bài giảng thí nghiệm quá trình và thiết bị công nghệ hóa học

 Xác định chuẩn số Reynolds Reynolds Number  Chưng cất Distillation  Xác định mực chất lỏng Tank Draining  Khuếch tán Stefan Diffusion  Thí nghiệm thiết bị truyền nhiệt Heat Exchan

THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

 Xác định chuẩn số Reynolds (Reynolds Number)

 Chưng cất (Distillation)

 Xác định mực chất lỏng (Tank Draining)

 Khuếch tán (Stefan Diffusion)

 Thí nghiệm thiết bị truyền nhiệt (Heat Exchanger)

 Tổng quan về các phân xưởng, quá trình và thiết bị

trong nhà máy lọc dầu (Overview of Refinery)

 Tham quan hệ thiết bị chưng cất tại phòng thí

nghiệm Lọc-Hóa Dầu và Viện Hóa Học Công

Nghiệp Việt Nam

Chế độ dòng chảy của chất lỏng

 Chảy dòng (tầng) (Re≤2320): các phần tử chất lỏng chuyển động song song nhau theo đường thẳng với vận tốc chậm được gọi là chảy dòng

 Chảy xoáy (rối) (Re≥10000): các phần tử chuyển

động với vận tốc nhanh theo đường thẳng không thứ

tự với các hướng khác nhau tạo thành một dòng rối được gọi là chảy xoáy.

 Chảy chuyển tiếp (quá độ) (2320<Re<10000): từ tầng sang rối

 Công thức xác định chuẩn số Reynolds

Re=wlρ/µ=wl/ν Trong đó:

w: vận tốc đặc trưng của dòng chảy (m/s)

l: kích thước hình học đặc trưng (m)

- chiều cao h nếu là tường phẳng

- đường kính tương đương dtđ của mặt cắt mà lưu thể đi qua

 Thí nghiệm Reynolds là một thí nghiệm cổ điển đã

được Reynolds tìm ra.

 Để xem được cấu trúc của dòng chảy, Reynolds đã dùng một ống rất nhỏ để dẫn nước màu vào thẳng

với đường tâm của ống lớn dẫn nước không màu

 Các nhận xét và kết luận mà Reynolds đã rút ra trong quá trình thí nghiệm.

1 Khi tăng dần lưu lượng từ Q=0

 Ở giá trị lưu lượng nhỏ, tia màu chảy theo một đường thẳng và theo đường tâm ống, không dao động, dung dịch màu không

có sự hòa trộn với dung dịch nước chảy quanh nó.

 Khi lưu lượng tăng đến một mức nào đó thì tia màu bắt đầu bị dao động (gợn sóng) Lúc này dòng chảy tầng đã kết thúc.

 Nếu lưu lượng tiếp tục tăng thì tia màu sẽ dao động mạnh hơn dẫn đến bị đứt đoạn và sau đó sẽ bị hòa trộn hoàn toàn vào

dòng chảy Lúc này dòng chảy đã trở lên rối hoàn toàn.

 Theo Reynolds dòng chảy chuyển từ trạng thái chảy tầng sang trạng thái chảy rối phải qua bước trung gian đó là trạng thái

chảy quá độ.

2 Khi lưu lượng giảm dần

 Khi dòng chảy ở trạng thái rối hoàn toàn, nếu ta

giảm dần lưu lượng thì tới mức nào đó tia màu trở

lại mức gợn sóng.

 Nếu tiếp tục giảm lưu lượng thì dòng chảy lại trở về trạng thái chảy tầng, tia màu lại chảy theo một

đường thẳng dọc theo tâm ống

 Như vậy, dòng chảy đã chuyển trạng thái chảy từ

trạng thái chảy rối về trạng thái chảy tầng qua trạng thái trung gian là trạng thái chảy quá độ.

YÊU CẦU:

 Bổ sung cơ sở lý thuyết của quá trình

 Các trang thiết bị cần dùng cho thí nghiệm

 Lắp đặt các thiết bị cho thí nghiệm

 Chất màu (có thể dùng KMnO4)

 Nguyên tắc đo các thông số

 Tiến hành thí nghiệm (lặp lại khoảng 2-3 lần)

 Ghi kết quả thí nghiệm

 Xử lý các số liệu thí nghiệm

 Dùng các ống có D khác nhau hoặc ống gấp khúc

để nghiên cứu cho các trường hợp đặc biệt

Mục đích của thí nghiệm:

 Lý thuyết về chưng cất

 Nguyên lý, cấu tạo của tháp chưng cất

 Nguyên tắc hoạt động của tháp chưng cất

 Xác định hiệu suất của tháp chưng cất

 Xác định số đĩa lý thuyết của tháp và chỉ số hồi lưu tối thiểu

 Đánh giá phương pháp McCabe-Thiele

Thiết bị chưng cất

đơn giản nhất

Thiết bị chưng cất có cột

chưng cất

Thiết bị chưng cất ASTM D86

Kết quả thí nghiệm (Bảng 1 nội suy ra Bảng 2)

Đĩa trong tháp chưng cất

 Dùng cho quá trình chưng cất hệ hai chất lỏng tan vô hạn (Rượu+Nước)

 Đường bay hơi cân bằng (a,b,c)

 Sơ đồ nguyên lý một tháp chưng cất

Giả sử cần chưng cất hệ 2 chất (1) và (2) có

áp suất hơi bão hòa lần lượt là P1 và P2

Nồng độ phần mol của chất thứ nhất trong lỏng và hơi lần lượt là x và y

Theo Raoult và Dalton ta có:

y=P1x và 1-y=P2(1-x)

Hay: y=αx/[1+(α -1)x] với α =P1/P2

α càng lớn thì y càng khác x

Đường (a) với α =1

Đường (b), (c) với α tăng dần

Theo sơ đồ tháp chưng cất:

 D là sản phẩm đỉnh

 R là sản phẩm đáy

 V là số mol hơi bay lên

 L là số mol lỏng chảy xuống

Tại mỗi đĩa của vùng cất:

V(n) =L(n+1) + DĐối với chất thứ nhất:

V(n) y(n) =L(n+1) x(n+1) + DxD

Theo giả thuyết Lewis, nhiệt bay hơi mol

không phụ thuộc phân tử lượng (số mol lỏng chảy xuống từ các đĩa có thể coi là như

nhau, số mol hơi bay lên từ các đĩa cũng

như nhau) Khi đó ta có:

V(n) y(n) =L(n) x(n+1) + DxD

Hay:

y(n) =(h/(h+1))x(n+1)+(1/(h+1))xD (*)Trong đó: h=L/D

Phương trình (*) là tuyến tính, h càng lớn thì đồ thị càng dốc, h=∞ thì y(n)=x(n+1) (Đường chéo)

 Đồ thị biểu diễn sự

phụ thuộc y(n) và x(n+1)

là các đường làm việc

- Tất cả các đường làm

việc của vùng cất đều đi

qua điểm D ứng với

xD(DR, DP, DE, DH,…)

Đồ thị biểu diễn giữa y(m) và x(m+1) là các đường

Tại vùng chưng:

V’ (m)=L’

(m+1)-R

Với R là số mol cặn lấy ra khỏi đáy tháp

V’

(m) là số mol hơi bay lên từ đĩa m

Đối với chất thứ nhất:

V’(my(m) =L’(m+1)x(m+1) – RxR

Dùng giả thuyết Lewis ta có:

y(m)=(L’/V’)x(m+1)-(R/V’)xR (**)

 Trừ hai vế của phương trình:

 A là số mol nguyên liệu được nạp

 xA là phần mol của chất thứ nhất trong nguyên liệu được nạp

 Va là số mol nguyên liệu đã bay hơi

 La là số mol nguyên liệu ở trạng thái lỏng

 (A=Va+La)

 Phương trình đường nạp liệu (qua M)

 Khi x=xA thì y=x=xA, ta có điểm M

 Góc nghiêng của đường nạp liệu phụ thuộc tỷ số

Va/A, tức phụ thuộc nhiệt độ nạp liệu Ta, cụ thể phụ thuộc Ta và nhiệt độ sôi Ts, nhiệt độ ngưng tụ Thcủa nguyên liệu Ta có các đường a, b,c d, e.

Vị trí đường nạp liệu:

Đường (a): Ta=Ts, nguyên liệu bắt đầu sôi,

 Số liệu α=4, D=1/3A, R=2/3A

 B=Va/A=1/2, nên đường nạp liệu: y=-x+2xA=-x+0,7 vì xA=0,35

 Độ hồi lưu ứng với đường PD là h=2,17

 Phương trình đường làm việc vùng cất PD: y=0,685x+0,3

 Vì h=2,17 nên độ hồi lưu hơi s=0,835

 Đường làm việc vùng chưng RP có phương trình:

x=0,455y+0,027 Hoặc: y=2,198x-0,06

X 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

y 0,31 0,50 0,63 0,73 0,80 0,86 0,90 0,94 0,97

Theo hình vẽ:

 Để tìm số đĩa lý thuyết ta vẽ lần lượt các

đường thẳng đứng và nằm ngang nằm giữa đường bay hơi cân bằng và đường làm việc

 Số đĩa lý thuyết của tháp phụ thuộc:

 Giá trị n phụ thuộc: cấu trúc hình học của tháp, tốc

độ, cách thức di chuyển của pha hơi, pha lỏng, nhiệt

độ, áp suất,…

Quan hệ giữa độ hồi lưu và số đĩa lý thuyết

Các bước xác định số đĩa lý thuyết

Các bước xác định số đĩa lý thuyết

Các bước xác định số đĩa lý thuyết

Các bước xác định số đĩa lý thuyết

Hệ chưng cất trong thực tế (UOP-UC DAVIS)

Mô hình quá trình chưng cất (Michigan)

Mô hình tháp chưng cất trong HYSYS

Tháp chưng cất dầu thô trong nhà máy lọc dầu Dung Quất

Tổng quan về các quá trình và thiết bị trong nhà máy lọc dầu Dung Quất

Tháp chưng cất khí quyển (Atmospheric)

Tháp chưng cất chân không (Vacuum)

Tháp chưng cất phản ứng (Reactive)

Tháp chưng cất ba pha (3 phases)

 Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất

 Phương pháp xác định số đĩa của tháp chưng cất

 Vẽ sơ đồ một hệ thiết bị về chưng cất (tham khảo mô hình tháp chưng cất) có các thiết bị phụ trợ và cách vận hành

 Xác định số đĩa của tháp chưng cất theo phương

pháp MacCabe-Thiele

Mục đích của thí nghiệm (Tank Draining)

 Xác định hệ số thoát của chất lỏng trong bình qua

một lỗ thủng.

 Khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước lỗ khác nhau đến động lực của quá trình chảy.

 Dữ liệu thực nghiệm cho phép sinh viên phân tích sai

số (phương sai), nội và ngoại suy số liệu.

Khi nước chảy qua bình chứa (Minh họa ở hình 1), lưu lượng thể tích có thể biểu diễn như sau:

 Phương trình (1) đôi khi cũng được xem như nguyên lý chảy

 Quy trình thực hiện thí nghiệm:

 Đổ nước vào bình tới vị trí vạch sẵn

 Chạy đồng hồ bấm giây và mở nút

 Đo mực chất lỏng trong bình như là hàm của thời gian với các kích thước lỗ khác nhau

 Lặp lại số thí nghiệm cần thiết

 Xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

 Vẽ đồ thị quan hệ giữa h(in) và t (s)

 Kết quả thí nghiệm (dtank = 10,75 in; dorifice=0,609 in; htank= 12 in ):

phương pháp của Quy hoạch thực nghiệm và xác định sai số?

 Kết quả thí nghiệm (dtank = 1 in; dorifice= 0,043 in; htank= 15 in ):

phương pháp của Quy hoạch thực nghiệm và xác định sai

Phương pháp bình phương cực tiểu

 Nội dung: cần biểu diễn mối quan hệ giữa x1,

x2,…,xk và y

 Bài toán đặt ra là tìm một hàm số biểu diễn

gần đúng nhất mối quan hệ này bằng một

hàm số nào đó

 Nghĩa là, tìm một hàm số biểu diễn mối quan

hệ giữa x1, x2,…,xk và y sao cho tổng bình

phương các sai số là nhỏ nhất

y=f(x1,x2,…,xk) và S(b0,b1) đạt min

 Thông thường ta hay chọn hàm đa thức

Đối với các hàm đa thức (bậc nhất) nói

chung thì theo phương pháp này các hệ số bjđược xác định theo công thức sau:

y y Y

b b

Các hệ số bj được xác định theo công thức sau (Bậc 1):

 Hàm bậc nhất: y = b0 + b1x (Theo cách khác)

 Cho N kết quả đầu ra y1, y2,…,yn tương ứng với

n giá trị đầu vào x1, x2,…,xN, cần phải xác định

0

0 1

0 1 1

 Tổng dư bình phương được tính như sau:

 Nếu S(b0,b1) càng gần 0, rxy càng gần 1, đường

hồi quy càng gần N điểm thực nghiệm.

 Ví dụ: Cho bảng số liệu thực nghiệm sau:

 Trong trường hợp các số liệu thí nghiệm được

i i

 Cho bảng số liệu thực nghiệm sau:

 Áp dụng các công thức trên ta thu được các kết

 Đối với hàm bậc 2: y=b0+b1x+b2x 2

 Nếu phương trình hồi quy có dạng đa thức bậc

cao, thì khi dùng phương pháp bình phương bé

YÊU CẦU:

 Cơ sở lý thuyết của quá trình

 Xây dựng hệ thí nghiệm quá trình

 Nguyên tắc vận hành và đo các thông số

 Xử lý các số liệu thực nghiệm (cho trước)

theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm(Bậc 1 và Bậc 2)

 Xác định các sai số

 Phương pháp xác định các hệ số CD

Mục đích của thực nghiệm:

 Đo hệ số khuếch tán hơi của các hợp phần riêng biệt (Methanol, Axeton, Hexan,…) trong không khí của hệ thí nghiệm khuếch tán theo

bề mặt phân cách lỏng khí

 Nghiên cứu hệ thống đo hệ số khuếch tán

của Trường ĐH UC at Davis

 Phân tích các kết quả thu được

Cơ sở lý thuyết của quá trình

Giả thiết quá trình khuếch tán ở trạng thái tĩnh (khuếch tán đối lưu tự nhiên) với

 Trong đó:

 CG nồng độ mol trong pha khí, mol/cm 3

 CL nồng độ mol trong pha lỏng, mol/cm 3

 d đường kính trong của ống khuếch tán, cm

Phân tích dữ liệu

 Tính toán hệ số khuếch tán của 3 chất lỏng

khác nhau theo phương trình đã cho

 Vẽ biểu đồ hệ số khuếch tán theo nhiệt độ

 So sánh giá trị khuếch tán thực nghiệm với

các số liệu trong các sổ tay

 So sánh các giá trị hệ số khuếch tán thu được với một số mô hình dự đoán

 Đánh giá phương pháp Stefan xác định các

hệ số khuếch tán của các chất khác nhau

Ống khuếch tán

z r

NASpecies A

l0

l

Stagnant Air Flowing Air (Re<20)

Hệ thống khuếch tán

3 1 6 S ta in les s S te e l

D iffu sio n M a n ifo ld & T u b e

YÊU CẦU:

 Cơ sở lý thuyết của quá trình

 Xây dựng hệ thí nghiệm quá trình (các trang thiết bị cần có, thiết bị phụ trợ,…)

 Nguyên tắc vận hành và đo các thông số

 Xác định hệ số khuếch tán

 Mô hình dự đoán hệ số khuếch tán của các chất khác nhau

Cơ sở lý thuyết quá trình truyền nhiệt

Các phương thức truyền nhiệt

 Dẫn nhiệt (Conduction)

 Nhiệt đối lưu (Convection)

• Natural Convection (Đối lưu tự nhiên)

• Forced Convection (Đối lưu cưỡng bức)

 Bức xạ nhiệt (Radiation)

 Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt:

 Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này sang chất tải nhiệt khác qua bề mặt phân cách (bề mặt

truyền nhiệt)

 Loại đệm: quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của vật rắn và tiến hành theo các giai

đoạn nối tiếp nhau

• Đầu tiên, cho chất tải nhiệt nóng tiếp xúc với bề mặt rắn (đệm), vật rắn sẽ được đun nóng đến một nhiệt độ cần thiết

• Khi đó ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh vào, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh

 Loại trực tiếp: Hai chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nhau

Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp

Loại có vỏ bọc:

Loại có vỏ bọc

Loại ống

Loại ống

Loại ống

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

Cách bố trí ống trên lưới

Cách chia ngăn

Bù giãn nở

Bù giãn nở

Loại tấm

Loại xoắn ốc

Loại có gân

Một số mô hình thiết bị trao đổi nhiệt

Một số mô hình thiết bị trao đổi nhiệt

Làm lạnh bằng không khí (Air cooler)

Thiết lập hệ thí nghiệm quá trình truyền nhiệt

Mô hình các thiết trị trao đổi nhiệt trong phần mềm mô phỏng HYSYS

Tính toán các hệ số truyền nhiệt (xem lại các bài tập)

Thực hành Mô phỏng

Một số bài tập về thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm (xem lại)

Thiết lập hệ thí nghiệm truyền nhiệt

 Chương trình thí nghiệm quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học, UC Davis, USA, 2012

 Giáo trình Công nghệ lọc dầu, Phan Tử Bằng, ĐH

Viết tay khoảng 25-30 trang

Vẽ sơ đồ chi tiết và mô tả kỹ lưỡng trình tự

và nguyên tắc thực hiện các thí nghiệm

Khuyến khích xây dựng một số hệ thí

nghiệm đơn giản theo cơ sở lý thuyết đã

được học

Đối với từng bài thí nghiệm:

THE END