BÀI 1: Q TRÌNH CƠ ĐẶC GIỚI THIỆU Cơ đặc trình làm tăng nồng độ dung dịch (chứa chất tan không bay hơi) cách tách phần dung môi nhiệt độ sôi Dung môi tách khỏi dung dịch bay lên gọi thứ Mục đích q trình đặc: −Làm tăng nồng độ chất hòa tan dung dịch −Tách chất rắn hòa tan dạng rắn (kết tinh) −Tách dung mơi dạng ngun chất (nước cất) Q trình cô đặc thường sử dụng rộng rãi thực tiễn cơng nghiệp sản xuất hóa chất, thực phẩm: Cơ đặc đường nhà máy sản xuất đường, cô đặc xút nhà máy sản xuất phèn nhôm, cô đặc dịch trích ly từ nguyên vật liệu tự nhiên: cà phê, hồi,… Q trình đặc tiến hành nhiệt độ sôi, tương ứng với áp suất khác (áp suất chân không, áp suất thường – hệ thống thiết bị để hở hay áp suất dư) Cô đặc áp suất chân không nhiệt độ sơi dung dịch giảm chi phí đốt giảm, đặc chân khơng khơng dùng để đặc dung dịch có nhiệt độ sơi cao áp suất thường dung dịch dễ phân hủy sinh phản ứng phụ khơng mong muốn (oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa) Cơ đặc áp suất cao áp suất khí thường dùng cho dung dịch không bị phân hủy nhiệt độ cao dung dịch muối vô cơ, để sử dụng thứ cho q trình đặc q trình đun nóng khác Cơ đặc áp suất khí thứ khơng sử dụng mà thải ngồi khơng khí Trong hệ thống đặc nhiều nồi nồi thường làm việc áp suất lớn áp suất khí quyển, nồi sau làm việc áp suất chân khơng MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM − Vận hành hệ thống thiết bị cô đặc gián đoạn, đo đạc thơng số qúa trình − Tính tốn cân vật chất, cân lượng cho trình đặc gián đoạn − So sánh lượng cung cấp cho trình theo lý thuyết thực tế − Xác định suất hiệu suất trình đặc − Xác định hệ số truyền nhiệt thiết bị ngưng tụ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Nhiệt độ sôi dung dịch Nhiệt độ sôi dung dịch thông số kỹ thuật quan trọng tính tốn thiết kế thiết bị đặc Nhiệt độ sôi dung dịch phụ thuộc vào tính chất dung mơi chất tan, độ sâu dung dịch Hình 1.1 Quan hệ áp suất bão hòa dung mơi ngun chất Ps dung môi dung dịch P với nhiệt độ t 3.2 Cô đặc nồi làm việc gián đoạn Cơ đặc nồi thực theo hai phương pháp: − Dung dịch cho vào lần cho bốc hơi, mức dung dịch thiết bị giảm dần nồng độ dạt mức yêu cầu − Dung dịch cho vào mức định, cho bốc đồng thời bổ sung dung dịch liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi đến nồng độ đạt yêu cầu, sau tháo dung dịch làm sản phẩm thực mẻ 3.3 Cân vật chất lượng 3.3.1 Nồng độ Nồng độ sử dụng trình xác định khối lượng chất tan so với khối lượng dung dịch, biểu diễn dạng: Ngồi ra, nồng độ xác định khối lượng chất tan thể tích dung dịch: Mối liên hệ nồng độ sau: Với khối lượng riêng dung dịch (kg/m3) b) Cân vật chất 3.3.2 Cân vật chất Phương trình cân vật chất tổng quát: Lượng chất vào + lượng chất phản ứng = lượng chất + lượng chất tích tụ Đối với q trình đặc: − Khơng có lượng tích tụ − Khơng có phản ứng hóa học nên khơng có lượng Do phương trình cân vật chất viết lại: Lượng chất vào = lượng chất Đối với chất tan: Khối lượng chất tan vào = khối lượng chất tan Dùng phương trình giúp ta tính tốn khối lượng dung dịch lại nồi đun sau q trình đặc đặc Đối với hỗn hợp: Khối lượng dung dịch ban đầu = khối lượng dung dịch lại + thứ Trong đó: : khối lượng dung dịch ban đầu nồi đun : Nồng độ ban đầu chất tan (kg/kg) : khối lượng dung dịch lại (kg) : Nồng độ cuối chất tan (kg/kg) : khối lượng dung môi bay (kg) 3.3.3 Cân lượng Phương trình cân lượng tổng quát: Năng lượng mang vào = lượng mang + lượng thất thoát Để đơn giản tính tốn, coi khơng có mát lượng Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch: Năng lượng nồi đun cung cấp cho trình: Năng lượng dung dịch nhận được: Phương trình cân lượng trường hợp là: Năng lượng nồi đun cung cấp cho trình đặc trương cho lượng mang vào, lượng dung dich nhận đạc trưng cho lượng mang Do phương trình cân lượng trương hợp bỏ qua lượng thất Đối với giai đoạn bốc dung mơi: Năng lượng nồi đun cung cấp cho trình: Năng lượng nước nhận để bốc hơi: Cân lượng thiết bị ngưng tụ: Các phương trình cân giúp ta so sánh lý thuyết với thực nghiệm Trong đó: : nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho q trình đun nóng (J) : nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho q trình hóa dung mơi (J) : nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận thiết bị ngưng tụ (J) : công suất điện trở nồi đun sử dụng cho q trình đun nóng (W) : công suất điện trở nồi đun sử dụng cho q trình hóa (W) : thời gian thực q trình đun sơi dung dịch (s) : thời gian thực q trình hóa (s) : nhiệt lượng dung dịch nhận (J) : nhiệt lượng nước nhận để hóa (J) : hàm nhiệt nước thoát áp suất thường (J/kg) : ẩn nhiệt hóa nước áp suất thường (J/kg) : chênh lệch nhiệt độ sôi nhiệt độ đầu dung dịch (oC) : chênh lệch nhiệt độ nước vào (oC) : lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ (m3/s) : khối lượng riêng nước (kg/m3) : nhiệt dung riêng nước (J/kg.K) : nhiệt dung riêng dung dịch (J/kg.K) THỰC NGHIỆM 4.1 Chuẩn bị thực nghiệm 4.1.1 Kiểm tra hệ thống phụ trợ − Bậc công tắc nguồn cấp cho tủ điện − Kích hoạt điều khiển cách chuyển cơng tắc tổng sang vị trí 1, cơng tắc đèn hiển thị trắng sáng − Kích hoạt mơ hình thí ngiệm công tắc cấp nguồn cho thiết bị phụ trợ (nếu cần thiết sử dụng cơng tắc khẩn cấp) để kích hoạt mơ hình, lúc đèn xanh sáng − Bộ hiển thị số cấp điện − Mở van nguồn cung cấp nước giải nhiệt cho hệ thống − Kiểm tra ống nhựa mềm dẫn nước giải nhiệt đầu đặt nơi quy định − Mở van V9 − Kiểm tra áp suất hệ thống đạt bar − Mở van V6 để lưu thông nước thiết bị ngưng tụ 4.1.2 Kiểm tra mơ hình thiết bị − − − − Nồi đun thiết bị kết tinh tháo hết Các van đóng: V2, V5, V8 Thùng chứa dung dịch cô đặc phải rỗng Các van V3 V4 đóng 4.1.3 Chuẩn bị dung dịch − Chuẩn bị lít dung dịch CuSO4 loãng − Xác định nồng độ (g/l) dung dịch − Xác định khối lượng riêng dung dịch KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 5.1 Kết thực nghiệm Bảng Kết thực nghiệm t (phút) P (W) TI1 (oC) TI3 (oC) TI5 (oC) Dung mơi (lít) Ban đầu 2000 32.1 29.7 29.7 Bắt đầu sôi 18 2000 87.3 29.7 29.6 Kết thúc 48 1500 94.1 29.9 33.9 5.2 Xử lý số liệu 5.2.1 Tính tốn nồng độ khối lượng riêng − Xác định nồng độ (g/l) Với A = 1.999, dựa vào đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch CuSO ta nội suy sau: = = 26.69 (g/l) − Xác định khối lượng riêng (kg/m3) Khối lượng xác định 100ml dung dịch CuSO4.5H2O 101.9 (g) Mà ta có: = = = 1019 (g/l) hay 1019 (kg/m3) − Xác định nồng độ khối lượng = = = 0.026 (g/g) Bảng Kết tính tốn nồng độ khối lượng riêng Thể tích Khối lượng (ml) Độ hấp thu A Nồng độ (g/l) (g) Khối lượng riêng Nồng độ khối lượng (kg/m3) (g/g) Trước cô đặc 100 101.9 1.999 26.69 1019 0.026 Sau cô đặc 100 103.12 2.405 32.63 1031.2 0.031 5.2.2 Tính tốn cân vật chất 5.2.2.1 Đối với chất tan Khối lượng chất tan vào = khối lượng chất tan − Khối lượng dung dịch lại sau đặc: 5.2.2.2 Đối với hổn hợp Khối lượng dung dịch ban đầu = khối lượng dung dịch lại + khối lượng thứ 5.2.3 Tính tốn cân lượng 5.2.3.1 Giai đoạn đun sôi dung dịch Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho q trình đun nóng: Năng lượng dung dịch nhận được: 5.2.3.2 Giai đoạn bốc dung dịch Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho trình hóa dung mơi: Nhiệt lượng nước nhận để hóa hơi: Trong = 2667 (kJ/kg) hàm nhiệt thứ 94.1oC Nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận thiết bị ngưng tụ Trong đó: − = 994.5 (kg/m3): Khối lượng riêng trung bình nước − : Lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ − : Nhiệt dung riêng nước 5.2.3.3 Tổn thất nhiệt giai đoạn Giai đoạn đun sôi dung dịch 10 Giai đoạn bốc dung môi Tổn thất nhiệt trình 5.2.3.4 Hệ số truyền nhiệt thiết bị ngưng tụ Ta có Với: Và 123.54 () NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN − Năng lượng nồi cung cấp cho trình đặc trưng cho lượng mang vào, lượng dung dịch nhận đặc trưng cho lượng mang Do đó: Nhưng thực tế lớn ,chứng tỏ có tổn thất lượng đáng kể trình − Nồng độ chất tan lúc sau cao so với nồng độ ban đầu Do q trình đặc, lượng nước dung dịch hóa tách khỏi dung dịch, làm cho nồng độ chất tan tăng lên − Quá trình thực hành thí nghiệm đặc sử dụng thiết bị đo đạc nhằm xác định xác thơng số cần thiết Bên cạnh đó, người thực hành đóng vai trò quan trọng Trong q trình thực hành gặp nhiều sai sót thiếu thốn thiết bị đo có độ xác cao thiếu hiểu biết lí thuyết thao tác thực hành, ảnh hưởng môi trường xung quanh đến kết thí nghiệm 11 ... (nước cất) Q trình cô đặc thường sử dụng rộng rãi thực tiễn cơng nghiệp sản xuất hóa chất, thực phẩm: Cơ đặc đường nhà máy sản xuất đường, cô đặc xút nhà máy sản xuất phèn nhôm, cô đặc dịch trích... nước thiết bị ngưng tụ 4.1.2 Kiểm tra mơ hình thiết bị − − − − Nồi đun thiết bị kết tinh tháo hết Các van đóng: V2, V5, V8 Thùng chứa dung dịch cô đặc phải rỗng Các van V3 V4 đóng 4.1.3 Chuẩn bị. .. Bên cạnh đó, người thực hành đóng vai trò quan trọng Trong q trình thực hành gặp nhiều sai sót thiếu thốn thiết bị đo có độ xác cao thiếu hiểu biết lí thuyết thao tác thực hành, ảnh hưởng môi