Đang tải... (xem toàn văn)
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM, QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ ,CÔNG NGHỆ, BÀI 8 CHƯNG CẤT
TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ BÀI CHƯNG CẤT GVHD: Võ Thanh Hưởng SVTH: Tp Hồ Chí Minh, Tháng 03 năm 2016 Bài CHƯNG CẤT I MỤC ĐÍCH Khảo sát ảnh hưởng lưu lượng hồn lưu vị trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt động nhập liệu hiệu suất cột chưng cất độ tinh khiết sản phẩm Căn tên số mâm thực, ước đoán độ tinh khiết sản phẩm đỉnh II LÝ THUYẾT Mơ hình mâm lý thuyết mơ hình tốn đơn giản dựa sở sau: a Cân hai pha lỏng – cho hỗn hợp hai cấu tử b Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng mâm lý tưởng cho hai pha lỏng – là: Pha lỏng phải hòa trộn hồi tồn mâm Pha không lôi giọt lỏng từ mâm lên mâm đồng thời có nồng độ đồng vị trí tiết diện Trên mâm đạt cân hai pha Hiệu suất: Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực ta cần phải biết hiệu suất mâm Có ba loại hiệu suất mâm dùng là: Hiệu suất tổng quát, liên quan đến toàn tháp; Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến mâm; Hiệu suất cục bộ, liên quan đến vị trí cụ thể mâm Hiệu suất tổng quát : hiệu suất đơn giản sử dụng kén xác nhất, định nghĩa tỉ số số mâm lý tưởng số mâm thực cho toàn tháp Hiệu suất mâm Murphree: tỉ số biến đổi nồng độ pha qua mâm với biến đổi nồng độ cực đại đạt pha rời mâm cân với pha lỏng rời mâm thứ n Trong đó: : nồng độ thực pha rời mâm thứ n : nồng độ thực pha vào mâm thứ n : nồng độ pha cân với pha lỏng rời ống chảy chuyền mâm thứ n Nói chung, pha lỏng rời mâm có nồng độ khơng với nồng độ trung bình pha lỏng mâm nên dẫn đến khái niệm hiệu cục Hiệu suất cục định nghĩa sau: : nồng độ pha rời khỏi vị trí cụ thể mâm n : nồng độ pha mâm n vị trí : nồng độ pha cân với pha lỏng vị trí MỐI QUAN HỆ GIỮA HIỆU SUẤT MÂM MURPHREE VÀ HIỆU SUẤT MÂM TỔNG QUÁT Hiệu suất mâm tổng quát tháp không với hiệu suất trung bình mâm Mối quan hệ hai hiệu suất tùy thuộc độ dốc tương đối đường cân đường làm việc Khi mG/L >1 hiệu suất tổng quát có giá trị lớn Mg/L < hiệu suất tổng quát có giá trị nhỏ Như vậy, với q trình có hai vùng (chưng cất) hiệu suất tỏng qt E0 gần hiệu suất mâm EM Tuy nhiên phân tích hoạt động tháp hay phần tháp thực tế, đo biến thiên nồng độ qua một vài mâm xác định giá trị E M giả sử EM = E0 III IV a THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT - Hệ thống cột chưng cất mâm xuyên lỗ (xem hình vẽ) - Một hệ thống đo nhiệt độ - Một phù kế - Một kế - Hai ống khắc vạch 250ml - 60 lít hỗn hợp rượu etanol nước PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Thực thí nghiệm Khởi động: Cho nhập liệu từ 20 – 60 lít vào bình chứa qua nắp C1 Để đưa vật liệu vào khoảng 1/3 nồi đun, ta mở van V7 bật bơm nhập liệu Đưa điện vào hệ thống, sau bật nút nồi đun (boiler) chờ nồi đun sôi khởi động bơm nhập liệu (nút feed pump) Quan sát nhiệt độ nồi qua nhiệt kế gần mặt trước nồi 4 Quan sát mức chất lỏng nồi thống qua ống đo mức bên trái nồi đun 10 11 12 b suốt thời gian làm thí nghiệm Nếu mực chất lỏng giảm mức 1/3 phải cấp them nhập liệu, nồi đun đầy phải tháo bớt chất lỏng nồi Trong hệ thống đun nóng mở van chảy tràn sản phẩm đỉnh, van V2, để thơng vơi bình chứa, van sau đóng - Van V3 xả sản phẩm đỉnh - Van hoàn lưu V1 dẫn sản phẩm đỉnh lại cột Mở van WI cho nước dòng làm lạnh đủ để hóa lỏng tất qua phận ngưng tụ Nối đầu ống dẫn nhập liệu vào mâm nhập liệu thích hợp cột Điều chỉnh lưu lượng nhập liệu van V6 (đóng van V7) trị số thích hợp lưu lượng kế Sản phẩm đỉnh thu cho hoàn lưu đỉnh cột qua lưu lượng kế Điều chỉnh lưu lượng dòng hồn lưu van V4 Đun nóng dòng nhập liệu dòng hồn lưu Để rút sản phẩm đỉnh thay cho chảy bình chứa vật liệu, đóng van V2, hứng sản phẩm đỉnh van V3 mở van Khi phải thay đổi vị trí mâm, tháo đầu ống dẫn nhập liệu mâm cũ gắn vào mâm Trong tháo không cần điều chỉnh lưu lượng kế Theo dõi thường xuyên mức chất lỏng nồi Nếu lý mức chất lỏng nồi xuống điện trở, dòng điện tự động ngắt, nhiệt độ nồi giảm bớt cho điện trở hoạt động trở lại Ngừng máy: Tắt điện trở nồi đun Tắt điện trở nung nóng vật liệu hoàn lưu tắt bơm Tháo sản phẩm đỉnh mở van V2, van R1 đóng Khi khơng ngưng tụ mở van R3 để rút phần sản phẩm đỉnh lại (hứng vào ly thủy tinh), Van R3 mở để hệ thống ngưng nguội Đóng van WI khơng sản phẩm đỉnh Ngắt điện vào hệ thống chưng cất Số liệu: - Số liệu cân pha x-y t-x-y cho hệ rượu etylic- nước 1atm - Giản đồ tỉ trọng nhiệt dung rượu etylic theo phân mol nhiệt độ - Giản đồ nhiệt bốc theo nhiệt độ rượu etylic nước V NỘI DUNG THÍ NGHIỆM a Ảnh hưởng dòng hồn lưu: giữ lưu lượng dòng nhập liệu độ đọc vị trí mâm số (hoặc mâm khác ) khơng đổi Thí nghiệm với trị số khác dòng hồn lưu b Ảnh hưởng vị trí mâm nhập liệu: thay đổi vị trí nhập liệu vào mâm số mâm số (hoặc mâm khác với thí nghiệm 1) Giữ ngun lưu lượng dòng nhập liệu dòng hồn lưu Đo nhiệt độ nhập liệu tF trước vào mâm nhập liệu nhiệt độ dòng hồn lưu Trong thí nghiệm lấy mẫu để đo nồng độ nhập liệu xF , sản phẩm đỉnh xD VI PHÚC TRÌNH Số liệu thí nghiệm - Lưu lượng dòng TN Vị trí mâm 1 2 F(cm3/ph) Lo(cm3/ph) 200 200 200 200 200 100 150 100 150 100 D (cm3/s) 1.1 0.2 1.13 0.11 1.1 Xử lý số liệu Ta có: Thí nghiệm 1: Mâm Khối lượng riêng rượu etylic,Nước theo tF t 74.8 74.1 68.4 68.8 74.4 ρR 647.33 648.26 655.68 655.17 647.86 ρN 975.29 975.7 978.95 978.73 975.53 Khối lượng riêng rượu etylic, Nước theo tLo t 80.7 80.7 81.6 80.8 80.8 ρR 639.36 639.36 638.12 639.22 639.22 ρN 971.73 971.73 971.17 971.67 971.67 Độ phù kế xD(Độ xF(Độ rượu) rượu) 91.5 23 93 23 89 23 91.5 23 86 23 Nhiệt độ đo tF tLo 74.8 74.1 68.4 68.8 74.4 80.7 80.7 81.6 80.8 80.8 - Đổi nồng độ %mol - Đổi % khối lượng - Tính ρD: - Tính - : Đổi cm3/s → mol/s Tương tự giá trị L0 F ta có bảng sau: xD(Độ rượu) 91.5 93 89 91.5 86 C 23 xD (% mol) +0.1 0.835 0.874 0.775 0.835 0.713 xF (% mol) +0.04 0.112 xD (% KL) 0.928 0.947 0.898 0.928 0.864 xF (% KL) 0.244 ρD 655.5 651.16 661.25 655.36 670.42 ρF 867.99 MLo = MD D, mol/s 41.38 42.47 39.7 41.38 37.96 MF 21.14 0.0174 0.0031 0.0188 0.0017 0.0194 23 23 23 23 TN TN 0.112 0.113 0.113 0.112 Vị trí mâm 1 2 Vị trí mâm Lưu lượng dòng 0.244 0.246 0.246 0.244 Lưu lượng dòng F(cm3/ph ) 200 200 200 200 200 1 2 0.1369 0.137 0.1375 0.1375 0.1369 21.14 21.16 21.16 21.14 Độ phù kế Lo(cm3/ph ) 100 150 100 150 100 D (cm3/s) 1.1 0.2 1.13 0.11 1.1 xD(% mol) 0.835 0.874 0.775 0.835 0.713 Nhiệt độ đo xF(% mol) 0.112 0.112 0.113 0.113 0.112 Độ phù kế F(mol/s) Lo(mol/s) 868.64 873.06 872.71 868.37 0.0264 0.0383 0.0278 0.0396 0.0294 D (mol/s) 0.0174 0.0031 0.0188 0.0017 0.0194 xD (% KL) 0.928 0.947 0.898 0.928 0.864 tF tLo 74.8 74.1 68.4 68.8 74.4 80.7 80.7 81.6 80.8 80.8 Nhiệt độ đo xF (% KL) tF tLo 0.244 0.244 0.246 0.246 0.244 74.8 74.1 68.4 68.8 74.4 80.7 80.7 81.6 80.8 80.8 Tính R: Tính xw R 1.52 12.35 1.48 23.29 1.52 xW (%mol) 0.007 0.094 0.008 0.104 0.013 Tính hF hF = [xF.CR +(1 – xF).CN].tF = [0.244x3172+(1-0.244)x4199]x74.8=295358 J/kg Tính CLF CLF = xD.CR + (1 – xD).CN = 0.928x3270+(1-0.928)x4207=3338 J/kg.K Trong : xD tính theo phần trăm khối lượng CR, CN nhiệt dung nhiệt độ tFS - Tính hLF = 3338x82.47=275300 Tính = xF.rR + (1 – xF).rN =0.244x663928+(1-0.244)x2330131=1923577J/kg -Tính hGF = 3338x82.47+1923577=2198877 J/kg Tính: Với tFS ta tra đồ thị hệ rượu-nước: - Ta có liệu tra sau: Nhiệt dung riêng rượu nước theo tF: tF 74.8 74.1 68.4 68.8 74.4 xF (% mol) 0.244 0.244 0.246 0.246 0.244 CR, J/kg.K 3172 3163 3089 3094 3166 tFS CN, J/kg.K 4199 4199 4194 4194 Tra tFS theo xF 4199 82.47 82.47 82.44 82.44 82.47 Nhiệt dung riêng ẩn nhiệt hóa rượu nước theo tFS: tFS CN, J/kg.K CR, J/kg.K rR, J/kg 82.47 3270.9 4207 663928 82.47 3270.9 4207 663928 82.44 3270.5 4207 663976 82.44 3270.5 4207 663976 82.47 3270.9 4207 663928 rN, J/kg 233013 233013 233025 233025 233013 Dùng liệu áp dụng cơng thức ta tính kết sau: xD (% KL) 0.928 0.947 0.898 0.928 0.864 xF (% KL) hF 0.244 295358 3338 275300 0.244 292394 3321 273833 0.246 268272 3366 277483 0.246 269944 3338 275167 0.244 293664 3398 280240 CLF hLF Ta có phương trình đường nhập liệu có dạng: y= Phương trình đường cất có dạng: rF 192357 192357 192035 192035 192357 hGF q 2198877 1.090 2197410 1.090 2197837 1.105 2195520 1.103 2203818 1.093 y= R/(R + 1) 0.603 0.925 0.597 0.959 0.603 xD/(R + 1) 0.331 0.065 0.313 0.034 0.283 PT đường cất y=0.603x+0.331 y=0.925x+0.065 y=0.597x+0.313 y=0.959x+0.034 y=0.603x+0.283 xF/(q q/(q - 1) 1) (-0.7) 12.164 2.024 12.068 2.001 10.542 1.647 10.735 1.695 11.750 1.923 Phương trình đoạn chưng có dạng sau: y= f= F/D Với f= F/D (R+f)/ (R+1) (1- f)xW/(R+1) 7.868 44.19 3.725 -0.018 4.235 -0.305 7.314 80.88 3.546 -0.021 4.289 -0.342 7.057 3.403 -0.031 ĐỒ THỊ PT đường chưng y = 3.725x -0.018 y = 4.235x -0.305 y = 3.546x -0.021 y = 4.289x -0.342 y = 3.403x -0.031 PT đường nhập liệu y = 12.164x - 2.024 y = 12.068x - 2.001 y = 10.542x - 1.647 y = 10.735x - 1.695 y = 11.75x - 1.923 Mâm với Lo =100 Mâm với Lo=150 Mâm với Lo =100 Mâm với Lo=150 Mâm với Lo=100 Từ đồ thị tính số mâm lý thuyết hiệu suất tổng quát sau : TN Vị trí mâm 1 2 R 1.52 12.35 1.48 23.29 1.52 Số bậc thang Số mâm lý thuyết Số mâm thực Hiệu suất tổng quát mâm BÀN LUẬN a Hoàn lưu giúp tăng nồng độ sản phẩm đỉnh, tránh hiên tượng khô mâm Khi tỉ số hoàn lưu lớn, nồng độ sản phẩm đỉnh lớn sản phẩm lấy Hơi từ tháp chưng cất lên thiết bị ngưng tụ tiếp xúc với lượng lỏng hòan lưu Do tiếp xúc pha lỏng pha hơi, cấu tử etanol lôi kéo lượng etanol dung dịch hoàn lưu, đồng thời nước pha giữ lại phần dung dịch hồn lưu Do ngưng tụ, nồng độ sản phẩm đỉnh tăng lên Như vậy, ta bỏ qua việc hồn lưu nồng độ sản phẩm đỉnh không cao hiệu suất thấp b Trong mâm ta tăng lưu lượng dòng hồn lưu lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh giảm Ở vị trí mâm khác tỉ số hồn lưu tăng, nồng độ sản phẩm đỉnh tăng hiệu suất mâm tăng theo c Một số loại tháp chưng cất: Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ mâm đĩa Tháp chưng cất dùng mâm chóp Tháp đệm ( tháp chưng cất dùng vật chêm) d Tỉ số hoàn lưu: tỉ số trọng lượng hoàn lưu quay tháp sản phẩm đỉnh lấy Ý nghĩa:tăng nồng độ sả phẩm đỉnh làm cho tháp hoạt động Nếu tỉ số hoàn lưu tăng, nồng độ sản phẩm đỉnh tăng sản phẩm lấy ít.Nếu tỉ số hoàn lưu thấp, nồng độ sản phẩm đỉnh giảm sản phẩm đỉnh lấy nhiều => Cho nên tỉ số hồn lưu thích hợp đảm bảo đủ lớn để xuất lấy nhiều e Dòng hồn lưu có tác dụng làm tăng nồng độ sản phẩm đỉnh