Thông tin tài liệu
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA 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 năm 2020 BÀI 10: CHƯNG CẤT 10.1 Mục đích thí nghiệm Khảo sát đánh giá ảnh hưởng thông số: số hồi lưu, nhiệt độ (trạng thái) vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất trình chưng cất lượng nhiệt cần sử dụng 10.2 Cơ sở lý thuyết 10.2.1 Cân vật chất Q trình tính tốn cân vật chất chưng cất dựa sở phương pháp Mc Cabe Theile xem gần đường làm việc phần chưng phần cất đường thẳng chấp nhận số giả thuyết sau: Suất lượng mol pha từ lên tất tiết diện tháp Nồng độ pha lỏng sau ngưng tụ có thành phần thành phần khỏi đỉnh tháp Dòng vào tháp trạng thái bão hòa Dòng hồi lưu vào tháp trạng thái lỏng sôi Suất lượng mol pha lỏng không đổi theo chiều cao đoạn cất đoạn chưng 10.2.1.1 Phương trình cân vật chất F=P+W xF F=xP P+ xW W Trong đó: F , P ,W : suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy sản phẩm đỉnh, kmol/h x F ,xP , xw : thành phần mol cấu tử nhẹ 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 tỷ số lưu lượng hồn lưu (L0) lưu lượng dịng sản phẩm đỉnh (P) L F= ( P Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) xác định thơng qua số hồi lưu tối thiểu R ) xác định theo cơng thức: R=b Rmin 10.2.1.3 Phương trình đường làm việc Phương trình làm việc đoạn cất: y cất = R R xP x+ R + + Phương trình làm việc đoạn chưng: y chưng = R + f f − R +1 x − R + xw Với f 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 lượng 10.2.2.1 Cân 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 C t F r nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg ℃ ,t Q F : nhiệt độ nhập liệu vào khỏi thiết bị, ℃ m : pF v nl nhiệt mát thiết bị gia nhiệt nhập liệu, kW 10.2.2.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Nếu q trình ngưng tụ khơng làm lạnh Q ng=P ( R+1) r P=G C (tr−tv )+Qmng Nếu q 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 : nhiệt hóa sản phẩm đỉnh, kJ/kg r P C pP : nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg.℃ tr ,tv: nhiệt độ vào nước,℃ G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s : nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt, J/kg.℃ C t SP : nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh,℃ t P: nhiệt độ sản phẩm đỉnh sau làm lạnh, ℃ Q mng : nhiệt mát thiết bị ngưng tụ, kW 10.2.2.3 Cân 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 C ,t P pP ,C : nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy, kJ/kg.℃ pW t Pr : nhiệt độ sản phẩm đỉnh vào khỏi thiết bị, ℃ v tWr ,tWv : nhiệt độ sản phẩm 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 lạnh sản phẩm đỉnh, kg/s G2: lưu lượng dòng giải nhiệt thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kg/s C : nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, : nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, J/kg.℃ C J/kg.℃ Q : nhiệt mát thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kW m ¿P Q : nhiệt mát thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kW 10.2.2.4 Cân nhiệt tồn tháp m ¿W Hình 10.2 Sơ đồ tính tốn cân nhiệt lượng Phương trình cân 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 mát môi trường xung quanh thường lấy gần khoảng % đến 10 % lượng nhiệt cần cung cấp Q F : nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào, kW QF=F C Q P pF t F : nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra, kW QP=P C pP tP QW : nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra, kW QW =W C pW tW Q ng : nhiệt lượng trao đổi thiết bị ngưng tụ, kW Qng=P rP Q : nhiệt lượng dịng hồn lưu mang vào, kW L0 Q =L C L0 p t P P 10.3 Thí nghiệm 10.3.1 Thí nghiệm Xác định số hồi lưu tối thiểu, khảo sát mâm nhập liệu cuối Khảo sát 02 vị trí cịn lại mâm nhập liệu 10.3.2 Các lưu ý Trong suốt trình làm thí nghiệm cần ý vấn đề sau: Lưu lượng dòng nước giải nhiệt vào hệ thống, khơng có nước giải nhiệt phải ngưng hệ thống Lưu lượng hỗn hợp nhập liệu hết phải ngừng trình làm việc Theo dõi biến đổi nhiệt độ suốt thời gian làm việc giải thích Đánh giá kết đo thành phần lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh để điều chỉnh chế độ làm việc hợp lý 10.4 Kết Xử lý số liệu 10.4.1 Kết 10.4.1.1 Buổi 1: Xác định số hồi lưu tối thiểu, khảo sát mâm nhập liệu cuối Bảng 10.1 Kết thí nghiệm xác định số hồi lưu tối thiểu V F(%V ) 30 10.4.1.2 Buổi 2: Khảo sát vị trí mâm nhập liệu Bảng 10.2 Kết thí nghiệm khảo sát mâm nhập liệu đáy, đỉnh tháp với tỷ số hồi lưu R=2,333 ST T Thông số Lưu lượng nhập liệu QF (l / h) Lưu lượng đỉnh QP (l/ h) Độ rượu sản phẩm đỉnh Nhiệt độ sản phẩm đỉnh (℃) Nhiệt độ nồi đun (℃) Nhiệt độ đáy tháp (℃) Nhiệt độ tháp (℃) Nhiệt độ đỉnh tháp (℃) Nhiệt độ dòng hồi lưu (℃) 10 Nhiệt độ dòng lạnh vào (℃) 11 Nhiệt độ dòng lạnh (℃) 12 Độ rượu sản phẩm đáy (°) (° ) Bảng 10.3 Kết thí nghiệm khảo sát mâm nhập liệu đáy tháp với tỷ số hồi lưu R=1,5 STT Thông số Lưu lượng nhập liệu QF (l/h) Lưu lượng đỉnh QP (l/ h) ( °) Độ rượu sản phẩm đỉnh Nhiệt độ sản phẩm đỉnh (℃) Nhiệt độ nồi đun (℃) Nhiệt độ đáy tháp (℃) Nhiệt độ tháp (℃) Nhiệt độ đỉnh tháp (℃) Nhiệt độ dòng hồi lưu (℃) 10 Nhiệt độ dòng lạnh vào (℃) 11 12 Nhiệt độ dòng lạnh (℃) Độ rượu sản phẩm đáy (°) Bảng 10.4 Xử lý số liệu mâm nhập liệu đáy, 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 0,8105 Mâm đỉnh 0,79 Sản phẩm đáy xW Mâm đáy 0,1 Mâm 0,09 Sản phẩm đáy xW Mâm đỉnh Bảng 10.5 Xử lý số liệu mâm nhập liệu đáy tháp với tỷ số hồi lưu R=1,5 Nhập liệu 0,095 Sản phẩm đỉnh xP Mâm 0,8317 Mâm đáy 0,8105 Sản phẩm đáy x W Mâm 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 tính số mâm lý thuyết mâm nhập liệu Phương trình làm việc phần chưng (khảo sát mâm đỉnh) f R+ f yc hư ng= R+1 x− f −1 0,4575 P= 0,0461 =9,934 2,333+9,934 9,934−1 = F xw= R+12,333+12,333+1 x− 0,1=3,68 x−0,27 Phương trình làm việc phần cất (khảo sát mâm đỉnh) y cất = R x P 2,333 0,012 R +1 x+ R + = 2,333 +1 x + 2,333 + 1=0,7 x +0,0036 Tương tự ta kết quả: Bảng 10.6 Phương trình đường chưng đường cất mâm Mâm Mâm Mâm Tính số mâm lý thuyết: Mâm đáy: Hình 10.4 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết mâm nhập liệu đáy Mâm giữa: Mâm Hình 10.5 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết mâm nhập liệu Mâm đỉnh: Số mâm lý thuyết: mâm Mâm đỉnh Hình 10.6 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết mâm nhập liệu đỉnh 10.4.2.3.1 Cân nhiệt lượng Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Nhiệt dung riêng 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 cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Qnl=F C pF (tFr −tF v )+Qmnl=9,6477.3,899 (94,8−30,1)+ 0=2433,78( kJ /h) Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ: Ẩn nhiệt hóa 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 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: Bảng 10.7 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Mâm đáy Mâm Mâm đỉnh Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh: Làm lạnh sản phẩm đỉnh: Nhiệt dung riêng 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 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 nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh Mâm đáy Mâm Mâm đỉnh Cân nhiệt lượng cho tháp chưng: Q F +QK +QL0=QF +QK +QF +Qm +Qng Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào: Q F=F C pF t F=9,6477.3,899.86,16=3240,88(kW ) Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra: Q P=P C pP tP =1,8741.3 78=434,45(kW ) Nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra: QW =W C pW tW =8,5577.3,9 31,8=1062 (kW ) Nhiệt lượng trao đổi thiết bị ngưng tụ: Q ng=P rP =1,8741.969,11=1816,19(kW ) Nhiệt lượng dịng hồn 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 nhiệt lượng cho toàn tháp Mâm đáy Mâm Mâm đỉnh 10.4.2.3.1 Bàn luận Qua thực nghiệm, ta thấy nhiệt độ nhập liệu mâm trên, mâm mâm số hồi lưu R khơng đổi nồng độ sản phẩm đỉnh giảm Nhập liệu mâm xem tối ưu thời gian lưu dòng lưu lượng nhập liệu chảy xuống nồi đun thấp nhiều, quãng đường ngắn nên nồng độ sản phẩm đỉnh cao với nhập liệu mâm mâm đỉnh (minh chứng qua số mâm lý thuyết) Nguyên nhân gây sai số trình thực nghiệm: ảnh hưởng điều kiện môi trường xung quanh tới thiết bị; q trình tính tốn, xử lý số liệu có làm trịn số Ngồi ra, q trình hoạt động tháp chưng không ổn định thời tiết, 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 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 số mâm lý thuyết mâm nhập liệu Phương trình làm việc phần chưng (khảo sát mâm giữa) f = y c hư ng= F P = =¿ R + f f − R +1 x− R + xw Phương trình làm việc phần cất (khảo sát mâm giữa) Tương tự ta kết quả: Bảng 10.6 Phương trình đường chưng đường cất mâm Mâm Mâm 10 Tính số mâm lý thuyết: Mâm đáy: Số mâm lý thuyết: mâm Hình 10.4 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết mâm nhập liệu đáy Mâm giữa: Số mâm lý thuyết: mâm Hình 10.5 Đồ thị xác định số mâm lý thuyết mâm nhập liệu 11 10.4.2.4.1 Cân nhiệt lượng Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu: Nhiệt dung riêng 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 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 nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ: Ẩn nhiệt hóa 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 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 nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ r P Mâm đáy Mâm Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh: Làm lạnh sản phẩm đỉnh: Nhiệt dung riêng 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 hỗn hợp: 12 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 nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh C pP Mâm đáy Mâm Cân nhiệt lượng cho tháp chưng: Q F +QK +QL0=QF +QK +QF +Qm +Qng Nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào: Q F=F C pF t F=9,6477.3,899.86,16=3240,88(kW ) Nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra: Q P=P C pP tP =1,8741.3 78=434,45(kW ) Nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra: QW =W C pW tW =8,5577.3,9 31,8=1062 (kW ) Nhiệt lượng trao đổi thiết bị ngưng tụ: Q ng=P rP =1,8741.969,11=1816,19(kW ) Nhiệt lượng dịng hồn 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 nhiệt lượng cho toàn tháp 13 10.5 Kết luận Qua thực nghiệm, ta thấy nhiệt độ nhập liệu mâm trên, mâm mâm số hồi lưu R khơng đổi nồng độ sản phẩm đỉnh giảm Nhập liệu mâm xem tối ưu thời gian lưu dòng lưu lượng nhập liệu chảy xuống nồi đun thấp nhiều, quãng đường ngắn nên nồng độ sản phẩm đỉnh cao với nhập liệu mâm mâm đỉnh (minh chứng qua số mâm lý thuyết) Nguyên nhân gây sai số trình thực nghiệm: ảnh hưởng điều kiện môi trường xung quanh tới thiết bị; q trình tính tốn, xử lý số liệu có làm trịn số Ngồi ra, q trình hoạt động tháp chưng khơng ổn định thời tiết, 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 14 ... 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... kJ/kg ℃ ,t Q F : nhiệt độ nhập liệu vào khỏi thiết bị, ℃ m : pF v nl nhiệt mát thiết bị gia nhiệt nhập liệu, kW 10. 2.2.2 Cân nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ Nếu q trình ngưng tụ khơng làm lạnh Q
Ngày đăng: 03/12/2022, 09:01
Xem thêm:
