Thí nghiệm quá trình thiết bị phần chưng cất 4

1. TRÍCH YẾU:
1.1 Mục đích thí nghiệm:
Khảo sát ảnh hưởng của lượng hoàn lưu và vò trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt
động của nhập liệu đếnđộ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp chưng.
1.2 Cách tiến hành thí nghiệm
- Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu: giữ lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 vào
mâm số 4 không đổi, thí nghiệm với 3 trò số khác nhau của dòng hoàn lưu ở độ đọc 5, 10,
15.
- Ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu: thay đổi hai vò trí mới của nhập liệu vào
mâm số 5 và mâm số 2, giữ nguyên lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 và dòng hoàn
lưu ở độ đọc 10.
- Đo nhiệt độ dòng nhập liệu trước khi vào mâm T
E
và nhiệt độ dòng hoàn lưu T
R
.
- Trong mỗi thí nghiệm, lần lượt lấy mẫu ở E, K để đo x
1E
, x
1K
.
- Đo lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh K.
1.3 Kết quả thí nghiệm:
Thí
nghiệm
Vò trí
mâm
nhập
liệu
Lưu lượng dòng Độ chỉ phù
kế

Nhiệt độ đo
( ·C )
Nhập
liệu
(F)
Hoàn
lưu
(L
0
)
Đỉnh (D)
(ml/ph)
Nhập
liệu
Đỉnh t
F
t
D
t
L0
1 4 30 5 110 24 56 37 40.5 74
2 4 30 10 85 24 71.5 37 40.5 75
3 4 30 15 72 24 75 37 40.5 76
4 2 30 10 100 24 56 38 42 78
5 5 30 10 87 24 54 38 42 80
2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:
Mô hình số mâm lý thuyết là một mô hình toán đơn giản nhất, nó dựa trên các cơ
sở sau:
(a) - Cân bằng giữa hai pha.
(b) - Phù hợp với các điều kiện và động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm sao

cho ta có được một mâm lý thuyết giữa hai pha (hơi, lỏng) và như vậy nó phải thỏa mãn
các điều kiện sau:
- Pha lỏng phải được hòa trộn hoàn toàn trên mâm
- Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có
nồng độ đồng đều ở mọi vò trí trên một tiết diện của dòng piston
- Trên từng mâm luôn luôn có sự cân bằng giữa hai pha
Để thiết lập mô hình, ta có đònh nghóa về Độ trao đổi: đại lượng tổng quát đánh giá
sự trao đổi giữa các pha, nó đánh giá sự khác nhau giữa một mâm thực và một mâm lý
tưởng.
- Trong trường hợp độ trao đổi đánh giá một mâm, người ta còn gọi là hiệu suất
theo Murphee:
1
1n
*
n
1nn
M
yy
yy
E
+
+
−
−
=
- Khi đánh giá cho toàn bộ tháp, người ta gọi là hiệu suất tháp và được đònh nghóa
(khi xác đònh số mâm lý thuyết kể cả mâm đáy):
E
0
=

mâmthực
1ngsốbậctha −
- Khi chỉ khảo sát một phần, một vùng trên mâm thì no có tên là độ trao đổi cục
bộ:
1
1
'
' '
n n
C
en n
y y
E
y y
+
+
−
=
−
(c) - Phương trình các đường vận hành
- Phương trình đường luyện:
y =
1R
R
+
x +
1R
1
+
x

D
Với:
• R tỷ số hoàn lưu ; R = L
0
/D (L
0
: dòng hoàn lưu; D: lượng sản phẩm đỉnh)
• x
D
: nồng độ sản phẩm đỉnh
- Phương trình đường chưng:
'
'
w
L x Wx
y
G
−
=
Với:
• x
w
: nồng độ sản phẩm đáy
• W: dòng sản phẩm đáy
• L’, G’: dòng lỏng, hơi đi trong phần chưng
- Phương trình đường nhập liệu:

1 1
f
x

q
y x
q q
= −
− −
Với:
• x
1E
: nồng độ nhập liệu
• q : tỷ số giữa nhiệt cần thiết để biến một mol nhập liệu từ trạng thái đầu
thành hơi bão hòa; q được tính theo công thức:

G F
G L
h h
q
h h
−
=
−
Trong đó:
• h
F
= c
F
.T
F
(c
F
: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu; T

F
: nhiệt
độ của trạng thái nhập liệu ở nồng độ x
F
)
• h
G
: nhiệt hàm của pha hơi đi trong tháp
• h
L
: nhiệt hàm của pha lỏng đi trong tháp
2
Mặt khác, hiệu suất mâm E
M
tại mâm n được đònh nghóa như sau:
E
M
=
Với:
• y
n
: nồng độ thực của pha hơi rời mâm n
• y*
n
: nồng độ cân bằng của pha hơi rời mâm n
• y
n+1
: nồng độ thực của pha hơi vào mâm n
Nếu giả sử được đường vận hành và đường cân bằng là những đường thẳng, ta có
thể liên hệ E

0
với E
M
theo phương trình sau:
E
0
=
)log(
)]1(1log[
L
mV
L
mV
E
M
−+
Với m là độ dốc đường cân bằng tại mâm đang xét
Khi biết E
0
, m, độ dốc đường điều hành phần cất, ta có thể lần lượt xác đònh được
hiệu suất các mâm và vẽ được đường cân bằng mới dùng để xác đònh số mâm thực.Tuy
nhiên khi phân tích hoạt động của tháp hay 1 phần của tháp thực tế trong đó người ta xác
đònh sự biến thiên nồng độ qua 1 vài mâm ở các vò trí khác nhau sẽ xác đònh chính xác giá
trò E
M
và E
M
có thể lấy bằng E
0
Mặt khác ta có thể xác đònh được hiệu suất cục bô E

0
bằng cách dùng đồ thò dựa
trên phương trình đường chưng và đường nhập liệu.
3. THIẾT BỊ – DỤNG CỤ – PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:
3.1 Thiết bò – dụng cụ:
• Hệ thống tháp chư ng cất gồm 5 mâm thực, loại mâm xuyên lỗ.
• Các đồng hồ đo nhiệt độ các dòng nhập liệu hoàn lưu, sản phẩm đỉnh, nồi đun
và tại các mâm.
• Hai lưu lượng kế để đo dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu.
• Một phù kế đo độ rượu.
• Hai ống khắc vạch (ống đong nhỏ và lớn): ống lớn để chứa rượu và ống nhỏ để
đo lưu lượng sản phẩm đỉnh.
3.2. Phương pháp tiến hành thí nghiệm:
3.2.1 Khởi động hệ thống:
• Kiểm tra nguyên liệu: mực chất lỏng phải hơn 1/3 ống thủy bên hông nồi đun.
• Đưa điện vào hệ thống: đóng cầu dao điện, bật nút main power.
• Bơm nguyên liệu vào nồi đun sau đó gia nhiệt cho nồi đun đồng thời mở van
nước ngưng tụ.
3.2.2 Nhập liệu vô mâm:
• Khi thấy có pha hơi bốc lên và ngưng tụ thì mở bơm nhập liệu và bật công tắc
gia nhiệt dòng nhập liệu.
• Chỉnh lưu lượng kế ở độ đọc 30
3.2.3 Khởi động dòng hoàn lưu:
• Bật công tắc bơm hoàn lưu và điện trở gia nhiệt hoàn lưu.
• Chỉnh lưu lượng kế ở các độ đọc cần khảo sát.
3.2.4 Chuyển đổi các chế độ khảo sát:
3
• Khi muốn chuyển đổi giữa các chế độ khảo sát ta phải đảm bảo sản phẩm
đỉnh thuộc hoàn toàn chế độ khảo sát
• Sau khi chỉnh lưu lượng dòng hoàn lưu, ta đợi cho mực nước trong bình sản

phẩm đỉnh dâng lên khoảng 5cm thì tháo ra hết.
• Sau đó tiếp tục đo các số liệu như lần thí nghòêm trước.
3.2.5 Các số liệu cần đo và phương pháp đo:
• Độ rượu nguyên liệu và sản phẩm đỉnh: đo bằng phù kế
• Lưu lượng dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu: đo bằng lưu lượng kế
• Lưu lượng sản phẩm đỉnh: đo bằng phương pháp cổ điển: đo thể tích dòng sản
phẩm đỉnh chảy được trong một đơn vò thời gian.
4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Bảng 1: Số liệu thô
Thí
nghiệm
Vò trí
mâm
nhập
liệu
Lưu lượng dòng Độ chỉ phù
kế
Nhiệt độ đo
( ·C )
Nhập
liệu
(F)
Hoàn
lưu
(L
0
)
Đỉnh (D)
(ml/ph)
Nhập

liệu
Đỉnh t
F
t
D
t
L0
1 4 30 5 110 24 56 37 40.5 74
2 4 30 10 85 24 71.5 37 40.5 75
3 4 30 15 72 24 75 37 40.5 76
4 2 30 10 100 24 56 38 42 78
5 5 30 10 87 24 54 38 42 80
Bảng 2: Xử lý số liệu thô:
Thí
nghiê
m
Vò trí
mâm
Lưu lượng dòng (ml/ph)= độ
dọc*5.64
Phân mol dòng
Nhập liệu
(F)
Đỉnh
(D)
Hoàn lưu
(L
0
)
Nhập

liệu (x
F
)
Đỉnh
(x
D
)
Đáy (x
W
)
1 4 169.2 110 28.2 0.0881 0.2793 -0.0857
2 4 169.2 85 56.4 0.0881 0.4331 -0.0619
3 4 169.2 72 84.6 0.0881 0.4774 -0.0377
4 2 169.2 100 56.4 0.0881 0.2793 -0.0579
5 5 169.2 87 56.4 0.0881 0.2633 -0.0217
Với x
W
là nồng độ của sản phẩm đáy do tính toán ra kết quả âm nên suy ra từ nhiệt độ sôi
của đáy
Bảng 3: Kết quả tính toán các thông số:
4
TN Vò trí
mâm
Tỉ số
hoàn lưu
t
F
(
0
C)

H
F
(J/kmol)
H
G_F
(J/kmol)
H
L_F
(J/kmol)
q
1q
q
−
1 4
0.28611 37 2937237 4.92E+07 7494751 1.11 10.2
2 4
0.79764 37 2937237 4.94E+07 7763105 1.12 9.63
3 4
1.43741 37 2937237 4.94E+07 7898091 1.12 9.36
4 2
0.62945 38 3018219 4.92E+07 7494751 1.11 10.3
5 5
0.71687 38 3018219 4.91E+07 7443994 1.11 10.4
Bảng 4: Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu:
Thí nghiệm Phương trình đường nhập
liệu
Phương trình đường làm
việc phần cất
1 y=8.52x – 0.6 y = 0.17x + 0.54
2 y= 8.75x – 0.62 y = 0.36x + 0.37

3 y= 8.81x – 0.63 y = 0.53x + 0.27
4 y= 10.26x – 0.74 y = 0.38x + 0.21
5 y= 10.26x – 0.74 y = 0.44x + 0.13
Bảng 5: Kết quả thí nghiệm:
Thí
nghiệm
Vò trí
mâm
R Số mâm
lý thuyết
Phân mol
tiên đoán
x
D
Hiệu suất
tổng quát
1 4 0.2861
2 4 0.7976
3 4 1.4374
4 2 0.6295
5 5 0.7169
5
TN 1
0
20
40
60
80
100
120

0 20 40 60 80 100 120
x%
y%
6
TN 2
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120
x%
y%
7
TN 3
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120
x%
y%
8
TN 4
0

20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120
x%
y%
9
TN 5
0
20
40
60
80
100
120
0 20 40 60 80 100 120
x%
y%
TN 3: 4 mâm. TN 4: 3 mâm
5. BÀN LUẬN:
5.1. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vò trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết
của sản phẩm và hiệu suất tổng quát của tháp chưng cất:
5.1.1. nh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu:
Khi lưu lượng dòng hoàn lưu tăng -> R tăng -> hệ số góc của phương trình đường
cất tăng -> số mâm tăng -> hiệu suất của quá trình chưng cất tăng -> độ tinh khiết của sản
phẩm tăng.
5.1.2. Ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu:

5.2.1. Trong quá trình chưng cất, dòng lỏng cũng như dòng hơi sẽ thay đổi
nồng độ khi đi qua mỗi mâm (bậc thay đổi nồng độ). Tuy nhiên, sự thay đổi này không
giống nhau ở mọi mâm mà còn phụ thuộc vào khả năng trao đởi trong mâm đó.
10
Rõ ràng là khi cho nhập liệu ở các mâm gần đáy thì số bậc trao đổi tăng , làm cho
độ tinh khiết của sản phẩm có thể tăng theo; khi cho nhập liệu ở các mâm gần đỉnh thì kết
quả sẽ ngược lại.
Tuy nhiên, khi cho vò trí mâm nhập liệu không giống với vò trí tính được theo lý
thuyết thì khả năng trao đối của các mâm sẽ giảm (dù số mâm lý thuyết khi đó có tăng),
cho nên việc đạt được độ tinh khiết cao hơn là không chắc chắn.
5.2.2. Việc ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu lên hiệu suất mâm cũng
không thể kết luận được dựa trên vò trí cao hay thấp của nó mà phải dựa vào sự sai lệch
của nó so với vò trí lý thuyết: càng gần vò trí này thì hiệu suất của mâm càng cao.
5.3. Giải thích các hiện tượng diễn ra trong khi tháp hoạt động ổn đònh :
Trong quá trình chưng luyện thì vò trí mâm nhập liệu được xác đònh tại 1 vò trí nào
đó trên tháp , nhưng phần nằm trên vò trí mâm nhập liệu đựơc gọi là phần cất còn phần
nằm dưới vò trí mâm nhập liệu được gọi là phần chưng. Pha lỏng chuyển động trong phần
cất từ trên đi xuống do dòng hoàn lưu từ trên đỉnh tháp , dòng hoàn lưu và sản phẩm đỉnh
là do pha hơi ngưng tụ lại thành chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi . Pha lỏng trong phần chưng
càng về dưới càng ít cấu tử dễ bay hơi vì nó đã bò lôi cuốn lên các mâm trên. Chất lỏng
lấy từ đỉnh gọi là sản phẩm đỉnh của quá trìng chưng cất. Đây là sản phẩm cùi cùng có
nhiều cấu tử dễ bay hơi nhất. Tóm lại trong tháp thì pha hơi đi từ dưới lên và pha lỏng đi
từ trên xuống và xảy ra quá trình truyền khối giữa hai pha, nhở đó các cấu tử dể bay hơi
sẽ được lôi cuốn lên trên còn các cấu tử khó bay hơi sẽ nằm dưới nồi đun gọi là sản phẩm
đáy. Các pha trong tháp luôn ỡ trạng thái bảo hoà ( tức là luôn ở nhiệt độ sôi và nhiệt độ
ngưng tụ) , do đó nhiệt độ cao nhất là ở đáy tháp và thấp nhất là ở đỉnh tháp.
5.4. Các nguyên nhân dẫn đến sai số và cách khắc phục :
trong thí nghiệm này có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số:
Các sai số hệ thống do thiết bò hệ thống và các dụng cụ đo không chính xác
+ lưu lượng kế không được chính xác

+ Hệ thống chưng cất không đượcđạt tiêu chuẩn như lý thuyết
+ Phù kế không chính xác
+ Các sai số hệ thống của thiết bò đã được ghi sẳn trên dụng cụ.
Đay là các sai số không thể khắc phục được do đó để hạn chế các sai số này là cần phải
làm thí nghiệm nhiều lần
Các sai số do tiến hành thí nghiệm:
+ Hệ thống chưa đạt ổn đònh mà đã làm thí nghiệm
+ Đọc các số liệu tại các thời điểm không đồng thờ
+ Người đọc các số liệu không chíng xác : đọc phù kế , đọc nhiệt độ , đo lưu lượng
v.v
+ Quá trình tính toán phải nôi suy nhiều lần gây sai số
+ Thao tác thí nghiệm chưa thật chính xác có thể làm sai các số kiệu thí nghiệm
Cách khắc phục:
+ Phải chờ cho hệ thống hoạt động ổn đònh
11
+ Làm thí nghiệm thì các thành viên trong nhóm thí nghiệm phải có sự đồng bộ,
thống nhất chặt chẽ.
+ Đọc các số liệu thì phải chính xác , phải hiểu rõ cách đọc phù kế và đọc các số
liệu phải hết sức cẩn thận . Trong quá trình tính toán các công thức , nôi suy phải chính
xác
+ Phải hiểu rõ các thao tác củng như chức năng của các thiết bò để dễ dàng cho
việc thí nghiệm tránh các rắc rối phát sinh trong quá trình làm thí nghiệm
6.TÍNH TOÁN:
Việc tính toán cho số liệu của cả 5 thí nghiệm là tương tự như nhau.
Ta cần tính lần lượt các thông số sau:
• Đổi từ độ chỉ phù kế thành phân mol x
F
, x
D
:

x
i
=
n
n
R
R
r
R
M
)độrượu100.(
M
độrượu.
M
độrượu.
−ρ
+
ρ
ρ
• Chuyển sang thành thành phần phần trăm dùng để tra khối lượng riêng của hỗn
hợp rượu:
X
i
=
18)xi1(xi46
xi.46
−+
-> ρ
i
=

1
(1 )
i i
r n
X X
ρ ρ
−
+
(kg/m
3
)
• M
tbF
, M
tbD
: M
tbi
= x
i
.46+(1-x
i
)18
• Đổi lưu lượng các dòng từ đơn vò ml/phút thành suất lượng mol:
G
i
=
6
. .10
60.
i

tbi
i
M
ρ
−
(Kmol/s)
• Tính x
W
=
DF
DDFF
GG
xGxG
−
−
• Tính tỷ số hoàn lưu R = L
0
/D
• Tìm ra hệ số góc đường cất bằng R /(R +1) , và thừa số tự do trong phương trình
của nó bằng x
D
/ (R +1):
y=
1R
x
x
1R
R
D
+

+
+
• Trong trường hợp nhập liệu chưa sôi coi gần đúng : x
L
= (x
F
+ x
D
)/2
Từ x
L
, thay vào phương trình đường cất -> nồng độ pha hơi tương ứng trong
đóa nhập liệu

y
L

12
•
G F
G L
h h
q
h h
−
=
−
với h
G
= y

L.
(C
r
.t
nt
+r
r
)+(1-y
L
)(C
n
.t
nt
+ r
n
)
h
L
= x
L.
C
r
.t
S
+(1-x
L
)C
n
.t
S

h
F
= [x
F.
C
r
+(1-x
F
)C
n
].t
F
• Phương trình đường nhập liệu : y=
1 1
F
xq
x
q q
−
− −
Dựa trên đồ thò x-y vẽ các đường chưng và đường cất rồi từ đó ta vẽ được số bậc
thang -> số mâm lý thuyết -> hiệu suất tổng quát .
1 số bảng số liệu cần biết khi tính toán thí nghiệm :
Số liệu cân bằng pha x-y va T-xy cho hệ rượu etylic – nước: (p.148 [3])
Nhiệt dung riêng của nước: C
p-nước
= 75348j/kmol.K
Nhiệt dung riêng của rượu: bảng 1.154, p.172 [2]
Khối lượng riêng của rượu và nước : bảng 1.90, p.70 [2]
7.TÀI LIỆU THAM KHẢO:

[1 ] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bò –tập 3- Truyền khối”,
ĐHQG Tp.HCM;
[2 ] Các tác giả, “Sổ tay Quá trình và thiết bò, tập 1”, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1999.
[3 ] Các tác giả, “Sổ tay Quá trình và thiết bò, tập 2”, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1999.
13
14