1/ TRÍCH YẾU (a) Mục đích thí nghiệm Khảo sát ảnh hưởng của lượng hoàn lưu và vò trí mâm nhập liệu, trạng thái nhiệt động của nhập liệu trên hiệu suất của một cột chưng cất và độ tinh khiết của sản phẩm. Căn cứ trên số mâm thực, ước đoán độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh. (b) Cách tiến hành thí nghiệm - Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu: giữ lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 vào mâm số 4 không đổi, thí nghiệm với 3 trò số khác nhau của dòng hoàn lưu ở độ đọc 5, 10, 15. - Ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu: thay đổi hai vò trí mới của nhập liệu vào mâm số 5 và mâm số 2, giữ nguyên lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 và dòng hoàn lưu ở độ đọc 10. - Đo nhiệt độ dòng nhập liệu trước khi vào mâm T E và nhiệt độ dòng hoàn lưu T R . - Trong mỗi thí nghiệm, lần lượt lấy mẫu ở E, K để đo x 1E , x 1K . - Đo lưu lượng dòng sản phẩm đỉnh K. (c) Kết quả thí nghiệm Thí nghiệm Vò trí mâm Lưu lượng dòng Độ chỉ phù kế Nhiệt độ đo ( ·C ) nhập liệu E (độ đọc) F (độ đọc) K (ml/phút) E K T E T R 1 4 30 5 60 29 70 36 34 2 4 30 10 40 29 74 36 34 3 4 30 15 13 29 90 36 37 4 5 30 10 39 29 76 36 36 5 2 30 10 33 29 72 36 35 2/ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM Mô hình số mâm lý thuyết là một mô hình toán đơn giản nhất, nó dựa trên các cơ sở sau: (a) - Cân bằng giữa hai pha. (b) - Phù hợp với các điều kiện và động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm sao cho ta có được một mâm lý thuyết giữa hai pha (hơi, lỏng) và như vậy nó phải thỏa mãn các điều kiện sau: - Pha lỏng phải được hòa trộn hoàn toàn trên mâm - Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên và đồng thời có nồng độ đồng đều ở mọi vò trí trên một tiết diện của dòng piston - Trên từng mâm luôn luôn có sự cân bằng giữa hai pha Để thiết lập mô hình, ta có đònh nghóa về Độ trao đổi: đại lượng tổng quát đánh giá sự trao đổi giữa các pha, nó đánh giá sự khác nhau giữa một mâm thực và một mâm lý tưởng. - Trong trường hợp độ trao đổi đánh giá một mâm, người ta còn gọi là hiệu suất theo Murphee: η DB = = E M - Khi đánh giá cho toàn bộ tháp, người ta gọi là hiệu suất tháp và được đònh nghóa (khi xác đònh số mâm lý thuyết kể cả mâm đáy): η DT = E 0 - Khi chỉ khảo sát một phần, một vùng trên mâm thì no có tên là độ trao đổi cục bộ: η LD = Áp dụng phương trình đònh nghóa và phương trình tổng kê truyền khối khi có sự cân bằng lý tưởng trên mâm (x* 1,j = const., y* 1,j = const.), ta có: η LD = 1 - exp(- ) = 1 - e - NDtf Nếu giả sử đường vận hành và đường cân bằng là những đường thẳng (trong từng khoảng vi phân), ta có liên hệ E 0 và E M theo phương trình: E 0 = Khi mâm được coi là một mâm lý tưởng thì η LD → η BD ( E M ): lúc này hiệu suất mâm đủ đánh giá trọn vẹn một mâm. (c) - Phương trình các đường vận hành - Phương trình đường luyện: y 1,j+1 = x 1,j + x 1K Với: • γ: tỷ số hoàn lưu ; γ = F/K (F: dòng hoàn lưu; K: lượng sản phẩm đỉnh) • x 1,K : nồng độ sản phẩm đỉnh 2 - Phương trình đường chưng: y’ 1,j+1 = x’ 1,j - x 1S Với: • x 1S : nồng độ sản phẩm đáy • W: dòng sản phẩm đáy • L’, G’: dòng lỏng, hơi đi trong phần chưng - Phương trình đường nhập liệu: y = x - x 1E Với: • x 1E : nồng độ nhập liệu • q : tỷ số giữa nhiệt cần thiết để biến một mol nhập liệu từ trạng thái đầu thành hơi bão hòa; q được tính theo công thức: q = 1 + Trong đó: • h’ E = c PE .T SE • h E = c PE .T E (c PE : nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu;T SE : nhiệt độ sôi của nhập liệu ở nồng độ x 1E ; T E : nhiệt độ của trạng thái nhập liệu ở nồng độ x 1E ) • r M : ẩn nhiệt hóa hơi của nhập liệu Mặt khác, hiệu suất mâm E M tại mâm n được đònh nghóa như sau: E M = Với: • y n : nồng độ thực của pha hơi rời mâm n • y* n : nồng độ cân bằng của pha hơi rời mâm n • y n+1 : nồng độ thực của pha hơi vào mâm n Nếu giả sử được đường vận hành và đường cân bằng là những đường thẳng, ta có thể liên hệ E 0 với E M theo phương trình sau: E 0 = Với m là độ dốc đường cân bằng tại mâm đang xét Khi biết E 0 , m, độ dốc đường điều hành phần cất, ta có thể lần lượt xác đònh được hiệu suất các mâm và vẽ được đường cân bằng mới dùng để xác đònh số mâm thực. 3 3/ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng B1: Dữ kiện đo Thí nghiệm Vò trí mâm Lưu lượng dòng (ml/phút) Độ chỉ phù kế Nhiệt độ đo ( ·C ) E F K E K T E T R 1 4 169.2 28.2 60 29 70 36 34 2 4 169.2 56.4 40 29 74 36 34 3 4 169.2 84.6 13 29 90 36 37 4 5 169.2 56.4 39 29 76 36 36 5 2 169.2 56.4 33 29 72 36 35 Bảng B2: Dữ kiện suy tính Thí nghiệm Vò trí mâm γ γ γ + 1 x 1E (phân mol) x 1K (phân mol) x 1S (phân mol) r M (kcal/k g) q 1 4 0.47 0.32 0.11 0.41 0.07 499.6 1.1 11 2 4 1.41 0.59 0.11 0.46 0.02 499.6 1.1 11 3 4 6.51 0.87 0.11 0.73 0.02 499.6 1.1 11 4 5 1.45 0.59 0.11 0.49 0.02 499.6 1.1 11 5 2 1.71 0.63 0.11 0.44 0.02 499.6 1.1 11 Bảng B3: Phương trình đường vận hành và nhập liệu Thí nghiệm Phương trình đường nhập liệu Phương trình đøng làm việc phần cất 1 y = 0.32x + 0.28 2 y = 0.59x + 0.19 3 y = 11x - 1 y = 0.87x + 0.10 4 y = 0.59x + 0.20 5 y = 0.63x + 0.16 Bảng B4: Kết quả thí nghiệm Thí nghiệm Vò trí mâm γ x 1K x 1S Số mâm lý thuyết Hiệu suất tổng quát 1 4 0.47 0.41 0.07 3 0.42 2 4 1.41 0.46 0.02 3.5 0.53 3 4 6.51 0.73 0.02 4.5 0.75 4 5 1.45 0.49 0.02 4 0.65 5 2 1.71 0.44 0.02 3 0.50 4 4/ BÀN LUẬN (a) Ảnh hưởng của dòng hoàn lưu trên độ tinh khiết của sản phẩm, trên hiệu suất mâm và hiệu suất tổng quát của cột (a1)- Quá trình chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn hợp khí - lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của chúng. Khi tiến hành một quá trình như vậy, hỗn hợp (bao gồm chất tan và dung môi) sẽ được phân thành hai pha lỏng và hơi dưới tác dụng của nhiệt. Tuy nhiên, không phải cấu tử nào có độ bay hơi nhỏ là ở trong pha hơi và cấu tử nào có độ bay hơi thấp là ở trong pha lỏng mà chúng hiện diện trong cả hai pha, chỉ với tỷ lệ khác nhau mà thôi. Tỷ lệ này phụ thuộc vào bản chất các cấu tử có trong hỗn hợp mà cụ thể là độ bay hơi tương đối của chúng và vào nồng độ ban đầu của nó. Như vậy, khi chưng cất đơn giản (không có hoàn lưu), ta chỉ có thể thu được sản phẩm vởi độ tinh khiết tối đa nào đó ứng với mỗi hệ: đó là trạng thái cân bằng của cấu tử dễ bay hơi (cũng như của các cấu tử khác) đạt được giữa hai pha lỏng và hơi. Trong thực tế, có thể lại có nhu cầu dùng đến sản phẩm của quá trình chưng cất với nồng độ lớn hơn nồng độ cân bằng nhưng vẫn dùng hỗn hợp đầu có nồng độ như cũ. Vấn đề này được khắc phục bằng cách cho hoàn lưu một phần sản phẩm đỉnh (có nồng độ lớn hơn nồng độ hỗn hợp nhập liệu) vào dòng nhập liệu để tăng nồng độ nó lên, dẫn đến việc tăng được nồng độ sản phẩm như mong muốn. Tóm lại, khi tăng lượng hoàn lưu, ta sẽ có độ tinh khiết của dòng sản phẩm đỉnh tăng ,và do đó, dựa trên phương trình cân bằng vật chất, ta cũng suy ra được là độ tinh khiết của sản phẩm đáy cũng tăng. (a2)- Về hiệu suất, từ phương trình đònh nghóa hiệu suất mâm ta có: E M = Khi tăng lượng hoàn lưu, cả y n , y n+1 đều tăng và y n → y* n nên E M → 1: hiệu suất mâm tăng. Cùng với sự tăng của hiệu suất mâm, hiệu suất tổng quát của cột cũng tăng. (b) Ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu trên độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất mâm (b1)- Trong quá trình chưng cất, dòng lỏng cũng như dòng hơi sẽ thay đổi nồng độ khi đi qua mỗi mâm (bậc thay đổi nồng độ). Tuy nhiên, sự thay đổi này không giống nhau ở mọi mâm mà còn phụ thuộc vào khả năng trao đởi trong mâm đó. Rõ ràng là khi cho nhập liệu ở các mâm gần đáy thì số bậc trao đổi tăng , làm cho độ tinh khiết của sản phẩm có thể tăng theo; khi cho nhập liệu ở các mâm gần đỉnh thì kết quả sẽ ngược lại. Tuy nhiên, khi cho vò trí mâm nhập liệu không giống với vò trí tính được theo lý thuyết thì khả năng trao đối của các mâm sẽ giảm (dù số mâm lý thuyết khi đó có tăng), cho nên việc đạt được độ tinh khiết cao hơn là không chắc chắn. (b2)- Việc ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu lên hiệu suất mâm cũng không thể kết luận được dựa trên vò trí cao hay thấp của nó mà phải dựa vào sự sai lệch của nó so với vò trí lý thuyết: càng gần vò trí này thì hiệu suất của mâm càng cao. 5/ TÍNH TOÁN Việc tính toán cho số liệu của cả 5 thí nghiệm là tương tự như nhau. Ta cần tính lần lượt các thông số sau: • Đổi từ độ chỉ phù kế thành phân mol x 1E , x 1K 5 • Chuyển sang thành thành phần phần trăm dùng để tra khối lượng riêng của hỗn hợp rượu • M tbE , M tbK • Đổi lưu lượng các dòng từ đơn vò ml/phút thành suất lượng mol • Tính x 1S = • Tính tỷ số hoàn lưu γ = F/K • Tìm ra hệ số góc đường cất bằng γ /(γ +1) , và thừa số tự do trong phương trình của nó bằng x 1K / (γ +1) • Tra giản đồ, ta có nhiệt hóa hơi của hỗn hợp nhập liệu r M và tra bảng được nhiệt dung riêng c PE của nó • Tính q = 1 + = 1 + • Tìm ra được hệ số góc đường nhập liệu bằng q/(q-1) , và thừa số tự do bằng x 1E / (q-1) • Vẽ đồ thò để tính số mâm lý thuyết, từ đó suy ra hiệu suất tổng quát của tháp: E 0 = n LT / n th 6/ TÀI LIỆU THAM KHẢO - Unit operations of Chemical Engineering - McCabe, W.L. và Smith, J.C. - Giáo trình Truyền khối ( phần chưng cất ) - Vũ Bá Minh. 6