CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỆ ĐA CẤU TỬ

CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỆ ĐA CẤU TỬ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HUẾ

KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ - MÔI TRƯỜNG



-BÀI TẬP TIỂU LUẬN

CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỆ ĐA CẤU TỬ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: LÊ HUỲNH NGUYỄN

Huế,10/2012

Lịch làm việc nhóm 6

Ngày 29/09/2012: Họp nhóm tại phòng C 1 D 2 201

+Người tìm tài liệu

- Hệ hai cấu tử tồn tại có giới hạn ở thể lỏng do: Nhật và Vũ đảm nhiệm ,

- Chưng cất chiết, phép chưng cất đẳng phí do: Hùng, Phú, Thái đảm nhiệm.

- Chưng chất lôi cuốn hơi nước do: Sơn, Như Long đảm nhiệm

- Ngày 01/10/2012: Nhóm tập trung tài liệu tại phòng trọ Sơn (Số 8- Nguyễn Thiện Kế - TP Huế)

Ngày 02/10/2012: Xử lí tài liệu: Hùng, Nhật, Sơn

Ngày 03/10/2012: Đánh máy

Ngày 05/10/2012: Nhóm hoàn thành bài tiểu luận và in ra

Dự kiến chuyển bài làm cho cô vào ngày (08/10/2012)

Ngày thuyết trình: 10/10/2012

DANH SÁCH NHÓM

1 Trương Ngọc Tấn Nhật (trình bày)

2 Trịnh Đình Sơn (nhóm trưởng)

3 Nguyễn Văn Hùng

4 Phan Cảnh phú

5 Phạm Văn Quốc Thái

6 Trần Như Long

7 Nguyễn Trần Anh Vũ

LỜI NÓI ĐẦU

Để đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu bộ môn hóa lí trong chương trình đào tạo: Dưới sự hướng dẫn của giảng viên bộ môn Nhóm chúng tôi đã hoàn thành bài tiểu luận với 3 chuyên đề chính

+ Hệ 2 cấu tử hòa tan có giới hạn ở thể lỏng,

+ Chưng cất chiết, phép chưng cất đẳng phí,

+ Phép chưng cất lôi cuốn bằng hơi nước

Như chúng ta đã biết Hóa Lí đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của các ngành Khoa học và Kĩ thuật Công nghệ Sản xuất: Câu hỏi đặt ra ở đây, Vậy chúng ta cần phải làm gì? Thì trong bài tiểu luận này chúng tôi sẽ cùng các bạn tìm hiểu về những khái niệm và có chế hoạt động tưởng chừng như xa lạ như: Hệ 2 cấu tử là gì ? Chưng cất chiết ? Chưng cất đẳng phí? và chưng cất lôi cuốn bằng hơi nước ? Thực chất nó được ứng dụng rất nhiều trong thực tế như: sản xuất tinh dầu, công nghệ hương liệu mỹ phẩm, Để trả lời cho những câu hỏi trên các bạn hảy cùng nhóm chúng tôi cùng nhau tìm hiểu bài tiểu luận này nhé…!

Hi vọng rằng bài tiểu luận này sẽ giúp các bạn hiểu hơn về các phương pháp chưng cất, cũng như quá trình làm việc của thiết bị Trong quá trình làm bài tiểu luận này không tránh khỏi những thiếu sót mong cô giáo và các bạn góp ý để bài tiểu luận của nhóm được hoàn thiện hơn.Qua bài tiểu luận này chúng tôi xin chân thành cảm ơn cô Lê Huỳnh Nguyễn đã nhiệt tình hướng dẫn giúp chúng tôi hoàn thành được bài tiểu luận này

Trên đây là những nội dung cơ bản mà nhóm chúng tôi đã chất lọc được trong quá trình thảo luận Với mục đích nhằm giúp các bạn hiểu hơn tầm quan trọng của Chưng cất trong kỉ nghệ hóa học hi vọng có sự đóng góp ý củng như

là những lời bổ sung qua địa chỉ Email

(Dieuanhgiulai@gmail.com)

Xin chân thành cảm ơn !!!

Mục lục

-Trang phụ bìa

-Lời nói đầu

-Mục lục

+ Cân bằng lộng hơi của hệ đa cấu tử

I.Hệ 2 cấu tử tồn tại có giới hạn ở thể lỏng

I.1 Nhận xét chung

I.1.2 Hệ 2 cấu tử tồn tại có giới hạn ở thể lỏng

II.Chưng cất chiết, Phép chưng cất đẳng phí

II.1 Khái niệm chung chiết

II.1.1 Chiết chất lỏng

II.1.2 Chiết chất rắn

II.2 Phép chưng cất đẳng phí

II.2.1 Hỗn hợp không tạo đẳng phí

II.2.2 Hồn hợp tạo đẳng phí

III Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

III.1 Lý thuyết chưng cất

III.2 Các yếu tố ảnh hưởng chính trong chưng cất lôi cuốn hơi nước III.2.1 Sự khuếch tán

III.2.2 Sự thủy giải

III.2.3 Nhiệt độ

III.3 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

I.Hệ 2 Cấu tử hòa tan có giới hạn ở thể lỏng

I.1 Nhận Xét chung

Khác với hệ 1 cấu tử, đối với hệ hai cấu tử được hoàn toàn xác định bởi

ba thông số: áp suất, nhiệt độ và nồng độ 1cấu tử ( vì biết nồng độ của 1 cấu tử thì sẽ suy ra nồng độ của cấu tử kia)

Như vậy có 3 điều kiện thay đổi là T, P, nồng độ (x) ta nhận thấy để biểu diễn thành phần của hệ thì nên chọn cách biểu diển % khối lượng hoặc nồng

độ phần sốmol là tiện lợi nhất, vì như vậy khi biết nồng độ của cấu tử này ta có thể suy ra nồng độ của cấu tử kia ngay

Mặt khác ta nhận thấy rằng để biểu diễn giản đồ pha của hệ ta cần 3 trục:

T, P, nồng độ (x) thì ta sẽ được giản đồ pha không gian Đó là điều gây bất tiện

để đơn giản và phù hợp với điều kiện thực tế người ta người ta thường nghiên cứu hệ hai cấu tử với 2 điều kiện thay đổi có thể là: P - x ; T- x; như đối với hệ gồm các chất rắn hoặc lỏng, con pha khí thì thường chỉ nghiên cứu sự thay đổi pha theo T - x, (nghĩa là P = const)

VD: Giản đồ hệ hai cấu tử khi P = const

Hình: 1

I.2 Hệ 2 cấu tử hoà tan có giới hạn ở thể lỏng( Hình:2)

I.2.1 Dung dịch lỏng lí tưởng: chứa 2 cấu tử

- Có bản chất giống nhau hoặc gần giống nhau

- Có lực tương tác fA – A = fE – E =fE – B (f lực tương tác)

T

- Quá trình trộn lẫn ∆V = 0, ∆H = 0,

- Tuân theo định luật Raoult

+Xét hỗn hợp A, B

- Ta thấy hai câu tử A, B của dung dịch lỏng lí tưởng tuân theo định luật

Raoult P1 = Pi xi

Pi: áp suất hơi bảo hòa trên bề mặt chất lỏng i

Pi: áp suất hơi bảo hòa của i nguyên chất

Ta có:

PA = p x0A A

PB = p x0β β

Pc bằng = PA + Pβ = 0 ( 0 0) ( )

1

Hình: 2

(1) µ = 1 ; (2) µ >1 : (3) µ >> 1

Ta có:

Pe bằng = PA + PB = 0 ( 0 0) ( )

P + P Pβ− β =

Từ (2)  (2 1)

y x

y

=

µ − −

.

2 1

y

f y y

P + P Pβ − =

µ − −

(1) (2)

(3)

m

n y

1

Giản đồ:

Hình: 3

Biểu thức (1) biểu diễn sự phụ thuộc của áp suất chung vào thành phần ở thể lỏng

P <P ta có giản đồ

Hinh: 4

Mặt khác phần hơi tuân theo định luật Daltow

PE = P YE , YE nồng độ phần mol của B ở thể hơi

0

.

E E

P X P

Y

β β

= =

0

.

E E

P X P

Y

β β

= =

+ −

P= f(x)

- êng láng

L = H

P = f(y) - êng h  i

0

A

P

P

0

A

P

P

P = PA - PE

P = PA - PE

P = PA - PE

T = const

( )

0 0

.

1 1

A

x Y

x

P P

µ = → =

+ µ − (2)

Biểu thức (2) biểu diễn mối quan hệ giữa thành phần lỏng và hơi Mối

quan hệ được biểu diễn bằng giản đồ (Hình: 4)

II Chưng cất chiết, phép chưng cất đẳng phí

II.1 Khái niệm chung

Chiết là chuyển một chất được hòa tan hay có dạng huyền phù ở một tướng sáng một tướng lỏng khác Ta có thể thực hiện được việc chuyển như vậy vì chất đó được phân bố theo 1 tỉ lệ nhất định giữa 2 tướng

Sự phân bố của một chất được hòa tan giữa 2 tướng lỏng tuân theo định luật phân bố Nextơ:

C A : C B = K

CA: Nồng độ chất tan trong chất lỏng A

CB: Nồng độ chất tan trong chất lỏng B

K: hệ số phân bố

Theo định luật phân bố thì tại một nhiệt độ nhất định tỉ lệ nồng độ C của một chất hòa tan trong hai tướng lỏng A và B không hòa tan vào nhau và ở trạng thái cân bằng với nhau là một hằng số (dưới dạng trên định luật phân bố chỉ có hiệu lực cho những nồng độ nhỏ và khi chất hòa tan có trạng thái kết to như nhau ở 2 tướng)

Theo đó ta dễ chiết được một chất khi chất đó hòa tan trong dung môi chiết dễ hơn nhiều là hòa tan trong tướng kia, có nghĩa là K có giá trị khác 1 Đối với những chất có hệ số phân bố K < 100 thì một lần chiết đơn giản không

đủ Trong trường hợp đó phải chiết lại nhiều lần với dung môi mới,

II.1.1 Chiết chất lỏng:

Chiết các chấtt từ những dung dịch là một thao tác rất quan trọng trong thực tế phòng thí nghiệm hóa hữu cơ Dưới đây trình bày một phương pháp chiết gián đoạn gọi là “lắc”

Hình 5 : Phểu chiết Cho dung dịch nước hoặc đôi khi huyền phù nước để chiết vào một phểu chiết (hình 5) và cho dung môi chiết vào với khoản 1/5 đến 1/4 thể tích chất lỏng đó vào phểu Ta chỉ nên cho phểu chứa tối đa tới 2/3 thể tích của nó Nút kín miệng phểu và lắc, thoạt đầu một cách thận trọng, trong khi lắc cần giữ chắc cả nút lẫn khóa thủy tinh Sau đó miệng phểu lên giá phía trên rồi cân bằng áp suất bằng cách mở khóa một cách thận trọng Phải tiến hành như trên đến khi nào có thể tích chứa khí trong phểu chiết đã bảo hòa với hoi dung môi

và áp suất không đổi Sau đó ta mới lắc mạnh khoảng 1 – 2 phút

Để yên, 2 hướng sẽ tự tách ra Ta để hướng phía dưới chảy qua khóa của phểu chiết và bao giờ cũng để phía trên qua miệng phểu chiết Đối với những chất tương đối dễ tan trong nước ta có thể bão hòa tướng nước bằng amoni sunfat hay muối ăn Một số hệ có xu hướng tạo nhũ tương Trong trường hợp này không nên lắc phểu chiết mà chỉ nên đảo ngược phểu qua lại thôi Ta có thể phá nhũ tương đã hình thành bằng cách thêm 1 số chất chống tạo bọt hoặc một

ít ancol amilic vào, bão hòa tướng nước bằng muối ăn hay lọc toàn bộ dung dịch Nhưng cách đảm bảo nhất bao giờ cũng nên để yên dung dịch một thời gian tương đối dài

II.1.2 Chiết chất rắn

a Chiết đơn giản một lần: Đun nóng hợp chất với dung môi trong 2 bình cầu có sinh hàn hồi lưu, lọc nóng, hoặc để lắng cho trong rồi chắt lại

b Chiết đơn giản nhiều lần: Nói chung muốn cho quá trình chiết được hoàn chỉnh phải lặp đi lặp lại nhiều lần thao tác đã nêu trên Trong trường hợp này nên dùng những dụng cụ tự động

II.2 Phép chưng cất đẳng phí

II.2.1 Hỗn hợp không tạo đẳng phí

Nếu dun nóng dung dịch có TP N1 thì dung dịch sẽ sôi khi đạt t0 độ t1, hoi cần bằng với pha lỏng co TP N2 và giàn cấu tử B hơn, vì vậy sau khi đã bay hơi một phần thì phần dung dịch còn lại sẽ có TP N2 giàu cấu tử A hơn so với dung dịch ban đầu Dung dịch đó sẽ sôi ở t0 t2 cao hơn t1 Hơi cân bằng với pha lỏng lúc này có thành phần N4 nó cũng giàu cấu tử B hơn so với pha lỏng Vì vậy, phần dung dịch sẽ giàu cấu tử A hơn và sối ở t0 cao hơn Nếu tiếp tục chưng cất thì phần cặn cuối cùng chỉ gồm cấu tử A tinh khiết và nhiệt độ sôi đạt đến TA

Hình 6: Biểu độ nhiệt độ sôi - Thành phần của hệ hai câu tử

Hình 7: Biểu đồ nhiệt độ sôi – TP của hệ 2 cấu tử có tạo đẳng phí

H-i

I A

I B

Láng

K

C

A N2 N

4 N

5 B

I A

I B

N2 CN4 N3 B A

Nếu xét đến phần hơi Giả sử phần hơi có thành phần N3 được ngưng tụ lại

và đem chưng chất thì nó sẽ sôi ở nhiệt độ t3 và hơi thu được có thành phần N3

sẽ càng giàu cấu tử B Nếu tiếp tục quá trình trưng cất và ngưng tụ như vậy thì cuối cùng trong bình ngưng tụ ta sẽ thu được cấu tử B

II.2.2 Hỗn hợp tạo đẳng phí, Hinh: 7

Đối với hỗn hợp tạo đẳng phí thì ta không thử tách riêng bằng phương pháp trên được Giả sử ta có dung dịch có TP N1 nhằm giữa A và C thì dung dịch sẽ sối ở nhiệt độ t1 và hơi nhận được có TP N2 sẽ giàu cấu tử B hơn so với pha lỏng, phần dung dịch còn lại giàu cất tử A hơn sẽ sối ở nhiệt độ cao hơn Nếu tiếp tục chưng cất phần cặn cuối cùng sẽ là cấu tử A tinh khiết Nhưng từ dung dịch ban đầu có TP N1 ta không thể tách được cấu tử B tinh khiết mà ta tách được dung dịch đẳng phí C

VD: Hệ nước – rượu etylic Hệ này có t0 sôi cực tiểu là 78, 130C cứng với

TP 95,57% theo khối lượng rượu (khoảng 960)

- Để nâng cao hàm lượng chất cầu tách từ hỗn hợp đẳng phí người ta có thể phá đẳng phí bằng 1 số phương pháp sau:

+ Thay đổi hình dạng giản đồ:

Vd: Xét với hệ etanol – nước ta hạ áp suất ngoài từ 760 mmHg xuống 100 mmHg thì tỉ lệ rượu trong dung dịch đẳng phí sẽ tăng lên đến 99,6% mol (99,60) và nhiệt độ sôi đẳng phí hạ đến 34,20C

Hình: 8

34,2 0 C

T 0 C 100

T 0 C P - 1

+ Thêm cấu tử T3 vào: Cấu tử này có tác dụng ngăn cản sự hình thành dung dịch đẳng phí hoặc nó tạo đẳng phí với một trong 2 cấu tử và bị tách ra trong quá trình chưng cất

Vd: xét với hệ etanol – nước cho thêm CaCl2 vào lúc này nó sẽ Solvat hóa ion Ca2+ mạnh hơn còn C2H5OH dễ dàng bay ra và ta thu được C2H5OH trên 980

III Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Phương pháp này dựa trên sự thẩm thấu, hòa tan, khuếch tán và lối cuốn theo hơi nước của những hợp chất hữu cơ trong tinh dầu chứa trong các mô khi tiếp xúc với hơi nước ở nhiệt độ cao Sự khuếch tán sẽ dễ dàng khi tế bào chứa tinh dầu trương phồng do nguyên liệu tiếp xúc với hơi nước bão hòa trong một thời gian nhất định Trường hợp mô thực vật có chứa sáp, nhựa, axit béo,…thì khi chưng cất phải được thực hiện trong một thời gian dài vì những hợp chất này làm giảm áp xuất hơi chung của hệ thống và làm cho sự khuếch tán trở nên khó khăn hơn

III.1 Lý thuyết chưng cất

Chưng cất có thể được định nghĩa là: “Sự tách rời các cấu phần của một hỗn hợp nhiều chất lỏng dựa trên sự khác biệt về áp suất hơi của chúng” Trong trường hợp đơn giản, khi chưng cất một hỗn hợp gồm 2 chất lỏng không hòa tan vào nhau, áp suất hơi tổng cộng sẽ tương ứng với áp suất hơi tổng cộng xác định, không tùy thuộc vào thành phần bách phân của hỗn hợp, miễn là lúc đó hai pha lỏng vẫn còn tồn tại Nếu vẽ đường cong áp suất hơi của từng chất theo nhiệt độ, ta dễ dàng suy ra nhiệt độ sôi tương ứng của hỗn hợp và nhận thấy là nhiệt độ sôi của hỗn hợp luôn luôn thấp hơn nhiệt độ sôi của từng hợp chất

Chính vì đặc tính làm giảm nhiệt độ sôi này mà từ lâu phương pháp chưng cất hơi nước là phương pháp đầu tiên dùng để tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu thực vật

III.2 Các yếu tố ảnh hưởng chính trong chưng cất lôi cuốn hơi nước

III.2.1 Sự khuếch tán:

Ngay khi nguyên liệu được làm vỡ vụ thì chỉ có một số mô chứa tinh dầu

bị vỡ và cho tinh dầu thoát tự do ra ngoài theo hơi nước lôi cuốn đi Phần lớn tinh dầu còn lại trong các mô thực vật sẽ tiến dần ra ngoài bề mặt nguyên liệu bằng sự hòa tan và thẩm thấu Von Rechenberg đã mô tả quá trình chưng cất hơi nước như sau:

Ở nhiệt độ nước sôi, một phần tinh dầu hòa tan vào trong nước có sẵn trong tế bào thực vật Dung dịch này sẽ thẩm thấu dần ra bề mặt nguyên liệu và

bị hơi nước cuốn đi Còn nước đi vào nguyên liệu theo chiều ngược lại và tinh dầu lại tiếp tục bị hòa tan vào lượng nước này Quy trình này lặp đi lặp lại cho đến khi tinh dầu trong các mô thoát ra ngoài hết

Như vậy, sự hiện diện của nước rất cần thiết, cho nên trong trường hợp chưng cất sử dụng hơi nước quá nhiệt, chú ý tránh đừng để nguyên liệu bị khô Nhưng nếu lượng nước sử dụng thừa quá thì cũng không có lợi, nhất là trong trường hợp tinh dầy có chứa những cấu phần tan dễ trong nước

Ngoài ra, vì nguyên liệu nước làm vỡ vụn ra càng nhiều càng tốt, cần làm cho lớp nguyên liệu có một độ xốp nhất định để hơi nước có thể đi xuyên ngang lớp này đồng đều và dễ dàng Vì các cấu phần trong tinh dầu được chưng cất hơi nước theo nguyên tắc nói trên cho nên thông thường những hợp chất nào dễ hòa tan trong nước sẽ được lôi cuốn trước

II.2.2 Sự thủy giải:

Những cấu phần este trong tinh dầu thường dễ bị thủy giải cho ra axit và ancol khi đun nóng trong một thời gian dài với nước Do đó, để hạn chế hiện tượng này, sự chưng cất hơi nước phải được thực hiện trong một thời gian càng ngắn càng tốt

III.2.3 Nhiệt độ:

Nhiệt độ cào làm phân hủy tinh dầu Do đó, khi cần thiết phải dùng hơi nước quá nhiệt (trên 100oC) nên thực hiện việc này trong giai đoạn cuối cùng của sự chứng cất, sau khi các cấu phần dễ bay hơi đã lôi cuốn đi hết Thực ra,

hầu hết các tinh dầu đều kém bền dưới tác dụng của nhiệt nên vấn đề là làm so cho thời gian chịu nhiệt độ cao của tinh dầu càng ngắn càng tốt

Tóm lại, dù ba ảnh hưởng trên được xem xét độc lập nhưng thực tế thì chúng có liên quan với nhau và quy về ảnh hưởng của nhiệt độ Khi tăng nhiệt

độ, sự khuếch tán, thẩm thấu sẽ tăng, sự hòa tan tinh dầu trong nước sẽ tăng nhưng sự phân hủy cũng tăng theo

Ưu điểm:

- Quy trình kỹ thuật tương đối đơn giản

- Thiết bị gọn, dễ thế tạo

- Không đòi hỏi vật kiệu phụ như các phương pháp tẩm trích, hấp thụ

- Thời gian tương đối nhanh

Khuyết điểm:

- Không có lợi đối với những nguyên liệu có hàm lượng tinh dầu thấp

- Chất lượng tinh dầu có thể bị ảnh hưởng nếu trong tinh dầu có những cấu phần dễ bị phân hủy

- Không lấy được các loại nhựa và sáp có trong nguyên liệu (đó là những chất định hương thiên nhiên rất có giá trị)

- Trong nước chưng luôn luôn có một lượng tinh dầu tương đối lớn

- Những tinh dầu có nhiệt độ sôi cao thường cho hiệu quả rất kém

III.3 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước:

Một số chất không tan trong nước nhưng dễ bị hơn nước nóng cuốn theo, người ta lợi dụng tính chất này để tách chất ra khỏi hỗn hợp phản ứng Cách tiến hành chưng cất lôi cuốn hơn nước: