Thí nghiệm QTTB Chưng cất

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ (MÃ MÔN HỌC 602047) Bài : CHƯNG CẤT GVHD: BÙI NGỌC PHA SVTH: NGUYỄN CAO HUỲNH AN MSSV : 61502110 NHÓM : S5 – N1 HỌC KỲ I – NĂM HỌC 2018-2019 MỤC LỤC TRÍCH YẾU 1.1 MỤC ĐÍCH 1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Cách xác định số mâm lý thuyết .4 1.2.3 Tỷ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) tỷ số hồi lưu (R) .4 1.2.4 Phương trình đường nồng độ làm việc .5 1.2.5 Hiệu suất 1.2.6 Mối liên hệ hiệu suất mâm Murphree hiệu suất mâm tổng quát THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .7 2.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 2.1.2 Mô tả sơ đồ .7 2.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM KẾT QUẢ ĐO SỐ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 10 3.1 KẾT QUẢ ĐO SỐ LIỆU 10 3.2 CƠNG THỨC TÍNH TỐN .10 3.2.1 Dòng nhập liệu 10 3.2.2 Dòng sản phẩm đỉnh 10 3.2.3 Dòng hồn lưu 11 3.2.4 Dòng sản phẩm đáy 11 3.2.5 Tỷ số hoàn lưu 11 3.2.6 Tính HF .11 3.2.7 Tính 11 3.2.8 Tính 11 3.2.9 Tính q .11 3.2.10.Phương trình đường nhập liệu 11 3.2.11.Phương trình đường cất 11 3.2.12.Phương trình đường chưng .11 3.3 XỬ LÝ SỐ LIỆU 12 3.4 ĐỒ THỊ 15 BÀN LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 26 CHƯƠNG : TRÍCH YẾU 1.1 MỤC ĐÍCH _ Khảo sát ảnh hưởng lưu lượng hồn lưu vị trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt động nhập liệu hiệu suất cột chưng cất độ tinh khiết sản phẩm Căn vào số mâm thực, ước đoán độ tinh khiết sản phẩm đỉnh 1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.2.1 Định nghĩa _ Chưng cất phương pháp tách cấu tử khỏi hỗn hợp ban đầu để thu sản phẩm tinh khiết _ Những nét đặc trưng hệ thống chưng cất : + Hỗn hợp lỏng có hai cấu tử + Dòng nhập liệu trạng thái sơi + Hơi sản phẩm đỉnh ngưng tụ hết hồn tồn + Có dòng hồi lưu đồng thời dòng sản phẩm đỉnh khơng làm nguội + Cấp nhiệt đun sôi lỏng đáy tháp phương pháp truyền nhiệt gián tiếp + Sản phẩm đáy không làm nguội 1.2.2 Cách xác định số mâm lý thuyết _ Để xác định số mâm lý thuyết :  Viết phương trình làm việc phần cất : y =  Viết phương trình làm việc phần chưng: y = _ Ta vẽ hai đường làm việc đồ thị , vẽ đường bậc thang đếm số bậc thang Đây số mâm lý thuyết ta cần tìm 1.2.3 Tỷ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) tỷ số hồi lưu (R) _ Tỷ số hồi lưu tối thiểu (Rmin) : = + Trong đó: y*F nồng độ cân pha y (khí trơ) ứng với nồng độ xF pha lỏng + Lưu ý : Công thức áp dụng cho trường hợp nhập liệu trạng thái lỏng sôi đường nồng độ cân khơng có điểm uốn _ Tỷ số hồi lưu (R) : R = Rmin + Trong đó: hệ số hồi lưu dư (1,13) + Trường hợp khơng biết R tính cơng thức: R = 1,3Rmin + 0,3 1.2.4 Phương trình đường nồng độ làm việc _ Phương trình đường làm việc phần chưng : y= + Trong : f = tỷ số xuất lượng mol tương đối dòng nhập liệu ứng với mol sản phẩm đỉnh f = 1+ W với W = = gọi xuất lượng mol tương đối dòng sản phẩm đáy ứng với mol sản phẩm đỉnh (tức tính theo mol sản phẩm đỉnh) + Đường nồng độ làm việc phần chưng qua điểm có tọa độ (y w,xw) yw= xw 45o qua điểm F có tọa độ tương ứng (xF,yF) F giao điểm đường nồng độ làm việc _ Phương trình đường làm việc phần cất : y = + Với : R = ; R = + Đường làm việc phàn cất qua điểm có tọa độ x D = yD qua điểm F (giao điểm hai đường làm việc) _ Mơ hình mâm lý thuyết mơ hình tốn đơn giản dựa sở sau : a Cân pha lỏng – cho hỗn hợp hai cấu tử b Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng mâm cho pha lỏng – là: + Pha lỏng phải hòa trộn hồn tồn mâm + Pha không lôi giọt lỏng từ mâm lên mâm đồng thời có nồng độ đồng vị trí tiết diện mâm + Trên mâm đạt cân hai pha 1.2.5 Hiệu suất _ Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực, ta cần phải biết hiệu suất mâm, có loại hiệu suất mâm thường dùng là:  Hiệu suất tổng quát, liên quan đến toàn tháp  Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến mâm  Hiệu suất cục bộ, liên quan đến vị trí cụ thể mâm a) Hiệu suất tổng quát _ Là hiệu suất đơn giản sử dụng xác nhất, định nghĩa tỉ số số mâm lý tưởng số mâm thực cho toàn tháp : b) Hiệu suất mâm Murphree _ Là tỉ số biến đổi nồng độ pha qua mâm với biến đổi nồng độ cực đại đạt pha rời mâm cân với pha lỏng rời mâm thứ n : + Trong : : Nồng độ thực pha rời mâm thứ n : Nồng độ thực pha vào mâm thứ n : Nồng độ pha cân với pha lỏng rời ống chảy chuyền mâm thứ n _ Nói chung, pha lỏng rời mâm có nồng độ khơng với nồng độ trung bình pha lỏng mâm, nên dẫn đến khái niệm hiệu suất cục c) Hiệu suất mâm cục EC + Trong đó: : Nồng độ pha rời khỏi vị trí cụ thể mâm n : Nồng độ pha mâm n vị trí : Nồng độ pha cân với pha lỏng vị trí 1.2.6 Mối liên hệ hiệu suất mâm Murphree hiệu suất mâm tổng quát _ Hiệu suất tổng quát tháp không với hiệu suất trung bình mâm Mối quan hệ hai hiệu suất tùy thuộc vào độ dốc tương đối đường cân đường làm việc _ Tuy nhiên, phân tích hoạt động tháp hay phần tháp thực tế, đó, ta đo biến thiên nồng độ qua một vài mâm vị trí khác xác định giá trị xác EM giả sử EM = E0 CHƯƠNG : THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nhiệt động lực học HÌNH 2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ  Chú thích : Mâm xuyên lỗ 10 Bơm sản phảm đáy Bộ phận ngưng tụ 11 Điện trở nồi đun Nước làm nguội 12 Nồi đun Van giảm áp 13 Lưu lượng kế đo dòng nhập liệu Bình chứa sản phẩm đỉnh 14 Lưu lượng kế đo dòng hồn lưu Bình chứa ngun liệu 15 Điện trở đun nóng dòng nhập liệu Ống đong 16 Điện trở đun nóng dòng hồn lưu Bơm hoàn lưu 17 Cửa nhập liệu nồi đun Bơm nhập liệu 2.1.2 Mô tả sơ đồ _Hệ thống tháp chưng cất gồm mâm xuyên lỗ _ Hệ thống đo nhiệt độ dòng nhập liệu, hồn lưu, sản phẩm đỉnh, nồi đun mâm _ Hai lưu lượng kế đo lưu lượng dòng nhập liệu dòng hồn lưu _ Một phù kế đo độ rượu _ Hai ống khắc vạch (ống đong nhỏ lớn): ống lớn để chứa ống nhỏ để đo lưu lượng sản phẩm đỉnh _ Hỗn hợp rượu etanol – nước pha sẵn với thể tích 60 L 2.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM _ Khởi động :  Cho nhập liệu từ 20 – 60 L vào bình chứa qua nắp C1  Để đưa nhập liệu vào khoảng 1/3 nồi đun, ta mở van V7 bật bơm nhập liệu  Đưa điện vào hệ thống, sau bật nút nồi đun chờ nồi đun sơi khởi động bơm nhập liệu Quan sát nhiệt độ nồi hệ thống nhiệt kế điện tử  Quan sát mức chất lỏng nồi thông qua ống đo mức nước bên trái nồi đun suốt thời gian làm thí nghiệm, mức chất lỏng giảm 1/3 phải thêm nhập liệu, đầy tháo bớt chất lỏng nồi  Trong hệ thống đun nóng, mở van chảy tràn sản phẩm đỉnh, van V2 để thông với bình chứa, van sau đóng  Van V3: xả sản phẩm đỉnh  Van hoàn lưu V1: dẫn sản phẩm đỉnh lại tháp chưng cất  Mở van WI cho nước vào làm lạnh hệ thống ngưng tụ  Nối đầu ống dẫn nhập liệu vào mâm nhập liệu thích hợp tháp, điều chỉnh lưu lượng nhập liệu van V6, đóng van V7 trị số thích hợp lưu lượng kế  Sản phẩm đỉnh thu cho hoàn lưu đỉnh cột qua lưu lượng kế, điều chỉnh lưu lượng dòng hồn lưu van V4  Đun nóng dòng nhập liệu dòng hồn lưu  Để rút sản phẩm đỉnh thay cho chảy bình nhập liệu, đóng van V2, hứng sản phẩm đỉnh van V3  Khi thay đổi vị trí mâm, tháo đầu ống nhập liệu mâm cũ gắn vào mâm mới, lúc tháo không cần điểu chỉnh lưu lượng kế  Theo dõi thường xuyên mức chất lỏng nồi, lý đó, mức chất lỏng nồi xuống điện trở, dòng điện tự động ngắt, nhiệt độ nồi giảm bớt cho điện trở hoạt động trở lại _ Ngừng máy :  Tắt điện trở nồi đun  Tắt điện trở đung nóng nhập liệu, hồn lưu tắt bơm  Tháo sản phẩm đỉnh cách mở van R2, van R1 đóng Khi khơng ngưng mở van R3 để rút phần sản phẩm đỉnh lại, van R3 để mở để hệ thống ngưng nguội  Đóng van W1 khơng sản phẩm đỉnh  Ngắt điện hệ thống 793.405 38.20 771.28 20.83 0.1851 0.0260 0.0178 1.46  Tính tốn Enthalpy nhập liệu q TN Vị trí mâm tF 4 39.8 40.1 40.3 40.5 40.4 40.8 (%KL) HF (kJ/kg) HLF (kJ/kg) HGF (kJ/kg) q 0.2235 0.2236 0.2235 0.2234 0.2235 0.2234 153.2685 154.4436 155.2518 156.0419 155.6468 157.2366 344.225 344.215 344.230 344.232 344.231 344.235 2410.85 2410.09 2410.00 2410.45 2409.84 2409.39 1.0924 1.0919 1.0915 1.0911 1.0913 1.0905 F  Phương trình đường cất TN Phương trình đường cất 0.859 0.443 0.619 0.622 0.603 0.593 0.101 0.323 0.252 0.265 0.282 0.294 y = 0.859x + 0.101 y = 0.443x + 0.323 y = 0.619x + 0.252 y = 0.622x + 0.265 y = 0.603x + 0.282 y = 0.593x + 0.294  Phương trình đường chưng TN f= 32.19 4.555 0.285 y = 4.555x – 0.285 7.49 4.183 -0.123 y = 4.183x + 0.123 10.97 4.190 -0.020 y = 4.19x + 0.02 11.55 4.365 -0.040 y = 4.365x + 0.04 10.72 4.267 -0.092 y = 4.267 x +0.092 10.39 4.237 -0.122 y = 4.237 x +0.122 Phương trình đường chưng 13  Phương trình đường nhập liệu TN Phương trình đường nhập liệu 11.82 11.89 11.93 11.98 11.95 12.04 1.096 1.103 1.106 1.111 1.108 1.117 y = 11.82 x -1.096 y = 11.89x – 1.103 y = 11.93x – 1,106 y = 11.98 x – 1.111 y = 11.95x -1.108 y = 12.04 x -1.117 3.4 ĐỒ THỊ  Thí nghiệm : 14  Thí nghiệm : 15 Thí nghiệm : 16 Thí nghiệm : 17 Thí nghiệm : 18 Thí nghiệm : 19 _ Từ đồ thị : Hiệu suất tổng quát Eo thí nghiệm 1: Eo = TN Vị trí mâm R Số mâm lý thuyết Hiệu suất mâm tổng quát 6.07 60 0.80 40 1.62 60 1.65 80 1.52 80 1.46 80 20 CHƯƠNG : BÀN LUẬN Lưu lượng dòng hồn lưu tăng độ tinh khiết sản phẩm tăng dẫn đến hiệu suất mâm tổng quát thay đỗi theo +Khi thay đôi mâm nhập liệu từ xuống ta thấy độ tinh khiết sản phẩm đỉnh tăng + Thay đôi lên mâm số 5, độ tinh khiết giảm + Có thể thấy, vị trí mâm nhập liệu cao, bốc lên dễ lôi hoi nước, đường bị rút ngắn, qua mâm dẫn đến độ tinh khiết giảm + Tại vị trí, thấp bốc lên qua nhiềm mâm có thời gian trao đổi nhiệt, lượng nước bị lôi hạn chế nên độ tinh khiết tăng +Hiệu suất mâm củng bị ảnh hưởng , hiệu suất cao vị trí mâm nhập liệu thấp Các nguyên nhân sai số cách khắc phục  Nguyên nhân + Đọc độ rượu phù kế không + Đọc nhiệt độ đồng hồ khơng xác số đồng hồ nhảy liên tục + Đo lưu lượng sản phẩm đỉnh ống đong khơng xác + Lưu lượng đo dòng nhập liệu dòng hồn lưu trồi sụt lên xuống không ổn định nên phải chỉnh liên tục cho lưu lượng theo yêu cầu thí nghiệm + Do sai số việc tính tốn tra thông số nhiệt dung riêng, khối lượng riêng ẩn nhiệt hóa + Việc sai số dễ xảy ta trích phần rượu sản phẩm đỉnh ống đong để xác định lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh + Khi thí nghiệm nhóm đổ hỗn hợp sản phẩm đỉnh vào bình nguyên liệu làm thay đổi nồng độ ban đầu nguyên liệu  Khắc phục + Tìm hiểu nắm rõ quy trình trước tiến hành thí nghiệm + Lưu ý bật bơm trước gia nhiệt để tránh bơm bị hỏng + Chờ thiết bị ổn định tiến hành thí nghiệm 21 + Lấy số liệu thiết bị ổn định + Thao tác cẩn thận, xác việc lấy sản phẩm đỉnh để đo lưu lượng dòng nhập liệu + Kiểm tra kĩ thơng số nhiệt độ lưu lượng dòng hồn lưu nhập liệu 22 PHỤ LỤC  Khối lượng riêng nước theo nhiệt độ ( Tra bảng “Bảng tra cứu Quá trình học Truyền nhiệt - Truyền khối”, bảng 43, trang 42)  Khối lượng riêng bảng tra cứu Quá trình khối, bảng 4, trang 14) t (oC) 10 20 30 40 o t (50 C) 60 20 70 40 80 60 90 80 100 ρ (kg/m3) 1000 998 996 992 988 3) ρ (kg/m 983 789 978 772 972 754 965 735 716 Ethanol theo nhiệt độ (Tra học Truyền nhiệt - Truyền  Ẩn nhiệt hóa ethanol,nước theo nhiệt độ (Tra bảng tra cứu Quá trình học Truyền nhiệt - Truyền khối, bảng 49, trang 45) t (oC) 20 60 100 140 rR,kJ/kg 921.8 913.4 879.9 812.9 712.3 rN,kJ/kg 2493.1 2446.9 2359.0 2258.4 2149.5  Nhiệt dung riêng ethanol,nước theo nhiệt độ (Tra bảng tra cứu Quá trình học Truyền nhiệt - Truyền khối, bảng 27, trang 29) t (oC) 20 40 60 80 100 CR (kJ/kg,K) 2,480 2,710 2,970 3,220 3,520 CN (kJ/kg,K) 4,180 4,175 4,190 4,190 4,230 23  Giản đồ t-x,y (Tra bảng tra cứu Quá trình học Truyền nhiệt - Truyền khối, bảng 51, trang 44) Hệ etanol-nước X (% mol Nước) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Y (% mol rượu) t (oC) 33,2 44,3 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,8 100 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,4 78,8  24 CHƯƠNG : TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Bôn, Nguyễn Đình Thọ, “Quá trình thiết bị truyền nhiệt”, ĐHBK TP.HCM, 1992 [2] Hồng Đình Tín, “Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt”, ĐHBK TP.HCM, 1996 [3] Nguyễn Bin, Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập 4, NXB Khoa Học Kĩ Thuật, 2011 [4] Bảng tra cứu trình học truyền nhiệt – truyền khối, NXB ĐHQG TPHCM, 2004 25 27 ... 12.04 x -1.117 3.4 ĐỒ THỊ  Thí nghiệm : 14  Thí nghiệm : 15 Thí nghiệm : 16 Thí nghiệm : 17 Thí nghiệm : 18 Thí nghiệm : 19 _ Từ đồ thị : Hiệu suất tổng quát Eo thí nghiệm 1: Eo = TN Vị trí... THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM .7 2.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 2.1.2 Mô tả sơ đồ .7 2.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM KẾT QUẢ... = E0 CHƯƠNG : THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 2.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 2.1.1 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm nhiệt động lực học HÌNH 2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ  Chú thích : Mâm xuyên lỗ 10 Bơm sản phảm