báo cáo thực hành bài quá trình cô đặc

-Ứng dụng của quá trình cô đặc bay hơi:+Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch +Tách chất hòa tan ở dạng chất kết tinh + Tách dung môi ở dạng nguyên chất.II.MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH



BÁO CÁO THỰC HÀNH

BÀI: QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

Giảng viên hướng dẫn

: Phạm Văn Hưng

Sinh viên thực hiện

: Phạm Ngọc Châu

Lớp

MSSV

: DHTP17C : 21065281

TP.HCM, ngày 21 tháng 4 năm 2023

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU 3

II MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 3

III THỰC NGHIỆM 3

1 Cơ sở lý thuyết 4

1.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch 4

1.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn 4

1.3 Cân bằng vật chất và năng lượng 4

2 Tiến hành thí nghiệm 6

2.1 Chuẩn bị thí nghiệm 6

2.2 Chuẩn bị dung dịch 7

2.3 Tiến hành thí nghiệm 7

IV KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 8

1.KẾT QUẢ 8

2.XỬ LÝ SỐ LIỆU 8

3.BÀN LUẬN 10

TÀI LIỆU THAM KHẢO 10

2

QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

I GIỚI THIỆU

- Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần

dung môi ở nhiệt độ sôi, dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ -Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi,tương ứng với mọi áp suất khác nhau(áp suất chân không,áp suất thường-hệ thống thiết bị để hở hay áp suất dư) -Các phương pháp cô đặc

+Cô đặc ở áp suất chân không:nhiệt độ sôi dung dịch giảm.Dùng để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường và dung dịch dễ phân hủy vì nhiệt hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ không mong muốn (oxy hóa,đường hóa,nhựa hóa)

+Cô đặc áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dung cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ,để sử dụng hơi thứ cho quá trình cô đặc và các quá trình đun nóng khác -Ứng dụng của quá trình cô đặc bay hơi:

+Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung

dịch +Tách chất hòa tan ở dạng chất kết tinh

+ Tách dung môi ở dạng nguyên chất

II MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- Giúp sinh viên hiểu rõ hơn về quá trình cô đặc và thiết bị cô đặc, vận hành đúng các quy trình thiết bị, đo đạc chính xác các thông số của quá trình và thiết bị

- Tính toán cân bằng vật chất cân bằng năng lượng cho quá trình cô đặc gián

-So sánh năng lượng cung cấp cho quá trình theo lý thuyết và thực tế

- Xác định năng suất và hiệu suất quá trình cô đặc

- Xác định hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ

III THỰC NGHIỆM

3

1 Cơ sở lý thuyết

1.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch

Nhiệt độ sôi của dung dịch là thông số kỹ thuật rất quan trọng khi tính toán và thiết kế thiết bị cô đặc

Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chất tan Nhiệt độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất

Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu của dung dịch trong thiết bị Trên mặt thoáng nhiệt độ sôi thấp, càng xuống sâu nhiệt độ sôi

càng tăng

1.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn

Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng khi năng suất nhỏ và nhiệt năng không có giá trị kinh tế Cô đặc một nồi có thể thực hiện theo

2 phương pháp sau:

- Dung dịch cho vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu

- Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ sung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ dạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới

1.3 Cân bằng vật chất và năng lượng

*Nồng độ

Nồng độ được sử dụng trong quá trình được xác định là khối lượng của chất tan so với khối lượng dung dịch, được biểu diễn dưới dạng:

x̅ = mChat tan (kg)

Ngoài ra, nồng độ còn được xác định là khối lượng chất tan trong thể tích dung dịch, biểu diễn dưới dạng:

̅ m

dung dich

Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như sau:

C

x̅ =

ρ dd

Với ρdd là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m 3 )

*Cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật chất tổng quát:

Lượng chất vào + lượng chất phản ứng = lượng chất ra + lượng chất tích tụ

- Không có lượng tích tụ

- Không có phản ứng hóa học nên không có lượng phản ứng

Do đó phương trình cân bằng vật chất được viết lại:

❖ Đối với chất tan:

Khối lượng chất tan vào = Khối lượng chất tan ra

G đ x̅ đ = G c x̅ c

4

Phương trình này giúp ta tính toán được khối lượng của dung dịch còn lại trong nồi đun sau quá trình cô đặc

Khối lượng dung dịch ban đầu = Khối lượng dung dịch còn lại +

Khối lượng dung hơi thứ

Gđ = Gc + Gw

Phương trình này cho phép tính được khối lượng dung môi đã bay hơi

trong quá trình cô đặc

Trong đó:

Gđ: Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun (kg)

x̅ c: Nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun (kg/kg).

Gc: Khối lượng dung dịch còn lại trên nồi đun (kg)

x̅ c: Nồng độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun (kg/kg)

Gw: Khối lượng dung môi bay hơi (kg)

*Cân bằng năng lượng

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát:

Năng lượng mang vào = năng lượng mang ra + năng lượng thất thoát

Để đơn giản tính toán, chúng ta thường coi như không có mất mát

năng lượng

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Qk1 = P1 τ1

Năng lượng dung dịch nhận được:

Q 1 = G đ C p (T sdd − T đ )

C p = C H2O (1 − x̅)

Phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp (Q k1 đặc trưng cho năng lượng mang vào, Q 1 đặc trưng cho năng lượng mang ra;

bỏ qua tổn thất năng lượng và nhiệt thất thoát thông qua dòng nước giải nhiệt)

Q k1

= Q 1

❖Đối với giai đoạn bốc hơi dung môi

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Qk2 = P2 τ2

Năng lượng nước nhận được để bốc hơi:

Q2 = Gw (iw − CH2O tsdd)

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình Q k2 đặc trưng cho năng lượng mang vào, năng lượng nước nhận được để bốc hơi Q 2

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ

Trong đó:

Qk1: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng (J)

Qk2: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi (J)

Qng: nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận được ở thiết bị ngưng tụ (J)

P1: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình đun nóng (W)

P2: công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình hóa hơi (W)

τ1: thời gian thực hiện quá trình đun sôi dung dịch (s)

τ2: thời gian thực hiện quá trình hóa hơi (s)

Q1 : nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)

5

Q2 : nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi (J)

iw : hàm nhiệt của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường (J/kg )

r w : ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất thường (J/kg)

(Tsdd − Tđ) : chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch ( 0 C)

(Tr − Tv) : chênh lệch nhiệt độ củ nước ra và vào ( 0 C)

VH2O: lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ (m 3 /s)

ρH2O: khối lượng riêng của nước (kg/m 3 )

CH2O: nhiệt dung riêng của nước (J/kg.K)

Cp : nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg.K)

2 Tiến hành thí nghiệm

2.1 Chuẩn bị thí nghiệm

*Kiểm tra các hệ thống phụ trợ

- Bật công tắc nguồn cấp cho tủ điện

- Kích hoạt bộ điều khiển bằng cách chuyển công tắc tổng sang vị trí 1, công tắc đèn hiển thị trắng sáng

- Kích hoạt mô hình thí nghiệm bởi công tắc cấp nguồn cho các thiết bị phụ trợ

để kích hoạt mô hình, lúc này đèn xanh sáng

- Bộ hiển thị số được cấp điện

- Mở van nguồn cung cấp nước giải nhiệt cho hệ thống

- Kiểm tra ống nhựa mềm dẫn nước giải nhiệt đầu ra được đặt đúng nơi quy định

- Mở van V9

- Kiểm tra áp suất hệ thống đạt được 1 bar

- Mở van V6 để lưu thông nước trong thiết bị ngưng tụ

*Kiểm tra mô hình thiết bị

Trước khi thí nghiệm

- Nồi đun và thiết bị kết tinh được tháo hết và sạch

- Các van thoát được đóng: V2, V5, V8

- Thùng chứa dung dịch cô đặc phải rỗng và sạch

- Các van V3 và V4 đóng

Kết thúc thí nghiệm

- Tắt W1

- Khóa van VP1

6

- Đợi cho dung dịch trong nồi đun đạt đến nhiệt độ khoảng 30oC

- Khóa van nguồn nước giải nhiệt cấp cho thiết bị ngưng tụ ECH1

- Tháo hết dung dịch trong nồi đun qua van V2

- Tháo dung môi (nước) trong bình chứa hơi thứ

2.2 Chuẩn bị dung dịch

- Chuẩn bị 5l dung dịch CuSO4 loãng (có thể pha mới theo yêu cầu giáo viên hướng dẫn)

- Xác định nồng độ (g/l)

- Xác định khối lượng riêng dung dịch

2.3 Tiến hành thí nghiệm

- Cho dung dịch nồi đun khoảng 6 lít

- Khóa van V1, VP1

- Kích hoạt bộ gia nhiệt, điều chỉnh công suất lên 100%

- Chỉnh lưu lượng nước cho thiết bị ngưng tụ ECH1 với lưu lượng 80l/h

- Đo thời gian và quan sát dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đun đến khi dung dịch sôi, quan sát nhiệt độ đầu vào và đầu ra của nước giải nhiệt

- Đo nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đến khi dung dịch sôi

- Mở van VP1

- Giảm nhẹ công suất bộ gia nhiệt xuống 75% để giữ nhiệt ổn định nhiệt độ hiệu số giữa TI3 và TI5

- Ghi nhận thời gian thực hiện quá trình từ lúc bắt đầu cho đến khi lượng nước ngưng tụ được 2 lit thì dừng quá trình

- Đo nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ

- Quan sát nhiệt độ của dung dịch trong nồi đun khi thực hiên quá trình

- Đo nồng độ dung dịch sau khi kết thúc quá trình

- Xác định khối lượng riêng của dung dịch sau khi quá trình cô đặc

7

IV KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

1.KẾT QUẢ

nồi đun (phút)

P(W)

(14:15)

2.XỬ LÝ SỐ LIỆU

đ =

2 =

⇒ đ = 2 đ = 997 1,0187 = 1015,6439 (kg/m 3 )

=

549,84= 1,0245

⇒ = 2 = 997 1,0245 = 1021,4265 (kg/m 3 )

̅= = = 0,0281 (kg/kg)

đ

= 43,50 = 0,0425 (kg/kg)

1021,4265

8

❖ Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun

- Dung dịch CuSO4 nạp vào: 7 lít

- Ta có:

̅ 7,1095073 0,0281

đ đ

- Mặc khác:

1 = 1 1 = 1000 (20 60) = 1200000 (J)

= 2

(1 − ̅) = 4180 (1 − 0,0281) = 4062,542 (J/kg.K)

đ

1 =đ ( − đ) = 7,1095073 4062,542 (93,5 − 41,3) = 1507675.478690 (J)

2 = 2 2 = 1000 (60 45) = 2700000 (J)

= ( − ) = 2,40887 (2668,66.1000 − 4203,6.93,5) = 5481680.93956 (J)

❖ Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ

= =

2

2

2 (−).

2 Tính theo lý thuyết

Tính theo thực tế

=

2

200

= 3600.1000 997 4180 (35-32,8).4200 = 2962102338,4615 (J)

❖ Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ

9

Ta có: Q=K.F.∆t

▪ Nhiệt độ nồi đun là 93,5℃

▪ Nhiệt độ nước giải nhiệt vào 33℃

▪ Nhiệt độ nước giải nhiệt ra là 35℃ ∆ 1 = 93,5℃ - 33℃ = 60,5℃

Nên ∆ = ∆ 1+∆ 2

= 60,5 +58,5 = 59,5℃

= = 5464668,2244= 82175,46202(J/m 2 K)

= = 2962102338,4615=22542892,3077 (J/m2.K)

∆

0,2 (59,5+273)

3.BÀN LUẬN

-Có sai số trong quá trình xác định khối lượng chất tan ảnh hưởng đến việc tính toán nồng độ đầu và cuối dung dịch

*Nguyên nhân sai số khi tính toán cân bằng năng lượng và vật chất:

+Thời gian giữa các lần đo bị chênh lệch.

+Nồng độ chất tan sau cô đặc tính được độ chính xác không cao.

-Nồng độ dung dịch tăng lên sau quá trình cô đặc.Năng lượng cho quá trình gia nhiệt thấp hơn cho quá trình bốc hơi

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Giáo trình hướng dẫn thực hành kỹ thuật thực phẩm - Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM.

[2] Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt - truyền khối - Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia TP.HCM.

[3] Sách kỹ thuật thực phẩm 2 - Trường Đại học Công Nghiệp TP.HCM.

10