Thí nghiệm quá trình thiết bị phần chưng cất 3

Chưng cất
I. Trích yếu
I.1. Nội dung, mục đích thí nghiêm.
 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu, vò trí mâm nhập
liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp chưng cất
 Lựa chọn thông số lưu lượng dòng hoàn lưu và vò trí mâm nhập liệu
tối ưu cho tháp chưng cất
I.2. Cách tiến hành.
 Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu:
- Khi khảo sát lưu lượng dòng hoàn lưu, thì vò trí mâm nhập liệu là
không đổi (mâm 4); lưu lượng dòng nhập liệu không đổi (ở độ đọc 30)
- Tiến hành đo các các thí nghiêm với lưu lượng dòng hoàn lưu thay đổi
lần lượt ở các mức đọc 5, 10, 15 (3 thí nghiệm)
- Đo các thông số : lưu lượng sản phẩm đỉnh (ml/phút), Độ rượu của
dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh, nhiệt độ của dòng nhập liệu (t
F
), đỉnh (t
D
),
hoàn lưu (t
L0
) trong mỗi thí nghiệm (riêng lưu lượng và độ rượu của dòng nhập
liệu có thể đo chỉ 1 lần cho tất cả thí nghiệm)
 Khảo sát ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu:
- Khi khảo sát ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu thì lưu lượng dòng
nhập liệu vẫn không đổi và lưu lượng dòng hoàn lưu cũng giữ không đổi (ở độ
đọc 10).
- Thực hiện các thí nghiệm với vò trí mâm nhập liệu ở mâm thứ 2 và
mâm thứ 5
- Các bước đo số liệu được tiến hành như khi khảo sát dòng hoàn lưu.
I.3. Kết quả.

 Lưu lượng dòng nhập liệu, lưu lượng dòng hoàn lưu, lưu lượng dòng
sản phẩm đáy có thể tính được theo công thức:
Lưu lượng dòng (ml/phút) = độ đọc x 5,64
 Phần mol C
2
H
5
OH ( x) của dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh:
x =
18
).1(
46
).(
46
).(
N
R
R
a
a
a
ρ
ρ
ρ
−
+
Trong đó:
 a : độ rượu/100
 ρ
N

: khối lượng riêng của H
2
O
 ρ
R
: khối lượng riêng của C
2
H
5
OH
CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu
CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất
 Dựa vào phương trình bảo toàn vật chất ta có thể xác đònh được các
thông số khác như : x
w
, tỉ số hoàn lưu, q, H
F
, H
GL,
H
LF
ứng với từng thí nghiệm
 Viết phương trình đường nhập liệu, phương trình đường cất
 Vẽ đường nhập liệu, đường cất, từ đó xác đònh đường chưng
 Qua đồ thò xác đònh được số mâm lí thuyết
 Tính hiệu suất mâm tổng quát và so sánh với các thí nghiệm
II. Lí thuyết thí nghiệm
Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản dựa trên các cơ sở :
 Cân bằng giữa pha lỏng – hơi cho hỗn hợp 2 cấu tử.
 Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm cho 2 pha lỏng – hơi :

 Pha lỏng phải hoà trộn hoàn toàn trên mâm (nồng độ đồng nhất)
 Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và
đồng thời có nồng độ đồng nhất tại mọi vò trí trên tiết diện mâm
 Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha
I.4. Hiệu suất.
Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực ta cần phải biết hiệu suất
mâm. Có 3 loại hiệu suất mâm thường dùng là :
 Hiệu suất mâm tổng quát, liên quan đến toàn tháp.
 Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến một mâm.
 Hiệu suất cục bộ, liên quan đến một vò trí cụ thể trên mâm.
a) Hiệu suất mâm tổng quát (E
0
):
Được đònh nghóa :
E
0
= (Số mâm lý thuyết) / (Số mâm thực)
= (Số bậc thang – 1) / (Số mâm thực)
Đơn giản khi sử dụng nhưng kém chính xác nhất
Với nồi đun được xem là tương đương với một mâm lý thuyết.
b) Hiệu suất mâm Murphree (E
M
)
1
*
1
+
+
−
−

=
nn
nn
M
yy
yy
E
Trong đó :
y
n
: Nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n
y
n+1
: Nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n (từ dưới lên)
y
*
n
: Nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng rời ống chảy chuyền
mâm thứ n
Trang
2
CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất
Hiệu suất mâm Murphree do đó là tỉ số giữa sự biến đổi nồng độ pha hơi qua
một mâm với sự biến đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi rời mâm
cân bằng với pha lỏng rời mâm thứ n. Nói chung với một mâm có đường kính
lớn, pha lỏng rời mâm với nồng độ không bằng với nồng độ trung bình pha lỏng
trên mâm, do đó có khái niệm hiệu suất cục bộ.
c) Hiệu suất cục bộ (E
C
).

1
''
1
''
+
+
−
−
=
n
en
nn
M
yy
yy
E
Trong đó
y
’
n
: Nồng độ rời khỏi vò trí cụ thể trên mâm n
y
’
n+1
: Nồng độ pha hơi vào mâm n tại cùng vò trí
y
’
en
: Nồng độ pha hơi cân bằng pha lỏng tại cùng vò trí
∗

Mối liên hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất tổng quát
Hiệu suất tổng quát của tháp không bằng với hiệu suất trung bình của từng
mâm. Mối liên hệ giữa hai hiệu suất này tùy thuộc vào độ dốc tương đối của
đường cân bằng và đường làm việc.
Tuy nhiên, khi phân tích hoạt động của tháp hay một phần của tháp thực tế,
trong đó, ta xác đònh được sự biến thiên nồng độ qua một hoặc vài mâm ở các vò
trí khác nhau sẽ xác đònh giá trò chính xác của E
m
và E
m
có thể lấy bằng E
0
( E
m
=
E
0
)
I.5. Phương trình đường nhập liệu và phần cất
a) Dòng nhập liệu :
Phương trình đường làm việc cho dòng nhập liệu là:
y = x - x
F
Trong đó:
LFGF
FGF
HH
HH
q
−

−
=
: Là tỉ số giữa nhiệt cần thiết để biến đổi 1 mol nhập
liệu từ trang thái ban đầu ra thành hơi bão hòa với ẩn nhiệt bốc hơi (H
G
-H
L
)
Nhập liệu vào tháp có thể ở trang thái nhiệt bất kì từ lỏng dưới điểm sôi đến
hơi quá nhiệt và tương ứng với mỗi trang thái nhiệt là có một giá trò q
b) Phần cất :
Phương trình đường làm việc cho phần cất là:
11
1
+
+
+
=
+
R
x
x
R
R
y
D
nn
Trong đó :
Trang
3

CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất
R : Tỉ số hoàn lưu ( R=L
0
/D)
x
D
: Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh
c) Phần chưng:
Phương trình đường làm việc cho phần chưng là:
wmm
x
WL
W
x
WL
L
y
−
−
−
=
+1
Trong đó :
L
: Suất lượng pha lỏng
G
: Suất lượng pha lỏng
* ) Trong thực tế khi ta xác đònh số mâm lý thuyết không cần phải tìm cả ba
phương trình. Chỉ cần biết hai trong ba phương trình, dựa vào đồ thò xác đònh số
mâm lý thuyết

III. Kết quả thí nghiệm
III.1. Số liệu thí nghiệm
a) Bảng số liệu
T
N
Vò trí
mâm
Lưu lượng dòng
(độ dọc)
Độ chỉ của phù kế
(độ rượu)
Nhiệt độ đo
(
o
C)
Nhập liệu
(Độ đọc)
(F)
Đỉnh
(ml/phút)
(D)
Hoàn lưu
(Độ đọc)
(Lo)
Nhập
liệu
Đỉnh
Nhập
liệu
(t

F
)
Đỉnh
(t
D
)
Hoàn lưu
(t
LO
)
1 4 30 120 5 37 86 35.5 38 76
2 4 30 90 10 37 88 35 40 76
3 4 30 62 15 37 92 35 41 72
4 2 30 78 10 37 75 35.5 42 76
5 5 30 78 10 37 77 35.5 40 76
b) Xử lý số liệu thô
Trang
4
CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất
T
N
Vò trí
mâm
Lưu lượng dòng (ml/phút)
độ đọc*5.64
Phân mol dòng
(mol C
2
H
5

OH / mol tổng)
Nhập
liệu (F)
Đỉnh
(ml/phút)
(D)
Hoàn lưu
(Lo)
Nhập liệu
(x
F
)
Đỉnh
(x
D
)
Đáy
(x
W
)
1
4 169.2 120 28.2 0.152 0.652 -0.159
2
4 169.2 90 56.4 0.152 0.691 -0.055
3
4 169.2 62 84.6 0.152 0.778 0.017
4
2 169.2 78 56.4 0.152 0.478 0.015
5
5 169.2 78 56.4 0.152 0.506 0.009

c) Kết quả tính toán các thông số
T
N
Vò trí
mâm
Tỉ số hoàn
lưu (R)
t
F
H
F
(Kcal/Kmol
)
H
GF
(Kcal/Kmol
)
H
LF
(Kcal/Kmol)
q q/(q-1)
1 4 0.24 35.5 708.230 12326.18 2535.0 1.2 6.36
2 4 0.63 35 698.275 12386.80 2595.6 1.2 6.16
3 4 1.36 35 698.275 12521.83 2730.7 1.2 5.82
4 2 0.72 35.5 708.230 12055.96 2264.8 1.2 7.29
5 5 0.72 35.5 708.230 12098.49 2307.3 1.2 7.12
Trang
5
CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất
d) Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu

TN
Phương trình
đường nhập liệu
Phương trình
đường cất
1 y = 6.36 x - 0.82 y
n+1
= 0.19 x
n
+ 0.528
2 y =6.16 x - 0.79 y
n+1
= 0.39 x
n
+ 0.529
3 y = 5.82 x - 0.73 y
n+1
= 0.58 x
n
+ 0.329
4 y = 7.29 x - 0.96 y
n+1
= 0.42 x
n
+ 0.278
5 y = 7.12 x - 0.93 y
n+1
= 0.42 x
n
+ 0.293

III.2. Đồ thò.
Trang
6
CBHD: Nguyeón Hửừu Hieỏu Chửng caỏt
1) Thớ nghieọm 3.
Trang
7
CBHD: Nguyeón Hửừu Hieỏu Chửng caỏt
2) Thớ nghieọm 4.
Trang
8
CBHD: Nguyeón Hửừu Hieỏu Chửng caỏt
3) Thớ nghieọm 5.
Trang
9
CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất
TN
Vò trí
mâm
R
Số mâm
lý thuyết
x
D
Hiệu suất mâm
tổng quát
1 4 0.24 0.652
2 4 0.63 0.691
3 4 1.36 0.778
4 2 0.72 0.478

5 5 0.72 0.506
III.3. Bàn luận.
1) nh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và mâm nhập liệu đến độ tinh
khiết của sản phẩm và hiệu suất tổng quát của tháp chưng cất.
• nh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu.
- Quá trình chưng cất là quá trình phân riêng các cấu tử của hỗn hợp
lỏng hay hơi gồm có 2 hay nhiều cấu tử thành từng cấu tử riêng biệt có độ tinh
khiết mong muốn, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử của hổn hợp .
- Cấu tạo tháp chưng cất được chia làm 2 phần : Phần chưng, phần cất.
Trong phần chưng có dòng hơi từ dưới lên và dòng lỏng do nhập liệu đi từ trên
xuống do đó có sự truyền khối giữa hai pha. Trong phần cất chỉ có dòng hơi bay
lên do đó thường một phần được trích ra từ sản phẩm sẽ được hoàn lưu lại trong
tháp nhằm tăng độ tinh khiết của sản phẩm.
- Quá trình chưng cất không có hoàn lưu độ tinh khiết của sản phẩm chỉ
đạt đến một giá trò nào đó. (thường chỉ áp dụng để tách 2 cấu tử có nhiệt độ sôi
khác xa nhau và độ sạch của sản phẩm không cần cao lắm)
- Khi tăng lưu lượng dòng hoàn hưu, độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh
tăng
- Hiệu suất tổng quát. Có thể xem E
0
= E
M
(Hiệu suất mâm Murphree)
1
*
1
+
+
−
−

=
nn
nn
M
yy
yy
E
Khi tăng lưu lượng hoàn lưu, y
n
và y
n+1
tăng và y
n
tiến đến y
*
n
nên E
M

tiến đến 1. Hiệu suất mâm tăng dẫn đến hiệu suất mâm tổng quát tăng
• nh hưởng của vò trí mâm nhập liệu.
Trang
10
CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất
- Trong quá trình chưng cất, dòng lỏng, dòng hơi thay đổi nồng độ khi
đi qua mỗi mâm.
- Nếu như nhập liệu gần đáy tháp thì quá trình truyền khối trong phần
cất diễn ra tốt độ tinh khiết của sản phẩm cao (do chiều cao phần cất lớn) tuy
nhiên thực tế việc ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu đến hiệu suất tháp không
rõ ràng.

- Dựa vào sự sai lệch giữa số mâm thực và số mâm lý thuyết. Hiệu
suất càng cao khi số mâm lý thuyết càng cao
- Trong thí nghiệm này vò trí nhập liệu tối ưu là mâm số 4
2) Hiện tượng và quá trình xảy ra khi tháp hoạt đông ổn đònh
- Trên mỗi mâm đều sảy ra hiện tượng sôi của hỗn hợp nhiệt độ sôi
của hỗn hợp ở mỗi mâm là khác nhau và giảm dần đến mâm cuối cùng
- Khi hệ thống hoạt động ổn đònh tức
 Các điện trở gia nhiệt các dòng hoạt động đúng công suất nhằm
đảm bảo việc cung cấp nhiệt cho các dòng
 Các lưu lượng kế đo các dòng phải ổn đònh (Tâm viên bi khong trồi
sụt), nhằm để ổn đònh lưu lượng dòng nhập liêu cũng như dòng hoàn lưu
 Sản phẩm đỉnh phải đảm bảo hoàn toàn thuộc nồng dộ cần khảo sát
do đó phải chờ mực chất lỏng trong bình chứa sản phẩm đỉnh dâng lên đến
miệng ống chảy tràn thì mở van xả sản phẩm đỉnh.Việc tháo này giúp cho ta có
thể xác đònh chính xác số liệu cần đo và đảm bảo hệ thống hoạt động ở chế độ
cần khảo sát
3) Các nguyên nhân dẫn đến sai số và cách khắc phục.
- Trong quá trình thí nghiệm
 Các van không mở hết nên lưu lượng không ổn đònh
 Viên bi luôn trồi sụt nên phải luôn theo dõi lưu lượng kế
 Đo độ rươu bằng phù kế không chính xác do người đọc
 Sai số do đo lưu lương ( bấm đồng hồ không chính xác, lưu lượng
không ổn đònh)
 Thiết bò ngưng tụ và tháp chưng không bọc cách nhiệt vì thế nhiệt
độ đo được không chính xác
 Không đọc các giá trò đo cùng lúc
- Trong quá trình tính toán : Làm tròn số liệu, tra bảng, chuyển đổi đơn
vò đo, vẽ đồ thò không chính xác
- Hạn chế và khắc phục : Thí nghiệm phải cẩn thận, thao tác của các
thành viên phải phối hơp nhòp nhàng

Trang
11
CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất
III.4. Phụ lục
Các công thức sử dụng trong tính toán chưng cất là:
a) Phần mol C
2
H
5
OH ( x) của dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh.
x =
18
).1(
46
).(
46
).(
N
R
R
a
a
a
ρ
ρ
ρ
−
+
b) Suất lượng mol cho dòng nhập liệu.
18

.).1(
46

NthetichRthetich
mol
FaaF
F
ρρ
−
+=
Trong đó:
F
mol :
Suất lượng mol dòng nhập liệu ( Kmol/phút)
F
thetich :
Suất lượng thể tích dòng nhập liệu ( m
3
/phút)
ρ
N
: khối lượng riêng của H
2
O ( Kg/m
3
)
ρ
R
: khối lượng riêng của C
2

H
5
OH ( Kg/m
3
)
c) Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp C
2
H
5
OH - H
2
O (C
hh
)
NRhh
CxCxC )1(.
−+=
C
N
: Nhiệt dung riêng của nước. (Kcal/Kmol.
o
C)
C
R
: Nhiệt dung riêng của rượu. (Kcal/Kmol.
o
C)
d) Ẩn nhiệt hoá hơi trung bình của hỗn hợp C
2
H

5
OH - H
2
O (Kcal/Kmol)
NRhh
rxrxr )1(.
−+=
r
hh
, r
R
, r
N :
ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp, rượu nguyên chất, nước ở
nhiệt độ t đang xét
e) Nhiệt hàm của dòng nhập liệu, sản phẩm đỉnh, hoàn lưu
H = C.t + r
Nếu ở trạng thái dưới sôi cho đến sôi thì H = C.t . Với t là nhiệt độ
của dòng lưu chất
f) Nồng độ sản phẩm đáy.
DF
DxFx
x
DF
W
−
−
=

Trang

12
CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất
IV. Tài liệu tham khảo.
[1]. Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bò – tập 3 – truyền
khối”, ĐHQG Tp HCM
[2]. Trònh Văn Dũng, “Tóm tắt bài giảng Các quá trình và thiết bò truyền
khối”, ĐH Bán công Tôn Đức Thắng
[3]. Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, “Ví dụ và bài tập –
Tập 10”, ĐH Kỹ Thuật Tp HCM
Trang
13