Phúc trình thí nghiệm quá trình thiết bị bài CHƯNG cất

Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
Trường Đại học Bách Khoa
Khoa Kỹ thuật Hóa học
BỘ MƠN Q TRÌNH & THIẾT BỊ

Phúc trình thí nghiệm
Q trình & Thiết bị
Bài:

CHƯNG CẤT

CBHD: Thầy Trần Lê Hải
Sinh viên: Phan Thị Lưu Ly
MSSV: 1914097
Nhóm: L02B

Lớp:L09

Ngày TN: 10/02/2022

Năm học 2021 – 2022


BÁO CÁO THÍ NGHIỆM CHƯNG CẤT
1. Kết quả thí nghiệm thơ
Bảng 1: Số liệu thơ
Lưu lượng dịng

Độ chỉ phù kế

(độ đọc)

(độ rượu)

TN Vị trí
mâm

Nhập

Đỉnh

liệu
(F)

(D)
ml/phút

Hồn
lưu
(L0)

Nhập
liệu

Đỉnh

Nhiệt độ đo

Nhập

Đáy

liệu (tF)

(tW)

Đỉnh
(tD)

Hồn
lưu
(tL0)

1

4

30

76

5

20

60

61

90

42,1

89

2

4

30

58

10

20

61

62

90

41,9

83

3

4

30

44

15

20

69

67

90

41,7

81

4

2

30

54

10

20

54

66

90

43,3

85

5

5

30

58

10

20

53

66

90

42,4

86

2. Xử lý số liệu
Bảng 2: Xử lý số liệu thơ

TN

Vị trí
mâm

1
2
3
4
5

4
4
4
2
5

Lưu lượng dịng (ml/phút) = độ
đọc x 5,64
Nhập liệu
(F)
169.2
169.2
169.2
169.2

169.2

Đỉnh
(D)
76
58
44
54
58

Hồn lưu
(L0)
28.2
56.4
84.6
56.4
56.4

Phân mol dịng
Nhập liệu
(xF)
0.0698
0.0697
0.0695
0.0695
0.0695

Đỉnh
(xD)
0.3132

0.3223
0.4037
0.2629
0.2553

Đáy
(xW)
-0.0380
-0.0064
0.0062
0.0104
0.0061

2.1. Số liệu cần thiết khi làm phúc trình
•

x
y
T

Số liệu cân bằng pha x-y và T-xy cho hệ rượu etylic – nước ở 1 atm.
0
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7

0.8
0.9
1
0 0.332 0.442 0.531 0.576 0.614 0.654 0.699 0.753 0.818 0.898
1
100 90.5 86.5 83.2 81.7 80.8
80
79.4
79
78.6 78.4 78.4
1


Điểm đẳng phí: x = y = 0.894, T = 78.15oC
•

Giản đồ tỉ trọng và nhiệt dung rượu etylic theo phân mol ở các nhiệt độ.

BẢNG NHIỆT DUNG RIÊNG THEO NHIỆT ĐỘ
T, oC
Cr, kJ/kg.độ Cn, kJ/kg.độ
20
2.480
4.180
40
2.710
4.175
60
2.970
4.190

80
3.220
4.190
100
3.520
4.230
120
3.810
4.275

•

BẢNG KHỐI LƯỢNG RIÊNG THEO
NHIỆT ĐỘ
to
ρr (kg/m3)
ρn (kg/m3)
-20
823
0
806
1000
20
789
998
40
772
992
60
754

983
80
735
972
100
716
958
120
693
943

Giản đồ của nhiệt bốc hơi theo nhiệt độ của rượu etylic và nước.

BẢNG NHIỆT HÓA HƠI THEO NHIỆT ĐỘ
T, oC
0
20
60
100
140

rr, kJ/kg
921.80
913.40
879.90
812.90
712.30

rn, kJ/kg
2493.10

2446.90
2359.00
2258.40
2149.50

2.2. Cơng thức tính tốn
2.2.1. Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh và nồng độ phần mol dịng nhập liệu theo độ rượu
ρr ×độ rượu
Mr
xi =
, 𝑝ℎầ𝑛 𝑚𝑜𝑙
ρr ×độ rượu ρn ×(100 - độ rượu)
+
Mr
Mn
2.2.2. Nồng độ phần mol sản phẩm đáy
𝑥𝑊 =

𝐹 × 𝑥𝐹 − 𝐷 × 𝑥𝐷
, 𝑝ℎầ𝑛 𝑚𝑜𝑙
𝐹−𝐷

2


Vì khi tính tốn xW bằng cơng thức thu được với giá trị xW < 0. Để có thể khảo sát được trọn
vẹn các quá trình tiếp theo, ta dựa vào nhiệt độ tương ứng của tW rồi tìm nồng độ phần mol
xW theo giản đồ T - x, y.
2.2.3. Nồng độ phần khối lượng sản phẩm đỉnh và nồng độ phần mol dịng nhập liệu theo
độ rượu

x̅i =

ρr ×độ rượu
ρr ×độ rượu + ρn ×(100 - độ rượu)

2.2.4. Khối lượng riêng trung bình của dung dịch theo độ rượu tương ứng
ρtb =

ρr ×độ rượu + ρn ×(100 - độ rượu)
100

2.2.5. Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp
M = xr × Mr + (1 − xr ) × Mn , g/mol
Mr = 46 g/mol
Mn = 18 g/mol
2.2.6. Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp
Cp = x̅r × Cr + (1 − x̅r ) × Cn (kJ/kg.độ)
2.2.7. Lưu lượng mol/ph của từng dịng
F (𝑚𝑙/𝑝ℎ) × ρtb
F=
(𝑚𝑜𝑙/𝑝ℎ)
1000 × M
2.2.8. Tỷ số hồn lưu R
𝐿0
𝐷
2.2.9. Entalpi của dịng nhập liệu, dịng hơi và dịng lỏng hồn lưu
𝑅=

HF = CF × t F , kJ/kg
HLF = CLF × t FS , kJ/kg

HGF = HLF + rFS , kJ/kg
CLF = xD × Cr + (1 − xD ) × Cn , Kj/kg.độ

3


Trong đó: xD tính theo phần khối lượng
Cr , Cn là nhiệt dung tại nhiệt độ 𝑡𝐹𝑆 (tra từ xF)
rFS = x̅F × rr + (1 − x̅F ) × rn
2.2.10. Thông số nhập liệu q
q=

HGF − HF
HGF − HLF

2.2.11. Phương trình đường nhập liệu
y=

q
xF
x−
q−1
q−1

2.2.12. Phương trình đường cất
y=

R
xD
+

R+1 R+1

2.2.13. Hiệu suất mâm tổng quất
𝐸0 =

𝑠ố 𝑚â𝑚 𝑙ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡 𝑠ố 𝑏ậ𝑐 𝑡ℎ𝑎𝑛𝑔 − 1
=
𝑠ố 𝑚â𝑚 𝑡ℎự𝑐 𝑡ế
𝑠ố 𝑚â𝑚 𝑡ℎự𝑐 𝑡ế

2.3. Kết quả tính tốn
Bảng 3: Kết quả tính tốn các thơng số

TN

Vị trí
mâm

Tỉ số hồn
lưu ( R)

tF
0C

HF
kJ/kg

HG.F
kJ/kg

HL.F
kJ/kg

q

q/(q-1)

1
2
3
4
5

4
4
4
2
5

0.3711
0.9724
1.9227
1.0444
0.9724

61
62
67
66
66

243.75
247.87
268.57
264.42
264.42

2377.61
2376.96
2371.25
2383.01
2383.76

333.23
332.46
326.09
337.98
338.73

1.0438
1.0414
1.0281
1.0360
1.0363

23.85
25.17
36.56
28.80
28.52

Bảng 4: Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu
TN

Phương trình đường nhập liệu

Phương trình đường cất

1

23.85x-1.5935

0.2706x+0.2285

4


2

25.17x-1.6849

0.4930x+0.1634

3

36.56x-2.4706

0.6579x+0.1381

4

28.80x-1.9329

0.5109x+0.1286

5

28.52x-1.9134

0.4930x+0.1294

2.4. Vẽ đồ thị: ( 5 đồ thị)
1) Đồ thị dùng để xác định số mâm lý thuyết, một giản đồ cho mỗi trường hợp TN.

TN1
1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

5


6


7


2) Từ đồ thị suy ra độ tinh khiết dự đoán (bằng cách vẽ số mâm thực từ xW với hiệu suất tổng
quát) và so sánh với độ tinh khiết đo được của sản phẩm đỉnh.

TN2
1.2
1
0.8
0.6
0.4

0.2
0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

8


TN4
1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

9


TN5
1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

 Độ tinh khiết dự đoán cao hơn độ tinh khiết đo được của sản phẩm đỉnh
Bảng 5: Kết quả

TN

Vị trí mâm

R

Số mâm

1

2
3
4
5

4
4
4
2
5

0.3711
0.9724
1.9227
1.0444
0.9724

1
1
2
1
1

Phân mol
tiên đốn
sản phẩm
đỉnh (xD TĐ)
0.3456
0.3456
0.5819

0.3456
0.3456

xD

Hiệu suất
mâm tổng
qt

0.3132
0.3223
0.4037
0.2629
0.2553

0.2
0.2
0.4
0.2
0.2

3. BÀN LUẬN
3.1. Bàn luận về ảnh hưởng lưu lượng dòng hồn lưu và vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh
khiết của sản phẩm và hiệu suất tổng quát của tháp chưng cất.
 Ảnh hưởng lưu lượng dịng hồn lưu.


Về độ tinh khiết của sản phẩm

10

Qua thí nghiệm 1, 2 và 3 ta thấy rõ ràng rằng khi lưu lượng dịng hồn lưu tăng lên thì độ
tinh khiết của sản phẩm cũng tăng.
Điều này có thể được giải thích dựa trên cơ sở nhiệt. Với một lượng nhiệt cung cấp khơng
đổi, suất lượng mol dịng hơi G0 khơng đổi.
Ta có G0 = L0 + D. Khi lưu lượng dịng hồn lưu tăng cũng có nghĩa là giảm lưu lượng sản
phẩm đỉnh. Xét cho toàn bộ tháp, lượng nhiệt cấp vào ở nồi đun có chức năng làm tách pha
hỗn hợp. Độ phân riêng sẽ tỉ lệ thuận với lượng nhiệt cung cấp riêng - tính trên 1mol sản
phẩm đỉnh.
Vì vậy, khi D giảm, tức nhiệt cung cấp riêng tăng sẽ làm tăng độ phân riêng, tức làm tăng
độ tinh khiết của sản phẩm (kể cả sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy).
 Về hiệu suất tổng quát
Qua thí nghiệm, ta cũng thấy được khi tăng lưu lượng dịng hồn lưu, hiệu suất q trình
cũng tăng. Hiệu suất tăng tức là hệ thống làm việc càng gần với lý thuyết.
Tuy nhiên, phải nhìn nhận một điều là hiệu suất mâm tổng quát không cho phép đánh giá
được mức độ kinh tế của thiết bị. Mục đích của chúng ta là sản xuất ra sản phẩm có độ tinh
khiết mong muốn. Khi tăng dịng hồn lưu, hiệu suất mâm tăng, tức là số mâm thực cần
thiết sẽ giảm, do đó giảm được chi phí ban đầu để chế tạo thiết bị. Tuy nhiên, Khi tăng dịng
hồn lưu, như đã nói ở trên, cung cấp riêng tăng. Muốn thu được lượng sản phẩm mong
muốn phải tốn thêm chi phí nhiệt. Chi phí này đơi khi chiếm tỉ lệ rất lớn trong tổng chi phí
của q trình.
Trong thực tế sản xuất, người ta phải tính tốn dịng hồn lưu thích hợp, sao cho tổng chi
phí để tạo ra sản phẩm mong muốn là thấp nhất.


Ảnh hưởng vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất mâm
Mỗi thiết bị chưng cất cho trước đều có một vị trí nhập liệu tối ưu, với hiệu suất tối ưu (vị
trí mâm số 4 trong thí nghiệm này). Khi ta thay đổi vị trí nhập liệu lên cao hơn hay thấp
hơn đều làm giảm nồng độ sản phẩm đỉnh và giảm hiệu suất chưng cất: Khi chuyển vị trí

nhập liệu từ mâm 4 sang mâm 2 hay mâm 5 thì nồng độ sản phẩm đỉnh đều giảm. Hiệu suất
mâm ở vị trí mâm 4 nhìn chung cao hơn mâm 2 và 5.

11


Vị trí mâm nhập liệu tối ưu có thể xác định được theo phương pháp McCabe – Thiele: đó
là vị trí mâm chứa giao điểm 2 đường làm việc trên đồ thị.
3.2. Giải thích hiện tượng và q trình diễn ra trong tháp khi tháp hoạt động ổn định.
Nêu các nguyên nhân gây sai số và cách khắc phục của bài TN.
 Các hiện tượng và quá trình diễn ra trong tháp khi tháp hoạt động ổn định
Nguyên liệu dược đưa vào một vị trí trên tháp, phần dưới gọi là phần chưng(có tác dụng
làm giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi), phần trên gọi là phần cất(có tác dụng làm tăng nồng độ
cấu tử dễ bay hơi). Pha lỏng đi từ trên xuống theo đường dẫn gọi là ống chảy chuyên, pha khí
đi từ dưới lên xuyên qua lỗ trên mâm sục vào pha lỏng; quá trình truyền khối xảy ra trên mỗi
mâm là quá trình ngược chiều, pha khí lơi cuốn cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng làm tăng nồng
độ cấu tử dễ bay hơi trong pha khí, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng giảm dần.
Trong tháp chưng cất, dòng nhập liệu sẽ được nhập vào một mâm nào đó trên tháp, gọi là
mâm nhập liệu. Phần nằm trên vị trí mâm nhập liệu gọi là phần cất, còn phần nằm dưới vị trí
mâm nhập liệu gọi là phần chưng. Trong tháp, khi hoạt động ổn định thì pha hơi đi từ dưới lên,
còn pha lỏng đi từ trên xuống và xảy ra quá trình truyền khối giữa hai pha. Nhờ vậy, các cấu
tử dễ bay hơi sẽ bị lôi cuốn lên trên và được lấy ra từ đỉnh tháp (gọi là sản phẩm đỉnh) cịn các
cấu tử khó bay hơi bị kéo xuống dưới nồi đun (gọi là sản phẩm đáy). Pha hơi càng lên gần đỉnh
tháp thì càng chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi còn pha lỏng càng xuống dưới càng chứa nhiều cấu
tử khó bay hơi. Động lực của q trình chính là sự chênh lệch nồng độ giữa hai pha. Các pha
trong tháp luôn ở trạng thái bão hịa (tức là lỏng ln ở nhiệt độ sơi và hơi ln ở nhiệt độ
ngưng tụ), do đó nhiệt độ cao nhất là ở đáy tháp và nhiệt độ thấp nhất là ở đỉnh tháp.
 Các nguyên nhân dẫn tới sai số
- Sai số do thiết bị và dụng cụ đo:
+ Lưu lượng kế hoạt động không ổn định (viên bi ln trồi, sụt) vì vậy phải ln chỉnh lưu

lượng hai dịng nhập liệu và hồn lưu.
+ Hệ thống chưng cất không đạt tiêu chuẩn như lý thuyết.
+ Sai số dụng cụ đo nhiệt độ và phù kế.
+ Đo thời gian bằng thì kế đơn giản, khơng chun dụng.
12


+ Đo lưu lượng bằng ống đong có sai số lớn.
+ Thiết bị, dụng cụ đã cũ, khơng cịn chính xác.
- Sai số do thao tác thí nghiệm:
+ Hệ thống chưa ổn định mà đã làm thí nghiệm. Chính vì vậy mà khơng đảm bảo dịng sản
phẩm đỉnh thuộc hồn toàn chế độ khảo sát.
+ Đọc các giá trị đo không đồng thời.
+ Độ chia phù kế nhỏ và ảnh hưởng của khúc xạ do đó đọc khơng chính xác giá trị chỉ của
phù kế tại mặt cong chất lỏng.
+ Độ chia của đồng hồ chỉ nhiệt độ rất rộng do đó khó có thể đọc chính xác.
 Khắc phục
+ Chờ hệ thống ổn định mới tiến hành thí nghiệm.
+ Cả nhóm phải đồng bộ trong q trình thí nghiệm.
+ Tìm hiểu kỹ về dụng cụ trước khi sử dụng, hiểu rõ cách đọc phù kế và đọc chính xác các
số liệu
+ Trong q trình tính tốn cần nội suy đúng cơng thức và chính xác
+ Cần tiến hành theo các bước trong giáo trình yêu cầu một cách cẩn thận, tránh phạm phải
những sai lầm nêu trên.
+ Cố gắng đảm bảo tối đa dịng sản phẩm đỉnh thuộc hồn toàn chế độ khảo sát.
+ Thuần thục các thao tác thí nghiệm.
+ Đối với sai số do dụng cụ đo thì ta dùng đến hệ số hiệu chỉnh.
4. 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] Các tác giả, "Q trình & Thiết bị - Ví dụ tập 10", ĐHQG Tp.HCM.
[4] Bảng tra cứu Quá trình cơ học truyền nhiệt-truyền khối, ĐH Bách khoa TP.HCM, 2004.

13