BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ BÀI 8 CHƯNG CẤT

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ
BÀI 8
CHƯNG CẤT

GVHD: Võ Thanh Hưởng.
SVTH:

Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 03 năm 2016
Bài 8


CHƯNG CẤT
I.

MỤC ĐÍCH.

Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng hoàn lưu và vị trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt
động của nhập liệu trên hiệu suất của một cột chưng cất và độ tinh khiết của sản
phẩm. Căn cứ tên số mâm thực, ước đoán độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh.
II.

LÝ THUYẾT.

Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản nhất dựa trên các cơ sở sau:
a. Cân bằng giữa hai pha lỏng – hơi cho hỗn hợp hai cấu tử.
b. Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm lý tưởng cho hai pha lỏng –

hơi là:
 Pha lỏng phải hòa trộn hoài toàn trên mâm.
 Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời
có nồng độ đồng nhất tại mọi vị trí trên tiết diện.
 Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha.
1. Hiệu suất:
Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực ta cần phải biết hiệu suất mâm.
Có ba loại hiệu suất mâm được dùng là: Hiệu suất tổng quát, liên quan đến toàn
tháp; Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến một mâm; Hiệu suất cục bộ, liên
quan đến một vị trí cụ thể trên một mâm.
Hiệu suất tổng quát : là hiệu suất đơn giản khi sử dụng nhưng kén chính xác nhất,
được định nghĩa là tỉ số giữa số mâm lý tưởng và số mâm thực cho toàn tháp

Hiệu suất mâm Murphree: là tỉ số giữa sự biến đổi nồng độ pha hơi qua một mâm với sự
biến đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi rời mâm cân bằng với pha lỏng rời
mâm thứ n

Trong đó:
: nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n
: nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n
: nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng rời ống chảy chuyền mâm thứ n
Nói chung, pha lỏng rời mâm có nồng độ không bằng với nồng độ trung bình của pha
lỏng trên mâm nên dẫn đến khái niệm hiệu cục bộ


Hiệu suất cục bộ được định nghĩa như sau:

: nồng độ pha hơi rời khỏi vị trí cụ thể trên mâm n
: nồng độ pha hơi mâm n tại cùng vị trí

: nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại cùng vị trí
2. MỐI QUAN HỆ GIỮA HIỆU SUẤT MÂM MURPHREE VÀ HIỆU SUẤT

MÂM TỔNG QUÁT.
Hiệu suất mâm tổng quát của tháp không bằng với hiệu suất trung bình của từng mâm.
Mối quan hệ giữa hai hiệu suất này tùy thuộc trên độ dốc tương đối của đường cân bằng
và đường làm việc. Khi mG/L >1 hiệu suất tổng quát có giá trị lớn hơn và Mg/L < 1 hiệu
suất tổng quát có giá trị nhỏ hơn. Như vậy, với quá trình trong đó có cả hai vùng như trên
(chưng cất) thì hiệu suất tỏng quát E0 có thể gần bằng hiệu suất mâm EM .Tuy nhiên khi
phân tích hoạt động của một tháp hay một phần của tháp thực tế, trong đó đo được sự
biến thiên nồng độ qua một hoặc một vài mâm sẽ xác định được giá trị đúng của E M hơn
là giả sử EM = E0 .
III.

IV.
1.
a.
1.
2.
3.

THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT.
- Hệ thống cột chưng cất 5 mâm xuyên lỗ (xem hình vẽ)
- Một hệ thống đo nhiệt độ.
- Một phù kế.
- Một thì kế.
- Hai ống khắc vạch 250ml.
- 60 lít hỗn hợp rượu etanol và nước.
PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM.
Thực hiện thí nghiệm.

Khởi động:
Cho nhập liệu từ 20 – 60 lít vào bình chứa qua nắp C1
Để đưa vật liệu vào khoảng 1/3 nồi đun, ta mở van V7 và bật bơm nhập liệu.
Đưa điện vào hệ thống, sau đó bật nút nồi đun (boiler) và chờ nồi đun sôi sẽ khởi
động bơm nhập liệu (nút feed pump). Quan sát nhiệt độ trong nồi qua nhiệt kế gần
ở mặt trước nồi.


4. Quan sát mức chất lỏng trong nồi thống qua ống đo mức bên trái nồi đun trong

5.

6.
7.

8.
9.
10.
11.
12.

b.
1.
2.
3.

4.
5.

suốt thời gian làm thí nghiệm. Nếu mực chất lỏng giảm dưới mức 1/3 phải cấp

them nhập liệu, nếu nồi đun quá đầy phải tháo bớt chất lỏng trong nồi.
Trong khi hệ thống đang đun nóng mở van chảy tràn của sản phẩm đỉnh, van V2,
để thông hơi vơi bình chứa, các van sau sẽ đóng.
- Van V3 xả sản phẩm đỉnh
- Van hoàn lưu V1 dẫn sản phẩm đỉnh lại cột.
Mở van WI cho nước hoặc dòng làm lạnh đủ để hóa lỏng tất cả các hơi qua bộ
phận ngưng tụ.
Nối đầu ống dẫn nhập liệu vào một mâm nhập liệu thích hợp trên cột. Điều chỉnh
lưu lượng nhập liệu bằng van V6 (đóng van V7) ở trị số thích hợp trên lưu lượng
kế.
Sản phẩm đỉnh thu được sẽ cho hoàn lưu về đỉnh cột qua lưu lượng kế. Điều chỉnh
lưu lượng dòng hoàn lưu bằng van V4.
Đun nóng dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu.
Để rút sản phẩm đỉnh thay vì cho chảy về bình chứa vật liệu, đóng van V2, hứng
sản phẩm đỉnh ngay dưới van V3 trong khi mở van này.
Khi phải thay đổi vị trí mâm, tháo đầu ống dẫn nhập liệu ở mâm cũ và gắn vào
mâm mới. Trong khi tháo không cần điều chỉnh lưu lượng kế.
Theo dõi thường xuyên mức chất lỏng trong nồi. Nếu vì một lý do nào mức chất
lỏng trong nồi xuống dưới điện trở, dòng điện tự động ngắt, khi nhiệt độ trong nồi
giảm bớt cho điện trở hoạt động trở lại.
Ngừng máy:
Tắt điện trở nồi đun
Tắt điện trở nung nóng vật liệu và hoàn lưu và tắt các bơm
Tháo sản phẩm đỉnh mở van V2, van R1 đóng. Khi không còn hơi ngưng tụ mở
van R3 để rút một phần sản phẩm đỉnh còn lại (hứng vào ly thủy tinh), Van R3 vẫn
mở để hệ thống ngưng hơi khi nguội
Đóng van WI khi không còn sản phẩm đỉnh.
Ngắt điện vào hệ thống chưng cất.

2. Số liệu:

- Số liệu cân bằng pha x-y và t-x-y cho hệ rượu etylic- nước 1atm
- Giản đồ tỉ trọng và nhiệt dung rượu etylic theo phân mol ở các nhiệt độ
- Giản đồ của nhiệt bốc hơi theo nhiệt độ của rượu etylic và nước
V.
NỘI DUNG THÍ NGHIỆM
a. Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu: giữ lưu lượng dòng nhập liệu ở một độ đọc tại vị

trí mâm số 4 (hoặc mâm bất kỳ nào khác ) không đổi. Thí nghiệm với 3 trị số khác
nhau của dòng hoàn lưu.
b. Ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu: thay đổi vị trí mới của nhập liệu vào mâm số
5 và mâm số 2 (hoặc 2 mâm khác với thí nghiệm 1). Giữ nguyên lưu lượng dòng
nhập liệu và dòng hoàn lưu.


Đo nhiệt độ nhập liệu tF trước khi vào mâm nhập liệu và nhiệt độ dòng hoàn lưu .
Trong mỗi thí nghiệm lần lượt lấy mẫu để đo nồng độ nhập liệu xF , sản phẩm đỉnh
xD
VI.
PHÚC TRÌNH
1. Số liệu thí nghiệm
-

Lưu lượng dòng
TN

Vị trí mâm

1
2
3

4
5

1
1
2
2
3

F(cm3/ph) Lo(cm3/ph)
200
200
200
200
200

100
150
100
150
100

D
(cm3/s)
1.1
0.2
1.13
0.11
1.1

2. Xử lý số liệu

Ta có:
Thí nghiệm 1: Mâm 1
Khối lượng riêng rượu etylic,Nước theo tF
t
74.8
74.1
68.4
68.8
74.4

ρR
647.33
648.26
655.68
655.17
647.86

ρN
975.29
975.7
978.95
978.73
975.53

Khối lượng riêng rượu etylic, Nước theo tLo
t
80.7
80.7

81.6
80.8
80.8

ρR
639.36
639.36
638.12
639.22
639.22

ρN
971.73
971.73
971.17
971.67
971.67

Độ chỉ phù kế
xD(Độ
xF(Độ
rượu)
rượu)
91.5
23
93
23
89
23
91.5

23
86
23

Nhiệt độ đo
tF

tLo

74.8
74.1
68.4
68.8
74.4

80.7
80.7
81.6
80.8
80.8


-

Đổi nồng độ ra %mol

-

Đổi ra % khối lượng

-

Tính ρD:

- Tính

-

:

Đổi cm3/s → mol/s

Tương tự đối với các giá trị L0 và F ta có bảng sau:
xD(Độ
rượu)
91.5
93
89
91.5
86

C
23

xD (% mol)
+0.1
0.835
0.874
0.775
0.835

0.713

xF (% mol)
+0.04
0.112

xD (% KL)
0.928
0.947
0.898
0.928
0.864

xF (% KL)
0.244

ρD
655.5
651.16
661.25
655.36
670.42

ρF
867.99

MLo = MD D, mol/s
41.38
42.47
39.7

41.38
37.96

MF
21.14

0.0174
0.0031
0.0188
0.0017
0.0194


23
23
23
23

TN

TN

0.112
0.113
0.113
0.112

Vị trí
mâm

1
2
3
4
5

1
1
2
2
3

Vị trí
mâm

Lưu
lượng
dòng

0.244
0.246
0.246
0.244

Lưu
lượng
dòng
F(cm3/ph
)
200

200
200
200
200

1
1
2
2
3

0.1369
0.137
0.1375
0.1375
0.1369

21.14
21.16
21.16
21.14

Độ chỉ
phù kế
Lo(cm3/ph
)
100
150
100
150

100

D
(cm3/s)
1.1
0.2
1.13
0.11
1.1

xD(%
mol)
0.835
0.874
0.775
0.835
0.713

Nhiệt
độ đo
xF(%
mol)
0.112
0.112
0.113
0.113
0.112

Độ chỉ
phù kế

F(mol/s) Lo(mol/s)
1
2
3
4
5

868.64
873.06
872.71
868.37

0.0264
0.0383
0.0278
0.0396
0.0294

D
(mol/s)
0.0174
0.0031
0.0188
0.0017
0.0194

xD (%
KL)
0.928

0.947
0.898
0.928
0.864

tF

tLo

74.8
74.1
68.4
68.8
74.4

80.7
80.7
81.6
80.8
80.8

Nhiệt
độ đo
xF (% KL)

tF

tLo

0.244

0.244
0.246
0.246
0.244

74.8
74.1
68.4
68.8
74.4

80.7
80.7
81.6
80.8
80.8


Tính R:

Tính xw

R
1.52
12.35
1.48
23.29
1.52

xW

(%mol)
0.007
0.094
0.008
0.104
0.013

Tính hF
hF = [xF.CR +(1 – xF).CN].tF = [0.244x3172+(1-0.244)x4199]x74.8=295358 J/kg
Tính CLF
CLF = xD.CR + (1 – xD).CN = 0.928x3270+(1-0.928)x4207=3338 J/kg.K
Trong đó : xD tính theo phần trăm khối lượng
CR, CN là nhiệt dung tại nhiệt độ tFS
- Tính hLF

= 3338x82.47=275300
Tính

= xF.rR + (1 – xF).rN =0.244x663928+(1-0.244)x2330131=1923577J/kg


-Tính hGF

= 3338x82.47+1923577=2198877 J/kg
Tính:

Với tFS ta tra đồ thị hệ rượu-nước:

- Ta có các dữ liệu tra sau:
Nhiệt dung riêng của rượu và nước theo tF:

tF
74.8
74.1
68.4
68.8
74.4
xF (%
mol)
0.244
0.244
0.246
0.246
0.244

CR,
J/kg.K
3172
3163
3089
3094
3166
tFS

CN,
J/kg.K
4199
4199
4194
4194 Tra tFS theo xF

4199

82.47
82.47
82.44
82.44
82.47

Nhiệt dung riêng và ẩn nhiệt hóa hơi của rượu và nước theo tFS:


tFS

CN,
J/kg.K

CR, J/kg.K

rR, J/kg

82.47

3270.9

4207

663928

82.47

3270.9

4207

663928

82.44

3270.5

4207

663976

82.44

3270.5

4207

663976

82.47

3270.9

4207

663928

rN, J/kg
233013
1
233013
1
233025
9
233025
9
233013
1

Dùng các dữ liệu trên và áp dụng các công thức ta tính được kết quả như sau:
xD (%
KL)
0.928
0.947
0.898
0.928
0.864

xF (%
KL)

hF

0.244

295358

3338

275300

0.244

292394

3321

273833

0.246

268272

3366

277483

0.246

269944

3338

275167

0.244

293664

3398

280240

CLF

hLF

Ta có phương trình đường nhập liệu có dạng:

y=
Phương trình đường cất có dạng:

rF
192357
8
192357
8
192035
4
192035
4
192357
8

hGF

q

2198877

1.090

2197410

1.090

2197837

1.105

2195520

1.103

2203818

1.093


y=

R/(R +
1)
0.603
0.925
0.597
0.959

0.603

xD/(R
+ 1)
0.331
0.065
0.313
0.034
0.283

PT đường cất
y=0.603x+0.331
y=0.925x+0.065
y=0.597x+0.313
y=0.959x+0.034
y=0.603x+0.283

xF/(q q/(q - 1) 1) (-0.7)
12.164
2.024
12.068
2.001
10.542
1.647
10.735
1.695
11.750
1.923

Phương trình đoạn chưng có dạng như sau:

y=

f=
F/D

Với f= F/D

(R+f)/
(R+1)

(1- f)xW/(R+1)

7.868
44.19
4

3.725

-0.018

4.235

-0.305

7.314
80.88
2

3.546

-0.021

4.289

-0.342

7.057

3.403

-0.031

ĐỒ THỊ

PT đường
chưng
y = 3.725x
-0.018
y = 4.235x
-0.305
y = 3.546x
-0.021
y = 4.289x
-0.342
y = 3.403x
-0.031

PT đường nhập liệu
y = 12.164x - 2.024

y = 12.068x - 2.001
y = 10.542x - 1.647
y = 10.735x - 1.695
y = 11.75x - 1.923


Mâm 1 với Lo =100

Mâm 1 với Lo=150

Mâm 2 với Lo =100

Mâm 2 với Lo=150

Mâm 3 với Lo=100

 Từ các đồ thị trên tính được số mâm lý thuyết và hiệu suất tổng quát như sau :

TN
1
2
3
4
5

Vị trí
mâm
1
1
2

2
3

R
1.52
12.35
1.48
23.29
1.52

Số bậc
thang

Số mâm
lý thuyết

Số mâm
thực

Hiệu suất tổng
quát mâm


3. BÀN LUẬN.
a. Hoàn lưu giúp tăng nồng độ sản phẩm đỉnh, tránh hiên tượng khô mâm.

Khi tỉ số hoàn lưu càng lớn, nồng độ sản phẩm đỉnh càng lớn thì sản
phẩm lấy ra ít. Hơi từ tháp chưng cất đi lên thiết bị ngưng tụ tiếp xúc
với lượng lỏng hòan lưu này. Do sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi,
cấu tử etanol trong hơi sẽ lôi kéo một lượng etanol trong dung dịch hoàn

lưu, đồng thời hơi nước trong pha hơi sẽ được giữ lại một phần trong
dung dịch hoàn lưu. Do đó khi ngưng tụ, nồng độ sản phẩm đỉnh tăng
lên.
Như vậy, khi ta bỏ qua việc hoàn lưu thì nồng độ sản phẩm đỉnh sẽ
không cao và hiệu suất sẽ thấp.
b. Trong cùng một mâm khi ta tăng lưu lượng dòng hoàn lưu thì lưu lượng
dòng sản phẩm đỉnh giảm.
Ở vị trí các mâm khác nhau khi tỉ số hoàn lưu tăng, nồng độ sản phẩm
đỉnh tăng thì hiệu suất mâm cũng tăng theo.
c. Một số loại tháp chưng cất:
Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa dưới.
Tháp chưng cất dùng mâm chóp.
Tháp đệm ( tháp chưng cất dùng vật chêm).
d. Tỉ số hoàn lưu: là tỉ số trọng lượng hoàn lưu quay về tháp và sản phẩm
đỉnh lấy ra.
Ý nghĩa:tăng nồng độ sả phẩm đỉnh và làm cho tháp hoạt động
Nếu tỉ số hoàn lưu tăng, nồng độ sản phẩm đỉnh tăng thì sản phẩm lấy ra ít.Nếu tỉ
số hoàn lưu thấp, nồng độ sản phẩm đỉnh giảm thì sản phẩm đỉnh lấy ra nhiều
=> Cho nên tỉ số hoàn lưu thích hợp đảm bảo đủ lớn để năng xuất lấy ra nhiều.
e. Dòng hoàn lưu có tác dụng làm tăng nồng độ sản phẩm đỉnh.