BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
TRUNG TÂM MÁY VÀ THIẾT BỊ

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
TRUYỀN KHỐI
Đề tài: Chưng cất hỗn hợp
etanol-nước bằng tháp mâm chóp GVHD: ThS. Cao Thanh Nhàn
Nhóm: DHMT 4
Lớp HP: Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2010 BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
CƠ LƯU CHẤT
Đề tài: Lực cản và ứng dụng

c
của dòng
khí và suy ra các hệ thức thực nghiệm.
- Sự biến đổi của thừa số

liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí khi cột khô và
khi cột ướt với vận tốc dòng chảy.
II. Lý thuyết thí nghiệm:
2.1. Cấu tạo
Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều gia đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay
hàn. Vật đệm đổ đầy trong tháp theo một trong hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp
thứ tự.
Vật đệm sử dụng phổ biến :
Vòng Rasching
Vật đệm hình yên ngựa
Vật đệm vòng xoắn
2.2. Sự chuyển động của lưu chất qua tháp đệm
Khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống và pha khí chuyển động từ dưới có thể
xảy ra 4 chế độ thủy lực:
Chế độ màng
Chế độ treo
Chế độ nhũ tương
Chế độ kéo theo
2.2.1. Độ giảm áp khi cột khô
SVTH: Đinh Tuấn Hoàng GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn

2


= 4G/a


Trong đó:

: độ nhớt của dòng khí, kg/m.s
Zhavoronkow đã xác định được khí dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang
chảy rối ứng với trị số Re
c
= 50. Trong vùng chảy rối 50 < Re < 7000 với cột chêm ngẫu
nhiên thì:
f
ck
= 3.8/Re
0.2

Trong vùng chảy dòng Re < 50 thì hệ số ma sát được tính: f
ck
= 140/Re
2.4. Độ giảm áp ∆P
cư
khi cột ướt
Sự liên hệ: ∆P
cư
=

∆P
ck
f


Trong đó: f
ck
= được tính từ hệ thức liên hệ với Re.

= vận tốc dài của khí ngay trước khi vào cột chêm.

= độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước.
Hệ thống hấp thu lỏng khí DIDACTA
SVTH: Đinh Tuấn Hoàng GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn

3
Mô hình thí nghiệm

Các bước tiến hành
Mở van cho nước vào trong bình chứa (khóa van 11).
Mở các van 14 và 6, khóa van 5.
Mở bơm lỏng đến khi nước qua van 6 chảy ngược vào bình chứa thì ngừng bơm
và khóa van 6.
Khóa van 23, mở van 22, sau đó mở máy nén để thổi hết lượng nước còn đọng
trong các khe của vật đệm. Sau khoảng 5 phút, chuẩn bị làm thí nghiệm khi cột khô.
SVTH: Đinh Tuấn Hoàng GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn
2
.s)
∆P
ck
(N/m
2
)

1 0,097 0,98.10
5

2 0,194 1,96.10
5

3 0,293 2,94.10
5

4 0,39 4,9.10
5

5 0,487 7,84.10
5

6 0,584 10,79.10
5

Bảng 2: Kết quả thí nghiệm trên cột ướt:
SVTH: Đinh Tuấn Hoàng GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn
5

2 0,194 4,9. 10
5
6,86. 10
5
9. 10
5
9,81. 10
5
23,53. 10
5

3 0,293 9,81. 10
5
11,76. 10
5
18,63. 10
5
20,6. 10
5
39,62. 10
5

4 0,39 21,33. 10
5
25,15. 10
5
39,22. 10
5

= 1Pa = 1,02.10
-6
mmH
2
O
3
2
2
1.1000
1
60 út
3600 .
4
80
m l kg
D
h ph
s m
D mm

 
 
 
 


Z = 1.6 m
2
2
760


VD:
4.0,097
Re 0,00576
360.0,187
 

SVTH: Đinh Tuấn Hoàng GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn

6
 Công thức tính f
ck
:
Do Re < 50
=> f
ck
=
140
Re
(3)
VD : f
ck
= 140/0,00576= 24305,56
 Công thức tính f

5
2,02.10
2,06
0,98.10

=> f
cư
=

.f
ck
= 2,06.24305,56 = 50068,63
3. Bảng kết quả tính toán và đồ thị minh họa
Kết quả tính toán cột khô
G,
kg/m
2
.s

Log G

∆P
ck
/Z,
N/m
2
/ m

log(∆P/Z),


6041,54
0,487 -0,312 4,90. 10
5
5,69 0,0289

4838,19
0,584 -0,234 6,74. 10
5
5,83 0,0347

4034,59
 Đồ thị log (∆P
ck
/Z) theo log G
SVTH: Đinh Tuấn Hoàng GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn

7

 Đồ thị f
ck
theo Re 3.2.Kết quả tính toán cột ướt:

lỏng
(l/s)
0.004 0.053 0.067 0.08 0.093
STT Re
cư
f
cư
1 1.40 50068.63 72872.16 72872.16 72872.16 238291.98
2 2.81 30363.40 42508.76 55769.51 60788.77 285780.34
3 4.24 26832.81 32166.55 50957.73 56346.17 318609.71
4 5.64 26299.19 31009.12 48356.97 55014.99 428949.23
5 7.05 22993.76 29961.00 47209.41 49955.58 620111.20
6 8.45 21993.93 22767.95 45763.98 47951.41 830641.19

3.3. Kết quả tính toán log (∆P
cư
/Z) cho cột ướt:
L
lỏng
(l/s)
0.004 0.053 0.067 0.08 0.093
STT log G log (∆P
cư
/Z)
1 -1,013 5,1 5,26 5,26 5,26 5,79
2 -0,712 5,49 5,63 5,75 5,79 6,17
3 -0,533 5,79 5,87 6,07 6,11 6,39
4 -0,409 6,12 6,2 6,39 6,45 6,65
5 -0,312 6,37 6,48 6,68 6,7 6,9
6 -0,234 6,57 6,58 6,88 6,9 7,11
10
trong quá trình thí nghiệm. Nếu biết một trong hai giá trị Re hoặc f thì có thể dùng đồ thị
có thể dùng đồ thị để xác định giá trị còn lại như sau:
Từ giá trị f hoặc Re đã biết kẻ một đường thẳng theo phương ngang hoặc theo
phương đứng, cắt đồ thị f-Re tại một điểm. Từ giao điểm đó, kẻ một đường thẳng vuông
góc với trục còn lại thì sẽ xác định được giá trị cần tìm.
Sự liên hệ giữa các đối tượng tương đối gần với dự đoán. Cụ thể là các mối liên hệ
sau:
- Log(P
ck
/Z) - logG: là phụ thuộc tuyến tính với nhau theo đường thẳng giống
như lý thuyết đã nhận định.
- P
cử
/Z - G càng gần như được chia thành hai hướng rõ rệt: vùng dưới điểm gia
trọng và vùng trên điểm gia trọng. vùng dưới điểm gia trọng thì P tăng chậm và đều dặn
nên các điểm này thu được gần như cùng nằm trên một đường thẳng. Vùng trên điểm gia
trọng thì P tăng nhanh, đột ngột nên đoạn thẳng rất dốc; nếu tăng lưu lượng lỏng và khí
lên cao nữa thì sẽ tiến đến điểm lụt của cột.
- Log - L: hoàn toàn phụ thuộc tuyến tính với nhau nên được thể hiện thành một
đường thẳng trên đồ thị. Phù hợp với lý thuyết đã đề cập đến.
Tuy nhiên trong quá trình làm thí nghiệm cũng có nhiều sai số. Những nguyên
nhân có thể dẫn đến sai số là do:
- Lưu lượng dòng lỏng không ổn định.
- Lưu lượng dòng khí không ổn định.

bay hơi bé và một phần rất ít có độ bay hơi lớn.
2. Cân bằng vật chất
Xét quá trình chưng gián đoạn, thành phần và lượng sản phẩm luôn thay đổi theo thời
gian.
Lượng hỗn hợp đầu là kg, thành phần cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp đầu là
Tại một thời điểm bất kỳ lượng chất lỏng trong nồi chưng là với nồng độ là . Khi
bóc hơi một lượng vô cùng nhỏ dw thì nồng độ trong nồi sẽ giảm đi một lượng và
SVTH: Đinh Tuấn Hoàng GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn

12
lượng chất lỏng còn lại trong nồi là - . Như vậy lượng cấu tử dễ bay hơi trong nồi
tại thời điểm đang xét là: ( -dW)( - )
Lượng cấu tử dễ bay hơi chuyển vào pha hơi là: .
Phương trình cân bằng vật liệu đối với cấu tử dễ bay hơi ở thời điểm đang xét:

Lượng rất bé ta có thể bỏ qua được, đơn giản đi ta có:

Phương trình cho toàn bộ quá trình là:
3. Cân bằng năng lượng
3.1. Cân bằng nhiệt lượng toàn tháp
Q

: nhiệt lượng mất mát do môi trường xung quanh (W). được lấy từ 5% đến 10%
nhiệt lượng cần cung cấp.
Q
F
: nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào, W

Q
D
: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đỉnh mang ra, W

Q
W
: nhiệt lượng do dòng sản phẩm đáy mang ra, W

Q
ng
: nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ, W

____
___
DxWxFx
DWF
W
F



Dng
rDQ .
_

PPP
CCC nhiệt lượng riêng của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy, J/kg.độ.
WDF
ttt ,, : nhiệt độ của nhập liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy,
0
C.
D
r : nhiệt hóa hơi của sản phẩm đỉnh, kJ/kg
3.2. Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ
Đối với quá trình ngưng tụ không làm lạnh: Đối với quá trình ngưng tụ làm lạnh:

Trong đó:
rv
tt , : nhiệt độ vào và ra của nước,
0
C
G: lưu lượng dòng giải nhiệt, kg/s
C: nhiệt dung riêng của dòng giải nhiệt, J/kg/độ
D
S
t : nhiệt độ sôi hỗn hợp sản phẩm đỉnh,
0
C
4. Nguyên tắc và sơ đồ chưng gián đoạn không hoàn lưu
Trong quá trình chưng đơn giản hơi nước được lấy ra ngay và cho ngưng tụ.

mvrDSPDng
 Mở van W tháo hết sản phẩm đáy ở nồi đun và đo độ rượu bằng phù kế.Sau đó lấy
cồn 96
0
pha với sản phẩm đáy thành rượu 20
0
rồi đổ đầy bình chứa nhập liệu.Đo
lại độ rượu bình nhập liệu rồi ghi vào bảng kết quả độ rượu nhập liệu V
F
.
 Đóng cầu dao tổng của hệ thống,mở công tắc điện của nguồn chính.Đóng khoảng
¾ van hoàn lưu N1 của bơm nhập liệu,mở van N3,N5 đóng van N2 và van N4.Mở
bơm nhập liệu bơm rượu vào nồi đun cho đến khi mực lỏng trong ống chỉ mực tới
vạch khoảng ½ nồi đun.Khi hỗn hợp dưới nồi đun dưới vạch trắng (1/3) nồi đun
sẽ cháy điện trở nồi đun,luôn luôn phải chú ý mức chất lỏng trong nồi đun
 Mở công tắc gia nhiệt nồi đun, chờ nồi đun sôi.Khi hỗn hợp sôi ta mở van nước
G
N
cho thiết bị ngưng tụ.
 Dùng thì kế đo thời gian cứ 3 phút ta tiến hành đo nhiệt độ nồi đun , nhiệt độ sản
phẩm đỉnh ,lượng sản phẩm đỉnh thu được qua bình chứa sản phẩm đỉnh và nồng
độ sản phẩm đỉnh.Xác định nồng độ sản phẩm đỉnh bằng cách mở van D để lấy
mẫu sản phẩm vào ống đong và đo nồng độ bằng phù kế.
 Khi sản phẩm thu được khoảng 200ml thì dừng thí nghiệm.
Ngừng máy
 Tắt gia nhiệt nồi đun.
 Tháo sản phẩm đỉnh bình chứa cồn.
 Tắt van nước G
N

 Đợi 15 phút đo thể tích và nồng độ sản phẩm thu được.
 Cài đặt giá trị P ở mức bằng 12mB và đợi thêm khoảng 15 phút lấy mẫu đo.
 Tương tự tiến hành thí nghiệm với các giá trị P khác nhau.
Lưu ý: trong số trường hợp mặc dù giá trị nhiệt độ dọc theo tháp chưng cất không thay
đổi nhưng trạng thái ổn định có thể chưa đạt được bởi vì các giá trị thành phần của các
pha thay đổi rất chậm.Vì vậy thời gian làm việc kéo dài hơn và để dễ dàng hơn xác định
thời gian lấy mẫu ứng với mỗi 15 phút.
III. Báo cáo thí nghiệm:
1. Kết quả thí nghiệm
Bảng kết quả thí nghiệm nồng độ và năng suất:
STT

(s)
v
F

(%V)
V
F
(lít)

P
(mB)
v
D

(%V)
V
D
(lít)

C T
3

0
C T
4

0
C T
5

0
C T
7

0
C T
8

0
C
1 90,7 81,7 77,09 76,7 77,5 29,1 29,4
2 91,5 89,6 81,07 78,1 78,3 29,2 29,4
3 92,8 91,5 87,9 87 85,8 29,2 29,7
4 94,3 93,3 90,5 89,5 88,8 29,1 29,8
5 95,9 94,8 91,3 91,4 90,4 29,1 29,7
6 97,2 96,4 93,6 93,4 92,2 29 29,5

T
2
18
: khối lượng riêng của rượu nhập liệu
Nội suy theo bảng I.2 – Sổ tay QTTB tập 1 – trang 9
v
F
(%) t
0
C
(kg/m
3
)
15 30 980,71
13 89,6 950,635
12 91,5 957,28
11 93,3 958,952
10 94,8 960,76  Nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đỉnh  Nồng độ phần khối lượng Etanol sản phẩm đỉnh  Lượng sản phẩm đỉnh


 Nồng độ phần mol Etanol sản phẩm đáy
Áp dụng phương trình cân bằng vật chất.Ta có:  Diện tích giới hạn bởi đường cong và  Nhiệt lượng do dòng nhập liệu mang vào

:nhiệt dung riêng của dòng nhập liệu
SVTH: Đinh Tuấn Hoàng GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn

20
Nội suy theo bảng I.154 – Sổ tay QTTB tập 1 – trang 172
v
F
(%) t
0
C
(J/kgđộ)
15 30 3938,4
13 89,6 4081,713
12 91,5 4093,704

SVTH: Đinh Tuấn Hoàng GVHD :Phạm Quỳnh Thái Sơn

21
12 91,5 4093,704
11 93,3 4104,07
10 94,8 4114,59
8 96,4 4131,096

 Nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun
Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt toàn tháp.Ta có: Trong đó :
 Q
m
: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh và thường được lấy gần bằng
khoảng 5% đến 10% lượng nhiệt cần cung cấp.
Chọn :
 Q
ng
: nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị ngưng tụ Trong đó:

Bảng thành phần cân bằng lỏng – hơi và nhiệt độ sôi của hai cấu tử Etanol – H
2
O ở
760mmHg
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
t
0
C
100 90.5

86.5

kg/kg

kg
x
D kg/kg

kg

kg/kg

kg

kg
1 0.052 0.122 4.904 0.585 0.782 0.079 0.111 4.825 0.0162
2 0.044 0.106 3.964 0.655 0.829 0.134 0.080 3.831 0.0343
3 0.040 0.097 3.601 0.468 0.692 0.143 0.073 3.459 0.0404
4 0.037 0.089 3.354 0.364 0.594 0.133 0.068 3.220 0.0405
5 0.033 0.081 3.128 0.303 0.527 0.111 0.064 3.018 0.0360