Báo cáo thực hành quá trình và thiết bị hóa học bài chưng cất

- Nồng độ pha lỏng sau khi ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi sau khi ra khỏi đỉnh tháp.. - Dòng hồi lưu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi - Suất lượng mol pha lỏng không

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÁO CÁO THỰC HÀNH

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC

Bài: CHƯNG CẤT

Giảng viên hướng dẫn: Phạm Văn Hưng

Sinh viên thực hiện: Mai Diệu Thư

MSSV: 21113711

Tổ: 3

Môn học phần: Thực hành quá trình và thiết bị hóa học Lớp học phần: DHHO17C

Năm học: 2024-2025

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2024

Bài 8: CHƯNG CẤT

Tóm tắt.

Chưng cất là quá trình thường được sử dụng công nghệ hóa học, để tách các chất trong hỗn hợp ra riêng biệt Trong bài thực hành này đã khảo sát quá trình chưng cất hệ ethanol – nước, với quá trình chưng cất gián đoạn nhằm khảo sát chỉ số hoàn lưu tối thiểu (Rmin), từ đó đưa ra các hệ số b phù hợp để khảo sát cho quá trình chưng liên tục với hệ mâm xuyên lỗ Kết quả đã khảo sát ở 3 chỉ số hoàn lưu khác nhau, trên mâm đáy tháp chưng cất,từ đó tính toán các quá trình cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng cho quá trình, và lựa chọn chỉ số hoàn lưu phù hợp

1 Giới thiệu

Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tách các hỗn hợp lỏng-lỏng, lỏng- khí và khí-khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp

2 Mục đích thí nghiệm

Khảo sát và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số: chỉ số hồi lưu, nhiệt độ

(trạng thái) và vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất quá trình

chưng cất và lượng nhiệt cần sử dụng

3 Cơ sở lý thuyết

3.1 Cân bằng vật chất

Quá trình tính toán cân bằng vật chất dựa trên cơ sở phương pháp Mc Cabe-

Theile xem gần đúng đường làm việc phần chưng và phần cất là đường thẳng và chấp nhận một số giả thuyết sau:

- Suất lượng mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diện của tháp

- Nồng độ pha lỏng sau khi ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi sau khi ra khỏi đỉnh tháp

- Dòng hơi vào và ra khỏi tháp ở trạng thái hơi bão hòa

- Dòng hồi lưu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi

- Suất lượng mol pha lỏng không đổi theo chiều cao của đoạn cất và đoạn chưng

3.1.1 Phương trình cân bằng vật chất

F = P + W;

xF F = xP P + xW.W

Trong đó:

F, P, W: suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh, kmol/h

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

3.1.2 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)

- Chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng dòng hoàn lưu (L0) và lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (D).R = Lo P

- Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) và được xác định theo phương trình sau: R = b Rmin

3.1.3 Phương trình đường làm việc

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất ycất = R

R +1x+

Xp

R +1

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

ychưng = R+f

R

+1x-f −1

R +1.xw

F=F

P : tỉ lệ giữa lưu lượng hỗn hợp nhập liệu so với lưu lượng sản phẩm đỉnh

3.1.4 Xác định số mâm lí thuyết

Hình 10.1 Xác định số mâm lý thuyết

3.2 Cân bằng năng lượng

3.2.1 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Qnl = F.CPF.(tFr - tFv)+Qmnl

Trong đó:

Qnl: nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu, kW

F: lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu, kg/s

Cp F : là nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg.℃

tF r , tF v : nhiệt độ nhập liệu ra và vào khỏi thiết bị,℃

Qm nl: nhiệt mất mát ở thiết bị gia nhiệt nhập liệu, kW

3.2.2 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị ngưng tụ

 Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh

Qng=P.(R+1).rp=G.C.(tr-tv)+Qmng

 Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh

Qng=P.(R+1).rp+P.(R+1).CPP.(tsp-tp)=G.C.(tr-tv)+Qmng

Trong đó:

P: lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/s

rP : nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg

Cp P : nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg.℃

tr , tv : nhiệt độ ra và vào của nước,℃

G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s

C: nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg.℃

tS P : nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh,℃

tP: nhiệt độ của sản phẩm đỉnh sau làm lạnh,℃

Qm ng : nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ, kW

3.2.3 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị làm lạnh

 Làm lạnh sản phẩm đỉnh:

Qll P = P Cp P (tP r − tP v) = G1 C1 t1r − t1v + Qm llP

 Làm lạnh sản phẩm đáy:

Qll W = W Cp W (tW r − tW v) = G2 C2 t2r − t2v + Qm llW

Trong đó:

P, W: lưu lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/s

Cp P , Cp W : nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, kJ/kg.℃

tP r , tP v : nhiệt độ của sản phẩm đỉnh ra và vào khỏi thiết bị,℃

tWr , tWv : nhiệt độ của sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị,℃

t1r , t1v : nhiệt độ vào và ra của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh,℃

t2r , t2v : nhiệt độ vào và ra của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy,℃

G1 : lưu lượng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kg/s

G2: lưu lượng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kg/s

C1 : nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, J/kg.℃

C2 : nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, J/kg.℃

Qm llP : nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kW

Qm llW : nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kW

3.2.4 Cân bằng nhiệt toàn tháp

Hình 10.2 Sơ đồ tính toán cân bằng nhiệt lượng

 Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

QF + QK + QL 0 = QF + QK + QF + Qm + Qng

⟹ QK = QP + QW + Qm + Qng − QF − QL 0

Trong đó:

QK: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kW

Qm: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh và thường được lấy gần bằng

khoảng 5% đến 10% lượng nhiệt cần cung cấp

QF: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, kW

QF = F.CPF tF

QP: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, kW

QP = P Cp P tP

QW: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra, kW

QW = W Cp W tW

Qng : nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, kW

Qng = P rP

QL 0 : nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào, kW

QL 0 = L0 Cp P tP

4 Kết quả thí nghiệm

Thí nghiệm 1: Khảo sát chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) và nhiệt độ sôi hỗn hợp

x f =

V % Pruou

Mruou

V % Pruou

(1−V %) Pnuoc

Mnuoc

=

0,3.780 46 0,3.780

(1−0,3).995 18

=0,116kmol/kmolhh

x ̅ f =

Xf

=

0,116 0,116+46

18.(1−0,116)

=0,048

x p =

V % Pruou

Mruou

V % Pruou

(1−V %) Pnuoc

Mnuoc

=

0,9.770,83 46 0,9.770,83

(1−0,9).993,9 18

=0,74kmol/kmolhh

x ̅ p =

Xf

=

0,74 0,74+46

=0,527

Y* f =0,531.(0,116−0,1)+0,442.(0,2−0,116)

R min =Xp−Y ∗f

0,74−0,46 0,46−0,116=0,814

Thí nghiệm 2: Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý

thuyết, hiệu suất quá trình chưng cất, nhiệt lượng cần sử dụng.

R=b.R min =1,4.0,814=1,14

R=b.R min =1,6.0,814=1,3

R=b.R min =1,8.0,814=1,46

Độ rươu sản phẩm

đỉnh

5 Xử lí số liệu

Khối lượng mol hỗn hợp

Mℎℎ = Mr xP + (1 − xP) Mn = 46.0,74 + (1 − 0,74) 18 = 38,72 (kg/kmol) Khối lượng riêng hỗn hợp

ρℎℎ = ρr ̅̅xP +( 1 − x̅P) ρn = 770,83.0,527 + (1 − 0,527) 993,9 = 876,34(kg/

m3)

==>P = Phh Qb Mhh =876,34.0,0008

38,72 =0,018(mol/s)

==>P̅=P.Mhh=0,018.38,72=0,697(g/s)

Tính lượng sản phẩm đáy:

Áp dụng phương trình cân bằng vật chất: F=P+W

→W=F-P=0,33-0,018=0,312 (mol/s)

Phương trình cân bằng vật chất:

xF F = xP P + xw W

→xw =Xf F−Xp P

0,046.46 0,046.46+(1−0,046).18=0,1097 +Viết phương trình đường làm việc:

+Đối với mâm ở đáy tháp:

Phương trình làm việc phần chưng

Ychưng=R+f

R +1 x−

f −1

Với f=f

p=

0,33

0,046=7,1

==>ycℎưng = 4x − 0.264

Phương trình làm việc phần cất

Ycất=R +1. R x+ 1

R+1 Xp

==>ycất = 0,5x + 0,3

Từ đó ta vẽ được giản đồ:

Ta đếm được số mâm lí thuyết là: 4

Tương tự với các mâm còn lại ta có bảng phương trình dường chưng và đường cất :

Giản đồ 1: R=1,14 + Suy ra n = 5

Giản đồ 2: R=1,3 + n = 6

Giản đồ : R=1.46 + n = 8

6 Bàn luận

Quá trình thức hiện chưng cất mâm trên khó thực hiện bởi thiết gia nhiệt dòng nhập liệu bị hỏng ( không nhập liệu lỏng sôi )

Việc đo độ rượu phải tiến hành nhanh để tránh thất thoát

Nồng độ sản phẩm đỉnh được giảm dần theo thời gian vì càng về sau thì hơi nước bốc hơi càng nhiều vì nhiệt độ tăng dần theo thời gian Khi đó thành phần hơi của etanol ít dần theo thời gian vì etanol là cấu tử dễ bay hơi hơn nước

Nồng độ sản phẩm đáy giảm dần theo thời gian vì nồng độ Etanol còn lại trong nồi đun càng nhỏ dần

Khi lượng cung cấp càng tăng thì lượng nước bốc hơi càng tăng khiến cho nồng

độ sản phẩm đỉnh càng giảm

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 mỗi mâm mà còn phụ thuộc vào khả năng trao đổi trong mâm đó Khi nhập liệu vào mâm gần đáy thì số bậc trao đổi tăng làm cho độ tinh khiết sản phẩm đỉnh tăng theo Còn khi nhập liệu vào cáo mâm gần đỉnh thì kết quả sẽ ngược lại Trong quá trình làm thí nghiệm và tính toán gây nhiều lỗi không đáng kể:

Nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng phân tích vật liệu

Các thao tác thực hiện trên máy còn lúng túng, chưa quen

Chưa nắm rõ vấn đề bài làm yêu cầu

Ảnh hưởng của điều kiện xung quanh