chưng cất-hoan-thanh

MUÏC LUÏC1. TRÍCH YEÁU 2

1.1. Muïc ñích thí nghieäm 2

1.2. Phöông phaùp thí nghieäm 2

1.3. Sơ đồ thiết bị 2

1.4. Phương pháp tiến hành thí nghiệm: Error! Bookmark not defined.

1.5. Keát quaû thoâ 7

2. LYÙ THUYEÁT THÍ NGHIEÄM 8

2.1. Khaùi nieäm chöng vaø chöng caát8

2.2. Chöng caát heä 2 caáu töû 8

2.3. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình chöng caát 11

2.4. Caùc caùch ñaùnh giaù hieäu suaát quaù trình chöng caát. 14

3. KEÁT QUAÛ THÍ NGHIEÄM 17

4. ÑOÀ THÒ 21

5. LYÙ THUYEÁT THÍ NGHIEÄM 26

5.1. AÛnh höôûng cuûa doøng hoaøn löu treân ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm, treân hieäu suaát maâm vaø hieäu suaát toång quaùt cuûa coät

26

5.2. Caùc hieän töôïng vaø quaù trình dieãn ra trong thaùp khi hoaït ñoäng oån ñònh 27

5.3.Caùc nguyeân nhaân daãn ñeán sai soá vaø caùch khaéc phuïc. 27

6. PHUÏ LUÏC 27

7. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 30

1. TRÍCH YEÁU1.1. Muïc ñích thí nghieäm

- Tieán haønh chöng caát thu ethanol töø hoãn hôïp ethanol - nöôùc ñeå khaûo saùt aûnh höôûng cuûa löu löôïng hoaøn löu vaø vò trí maâm nhaäp lieäu, traïng thaùi nhieät ñoäng cuûa nguyeân lieäu ñeán ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm ñænh vaø hieäu suaát cuûa thaùp chöng caát.

- Khaûo saùt caùc hieän töôïng xaûy ra trong thaùp chöng caát.

1.2. Phöông phaùp thí nghieäm

- Giöõ löu löôïng doøng nhaäp lieäu coá ñònh (ôû ñoä ñoïc 30) vaøo maâm coá ñònh (soá 4), thay ñoåi löu löôïng doøng hoaøn löu (ôû ñoä ñoïc 10,15, 20) ñeå xeùt aÛnh höôûng cuûa doøng hoaøn löu.

- Giöõ nguyeân löu löôïng doøng nhaäp lieäu ôû ñoä ñoïc 30 vaø doøng hoaøn löu ôû ñoä ñoïc 15, nhöng laàn löôït thay ñoåi hai vò trí nhaäp lieäu (maâm soá 2 vaø maâm soá 5) ñeå xeùt aÛnh höôûng cuûa vò trí maâm nhaäp lieäu.

- Ñaùnh giaù keát quaû qua ñoä röôïu cuûa nguyeân lieäu vaø saûn phaåm ñænh (ño baèng phuø keá), löu löôïng doøng saûn phaåm ñænh, nhieät ñoä nhaäp lieäu, nhieät ñoä saûn phaåm ñænh, nhieät ñoä doøng hoaøn löu.

1.3. Sơ đồ thiết bị

Hình 1: Sơ đồ thiết bị chưng cất

Chú thích:

1. Maâm xuyeân loã (5) Van F0 : Nhập liệu vào nồi đun

2. Boä phaän ngöng hôi Van F2: Nhập liệu vào mâm số 2

3. Nöôùc nguoäi Van F4: Nhập liệu vào mâm số 4

4. Van giaûm aùp Van F5: Nhập liệu vào mâm số 5

5. Bình chöùa saûn phaåm ñænh Van W1: Van xả sản phẩm đáy

6. Bình chöùa nguyeân lieäu Van W2: Van xả sản phẩm đáy về bồn chứa

7. OÁng ñong Van N1: Van xả nước làm mát

8. Bôm hoaøn löu Van D1: Van xả kiểm tra sản phầm đỉnh

9. Ñieän trôû ñun noùng doøng nhaäp lieäu Van D2: Van xả sản phầm đỉnh

10. Bôm saûn phaåm ñaùy Van L1: Van hoàn lưu

11. Ñieän trôû noài ñun (2,5kW) Van L2: Van chỉnh lưu lượng dòng hoàn lưu

12. Noài ñun Van C1: Van bơm nguyên liệu lên bồn cao vị

13. Löu löôïng keá ño doøng nhaäp lieäu Van C2: Van kiểm tra dòng nhập liệu.

14. Löu löôïng keá ño doøng hoaøn löu15. Ñieän trôû ñun noùng doøng nhaäp lieäu16. Ñieän trôû ñun noùng doøng hoaøn löu17. Bơm nguyên liệu lên bồn cao vị.18. Dòng chảy tràn bồn cao vi về bồn chứa

19. Bồn cao vị

1.4. Phương pháp tiến hành thí nghiệm:

1.4.1. Quan sát hệ thống:

Trước khi tiến hành TN (20 phút đầu giờ), sinh viên phải quan sát hệ thống và đối chiếu với

sơ đồ hình vẽ trong giáo trình.

1.4.2. Khởi động hệ thống:

Kiểm tra nguyên liệu (kiểm tra mực chất lỏng của bình chứa).

Đo độ rượu của nguyên liệu.

Đưa điện vào hệ thống (đóng cầu dao điện, bật nút Main Power).

Khởi động dòng hơi:

Mở bơm nhập liệu và van nhập liệu vào nồi đun.

Nhập liệu vào nồi đun ( mực chất lỏng đến vạch đỏ).

Gia nhiệt nồi đun để tạo hơi (bật nút boiler).

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)

Mở bơm nhập liệu (nút feed pump). Mở van nhập liệu vào mâm tùy TN

Chỉnh lưu lượng dòng nhập liệu (cố định ở độ đọc 30, van F4).

Gia nhiệt dòng nhập liệu (nút feed preheat).

Khởi động dòng hoàn lưu: (khi có sản phẩm đỉnh ngưng tụ)

Mở van hoàn lưu ( van L1).

Mở bơm hoàn lưu (nút reflux pump).

Chỉnh lưu lượng dòng hoàn lưu (độ đọc 5, 10, 15 tùy theo chế độ TN, van L2).

Gia nhiệt dòng hoàn lưu (nút reflux preheat).

Đợi hệ thống hoạt động ổn định (các điện trở gia nhiệt các dòng hoạt động đúng

công suất, các lưu lượng kế ổn định, sản phẩm đỉnh phải tương ứng với các thông số

đã cài đặt ở chế độ TN).

1.4.3. Thu số liệu thí nghiệm (khi hệ thống hoạt động ổn định).

Đo nhiệt độ các dòng: nhập liệu, hoàn lưu, sản phẩm đỉnh (dòng hơi và dòng lỏng ngưng tụ).

Đo lưu lượng của sản phẩm đỉnh.

Đo độ rượu: dòng nhập liệu (chỉ đo 1 lần ở bước khởi động), sản phẩm đỉnh.

Cách đo lưu lượng:

Đo thể tích dòng sản phẩm đỉnh chảy được trong khoảng thời gian 30 giây (thứ

nguyên của lưu lượng là thể tích /thời gian).

- Dùng ống đong lớn hứng sản phẩm đỉnh chảy ra từ ống chảy tràn. Khi dòng chảy

đều và ổn định thì bắt đầu đo.

- Đưa ống đong nhỏ vào thay ống đong lớn để hứng chất lỏng chảy ra trong 30

giây.

- Hết 30 giây, lấy ống đong nhỏ ra và lại hứng sản phẩm đỉnh bằng ống đong lớn.

- Đọc thể tích chất lỏng thu được ở ống đong nhỏ.

Đối với dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu thì ghi giá trị lưu lượng trên các lưu lượng

kế

Cách đo độ rượu:

Đo độ rượu bằng phù kế

- Lấy chất lỏng cần đo vào ống đong.

- Cho nhẹ nhàng phù kế vào ống đong, chờ cho phù kế hết dao động – nổi cân

bằng, thì đọc vạch đo trên phù kế tương ứng với mặt thoáng chất lỏng (mặt cong

dưới).

1.4.4. Chuyển đổi chế độ thí nghiệm:

Khi thay đổi lưu lượng dòng hoàn lưu, chỉ cần chỉnh lại lưu lượng kế theo đúng lưu lượng

yêu cầu.

Khi thay đổi vị trí mâm nhập liệu thì phải tắt dòng nhập liệu (theo trình tự ngược lại khi

khởi động dòng nhập liệu), rồi khởi động lại dòng nhập liệu ở vị trí mâm tương ứng .

Lưu ý: Mỗi khi thay đổi chế độ TN phải xả hết sản phẩm đỉnh vào bình nhựa bằng van xả sản

phẩm đỉnh (van D2, có thể xả thêm một phần sản phẩm đỉnh nữa để đảm bảo cho phần sản

phảm thu được tương ứng với chế độ TN). Chờ mực chất lỏng dâng lên đến ngang miệng ống

chảy tràn và tiếp tục trình tự đo số liệu.

Một số lưu ý trong quá trình vận hành tháp:

Kiểm tra dòng nước ra khỏi TBNT – đề phòng mất nước sẽ không ngưng tụ hơi

được, gây thất thoát hơi và hư hỏng các đệm bít kín của TBNT.

Đang TN, không được cho vào bình chứa nguyên liệu bất cứ hỗn hợp sản phẩm

nào vì sẽ làm thay đổi nồng độ ban đầu của nguyên liệu, tất cả sản phẩm đỉnh lấy ra

thu gom vào bình nhựa.

Theo dõi thường xuyên mực chất lỏng trong nồi đun, nếu mực chất lỏng dâng đầy

ống thủy phải xả bớt chất lỏng trong nồi ra bằng van xả đáy phía dưới đáy nồi (van

W1) và cho vào bình nhựa, không cho vào bình chứa nguyên liệu.

Khi thay đổi vị trí nhập liệu, phải tắt bơm nhập liệu.

Khi mở các van trong hệ thống phải mở hết van.

Khi tháp hoạt động phải quan sát quá trình xảy ra trên từng mâm trong tháp và ghi

nhận lại.

Phải luôn chỉnh lưu lượng hai dòng nhập liệu và hoàn lưu ở độ đọc cần khảo sát

(xả sạch sản phẩm đỉnh của chế độ TN trước).

Khi đo độ rượu và thể tích của chất lỏng, phải đọc mặt cong dưới của mặt thoáng.

Các giá trị, các đại lượng đo phải được đọc cùng một lúc.

1.5. Keát quaû thoâ

Baûng 1 : Soá lieäu thoâ

TN

Vò trí

Maâm

Löu löôïng (ñoä ñoïc) Ñoä röôïu Nhieät ñoä (oC)

Nhaäp lieäu

Ñænh

(ml/phuùt)

Hoaøn löu

Nhaäp lieäu

Ñænh

Nhaäp lieäu

Ñænh Hoaøn löu

ÑaùyHô

iLoûng

1 4 169,2 64 84,6 35 93 72 71 38 73 89

2 4 169,2 80 56,4 35 89 74 74 38 68 91

3 4 169, 112 28,2 35 73 76 83 38 69 94

2

4 2 169,2 72 56,4 35 80 76 78 38 66 95

5 5 169,2 68 56,4 35 84 75 76 38 67 95

- Nhaän xeùt keát quaû thoâ:

Keát quaû töông ñoái phuø hôïp vôùi lyù thuyeát:

- Vò trí maâm nhaäp lieäu caøng xa ñænh, saûn phaåm ñænh caøng tinh khieát.

Nhöng cuõng coù keát quaû chöa phuø hôïp laém so vôùi lyù thuyeát:

- Khi taêng löu löôïng doøng hoaøn löu thì ñoä tinh khieát saûn phaåm ñænh khoâng taêng

2. LYÙ THUYEÁT THÍ NGHIEÄM 2.1. Khaùi nieäm chöng vaø chöng caát

Chöng laø quaù trình taùch hoãn hôïp loûng thaønh caùc caáu töû rieâng bieät baèng caùch ñun soâi hoãn hôïp, taùch hôi taïo thaønh ñeå ngöng tuï laïi.

Cô sôû cuûa quaù trình chöng laø döïa vaøo ñoä bay hôi khaùc nhau cuûa caùc caáu töû trong hoãn hôïp: ôû cuøng moät nhieät ñoä thì caáu töû naøo coù aùp suaát hôi lôùn hôn seõ deã bay hôi hôn, ôû cuøng moät aùp suaát thì caáu töû naøo coù nhieät ñoä soâi thaáp hôn seõ deã bay hôi hôn.

Chöng caát (chöng luyeän) laø chöng moät hoãn hôïp nhieàu laàn baèng caùch tieán haønh laëp laïi quaù trình ñun soâi vaø ngöng tuï hoãn hôïp. Ñaây laø caùch phaân taùch trieät ñeå nhaát vaø ñöôïc duøng phoå bieán nhaát trong coâng nghieäp hoùa hoïc.

2.2. Chöng caát heä 2 caáu töû

2.2.1. Caân baèng pha trong chöng caát 2 caáu töû A vaø B

Baäc töï do cuûa heä:

f= k - + n = 2 – 2 + 2 = 2

Goïi pA , pB : laàn löôït laø aùp suaát rieâng phaàn cuûa caáu töû A vaø B trong pha khí

PoA, PoB : laàn löôït laø aùp suaát hôi baõo hoøa cuûa A vaø B nguyeân chaát ôû cuøng nhieät ñoä

xA, yA, xB, yB : laàn löôït töông öùng laø phaàn mol cuûa A vaø B trong pha loøng vaø pha khí

Ñoái vôùi heä lyù töôûng, theo ñònh luaät Raoult, ta coù:

pA = PoA xA ; pB = PoB xB = PoB(1 - xA)

aùp suaát chung: p = pA + pB = PoA xA + PoB(1 - xA) (1)

suy ra:

(2)

vôùi goïi laø ñoä bay hôi töông ñoái cuûa A ñoái vôùi B.

Nhöng ñoái vôùi heä ethanol – nöôùc, do heä naøy laø heä coù sai leäch döông neân coù aùp suaát toång lôùn hôn aùp suaát tính theo ñònh luaät Rauolt ( phöông trình 1). Vì vaäy khoâng theå aùp duïng phöông trình 2 ñeå veõ ñoà thò caân baèng pha. Heä ethanol – nöôùc coù ñieåm ñaúng phí, taïi ñoù nhieät ñoä soâi cuûa heä ñaït cöïc tieåu.

Soá lieäu caân baèng pha cuûa heä ethanol - nöôùc ôû aùp suaát thöôøng laáy theo thöïc nghieäm nhö sau (x, y laø phaàn traêm mol cuûa caáu töû ethanol trong pha loûng vaø pha khí):

x 0 5.0 10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100

y 0 33. 44. 53. 57. 61. 65. 69. 75. 81. 89. 10

2 3 1 6 4 4 9 3 8 8 0

t, oC 100

90.5

86.5

83.2

81.7

80.8

80.0

79.4

79.0

78.6

78.4

78.4

Ñieåm ñaúng phí x = y = 89.4 , t = 78.15oC

Töø ñoù ta thaáy ñöôïc, neáu aùp duïng chöng caát ñeå phaân rieâng hoãn hôïp naøy, noàng ñoä röôïu cao nhaát chæ coù theå ñaït tôùi 89.4 % mol, töùc laø ñoä röôïu = 96.46 ñoä. Muoán thu coàn tuyeät ñoái ta phaûi duøng kyõ thuaät khaùc.

2.2.2. Caùc phöông trình ñöôøng laøm vieäc trong thaùp chöng caát

- Phöông trình ñöôøng caát:

(3)

Vôùi:

R: tyû soá hoaøn löu ;

(L0: doøng hoaøn löu; D: löôïng saûn phaåm ñænh)

xD : noàng ñoä saûn phaåm ñænh

- Phöông trình ñöôøng chöng:

(4)

Vôùi:

xW : noàng ñoä saûn phaåm ñaùy

f: heä soá tieáp lieäu

( F: doøng nhaäp lieäu, D: doøng saûn phaåm ñænh)

R : tyû soá hoaøn löu

- Phöông trình ñöôøng nhaäp lieäu:

(5)

Vôùi:

xF : noàng ñoä nhaäp lieäu

q : tyû soá giöõa nhieät caàn thieát ñeå bieán moät mol nhaäp lieäu töø traïng thaùi ñaàu thaønh hôi baõo hoøa vôùi aån nhieät hoùa hôi (hG - hL),

q ñöôïc tính theo coâng thöùc:

(6)

Trong ñoù:

hG, hL,hF : laø traïng thaùi nhieät cuûa doøng hôi,doøng loûng, doøng nhaäp lieäu qua maâm nhaäp lieäu.

2.3. Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán quaù trình chöng caát

2.3.1. Traïng thaùi nhieät ñoäng cuûa nguyeân lieäu

Hình1 : Kí hieäu caùc doøng loûng, doøng hôi, doøng nhaäp lieäu taïi maâm nhaäp lieäu

F,hF, xF

G,hG y

G’,hG’,yG’

L,hL x

L’,hL’ xL’

Ñaïi löôïng q cho bieát löu löôïng loûng thay ñoåi theá naøo khi ñi töø ñoïan caát tôùi ñoaïn chöng. Do ñöôøng nhaäp lieäu chöùa quyõ tích caùc ñieåm nhaäp lieäu(giao ñieåm ñöôøng chöng vaø ñöôøng caát) neân q thay ñoåi seõ laøm thay ñoåi heä soá goùc cuûa phöông trình ñöôøng nhaäp lieäu daãn ñeán thay ñoåi vò trí nhaäp lieäu.

Söï aûnh höôûng ñoù ñöôïc theå hieän trong baûng 3 vaø ñoà thò hình 1

Baûng 2

Traïng thaùi nhieät cuûa

nguyeân lieäuq Pha loûng Pha hôi

Heä soá goùc ñöôøng nhaäp

lieäu

(1) Hoãn hôïp

t < tS

q>1 L’ > L+F G < G’ >1

(2) Hoãn hôïp soâi

t = tS

q = 1 L’ = L+F G = G’

(3) Hoãn hôïp loûng hôi

1>q>0 L<L’<L+F G’<G<G’+F <0

tS<t<tN

(4) Hoãn hôïp hôi baõo hoøa t = tN

q = 0 L’ = L G =G’+F 0

(5) Hoãn hôïp hôi quaù nhieät t > tN

q < 0 L’ < L G > G’+F 1> >0

Hình: Ñoà thò mieâu taû aûnh höôûng cuûa traïng thaùi nhieät ñoäng doøng nhaäp lieäu (moãi ñöôøng öùng vôùi töøng tröôøng hôïp nhaäp lieäu nhö treân baûng 3)

Nhaäp lieäu ôû traïng thaùi (2) laø toát nhaát vì khi ñoù thaùp laøm vieäc oån ñònh, suaát löôïng mol pha hôi trong ñoaïn chöng vaø ñoaïn caát khoâng ñoåi, deã nhaäp lieäu vaø tính toaùn ñôn giaûn.

2.3.2. Tyû soá hoaøn löu

Tyû soá hoaøn löu R aûnh höôûng ñeán vò trí hai ñöôøng noàng ñoä laøm vieäc daãn ñeán aûnh höôûng soá ñóa lyù thuyeát vaø naêng suaát thaùp chöng caát.

y

x0

F0

123

4

5ñöôøng caân

baèng

Khi R , phöông trình ñöôøng chöng vaø ñöôøng caát tieán daàn ñeán truøng vôùi ñöôøng y = x. Luùc ñoù, soá ñóa lyù thuyeát seõ giaûm veà giaù trò thaáp nhaát. Roõ raøng, khi soá ñóa lyù thuyeát giaûm, soá ñóa thöïc seõ giaûm theo daãn ñeán chieàu cao thaùp giaûm, ta seõ tieát kieäm ñöôïc vaät hj suaát thaùp chöng caát giaûm.

Khi R Rmin, ñöôøng chöng vaø ñöôøng caát aùp saùt ñöôøng caân baèng, soá ñóa lyù thuyeát taêng daãn ñeán soá ñóa thöïc cuõng phaûi taêng ñeå ñaûm baûo noàng ñoä saûn phaåm nhö yù muoán. Do ñoù chieàu cao thaùp, chi phí cheá taïo seõ taêng theo. Ñaëc bieät, khi R = Rmin, ñoäng löïc quaù trình baèng 0 töùc khoâng coù söï truyeàn khoái xaûy ra.

Ñuùng ñaén nhaát neân löïa choïn R sao cho thuaän lôïi nhaát veà kinh teá – kyõ thuaät. Theo kinh nghieäm R = 1.3 Rmin + 0.3

(7)

trong ñoù: yF* laø tung ñoä giao ñieåm ñöôøng nhaäp lieäu vôùi ñöôøng caân baèng

2.3.3. Ñoä bay hôi töông ñoái

caøng lôùn, ñöôøng caân baèng caøng naèm xa ñöôøng y = x ñoäng löïc quaù trình caøng lôùn. Do PoA vaø PoB phuï thuoäc nhieät ñoä neân taïi moãi nhieät ñoä ta coù giaù trò khaùc nhau. Do ñoù, ñöôøng caân baèng trong chöng caát 2 caáu töû laø ñöôøng cong.

Trong tính toaùn, ta ít khi duøng vì tính toaùn phöùc taïp vaø heä khaûo saùt khoâng phaûi lyù töôûng, ñeå coù ñoà thò ñöôøng caân baèng ta laøm thöïc nghieäm ño noàng ñoä caáu töû deã bay hôi trong hai pha taïi nhöõng nhieät ñoä khaùc nhau. Töø ñoù laäp ñöôïc ñoà thò t – x,y vaø ñoà thò y – x.

2.4. Caùc caùch ñaùnh giaù hieäu suaát quaù trình chöng caát.

Moâ hình soá maâm lyù thuyeát laø moät moâ hình toaùn ñôn giaûn nhaát ñeå ñaùnh giaù hieäu suaát thaùp chöng caát, noù döïa treân caùc cô sôû sau:

(a) - Caân baèng giöõa hai pha.

(b) - Phuø hôïp vôùi caùc ñieàu kieän vaø ñoäng löïc hoïc löu chaát lyù töôûng treân maâm sao cho ta coù ñöôïc moät maâm lyù thuyeát giöõa hai pha (hôi, loûng) vaø nhö vaäy noù phaûi thoûa maõn caùc ñieàu kieän sau:

- Pha loûng phaûi ñöôïc hoøa troän hoaøn toaøn treân maâm

- Pha hôi khoâng loâi cuoán caùc gioït loûng töø maâm döôùi leân maâm treân vaø ñoàng thôøi coù noàng ñoä ñoàng ñeàu ôû moïi vò trí treân moät tieát dieän cuûa doøng piston

- Treân töøng maâm luoân luoân coù söï caân baèng giöõa hai pha

Ñeå thieát laäp moâ hình, ta coù ñònh nghóa veà ñoä trao ñoåi ()

Ñoä trao ñoåi ñaïi löôïng toång quaùt ñaùnh giaù söï trao ñoåi giöõa caùc pha, noù ñaùnh giaù söï khaùc nhau giöõa moät maâm thöïc vaø moät maâm lyù töôûng.

hoaëc (8)

x, y: noàng ñoä caáu töû caàn xeùt trong pha loûng vaø pha hôi

r,v: kí hieäu ñaàu vaøo, ñaàu ra

* : noàng ñoä ñaàu ra cuûa pha naøy caân baèng vôùi noàng ñoä ñaàu vaøo pha kia (hai doøng pha ñi ngöôïc chieàu nhau)

- Trong tröôøng hôïp ñoä trao ñoåi ñaùnh giaù moät maâm, ngöôøi ta coøn goïi laø hieäu suaát theo Murphee:

DB = EM = (9)

Vôùi:

yn : noàng ñoä thöïc cuûa pha hôi rôøi maâm n

y*n : noàng ñoä pha hôi caân baèng pha loûng rôøi oáng chaûy chuyeàn maâm n

yn+1: noàng ñoä thöïc cuûa pha hôi vaøo maâm n

- Khi ñaùnh giaù cho toaøn boä thaùp, ngöôøi ta goïi laø hieäu suaát thaùp vaø ñöôïc ñònh nghóa (khi xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát keå caû maâm ñaùy):

(10)

Vôùi:

nLT : soá maâm lyù thuyeát

nT : soá maâm thöïc

- Khi chæ khaûo saùt moät phaàn, moät vuøng treân maâm thì noù coù teân laø ñoä trao ñoåi cuïc boä hay hieäu suaát maâm cuïc boä:

(11)

Vôùi:

y’n : noàng ñoä thöïc cuûa pha hôi rôøi vò trí cuï theå treân maâm n

y’*n : noàng ñoä pha hôi caân baèng pha loûng cuøng vò trí treân maâm n

y’n+1: noàng ñoä thöïc cuûa pha hôi vaøo maâm n taïi cuøng vò trí

Hieäu suaát maâm cuïc boä chæ coù khi ñöôøng kính maâm lôùn, doøng chaûy treân maâm xuaát hieän vuøng xoaùy, vaø aûnh höôûng bôûi tieát dieän oáng chaûy chuyeàn. luùc ñoù, treân cuøng moät maâm, noàng ñoä pha hôi vaø pha loûng taïi caùc vò trí khaùc nhau laø khaùc nhau.

Soá maâm thöïc laø soá maâm coù treân thieát bò sao cho caùc saûn phaåm ñænh vaø ñaùy ñeàu ñaït noàng ñoä nhö mong muoán, töùc laø xD,xW lyù thuyeát vaø thöïc phaûi gioáng nhau.

Caùc caùch xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát:

- Duøng giaûn ñoà H – xy: coù theå aùp duïng trong moïi tröôøng hôïp nhöng caàn bieát soá lieäu veà traïng thaùi nhieät vaø thöïc hieän khaù phöùc taïp neân ít duøng

- Duøng giaûn ñoà xy : Deã thöïc hieän.

o Döïng giaûn ñoà xy

o Xaùc ñònh vò trí caùc ñieåm F(xF;yF), D(xD;yD), W(xW;yW)

o Veõ ñöôøng nhaäp lieäu, ñöôøng chöng, ñöôøng caát theo caùc phöông trình ñöôøng laøm vieäc

o Xaùc ñònh soá baäc thang truyeàn khoái giöõa ñöôøng caân baèng vaø ñöôøng laøm vieäc baét ñaàu töø W ñeán D

o nLT = soá baäc thang -1

- Tính daàn töøng ñóa : tính toaùn nhieàu neân caàn söï trôï giuùp cuûa maùy tính

o Döïa vaøo taát caû caùc thoâng soá coù ñöôïc, noäi suy caùc phöông trình ñöôøng caân baèng, ñöôøng laøm vieäc

o Tính laàn löôït noàng ñoä ñaàu vaøo, ñaàu ra cuûa pha hôi vaø pha loûng cuûa ñoaïn chöng vaø ñoaïn caát rieâng bieät ñeán khi naøo giaù trò xD, xF ñaït ñöôïc giaù trò mong muoán

o Moãi laàn tính laëp laø moät maâm lyù thuyeát

Ñeå tính hieäu suaát töøng maâm caàn phaûi ño taát caû caùc thoâng soá treân töøng maâm vaø taïi töøng vò trí cuûa maâm. Ñaây laø coâng vieäc khaù khoù khaên vì vaäy caàn söû duïng caùc thieát bò ño mang tính töï ñoäng vaø kyõ thuaät cao.

3. KEÁT QUAÛ THÍ NGHIEÄMBaûng 3 : Soá lieäu thoâ

TN

Vò trí

Maâm

Löu löôïng (ñoä ñoïc) Ñoä röôïu Nhieät ñoä (oC)

Nhaäp lieäu

Ñænh

(ml/phuùt)

Hoaøn löu

Nhaäp lieäu

Ñænh

Nhaäp lieäu

Ñænh Hoaøn löu

ÑaùyHô

iLoûng

1 4 169,2 64 84,6 35 93 72 71 38 73 89

2 4 169,2 80 56,4 35 89 74 74 38 68 91

3 4 169,2 112 28,2 35 73 76 83 38 69 94

4 2 169,2 72 56,4 35 80 76 78 38 66 95

5 5 169,2 68 56,4 35 84 75 76 38 67 95

Baûng 4 : Xöû lyù soá lieäu thoâ

TN

Vò trí

maâm

nhaäp

lieäu

Löu löôïng (ml/phuùt) Phaân mol doøng

Nhaäp

lieäu (F)

Ñænh (D)

Hoaøn löu (L0)

Nhaäp

lieäu (xF)

Ñænh (xD)

Ñaùy (xW)

(*) (**)

1 4 169,2 64 84,6 0,1377 0,7976 -0,0310 0,0135

2 4 169,2 80 56,4 0,1376 0,7056 0,0164 0

3 4 169,2 112 28,3 0,1374 0,4435 0,0812 0,0168

4 2 169,2 72 56,4 0,1374 0,5418 0,0541 0,017

5 5 169,2 68 56,4 0,1375 0,6084 0,0161 0,0168

(*) : Tính baèng phöông trình caân baèng vaät chaát F.xF = W.xW + D.xD vaø F= D + W

(**) : Xaùc ñònh theo nhieäït ñoä noài ñun vaø tra theo ñoà thò t – xy

xF trung bình = 0,1375

Baûng 5 : Keát quaû tính toaùn caùc thoâng soá

TN

Vò trí maâm nhaäp

lieäu

Tæ soá

hoaøn löu

(R)

tF (oC)

HF (kJ/kg)

HGF

(kJ/kg)

HLF

(kJ/kg)q q/(q-

1)

1 4 1,322 72 233,66 2225,08 328,64 1,050 20,96

7

2 4 0,705 74 237,52 2226,40 319,27 1,043 24,32

9

3 4 0,253 76 246,21 2210,78 320,62 1,039 26,40

0

4 2 0,783 76 250,34 2211,14 320,98 1,037 27,75

4

5 5 0,829 75 254,46 2211,32 321,33 1,035 29,26

7

Baûng 6 : Phöông trình ñöôøng laøm vieäc vaø ñöôøng nhaäp lieäu

TN Phöông trình ñöôøng nhaäp Phöông trình ñöôøng caát

lieäu

1 y=20,967x - 2,754 y = 0,569x + 0,343

2 y=24,329x - 3,200 y = 0,413x + 0,414

3 y=26,400x - 3,523 y = 0,202x + 0,354

4 y=27,754x - 3,714 y = 0,439x + 0,304

5 y=29,267x - 3,929 y = 0,453x + 0,333

Phöông trình ñöôøng nhaäp lieäu:

Vôùi:

* xF : noàng ñoä nhaäp lieäu

* q : tyû soá giöõa nhieät caàn thieát ñeå bieán moät mol nhaäp lieäu töø traïng thaùi ñaàu thaønh hôi baõo hoøa vôùi aån nhieät hoùa hôi (hG - hL),

q ñöôïc tính theo coâng thöùc:

Trong ñoù:

hG, hL,hF : laø traïng thaùi nhieät cuûa doøng hôi,doøng loûng, doøng nhaäp lieäu qua maâm nhaäp lieäu.

Phöông trình ñöôøng caát:

(3)

Vôùi:

* R: tyû soá hoaøn löu ;

(L0: doøng hoaøn löu; D: löôïng saûn phaåm ñænh)

xD : noàng ñoä saûn phaåm ñænh

Baûng 7 : Keát quaû thí nghieäm

TN

Vò trí maâm nhaäp lieäu

Tæ soá hoaøn löu

(R)

Soá maâm

lyù thuyeát

xD

Hieäu suaát maâm toång quaùt

E0

1 4 1,322 9 0,7976 180%

2 4 0,705 9 0,7056 180%

3 4 0,253 2 0,4435 40%

4 2 0,783 4 0,5418 80%

5 5 0,829 5 0,6084 100%

4. ÑOÀ THÒ Giaûn ñoà tính toaùn soá maâm lyù thuyeát

Moãi ñoà thò töông öùng vôùi moät thí nghieäm

a. Ñoà thò xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vôùi Lo=15 nhập liệu mâm số 4

Đồ thị số 3: đồ thị xác định số mâm lí thuyết khi nhập liệu mâm số 4 và dòng hoàn lưu L0=15

Phöông trình ñöôøng nhaäp lieäu Phöông trình ñöôøng caát

y=20,967x - 2,754 y = 0,569x + 0,343

Toïa ñoä ñieåm: D(0,7976; 0,7976)

F(0,1377; 0,1377)

W(0,0135 ; 0,0135)

Soá maâm lyù thuyeát : nLT = 9

b. Ñoà thò xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vôùi Lo=10 nhập liệu mâm số 4



y=24,329x - 3,200 y = 0,413x + 0,414

Toïa ñoä ñieåm: D(0,7056; 0,7056)

F(0,1376; 0,1376)

W(0,0164 ; 0,0164)


c. Ñoà thò xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vôùi Lo=5 nhập liệu mâm số 4



y=26,400x - 3,523 y = 0,202x + 0,354

Toïa ñoä ñieåm: D(0,4435 ; 0,4435)

D

F

F (0,1374; 0,1374)

W(0,0812 ; 0,0812)


d. Ñoà thò xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vôùi maâm nhaäp lieäu soá 2 dòng hoàn lưu L0=10



y=27,754x - 3,714 y = 0,439x + 0,304

Toïa ñoä ñieåm: D(0,5418; 0,5418)

F(0,1374; 0,1374)

W(0,0541 ; 0,0541)


e. Ñoà thò xaùc ñònh soá maâm lyù thuyeát vôùi maâm nhaäp lieäu soá 5 dòng hoàn lưu L0=10



y=29,267x - 3,929 y = 0,453x + 0,333

Toïa ñoä ñieåm:

D(0,2854; 0,2854)

F(0,1375; 0,1375)

W(0,0161; 0,0161)


5. LYÙ THUYEÁT THÍ NGHIEÄM 5.1. AÛnh höôûng cuûa doøng hoaøn löu treân ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm, treân hieäu suaát maâm vaø hieäu suaát toång quaùt cuûa coät

5.1.1. AÛnh höôûng cuûa doøng hoaøn löu treân ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm

- Khi doøng hoài lưu tăng thì độ tinh khiết lại giảm, vì luùc ñaàu sản phầm chưa ổn định do ban đầu chỉ đun dung dịch trong nồi đun, nhập liệu với doøng hoài lưu chưa ñöôïc gia nhieät ñeàu

-Sau ñoù, ñoä tinh khieát taêng ôû caùc thyù nghieäm sau khi heä thoáng ñaõ hoaït ñoäng oån ñònh, doøng hoaøn löu ñeàu hôn

5.1.2.AÛnh höôûng cuûa doøng hoaøn löu treân hieäu suaát

Qua thí nghieäm, khi taêng löu löông doøng hoaøn löu, hieäu suaát quaù trình cuõng taêng. Hieäu suaát taêng töùc laø heä thoáng laøm vieäc caøng gaàn vôùi lyù thuyeát.Nhöng khi taêng doøng hoaøn löu khoâng phaûi luùc naøo cuõng kinh teá nhaát, ñoâi khi ñeå ñöôïc saûn phaåm mong muoán caàn phaûi toán theâm chi phí nhieät coù khi raát cao.

Trong thöïc teá saûn xuaát, ngöôøi ta phaûi tính toaùn doøng hoaøn löu thích hôïp, sao cho toång chi phí ñeå taïo ra saûn phaåm mong muoán laø thaáp nhaát.

5.1.3 AÛnh höôûng cuûa vò trí maâm nhaäp lieäu treân ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm vaø hieäu suaát maâm

Trong quaù trình chöng caát, doøng loûng cuõng nhö doøng hôi seõ thay ñoåi noàng ñoä khi ñi qua moãi maâm (baäc thay ñoåi noàng ñoä). Tuy nhieân, söï thay ñoåi naøy khoâng gioáng nhau ôû moïi maâm maø coøn phuï thuoäc vaøo khaû naêng trao ñôûi trong maâm ñoù. Khi cho nhaäp lieäu ôû caùc maâm gaàn ñaùy thì soá baäc trao ñoåi taêng , laøm cho ñoä tinh khieát cuûa saûn phaåm ñænh taêng theo; khi cho nhaäp lieäu ôû caùc maâm gaàn ñænh thì keát quaû seõ ngöôïc laïi.Tuy nhieân, khi cho vò trí maâm nhaäp lieäu khoâng gioáng vôùi vò trí tính ñöôïc theo lyù thuyeát thì khaû naêng trao ñoái cuûa caùc maâm seõ giaûm (duø soá maâm lyù thuyeát khi ñoù coù taêng), cho neân vieäc ñaït ñöôïc ñoä tinh khieát cao hôn laø khoâng chaéc chaén.

5.2. Caùc hieän töôïng vaø quaù trình dieãn ra trong thaùp khi hoaït ñoäng oån ñònh

Khi thaùp hoaït ñoäng oån ñònh: Pha loûng ñi töø treâøn xuoáng theo oáng chaûy chuyeàn, pha hôi ñi töø döôùi leâân xuyeâøn qua caùc loã treâøn maâõm xaûy ra quùa trình truyeàn khoái (ngöôïc chieàu). Caáu töû deã bay hôi seõ bò loâi cuoán leân treân vaø laáy ra töø ñænh thaùp, coøn caáu töû khoù bay hôi bò keùo xuoáng noài ñun. Pha hôi caøng leân treân thì caøng chöùa nhieàu caáu töû deã bay hôi coøn pha loûng caøng xuoáng döôùi caøng chöùa nhieàu caáu töû khoù bay hôi. ). Pha hôi loâi cuoán caáu töû deã bay hôi trong pha loûng laøm taêng noàng ñoä caáu töû nheï trong pha hôi (giaûm trong pha loûng). Ñoäng löïc quaù trình laø söï cheânh leäch noàng ñoä giöõa 2 pha.

Ta thaáy nhieät ñoä taïi caùc maâm laø khaùc nhau, cuï theå caøng leân cao thì caøng giaûm. Giaûi thích: do caáu töû etylic coù nhieät ñoä soâi thaáp hôn nöôùc maø caøng leân cao thì caøng giaøu caáu töû etylic neân nhieät ñoä taïi caùc maâm giaûm daàn khi leân cao.

5.3.Caùc nguyeân nhaân daãn ñeán sai soá vaø caùch khaéc phuïc

- Quan saùt baèng maét khi ño ñoä röôïu coù phaàn chuû quan, keùm chính xaùc

-Nhaán ñoàng hoà vaø ño löu löôïng baèng oáng ñong laø 2 ngöôøi khaùc nhau, khoù ñoàng nhaát daãn ñeán sai soá

-Luùc ñaàu, heä thoáng gia nhieät hoaït ñoäng chöa oån ñònh neân thyù nghieäm ñaàu tieân sai soá nhieàu

Khaéc phuïc: giaûm soá ngöôøi cuøng luùc thao taùc, söû duïng boä thyù nghieäm hieän ñaïi hôn ñeå thôøi gian laø töï ñoäng

6. PHUÏ LUÏCVieäc tính toaùn cho soá lieäu cuûa caû 5 thí nghieäm laø töông töï nhö

nhau.

Caùc soá lieäu tra baûng:

Röôïu ethanol:

* Khoái löôïng rieâng: r = 0.772 g/ml

* Khoái löôïng phaân töû : Mr = 46 g/mol

* Nhieät dung rieâng (trong khoaûng 40 – 80 oC) : Cr = 119.6 J/mol.K

* Aån nhieät hoùa hôi ôû 86,5oC rr = 39741 j/mol

Nöôùc:

* Khoái löôïng rieâng (trong khoaûng 40 – 80 oC) : n = 0.992 g/ml

* Khoái löôïng phaân töû : Mn = 18 g/mol

* Nhieät dung rieâng (trong khoaûng 40 – 80 oC) : Cn = 75.24 J/mol.K

* Aån nhieät hoùa hôi ôû 86,5oC rn = 41200 j/mol

Ta caàn tính laàn löôït caùc thoâng soá sau:

Ñoåi töø ñoä chæ phuø keá thaønh phaân mol xD , xF

(12)

Ñoåi löu löôïng sang mol/phuùt

(13)

Noàng ñoä saûn phaåm ñaùy.

Nhieät dung rieâng trung bình cuûa hoãn hôïp C2H5OH - H2O (Chh)

CN : Nhieät dung rieâng cuûa nöôùc. (Kcal/Kmol.oC)CR : Nhieät dung rieâng cuûa röôïu. (Kcal/Kmol.oC) AÅn nhieät hoaù hôi trung bình cuûa hoãn hôïp C2H5OH -

H2O (Kcal/Kmol)

rhh, rR, rN : aån nhieät hoaù hôi cuûa hoãn hôïp, röôïu nguyeân chaát, nöôùc ôû nhieät ñoä t ñang xeùt

Tính CF, CLF, CGF , HF, HLF, HGF

(14)

(15)

(16)

(17)

tsF : nhieât ñoä soâi hoãn hôïp

(18)

Tính tyû soá hoaøn löu R , q

Tìm ra heä soá goùc ñöôøng caát baèng R /(R +1) , vaø thöøa soá töï do trong phöông trình cuûa noù baèng xD / (R +1)

* Tìm ra ñöôïc heä soá goùc ñöôøng nhaäp lieäu baèng q/(q-1) , vaø thöøa soá töï do baèng xF/(q-1)

* Veõ ñoà thò ñeå tính soá maâm lyù thuyeát, töø ñoù suy ra hieäu suaát toång quaùt cuûa thaùp: E0 = nLT / nT

7. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO[1]. Voõ Vaên Bang ,Vuõ Baù Minh - Quaù trình vaø Thieát bò –

Taäp 3 – Truyeàn khoái, ÑHQG TP HCM, 2004.[2]. Trònh Vaên Duõng - Toùm taét baøi giaûng Caùc quaù trình

vaø thieát bò truyeàn khoái, ÑH Baùn coâng Toân Ñöùc Thaéng, 2003.[3]. Soå tay quaù trình vaø thieát bò, ÑH QG TP HCM, 2004

chưng cất-hoan-thanh

Engineering