Báo cáo tiểu luận thiết bị chưng cất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO TIỂU LUẬN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN SVTH: Lê Thị Huỳnh Như MSSV: 2005200140 LỚP: 11DHTP6 Đặng Liên Như MSSV: 2005300554 LỚP: 11DHTP7 Nguyễn Lê Huỳnh Như MSSV: 2005201209 LỚP: 11DHTP7 Nguyễn Thị Thùy Phương MSSV: 2005200455 LỚP: 11DHTP7 TPHCM, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM BÁO CÁO TIỂU LUẬN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT GVHD: NGUYỄN HỮU QUYỀN SVTH: Lê Thị Huỳnh Như MSSV: 2005200140 LỚP: 11DHTP6 Đặng Liên Như MSSV: 2005300554 LỚP: 11DHTP7 Nguyễn Lê Huỳnh Như MSSV: 2005201209 LỚP: 11DHTP7 Nguyễn Thị Thùy Phương MSSV: 2005200455 LỚP: 11DHTP7 TPHCM, 2022 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Định nghĩa 1.2 Phân loại 1.3 Hỗn hợp hệ hai cấu tử .2 CHƯƠNG 2.1 CHƯNG CẤT ĐƠN GIẢN .4 Sơ đồ chưng cất đơn giản .4 2.2 Nguyên tắc .4 2.3 Ứng dụng chưng cất đơn giản CHƯƠNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC 3.1 Sơ đồ chưng cất liên tục 3.2 Nguyên tắc làm việc tháp 3.3 3.4 Cân vật chất Phương trình làm việc 3.5 Xác định số mâm lí thuyết 3.6 Cân nhiệt lượng 10 3.7 Hiệu suất trình chưng cất .13 CHƯƠNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT 15 4.1 Thiết bị chưng cất đơn giản 15 4.2 Thiết bị chưng cất liên tục 16 4.2.1 Tháp mâm 16 4.2.2 Tháp đệm .18 KẾT LUẬN .21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 21 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2-1 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất đơn giản Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất liên tục Hình 3-2 Mô nguyên lý làm việc tháp Hình 3-3 Đồ thị mâm lý thuyết chưng cất Hình 3-4 Tháp cân nhiệt lượng trình chưng cất 10 Hình 4-1 Thiết bị chưng cất đơn giản 15 Hình 4-2 Thiết bị chưng cất đơn giản dùng nước 15 Hình 4-3 Thiết bị chưng cất đơn giản dùng nước 16 Hình 4-4 Tháp mâm chóp 17 Hình 4-5 Tháp mâm xuyên lỗ 18 Hình 4-6 Vật liệu đệm tăng hiệu trình truyền khối 19 Hình 4-7 Tháp đệm 19 MỞ ĐẦU Chưng cất có vai trò quan trọng việc làm tạp chất chất keo, nhựa bẩn, … trình sản xuất rượu chưng cất tinh dầu Thu sản phẩm từ trình chưng cất rượu, chưng cất cồn chưng cất tinh dầu, … Ngoài cịn nâng cao chất lượng sản phẩm qua q trình chưng cất đem đến sản phẩm có độ tinh khiết cao Vì trình chưng cất thiết bị chưng cất lưu tâm nghành cơng nghệ sản xuất Hiện có nhiều phương pháp chưng cất thiết bị chưng cất thị trường người quan tâm Hiểu tầm quan trọng nên nhóm chúng em xin chọn đề tài “THIẾT BỊ CHƯNG CẤT” với mong muốn tìm hiểu rõ vấn đề liên quan xoay quanh vấn đề CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Định nghĩa Chưng cất phương pháp dùng để tách hỗn hợp chất lỏng hỗn hợp khí – lỏng thành cấu tử riêng biệt, dựa vào độ bay khác cấu tử hổn hợp Nguyên tắc chưng cất: dựa vào độ bay khác cấu tử Q trình chưng cất, cấu tử bị hóa hơi:  Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay lớn, nhiệt độ sơi thấp  Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay thấp, nhiệt độ sơi cao Ví dụ: Đối với hệ nước – acid axetic  Sản phẩm đỉnh nước  Sản phẩm đáy acid axetic 1.2 Phân loại Trong q trình sản xuất, có số phương pháp chưng cất sau:  Chưng cất đơn giản: tách hỗn hợp gồm cấu tử có độ bay khác  Chưng cất nước trực tiếp: tách hỗn hợp chất khó bay tạp chất không bay  Chưng cất chân không: dùng trường hợp nhiệt độ sôi cấu tử cầu hạ xuống  Chưng cất hai cấu tử  Chưng cất đa cấu tử  Chưng cất phân đoạn 1.3 Hỗn hợp hệ hai cấu tử Phân loại hỗn hợp hai cấu tử:  Dung dịch lý tưởng: dung dịch có lực liên kết phân tử loại khác loại nhau, cấu tử hòa tan vào theo tỉ lệ Cân lỏng – hoàn toàn với định luật Raoult  Dung dịch thực: dung dịch khơng hồn tồn tn theo định luật Raoult Sự sai lệch với định luật dương lực liên kết phân tử loại lớn lực liên kết phân tử khác loại ngược lại Trường hợp lực liên kết phân tử khác loại bé so với lực liên kết phân tử loại dung dịch phân lớp, cấu tử khơng hịa tan vào Căn vào mức độ hịa tan, chia dung dịch hai cấu tử thành nhóm  Chất lỏng hòa tan vào theo bất cử tỉ lệ  Chất lỏng hòa tan phần vào  Chất lỏng khơng hịa tan vào CHƯƠNG CHƯNG CẤT ĐƠN GIẢN Chưng cất đơn giản: Tách hỗn hợp cấu tử có độ bay khác Thường để làm sơ làm cấu tử khỏi tạp chất  Chưng cất bay dần dần: Chủ yếu dùng phịng thí nghiệm để xác định đường cong chưng cất Enghen  Chưng cất bay lần: Cho phép nhận phần chưng cất lớn so với bay điều kiện nhiệt độ áp suất  Chưng cất bay nhiều lần: Cho phép trình tách phân đoạn theo mong muốn  Chưng cất đơn giản hồi lưu: sản phẩm đỉnh hồi lưu phần phần nguyên liệu nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi tăng độ tinh cho sản phẩm 2.1 Sơ đồ chưng cất đơn giản Hình 2-1 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất đơn giản 2.2 Nguyên tắc Chưng cất đơn giản q trình có giai đoạn pha lỏng cho bốc hơi, pha tạo nên luôn trạng thái cân với pha lỏng lại thiết bị Dung dịch cho vào nồi chưng Hơi tạo thành vào thiết bị ngưng tụ Sau ngưng tụ làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết chất lỏng vào thùng chứa Thành phần chất lỏng ngưng luôn thay đổi sau đạt yêu cầu chưng, chất lỏng lại nồi tháo 2.3 Ứng dụng chưng cất đơn giản Chưng cất đơn giản ứng dụng cho trường hợp sau:  Khi nhiệt độ sôi hai cấu tử khác xa  Khi khơng địi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao  Tách hỗn hợp lỏng khỏi tạp chất không bay  Tách sơ hỗn hợp nhiều cấu tử Ưu điểm chưng cất đơn giản: thiết bị đơn giản, thực dễ dàng, trình thường thực gián đoạn Trong công nghệ thực phẩm, phương pháp ứng dụng để sản xuất loại tinh dầu thô từ thực vật loại rượu thủ công CHƯƠNG CHƯNG CẤT LIÊN TỤC 3.1 Sơ đồ chưng cất liên tục Hình 3-1 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng cất liên tục Tháp chưng luyện gồm có hai phần:  Đáy tháp: phần gồm từ đĩa tiếp liệu trở xuống gọi đoạn chưng (trong đoạn chưng có phận đun bốc phận đun bốc đặt hay tháp)  Đỉnh tháp: phần gần từ đĩa tiếp điện trở lên gọi đoạn luyện Tháp thiết bị đun nóng: dùng đun hỗn hợp đầu Thiết bình chứa cao vị: có tác dụng điều áp điều chỉnh dung lượng trước vào thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu, nhờ thiết bị làm việc ổn định theo tính tốn thiết kế Thiết bị ngưng tụ hồi lưu (TBNT): nước bên ngoài, nước lạnh ống Thiết bị làm lạnh (TBLL): để làm lạnh sản phẩm đỉnh 3.2 Nguyên tắc làm việc tháp  Hơi lên qua lỗ đĩa, chất lỏng chảy từ xuống theo ống chảy chuyền  Nồng độ cấu tử thay đổi theo chiều cao tháp,nhiệt độ sôi thay đổi tương ứng với thay đổi nồng độ  Trên đĩa xảy trình chuyển khối pha lỏng pha  Do phần cấu tử dễ bay chuyển từ pha lỏng vào pha phần chuyển từ pha vào pha lỏng  Quá trình chưng cất thực thiết bị lọai tháp làm vịêc liên tục hay gián đọan Hình 3-2 Mơ ngun lý làm việc tháp 3.3 Cân vật chất Phương trình cân cho toàn chất F=W+D F xF = W xW + D xD Trong đó:  F, W, D - suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy đỉnh, kmol/h  xF , xW, xD - phần mol cấu tử dễ bay nhập liệu, sản phẩm đáy đỉnh 3.4 Phương trình làm việc Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn cất Giả thuyết:  Số mol pha từ lên tất tiết diện tháp  Hỗn hợp đầu vào tháp nhiệt độ sơi  Chất lỏng thiết bị ngưng có thành phần thành phần khỏi đỉnh tháp  Đun sôi đáy tháp đốt gián tiếp  Số mol chất lỏng không đổi theo chiều cao đọan cất chưng 3.4.1 Phương trình làm việc phần cất Với R = số hồi lưu (tỷ số hoàn lưu) tháp : lượng lỏng hồi lưu (hồn lưu), kmol/h 3.4.2 Phương trình đường nồng độ làm việc đoạn chưng Với L=lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh 3.4.3 Chỉ số hồi lưu tỷ số hoàn lưu R = b  Rmin R = 1,3  Rmin + 0,3 R =  Rmin Với Rmin tỷ số hoàn lưu tối thiểu Phương pháp đại số Rmin = : nồng độ pha cân ứng với nồng độ nhập liệu pha lỏng xF, tìm từ bảng t – xy Yêu cầu số hồi lưu  Xác định lượng R cho thích hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật:  Nếu lượng hồi lưu q bé tháp vơ cao, điều khó thực  Nếu lượng hồi lưu tăng số mâm lý thuyết giảm, đường kính thiết bị tăng, kích thước thiết bị ngưng tụ tăng, nhiệt cung cấp cho nồi đun tăng, công cung cấp cho bơm tăng => chi phí tăng lượng sản phẩm đỉnh giảm 3.5 Xác định số mâm lí thuyết Các bước xác định:  Xác định số hồi lưu  Vẽ đường cân  Xác định điểm đặc biệt (B,D)  Vẽ đường cho điểm đặc biệt (BD)  Xác định điểm (F) dựa vào xF BD  Vẽ đường làm việc phần chưng phần cất  Vẽ số bậc thang thay đổi nồng độ, điểm (D)  Số bậc thang số mâm lí thuyết Hình 3-3 Đồ thị mâm lý thuyết chưng cất 3.6 Cân nhiệt lượng Hình 3-4 Tháp cân nhiệt lượng trình chưng cất 3.6.1 Cân nhiệt lượng thiết bị đun nóng Với : Thay giá trị vào ta kg/s : nhiệt lượng đốt mang vào W : lượng đốt kg/s : nhiệt lượng dung dịch đầu mang vào W : nhiệt lượng hỗn hợp mang khỏi thiết bị vào tháp chưng W : nhiệt lượng khỏi môi trường xung quanh W Thường r: ẩn nhiệt hóa hơi đốt J/kg F: lượng hỗn hợp đầu kg/s : nhiệt dung riêng hỗn hợp đầu J/kg.độ 10 = 5% : nhiệt độ đầu hỗn hợp C : nhiệt dung riêng hỗn hợp J/kg.độ : nhiệt độ dung dịch C 3.6.2 Cân nhiệt tháp Với: : nhiệt mang W : nhiệt sản phẩm đáy mang W : nhiệt mát môi trường xung quanh Thường lấy 5% W : nhiệt lượng mơi trường bên ngồi mang vào W : nhiệt lượng hỗn hợp mang khỏi thiết bị vào tháp chưng W D : lượng sản phẩm đỉnh kg/s : số hồi lưu thích hợp λ: nhiệt lượng riêng hỗn hợp W: lượng sản phẩm đáy kg/s : nhiệt dung riêng sản phẩm đáy J/kg.độ : nhiệt độ sản phẩm đáy C : nhiệt dung riêng chất lỏng hồi lưu J/kg.độ : nhiệt độ chất lỏng hồi lưu C 11 : nhiệt dung riêng hỗn hợp J/kg.độ : nhiệt độ dung dịch C , : nhiệt lượng riêng cấu tử hỗn hợp J/kg : nồng độ cấu tử hỗn hợp % khối lượng 3.6.3 Cân nhiệt lượng thiết bị ngưng tụ  Nếu ngưng hồi lưu Lượng nước lạnh tiêu tốn : nhiệt dung riêng nước nhiệt độ trung bình r: ẩn nhiệt hóa J/kg , : nhiệt độ vào nước C  Nếu ngưng tụ hoàn toàn Lượng nước lạnh tiêu tốn G= kg/s 3.6.4 Cân nhiệt lượng thiết bị làm lạnh : nhiệt độ đầu vào sản phẩm đỉnh : nhiệt dung riêng sản phẩm đỉnh nhiệt độ trung bình lượng nước lạnh tiêu tốn cho trình làm nguội sản phẩm đỉnh nhiệt dung riêng nước nhiệt độ trung bình 12 : nhiệt độ vào nước C 3.7 Hiệu suất trình chưng cất Hiệu suất tổng quát: hiệu suất đơn giản sử dụng xác nhất, tỉ số số mâm lý thuyết số mâm thực cho toàn tháp Hiệu suất mâm: Tỉ số biến đổi nồng độ pha qua mâm với biến đổi nồng độ cực đại đạt pha rời mâm cân với pha lỏng rời mâm thứ n : nồng độ thực pha mâm thứ n + 1: nồng độ thực pha vào mâm thứ n tính từ lên : nồng độ pha cân với pha lỏng rời ống chảy truyền mâmm thứ n Hiệu suất tổng quát không với hiệu suất trung bình mâm Hai hiệu suất có mối liên hệ tùy thuộc vào độ dốc tương đối đường cân với đường làm việc 13 CHƯƠNG THIẾT BỊ CHƯNG CẤT 4.1 Thiết bị chưng cất đơn giản Hình 4-2 Thiết bị chưng cất đơn giản Hình 4-3 Thiết bị chưng cất đơn giản dùng nước Một chưng cất gồm:  Bình chưng cất (bình chứa)  Ống sinh hàn (thiết bị ngưng tụ)  Giá đỡ  Bình chứa sản phẩm  Thiết bị cung cấp nhiệt (đèn cồn, bếp điện, ) Đây thiết bị chưng cất nước dùng để tách hỗn hợp gồm cấu tử có độ bay khác 15 Một loại thiết bị chưng cất đơn giản khác thiết bị chưng cất trực tiếp nước dùng để tách hỗn hợp gồm chất khó bay tạp chất khơng bay hơi, thường ứng dụng trường hợp chất tách không tan nước Hình 4-4 Thiết bị chưng cất đơn giản dùng nước 4.2 Thiết bị chưng cất liên tục Trong trình sản xuất, người ta sử dụng nhiều loại thiết bị chưng cất khác với yêu cầu giống địi hỏi diện tích tiếp xúc pha phải lớn Điều phụ thuộc vào độ phân tán lưu chất vào lưu chất  Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng dùng loại tháp mâm  Nếu pha lỏng phân tán vào pha khí dùng loại tháp chêm hay tháp phun 4.2.1 Tháp mâm Tháp mâm hay gọi tháp đĩa sử dụng nhiều kỹ thuật hóa học có chưng cất Có thể phân loại dựa vào cấu tạo mâm tháp mâm xuyên lỗ, tháp mâm chóp,… Tháp mâm có cấu tạo tháp hình trụ thẳng đứng 16 Hình 4-5 Tháp mâm chóp Ngun tắc hoạt động: chất lỏng chảy từ xuống, từ mâm xuống mâm dưới, khí từ lên xuyên qua rãnh chóp để sục vào lớp chất lỏng mâm Ưu điểm:  Hiệu suất truyền khối cao  Ổn định  Ít tiêu hao lượng nên có số mâm Nhược điểm :  Chế tạo phức tạp  Trở lực lớn 17 Hình 4-6 Tháp mâm xuyên lỗ Ưu điểm:  Chế tạo đơn giản  Vệ sinh dễ dàng  Trở lực thấp tháp chóp  Ít tốn kim loại tháp chóp Nhược điểm:  Yêu cầu lắp đặt cao: mâm lắp phải phẳng, tháp có đường kính lớn (>2.4m) người ta thường dùng mâm xun lỗ chất lỏng phân phối không mâm 4.2.2 Tháp đệm Tháp đệm hay gọi tháp chêm, tháp đệm chất lỏng chảy từ xuống theo bề mặt đệm khí từ lên phân tán chất lỏng bề mặt tiếp xúc pha bề mặt thấm ướt đệm Tháp có dạng hình trụ, bên đổ đầy đệm Các loại đệm phổ biến bao gồm:  Đệm vịng kích thước từ 10 – 100mm  Đệm hạt kích thước từ 20 – 100mm  Đệm xoắn đường kính dây cỡ 0,3 đến 1mm, đường kính vịng xoắn cỡ đến 8mm chiều dài dây khơng q 25m 18  Đệm lưới gỗ Hình 4-7 Vật liệu đệm tăng hiệu trình truyền khối Tất loại đệm có yêu cầu chung:  Bề mặt riêng lớn  Thể tích tự  Khối lượng riêng bé  Bền hóa học Trong thực tế, tất loại đệm không đáp ứng đủ hết điều kiện theo yêu cầu mong muốn, nên tùy theo điều kiện cụ thể mà chọn loại đệm phù hợp Ống bay Ống hoàn lưu Ống phân phối lỏng hoàn lưu Tầng đệm Ống vào Ống lỏng Lưới đỡ đệm Dòng nhập liệu vào Đĩa phân phối lỏng Hình 4-8 Tháp đệm Ưu điểm:  Chế tạo đơn giản 19  Hiệu suất cao bề mặt tiếp xúc lớn  Trở lực thấp tháp khơng lớn  Giới hạn làm việc tương đối rộng Nhược điểm:  Kém ổn định phân bố pha theo tiết diện tháp khơng  Khó làm ướt nhiều đệm  Sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm sốt q trình chưng cất theo khơng gian tháp tháp mâm q trình thể qua mâm cách rõ ràng ,  Tháp chêm khó chế tạo kích thước lớn qui mô công nghiệp 20 KẾT LUẬN Chưng cất phương pháp quan trọng việc tách hỗn hợp khí – lỏng, lỏng – lỏng thành cấu tử riêng biệt công nghệ thực phẩm Bài tiểu luận giúp hiểu chưng cất, phương pháp chưng cất Ngồi ra, cịn xác định số mâm lý thuyết hiệu suất làm việc q trình chưng cất Đây phương pháp có mặt từ lâu đời, sử dụng lâu đời phương pháp quan trọng 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM, Giáo trình Kỹ thuật thực phẩm 3, năm 2021 [2] Chưng cất, truy cập ngày 10/06/2022, từ https://123docz.net/document/4237632bai-8-chung-cat-thi-nghiem-qua-trinh-thiet-bi.htm [3] chưng cất gì, truy cập từ ngày 12/06/2022, từ https://tschem.com.vn/chung-catla-gi/ [4] Quá trình chưng cất, truy cập từ ngày 12/06/2022, từ https://tailieu.vn/doc/quatrinh-chung-cat-1253255.html [5]Quy trình chưng cất đơn giản, truy cập từ ngày 10/06/2022 từ https://vi.thpanorama.com/articles/qumica/destilacin-simple-proceso-y-ejemplos.html [6] Hệ thống tháp chưng luyện - Tháp chưng cất - Phần 2, truy cập ngày 9/6/2022 từ http://thietbicongnghiep.vn/home/print.php?module=news&iData=179&iCat=1321 22