Bài báo tham khảo cho thí nghiệm quá trình thiết bị bài chưng cất với hệ thống gồm 5 mâm xuyên lỗ, chưng cất hỗn hợp đẳng phí rượu etylic và nước. Khảo sát ảnh hưỡng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết sản phẩm và hiệu suất tháp. Chế độ thì nghiệm gồm 5 chế độ.
Trang 11
Phúc trình Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị
Bài:
CHƯNG CẤT
Trang 22
I.Nội dung cơ bản của bài thí nghiệm(TN)
a)Mục đích thí nghiệm:
Khảo sát ảnh hưởng của:
-Lưu lượng dòng hoàn lưu;
-Vị trí mâm nhập liệu;
Đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp chưng cất
b)Phương pháp thí nghiệm:
Tổng cộng có 5 chế độ thí nghiệm
*Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu : (3 chế độ
thí nghiệm) -Điều chỉnh lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 và nhập liệu vào một mâm cố định (mâm số 4); vị trí mâm được tính từ dưới lên và trên miệng nồi đun không có mâm
-TN với ba chế độ khác nhau của dòng hoàn lưu ở độ đọc: 5,10,15
*Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu: (2 chế độ TN)
-Thay đổi 2 vị trí nhập liệu (mâm số 5,2) Lưu lượng dòng nhập liệu vẫn được giữ nguyên ở độ đọc 30 và dòng hoàn lưu ở độ đọc
10
c)Kết quả thí nghiệm:
Trang 3d)Nhân xét kết quả thí nghiệm:
-Chỉ số hoàn lưu tăng, trên cùng mâm nhập liệu, độ tinh khiết tăng và hiệu suất mâm tăng
-Vị trí mâm tăng ,độ tinh khiết và hiệu suất mâm tăng
II.Lý thuyết thí nghiệm:
1 Định nghĩa quá trình chưng cất:
Chưng là quá trình tách hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt bằng cách đun sôi hỗn hợp tạo thành để ngưng tụ
Cơ sở của quá trình chưng dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp:ở cùng một nhiệt độ thì cấu tử nào có áp suất hơi lớn hơn thì sẽ dễ bay hơi hơn; hay ở cùng một áp suất cấu tử nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dễ bay hơi hơn
Chưng có thể ở áp suất khác nhau: áp suất thường, áp suất thấp, áp suất cao Áp suất thường hay được sử dụng vì đơn giản: chưng rượu, axit, dầu mỏ,… ; Chưng ở áp suất thấp cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao như: tinh dầu, các vitamin
Trang 44
….,hoặc có nhiệt độ sôi quá cao: cặn mazut của dầu mỏ…; Chưng
ở áp suất cao được tiến hành khi hỗn hợp không hóa lỏng ở nhiệt độ thường: để sản xuất O2 và N2 từ không khí …
1 Cân bằng pha trong hệ lỏng-hơi:
Xét hỗn hợp có k=2 cấu tử Hệ 2 pha lỏng –hơi Theo quy tắc pha: f=2-2+2=2 Hệ có 2 bậc tự do, trong 3 yếu tố P, T và nồng độ, ta xác định cân bằng pha:
P-T (x,y=const) P-x,y (T=const) T-x,y (P=const) x-y (P=const) Với x,y_nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng và pha hơi
*Đối với dung dịch lý tưởng : Định luật Raoult: PA =PAo .xA
PB =PBo .xB
P =PA + PB = PAo .xA + PBo(1 – xA)
Suy ra: y*A= = = = ( ) = ( )
Trong đó: PA, PB:áp suất riêng phần của A,B
PAo, PBo:áp suất hơi bão hòa của A,B P: áp suất tổng của hệ
Trang 55
*Đối với hệ sai lệch dương:
P= PA + PB > ( PA0.xA + PBo.xB ) -Hỗn hợp có áp suất tổng lớn hơn áp suất tính theo định luật Raoult Mức độ sai lệch so với định luật Raoult được đánh giá bằng hệ số hoạt độ :
PA = PAo xA.γ∕∕∕
Trong đó: ai=xi.γ _hoạt độ của I ; γi _hệ số hoạt độ ; γi
=f(t,p,xi), rõ ràng hệ này có >1
VD: Hệ etanol-nước có điểm đẳng phí ở 1 at là 89,4% mol, sôi ở t=78,2oC, nước sôi ở 100oC, rượu sôi ở 780C
-Có điểm đẳng phí ứng với nhiệt độ sôi cực tiểu
*Đối với hệ sai lệch âm:
P= PA + PB < (PAo.xA + PBo.xB) -Hỗn hợp có áp suất tổng nhỏ hơn giá trị tính theo định luật Raoult ( γi <1)
-Có điểm đẳng phí ứng với nhiệt độ sôi cực đại
VD: HCl_H2O tạo hỗn hợp đẳng phí tại 11,1% mol, sôi ở 110oC, nước sôi ở 100oC, HCl sôi ở 65,5oC
2 Cân bằng vật chất
F :lưu lượng nhập liệu W: lưu lượng sản phẩm đáy D: lưu lượng sản phẩm đỉnh
Lo: lưu lượng dòng hoàn lưu
G1: lưu lượng hơi bay ra từ tháp
xF, xW, xD : nồng độ của cấu tử dễ bay hơi ở nhập liệu, đáy và đỉnh
Toàn tháp ta có: F= D + W
F.xF = D.xD + W.xWGiải hệ 2 phương trình trên, ta có:
Trang 66
Với thiết bị ngưng tụ hồi lưu:
Do ngưng tụ hoàn toàn hơi vừa ra khỏi tháp thành lỏng ở nhiệt độ sôi:
G1 = D + Lo cho cấu tử dễ bay hơi: G1.y1 = D.xD + Lo.xLo
Phương trình đường nhập liệu:
y=
Với +q=
: thông số nhập liệu +tgα=
:hệ số góc của phương trình đường nhập liệu -Khi hỗn hợp nhập liệu là chất lỏng chưa sôi thì q<1 nên tức tgα >1 , đường biểu diễn là đường 1
Trang 77
-Khi hỗn hợp đầu ở trạng thái sôi: q=1 nên =+∞ tức α=
90o, đường biểu diễn là đường 2
-Khi hỗn hợp đầu ở trạng thái lỏng-hơi: -1 < q < 0 nên <
0, tgα <0 , đường biểu diễn là đường 3
-Khi hỗn hợp đầu ở trạng thái hơi bão hòa khô q=0 tức tgα=0 , đường biểu diễn là đường 4
-Khi hỗn hợp đầu ở trạng thái hơi quá nhiệt 0< < 1, đường biểu diễn là đường 5
Đồ thị biễu diễn ảnh hưởng của trạng thái nhiệt động lên đĩa tiếp liệu
3 Mô hình mâm lý thuyết:
Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản dựa trên các
cơ sở sau:
-Cân bằng giữa pha lỏng – hơi cho hỗn hợp hai cấu tử -Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm cho hai pha lỏng-hơi là:
Pha lỏng phải hòa trộn hoàn toàn trên mâm (nồng độ đồng nhất)
Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên
vì đồng thời có nồng độ đồng nhất tại mọi vị trí trên tiết diện mâm
Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha
Trang 88
4 Hiệu suất
Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực, ta can phải biết hiệu suất mâm Có 3 loại hiệu suất mâm thường dùng là: -Hiệu suất mâm tổng quát, liên quan đến toàn tháp
-Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến một mâm -Hiệu suất mâm cục bộ, liên quan đến một vị trí cụ thể trên mâm
a) Hiệu suất tổng quát:
Đơn giản khi sử dụng nhưng kém chính xác nhất, được định nghĩa:
Eo=
Với nồi đun được xem là tương đương với một mâm lý thuyết b) Hiệu suất mâm Murphree (E M ): EM =
Trong đó:
yn : nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n
yn+1 : nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n (từ dưới lên)
y*n : nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng rời ống chảy truyền mâm thứ n
Do đó hiệu suất mâm Murphree là tỉ số giữa sự biến đổi nồng độ pha hơi qua một mâm với sự biến đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi cân bằng rời mâm với pha lỏng rời mâm thứ n Nói chung với một mâm có đường kính lớn, pha lỏng rời mâm có nồng độ không bằng với nồng độ trung bình pha lỏng trên mâm, do dó có khái niệm hiệu suất cục bộ
Trang 99
c) Hiệu suất mâm cục bộ (E C )
EC =
Trong đó:
y’n : nồng độ thực của pha hơi rời khỏi vị trí cụ thể trên
mâm n y’n+1 : nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n tại cùng vị
trí y’en : nồng độ pha hơi cân bằng pha lỏng tại cùng vị trí
d) Mối liên hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất mâm tổng quát:
Hiệu suất tổng quất của tháp không bằng với hiệu suất trung bình của từng mâm Mối liên hệ giữa hai hiệu suất này tùy thuộc vào độ dốc tương đối của đường cân bằng với đường làm việc Tuy nhiên, khi phân tích hoạt động của tháp hay một phần của tháp thực tế, trong đó, ta xác định được sự biến thiên nồng độ qua một hoặc một vài mâm ở các vị trí khác nhau sẽ xác định giá trị chính xác của EM và EM có thể lay bằng Eo (EM = Eo)
III.Dụng cụ-Thiết bị
-Hệ thống tháp chưng 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
Trang 1010
-Hai lưu lượng kế đo dòng nhập liệu và hoàn lưu -1 phù kế (đo độ rượu)
-2 ống đong -Đồng hồ bấm giây
IV.Kết quả thí nghiệm:
1 Số liệu thí nghiệm:
Bảng 1: Số liệu thô
TN
Vi trí
liệu (F)
Đỉnh(D) ml/phút
Hoàn lưu (Lo)
Nhập liệu Đỉnh
Nhập liệu(tF)
Đỉnh (tD) Đáy
(tW)
Hoàn lưu(tLo) Hơi Lỏng
Trang 11Nhập liệu (xF) Đỉnh (xD) Đáy (xW)
x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 89.4
y 0 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.9 100 89.4
t 100 90.5 86.5 83.2 81.7 80.8 80 79.4 79 78.6 78.4 78.4 78.15
Trang 120 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 20 40 60 80 100 120
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Trang 1313
3 Kết quả tính toán:
Bảng 3 : Kết quả tính toán các thông số
TN Vị trí mâm Tỉ số hoàn lưu (R) tF HF
(kJ)
HGF (kJ)
Bảng 4 : Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu
TN Phương trình đường nhập liệu Phương trình đường cất
Bảng 5 : Kết quả TN
TN Vị trí mâm R Số mâm lý thuyết xD Hiệu suất mâm tổng quát
Trang 1919
5 Bàn luận:
a) Bàn luận về ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất tổng quát của tháp chưng cất:
-Lưu lượng dòng hoàn lưu tăng,độ tinh khiết tăng là do thành phần cấu tử bay hơi liên tục được làm giàu trong tháp chưng Ngoài ra, lưu lượng dòng hoàn lưu tăng dẫn đến chỉ số hồi lưu tăng sẽ làm tăng động lực quá trình, đường làm việc phần cất tiến đến đường cân bằng(độ dốc đường tăng) dẫn đến tăng số mâm lý thuyết và làm tăng hiệu
suất mâm
-Từ số liệu thí nghiệm, ta thấy khi nhập liệu ở vị trí mâm số 4 cĩ độ tinh khiết tối ưu, khơng giống với lý thuyết là vị trí mâm nhập liệu càng tăng thì độ tinh khiết giảm
b) Nguyên nhân gây sai số:
-Nhập liệu không tinh khiết -Có sự thất thoát nhiệt trong quá trình đun nóng -Thiết bị không sạch: mâm còn dư hỗn hợp nhập liệu của lần thí nghiệm trước,…
-Phù kế có sai số
Trang 20c.1)Công thức sử dụng trong bài thí nghiệm:
Công thức đổi độ rượu sang phần mol:
xr =
( )
Ví dụ TN1:
xF =
( ) = 0.113 Đặc biệt xw tính bằng cách dùng nhiệt độ đáy đo từ thí nghiệm dĩng vào đồ thị T-x,y, cắt đường nhiệt độ cân bằng của lỏng và chiếu xuống trục hồnh, ta được xw
Trang 21 Công thức tính nhiệt dung riêng
CF = xKL.Cr+ (1 – xKL).Cnuoc
Ví du TN1:
Tính cF Hỗn hợp nhập liệu ở 70oC, tra bảng ta có Cr =3095 J/kg.độ ,
CLF : nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu ở nhiệt độ sôi
MF : khối lượng mol của hỗn hợp nhập liệu
tF : nhiệt độ nhập liệu
Trang 2222
tG : nhiệt độ sôi nhập liệu
rA, rB : ẩn nhiệt hóa hơi cấu tử A và B
Ví dụ TN1:
HF = 3921,7.(70 – 0) 21,164 = 5809,920 kJ Để tìm y*, ta sử dụng đồ thị x-y, với xF = 0.113, ta dóng lên đường cân bằng lỏng hơi được y* = 0.457
Rồi dùng y* tra tiếp vào đồ thị T-x,y, giao điểm với đường nhiệt độ cân bằng pha hơi, ta được điểm sương tG = 86oC
HG=0,457.(0,331.46.86+836,35.46)+(1-0,457) (0,4202.18.86+2293,61.18) = 49515,67 kJ
6 Tài liệu tham khảo:
[1].Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị – tập 3 – Truyền khối”, ĐHQG Tp.HCM;
[2].Các tác giả, “Sổ tay Quá trình và Thiết bị tập 1&2”, ĐHBK
Hà Nội;
[3].Trịnh Văn Dũng, “Tóm tắt bài giảng Các Quá trình và Thiết
bị Truyền khối”
Trang 2323