Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Chưng cất - Bài 3

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị - Chưng cất - Bài 3

1. 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: Để khảo sát ảnh hưởng của các thông số trên. Đối với mỗi thông số ta phải tiến hành ở 3 chế độ thí nghiệm khác nhau. Các bước được tiến hành như sau Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu: - Cố định dòng nhập liệu ở mâm số 4, cố định lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30. Thay đổi lưu lượng dòng hoàn lưu để khảo sát ảnh hưởng. - Tiến hành đo các các thí nghiêm với lưu lượng dòng hoàn lưu thay đổi lần lượt ở độ đọc 5, 10, 15 Các thông số cần đo: lưu lượng sản phẩm đỉnh (ml/phút) độ rượu của dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh nhiệt độ của dòng nhập liệu (tF), đỉnh (tD), hoàn lưu (tL0) Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu: - Cố định lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30, cố định lưu lượng dòng hoàn lưu ở độ đọc 10. Thay đổi vị trí mâm nhập liệu để tiến hành khảo sát ảnh hưởng - Thực hiện các thí nghiệm với vị trí mâm nhập liệu ở mâm thứ 2 và mâm thứ 5 Các thông số cần đo tương tự 3 thí nghiệm trên 1.3. Kết quả thí nghiệm: Bảng 1: Số liệu thô TN Vị trí Lưu lượng (độ đọc) Độ rượu Nhiệt độ mâm Nhập Đỉnh (D) Hoàn Nhập Đỉnh Nhập Đỉnh Hoàn Nồi nhập liệu (ml/ph) lưu liệu liệu (tD) lưu (tL0) đun liệu (F) (Lo) (tF) 1 4 30 100 5 27 53 65 39 86 94 2 4 30 92 10 27 70 65 39 80 96 3 4 30 58 15 27 76 65 40 78 98 4 2 30 74 10 27 54 65 39 82 94 5 5 30 76 10 27 60 65 40 82 95 1.4. Nhận xét kết quả:
2. noàng ñoä khoâng baèng vôùi noàng ñoä trung bình pha loûng treân maâm, do ñoù coù khaùi nieäm hieäu suaát maâm cuïc boä. 2.1.3. Hieäu suaát maâm cuïc boä (Ec): ' ' y n y n 1 E C ' ' y en y n 1 Trong ñoù: y’n : noàng ñoä rôøi khoûi vò trí cuï theå treân maâm n. y’n+1 : noàng ñoä pha hôi vaøo maâm n taïi cuøng vò trí. y’en : noàng ñoä pha hôi caân baèng pha loûng taïi cuøng vò trí. 2.2. Moái lieân heä giöõa hieäu suaát maâm Murphree vaø hieäu suaát toång quaùt: - Hieäu suaát toång quaùt cuûa thaùp khoâng baèng vôùi hieäu suaát trung bình cuûa töøng maâm. Moái lieân heä giöõa hai hieäu suaát naøy tuøy thuoäc vaøo ñoä doác töông ñoái cuûa ñöôøng caân baèng vaø ñöôøng laøm vieäc. - Tuy nhieân, khi phaân tích hoaït ñoäng cuûa thaùp hay moät phaàn cuûa thaùp thöïc teá, trong ñoù ta xaùc ñònh ñöôïc söï bieán thieân noàng ñoä qua moät hoaëc vaøi maâm ôû caùc vò trí khaùc nhau seõ xaùc ñònh giaù trò chính xaùc cuûa EM vaø EM coù theå laáy baèng E0 (EM = E0). 2.3. Phương pháp tính số dĩa lý thuyết bằng đồ thị x – y (phương pháp McCabe – Thiele) Phương pháp McCabe – Thiele xác định số dĩa cần có của tháp dựa vào số liệu cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp và các đường làm việc, theo các bước sau: Bước 1: Dựng đường cân bằng trên đồ thị dựa x – y dựa vào số liệu cân bằng của hỗn hợp Bước 2: Dựng các đường làm việc: - Đường làm việc là các đường thể hiện cân bằng vật chất của dòng khí và dòng lỏng. Có 2 đường làm việc – đường làm việc cho phần tháp nằm trên mâm nhập liệu (phần cất) và đường làm việc ho phần tháp nằm dưới mâm nhập liệu (phần chưng). Các đường làm việc được xác định theo các phương trình sau: Phương trình đường làm việc phần cất: R x y x D n 1 R 1 n R 1 Phương trình đường làm việc phần chưng: L0 W ym+1 = x – xW L0 - W L0 - W Phương trình đường nhập liệu: q 1 y = x - xF . q - 1 q - 1 Trong đó: q là tỉ số giữa nhiệt lượng cần để biến đổi 1 mol nhập liệu từ trạng thái ban đầu HGF - HF thành hơi bão hòa (H – H ) với ẩn nhiệt bốc hơi (H -H ), đặc trưng cho q = GF F GF LF HGF - HLF trạng thái nhập liệu
3. 3.1. Duïng cụ: - Heä thoáng thaùp chöng caát goàm 5 maâm thöïc, loaïi maâm xuyeân loã; - Caùc ñoàng hoà ño nhieät ñoä caùc doøng nhaäp lieäu; hoaøn löu; saûn phaåm ñænh; noài ñun vaø taïi caùc maâm; - Hai löu löôïng keá ño doøng nhaäp lieäu vaø hoaøn löu; - 1 phuø keá ño ñoä röôïu; - 2 oáng khaéc vaïch (oáng ñong nhoû vaø lôùn); oáng lôùn ñeå chöùa vaø oáng nhoû ñeå ño löu löôïng saûn phaåm ñænh. 3.2. Thieát bò thí nghieäm: 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
4. Lưu ý: mở van cấp nước ngưng tụ(van N1). Mở van chảy tràn (van D1) để thông hơi. Đóng van hoàn lưu (van L1) và van xả sản phẩm đỉnh (van D2). Khởi động dòng nhập liệu (khi có hơi bốc lên nhiều và ngưng tụ) - Nối đầu ống dẫn nhập liệu vào mâm nhập liệu (số 2, 4, 5 tùy theo chế độ TN) - Mở bơm nhập lliệu (nut feed pump). - Chỉnh lưu lượng dòng nhập liệu (cố định ở độ đọc 30, van F4). - Gia nhiệt dòng nhập liệu (nut feed preheat). Khởi động dòng hòan lưu (khi có sản phẩm đỉnh ngưng tụ) - Mở van hoàn lưu (van L1) - Mở bơm hoàn lưu (nut reflux pump) - Chỉnh lưu lượng dòng hoàn lưu (độ đọc 5, 10 ,15 tùy theo chế độ thí nghiệm) - Bật gia nhiệt dòng hoàn lưu (reflux preheat). Thu số liệu thí nghiệm (khi hệ thống hoạt động ổn định) a) Hệ thống hoạt động ổn định khi: - Các điện trở gia nhiệt hoạt động đúng công suất (5 phút kể tử khi bật công tắc gia nhiệt các dòng). - Các lưu lượng kế phải hoạt động ổn định (tâm viên bi ở giữa vạch khảo sát không được trồi sụt). - Sản phẩm đỉnh phải đảm bảo hoàn toàn thuộc chế độ cần khảo sát. Do đó, ở chế độ đầu tiên cầnkhảo sát phải chờ mực chất lỏng dâng lên gần miẹng ống chảy tràn thì mở van tháo sản phẩm đỉnh rồi khóa van lại. b) Đo số liệu trong một chế độ thí nghiệm: Các thông số cần đo: lưu lượng sản phẩm đỉnh, nhiệt độ các dòng: nhập liệu, hoàn lưu, sản phẩm đỉnh, độ rượu của dòng nhập liệu và sản phẩm đỉnh. Nguyên tắc đo: hê thống phải hoạt động ổn định, các thông số phải tiến hành đo cùng lúc. Cách đo: - Lưu lượng sản phẩm đỉnh: đo gián tiếp bằng ống đong (đo thể tích sản phẩm đỉnh chảy qua ống chảy tràn trong 30 giây) - Lưu lượng dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu: đo bằng lưu lượng kế kiểu phao. Lưu lượng tính theo công thức: Lưu lượng = độ đọc x 5.64 ml/phút - Độ rượu đo bằng phù kế - Nhiệt độ: Đo bằng các đồng hồ đo nhiệt độ gắn cố định trên thiết bị c) Chuyển đổi chế độ TN khi khảo sát dòng hoàn lưu: - Xả hết sản phẩm đỉnh vào bình chứa - Chỉnh lưu lượng kế của dòng hoàn lưu lên độ đọc cần khảo sát tiếp theo. - Chờ mực chất lỏng dâng lên đến ngang miệng ống chảy tràn và tiếp tục trình tự đo số liệu như chế độ đầu. - Tương tự như vậy, tiến hành khảo sát chế dộ còn lại của dòng hoàn lưu. d) Khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu:
5. 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 T x, y
6. khoâng phaûi caáu töû naøo coù ñoä bay hôi nhoû laø ôû trong pha hôi vaø caáu töû naøo coù ñoä bay hôi thaáp laø ôû trong pha loûng maø chuùng hieän dieän trong caû hai pha, nhưng vôùi tyû leä khaùc nhau. Tyû leä naøy phuï thuoäc vaøo baûn chaát caùc caáu töû coù trong hoãn hôïp maø cuï theå laø ñoä bay hôi töông ñoái cuûa chuùng vaø vaøo noàng ñoä ban ñaàu cuûa noù. Nhö vaäy, khi chöng caát ñôn giaûn (khoâng coù hoaøn löu), ta chæ coù theå thu ñöôïc saûn phaåm vôûi ñoä tinh khieát toái ña naøo ñoù öùng vôùi moãi heä: ñoù laø traïng thaùi caân baèng cuûa caáu töû deã bay hôi (cuõng nhö cuûa caùc caáu töû khaùc) ñaït ñöôïc giöõa hai pha loûng vaø hôi. Trong thöïc teá, coù theå laïi coù nhu caàu duøng ñeán saûn phaåm cuûa quaù trình chöng caát vôùi noàng ñoä lôùn hôn noàng ñoä caân baèng nhöng vaãn duøng hoãn hôïp ñaàu coù noàng ñoä nhö cuõ. Vaán ñeà naøy ñöôïc khaéc phuïc baèng caùch cho hoaøn löu moät phaàn saûn phaåm ñænh (coù noàng ñoä lôùn hôn noàng ñoä hoãn hôïp nhaäp lieäu) vaøo doøng nhaäp lieäu ñeå taêng noàng ñoä noù leân, daãn ñeán vieäc taêng ñöôïc noàng ñoä saûn phaåm nhö mong muoán. Toùm laïi, khi taêng löôïng hoaøn löu, ta seõ coù ñoä tinh khieát cuûa doøng saûn phaåm ñænh taêng ,vaø do ñoù, döïa treân phöông trình caân baèng vaät chaát, ta cuõng suy ra ñöôïc laø ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm ñaùy cuõng taêng. Veà hieäu suaát, töø phöông trình ñònh nghóa hieäu suaát maâm ta coù: y - y n + 1 EM = y * - y n n + 1 Khi taêng löôïng hoaøn löu, caû yn , yn+1 ñeàu taêng vaø yn y*n neân EM 1: hieäu suaát maâm taêng. Cuøng vôùi söï taêng cuûa hieäu suaát maâm, hieäu suaát toång quaùt cuûa coät cuõng taêng. Döïa vaøo keát quaû thí nghieäm tính toaùn ñöôïc trong baûng 5, ta thaáy khi löu löôïng doøng hoaøn löu taêng leân (5, 10, 15) thì ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm thu ñöôïc cuõng taêng lean (xD taêng töø 0.2582; 0,4187 ñeán 0,4944). Hieäu suaát maâm toång quaùt E0 taêng khi ta taêng löu löôïng doøng hoaøn löu töø ñoä ñoïc 10 (E0 = 0.1) sang ñoä ñoïc 15 (E0 =0.2)vaø laïi giaûm trôû laïi khi löu löôïng cuûa doøng hoaøn löu ôû ñoä ñoïc 20 (E0 =0.16). E0 thay ñoåi khoâng gioáng theo söï thay ñoåi cuûa xD ñaõ cho thaáy söï aûnh höôûng raát lôùn cuûa sai soá ñeán keát quaû thí nghieäm. Theo lyù thuyeát, khi xD taêng thì hieäu suaát E0 phaûi caøng taêng theo khi ñaõ bieát tröôùc soá maâm thöïc laø coá ñònh (nhö trong baøi thí nghieäm). Do ñoù, löu löôïng doøng hoaøn löu roõ raøng coù aûnh höôûng ñeán E0 nhöng do quaù trình thí nghieäm chöa haïn cheá ñöôïc sai soá neân keát quaû thí nghieäm thu ñöôïc khoâng cho pheùp ta keát luaän moät caùch chính xaùc veà aûnh höôûng cuûa löu löôïng doøng hoaøn löu ñeán hieäu suaát toång quaùt E0. Tuy nhiên, khi tăng lưu lượng dòng hoàn lưu thì lượng sản phẩm thu được sẽ giảm và chi phí vận hành tháp tăng. Vì vậy, chọn lưu lượng dòng hoàn lưu như thế nào cho phù hợp là bài toán kinh tế - kỹ thuật. AÛnh höôûng cuûa vò trí maâm nhaäp lieäu treân ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm vaø hieäu suaát maâm Mỗi thiết bị chưng cất cho trước đều có một vị trí nhập liệu tối ưu, với hiệu suất tối ưu (vị trí mâm số 4 trong thí nghiệm này). Khi ta thay đổi vị trí nhập liệu lên cao hơn hay thấp hơn đều làm giảm nồng độ sản phẩm đỉnh và giảm hiệu suất chưng cất: Khi chuyển vị trí nhập liệu từ mâm 4 sang mâm 2 ,nồng độ sản phẩm đỉnh giảm từ 0.64 xuống còn 0.57. Còn khi chuyền vị trí nhập liệu từ mâm 4 sang mâm 5 nồng độ sản phẩm đỉnh giảm xuống còn 0.54
7. - Hệ thống hoạt động không thực sự ổn định: các hệ thống bơm, van, giải nhiệt Đề xuất khắc phục: -Sử dụng các dụng cụ đo có độ chính xác cao hơn. -Dùng thêm tài liệu tham khảo hoặc các phần mềm hỗ trợ tính toán để giảm bớt sai số do phải thực hiện các phép tính trung gian. -Tháo sản phẩm đáy liên tục. Hoặc nếu không tháo sản phẩm đáy thì nên tiến hành nhanh thí nghiệm để giảm bớt ảnh hưởng do nồng độ sản phẩm đáy thay đổi - Chôø heä thoáng oån ñònh môùi tieán haønh thí nghieäm. -Caû nhoùm phaûi ñoàng boä trong quaù trình thí nghieäm. -Tìm hieåu kyõ veà duïng cuï tröôùc khi söû duïng, hieåu roõ caùch ñoïc phuø keá vaø ñoïc chính xaùc caùc soá lieäu -Trong quaù trình tính toaùn caàn noäi suy ñuùng coâng thöùc vaø chính xaùc -Caàn tieán haønh theo caùc böôùc trong giaùo trình yeâu caàu moät caùch caån thaän, traùnh phaïm phaûi nhöõng sai laàm neâu treân. Thuaàn thuïc caùc thao taùc thí nghieäm. 6. PHUÏ LUÏC : 6.1. Caùc thoâng soá nhieät ñoäng: C (kJ/kg.ñoä), r (kJ/kg), (kg/m 3) ñöôïc tra töø Baûng tra cöùu Quaù trình cô hoïc truyeàn nhieät – truyeàn khoái. 6.2. Noàng ñoä phaàn mol saûn phaåm ñænh vaø noàng ñoä phaàn mol doøng nhaäp lieäu theo ñoä röôïu: r ñoä röôïu M x r ñoä röôïu (100 ñoä röôïu) r n M r M n 6.3. Khoái löôïng rieâng trung bình cuûa dung dòch theo ñoä röôïu töông öùng: ñoä röôïu (100 ñoä röôïu) r n dd 100 6.4. Khoái löôïng trung bình cuûa dung dòch: M x M (1 x ) M r r n r dd 1
8. soá maâm lyù thueát soá baäc thang 1 E 0 soá maâm thöïc soá maâm thöïc 7. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO : [1]. Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa học & thực phẩm – Tập 3 – Truyền Khối”, NXB ĐHQG Tp. HCM, ĐHBK Tp.HCM, 2011, 388 tr. [2]. Trịnh Văn Dũng, “Tóm tắt bài giảng các Quá trình và Thiết bị Truyền khối”, NXB ĐH Bán công Tôn Đức Thắng Tp.HCM, 2003, 199 tr. [3]. Bộ môn Quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất (Khoa hoá, Trường ĐHBK Hà Nội), “Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất – Tập I”, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, Hà Nội, 1992, 630 tr. [4]. Trịnh Văn Dũng, “Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa học & thực phẩm – Bài tập – Truyền Khối”, NXB ĐHQG Tp. HCM, ĐHBK Tp.HCM, 2011, 162 tr. [5]. Bộ môn Máy và Thiết bị, “Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt-truyền khối”, NXB ĐHQG Tp. HCM, ĐHBK Tp.HCM, 2011, 68 tr.