Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Chưng cất - Bài 2

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Chưng cất - Bài 2

1. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Chưng cất 1. TRÍCH YẾU : 1.1. Mục đích thí nghiệm: Khảo sát ảnh hưởng của: - Lưu lượng dòng hoàn lưu; - Vị trí mâm nhập liệu; đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp chưng cất. 1.2. Phương pháp: - Đun bốc hơi hỗn hợp cồn và nước cho bốc hơi cồn, tiến hành ngưng tụ hơi thu được, một phần lấy làm sản phẩm còn một phần cho hồi lưu lại tháp chưng cất với các lưu lượng khác nhau. Đồng thời tiến hành ở các vị trí nhập liệu khác nhau. 1.3. Kết quả thí nghiệm: Bảng 1 Số liệu thô Lưu lượng (độ đọc) Độ rượu Nhiệt độ T Vị trí Nhập Đỉnh Hòan Nhập Đỉn Hòan Nhập Đỉn N mâm liệu (D) lưu liệu h lưu liệu h (F) (ml/ph) (Lo) (tF) (tD) (tLo) 1 4 30 92 10 20 50 40 36 85 2 4 30 58 15 20 60 42 37 76 3 4 30 40 20 20 68 42 37.5 76 4 2 30 78 10 20 44 44 39 81 5 5 30 78 10 20 47 45 39 82 1.4. Nhận xét kết quả: - Khi tăng lưu lượng dòng hòan lưu thì độ tinh khiết của rượu ta thu được càng cao. - Khi thay đổi vị trí mâm nhập liệu, thì rượu thu được từ TN4 thấp hơn TN5, không giống với lý thuyết. Nguyên nhân có thể do sai số trong quá trình thí nhgiệm. 2. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM : Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản dựa trên các cơ sở sau: - Cân bằng giữa pha lỏng – hơi cho hỗn hợp hai cấu tử. - Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm cho hai pha lỏng hơi là: o Pha lỏng phải hòa trộn hoàn toàn trên mâm (nồng độ đồng nhất); o 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 mâm; o Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha. 2.1. Hiệu suất: Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực, ta cần phải biết hiệu suất mâm. Có 3 loại hiệu suất mâm thường dùng là: - Hiệu suất tổng quát, liên quan đến toàn tháp; - Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến một mâm; Trang 1
2. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Chưng cất - 2 ống khắc vạch (ống đong nhỏ và lớn); ống lớn để chứa và ống nhỏ để đo lưu lượng sản phẩm đỉnh. 3.2. Thiết bị thí nghiệm: 2 N1 3 4 15 16 5 1 F4 17 12 13 F5 14 D1 D2 L1 F3 L2 11 7 W3 6 W2 W1 8 10 9 F2 F1 Hình 1: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm GHI CHÚ 1. Mâm xuyên lỗ 10. Bơm sản phẩm đáy 2. Bộ phận ngưng hơi 11. Điện trở nồi đun (2,5kW) 3. Nước nguội 12. Nồi đun 4. Van giảm áp 13. Lưu lượng kế đo dòng nhập liệu 5. Bình chứa sản phẩm đỉnh 14. Lưu lượng kế đo dòng hoàn lưu 6. Bình chứa nguyên liệu 15. Điện trở đun nóng dòng nhập liệu 7. Ống đong 16. Điện trở đun nóng dòng hoàn lưu 8. Bơm hoàn lưu 17. Cửa nhập liệu nồi đun. 9. Bơm nhập liệu Trang 3
3. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Chưng cất 4.2. Đồ thị cân bằng pha T –x,y và x – y hệ rượu etylic – nước ở 1 atm: 1 y 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 x Đồ thị x – y hệ etanol - nước ở 1 atm Trang 5
4. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Chưng cất 1 4 0.61 0.5 0.234 0.1 2 4 1.46 1 0.314 0.2 3 4 2.82 0.8 0.393 0.16 4 2 0.72 2 0.193 0.4 5 5 0.72 1.5 0.213 0.3 4.4. Đồ thị: 1 y 0.8 0.6 0.4 0.2 0 x 0 0.2 D 0.4 0.6 0.8 1 x Hình 1 Đồ thị số mâm lý thuyết thí nghiệm 1 nhập liệu ở mâm 4 Trang 7
5. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Chưng cất 1 y 0.8 0.6 0.4 0.2 0 xD 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 x Hình 4 Đồ thị số mâm lý thuyết thí nghiệm 4 nhập liệu ở mâm 2 1 y 0.8 0.6 0.4 0.2 0 xD 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 x Hình 5 Đồ thị số mâm lý thuyết thí nghiệm 5 nhập liệu ở mâm 5 Trang 9
6. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Chưng cất phép ta kết luận một cách chính xác về ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu đến hiệu suất tổng quát E0. (b) Ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu trên độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất mâm (b1)- Trong quá trình chưng cất, dòng lỏng cũng như dòng hơi sẽ thay đổi nồng độ khi đi qua mỗi mâm (bậc thay đổi nồng độ). Tuy nhiên, sự thay đổi này không giống nhau ở mọi mâm mà còn phụ thuộc vào khả năng trao đổûi trong mâm đó. Rõ ràng là khi cho nhập liệu ở các mâm gần đáy thì số bậc trao đổi tăng , làm cho độ tinh khiết của sản phẩm có thể tăng theo; khi cho nhập liệu ở các mâm gần đỉnh thì kết quả sẽ ngược lại. Tuy nhiên, khi cho vị trí mâm nhập liệu không giống với vị trí tính được theo lý thuyết thì khả năng trao đối của các mâm sẽ giảm (dù số mâm lý thuyết khi đó có tăng), cho nên việc đạt được độ tinh khiết cao hơn là không chắc chắn. Việc ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu lên hiệu suất mâm cũng không thể kết luận được dựa trên vị trí cao hay thấp của nó mà phải dựa vào sự sai lệch của nó so với vị trí lý thuyết: càng gần vị trí này thì hiệu suất của mâm càng cao. (b2)- Cũng dựa vào kết quả thí nghiệm ở bảng 5 khi ta nhập liệu thay đổi từ mâm số 2 sang mâm 5 ta thấy: độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh tăng từ 0.193 lên 0.213. Điều này không cho phép ta kết luận được vị trí nhập liệu càng thấp thì càng có lợi về độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh. - Đối với hiệu suất mâm tổng quát E0 thì E0 giảm khi thay đổi vị trí nhập liệu từ thấp đến cao, cụ thể ở vị trí mâm 2 thì E0=0.4 ; cò ở vị trí mâm 5 thì E0=0.3. Ta có thể kết luận được rằng vị trí nhập liệu càng thấp thì càng có lợi về hiệu suất mặc dù số đĩa lý thuyết có gia tăng làm gia tăng kích thước thiết bị. Câu 2 : Giải thích hiện tượng và quá trình xảy ra khi tháp hoạt đông ổn định. Nguyên liệu dược đưa vào một vị trí trên tháp, phần dưới gọi là phần chưng(có tác dụng làm giảm nồng độ cấu tử dễ bay hơi), phần trên gọi là phần cất(có tác dụng làm tăng nồng độ cấu tử dễ bay hơi). Pha lỏng đi từ trên xuống theo đường dẫn gọi là ống chảy chuyênø, pha khí đi từ dưới lên xuyên qua lỗ trên mâm sục vào pha lỏng; quá trình truyền khối xảy ra trên mỗi mâm là quá trình ngược chiều, pha khí lôi cuốn cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng làm tăng nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha khí, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng giảm dần. Trong tháp chưng cất, dòng nhập liệu sẽ được nhập vào một mâm nào đó trên tháp, gọi là mâm nhập liệu. Phần nằm trên vị trí mâm nhập liệu gọi là phần cất, còn phần nằm dưới vị trí mâm nhập liệu gọi là phần chưng. Trong tháp, khi hoạt động ổn định thì pha hơi đi từ dưới lên, còn pha lỏng đi từ trên xuống và xảy ra quá trình truyền khối giữa hai pha. Nhờ vậy, các cấu tử dễ bay hơi sẽ bị lôi cuốn lên trên và được lấy ra từ đỉnh tháp (gọi là sản phẩm đỉnh) còn các cấu tử khó bay hơi bị kéo xuống dưới nồi đun (gọi là sản phẩm đáy). Pha hơi càng lên gần đỉnh tháp thì càng chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi còn pha lỏng càng xuống dưới càng chứa nhiều cấu tử khó bay hơi. Động lực của quá trình chính là sự chênh lệch nồng độ giữa hai pha. Các pha trong tháp luôn ở trạng thái bão hòa (tức là lỏng luôn ở nhiệt độ sôi và hơi luôn ở Trang 11
7. Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị Chưng cất 6.2. Nồng độ phần mol sản phẩm đỉnh và nồng độ phần mol dòng nhập liệu theo độ rượu: r độ rượu M x r độ rượu (100 độ rượu) r n M r M n 6.3. Khối lượng riêng trung bình của dung dịch theo độ rượu tương ứng: độ rượu (100 độ rượu) r n dd 100 6.4. Khối lượng trung bình của dung dịch: M x M (1 x ) M r r n r dd 1 6.5. Lưu lượng mol/s của từng dòng: F(ml / ph). F dd (mol / ph) 103.M 6.6. Tỉ số hoàn lưu R: L R 0 D 6.7. Entalpi của dòng nhập liệu, dòng hơi và dòng lỏng hoàn lưu: HF = CF . tF HGF = CFs . tFs + rFs HLF = CFS . tFS 6.8. Thông số nhập liệu q: H H q GF F H GF H LF 6.9. Phương trình đường nhập liệu: q x y x F q 1 q 1 6.10. Phương trình đường cất: R x y x D R 1 R 1 Trang 13