(TIỂU LUẬN) báo cáo THỰC HÀNH môn THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH THIẾT bị hóa học bài TH CHƯNG cất

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC  BÁO CÁO THỰC HÀNH MƠN THỰC HÀNH Q TRÌNH & THIẾT BỊ HĨA HỌC BÀI TH: CHƯNG CẤT GVHD: Trương Văn Minh Sinh viên: Phan Thị Nguyễn Nhi Lớp: DHHC14A MSSV:18077131 – Tổ Ngày thực hành: 14/03/2022 Tp.Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng năm 2022 MỤC LỤC 1.MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cân vật chất 2.2 Phương trình cân vật chất 2.3 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu) 2.4 Phương trình đường làm việc 2.5 Xác định số mâm lý thuyết 2.6 Cân lượng 2.6.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 2.6.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 2.6.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh 2.6.4 Cân nhiệt toàn tháp 3.THÍ NGHIỆM 4.KẾT QUẢ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU Thí nghiệm : Khảo sát sư ảnh hưởng của mâm nhập liệu tại vi trí R = 1,2 Thí nghiệm 2: Khảả̉o sáá́t ảả̉nh hưởả̉ng lưu lượng củả̉a dịng hồn lưu 5.KẾT LUẬN MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảả̉o sáá́t đáá́nh giáá́ ảả̉nh hưởả̉ng củả̉a cáá́c thông số: số hồi lưu, nhiệệ̣t độ (trạệ̣ng tháá́i) vị tríá́ mâm nhậệ̣p liệệ̣u đến số mâm lý thuyết, hiệệ̣u suất quáá́ trình chưng cất lượng nhiệệ̣t cần sử dụng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cân vật chất Quáá́ trình tíá́nh toáá́n cân vậệ̣t chất chưng cất dựa sởả̉ phương pháá́p Mc Cabe Theile xem gần đường làm việệ̣c phần chưng phần cất đường thẳng chấp nhậệ̣n số giảả̉ thuyết sau: Suất lượng mol củả̉a pha từ dướá́i lên tất cảả̉ cáá́c tiết diệệ̣n củả̉a tháá́p Nồng độ pha lỏng sau ngưng tụ có thành phần thành phần khỏi đỉnh tháá́p Dòng vào củả̉a tháá́p ởả̉ trạệ̣ng tháá́i bão hòa Dòng hồi lưu vào tháá́p ởả̉ trạệ̣ng tháá́i lỏng sôi Suất lượng mol pha lỏng không đổi theo chiều cao củả̉a đoạệ̣n cất đoạệ̣n chưng 2.2 Phương trình cân vật chất F=P+W xF F=xP P+ xW W Trong đó: F , P ,W : suất lượng nhậệ̣p liệệ̣u, sảả̉n phẩm đáá́y sảả̉n phẩm đỉnh, kmol/h x F ,xP , xw : thành phần mol củả̉a cấu tử nhẹ hỗn hợp nhậệ̣p liệệ̣u, sảả̉n phẩm đỉnh, sảả̉n phẩm đáá́y, mol/mol 2.3 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu) Chỉ số hồi lưu tỷ số lưu lượng hoàn lưu ( L0) lưu lượng củả̉a dòng sảả̉n phẩm đỉnh (P) F= L P Chỉ số hồi lưu thíá́ch hợp (R) xáá́c định thông qua số hồi lưu tối thiểu (Rmin) xáá́c định theo công thức: R=b Rmin 2.4 Phương trình đường làm việc Phương trình làm việệ̣c củả̉a đoạệ̣n cất: R xP ycất = R x+ R + + Phương trình làm việệ̣c củả̉a đoạệ̣n chưng: ychưng = R + f f − R +1 x − R + xw Vớá́i f tỷ lệệ̣ lưu lượng hỗn hợp nhậệ̣p liệệ̣u so vớá́i lưu lượng sảả̉n phẩm đỉnh f= F P 2.5 Xác định số mâm lý thuyết Hình 2.1 Xáá́c định số mâm lý thuyết 2.6 Cân lượng 2.6.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu Qnl=F C pF (tFr −tF v )+Qmnl Trong đó: Q nl: nhiệệ̣t lượng cần cung cấp để gia nhiệệ̣t nhậệ̣p liệệ̣u, kW C p nhiệệ̣t dung riêng hỗn hợp nhậệ̣p liệệ̣u, kJ/kg ℃ F ,t tFr Fv : nhiệệ̣t độ nhậệ̣p liệệ̣u vào khỏi thiết bị,℃ Q : nhiệệ̣t máá́t ởả̉ thiết bị gia nhiệệ̣t nhậệ̣p liệệ̣u, kW 2.6.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ mnl Nếu quáá́ trình ngưng tụ không làm lạệ̣nh Qng=P ( R+1) r P=G C (tr−tv )+Qmng Nếu quáá́ trình ngưng tụ có làm lạệ̣nh 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 sảả̉n phẩm đỉnh, kg/s r P: nhiệệ̣t hóa củả̉a sảả̉n phẩm đỉnh, kJ/kg C p : nhiệệ̣t dung riêng hỗn hợp sảả̉n phẩm đỉnh, kJ/kg ℃ P t r ,tv: nhiệệ̣t độ vào củả̉a nướá́c,℃ t SP : nhiệệ̣t độ sôi hỗn hợp sảả̉n phẩm đỉnh,℃ t P: nhiệệ̣t độ củả̉a sảả̉n phẩm đỉnh sau làm lạệ̣nh, ℃5 Q : nhiệệ̣t máá́t ởả̉ thiết bị ngưng tụ, kW 2.6.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh mng Làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đỉnh: Q¿P=P C pP ( tPr −tPv )=G1 C1 (t1r −t1 v )+Qm¿ P Làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đáá́y: Q¿W =W C pW (tW r −tW v)=G2 C2 ( t2 r −t2 v)+Qm¿ W Trong đó: P ,W: lưu lượng sảả̉n phẩm đỉnh, sảả̉n phẩm đáá́y, kg/s ,C C pP : nhiệệ̣t dung riêng củả̉a sảả̉n phẩm đỉnh sảả̉n phẩm đáá́y, kJ/kg ℃ pW ,t : nhiệệ̣t độ củả̉a sảả̉n phẩm đỉnh vào khỏi thiết bị,℃ tWr ,tWv : nhiệệ̣t độ củả̉a sảả̉n phẩm đáá́y vào khỏi thiết bị,℃ t Pr P v t 1r ,t1 v: nhiệệ̣t độ vào củả̉a nướá́c ởả̉ thiết bị làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đỉnh, ℃ t r ,t2 v: nhiệệ̣t độ vào củả̉a nướá́c ởả̉ thiết bị làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đáá́y,℃ G1: lưu lượng dòng giảả̉i nhiệệ̣t ởả̉ thiết bị làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đỉnh, kg/s G 2: lưu lượng dòng giảả̉i nhiệệ̣t ởả̉ thiết bị làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đáá́y, kg/s C 1: nhiệệ̣t dung riêng dòng giảả̉i nhiệệ̣t ởả̉ thiết bị làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đỉnh, J/kg ℃ C 2: nhiệệ̣t dung riêng dòng giảả̉i nhiệệ̣t ởả̉ thiết bị làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đáá́y, J/kg ℃ Q : nhiệệ̣t máá́t ởả̉ thiết bị làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đỉnh, kW m ¿P Q : nhiệệ̣t máá́t ởả̉ thiết bị làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đáá́y, kW 2.6.4 Cân nhiệt tồn tháp m ¿W Hình 2.2 Sơ đồ tíá́nh toáá́n cân nhiệệ̣t lượng Phương trình cân nhiệệ̣t lượng: Q F +QK +QL0=QF +QK +QF +Qm +Qng QK =QP+ QW +Qm +Qng−QF −QL0 Trong đó: Q K: nhiệệ̣t lượng cung cấp cho nồi đun, kW Qm: nhiệệ̣t lượng máá́t môi trường xung quanh thường lấy gần khoảả̉ng % đến 10 % lượng nhiệệ̣t cần cung cấp Q F: nhiệệ̣t lượng dòng nhậệ̣p liệệ̣u mang vào, kW QF=F C pF t F Q P: nhiệệ̣t lượng dòng sảả̉n phẩm đỉnh mang ra, kW QP=P C pP tP QW : nhiệệ̣t lượng dòng sảả̉n phẩm đáá́y mang ra, kW QW =W C pW tW Qng: nhiệệ̣t lượng trao đổi thiết bị ngưng tụ, kW Qng=P rP Q L : nhiệệ̣t lượng dịng hồn lưu mang vào, kW Q =L C L0 p t P P THÍ NGHIỆM Xáá́c định số hồi lưu tối thiểu, khảả̉o sáá́t mâm nhậệ̣p liệệ̣u cuối Khảả̉o sáá́t 02 vị tríá́ lạệ̣i củả̉a mâm nhậệ̣p liệệ̣u KẾT QUẢ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU Bảng 4.1 Cáá́c thông số nhậệ̣p liệệ̣u thông số sảả̉n phẩm đỉnh Thơng số dịng nhập liệu Độ rượu Nhiệệ̣t độ ban Nhiệệ̣t độ sôi củả̉a Khối lượng riê nướá́c ởả̉ 30 Khối lượng riê rượu ởả̉ 30oC Tíá́nh toáá́n số liệệ̣u nhậệ̣p liệệ̣u xF = V% M x F = Tíá́nh toáá́n số liệệ̣u sảả̉n phẩm đỉnh = xP = (kmol/kmolhh) x P = x y o 100 T( C) ĐỒ THỊ ĐƯỜNG CÂN BẰNG HỆ ETANOL-NƯỚC 120 100 80 Y 60 40 20 0.0 Nếu quáá́ trình ngưng tụ có làm lạệ̣nh: Tra nhiệệ̣t dung riêng ởả̉ 60,2 oC: Cρn = 4185,56 (J/kg.độ); Cρr= 3932 (J/kg.độ) C ρP=C ρr xP +(1−xP ) Cρn ¿ 3232.0,885+(1−0,885).4186,56=3341,77( J / Kg độ) Qng=P ( R+1) r 0,605 ¿ 320+ P + P ( R+1 ) CρP (tsP−t P )=G C (tr −tv )+Qm ng 3600 (1,3+1) 3341,77.(90,4-30)= 398,02 (W) Cân nhiệệ̣t lượng cho thiết bị làm lạệ̣nh Làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đỉnh: = 4187,52 (J/kg.độ); Cρr= 3900,87 (J/kg.độ) o Tra nhiệệ̣t dung riêng ởả̉ 63,35 C: Cρn C ρW =C ρr xW +(1−xW ) Cρn ¿ 3900,87.0,1186+(1−0,1186).4187,52=4153,52(J / Kg độ) Q¿P=P CρP (tv−tr )=G1 C1 (t1 r−t1 v )+QmllP ¿ 0,605 3600 3341,77 (90,4−30)=33,92(W ) Làm lạệ̣nh sảả̉n phẩm đáá́y: Q ¿W =W CρW (tv−tW r )=G2 C2 (t ¿ 2r Q F +QK +QL0=QD +QW +Qm +Qng Q =Q +Q +Q +Q −Q −Q D W v )+Qmlw 5,7327 3600 3900,87 (96,7−30)=414,33(W ) Cân nhiệệ̣t toàn tháá́p K −t2 m ng F L0 14 Q F: nhiệệ̣t lượng dòng nhậệ̣p liệệ̣u mang vào (kW) Tra nhiệệ̣t dung riêng ởả̉ 30 oC: Cρn = 4180,19 (J/kg.độ); Cρr= 3871,5 (J/kg.độ) C ρF =Cρr xF +(1−xF ).Cρn=3871,5 , 192+(1−0 ,192).4180,19=4120,92(J / Kg độ) QF=F C 6,34 ρF tF =3600 4120,92.30=217,72(W ) Q D: nhiệệ̣t lượng dòng sảả̉n phẩm đỉnh mang (kW) Tra nhiệệ̣t dung riêng ởả̉ 90,4 oC: Cρn = 4206,81 (J/kg.độ); Cρr= 3541,8(J/kg.độ) C ρP=C ρr xP +(1−xP ) C QP=P C ρD tD = ρn=3541,8.0,751+(1−0,751).4206,81=3707,39(J 0,605 3600 3707,39.90,4=56,32(W ) QW : nhiệệ̣t lượng dòng sảả̉n phẩm đáá́y mang (kW) Tra nhiệệ̣t dung riêng ởả̉ 96,7 oC: Cρn = 4214,43 (J/kg.độ); Cρr= 4055,1(J/kg.độ) C ρW =C ρr xW +(1−xW ) Cρn ¿ 0,1186.4055,15+(1−0,1186).4214,43=4195,54 (J / Kg độ) QW =W C ρW tW = 5,7327 3600 4195,54 96,7=646,06(W ) Qng: nhiệệ̣t lượng trao đổi thiết bị ngưng tụ (kW) Ở nhiệtđộ 90,4 ℃trabảng đượcr P=828,98(kJ /kg) Qng=P rP = 0,605 3600 828,98=0,139(kW )=139(W ) Q L : nhiệệ̣t lượng dịng hồn lưu mang vào (kW) L Po =1,3⇒ Lo=1,3 P=1,3.0,0155=0,02015(Kmol/ h) 15 / Kg độ) L0=L0 M hh=0,02015.39,028=0,786 QL0=L0 CρP tD = 0,786 3600 3707,39 90,4=73,17(W ) Q =Q +Q +Q +Q K P W m (kg / h) ng −Q −Q F L0 Q K=56,32+646,06+ 0,1QK +139−217,72−73,17 = 611,66 (W) Thí nghiêm 2: Khảo sát sựự̣ ảnh hưởở̉ng lưu lượng củở̉a dịng hồn lưu Bảng 4.5 Kết quảả̉ khảả̉o sáá́t ảả̉nh hưởả̉ng củả̉a lưu lượng dịng hồn lưu Mâm Lưu lượng nhậệ̣p liệệ̣u QF (L/h) Lưu lượng ởả̉ đỉnh QP (L/h) Nhiệệ̣t độ nồi đun (0C) Nhiệệ̣t độ đáá́y tháá́p (0C) Nhiệệ̣t độ tháá́p (0C) Nhiệệ̣t độ đỉnh tháá́p (0C) Nhiệệ̣t độ lạệ̣nh vào (0C) Nhiệệ̣t độ lạệ̣nh (0C) Lưu lương dong Gia nhiệt (0C) Áp suât Nhiệt đô hoan lưu (0C) Độ rượu sản phâm đinh Vp (%) tD=94,5 oC x P (r) x M hh(F )=x F M r + (1−xF ) M n=0,085.46+(1−0,085 ).18=20,38( kmol =xP M r +(1−x ρ P ) Mn=0,742.46+(1−0,742) 18=38,776 ( kmol = kg kg )M hh(P ) ) xF 1−xF hh ( F ) ρr ρ Suất lượng mol củả̉a dòng nhậệ̣p liệệ̣u: F = Q ×ρ F hh −3 = 6,61× 10 Mhh20,38 17 ×959,43 = 0,311 (kmol/h) F = F × Mhh = 0,311 × 20,38 = 6,34 (kg/h) Suất lượng mol củả̉a sảả̉n phẩm đỉnh: P= ρhh Q −3 P M = 803,56.0,71 10 hh =0,015(kmol / h) 38,776 P=P × Mhh=0,015× 38,776=0,58(kg / h) Phương trình cân vậệ̣t chất: F= P+W W =F−P=0,311−0,015=0,296 (kmol / h) F.xF = D.xD + W.xW xW = F x −P x F P =0,311.0,085−0,015.0,742 =0,052( kmol ) W0,296kmolhh x W = W = W(xW.Mr + (1-xW).Mn) = 0,296( 0,052.46 + (1-0,052).18 ) = 5,76 (kmol/h) Phương trình đường cất có dạệ̣ng : y = y= y = 0,565x + 0,323 Phương trình đường chưng có dạệ̣ng: y = y= 1,3+20,73 x− 1,3+11,3+1 20,73−1 × 0,052=9,58 x−¿ 0,47 18 Mâm R=1,2 Qnl (W) 430,21 QF(W) 217,72 Tương tư với bảng sô liệu R=1,4 va R=1,6 ( mâm giưa ) R=1,4 Nhậệ̣p liệệ̣u SP đỉnh R=1,6 Nhậệ̣p liệệ̣u SP đỉnh 19 R 1,4 1,6 R 1,4 1,6 R F 1,4 6,34 1,6 6,34 Mâm R=1,1 Qnl (W) 430,21 QF(W) 217,72 20 (kg/h) Mâm R=1,6 Qnl (W) 430,21 QF(W) 217,72 Khảả̉o sáá́t mâm nhậệ̣p liệệ̣u đáy tháp (R=1,2) tD = 90,3 oC x P (r) x P (r) M hh(P )=xP Mr +(1−x P ) M n=0,786.46+(1−0,786 ).18=40,008( kmol ρ R=1,2 Nhập liệu SP đỉnh Suất lượng mol củả̉a dịng nhậệ̣p liệệ̣u: kg ) F = Q ×ρ F hh −3 = 6,61× 10 Mhh20,38h 21 ×959,43 = 0,311 ( kmol ) F = F × Mhh = 0,311 × 20,38 = 6,34 ( kg h) Suất lượng mol củả̉a sảả̉n phẩm đỉnh: P= P=P × Mhh=0,014 × 40,008=0,0,56( kg h) Phương trình cân vậệ̣t chất F= D+W ⇒W =F−P=0,311−0,014=0 , 297( kmol h) F.xF = D.xD + W.xW ⇒xW = Phương trình đường cất có dạệ̣ng : y = y= y = 0,565x + 0,341 Phương trình đường chưng có dạệ̣ng: y = y= 1,3+22,21 22,21−1 x− 1,3+11,3+1 × 0,052=10,22 x −0,48 KẾT LUẬN Qua thực nghiệệ̣m, ta thấy ởả̉ nhiệệ̣t độ nhậệ̣p liệệ̣u ởả̉ mâm trên, mâm mâm dướá́i số hồi lưu R khơng đổi nồng độ sảả̉n phẩm đỉnh giảả̉m Nhậệ̣p liệệ̣u ởả̉ mâm dướá́i xem tối ưu bởả̉i thời gian lưu củả̉a dòng lưu lượng nhậệ̣p liệệ̣u chảả̉y xuống nồi đun thấp nhiều, quãng đường ngắn nên nồng độ sảả̉n phẩm đỉnh cao vớá́i nhậệ̣p liệệ̣u mâm mâm đỉnh (minh chứng qua số mâm lý thuyết) 22 Nguyên nhân gây sai số quáá́ trình thực nghiệệ̣m: ảả̉nh hưởả̉ng củả̉a điều kiệệ̣n môi trường xung quanh tớá́i thiết bị; quáá́ trình tíá́nh toáá́n, xử lý số liệệ̣u có làm trịn số Ngồi ra, quáá́ trình hoạệ̣t động củả̉a tháá́p chưng không ổn định thời tiết, cáá́c thông số làm việệ̣c không phù hợp vớá́i trạệ̣ng tháá́i nhậệ̣p liệệ̣u; thiết bị cũ kỹ; bảả̉o ôn, cáá́ch nhiệệ̣t kém; thiết bị ngưng tụ sảả̉n phẩm đỉnh làm việệ̣c thiếu hiệệ̣u quảả̉ 23 ... số mâm lý thuyết 2.6 Cân lượng 2.6.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu 2.6.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ 2.6.3 Cân nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh... độ nhậệ̣p liệệ̣u vào khỏi thiết bị, ℃ Q : nhiệệ̣t máá́t ởả̉ thiết bị gia nhiệệ̣t nhậệ̣p liệệ̣u, kW 2.6.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ mnl Nếu quáá́ trình ngưng tụ khơng làm lạệ̣nh... lưu thíá́ch hợp (R) xáá́c định th? ?ng qua số hồi lưu tối thiểu (Rmin) xáá́c định theo công th? ??c: R=b Rmin 2.4 Phương trình đường làm việc Phương trình làm việệ̣c củả̉a đoạệ̣n cất: R xP ycất