Đang tải... (xem toàn văn)
Chưng cất là quá trình dùng để phân riêng hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp lỏng – khíthành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp(nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau).Trong quá trình chưng cất, pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ.Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé....
CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị MỤC LỤC 1. SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM 2 TÍNH TOÁN 2 Tính toán với tỷ số hoàn lưu 2 1.2. Tính toán với tỷ số hoàn lưu R = 3 5 2. NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN 8 2.1. Nhận xét và bàn luận của Bùi Rạng Đông 8 2.2. Nhận xét và bàn luận của Võ Phương Ghil 12 2.3. Nhận xét và bàn luận của Nguyễn Thanh Huy 14 2.4. Nhận xét và bàn luận của Ngô Chí Tiềm 20 2.5. Nhận xét và bàn luận của Nguyễn Trung Tín 22 Nhóm 2C CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị CHƯNG CẤT LIÊN TỤC 1. SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM Bảng 1: Kết quả thí nghiệm Nhập liệu Sản phẩm đáy Sản phẩm đỉnh 3 1 R = Nhiệt độ 30ºC Nhiệt độ 33ºC Nhiệt độ 31.5ºC Độ rượu 50 Độ rượu 49 Độ rượu 97 R = 3 Nhiệt độ 29ºC Nhiệt độ 32ºC Nhiệt độ 33ºC Độ rượu 50 Độ rượu 49 Độ rượu 99 TÍNH TOÁN Tính toán với tỷ số hoàn lưu 3 1 R = 1.1.1. Lượng sản phẩm đỉnh và đáy thu được Chọn căn bản tính trong 1 giờ Khối lượng riêng của nước ở 15ºC: 999.68 kg/m 3 Khối lượng riêng của rượu tinh khiết ở 15ºC: 793.25 kg/m 3 Bảng 2: Giá trị ở điều kiện chuẩn 15ºC 3 1 R D = Độ rượu x x M ρ hh (kg/m 3 ) Sản phẩm đỉnh 90.4 0.745 0.533 38.86 877.910 Nhập liệu 43.8 0.195 0.087 23.46 977.548 Sản phẩm đáy 41.3 0.179 0.079 23.012 979.542 Trong đó: Độ rượu được xác định bằng cách tra bảng chuyển đổi độ rượu về 15ºC Công thức chuyển từ độ rượu sang phần mol: − + = a a1 M M ρ ρ 1 1 x N R R N Công thức chuyển từ phần mol sang phần khối lượng: ( ) x1 M M x x x N R −×+ = Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp: NRRR M)x(1MxM ×−+×= Nhóm 2C CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị Công thức xác định khối lượng riêng của hỗn hợp: B A R R hh ρ x1 ρ x ρ 1 − += Suất lượng mol của dòng nhập liệu là: kmol 0.208 23.46 105977.548 M Vρ F 3 hh FF = ×× = × = − Gọi D (kmol), W (kmol) lần lượt là suất lượng mol của dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy. Cân bằng vật chất cho toàn hệ thống ta có: 0.208WDF =+= (1) Cân bằng vật chất cho rượu trong toàn hệ thống: 0.0410.2080.195W0.179D0.745F0.195 =×=×+×=× (2) Giải hệ (1) và (2) ta được: D = 6.657×10 -3 kmol W = 0.201 kmol 1.1.2. Phần cất 1.1.2.1. Tỷ số hoàn lưu Nhiệt cung cấp cho thiết bị nồi đun: Q R = 483 W = 1738.8 kJ/h Nhiệt cung cấp cho thiết bị ngưng tụ: Q C = G×C×∆t = 100×10 -3 ×995.919×4.18×(30.8 - 30.1) = 291.406 kJ/h Q i = Q R - Q C = 1738.8 - 291.406 = 1447.394 kJ/h Khối lượng dòng sản phẩm đỉnh: m D = D×M hh = 6.657×10 -3 ×38.86 = 0.259 kg/h Ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở 15ºC: 2297 kJ/kg Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu tinh khiết: 204 kcal/kg = 854.148 kJ/kg Tỷ số hoàn lưu cục bộ: NDDRDD i i rm)x1(rmx Q R ××−+×× = 4.573 22970.2590.745)(1854.1480.2590.745 1447.394 R i = ××−+×× =⇔ Tỷ số hoàn lưu tổng: 4.9064.573 3 1 RRR iD =+=+= Nhóm 2C CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị 1.1.2.2. Phương trình đường làm việc phần cất 0.1260.831x 14.906 0.745 x 14.906 4.906 1R x x 1R R y D += + + + = + + + = (I) 1.1.3. Phần chưng Chọn căn bản tính trong 1 giờ Suất lượng dòng lỏng đi trong phần chưng: kmol 0.241106.6574.9060.208DRFLFL 3 =××+=×+=+= − Phương trình đường làm việc phần chưng: 0.179 0.2010.241 0.201 x 0.2010.241 0.241 x WL W x WL L y W × − − − = − − − = 0.89956.025xy −=⇔ (II) Bảng 3: Số liệu đường cân bằng của hệ rượu - nước x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100 Từ (I), (II) và bảng số liệu đường cân bằng ta vẽ trên cùng một đồ thị và xác định số mâm lý thuyết: Hình 1: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết Từ (Hình 1) suy ra số mâm lý thuyết là 4 1.1.4. Hiệu suất tổng quát của tháp 7.5%100 7 3 E 0 =×= Nhóm 2C x D x W x y CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị 1.2. Tính toán với tỷ số hoàn lưu R = 3 1.2.1. Lượng sản phẩm đỉnh và đáy thu được Chọn căn bản tính trong 1 giờ Khối lượng riêng của nước ở 15ºC: 999.68 kg/m3 Khối lượng riêng của rượu tinh khiết ở 15ºC: 793.25 kg/m3 Bảng 4: Giá trị ở điều kiện chuẩn 15ºC R = 3 Độ rượu x x M ρ hh (kg/m 3 ) Sản phẩm đỉnh 91.8 0.777 0.576 39.756 869.367 Nhập liệu 44.3 0.198 0.088 23.544 977.299 Sản phẩm đáy 41.3 0.179 0.079 23.012 979.542 Công thức chuyển từ độ rượu sang phần mol: − + = a a1 M M ρ ρ 1 1 x N R R N Công thức chuyển từ phần mol sang phần khối lượng: ( ) x1 M M x x x N R −×+ = Khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp: NRRR M)x(1MxM ×−+×= Công thức xác định khối lượng riêng của hỗn hợp: B A R R hh ρ x1 ρ x ρ 1 − += Suất lượng mol của dòng nhập liệu là: kmol 0.208 23.544 105977.299 M Vρ F 3 hh FF = ×× = × = − Gọi D (kmol), W (kmol) lần lượt là suất lượng mol của dòng sản phẩm đỉnh và dòng sản phẩm đáy. Cân bằng vật chất cho toàn hệ thống ta có: F = D + W = 0.208 kmol (1) Cân bằng vật chất cho rượu trong toàn hệ thống: 0.198×F = 0.777×D + 0.179×W = 0.198×0.208 = 0.041 kmol (2) Giải hệ (1) và (2) ta được: D = 6.301×10 -3 kmol W = 0.202 kmol Nhóm 2C CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị 1.2.2. Phần cất 1.2.2.1. Tính tỷ số hoàn lưu Nhiệt cung cấp cho thiết bị nồi đun: Q R = 483 W = 1738.8 kJ/h Nhiệt cung cấp cho thiết bị ngưng tụ: Q C = G×C×∆t = 100×10 -3 ×995.675×4.18×(31.4 - 30.5) = 374.573 kJ/h Q i = Q R - Q C = 1738.8 - 374.573 = 1364.227 kJ/h Khối lượng dòng sản phẩm đỉnh: m D = D×M hh = 6.301×10 -3 ×39.756 = 0.251 kg/h Ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở 15ºC: 2297 kJ/kg Ẩn nhiệt hóa hơi của rượu tinh khiết: 204 kcal/kg = 854.148 kJ/kg Tỷ số hoàn lưu cục bộ: 4.622 22970.2510.777)(1854.1480.2510.777 1364.227 R rm)x(1rmx Q R i NDDRDD i i = ××−+×× =⇔ ××−+×× = Tỷ số hoàn lưu tổng: R = R D + R i = 3 + 4.622 = 7.622 1.2.2.2. Phương trình đường làm việc phần cất 09.0884.0 1622.7 777.0 1622.7 622.7 11 += + + + = + + + = xx R x x R R y D (I) 1.2.3. Phần chưng Chọn căn bản tính trong 1 giờ Suất lượng dòng lỏng đi trong phần chưng: kmol 0.256106.3017.6220.208DRFLFL 3 =××+=×+=+= − Phương trình đường làm việc phần chưng: 0.179 0.2020.256 0.202 x 0.2020.256 0.256 x WL W x WL L y W × − − − = − − − = 0.674.741xy −=⇔ (II) Bảng 5: Số liệu đường cân bằng của hệ rượu - nước x 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 y 0 33.2 44.2 53.1 57.6 61.4 65.4 69.9 75.3 81.8 89.8 100 Nhóm 2C CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị Từ (I) & (II) và bảng số liệu đường cân bằng ta vẽ trên cùng một đồ thị và xác định số mâm lý thuyết: Hình 2: Đồ thị xác định số mâm lý thuyết khi R = 3 Từ (Hình 2) suy ra số mâm lý thuyết là 5 1.2.4. Hiệu suất tổng quát của tháp 10%100 40 4 E 0 =×= Nhóm 2C x D x W x y CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị 2. NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN 2.1. Nhận xét và bàn luận của Bùi Rạng Đông 2.1.1. Phân biệt chưng cất liên tục và chưng cất gián đoạn CHƯNG CẤT GIÁN ĐOẠN Nhập liệu đưa vào từng mẻ, gián đoạn. Chưng cất gián đoạn chỉ ứng với phần luyện của chưng cất liên tục Hỗn hợp nhập liệu được đưa trực tiếp vào nồi đun lên tháp Sử dụng ít số mâm chóp, cột chưng cất thấp Nồng độ sản phẩm đỉnh thay đổi theo thời gian Mất nhiều thời gian chưng cất với lượng lớn hỗn hợp nhập liệu Chỉ có nồi đun, không có bộ phận gia nhiệt. Tốn kém năng lượng gia nhiệt cho hỗn hợp nhập liệu. Năng suất thấp do phải vận hành theo mẻ gián đoạn CHƯNG CẤT LIÊN TỤC Nhập liệu đưa vào liên tục. Chưng cất liên tục bao gồm cả phần chưng và phần luyện Hỗn hợp nhập liệu được đưa vào giữa tháp tại mâm nhập liệu. Đây là điểm cơ bản để nhập ra thiết bị chưng cất liên tục Sử dụng nhiều mâm chóp, cột chưng cất cao Nồng độ sản phẩm đỉnh không đổi theo thời gian Tiết kiệm thời gian khi tiến hành chưng cất với lượng lớn hỗn hợp nhập liệu Có nồi đun và bộ phận gia nhiệt riêng. Tiết kiệm được nhiệt lượng cho quá trình gia nhiệt Năng suất cao do hoạt động liên tục Nhóm 2C CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị 2.1.2. Hệ đẳng phí là gì ? Đặc điểm? Cách khắc phục? Hệ đẳng phí là hệ gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi gần bằng nhau. Đặc điểm của hệ đẳng phí: Tại điểm đẳng phí, pha lỏng và pha hơi có cùng một thành phần cấu tử, do đó nếu đun sôi hỗn hợp đẳng phí thì pha hơi sau khi ngưng tụ sẽ có thành phần giống như pha lỏng ban đầu. Không thể phân riêng hoàn toàn các cấu tử này bằng phương pháp chưng cất thông thường Khắc phục: Thêm vào hỗn hợp đẳng phí một cấu tử thứ ba, cấu tử này sẽ tạo hỗn hợp đẳng phí với 1 trong 2 cấu tử ban đầu. Từ đó ta có thể tách cấu tử còn lại ra khỏi hỗn hợp. Ví dụ: Để tách hỗn hợp đẳng phí etanol – nước thì ta cho một lượng nhỏ benzen vào. Dùng chất hút ẩm cho vào hệ để hút bớt nước (nếu chưng cất hệ có nước). Kết hợp phương pháp chưng cất với phương pháp hấp phụ rây phân tử bằng zeolit 3A để giữ các phân tử nước có kích thước nhỏ trong các mao quản zeolit đi qua. Sau đó gia nhiệt để đuổi nước trong mao quản zeolit bay ra. Chưng cất ở áp suất chân không. 2.1.3. Vì sao tỉ số hoàn lưu càng lớn thì nồng độ sản phẩm đỉnh càng cao? Tỉ số hoàn lưu càng lớn thì lượng 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. Do sự tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng, 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. Lượng hơi sau khi tiếp xúc với dung dịch hoàn lưu sẽ có nồng độ cấu tử etanol cao hơn, đồng thời giảm nồng độ cấu tử nước. Do đó khi được ngưng tụ, nồng độ sản phẩm đỉnh càng tăng lên. Quá trình tiếp tục, sản phẩm đỉnh này sẽ được hoàn lưu lại, tương ứng sẽ có nồng độ cấu tử etanol 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. Nhóm 2C CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị 2.1.4. Thiết bị ngưng tụ có phải lúc nào cũng đặt ở trên cao? Có thể đặt chổ khác được không như gần mặt đất chẳng hạn ? Thiết bị ngưng tụ thường là một thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm. Nó có thể được đặt trên đỉnh tháp để dòng hoàn lưu có thể tự chảy vào mâm trên cùng của tháp. Nhưng trong thực tế, thiết bị ngưng tụ ống chùn thường rất nặng và để tiện trong việc xây dựng và làm vệ sinh, thiết bị ngưng tụ thường được đặt gần mặt đất và dùng bơm để đưa dòng hoàn lưu về đỉnh tháp. Điều này còn giúp cho việc điều khiển lưu lượng hoàn lưu dễ dàng. 2.1.5. Các bộ phận trong thiết bị chưng cất liên tục: Thùng cao vị: Thùng cao vị trong thiết bị chưng cất liên tục dùng để chứa một lượng hỗn hợp đầu nhằm ổn định cho lưu lượng dòng nhập liệu trong quá trình chưng cất. Tránh hiện tượng lẫn bọt khí do hoạt dộng của bơm nếu sử dụng bơm, bơm trực tiếp dung dịch cất vào tháp. Hoặc trong trường hợp bơm bị trục trặc, trong thời gian sửa chửa, thay đổi bơm ta vẫn đảm bảo cho tháp hoạt động liên tục được nhờ vào thùng cao vị. Để nhận biết được thùng cao vị đã đầy hay hết dung dịch nhập liệu ta có thể sử dụng nguyên tắc bình thông nhau để đo, bằng cách lắp đặt bên ngoài thành thùng cột chất lỏng trong suốt thông với thùng, qua cột chất lỏng có thể biết trạng thái nhập liệu trong thùng. Ống chảy tràn: Trong trường hợp, hỗn hợp nhập liệu được bơm quá nhiều vào thùng cao vị, khi đó cần có ống chảy tràn đưa nhiên liệu trở về thùng chứa ban đầu, giúp ổn định lượng nhập liệu bên trong thùng cao vị. Tránh được hiện tượng lượng dung dịch cất chảy ra ngoài làm hư hỏng thiết bị, hoặc không an toàn cho phòng thí nghiệm. Nếu hỗn hợp trong thùng cao vị đả bơm đầy thì ta giãm lưu lương của bơm. Ngoài ra, có thể dùng rơ le tự động bơm chất lỏng khi gần hết dung dịch trong bình cao vị và tự ngắt khi dung dịch trong bình đầy thay cho ống chảy tràn. Dùng rơ le tự động ta sẽ tiết kiệm được chi phí vận hành bơm. Tuy nhiên, đây là thiết bị tự động, chi phí lắp đặt cao, lâu ngày sẽ xảy ra sự cố. Bên cạnh đó, ống chảy tràn rất Nhóm 2C [...]... thân tháp và chưng như phần luyện của tháp chưng cất cất liên tục nên tháp chưng cất liên tục liên tục có đoạn chưng và đoạn cất 2.3.6 Đặc điểm của hệ chưng cất rượu – nước? Điểm đặc biệt của hệ hai cấu tử rượu – nước là hệ đẳng phí Khi chưng cất ở điểm đẳng phí, thành phần các cấu tử trong pha hơi giống với thành phần các cấu tử trong pha lỏng Trong bài thí nghiệm ta có thể tiếp tục chưng cất hỗn hợp... nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cả hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau Trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi 2.3.5 So sánh giữa chưng cất liên tục và chưng cất gián đoạn Chưng cất gián đoạn • Nhập liệu theo mẻ nên tốn nhiều Chưng cất liên tục • Nhập liệu liên tục, tiết kiệm được thời gian và năng lượng gia nhiệt • Gia nhiệt trực tiếp ( sử dụng J1 để thời gian... độ thường và không bị phân hủy ở nhiệt độ cao Chưng cất ở áp suất thấp khi hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao hoặc dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao Trong bài thí nghiệm thực hiện quá trình chưng cất ở áp suất khí quyển Nhóm 2C CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh bị Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết 2.3.4 Phân biệt chưng cất và cô đặc? Trong quá trình chưng cất thì dung môi và chất tan đều bay hơi nghĩa là... sự quản lý hệ thống chặt chẽ hơn Trong hệ thống chưng cất liên tục ở phòng thí nghiệm, bơm màng được sử dụng để bơm nguyên liệu từ thùng nhập liệu lên thùng cao vị Do sự hoạt động của bơm màng theo chu kì nên nếu dùng bơm màng bơm thẳng vào tháp chưng cất thì dòng nhập liệu không đều Mặt khác nó cũng làm giảm tải cho bơm, giúp cho bơm không làm việc liên tục dẫn đến hư bơm Ngoài ra trong hệ thống cần... được nữa Các hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp đẳng phí Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phải dùng đến các phương pháp tinh cất đặc biệt khác Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau: Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới Tháp chưng cất dùng mâm chóp Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm) 2.2.2 Nhận xét về ưu khuyết điểm của từng loại tháp Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm: chế tạo đơn giản,... thí nghiệm quá trình và thiết 2.3 Nhận xét và bàn luận của Nguyễn Thanh Huy 2.3.1 Chưng cất là gì? Sản phẩm trong quá trình chưng cất? Chưng cất là quá trình dùng để phân riêng hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp lỏng – khí thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau) Trong quá trình chưng. .. sạch, loại bỏ các tạp chất Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp: tách hỗn hợp chứa các cấu tử khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường dùng khi chất được tách không tan vào nước Chưng cất: phương pháp phổ biến nhất để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hoàn toàn vào nhau 2.3.3 Lựa chọn áp suất trong quá trình chưng cất? Chưng cất ở áp suất cao khi các cấu... của thùng cao vị? Thùng cao vị dùng để ổn định dòng nhập liệu vào tháp chưng cất liên tục Hệ thống có thể không dùng thùng cao vị nhưng nó vẫn rất cần thiết để đảm bảo dòng nhập liệu ổn định liên tục và xử lý sự cố (nếu bơm bị hỏng thì quá trình nhập liệu cũng không bị ảnh hưởng) Nhóm 2C CNHD: Lương Huỳnh Vũ Thanh bị Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết Thùng cao vị được đặt trên cao để tạo thế năng... trình thí nghiệm quá trình và thiết 2.2 Nhận xét và bàn luận của Võ Phương Ghil 2.2.1 Tháp chưng cất Chưng cất là quá trình dùng nhiệt để tách một hỗn hợp lỏng ra thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng một nhiệt đo Trong nhiều trường hợp có một tỷ lệ nhất định của hỗn hợp hai chất lỏng mà không thể tiếp tục tách bằng phương pháp chưng cất được nữa... ngưng tụ ở thiết bị E1 thì một phần còn tồn tại ở trạng thái lỏng bão hòa nên cần phải làm nguội xuống nhiệt độ thường trước khi tồn trữ để tránh thất thoát do bay hơi 2.5.2 Chức năng của thùng cao vị Thùng cao vị dùng để ổn định dòng nhập liệu vào tháp chưng cất liên tục Hệ thống có thể không dùng thùng cao vị nhưng nó vẫn rất cần thiết để đảm bảo dòng nhập liệu ổn định liên tục và sự quản lý hệ thống