Thí nghiệm quá trình thiết bị phần chưng cất 4

1. TRÍCH YẾU: 1.1 Mục đích thí nghiệm: Khảo sát ảnh hưởng của lượng hoàn lưu và vò trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt động của nhập liệu đếnđộ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp chưng. 1.2 Cách tiến hành thí nghiệm - Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu: giữ lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 vào mâm số 4 không đổi, thí nghiệm với 3 trò số khác nhau của dòng hoàn lưu ở độ đọc 5, 10, 15. - Ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu: thay đổi hai vò trí mới của nhập liệu vào mâm số 5 và mâm số 2, giữ nguyên lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 và dòng hoàn lưu ở độ đọc 10. - Đo nhiệt độ dòng nhập liệu trước khi vào mâm T E và nhiệt độ dòng hoàn lưu T R . - Trong mỗi thí nghiệm, lần lượt lấy mẫu ở E, K để đo x 1E , x 1K . - Đo lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh K. 1.3 Kết quả thí nghiệm: Thí nghiệm Vò trí mâm nhập liệu Lưu lượng dòng Độ chỉ phù kế Nhiệt độ đo ( ·C ) Nhập liệu (F) Hoàn lưu (L 0 ) Đỉnh (D) (ml/ph) Nhập liệu Đỉnh t F t D t L0 1 4 30 5 110 24 56 37 40.5 74 2 4 30 10 85 24 71.5 37 40.5 75 3 4 30 15 72 24 75 37 40.5 76 4 2 30 10 100 24 56 38 42 78 5 5 30 10 87 24 54 38 42 80 2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: Mô hình số mâm lý thuyết là một mô hình toán đơn giản nhất, nó dựa trên các cơ sở sau: (a) - Cân bằng giữa hai pha. (b) - Phù hợp với các điều kiện và động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm sao cho ta có được một mâm lý thuyết giữa hai pha (hơi, lỏng) và như vậy nó phải thỏa mãn các điều kiện sau: - Pha lỏng phải được hòa trộn hoàn toàn trên mâm - Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có nồng độ đồng đều ở mọi vò trí trên một tiết diện của dòng piston - Trên từng mâm luôn luôn có sự cân bằng giữa hai pha Để thiết lập mô hình, ta có đònh nghóa về Độ trao đổi: đại lượng tổng quát đánh giá sự trao đổi giữa các pha, nó đánh giá sự khác nhau giữa một mâm thực và một mâm lý tưởng. - Trong trường hợp độ trao đổi đánh giá một mâm, người ta còn gọi là hiệu suất theo Murphee: 1 1n * n 1nn M yy yy E + + − − = - Khi đánh giá cho toàn bộ tháp, người ta gọi là hiệu suất tháp và được đònh nghóa (khi xác đònh số mâm lý thuyết kể cả mâm đáy): E 0 = mâmthực 1ngsốbậctha − - Khi chỉ khảo sát một phần, một vùng trên mâm thì no có tên là độ trao đổi cục bộ: 1 1 ' ' ' n n C en n y y E y y + + − = − (c) - Phương trình các đường vận hành - Phương trình đường luyện: y = 1R R + x + 1R 1 + x D Với: • R tỷ số hoàn lưu ; R = L 0 /D (L 0 : dòng hoàn lưu; D: lượng sản phẩm đỉnh) • x D : nồng độ sản phẩm đỉnh - Phương trình đường chưng: ' ' w L x Wx y G − = Với: • x w : nồng độ sản phẩm đáy • W: dòng sản phẩm đáy • L’, G’: dòng lỏng, hơi đi trong phần chưng - Phương trình đường nhập liệu: 1 1 f x q y x q q = − − − Với: • x 1E : nồng độ nhập liệu • q : tỷ số giữa nhiệt cần thiết để biến một mol nhập liệu từ trạng thái đầu thành hơi bão hòa; q được tính theo công thức: G F G L h h q h h − = − Trong đó: • h F = c F .T F (c F : nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu; T F : nhiệt độ của trạng thái nhập liệu ở nồng độ x F ) • h G : nhiệt hàm của pha hơi đi trong tháp • h L : nhiệt hàm của pha lỏng đi trong tháp 2 Mặt khác, hiệu suất mâm E M tại mâm n được đònh nghóa như sau: E M = Với: • y n : nồng độ thực của pha hơi rời mâm n • y* n : nồng độ cân bằng của pha hơi rời mâm n • y n+1 : nồng độ thực của pha hơi vào mâm n Nếu giả sử được đường vận hành và đường cân bằng là những đường thẳng, ta có thể liên hệ E 0 với E M theo phương trình sau: E 0 = )log( )]1(1log[ L mV L mV E M −+ Với m là độ dốc đường cân bằng tại mâm đang xét Khi biết E 0 , m, độ dốc đường điều hành phần cất, ta có thể lần lượt xác đònh được hiệu suất các mâm và vẽ được đường cân bằng mới dùng để xác đònh số mâm thực.Tuy nhiên khi phân tích hoạt động của tháp hay 1 phần của tháp thực tế trong đó người ta xác đònh sự biến thiên nồng độ qua 1 vài mâm ở các vò trí khác nhau sẽ xác đònh chính xác giá trò E M và E M có thể lấy bằng E 0 Mặt khác ta có thể xác đònh được hiệu suất cục bô E 0 bằng cách dùng đồ thò dựa trên phương trình đường chưng và đường nhập liệu. 3. THIẾT BỊ – DỤNG CỤ – PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: 3.1 Thiết bò – dụng cụ: • Hệ thống tháp chư ng cất gồm 5 mâm thực, loại mâm xuyên lỗ. • Các đồng hồ đo nhiệt độ các dòng nhập liệu hoàn lưu, sản phẩm đỉnh, nồi đun và tại các mâm. • Hai lưu lượng kế để đo dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu. • Một phù kế đo độ rượu. • Hai ống khắc vạch (ống đong nhỏ và lớn): ống lớn để chứa rượu và ống nhỏ để đo lưu lượng sản phẩm đỉnh. 3.2. Phương pháp tiến hành thí nghiệm: 3.2.1 Khởi động hệ thống: • Kiểm tra nguyên liệu: mực chất lỏng phải hơn 1/3 ống thủy bên hông nồi đun. • Đưa điện vào hệ thống: đóng cầu dao điện, bật nút main power. • Bơm nguyên liệu vào nồi đun sau đó gia nhiệt cho nồi đun đồng thời mở van nước ngưng tụ. 3.2.2 Nhập liệu vô mâm: • Khi thấy có pha hơi bốc lên và ngưng tụ thì mở bơm nhập liệu và bật công tắc gia nhiệt dòng nhập liệu. • Chỉnh lưu lượng kế ở độ đọc 30 3.2.3 Khởi động dòng hoàn lưu: • Bật công tắc bơm hoàn lưu và điện trở gia nhiệt hoàn lưu. • Chỉnh lưu lượng kế ở các độ đọc cần khảo sát. 3.2.4 Chuyển đổi các chế độ khảo sát: 3 • Khi muốn chuyển đổi giữa các chế độ khảo sát ta phải đảm bảo sản phẩm đỉnh thuộc hoàn toàn chế độ khảo sát • Sau khi chỉnh lưu lượng dòng hoàn lưu, ta đợi cho mực nước trong bình sản phẩm đỉnh dâng lên khoảng 5cm thì tháo ra hết. • Sau đó tiếp tục đo các số liệu như lần thí nghòêm trước. 3.2.5 Các số liệu cần đo và phương pháp đo: • Độ rượu nguyên liệu và sản phẩm đỉnh: đo bằng phù kế • Lưu lượng dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu: đo bằng lưu lượng kế • Lưu lượng sản phẩm đỉnh: đo bằng phương pháp cổ điển: đo thể tích dòng sản phẩm đỉnh chảy được trong một đơn vò thời gian. 4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng 1: Số liệu thô Thí nghiệm Vò trí mâm nhập liệu Lưu lượng dòng Độ chỉ phù kế Nhiệt độ đo ( ·C ) Nhập liệu (F) Hoàn lưu (L 0 ) Đỉnh (D) (ml/ph) Nhập liệu Đỉnh t F t D t L0 1 4 30 5 110 24 56 37 40.5 74 2 4 30 10 85 24 71.5 37 40.5 75 3 4 30 15 72 24 75 37 40.5 76 4 2 30 10 100 24 56 38 42 78 5 5 30 10 87 24 54 38 42 80 Bảng 2: Xử lý số liệu thô: Thí nghiê m Vò trí mâm Lưu lượng dòng (ml/ph)= độ dọc*5.64 Phân mol dòng Nhập liệu (F) Đỉnh (D) Hoàn lưu (L 0 ) Nhập liệu (x F ) Đỉnh (x D ) Đáy (x W ) 1 4 169.2 110 28.2 0.0881 0.2793 -0.0857 2 4 169.2 85 56.4 0.0881 0.4331 -0.0619 3 4 169.2 72 84.6 0.0881 0.4774 -0.0377 4 2 169.2 100 56.4 0.0881 0.2793 -0.0579 5 5 169.2 87 56.4 0.0881 0.2633 -0.0217 Với x W là nồng độ của sản phẩm đáy do tính toán ra kết quả âm nên suy ra từ nhiệt độ sôi của đáy Bảng 3: Kết quả tính toán các thông số: 4 TN Vò trí mâm Tỉ số hoàn lưu t F ( 0 C) H F (J/kmol) H G_F (J/kmol) H L_F (J/kmol) q 1q q − 1 4 0.28611 37 2937237 4.92E+07 7494751 1.11 10.2 2 4 0.79764 37 2937237 4.94E+07 7763105 1.12 9.63 3 4 1.43741 37 2937237 4.94E+07 7898091 1.12 9.36 4 2 0.62945 38 3018219 4.92E+07 7494751 1.11 10.3 5 5 0.71687 38 3018219 4.91E+07 7443994 1.11 10.4 Bảng 4: Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu: Thí nghiệm Phương trình đường nhập liệu Phương trình đường làm việc phần cất 1 y=8.52x – 0.6 y = 0.17x + 0.54 2 y= 8.75x – 0.62 y = 0.36x + 0.37 3 y= 8.81x – 0.63 y = 0.53x + 0.27 4 y= 10.26x – 0.74 y = 0.38x + 0.21 5 y= 10.26x – 0.74 y = 0.44x + 0.13 Bảng 5: Kết quả thí nghiệm: Thí nghiệm Vò trí mâm R Số mâm lý thuyết Phân mol tiên đoán x D Hiệu suất tổng quát 1 4 0.2861 2 4 0.7976 3 4 1.4374 4 2 0.6295 5 5 0.7169 5 TN 1 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 x% y% 6 TN 2 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 x% y% 7 TN 3 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 x% y% 8 TN 4 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 x% y% 9 TN 5 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120 x% y% TN 3: 4 mâm. TN 4: 3 mâm 5. BÀN LUẬN: 5.1. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vò trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất tổng quát của tháp chưng cất: 5.1.1. nh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu: Khi lưu lượng dòng hoàn lưu tăng -> R tăng -> hệ số góc của phương trình đường cất tăng -> số mâm tăng -> hiệu suất của quá trình chưng cất tăng -> độ tinh khiết của sản phẩm tăng. 5.1.2. Ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu: 5.2.1. Trong quá trình chưng cất, dòng lỏng cũng như dòng hơi sẽ thay đổi nồng độ khi đi qua mỗi mâm (bậc thay đổi nồng độ). Tuy nhiên, sự thay đổi này không giống nhau ở mọi mâm mà còn phụ thuộc vào khả năng trao đởi trong mâm đó. 10 . lưu t F ( 0 C) H F (J/kmol) H G_F (J/kmol) H L_F (J/kmol) q 1q q − 1 4 0.28 611 37 2937237 4.92E+07 74947 51 1 .11 10 .2 2 4 0.79764 37 2937237 4.94E+07 776 310 5 1. 12 9.63 3 4 1. 437 41 37 2937237 4.94E+07 78980 91 1 .12 9.36 4 2 0.62945 38 3 018 219 4.92E+07. (x W ) 1 4 16 9.2 11 0 28.2 0.08 81 0.2793 -0.0857 2 4 16 9.2 85 56.4 0.08 81 0.43 31 -0.0 619 3 4 16 9.2 72 84.6 0.08 81 0.4774 -0.0377 4 2 16 9.2 10 0 56.4 0.08 81 0.2793 -0.0579 5 5 16 9.2 87 56.4 0.08 81 0.2633. quát 1 4 0.28 61 2 4 0.7976 3 4 1. 4374 4 2 0.6295 5 5 0. 716 9 5 TN 1 0 20 40 60 80 10 0 12 0 0 20 40 60 80 10 0 12 0 x% y% 6 TN 2 0 20 40 60 80 10 0 12 0 0 20 40 60 80 10 0 12 0 x% y% 7 TN 3 0 20 40 60 80 10 0 12 0 0