Báo cáo thực hành các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học bài 7 quá trình cô Đặc

Trong giai đoạn bốc hơi dung môi nhiệt độ trong nồi đun tăng dần từ 30°C lên 93,7°C, năng lượng cho quá trình gia nhiệt thấp hơn năng lượng cho quá trình bốc hơi dung môi.. Năng lượng d

BO CONG THUONG TRUONG DAI HOC CONG NGHIEP TP.HCM

KHOA CONG NGHE HOA

AAAAK

‘@)}

INDUSTRIAL UNIVERSITY

OF HOCHIMINH CITY

BAO CAO THUC HANH CAC QUA TRINH VA THIET BI TRONG CONG NGHE HOA

HOC BAI 7: QUA TRINH CO DAC

Nhóm 3 GVHD: Võ Thanh Hướng

SVTH: Lương Đỗ Đắc

MSSV: 14127431 Ngày thực hành: 27/10/2017

TP Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2017

TÓM TẮTT 22-52 2212211221221122112112 1112122112111 1e 1 BAI 7 QUA TRINH CO DAC ccccccccessesscssessesecsevsessessessnssnsesevscsesesevsnsesivssevsnseses 1 ToL GIGI THIEU Lecce ccccceccecssecseessesssesseeseseresssessssretarersesteesaressetisaresstaeaeeseees 1 7.2 MUC DICH THI NGHIEM 00 coc ccccccccecccessesssesseeseesresssessesseseseessntiesenseessessen 2 7.3 CƠ SỞ LÍ THUYÊT -2-©2+22E221222127112712121 1112112211221 2012 21212 erre 2

7.3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch 222 112112211121 1121115112111 1 22x re 2 7.3.2 Cô đặc một nồi làm việc Đián đOạn 2 c2 2 2 12211211 1211121 1118211 xe 2 7.3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng - 2-12 122112121121 218g 2

r0 (oi, ggy(( ẮÃIẮĂẮÝ 2

rô Nes ca ca na .dẢỶÝẢÁ 3

7.3.3.3 Cân bằng năng lượng 5 s1 E1 1121121211111 121111212 crrg 4

7.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 2522 S22222122122112711211221121122122222 2e 6 7.4.1 Sơ đồ hệ thông - +5 ST 1121121111211 1121111212122 11 1 11 n1 ng 6

7.4.2 Trang thiết bị, hóa chất c2 111 21tr 9

7.5 TIEN HÀNH THÍ NGHIỆM - 5 5s 9 E212 1211101111228 1e rrg 10 7.5.1 Chuẩn bị thí nghiệm 2-5 S1 21221111211 112111 1211212121111 1e rr te 10

7.5.1.1 Kiểm tra các hệ thống phụ trỢ cece 122122211211 1212121 1218 11tr ra 10

7.5.1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị -.- ¿+2 S£EE2E221221E212712111127221E 1122 2Xe 11 7.5.1.3 Chuẩn bị dung dịch 22 s2 2E1 1211212111172 1222k 11 7.5.2 Báo cáo kết quả thí nghiệm 1 S1 2E 1111211211212 8e 11

7.5.2.1 Thu nhận số liệu thực nghiỆm -. cece 221122112211 121 1551251111 8xx 11

7.5.2.2 Kl SO WOU cece cee ceseessessessseesesessessseesestaretectinseesanesestieseetanetees 11 7.5.2.3 Kết quả xử lí số liệu - - s11 2221115211 1211111211211211 2111 nga 13

7.5.2.4 Nhận Xết S22 c0 222111111121111111000221111 1022211111201 001 xe6 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO -.252-22222222211222111227111222111 2221 1.1 re 15

Hinh 7.2: So dé nguyên lí hệ thống CÔ đẶC HH HH HH ng TT se 8

Hình 7.3: Các thành phần trên tủ điều khiến - 2 5c s22 222EExczeg 10

Hình 7.4: Đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch CuSỚi 11

Bảng 7.1: Số liệu thu nhận được 2 + S2 21911 22121111211 111cc rrre 13

Bảng 7.2: Các giá trị khối lượng của dung dịch cô đặc - 15 Bang 7.3: Cac giá trị nhiệt lượng cung cấp cho quá trình scs5s¿ 15

TOM TAT

Sau quá trình cô đặc nỗng độ dung dịch tăng từ 0,01 lên 0,022 Trong giai đoạn bốc

hơi dung môi nhiệt độ trong nồi đun tăng dần từ 30°C lên 93,7°C, năng lượng cho quá

trình gia nhiệt thấp hơn năng lượng cho quá trình bốc hơi dung môi Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình lớn hơn năng lượng đung dịch nhận được vì có một phần đã thất thoát qua dòng nước giải nhiệt.Giai đoạn đun sôi dung dịch: theo lý thuyết thì Q,, =

Q; nhưng trên thực tế thì Q,¡> Q¡ nghĩa là nhiệt lượng cung cấp cho nổồi đun cao hơn nhiệt

lượng dung dịch nhận được

BÀI 7 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

7.1 GIỚI THIỆU

Cô đặc là quá trình nồng độ của dung dịch ( chứa chất tan không bay hơi ) bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi Dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi

là hơi thứ

Mục đích của quá trình cô đặc

- _ Làm tăng nồng độ của chất hòa tan trong dung dịch

- Tach chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tính)

- Tach dung môi ở đạng nguyên chất (nước cắt )

Quá trình cô đặc được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn công nghiệp sản xuất hóa chất, thực phâm: Cô đặc đường trong nhà máy sản xuất đường, cô đặc xút trong các nhà máy sản xuất phèn nhôm, cô đặc các dịch trích ly từ các nguyên vật liệu trong tự nhiên:

cả phê, hồi,

Quá trình cô đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, tương ứng với mọi ấp suất khác nhau ( áp suất chân không, áp suất thường — hệ thông thiết bị để hớ hay áp suất dư)

Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt sôi dung dich giảm đo đó chỉ phí hơi đốt giảm Cô đặc chân không dung để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường

và dung dịch dễ bị phân hủy vì nhiệt hoặc có thê sinh ra phản ứng phụ không mong muốn

( oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa )

Cô đặc áp suất cao hơn áp suất khí quyên thường dung cho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt 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

Cô đặc ở áp suất khí quyền thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí

Trong hệ thông cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường được làm việc ở áp suất lớn

hơn áp suất khí quyên , các nồi sau làm việc ở áp suất chân không

7.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- - Vận hành được hệ thông thiết bị cô đặc gián đoạn, đo đạc các thông số quá trình

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

- _ So sánh năng lượng cung cấp cho quá trình theo lí 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

7.3 CƠ SỞ LÍ THUYẾT

7.3.1, Nhiệt độ sôi của dung dịch

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

Nhiệt độ sôi của dung dịch lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi của dung môi nguyên chất 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 cảng tăng

7.3.2 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 hai phương pháp sau:

® - Dung dịch cho vảo 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 cho dung dịch mới liên tục vào để giữ mực chất lóng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cau, sau do tháo dung dịch ra làm sản pham và thực hiện một mẻ mới

7.3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng

7.3.3.1 Nồng độ

Nong độ được sử dụng trong quá trình được xác định là khối lượng là khối lượng của chất tan so với khối lượng của dung dịch, được biểu diễn dưới dang [1] :

Madungdich kg

Ngoài ra nồng độ còn được xác định là khối lượng chất tan trong thể tích dung dịch, được biểu diễn dưới dang [1]:

3

V aungdich m

C=

Môi liên hệ giữa 2 nông độ này như sau:

Với Pa là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m?)

7.3.3.2 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

Đối với quá trình cô đặc

® Không có lượng tích tụ

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

Do đó phương trình vật chất được viết lại:

Lượng chất vào = Lượng chất ra

Đối với chất tan

Khối lượng chất tan vào = khối lượng chất tan ra [1]

G,.xạ=G,.5, (7-4)

Dùng phương trình nảy giúp chúng ta tính toán được khối lượng của dung dich trong noi dun sau quá trình cô đặc khi cô đặc

Đối với hỗn hợp

Khối lượng dung dịch ban đầu = khối lượng dung dich còn lại + khối lượng hơi thứ

[1]

Dùng phương trình này cho phép tính được khối lương dung môi đã bay hoi trong quá trình cô đặc

Trong đó: G„ : Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi dun (Kg)

Xa : Nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun (Kg/Kg)

G, : Khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun (Kg)

x, : Nông độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun (Kg/Kg)

G„ : Khối lượng dung môi bay hơi (Kg)

7.3.3.3 Cân bằng năng lượng

Phương trình cân bằng năng lượng tổng quát :

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

Đề đơn giản trong tính toán ta coi như không thất thoát năng lượng

Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch

Năng lượng do nồi cung cấp cho quá trình [1]

Năng lượng dung dịch nhận được

C,=€z,¿.ÍL—] (7-8)

Năng lượng do nồi cung cấp cho quá trình ©,¡ đăc trưng cho năng lượng mang vảo, năng lượng dung dịch nhận được © đặc trưng cho năng lượng mang ra Do vậy phương

trình năng lượng trong trường hợp nảy là ( bỏ qua tôn thất năng lượng và tôn thất nhiệt thông qua dòng nước giải nhiệt)

Đối với giai đoạn bốc hơi dung môi

Năng lượng do nồi cung cấp cho quá trình

Năng lượng nước nhận được để bốc hơi

Năng lượng đo nổi cung cấp cho quá trình Q¿; đặc trưng cho năng lượng vào, năng lượng nước nhận được đề bốc hơi Q;

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ

Q„y=Gy.r„=V gạo Ðụao Cua (T„—TVÌ1: (7-1)

Các phương trình cân bằng năng lượng giúp ta so sánh giữa lí thuyết với thực nghiệm

Trong đó : Q¿¡ : Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng (J)

Q,; : Nhiệt lương nỗi cung cấp cho quá trình hoá hơi dung môi (1)

Q„„ : Nhiệt lượng nước giải nhiệt nhân được ở thiết bị ngưng tụ (])

P, : Công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình đun nóng (W)

P; : Công suất điện trở nồi đun sử đụng cho quá trình hóa hơi (W)

†¡ : Thời gian thực hiện quá trình đun sôi dung dịch ( s)

7; ; Thời gian thực hiện quá trình hóa hơi( s)

Q, : Nhiệt lượng dung dịch nhận được (1) _

Q; : Nhiệt lượng nước để hóa hơi dung dich (J) N

¡„ : Hàm nhiệt của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường (J/Kg)

r„ : Ân nhiệt hóa hơi của nước 6 ap suat thuong (J/Kg)

(T aa T a) : Chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dich (°C)

(T,—T,) : Chênh lệch giữa nhiệt độ giữa nước ra và vào (°C)

Vz;; : Lưu lượng nước vào thiết bị ngung tu (m’/s)

Du›o : Khối lượng riêng của nước (Kg/m°)

Cz›;: Nhiệt dung riêng của nước (J/Kg.K)

C,: Nhiệt dung riêng của dung dich (J/Kg.K)

7.4 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

7.4.1 Sơ đồ hệ thống

Mô hình này rình bày cơ chế của quá trình cô đặc bởi sự bay hơi cục bộ dung môi

Mô hình khảo sát quá trình làm việc gián đoạn ở áp suất khí quyền

Mô tả chung của mô hình :

- _ Dung tích nỗi đun 10 lít

- Bộ điều chỉnh công suất gia nhiệt (2000W) được điều chỉnh bằng tay

- _ Một thiết bị ngưng tụ vỏ làm bằng ống thủy tính và bộ làm lạnh làm ống xoắn

bằng thép không ri( bề mặt truyền nhiệt 0,21m”)

-_ Một bơm định lượng cấp liệu cho quá trình làm việc liên tục

- Tất cả các van được điều chỉnh bằng tay

- - Nhiệt độ được do bằng các đầu dò nhiệt độ kết nối với bộ hiển thị số gan với bộ

điều khiến ở bảng trước

- Công suất gia nhiệt được điều chỉnh tay thì được đọc trực tiếp trên bộ điều khiển phía trước bảng hiển thị số nhiệt độ nồi đun

- Lưu lượng dòng chất tải nhiệt của thiết bị trao đôi nhiệt được do bằng Rotamet viên bi với thiết bi ngưng tụ 40 — 400 lít/h

- Lép bao vệ cách nhiệt đặt tại mức thoát siữa nội đun và thiết bị kết tỉnh không cho

phép nung trong suốt quá trình đi chuyên dung dịch và thất thoát nhiệt ít nhất để

tránh việc kết tính huyền phù trong ống

V6

Hình 7.1: Sơ đỗ nguyên lí hệ thống cô đặc

Các thiết bị phụ trợ trong mô hình

W1 Nguồn gia nhiệt nỗi đun (2000W)

P1 Bơm định lượng lưu lượng toi da 15lit/h

ECHI Thiết bị ngưng tụ của nồi dun

ECH2 Bộ trao đổi nhiệt ống xoắn của thiết bị két tinh

Hệ thống van

VI Van cấp cho nồi đun

V2 Van xả nồi đun

V3 Van cấp cho thiết bị kết tính trong quá trình gián đoạn

V4 Van cấp cho thiết bị kết tỉnh trong quá trình liên tục

V5 Van xả nước ngưng trong bình chứa nước ngưng tụ

V6 Van điều chỉnh lưu lượng nước giải nhiệt cho thiết bị ngưng tụ

V7 Van điều chỉnh chất tải lạnh cho thiết bị kết tỉnh

V§ Van xả nước ngưng trong thiết bị làm nguội nước ngưng

V9 Van ngừng cung cấp nước nước giải nhiệt cho hệ thống thiết bị ngưng tụ

VPI Van điều chỉnh lưu lượng phần cất

Các dụng cụ đo

TH Dau do nhiét độ nồi dun

TI2 Đầu dò nhiệt độ thiết bị kết tỉnh

TI3 Đầu dò nhiệt độ nước giải nhiệt vào thiết bị ngưng tụ

TH Đầu dò nhiệt độ chất tải lạnh ra khỏi thiết bị két tinh

TI5 Đầu dò nhiệt độ chất tải lạnh ra khỏi thiết bị ngưng tụ

T16 Đầu dò nhiệt độ bộ điều khiển nhiệt độ bộ điều lạnh

LL Bộ cảm biến mực chất lóng ( bảo vệ an oàn cho nồi đun)

RVI1 Lưu lượng kế thiết bị ngung tu 40 — 400lit/h

RV2 Lưu lượng kế thiết bị kết tỉnh 4 - 40lit/h

Thành phần hộp điều khiến

@——

Hình 7.2: Các thành phần trên tủ điều khiến

1 Công tắc cổng

2 Đèn chỉ báo nguồn

3 Bộ hiển thị nhiệt độ nước giải nhiệt vào thiết bị ngưng tụ

4 B6 hién thị nhiệt độ nước giải nhiệt ra thiết bị ngưng tụ

5 Bộ hiển thị nhiệt độ nước lạnh ra thiết bị kết tĩnh

6 Bộ hiển thị nhiệt thiết bị kết tỉnh

7 Nhiệt nồi đun

§ Công suất nồi đun theo phân trăm (100% - 2000W)

9 Điều chỉnh công suất nồi đun

10 Công tắc cấp nguồn cho các thiết bị phụ trợ và công tắc khân cấp

11 Công tắc ON-OFF bơm

12 Công tắc ON-OFF motor khuấy trong thiết bị kết tính

13 Công tắc ON-OFF điện trở nồi đun

Chống chỉ định

Cấm sử dụng thiết bị cô đặc trong các trường hợp sau:

- Cac chat gây tắc nghẽn

- _ Tiến hành ở áp suất chân không

- Dé mé hinh làm việc mà không có sự giám sát của người điều hành được huấn luyện về các nguy cơ của máy

- _ Dùng với các vật cửng như viết chia khóa

-_ Dung với các chất phản ứng mả không cho phép dung với mô hình thí nghiệm

7.4.2 Trang thiết bị, hóa chất

Quá trình làm việc có nhiệt độ đén 100°C và làm việc ở áp suất khí quyên với các

trang thiết bị phụ trợ và các tiện nghi khác phục vụ cho quá trình thí nehiệm Bên cạnh

đó, đê phục vụ cho quá trình cân thêm các hóa chât, máy dụng cụ sau

- Dung dich déng sulphate

- _ Cân phân tích ống đong 100ml dung để xác định khối lượng riêng của dung dịch

- May do d6 hap thu A dùng để xác định nồng độ (g/1) của dung dịch thông qua đường chuân bên dưới