MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Khả̉o sá́t và đá́nh giá́ sự ả̉nh hưở̉ng củ̉a cá́c thông số: chỉ số hồi lưu, nhiệLt độ (trạ Lng thá́i) và vị trí́ mâm nhậLp liệLu đến số mâm lý thuyết, hiệLu suất quá́ trình chưng cất và lượng nhiệLt cần sử dụng.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phương trình cân bằng vật chất
F , P ,W : suất lượng nhậLp liệLu, sả̉n phẩm đá́y và sả̉n phẩm đỉnh, kmol/h. x F ,x P , x w : thành phần mol củ̉a cấu tử nhẹ trong hỗn hợp nhậLp liệLu, sả̉n phẩm đỉnh, sả̉n phẩm đá́y, mol/mol.
Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)
Chỉ số hồi lưu là tỷ số giữa lưu lượng hoàn lưu ( L 0) và lưu lượng củ̉a dòng sả̉n phẩm đỉnh ( P ).
Chỉ số hồi lưu thí́ch hợp ( R ) được xá́c định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu ( R min ) và xá́c định theo công thức: R=b R min
Phương trình đường làm việc
Phương trình làm việLc củ̉a đoạ Ln cất: y cất = RR
Phương trình làm việLc củ̉a đoạ Ln chưng: y chưng = R
Vớ́i f là tỷ lệL lưu lượng hỗn hợp nhậLp liệLu so vớ́i lưu lượng sả̉n phẩm đỉnh f = FP
Xác định số mâm lý thuyết
Hình 2.1 Xá́c định số mâm lý thuyết
Cân bằng năng lượng
2.6.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Q nl : nhiệLt lượng cần cung cấp để gia nhiệLt nhậLp liệLu, kW
C p F là nhiệLt dung riêng hỗn hợp nhậLp liệLu, kJ/kg ℃ t F r ,t F v : nhiệLt độ nhậLp liệLu ra và vào khỏi thiết bị, ℃
Q m nl : nhiệLt mất má́t ở̉ thiết bị gia nhiệLt nhậLp liệLu, kW
2.6.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Nếu quá́ trình ngưng tụ không làm lạ Lnh
Nếu quá́ trình ngưng tụ có làm lạ Lnh
P: lưu lượng khối lượng hỗn hợp sả̉n phẩm đỉnh, kg/s. r P : nhiệLt hóa hơi củ̉a sả̉n phẩm đỉnh, kJ/kg
C p P : nhiệLt dung riêng hỗn hợp sả̉n phẩm đỉnh, kJ/kg ℃ t r ,t v : nhiệLt độ ra và vào củ̉a nướ́c, ℃ t S P : nhiệLt độ sôi hỗn hợp sả̉n phẩm đỉnh, ℃ t P : nhiệLt độ củ̉a sả̉n phẩm đỉnh sau làm lạ Lnh, ℃ 5
Q m ng : nhiệLt mất má́t ở̉ thiết bị ngưng tụ, kW
2.6.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh
Làm lạ Lnh sả̉n phẩm đỉnh:
Làm lạ Lnh sả̉n phẩm đá́y:
P ,W: lưu lượng sả̉n phẩm đỉnh, sả̉n phẩm đá́y, kg/s
C p P ,C p W : nhiệLt dung riêng củ̉a sả̉n phẩm đỉnh và sả̉n phẩm đá́y, kJ/kg ℃ t P r ,t P v : nhiệLt độ củ̉a sả̉n phẩm đỉnh ra và vào khỏi thiết bị, ℃ t Wr ,t Wv : nhiệLt độ củ̉a sả̉n phẩm đá́y vào và ra khỏi thiết bị, ℃ t 1r ,t 1 v : nhiệLt độ vào và ra củ̉a nướ́c ở̉ thiết bị làm lạ Lnh sả̉n phẩm đỉnh, ℃ t 2 r ,t 2 v : nhiệLt độ vào và ra củ̉a nướ́c ở̉ thiết bị làm lạ Lnh sả̉n phẩm đá́y, ℃
G 1: lưu lượng dòng giả̉i nhiệLt ở̉ thiết bị làm lạ Lnh sả̉n phẩm đỉnh, kg/s
G 2: lưu lượng dòng giả̉i nhiệLt ở̉ thiết bị làm lạ Lnh sả̉n phẩm đá́y, kg/s
C 1: nhiệLt dung riêng dòng giả̉i nhiệLt ở̉ thiết bị làm lạ Lnh sả̉n phẩm đỉnh, J/kg ℃
C 2: nhiệLt dung riêng dòng giả̉i nhiệLt ở̉ thiết bị làm lạ Lnh sả̉n phẩm đá́y, J/kg ℃
Q m ¿ P : nhiệLt mất má́t ở̉ thiết bị làm lạ Lnh sả̉n phẩm đỉnh, kW
Q m ¿ W : nhiệLt mất má́t ở̉ thiết bị làm lạ Lnh sả̉n phẩm đá́y, kW
2.6.4 Cân bằng nhiệt toàn tháp
Hình 2.2 Sơ đồ tí́nh toá́n cân bằng nhiệLt lượng
Phương trình cân bằng nhiệLt lượng:
Q K : nhiệLt lượng cung cấp cho nồi đun, kW
Q m : nhiệLt lượng mất má́t ra môi trường xung quanh và thường được lấy gần bằng khoả̉ng 5 % đến 10 % lượng nhiệLt cần cung cấp.
Q F : nhiệLt lượng do dòng nhậLp liệLu mang vào, kW.
Q P : nhiệLt lượng do dòng sả̉n phẩm đỉnh mang ra, kW.
Q W : nhiệLt lượng do dòng sả̉n phẩm đá́y mang ra, kW.
Q ng : nhiệLt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, kW.
Q L 0 : nhiệLt lượng do dòng hoàn lưu mang vào, kW.
THÍ NGHIỆM
Xá́c định chỉ số hồi lưu tối thiểu, khả̉o sá́t mâm nhậLp liệLu cuối cùng
Khả̉o sá́t 02 vị trí́ còn lạ Li củ̉a mâm nhậLp liệLu
KẾT QUẢ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU
Bảng 4.1 Cá́c thông số nhậLp liệLu và thông số sả̉n phẩm đỉnh Thông số dòng nhập liệu Thông số dòng sản phẩm đỉnh Độ rượu 20 o Độ rượu
NhiệLt độ ban đầu 30 ℃ NhiệLt độ 78,3 ℃
NhiệLt độ sôi củ̉a hỗn hợp 87,7 ℃
995,33 kg/m 3 Khối lượng riêng củ̉a
Tí́nh toá́n số liệLu nhậLp liệLu
= 0,192 (kg/kghh) xF Mr+(1−xF ) Mn 0,085.46 +(1−0,085 ).18 Tí́nh toá́n số liệLu sả̉n phẩm đỉnh
= 0,776 (kg/kghh) xP Mr+ (1−xP) Mn 0,576.46+(1−0,576 ).18
Bảng 4.2 Số liệLu cân bằng lỏng hơi củ̉a hệL Etanol – Nướ́c 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( o C) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,4 ĐỒ THỊ ĐƯỜNG CÂN BẰNG HỆ ETANOL-NƯỚC
Hình 4.1 Đồ thị cân bằng hỗn hợp etanol và nướ́c
Dựa vào đồ thị, ta xá́c định được y* = 0,409 tương ứng x F = 0,085
Bảng 4.3 Cá́c giá́ trị hằng số b và tỉ số hoàn lưu b 2,3 2,7
Thí nghiêm 1 : Khao sat sự anh hưởng của mâm nhâp liêu tai vi trí R = 1,2
Bảng 4.4 Kết quả̉ khả̉o sá́t vớ́i R = 1,2
Mâm đinh Mâm giữa Mâm đáy t = 4’29s t = 9’50s t = 3’3s
Lưu lượng nhậLp liệLu Q F (L/h) 6,61 6,61 6,61
NhiệLt độ nồi đun ( ℃ ) 96 95,6 96,3
NhiệLt độ đá́y thá́p ( ℃ ) 92,5 91,7 93,6
NhiệLt độ giữa thá́p ( ℃ ) 87,6 85,5 91,1
NhiệLt độ đỉnh thá́p ( ℃ ) 82,6 86,7 77,6
NhiệLt độ lạ Lnh vào ( ℃ ) 30,1 30,1 30,1
NhiệLt độ lạ Lnh ra ( ℃ ) 31,1 30,6 31,1
Nhiệt đô hoan lưu ( ℃ ) 78,7 76,9 76,5 Độ rượu sản phâm đinh V p (%) 86 87 92,5
Tí́nh toá́n mâm nhậLp liệLu
Khối lượng mol hỗn hợp:
Lưu lượng nhậLp liệLu:
F = F × M hh = 0,311 × 20,38 = 6,34 (kg/h) Tí́nh toá́n sả̉n phẩm đỉnh
Phần mol nồng độ sả̉n phẩm đỉnh:
= 0,885 (kg/kghh) xP Mr+ (1−xP)
Xét 1m 3 hỗn hợp sả̉n phẩm đỉnh, ta tí́nh được khối lượng riêng hỗn hợp: ρ hh ( P)
Khối lượng mol hỗn hợp:
M hh = M r × x P + M n × (1 – x P ) = 46 × 0,751 + 18 × (1 – 0,751) = 39,028 (kg/kmol) Lưu lượng sả̉n phẩm đỉnh:
Tí́nh toá́n sả̉n phẩm đá́y
Á́p dụng phương trình cân bằng vậLt chất: F = P +
W Lưu lượng sả̉n phẩm đá́y:
W = W(x W M r = (1-x W ).M n ) = 0,2955( 0,05.46 + (1-0,05).18 ) = 5,7327 (kmol/h) Phương trình cân bằng vậLt chất: x F F = x P P + x W W x W = F x
= 0,1186 ( kg/kghh ) xW Mr+ (1−xW ) Mn 0,05.46+(1−0,05 ).18
Phương trình đường cất có dạ Lng : y = R x+ x P
Phương trình đường chưng có dạ Lng : y = R+f x− f −1 x W vớ́i f = F = 0,311 = 20,06
Cân bằng nhiệLt lượng cho thiết bị gia nhiệLt nhậLp liệLu
Tra nhiệLt dung riêng ở̉ 58,85 o C: C ρn = 4185,65 (J/kg.độ); C ρr = 3937,3 (J/kg.độ)
Q nl =F C ρF ( t sF −t F ) +Q m nl (giả̉ sử Q m nl = 0) ¿ 36006,34
Cân bằng nhiệLt lượng cho thiết bị ngưng tụ
Nếu quá́ trình ngưng tụ không làm lạ Lnh:
Tra nhiệLt độ ở̉ 90,4 ℃ r p = 828,98 (kJ/kg)
Nếu quá́ trình ngưng tụ có làm lạ Lnh:
Tra nhiệLt dung riêng ở̉ 60,2 o C: C ρn = 4185,56 (J/kg.độ); C ρr = 3932 (J/kg.độ)
Cân bằng nhiệLt lượng cho thiết bị làm lạ Lnh
Làm lạ Lnh sả̉n phẩm đỉnh:
Tra nhiệLt dung riêng ở̉ 63,35 o C:
Làm lạ Lnh sả̉n phẩm đá́y:
Cân bằng nhiệLt toàn thá́p
Q F : nhiệLt lượng do dòng nhậLp liệLu mang vào (kW)
Tra nhiệLt dung riêng ở̉ 30 o C: C ρn = 4180,19 (J/kg.độ); C ρr = 3871,5 (J/kg.độ)
Q D : nhiệLt lượng do dòng sả̉n phẩm đỉnh mang ra (kW)
Tra nhiệLt dung riêng ở̉ 90,4 o C: C ρn = 4206,81 (J/kg.độ); C ρr = 3541,8(J/kg.độ)
Q W : nhiệLt lượng do dòng sả̉n phẩm đá́y mang ra (kW)
Tra nhiệLt dung riêng ở̉ 96,7 o C: C ρn = 4214,43 (J/kg.độ); C ρr = 4055,1(J/kg.độ)
Q ng : nhiệLt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ (kW) Ở nhiệtđộ 90,4 ℃trabảng đượcr P 8,98(kJ /kg) Q ng =P r P =
Q L 0 : nhiệLt lượng do dòng hoàn lưu mang vào (kW)
Thí nghiêm 2: Khảo sát sự̣ ảnh hưở̉ng lưu lượng củ̉a dòng hoàn lưu Bảng
4.5 Kết quả̉ khả̉o sá́t sự ả̉nh hưở̉ng củ̉a lưu lượng dòng hoàn lưu
Lưu lượng nhậLp liệLu QF (L/h) 6,61 6,61 6,61
NhiệLt độ nồi đun ( 0 C) 95,9 94 93,5
NhiệLt độ đá́y thá́p ( 0 C) 91,7 90,8 90,5
NhiệLt độ giữa thá́p ( 0 C) 85,5 84,1 84
NhiệLt độ đỉnh thá́p ( 0 C) 76,7 76,4 76,4
NhiệLt độ lạ Lnh vào ( 0 C) 30,1 30,2 30,3
NhiệLt độ lạ Lnh ra ( 0 C) 30,6 30,7 30,9
Nhiệt đô hoan lưu ( 0 C) 76,9 76,6 76,6 Độ rượu sản phâm đinh Vp (%) 87 93 94,5
Khả̉o sá́t mâm nhậLp liệLu giữa thá́p (R=1,2) t D ,5 o C
Suất lượng mol củ̉a dòng nhậLp liệLu:
F = F × M hh = 0,311 × 20,38 = 6,34 (kg/h) Suất lượng mol củ̉a sả̉n phẩm đỉnh:
Phương trình cân bằng vậLt chất: F= P+W
= 0,123 ( kg/kghh ) xW Mr+ (1−xW ) Mn 0,052.46 +(1−0,052) 18
Phương trình đường cất có dạ Lng : y = R x+ x D
Phương trình đường chưng có dạ Lng: y = R+f x− f −1 x W vớ́i f = F =0 , 311 = 20,73
Q nl (W) Q ng (làm lạnh) Q LL (đỉnh) Q LL (đáy) - -
Tương tư với bảng sô liệu R=1,4 va R=1,6 ( mâm giưa ) Độ
R=1,6 T( o C) Độ rượu lượng x x ) kmol (kg /m 3
R F (kmol/h) P(kmol/h) W(kmol/h) x W ( kmol f kmolhh
R Phương trình phần cất Phương trình phần chưng
R F (kg/h) P(kg/h) W (kg/h) x F ( kg/kghh ) x P ( kg/kghh ) x W ( kg/kghh )
Q nl (W) Q ng (làm lạnh) Q LL (đỉnh) Q LL (đáy)
Q nl (W) Q ng (làm lạnh) Q LL (đỉnh) Q LL (đáy)
Khả̉o sá́t mâm nhậLp liệLu đáy tháp (R=1,2) t D = 90,3 o C
R=1,2 Độ rượu lượng x x M hh ρ hh (kg /m 3 )
Suất lượng mol củ̉a dòng nhậLp liệLu:
Suất lượng mol củ̉a sả̉n phẩm đỉnh:
Phương trình cân bằng vậLt chất
Phương trình đường cất có dạ Lng : y = R x+ x D
Phương trình đường chưng có dạ Lng: y = R+f x− f −1 x
