báo cáo thuyết trình chủ đề chưng cất dung dịch đẳng phí và ứng dụng

Thế kỷ thứ 9: Al-Kindi, nhà hóa học Ả Rập, sử dụng chưng cất để sản xuất rượu và các hợp chất hóa học khác... Định nghĩa: Chưng cất: là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG

*

-BÁO CÁO THUYẾT TRÌNH

Chủ đề: Chưng cất dung dịch đẳng phí và ứng dụng.

Giảng viên: Lê Trọng Huyền

Nhóm sinh viên thực hiện:

St t

Họ và tên sinh viên MSSV

1 Nguyễn Đức Anh 20220133

2 Ngô Thị Thu Hà 20221464

3 Đỗ Đức Mạnh 20221546

4 Vũ Thị Minh Ngọc 20221575

5 Nguyễn Lê Hoài Trân 20221632

Chưng cất dung dịch đẳng phí và ứng dụng.

I-GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ CHƯNG CẤT

 Thời kỳ cổ đại (~ 3000 TCN)

Nguồn gốc sơ khai: Quá trình chưng cất có thể đã được sử dụng từ thời kỳ Babylon để sản xuất tinh dầu từ cây cỏ

Ai Cập cổ đại (thế kỉ thứ 1-2): Người Ai Cập đã biết cách chưng cất để tạo ra các sản phẩm như nước hoa và thuốc

 Thời kỳ trung đại (từ năm 700)

Thế kỷ thứ 8-9: Nhà khoa học Ả Rập Jabir ibn Hayyan (Geber) cải tiến quá trình chưng cất, chế tạo alambic

Thế kỷ thứ 9: Al-Kindi, nhà hóa học Ả Rập, sử dụng chưng cất để sản xuất rượu và các hợp chất hóa học khác

Thế kỷ thứ 12-13: Quá trình chưng cất được truyền bá vào châu Âu qua Tây Ban Nha và Sicilia, trở nên phổ biến trong các nhà giả kim thuật

 Thời kỳ Phục Hưng và Cận Đại:

Trong thời kỳ Phục Hưng: chưng cất đã trở thành một kỹ thuật phổ biến trong các phòng thí nghiệm của các nhà giả kim và nhà khoa học Các thiết bị chưng cất, như alembic, đã được cải tiến và tinh chỉnh

Vào thế kỷ 17 và 18: Robert Boyle và John Dalton đã đóng góp vào sự hiểu biết về quá trình chưng cất và vai trò của áp suất và nhiệt độ trong quá trình này

 Thời kỳ hiện đại (từ năm 1700)

Antoine Lavoisier nghiên cứu và cải thiện kỹ thuật chưng cất

Thế kỷ 19 (1830): Aeneas Coffey phát minh ra cột chưng cất liên tục, nâng cao hiệu quả sản xuất rượu

1890: Quá trình chưng cất phân đoạn được phát triển để tách các thành phần phức tạp hơn

1910-1930: Các thiết bị chưng cất công nghiệp như tháp chưng cất được phát triển và sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa dầu và dược phẩm

1960-1980: Các phương pháp tiên tiến như chưng cất áp suất thấp và chưng cất chân không được phát triển để chưng cất các hợp chất nhạy cảm với nhiệt

2000 trở đi: Sự phát triển của công nghệ cao dẫn đến các phương pháp chưng cất tiên tiến như chưng cất màng, chưng cất siêu âm, và chưng cất không gian

II-TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT

1 Định nghĩa:

Chưng cất: là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng cũng như hỗn

hợp khí – lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử

trong hỗn hợp ( nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau)

Khi chưng hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: Sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất

ít cấu tử có độ bay hơi lớn

2 Bản chất của chưng cất

Bản chất của chưng cất chính là dựa vào nhiệt độ sôi hay nhiệt độ bay hơi khác nhau để tách các cấu tử bằng cách lặp đi lặp lại nhiều lần quá trình bay hơi và ngưng tụ

3 Mục đích của chưng cất

Chưng cất có khá nhiều ứng dụng như:

 Làm sạch các tạp chất như các chất keo, nhựa bẩn, … trong quá trình sản

xuất rượu hoặc chưng cất tinh dầu

 Thu các sản phẩm từ quá trình như chưng cất rượu, chưng cất cồn và chưng cất tinh dầu, …

 Nâng cao chất lượng của sản phẩm vì qua quá trình chưng cất sẽ đem đến

sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn

4 Công dụng của chưng cất

Chưng cất đã không còn là khái niệm xa lạ đối với hầu hết chúng ta bởi vì sự phát triển vượt bậc của công nghiệp rất nhiều hóa chất có độ tinh khiết cao mà chưng cất lại là một phương pháp để tạo ra hóa chất tinh khiết cần thiết đó

Chưng cất được áp dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp như công nghiệp thực phẩm, sinh học và hóa chất, dược phẩm…

5 Các phương pháp chưng cất

 Chưng cất đơn giản (Simple Distillation)

Nguyên lý: Tách các chất lỏng có điểm sôi khác nhau đáng kể (>25°C)

Ứng dụng: Tách nước khỏi dung dịch muối, chưng cất rượu

Quy trình: Hỗn hợp được đun nóng cho đến khi chất lỏng có điểm sôi thấp hơn bay hơi, sau đó hơi này được làm lạnh và ngưng tụ lại thành chất lỏng

 Chưng cất phân đoạn (Fractional Distillation)

Nguyên lý: Tách các chất lỏng có điểm sôi gần nhau (<25°C)

Ứng dụng: Tách các thành phần của dầu thô, sản xuất hóa chất

 Chưng cất áp suất thấp (Reduced Pressure Distillation)

Nguyên lý: Giảm áp suất để hạ thấp điểm sôi của các chất lỏng

Ứng dụng: Chưng cất các hợp chất nhạy cảm với nhiệt độ cao như tinh dầu, hợp chất hữu cơ phức tạp

Quy trình: Sử dụng bơm chân không để giảm áp suất trong hệ thống chưng cất, làm cho các chất lỏng sôi ở nhiệt độ thấp hơn

 Chưng cất chân không (Vacuum Distillation)

Nguyên lý: Chưng cất ở áp suất rất thấp để giảm đáng kể điểm sôi của các chất

Ứng dụng: Tách các chất dễ phân hủy nhiệt, sản xuất dược phẩm

 Chưng cất lôi cuốn hơi nước (Steam Distillation)

Nguyên lý: Sử dụng hơi nước để tách các hợp chất hữu cơ không tan trong nước

Ứng dụng: Tách tinh dầu từ thực vật

 Chưng cất đẳng phí (Azeotropic Distillation)

Nguyên lý: Sử dụng một chất thêm vào để thay đổi điểm sôi của các thành phần trong hỗn hợp

Ứng dụng: Tách hỗn hợp chứa azeotrope, như hỗn hợp ethanol và nước

 Chưng cất chiết xuất (Extractive Distillation)

Nguyên lý:Tách hỗn hợp lỏng dựa trên độ bay hơi khác nhau

Ứng dụng: Chiết xuất tinh dầu, hương liệu; Tách hợp chất hữu cơ, sản xuất dược phẩm; Tách phân đoạn dầu mỏ; Loại bỏ chất ô nhiễm

Quy trình: Trộn hỗn hợp với dung môi phù hợp Chưng cất để tạo hơi Ngưng tụ hơi nước thành chất lỏng Tách pha thành dung môi và thành phần mong muốn Thu hồi thành phần mong muốn

6 Các yếu tố ảnh hưởng

 Thành phần của hỗn hợp azeotropic

 Áp suất hệ thống

 Nhiệt độ hệ thống

 Hiệu suất của tháp chưng cất

III- PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT ĐẲNG PHÍ

1 Định nghĩa

Điểm đẳng phí ( Azeotrope): là một điểm mà tại đó thành phần của hơi và chất lỏng ở trạng thái cân bằng có cùng thành phần

 Điểm đẳng phí dương (Minimum boiling azeotrope): nhiệt độ sôi của hỗn hợp đẳng phí thấp hơn nhiệt độ sôi của từng thành phần riêng lẻ

 Điểm đẳng phí âm (Maximum boiling azeotrope): nhiệt độ sôi của hỗn hợp đẳng phí cao hơn nhiệt độ sôi của từng thành phần riêng lẻ

Hỗn hợp đẳng phí (Azeotrope mixture) là hỗn hợp dung dịch hai cấu tử sôi ở nhiệt độ xác định

Hình1: Giản đồ nhiệt độ thành phần của hệ tạo dung dịch đẳng phí

2 Quy trình chưng cất đẳng phí

B1: Chuẩn bị nguyên liệu

 Chọn hỗn hợp ban đầu

 Chọn chất tách đẳng phí

B2: Thêm chất tách đẳng phí

 Thêm chất tách vào hỗn hợp

B3: Chưng cất hỗn hợp

 Đun nóng hỗn hợp

 Tách pha hơi và pha lỏng

B4: Ngưng tụ và tách thành phần

 Ngưng tụ pha hơi

 Tách các thành phần

B5: Tái chế và thu hồi chất tách đẳng phí

 Thu hồi chất tách đẳng phí

 Tái chế chất tách đẳng phí

Ví dụ thực tiễn : Đối với ethanol và nước:

 Chuẩn bị hỗn hợp ban đầu: Hỗn hợp ethanol và nước (95.6% ethanol và 4.4%

nước theo khối lượng)

 Thêm benzene: Thêm benzene vào hỗn hợp ethanol và nước

 Chưng cất hỗn hợp: Đun nóng hỗn hợp, ethanol và benzene sẽ bay hơi và tách ra

khỏi nước

 Ngưng tụ pha hơi: Hơi ethanol và benzene được ngưng tụ lại thành pha lỏng

 Tách benzene: Tách benzene khỏi ethanol bằng cách chưng cất bổ sung

 Thu hồi và tái chế benzene: Thu hồi benzene và tái sử dụng cho các chu kỳ chưng cất tiếp theo

Hệ thống chưng đẳng phí gồm hai tháp chưng và một decanter Hỗn hợp rượu – nước được đưa vào tháp đầu tiên Cấu tử phá đẳng phí được cho thêm tại

decanter và tạo hỗn hợp dị đẳng phí với nước Tại tháp thứ nhất rượu tinh khiết

là sản phẩmddays, sản phẩm hơi rượu – nước được ngưng tụ và đưa sang

decanter Pha nhẹ giàu ethanol được tuần hoàn lại làm dòng hồi lưu cho tháp thứ nhất, pha nặng giàu ethanol được chuyển sang tháp thứ hai, nước tinh khiết được tháo ở đáy, hỗn hợp hơi rượu nước được ngưng tụ quay trở lại decanter

Có thể thêm 1 tháo chưng và 1 decanter như hệ thống chưng dị đẳng phí để thu được dung môi tinh khiết, tuy vậy do đây không phải sản phẩm chính nên không cần thiết

IV- ỨNG DỤNG

1 Sản xuất ethanol tuyệt đối:

 Sản xuất ethanol tinh khiết ở nồng độ 96,5% bằng cách sử dụng hỗn hợp đẳng phí nước và rượu ethanol

 Hỗn hợp gần đến điểm đẳng phí được xử lý trong tháp chưng đẳng phí với các cấu tử

phá đẳng phí như benzene, pentane, cyclohexane, hexane, heptane, isooctane, acetone hoặc diethyl ether

 Benzene thường được sử dụng nhưng hiện không được khuyến khích vì tính độc hại,

có thể thay thế bằng toluene

2.Tách hỗn hợp hydrocarbon:

Trong ngành công nghiệp dầu khí, chưng cất đẳng phí được sử dụng để tách các

hydrocarbon có điểm sôi gần nhau, chẳng hạn như tách n-heptane từ các isomer của nó hoặc tách các hydrocarbon nhẹ từ dầu thô

3.Ứng dụng trong dược phẩm:

 Trong ngành công nghiệp dược phẩm, chưng cất đẳng phí có thể được sử dụng để tách các dung môi ra khỏi sản phẩm dược phẩm hoặc để tinh chế các thành phần hoạt tính

 Điều chế penicillin:

 Nuôi cấy nấm Penicillium notatum:

Nấm Penicillium notatum được nuôi cấy trong môi trường dinh dưỡng thích hợp, thường là môi trường thạch Czapek-Dox (Czapek-Dox agar) hoặc môi trường nước Czapek-Dox (Czapek-Dox broth) Môi trường nuôi cấy cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của nấm, bao gồm carbon, nitơ, các nguyên tố khoáng chất và vitamin Nấm được nuôi cấy trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm phù hợp, thường là 25-28°C và độ ẩm 70-80% Sau 7-10 ngày nuôi cấy, nấm phát triển mạnh

và sản sinh ra penicillin

 Thu hồi penicillin:

Hỗn hợp nuôi cấy nấm được lọc để thu hồi penicillin Quá trình lọc có thể sử dụng các phương pháp như lọc bằng vải, lọc bằng màng lọc hoặc lọc bằng máy ly tâm Nước lọc chứa penicillin được gọi là dịch lọc

 Tách chiết penicillin bằng chưng cất đẳng phí:

Dịch lọc được cô đặc bằng cách bay hơi một phần dung môi để tăng nồng độ

penicillin Dịch lọc cô đặc được đưa vào thiết bị chưng cất đẳng phí Quá trình chưng

cất đẳng phí dựa trên sự khác biệt về điểm sôi của penicillin và các tạp chất khác trong dịch lọc Penicillin có điểm sôi thấp hơn nhiều so với các tạp chất khác, do đó,

nó sẽ bay hơi trước và được thu hồi ở dạng hơi Hơi penicillin được ngưng tụ bằng cách làm lạnh để thu hồi penicillin dạng lỏng

 Cô đặc và sấy khô penicillin:

Penicillin dạng lỏng được cô đặc thêm bằng cách bay hơi một phần dung môi Penicillin cô đặc được sấy khô bằng phương pháp sấy phun hoặc sấy chân không để thu hồi penicillin dạng bột

4.Sản xuất các hóa chất tinh khiết:

Để sản xuất các hóa chất có độ tinh khiết cao, chẳng hạn như các axit hữu cơ, este, và các hợp chất hữu cơ khác, chưng cất đẳng phí có thể được sử dụng để loại bỏ các tạp chất hoặc các dung môi

5.Công nghiệp hóa chất:

Trong sản xuất và tinh chế các hóa chất hữu cơ, nhiều quá trình yêu cầu sự tách các hỗn hợp có điểm sôi gần nhau hoặc có hỗn hợp đẳng phí Chưng cất đẳng phí giúp tối

ưu hóa quá trình sản xuất và tăng chất lượng sản phẩm

6.Sản xuất dung môi hữu cơ:

Nhiều dung môi hữu cơ tạo thành hỗn hợp đẳng phí với nước Ví dụ, methanol và nước tạo thành một hỗn hợp đẳng phí Để thu được methanol khan, chưng cất đẳng phí có thể được áp dụng với sự thêm vào của một chất tạo đẳng phí như toluene

V- ƯU ĐIÊM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT ĐẲNG PHÍ

Ưu điểm:

 Hiệu quả cao trong việc tách chiết các hỗn hợp có thành phần có độ bay hơi tương đối gần nhau

 Có thể áp dụng cho các hỗn hợp nhiệt độ sôi cao, dễ bị phân hủy

 Ít ảnh hưởng đến cấu trúc của các hợp chất cần tách chiết

Nhược điểm:

 Quá trình vận hành phức tạp hơn so với chưng cất thông thường

 Cần sử dụng dung môi phụ phù hợp, có thể gây ảnh hưởng đến môi trường

 Hiệu quả tách chiết phụ thuộc vào độ chọn lọc của dung môi phụ