Báo cáo thực hành quá trình thiết bị chưng cất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHIỆ HÓA HỌC  -  BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT GVHD: Ths.Nguyễn Tiến Đạt Nhóm Tổ : TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2017 CHƯNG CẤT MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát đánh giá ảnh hưởng thông số: số hồi lưu, nhiệt độ (trạng thái) vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất trình chưng cất lượng nhiệt cần sử dụng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Định nghĩa chưng cất Chưng cất trình dùng để tiến hành phân tách hỗn hợp lỏng – lỏng, lỏng – khí, khí – khí thành cấu tử riêng biệt dựa vào khác độ bay cấu tử hỗn hợp 2.2 Cân vật chất Quá trình tính tốn cân vật chất chưng cất dựa sở phương pháp Mc Cabe – Theile xem gần đường làm việc phần chưng phần cất đường thẳng chấp nhận số giả thiết sau: Suất lượng mol pha từ lên tất tiết diện tháp Nồng độ pha lỏng sau ngưng tụ có thành phần thành phần khỏi đỉnh tháp Dòng vào khỏi tháp trạng thái bão hòa Dòng hồi lưu vào tháp trạng thái lỏng sôi Suất lượng mol pha lỏng không đổi theo chiều cao đoạn cất đoạn chưng 2.2.1 Phương trình cân vật chất Trong đó: F, P, W: suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy sản phẩm đỉnh, kmol/h : thành phần mol cấu tử dễ bay tháp nhập liệu, sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy, mol/mol 2.2.2 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu) Chỉ số hồi lưu tỉ số lưu lượng dòng hồn lưu ( lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (D) Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) xác định thông qua số hồi lưu tối thiểu ( xác định theo phương trình sau: 2.2.3 Phương trình đường làm việc Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng : tỉ lệ lưu lượng hỗn hợp nhập liệu so với lưu lượng sản phẩm đỉnh 2.2.4 Xác định số mâm lý thuyết + Vẽ đường cân x-y đồ thị nồng độ phần mol + Xác định phường trình đường làm việc đoạn cất đoạn chưng biễu diễn phương trình đường làm việc lên đồ thị + Vẽ bâc thang điểm P () kết thúc W() Số bậc thang đồ thị số mâm lý thuyết cần tìm 2.3 Cân lượng 2.3.1 Cân nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu Trong đó: : nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu, kW : lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu, kg/s : nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg : nhiệt độ nhập liệu vào khỏi thiết bị, : nhiệt mát thiết bị gia nhiệt nhập liệu, kW 2.3.2 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ Nếu q trình ngưng tụ khơng làm lạnh Nếu q trình ngưng tụ có làm lạnh Trong đó: : lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/s : nhiệt hóa sản phẩm đỉnh, kJ/kg : nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg : nhiệt độ vào nước, G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s C: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt, J/kg : nhiệt độ sơi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, : nhiệt mát thiết bị ngưng tụ Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh Làm lạnh sản phẩm đỉnh Làm lạnh sản phẩm đáy Trong đó: : lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/s : nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kJ/kg : nhiệt độ sản phẩm đỉnh vào khỏi thiết bị, : nhiệt độ sản phẩm đáy vào khỏi thiết bị, : nhiệt độ vào nước thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, : nhiệt độ vào nước thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, : lưu lượng dòng giải nhiệt thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kg/s : lưu lượng dòng giải nhiệt thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kg/s : nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh,J/kg : nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, J/kg : nhiệt mát thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kW : nhiệt mát thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kW Cân nhiệt toàn tháp Trong đó: : nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kW : nhiệt lượng mát môi trường xung quanh thường lấy gần khoảng 5% đến 10% nhiệt lượng cần cung cấp : nhiệt lượng dòng nhập liệu mang vào, kW : nhiệt lượng dòng sản phẩm đỉnh mang ra, kW : nhiệt lượng dòng sản phẩm đáy mang ra, kW : nhiệt lượng trao đổi thiết bị ngưng tụ, kW : nhiệt lượng dòng hồn lưu mang vào, kW THIẾT BỊ VÀ HĨA CHẤT 3.1 Dụng cụ hóa chất Hỗn hợp cồn (Ethanol – nước) 96 độ cồn Tỷ trọng kế (phù kế) từ từ Ống đong lít Ống đong 100ml Nhiệt kế 3.2 Phần mềm DIV3000 Chương trình điều khiển DVI3000 chạy phần mềm Winzon tiến hành trình kết nối, điều chỉnh, điều khiển tất thông số hệ thông chưng cất DVI3000 THỰC NGHIỆM 4.1 Chuẩn bị Pha trộn dung dịch vào bình chứa nhập liệu (khoảng 200 lít) từ nồng độ khoảng 20 đến 30 độ cồn (thành phần phần thể tích) Mở cơng tắc điện chính, đèn trắng kích hoạt, mở cơng tắc tổng (chú ý mở nút kháo khẩn cấp) Mở máy tính khởi động chương trình điều khiển DIV3000, đợi chương trình kiểm tra xong việc kết nối sẵn sàng hoạt động Mở hệ thống nước giải nhiệt, cài đặt chế độ làm việc “Auto” lưu lượng nước giải nhiệt Mở van nhập liệu vị trí thấp nhất, mở van sản phẩm đáy Điều chỉnh lưu lượng bơm nhập liệu với hiệu suất 100%, số vòng quay tối đa, sau mở cơng tắc bơm đưa nhập liệu vò nồi đun Khi lượng lỏng nồi đun đủ (khi dung dịch chảy qua bình chứa sản phẩm đáy) ngưng bơm nhập liệu Khóa van nhập liệu van thu hồi sản phẩm đáy Cài đặt chế độ làm việc “Auto” độ giảm áp tháp chưng cất giá trị 20mBar điều khiển độ chênh áp PID Chuyển công tắc chia dòng hồn lưu sang chế độ “ Reflux” (hồi lưu hoàn toàn) Mở điện trở gia nhiệt nồi đun, theo dõi trạng thái hỗn hợp Khi xuất dòng ngưng tụ đỉnh tháp, tiến hành lấy sản phẩm đỉnh, cách chuyển cơng tắc chia dòng hồi lưu sang chế độ “ Draw off” (không hồi lưu) Sau lấy mẫu xong chuyển công tắc trở chế độ “ Reflux”, đo nồng độ sản phẩm đỉnh Xác định số hồi lưu tối thiểu Xác định nhiệt độ sơi nhập liệu 4.2 Tiến hành thí nghiệm Cài đặt chế độ làm việc “Auto” giá trị nhiệt độ sôi nhập liệu điều khiển thiết bị gia nhiệt nhập liệu Khi nhiệt độ nhập liệu gần nhiệt độ sôi nhập liệu, tiến hành mở van nhập liệu điều chỉnh bơm nhập liệu với tốc độ (10-15) lit/h Cài đặt đọ giẳm áp tháp chưng cất giá trị 20mBar điều khiển độ chênh áp Mở van thu sản phẩm đỉnh sản phẩm đáy Điều chỉnh cơng tắc chia dòng vị trí “ Cycle” (hồi lưu phần) Cài đặt giá trị tỉ số hồi lưu giá trị thấp 1.5 lần giá trị số hồi lưu tối thiểu cách cài đặt chế độ làm việc “Manu”, chu kỳ lấy mẫu giá trị phần trăm hồi lưu Sau 10p, tháo hết dung dịch có bình chứa sản phẩm đỉnh Đo lưu lượng sản phẩm đỉnh phương pháp thể tích nồng độ sản phẩm đỉnh Ghi thơng số nồng độ, nhiệt độ vào bảng số liệu Lần lượt tiến hành thí nghiệm với cấc giá trị tỉ số hồi lưu, vị trí mâm nhập liệu nhiệt độ nhập liệu khác Sau lần điều chỉnh chế độ làm việc phải đợi 10p để hệ thống ổn định tháo hết dung dịch bình chứa sản phẩm đỉnh xác định thông số 4.3 Các lưu ý Trong suốt q trình làm thí nghiệm cần ý vấn đề sau: - Lưu lượng dòng nước giải nhiệt vào hệ thống, khơng có phải ngừng hệ - thống Lượng hỗn hợp nhập liệu hết phải ngừng trình làm việc Theo dõi biến đổi nhiệt độ suốt thời gian làm việc giải thích Đánh giá kết đo thành phần lưu lượng dòng sản phẩm để điều chỉnh chế độ làm việc hợp lí KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Nồng độ rượu nhập liệu:  - Tính tốn Độ rượu suy , - Ở nhiệt độ phòng 30 - Từ ta khảo sát giá trị số hồi lưu sau đây: -  Tính cân vật chất: Bảng kết thí nghiệm: Khảo sát mâm nhập liệu cuối (mâm 1) Độ rượu đỉnh R 1.68 10 290 90 2.24 10 160 91 10 150 91 Trong đó: 92,1 89,9 85,3 78,2 77,9 91,4 29,2 30 93,6 91,2 87,8 81,8 79 91,3 29,1 29,7 94,9 91,6 89,3 88,1 82,5 90,9 29,1 29,9 : nhiệt độ nồi đun, : nhiệt độ mâm đáy tháp, : nhiệt độ mâm tháp, : nhiệt độ mâm đỉnh tháp, : nhiệt độ dòng hồn lưu, : nhiệt độ dòng nhập liệu, : nhiệt độ dòng lạnh vào, : nhiệt độ dòng dạnh ra, R=2.81, nhiệt độ phòng 30 Ta có: - Năng suất nhập liệu: - Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh: Suy - Năng suất sản phẩm đỉnh: - Năng suất sản phẩm đáy: W= Nồng độ sản phẩm đáy: Suy ra: Tóm tắt giá trị tính cho mâm 1: R 1.5 0.092 0.206 2.1 0.092 0.206 2.6 0.092 0.206 F P W () () () 0,733 0,875 0,036 0,421 0,038 0,091 0,756 0,888 0,020 0,437 0,063 0,146 0,756 0,888 0,018 0,439 0,065 0,150 - Phương trình đường cất có dạng: - Phương trình đường chưng có dạng: ( ) R Phương trình đường cất Phương trình đường chưng 1.68 0.627x + 0.274 5,348x – 0,163 2.24 0.691x + 0.233 7,904x – 0.434 2.81 0.738x + 0.198 7,28x – 0.407 10 - Đồ thị: Ứng với R=1.68 Suy số mâm lý thuyết: - Ứng với R=2.24 Suy số mâm lý thuyết: 11 - Ứng với R=2.81 Suy số mâm lý thuyết: Nhận xét: Khi số hồi lưu tăng số mâm lý thuyết giảm Nhận xét: Khi số hồi lưu tăng nồng độ sản phẩm đỉnh tăng Bảng kết thí nghiệm: Khảo sát mâm nhập liệu (mâm 2) R (l/h) 1.68 10 (l/h) 0.9 2.24 10 2.81 10 Độ rượu đỉnh 92 98.9 98.4 89.6 82.1 79 90.9 29 30 0.84 93 99.2 99 89.7 80 78.3 90.9 29.4 30.1 0.78 94 99.6 99.3 89.6 78.0 78 91 28.9 29.9 R=2.24, nhiệt độ phòng 30 Ta có: 0.0927 - Năng suất nhập liệu: - Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh: - Suy Năng suất sản phẩm đỉnh: - Năng suất sản phẩm đáy: W= Nồng độ sản phẩm đáy: Suy ra: Bảng tóm tắt giá trị nhập liệu mâm 12 R 1.68 0.0927 0.207 F P W () () () 0.455 0.0927 0.207 2.24 0.455 0.0927 0.207 2.81 0.455 0.756 0.875 0.756 0.887 0.756 0.887 - Phương trình đường cất có dạng: - Phương trình đường chưng có dạng: R 1.68 2.25 2.81 - 0.018 0.017 0.016 Phương trình đường cất y = 0.627x + 0.29 y = 0.691x + 0.248 y = 0.738x + 0.217 0,064 0,150 0,066 0,153 0,068 0,156 0.437 0.438 0.439 Phương trình đường chưng y = 10,11 - 0,586 y = 9,26x - 0,545 y = 8.74x - 0,523 Đồ thị: Ứng với R=1.68 Suy số mâm lý thuyết: - Ứng với R=2.24 Suy số mâm lý thuyết: - Ứng với R=2.81 Suy số mâm lý thuyết: Nhận xét: Khi số hồi lưu tăng số mâm lý thuyết giảm 13 Khi số hồi lưu tăng nồng độ sản phẩm đỉnh tăng Bảng kết thí nghiệm: Khảo sát mâm nhập liệu (mâm 3) Độ rượ u đỉnh R 1.6 10 0,9 92 98, 97, 87, 86, 79, 90, 29, 30,1 2.2 10 0,7 93 98, 96, 87, 83, 79 91 29 30 2.8 10 0,7 94 98, 96 87 82, 78 91, 29 30,1 Bảng tóm tắt giá trị nhập liệu mâm (mâm 3) R F P W () () () 1.6 0,093 0,207 0,457 0,733 0,875 0,036 0,421 0,038 0,091 2.2 0,093 0,207 0,457 0,756 0,888 0,020 0,437 0,063 0,146 2.8 0,093 0,207 0,457 0,756 0,888 0,018 0,439 0,065 0,150 - Phương trình đường cất có dạng: - Phương trình đường chưng có dạng: 14 R Phương trình đường cất Phương trình đường chưng 1.59 0.627x + 0.29 10,11x – 0.586 2.12 0.691x + 0.248 9,92x – 0.606 2.65 0.733x + 0,217 9,41x – 0.585 Đồ thị: - Ứng với R=1.68 Suy số mâm lý thuyết: - Ứng với R= 2.24 Suy số mâm lý thuyết: - Ứng với R= 2.81 Suy số mâm lý thuyết: Nhận xét: Chỉ số hồi lưu tăng mà số mâm lý thuyết không đổi Nhận xét: Khi số hồi lưu tăng nồng độ sản phẩm đỉnh tăng 15 Qua khảo sát vị trí mâm với giá trị số hồi lưu trên, ta thấy vị trí mâm nhập liệu giá trị số hồi lưu có ảnh hưởng đến số mâm lý thuyết nồng độ sản phẩm đỉnh NGUYÊN NHÂN CỦA SAI SỐ + Các giá trị đo lấy sai số + Sai số trình tính tốn, xử lý số liệu  Cách khắc phục: + Nắm rõ thông số cần phải xác định q trình thí nghiệm + Đọc kết tính tốn cẩn thận, lấy sai số mức tối thiểu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Bin – Các q q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Tài liệu hướng dẫn thực hành Các q trình thiết bị cơng nghệ hóa học, trường Đại học Cơng nghiệp TP HCM 16 ...CHƯNG CẤT MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát đánh giá ảnh hưởng thông số: số hồi lưu, nhiệt độ (trạng thái) vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất trình chưng cất lượng nhiệt... thuyết, hiệu suất trình chưng cất lượng nhiệt cần sử dụng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Định nghĩa chưng cất Chưng cất trình dùng để tiến hành phân tách hỗn hợp lỏng – lỏng, lỏng – khí, khí – khí thành cấu... hỗn hợp 2.2 Cân vật chất Q trình tính tốn cân vật chất chưng cất dựa sở phương pháp Mc Cabe – Theile xem gần đường làm việc phần chưng phần cất đường thẳng chấp nhận số giả thiết sau: Suất lượng