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
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 sang rối Chế độ dòng chảy của chất lỏng 4 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 CHUẨN SỐ REYNOLDS 5 SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM REYNOLDS 6 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. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM REYNOLDS 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. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM REYNOLDS 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. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM REYNOLDS 9 Q = W/t w = Q/A Tính lưu lượng:
Tính vận tốc dòng chảy:
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 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ REYNOLDS TỪ THÍ NGHIỆM 10 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 XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM REYNOLDS 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 Thiết bị chưng cất có cột
chưng cất Thiết bị chưng cất
đơn giản nhất CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 13 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT Thiết bị chưng cất ASTM D86 14 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 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 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 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 21 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 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 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 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 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 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 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 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 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 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] 26 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele (m)=L’ (m+1)-R (m) là số mol hơi bay lên từ đĩa m
(m+1) là số mol lỏng chảy xuống từ đĩa (m+1) Tại vùng chưng:
V’ (m+1)x(m+1) – RxR V’ Với R là số mol cặn lấy ra khỏi đáy tháp
V’
L’
Đối với chất thứ nhất:
(my(m) =L’ Dùng giả thuyết Lewis ta có: y(m)=(L’/V’)x(m+1)-(R/V’)xR (**) 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’+1)x-RxR )y=L’
,
(m 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 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 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) PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 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. PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 30 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele Vị trí đường nạp liệu: 31 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele Đường (a): Ta=Ts, nguyên liệu bắt đầu sôi, B=0, (B-1)/B=-∞ Đường (b): Ts một phần, 0 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 (B-1)/B>0 32 Số liệu α=4, D=1/3A, R=2/3A
6
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 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 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 33 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 34 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 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,… PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 36 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele Quan hệ giữa độ hồi lưu và số đĩa lý thuyết 37 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele Các bước xác định số đĩa lý thuyết 38 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele Các bước xác định số đĩa lý thuyết 39 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele Các bước xác định số đĩa lý thuyết 40 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele Các bước xác định số đĩa lý thuyết 41 PHƯƠNG PHÁP McCabe-Thiele 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 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 THÍ NGHIỆM VỀ CHƯNG CẤT 50 XÁC ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH 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. Mục đích của thí nghiệm (Tank Draining) 51
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH DQ C A gh 0 2 (1) 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 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: gh C
Q C A 0 2 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 53 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 XÁC ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH 54 Kết quả thí nghiệm (dtank = 10,75 in; dorifice=0,609 in; htank= 12 in ): 0 5.93 11.3 17.2 23.2 29.67 36.17 Thời
gian (s)
(x) 12 11 10 9 8 7 6 Chiều
cao
(inches)
(y) 43.37 51.03 70.73 84.73 60 Thời gian (s)
(x) 5 4 2 1 3 Chiều cao
(inches)
(y) 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 MỰC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH 55 Kết quả thí nghiệm (dtank = 1 in; dorifice= 0,043 in; htank= 15 in ): 0 6 12.2 18.7 25.5 32.7 40.3 48.3 56.7 Thời
gian (s)
(x) 15 14 13 12 11 10 9 8 7 Chiều
cao
(inches)
(y) 66.1 76.2 87.6 101 117.5 140.7 Thời gian (s)
(x) 6 5 4 3 2 1 Chiều cao
(inches)
(y) 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 MỰC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH 56 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 57 PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU Đối với các hàm đa thức (bậc nhất) nói
1
1 chung thì theo phương pháp này các hệ số bj
được xác định theo công thức sau: ( T
X X )
B 0 ( T
X X ) ( T
X Y ) 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 58 PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU y
1 ) ...( x
1
k x
11 x
12 y 2 b
0
b
1 ) ...(
1
(1) x
21 x
22 . . Y B X
x
2
k
..............................
.............................. .
. .
. yN bk ...( (1) x x x )
..............................
N N 1 2 Nk
Các ma trận X, B, Y Áp dụng với hàm một biến
y = b0 + b1x (Bậc 1) và y = b0 + b1x + b2x2 (Bậc 2) 59 PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU Các hệ số bj được xác định theo công thức N N N N yi xi xiyi 2
i
x
i i
1 i i
1 B ( T
X X
1
) ( T
X Y )
b
0
1
N 2 ) 2
i x
i
(
1
N
N x
1
i i
1 N N yi
xi N
N xiyi
1 i i
1 i
1 b
1 N 2 2 ) i x
i
( N
N x
1
i i
1 sau (Bậc 1): 60 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: N 2 đạt Min ( , ) ( ) S b b
0
1 y
i b
0 b x
1
i i
1 Ta có hệ phương trình sau: N ) ,
2 ( ) 0; y
i b
0 b x
1
i i
1 N )
2 ( 0 y
i b
0 b x x
)
1
i
i i
1 (
S b b
0
1
b
0
S b b
(
,
0
1
b
1 PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU 61 Hay ta có: N N 0 Nb
0 b
1 y
i
x
i i
1 i
1 N N N 0 x
i b
1 x y
i
i b
0
2
x
i i
1 i
1
1
i
Hay : n y ; nb
0 nb x
1 2
nb x nb x ( ) nx y
. 0 1 PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU 62 Giải hệ phương trình ta có (Bậc 1): 2 b
1 b
0 x y
.
2 x y
.
2 y x
.
2 x x y
. .
2 x x
( ) x x
( ) Trong đó: N N x x y
;
i y
i PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU 1
N 1
N i
1 N N 2 x y
. x y x
;
i
i 2
x
i
1
i
1
N 1
N i
1 i
1 63 Các hệ số tương quan (Bậc 1): N 2 N x
( ) 2
x
i N PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU i
1 S ; x 2
x x
i N 1 1
N i
1 N 2 N y
( ) 2
y
i N i
1 S ; y 2
y y
i N 1 1
N i
1 x r b x y 1 S
S y 64 Tổng dư bình phương được tính như sau: 2 ( , ) ( N 1) S (1 ) S b b
0
1 2
y r
xy 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: 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 PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU 65 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: X 2 3 4 5 6 7 y 11.52 15.12 18.47 22.05 25.61 28.05 Kết quả:
b0 = 4,5759; b1 = 3,4913; Sx = 1,8708;
Sx = 6,5322; rxy= 0,9998; S(b0, b1) = 0,04412 PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU 66 Trong trường hợp các số liệu thí nghiệm được lặp lại ni lần, ta có: N x n
i i N i 1 x ; n n i n i 1 N N x y n i i i y n
i i i 1 i 1 x y ; y n n N 2 ( S / n ( x ) ) 2
x 2
x n
i i i 1 N 2 ( S / n ( y ) ) 2
y 2
y n
i i i 1 x y ) ( y ) r x y
(
x
S S
x y PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU 67 Cho bảng số liệu thực nghiệm sau: x 10 14 18 18 20 20 24 24 30 30 32 36 40 44 2.5 2.6 3.2 3.5 4 4.4 5 5.4 6 6.2 6.3 6.8 7 7.5 4 3 4 3 4 3 5 4 2 4 3 4 4 2 y
ni 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 PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU 68 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 1; x
; x
f x
( )
b
0
f x
( )
b
1
f x
( )
b
2 PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU 69 Các công thức xác định b0, b1, b2 được xác định theo hệ phương trình sau: N N N b N b
0
1 x
i b
2 y
i
2
x
i i
1 i
1 i
1 N N N N b
0 x
i b
1 2
x
i b
2 x y
i
i
3
x
i i
1 i
1 i
1 i
1 N N N N b
0 2
x
i b
1 3
x
i b
2 2
x y
i
i
4
x
i i
1 i
1 i
1 i
1 Thực hành tại lớp tính toán các hệ số bj PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG CỰC TIỂU 70 XÁC ĐỊNH MỰC CHẤT LỎNG TRONG BÌNH 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 71
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 72
KHUẾCH TÁN STEFAN (DIFFUSION) Cơ sở lý thuyết của quá trình
Giả thiết quá trình khuếch tán ở trạng thái tĩnh (khuếch tán đối lưu tự nhiên) với
ReDT<20 2
– D
– t t –
2 o
2
o
l x
ln –
e Phương trình xác định hệ số khuếch tán: – 2 ( – t x ) D t 2 e 2
o ) ln ( –
1
o
Hoặc: 73 KHUẾCH TÁN STEFAN (DIFFUSION) 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 chuẩn số Reynolds= d u
u ReDT
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 74
KHUẾCH TÁN STEFAN (DIFFUSION) 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 75
KHUẾCH TÁN STEFAN (DIFFUSION) 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 76
KHUẾCH TÁN STEFAN (DIFFUSION) Thermostat Air outlet Air inlet Dessicant Diffusion tubes Water bath Hệ thống đo hệ số khuếch tán 77 KHUẾCH TÁN STEFAN (DIFFUSION) Flowing Air (Re<20) l0 Stagnant Air l NA z Species A r Ống khuếch tán 78 KHUẾCH TÁN STEFAN (DIFFUSION) D iffusion M anifold & T u be 3 16 S tainless S teel Hệ thống khuếch tán 79
KHUẾCH TÁN STEFAN (DIFFUSION) YÊU CẦU: Cơ sở lý thuyết của quá trình
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 80
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Cơ sở lý thuyết quá trình truyền nhiệt
Các phương thức truyền nhiệt • Natural Convection (Đối lưu tự nhiên)
• Forced Convection (Đối lưu cưỡng bức) Dẫn nhiệt (Conduction)
Nhiệt đối lưu (Convection) Bức xạ nhiệt (Radiation) 81
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 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 82
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp Loại có vỏ bọc
Loại ống
Loại tấm
Loại xoắn ốc
Loại ống gân 83
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Loại có vỏ bọc: 84
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Loại có vỏ bọc 85
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Loại ống 86
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Loại ống 87
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Loại ống 88
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm 89
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Cách bố trí ống trên lưới 90
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Cách chia ngăn 91
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Bù giãn nở 92
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Bù giãn nở 93
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Loại tấm 94
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Loại xoắn ốc 95
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Loại có gân 96
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Một số mô hình thiết bị trao đổi nhiệt 97
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Một số mô hình thiết bị trao đổi nhiệt 98 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) 99
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 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) 100
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT Thiết lập hệ thí nghiệm truyền nhiệt 101
THÍ NGHIỆM THIẾT BỊ TRUYỀN NHIỆT 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 102 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO (REFERENCES) 103 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 104
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 105
THÍ NGHIỆM QT&TB TRONG CNHH THE END
