PHÚC TRÌNH THỰC tập QUÁ TRÌNH THIẾT bị bài CHƯNG cất GIÁN đoạn

PHÚC TRÌNH
THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
CHƯNG CẤT GIÁN ĐOẠN
I.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Khảo sát quá trình phân riêng hỗn hợp hai cấu tử bằng phương pháp chưng

cất.
Sự ảnh hưởng của tỉ số hoàn lưu dến hiệu suất chưng cất.
II.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Bảng II-1: Kết quả thí nghiệm chưng cất gián đoạn
Nhâp
liêu
30
28
49
48

Thông sô
Nhiêt đô
Đô rươu

Sản phẩm đáy
30
47.5

Sản phẩm đỉnh

29
47.5

32
98.8

29.5
99

Bảng II-2: Thông số kết quả thí nghiệm chưng cất gián đoạn
Thiết bị ngưng tu
Nhiệt độ nước vào (oC)
Nhiệt độ nước ra (oC)
Lưu lương nước (L/h)

R = 3/2
28.9
30.1
70

R = 2/3
28.7
29.5
70

Bảng II-3: Chuyển đổi độ rượu về 15ºC

Độ rươu trên phù kế
Nhiệt độ
Độ rươu chuyển đổi

về 15oC

Nhâp liêu
R = 3/2
R = 2/3
49
48
30
28
42.8

42.6

Sản phẩm đỉnh
R = 3/2
R = 2/3
47.5
47.5
30
29
41.3

41.7

Sản phẩm đáy
R = 3/2
R = 2/3
99
98.8
29.5

32
93.78

94.75

Trang 1


III.

TÍNH TOÁN
a. Trường hợp 1: tỷ số hoàn lưu R=3/2
i. Tính lượng sản phẩm đỉnh và đáy thu được
Khối lượng riêng của nước ở 15ºC: 999.68 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu tinh khiết ở 15ºC: 793.25 kg/m3
(Trích: “Sổ tay quá trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, trang 12”).

Cân bằng vật chất cho toàn hệ thống:
F=D+W
Cân bằng vật chất cho cấu tử dễ bay hơi

(1)

F.xF = D.xD + W.xW
Công thức chuyển đổi từ độ rượu (a) sang phần mol (x):

Phần mol cấu tử rượu trong nhập liệu (xF), sản phẩm đỉnh (xD) và sản phẩm
đáy (xW) trong trường hợp R = 3/2:

xF 

1
 0.19
999.68 46  1  0.428 
1



793.25 18  0.428 

1
 0.82
999.68 46  1  0.9378 
1
 

793.25 18  0.9378 
1
xW 
 0.18
999.68 46  1  0.413 
1
 

793.25 18  0.413 
xD 

Công thức chuyển từ phần mol sang phần khối lượng:

Trang 2



= 0.084 ()

Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp:

Công thức xác định khối lượng riêng hỗn hợp:

Suất lượng mol dòng nhập liệu:

(Với V là lưu luợng nhập liệu – m3/h)
Ta có phương trình:

Suy ra:

ii. Tính tỷ sớ hoàn lưu cục bộ và hoàn lưu toàn phần
Nhiệt cung cấp cho thiết bị nồi đun:

Nhiệt cung cấp cho thiết bị ngưng tụ tại nhiệt đợ trung bình:

Tra bảng “Khới lượng riêng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ, Sổ tay quá
trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, Trang 12” được giá trị nhiệt dung riêng C
và N tại 29.5oC.

Trang 3


1584 – 349.15 = 1234.85

Khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:
mD = D.Mhh = 3.27 × [0.82×46 + (1 - 0.82)×18] = 0.134 kg/h
Khối lượng dòng sản phẩm đáy:
mW = W.Mhh = 206.48 × [0.18×46 + (1 – 0.18)×18] = 4.757 kg/h
Tra bảng nhiệt hóa hơi của mợt số chất thơng dụng – Phan Văn Thơm ở nhiệt
độ TI1 = 83 oC ta có:
rR = 860.39 kJ/kg
rN = 2302.2 kJ/kg
Tỉ số hồn lưu cục bợ:

Tỉ số hồn lưu tởng: RT = R + Ri = 3/2+ 6.68 = 8.18
iii. Vẽ đồ thị (x,y), vẽ đường làm việc phần cất, vẽ đường bậc
thang suy ra số đĩa lý thuyết
Bảng cân bằng pha lỏng – hơi của rượu – nước:
x

0

0.05

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

y

0

0.332

0.442

0.531

0.576

0.614

0.654

0.699

0.753

0.818

0.898

1

Phương trình đường làm việc đoạn cất có dạng :

Thế RT = 8.18 ta được phương trình: y = 0.891x + 0.089 đi qua 2 điểm A(0.82;
0.82) và B(0; 0.089).
Ta có xD = 0.82

Trang 4


Hình III-1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết trường hợp R=3/2

Từ đồ thị suy ra số bậc thang là 6
iv. Tính hiệu suất tổng quát của tháp

Trang 5


b. Trường hợp 2: tỷ số hoàn lưu R = 2/3
i. Tính lượng sản phẩm đỉnh và đáy thu được
Chọn căn bản tính trong 1 giờ
Khối lượng riêng của nước ở 15ºC: 999.68 kg/m3
Khối lượng riêng của rượu tinh khiết ở 15ºC: 793.25 kg/m 3
Công thức chuyển đổi từ độ rượu (a) sang phần mol (x):

Phần mol cấu tử rượu trong nhập liệu (xF), sản phẩm đỉnh (xD) và sản phẩm
đáy
(xW)
trong
trường
hợp
R
=
2/3:

xF 

1
 0.19
999.68 46  1  0.426 
1



793.25 18  0.426 

1
 0.85
999.68 46  1  0.9475 
1
 

793.25 18  0.9475 
1

xW 
 0.18
999.68 46  1  0.417 
1
 

793.25 18  0.417 
xD 

Công thức chuyển từ phần mol sang phần khối lượng:



= 0.084 ()

Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp:

Cơng thức xác định khối lượng riêng hỗn hợp:

Trang 6


Suất lượng mol dòng nhập liệu:

(Với V là lưu luợng nhập liệu – m3/h)
Ta có phương trình:

Suy ra:
ii. Tính tỷ số hoàn lưu cục bộ và hoàn lưu toàn phần
Nhiệt cung cấp cho thiết bị nồi đun:

Nhiệt cung cấp cho thiết bị ngưng tụ tại nhiệt đợ trung bình:

Tra bảng “Khối lượng riêng của nước phụ thuộc vào nhiệt độ, Sổ tay quá
trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 1, Trang 12” được giá trị nhiệt dung riêng C
và N tại 29.1 oC.

1584 – 232.8 = 1351.2

Khối lượng dòng sản phẩm đỉnh:
mD = D.Mhh = 3.127 × [0.85×46 + (1 - 0.85)×18] = 0.131 kg/h
Khối lượng dịng sản phẩm đáy:
mW = W.Mhh = 206.623 × [0.18×46 + (1 – 0.18)×18] = 4.761 kg/h
Tra bảng nhiệt hóa hơi của mợt số chất thông dụng – Phan Văn Thơm ở nhiệt
độ TI1 = 82.9 oC ta có:
rR = 860.6 kJ/kg
rN = 2302.46 kJ/kg

Trang 7


Tỉ số hồn lưu cục bợ:

Tỉ số hồn lưu tởng: RT = R + Ri = 2/3+ 7.89 = 8.56
iii. Vẽ đồ thị (x,y), vẽ đường làm việc phần cất, vẽ đường bậc
thang suy ra số đĩa lý thuyết
Bảng cân bằng pha lỏng – hơi của rượu – nước:
x

0

0.05

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

y

0

0.332

0.442

0.531

0.576

0.614

0.654

0.699

0.753

0.818

0.898

1

Phương trình đường làm việc đoạn cất có dạng :

Thế RT = 8.56 ta được phương trình: y = 0.895x + 0.089 đi qua 2 điểm A(0.85;
0.85) , B(0; 0.089).
Ta có xD = 0.85.

Trang 8


Hình III-2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết trường hợp R=2/3

Từ đồ thị suy ra số bậc thang là 7
iv. Tính hiệu suất tổng quát của tháp

Trang 9


 Nhận xét:
+ Số mol sản phẩm đỉnh thu được khi R = 3/2 nhỏ hơn số mol sản phẩm
đỉnh thu được khi R = 2/3
+ Số mol sản phẩm đáy thu được khi R = 3/2 lớn hơn số mol sản phẩm
đáy thu được khi R = 2/3
+ Hiệu suất tổng quát của tháp khi R = 3/2 nhỏ hơn hiệu suất tổng quát
khi R = 2/3
IV.

BÀN LUẬN
Câu 1.

Hiệu suất của quá trình

Chịu ảnh hưởng bởi lượng nhiệt cung cấp cho hệ thống (J1). Khi điều chỉnh
lượng nhiệt cung cấp cho hệ thống thì nó ảnh hưởng đến áp suất hơi và lượng hơi
trong hệ thống. Do đó, khi thay đổi lượng nhiệt cung cấp cũng ảnh hưởng đến chất
lượng sản phẩm đỉnh. Tuy nhiên, nếu áp suất hơi tăng lên và đồng thời lượng hơi
cũng tăng thì dể gây ra hiện tượng ngập lụt. Vì vậy, cần chọn mợt giá trị thích hợp
cho lượng nhiệt cung cấp.
Để mâm có hiệu suất cao, thì khi hoạt đợng mức chất lỏng trên mâm và vận
tốc khí phải lớn. Tuy nhiên, điều này có thể gây nên sự lơi cuốn cơ học các giọt chất
lỏng trong dòng hơi từ mâm dưới lên mâm trên, làm giảm sự biến đổi nồng độ tạo
nên bởi quá trình truyền khối, và như vậy làm giảm hiệu suất mâm.

Nguyên tắc hoạt động của tháp mâm chóp có ống chảy
chuyền.

Câu 2.

Chất lỏng chảy từ trên xuống, từ mâm trên xuống mâm dưới nhờ ống chảy
truyền. Khí đi từ dưới lên qua ống khí rồi xuyên qua các rãnh chóp để sụt vào lớp
chất lỏng trên mâm. Hiệu quả của q trình sục khí vào chất lỏng phụ tḥc rất
nhiều vào vận tốc khí và chiều cao lớp chất lỏng trên mâm. Nếu vận tốc khí nhỏ thì
vận tốc sục khí nhỏ hoặc khơng sục vào lỏng được, nhưng nếu vận tốc quá lớn thì
quá trình sục khí cũng khơng tốt vì lúc đó có thể xảy ra hiện tượng là chất lỏng bị
lơi cuốn theo dịng khí hoặc là chất lỏng bị dạt ra mợt vùng

Câu 3.

Hệ đẳng phí là gì ? Đặc điểm của hệ đó? Cách khắc phục?

Hệ đẳng phí là hệ gồm các cấu tử có nhiệt đợ sơi gần bằng nhau.
Trang 10


Đặc điểm của hệ đẳng phí: Tại điểm đẳng phí, pha lỏng và pha hơi có cùng
mợt thành phần cấu tử, do đó nếu đun sơi hỗn hợp đẳng phí thì pha hơi sau khi
ngưng tụ sẽ có thành phần giống như pha lỏng ban đầu. Không thể phân riêng hoàn
toàn các cấu tử này bằng phương pháp chưng cất thơng thường.

Khắc phục:
 Thêm vào hỗn hợp đẳng phí mợt cấu tử thứ ba. Cấu tử thứ ba này phải
kết hợp với cấu tử khơng cần phân tách. Lúc đó, điểm đẳng phí sẽ có t os

lớn hơn tos cấu tử cần phân tách.
 Rây phân tử (lọc) bằng Zeolite: phân tử nước sẽ bị giữ lại trong các lỗ
Zeolite → thu được rượu
 Van giữa: chưng cất phân đoạn

Tại sao thiết bị gia nhiệt J1 lại đặt ở ngoài nồi đun C1 mà
không đặt trong C1?

Câu 4.

Đặt điện trở bên hông giúp việc đun sôi hỗn hợp nhập liệu đồng đều và ổn
định hơn. Hỗn hợp được nhập liệu liên tục chảy qua điện trở do sự chảy đối lưu.
Chất lỏng sau khi được đun nóng bằng điện trở chủn đợng lên trên và đi qua bình
chứa, phần chất lỏng có nhiệt đợ thấp hơn trong bình chứa chủn động xuống dưới
và đi qua điện trở. Chất lỏng chảy theo vịng t̀n hồn. Như vậy, nhiệt đợ chất lỏng
tăng lên đều đặn và ổn định.
Nếu đặt điện trở trực tiếp vào bình C1 thì sẽ khơng tạo được sự chảy t̀n hồn
của dịng chất lỏng. Phần chất lỏng gần điện trở có nhiệt đợ cao hơn và nằm phía
trên của hỗn hợp, dễ gây hiện tượng đun nóng cục bợ, phần chất lỏng phía dưới có
nhiệt dợ thấp hơn.

Vì sao tỉ số hoàn lưu càng lớn thì nồng độ sản phẩm đỉnh
càng cao?

Câu 5.

Tỉ số hoàn lưu càng lớn thì lượng lỏng sản phẩm đỉnh được đưa về càng cao.
Hơi từ tháp chưng cất đi lên thiết bị ngưng tụ tiếp xúc với lượng lỏng hoàn lưu này.
Do sự tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng, cấu tử etanol trong hơi sẽ lôi kéo một
lượng etanol trong dung dịch hoàn lưu, đồng thời hơi nước trong pha hơi sẽ được

giữ lại mợt phần trong dung dịch hồn lưu. Lượng hơi sau khi tiếp xúc với dung
Trang 11


dịch hồn lưu sẽ có nồng đợ cấu tử etanol cao hơn, đồng thời giảm nồng độ cấu tử
nước. Do đó khi được ngưng tụ, nồng đợ sản phẩm đỉnh càng tăng lên. Quá trình
tiếp tục, sản phẩm đỉnh này sẽ được hồn lưu lại, tương ứng sẽ có nồng đợ cấu tử
etanol cao hơn dịng hồn lưu ban đầu. Cứ thế sự tiếp xúc pha hơi và pha lỏng kèm
sự lơi cuốn cấu tử có đợ bay hơi cao diễn ra liên tục, nồng độ sản phẩm đỉnh thu
được càng cao.
Câu 6.

Tỷ số hoàn lưu là gì? Ý nghĩa của tỷ số hoàn lưu

Tỷ số hồn lưu cục bợ: là tỷ số của năng lượng cịn tích trữ trong pha hơi và
lượng nhiệt pha hơi nhả ra khi chuyển từ dạng hơi sang lỏng sôi. Với hỗn hợp lý
tưởng ta xem khơng có lượng nhiệt dư thừa (việc ngưng tụ pha hơi là hoàn toàn)
nên tỷ số hoàn lưu cục bợ xem như bằng 0.
Tỷ số hồn lưu ngoại: là tỷ số của dịng hồn lưu và sản phẩm đỉnh. Với mợt
q trình vận hành thiết bị chưng cất là khơng đởi ta có thể thay đởi số mâm lý
thuyết (ảnh hưởng tới hiệu suất làm việc của tháp) bằng việc thay đởi tỷ số hồn lưu
ngoại.
Tỷ số hồn lưu của hệ thống là tổng của 2 tỷ số hoàn lưu trên.
Tỷ số hoàn lưu tối thiểu: với số mâm là vơ cực cho mợt q trình chưng cất
xác định trước và tương ứng nhiệt tải của nồi đun và thiết bị ngưng tụ là tối thiểu.
Tỷ số hoàn lưu tối ưu: là tỷ số dùng để thiết kế ứng với chi phí là thấp nhất.
Ý nghĩa của hoàn lưu: Hồn lưu sẽ làm tăng nồng đợ cấu tử dễ bay hơi ở mỗi
mâm xảy ra quá trình trao đởi giữa dịng hơi từ dưới lên và pha lỏng. Do đó qua mỗi
mâm nồng đợ cấu tử dễ bay hơi tăng. Nếu khơng có pha lỏng hồn lưu ở mỗi mâm
sẽ làm khơ mâm thì khơng cịn sự trao đổi giữa pha lỏng và pha hơi cho nên nồng

độ cấu tử dễ bay hơi không đổi làm giảm hiệu suất chưng cất.

Vì sao một số trường hợp lại xảy ra hiện tượng ngấp lụt?
Cách khắc phục?

Câu 7.

 Nguyên nhân:
Do thiết bị sử dụng là mâm cở chóp nên khi tăng tốc đợ dịng khí tăng q cao,
có áp lực phía dưới q lớn cuốn theo dịng chất lỏng trên các mâm dâng lên,
lúc này xảy ra hiện tượng ngập lụt trên các mâm (mâm trên cùng).
 Cách khắc phục:

Trang 12


-

Giảm cơng suất của điện trở đun nóng nhập liệu, hoặc có thể giảm dịng
lỏng hồn lưu bằng cách giảm tỉ số hồn lưu R.

-

Giảm dịng khí đi trong tháp bằng cách mở van nhập liệu để tháo bớt
dịng khí ra

-

Xả van ở giữa tháp nhưng nên hạn chế vì sẽ dẫn đến mất cân bằng tháp.

Tạo sao khi kết thúc thí nghiệm ta phải để yên 15 phút rồi
mới thu hời sản phẩm đỉnh?

Câu 8.

Vì nhiệt đợ của rượu lúc này còn cao nên rượu vẫn tiếp tục bay hơi. Nếu ta thu
sản phẩm ngay thì lượng rượu chưa đạt tối đa, do đó hiệu suất chưng cất sẽ thấp.
Câu 9.

Thiết bị ngưng tụ

Thiết bị ngưng tụ có cấu trúc ba lớp gồm: vỏ ngoài, phần trong và ống xoắn.
Khi đó hơi sẽ đi trong phần giữa của thiết bị ngưng tụ. Thiết bị được cấu tạo như thế
nhằm mục đích tăng bề mặt tiếp xúc giữa chất giải nhiệt và hơi để tăng hiệu quả
trong quá trình giải nhiệt và giảm thất thốt hơi ra mơi trường ngồi khi lượng hơi
lớn (do thiết bị thơng với bên ngồi).
Nước làm mát sau khi qua thiết bị ngưng tụ được cho tiếp qua thiết bị giải
nhiệt sản phẩm E2. Vì những lý do sau:

Nước cho vào thiết bị ngưng tụ để ngưng tụ hơi nhưng với mợt lượng
thích hợp để khơng làm giảm nhiệt đợ của dịng sản phẩm đỉnh xuống dưới nhiệt độ
sôi của hỗn hợp để đảm bảo rằng khơng làm mất ởn định trong tháp do dịng hồn
lưu.

Do đó để tận dụng lượng nước trên ta cho qua thiết bị giải nhiệt kiểu
ống lồng ống (E2), sau khi ra khỏi thiết bị E2 ta thu được sản phẩm có nhiệt đợ thấp
hơn.
Câu 10. Sự lơi cuốn của chất lỏng
Trong quá trình thiết bị chưng cất vận hành, quan sát kỹ ta thấy bên trong tháp
có hiện tượng chất lỏng bị pha hơi lôi cuốn từ mâm dưới lên mâm trên. Hiện tượng

lôi cuốn chất lỏng này như vậy làm giảm hiệu suất mâm vì nó mang chất lỏng từ
mâm có nồng đợ cấu tử dễ bay hơi thấp lên mâm có nồng đợ cấu tử dễ bay hơi cao.
Mặt khác nó có thể mang cấu tử khơng bay hơi đi dần lên phía trên cợt làm bẩn sản
phẩm đỉnh.

Trang 13


Câu 11. Các phương pháp chưng
- Chưng đơn giản: dùng để tách các hỗn hợp gồm có các cấu tử có đợ
bay hơi khác nhau. Pp này thường dùng để tách sơ bộ là làm sạch cấu tử khỏi
tạp chất
- Chưng bằng hơi nước trực tiếp: dùng để tách các hỗn hợp gồm các
chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong
trường hợp chất được tách không tan vào nước
- Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi
cấu tử. vd như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt
độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt đợ sơi q cao.
- Chưng luyện: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hồn tồn
hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hịa tan mợt phần hoặc hịa tan
hồn tồn vào nhau.
Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt
độ cao và các hỗn hợp có nhiệt đợ sơi q cao
Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp khơng hóa lỏng ở áp
suất thường.

Trang 14


TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Trần Xoa và tập thể tác giả, Sở tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập
1, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội
2. Phan Văn Thơm, Sở tay thiết kế thiết bị hóa chất và chế biến thực phẩm đa
dụng, 2011, NXB Đại học Cần Thơ.
3. Vũ Bá Minh và Hoàng Minh Nam, 2004. Q trình và thiết bị trong cơng
nghệ hóa học Tập 2: Cơ học vật liệu rời, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM,
265 trang.

Trang 15