Báo cáo thực hành quá trình thiết bị chưng cất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHIỆ HÓA HỌC
 - 

BÁO CÁO THỰC HÀNH
CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

CHƯNG CẤT
GVHD: Ths.Nguyễn Tiến Đạt
Nhóm 1
Tổ : 4

TP Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 12 năm 2017
1


CHƯNG CẤT
1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Khảo sát và đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số: chỉ số hồi lưu, nhiệt độ (trạng
thái) và vị trí mâm nhập liệu đến số mâm lý thuyết, hiệu suất quá trình chưng cất và
lượng nhiệt cần sử dụng.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Định nghĩa chưng cất
Chưng cất là quá trình dùng để tiến hành phân tách các hỗn hợp lỏng – lỏng, lỏng –
khí, khí – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của các cấu
tử trong hỗn hợp.
2.2. 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.
2.2.1. Phương trình cân bằng vật chất

Trong đó:

F, P, W: suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh, kmol/h.

: là thành phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong tháp nhập liệu, sản phẩm
đỉnh và sản phẩm đáy, mol/mol.
2.2.2. Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)
Chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng dòng hoàn lưu ( và lưu lượng dòng sản phẩm
đỉnh (D).

2


Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu ( và
xác định theo phương trình sau: .
2.2.3. 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.

: tỉ lệ giữa lưu lượng hỗn hợp nhập liệu so với lưu lượng sản phẩm đỉnh.
2.2.4. Xác định số mâm lý thuyết
+ Vẽ đường cân bằng x-y trên đồ thị nồng độ phần mol

+ Xác định phường trình đường làm việc đoạn cất và đoạn chưng và biễu diễn phương
trình đường làm việc lên đồ thị.
+ Vẽ các bâc thang bắt đầu từ điểm P () và kết thúc
W(). Số bậc thang trên đồ thị chính là số mâm lý thuyết cần tìm.
2.3. Cân bằng năng lượng
2.3.1. Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu

Trong đó:

: nhiệt lượng cần cung cấp để gia nhiệt nhập liệu, kW.
: lưu lượng khối lượng hỗn hợp nhập liệu, kg/s.
: là nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu, kJ/kg..
: nhiệt độ nhập liệu vào và ra khỏi thiết bị, .
: nhiệt mất mát ở thiết bị gia nhiệt nhập liệu, kW.

2.3.2. 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
3


Trong đó:

: lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/s.
: nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg.
: nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kJ/kg..
: nhiệt độ ra và vào của nước, .
G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s.
C: nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg..

: nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, .
: nhiệt mất mát ở thiết bị ngưng tụ.

1

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Làm lạnh sản phẩm đỉnh
.
Làm lạnh sản phẩm đáy
.
Trong đó:
: lưu lượng khối lượng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kg/s.
: nhiệt dung riêng dòng sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, kJ/kg..
: nhiệt độ của sản phẩm đỉnh ra và vào khỏi thiết bị, .
: nhiệt độ của sản phẩm đáy ra và vào khỏi thiết bị, .
: nhiệt độ ra và vào của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, .
: nhiệt độ ra và vào của nước ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, .
: lưu lượng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kg/s.
: lưu lượng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kg/s.
: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh,J/kg..
: nhiệt dung riêng dòng giải nhiệt ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, J/kg..
: nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh, kW.
4


: nhiệt mất mát ở thiết bị làm lạnh sản phẩm đáy, kW.
2

Cân bằng nhiệt toàn tháp

Trong đó:

: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, kW.

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

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

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

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

: nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào, kW.
3. THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT.
3.1. Dụng cụ và hóa chất
Hỗn hợp cồn (Ethanol – nước) 96 độ cồn.
Tỷ trọng kế (phù kế) từ và từ .
Ống đong 1 lít.
Ống đong 100ml
Nhiệt kế.
3.2. Phần mềm DIV3000
Chương trình điều khiển DVI3000 được chạy trên nền của phần mềm Winzon tiến
hành quá trình kết nối, điều chỉnh, điều khiển tất cả các thông số của hệ thông chưng cất
DVI3000.
5

4. THỰC NGHIỆM
4.1. Chuẩn bị
Pha trộn dung dịch vào bình chứa nhập liệu (khoảng 200 lít) từ nồng độ khoảng 20
đến 30 độ cồn (thành phần phần thể tích).
Mở công tắc điện chính, đèn trắng được kích hoạt, mở công tắc tổng (chú ý mở nút
kháo khẩn cấp).
Mở máy tính và khởi động chương trình điều khiển DIV3000, đợi khi chương trình đã
kiểm tra xong việc kết nối và sẵn sàng hoạt động.
Mở hệ thống nước giải nhiệt, cài đặt chế độ làm việc “Auto” và lưu lượng nước giải
nhiệt
Mở van nhập liệu ở vị trí thấp nhất, mở van sản phẩm đáy
Điều chỉnh lưu lượng bơm nhập liệu với hiệu suất 100%, số vòng quay tối đa, sau đó
mở công tắc bơm đưa nhập liệu vò nồi đun. Khi lượng lỏng trong nồi đun đã đủ (khi
dung dịch chảy qua bình chứa sản phẩm đáy) thì ngưng bơm nhập liệu
Khóa van nhập liệu và van thu hồi sản phẩm đáy
Cài đặt chế độ làm việc “Auto” và độ giảm áp của tháp chưng cất ở giá trị 20mBar
trên bộ điều khiển độ chênh áp PID
Chuyển công tắc chia dòng hoàn lưu sang chế độ “ Reflux” (hồi lưu hoàn toàn)
Mở điện trở gia nhiệt nồi đun, theo dõi trạng thái hỗn hợp
Khi xuất hiện dòng ngưng tụ ở đỉnh tháp, tiến hành lấy sản phẩm đỉnh, bằng cách
chuyển công tắc chia dòng hồi lưu sang chế độ “ Draw off” (không hồi lưu). Sau khi lấy
mẫu xong chuyển công tắc trở về chế độ “ Reflux”, đo nồng độ sản phẩm đỉnh
Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu
Xác định nhiệt độ sôi của nhập liệu
4.2. Tiến hành thí nghiệm
Cài đặt chế độ làm việc “Auto” và giá trị nhiệt độ sôi của nhập liệu trên bộ điều khiển
của thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Khi nhiệt độ nhập liệu gần bằng nhiệt độ sôi của nhập liệu, tiến hành mở van nhập
liệu và điều chỉnh bơm nhập liệu với tốc độ (10-15) lit/h
Cài đặt đọ giẳm áp của tháp chưng cất ở giá trị 20mBar trên bộ điều khiển độ chênh

áp.
6


Mở van thu sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
Điều chỉnh công tắc chia dòng ở vị trí “ Cycle” (hồi lưu một phần)
Cài đặt giá trị tỉ số hồi lưu giá trị thấp nhất bằng 1.5 lần giá trị chỉ số hồi lưu tối thiểu
bằng cách cài đặt chế độ làm việc “Manu”, chu kỳ lấy mẫu và giá trị phần trăm hồi lưu
Sau 10p, tháo hết dung dịch có trong bình chứa sản phẩm đỉnh
Đo lưu lượng sản phẩm đỉnh bằng phương pháp thể tích và nồng độ sản phẩm đỉnh
Ghi các thông số nồng độ, nhiệt độ vào trong bảng số liệu
Lần lượt tiến hành thí nghiệm với cấc giá trị tỉ số hồi lưu, vị trí mâm nhập liệu và
nhiệt độ nhập liệu khác nhau. Sau mỗi lần điều chỉnh chế độ làm việc phải đợi 10p để hệ
thống ổn định mới tháo hết dung dịch trong bình chứa sản phẩm đỉnh và xác định các
thông số.
4.3. Các lưu ý
Trong suốt quá trình làm thí nghiệm cần chú ý những vấn đề sau:
-

Lưu lượng dòng nước giải nhiệt vào trong hệ thống, nếu không có thì phải ngừng hệ

-

thống
Lượng hỗn hợp nhập liệu hết thì phải ngừng quá trình làm việc
Theo dõi sự biến đổi nhiệt độ trong suốt thời gian làm việc và giải thích
Đánh giá kết quả đo thành phần và lưu lượng dòng sản phẩm để điều chỉnh chế độ
làm việc hợp lí.

7

5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Nồng độ rượu nhập liệu:

-

Tính toán

Độ rượu là

suy ra , .

-

Ở nhiệt độ phòng 30

-

Từ ta khảo sát các giá trị chỉ số hồi lưu sau đây:
-

8




Tính cân bằng vật chất:
Bảng kết quả thí nghiệm: Khảo sát mâm nhập liệu cuối cùng (mâm 1)
Độ

rượu
đỉnh

R
1.68

10

290

90

2.24

10

160

91

10

150

91

Trong đó:

92,1

89,9

85,3

78,2

77,9

91,4

29,2

30

93,6

91,2

87,8

81,8

79

91,3

29,1

29,7

94,9

91,6

89,3

88,1

82,5

90,9

29,1

29,9

: nhiệt độ nồi đun, .
: nhiệt độ mâm đáy tháp, .
: nhiệt độ mâm giữa tháp, .
: nhiệt độ mâm đỉnh tháp, .
: nhiệt độ dòng hoàn lưu, .
: nhiệt độ dòng nhập liệu, .
: nhiệt độ dòng lạnh vào, .
: nhiệt độ dòng dạnh ra, .

R=2.81, nhiệt độ phòng 30. Ta có:
-

Năng suất nhập liệu:

.
-

Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh:
Suy ra

-

Năng suất sản phẩm đỉnh:

-

Năng suất sản phẩm đáy: W=
Nồng độ sản phẩm đáy:

Suy ra:
Tóm tắt các giá trị tính được cho mâm 1:
9


R
1.5
9

0.092
5

0.206
7

2.1
2

0.092
5

0.206
7

2.6
5

0.092
5

0.206
7

F

P

W

()

()

()

0,733

0,875

0,036

0,421

0,038

0,091

0,756

0,888

0,020

0,437

0,063

0,146

0,756

0,888

0,018

0,439

0,065

0,150

-

Phương trình đường cất có dạng:

-

Phương trình đường chưng có dạng: ( )

R

Phương trình đường cất

Phương trình đường chưng

1.68

0.627x + 0.274

5,348x – 0,163

2.24

0.691x + 0.233

7,904x – 0.434

2.81

0.738x + 0.198

7,28x – 0.407

10


-

Đồ thị:
Ứng với R=1.68

Suy ra số mâm lý thuyết:
-

Ứng với R=2.24

Suy ra số mâm lý thuyết:

11


-

Ứng với R=2.81

Suy ra số mâm lý thuyết:
Nhận xét: Khi chỉ số hồi lưu tăng thì số mâm lý thuyết giảm.

Nhận xét: Khi chỉ số hồi lưu tăng thì nồng độ sản phẩm đỉnh cũng tăng.

Bảng kết quả thí nghiệm: Khảo sát mâm nhập liệu giữa (mâm 2)
R
(l/h)
1.68

10

(l/h)
0.9

2.24

10

2.81

10

Độ rượu
đỉnh
92

98.9

98.4

89.6

82.1

79

90.9

29

30

0.84

93

99.2

99

89.7

80

78.3

90.9

29.4

30.1

0.78

94

99.6

99.3

89.6

78.0

78

91

28.9

29.9

R=2.24, nhiệt độ phòng 30. Ta có: 0.0927
-

Năng suất nhập liệu:

-

.
Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh:

-

Suy ra
Năng suất sản phẩm đỉnh:

-

Năng suất sản phẩm đáy: W=
Nồng độ sản phẩm đáy:

Suy ra:
Bảng tóm tắt giá trị nhập liệu mâm 2
12


R

1.68

0.0927 0.207

F

P

W

()

()

()

0.455

0.0927 0.207
2.24

0.455
0.0927 0.207

2.81

0.455

0.756

0.875
7

0.756

0.887
9

0.756

0.887
9

-

Phương trình đường cất có dạng:

-

Phương trình đường chưng có dạng:

R
1.68
2.25
2.81

-

0.018
0.017
0.016

Phương trình đường cất
y = 0.627x + 0.29
y = 0.691x + 0.248
y = 0.738x + 0.217

0,064

0,150

0,066

0,153

0,068

0,156

0.437
0.438
0.439

Phương trình đường chưng
y = 10,11 - 0,586
y = 9,26x - 0,545
y = 8.74x - 0,523

Đồ thị:
Ứng với R=1.68

Suy ra số mâm lý thuyết:
-

Ứng với R=2.24

Suy ra số mâm lý thuyết: .

-

Ứng với R=2.81

Suy ra số mâm lý thuyết:
Nhận xét: Khi chỉ số hồi lưu tăng thì số mâm lý thuyết giảm
13


Khi chỉ số hồi lưu tăng thì nồng độ sản phẩm đỉnh cũng tăng.

Bảng kết quả thí nghiệm: Khảo sát mâm nhập liệu trên cùng (mâm 3)
Độ
rượ
u
đỉnh

R

1.6
8

10

0,9

92

98,
7

97,

1

87,
9

86,
1

79,
4

90,
9

29,
2

30,1

2.2
4

10

0,7
8

93

98,

9

96,
8

87,
5

83,
6

79

91

29

30

2.8
1

10

0,7
2

94

98,

8

96

87

82,
4

78

91,
1

29

30,1

Bảng tóm tắt giá trị nhập liệu mâm trên cùng (mâm 3)
R

F

P

W

()

()

()

1.6
8

0,093

0,207

0,457

0,733

0,875

0,036

0,421

0,038

0,091

2.2
4

0,093

0,207

0,457

0,756

0,888

0,020

0,437

0,063

0,146

2.8
1

0,093

0,207

0,457

0,756

0,888

0,018

0,439

0,065

0,150

-

Phương trình đường cất có dạng:

-

Phương trình đường chưng có dạng: .

14


R

Phương trình đường cất

Phương trình đường chưng

1.59

0.627x + 0.29

10,11x – 0.586

2.12

0.691x + 0.248

9,92x – 0.606

2.65

0.733x + 0,217

9,41x – 0.585

Đồ thị:
-

Ứng với R=1.68

Suy ra số mâm lý thuyết:
-

Ứng với R= 2.24

Suy ra số mâm lý thuyết: .
-

Ứng với R= 2.81

Suy ra số mâm lý thuyết: .
Nhận xét: Chỉ số hồi lưu tăng mà số mâm lý thuyết không đổi.

Nhận xét: Khi chỉ số hồi lưu tăng thì nồng độ sản phẩm đỉnh cũng tăng.

15


Qua khảo sát vị trí 3 mâm với 3 giá trị chỉ số hồi lưu như trên, ta thấy vị trí mâm
nhập liệu cùng giá trị chỉ số hồi lưu có ảnh hưởng đến số mâm lý thuyết cũng như là
nồng độ sản phẩm đỉnh.
6. NGUYÊN NHÂN CỦA SAI SỐ
+ Các giá trị đo được lấy sai số.
+ Sai số trong quá trình tính toán, xử lý số liệu.
 Cách khắc phục:
+ Nắm rõ các thông số cần phải xác định trong quá trình thí nghiệm.
+ Đọc kết quả và tính toán cẩn thận, lấy sai số ở mức tối thiểu.
7. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Bin – Các quá quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực
phẩm, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[2]. Tài liệu hướng dẫn thực hành Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học,
trường Đại học Công nghiệp TP HCM.

16