta có: G0 = L0 + D Khi tăng dịng hồn lưu, cung cấp riêng tăng Độ phân riêng tỉ lệ thuận với lượng nhiệt cung cấp riêng tính mol sản phẩm đỉnh Muốn thu lượng sản phẩm mong muốn phải tốn thêm chi phí nhiệt Chi phí đơi chiếm tỷ lệ lớn tổng chi phí q trình 3.1.3 Ảnh hưởng vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết sản phẩm hiệu suất tổng quát Qua thí nghiệm, ta thấy vị trí mâm nhập liệu ảnh hưởng không nhiều đến hiệu suất mâm Việc ảnh hưởng vị trí mâm nhập liệu lên hiệu suất mâm kết luận dựa vị trí cao hay thấp mà phải dựa vào vị trí tối ưu thiết bị Ở vị trí mâm nhập liệu số tối ưu nhất, ta thay đổi vị trí mâm nhập liệu thấp cao làm giảm độ tinh khiết sản phẩm đỉnh hiệu suất tháp chưng cất 3.2 Giải thích tượng trình diễn tháp tháp hoạt động ổn định 11 Dòng nhập liệu đưa vào mâm tháp, phần mâm nhập liệu gọi phần cất, phần mâm nhập liệu gọi phần chưng Pha lỏng dịng hồn lưu dòng nhập liệu đưa vào tháp mâm nhập liệu Khi chuyển động từ xuống phần chưng, pha lỏng giảm nồng độ bị pha từ lên lối cấu tử dễ bay hơi, q trình truyền khối pha Phần lỏng nồi đun lấy sản phẩm đáy, chứa nhiều cấu tử khó bay (nước) Pha nồi đun đun chất lỏng tới nhiệt độ sôi bốc bay lên Khi bay lên lôi cấu tử dễ bay pha lỏng Do đỉnh có nồng độ cấu tử dễ bay cao hơn, qua thiết bị ngưng tụ, trao đổi nhiệt với nước lạnh thiết bị ngưng tụ thành lỏng, phần làm sản phẩm đỉnh phần cho hoàn lưu lại tháp Nêu nguyên nhân gây sai số cách khắc phục TN - Sai số thiết bị dụng cụ đo  Hệ thống thiết bị chưng cất có độ xác khơng cao  Lưu lượng kế hoạt động không ổn định, viên bị trồi sụt nên phải chỉnh lưu lượng nhiều lần  Sai số dụng cụ đo nhiệt độ, lưu lượng, thời gian, độ rượu - Sai số thao tác thí nghiệm  Hệ thống chưa ổn định tiến hành thí nghiệm Sản phẩm đỉnh khơng đảm bảo chế độ khảo sát  Đọc giá trị phù kế, nhiệt kế ống đong khơng xác - Sai số q trình tính tốn  Sai số tra bảng, làm trịn số liệu, chuyển đổi đơn vị  Vẽ đồ thị không xác Khắc phục: - Chuẩn bị thật kĩ trước làm thí nghiệm - Quan sát, tìm hiểu kỹ hệ thống trước làm thí nghiệm - Thao tác cẩn thận xác - Quan sát, điều chỉnh lưu lượng kế độ đọc cần khảo sát - Phân cơng rõ ràng thành viên nhóm, kết hợp ăn ý thành viên Tài liệu tham khảo 12 [1] Mc Cabe Smith, "Unit operations of Chemical Engineering", Mc Graw Hill, N.Y, 1987 [2] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình Thiết bị – tập – Truyền khối“, ĐHQG Tp.HCM [3] Các tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị tập 1& 2", ĐHBK Hà Nội [4] Các tác giả, "Q trình & Thiết bị - Ví dụ tập 10", ĐHQG Tp.HCM 13 ... Bang – Vũ Bá Minh, ? ?Quá trình Thiết bị – tập – Truyền khối“, ĐHQG Tp.HCM [3] Các tác giả, “Sổ tay Quá trình Thiết bị tập 1& 2", ĐHBK Hà Nội [4] Các tác giả, "Quá trình & Thiết bị - Ví dụ tập 10",... qua thiết bị ngưng tụ, trao đổi nhiệt với nước lạnh thiết bị ngưng tụ thành lỏng, phần làm sản phẩm đỉnh phần cho hoàn lưu lại tháp Nêu nguyên nhân gây sai số cách khắc phục TN - Sai số thiết bị. .. trí tối ưu thiết bị Ở vị trí mâm nhập liệu số tối ưu nhất, ta thay đổi vị trí mâm nhập liệu thấp cao làm giảm độ tinh khiết sản phẩm đỉnh hiệu suất tháp chưng cất 3.2 Giải thích tượng q trình diễn