Chưng cất I. Trích yếu I.1. Nội dung, mục đích thí nghiêm.  Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu, vò trí mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp chưng cất  Lựa chọn thông số lưu lượng dòng hoàn lưu và vò trí mâm nhập liệu tối ưu cho tháp chưng cất I.2. Cách tiến hành.  Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu: - Khi khảo sát lưu lượng dòng hoàn lưu, thì vò trí mâm nhập liệu là không đổi (mâm 4); lưu lượng dòng nhập liệu không đổi (ở độ đọc 30) - Tiến hành đo các các thí nghiêm với lưu lượng dòng hoàn lưu thay đổi lần lượt ở các mức đọc 5, 10, 15 (3 thí nghiệm) - Đo các thông số : lưu lượng sản phẩm đỉnh (ml/phút), Độ rượu của dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh, nhiệt độ của dòng nhập liệu (t F ), đỉnh (t D ), hoàn lưu (t L0 ) trong mỗi thí nghiệm (riêng lưu lượng và độ rượu của dòng nhập liệu có thể đo chỉ 1 lần cho tất cả thí nghiệm)  Khảo sát ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu: - Khi khảo sát ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu thì lưu lượng dòng nhập liệu vẫn không đổi và lưu lượng dòng hoàn lưu cũng giữ không đổi (ở độ đọc 10). - Thực hiện các thí nghiệm với vò trí mâm nhập liệu ở mâm thứ 2 và mâm thứ 5 - Các bước đo số liệu được tiến hành như khi khảo sát dòng hoàn lưu. I.3. Kết quả.  Lưu lượng dòng nhập liệu, lưu lượng dòng hoàn lưu, lưu lượng dòng sản phẩm đáy có thể tính được theo công thức: Lưu lượng dòng (ml/phút) = độ đọc x 5,64  Phần mol C 2 H 5 OH ( x) của dòng nhập liệu, dòng sản phẩm đỉnh: x = 18 ).1( 46 ).( 46 ).( N R R a a a ρ ρ ρ − + Trong đó:  a : độ rượu/100  ρ N : khối lượng riêng của H 2 O  ρ R : khối lượng riêng của C 2 H 5 OH CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất  Dựa vào phương trình bảo toàn vật chất ta có thể xác đònh được các thông số khác như : x w , tỉ số hoàn lưu, q, H F , H GL, H LF ứng với từng thí nghiệm  Viết phương trình đường nhập liệu, phương trình đường cất  Vẽ đường nhập liệu, đường cất, từ đó xác đònh đường chưng  Qua đồ thò xác đònh được số mâm lí thuyết  Tính hiệu suất mâm tổng quát và so sánh với các thí nghiệm II. Lí thuyết thí nghiệm Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản dựa trên các cơ sở :  Cân bằng giữa pha lỏng – hơi cho hỗn hợp 2 cấu tử.  Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm cho 2 pha lỏng – hơi :  Pha lỏng phải hoà trộn hoàn toàn trên mâm (nồng độ đồng nhất)  Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có nồng độ đồng nhất tại mọi vò trí trên tiết diện mâm  Trên mỗi mâm luôn đạt sự cân bằng giữa hai pha I.4. 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 mâm tổng quát, liên quan đến toàn tháp.  Hiệu suất mâm Murphree, liên quan đến một mâm.  Hiệu suất cục bộ, liên quan đến một vò trí cụ thể trên mâm. a) Hiệu suất mâm tổng quát (E 0 ): Được đònh nghóa : E 0 = (Số mâm lý thuyết) / (Số mâm thực) = (Số bậc thang – 1) / (Số mâm thực) Đơn giản khi sử dụng nhưng kém chính xác nhất Với nồi đun được xem là tương đương với một mâm lý thuyết. b) Hiệu suất mâm Murphree (E M ) 1 * 1 + + − − = nn nn M yy yy E Trong đó : y n : Nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n y n+1 : Nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n (từ dưới lên) y * n : Nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng rời ống chảy chuyền mâm thứ n Trang 2 CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất Hiệu suất mâm Murphree do đó là tỉ số giữa sự biến đổi nồng độ pha hơi qua một mâm với sự biến đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi rời mâm cân bằng với pha lỏng rời mâm thứ n. Nói chung với một mâm có đường kính lớn, pha lỏng rời mâm với nồng độ không bằng với nồng độ trung bình pha lỏng trên mâm, do đó có khái niệm hiệu suất cục bộ. c) Hiệu suất cục bộ (E C ). 1 '' 1 '' + + − − = n en nn M yy yy E Trong đó y ’ n : Nồng độ rời khỏi vò trí cụ thể trên mâm n y ’ n+1 : Nồng độ pha hơi vào mâm n tại cùng vò trí y ’ en : Nồng độ pha hơi cân bằng pha lỏng tại cùng vò trí ∗ Mối liên hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất tổng quát Hiệu suất tổng quát của tháp không bằng với hiệu suất trung bình của từng mâm. Mối liên hệ giữa hai hiệu suất này tùy thuộc vào độ dốc tương đối của đường cân bằng và đường làm việc. Tuy nhiên, khi phân tích hoạt động của tháp hay một phần của tháp thực tế, trong đó, ta xác đònh được sự biến thiên nồng độ qua một hoặc vài mâm ở các vò trí khác nhau sẽ xác đònh giá trò chính xác của E m và E m có thể lấy bằng E 0 ( E m = E 0 ) I.5. Phương trình đường nhập liệu và phần cất a) Dòng nhập liệu : Phương trình đường làm việc cho dòng nhập liệu là: y = x - x F Trong đó: LFGF FGF HH HH q − − = : Là tỉ số giữa nhiệt cần thiết để biến đổi 1 mol nhập liệu từ trang thái ban đầu ra thành hơi bão hòa với ẩn nhiệt bốc hơi (H G -H L ) Nhập liệu vào tháp có thể ở trang thái nhiệt bất kì từ lỏng dưới điểm sôi đến hơi quá nhiệt và tương ứng với mỗi trang thái nhiệt là có một giá trò q b) Phần cất : Phương trình đường làm việc cho phần cất là: 11 1 + + + = + R x x R R y D nn Trong đó : Trang 3 CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất R : Tỉ số hoàn lưu ( R=L 0 /D) x D : Nồng độ phần mol của sản phẩm đỉnh c) Phần chưng: Phương trình đường làm việc cho phần chưng là: wmm x WL W x WL L y − − − = +1 Trong đó : L : Suất lượng pha lỏng G : Suất lượng pha lỏng * ) Trong thực tế khi ta xác đònh số mâm lý thuyết không cần phải tìm cả ba phương trình. Chỉ cần biết hai trong ba phương trình, dựa vào đồ thò xác đònh số mâm lý thuyết III. Kết quả thí nghiệm III.1. Số liệu thí nghiệm a) Bảng số liệu T N Vò trí mâm Lưu lượng dòng (độ dọc) Độ chỉ của phù kế (độ rượu) Nhiệt độ đo ( o C) Nhập liệu (Độ đọc) (F) Đỉnh (ml/phút) (D) Hoàn lưu (Độ đọc) (Lo) Nhập liệu Đỉnh Nhập liệu (t F ) Đỉnh (t D ) Hoàn lưu (t LO ) 1 4 30 120 5 37 86 35.5 38 76 2 4 30 90 10 37 88 35 40 76 3 4 30 62 15 37 92 35 41 72 4 2 30 78 10 37 75 35.5 42 76 5 5 30 78 10 37 77 35.5 40 76 b) Xử lý số liệu thô Trang 4 CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất T N Vò trí mâm Lưu lượng dòng (ml/phút) độ đọc*5.64 Phân mol dòng (mol C 2 H 5 OH / mol tổng) Nhập liệu (F) Đỉnh (ml/phút) (D) Hoàn lưu (Lo) Nhập liệu (x F ) Đỉnh (x D ) Đáy (x W ) 1 4 169.2 120 28.2 0.152 0.652 -0.159 2 4 169.2 90 56.4 0.152 0.691 -0.055 3 4 169.2 62 84.6 0.152 0.778 0.017 4 2 169.2 78 56.4 0.152 0.478 0.015 5 5 169.2 78 56.4 0.152 0.506 0.009 c) Kết quả tính toán các thông số T N Vò trí mâm Tỉ số hoàn lưu (R) t F H F (Kcal/Kmol ) H GF (Kcal/Kmol ) H LF (Kcal/Kmol) q q/(q-1) 1 4 0.24 35.5 708.230 12326.18 2535.0 1.2 6.36 2 4 0.63 35 698.275 12386.80 2595.6 1.2 6.16 3 4 1.36 35 698.275 12521.83 2730.7 1.2 5.82 4 2 0.72 35.5 708.230 12055.96 2264.8 1.2 7.29 5 5 0.72 35.5 708.230 12098.49 2307.3 1.2 7.12 Trang 5 CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất d) Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu TN Phương trình đường nhập liệu Phương trình đường cất 1 y = 6.36 x - 0.82 y n+1 = 0.19 x n + 0.528 2 y =6.16 x - 0.79 y n+1 = 0.39 x n + 0.529 3 y = 5.82 x - 0.73 y n+1 = 0.58 x n + 0.329 4 y = 7.29 x - 0.96 y n+1 = 0.42 x n + 0.278 5 y = 7.12 x - 0.93 y n+1 = 0.42 x n + 0.293 III.2. Đồ thò. Trang 6 CBHD: Nguyeón Hửừu Hieỏu Chửng caỏt 1) Thớ nghieọm 3. Trang 7 CBHD: Nguyeón Hửừu Hieỏu Chửng caỏt 2) Thớ nghieọm 4. Trang 8 CBHD: Nguyeón Hửừu Hieỏu Chửng caỏt 3) Thớ nghieọm 5. Trang 9 CBHD: Nguyễn Hữu Hiếu Chưng cất TN Vò trí mâm R Số mâm lý thuyết x D Hiệu suất mâm tổng quát 1 4 0.24 0.652 2 4 0.63 0.691 3 4 1.36 0.778 4 2 0.72 0.478 5 5 0.72 0.506 III.3. Bàn luận. 1) nh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất tổng quát của tháp chưng cất. • nh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu. - Quá trình chưng cất là quá trình phân riêng các cấu tử của hỗn hợp lỏng hay hơi gồm có 2 hay nhiều cấu tử thành từng cấu tử riêng biệt có độ tinh khiết mong muốn, dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử của hổn hợp . - Cấu tạo tháp chưng cất được chia làm 2 phần : Phần chưng, phần cất. Trong phần chưng có dòng hơi từ dưới lên và dòng lỏng do nhập liệu đi từ trên xuống do đó có sự truyền khối giữa hai pha. Trong phần cất chỉ có dòng hơi bay lên do đó thường một phần được trích ra từ sản phẩm sẽ được hoàn lưu lại trong tháp nhằm tăng độ tinh khiết của sản phẩm. - Quá trình chưng cất không có hoàn lưu độ tinh khiết của sản phẩm chỉ đạt đến một giá trò nào đó. (thường chỉ áp dụng để tách 2 cấu tử có nhiệt độ sôi khác xa nhau và độ sạch của sản phẩm không cần cao lắm) - Khi tăng lưu lượng dòng hoàn hưu, độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh tăng - Hiệu suất tổng quát. Có thể xem E 0 = E M (Hiệu suất mâm Murphree) 1 * 1 + + − − = nn nn M yy yy E Khi tăng lưu lượng hoàn lưu, y n và y n+1 tăng và y n tiến đến y * n nên E M tiến đến 1. Hiệu suất mâm tăng dẫn đến hiệu suất mâm tổng quát tăng • nh hưởng của vò trí mâm nhập liệu. Trang 10 . đổi nồng độ cực đại có thể đạt được khi pha hơi rời mâm cân bằng với pha lỏng rời mâm thứ n. Nói chung với một mâm có đường kính lớn, pha lỏng rời mâm với nồng độ không bằng với nồng độ trung