Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài chưng cất

Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh
Trường Đại Học Bách Khoa
Khoa Kỹ Thuật Hóa Học
BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Phúc trình thí nghiệm
Quá trình & Thiết bị
Bài:

CHƯNG CẤT

\

CBHD: Thầy Ngô Văn Tuyền
Sinh viên: Trần Ngọc Quốc Hưng
MSSV: 1411634
Nhóm: 3.3
Lớp: HC14HD
Ngày TN: 06/09/2016

Năm học: 2016 - 2017


MỤC LỤC
1. TRÍCH YẾU.............................................................................................................Trang 01
1.1.
Mục đích thí nghiệm.....................................................................................Trang 01
1.2.
Phương pháp thí nghiệm.............................................................................Trang 01
1.3.
Kết quả và nhận xét......................................................................................Trang 01

2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM.............................................................................Trang 02
2.1. Chưng cất hệ 2 cấu tử..................................................................................Trang 02
2.1.1. Cân bằng pha trong chưng cất 2 cấu tử A và B
2.1.2. Các phương trình đường làm việc trong tháp chưng cất
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất........................................Trang 04
2.2.1.
Trạng thái nhiệt động của nguyên liệu
2.2.2.
Tỉ số hoàn lưu
2.2.3.
Độ bay hơi tương đối
2.3. Các cách đánh giá hiệu suất quá trình chưng cất.....................................Trang 06
3. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM.........................Trang 08
3.1. Dụng cụ và thiết bị.......................................................................................Trang 08
3.2. Nguyên liệu...................................................................................................Trang 08
3.3. Sơ đồ thiết bị sử dụng trong thí nghiệm.....................................................Trang 08
3.4. Phương pháp thí nghiệm.............................................................................Trang 09
3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu
3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu
4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM.......................................................................................Trang 09
5. ĐỒ THỊ.....................................................................................................................Trang 10
6. BÀN LUẬN..........................................................................................................Trang 15
7. PHỤ LỤC.............................................................................................................Trang 17
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................Trang 19

1. TRÍCH YẾU:

-

1.1. Mục đích thí nghiệm:

Tiến hành chưng cất thu Ethanol từ hỗn hợp ethanol – nước để khảo sát ảnh hưởng của:


+ Lưu lượng dòng hoàn lưu
+ Vị trí mâm nhập liệu
đến độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh và hiệu suất của tháp chưng cất.

-

1.2. Phương pháp thí nghiệm:
1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu : (3 chế độ TN)
Điều chỉnh lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 và nhập liệu vào một mâm cố định (mâm số 4);
vị trí mâm được tính từ dưới lên và trên miệng nồi đun không có mâm.
TN với ba chế độ khác nhau của dòng hoànlưu ở độ đọc: 5, 10, 15.
1.2.2. Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu: (2 chế độ TN)
Thay đổi 2 vị trí nhập liệu (mâm số 5, 2). Lưu lượng dòng nhập liệu vận được giữ nguyên ở độ
đọc 30 và dòng hoàn lưu ở độ đọc 10.
1.3. Kết quả và nhận xét:
Bảng 1: Số liệu thô
Lưu lượng (độ đọc)
TN

1
2
3
4
5

-

Vị trí
mâm

4
4
4
2
5

Độ rượu

Nhập
liệu
(F)

Đỉnh
(D) ml/
30s

Hoàn
lưu
(L0)

Nhập
liệu

Đỉnh

30
30

30
30
30

50
40
27
34
46

5
10
15
10
10

40
40
40
40
40

80
85
92
83
84

Nhiệt độ
Nhập

liệu
(tF)

Hoàn
lưu
(tL0)

Đáy
(tW)

70
63
70
69
71

77
74
74
76
74

92
88
90
92
94

Đỉnh (tD)
Hơi

Lỏng

80
77
71
76
76

40
42
40
40
40

Nhận xét kết quả thô:
Kết quả tương đối phù hợp so với lý thuyết:
Lưu lượng hoàn lưu càng lớn, sản phẩm đỉnh càng tinh khiết.
Vị trí mâm nhập liệu càng thấp, sản phẩm đỉnh càng không tinh khiết.
2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:
- Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng
biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
- Cơ sở của quá trình chưng là dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp: ở
cùng một nhiệt độ thì cấu tử nào có áp suất hơi lớn hơn sẽ dễ bay hơi hơn, ở cùng một áp suất thì
cấu tử nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dễ bay hơi hơn.


- Chưng cất (chưng luyện) là chưng một hỗn hợp nhiều lần bằng cách tiến hành lặp lại quá
trình đun sôi và ngưng tụ hỗn hợp. Đây là cách phân tách triệt để nhất và được dùng phổ biến
nhất trong công nghiệp hóa học.

-

2.1. Chưng cất hệ 2 cấu tử:
2.1.1. Cân bằng pha trong chưng cất 2 cấu tử A và B:
Bậc tự do của hệ:

-

Gọi pA, pB: lần lượt là áp suất riêng phần của cấu tử A và B trong pha khí.
poA, poB: lần lượt là áp suất hơi bão hòa của A và B nguyên chất ở cùng nhiệt độ.
xA, yA, xB, yB: lần lượt tương ứng là phần mol của A và B trong pha lỏng và pha khí.
Đối với hệ lý tưởng, theo dịnh luật Raoult, ta có:

-

Áp suất chung:
(1)


-

-

Với : gọi là độ bay hơi tương đối của A đối với B.
Nhưng đối với hệ ethanol-nước, do hệ này là hệ có sai lệch dương nên có áp suất tổng lớn hơn áp
suất tính theo định luật Rauolt (phương trình (1)). Vì vậy không thể áp dụng phương trình (2) để
vẽ đồ thị cân bằng pha. Hệ ethanol-nước có điểm đẳng phí, tại đó nhiệt độ sôi của hệ đạt cực tiểu.
Số liệu cân bằng pha của hệ ethanol-nước ở áp suất thường lấy theo thực nghiệm như sau (x, y là
phần trăm mol của cấu tử ethanol trong pha lỏng và pha khí).

Bảng 2: Số liệu cân bằng pha x -y của hệ rượu - nước ở 250C
x
y
t, oC

-

0
0
100

5.0
33.
2
90.
5

10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0

100

44.3 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8

100

86.5 83.2 81.7 80.8 80.0 79.4 79.0 78.6 78.4 78.4

Điểm đẳng phí x = y = 89.4, t = 78.15oC.
Từ đó ta thấy được, nếu áp dụng chưng cất để phân riêng hỗn hợp này, nồng độ rượu cao nhất chỉ

có thể đạt tới 89.4% mol, tức là độ rượu = 96.46 độ. Muốn thu cồn tuyệt đối ta phải dùng kỹ thuật
khác.
2.1.2. Các phương trình đường làm việc trong tháp chưng cất :


-

Phương trình đường cất:

•
•
-

Với:
R: tỷ số hoàn lưu; (Lo: dòng hoàn lưu, D: lượng sản phẩm đỉnh).
xD: nồng độ sản phẩm đỉnh.
Phương trình đường chưng:

•
•
•
-

Với:
xw: nồng độ sản phẩm đáy.
f: hệ số tiếp liệu; (F: dòng nhập liệu, D: dòng sản phẩm đỉnh).
R: tỷ số hoàn lưu.
Phương trình đường nhập liệu:

•

•
•

Với:
xF: 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 với ẩn
nhiệt hóa hơi (hG – hL).
q được tính theo công thức:

•

hG, hL, hF: là trạng thái nhiệt của dòng hơi, dòng lỏng, dòng nhập liệu qua mâm nhập liệu.
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất:
2.2.1. Trạng thái nhiệt động của nguyên liệu:
G,hG y

L,hL x

F,hF, xF

G’,hG’,yG’

-

-

L’,hL’ xL’

Hình 1: Ký hiệu các dòng lỏng, dòng hơi, dòng nhập liệu tại mâm nhập liệu
Đại lượng q cho biết lưu lượng lỏng thay đổi thế nào khi đi từ đoạn cất tới đoạn chưng. Do đường

nhập liệu chứa quỹ tích các điểm nhập liệu (giao điểm đường chưng và đường cất) nên q thay đổi
sẽ làm thay đổi hệ số góc của phương trình đường nhập liệu dẫn đến thay đổi vị trí nhập liệu.
Sự ảnh hưởng đó được thể hiện trong bảng 3 và hình trên


Bảng 3

q

Pha lỏng

Pha hơi

Hệ số góc
đường nhập liệu
q
q −1

q>1

L’ > L+F

G < G’

>1

q=1

L’ = L+F

G = G’

∞

1>q>0

L
G’
<0

q=0

L’ = L

G =G’+F

0

G > G’+F

q
q −1

Trạng thái nhiệt
của nguyên liệu
(39)
H
ỗn hợp

t < tS
(2) Hỗn hợp sôi
t = tS
(3) Hỗn hợp
lỏng hơi tS(4) Hỗn hợp bão
hòa t = tN
(5) Hỗn hợp hơi
quá nhiệt t > tN

q<0

L’ < L

1>

y

>0

1

2
3

4
F0

Đường cân bằng

5

0

-

x

Hình 2: Đồ thị miều tả ảnh hưởng của trạng thái nhiệt động dòng nhập liệu (mỗi đường ứng
với từng trường hợp nhập liệu như trên bảng 3)
Nhập liệu ở trạng thái (2) là tốt nhất vì khi đó tháp làm việc ổn định, suất lượng mol pha hơi
trong đoạn chưng và đoạn cất không đổi, dễ nhập liệu và tính toán đơn giản.
2.2.2. Tỷ số hoàn lưu:


-

-

-

•

Tỷ số hoàn lưu R ảnh hưởng đến vị trí hai đường nồng độ làm việc dẫn đến ảnh hưởng số đĩa lý
thuyết và năng suất tháp chưng cất.
Khi R→, phương trình đường chưng và đường cất tiến dần đến trùng với đường y = x. Lúc đó, số
đĩa lý thuyết sẽ giảm về giá trị thấp nhất. Rõ ràng, khi số đĩa lý thuyết giảm, số đĩa thực sẽ giảm
theo dẫn đến chiều cao tháp giảm, hiệu suất tháp chưng cất giảm.
Khi R→Rmin, đường chưng và đường cất áp sát đường cân bằng, số đĩa lý thuyết tăng dẫn đến số
đĩa thực cũng phải tăng để đảm bảo nồng độ sản phẩm như ý muốn. Do đó chiều cao tháp, chi phí

chế tạo sẽ tăng theo. Đặc biệt khi R = Rmin, động lực quá trình bằng 0 tức không có sự truyền khối
xảy ra.
Đúng đắn nhất nên lựa chọn R sao cho thuận lợi nhất về kinh tế - kỹ thuật. Theo kinh nghiệm R =
1.3Rmin + 0.3
: là tung độ giao điểm đường nhập liệu với đường cân bằng.
2.2.3. Độ bay hơi tương đối:

-

-

•
•
•
•
•
-

•
•
•
-

càng lớn, đường cân bằng càng nằm xa đường y = x dẫn đến động lực quá trình càng lớn. Do và
phụ thuộc nhiệt độ nên tại mỗi nhiệt độ ta có giá trị khác nhau. Do đó, đường cân bằng trong
cưng cất 2 cấu tử là đường cong.
Trong tính toán, ta ít khi dùng α vì tính toán phức tạp và hệ khảo sát không phải lý tưởng, để có
đồ thị đường cân bằng ta làm thực nghiệm đo nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong hai pha tại những
nhiệt độ khác nhau. Từ đó lập được đồ thị t – x, y và đồ thị y – x.
2.2.4. Các cách đánh giá hiệu suất quá trình chưng cất:

Mô hình mâm lý thuyết là một mô hình toán đơn giản nhất để đánh giá hiệu suất tháp chưng cất,
nó dựa trên các cơ sở sau
Cân bằng giữa hai pha.
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 vị 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 định nghĩa về độ trao đổi (η).
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.
x, y: nồng độ cấu tử cần xét trong pha lỏng và pha hơi.
r, v: ký hiệu đầu vào, ký hiệu đầu ra.
*: nồng độ đầu ra của pha này cân bằng với nồng độ đầu vào của pha kia (hai dòng pha đi ngược
chiều nhau).
Trong trường hợp độ trao đổi đánh giá một mâm, người ta còn gọi là hiệu suất theo Murphee:


•
•
•
-

Với:
: nồng độ thực của pha hơi rời mâm n.
: nồng độ pha hơi cân bằng pha lỏng rời ống chảy chuyền mâm n.
: nồng độ thực của pha hơi vào mâm n.
Khi đánh giá cho toàn bộ tháp, người ta gọi là hiệu suất tháp và được định nghĩa (khi xác định số
mâm lý thuyết kể cả mâm đáy):

•
•
-

Với:
: số mâm lý thuyết.
: số mâm thực.
Khi chỉ khảo sát một phần, một vùng trên mâm thì nó có tên là độ trao đổi cục bộ hay hiệu suất
mâm cục bộ:

•
•
•
-

Với:
: nồng độ thực của pha hơi rời vị trí cụ thể trên mâm n.
: nồng độ pha hơi cân bằng pha lỏng cùng vị trí trên mâm n.
: nồng độ thực của pha hơi vào mâm n tại cùng vị trí.
Hiệu suất mâm cục bộ chỉ có khi đường kính mâm lớn, dòng chảy trên mâm xuất hiện vùng xoáy
và ảnh hưởng bởi tiết diện ống chảy truyền. Lúc đó, trên cùng một mâm, nồng độ pha hơi và pha
lỏng tại các vị trí khác nhau là khác nhau.
Số mâm thực là số mâm có trên thiết bị sao cho các sản phẩm đỉnh và đáy đều đạt nồng độ như
mong muốn, tức là xD, xW lý thuyết và thực phải giống nhau.
Cách xác định số mâm lý thuyết:
Dùng giản đồ H – xy: có thể áp dụng trong mọi trường hợp nhưng cần biết số liệu về trạng thái
nhiệt và thực hiện khá phức tạp nên ít dùng.
Dùng giản đồ xy: Dễ thực hiện.
Dựng giản đồ xy.

Xác định vị trí các điểm F(xF; yF), D(xD; yD), W(xW, yW).
Vẽ đường nhập liệu, đường chưng, đường cất theo các phương trình đường làm việc.
Xác định số bậc thang truyền khối giữa đường cân bằng và đường làm việc bắt đầu từ W đến D.
nLT = số bậc thang – 1.
Tính dần từng đĩa: tính toán nhiều nên cần sự trợ giúp của máy tính.
Dựa vào tất cả các thông số có được, nội suy các phương trình đường cân bằng, đường làm việc.
Tính lần lược nồng độ đầu vào, đầu ra của pha hơi và pha lỏng của đoạn chưng và đoạn cất riêng
biệt đến khi nào giá trị xD, xF đạt được giá trị mong muốn.
Mỗi lần tính lặp là một mâm lý thuyết.
Để tính hiệu suất từng mâm cần phải đo tất cả các thông số trên từng mâm và tại từng vị trí của
mâm. Đây là công việc khá khó khăn vì cần sử dụng các thiết bị đo mang tính tự động và kỹ thuật
cao.

•
•
o
o
o
o
o
•
•
•
-

3.

DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:

3.1. Dụng cụ và thiết bị:
- Hệ thống tháp chưng 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 đo dòng nhập liệu và hoàn lưu.
- 1 phù kế ( đo độ rượu ).
- 2 ống đong ( 1 ống đo lưu lượng sản phẩm đỉnh, 1 ống để chứa rượu khi dùng phù kế đo độ
rượu).
- Đồng hồ bấm giây tự trang bị.
-

3.2. Nguyên liệu:
Hỗn hợp rượu etanol – nước được pha sẵn có nồng độ nhất định với thể tích khoảng 60 lít.

3.3. Sơ đồ thiết bị sử dụng trong thí nghiệm:


2
N1

3

4
16

15

5
1
F4

17
12

13
F3

11

10

14

D1

D2

L1

L2
7

W3
W2

F5

6

8

W1
9

F2

Sơ đồ hệ thống thí nghiệm

F1


Sơ đồ thí nghiệm

Ghi chú:
1. Mâm xuyên lỗ
2. Bộ phận ngưng hơi
3. Nước nguội
4. Van giảm áp
5. Bình chứa sản phẩm đỉnh
6. Bình chứa nguyên liệu
7. Ống đong
8. Bơm hoàn lưu
9. Bơm nhập liệu

-

10. Bơm sản phẩm đáy
11. Điện trở nồi đun (2.5 kW)
12. Nồi đun
13. Lưu lượng kế đo dòng nhập liệu
14. Lưu lượng kế đo dòng hoàn lưu

15. Điện trở đun nóng dòng nhập liệu
16. Điện trở đun nóng dòng hoàn lưu
17. Cửa nhập liệu nồi đun

3.4. Phương pháp thí nghiệm:
Tổng cộng có 5 chế độ thí nghiệm
3.4.1. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu: ( 3 chế độ TN )
- Điều chỉnh lưu lượng của dòng nhập liệu ở đô đọc 30 và nhập liệu vào một mâm cố định
( mâm số 4 ); vị trí mâm được tính từ dưới lên và trên miệng nồi đun không có mâm.
- TN với 3 chế độ khác nhau của dòng hoàn lưu ở độ đọc 5, 10, 15
3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu: ( 2 chế độ TN)
- Thay đổi 2 vị trí nhập liêu ( mâm số 5,2 ). Lưu lượng dòng nhập liệu vẫn được giữ nguyên ở
độ đọc 30 và dòng hoàn lưu ở độ đọc 10.

4. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:
Bảng 1: Số liệu thô
Lưu lượng (độ đọc)
TN

1
2

Vị trí
mâm

4
4

Độ rượu

Nhập
liệu
(F)

Đỉnh
(D)
ml/
30s

Hoàn
lưu
(L0)

Nhập
liệu

Đỉnh

30
30

50
40

5
10

40
40

80
85

Nhiệt độ
Nhập
liệu
(tF)

Hoàn
lưu
(tL0)

Đáy
(tW)

70
63

77
74

92
88

Đỉnh (tD)
Hơi

Lỏng

80

77

40
42


3
4
5

4
2
5

30
30
30

27
34
46

15
10
10

40
40
40

92
83
84

70
69
71

74
76
74

90
92
94

71
76
76

Bảng 4: Xử lý số liệu thô
T
N

Vị trí
mâm

1
2
3

4
5

4
4
4
2
5

Lưu lượng dòng (ml/phút)

Phân mol dòng

Nhập liệu
F

Đỉnh
D (ml/ph)

Hoàn lưu
Lo

Nhập liệu
xF

Đỉnh
xD

Đáy
xW (*)

169.2
169.2
169.2
169.2
169.2

100
80
54
68
92

28.2
56.4
84.6
56.4
56.4

0.164
0.164
0.164
0.164
0.164

0.548
0.632
0.777
0.597
0.614

0.041
0.071
0.053
0.041
0.029

(*) Giá trị này được tra từ giản đồ T-xy của hệ Ethanol – H2O ở 250C
Bảng 5: Kết quả tính toán các thông số

TN

Vị trí
mâm

1
2
3
4
5

4
4
4
2
5

Tỉ số
hoàn
lưu R

0.282
0.705
1.567
0.829
0.613

tF

HF
(kJ/kmol)

HGF
(kJ/kmol)

HLF
(kJ/kmol)

q

70
63
70
69
71

262.68
234.06
262.68
258.54
266.82

2060.22
2071.68
2060.22
2061.75
2058.67

315.22
312.08
315.22
314.75
315.67

1.030
1.044
1.030
1.032
1.028

34.215
23.553
34.215
32.083
36.678

Bảng 6: Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu
TN
1
2
3

4

Phương trình đường nhập liệu
y = 34.215x - 5.467
y = 23.553 - 3.722
y = 34.215x - 5.467
y = 32.083x - 5.125

Phương trình đường cất
y = 0.220x + 0.427
y = 0.413x + 0.371
y = 0.610x + 0.303
y = 0.453x + 0.326

40
40
40


5

y = 36.678x - 5.857

y = 0.380x + 0.381

Bảng 7: Kết quả thí nghiệm
TN

Vị trí mâm

1
2
3
4
5

4
4
4
2
5

Số bậc
thang
3
4
6
3
4

Tỉ số hoàn
lưu (R)
0.282
0.705
1.567
0.829
0.613

Số mâm
lý thuyết

2
3
5
2
3

xD
0.548
0.632
0.777
0.597
0.614

Hiệu suất
tổng quát
0.4
0.6
1
0.4
0.6

5. ĐỒ THỊ :
- Thí nghiệm 1: Vị trí mâm số 4, R = 0.282, 2 mâm lý thuyết, xD = 0.548
Phương trình đường nhập liệu
y = 34.215x - 5.467

Phương trình đường cất
y = 0.220x + 0.427

-

Thí nghiệm 2: Vị trí mâm số 4, R = 0.705, 2.5 mâm lý thuyết, xD = 0.632
Phương trình đường nhập liệu
Phương trình đường cất
y = 23.553 - 3.722
y = 0.413x + 0.371

-

Thí nghiệm 3: Vị trí mâm số 4, R = 1.567, 5 mâm lý thuyết, xD = 0.777
Phương trình đường nhập liệu
y = 34.215x - 5.467

-

Phương trình đường cất
y = 0.610x + 0.303

Thí nghiệm 4: Vị trí mâm số 2, R = 0.829, 2 mâm lý thuyết, xD = 0.597
Phương trình đường nhập liệu
Phương trình đường cất
y = 32.083x - 5.125
y = 0.453x + 0.326


-

Thí nghiệm 5: Vị trí mâm số 5, R = 0.613, 3 mâm lý thuyết, xD = 0.614
Phương trình đường nhập liệu
y = 36.678x - 5.857

Phương trình đường cất
y = 0.380x + 0.381

6. BÀN LUẬN:
6.1.
Bàn luận về ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu đến
độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất tổng quát cảu tháp chưng cất:
a. Ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu đến độ tinh khiết của sản phẩm:
- Quá trình chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng
như hỗn hợp khí-lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của
chúng. Khi tiến hành một quá trình như vậy, hỗn hợp bao gồm chất tan và dung môi sẽ được
phân thành hai pha lỏng và hơi dưới tác dụng của nhiệt. Tuy nhiên, không phải cấu tử nào có
độ bay hơi thấp là ở trong pha hơi và cấu tử nào có độ bay hơi cao là ở trong pha lỏng mà
chúng hiện diện trong cả hai pha, với tỉ lệ khác nhau. Tỷ lệ này phụ thuộc và bản chất các cấu
tử có trong hỗn hợp mà cụ thể là độ bay hơi tương đối của chúng và vào nồng độ ban đầu của
nó.
- Qua kết quả thu được từ thí nghiệm 1, 2 và 3,quan sát từ các độ đọc khác nhau ( 5, 10,
15) thì độ tinh khiết của sản phẩm cũng tăng một cách đáng kể ( xD tăng lần lượt 0.548; 0.632;
0.777) ta thấy được rõ ràng sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu lên độ tinh khiết của
sản phẩm. Mà lý thuyết về chưng cất cũng thừa nhận sự gia tăng lưu lượng dòng hoàn lưu sẽ
làm cho độ tinh khiết của sản phẩm tăng lên, tức là lưu lượng càng lớn thì sản phẩm thu được
càng tinh khiết.
- Điều này có thể được giải thích dựa trên cơ sở nhiệt. Với một lượng nhiệt cung cấp
không đổi, suất lượng mol dòng hơi Go không đổi
- Ta có Go = Lo + D. Khi lưu lượng dòng hoàn lưu tăng thì lưu lượng sản phẩm đỉnh sẽ
giảm. Xét toàn bộ tháp, lượng nhiệt cấp cho nồi đun dùng để tách pha hỗn hợp. Độ phân riêng
tỉ lệ thuận với lượng nhiệt cấp riêng – tính trên 1 mol sản phẩm đỉnh.
- Vì vậy, khi D giảm, nhiệt cung cấp riêng tăng sẽ làm tăng độ phân riêng, làm tăng độ
tinh khiết của sản phẩm đỉnh. Dựa vào phương trình cân bằng vật chất độ tinh khiết của sản

phẩm đáy cũng tăng.


b. Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu trên hiệu suất:
- Qua thí nghiệm, ta cũng thấy được khi tăng lưu lượng dòng hoàn lưu, hiệu suất quá
trình cũng tăng. Hiệu suất tăng tức là hệ thống làm việc càng gần với lý thuyết.
- Khi tăng dòng hoàn lưu, hiệu suất mâm tăng, số mâm thực giảm do đó giảm chi phí chế
tạo thiết bị. Tuy nhiên, khi tăng dòng hoàn lưu, nhiệt cung cấp riêng tăng do đó tốn thêm chi
phí nhiệt và chiếm tỉ lớn trong tổng chi phí của quá trình. Thực tế, ta phải tính toán dòng hoàn
lưu sao cho thích hợp để tổng chi phí tạo sản phẩm mong muốn là thấp nhất.
c. Ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất
mâm:
- Trong quá trình chưng cất, sẽ có sự thay đổi nồng độ khi qua mỗi mâm. Tuy nhiên, sự
thay đổi này không giống nhau ở mọi mâm mà phụ thuộc vào khả năng trao đổi trong mâm.
Khi cho nhập liệu ở mâm gần đáy thì số bậc trao đổi nồng độ tăng, độ tinh khiết của sản phẩm
đỉnh cũng tăng theo( nhưng hao tốn nhiều năng lượng hơn); khi nhập liệu ở mâm gần đỉnh
thì ngược lại. Nhưng thực tế dựa vào kết quả thí nghiệm thì mâm số 5 cho nồng độ của sản phẩm
đỉnh cao hơn so với mâm thứ 2, mâm số 5 xD = 0.614 còn mâm thứ 2 xD = 0.597, do có những sai
số trong quá trình làm thí nghiệm dẫn đến sai lệch kết quả. Ví dụ như thao tác vị trí nhập liệu
thực tế không giống với vị trí tính trên lý thuyết thì khả năng trao đổi của các mâm sẽ giảm
nên không chắc chắn đạt được độ tinh khiết cao hơn.
- Qua thí nghiệm, vị trí mâm nhập liệu không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất mâm. Việc
ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu lên hiệu suất mâm không thể kết luận dựa vào vị trí thấp
hay cao của nó mà dựa vào sự sai lệch của nó so với vị trí lý thuyết: càng gần vị trí này thì hiệu
suất mâm càng cao.
Các hiện tượng và quá trình diễn ra trong tháp khi tháp hoạt động ổn định:
- Trên mỗi mâm đều xảy 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.
- Tháp hoạt động bình thường khi : các điện trở gia nhiệt hoạt động đúng công suất, ổn định
đảm bảo cung cấp nhiệt cho các dòng; nhiệt kế trên các mâm ổn định, có giá trị khác nhau và

giảm dần khi lên cao; các lưu lượng kế phải ổn định, các viên bi thường xuyên trồi sụt phải điều
chỉnh về độ đọc cần thao tác; mực chất lỏng nồi đun không vượt qua vạch đỏ; máy tản nhiệt cho
bộ phận ngưng tụ luôn hoạt động trong quá trình chưng cất…

6.2.

6.3.
Các nguyên nhân dẫn đến sai số và cách khắc phục:
- Trong quá trình thí nghiệm thường gặp sai sót
 Các van không mở hết nên lưu lượng không ổn định.
 Quá trình xả đỉnh lấy sản phẩm để đo lưu lượng, thao tác lúng túng, bấm thời gian không chuẩn,
quan sát mực chất lỏng không chính xác dẫn đến ảnh hưởng tới lưu lượng.
 Viên bi trồi sụt nên phải thường xuyên quan sát để điều chỉnh lại vị trí độ đọc cần khảo sát.
 Đo độ rượu bằng phù kế không chính xác.
- Cách khắc phục


 Cẩn thận trong quá trình thí nghiệm. phối hợp nhịp nhàng giữa các thành viên trong nhóm ở các
thao tác mở van, thu sản phẩm, bấm thời gian…
 Quan sát mực chất lỏng ở bình đựng sản phẩm đỉnh, khi ổn định mới bắt đầu thu sản phẩm đo lưu
lượng
 Luôn quan sát viên bi trong lưu lượng kế
 Nhập liệu nồi đun luôn kiểm soát ở mức vạch đỏ, nếu vượt quá vạch đỏ cần xả bớt ra
 Đo các giá trị cùng lúc.

7. PHỤ LỤC :
7.1.
Các thông số nhiệt động:
C (kJ/kg.độ), r (kJ/kg), ρ (kg/m3) được tra từ Bảng tra cứu Quá trình cơ học truyền nhiệt –
truyền khối.

7.2.
Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh và nồng độ phần mol dòng nhập liệu theo độ rượu:

7.3.

Khối lượng riêng trung bình của dung dịch theo độ rượu tương ứng:

7.4.

Khối lượng trung bình của dung dịch:

7.5.

Lưu lượng mol/ph của từng dòng:

7.6.

Tỉ số hoàn lưu R:

7.7.

Entalpi của dòng nhập liệu, dòng hơi và dòng lỏng hoàn lưu:

7.8.

Nhiệt hóa hơi hỗn hợp:

7.9.

Nhiệt dung ring hỗn hợp:

7.10.

Thông số nhập liệu q:

7.11.

Phương trình đường nhập liệu:


7.12.

Phương trình đường cất:

7.13.

Tính tính toán xW:
Bằng công thức trên thu được với giá trị x W < 0 Để khảo sát được trọn vẹn các quá trình tiếp theo,
ta tiến hành đo nhiệt độ tương ứng của tW rồi tìm nồng độ phần mol xW theo giản đồ T - xy.

7.14.

Hiệu suất mâm tổng quát:

8. TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1]. Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa học & thực phẩm – Tập
3 – Truyền Khối”, NXB ĐHQG Tp. HCM, ĐHBK Tp.HCM, 2011, 388 tr.
[2]. Bộ môn Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất (Khoa hóa, Trường ĐHBK Hà Nội), “Sổ
tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập I”, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, Hà
Nội, 1992, 630 tr.

[3]. Bộ môn Máy và Thiết bị, “Bảng tra cứu qu trình cơ học truyền nhiệt-truyền khối”, NXB
ĐHQG Tp. HCM, ĐHBK Tp.HCM, 2011, 68 tr.