THỰC HÀNH CHƯNG CẤT LIÊN TỤC

Bài 4: CHƯNG LIÊN TỤC
4.1. Mục đích thí nghiệm
- Khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dòng nhập liệu.
- Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ dòng nhập liệu.
- Khảo sát ảnh hưởng vị trí dòng nhập liệu.
- Khảo sát ảnh hưởng chỉ số hồi lưu.
4.2. Cách tiến hành thí nghiệm
Trong quá trình chưng cất liên tục, nhập liệu cho vào thiết bị liên tục bằng bơm nhập liệu với lưu
lượng là hằng số. Nhiệt độ nhập liệu cũng duy trì không đổi khi đi qua thiết bị gia nhiệt. Quá trình thí
nghiệm tiến hành theo các bước sau:
-

Tiến hành pha trộn khoảng 10 lít hỗn hợp với nồng độ khoảng 20-30 độ cồn để làm nguyên liệu tiến

-

hành chưng cất.
Xác định chính xác giá trị nồng độ của hỗn hợp nhập liệu.
Xác định giá trị nhiệt độ sôi nhiệt độ của nhập liệu.
Xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu của quá trình chưng liên tục với nồng độ sản phẩm đỉnh khoảng 90

-

độ cồn.
Mở van nhập liệu, van thu sản phẩm đáy.
Cắm đầu hút của bơm nhập liệu vào bình chứa.
Mở công tắt điện chính, đèn trắng sẽ được kích hoạt.
Mở hệ thống giải nhiệt.
Mở công tắt tổng bằng cách mở nút khóa khẩn cấp và nhấn nút bấm màu xanh.
Thiết lặp giá trị trên bộ điều khiển PID của lưu lượng dòng nước giải nhiệt 300 L/h.
Mở bơm nhập liệu, điều chỉnh phần trăm số vòng quay của bơm trên bộ điều khiển (có thể để tối đa

-

để bơm nhanh), nhấn nút Start/Stop trên bơm để bơm hoạt động.
Khi dung dịch nhập liệu chảy tràn qua bình thu sản phẩm đáy thì ngừng bơm.
Khóa van thu sản phẩm đáy và van nhập liệu vào tháp.
Cài đặt độ chênh lêch áp của tháp ∆P=15 mBar (kiểm tra hệ thống điều khiển ở chế độ Auto).
Đặt bộ chỉnh dòng hoàn lưu ở chế độ “REFLUX”.
Mở công tắt gia nhiệt nồi đun (nếu đèn đỏ còn hiển thị thì kiểm tra lại nước làm lạnh, lượng dung dịch

-

trong nồi đun).
Cài đặt nhiệt đọ sôi nhập liệu trên bộ điều khiển gia nhiệt nhập liệu (chú ý để ở chế độ Auto).
Điều chỉnh phần trăm tốc độ bơm nhập liệu vào tháp khoảng 4 L/h (VF).
Mở van nhập liệu (theo yêu cầu GVHD).
Mở bơm nhập liệu với lưu lượng VF .
Mở van thu sản phẩm đáy để thu sản phẩm đáy ở bình chứa ssanr phẩm đáy.
Đặt chế độ điều khiển nhiệt độ hoàn lưu ở chế độ MANU.
Đặt bộ chỉnh dòng hoàn lưu ở chế độ “CYCLE”.
1
1


-

-

Điều chỉnh thời gian một chu kỳ 6s.
Điều chỉnh phầm trăm lưu lượng dung dịch hoàn lưu trong một chu kỳ 50%

Chờ hệ thống đạt trạng thái ổn định khi các giá trị nhiệt độ làm việc không đổi:
o Xác định lưu lượng sản phẩm đỉnh bằng cách lượng dung dịch thu được trong một khoảng thời
gian.
o Xác định nồng độ sản phẩm đỉnh bằng dụng cụ đo tỷ trọng cồn kế.
Tiến hành thay đổi chỉ số hồi lưu ở các vị trí nhập liệu khác nhau và tiến hành tương tự như trên.
4.3. Thực nghiệm
4.3.1. Kết quả thí nghiệm
vF = 30 %V
Bảng 4.1: Kết quả thí nghệm

STT NL

VF
L/h

R

VD

vD

T₁

T₂

T₃

T₄

T₅

T6

T7

T8

G

L/h

%

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

°C

L/s

1

1

7.87

0

2.42

70

94.1

86.6

88.4

84.4

88.9

35.8

29.9

32.3

0.083

2

1

7.87

1

1.13

96

93.1

83.9

78.2

78.1

77.4

35.6

29.8

32.4

0.083

3

7

5.81

0

1.41

80

90.4

88.7

86.5

78.3

84.3

89.7

29.7

31.4

0.083

4.3.2. Các công thức tính toán
 Thành phần phần mol:

(2.1)
(2.2)
(2.3)
 Tính suất lượng mol

(2.4)
(2.5)
(2.6)
4.3.2.1. Cân bằng vật chất
Phương trình cân bằng cho toàn tháp là:
2
2


(2.7)
(2.8)
Trong đó : F, W, D – suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy,và đỉnh, kmol/h
, – phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu,sản phẩm đáy và đỉnh.
4.3.2.2. Phương pháp Mc Cabe – theile
 Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu)

Chỉ số hồi lưu là tỉ số giữa lưu lượng dòng hoàn lưu (L0) và lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh (D)
(2.9)
Chỉ số hồi lưu thích hợp (R) được xác định thông qua chỉ số hồi lưu tối thiểu (R min) và quan hệ theo
phương trình sau:
(2.10)

 Phương trình đường làm việc

Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất
(2.11)
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng
(2.12)
lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh
4.3.2.3. Cân bằng năng lượng
 Cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị gia nhiệt nhập liệu:

(2.13)
Với

Qnl : Nhiệt lượng cần cung cấp, W
CPF : Nhiệt lượng riêng hỗn hợp nhập liệu, W
, : Nhiệt độ nhập liệu và ra khỏi thiết bị, 0C

 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:
3
3


Nếu quá trình ngưng tụ không làm lạnh.
(2.14)
Nếu quá trình ngưng tụ có làm lạnh.
(2.15)
Trong đó:
: nhiệt độ vào và ra của nước, 0C
G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s
C: nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg/độ

tSD

: nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh, 0C.

 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh.

Làm lạnh sản phẩm đỉnh
(2.16)
Làm lạnh sản phẩm đáy
(2.17)
C PF , C PD , C PW :

t F , t D , tW
rD

nhiệt lượng riêng của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, J/mol.độ.

: nhiệt độ của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, 0C.

: nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kmol
 Cân bằng nhiệt toàn tháp

QF +QK +QLo= QD +QW +Qm +Qng

(2.18)

→ QK = QD + QW +Qm +Qng - QF - QLo
QK: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, W
Qm: nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh (W). được lấy từ 5% đến 10% nhiệt lượng
cần cung cấp.

4
4


−

Q F = F .C P .t
F

QF: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, W
(2.19)
q
−

D

= D .C P D .t D

QD: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, W
(2.20)

QW: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra, W
(2.21)
Qng: nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, W
(2.22)
QLo: nhiệt lượng do dòng hoàn lưu mang vào,W
(2.22)
nhiệt lượng riêng của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, J/kg.độ.
: nhiệt độ của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy,0C.
nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kmol

4.4. Xử lý kết quả thí nghiệm
4.4.1. Tính mẫu ( lấy vd 1 cho mỗi bài tính mẫu)

5
5


Với mẫu số 1, ta có R=0. Ta có các đường làm việc:
Phần chưng :

= 5.154X – 0.332
Phần cất :

4.4.2. Kết quả xử lý số liệu

Bảng 4.2: Chuyển đổi đơn vị
xF

F

xD

xW

mol/mol

mol/h

mol/mol

mol/mol

1

0.135

351.60

0.43

0.064

2

0.135

351.64

0.88

0.091

3

0.134

251.46

0.56

0.068

STT

Bảng 4.3: Tính cân bằng vật chất

6
6


D

W

Đường làm việc

Đường làm việc

mol/h

mol/h

phần cất

phần chưng

1.91

0.18

0.09

y=0.43

y=5.15x - 0.266

2

2.54

0.09

0.18

y=0.5x + 0.439

y=9.29x - 0.750

3

3.18

0.13

0.15

y=0.557

y=7.36x – 0.499

STT

R

1

Bảng 4.4: Cân bằng năng lượng
G

Qng

QF

QW

QD

QK

kg/h

W

W

W

W

W

1

298.76

748.34

285.13

185.23

602.76

1317.05

2

298.76

429.54

283.51

59.85

715.68

744.00

3

298.85

373.24

543.15

94.77

444.36

388.66

STT

4.4.3. Đồ thị

Đồ thị 4.1: Xác định số mâm lý thuyết R=1

Đồ thị 4.2: Đồ thị quan hệ giữ QK và R
4.5. Nhận xét và bàn luận
Chưng cất có hồi lưu: Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta tiến
hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc thêm một lần giữa pha lỏng (hồi lưu) và
pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà độ phân chia cao hơn. Nhằm tạo ra dòng
lỏng có nhiệt độ thấp đi từ đỉnh tháp xuống đáy tháp để trao đổi nhiệt với dòng hơi. Từ đó làm cho
quá trình trao đổi chất tách phân đoạn được triệt để và thu được chất lượng sản phẩm mong muốn.
7
7

Tỉ lệ dòng hoàn lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố kinh tế là bài toán quyết định.
Nếu lượng hồi lưu quá bé thì tháp vô cùng cao, điều này khó thực hiện; nếu lượng hồi lưu lớn
thì thiết bị có thấp đi nhưng đường kính tháp tăng lên vá sản phẩm đỉnh thu chẳng bao nhiêu. Chủ
yếu có 3 dạng sau:
- Hồi lưu nóng: Sử dụng dòng hồi lưu ở trạng thái lỏng sôi.
- Hồi lưu lạnh: Nhiệt độ dòng hồi lưu ở dưới điểm lỏng-sôi.
- Hồi lưu vòng: Lấy các sản phẩm ở các mâm dưới hồi lưu lên các mâm trên sau khi đã làm lạnh.
Nếu nhiệt độ sôi của cấu tử trong hỗn hợp cao hơn nhiệt độ phân huỷ chúng ta dùng chưng cất
chân không hay chưng cất hơi nước. Hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng phần làm chúng sôi ở nhiệt
độ thấp hơn. Trong bài này thì ta tiến hành chưng cất với hơi nước. Qua tính số liệu và tính toán ta
thấy khi tăng chỉ số hồi lưu thì độ tinh khiết của sản phẩm giảm hay nói cách khác hiệu suất của quá
trình giảm.
- Vị trí mâm nhập liệu ảnh hưởng đến đến độ tinh khiết của sản phẩm: từ số liệu thí nghiệm ta thấy
nhập liệu ở mâm số 1 cho sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn hai trường hợp nhập liệu còn lại, và độ
tinh khiết khi nhập liêu ở mâm số 6 cũng lớn hơn mâm 12.
- Đánh giá sự thay đổi nhiệt lượng nồi đun cung cấp theo chỉ số hồi lưu: dòng hơi trong tháp chưng
được tạo thành từ việc bốc hơi một phần lỏng tại nồi đun. Vai trò nồi đun quyết định đến sự tồn taị
của quá trình chưng cất. Dòng lỏng trong tháp chưng đươc lấy từ dòng hoàn lưu và dòng nhập liệu,
ảnh hưởng đến việc phân chia tháp chưng. Từ đồ thị ta thấy khi tăng chỉ số hồi lưu thì nhiệt lượng nồi
đun cung cấp giảm dần. Ta cũng thấy rằng nhiệt nồi đun cung cấp khi nhập liệu ở mâm số 1 cũng lớn
hơn các mâm còn lại, mâm nhập liệu xa đáy tháp thì nhiệt nồi đun cung cấp càng nhỏ.

8
8