BCTHTB CHUNG CẤT QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ CƠ HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
BỘ MÔN MÁY – THIẾT BỊ
---oOo---

BÁO CÁO THỰC HÀNH

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

GVHD:

PHẠM VĂN HƯNG

SVTH:

LÊ THỊ PHỤNG LINH

MSSV:

13022711

LỚP:

DHHO9A

NHÓM:

2

TỔ:

HỌC KÌ:

1

NĂM HỌC: 2015 - 2016

Tháng 3 năm 2016

4


CHƯNG CẤT GIÁN ĐOẠN
I.
Mục đích thí nghiệm
- Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu.
- Xác định nhiệt độ sôi của nhập liệu.
II.
Lý thuyết thí nghiệm
1. Định nghĩa về chưng
Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp
khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp.
Chưng khác cô đặc ở chỗ là chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi, trường hợp
cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tann không bay hơi. Tuy nhiên, trong
trường hợp đơn giản thì chưng và cô đặc hầu như không khác nhau.
Khi chưng, thường có bấy nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm. Đối với
trường hợp có hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu
tử nhẹ) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé (cấu tử nặng) còn sản phẩm đáy
gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn.
2. Cân bằng vật chất

Quá trình tính toán cân bằng vật chất chưng cất dựa trên cơ sở phương pháp Mc
Cabe – Theile xem gần đúng đường làm việc phần chưng và phần cất là đường
thẳng và chấp nhận một số giả thiết sau:
- Suất lượng mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diện
của tháp
- Nồng độ pha lỏng sau khi ngưng tụ có thành phần bằng thành phần hơi ra
khỏi đỉnh tháp
- Dòng hơi vào và ra khỏi tháp ở trạng thái hơi bão hòa
- Dòng hồi lưu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi
- Suất lượng mol pha lỏng không đổi theo chiều cao của đoạn cất và đoạn
chưng.
2.1. Phương trình cân bằng vật chất
F=W+D
F. = W. + D.
Trong đó:


F là lượng nhập liệu ban đầu

(kmol/h)

D là lượng sản phẩm đỉnh

(kmol/h)

W là lượng sản phẩm đáy

(kmol/h)

: thành phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu.

(mol/mol)

: thành phần mol của sản phẩm đáy

(mol/mol)

: thành phần mol của sản phẩm đỉnh

(mol/mol)

2.2.

Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)

Chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng dòng hoàn lưu (Lo) và lưu lượng dòng sản
phẩm đỉnh (D)
R=
Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu (Rmin)
và xác định theo phương trình sau:
Rmin = b.Rmin (b > 1)
Rmin =
Trong đó: : nồng độ pha hơi cân bằng ứng với nhập liệu
2.3.

Phương trình đường làm việc

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

Trong đó:
: tỉ lệ lưu lượng hỗn hợp nhập liệu so với lưu lượng sản phẩm đỉnh
2.4. Xác định số mâm lí thuyết
Xác định số mâm lí thuyết tiến hành như sau:


- Vẽ đường cân bằng x – y trên đồ thị nồng độ phần mol
- Xác định phương trình đường làm việc và biểu diễn phương trình đường làm
việc trên đồ thị.
- Vẽ số bậc thang bắt đầu từ điểm A ( và kết thúc ở điểm C (. Số bậc thang trên
đồ thị ứng với số mâm lý thuyết cần tìm.
3. Cân bằng năng lượng
3.1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu
là nhiệt lượng cần cung cấp. kW
là lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu, kg/s
là nhiệt lượng riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg.oC
, là nhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị , oC
3.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh

Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh
=
là lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/s.
là nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg.
là nhiệt lượng riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg.oC.
là nhiệt độ vào và ra của nước, oC.
G là lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s.
C là nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg.oC.
, là nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, oC.

là nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg.
3.3.

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Làm lạnh sản phẩm đỉnh


=
Làm lạnh sản phẩm đáy

là lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/s.
là nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kJ/kg.oC
là nhiệt độ của sản phẩm đỉnh vào và ra khỏi thiết bị, oC
là nhiệt độ của sản phẩm đáy vào và ra khỏi thiết bị, oC
3.4.

Cân bằng nhiệt lượng toàn tháp

Suy ra

là nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kW.
là nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh và thường được lấy gần bằng
khoảng 5% đến 10% lượng nhiệt cần cung cấp.
là nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, kW

là nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, kW.

là nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra, kW.

là nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, kW.

là nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào, kW.


III.
Tiến hành thí nghiệm
III.1. Dụng cụ: Nhiệt kế, cồn kế, ống đong.
III.2. Cách tiến hành:
- Pha trộn cồn và nước vào bình nhập liệu
- Đo độ cồn của dung dịch nhập liệu bằng cồn kế (20 đến 30 độ cồn)
- Bật công tắc nguồn hệ thống , mở máy tính, khởi động chương trình
DVI3000
- Mở hệ thống nước giải nhiệt, cài đặt chế độ “Auto” trên máy tính ở cửa sổ
Control 1. Mở van thu sản phẩm đáy
- Cài đặt bơm hiệu suất 100% trên cửa sổ làm việc chính của DVI3000, đưa
nhập liệu vào nồi đun. Khi lượng trong nồi đun chảy tràn qua bình chứa
sản phẩm đáy thì khoá van lại.
- Cài đặt độ giảm áp ở giá trị 30mBar trên bộ điều khiển
- Chuyển công tắc sang chế độ “Reflux”(hồi lưu hoàn toàn) trên hộp điều
khiển hệ thống.
- Mở điện trở gia nhiệt nồi đun. Khi xuất hiện dòng ngưng tụ ở đỉnh tháp.
Tiến hành lấy sản phẩm đỉnh bằng cách chuyển công tắc sang “Draw off”
(Không hồi lưu). Lấy mẫu xong chuyển công tắc về chế độ “Reflux”
- Đo độ cồn của sản phẩm đỉnh bằng cồn kế.
III.3. Những lưu ý trong quá trình làm thí nghiệm
- Luôn luôn phải có dòng nước giải nhiệt vào trong hệ thống. Kiểm tra xem
nước có chảy không. Nếu không có nước thì phải ngừng hệ thống.
- Đảm bảo lượng hỗn hợp nhập liệu đủ, nếu hết thì phải ngừng quá trình làm
việc

- Theo dõi sự biến đổi nhiệt độ trong suốt thời gian làm việc.
IV.

Kết quả thí nghiệm
IV.1. Kết quả thu được
Bảng 4.1
Độ cồn
Nhiệt độ (oC)

Thiết bị ngưng tụ

Nhập liệu
25
29

Sản phẩm đỉnh
88
34

Sản phẩm đáy
21
57


Bảng 4.2
Nhiệt độ nước vào (oC)
29,5
V.

Nhiệt độ nước ra (oC)

30,5

Lưu lượng nước (l/h)
100

Xử lý kết quả
3.1. Các công thức tính toán và số liệu tra cứu
• Chuyển đổi đơn vị
 Độ cồn: Thể tích cồn trong 100ml cồn và nước
V=
 Thành phần phần khối lượng: là tỉ số giữa khối lượng chất tan A trên
tổng khối lượng hỗn hợp, kgA/kg hỗn hợp.
=
Khối lượng riêng: (kg/m3)
(kg/m3)

 Thành phần phần mol x: là tỉ số giữa số mol chất tan (A) trên tổng số
mol hỗn hợp, kmolA/kmol hỗn hợp.
x=

Sản phẩm đỉnh: 88o cồn


• Chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Rmin =

• Nhiệt độ sôi của nhập liệu: oC
VI.
Nhận xét và bàn luận
VI.1. Nhận xét

- Nồng độ sản phẩm đỉnh giảm theo thời gian
- Trong quá trình chưng, lượng cấu tử dễ bay hơi ít dần
- Khi tăng nhiệt độ thì lượng sản phẩm đinh tăng và lượng sản phẩm đáy
giảm
VI.2. Bàn luận
1. Ứng dụng của quá trình chưng gián đoạn là: khi hai cấu tử có nhiệt độ sôi
khác xa nhau, không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao, khi cần tách hỗn
hợp lỏng ra khỏi các tạp chất không bay hơi, khi muốn tách sơ bộ hỗn hợp
nhiều cấu tử.
2. Giữa chưng cất gián đoạn và chưng cất liên tục có gì giống và khác?
Đều là quá trình phân riêng hổn hợp lỏng cũng như hỗn hợp lỏng - khí thành
các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn
hợp. Chưng cất gián đoạn là chưng cất theo từng mẻ. Gia nhiệt cho một hỗn
hợp gồm hai chất A và B đến khi dung dịch bay hơi phía trên phần lỏng.Trong
phần hơi này thì tỉ lệ giữa A và B sẽ khác với tỉ lệ trong phần lỏng (nghĩa là A
sẽ nhiều hơn B). Điểu này sẽ làm cho tỉ lệ giữa 2 thành phần luôn thay đổi
trong quá trình chưng cất và thành phần B sẽ ngày càng tăng lên trong dung
dịch.
Chưng cất liên tục. Hỗn hợp chất lỏng sẽ liên tục được cho vào quá trình và
việc tách chất được liên tục thực hiện theo thời gian. Quá trình này luôn tồn
tại thành phần còn lại ở dưới đáy và nó chứa các thành phần khó bay hơi nhất
trong dung dịch. Có một điều khác biệt đặc trưng giữa chưng cất liên tục so
với chưng cất theo mẻ là nồng độ dung dịch luôn không đổi theo thời gian.
BUỔI 2:


Bài 10 :CHƯNG CẤT LIÊN TỤC
10.1.Mục đích
-

Khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dòng nhập liệu
Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ dòng nhập liệu
Khảo sát ảnh hưởng vị trí nhập liệu
Khảo sát ảnh hưởng chỉ số hồi lưu

10.2. Tiến hành thí nghiêm.
10.2.1.Sơ đồ thí nghiệm:

Hình 10.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm
10.2.2.Mô tả thí nghiệm:
- Khởi động hệ thống ( đóng mở cầu dao điện theo đúng trình tự giáo viên
hướng dẫn)


- Khởi động máy tính
- Mở nước giải nhiệt
- Xác định nồng độ cồn bằng cồn kế, sau đó tiến hành pha cồn. Đo ở cồn 40 0
( chú ý thao tác cẩn thận tránh làm đổ ra sàn)
- Mở van nhập liệu, van thu sản phẩm đáy
- Cắm đầu hút của bơm nhập liệu vào bình chứa
- Mở công tắc nguồn
- Mở công tắc tổng
- Chạy phần mềm : có 2 giao diện
• giao diện 1: công suất và lưu lượng
• giao diện 2: gồm có 3 bảng
 Bảng 1: gia nhiệt
o PV: màu xanh : giá trị thực tế
o SP: màu vàng : giá trị cài đặt (90%)
o OP: màu đỏ :độ tối ưu hóa ( 100%)
 Bảng 2: cột áp suất

o PV: màu xanh : giá trị thực tế
o SV: màu vàng : giá trị cài đặt ( 30 mBar)
o OP: màu đỏ: độ tối ưu hóa
 Bảng 3: nhiệt độ đáy tháp – nhiệt độ nồi đun
o PV: màu xanh : giá trị thực tế
o SV: giá trị cài đặt (100)
o OP: độ tối ưu hóa
- Chỉnh chu kì : 10 giây
- Lưu lượng dòng hoàn lưu : 40%( Min output)
- Bật công tắc sang chế độ CYCLE (chưng cất với chỉ số hồi lưu xác định)
- Chỉnh hệ thống điều khiển ở chế độ AUTO
- Mở bơm nhập liệu
- Đo lưu lượng nhập liệu
- Đếm số mâm trong tháp
- Đo lưu lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy bằng cách lượng dung dịch thu
được thu được trong một khoảng thời gian( bình thu sản phẩm đáy nằm ở bên
trái, bình thu sản phẩm đỉnh nằm ở bên phải)
- Đo độ cồn ở sản phẩm đáy và đỉnh bằng dụng cụ đo tỷ trọng
- Ghi lại các giá trị nhiệt độ
- Thay đổi lưu lượng dòng hoàn lưu. ( tăng 5% mỗi lần và tăng đến giá trị 95%
thì ngưng)
- Mỗi lần đo phải xả hết sản phẩm ở đáy và đỉnh ở lần đo trước


- Lưu ý : khi tốc độ sản phẩm đỉnh ra chậm ta giảm áp, ngưng bơm, chờ chất
lỏng trong đĩa hạ xuống. Sau khi tốc độ sản phẩm đỉnh ổn định ta tăng áp trở
lại và khởi động bơm
- Sau khi thực hiện xong các thí nghiệm ta ngừng thí nghiệm
- Tắt hệ thống máy tính
- Tắt công tắc gia nhiệt nhập liệu

- Tắt bơm nhập liệu, khóa van nhập liệu vào tháp
- Đặt bộ chỉnh dòng hoàn lưu ở chế độ DRAW OFF
- Tắt gia nhiệt nồi đun
- Đợi khoảng 2-3 phút tắt hệ thống nước làm lạnh
- Xả hết dung dịch trong bình chứa sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh
- Chờ dung dịch trong nồi đun nguội thì tháo ra
- Vệ sinh thiết bị.
10.3. Kết quả thí nghiệm
10.3.1.Kết quả thí nghiệm và xử lý kết quả:
vF = 25%V
Bảng 10.1. Kết quả thí nghiệm
STT

NL

F
mol/h

R

D
mol/h

W
mol/h

vD
%V

vw

%V

1

0.25

0.14836

1.18

0.00763

0.14073

88

20

2

0.25

0.14836

1.27

0.00911

0.13925

89

20

3

0.25

0.14836

1.27

0.00911

0.13925

89

20

10.3.2.Xử lý kết quả
Bảng 10.2. Chuyển đổi đơn vị


STT

xF
(mol/mol)

F

(mol/h)

xD
(mol/mol)

xW
(mol/mol)

1

0.094

0.14836

0.695

0.06142

2

0.094

0.14836

0.715

0.05337

3

0.094

0.14836

0.715

0.05337

Bảng 10.3. Tính cân bằng vật chất:

ST
T

R

D
mol/h

W
mol/h

Đường làm việc phần
chưng

Đường làm việc phần
cất

1

1.18

0.00763

0.14073

y=9.46069x-8.46069

y=0.54128x+0.31881

2

1.27

0.00911

0.13928

y=7.73366x-6.73366

y=0.50947x+0.31498

3

1.27

0.00911

0.13928

y=7.73366x-6.73366

y=0.50947x+0.31498

Bảng 10.4.
Stt

G
(kg/s)

Qng
(kg/s)

QF
(kg/s)

Qw
(kg/s)

QD
(kg/s)

QK
(kg/s)

1

0.05555

0.042

1.32591

5.03676

0.46768

4.684

2

0.05555

0.00015

1.32591

5.03676

0.55646

4.73472

3

0.05555

0.00015

1.32591

5.03676

0.55646

4.73472

10.4.Xử lý kết quả thí nghiệm và bàn luận
10.4.1. Xử lý số liệu:
• Dòng nhập liệu:

• Lưu lượng nhập liệu F (mol/h)


Nồng độ phần mol dòng nhập liệu x(mol/mol):

Với: : Khối lượng mol của rượu etylic và nước ở 14.70C
: Khối lượng riêng của rượu etylic và nước ở 14.70C

999.0
6

793.51

Nồng độ phần khối lượng của dòng nhập liệu:
Sản phẩm đỉnh:
Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh:
Với: : Khối lượng mol của rượu etylic và nước.
: Khối lượng riêng của rượu etylic và nước.
Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đỉnh
• Sản phẩm đáy:

Nồng độ phần mol sản phẩm đáy (mol/mol)
Với: : Khối lượng mol của rượu etylic và nước.
: Khối lượng riêng của rượu etylic và nước.
Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đáy


Suất lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy:
• Tính toán cân bằng vật chất:
Phương trình đường làm việc:
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
Với L=
 Xác định số đĩa lý thuyết:
N= số mâm lý thuyết được xác định khi vẽ đồ thị
 Số đĩa thực tế:
Ntt = =15 (η l à hiệu suất của đĩa. Hiệu suất η là l hàm số của độ bay hơi tương đối α
của các hỗn hợp thực và độ nhớt của chất lỏng. η = f(α, µ), muốn tính được ta phải
xác định tích số α.µ rồi tra đồ thị xác định hiệu suất trung bình của thiết bị hình
3.27/130 sách TRUYỀN KHỐI. η thường có giá trị từ 0,2 ÷ 0,9)
 Hiệu suất của tháp:

Lưu lượng khối lượng dòng giải nhiệt
Để đổi lưu lượng dòng giải nhiệt G từ đơn vị l/h sang l/s ta có công thức sau :
Nhiệt lượng do nhập liệu mang vào
Trong đó : là nhiệt dung riêng của nhập liệu ( J/kg.độ )
=.CE + (1-).CN
Tra CE , CN tại T6 (bảng tra 4.5)


là nhiệt độ của nhập liệu (oC)

• Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra
Trong đó : là nhiệt dung riêng của đỉnh ( J/kg.độ )
=.CE + (1-).CN
là nhiệt độ của đỉnh (oC)
• Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra
Trong đó : là nhiệt dung riêng của đáy ( J/kg.độ )
=.CE + (1-).CN
Tra CE , CN tại T1 (bảng tra 4.5)
là nhiệt độ của đáy (oC)
• Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun
Từ phương trình cân bằng nhiệt toàn tháp ta có
Suy ra :
Trong đó là nhiệt lượng cần cung cấp
Qm=10%Qk
QL0 =L0.rD
trong đó rD =.rE + (1-).rN tra tại T5
10.4.2 Giải thích số liệu:
 Nhập liệu:
• Lưu lượng nhập liệu F (mol/h)
=


• Nồng độ phần khối lượng của dòng nhập liệu:

• Nồng độ phần khối lượng của dòng nhập liệu:

 Sản phẩm đỉnh:
• Lưu lượng đỉnh D (mol/h)
=

•Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh:
=
0.695 (mol/mol).
• Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đỉnh
=
0.853 (kg/kg).
 Sản phẩm đáy:
• Nồng độ phần mol và lượng sản phẩm đáy (lý thuyết):

 W = 0.14073(mol/h), = 0.06142 (mol/mol).
• Lưu lượng đáy W thực tế (mol/h)
=
• Nồng độ phần mol sản phẩm đáy (thực tế)
0.07218 (mol/mol).


• Nồng độ phần khối lượng của sản phẩm đáy (thực tế):
=
0.16584 (kg/kg).
 Chỉ số hồi lưu R:
R = b*Rmin = =
R = 1.18
 Phương trình đường làm việc:
• Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất:
Suy ra: y = 0.54128x + 0.31881
• Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
Với L=
Suy ra: y = 9.46069x - 8.46069
 Nhiệt ngưng tụ:
Qng = D*(R+1)*rD + D*(R+1)CPD*(tSD – tD)

Qng=9.7*10-8(1.18+1)*42016.4+9.7*10-8.(1.18+1)*104282*(89.5-88)
Qng= 0.042 W
 Nhiệt lượng dòng nhập liệu:
QF = F*CPF*tF
QF = 8.503*10-7*77969.948*20 = 1.32591 W
 Nhiệt lượng sản phẩm đỉnh:
QD = D*CPD*tD = 9.74944*10-8*104282*46 = 0.46768 W
 Nhiệt lượng sản phẩm đáy:
QW = W*CPW*tW = 9.8445*10-7*75240*68 = 5.03676 W


• Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun
Từ phương trình cân bằng nhiệt toàn tháp ta có
Suy ra :
Trong đó là nhiệt lượng cần cung cấp
Qm=10%Qk
QL0 =L0.rD = R*D*rD = 1.18*9.7*10-8*42016.4 = 4.8*10-3 W
Suy ra :
Qk = 0.46768 + 5.03676 + 0.1QK + 0.042 - 1.32591 - 4.8*10-3
 Qk = 4.685 W

10.4.3.Xử lý kết quả số liệu:
Đồ thị:

Tài liệu tham khảo
[1]. Trịnh Văn Dũng - Bài tập truyền khối - Quá trình thiết bị công nghệ hóa học
& thực phẩm - NXB Đại Học Quốc Gia TP. HCM.
[2]. Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt - Truyền khối- Bộ môn máy và
thiết bị - NXB Đại Học Quốc Gia TP.HCM, 2012

[3]. Hướng dẫn thực hành quá trình và thiết bị - Bộ môn máy thiệt bị - hệ đại học
- Khoa công nghệ hóa Đại Học Công Nghiệp TP.HCM - NXB lao động.
[4]. Quá trình và thiết bị truyền khối –Khoa máy và thiết bị hóa học –Trường Đại
Học Công Nghiệp TP.HCM.