Phúc trình Thí nghiệm
Quá trình & Thiết bò

Bài:

CHƯNG CẤT

1


I.Nội dung cơ bản của bài thí nghiệm(TN)

a)Mục đích thí nghiệm:
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.
b)Phương pháp thí nghiệm:
Tổng cộng có 5 chế độ thí nghiệm.
*Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu : (3 chế độ
thí nghiệm)
-Điều chỉnh lưu lượng dòng nhập liệu ở độ đọc 30 và nhập liệu
vào một mâm cố đònh (mâm số 4); vò trí mâm được tính từ dưới
lên và trên miệng nồi đun không có mâm.
-TN với ba chế độ khác nhau của dòng hoàn lưu ở độ đọc:
5,10,15
*Khảo sát ảnh hưởng của vò trí mâm nhập liệu: (2 chế độ TN)
-Thay đổi 2 vò trí nhập liệu (mâm số 5,2). Lưu lượng dòng nhập
liệu vẫn được giữ nguyên ở độ đọc 30 và dòng hoàn lưu ở độ đọc
10.

c)Kết quả thí nghiệm:

2


TN
1
2
3
4
5

Vi trí mâm
4
4
4
2
5

R
0.34
0.829
1.692
0.723
0.742

Số mâm lý thuyết
2
4
5

2
3

XD
0.257
0.511
0.608
0.289
0.324

Hiệu suất mâm tổng quát
0.4
0.8
1
0.4
0.6

d)Nhân xét kết quả thí nghiệm:
-Chỉ số hoàn lưu tăng, trên cùng mâm nhập liệu, độ tinh khiết
tăng và hiệu suất mâm tăng.
-Vò trí mâm tăng ,độ tinh khiết và hiệu suất mâm tăng

II.Lý thuyết thí nghiệm:

1. Đònh nghóa quá trình chưng cất:
Chưng là quá trình tách hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng
biệt bằng cách đun sôi hỗn hợp tạo thành để ngưng tụ.
Cơ sở của quá trình chưng dựa vào độ bay hơi khác nhau của
các cấu tử trong hỗn hợp:ở cùng một nhiệt độ thì cấu tử nào có
áp suất hơi lớn hơn thì sẽ dễ bay hơi hơn; hay ở cùng một áp suất

cấu tử nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dễ bay hơi hơn.
Chưng có thể ở áp suất khác nhau: áp suất thường, áp suất
thấp, áp suất cao. Áp suất thường hay được sử dụng vì đơn giản:
chưng rượu, axit, dầu mỏ,… ; Chưng ở áp suất thấp cho các hỗn
hợp dễ bò phân hủy ở nhiệt độ cao như: tinh dầu, các vitamin
3


….,hoặc có nhiệt độ sôi quá cao: cặn mazut của dầu mỏ…; Chưng
ở áp suất cao được tiến hành khi hỗn hợp không hóa lỏng ở nhiệt
độ thường: để sản xuất O2 và N2 từ không khí …

1. Cân bằng pha trong hệ lỏng-hơi:
Xét hỗn hợp có k=2 cấu tử
Hệ 2 pha lỏng –hơi
Theo quy tắc pha: f=2-2+2=2
Hệ có 2 bậc tự do, trong 3 yếu tố P, T và nồng độ, ta xác đònh
cân bằng pha:
P-T (x,y=const)
P-x,y (T=const)
T-x,y (P=const)
x-y (P=const)
Với x,y_nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha
lỏng và pha hơi
*Đối với dung dòch lý tưởng :
PA =PAo .xA

Đònh luật Raoult:

PB =PBo .xB

P =PA + PB = PAo .xA + PBo(1 – xA)
Suy ra: y*A=

=

=

=

(

)

=

(

)

Trong đó: PA, PB:áp suất riêng phần của A,B
PAo, PBo:áp suất hơi bão hòa của A,B
P: áp suất tổng của hệ
α=

:độ bay hơi tương đối của A đối với

B
α=1 => x=y
ĐL Raoult chỉ đúng với dung dòch lý tưởng và dung dòch
vô cùng loãng

Hỗn hợp lý tưởng: Benzen _ Toluen
4


*Đối với hệ sai lệch dương:
P= PA + PB > ( PA0.xA + PBo.xB )
-Hỗn hợp có áp suất tổng lớn hơn áp suất tính theo đònh luật
Raoult. Mức độ sai lệch so với đònh luật Raoult được đánh giá
bằng hệ số hoạt độ :
PA = PAo .xA.γ∕∕∕
Trong đó: ai=xi.γ _hoạt độ của I ; γi _hệ số hoạt độ ; γi
=f(t,p,xi), rõ ràng hệ này có
>1.
VD: Hệ etanol-nước có điểm đẳng phí ở 1 at là 89,4% mol, sôi ở
t=78,2oC, nước sôi ở 100oC, rượu sôi ở 780C.
-Có điểm đẳng phí ứng với nhiệt độ sôi cực tiểu.

*Đối với hệ sai lệch âm:
P= PA + PB < (PAo.xA + PBo.xB)
-Hỗn hợp có áp suất tổng nhỏ hơn giá trò tính theo đònh luật
Raoult ( γi <1).
-Có điểm đẳng phí ứng với nhiệt độ sôi cực đại.
VD: HCl_H2O tạo hỗn hợp đẳng phí tại 11,1% mol, sôi ở 110oC,
nước sôi ở 100oC, HCl sôi ở 65,5oC.

2. Cân bằng vật chất
F :lưu lượng nhập liệu
W: lưu lượng sản phẩm đáy
D: lưu lượng sản phẩm đỉnh
Lo: lưu lượng dòng hoàn lưu

G1: lưu lượng hơi bay ra từ tháp
xF, xW, xD : nồng độ của cấu tử dễ bay hơi ở
nhập liệu, đáy và đỉnh.
Toàn tháp ta có:

F= D + W

F.xF = D.xD + W.xW
Giải hệ 2 phương trình trên, ta có:
5




Với thiết bò ngưng tụ hồi lưu:
Do ngưng tụ hoàn toàn hơi vừa ra khỏi tháp thành lỏng ở nhiệt
độ sôi:
G1 = D + Lo
cho cấu tử dễ bay hơi: G1.y1 = D.xD + Lo.xLo

)

G1 = (
 R=

(

)

: chỉ số hồi lưu


-Chỉ số hồi lưu là lượng hồi lưu cho 1 kmol sản phẩm đỉnh


Chỉ số nhập liệu
f=
-Chỉ số nhập liệu là lượng lỏng nhập liệu để thu được 1 kmol
sản phẩm đỉnh



Phương trình làm việc đoạn cất:

y=
-Đường làm việc đi qua điểm (xD,xD) và (0,

)

-Hệ số góc tgα =


Phương trình làm việc đoạn chưng:
y=
-Phương trình đường làm việc đi qua điểm (xW,xW)



Phương trình đường nhập liệu:

y=

Với
+q=

: thông số nhập liệu

+tgα=

:hệ số góc của phương trình đường nhập liệu

-Khi hỗn hợp nhập liệu là chất lỏng chưa sôi thì q<1 nên
tức tgα >1 , đường biểu diễn là đường 1.
6


-Khi hỗn hợp đầu ở trạng thái sôi: q=1 nên

=+∞ tức α=

90o, đường biểu diễn là đường 2.
-Khi hỗn hợp đầu ở trạng thái lỏng-hơi: -1 < q < 0 nên

<

0, tgα <0 , đường biểu diễn là đường 3.
-Khi hỗn hợp đầu ở trạng thái hơi bão hòa khô q=0 tức
tgα=0 , đường biểu diễn là đường 4.
-Khi hỗn hợp đầu ở trạng thái hơi quá nhiệt 0<

< 1,


đường biểu diễn là đường 5.

Đồ thò biễu diễn ảnh hưởng của trạng thái nhiệt động lên đóa
tiếp liệu

3. Mô hình mâm lý thuyết:
Mô hình mâm lý thuyết là mô hình toán đơn giản dựa trên các
cơ sở sau:
-Cân bằng giữa pha lỏng – hơi cho hỗn hợp hai cấu tử
-Điều kiện động lực học lưu chất lý tưởng trên mâm cho hai pha
lỏng-hơi là:





Pha lỏng phải hòa trộn hoàn toàn trên mâm (nồng độ đồng nhất)
Pha hơi không lôi cuốn các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên
vì 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.

7


4. Hiệu suất
Để chuyển từ số mâm lý thuyết sang số mâm thực, ta can 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 mâm cục bộ, liên quan đến một vò trí cụ thể trên mâm
a) Hiệu suất tổng quát:
Đơn giản khi sử dụng nhưng kém chính xác nhất, được đònh
nghóa:
Eo=
Với nồi đun được xem là tương đương với một mâm lý
thuyết.
b) Hiệu suất mâm Murphree (EM):
EM =

Trong đó:
yn : nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n
yn+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
truyền mâm thứ n
Do đó hiệu suất mâm Murphree 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 cân bằng rời mâm với pha lỏng rời
mâm thứ n. Nói chung với một mâm có đường kính lớn, pha
lỏng rời mâm có nồng độ không bằng với nồng độ trung bình
pha lỏng trên mâm, do dó có khái niệm hiệu suất cục bộ.
8


c) Hiệu suất mâm cục bộ (EC)
EC =

Trong đó:
y’n


: nồng độ thực của pha hơi rời khỏi vò trí cụ thể trên
mâm n

y’n+1

: nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n tại cùng vò
trí

y’en

: nồng độ pha hơi cân bằng pha lỏng tại cùng vò trí

d) Mối liên hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu
suất mâm tổng quát:
Hiệu suất tổng quất 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 với 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 một vài mâm ở các vò trí khác nhau sẽ xác đònh
giá trò chính xác của EM và EM có thể lay bằng Eo (EM = Eo).

III.Dụng cụ-Thiết bò

-Hệ thống tháp chưng cất gồm 5 mâm thực, loại mâm xuyên lỗ
-Các đồng hồ đo nhiệt độ các dòng nhập liệu; hoàn lưu; sản
phẩm đỉnh; nồi đun và tại các mâm
9



-Hai lưu lượng kế đo dòng nhập liệu và hoàn lưu
-1 phù kế (đo độ rượu)
-2 ống đong
-Đồng hồ bấm giây

IV.Kết quả thí nghiệm:

1. Số liệu thí nghiệm:

Bảng 1: Số liệu thô

TN
1
2
3
4
5

Vi trí
mâm

4
4
4
2
5

Lưu lượng (độ đọc)
Nhập

Đỉnh(D) Hoàn lưu
liệu
ml/phút
(Lo)
(F)
30
82
5
30
68
10
30
50
15
30
78
10
30
76
10

Độ rượu
Nhập
liệu

Đỉnh

Nhập
liệu(tF)


30
30
30
30
30

54
78
84
58
62

70
70
70
70
70

10

Nhiệt độ
Đỉnh
Đáy
(tD)
(tW)
Hơi Lỏng
39.5
89
96
40

84
98
40
82 99.75
40
88 99.75
40
87
100

Hoàn
lưu(tLo)
87.5
91
79
84
82


Bảng 2: Xử lý số liệu thô

TN

Vò trí
mâm

1
2
3
4

5

4
4
4
2
5

Lưu lượng dòng(ml/phút) = độ đọc. 5,64
Nhập liệu
Hoàn lưu
Đỉnh (D)
(F)
(Lo)
169.2
82
28.2
169.2
68
56.4
169.2
50
84.6
169.2
78
56.4
169.2
76
56.4


Phần mol dòng
Nhập liệu
(xF)
0.113
0.113
0.113
0.113
0.113

Đỉnh (xD)

Đáy (xW)

0.257
0.511
0.608
0.289
0.324

0.015
0.008
0.001
0.001
0

2. Số liệu và đồ thò cân bằng pha x- y và T-x,y cho hệ rượu
etylic – nước ở 1 atm:
Thành phần cân bằng lỏng(x)-hơi(y) tính bằng (%mol) và nhiệt
độ sôi của hỗn hợp rượu etylic và nước ở 1 atm: (tài liệu,”sổ tay
Quá trình và Thiết bò CNHH, tập 2”)


x
y
t

0
0
100

5
33.2
90.5

10
44.2
86.5

20
53.1
83.2

30
57.6
81.7

40
61.4
80.8

11


50
65.4
80

60
69.9
79.4

70
75.3
79

80
81.8
78.6

90
89.9
78.4

100
100
78.4

89.4
89.4
78.15



100
90

80
70
60
50
40
30
20
10
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80


90

100

Ñoà thò caân baèng pha x-y
120

120

110
100

100

90
80

80

70
60

60

50
40

40

30

20

20

10
0

0
0

10

20

30

40

50

60

Ñoà thò T-x,y
12

70

80

90


100


3. Kết quả tính toán:
Bảng 3 : Kết quả tính toán các thông số

TN
1
2
3
4
5

Vò trí
mâm
4
4
4
2
5

Tỉ số hoàn
lưu (R)
0.34
0.829
1.692
0.723
0.742


HF
(kJ)
5809.920
5809.920
5809.920
5809.920
5809.920

tF
70
70
70
70
70

HGF
(kJ)
49515.67
49515.67
49515.67
49515.67
49515.67

HLF
(kJ)
7248.688
7248.688
7248.688
7248.688
7248.688


q
1.034
1.034
1.034
1.034
1.034

30.412
30.412
30.412
30.412
30.412

Bảng 4 : Phương trình đường làm việc và đường nhập liệu
TN
1
2
3
4
5

Phương trình đường nhập liệu
y = 30.412x – 3.32353
y = 30.412x – 3.32353
y = 30.412x – 3.32353
y = 30.412x – 3.32353
y = 30.412x – 3.32353

Phương trình đường cất

y = 0.254x + 0.1918
y = 0.453x + 0.2794
y = 0.628x + 0.22585
y = 0.419x + 0.16773
y = 0.426x + 0.186

Bảng 5 : Kết quả TN
TN
1
2
3
4
5

Vò trí
mâm
4
4
4
2
5

R

Số mâm lý thuyết

xD

Hiệu suất mâm tổng quát


0.34
0.829
1.692
0.723
0.742

2
4
5
2
3

0.257
0.511
0.608
0.289
0.324

0.4
0.8
1
0.4
0.6

13


4. Đồ thò:

100


90

80

70

60

50

40

30

20

10

0
0

10

20

30

40


50

60

70

80

90

Đồ thò cân bằng pha hơi x-y và số mâm lý thuyết ở thí nghiệm 1

14

100


100

90

80

70

60

50

40


30

20

10

0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Đồ thò cân bằng pha hơi x-y và số mâm lý thuyết ở thí nghiệm 2


15

100


100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0
0

10


20

30

40

50

60

70

80

90

Đồ thò cân bằng pha hơi x-y và số mâm lý thuyết ở thí nghiệm 3

16

100


100

90

80

70


60

50

40

30

20

10

0
0

10

20

30

40

50

60

70


80

90

Đồ thò cân bằng pha hơi x-y và số mâm lý thuyết ở thí nghiệm 4

17

100


100

90

80

70

60

50

40

30

20

10


0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Đồ thò cân bằng pha hơi x-y và số mâm lý thuyết ở thí nghiệm 5

18

100


5. Bàn luận:

a) Bàn luận về ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu và vò trí
mâm nhập liệu đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất
tổng quát của tháp chưng cất:
-Lưu lượng dòng hoàn lưu tăng,độ tinh khiết tăng là do thành
phần cấu tử bay hơi liên tục được làm giàu trong tháp chưng.
Ngoài ra, lưu lượng dòng hoàn lưu tăng dẫn đến chỉ số hồi lưu
tăng sẽ làm tăng động lực quá trình, đường làm việc phần cất
tiến đến đường cân bằng(độ dốc đường tăng) dẫn đến tăng số
mâm lý thuyết và làm tăng hiệu
suất mâm.
-Từ số liệu thí nghiệm, ta thấy khi nhập liệu ở vị trí mâm số 4 có độ
tinh khiết tối ưu, khơng giống với lý thuyết là vị trí mâm nhập liệu
càng tăng thì độ tinh khiết giảm.
b) Nguyên nhân gây sai số:
-Nhập liệu không tinh khiết
-Có sự thất thoát nhiệt trong quá trình đun nóng
-Thiết bò không sạch: mâm còn dư hỗn hợp nhập liệu của lần thí
nghiệm trước,…
-Phù kế có sai số
c) Phụ lục:
c.1)Tra bảng:
Từ sách “Sổ tay Q trình và Thiết Bị Cơng nghệ Hóa chất tập 1”,
ta có các số liệu sau:
Bảng tra khối lượng riêng của rượu và nước ở các nhiệt độ
toC

ρr (kg/m3)

ρn (kg/m3)


70

744.5

977.81

82

733.1

970.56

84

731.2

969.29

87

728.45

967.326

88

727.4

966.664


89

726.4

966.002

19


Bảng tra nhiệt dung riêng của rượu và nước ở các nhiệt độ
toC

Cpr (J/kg.độ)

Cpn (J/kg.độ)

70

3095

4190

86

3310

4202

Bảng tra ẩn nhiệt hóa hơi của rượu và nước ở 86oC
rr (kJ/kg)


rn (kJ/kg)

836.35

2293.61

c.1)Công thức sử dụng trong bài thí nghiệm:


Công thức đổi độ rượu sang phần mol:

xr =

(

)

Ví dụ TN1:

xF =

) = 0.113

(

Đặc biệt xw tính bằng cách dùng nhiệt độ đáy đo từ thí nghiệm dóng
vào đồ thị T-x,y, cắt đường nhiệt độ cân bằng của lỏng và chiếu
xuống trục hồnh, ta được xw
xD vẫn tính như xF



Công thức đổi phần mol sang phần khối lượng:
xKL =

(

)

Ví dụ TN1:
xF,KL =

(

20

)

0.246




Công thức tính R:
R=

(ở đây lấy ml/phut)

Ví dụ TN1:
R=



Công thức tính nhiệt dung riêng
CF = xKL.Cr+ (1 – xKL).Cnuoc
Ví du TN1:
Tính cF
Hỗn hợp nhập liệu ở 70oC, tra bảng ta có Cr =3095 J/kg.độ ,
Cn = 4190 J/kg.độ
CF = 0,245.3095 + (1 – 0,245). 4190 = 3921,7 J/kg.độ



Công thức tính khối lượng mol hỗn hợp
Mhh = x1 .M1 + ( 1- x1). M2
Ví dụ TN1:
MF = 0,113.46 + (1-0,113).18 = 21,164



Công thức tính các hàm nhiệt:
HF = CF.(tF – t0).MF
HLF = CLF.(tLF – t0).MF
HG = y*[CA.MA(tG – t0)+rA.MA] + (1 – y*)[CB.MB(tG – t0) +
rB.MB]
Với

CF

: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu
CLF

: nhiệt dung riêng của hỗn hợp nhập liệu ở
nhiệt độ sôi
MF

: khối lượng mol của hỗn hợp nhập liệu

tF

: nhiệt độ nhập liệu
21


tG

: nhiệt độ sôi nhập liệu

rA, rB

: ẩn nhiệt hóa hơi cấu tử A và B

Ví dụ TN1:
HF = 3921,7.(70 – 0). 21,164 = 5809,920 kJ
Để tìm y*, ta sử dụng đồ thò x-y, với xF = 0.113, ta dóng lên
đường cân bằng lỏng hơi được y* = 0.457
Rồi dùng y* tra tiếp vào đồ thò T-x,y, giao điểm với đường nhiệt
độ cân bằng pha hơi, ta được điểm sương tG = 86oC
HG=0,457.(0,331.46.86+836,35.46)+(1-0,457)
.(0,4202.18.86+2293,61.18) = 49515,67 kJ

6. Tài liệu tham khảo:

[1].Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bò – tập 3 –
Truyền khối”, ĐHQG Tp.HCM;
[2].Các tác giả, “Sổ tay Quá trình và Thiết bò tập 1&2”, ĐHBK
Hà Nội;
[3].Trònh Văn Dũng, “Tóm tắt bài giảng Các Quá trình và Thiết
bò Truyền khối”

22


23