CHƯNG CẤT
Câu 1: Nêu mục đích bài thí nghiệm
Khảo sát ảnh hưởng của:
- Lưu lượng dòng hoàn lưu
- Vị trí mâm nhập liệu
đến độ tinh khiết của sản phẩm và hiệu suất của tháp.
Câu 2: Nêu ý nghĩa của các vấn đề cần khảo sát trong mục đích TN
- Lựa chọn phương pháp chưng cất thích hợp nhằm nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm.
- Lựa chọn loại tháp chưng thích hợp.
Câu 3: Nêu đặc trưng của quá trình chưng cất? Cho biết sự giống và khác nhau giữa quá
trình chưng cất và cô đặc.
Chưng cất là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó vật chất
đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Pha hơi được tạo nên bằng quá trình bốc hơi, ngược lại
pha lỏng được tạo nên từ pha hơi bằng quá trình ngưng tụ. Các cấu tử như vậy hiện diện trong
cả 2 pha nhưng với tỉ lệ khác nhau.
Phân biệt chưng cất và cô đặc:
Giống nhau: Trong trường hợp đơn giản đều là quá trình làm tăng nồng độ dung dịch loãng
bằng cách đun sôi dung dịch để bốc hơi. Khác nhau:
- Chưng cất: dung môi và chất tan đều bay hơi, nghĩa là các cấu tử đều hiện diện ở cả 2
pha nhưng với tỉ lệ khác nhau.
- Cô đặc: chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.
Câu 4: Nêu động lực của quá trình chưng cất
Động lực của quá trình chưng cất do chênh lệch thế hóa của cấu tử khuếch tán trong 2 pha. Cấu
tử sẽ di chuyển từ pha có thế hóa cao đến pha có thế hóa thấp hơn cho đến khi thế hóa 2 pha
bằng nhau (cân bằng pha).
Tính thế hóa là phức tạp nên trong thực tế người ta thay thế hóa bằng nồng độ → Động lực quá
trình là hiệu số dương giữa nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng.
Câu 5: Kể tên các loại tháp chưng cất đã học.  Tháp mâm:  Tháp mâm chóp:  Ưu điểm: o Hiệu suất cao o Hoạt động ổn định
o Có thể làm việc với tỉ trọng thấp của khí, lỏng thay đổi mạnh  Nhược điểm: o Cấu tạo phức tạp
o Tiêu tốn nhiều vật tư chế tạo o Trở lực cao  Tháp mâm xuyên lỗ:  Ưu điểm:
o Kết cấu khá đơn giản
o Trở lực tương đối thấp o Hiệu suất khá cao
o Hoạt động khá ổn định  Nhược điểm:
o Yêu cầu lắp đặt nghiêm ngặt
o Không làm việc được với chất lỏng bẩn
o Khoảng làm việc tháp hẹp hơn tháp chóp  Tháp chêm  Ưu điểm: o Cấu tạo đơn giản o Trở lực thấp  Nhược điểm o Hiệu suất thấp o Không ổn định o Nặng nề
Trong bài TN sử dụng loại tháp mâm xuyên lỗ, gồm 5 mâm thực.
Câu 6: Nêu các phương pháp xác định số mâm lý thuyết? Ưu nhược điểm từng phương pháp?
1. Phương pháp Ponchan – Savarit: sử dụng giản đồ Hxy và xy, có thể áp dụng trong mọi
trường hợp, tuy nhiên cần có đủ các dữ kiện về nhiệt và thực hiện khá phức tạp nên ít dùng trong thực tế.
2. Phương pháp McCabe – Thiele: sử dụng giản đồ xy, ít rườm rà hơn phương pháp trên,
không cần dữ kiện nhiệt, thích hợp trong một số trường hợp có tổn thất nhiệt và nhiệt dung dịch không lớn.
3. Phương pháp tính dần từng đĩa: chính xác nhưng đòi hỏi phải tính toán nhiều, nên cần có
sự trợ giúp của máy tính.
Câu 7: Định nghĩa dòng hoàn lưu. Ý nghĩa dòng hoàn lưu?
Chưng cất đơn giản không cho phép thu được sản phẩm có độ tinh khiết cao → chưng nhiều lần.
Tuy nhiên hơi đốt được dùng ở mỗi nồi lại phải dùng nước ngưng tụ. Do nhiệt độ hơi của nồi
trước cao hơn nhiệt độ sôi của nồi sau, nên để tiết kiệm hơi đốt ta dùng hơi của nồi trước đun
nóng cho nồi sau, lỏng ở nồi sau làm ngưng tụ hơi nồi trước, nên chỉ dùng hơi đốt ở nồi đầu tiên.
Do đó mà nồi cuối cùng không có chất lỏng đi vào sẽ bị khô. Để khắc phục thì lượng lỏng ngưng
tụ ở nồi cuối chỉ lấy ra một phần làm sản phẩm đỉnh, còn một phần cho quay trở lại gọi là dòng hoàn lưu.
Câu 8: Thông số nào đặc trưng cho dòng hoàn lưu? Cách xác định?
 Thông số đặc trưng cho dòng hoàn lưu là chỉ số hoàn lưu R = L0/D
L0: Lưu lượng dòng hoàn lưu
D: Lưu lượng sản phẩm đỉnh  Các xác định Rmin:
Trên giản đồ xy: Đường làm việc phần cất đi qua giao điểm của đường nhập liệu và đường
cân bằng sẽ ứng với tỉ số hoàn lưu tối thiểu. Khi nhập liệu ở trạng thái lỏng bão hòa có thể
được xác định theo biểu thức: x  y* D F R  min y*  x F F
Theo kinh nghiệm ta có R = 1,3Rmin + 0,3
Câu 9: Nêu các yếu tố của dòng hoàn lưu ảnh hưởng đến quá trình chưng cất? Bài này chỉ
khảo sát yếu tố nào?
Các yếu tố của dòng hoàn lưu ảnh hưởng đến quá trình chưng cất: - Vị trí mâm hoàn lưu
- Lưu lượng dòng hoàn lưu
- Thành phần dòng hoàn lưu
Bài TN chỉ khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu. Lưu lượng dòng hoàn lưu càng
lớn thì độ tinh khiết sản phẩm càng cao → hiệu suất tăng.
Câu 10: Nêu các yếu tố của dòng nhập liệu ảnh hưởng đến quá trình chưng cất? Bài này
chỉ khảo sát yếu tố nào và ảnh hưởng của nó đến quá trình ra sao?
Các yếu tố của dòng nhập liệu ảnh hưởng đến quá trình chưng cất:
- Trạng thái nhập liệu của dòng nhập liệu
- Vị trí mâm nhập liệu
- Lưu lượng dòng nhập liệu
Bài TN khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu. Vị trí mâm nhập liệu càng cao thì độ tinh
khiết của sản phẩm đỉnh sẽ giảm, ngược lại càng thấp thì hiệu suất tăng nhưng tốn nhiều năng lượng hơn.
Câu 11: Trạng thái nhiệt động là gì? Dòng nhập liệu vào mâm ở trạng thái nào là tốt nhất, tại sao?
Trạng thái nhiệt động là trạng thái vật lý – trạng thái nhiệt của vật chất trong hệ thống nhiệt
động. Có 5 trạng thái nhiệt động: lỏng quá lạnh, lỏng sôi, hỗn hợp lỏng hơi cân bằng, hơi bão hòa, hơi quá nhiệt.
Trạng thái nhập liệu lỏng sôi là tốt nhất vì khi đó tháp làm việc ổn định, tính toán đơn giản hơn,
suất lượng mol pha hơi trong phần chưng và phần cất không đổi.
Câu 12: Bài này dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu vào tháp ở trạng thái nào? Trạng thái
này có thay đổi trong quá trình TN không?
Trong bài TN, dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi và không thay đổi trong suốt quá trình TN.
Câu 13: Nêu tiến trình TN để khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng hoàn lưu.
 Khởi động dòng hoàn lưu:
 Khi thấy có dòng sản phẩm đỉnh ngưng tụ - chảy trong bình chứa sản phẩm đỉnh, mở van
hoàn lưu và khóa van chảy tràn.
 Bật công tắc bơm hoàn lưu (nút reflux pump). Bật công tắc điện trở gia nhiệt cho dòng hoàn lưu (reflux preheat).
 Chỉnh lưu lượng kế của dòng hoàn lưu ở độ đọc cần khảo sát bằng van màu đỏ ngay dưới
lưu lượng kế (mở hết van và chỉnh nhẹ nhàng cho tâm viên bi ngay vạch cần khảo sát).
 Vị trí mâm nhập liệu không đổi (mâm số 4): lưu lượng dòng nhập liệu không đổi (độ đọc 30);
chỉ có lưu lượng dòng hoàn lưu thay đổi ở các độ đọc 5, 10, 15.
Câu 14: Nêu tiến trình TN để khảo sát ảnh hưởng của vị trí mâm nhập liệu.
Khi khảo sát vị trí mâm nhập liệu (2 vị trí mâm số 2 và số 5), thì lưu lượng dòng nhập liệu không
đổi và lưu lượng dòng hoàn lưu cũng không đổi.
Các bước đo số liệu cũng được tiến hành như khi khảo sát dòng hoàn lưu. Chỉ lưu ý khi chuyển
đổi TN từ vị trí nhập liệu mâm này sang mâm khác phải tắt nút feed pump để dừng bơm nhập
liệu rồi mới chuyển vị trí. Lúc này đầu ống dẫn nhập liệu khá nóng có thể dùng dẻ lau để di chuyển.
Câu 15: Khi vận hành tháp cần lưu ý đến những điểm nào?
- Kiểm tra dòng nước ra khỏi TBTN – đề phòng mất nước sẽ không ngưng tụ được gây thất
thoát hơi và hư hỏng các van bít kín của TBTN.
- Đang TN không được cho vào bình chứa nguyên liệu bất cứ hỗn hợp sản phẩm nào vì sẽ làm
thay đổi nồng độ ban đầu của nguyên liệu.
- Theo dõi thường xuyên mực chất lỏng trong nồi đun, nếu mực chất lỏng dâng đầy ống thủy
phải xả bớt chất lỏng trong nồi ra bằng van xả đáy phía dưới đáy nồi và cho vào bình nhựa,
không được cho vào bình chứa nguyên liệu.
- Khi thay đổi vị trí nhập liệu phải tắt bơm nhập liệu.
- Khi mở các van trong hệ thống phải mở hết van.
- Khi tháp hoạt động phải quan sát quá trình xảy ra trên từng mâm trong tháp và ghi nhận lại.
Câu 16: Nêu các thông số cần đo và những điểm cần lưu ý để đo chính xác các thông số
trong một chế độ TN?
Các thông số cần đo: Lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh, nhiệt độ các dòng nhập liệu, hoàn lưu,
sản phẩm đỉnh (dòng hơi và dòng lỏng ngưng tụ), độ rượu của dòng nhập liệu (chỉ đo một lần vì
hỗn hợp nhập liệu có nồng độ không đổi trong quá trình TN) và độ rượu sản phẩm đỉnh.
Trong một chế độ, để đo số liệu được chính xác sinh viên cần chú ý:
- Phải luôn chỉnh lưu lượng hai dòng nhập liệu và hoàn lưu ở độ đọc cần khảo sát vì viên bi
luôn bị trồi sụt gây sai số.
- Dòng sản phẩm đỉnh phải được đảm bảo hoàn toàn thuộc chế độ cần khảo sát.
- Khi đo độ rượu và thể tích của chất lỏng phải đọc mặt cong của mục chất lỏng.
- Các giá trị của các đại lượng đo phải được đọc cùng một lúc.
Câu 17: Độ rượu là gì? Đo độ rượu bằng dụng cụ gì? Cách quy đổi từ độ rượu sang phần mol?
Độ rượu là phần trăm thể tích rượu trong dung dịch.
Đo độ rượu bằng phù kế: lấy khoảng 120 mL chất lỏng cần đo vào ống đong nhỏ, cho nhẹ nhàng
phù kế vào ống đong (không được thả mạnh sẽ làm vỡ phù kế), chờ cho phù kế hết dao động –
nổi cân bằng, mặt cong của mực chất lỏng trùng với vạnh nào của phù kế thì đọc vạch đó.
Cách quy đổi từ độ rượu sang phần mol: ρ ×độ rượu r M x r i = ρ ×độ rượu ρ × (100 - độ rượu) r n M + r Mn
Câu 18: Lưu lượng là gì? Có mấy cách đo lưu lượng? Bài này dùng phương pháp nào? Cách đo ra sao?
Lưu lượng là lượng lưu chất chảy qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian.
Có 2 cách đo lưu lượng: phương pháp cổ điển và phương pháp hiện đại
- Phương pháp cổ điển: Hứng lưu chất cần đo thể tích vào ống đong trong một khoảng thời
gian xác định, lưu lượng có thứ nguyên là thể tích/thời gian.
- Phương pháp hiện đại: Đọc giá trị trên lưu lượng kế, chỉnh lưu lượng kế bằng cách mở hết
van và chỉnh nhẹ nhàng cho tâm viên bi ngay vạch cần khảo sát. Tuy nhiên giá trị đọc được
không phải là lưu lượng các dòng, để có giá trị lưu lượng (mL/phút) thì lấy độ đọc nhân với
hệ số lưu lượng kế là 5,64.
Bài TN dùng cả 2 phương pháp.
Câu 19: Mô tả trạng thái ngập lụt của tháp? Nêu sự ảnh hưởng của nó đến quá trình
chưng cất? Cách nhận biết và biện pháp khắc phục?
Mô tả: Khi suất lượng pha lỏng hoặc pha khí vượt quá giới hạn cho trước, chất lỏng không chảy
xuống được tạo nên một cột chất lỏng trong tháp, độ giảm áp pha khí khi đó sẽ dao động mạnh.
Khi xảy ra hiện tượng ngập lụt thì pha khí lôi cuốn chất lỏng tăng mạnh → hiệu suất giảm.
Cách nhận biết: dựa vào độ giảm áp trên đồng hồ đo áp suất.
Cách khắc phục: giảm nhiệt cung cấp cho nồi đun.
Câu 20: Có mấy loại hiệu suất quá trình chưng cất? Các phương pháp xác định? Bài này
dùng phương pháp nào?
1. Hiệu suất tổng quát (E0)
Đơn giản khi sử dụng nhưng kém chính xác nhất, được định nghĩa: Số mâm lý thuyết Số bậc thang - 1 E0 = = Số mâm thực Số mâm thực
Với nồi đun được xem là tương đương với một mâm lý thuyết.
2. Hiệu suất mâm Murphree (EM) y - y E n n-1 M = y* - y n n-1 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.
y*n: nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng rời ống chảy truyền mâm thứ n.
Hiệu suất mâm Murphree do đó là tỉ số giữa sự biến đổi nồng độ thực tế của pha hơi qua một
mâm với sự biến đổi nồng độ cực đại có thể đạt được của pha hơi khi pha hơi rời mâm đó.
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 đó có khái niệm hiệu suất cục bộ.
3. Hiệu suất cục bộ (Ec): y' - y' E n n-1 C = y" - y' n n-1 Trong đó:
y'n: nồng độ pha hơi rời khỏi vị trí cụ thể trên mâm thứ n.
y'n-1: nồng độ pha hơi vào mâm thứ n tại cùng vị trí.
y"n: nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng tại cùng vị trí.
Mối liên hệ giữa hiệu suất mâm Murphree và hiệu suất tổng quát:
Hiệu suất tổng quát của tháp không bằng 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 định
được sự biến thiên nồng độ qua một hoặc vài mâm ở các vị trí khác nhau sẽ xác định giá trị chính
xác của EM và EM có thể lấy bằng E0.
Câu 21: Để xác định được hiệu suất từng mâm, cần thiết những đại lượng nào? Bài này với
các đại lượng đo có tính được hiệu suất mâm?
Để xác định hiệu suất từng mâm cần có các đại lượng:
yn: nồng độ thực của pha hơi rời mâm thứ n.
yn-1: nồng độ thực của pha hơi vào mâm thứ n.
y*n: nồng độ pha hơi cân bằng với pha lỏng rời ống chảy truyền mâm thứ n.
Câu 22: Nêu các loại nồi đun cho tháp chưng cất? Trong bài TN dùng loại nồi đun gì? Mô tả? Các loại nồi đun:
- Nồi hai vỏ: là TB trao đổi nhiệt loại hai vỏ với diện tích bề mặt trao đổi nhiệt nhỏ.
- Nồi đun bên trong: là TB trao đổi nhiệt ống chùm có diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn. - Nồi đun loại Kettle
- Nồi đun loại Thermo-syphon
Trong bài TN dùng loại nồi đun bên trong: nồi hình trụ, đáp ellipse, bên trong nồi có gắn điện trở để gia nhiệt.
Câu 23: Ý nghĩa của việc cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi nước cho đáp tháp? Với hỗn hợp
nguyên liệu của bài TN này có thể sử dụng hơi nước trực tiếp để cấp nhiệt được không? Tại sao?
Ý nghĩa: với nồng độ sản phẩm đỉnh và tỷ số hoàn lưu không đổi, số mâm lý thuyết sẽ nhiều
hơn nhưng giảm được chi phí cho chế tạo nồi đun và chi phí bảo trì, làm vệ sinh.
Khi hỗn hợp đem chưng cất có chứa nước được lấy ra trong dòng sản phẩm đáy, cấu tử còn lại
dễ bay hơi thì ta có thể sử dụng hơi nước để cấp nhiệt trực tiếp cho đáy tháp.