BÁO cáo THỰC HÀNH các QUÁ TRÌNH và THIẾT bị TRONG CÔNG NGHỆ hóa học bài 10 CHƯNG cất

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÀI 10: CHƯNG CẤT Giảng viên hướng dẫn: TS TRẦN THẢO QUỲNH NGÂN Sinh viên thực hiện: TRẦN NGUYỄN HOÀNG QUYÊN MSSV: 17014981 Nhóm: 02 Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2020 download by : skknchat@gmail.com download by : skknchat@gmail.com BÀI 10: CHƯNG CẤT 10.1 Mục đích thí nghiệm Khảo sát và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số: chỉ số hồi lưu, nhiệt độ (trạng thái) và vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất quá trình chưng cất và lượng nhiệt cần sử dụng 10.2 Cơ sở lý thuyết 10.2.1 Cân bằng vật chất Quá trình tính toán cân bằng vật chất chưng cất dựa trên cơ sở phương pháp Mc Cabe Theile xem gần đúng đường làm việc phần chưng và phần cất là đường thẳng và chấp nhận một số giả thuyết sau: Suất lượng mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả các tiết diện của tháp Nồng độ pha lỏng sau khi ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi ra khỏi đỉnh tháp Dòng hơi vào và ra của tháp ở trạng thái hơi bão hòa Dòng hồi lưu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi Suất lượng mol pha lỏng không đổi theo chiều cao của đoạn cất và đoạn chưng 10.2.1.1 Phương trình cân bằng vật chất F=P+W xF F=xP P+ xW W Trong đó: F , P ,W : suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh, kmol/h x F ,xP , xw : thành phần mol của cấu tử nhẹ trong hỗn hợp nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, mol/mol 10.2.1.2 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu) Chỉ số hồi lưu là tỷ số giữa lưu lượng hoàn lưu (L0) và lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh (P) L F= ( P 0 Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu R min ) và xác định theo công thức: R=b Rmin 10.2.1.3 Phương trình đường làm việc Phương trình làm việc của đoạn cất: 1 download by : skknchat@gmail.com y cất = R R xP 1 x+ R 1 + + Phương trình làm việc của đoạn chưng: y chưng = R + f f − 1 R +1 x − R + 1 xw Với f là tỷ lệ lưu lượng hỗn hợp nhập liệu so với lưu lượng sản phẩm đỉnh f= F P 10.2.1.4 Xác định số mâm lý thuyết Hình 10.1 Xác định số mâm lý thuyết 10.2.2 Cân bằng năng lượng 10.2.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu = Qnl F C pF (tFr − tF v + ) Qm nl Trong đó: Q nl: nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu, kW F: lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu, kg/s 2 download by : skknchat@gmail.com C pF là nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg ℃ ,t : nhiệt độ nhập liệu ra và vào khỏi thiết bị, ℃ Fv t F Q r : mnl nhiệt mất mát ở thiết bị gia nhiệt nhập liệu, kW 10.2.2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh Q ng=P ( R+1) r P=G C (tr−tv )+Qmng Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh Qng=P ( R+1) r P + P ( R+1 ) Cp P (tS P−tP)=G C (tr −tv)+Qmng Trong đó: P: lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/s r P: nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg C p : nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg.℃ tr ,tv: P nhiệt độ ra và vào của nước,℃ G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s C : nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg.℃ t SP : nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh,℃ t P: nhiệt độ của sản phẩm đỉnh sau làm lạnh, ℃ Q mng : nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ, kW 10.2.2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh Làm lạnh sản phẩm đỉnh: Q ¿P=P C pP ( tPr −tPv )=G1 C1 (t 1r −t1 v )+Qm ¿P Làm lạnh sản phẩm đáy: Q¿W =W C pW (tW r −tW v)=G2 C2 ( t2 r −t2 v)+Qm¿ W Trong đó: P , W: lưu lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/s Cp P ,C : nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, kJ/kg.℃ pW t ,t Pr P v : nhiệt độ của sản phẩm đỉnh ra và vào khỏi thiết bị,℃ tWr ,tWv : nhiệt độ của sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị,℃ t1r ,t1 v: nhiệt độ vào và ra của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh,℃ t2 r ,t2 v: nhiệt độ vào và ra của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy,℃ G1: lưu lượng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kg/s G2: lưu lượng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kg/s 3 download by : skknchat@gmail.com C 1: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, J/kg ℃ C 2: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, J/kg ℃ Q : nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kW m ¿P Q m : nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kW 10.2.2.4 Cân bằng nhiệt toàn tháp ¿W Hình 10.2 Sơ đồ tính toán cân bằng nhiệt lượng Phương trình cân bằng nhiệt lượng: Q F +QK +QL0=QF +QK +QF +Qm +Qng QK =QP+ QW +Qm +Qng−QF −QL0 Trong đó: Q K: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kW Qm: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh và thường được lấy gần bằng khoảng 5 % đến 10 % lượng nhiệt cần cung cấp Q F: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, kW QF=F C pF t F Q P: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, kW QP=P C pP tP QW : nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra, kW QW =W C pW tW Q ng: nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, kW 4 download by : skknchat@gmail.com Qng=P rP Q L : nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào, kW 0 Q =L C L0 0 p t P P 10.3 Thí nghiệm 10.3.1 Thí nghiệm Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu, khảo sát mâm nhập liệu cuối cùng Khảo sát 02 vị trí còn lại của mâm nhập liệu 10.3.2 Các lưu ý Trong suốt quá trình làm thí nghiệm cần chú ý những vấn đề sau: Lưu lượng dòng nước giải nhiệt vào trong hệ thống, nếu không có nước giải nhiệt thì phải ngưng hệ thống Lưu 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 thích Đánh giá kết quả đo thành phần và lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh để điều chỉnh chế độ làm việc hợp lý 10.4 Kết quả Xử lý số liệu 10.4.1 Kết quả 10.4.1.1 Buổi 1: Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu, khảo sát mâm nhập liệu cuối cùng Bảng 10.1 Kết quả thí nghiệm xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu V F(%V ) 30 10.4.1.2 Buổi 2: Khảo sát các vị trí của mâm nhập liệu Bảng 10.2 Kết quả thí nghiệm khảo sát mâm nhập liệu ở đáy, giữa và đỉnh tháp với tỷ số hồi lưu R=2,333 5 download by : skknchat@gmail.com ST T Thông số 1 Lưu lượng nhập liệu QF (l / h) 2 Lưu lượng ở đỉnh QP (l/ h) 3 Độ rượu sản phẩm đỉnh 4 Nhiệt độ sản phẩm đỉnh (℃) 5 Nhiệt độ nồi đun (℃) 6 Nhiệt độ đáy tháp (℃) 7 Nhiệt độ giữa tháp (℃) 8 Nhiệt độ đỉnh tháp (℃) 9 Nhiệt độ dòng hồi lưu (℃) 10 Nhiệt độ dòng lạnh vào (℃) 11 Nhiệt độ dòng lạnh ra (℃) 12 Độ rượu sản phẩm đáy (°) (° ) Bảng 10.3 Kết quả thí nghiệm khảo sát mâm nhập liệu ở giữa và đáy tháp với tỷ số hồi lưu R=1,5 STT Thông số 1 Lưu lượng nhập liệu QF (l/h) 2 Lưu lượng ở đỉnh QP (l/ h) ( °) 3 4 Độ rượu sản phẩm đỉnh Nhiệt độ sản phẩm đỉnh (℃) 5 Nhiệt độ nồi đun (℃) 6 Nhiệt độ đáy tháp (℃) 7 8 Nhiệt độ giữa tháp (℃) Nhiệt độ đỉnh tháp (℃) 9 Nhiệt độ dòng hồi lưu (℃) 10 Nhiệt độ dòng lạnh vào (℃) 11 12 Nhiệt độ dòng lạnh ra (℃) Độ rượu sản phẩm đáy (°) 6 download by : skknchat@gmail.com Ta có:xP =0,8105(kmol / kmolhh) , xF =0,1103(kmol / kmolhh),B=0,4 B= Chỉ số hồi lưu : R=b Rmin vớib 1,2 ÷ 1,5 ,chọnb=1,5 R =b Rmin=1,5.1,0264=1,54 10.4.2.2 Tính toán lượng vật liệu của các mâm Khối lượng riêng của hỗn hợp nhập liệu : ρ hh= ρr x F + pn (1−xF )=947,2.0,2406+ 996,27.(1−0.2406) ¿ 984,46(kg /m3 ) Khối lượng mol hỗn hợp : M hh=M r x F + M n (1−xF )=46.0,1103+ 18.(1−0,1103)=21,09( kmol kg Lưu lượng dòng nhập liệu : F =QF ρhh=9,8.10 F= F = −3 9,648 984,46=9,648(kg/ h) =0,4575(kmol/ h) Mhh 21,09 Tương tự, ta có bảng số liệu sau 2 download by : skknchat@gmail.com ) Bảng 10.4 Xử lý số liệu tại các mâm nhập liệu ở đáy, giữa và đỉnh tháp với tỷ số hồi lưu R=2,333 Nhập liệu xF 0,1103 Sản phẩm đỉnh x P Mâm đáy 0,8105 Mâm giữa 0,8105 Mâm đỉnh 0,79 Sản phẩm đáy xW Mâm đáy 0,1 Mâm giữa 0,09 Sản phẩm đáy xW Mâm đỉnh 0,095 Bảng 10.5 Xử lý số liệu tại các mâm nhập liệu ở giữa và đáy tháp với tỷ số hồi lưu R=1,5 Nhập liệu xF download by : skknchat@gmail.com Sản phẩm đỉnh xP Mâm giữa 0,8317 Mâm đáy 0,8105 Sản phẩm đáy x W Mâm giữa 0,095 Mâm đáy 0,0851 10.4.2.3 Tỷ số hồi lưu R=2,333 10.4.2.3.1 Phương trình làm việc đường chưng, đường cất và tính số mâm lý thuyết tại các mâm nhập liệu Phương trình làm việc phần chưng (khảo sát tại mâm đỉnh) f= y c hư ng= R+ f R+1 x− f −1 F xw= 0,4575 P= 0,0461 =9,934 2,333+9,934 9,934−1 x− 0,1=3,68 x−0,27 R+12,333+12,333+1 Phương trình làm việc phần cất (khảo sát tại mâm đỉnh) R x ycất = R +1 x+ R +P1 = 2,333 2,333 +1 x + 2,333 0,012 + 1=0,7 x +0,0036 Tương tự ta được kết quả: Bảng 10.6 Phương trình đường chưng và đường cất tại mâm Mâm trên Mâm giữa Mâm dưới download by : skknchat@gmail.com Tính số mâm lý thuyết: Mâm đáy: Hình 10.4 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu đáy Mâm giữa: Mâm giữa Hình 10.5 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu giữa 5 download by : skknchat@gmail.com 6 download by : skknchat@gmail.com Mâm đỉnh: Số mâm lý thuyết: 5 mâm Mâm đỉnh Hình 10.6 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu đỉnh 10.4.2.3.1 Cân bằng nhiệt lượng Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu: C ρ =xF Cρ +C F r ρn (1−x F )=0,2406.2,98+ 4,19 (1−0,2406 )=3,899(kJ / kg ℃) Nhiệt lượng của cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Q nl=F C pF (tFr −tF v )+Qmnl=9,6477.3,899 (94,8−30,1)+ 0=2433,78( kJ /h) Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ: Ẩn nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh: r P=x p rr +(1−x p ) rn=0,9162.846,57+ (1−0,9162) 2308,9=969,11(kJ / kg) Nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ: Q ng=P ( R+1) r P +Qmng=1,874 (2,333+1).969,11=6053,97(kJ / h) Tương tự ta có băng số liệu sau: 7 download by : skknchat@gmail.com Bảng 10.7 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Mâm đáy Mâm giữa Mâm đỉnh Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: Làm lạnh sản phẩm đỉnh: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: C pP=xP Cρr +C ρn (1−xP )=0,9162.2,89+(1−0,9162).4,19=3(kJ / kg ℃) Nhiệt lượng làm lạnh sản phẩm đỉnh: Q ¿P=P C pP (t Pr−tPv )+Qm¿ =1,8741.3 (80,3−31,5)+0=274,37(kJ / h) P Làm lạnh sản phẩm đáy: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: C pw=xw C ρr +Cρn ( 1−xw )=0,2212.2,89+ (1−0,2212).4,19=3,9(kJ /kg ℃) Nhiệt lượng làm lạnh sản phẩm đỉnh: Q ¿w=W Cpw (twr −twv)+Qm¿ =8,5577 3,9 (91,7−31,8)+0=76,15(kJ / h) P Tương tự, ta có bảng số liệu sau: Bảng 10.8 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh Mâm đáy Mâm giữa Mâm đỉnh 8 download by : skknchat@gmail.com Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng: Q F +QK +QL0=QF +QK +QF +Qm +Qng Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào: Q F=F C pF t F=9,6477.3,899.86,16=3240,88(kW ) Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra: Q P=P C pP tP =1,8741.3 78=434,45(kW ) Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra: QW =W C pW tW =8,5577.3,9 31,8=1062 (kW ) Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ: Q ng=P rP =1,8741.969,11=1816,19(kW ) Nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào: Q L0=L0 Cp P tP=P R C pP t P =1,8741.2,333.3 78=1013,71(kW ) Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun: Q K=QP +QW +Qm +Qng −QF −QL0 ¿ 434,45+1062+0+ 1816,19−3240,88−1013,71=941,95( kW ) Tương tự, ta có bảng số liệu sau: Bảng 10.9 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp Mâm đáy Mâm giữa Mâm đỉnh 10.4.2.3.1 Bàn luận Qua thực nghiệm, ta thấy ở cùng một nhiệt độ nhập liệu ở mâm trên, mâm giữa và mâm dưới khi chỉ số hồi lưu R không đổi thì nồng độ sản phẩm đỉnh giảm Nhập liệu ở mâm dưới được xem là tối ưu nhất bởi thời gian lưu của dòng lưu lượng nhập liệu khi chảy xuống nồi đun sẽ thấp hơn nhiều, do quãng đường ngắn hơn nên nồng 9 download by : skknchat@gmail.com độ sản phẩm đỉnh cũng cao hơn sao với nhập liệu mâm giữa và mâm đỉnh (minh chứng qua số mâm lý thuyết) Nguyên nhân gây sai số trong quá trình thực nghiệm: do ảnh hưởng của điều kiện môi trường xung quanh tới thiết bị; trong quá trình tính toán, xử lý số liệu có làm tròn số Ngoài ra, quá trình hoạt động của tháp chưng không ổn định do thời tiết, các thông số làm việc không phù hợp với trạng thái nhập liệu; thiết bị cũ kỹ; bảo ôn, cách nhiệt kém; thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh làm việc thiếu hiệu quả 10.4.2.4 Tỷ số hồi lưu R=1,5 10.4.2.4.1 Phương trình làm việc đường chưng, đường cất và tính số mâm lý thuyết tại các mâm nhập liệu Phương trình làm việc phần chưng (khảo sát tại mâm giữa) f = y c hư ng= F P = =¿ R + f f − 1 R +1 x− R + 1 xw Phương trình làm việc phần cất (khảo sát tại mâm giữa) Tương tự ta được kết quả: Bảng 10.6 Phương trình đường chưng và đường cất tại mâm Mâm trên Mâm giữa 10 download by : skknchat@gmail.com Tính số mâm lý thuyết: Mâm đáy: Số mâm lý thuyết: mâm Hình 10.4 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu đáy Mâm giữa: Số mâm lý thuyết: mâm Hình 10.5 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết của mâm nhập liệu giữa 11 download by : skknchat@gmail.com 10.4.2.4.1 Cân bằng nhiệt lượng Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu: C ρF =xF Cρr +C ρn (1−x F )=0,2406.2,98+ 4,19 (1−0,2406 )=3,899(kJ /kg ℃) Nhiệt lượng của cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Q nl=F C pF (tFr −tF v )+Qmnl=9,6477.3,899 (94,8−30,1)+ 0=2433,78( kJ /h) Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ: Ẩn nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh: r P=x p rr +(1−x p ) rn=0,9162.846,57+ (1−0,9162) 2308,9=969,11(kJ / kg) Nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ: Qng=P ( R+1) r P +Qmng=1,874 (2,333+1).969,11=6053,97(kJ / h) Tương tự ta có băng số liệu sau: Bảng 10.7 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ r P Mâm đáy Mâm giữa Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh: Làm lạnh sản phẩm đỉnh: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: C pP=xP Cρr +C ρn (1−xP )=0,9162.2,89+(1−0,9162).4,19=3(kJ / kg ℃) Nhiệt lượng làm lạnh sản phẩm đỉnh: Q ¿P=P C pP (t Pr−tPv )+Qm¿ =1,8741.3 (80,3−31,5)+0=274,37(kJ / h) P Làm lạnh sản phẩm đáy: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: 12 download by : skknchat@gmail.com C pw=xw C ρr +Cρn ( 1−xw )=0,2212.2,89+ (1−0,2212).4,19=3,9(kJ /kg ℃) Nhiệt lượng làm lạnh sản phẩm đỉnh: Q ¿w=W Cpw (twr −twv)+Qm¿ =8,5577 3,9 (91,7−31,8)+0=76,15(kJ / h) P Tương tự, ta có bảng số liệu sau: Bảng 10.8 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh C pP Mâm đáy Mâm giữa Cân bằng nhiệt lượng cho tháp chưng: Q F +QK +QL0=QF +QK +QF +Qm +Qng Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào: Q F=F C pF t F=9,6477.3,899.86,16=3240,88(kW ) Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra: Q P=P C pP tP =1,8741.3 78=434,45(kW ) Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra: QW =W C pW tW =8,5577.3,9 31,8=1062 (kW ) Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ: Q ng=P rP =1,8741.969,11=1816,19(kW ) Nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào: Q L0=L0 Cp P tP=P R C pP t P =1,8741.2,333.3 78=1013,71(kW ) Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun: Q K=QP +QW +Qm +Qng −QF −QL0 ¿ 434,45+1062+0+ 1816,19−3240,88−1013,71=941,95( kW ) Tương tự, ta có bảng số liệu sau: Bảng 10.9 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn tháp 13 download by : skknchat@gmail.com ... đáy vào khỏi thiết bị, ℃ t1r ,t1 v: nhiệt độ vào nước thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh,℃ t2 r ,t2 v: nhiệt độ vào nước thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy,℃ G1: lưu lượng dòng giải nhiệt thiết bị làm... nhập liệu; thiết bị cũ kỹ; bảo ôn, cách nhiệt kém; thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh làm việc thiếu hiệu 10. 4.2.4 Tỷ số hồi lưu R=1,5 10. 4.2.4.1 Phương trình làm việc đường chưng, đường cất tính... theo công thức: R=b Rmin 10. 2.1.3 Phương trình đường làm việc Phương trình làm việc đoạn cất: download by : skknchat@gmail.com y cất = R R xP x+ R + + Phương trình làm việc đoạn chưng: y chưng