PHÚC TRÌNH TRÍCH LY LỎNG LỎNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN CƠNG NGHỆ HĨA HỌC  PHÚC TRÌNH TRÍCH LY LỎNG LỎNG TTQTTB (CN233) CÁN BỘ GIẢNG DẠY Thầy Thiều Quang Quốc Việt SINH VIÊN THỰC HIỆN Nguyễn Hải Thạch B1909726 Ngành: CN Kỹ thuật Hóa học – Khóa 45 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH iii DANH MỤC BẢNG .iv KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1.1 Số liệu thí nghiệm .5 1.1.1 Số liệu ban đầu .5 1.1.2 Số liệu thu sau thí nghiệm .5 1.2 Tính tốn kết thí nghiệm .6 1.2.1 Tính nồng độ Acid Acetic 1.2.2 Tính hiệu suất q trình 1.3 Tính hệ số truyền khối .9 NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN 11 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình trích ly lỏng lỏng 11 2.2 Ưu - nhược điểm q trình trích ly lỏng- lỏng 12 2.3 Tại không sử dụng nước máy mà lại sử dụng nước cất? 13 2.4 Tại thí nghiệm nước sử dụng làm dung môi? 13 2.5 Tại thí nghiệm khơng dùng Toluen thay n-Butanol? 13 i DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Giản đồ tam giác hệ Nước – A.Acetic – N-Butanol Hình 1-2 Đồ thị so sánh hiệu suất trích ly thực tế lý thuyết ứng với tỉ lệ .8 i DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1 Số liệu ban đầu Bảng 1-2 Số liệu kết chuẩn độ Acid Acetic NaOH 0.1 M Bảng 1-3 Nồng độ acid acetic chuẩn độ NaOH 0.1 M .5 i 1.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Số liệu thí nghiệm 1.1.1 Số liệu ban đầu Bảng 1-1 Số liệu ban đầu Dung dịch Nhiệt độ (oC) Tỉ trọng (g/cm3) N – Butanol 0.81 Acid Acetic 1.05 Hỗn hợp N – Butanol, Acid Acetic Nồng độ 0.593 M 35 0.801 (nồng độ acid acetic chuẩn NaOH 0.1 M) Khối lượng riêng nước (dung môi) 35oC : 994.061 kg/m3 1.1.2 Số liệu thu sau thí nghiệm Bảng 1-2 Số liệu kết chuẩn độ Acid Acetic NaOH 0.1 M Thể tích dung dịch NaOH 0.1M dùng (ml) Acid Acetic Lần Lần Lần Trung bình Nhập liệu 59.7 59.3 59 59.33 Sản phẩm đáy 26.2 26.2 26.2 26.2 Sản phẩm đỉnh 4.4 4.4 4.4 4.4 Trang 1.2 Tính tốn kết thí nghiệm 1.2.1 Tính nồng độ Acid Acetic Trong thí nghiệm chuẩn độ nồng độ acid acetic NaOH 0.1 M với chất thị phenolphtalein Sau điểm tương đương, cần giọt NaOH dư làm chất thị đổi màu Phenolphtalein đổi màu hồng môi trường base pH không nhỏ 8.3 Trong trường hợp ta xét: pH = 14 - logCB với CB = 𝐶𝑉−𝐶0𝑉0 𝑉+𝑉0 Trong đó: • • C,V nồng độ đầu, thể tích trung bình dùng NaOH Co,Vo, nồng độ cần xác định, thể tích đem chuẩn độ acid acetic Xét chuẩn độ sản phẩm đáy với thể tích trung bình NaOH 0.1 M dùng 4.4ml: 14 - logCB = 14 - log( 1𝑥4.4−𝐶0 𝑥10 4.4+10 )= 8.4 ⟹ Co = 0.044 M Tương tự, tính cho trường hợp nhập liệu sản phẩm ta có được: Bảng 1-3 Nồng độ acid acetic chuẩn độ NaOH 0.1 M Thể tích trung bình NaOH 0.1M (ml) Nồng độ acid acetic (M) Nhập liệu 59.33 0.593 Sản phẩm đỉnh 26.2 0.262 Sản phẩm đáy 4.4 0.044 1.2.2 Tính hiệu suất q trình • • Tỉ lệ nhập liệu – dung môi = 1:4 Công suất bơm 17L/h, thời gian thực trích ly 30 phút = 0.5 h Thể tích dung mơi (W) :VW = 0.8×17L/h × 0.5h = 6.8 L Trang Thể tích nhập liệu: (F) : VF = 0.2×17L/h × 0.5h = 1.7 L Hình 1-1 Giản đồ tam giác hệ Nước – A.Acetic – N-Butanol • Tỉ lệ nhập liệu ban đầu 𝑎𝑥𝑖𝑡 • Khối lượng a.acetic ban đầu: 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑖𝑐 = 𝑁−𝑏𝑢𝑡𝑎𝑛𝑜𝑙 50 = 1000 20 macid bđ = VF×Co ×Macid = 1.7L×0.593mol/L×60g/mol = 60.49 g Khối lượng nhập liệu: F = VF × 𝜌𝐹 = 1700 ml × 0.81 g/ml = 1377 g Trang Khối lượng dung môi: W = VW × 𝜌𝑊 = 6800 ml × 0.994061 g/ml = 6763.28 g • Tỉ lệ khối lượng a.acetic nhập liệu là: ρacetic % macetic = = 0.0608 1.05 =1.05 +20×0.81 ρacetic + 20×ρbutanol ⟹ Xác định điểm F ứng với tỉ lệ 0.0608 đường A.Acetic giản đồ Sau kẻ đường FW với W điểm gốc nước (dung mơi) • Xác định điểm nhập liệu M với tỉ lệ nhập liệu – dung mơi = 1:4: 𝐹𝑀 𝑊 4×ρ𝑤= 𝑀𝑊 𝐹 = 4×0.994061 ρℎỗ𝑛 ℎợ𝑝 = 0.81 = 4.91 Từ đoạn FW, xác định M nằm đoạn FW cho FM = 𝑀𝑊 4.91 MF+MW=12.8 (đo hình) 𝑀𝐹 + 𝑀𝑊 = {12.8 4.91𝑀𝐹 − 𝑀𝑊 = 𝑀𝐹 = 2.17 {𝑀𝑊 = 10.63 • Từ điểm nhập liệu M, kẻ nội suy đường đối tuyến ER nằm E1R1 E2R2, nhờ ta xác định thành phần: % a acetic = 6% % a acetic = 5% Pha raffinare (R): {% n − butanol = 84% Pha trích (E): {%n − butanol = 10% % 𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 = 10% % water = 85% • Tính khối lượng a.acetic theo lý thuyết: Phương trình cân vật chất: E + R = F + W = 1377 + 6763.28 = 8140.28 g (1) Quy tắc đòn bẩy:𝐸 = 𝑀𝑅 𝑅 𝑀𝐸 = (2) (xác định khoảng cách giản đồ) 100 𝐸 = 672𝑔 Giải hệ phương trình gồm (1) (2) ta có được: { 𝑅 = 7468.28𝑔 ⟹ Khối lượng a.acetic thu theo lý thuyết là: macid(E)lt = 5% × E = 5% × 672 = 33.6 g • Tính khối lượng a.acetic theo thực tế: Ta có: VH2O (E) + VH2O (R) = VW = 6800 ml (1) Trang Khối lượng nước pha trích (E) pha raffinate (R) là: mH2O (E) = 672× 85% = 571.2 g Trang mH2O (R) = 7468.28 ×10% = 746.828 g ⟹ VH2O (E) = mH2O (E) mH2O VH2O ® = 571.2 (2) 746.828 ® Giải hệ phương trình gồm (1) (2) ta có được: { VH2O (E) = 2953 ml 𝑉𝐻2 𝑂(𝑅 ) = 3847 𝑚𝑙 Từ Bảng 1-3 ta có nồng độ a.acetic pha trích (E) CE = 0.262 M Khối lượng a.acetic thu theo thực tế là: macid(E)tt =VH2O (E) × CE × Macid = 2953×10-3 L × 0.262 mol/L × 60 g/mol = 46.42 g • Hiệu suất q trình : Hiệu suất lý thuyết: 𝐻𝑙𝑡 = 𝑚𝑎𝑐𝑖𝑑 (𝐸 )𝑡𝑙 33.6 × 100% = × 100 = 55.55% 60.49 𝑚𝑎𝑐𝑖𝑑 𝑏đ Hiệu suất thực(𝐸tế: 𝑚𝑎𝑐𝑖𝑑 )𝑡𝑡 𝐻 = × 100% = 𝑡𝑡 𝑚𝑎𝑐𝑖𝑑 46.42 × 100 = 76.74% 60.49 𝑏đ 90.00% 80.00% 70.00% 76.74% 60.00% 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% 55.55% Hiếu suất thực tế Hiệu suất lý thuyết Hiệu Suất Trích Ly Hình 1-2 Đồ thị so sánh hiệu suất trích ly thực tế lý thuyết ứng với tỉ lệ dung mơi : nhập liệu = 1:4 1.3 Tính hệ số truyền khối Trang • Gọi X1, X2 nồng độ a.acetic đỉnh đáy Ta có: X1 = 0.044 M = 2.64×10-3 kg/L; X2 = 0.262M= 15.72ì10-3 kg/L Trang ã Gi Y1, Y2 ln lt nồng độ acid có nước đỉnh đáy Ta có: Y1 = kg/L Khi đạt trạng thái cân bằng: Vo (X2 – X1) = VW (Y2 – Y1) 𝑉0 ⇒ Y2 = × × 10−3 + = 3.27 × 10−3 2– + 𝑌1 = (15.72 − (X X1) × 2.64) 𝑉𝑤 Đối với hệ Acid acetic – n-butanol - nước, ta có hệ số cân K = 1.613 𝑌 = 𝐾 × 𝑋∗ ⇒ 𝑋∗ = 1 𝑌1 = =0 𝐾 1.613 3.27 × 𝑌2 = 𝐾 × 𝑋 ∗ ⇒ 𝑋 ∗ 𝑌 −3 = = 10 2 1.613 = 2.027 ì 103 ã Lc dẫn động đỉnh tháp: Δ𝑋1 = 𝑋1 − 𝑋1* = 2.64 ì 103 kg/L ã Lc dn ng đáy tháp: Δ𝑋2 = 𝑋2 − 𝑋2* = 15.72 × 10−3 − 2.027 × 10−3 = 13.693 × 10−3 kg/L • Lực dẫn động −3 ∆𝑋1−∆𝑋2 2.64×10−3−13.693×10 ∆𝑋1 2.64×10−3 = = ln ( ) ln ( ) ∆𝑋2 13.693×10−3 Tỉ lệ acid chuyển pha: 𝑌2−𝑌1 𝑟= • Thể tích vật chêm: 𝑋2−𝑋1 𝑉𝑏 = 𝜋𝑑 • Hệ số truyền khối: MTC = ×ℎ = tỉ lệ acid chuyển pha (lực dẫn động × thể tích vật chêm) = 6.7 × 10−3 2.027×10−3 = 0.155 (15.72−2.64)×10−3 𝜋0.05 × 1.2 = 2.356 × 10−3𝑚3 0.155 = 6.7×2.356×10−6 = 9819.32 Trang NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN Một cơng dụng q trình trích ly chất lỏng phân riêng sản phẩm dầu mỏ có cấu trúc hóa học khác nhueng nhiệt độ sôi gần giống Phân đoạn dầu nhờn trích dung mơi phân cực có nhiệt độ sơi thấp phenol, furfural,… để trích chất thơm để lại parafin va napthalen dầu Các chất thơm có đặc trưng nhiệt độ - độ nhớt thấp phân riêng chưng cất cấu tử có khoảng nhiệt độ sôi trung lắp Tương tự chất thơm trích dung mơi phân cực có nhiệt độ sơi cao pha trích chưng cất để thu benzen, toluen xylen nguyên chất Dung môi tốt cho trường hợp hợp chất vòng sulfolan có tính lựa chọn cao với chất thơm độ bay thấp Trong nghiệm nước chọn làm dung mơi đặt tiêu chí dung mơi trích ly lỏng – lỏng như: độ chọn lọc cao; rẻ tiền, dễ kiếm; khơng độc hại; có khối lượng riêng khác xa với khối lượng riêng n-butanol 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình trích ly lỏng lỏng Tính chất dung mơi ảnh hưởng lớn đến q trình trích ly Vì u cầu chung dung mơi: • • • • • • Có tính chọn lọc Tính khơng hịa tan dung mơi Khơng độc, rẻ tiền, dễ kiếm, khơng gây ăn mịn thiết bị Khả thu hồi dễ Khối lượng riêng khác xa cấu tử khơng hịa tan tốt Nhiệt độ sôi thấp để tiết kiệm lựơng Thông thường ta chọn dung mơi có nhiệt độ sơi thấp như: ethyl acetate, methyl isobuthyl ketone, • Hệ số phân bố lớn • Lượng dung mơi: Hiệu suất q trình trích ly phụ thuộc lớn vào lượng dung môi.Với lượng dung môi nước sử dụng nhiều, tức làm tăng diện tích tiếp xúc pha với làm tăng khả tách axit acetic khỏi hỗn hợp butanol- acid acetic cao Hiệu suất trình theo mà tăng lên.Tỷ lệ nhập liệu lớn hiệu suất trích ly cao khơng q lớn làm cho thời gian trích ly dài công đoạn tách dung chất khỏi dung môi tốn Trang • Nhiệt độ tăng cấu tử hịa tan nhiều làm q trình tách khó hơn, thu sản phẩm Nhưng nhiệt độ tăng cao cấu tử hịa tan hồn tồn vào ta khơng thực q trình trích ly Nhiệt độ giảm độ nhớt dung dịch tăng lên làm cho độ khuếch tán giảm Quá trình tách phụ thuộc vào vùng pha nên phải tiến hành nhiệt độ thích hợp để đạt hiệu suất tối đa Vì thế, tùy vào trường hợp cụ thể để chọn nhiệt độ thích hợp • Áp suất ảnh hưởng đến q trình trích ly ảnh hưởng lên độ khuếch tán cấu tử, trừ trường hợp áp suất cao, ảnh hưởng áp suất lên đường cân xem không đáng kể cần thực q trình trích ly áp suất cao áp suất bay hỗn hợp • Thời gian tiếp xúc pha: Nếu thời gian tiếp xúc pha đủ trình truyền vật chất xảy khiđạt cân hai pha Sau nhập liệu vào cột trích ly, ta phải chờ cóhiện tượng tách lớp xảy tháo lấy sản phẩm Đây khoảng thời gian cácpha tiếp xúc xảy trích ly Do đó, cần khoảng thời gian đủ lớn để hệ ổn định, tháo lấy sản phẩm sớm trước khoảng thời gian thu hồi lượng acid thấp, làm giảm hiệu suất q trình thời gian ngắn dẫn đến trích ly khơng hồn tồn • Chiều cao cột trích ly: Cột cao thời gian tiếp xúc pha tăng, trình tách pha dễ dàng Tuy nhiên, khó tháo lắp sửa chữa • Vật liệu chêm diện tích tiếp xúc bề mặt pha: chêm làm tăng diện tích tiếp xúc pha làm cho trình khuếch tán tốt 2.2 Ưu - nhược điểm q trình trích ly lỏng- lỏng  Ưu điểm: • • • Phương pháp đơn giản Thích hợp với chất dễ phân hủy nhiệt độ cao Tách dung dịch đẳng phí chất có độ bay tương đối gần mà phương pháp chưng cất tách • Linh hoạt việc lựa chọn điều kiện vận hành, loại lượng dung môi, nhiệt độ trích ly • Tiết kiệm trích dung dịch q lỗng • Hiệu suất tương đối cao  Nhược điểm: Thường sử dụng dung mơi q, sau trích ly phải tiến hành tách lấy dung môi để tái sử dụng dẫn đến thiết bị phức tạp, cồng kềnh, chi phí cao Trang 2.3 Tại không sử dụng nước máy mà lại sử dụng nước cất? Khơng lẫn tạp chất, ảnh hưởng đến hiệu suất trích ly sản phẩm tinh khiết nước máy, mước máy lẫn nhiều tạp chất, ion kim loại,… làm thay đổi tính chất sản phẩm, ảnh hưởng hiệu suất trích ly 2.4 Tại thí nghiệm nước sử dụng làm dung môi? Mục đích thí nghiệm làm dung mơi Tooluen có lẫn acid acetic dung môi khác nước nước sử dụng làm dung mơi trích ly vì: • • 2.5 Nước có khả hịa tan tốt acid acetic nước acid acetic dung mơi phân cực • Nước khơng độc hại với môi trường Sự khác biệt khối lượng riêng nước n-Butanol nên dễ dàng phân tách chúng Tại thí nghiệm khơng dùng Toluen thay n-Butanol? Toluen • • • • • • • • • • • • n-Butanol Ít tan nước Độ bay cao Không tan cồn Dễ ăn mòn thiết bị Độ nhớt thấp Giá thành cao Hòa tan vừa phải nước nhiệt độ thường Độ bay trung bình Có tính hút ẩm nhẹ Ăn mòn thiết bị thấp Độ nhớt cao toluen Giá thành thấp Trang