THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ BÀI CHƯNG CẤT

1.MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆMQuá trình chưng liên tục nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số sau: • Lưu lượng dòng nhập liệu • Nhiệt độ dòng nhập liệu • Vị trí nhập liệu • Lưu lượng dòng ch

Bài 4: CHƯNG CẤT

MỤC LỤC 4

1.MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Quá trình chưng liên tục nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số sau:

• Lưu lượng dòng nhập liệu

• Nhiệt độ dòng nhập liệu

• Vị trí nhập liệu

• Lưu lượng dòng chuyển động trong tháp chưng cất

• Chỉ số hồi lưu

2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.Cân bằng vật chất

Qúa trình tính toán cân bằng vật chất chưng cất 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 của hơi đi 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

• Phương trình cân bằng vật chất

F = W + D F.xF = W.xW + D.xD

Trong đó:

F,W,D là suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy, sản phẩm đỉnh, kmol/h

xF, xW, xD là thành phần mol của cấu tử dễn bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đáy

và sản phẩm đỉnh, mol/mol

• Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)

Chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng dòng hoàn lưu (Lo ) và lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (D)

R =

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

• Phương trình đường làm việc

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

ycat =

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

ychung =

với L = là tỉ lệ lưu lượng hỗn hợp nhập liệu so với lưu lượng sản phẩm đỉnh

2.2.Cân bằng năng lượng

• Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu.

Qnl = Trong đó:

Qnl là nhiệt lượng cần chưng cất, Kw

là lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu, kg/s

là nhiệt lượng riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg.ᵒC

là nhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị, ᵒC

• Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ.

Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh

Qng = Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh

Qng =

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

rD là nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg

là nhiệt lượng riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg.ᵒC

là nhiệt độ vào và ra của nước, ᵒC

là lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s

là nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg.ᵒC

là nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, ᵒC

là nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg

• Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Làm lạnh sản phẩm đỉnh

Làm lạnh sản phẩm đáy

là lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/s

là nhiệt dung riêng của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kJ/kg.ᵒC

là nhiệt độ của sản phẩm đỉnh vào và ra khỏi thiết bị, ᵒC

là nhiệt độ của sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị, ᵒC

3.TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

3.1.Chuẩn bị

-Pha trộn dung dịch vào bình chưa nhập liệu (khoảng 20 lít) từ nồng độ khoảng 20 đến 30 độ cồn (thành phần phần thể tích)

-Mở công tắc điện chính, đèn trắng được kích hoạt, mở công tắc tổng (chú ý mở nút khóa khẩn cấp)

-Mở máy tính và khởi động chương trình điều khiển DVI3000, đợi khi chương trình đã kiểm tra xong việc kết nối và sẵn sàng hoạt động

-Mở hệ thống nước giải nhiệt, cài đặt chế độ làm việc “Auto” và lưu lượng nước giải nhiệt

-Mở van nhập liệu ở vị trí thấp nhất, mở van thu sản phẩm đáy

-Điều chỉnh lưu lượng bơm nhập liệu với hiệu suất 100%, số vòng quay tối đa, sau đó mở công tắc bơm đưa nhập liệu vào nồi đun Khi lượng lỏng trong nồi đun đã đủ thì ngừng bơm nhập liệu -Khóa van nhập liệu và van thu sản phẩm đáy

-Cài đặt chế độ làm việc “Auto” và độ giảm áp của tháp chưng cất ở giá trọ 20mBar trên bộ điều khiển độ chênh áp PID

-Chuyển công tắc chia dòng hoàn lưu sang chế độ “Reflux”

-Mở điện trở gia nhiệt nồi đun, theo dõi trạng thái hỗn hợp

-Khi xuất hiện dòng ngưng tụ ở đỉnh tháp, tiến hành lấy sản phẩm đỉnh, bằng cách chuyển công tắc chia dòng hồi lưu sang chế độ “Draw off” Sau khi lấy mẫu xong chuyển công tắc trở về chế độ

“Reflux”, đo nồng độ sản phẩm đỉnh

-Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu

-Xác định nhiệt độ sôi của nhập liệu

3.2.Tiến hành thí nghiệm

-Cài đặt chế độ làm việc “Auto” và giá trị nhiệt độ sôi của nhập liệu trên bộ điều khiển của thiết bị gia nhiệt nhập liệu

-Khi nhiệt độ nhập liệu gần bằng nhiệt độ sôi của nhập liệu, tiến hành mở van nhập liệu và điều chỉnh bơm nhập liệu với tốc độ 18 lít/giờ

-Cài đặt độ giảm áp của tháp chưng cất ở giá trj 30mBar trên bộ điều khiển bộ chênh áp

-Mở van thu sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy

-Điều chỉnh công tắc chia dòng ở vị trí “Cycle”

-Sau 10 phút, tháo hết dung dịch có trong bình chứa sản phẩm đỉnh

-Đo lưu lượng sản phẩm đỉnh bằng phương pháp thể tích và nồng độ sản phẩm đỉnh

-Ghi các thông số nồng độ, nhiệt độ vào trong bảng số liệu

4.KẾT QUẢ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM

4.1.Số liệu thí nghiệm

Nồng độ rượu nhập liệu VF = 21%

STT R Lưu lượng nhập liệu

QF (l/h)

Lưu lượng ở đỉnh QD (l/h)

Nồng độ rượu ở đỉnh

VD

R T1 ( o C) T2 ( o C) T3 ( o C) T4 ( o C) T5 ( o C) T6 ( o C) T7 ( o C) T8 ( o C)

Chú thích:

VF: lưu lượng dòng nhập liệu đi vào tháp (l/h)

R: chỉ số hồi lưu

VD : độ rượu của dòng sản phẩm đỉnh

T1: nhiệt độ nồi đun oC

T2: nhiệt độ đáy tháp ( oC)

T3: nhiệt độ giữa tháp ( oC)

T4: nhiệt độ đỉnh tháp( oC)

T5: nhiệt độ dòng hồi lưu( oC)

T6: nhiệt độ thiết bị gia nhiệt( oC)

T7:nhiệt độ nước lạnh vào( oC)

T8:nhiệt độ nước lạnh ra( oC)

4.2.Xử lý số liệu thí nghiệm

Bảng 1: Chuyển đổi đơn vị nồng độ

( mol/mol) (kmol/h) (mol/mol) (kmol/h) (mol/mol) (kmol/h)

Bảng 2: Phương trình đường làm việc

phần chưng

Đường làm việc phần cất

Nt

Bảng 3: Nhiệt dung riêng và nhiệt hóa hơi của hỗn hợp

R

Bảng 4: Cân bằng nhiệt lượng

R F’

kg/h

Qng

W

QF

W

QW

W

QD

QK

W

Qm

W

1 2,822 102,80 87,084 233,16 12,02 6,732 176,33 283,58

1,5 2,822 136,16 87,084 278,49 13,474 5,367 192,33 370,69 29,65

2 2,822 134,02 87,084 280,23 10,471 5,367 191,70 366,975 29,35

4.3 Vẽ số mâm lý thuyết

 R=1

Suy ra số mâm lý thuyết N=13

Hiệu suất làm việc H%= 100 = 100= 86,66%

 R=1.5

Suy ra số mâm lý thuyết N=11

Hiệu suất làm việc H%= 100 = 100=73,33%

 R=2

Suy ra số mâm lý thuyết N=10

Hiệu suất làm việc H%= 100 = 100= 66,66%

6.ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT

• Kết quả thí nghiệm:

-Chỉ số hồi lưu tăng thì nồng độ sản phẩm đỉnh cũng tăng

-Chỉ số hồi lưu tăng thì lượng nhiệt nồi đun cung cấp lúc tăng, lúc giảm

+Do sai số về thiết bị ngưng tụ dẫn đến lưu lượng sản phẩm đỉnh tăng giảm không ổn định, từ đó dẫn tới nhiệt lượng cung cấp cũng tăng giảm không có định hướng

+Do thao tác tiến hành không chuẩn trong từng công đoạn

-Khi chỉ số hồi lưu tăng thì hiệu suất làm việc của tháp giảm

 Kết quá thí nghiệm chỉ mang tính tương đối do nhiều sai số trong quá trình tiến hành thí nghiệm và do sai số khi tính toán thủ công

• Nguyên nhận gây sai số:

-Do thiết bị phòng thí nghiệm

-Do các thao tác trong quá trình làm thí nghiệm bị sai lệch

-Do ảnh hưởng của điều kiện môi trường xung quanh tới thiết bị

-Trong quá trình tính toán, xử lý số liệu thủ công dẫn đến sai số đáng kể

-Trong quá trình tiến hành thí nghiệm chuyển công tắc chia dòng hoàn lưu về chế độ hồi lưu hoàn toàn để giúp tăng nồng độ sản phẩm đỉnh, tránh bị khô mâm Nếu bỏ qua hoàn lưu thì nồng độ sản phẩm đỉnh sẽ không cao, hiệu suất chưng cất sẽ thấp

-Nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng phân tách của hỗn hợp Do đó cần chọn nhiệt độ thích hợp để tách hoàn toàn các cấu tử ra khỏi hỗn hợp Nếu nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp các sản phẩm và chất tách sẽ hòa lẫn vào nhau làm cho hiệu suất chưng cất thấp.Thông số làm việc hợp lý cho quá trình là chọn chỉ số hồi lưu là 1 Do có hiệu suất làm việc cao nhất

2 Giáo trình hưỡng dẫn thực hành Kỹ Thuật Thực Phẩm – ĐH Công Nghiệp TP HCM

3 Bảng tra cứu Quá trình cơ học truyền nhiệt – truyền khối, NXB Đh Quốc Gia TP HCM

8 PHỤ LỤC

Chỉ số hoàn lưu làm việc : R > Rmin Ta cài dặt : R = 1, R=1 5, R=2

Tính toán mẫu với R = 1

1 Tính toán cân bằng vật chất:

QF (của thiết bị)= 25 (l/h ) với hiệu suất 10% > QF = 2,5 (l/h)

Nhiệt độ dung dịch t0 = 300C , Dựa vào bảng 51 sổ tay Quá trình thiết bị truyền khối

Ta có

Suất lượng nhập liệu: (độ rượu 21%)

Gọi MF là phân tử lượng trung bình của hỗn hợp nhập liệu

MF = 0,21 * 46 + 0,79* 18=23,88

Lượng hỗn hợp nhập liệu tính theo Kg/h:

F’ = F MF = 0,1182 * 23,88=2,822 Kg/h

Nồng độ phần mol dòng nhập liệu x(mol/mol):

Với: : khối lượng mol của rượu etylic và nước ở dktc

: khối lượng riêng của rượu etylic và nước

Nồng độ phần khối lượng của dòng nhập liệu:

• Suất lượng sản phẩm đỉnh (độ rượu 90%)

Sản phẩm đỉnh đo được 100ml trong 17phút

QD= 0,353 (l/h)

Với: : khối lượng mol của rượu etylic và nước.

Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đỉnh

Sản phẩm đáy:

Ta có, hệ phương trình cân bằng vật chất

Suất lượng sản phẩm đáy:

W= 0.1109 (kmol/h)

Nồng độ phần mol sản phẩm đáy (mol/mol)

Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đáy

Phương trình đường làm việc:

Với R=1

• Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:

• Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:

Với L= = = 16,1

• Hiệu suất của tháp:

2 Cân bằng năng lượng

Ta có, hệ phương trình cân bằng vật chất

 = =

 Lượng sản phẩm đỉnh theo Kg/h:

 Lượng sản phẩm đáy theo Kg/h:

W’ = F’ = 2,822 * = 2,647 kg/h

Nhiệt lượng do nhập liệu mang vào (độ rượu 21% , nhiệt độ 30 0 c)

Trong đó : là nhiệt dung riêng của nhập liệu (J/kgđộ)

là nhiệt độ của nhập liệu (oc)

Dựa vào bảng I.154 trang 172 Sổ tay Quá trình thiết bị tập 1:

Ta có :

Nhiệt dung riêngcủa rượu etylic 20% ở 30oC= 3721,5 (J/kgđộ)

Nhiệt dung riêngcủa rượu etylic 40% ở 30oC = 2982,5 (J/kgđộ)

Dùng công thức nội suy: => Nhiệt dung riêng của rượu etylic 21% ở 30oC = 3703,1 (J/kgđộ)

2.822 * 3703,1 * 30 = 313504,44 (J/h) =87,084 W

Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra (độ rượu 90% , t4 = td=75,6 o C)

- Dựa vào bảng I.154 trang 172 Sổ tay Quá trình thiết bị tập 1:

Ta có

nhiệt dung riêng của rượu etylic ở 60oc : 2970 (J/kgđộ)

nhiệt dung riêng của rượu etylic ở 80oc : 3220(J/kgđộ)

 Nhiệt dung riêng của rượu etylic ở 75,6oC = 3169,6 (J/kgđộ)

- Dựa vào bảng 39 : Tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt truyền khối

Ta có

Nhiệt dung của nước ở 75,6 oc : 4190 (J/kgđộ)

 Nhiệt dung riêng của rượu etylic 90% ở 75,6oC:

= 3169,6 * 0.9 + 4190*0.1 = 3271,9 (J/kgđộ)

0.175 * 3271,9 * 75,6 = 43287,23 (J/h) =12,02 W

Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra (T2 = tw = 92,9 o c)

- Dựa vào bảng I.154 trang 172 Sổ tay Quá trình thiết bị tập 1:

Ta có

Nhiệt dung riêng của nước ở 92,9oc = 4201,6 (J/kgđộ)

Vì sản phẩm đáy có nồng độ rượu rất nhỏ nên nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy ở 92,9 oc gần bằng với nhiệt dung riêng của nước

= 3413,5 (J/kgđộ)

2,647 * 3413,5 * 92,9 =839401,15 (J/h) = 233,16 W

Nhiệt lượng cần làm lạnh sản phẩm đỉnh (độ rượu 90%)

Trong đó là nhiệt độ của sản phẩm đỉnh vào và ra khỏi thiết bị, oc

(= t5= 75,8 = 30oc => ttb = 54,25oc )

Ta có

Nhiệt dung riêng của rượu etylic ở 50oc: 2710 (J/kgđộ)

Nhiệt dung riêng của rượu etylic ở 60oc :2970(J/kgđộ)

 Nhiệt dung riêng của rượu etylic ở 54,25oc = 2895,25(J/kgđộ)

Ta có nhiệt dung riêng của nước ở 54,25 oc = 4180(J/kgđộ)

 Nhiệt dung riêng của rượu etylic 90% ở 54,25 oc

= 0,9 * 2895,25 + 4180*0,1 = 3023,72 (J/kgđộ)

 0,175 * 3023,72 * (75,8-30) = 24235,1158 (J/h) =6,732 W

Nhiệt lượng cần làm lạnh sản phẩm đáy

Trong đó là nhiệt độ của sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị, oc

(= t1=95 oc = 30oc => ttb = 62,5oc )

Ta có

Nhiệt dung riêng của nước ở 62,5 oc = 4182,5 (J/kgđộ)

Vì sản phẩm đáy có nồng độ rượu rất nhỏ nên nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy ở 62,5 oc gần bằng với nhiệt dung riêng của nước

= 4182,5 (J/kgđộ)

2,335 * 4182,5 * (95-30) = 634798,9 (J/h) =176,33 W

Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ

Trong đó : là nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị nhưng tụ

là lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh (kg/h)

là nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh ( kJ/kg) ( độ rượu 90%)

, lần lượt là nhiệt độ vào và ra của nước ngưng tụ (oc) ( = t8=31,2 , = t7 = 29,9oc => ttb= 30,55 oc)

Ta có :

Nhiệt hóa hơi của rượu etylic ở 20 oc = 912,72 KJ/kg

Nhiệt hóa hơi của rượu etylic ở 60 oc = 879,228 KJ/kg

 Nhiệt hóa hơi của rượu etylic ở 30,55 oc = 903,88 KJ/kg

Nhiệt hóa hơi của rượu nướcở 20 oc = 2445,1 KJ/kg

Nhiệt hóa hơi của rượu nước ở 60 oc 2424,15 KJkg

 Nhiệt hóa hơi của rượu nước ở 30,55 oc = 2439,57 KJ/kg

 Nhiệt hóa hơi của hỗn hợp sản phẩm đỉnh ở 30,55 oc

= 0,9*903,88 + 0,1*2439,57 =1057,449 KJ/kg

 = 0,175 * (1+1) * 1057,449 =370,11 (kJ/h) =102,80 W

Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun

Từ phương trình cân bằng nhiệt toàn tháp ta có

Qm : nhiệt lượng tổn thất, khoảng 8% , Qm = 8%Qk

Suy ra

Trong đó là nhiệt lượng cần cung cấp cho nồi đun

=> Qk = 12,02 + 233,16 + 0,08Qk +102,80 - 87,084 =283,58 W

Vậy nhiệt lượng tổn thất là

W