báo cáo thí nghiệm quá trình thiết bị bài chưng cất

Hình 11: Đồ thị xác định mâm lý thuyết tại thí nghiệm 5 Số mâm lý thuyết: nLT = 1 2 Từ đồ thị suy ra độ tinh khiết dự đoán bằng cách vẽ số mâm thực từ xW với hiệu suất tổng quát và so sá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM VÀ KỸ THUẬT KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

-*** -

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

BÀI : CHƯNG CẤT GVHD: Hồ Tấn Thành Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 1 ( Chiều thứ 4)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Giảng viên hướng dẫn

1 Kết quả thí nghiệm thô

Độ chỉ phù kế (độ rượu)

Nhiệt độ đo (℃)

Nhập liệu (F)

Đỉnh (D) (ml/phút)

Hồi lưu (L0)

Nhập liệu Đỉnh

Nhập liệu (tF)

Đáy (tw)

Đỉnh (tD)

Hồi lưu (tLo)

Đỉnh (D)

Hồi lưu (Lo)

Nhập liệu (xF)

Đỉnh (xD)

Đáy (xW)

2.1 Số liệu cần thiết khi làm phúc trình

Bảng 3: Số liệu cân bằng lỏng hơi của hệ Ethanol – Nước ở 1 atm

x 0 5,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 89,4 90,0 100

y 0 33,2 44,3 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4 89,8 100

T (℃) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80,0 79,4 79,0 78,6 78,15 78,4 78,4

Hình 1: Giản đồ thành phần x - y của hệ Ethanol – Nước

Hình 2: Giản đồ nhiệt độ - thành phần T- x,y của hệ Ethanol – Nước

Từ đồ thị T- x,y tra theo xF tìm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp nhập liệu là tFS = 87,3℃

Hình 3: Giản đồ tỉ trọng rượu etylic nguyên chất theo nhiệt độ

Hình 4: Giản đồ nhiệt dung riêng rượu etylic nguyên chất theo nhiệt độ

y = -0.9321x + 808.07 R² = 0.9976

y = 12.768x + 2233.9 R² = 0.9953

Hình 5: Giản đồ nhiệt hóa hơi theo nhiệt độ của rượu etylic nguyên chất

Hình 6: Giản đồ nhiệt hóa hơi theo nhiệt độ của nước

y = -0.0024x 2 - 0.02x + 219.75 R² = 0.9999

2.2 Công thức tính toán

 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp:

F = W + D

F × xF = D × xD+ W × xWTrong đó:

- F, W, D: suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh, (kmol/h)

- xF, xD, xW: phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đỉnh và đáy

 Công thức tính hàm nhiệt

Nhiệt lượng của nhập liệu khi đi vào tháp:

HF = CF× tF (J/kg) Nhiệt lượng của nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi:

HLF = CFS × tFS (J/kg)

Nhiệt lượng của nhập liệu ở trạng thái hơi bão hoà:

HGF = HLF+ rFS (J/kg)

 Công thức tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp

CF = Cr × x̅F+ (1 − x̅F) × Cn (J/kg độ) Trong đó: Cr, Cn là nhiệt dung riêng của rượu nguyên chất và nước tại nhiệt độ tF

(tra cứu bảng I.153 trang 172, “sổ tay QT và TB công nghệ hoá chất tập 1”)

CFS = Cr × x̅F+ (1 − x̅F) × Cn (J/kg độ) Trong đó: Cr, Cn là nhiệt dung riêng của rượu nguyên chất và nước tại nhiệt độ tFS (tra cứu bảng I.153 trang 172, “sổ tay QT và TB công nghệ hoá chất tập 1”)

 Ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp

rFS = rrượu× x̅F+ (1 − x̅F) × rnước (J/kg) Trong đó: rrượu, rnước là ẩn nhiệt hoá hơi của rượu nguyên chất, nước tại nhiệt độ tFS

(tra cứu bảng I.212 trang 254, “sổ tay QT và TB công nghệ hoá chất tập 1”)

 Khối lượng riêng của rượu nguyên chất và nước

(tra cứu bảng 4 trang 11, “bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt – truyền khối”)

85,7 729,585 968,187

85,8 729,49 968,12

HF = CF× tF = 4018,456 × 84,5 = 339559,5 (J/kg) Nhiệt lượng của nhập liệu ở trạng thái lỏng sôi:

HLF = CFS× tFS = 4051,425 × 87,3 = 353689,4 (J/kg) Nhiệt lượng của nhập liệu ở trạng thái hơi bão hoà:

q − 1=

1,0071,007 − 1 = 143,5

1



q q

Bảng 4: Phương trình đường nhập liệu và đường cất

TN Phương trình đường nhập liệu Phương trình đường cất

Cách tính (xét tại thí nghiệm 1, các thí nghiệm còn lại tính tương tự):

Phương trình đường nhập liệu:

y = q

q − 1x −

xF

q − 1Trong đó:

q

q − 1=

1,0071,007 − 1 = 143,5

xF

q − 1=

0,0895553431,007 − 1 = 12,76

R

R + 1 =

1,881,88 + 1= 0,6528

xD

R + 1=

0,3962833090,653 + 1 = 0,1376

2.4 Vẽ đồ thị

1) Đồ thị dùng để xác định số mâm lý thuyết, một giản đồ cho mỗi trường hợp TN

Hình 7: Đồ thị xác định mâm lý thuyết tại thí nghiệm 1

Phương trình đường nhập liệu Phương trình đường cất

Hình 9: Đồ thị xác định mâm lý thuyết tại thí nghiệm 3

Thí nghiệm 3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Thí nghiệm 4

Hình 11: Đồ thị xác định mâm lý thuyết tại thí nghiệm 5

Số mâm lý thuyết: nLT = 1

2) Từ đồ thị suy ra độ tinh khiết dự đoán (bằng cách vẽ số mâm thực từ xW với hiệu suất tổng quát) và so sánh với độ tinh khiết đo được của sản phẩm đỉnh

Hình 12: Đồ thị xác định phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 1

Phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 1: xD = 0,6

0 10

Thí nghiệm 5

Hình 13: Đồ thị xác định phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 2

Phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 2: xD = 0,592

Hình 14: Đồ thị xác định phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 3

Phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 3: xD = 0,58

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Thí nghiệm 2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Thí nghiệm 3

Hình 15: Đồ thị xác định phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 4

Phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 4: xD = 0,585

Hình 16: Đồ thị xác định phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 5

Phần mol tiên đoán sản phẩm đỉnh tại thí nghiệm 5: xD = 0,58

 Độ tinh khiết dự đoán cao hơn độ tinh khiết đo được của sản phẩm đỉnh

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Thí nghiệm 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Thí nghiệm 5

xD Hiệu suất mâm

Cách tính (xét tại thí nghiệm 1, các thí nghiệm còn lại tính tương tự):

Hiệu suất mâm tổng quát:

E0 =số mâm lý thuyết

số mâm thực tế =

1

6= 0,16667

3 Bàn luận

3.1 Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu lên độ tinh khiết của sản phẩm

Thí nghiệm 1, 2, 3 cho thấy rằng khi lưu lương dòng hoàn lưu tăng lên thì độ tinh khiết của sản phẩm cũng tăng

Điều này có thể được giải thích dựa trên cơ sở nhiệt Với một lượng nhiệt cung cấp không đổi, suất lượng mol dòng hơi Go không đổi

Ta có Go = Lo + D Khi lưu lượng dòng hoàn lưu tăng cũng có nghĩa là giảm lưu lượng sản phẩm đỉnh Xét cho toàn bộ tháp, lượng nhiệt cấp vào ở nồi đun có chức năng làm tách pha hỗn hợp Độ phân riêng sẽ tỉ lệ thuận với lượng nhiệt cung cấp riêng - tính trên 1mol sản phẩm đỉnh

Vì vậy, khi D giảm, tức nhiệt cung cấp riêng tăng sẽ làm tăng độ phân riêng, tức làm tăng

độ tinh khiết của sản phẩm (kể cả sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy)

3.2 Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu lên hiệu suất

Qua thí nghiệm, ta thấy khi tăng lưu lương dòng hoàn lưu, hiệu suất quá trình cũng tăng Hiệu suất tăng tức là hệ thống làm việc càng gần với lý thuyết

Tuy nhiên, phải nhìn nhận một điều là hiệu suất mâm tổng quát không cho phép đánh giá được mức độ kinh tế của thiết bị Mục đích của chúng ta là sản xuất ra sản phẩm có độ tinh khiết mong muốn Khi tăng dòng hoàn lưu, hiệu suất mâm tăng, tức là số mâm thực cần thiết sẽ giảm, do đó giảm được chi phí ban đầu để chế tạo thiết bị Tuy nhiên, Khi tăng dòng hoàn lưu, như đã nói ở trên, cung cấp riêng tăng Muốn thu được lượng sản phẩm mong muốn phải tốn thêm chi phí nhiệt Chi phí này đôi khi chiếm tỉ lệ rất lớn trong tổng chi phí của quá trình

Trong thực tế sản xuất, người ta phải tính toán dòng hoàn lưu thích hợp, sao cho tổng chi phí để tạo ra sản phẩm mong muốn là thấp nhất

3.3 Ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu lên độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất mâm

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 đổi trong mâm đó Rõ ràng là khi cho nhập liệu ở các mâm gần đáy thì số bậc trao đổi tăng, làm cho độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh tăng theo, khi cho nhập liệu ở các mâm gần đỉnh thì kết quả sẽ ngược lại Tuy nhiên, khi cho vị trí mâm nhập liệu không giống với vị trí tính được theo lý thuyết thì khả năng trao đối của các mâm sẽ giảm (dù số mâm lý thuyết khi đó có tăng), cho nên việc đạt được độ tinh khiết cao hơn là không chắc chắn

3.4 Giải thích hiện tượng và quá trình diễn ra trong tháp khi tháp hoạt động ổn định

- Hệ thống hoạt động ổn định tức là:

+ Các điện trở gia nhiệt các dòng hoạt động đúng công suất nhằm đảm bảo việc cung cấp nhiệt cho các dòng

+ Các lưu lượng kế đo các dòng phải ổn định

Trong tháp chưng cất, dòng nhập liệu được nhập vào một mâm nào đó trên tháp, gọi là mâm nhập liệu Phần nằm trên vị trí mâm nhập liệu gọi là phần cất, còn phần nằm dưới vị trí mâm nhập liêu gọi là phần chưng

Tháp hoạt động bình thường thì tại mỗi mâm diễn ra quá trình truyền khối và quá trình truyền nhiệt từ pha lỏng và ngược lại Trên mỗi mâm đều xảy ra hiện tượng sôi của hỗn hợp, nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở mỗi mâm là khác nhau và giảm dẫn đến mâm cuối cùng Trong tháp, khi hoạt động ổn định thì pha lỏng đi từ trên xuống theo ống chảy truyền, còn pha hơi đi từ dưới lên qua các các mâm xuyên qua lỗ trên mâm sục vào pha lỏng và xảy ra

quá trình truyền khối giữa hai pha

Các cấu tử dễ bay hơi sẽ bị cuốn lên trên và được lấy ra từ đỉnh tháp (gọi là sản phẩm đỉnh) còn các cấu tử khó bay hơi bị kéo xuống dưới nồi đun (gọi là sản phẩm đáy) Pha hơi càng lên gần đỉnh tháp thì càng chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi còn phá lỏng càng xuống dưới càng chứa nhiều cấu tử khó bay hơi

3.5 Nêu các nguyên nhân gây sai số và cách khắc phục của bài TN

- Nguyên nhân gây sai số trong kết quả của bài thí nghiệm:

+ Sai số do thao tác không chính xác, các thông số không được đọc đồng thời, tiến hành

đo số liệu khi tháp hoạt động chưa ổn định

+ Sai số do dụng cụ đo không chính xác (lưu lượng kế không ổn định ở mức cần đo) + Sai số do lượng sản phẩm của những lần chưng cất trước còn trong nồi đun mà không được hồi lưu lại bồn chứa nguyên liệu, làm ảnh hưởng nồng độ của nguyên liệu khi khảo sát

+ Trong quá trình tính toán: sai số trong quá trình tính toán, xử lý số liệu, làm tròn

số liệu, tra bảng, chuyển đổi đơn vị đo và vẽ đồ thị không chính xác

+ Chờ hệ thống ổn định rồi bắt đầu tiến hành thí nghiệm

+ Trong quá trình tính toán cần nội suy đúng công thức và chính xác

+ Tìm hiểu về dụng cụ trước khi thí nghiệm, nắm rõ cách đọc phù kế và đọc chính xác số liệu

+ Đối với sai số do dụng cụ đo thì ta dùng đến hệ số hiệu chỉnh

4 Tài liệu tham khảo

[1] Mc Cabe và Smith, "Unit operations of Chemical Engineering", Mc Graw Hill, N.Y,

1987

[2] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị – tập 3 – Truyền khối“, ĐHQG Tp.HCM

[3] Các tác giả, “Sổ tay Quá trình và Thiết bị tập 1& 2", ĐHBK Hà Nội

[4] Các tác giả, "Quá trình & Thiết bị - Ví dụ tập 10", ĐHQG Tp.HCM

[5] Bộ môn máy và thiết bị, “ Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt – truyền khối”, ĐHQG Tp.HCM