BÁO CÁO TRUYỀN KHỐI

BỘ CƠNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH TRUNG TÂM MÁY VÀ THIẾT BỊ  TIỂU LUẬN MÔN HỌC TRUYỀN KHỐI Đề tài: Chưng cất hỗn hợp etanol-nước tháp mâm chóp GVHD: ThS Cao Thanh Nhàn Nhóm: DHMT Lớp HP: Thành phố Hồ Chí Minh, tháng năm 2010 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC  TIỂU LUẬN MÔN HỌC CƠ LƯU CHẤT Đề tài: Lực cản ứng dụng GVHD: ThS Cao Thanh Nhàn Nhóm: DHMT Lớp HP: Danh sách sinh viên nhóm DHMT4: GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng BÀI SỐ 1:KHẢO SÁT CHẾ ĐỘ CỘT CHÊM (THÁP ĐỆM) I Mục đích thí nghiệm: Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất khả hoạt động tháp đệm cách xác định: - Ảnh hưởng vận tốc khí lỏng lên độ giảm áp suất dòng khí qua cột - Sự biến đổi hệ số ma sát fck cột theo chuẩn số Reynolds Rec dòng khí suy hệ thức thực nghiệm - Sự biến đổi thừa số  liên hệ độ giảm áp dòng khí cột khô cột ướt với vận tốc dòng chảy II Lý thuyết thí nghiệm: 2.1 Cấu tạo Tháp đệm tháp hình trụ gồm nhiều gia đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật đệm đổ đầy tháp theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Vật đệm sử dụng phổ biến : Vòng Rasching Vật đệm hình yên ngựa Vật đệm vòng xoắn 2.2 Sự chuyển động lưu chất qua tháp đệm Khi chất lỏng chuyển động từ xuống pha khí chuyển động từ xảy chế độ thủy lực: Chế độ màng Chế độ treo Chế độ nhũ tương Chế độ kéo theo 2.2.1 Độ giảm áp cột khô GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng ∆PC  Gn ( với n = 1.8 - 2) lg∆PC/Z = nlgG – lgZ Đây phương trình đường thẳng có hệ số góc n 2.2.2 Độ giảm áp cột khô Trong giai đoạn đầu lượng chất lỏng bị giữ lại tháp không đổi theo tốc độ khí Giai đoạn lượng chất lỏng bị giữ lại tháp tăng nhanh theo tốc độ khí, chỗ trống tháp nhỏ dần độ giảm áp pha khí tăng nhanh 2.3 Thừa số ma sát Fck theo Rec cột khô Thừa số ma sát fck hàm số theo chuẩn số Re với Re : Rec = G*De/  = 4G/a  Trong đó:  : độ nhớt dòng khí, kg/m.s Zhavoronkow xác định khí dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chảy rối ứng với trị số Rec = 50 Trong vùng chảy rối 50 < Re < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên thì: fck = 3.8/Re0.2 Trong vùng chảy dòng Re < 50 hệ số ma sát tính: fck = 140/Re 2.4 Độ giảm áp ∆Pcư cột ướt Sự liên hệ: ∆Pcư =  ∆Pck fcư =  fck 2.5 Điểm lụt cột chêm 1  2  f ck a.v  G  g  L L G  0.2 G L Trong đó: fck = tính từ hệ thức liên hệ với Re  = vận tốc dài khí trước vào cột chêm  = độ nhớt tương đối chất lỏng so với nước Hệ thống hấp thu lỏng khí DIDACTA GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hồng Mơ hình thí nghiệm Các bước tiến hành Mở van cho nước vào bình chứa (khóa van 11) Mở van 14 6, khóa van Mở bơm lỏng đến nước qua van chảy ngược vào bình chứa ngừng bơm khóa van Khóa van 23, mở van 22, sau mở máy nén để thổi hết lượng nước đọng khe vật đệm Sau khoảng phút, chuẩn bị làm thí nghiệm cột khơ GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng Đo độ giảm áp cột khơ - Khóa van 22 để thay đổi lượng khí qua cột Ứng với giá trị lưu lượng khí ghi lại giá trị ∆Pck áp kế thủy ngân Điều chỉnh lưu lượng từ mức cao xuống thấp để đảm bảo điều kiện làm việc máy nén - Sau tiến hành xong thí nghiệm cột khô tắt máy nén Đo độ giảm áp dòng khí cột ướt - Mở van 13 Bật bơm lỏng, điều chỉnh van 14 để giữ lưu lượng lỏng không đổi - Mở van 22, mở máy nén để đưa khơng khí vào tháp - Khóa dần van 22 thay đổi lưu lượng khí G tương ứng với giá trị G đo cột khô đọc ∆Pcư áp kế - Lặp lại giá trị khác L Nếu xảy tượng ngập lụt tắt máy - Sau làm xong thí nghiệm ngừng máy tắt bơm, máy nén mở van xả hết nén chất lỏng lại tháp ngồi III Báo cáo thí nghiệm: Kết thí nghiệm Bảng 1: Kết thí nghiệm cột khô: STT G ∆Pck (N/m2) (kg/m2.s) 0,097 0,98.105 0,194 1,96.105 0,293 2,94.105 0,39 4,9.105 0,487 7,84.105 0,584 10,79.105 Bảng 2: Kết thí nghiệm cột ướt: GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng 0,004 Llỏng (l/s) 0,053 G( STT 0,067 0,093 ∆Pcư (N/m2) kg/s.m ) 0,097 2,02 105 2,94 105 2,94.105 2,94 105 9,81 105 0,194 4,9 105 6,86 105 105 9,81 105 23,53 105 0,293 9,81 105 11,76 105 18,63 105 20,6 105 39,62 105 0,39 21,33 105 25,15 105 39,22 105 44,62 105 71 105 0,487 37,26 105 48,55 105 76,5 105 80,95 105 128,17 105 0,584 58,82 105 60,89 122,39 105 128,24 105 205,88 105 Xử lý số liệu  Đổi đơn vị: 1N/m2 = 1Pa = 1,02.10-6 mmH2O 0,08 m3 1.1000  l     h 60  phút  kg  D2 3600 s m D  80 mm Z = 1.6 m 760 mmHg 1033 1mmHg  1,33.102 Pa 1cmH 2O   Cơng thức tính Re: Re  4G a (2) Với: a: diện tích bề mặt riêng vật chêm, m3/m2; a = 360 m3/m2  k: Độ nhớt dòng khí, kg/m.s;  = 0,187 Ns/m VD: Re  4.0,097  0,00576 360.0,187 GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hồng  Cơng thức tính fck: Do Re < 50 => fck = 140 Re (3) VD : fck = 140/0,00576= 24305,56  Cơng thức tính fcư: fcư =  fck (4) Với  = Pcu Pck VD:  = Pcu 2,02.105  2,06 => fcư =  fck = 2,06.24305,56 = 50068,63 = Pck 0,98.105 Bảng kết tính tốn đồ thị minh họa Kết tính tốn cột khơ G, kg/m2.s Log G ∆Pck/Z, log(∆P/Z), N/m2 / m N/m2 / m Reck fck 0,097 -1,013 0,61.105 4,79 0,0058 24305,56 0,194 -0,712 1,23 105 5,09 0,0115 12145,36 0,293 -0,533 1,84 105 5,26 0,0174 8041,64 0,39 -0,409 3,06 105 5,49 0,0232 6041,54 0,487 -0,312 4,90 105 5,69 0,0289 4838,19 0,584 -0,234 6,74 105 5,83 0,0347 4034,59  Đồ thị log (∆Pck/Z) theo log G GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng  Đồ thị fck theo Re 3.2.Kết tính tốn cột ướt: Sự liên hệ độ giảm áp khô ∆Pcư =  ∆Pck với: STT  GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng 2.06 3.00 3.00 3.00 10.01 2.50 3.50 4.59 5.01 12.01 3.34 4.00 6.34 7.01 13.48 4.35 5.13 8.00 9.11 14.49 4.75 6.19 9.76 10.33 16.35 5.45 5.64 11.34 11.89 19.08  Kết tính toán fcư cho cột ướt Llỏng (l/s) 0.004 0.053 0.067 0.08 0.093 STT Recư fcư 1.40 50068.63 72872.16 72872.16 72872.16 238291.98 2.81 30363.40 42508.76 55769.51 60788.77 285780.34 4.24 26832.81 32166.55 50957.73 56346.17 318609.71 5.64 26299.19 31009.12 48356.97 55014.99 428949.23 7.05 22993.76 29961.00 47209.41 49955.58 620111.20 8.45 21993.93 22767.95 45763.98 47951.41 830641.19 0.067 0.08 0.093 3.3 Kết tính tốn log (∆Pcư /Z) cho cột ướt: Llỏng (l/s) 0.004 0.053 STT log G log (∆Pcư /Z) -1,013 5,1 5,26 5,26 5,26 5,79 -0,712 5,49 5,63 5,75 5,79 6,17 -0,533 5,79 5,87 6,07 6,11 6,39 -0,409 6,12 6,2 6,39 6,45 6,65 -0,312 6,37 6,48 6,68 6,7 6,9 -0,234 6,57 6,58 6,88 6,9 7,11  Đồ thị log (∆Pcư /Z) theo log G GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng Bàn luận Dựa vào đồ thị số liệu thực nghiêm ta thấy: - Đối với cột khơ: G tăng độ giảm áp tăng theo đường thẳng - Đối với cột ướt: G tăng độ giảm áp tăng theo chia thành vùng rõ rệt giản đồ lý thuyết đề cập Khi lưu lượng lỏng tăng cột dễ gần đến điểm lụt Từ đồ thị thu ta thấy vùng sau điểm gia trọng giá trị P tăng lên nhanh, đột ngột Đoạn thẳng vùng dốc nên ta khó vận hành cột chêm chế độ nhũ tương cột chêm hoạt động tốt chế độ Giản đồ f theo Re lập nhằm để biểu diễn phụ thuộc trở lực vào lưu lượng dòng lưu chất Nếu lưu lượng dòng lưu chất lớn thì hệ số ma sát f hai pha tăng Lập đồ thị nhằm xác định lưu lượng hợp lý để vận hành cột, để trở lực nhỏ thu hiệu suất truyền khối tốt hai pha với mà cột không bị lụt Tuy nhiên đồ thị ta lại thấy điều ngược lại tức lưu lượng tăng lên trở lực lại giảm dần, kết thu ảnh hưởng sai số GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hồng q trình thí nghiệm Nếu biết hai giá trị Re f dùng đồ thị dùng đồ thị để xác định giá trị lại sau: Từ giá trị f Re biết kẻ đường thẳng theo phương ngang theo phương đứng, cắt đồ thị f-Re điểm Từ giao điểm đó, kẻ đường thẳng vng góc với trục lại xác định giá trị cần tìm Sự liên hệ đối tượng tương đối gần với dự đoán Cụ thể mối liên hệ sau: - Log(Pck/Z) - logG: phụ thuộc tuyến tính với theo đường thẳng giống lý thuyết nhận định - Pcử/Z - G gần chia thành hai hướng rõ rệt: vùng điểm gia trọng vùng điểm gia trọng vùng điểm gia trọng P tăng chậm dặn nên điểm thu gần nằm đường thẳng Vùng điểm gia trọng P tăng nhanh, đột ngột nên đoạn thẳng dốc; tăng lưu lượng lỏng khí lên cao tiến đến điểm lụt cột - Log - L: hoàn tồn phụ thuộc tuyến tính với nên thể thành đường thẳng đồ thị Phù hợp với lý thuyết đề cập đến Tuy nhiên q trình làm thí nghiệm có nhiều sai số Những nguyên nhân dẫn đến sai số do: - Lưu lượng dòng lỏng khơng ổn định - Lưu lượng dòng khí khơng ổn định - Cột nước trì đáy cột khơng đảm bảo u cầu làm cho mực nước xâm nhập vào ống đo độ chênh áp làm ảnh hưởng đến kết - Ma sát dòng khí có tốc độ lớn với ống dẫn làm cho ống nóng lên làm tăng thể tích khí làm tăng áp suất ảnh hưởng đến độ chênh áp 10 GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hồng BÀI SỐ 2:CHƯNG GIÁN ĐOẠN KHƠNG HỒN LƯU I Mục đích thí nghiệm: Q trình chưng cất gián đoạn khơng hồn lưu nhằm khảo sát ảnh hưởng thông số sau:  Hiệu suất tháp chưng tiến hành không hồi lưu  Sự biến đổi nồng độ sản phẩm đỉnh theo thời gian chưng cất II Lý thuyết thí nghiệm: Định nghĩa hồn lưu Chưng phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng, khí lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay khác cấu tử hỗn hợp (cùng nhiệt độ, áp suất cấu tử khác) Chưng dung mơi chất tan bay hơi, đặc có dung mơi bay chất tan khơng bay Khi chưng trường hợp cấu tử ta thu sản phẩm đỉnh gồm cấu tử có độ bay lớn phần cấu tử có độ bay bé, sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay bé phần có độ bay lớn Cân vật chất Xét trình chưng gián đoạn, thành phần lượng sản phẩm thay đổi theo thời gian Lượng hỗn hợp đầu kg, thành phần cấu tử dễ bay hỗn hợp đầu Tại thời điểm lượng chất lỏng nồi chưng với nồng độ Khi bóc lượng vơ nhỏ dw nồng độ nồi giảm lượng 11 GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hồng lượng chất lỏng lại nồi Như lượng cấu tử dễ bay nồi - thời điểm xét là: ( -dW)( - ) Lượng cấu tử dễ bay chuyển vào pha là: Phương trình cân vật liệu cấu tử dễ bay thời điểm xét: Lượng bé ta bỏ qua được, đơn giản ta có: Phương trình cho tồn q trình là: _ _ _ F W D  _ _  _ _ x F F  xW W  x D Cân lượng 3.1 Cân nhiệt lượng toàn tháp QF +QK = QD +QW +Qm +Qng  QK = QD + QW +Qm +Qng -QF QK: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, W Qm: nhiệt lượng mát môi trường xung quanh (W) lấy từ 5% đến 10% nhiệt lượng cần cung cấp QF: nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào, W  QF  F CPF t F QD: nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra, W  QD  D C PD t D QW: nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra, W _ QW  W CPR tW Qng: nhiệt lượng trao đổi thiết bị ngưng tụ, W _ Qng  D rD 12 GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng C PF , C PD , C PW : nhiệt lượng riêng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, J/kg.độ t F , t D , tW : nhiệt độ nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, 0C rD : nhiệt hóa sản phẩm đỉnh, kJ/kg 3.2 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ Đối với q trình ngưng tụ khơng làm lạnh: _ Qng  D rD  G.C.(t r  tv )  Qm Đối với trình ngưng tụ làm lạnh:  _ Qng  D rD  D C PD (t S D  t D )  G.C.(t r  t v )  Qm Trong đó: t v , t r : nhiệt độ vào nước, C G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s C: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt, J/kg/độ t S D : nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, C Nguyên tắc sơ đồ chưng gián đoạn khơng hồn lưu Trong q trình chưng đơn giản nước lấy cho ngưng tụ 13 GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hồng Mơ hình chưng cất Hệ thống chưng cất mâm xuyên lỗ Tiến hành thí nghiệm 14 GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng  Mở van W tháo hết sản phẩm đáy nồi đun đo độ rượu phù kế.Sau lấy cồn 960 pha với sản phẩm đáy thành rượu 200 đổ đầy bình chứa nhập liệu.Đo lại độ rượu bình nhập liệu ghi vào bảng kết độ rượu nhập liệu VF  Đóng cầu dao tổng hệ thống,mở cơng tắc điện nguồn chính.Đóng khoảng ¾ van hoàn lưu N1 bơm nhập liệu,mở van N3,N5 đóng van N2 van N4.Mở bơm nhập liệu bơm rượu vào nồi đun mực lỏng ống mực tới vạch khoảng ½ nồi đun.Khi hỗn hợp nồi đun vạch trắng (1/3) nồi đun cháy điện trở nồi đun,luôn phải ý mức chất lỏng nồi đun  Mở công tắc gia nhiệt nồi đun, chờ nồi đun sôi.Khi hỗn hợp sôi ta mở van nước GN cho thiết bị ngưng tụ  Dùng kế đo thời gian phút ta tiến hành đo nhiệt độ nồi đun , nhiệt độ sản phẩm đỉnh ,lượng sản phẩm đỉnh thu qua bình chứa sản phẩm đỉnh nồng độ sản phẩm đỉnh.Xác định nồng độ sản phẩm đỉnh cách mở van D để lấy mẫu sản phẩm vào ống đong đo nồng độ phù kế  Khi sản phẩm thu khoảng 200ml dừng thí nghiệm Ngừng máy  Tắt gia nhiệt nồi đun  Tháo sản phẩm đỉnh bình chứa cồn  Tắt van nước GN cho thiết bị ngưng tụ qua sản phẩm đỉnh  Ngắt công tắc điện vào hệ thống  Ngắt cầu dao điện hệ thống Hệ thống chưng cất DVI 3000 bước tiến hành thí nghiệm  Hòa trộn lít hỗn hợp nhập liệu có nồng độ cồn 150  Đổ dung dịch vào nồi đun qua nắp nồi,đo nồng độ nhập liệu sau lần đổ vào lấy giá trị trung bình  Đóng chặt nắp nồi  Mở cơng tắc điện chính,đèn trắng kích hoạt  Mở hệ thống nước giải nhiệt 15 GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hồng  Mở cơng tắc tổng cách mở nút khóa khẩn cấp nhấn vào nút bấm màu xanh  Thiết lập giá trị điều khiển PID lưu lượng dòng giải nhiệt  Mở điện trở nồi đun  Cài đặt độ giảm áp tháp chưng cất giá trị thấp 10mB điều khiển PID  Chuyển công tắc chia dòng hồn lưu sang chế độ “Reflux” hồi lưu hồn toàn  Sau đạt trạng thái ổn định ( khoảng 30 đến 45 phút ) chuyển công tắc chia dòng hồn lưu sang chế độ “Draw off” khơng hồn lưu thu sản phẩm đỉnh  Đợi 15 phút đo thể tích nồng độ sản phẩm thu  Cài đặt giá trị P mức 12mB đợi thêm khoảng 15 phút lấy mẫu đo  Tương tự tiến hành thí nghiệm với giá trị P khác Lưu ý: số trường hợp giá trị nhiệt độ dọc theo tháp chưng cất khơng thay đổi trạng thái ổn định chưa đạt giá trị thành phần pha thay đổi chậm.Vì thời gian làm việc kéo dài để dễ dàng xác định thời gian lấy mẫu ứng với 15 phút III Báo cáo thí nghiệm: Kết thí nghiệm Bảng kết thí nghiệm nồng độ suất: STT (s) vF (%V) VF (lít) P vD (mB) (%V) VD (lít) vW (%V) G (l/s) 15 10 - - - 300 900 15 4,17 10 82 0,1 13 300 1800 13 3,762 12 86 0,173 12 300 2700 12 3,497 14 74 0,178 11 300 3600 11 3,256 16 65 0,162 10 300 4500 10 3,053 18 58,5 0,132 300 16 GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hồng Bảng kết thí nghiệm nhiệt độ STT T1 C T2 C T3 C T4 C T5 C T7 C T8 C 90,7 81,7 77,09 76,7 77,5 29,1 29,4 91,5 89,6 81,07 78,1 78,3 29,2 29,4 92,8 91,5 87,9 87 85,8 29,2 29,7 94,3 93,3 90,5 89,5 88,8 29,1 29,8 95,9 94,8 91,3 91,4 90,4 29,1 29,7 97,2 96,4 93,6 93,4 92,2 29 29,5 T2 0C: Nhiệt độ sản phẩm đáy T5 0C: Nhiệt độ sản phẩm đỉnh T7 0C: Nhiệt độ dòng giải nhiệt vào T8 0C: Nhiệt độ dòng giải nhiệt Xử lý số liệu  Nồng độ phần mol Etanol nhập liệu  Nồng độ phần khối lượng Etanol nhập liệu  Lượng hỗn hợp đầu 17 GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn SVTH: Đinh Tuấn Hoàng : khối lượng riêng rượu nhập liệu Nội suy theo bảng I.2 – Sổ tay QTTB tập – trang vF (%) t0 C (kg/m3) 15 30 980,71 13 89,6 950,635 12 91,5 957,28 11 93,3 958,952 10 94,8 960,76  Nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đỉnh  Nồng độ phần khối lượng Etanol sản phẩm đỉnh  Lượng sản phẩm đỉnh : khối lượng riêng rượu sản phẩm đỉnh Nội suy theo bảng I.2 – Sổ tay QTTB tập – trang vD (%) t0 C 18 (kg/m3)