Thi Nghiem QT_TB CNHH_Bai Giang

1

THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ

THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

2

NỘI DUNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM

Xác định chuẩn số Reynolds (Reynolds Number)

Chưng cất (Distillation)

Xác định mực chất lỏng (Tank Draining)

Khuếch tán (Stefan Diffusion)

Thí nghiệm thiết bị truyền nhiệt (Heat Exchanger)

Tổng quan về các phân xưởng, quá trình và thiết bị

trong nhà máy lọc dầu (Overview of Refinery)

Tham quan hệ thiết bị chưng cất tại phòng thí

nghiệm Lọc-Hóa Dầu và Viện Hóa Học Công

Nghiệp Việt Nam

3

XÁC ĐỊNH CHUẨN SỐ REYNOLDS

Chế độ dòng chảy của chất lỏng

Chảy dòng (tầng) (Re≤2320): các phần tử chất lỏng

chuyển động song song nhau theo đường thẳng với

vận tốc chậm được gọi là chảy dòng.

Chảy xoáy (rối) (Re≥10000): các phần tử chuyển

động với vận tốc nhanh theo đường thẳng không thứ

tự với các hướng khác nhau tạo thành một dòng rối

được gọi là chảy xoáy.

Chảy chuyển tiếp (quá độ) (2320<Re<10000): từ tầng

sang rối

4

CHUẨN SỐ REYNOLDS

Công thức xác định chuẩn số Reynolds

Re=wlρ/µ=wl/ν Trong đó:

w: vận tốc đặc trưng của dòng chảy (m/s)

l: kích thước hình học đặc trưng (m)

- chiều cao h nếu là tường phẳng

- đường kính tương đương dtđ của mặt cắt mà lưu thể đi qua

dtđ=4rtl rtl=f/U

f: diện tích mặt cắt của dòng (ống) U: chu vi thấm ướt

ρ: khối lượng riêng (kg/m3)

µ: độ nhớt động lực học (dynamic viscosity)

(kg/m.s hay Pa.s, N.s/m2)

v: độ nhớt động học (kinetic viscosity) (m2/s)

v= µ/ ρ

5

SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM REYNOLDS

6

CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM REYNOLDS

Thí nghiệm Reynolds là một thí nghiệm cổ điển đã

được Reynolds tìm ra.

Để xem được cấu trúc của dòng chảy, Reynolds đã

dùng một ống rất nhỏ để dẫn nước màu vào thẳng

với đường tâm của ống lớn dẫn nước không màu.

Các nhận xét và kết luận mà Reynolds đã rút ra trong

quá trình thí nghiệm.

7


1. Khi tăng dần lưu lượng từ Q=0

Ở giá trị lưu lượng nhỏ, tia màu chảy theo một đường thẳng và theo đường tâm ống, không dao động, dung dịch màu không có sự hòa trộn với dung dịch nước chảy quanh nó.

Khi lưu lượng tăng đến một mức nào đó thì tia màu bắt đầu bị dao động (gợn sóng). Lúc này dòng chảy tầng đã kết thúc.

Nếu lưu lượng tiếp tục tăng thì tia màu sẽ dao động mạnh hơn dẫn đến bị đứt đoạn và sau đó sẽ bị hòa trộn hoàn toàn vào dòng chảy. Lúc này dòng chảy đã trở lên rối hoàn toàn.

Theo Reynolds dòng chảy chuyển từ trạng thái chảy tầng sang trạng thái chảy rối phải qua bước trung gian đó là trạng thái chảy quá độ.

8


2. Khi lưu lượng giảm dần

Khi dòng chảy ở trạng thái rối hoàn toàn, nếu ta

giảm dần lưu lượng thì tới mức nào đó tia màu trở

lại mức gợn sóng.

Nếu tiếp tục giảm lưu lượng thì dòng chảy lại trở về

trạng thái chảy tầng, tia màu lại chảy theo một

đường thẳng dọc theo tâm ống.

Như vậy, dòng chảy đã chuyển trạng thái chảy từ

trạng thái chảy rối về trạng thái chảy tầng qua trạng

thái trung gian là trạng thái chảy quá độ.

9

XÁC ĐỊNH HỆ SỐ REYNOLDS TỪ THÍ NGHIỆM

Tính lưu lượng: Q = W/t

Tính vận tốc dòng chảy: w = Q/A

Tính chỉ số Reynolds: Re = w.D/v

Trong đó:

W là thể tích chất lỏng đo được trong 1 đơn vị thời

gian

t là thời gian chất lỏng chảy được thể tích W

A là diện tích đường ống

D là đường kính ống

w là vận tốc trung bình trong ống

v là độ nhớt động học của chất lưu

Q là lưu lượng

10

XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM REYNOLDS

YÊU CẦU:

Bổ sung cơ sở lý thuyết của quá trình

Các trang thiết bị cần dùng cho thí nghiệm

Lắp đặt các thiết bị cho thí nghiệm

Chất màu (có thể dùng KMnO4)

Nguyên tắc đo các thông số

Tiến hành thí nghiệm (lặp lại khoảng 2-3 lần)

Ghi kết quả thí nghiệm

Xử lý các số liệu thí nghiệm

Dùng các ống có D khác nhau hoặc ống gấp khúc

để nghiên cứu cho các trường hợp đặc biệt

11

CHƯNG CẤT (DISTILLATION)

Mục đích của thí nghiệm:

Lý thuyết về chưng cất

Nguyên lý, cấu tạo của tháp chưng cất

Nguyên tắc hoạt động của tháp chưng cất

Xác định hiệu suất của tháp chưng cất

Xác định số đĩa lý thuyết của tháp và chỉ số

hồi lưu tối thiểu

Đánh giá phương pháp McCabe-Thiele

12

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

Thiết bị chưng cất

đơn giản nhất

Thiết bị chưng cất có cột

chưng cất

13


Thiết bị chưng cất ASTM D86

14


Kết quả thí nghiệm (Bảng 1 nội suy ra Bảng 2)

15

ĐƯỜNG CONG CHƯNG CẤT

16

THÁP CHƯNG CẤT

17

THÁP CHƯNG CẤT

Đĩa trong tháp chưng cất

18

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THÁP CHƯNG CẤT

19

MỘT SỐ MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT

20

PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele

Dùng cho quá trình chưng cất hệ hai chất lỏng tan vô hạn

(Rượu+Nước)

Đường bay hơi cân bằng (a,b,c)

Sơ đồ nguyên lý một tháp chưng cất

21


Giả sử cần chưng cất hệ 2 chất (1) và (2) có

áp suất hơi bão hòa lần lượt là P1 và P2

Nồng độ phần mol của chất thứ nhất trong

lỏng và hơi lần lượt là x và y

Theo Raoult và Dalton ta có:

y=P1x và 1-y=P2(1-x)

Hay: y=αx/[1+(α -1)x)] với α =P1/P2

α càng lớn thì y càng khác x.

Đường (a) với α =1

Đường (b), (c) với α tăng dần

22


Theo sơ đồ tháp chưng cất:

D là sản phẩm đỉnh

R là sản phẩm đáy

V là số mol hơi bay lên

L là số mol lỏng chảy xuống

Tại mỗi đĩa của vùng cất:

V(n) =L(n+1) + D

Đối với chất thứ nhất:

V(n) y(n) =L(n+1) x(n+1) + DxD

23


Theo giả thuyết Lewis, nhiệt bay hơi mol

không phụ thuộc phân tử lượng (số mol lỏng

chảy xuống từ các đĩa có thể coi là như

nhau, số mol hơi bay lên từ các đĩa cũng

như nhau). Khi đó ta có:

V(n) y(n) =L(n) x(n+1) + DxD

Hay:

y(n) =(h/(h+1))x(n+1)+(1/(h+1))xD (*)

Trong đó: h=L/D

Phương trình (*) là tuyến tính, h càng lớn thì đồ

thị càng dốc, h=∞ thì y(n)=x(n+1) (Đường chéo)

24


Đồ thị biểu diễn sự

phụ thuộc y(n) và x(n+1)

là các đường làm việc

- Tất cả các đường làm

việc của vùng cất đều đi

qua điểm D ứng với

xD(DR, DP, DE, DH,…)

25


Tại vùng chưng:

V’(m)=L’

(m+1)-R

Với R là số mol cặn lấy ra khỏi đáy tháp

V’(m) là số mol hơi bay lên từ đĩa m

L’(m+1) là số mol lỏng chảy xuống từ đĩa (m+1)

Đối với chất thứ nhất:

V’(my(m) =L’

(m+1)x(m+1) – RxR

Dùng giả thuyết Lewis ta có:

y(m)=(L’/V’)x(m+1)-(R/V’)xR (**)

26


Đồ thị biểu diễn giữa y(m) và x(m+1) là các đường

làm việc vùng chưng

Chúng đều đi qua điểm R có tọa độ xR (RP)

Tại vùng cất: L=hD

V= L+D=(h+1)D

Tại vùng chưng, dòng lỏng L’:

L’=L+La=hD+La

Còn dòng hơi V’: V’=V-Va=(h+1)D-Va

Vì R=A-D nên độ hồi lưu s:

s= V/R=[(h+1)D-Va]/[A-D]

27


Khi đó phương trình (**) có dạng:

ym=[(s+1)/s)]x(m+1)-(1/s)xR

Hay: x(m+1)=[s/(s+1)]ym +[1/(s+1)]xR

Đối với đĩa nạp liệu:

- Ở vùng cất:

V(n,)y=L(n’+1)x+DxD

- Ở vùng chưng:

V’(m

,)y=L’

(m’+1)x-RxR

Trong đó đĩa (n’) của vùng cất cũng là đĩa (m’) của vùng

chưng và đĩa (n’ +1) của vùng cất cũng là đĩa (m’ +1)

của vùng chưng

28


Trừ hai vế của phương trình:

A là số mol nguyên liệu được nạp

xA là phần mol của chất thứ nhất trong nguyên liệu được nạp

Va là số mol nguyên liệu đã bay hơi

La là số mol nguyên liệu ở trạng thái lỏng

(A=Va+La)

29


Phương trình đường nạp liệu (qua M)

Khi x=xA thì y=x=xA, ta có điểm M

Góc nghiêng của đường nạp liệu phụ thuộc tỷ số

Va/A, tức phụ thuộc nhiệt độ nạp liệu Ta, cụ thể phụ

thuộc Ta và nhiệt độ sôi Ts, nhiệt độ ngưng tụ Thcủa

nguyên liệu. Ta có các đường a, b,c d, e.

30


Vị trí đường nạp liệu:

31


Đường (a): Ta=Ts, nguyên liệu bắt đầu sôi,

B=0, (B-1)/B=-∞

Đường (b): Ts<Ta<Th, nguyên liệu bay hơi

một phần, 0<B<1, -∞<(B-1)/B<0 (MH)

Đường (c): Ta=Th, nguyên liệu ở thể hơi, B=1,

(B-1)/B=0

Đường (d): Ta>Th, hơi quá nóng, B>1, (B-

1)/B>0

Đường (e): Ta<Ts, nguyên liệu chưa sôi, B<0,

(B-1)/B>0

32


Số liệu α=4, D=1/3A, R=2/3A

B=Va/A=1/2, nên đường nạp liệu: y=-x+2xA=-x+0,7 vì xA=0,35

Độ hồi lưu ứng với đường PD là h=2,17

Phương trình đường làm việc vùng cất PD: y=0,685x+0,3

Vì h=2,17 nên độ hồi lưu hơi s=0,835

Đường làm việc vùng chưng RP có phương trình:

x=0,455y+0,027

Hoặc: y=2,198x-0,06

X 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

y 0,31 0,50 0,63 0,73 0,80 0,86 0,90 0,94 0,97

33


34


Theo hình vẽ:

Để tìm số đĩa lý thuyết ta vẽ lần lượt các đường thẳng đứng và nằm ngang nằm giữa đường bay hơi cân bằng và đường làm việc.

Số đĩa vùng cất lớn hơn 4

Số đĩa vùng chưng gần 3

Số đĩa của cả tháp là 4+3=7

Trường hợp hồi lưu hoàn toàn, đường làm việc là RD, số đĩa lý thuyết là lớn hơn 4

Đường bay hơi cân bằng càng cong (α càng lớn) thì số đĩa lý thuyết tăng hay giảm và hệ các chất càng dễ hay khó tách? Vì sao?

35


Số đĩa lý thuyết của tháp phụ thuộc:

Bản chất hệ

Độ hồi lưu

Nhiệt độ vùng nạp liệu

Nồng độ distillat

Nồng độ cặn (sản phẩm đáy)

Khái niệm đĩa lý thuyết là một cái gì đó rất lý thuyết,

một đĩa lý thuyết có thể không phải là một đĩa thực

mà gồm n đĩa thực

Giá trị n phụ thuộc: cấu trúc hình học của tháp, tốc

độ, cách thức di chuyển của pha hơi, pha lỏng, nhiệt

độ, áp suất,…

36


Quan hệ giữa độ hồi lưu và số đĩa lý thuyết

37


Các bước xác định số đĩa lý thuyết

38



39



40



41


42

MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CHƯNG CẤT (UOP)

43

MỘT SỐ NỘI DUNG KHÁC

Hệ chưng cất trong thực tế (UOP-UC DAVIS)

Mô hình quá trình chưng cất (Michigan)

Mô hình tháp chưng cất trong HYSYS

Tháp chưng cất dầu thô trong nhà máy lọc

dầu Dung Quất

Tổng quan về các quá trình và thiết bị trong

nhà máy lọc dầu Dung Quất

44

HỆ CHƯNG CẤT UOP

45

CÁC MÔ HÌNH THÁP TRONG THỰC TẾ

46

CÁC MÔ HÌNH THÁP CHƯNG CẤT

Tháp chưng cất khí quyển (Atmospheric)

Tháp chưng cất chân không (Vacuum)

Tháp chưng cất phản ứng (Reactive)

Tháp chưng cất ba pha (3 phases)

47

THÁP CHƯNG CẤT KHÍ QUYỂN

48

THÁP CHƯNG CẤT CHÂN KHÔNG

49

THÍ NGHIỆM VỀ CHƯNG CẤT

YÊU CẦU:

Xây dựng cơ sở lý thuyết về quá trình chưng cất (cân

bằng lỏng hơi,…)

Tìm hiểu cấu tạo của thiết bị chưng cất, tháp chưng

cất dầu thô,…

Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất

Phương pháp xác định số đĩa của tháp chưng cất

Vẽ sơ đồ một hệ thiết bị về chưng cất (tham khảo mô

hình tháp chưng cất) có các thiết bị phụ trợ và cách

vận hành

Xác định số đĩa của tháp chưng cất theo phương

pháp MacCabe-Thiele

50

XÁC ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH

Mục đích của thí nghiệm (Tank Draining)

Xác định hệ số thoát của chất lỏng trong bình qua

một lỗ thủng.

Khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước lỗ khác nhau

đến động lực của quá trình chảy.

Dữ liệu thực nghiệm cho phép sinh viên phân tích sai

số (phương sai), nội và ngoại suy số liệu.

51

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH

Khi nước chảy qua bình chứa (Minh họa ở

hình 1), lưu lượng thể tích có thể biểu diễn

như sau:

Trong đó:

CD: Được xác định bằng thực nghiệm

(Hệ số thoát của dòng chảy)

Ao: Diện tích lỗ

h: Chiều cao mực chất lỏng

g: gia tốc trọng trường

0 2 (1)Dq C A gh

52

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH

Phương trình (1) đôi khi cũng được xem như nguyên lý chảy Torricelli.

Dẫn xuất của phương trình trên có thể viết như sau:

Cc: Hệ số thắt của dòng chảy=S2/S0

S2: Diện tích mặt cắt dòng nhỏ nhất

S0: Diện tích lỗ (A0)

Trong thực nghiệm, sẽ đo độ sâu của nước (h) như là hàm của thời gian (t) và xác định hệ số thoát chất lỏng (CD)

Xác định hệ số CC hay CD phù hợp nhất với các số liệu cho trong các tài liệu

0 2Cq C A gh

53

XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA q VÀ h

Các vấn đề cần quan tâm:

Thời gian chảy hết chất lỏng (nước) trong

bình?

Chiều cao chất lỏng thay đổi theo thời gian

như thế nào?

Mối quan hệ giữa q và h?

Chúng ta sẽ làm rõ các vấn

đề này bằng phương pháp

phân tích sau đây:

54


Giải thích các ký hiệu:

q là lưu lượng thể tích chảy ra từ bình [m3/s]

A là diện tích mặt cắt của bình [m2]

Ao là diện tích mặt cắt của lỗ [m2]

h là chiều cao mực chất lỏng ở thời điểm t [m]

ρ là khối lượng riêng của chất lỏng [kg/m3]

t là thời gian [s]

55


Theo định luật bảo toàn khối lượng: lượng chất lỏng ra khỏi bình phải bằng lượng chất lỏng sụt giảm trong bình.

Lượng chất lỏng trong bình: ρAh

Tốc độ thay đổi khối lượng trong bình:

d[ρAh]/dt=- ρq

Hay: ρAd[h]/dt=- ρq

Hay: dh/dt=-q/A

Nếu q=C (hằng số) thì dh/dt=-C/A

Tích phân 2 vế của phương trình vi phân, ta có như sau:

56


Ta có:

Hay

2 2

1 1

[t2-t1]

t t

t t

dh C Cdt dt

dt A A

( 2) ( 1) [t2-t1]C

h t h tA

57


Cho t1=0 (h=h0)và t2=t; Ta có phương trình

2.5:

Ta có thể xác định h0 và –C/A (hệ số góc)

bằng các số liệu thực nghiệm

Mô hình q=hằng số sẽ không phù hợp khi h

dần tới 0 và khi đó q sẽ dần tới 0

( ) 0 0[1- ]0

Ct Cth t h h

A Ah

58


59


60


Giả sử q=bh; Khi đó:

Tích phân ta có:

61


Biến đổi phương trình ta có:

Tích phân ta có:

62


Đặt t1=0 và t2=t; ta có phương trình 2.9:

Hay: phương trình 2.10

63


64


65


Trường hợp tổng quát: q=khn

n=0 và 1 (đã xét)

n>=1 (sẽ không xác định được thời gian cạn

bình)

Do đó: 0<n<1; Khi đó ta có:

66


Phương trình rút gọn:

Tích phân ta có:

Hay ta có phương trình 2.11:

67


Giải h theo t; ta có:

Rõ ràng là n<1 thì h(t) mới dần về 0;

Với n=1/2; ta có:

68


69


Theo cách xác định này ta có:

-k/2A=-0.0287 in1/2/s

Và: q=5.195h1/2

Nếu ta xác định theo 4 điểm đầu tiên thì:

-k/2A=-0.0264 in1/2/s [sai số khá lớn]

Trên cơ sở xác định được q=f(h) ta sẽ xác định

được các hệ số CC hoặc CD

70


BÀI TẬP: Xác định phương trình: q=f(h) theo

các mô tả sau đây:

71


Quy trình thực hiện thí nghiệm:

Đổ nước vào bình tới vị trí vạch sẵn

Chạy đồng hồ bấm giây và mở nút

Đo mực chất lỏng trong bình như là hàm của thời gian với các kích thước lỗ khác nhau

Lặp lại số thí nghiệm cần thiết

Xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình

Vẽ đồ thị quan hệ giữa h(in) và t (s)

Xác định các sai số

Xác định CD từ các số liệu thu được với các kích thước lỗ khác nhau

So sánh các số liệu CD tính toán được và các số liệu CD trong các sổ tay

72


Kết quả thí nghiệm (dtank = 10,75 in; dorifice=0,609 in; htank= 12 in ):

Xác định mối quan hệ giữa x và y (bậc 1 và bậc 2) theo các

phương pháp của Quy hoạch thực nghiệm và xác định sai số?

Xác định mối quan hệ giữa q và h (theo các dạng đã cho)

Thời

gian (s)

(x)

0 5.93 11.3 17.2 23.2 29.67 36.17

Chiều

cao

(inches)

(y)

12 11 10 9 8 7 6

Thời gian (s)

(x)

43.37 51.03 60 70.73 84.73

Chiều cao

(inches)

(y)

5 4 3 2 1

73


Kết quả thí nghiệm (dtank = 1 in; dorifice= 0,043 in; htank= 15 in ):

Xác định mối quan hệ giữa x và y (bậc 1 và bậc 2) theo các phương pháp của Quy hoạch thực nghiệm và xác định sai số?

Xác định mối quan hệ giữa q và h (theo các dạng đã cho)

Thời

gian (s)

(x)

0 6 12.2 18.7 25.5 32.7 40.3 48.3 56.7

Chiều

cao

(inches)

(y)

15 14 13 12 11 10 9 8 7

Thời gian (s)

(x)

66.1 76.2 87.6 101 117.5 140.7

Chiều cao

(inches)

(y)

6 5 4 3 2 1

74

PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM

Phương pháp bình phương cực tiểu

Nội dung: cần biểu diễn mối quan hệ giữa x1,

x2,…,xk và y

Bài toán đặt ra là tìm một hàm số biểu diễn

gần đúng nhất mối quan hệ này bằng một

hàm số nào đó

Nghĩa là, tìm một hàm số biểu diễn mối quan

hệ giữa x1, x2,…,xk và y sao cho tổng bình

phương các sai số là nhỏ nhất.

y=f(x1,x2,…,xk) và S(b0,b1) đạt min

Thông thường ta hay chọn hàm đa thức

75

Đối với các hàm đa thức (bậc nhất) nói

chung thì theo phương pháp này các hệ số bj

được xác định theo công thức sau:

Giả sử

Trong đó: X là ma trận thí nghiệm

Y là ma trận các kết quả thí nghiệm

B là ma trận các hệ số bj

1 1( ) 0 ( ) ( )T T TX X B X X X Y

PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU

76

Các ma trận X, B, Y

Áp dụng với hàm một biến

y = b0 + b1x (Bậc 1) và y = b0 + b1x + b2x2 (Bậc 2)

11 12 1

21 22 2

1 2

1 ...( )

(1) ...( )

..............................

..............................

..............................

(1) ...( )

k

k

N N Nk

x x x

x x x

X

x x x

1

2

.

.

.

y

y

Y

yN

0

1

.

.

.

b

b

B

bk


77


Các hệ số bj được xác định theo công thức

sau (Bậc 1):

2

1 1 1 1 10

2 2

1 1

1 1 11

2 2

1 1

( ) ( )

( )

( )

N N N N

iT T i i i i

N N

i i

i i

N N N

i i i

N N

i i

i i

yi x xi xiyi

B X X X Y b

N x x

N xiyi xi yi

b

N x x

78


Hàm bậc nhất: y = b0 + b1x (Theo cách khác)

Cho N kết quả đầu ra y1, y2,…,yn tương ứng với

n giá trị đầu vào x1, x2,…,xN, cần phải xác định

các hệ số b0, b1 sao cho:

đạt Min

Ta có hệ phương trình sau:

2

0 1 0 1

1

( , ) ( )N

i i

i

S b b y b b x

0 10 1

10

0 10 1

11

( , )2 ( ) 0;

( , )2 ( ) 0

N

i i

i

N

i i i

i

S b by b b x

b

S b by b b x x

b

79


Hay ta có:

0 1

1 1

2

0 1

1 1 1

0 1

2

0 1

0

0

:

;

( ) .

N N

i i

i i

N N N

i i i i

i i i

Nb b x y

b x b x x y

Hay

nb nb x ny

nb x nb x nx y

80


Giải hệ phương trình ta có (Bậc 1):

Trong đó:

2

0 2 2

. . .

( )

y x x x yb

x x

1 2 2

. .

( )

x y x yb

x x

1 1

2 2

1 1

1 1;

1 1. ;

N N

i i

i i

N N

i i i

i i

x x y yN N

x y x y x xN N

81


Các hệ số tương quan (Bậc 1):

2 2

2 1

1

( )1

;1

N

i Ni

x i

i

x N x

S x xN N

2 2

2 1

1

( )1

;1

N

i Ni

y i

i

y N y

S y yN N

1x

xy

y

Sr b

S

82


Tổng dư bình phương được tính như sau:

Nếu S(b0,b1) càng gần 0, rxy càng gần 1, đường

hồi quy càng gần N điểm thực nghiệm.

Ví dụ: Cho bảng số liệu thực nghiệm sau:

2 2

0 1( , ) ( 1) (1 )y xyS b b N S r

x 1 2 3 4 5 6 7 8

y 2.35 2.41 2.60 2.73 2.90 3.11 3.25 3.45

83


Kết quả:

b1= 0,1381; b0 =2,2285; Sx = 2,4494; Sy = 0,3524;

rxy= 0,9598; S(b0, b1) = 0,06848

Ví dụ: Cho bảng số liệu sau:

Kết quả:

b0 = 4,5759; b1 = 3,4913; Sx = 1,8708;

Sx = 6,5322; rxy= 0,9998; S(b0, b1) = 0,04412

X 2 3 4 5 6 7

y 11.52 15.12 18.47 22.05 25.61 28.05

84


Trong trường hợp các số liệu thí nghiệm được

lặp lại ni lần, ta có:

1

1

1 1

2 2 2

1

2 2 2

1

;

;

( / ( ) )

( / ( ) )

( )( )

N

i i Ni

i

i

N N

i i i i i

i i

N

x i i

i

N

y i i

i

xy

x y

x n

x n nn

x y n y n

xy yn n

S x n n x

S y n n y

xy x yr

S S

85


Cho bảng số liệu thực nghiệm sau:

Áp dụng các công thức trên ta thu được các kết

quả sau:

y = 0,1656x + 0,79

Sx = 138,755; Sy = 1,5772

rxy= 0,9715

x 10 14 18 18 20 20 24 24 30 30 32 36 40 44

y 2.5 2.6 3.2 3.5 4 4.4 5 5.4 6 6.2 6.3 6.8 7 7.5

ni 4 3 4 3 4 3 5 4 2 4 3 4 4 2

86


Đối với hàm bậc 2: y=b0+b1x+b2x2

Nếu phương trình hồi quy có dạng đa thức bậc

cao, thì khi dùng phương pháp bình phương bé

nhất sẽ tìm được các hệ số đa thức bằng hệ

phương trình tuyến tính.

Theo phương pháp BPCT:

2

0 1 2

( ) ( ) ( )1; ;

f x f x f xx x

b b b

87


Các công thức xác định b0, b1, b2 được xác định

theo hệ phương trình sau:

Thực hành tại lớp tính toán các hệ số bj

2

0 1 2

1 1 1

2 3

0 1 2

1 1 1 1

2 3 4 2

0 1 2

1 1 1 1

N N N

i i i

i i i

N N N N

i i i i i

i i i i

N N N N

i i i i i

i i i i

b N b x b x y

b x b x b x x y

b x b x b x x y

88


YÊU CẦU:

Cơ sở lý thuyết của quá trình

Xây dựng hệ thí nghiệm quá trình

Nguyên tắc vận hành và đo các thông số

Xử lý các số liệu thực nghiệm (cho trước)

theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm

(Bậc 1 và Bậc 2)

Xác định các sai số

Phương pháp xác định các hệ số CD

89

KHUẾCH TÁN STEFAN (DIFFUSION)

Mục đích của thực nghiệm:

Đo hệ số khuếch tán hơi của các hợp phần

riêng biệt (Methanol, Axeton, Hexan,…) trong

không khí của hệ thí nghiệm khuếch tán theo

bề mặt phân cách lỏng khí.

Nghiên cứu hệ thống đo hệ số khuếch tán

của Trường ĐH UC at Davis

Phân tích các kết quả thu được

90



Giả thiết quá trình khuếch tán ở trạng thái

tĩnh (khuếch tán đối lưu tự nhiên) với

ReDT<20

Phương trình xác định hệ số khuếch tán:

Hoặc:

D – –

– ln –

2 2

2

o

o et t l x

2 22 1

– ( – ) ln ( – )D t t xo eo

91


Trong đó:

CG nồng độ mol trong pha khí, mol/cm3

CL nồng độ mol trong pha lỏng, mol/cm3

d đường kính trong của ống khuếch tán, cm

D hệ số khuếch tán (cm2/s )

l chiều dài phần khuếch tán tại thời điểm t; l0 chiều dài phần khuếch tán ứng với t = 0

ReDT chuẩn số Reynolds=

t là thời gian; t0 là thời gian đầu

là vận tốc khí trung bình, cm/s

xe nồng độ phần mol của cấu tử khuếch tán tại bề mặt

λ= CL/CG

ρ khối lượng riêng, g/cm3

µ độ nhớt động lực học, g/cm.s

du

u

92


Tiến trình làm thực nghiệm

Cho chất lỏng dễ bay hơi vào ống

Ổn định nhiệt trong bình

Đo lưu lượng dòng không khí để đảm bảo

ReDT<20

Lắp đặt các thiết bị đo nồng độ

Chụp ảnh liên tục quá trình để theo dõi sự

thay đổi mực chất lỏng trong ống

Ghi thời gian và vị trí của mặt chất lỏng

93


Phân tích dữ liệu

Tính toán hệ số khuếch tán của 3 chất lỏng

khác nhau theo phương trình đã cho

Vẽ biểu đồ hệ số khuếch tán theo nhiệt độ

So sánh giá trị khuếch tán thực nghiệm với

các số liệu trong các sổ tay

So sánh các giá trị hệ số khuếch tán thu được

với một số mô hình dự đoán

Đánh giá phương pháp Stefan xác định các

hệ số khuếch tán của các chất khác nhau

94


Hệ thống đo hệ số khuếch tán

Air inlet

Air outlet

Dessicant

T hermostat

Water bathDiffusion tubes

95


Ống khuếch tán

z

r

NA

Species A

0 Stagnant Air

Flowing Air (Re<20)

96


Hệ thống khuếch tán

316 Stainless Steel

Diffusion Manifold & Tube

97


YÊU CẦU:


Xây dựng hệ thí nghiệm quá trình (các trang

thiết bị cần có, thiết bị phụ trợ,…)

Nguyên tắc vận hành và đo các thông số

Xác định hệ số khuếch tán

Mô hình dự đoán hệ số khuếch tán của các

chất khác nhau

98

THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

Cơ sở lý thuyết quá trình truyền nhiệt

Các phương thức truyền nhiệt

Dẫn nhiệt (Conduction)

Nhiệt đối lưu (Convection)

• Natural Convection (Đối lưu tự nhiên)

• Forced Convection (Đối lưu cưỡng bức)

Bức xạ nhiệt (Radiation)

99


Cấu tạo thiết bị trao đổi nhiệt:

Loại gián tiếp: nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này sang

chất tải nhiệt khác qua bề mặt phân cách (bề mặt

truyền nhiệt)

Loại đệm: quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng

một bề mặt của vật rắn và tiến hành theo các giai

đoạn nối tiếp nhau

• Đầu tiên, cho chất tải nhiệt nóng tiếp xúc với bề mặt rắn

(đệm), vật rắn sẽ được đun nóng đến một nhiệt độ cần thiết

• Khi đó ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt

lạnh vào, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh

Loại trực tiếp: Hai chất tải nhiệt tiếp xúc trực tiếp với

nhau

100


Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp

Loại có vỏ bọc

Loại ống

Loại tấm

Loại xoắn ốc

Loại ống gân

101


Loại có vỏ bọc:

102


Loại có vỏ bọc

103


Loại ống

104


Loại ống

105


Loại ống

106


Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm

107


Cách bố trí ống trên lưới

108


Cách chia ngăn

109


Bù giãn nở

110


Bù giãn nở

111


Loại tấm

112


Loại xoắn ốc

113


Loại có gân

114


Một số mô hình thiết bị trao đổi nhiệt

115


Một số mô hình thiết bị trao đổi nhiệt

116

CÁC MÔ HÌNH THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT

Làm lạnh bằng không khí (Air cooler)

Đun nóng và làm lạnh (Heater/Cooler)

Trao đổi nhiệt (Heat Exchanger)

Lò đốt (Furnace-Fired Heater)

Trao đổi nhiệt nhiều dòng LNG (Liquefied

Natural Gas)

117


Thiết lập hệ thí nghiệm quá trình truyền nhiệt

Mô hình các thiết trị trao đổi nhiệt trong phần

mềm mô phỏng HYSYS

Tính toán các hệ số truyền nhiệt (xem lại các

bài tập)

Thực hành Mô phỏng

Một số bài tập về thiết bị trao đổi nhiệt ống

chùm (xem lại)

118


Thiết lập hệ thí nghiệm truyền nhiệt

119


YÊU CẦU:

Cơ sở lý thuyết quá trình truyền (trao đổi)

nhiệt

Nguyên lý và cấu tạo các thiết bị trao đổi nhiệt

trong thực tế (bao gồm cả các thiết bị làm

lạnh bằng không khí, lò đốt,…)

Thiết lập một mô hình quá trình trao đổi nhiệt

trong thực tế

120

TÀI LIỆU THAM KHẢO (REFERENCES)

Chương trình thí nghiệm quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học, UC Davis, USA, 2012

Giáo trình Công nghệ lọc dầu, Phan Tử Bằng, ĐH Mỏ-Địa chất, NXBXD, 2002

Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học, Tập 1, Nguyễn Bin, ĐH bách khoa Hà nội, NXB KH&KT, 2004

Sổ tay quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học, Tập 1&2 , NXB KH&KT, 2006

Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học, Tập 3, Phạm Xuân Toản, ĐH bách khoa Hà nội, NXB KH&KT, 2011

Các tài liệu thí nghiệm các quá trình công nghệ hóa học, UC Davis, USA, 2012

121

YÊU CẦU ĐỐI VỚI BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Viết tay khoảng 25-30 trang

Vẽ hình hoặc cắt dán hình (nếu phức tạp)

Nộp lại sau đúng 2 tuần sau khi đi tham quan

thực tập (Hệ chưng cất tại Phòng thí nghiệm)

Chấm điểm báo cáo và bảo vệ (vấn đáp) để

lấy điểm thi

Vẽ sơ đồ chi tiết và mô tả kỹ lưỡng trình tự

và nguyên tắc thực hiện các thí nghiệm

Khuyến khích xây dựng một số hệ thí

nghiệm đơn giản theo cơ sở lý thuyết đã

được học

122

NỘI DUNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Đối với từng bài thí nghiệm:

Cơ sở lý thuyết

Xây dựng hệ thí nghiệm

Nguyên tắc đo và tính toán các thông số

Xử lý các số liệu thực nghiệm

Kết luận

THỰC HIỆN THEO YÊU CẦU CỤ THỂ ĐÃ CHO

CỦA TỪNG BÀI THÍ NGHIỆM

123

THÍ NGHIỆM QT&TB TRONG CNHH

THE END

Documents

Thi Nghiem QT_TB CNHH_Bai Giang