bài giảng thí nghiệm quá trình và thiết bị công nghệ hóa học

1
THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ
THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
2
NỘI DUNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM
 Xác định chuẩn số Reynolds (Reynolds Number)
 Chưng cất (Distillation)
 Xác định mực chất lỏng (Tank Draining)
 Khuếch tán (Stefan Diffusion)
 Thí nghiệm thiết bị truyền nhiệt (Heat Exchanger)
 Tổng quan về các phân xưởng, quá trình và thiết bị
trong nhà máy lọc dầu (Overview of Refinery)
 Tham quan hệ thiết bị chưng cất tại phòng thí
nghiệm Lọc-Hóa Dầu và Viện Hóa Học Công
Nghiệp Việt Nam
3
XÁC ĐỊNH CHUẨN SỐ REYNOLDS
Chế độ dòng chảy của chất lỏng
 Chảy dòng (tầng) (Re≤2320): các phần tử chất lỏng
chuyển động song song nhau theo đường thẳng với
vận tốc chậm được gọi là chảy dòng.
 Chảy xoáy (rối) (Re≥10000): các phần tử chuyển
động với vận tốc nhanh theo đường thẳng không thứ
tự với các hướng khác nhau tạo thành một dòng rối
được gọi là chảy xoáy.
 Chảy chuyển tiếp (quá độ) (2320<Re<10000): từ tầng
sang rối
4
CHUẨN SỐ REYNOLDS
 Công thức xác định chuẩn số Reynolds
Re=wlρ/µ=wl/ν

Trong đó:
w: vận tốc đặc trưng của dòng chảy (m/s)
l: kích thước hình học đặc trưng (m)
- chiều cao h nếu là tường phẳng
- đường kính tương đương d
tđ
của mặt cắt mà lưu thể đi qua
d
tđ
=4r
tl
r
tl
=f/U
f: diện tích mặt cắt của dòng (ống) U: chu vi thấm ướt
ρ: khối lượng riêng (kg/m
3
)
µ: độ nhớt động lực học (dynamic viscosity)
(kg/m.s hay Pa.s, N.s/m
2
)
v: độ nhớt động học (kinetic viscosity) (m
2
/s)
v= µ/ ρ
5
SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM REYNOLDS
6
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM REYNOLDS

 Thí nghiệm Reynolds là một thí nghiệm cổ điển đã
được Reynolds tìm ra.
 Để xem được cấu trúc của dòng chảy, Reynolds đã
dùng một ống rất nhỏ để dẫn nước màu vào thẳng
với đường tâm của ống lớn dẫn nước không màu.
 Các nhận xét và kết luận mà Reynolds đã rút ra trong
quá trình thí nghiệm.
7
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM REYNOLDS
1. Khi tăng dần lưu lượng từ Q=0
 Ở giá trị lưu lượng nhỏ, tia màu chảy theo một đường thẳng và
theo đường tâm ống, không dao động, dung dịch màu không
có sự hòa trộn với dung dịch nước chảy quanh nó.
 Khi lưu lượng tăng đến một mức nào đó thì tia màu bắt đầu bị
dao động (gợn sóng). Lúc này dòng chảy tầng đã kết thúc.
 Nếu lưu lượng tiếp tục tăng thì tia màu sẽ dao động mạnh hơn
dẫn đến bị đứt đoạn và sau đó sẽ bị hòa trộn hoàn toàn vào
dòng chảy. Lúc này dòng chảy đã trở lên rối hoàn toàn.
 Theo Reynolds dòng chảy chuyển từ trạng thái chảy tầng sang
trạng thái chảy rối phải qua bước trung gian đó là trạng thái
chảy quá độ.
8
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM REYNOLDS
2. Khi lưu lượng giảm dần
 Khi dòng chảy ở trạng thái rối hoàn toàn, nếu ta
giảm dần lưu lượng thì tới mức nào đó tia màu trở
lại mức gợn sóng.
 Nếu tiếp tục giảm lưu lượng thì dòng chảy lại trở về
trạng thái chảy tầng, tia màu lại chảy theo một
đường thẳng dọc theo tâm ống.

 Như vậy, dòng chảy đã chuyển trạng thái chảy từ
trạng thái chảy rối về trạng thái chảy tầng qua trạng
thái trung gian là trạng thái chảy quá độ.
9
XÁC ĐỊNH HỆ SỐ REYNOLDS TỪ THÍ NGHIỆM
 Tính lưu lượng: Q = W/t
 Tính vận tốc dòng chảy: w = Q/A
 Tính chỉ số Reynolds: Re = w.D/v
 Trong đó:
 W là thể tích chất lỏng đo được trong 1 đơn vị thời
gian
 t là thời gian chất lỏng chảy được thể tích W
 A là diện tích đường ống
 D là đường kính ống
 w là vận tốc trung bình trong ống
 v là độ nhớt động học của chất lưu
 Q là lưu lượng
10
XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM REYNOLDS
YÊU CẦU:
 Bổ sung cơ sở lý thuyết của quá trình
 Các trang thiết bị cần dùng cho thí nghiệm
 Lắp đặt các thiết bị cho thí nghiệm
 Chất màu (có thể dùng KMnO
4
)
 Nguyên tắc đo các thông số
 Tiến hành thí nghiệm (lặp lại khoảng 2-3 lần)
 Ghi kết quả thí nghiệm
 Xử lý các số liệu thí nghiệm

 Dùng các ống có D khác nhau hoặc ống gấp khúc
để nghiên cứu cho các trường hợp đặc biệt
11
CHƯNG CẤT (DISTILLATION)
Mục đích của thí nghiệm:
 Lý thuyết về chưng cất
 Nguyên lý, cấu tạo của tháp chưng cất
 Nguyên tắc hoạt động của tháp chưng cất
 Xác định hiệu suất của tháp chưng cất
 Xác định số đĩa lý thuyết của tháp và chỉ số
hồi lưu tối thiểu
 Đánh giá phương pháp McCabe-Thiele
12
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
Thiết bị chưng cất
đơn giản nhất
Thiết bị chưng cất có cột
chưng cất
13
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
Thiết bị chưng cất ASTM D86
14
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
Kết quả thí nghiệm (Bảng 1 nội suy ra Bảng 2)
15
ĐƯỜNG CONG CHƯNG CẤT
16
THÁP CHƯNG CẤT
17
THÁP CHƯNG CẤT

Đĩa trong tháp chưng cất
18
SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THÁP CHƯNG CẤT
19
MỘT SỐ MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT
20
PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele
 Dùng cho quá trình chưng cất hệ hai chất lỏng tan vô hạn
(Rượu+Nước)
 Đường bay hơi cân bằng (a,b,c)
 Sơ đồ nguyên lý một tháp chưng cất
21
PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele
Giả sử cần chưng cất hệ 2 chất (1) và (2) có
áp suất hơi bão hòa lần lượt là P
1
và P
2
Nồng độ phần mol của chất thứ nhất trong
lỏng và hơi lần lượt là x và y
Theo Raoult và Dalton ta có:
y=P
1
x và 1-y=P
2
(1-x)
Hay: y=αx/[1+(α -1)x] với α =P
1
/P
2

α càng lớn thì y càng khác x.
Đường (a) với α =1
Đường (b), (c) với α tăng dần
22
PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele
Theo sơ đồ tháp chưng cất:
 D là sản phẩm đỉnh
 R là sản phẩm đáy
 V là số mol hơi bay lên
 L là số mol lỏng chảy xuống
Tại mỗi đĩa của vùng cất:
V
(n)
=L
(n+1)
+ D
Đối với chất thứ nhất:
V
(n)
y
(n)
=L
(n+1)
x
(n+1)
+ Dx
D
23
PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele
Theo giả thuyết Lewis, nhiệt bay hơi mol

không phụ thuộc phân tử lượng (số mol lỏng
chảy xuống từ các đĩa có thể coi là như
nhau, số mol hơi bay lên từ các đĩa cũng
như nhau). Khi đó ta có:
V
(n)
y
(n)
=L
(n)
x
(n+1)
+ Dx
D
Hay:
y
(n)
=(h/(h+1))x
(n+1)
+(1/(h+1))x
D
(*)
Trong đó: h=L/D
Phương trình (*) là tuyến tính, h càng lớn thì đồ
thị càng dốc, h=∞ thì y
(n)
=x
(n+1)
(Đường chéo)
24

PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele
 Đồ thị biểu diễn sự
phụ thuộc y(n) và x(n+1)
là các đường làm việc
- Tất cả các đường làm
việc của vùng cất đều đi
qua điểm D ứng với
x
D
(DR, DP, DE, DH,…)
25
PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele
Đồ thị biểu diễn giữa y
(m)
và x
(m+1)
là các đường
làm việc vùng chưng
 Chúng đều đi qua điểm R có tọa độ x
R
(RP)
Tại vùng cất: L=hD
V= L+D=(h+1)D
Tại vùng chưng, dòng lỏng L
’
:
L
’
=L+L
a

=hD+L
a
Còn dòng hơi V
’
: V
’
=V-V
a
=(h+1)D-V
a
Vì R=A-D nên độ hồi lưu s:
s= V’/R=[(h+1)D-V
a
]/[A-D]