BÁO CÁO TIỂU LUẬN CHƯNG CẤT DÁN ĐOẠN, VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC-THỰC PHẨM

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

BÀI TIỂU LUẬN
CHƯNG CẤT GIÁN ĐOẠN

GV: Phạm Văn Hưng
SV: Trần Thị Yến Như
MSSV: 15026891
ĐẠI HỌC THỰC PHẨM 11A
Thành phố Hồ Chí Minh ngày 26, tháng 3, năm 2017


BÁO CÁO BÀI 5: QUÁ TRÌNH 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 lí thuyết, hiệu suất quá trình chưng cất và
nhiệt lượng cần sử dụng.
1.1 Ký hiệu:

, ,: Lưu lượng dòng nhập liệu, sản phẩm đáy, sản phẩm đỉnh, (kg)
, , : Thành phần khối lượng của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm
đáy và sản phẩm đỉnh, (kg/kg)
QK: Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, (W)
Qm: Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (W). Qm thường được lấy
gần bằng khoảng 5% đến 10% nhiệt lượng cung cấp.
QF: Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, (W).
QW: Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, (W).
Qng: Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, (W).

: Nhiệt dung riêng của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy(J/kg.độ)
tF, tD, tW: Nhiệt độ của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy (0C).
rD: Nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh (kJ/kg).
tv, tr: 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)
: Nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh (0C)
2. Cơ sở lí thuyết:

Nhập liệu F được qua thiết bị đun nóng đến nhiệt độ sôi. Sau đó, đi vào tháp chưng
cất. Hơi bay ra khỏi đỉnh tháp được ngưng tụ lại một phần trở lại tháp, phần còn lại là
sản phẩm đỉnh D. Dưới đáy lấy sản phẩm đáy W đem làm nguội cho vào bình chứa.
Phương trình cân bằng cho toàn tháp:

Trong đó:
F, W, D: suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh (kmol/h)


xF, xW, xD: phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đáy và
đỉnh.
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn luyện: Để đơn giản, ta thừa nhận:
Số mol của pha hơi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diện của tháp.
Hỗn hợp đầu vào tháp ở nhiệt độ sôi.
Chất lỏng trong thiết bị ngưng có thành phần bằng thành phần hơi ra khỏi đỉnh
tháp.
2.1.

Cân bằng vật liệu trong tháp chưng cất;

Đun sôi ở đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.

Số mol chất lỏng không đổi theo chiều cao của đoạn cất và chưng.
Với R= Gx/D là chỉ số hồi lưu của tháp.
Gx: là lượng lỏng được hồi lưu (kmol/h)
Gy= Gx+ D= D(R+1): là lượng hơi đi vào thiết bị ngưng tụ hoàn lưu (kmol/h)
Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng:
Với L= F/D : là lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh.
2.2.

Xác định số đĩa lí thuyết của tháp chưng cất:

Thứ tự tiến hành như sau;
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp.
Vẽ đường cân bằng và các đường làm việc.
Xác định chỉ số hồi lưu thích hợp của tháp: chỉ số hồi lưu là một đại lượng ở trong các
phương trình đường làm việc của tháp. Vì thế, muốn xác định chỉ số hồi lưu thích hợp
thì trước hết ta phải phân tích cách vẽ các đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và
cất.
Trên đồ thị hình vuông, ta vẽ đường thẳng y=f(x) theo các số liệu đã biết và đường
chéo góc y=x.


Đường nồng độ làm việc của các đoạn cất có dạng chung: y=Ax+B. Nó đúng với mọi
tiết diện của đoạn cất. Theo giả thiết, thành phần của cấu tử dễ bay hơi trong chất lỏng
ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ đi vào tháp bằng thành phần cấu tử dễ bay hơi từ đỉnh
tháp đi ra. Do đó, đĩa trên cùng thì y=x và phương trình đường làm việc của đĩa trên
cùng là y=Ax+B.
Chỉ số hồi lưu tối thiểu:
Nếu gọi Rx là chỉ số hồi lưu thích hợp ta có:
Ảnh hưởng trạng thái nhiệt động của hỗn hợp đầu lên vị trí của đường tiếp liệu:
2.3.

Cân bằng nhiệt lượng của quá trình chưng cất:

Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng:
QD1: nhiệt lượng do hơi đốt mang vào (W)
r: ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg)
Qf: nhiệt lượng do dung dịch đầu mang vào (W)
F: lượng hỗn hợp đầu (kg/s)
Cf: nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.0C)
Q’f: nhiệt lượng do hỗn hợp mang ra khỏi thiết bị và đi vào tháp chưng (W)
C’f: nhiệt dung riêng của hỗn hợp (J/kg.0C)
t’f: nhiệt độ của dung dịch (0C)
Qm: nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (W). Ta có thể lấy Q m= 5%QD1. Thay các
giá trị tính:


Cân bằng nhiệt của tháp:

Trong đó: Qm: nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh (W)
Qn: nhiệt do hơi mang vào (W)
Rx: chỉ số hồi lưu thích hợp
Qw: nhiệt do sản phẩm đỉnh mang ra (W)
Qx: nhiệt lượng do môi trường bên ngoài mang vào (W)
Cx: nhiệt dung riêng của chất lỏng cần hồi lưu (J/kg.0C)
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ:
Nếu chỉ ngưng tụ hồi lưu:
Lượng nước lạnh tiêu tốn là:
C1: nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình ttb= 0.5(t1+t2)
r: ẩn nhiệt hóa hơi (J/kg)
Nếu ngưng tụ hoàn toàn, ta có:

Do đó, lượng nước lạnh tiêu tốn là:
Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh:
Nếu trường hợp ngưng tụ hồi lưu:
C2: nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh (J/kg.0C)
t1, t2: nhiệt độ đầu và cuối của sản phẩm đỉnh (0C)


3. Thu nhận số liệu thực nghiệm
-

VF = 6 (lít)
vF = 17 %V
Bảng 10.1. Kết quả thực nghiệm
t

VD

VD

tw

tD

tF

tv

tr

G

(s)

(%V)

(lít)

(0C)

(0C)

(0C)

(0C)

(0C)

(l/h)

1

112

91

0.1

93.0

84.4

31.3

30.3

32.4

296.8

2

158

82

0.2

94.0

89.0

31.3

30.3

32.7

296.8

3

453

76

0.3

95.0

89.9

31.5

30.3

31.2

299.8

4

1005

72

0.4

96.0

91.0

31.6

30.3

31.0

303.8

5

1765

69

0.5

97.0

92.6

31.9

30.3

30.8

293.8

6

2712

66

0.6

98.2

94.3

32.6

30.2

30.8

297.8

7

3660

63

0.7

99.0

94.3

32.9

30.3

30.7

301.8

STT

4.


-

Phương pháp xử lý số liệu
Tính toán cân bằng vật chất
Tính , :
Nhiệt độ trung bình của nhập liệu là: 31.87 0C
E = 778.91 (kg/m3), ( bảng 4 – Bảng tra cứu quá trình cơ học, truyền nhiệt, truyền

-

khối)
N = 995.25 (kg/m3), ( bảng 43 – Bảng tra cứu quá trình cơ học, truyền nhiệt, truyền

khối)
- Khối lượng etanol:
- mE = = = 0.794 (kg)

- Khối lượng nước:
- Khối lượng hỗn hợp:
- Thành phần khối lượng:
 Tính , :
- Khối lượng etanol:
- Khối lượng nước:
- Khối lượng hỗn hợp:
- Thành phần khối lượng:

mN = = 4.956 (kg)
= mhh = mE + mN = 5.75 (kg)
(kg/kg)


-

Với các giá trị E, N tương ứng theo nhiệt độ sản phẩm đỉnh được tra cứu ( bảng 4,
43 - Bảng Tra Cứu Quá Trình cơ học, truyền nhiệt, truyền khối) như sau:
tD (0C)

E

(kg/m3)

N

(kg/m3)

84.4

730.8

968.9

89.0

726.5

965.7

89.9

725.6

965.1

tD (0C)

E

(kg/m3)

N

(kg/m3)

91.0

724.6

964.3

92.6

723.0

963.2

94.3

721.4

962.0

94.3

721.4

962.0

 Tính , :

Phương trình cân bằng vật chất:
=>
=>

-


-

Tính :

Là diện tích giới hạn bởi đường cong ( theo ) và ,
Tính toán cân bằng năng lượng
Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào:
QF = ..tF
Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra: QD = ..tD
Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra:
QW = ..tW
Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ:
Qng = .
Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh:
Qm = 5% QK
Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun:
QK =
Bảng giá trị của , , , thay đổi theo nhiệt đô:
tF

CPF

tD

CPD

rD

tw

CPW

(0C)

(kJ/kg.độ)

(0C)

(kJ/kg.độ)

(kJ/kg)

(0C)

(kJ/kg.độ)

CPF

tD

CPD

rD

tw

CPW

(kJ/kg.độ)

(0C)

(kJ/kg.độ)

(kJ/kg)

(0C)

(kJ/kg.độ)

31.3

3.9609

84.4

3.3918

1008.1

93.0

4.1134

31.3

3.9609

89.0

3.5477

1159.9

94.0

4.1161

31.5

3.9612

89.9

3.6173

1259.9

95.0

4.1191

31.6

3.9613

91.0

3.6670

1323.5

96.0

4.1224

31.9

3.9617

92.6

3.7109

1368.8

97.0

4.1258

32.6

3.9627

94.3

3.7538

1413.0

98.2

4.1299

32.9

3.9631

94.3

3.7789

1459.4

99.0

4.1326

tF
(0C
)

5. Kết quả xử lý số liệu
- Bảng 10.2. Kết quả tính toán cân bằng vật chất

STT

(kg/kg)

(kg)

1

0.138

5.75

2

0.138

3

(kg/kg)

ln()

(kg)

(kg/kg)

(kg)

0.884

0.075

0.128

5.675

0.013

5.75

0.774

0.154

0.121

5.596

0.027

0.138

5.75

0.704

0.235

0.114

5.515

0.042

4

0.138

5.75

0.659

0.317

0.108

5.433

0.057

5

0.138

5.75

0.626

0.399

0.102

5.351

0.078

(kg/kg)

(kg)

(kg)

(kg/kg)

(kg)

0.138

5.75

0.482

0.096

5.268

STT
6

(kg/kg)
0.593

ln()
0.088

7

0.138

5.75

0.561

0.567

0.092

5.183

Bảng 10.3. Kết quả tính cân bằng năng lượng
G

Qng

QF

QW

QD

QK

(Kg/h)

(Kj)

(Kj)

(Kj)

(Kj)

(Kj)

1

296.8

75.84

712.86

2170.86

21.53

1637.22

2

296.8

178.52

712.86

2168.86

48.59

1771.69

3

299.8

295.97

717.47

2164.75

76.40

1915.43

4

303.8

419.13

719.77

2159.41

105.67

2067.84

5

293.8

546.15

726.68

2141.48

137.11

2220.19

6

297.8

681.07

742.80

2136.47

7

301.8

827.92

749.72

2135.31

STT

-

*Sử lí số liệu dòng thứ 5:
Tính toán cân bằng vật chất
+Tính , :
Khối lượng hỗn hợp:
Thành phần khối lượng:

170.62

= mhh = mE + mN = 5.75 (kg)
(kg/kg)

+Tính , :
Khối lượng hỗn hợp:

=5.75-5.515=0.235 (kg)

-

Thành phần khối lượng:
=0.626 (kg/kg)
+ Tính , :
Phương trình cân bằng vật chất:

-

202.16

=>
=5,75-0.235
=5.515 (kg)

2363.54
2542.81

0.104


=>

-

=0.114(kg/kg)
+ Tính =ln
=0.042

-

Tính toán cân bằng năng lượng
Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào:

-

Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra:

QF = ..tF
=5.75 ×3.9612 ×31.5
=717.47 (Kj)
QD =..tD
=0.235×3.6173×89.9
=76.40(Kj)

-

-

-

Nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra:

Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ:

QW = ..tW
=5.515×4.1191×95
=2164.75(Kj)

Qng = .

Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh:
Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun: QK =

=0.235×1259.9
=295.97(Kj)
Qm = 5% QK

=1915.43(Kj)

6. Đồ thị và nhận xét
6.1 Đồ thị


6.1.Nhận xét
- Với ý nghĩa của việc hoàn lưu như trên nên nếu bỏ qua hoàn lưu thì
nồng độ sản phẩm đỉnh sẽ không cao, hiệu suất sẽ thấp.
- Chỉ số hoàn lưu càng lớn thì lượng hỗn hợp lỏng sản phẩm đỉnh
được đưa về càng cao. Hơi từ tháp chưng cất đi lên thiết bị ngưng tụ
tiếp xúc với lượng lỏng hoàn lưu này. Trong hơi chứa hai thành phần:
phần lớn cấu tử etanol và một phần nhỏ hơi nước. dòng hoàn lưu
cũng chứa hai thành phần: etanol và nước ở dạng lỏng.. Quá trình
tiếp tục, sản phẩm đỉnh này sẽ được hoàn lưu lại, tương ứng sẽ có
nồng độ cấu tử hoàn lưu cao hơn dòng hoàn lưu ban đầu. Cứ thế sự
tiếp xúc pha hơi và pha lỏng kèm sự lôi cuốn cấu tử có độ bay hơi
cao diễn ra liên tục, nồng độ sản phẩm đỉnh thu được càng cao.
7.TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Ngô Phương Lan- Hướng dẫn thực hành Quá Trình và Thiết Bị
( hệ đại học) – Nhà xuất bản Lao Động,2012.
[2]. Giáo trình Quá Trình và Thiết Bị Truyền Nhiệt – Nhà xuất bản Đại

Học Công Nghiệp TP.HCM,2011.
[3]. Bảng tra cứu Quá Trình Cơ Học – Truyền Nhiệt Truyền Khối – Nhà
xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM,2006.