báo cáo thực hành bài chưng cất

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

MỤC
LỤC
BÁO CÁO
THỰC
HÀNH

MÔN
KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2
BÀI 2: CHƯNG CẤT

I.
-

Giới thiệu

Chưng cất là quá trình dung để tiến hành phân tách các hỗn hôp lỏng-lỏng, lỏng-khí,
và khí-khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào sự khác nhau về độ bay hơi của các cấu

-

tử trong hỗn hợp.
Số lượng sản phẩm chưng cất phụ thuộc vào số cấu tử có trong hỗn hợp. Đối với

GVHD: KS. NGUYỄN MINH TIẾN

trường hợp hỗn hợp 2 cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và

LỚP:
một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi thấp,
sảnDHTP11D
phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi thấp
và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơiTỔ:
lớn 3

II.

Mục đích thí nghiệm

BUỔI HỌC: THỨ 2_TIẾT 13-17

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 lí thuyết, hiệu suất quá trình chưng cất và
nhiệt lượng cần sử dụng.

Tp. HCM, tháng 4 năm 2018


III.

Cơ sở lý thuyết

III.1. Cân bằng vật chất
Quá trình tính toán cân bằng vật chất chưng chất 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 thuyết 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 của hơi đi 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.
 Phương trình cân bằng vật chất
F=W+D
F.xF = W.xW + D.xD
Trong đó:
F,W,D là suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy, sản phẩm đỉnh, kmol/h.
xF, xW, xD là thành phần mol của cấu tử dễn bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm
đáy và sản phẩm đỉnh, mol/mol.
 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)
Chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng dòng hoàn lưu (L o ) 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 (R min) và
xác định theo phương trình sau: R = b.Rmin
 Phương trình đường làm việc
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất.
ycat =
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng.
ychung =
với L = là tỉ lệ lưu lượng hỗn hợp nhập liệu so với lưu lượng sản phẩm đỉnh.

2

III.2. Cân bằng năng lượng
 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu
Qnl =
Trong đó:
Qnl là nhiệt lượng cần chưng cất, 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.
 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh
Qng =
Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh
Qng =
là lưu lượng khối lượng hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/s.
rD 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
là lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s
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.
 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 nhập liệu, 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


IV.

Tiến hành thí nghiệm

IV.1. Chuẩn bị
-

Pha trộn dung dịch vào bình chứa nhập liệu (khoảng 20 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

-

khóa khẩn cấp).
Mở máy tính và khởi động chương trình điều khiển DVI3000, 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 thu 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 vào nồi đun. Khi lượng lỏng trong nồi đun đã đủ (khi

-

dung dịch chảy qua bình chứa sản phẩm đáy) thì ngừng bơm nhập liệu.
Khóa van nhập liệu và van thu sản phẩm đáy.
Cài đặt chế độ làm việc “Auto” và độ giảm áp của tháp chưng cất 20mBar trên bộ điều

-

khiển bộ 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). Sauk hi

-

lấy mẫu xong chuyển công tắc trở 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.

IV.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 18 lít/giờ.
Cài đặt độ giảm áp của tháp chưng cất ở giá trj 30mBar trên bộ điều khiển bộ chênh

-

áp.
Mở van thu sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy
Điều chỉnh công tắc chia dòng ở vị trí “Cycle”
4


-

Sau 10 phút, 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

V.

Kết quả thí nghiệm

V.1. Kết quả thực nghiệm
%VF

20
20
20
R
1.28
1.44
1.76

R
1.28
1.44
1.76

T1 OC
90.4
92.0
92.9

VD (ml)
150
150
150

T2 OC
90.2
91.4
91.9

T3 OC
89.2

90.2
89.9

tD (phút)
14,46
12,37
14,07

T4 OC
75.4
86.5
87.7

T5 OC
70.0
78.7
79.7

%VD
89
84
83
T6 OC
92.1
92.9
92.9

%VW
11
16

17
T7 O C
29.9
29.9
29.9

T8 O C
31.0
31.2
31.0

Chú thích:
R: chỉ số hồi lưu
T1: nhiệt độ nồi đun (oC)
T2: nhiệt độ đáy tháp (oC)
T3: nhiệt độ giữa tháp (oC)
T4: nhiệt độ đỉnh tháp (oC)
T5: nhiệt độ dòng hồi lưu (oC)
T6: nhiệt độ thiết bị gia nhiệt (oC)
T7:nhiệt độ nước lạnh vào (oC)
T8:nhiệt độ nước lạnh ra (oC)

V.2. Kết quả tính toán
R

xF
(mol/mol)

F (mol/h)

xD
(mol/mol)

D (mol/h)

xW
(mol/mol)

W (mol/h)
5


1.28
1.44
1.76

0.07
0.07
0.07

0.71
0.62
0.60

R
1.28
1.44
1.76

12.24

6.78
5.06

0.04
0.056
0.06

Phần chưng

261
266.46
268.18

Phần cất

19.2

R

Qng
(KJ)

QF
(KJ)

QW
(KJ)

QD
(KJ)

QK
(KJ)

1.28

422.17

774.37

2400.41

132.45

2295.42

1.44

259.5

791.01

2245.24

83.03

1891.33

1.76

134.98

774.37

2307

38.23

1795.62

Bảng giá trị của , , , thay đổi theo nhiệt độ

R

tF (0C)

CPF

tD

(kJ/kg.độ)

(0C)

CPD
(kJ/kg.độ
)

rD

tw

CPW

(kJ/kg)

(0C)

(kJ/kg.độ)

1.28

31.0

3.874

75.4

3.346

804.105

90.2

4.025

1.44

31.2

3.9319

86.5

3.428

1038.1

91.4

4.101

1.76

31.0

3.874

87.7

3.487

1079.8

91.9

4.116

Bảng thành phần cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ sôi của hai cấu tử Etanol – H 2O ở
760mmHg

X

0

5

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Y
0
t C

0

33.2

44.2

53.1

57.6

61.4

65.4

69.9

75.3

81.8

89.8

100

100

90.5

86.5

83.2

81.7

80.8

80

79.4

79

78.6

78.4

78.4

6


VI.

Xử lí số liệu

VI.1. Chuyển đổi đơn vị
Ta có: Rmin = 0.8
Tính F:

= F*Mhh = 273.23* {(0.2*46) +(0.8*18)} = 6448.46 (g/h) = 6.448 (kg/h)

Tính D:

Tính W:

= D* Mhh = 12.24*{(0.89*46) +(0.11*18)} = 525.34 (g/h) = 0.525 (kg/h)
W* Mhh = 261*{(0.11*46) +(0.89*18)} = 5501.88 (g/h) = 5.502 (kg/h)

VI.2. Phương trình đường làm việc
 Phần cất
Ta có: R=1.6Rmin = 1.6*0.8 = 1.28

7


 Phần chưng
Ta có: l = F/D = 273.24/12.2 = 22.32

VI.3. Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ
Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào:
QF = ..tF = 6.448 x 3.874 x 31 = 774.37 (KJ)
Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra:
QD = ..tD = 0.525 x 3.346 x 75.4 = 132.45 (KJ)
Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra:
QW = ..tW = 5.532 x 4.025 x 90.02 = 2400.41 (KJ)
Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ:
Qng = .= 0.525 x 804.105 = 422.17 (KJ)
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh:
Qm = 5% QK
Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun:
QK = = = 2295.42(KJ)

Với các giá trị E, N tương ứng theo nhiệt độ sản phẩm đỉnh được tra cứu ( bảng 43 - Bảng
Tra Cứu Quá Trình cơ học, truyền nhiệt, truyền khối) như sau:
tD (0C)

E

(kg/m3)

N

(kg/m3)

75.4

739.37

974.76

86.5

728.83

967.45

87.7

727.69

966.61

VII. Đồ thị

Đồ thị thể hiện nồng độ sản phẩm đỉnh theo chỉ số hoàn lưu

Đồ thị thể hiện sự biến đổi của nhiệt lượng khi có sự thay đổi chỉ số hoàn lưu
8


Đồ thị thể hiện thành phần cân bằng lỏng – hơi Etanol – H2O ở 760mmHg

VIII. Nhận xét
Nồng độ sản phẩm đỉnh thu được giảm dần theo thời gian vì càng về sau thì hơi nước
bốc hơi càng nhiều vì nhiệt độ tăng dần theo thời gian. Khi đó thì thành phần hơi của Etanol
ít dần theo thời gian vì Etanol là cấu tử dễ bay hơi hơn nước.
Tương tự nồng độ sản phẩm đáy cũng giảm dần theo thời gian vì lượng hơi Etanol còn
lại trong nồi đun càng nhỏ dần.
Khi nhiệt lượng cung cấp càng tăng thì lượng nước bốc hơi càng tăng khiến cho nồng
độ sản phẩm đỉnh giảm.
Chưng cất gián đoạn là chưng cất theo từng mẻ. Gia nhiệt cho một hỗn hợp gồm hai
chất etylic và nước đến khi dung dịch bay hơi phía trên phần lỏng.Trong phần hơi này thì tỉ lệ
giữa etylic và nước sẽ khác với tỉ lệ trong phần lỏng

IX.

Bàn luận

Kết quá thí nghiệm chỉ mang tính tương đối do nhiều sai số trong quá trình tiến hành thí
nghiệm và do sai số khi tính toán thủ công.
 Nguyên nhận gây sai số:
-Do thiết bị phòng thí nghiệm

-Do các thao tác trong quá trình làm thí nghiệm bị sai lệch.
-Do ảnh hưởng của điều kiện môi trường xung quanh tới thiết bị .
-Trong quá trình tính toán, xử lý số liệu thủ công dẫn đến sai số đáng kể.
- Trong quá trình tiến hành thí nghiệm chuyển công tắc chia dòng hoàn lưu về chế độ hồi
lưu hoàn toàn để giúp tăng nồng độ sản phẩm đỉnh, tránh bị khô mâm. Nếu bỏ qua hoàn
lưu thì nồng độ sản phẩm đỉnh sẽ không cao, hiệu suất chưng cất sẽ thấp.
- Nhiệt độ ảnh hưởng đến khả năng phân tách của hỗn hợp. Do đó cần chọn nhiệt độ thích
hợp để tách hoàn toàn các cấu tử ra khỏi hỗn hợp. Nếu nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp các
sản phẩm và chất tách sẽ hòa lẫn vào nhau làm cho hiệu suất chưng cất thấp.Thông số làm
việc hợp lý cho quá trình là chọn chỉ số hồi lưu là 1. Do có hiệu suất làm việc cao nhất

9


X.

.Tài liệu tham khảo

Phạm Xuân Toàn - Tài liệu hướng dẫn thực hành Các Quá Trình & Thiết Bị Trong Công
Nghệ Hóa Học – Khoa Công nghệ hóa học trường Đại học Công nghiệp TP. HCM
Bảng tra cứu Quá Trình Cơ Học Truyền Nhiệt - Truyền Khối – Nhà xuất bản Đại Học
Quốc Gia TP.HCM, 2015.

10