Chưng cất hỗn hợp etanol-nước bằng tháp mâm chóp

Chưng cất hỗn hợp etanol-nước bằng tháp mâm chóp

TRUNG TÂM MÁY VÀ THIẾT BỊ

Lớp HP:

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2010

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Lớp HP:

Danh sách sinh viên nhóm DHMT4:

- Ảnh hưởng của vận tốc khí và lỏng lên độ giảm áp suất của dòng khí qua cột

- Sự biến đổi của hệ số ma sát fck trong cột theo chuẩn số Reynolds Rec của dòng khí và suy ra các hệ thức thực nghiệm

- Sự biến đổi của thừa số  liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí khi cột khô và

khi cột ướt với vận tốc dòng chảy

II Lý thuyết thí nghiệm:

2.1 Cấu tạo

Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều gia đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật đệm đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Vật đệm sử dụng phổ biến :

Vòng Rasching

Vật đệm hình yên ngựa

Vật đệm vòng xoắn

2.2 Sự chuyển động của lưu chất qua tháp đệm

Khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống và pha khí chuyển động từ dưới có thể xảy ra 4 chế độ thủy lực:

∆PC Gn ( với n = 1.8 - 2) lg∆PC/Z = nlgG – lgZ Đây là phương trình đường thẳng có hệ số góc n

2.2.2 Độ giảm áp khi cột khô

Trong giai đoạn đầu lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp là không đổi theo tốc độ khí Giai đoạn kế tiếp lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp tăng nhanh theo tốc độ khí, các chỗ trống trong tháp nhỏ dần và độ giảm áp của pha khí tăng nhanh

2.3 Thừa số ma sát F ck theo Re c khi cột khô

Thừa số ma sát fck là hàm số theo chuẩn số Re với Re :

Rec = G*De/ = 4G/a

Trong đó: : độ nhớt của dòng khí, kg/m.s

Zhavoronkow đã xác định được khí dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chảy rối ứng với trị số Rec = 50 Trong vùng chảy rối 50 < Re < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên thì:

fck = 3.8/Re0.2 Trong vùng chảy dòng Re < 50 thì hệ số ma sát được tính: fck = 140/Re

2.4 Độ giảm áp ∆P cư khi cột ướt

Sự liên hệ: ∆Pcư =  ∆Pck

fcư =  fck

2.5 Điểm lụt của cột chêm

L G L

G ck

G L g

v a f

2 1

2

.

Trong đó: fck = được tính từ hệ thức liên hệ với Re

 = vận tốc dài của khí ngay trước khi vào cột chêm

= độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước

Hệ thống hấp thu lỏng khí DIDACTA

Mô hình thí nghiệm

Các bước tiến hành

Mở van cho nước vào trong bình chứa (khóa van 11)

Mở các van 14 và 6, khóa van 5

Mở bơm lỏng đến khi nước qua van 6 chảy ngược vào bình chứa thì ngừng bơm

và khóa van 6

Khóa van 23, mở van 22, sau đó mở máy nén để thổi hết lượng nước còn đọng trong các khe của vật đệm Sau khoảng 5 phút, chuẩn bị làm thí nghiệm khi cột khô

Đo độ giảm áp khi cột khô

- Khóa van 22 để thay đổi lượng khí qua cột Ứng với 6 giá trị lưu lượng khí ghi lại 6 giá trị ∆Pck trên áp kế thủy ngân Điều chỉnh lưu lượng từ mức cao xuống thấp để đảm bảo điều kiện làm việc của máy nén

- Sau khi tiến hành xong thí nghiệm cột khô tắt máy nén

Đo độ giảm áp của dòng khí khi cột ướt

- Mở van 13 và 6 Bật bơm lỏng, điều chỉnh van 14 để giữ lưu lượng lỏng không đổi

- Mở van 22, mở máy nén để đưa không khí vào tháp

- Khóa dần van 22 thay đổi lưu lượng khí G tương ứng với các giá trị G khi đo cột khô và đọc ∆Pcư trên áp kế

- Lặp lại 5 giá trị khác nhau của L Nếu xảy ra hiện tượng ngập lụt thì tắt máy nén

- Sau khi làm xong thí nghiệm ngừng máy tắt bơm, máy nén mở van 5 xả hết chất lỏng còn lại trong tháp ra ngoài

III Báo cáo thí nghiệm:

2,060,98.10  => fcư =  fck = 2,06.24305,56 = 50068,63

3 Bảng kết quả tính toán và đồ thị minh họa

Kết quả tính toán cột khô

G, kg/m 2 s Log G

∆P ck /Z, N/m 2 / m

log(∆P/Z), N/m 2 / m Re ck f ck

0,097 -1,013 0,61.105 4,79 0,0058 24305,56 0,194 -0,712 1,23 105 5,09 0,0115 12145,36 0,293 -0,533 1,84 105 5,26 0,0174 8041,64 0,39 -0,409 3,06 105 5,49 0,0232 6041,54 0,487 -0,312 4,90 105 5,69 0,0289 4838,19 0,584 -0,234 6,74 105 5,83 0,0347 4034,59

 Đồ thị log (∆Pck /Z) theo log G

 Đồ thị f ck theo Re

3.2.Kết quả tính toán cột ướt:

Sự liên hệ giữa độ giảm áp khô ∆Pcư =  ∆Pck với:

4 Bàn luận

Dựa vào đồ thị và số liệu thực nghiêm ta thấy:

- Đối với cột khô: khi G tăng thì độ giảm áp tăng theo đường thẳng

- Đối với cột ướt: khi G tăng thì độ giảm áp cũng tăng theo nhưng chia thành từng vùng rõ rệt như giản đồ trong lý thuyết đã đề cập Khi lưu lượng lỏng càng tăng thì cột càng dễ gần đến điểm lụt hơn Từ đồ thị thu được ta thấy vùng sau điểm gia trọng thì giá trị P tăng lên rất nhanh, đột ngột Đoạn thẳng trong vùng này rất dốc nên ta rất khó vận hành cột chêm ở chế độ nhũ tương này mặc dù cột chêm hoạt động tốt nhất ở chế độ đó

Giản đồ f theo Re được lập nhằm để biểu diễn sự phụ thuộc của trở lực vào lưu lượng của dòng lưu chất Nếu lưu lượng của dòng lưu chất càng lớn thì thì hệ số ma sát f giữa hai pha càng tăng Lập đồ thị nhằm xác định được lưu lượng hợp lý để vận hành cột,

để trở lực nhỏ và thu được hiệu suất truyền khối tốt nhất giữa hai pha với nhau mà cột vẫn không bị lụt Tuy nhiên trong đồ thị trên thì ta lại thấy điều ngược lại tức là khi lưu lượng tăng lên thì trở lực lại giảm dần, kết quả này thu được do ảnh hưởng của sai số

trong quá trình thí nghiệm Nếu biết một trong hai giá trị Re hoặc f thì có thể dùng đồ thị

có thể dùng đồ thị để xác định giá trị còn lại như sau:

Từ giá trị f hoặc Re đã biết kẻ một đường thẳng theo phương ngang hoặc theo phương đứng, cắt đồ thị f-Re tại một điểm Từ giao điểm đó, kẻ một đường thẳng vuông góc với trục còn lại thì sẽ xác định được giá trị cần tìm

Sự liên hệ giữa các đối tượng tương đối gần với dự đoán Cụ thể là các mối liên hệ sau:

- Log(Pck/Z) - logG: là phụ thuộc tuyến tính với nhau theo đường thẳng giống

như lý thuyết đã nhận định

- Pcử/Z - G càng gần như được chia thành hai hướng rõ rệt: vùng dưới điểm gia trọng và vùng trên điểm gia trọng vùng dưới điểm gia trọng thì P tăng chậm và đều dặn nên các điểm này thu được gần như cùng nằm trên một đường thẳng Vùng trên điểm gia trọng thì P tăng nhanh, đột ngột nên đoạn thẳng rất dốc; nếu tăng lưu lượng lỏng và khí lên cao nữa thì sẽ tiến đến điểm lụt của cột

- Log - L: hoàn toàn phụ thuộc tuyến tính với nhau nên được thể hiện thành một đường thẳng trên đồ thị Phù hợp với lý thuyết đã đề cập đến

Tuy nhiên trong quá trình làm thí nghiệm cũng có nhiều sai số Những nguyên nhân có thể dẫn đến sai số là do:

- Lưu lượng dòng lỏng không ổn định

- Lưu lượng dòng khí không ổn định

- Cột nước duy trì ở đáy cột không đảm bảo yêu cầu làm cho mực nước xâm nhập vào ống đo độ chênh áp làm ảnh hưởng đến kết quả

- Ma sát giữa dòng khí có tốc độ lớn với ống dẫn làm cho ống nóng lên và làm tăng thể tích khí làm tăng áp suất cũng ảnh hưởng đến độ chênh áp

BÀI SỐ 2:CHƯNG GIÁN ĐOẠN

KHÔNG HOÀN LƯU

I Mục đích thí nghiệm:

Quá trình chưng cất gián đoạn không hoàn lưu nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số sau:

 Hiệu suất tháp chưng khi tiến hành không hồi lưu

 Sự biến đổi nồng độ sản phẩm đỉnh theo thời gian chưng cất

II Lý thuyết thí nghiệm:

1 Định nghĩa hoàn lưu

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng, khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (cùng nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác)

Chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi, cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi

Khi chưng trường hợp 2 cấu tử ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít có độ bay hơi lớn

2 Cân bằng vật chất

Xét quá trình chưng gián đoạn, thành phần và lượng sản phẩm luôn thay đổi theo thời gian

Lượng hỗn hợp đầu là kg, thành phần cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu là

Tại một thời điểm bất kỳ lượng chất lỏng trong nồi chưng là với nồng độ là Khi bóc hơi một lượng vô cùng nhỏ dw thì nồng độ trong nồi sẽ giảm đi một lượng và

lượng chất lỏng còn lại trong nồi là - Như vậy lượng cấu tử dễ bay hơi trong nồi tại thời điểm đang xét là: ( -dW)( - )

Lượng cấu tử dễ bay hơi chuyển vào pha hơi là:

Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi ở thời điểm đang xét:

Lượng rất bé ta có thể bỏ qua được, đơn giản đi ta có:

Phương trình cho toàn bộ quá trình là:

3 Cân bằng năng lượng

QF +QK = QD +QW +Qm +Qng

 QK = QD + QW +Qm +Qng -QF

QK: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, W

Qm: nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh (W) được lấy từ 5% đến 10% nhiệt lượng cần cung cấp

QF: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, W

QD: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, W

QW: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra, W

Qng: nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, W

_ _ _ _

_ _ _

F x W x D x

D W F

W W C t Q

R

_



D P

D D C t Q

D





F P

F F C t Q

F





: ,

,

W D

r : nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg

Đối với quá trình ngưng tụ không làm lạnh:

Đối với quá trình ngưng tụ làm lạnh:

Trong đó: t , v t r: nhiệt độ vào và ra của nước, 0C

G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s

C: nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg/độ

D

S

t : nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, 0C

4 Nguyên tắc và sơ đồ chưng gián đoạn không hoàn lưu

Trong quá trình chưng đơn giản hơi nước được lấy ra ngay và cho ngưng tụ

m v r D

S P D

ng D r D C t t G C t t Q Q

.).(

_

m v r D

ng D r G C t t Q

Q   (  )

_

5 Mô hình chưng cất

Hệ thống chưng cất 7 mâm xuyên lỗ

6 Tiến hành thí nghiệm

 Mở van W tháo hết sản phẩm đáy ở nồi đun và đo độ rượu bằng phù kế.Sau đó lấy cồn 960 pha với sản phẩm đáy thành rượu 200 rồi đổ đầy bình chứa nhập liệu.Đo lại độ rượu bình nhập liệu rồi ghi vào bảng kết quả độ rượu nhập liệu VF

 Đóng cầu dao tổng của hệ thống,mở công tắc điện của nguồn chính.Đóng khoảng

¾ van hoàn lưu N1 của bơm nhập liệu,mở van N3,N5 đóng van N2 và van N4.Mở bơm nhập liệu bơm rượu vào nồi đun cho đến khi mực lỏng trong ống chỉ mực tới vạch khoảng ½ nồi đun.Khi hỗn hợp dưới nồi đun dưới vạch trắng (1/3) nồi đun

sẽ cháy điện trở nồi đun,luôn luôn phải chú ý mức chất lỏng trong nồi đun

 Mở công tắc gia nhiệt nồi đun, chờ nồi đun sôi.Khi hỗn hợp sôi ta mở van nước

GN cho thiết bị ngưng tụ

 Dùng thì kế đo thời gian cứ 3 phút ta tiến hành đo nhiệt độ nồi đun , nhiệt độ sản phẩm đỉnh ,lượng sản phẩm đỉnh thu được qua bình chứa sản phẩm đỉnh và nồng

độ sản phẩm đỉnh.Xác định nồng độ sản phẩm đỉnh bằng cách mở van D để lấy mẫu sản phẩm vào ống đong và đo nồng độ bằng phù kế

 Khi sản phẩm thu được khoảng 200ml thì dừng thí nghiệm

Ngừng máy

 Tắt gia nhiệt nồi đun

 Tháo sản phẩm đỉnh bình chứa cồn

 Tắt van nước GN cho thiết bị ngưng tụ qua sản phẩm đỉnh

 Ngắt công tắc điện vào hệ thống

 Ngắt cầu dao điện của hệ thống

7 Hệ thống chưng cất DVI 3000 và các bước tiến hành thí nghiệm

 Hòa trộn 5 lít hỗn hợp nhập liệu có nồng độ cồn là 150

 Đổ dung dịch vào nồi đun qua nắp nồi,đo nồng độ nhập liệu sau mỗi lần đổ vào lấy giá trị trung bình

 Đóng chặt nắp nồi

 Mở công tắc điện chính,đèn trắng được kích hoạt

 Mở hệ thống nước giải nhiệt

 Mở công tắc tổng bằng cách mở nút khóa khẩn cấp và nhấn vào nút bấm màu xanh

 Thiết lập giá trị trên bộ điều khiển PID của lưu lượng dòng giải nhiệt

 Mở điện trở nồi đun

 Cài đặt độ giảm áp của tháp chưng cất ở giá trị thấp nhất 10mB trên bộ điều khiển PID

 Chuyển công tắc chia dòng hoàn lưu sang chế độ “Reflux” hồi lưu hoàn toàn

 Sau khi đạt trạng thái ổn định ( khoảng 30 đến 45 phút ) chuyển công tắc chia

dòng hoàn lưu sang chế độ “Draw off” không hoàn lưu và thu sản phẩm đỉnh

 Đợi 15 phút đo thể tích và nồng độ sản phẩm thu được

 Cài đặt giá trị P ở mức bằng 12mB và đợi thêm khoảng 15 phút lấy mẫu đo

 Tương tự tiến hành thí nghiệm với các giá trị P khác nhau

Lưu ý: trong số trường hợp mặc dù giá trị nhiệt độ dọc theo tháp chưng cất không thay

đổi nhưng trạng thái ổn định có thể chưa đạt được bởi vì các giá trị thành phần của các pha thay đổi rất chậm.Vì vậy thời gian làm việc kéo dài hơn và để dễ dàng hơn xác định thời gian lấy mẫu ứng với mỗi 15 phút

III Báo cáo thí nghiệm:

Bảng kết quả thí nghiệm nhiệt độ

T 7 0 C: Nhiệt độ dòng giải nhiệt vào

T 8 0 C: Nhiệt độ dòng giải nhiệt ra

2 Xử lý số liệu

 Nồng độ phần mol Etanol nhập liệu

 Nồng độ phần khối lượng Etanol nhập liệu

 Lượng hỗn hợp đầu

: khối lượng riêng của rượu nhập liệu

Nội suy theo bảng I.2 – Sổ tay QTTB tập 1 – trang 9

: khối lượng riêng của rượu sản phẩm đỉnh

Nội suy theo bảng I.2 – Sổ tay QTTB tập 1 – trang 9

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất.Ta có:

 Nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đáy

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất.Ta có:

 Diện tích giới hạn bởi đường cong và

 Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào

:nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu

Nội suy theo bảng I.154 – Sổ tay QTTB tập 1 – trang 172

 Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra

:nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đỉnh

Nội suy theo bảng I.154 – Sổ tay QTTB tập 1 – trang 172

 Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra

:nhiệt dung riêng của dòng sản phẩm đáy

Nội suy theo bảng I.154 – Sổ tay QTTB tập 1 – trang 172

13 89,6 4081,713

12 91,5 4093,704

 Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun

Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt toàn tháp.Ta có:

G: lưu lượng khối lượng dòng giải nhiệt.Quy đổi đơn vị từ l/s sang kg/h

: khối lượng riêng của nước giải nhiệt (kg/m3)

Tra theo bảng I.5 – sổ tay QTTB tập 1 – trang 11

C:nhiệt dung riêng của nước giải nhiệt (J/kgđộ)

Tra theo bảng I.147 – sổ tay QTTB tập 1 – trang 165

Từ (1),(2) và (3) suy ra:

 Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh

 Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ

Các số liệu sau xử lý tương tự như trên ta thu được bảng kết quả

3 Bảng kết quả tính toán và đồ thị minh họa

Bảng thành phần cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ sôi của hai cấu tử Etanol – H 2 O ở 760mmHg

x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

y 0 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100

t 0 C 100 90.5 86.5 83.2 81.7 80.8 80 79.4 79 78.6 78.4 78.4

Kết quả tính toán cân bằng vật chất

Kết quả tính toán cân bằng năng lượng

Q D kJ

Q W kJ

Q K kJ

Q m kJ

4 Bàn luận

BÀI SỐ 3:TĨNH HỌC QUÁ TRÌNH SẤY

II Lý thuyết thí nghiệm:

2.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc máy sấy bằng không khí:

Trong quá trình sấy nếu dùng tác nhân sấy là không khí thì gọi là sấy bằng không khí Khi sấy không khí nóng tiếp xúc với bề mặt vật liệu ẩm làm bốc hơi nước trong vật liệu ẩm tạo thành hỗn hợp không khí ẩm thoát ra ngoài

Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy sấy bằng không khí được mô tả trên hình sau:

Vật liệu ban đầu vẫn còn ẩm cho qua cửa và nhờ bộ phận vận chuyển đưa qua phòng sấy Không khí bên ngoài được quạt hút đưa vào caloriphe sưởi rồi vào phòng sấy Tại caloriphe sưởi không khí được đun nóng đến nhiệt độ cần thiết, khi vào

phòng sấy không khí tiếp xúc với vật liệu, cấp nhiệt cho nước trong vật liệu bốc hơi ra

ngoài

Hỗn hợp không khí sau khi sấy xong theo chiều hút của quạt thoát ra ngoài Đôi

khi cần bổ sung nhiệt độ không khí sấy, nguwowid ta dung caloriphe bổ sung để cấp

nhiệt cho không khí ngay thại phòng sấy

2.2 Sấy lý thuyết:

Để đơn giản cho việc nghiên cứu quá trình sấy trước tiên ta nghiên cứu qua về sấy lý

thuyết Trong sấy lý thuyết coi các đại lượng bổ sung và nhiệt tổn thất đều bằng không

nghĩa là hay

Trong thực tế nếu thường gặp trường hợp nhiệt bổ sung bằng nhiệt tổn thất

, do đó cũng coi là sấy lý thuyết

Vậy khi sấy lý thuyết nhiệt lượng riêng của không khí không thay đổi trong suốt quá

trình H= const (đẳng H), nói cách khác, trong quá trình sấy lý thuyết, một phần nhiệt của

không khí có bị mất mát đi cũng chỉ để làm bốc hơi nước trong vật liệu, do đó H không

Nhiệt lượng tiêu tốn riêng ở caloriphe sưởi:

, (J/kg ẩm) Lượng nhiệt tiêu hao riêng ở caloriphe bổ sung trong phòng sấy tính theo công thức:

Tu Nhiệt kế bầu ướt

Ts Nhiệt kế bầu khô

2.5 Các bước tiến hành thí nghiệm:

Bật công tắc tổng → xác định G0, mang đi làm ẩm → đổ nước vào chỗ đo nhiệt độ bầu ướt, ghi các giá trị bầu khô, bầu ướt tại thời điểm ban đầu → điều chỉnh tốc độ quạt, chờ phòng sấy khô → cài đặt các mức nhiệt lượng của điện trở → khi ổn định (10 phút) thì bắt đầu tiến hành thí nghiệm → ghi các giá trị: chỉ số cân, nhiệt độ bầu khô, bầu ướt trong phòng sấy (tại thời điểm ban đầu và sau mỗi 15 phút) → dừng thí nghiệm (khi khối lượng vật liệu không đổi sau 3 lần cân) → chuyển các nút điều chỉnh về trạng thái 0, đóng công tắc tổng

Tiến hành thí nghiệm ở các mức điện trở 3, 5, 7, tốc độ quạt 4, 6, 8 theo bảng số liệu

3 Báo cáo thí nghiệm:

Lý thuyết Thực tế

L lt (kg) Q lt (kJ) L th (kg) Q th (kJ)