Chú thích:
• 1 thùng chứa hỗn hợp dầu 7 thiết bị làm sạch sản phẩm đỉnh • 2 bơm 8 thùng chứa sản phẩm đỉnh • 3 thùng cao vị 9 thiết bị gia nhiệt đáy tháp • 4 thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 10 thùng chứa sản phẩm đáy • 5 tháp chưng luyện 11 thiết bị tháo nước ngưng • 6 thiết bị ngưng tụ hồi lưu
- Hỗn hợp cồn-nước 18% cồn được chứa trong thùng chứa (1) và được bơm (2) bơm lên thùng cao vị (3). Mức chất lỏng cao nhất và thấp nhất của thùng cao vị được khống chế bởi của chảy tràn. Hỗn hợp đầu từ thùng cao vị tự chảy xuống thiết bị tự đun nóng hỗn hợp đầu (4) quá trình này được theo dõi bởi đồng hồ lưu lượng . Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu (4) (dùng hơi nước bão hòa) gia nhiệt tới nhiệt độ sôi, sau khi đạt nhiệt độ hỗn hợp được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng luyện loại tháp đệm (5).
- Trong tháp hơi đi từ dưới lên trên tiếp xúc với chất lỏng đi từ tên xuống, tại đây xảy ra quá trình bốc hơi và ngưng tụ nhiều lần. Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi, 1 phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và 1 phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng . Theo chiều cao của tháp càng lên cao nhiệt độ càng thấp nên phần dưới là cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao. Trên đỉnh ta thu được hỗn hợp hơi gồm etanol chiếm tỷ lệ cao.
- Hơi đi vào thiết bị bị ngưng tụ (6) và được ngưng tụ hoàn toàn, thiết bị ngưng tụ với chất làm lạnh là nước với nhiệt độ vào là 30 nhiệt độ ra là 45. Một phần chất lỏng được ngưng đi qua thiết bị làm nguội (7) còn một phần được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng. Chất lỏng đi từ trên xuống dưới gặp hơi có nhiệt độ cao hơn , 1 phần cấu tử có nhiệt độ sôi thấp: etanol được bốc hơi ra do đó nồng độ cấu tử khó bay hơi trong chất lỏng ngày càng tăng, do đó ở đáy tháp hầu hết thu được hầu hết chất lỏng là nước. Dung dịch lỏng ra khỏi đáy tháp một phần đưa vào thiết bị nồi để đun bốc hơi cung cấp cho tháp,một phần được qua thiết bị làm nguội sau đó đưa vào bình chứa.
3. Số liệu thí nghiệm Bảng số liệu thí nghiệm TT Nồng độ sản phẩm đỉnh, %V Nồng độ sản phẩm đáy, %V Nồng độ hỗn hợp đầu, %V Lưu lượng hỗn hợp đầu, l/phút Chỉ số hồi lưu, R 1 87 9 23 0.2 2 88 10 23 0.2 3 89 10 23 0.2 Trun g bình 88 9,67 23 0.2 1,562 IV. TÍNH TOÁN 1. Quy đổi nồng độ
Bảng quy đổi nồng độ thể tích – nồng độ khối lượng của ethanol
% V % M 10 7.98 20 16.16 30 24.54 40 33.24 50 42.37 60 52.03 70 62.34 80 73.45 90 85.65
a F : nồng độ C2H5OH trong hỗn hợp đầu = 0,187 (phần khối lượng) ap : nồng độ C2H5OH trong sản phẩm đỉnh =0,0832 (phần khối lượng) a w : nồng độ C2H5OH trong sản phẩm đáy = 0,0798(phần khối lượng) GF, F : lượng hỗn hợp đầu tính theo kg/h, kmol/h
Gp, P : lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h, kmol/h Gw, W: lượng sản phẩm đáy tính theo kg/h, kmol/h
Mp :khối lượng mol trung bình của sản phẩm đỉnh kg/kmol xF : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hơp đầu xw : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản phẩm đáy
Quy đổi nồng độ phần khối lượng – nồng độ phần mol
xF = = = 0,0825 xp = = = 0,66
xw = = = 0,033
Lượng sản phẩm đỉnh tính theo kg/h: (với N = 0,2 . 60 = 12 l/h) GP =N×ρ=12×0.832 = 9,9713 kg/h
Lượng sản phẩm đỉnh tính theo kmol/h:
MP =xpM1 + (1- xp)M2= 0,66×46 +(1- 0,66).18 = 36,48 kg/kmol P = = = 0,273 kmol/h
2. Tính toán cân bằng vật liệu của tháp: F.xf = W.xw +P.xp
F: Lượng hỗn hợp đầu cho vào tháp: Kmol/s W: Lượng sản phẩm đáy, Kmol/s
P: Lượng sản phẩm đỉnh, Kmol/s
xf , xw , xp : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu, đáy và đỉnh tháp. - Lượng hỗn hợp đầu F = = 0,273= 3,548 kmol/h GF = = 9,9713 . = 69,96 kg/h - Lượng sản phẩm đáy : W =F – P = 3,548 – 0,273 = 3,185 kmol/h Gw = GF –Gp = 69,96 – 9,9713 =59,99 kg/h 3. Xác định số bậc thay đổi nồng độ
- Vẽ đường cong cân bằng theo số liệu cân bằng lỏng – hơi (tra trong sổ tra cứu)
- Chỉ số hồi lưu tối thiểu của tháp được tính: Rmin=
- Với là nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi cân bằng với nồng độ trong pha lỏng xF của hỗn hợp đầu.
- Với xF= 0,0825 ta có = 0,41
Rmin = = 0,763
Vẽ đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng (chú ý đổi nồng độ từ phần khối lượng hay phần thể tích ra phần mol).
Tại Rx =1,526
*tính chỉ số hồi lưu thích hợp
Ta có : Rx= bRmin với b là hệ số dư hay hệ số điều chỉnh. Tính gần đúng ta có R = (1,2-2,5)R
Biết Rmin cho b biến thiên trong khoảng (1,5-2,5) ta tính được ra Rx tương ứng. với mỗi Rx tương ứng ta vẽ các đường làm việc và vẽ các bậc thay đổi nồng độ lý thuyết N.
Đoạn luyện: Đường làm việc của đoạn luyện đi qua (xp,yp) và cắt trục tung tại điểm có tung độ B = tương ứng với điểm (0,B).
Đoạn chưng: đường làm việc của đoạn chưng đi quagiao điểm của đường làm việc đoạn luyện với đường x = xF và điểm (xw ,yw).Vẽ các tam giác ta thu được các đĩa lí thuyết(N). Bảng tổng kết quả: B 1,2 1,5 1,8 2 2,3 2,5 Rx 0.9156 1,1495 1,3734 1,526 1,755 1,91 B 0.344 0.308 0.309 0.26 0,24 0.345 N 6 5 5 4 4 5 N(Rx+1 ) 11,49 10,72 11,87 10,10 11,02 14,55
Từ bảng ta có tại b=2 và Rx =1,526 thì N(Rx+1) min với số đĩa lí thuyết N = 4 Số đĩa đoạn chưng là 3, đoạn luyện là 1.
- Vẽ đường nồng độ làm việc của đoạn luyện và đoạn chưng (chú ý đổi nồng độ từ phần khối lượng hay phần thể tích ra phần mol).
Ta có phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện Y = = 0.604x + 0.262
Phương trình làm việc của đoạn chưng: Y = với L = = = 12,67
Y = 5,62x - 0,152 Trong đó :
L = lượng hỗn hợp đầu tính theo một đơn vị sản phẩm đỉnh Kmol/Kmol - Xác định số đĩa lý thuyết NLT = 4 - Hiệu suất tháp: η = = .100 = 30 % 4. Nhận xét kết quả thí nghiệm
Trong quá trình thí nghiệm tháp đã đi vào ổn định : nồng độ sản phẩm đỉnh và nồng độ sản phẩm đáy luôn được duy trì ở mức ổn định.Qua buổi thí nghiệm này, chúng em cũng đã hiểu thêm được rất nhiều điều về cấu tạo và nguyên lí hoạt động của hệ thống chưng cất cồn.
Phần 5: Kết luận
Dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy cô giáo, chúng em đã hiểu ra nhiều điều, biết được cấu tạo và nguyên lí làm việc của nhiều thiết bị. Có câu “ trăm nghe không bằng một thấy” vì vậy chúng em mong rằng trong tương lai nhà trường sẽ tổ chức cho chúng em nhiều buổi thực tiễn như vậy để chúng em không chỉ học qua sách vở khô khan mà còn được nhìn tận mắt, sờ tận tay những điều mình được giảng dạy trên lớp nữa. Như vậy việc học sẽ hiệu quả hơn rất nhiều. Do thời gian thí nghiệm có hạn, lý thuyết thì tương đối dài vì vậy lượng kiến thức em ghi chép được còn vắn tắt, và nhiều thiếu sót, mong thầy cô thông cảm và góp ý cho em để sau này khi ra trường đi làm em có thể vững trãi hơn.