Bài giảng kỹ thuật thực phẩm 2 chương 6 ths trần văn hùng

Phân loại • Chưng đơn giản • Chưng lôi cuốn bằng hơi nước • Chưng chân không • Chưng cất • Chưng cất áp suất thấp • Chưng cất áp suất cao  Chưng đơn giản: tách các hỗn hợp gồm các cấu t

Tiết :

Nội dung tiết học

1 Một số khái niệm

2 Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử

3 Các thiết bị chưng cất dùng trong công nghệ thực phẩm

Định nghĩa

Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng hoặc hỗn hợp

khí đã hóa lỏng thành những cấu tử riêng biệt dựa trên độ

bay hơi khác nhau giữa các cấu tử trong hỗn hợp

I Các khái niệm

• Trong lĩnh vực lọc hóa dầu

• Sản xuất Oxy và Nitơ

• Tổng hợp hữu cơ như sản xuất metanol, etylen, propylen,

butadien

• Công nghệ sinh học

Ứng dụng

Phân loại

• Chưng đơn giản

• Chưng lôi cuốn bằng hơi nước

• Chưng chân không

• Chưng cất

• Chưng cất áp suất thấp

• Chưng cất áp suất cao

 Chưng đơn giản: tách các hỗn hợp gồm các cấu tử

có độ bay hơi rất khác nhau Dùng tách sơ bộ và

làm sạch cấu tử khỏi tạp chất

 Chưng bằng hơi nước trực tiếp: tách các hỗn hợp

gồm các chất khó bay hơi, thường được ứng dụng

trong trường hợp chất được tách không tan trong

nước

 Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần

hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử

 Chưng cất: phương pháp phổ biến để tách hoàn

toàn hỗn hợp cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa

tan một phần hoặc hoàn toàn với nhau:

 Chưng cất ở áp suất thấp

 Chưng cất ở áp suất cao

2 CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ

bất kỳ

 Dung dòch lyù töôûng ưaødïỉâ dòcđ maøtroỉâ ñoùlöïc lieđn

keât giöõa caùc phađn töû cuøng loái vaø löïc lieđn keât giöõa caùc phađn

töû khaùc loái baỉng nhau, kđi ñoùcaùc caâï tö ûđoaøtaỉ vaøo ỉđá

tđeo baât cö ùtư ưeôỉaøo Cađỉ baỉỉâ âiö õa ưoûỉâ vaøđôi đoaøỉ toaøỉ

tuađn theo ñònh luaôt Rauolt.

 Dung dòch thöïc ưaøỉđö õỉâ dïỉâ dòcđ kđođỉâ đoaøỉ toaøỉ

tïađỉ tđeo ñòỉđ ứaôt Ráoưt, sai ưeôcđ vôùi ñòỉđ ứaôt Raóưt

 Sai ỉệcâ dư ơèá: ỉư ïc ỉiêè

kếtáiư õa các pââè tư ûkâác

ỉoại èâỏ âơè ỉư ïc ỉiêè kết

áiư õa các pââè tư û cïøèá

ỉoại

 Sai ỉệcâ âm: ỉư ïc ỉiêè

kếtáiư õa các pââè tư ûkâác

ỉoại ỉớè âơè ỉư ïc ỉiêè kết

áiư õa các pââè tư û cïøèá

ỉoại H ìn h 3.1 Q u an h ệ giữa áp suất và th àn h ph ần của

dun g dịch h ai cấu tử

Sai lệch

dư ơng

Sa i lệch âm

+ Áp suất riêng phần của cấu tử này, khơng phụ thuộc vào sự

cĩ mặt của cấu tử khác trong hỗn hợp.

+ Nhiệt độ sơi của hỗn hợp thấp hơn nhiệt độ sơi của từng cấu

+ Phần 2 cấu tử hòa tan với nhau

+ Phần 2 cấu tử không hòa tan vào nhau

suất không đổi

suất không đổi

Lỏng

Hơi

 Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp hai cấu tử ở áp

suất khơng đổi

 Với hỗn hợp lý tưởng: Raoult

Pt= xA.pbhA+ (1 – xA).pbhB

 Độ bay hơi tương đối – hệ số phân riêng

Hình 3.2 Các dạng đồ thị

CHƯNG ĐƠN GIẢN

và cho ngưng tụ.

ngưng luôn thay đổi.

lỏng ngưng không đổi.

CHƯNG ĐƠN GIẢN

CHƯNG ĐƠN GIẢN

3- T hï n g ch ø a s¶n ph Èm C : C Æn.

n : N u í c làm m ¸ t.

Sơ đồ chưng đơn giản :

CHƯNG ĐƠN GIẢN

CHƯNG ĐƠN GIẢN

CHƯNG ĐƠN GIẢN

Nhiệt vào = nhiệt ra

CHƯNG ĐƠN GIẢN

CHƯNG ĐƠN GIẢN

CHƯNG ĐƠN GIẢN

 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

CHƯNG ĐƠN GIẢN

Chưng cất

Sơ đồ thiết bị chưng luyện liên tục

Bình chứa sản phẩm đỉnh

Bình chứa sản phẩm đáy Nồi đun

III CHƯNG CẤT

2 Nguyên tắc làm việc

- Pha lỏng đi từ trên xuống có nồng độ cấu tử dễ

bay hơi giảm dần.

- Pha khí đi từ dưới lên có nồng độ cấu tử dễ bay

hơi tăng dần.

- Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của

tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự

thay đổi nồng độ.

III CHƯNG CẤT

2 Nguyên tắc làm việc

Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền khối giữa pha

lỏng và pha hơi Do đó một phần cấu tử dễ bay hơi

chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn

chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần

bốc hơi và ngưng tụ như vậy, hay nói một cách

khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên

đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng

nguyên chất và ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó

bay hơi ở dạng nguyên chất

III CHƯNG CẤT

2 Nguyên tắc làm việc

bậc thay đổi nồng độ: thành phần hơi khi

rời khỏi đĩa bằng thành phần cân bằng với

chất lỏng khi đi vào đĩa Do đó theo lý

thuyết thì số đĩa bằng số bậc thay đổi nồng

độ Thực tế thì ở trên mỗi đĩa quá trình

chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt

được cân bằng

Các giả thuyết trong tính toán

trạng thái lỏng sôi.

đổi thành phần pha.

trong tất cả tiết diện của tháp.

của đoạn chưng và đoạn cất.

III CHƯNG CẤT

3 Cân bằng vật chất

IV Chưng cất

2 Cân bằng vật chất

F: lưu lượng mol của dòng nhập liệu, kmol/h

D: lưu lượng mol của dòng sản phẩm đỉnh, kmol/h

W: lưu lượng mol của sản phẩm đáy, kmol/h

xF: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập

Cấu tử dể bay hơi:

w D

b Phương trình đường làm việc:

Phương trình đường làm việc đoạn cất:

L x R

R L y

lượng dòng hoàn lưu

F D

x

x y

y x

: nồng độ pha hơi cân bằng

BÀI TẬP

1 Một tháp chưng cất Nước – Axít Axêtic,

nhập liệu 4320kg/h nồng độ 64% mol theo

Axít, nồng độ sản phẩm đáy 5% mol theo

nước, nồng độ sản phẩm đỉnh 3% mol theo

Axít Xác định lưu lượng sản phẩm đỉnh

(kmol/h).

ĐS: 32 (kmol/h).

2 Một tháp chưng cất Etanol – Nước,

nhập liệu vào tháp có nồng độ 35% mol

theo Etanol, nồng độ sản phẩm đáy 10%

mol theo Etanol, nồng độ sản phẩm đỉnh

85% mol theo Etanol Lưu lượng sản

phẩm đỉnh thu được 2565 kg/h Xác lưu

lượng sản phẩm đáy.(Kmol/h)

ĐS: 122,8 Kmol/h

3 Tháp chưng cất Nước – Axít Axêtíc, nồng độ nhập

liệu 60% mol theo Axít, nồng độ sản phẩm đỉnh 10%

mol theo Axít, lưu lượng sản phẩm đỉnh 40kmol/h

Chỉ số hồi lưu thực bằng 1,5 lần chỉ số hồi lưu tối

thiểu Xác định lượng hơi bay lên khỏi đỉnh tháp biết

yF*=0,5 mol/mol

ĐS: 280kmol/h

5 Tháp chưng cất Nước – Axít Axêtíc, nồng độ nhập

liệu 30% mol theo Nước, nồng độ sản phẩm đỉnh

15% mol theo Axít Chỉ số hồi lưu thực bằng 1,5 lần

chỉ số hồi lưu tối thiểu Viết đường làm việc phần cất

biết yF*=0,5 mol/mol

4 Đường làm việc phần cất của một tháp chưng cất

Benzen – Toluen như sau: y=0,626.x + 0,332 Xác

định chỉ số hồi lưu

ĐS: 1,67

ĐS: y = 0,724x + 0,234

6 Đường làm việc phần chưng của một tháp

chưng cất Mêtanol – Nước như sau: y=1,364x

-0,04 Nhập liệu có nồng độ 36% theo Mêtanol

Xác định nồng độ pha hơi tại vị trí mâm nhập liệu

(yF)

7 Đường làm việc phần cất của một tháp chưng

cất Etanol – Nước như sau: y=0,56.x + 0,449 Xác

định lưu lượng dòng hồi lưu (kg/h) biết lưu lượng

sản phẩm đỉnh 1500kg/h

ĐS: 0,45

ĐS: 1909kg/h

8.Tháp chưng cất Nước – Axít Axêtíc, nồng độ nhập liệu 36%

mol theo Nước, nồng độ sản phẩm đỉnh 7% mol theo Axít,

lưu lượng sản phẩm đỉnh 690kg/h Chỉ số hồi lưu thực bằng

1,5 lần chỉ số hồi lưu tối thiểu Xác định lượng hơi bay lên

khỏi đỉnh tháp (kmol/h) biết yF* =0,5 mol/mol.

ĐS: 185 Kmol/h

9 Một tháp chưng cất Benzen – Toluen, nồng độ nhập liệu

45% mol theo Benzen, nồng độ sản phẩm đáy 8% mol theo

Benzen, nồng độ sản phẩm đỉnh 95% mol theo Benzen, lưu

lượng sản phẩm đỉnh 1605kg/h Lưu lượng nhập liệu (kg/h)

ĐS: 3774kg/h

10 Đường làm việc phần cất của một tháp chưng

cất Benzen – Toluen như sau: y=0,731.x+0,253

C F r D

Q  1. 1  (  ) 

D1: lượng hơi đốt cần sử dụng.

r1: nhiệt hoá hơi của hơi đốt.

F: lưu lượng nhập liệu.

CF: nhiệt dung riêng hỗn hợp nhập liệu.

Qm: năng lượng mất mát ra môi trường xung quanh 5÷10%Q

rD: nhiệt ngưng tụ của hỗn hợp hơi đỉnh tháp.

G1, G1’: lưu lượng nước cần làm lạnh.

C1,C1’: nhiệt dung riêng nước làm lạnh.

tv, tr: nhiệt độ vào và ra nước giải nhiệt

Qm: năng lượng mất mát ra môi trường xung quanh 5÷10%Q

* Ngưng tụ hoàn toàn:

F

m v r D

D

y r D R r G C t t Q G

Q  (  1 )  1. 1.(  ) 

* Ngưng tụ hồi lưu:

m v

r D

D

x r D R r G C t t Q G

Q    1' 1'.( '  ') 

c Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:

CD: nhiệt dung riêng của hỗn hợp hơi đỉnh tháp.

CW: nhiệt dung riêng của hỗn hợp hơi đáy tháp.

G2,G3: lưu lượng nước cần làm lạnh.

C2,C3: nhiệt dung riêng nước làm lạnh.

tv, tr: nhiệt độ vào và ra nước giải nhiệt

Qm: năng lượng mất mát ra môi trường xung quanh

5÷10%Q

F

m v

r D

SD

C D

d Thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh:

m v

r

t C

D2: lưu lượng hơi đốt cần đun nóng.

r2: nhiệt hóa hơi của hơi đốt.

Qm: năng lượng mất mát ra môi trường xung quanh 5÷10%Q

F

m SW W D

SD D y SD D W

SW W SF

F t W C t r D R C t G C t r W C t Q

C

F  (  )   (  )  

m SF F SD

D D

SD D

W D R C t r D R C t F C t Q

r

W  (  1 ).(  )   

m SF F SD

D

D D C t F C t Q r

R D r D

m SF F SD

D

r

t C F t C D r R D

2 2

.

).

1 (

Chưng cất bằng hơi nước trực tiếp:

Khi chưng bằng hơi nước trực tiếp người ta phun hơi nước

qua lớp chất lỏng bàng một bộ phận phun Hơi nước có thể là

bão hòa hay quá nhiệt Trong quá trình tiếp xúc giữ hơi nước

và lớp chất lỏng, các cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào trong

hơi Hỗn hợp hơi nước và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và

tách thành sản phẩm

Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lý nhất là chỉ

dùng để tách cấu tử không tan trong nước khỏi tạp chất không

bay hơi, trường hợp này sản phẩm ngưng sẽ phân lớp : cấu tử

bay hơi và nước, chúng ta lấy sản phẩm ra một cách dễ dàng

Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp là

giảm được nhiều nhiệt độ sôi của hỗn hợp nghĩa là chúng ta

có thể chưng ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi bình thường

Điều này rất có lợi đối với các chất dễ bị phân hủy ở nhiệt

độ cao cũng như đối với các chất có nhiệt độ sôi quá cao mà

khi chưng gián tiếp đòi hỏi dùng hơi áp suất cao

Chưng bằng hơi nước trực tiếp có thể tiến hành gián

đoạn (hình 13-12a) hay liên tục hình (hình 13-12b) Trong

cả 2 trường hợp người ta đều phải dùng cách đốt gián tiếp

để đun bốc hơi hỗn hợp Lượng hơi nước trực tiếp đi vào

hỗn hợp chỉ có nhiệm vụ mang cấu tử dễ bay hơi ra mà

thôi

4 Các phương pháp chưng khác :

4.1 Chưng luyện nhiều cấu tử :

Trong thực tế ta thường gặp hỗn hợp nhiều cấu tử hơn là hỗn hợp

hai cấu tử Tuy nhiên việc nghiên cứu về chưng nhiều cấu tử còn ít

Nguyên nhân là số bậc tự do của hệ nhiều cấu tử rất lớn.

Ví dụ như đối với chưng luyện hai cấu tử khi đã thiết lập áp suất

và nồng độ của một cấu tử trong sản phẩm đỉnh thì chế độ làm việc

hoàn toàn được xác định Đối với hệ n cấu tử thì có n bậc tự do, bởi

vậy khi áp suất và nồng độ một cấu tử được xác định thì chúng ta

cũng không thể xác định được nhiệt độ sôi, thành phần các cấu tử

khác vì còn có n-2 bậc tự do.Ta có thể tự do chọn thành phần của n-2

cấu tử.

Khác với chưng luyện hai cấu tử, sơ đồ chưng luyện nhiều cấu tử

có thể biểu thị bằng nhiều cách Ví dụ như có hỗn hợp ba cấu tử A, B

và C, trong đó độ bay hơi tương đối của chúng là άA > άB > άC ta

có thể có hai cách lắp sơ đồ chưng (hình 1-16)

 Từ đây ta thấy rằng muốn tách một hỗn hợp gồm

n cấu tử thì phải có n-1 tháp chưng luyện Trong thực

tế có khi người ta cấu tạo một tháp gồm có nhiều tháp

chồng lên nhau, như vậy trong một tháp ta cũng thu

được nhiều loại sản phẩm

Đối với những hỗn hợp gồm các cấu tử có nhiệt độ sôi giống nhau

hoặc rất gần nhau hay gồm những cấu tử tạo thành dung dịch đẳng

phí ta không thể dùng phương pháp chưng luyện thông thường như

trên để tách chúng ra dạng nguyên chất được dù cho có dùng

những tháp vô cùng cao với lượng hồi lưu rất lớn Để tách các hỗn

hợp ấy chúng ta phải dùng phương pháp chưng luyện đặc biệt,

thông thường người ta hay dùng phương pháp luyện trích ly và

chưng luyện đẳng phí

a Chưng luyện trích ly :

Phương pháp này dựa trên cơ sở thêm một cấu tử mới vào hỗn

hợp ở đĩa trên cùng của tháp, cấu tử đó gọi là cấu tử phân ly có độ

bay hơi bé, nó có tác dụng làm thay đổi độ bay hơi của các cấu tử

khác trong hỗn hợp Tất nhiên ta phải chọn cấu tử phân ly làm sao

để khi thêm vào hỗn hợp cần chưng thì nó làm tăng độ bay hơi của

cấu tử trong hỗn hợp.

4.2 Chưng luyện trích ly và chưng luyện đẳng phí :

Nếu hỗn hợp tạo thành dung dịch đẳng phí, điểm đẳng phí đó

sẽ mất khi thêm cấu tử phân ly vào.

Ví dụ ta có hỗn hợp gồm hai cấu tử là A và B có nhiệt độ sôi

gần nhau, cấu tử phân ly là R - Trong trường hợp A và B tạo

thành dung dịch đẳng phí thì đẳng phí đó cũng mất đi trong

hỗn hợp ABR và cho ta khả năng tách A (cấu tử dễ bay hơi) ở

dạng nguyên chất Sản phẩm đáy tháp là B+R (hình 1-17)

R và B có độ bay hơi khác xa nhau nên ta dễ dàng tách

chúng theo phương pháp chưng cất thông thường Quá trình

gần giống như trích ly: cấu tử phân ly R kéo cấu tử B đi và giải

phóng cấu tử A Vì thế nên ta gọi quá trình này là quá trình

chưng luyện trích ly.

b Chưng luyện đẳng phí :

Phương pháp này cũng dựa trên nguyên tắc thêm vào hỗn

hợp một cấu tử phân ly, khác với chưng luyện trích ly là ở đây

cấu tử phân ly phải có độ bay hơi lớn hơn độ bay hơi của các

cấu tử trong hỗn hợp Tác dụng của nó cũng như trong trường

hợp chưng luyện trích ly, nghĩa là làm thay đổi độ bay hơi

tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp Thêm vào đó nó tạo

thành với cấu tử dễ bay hơi(hay cả hai cấu tử) dung dịch đẳng

phí có độ bay hơi lớn Như thế trong kết quả chưng luyện sản

phẩm đỉnh tháp sẽ là hỗn hợp đẳng phí và sản phẩm đáy là cấu

tử ở dạng nguyên chất

Phương pháp này tiện lợi và tiết kiệm trong trường hợp cấu

tử phân ly không tan vào cấu tử dễ bay hơi Ví dụ ta xem sơ

đồ chưng luyện đẳng phí hỗn hợp hai cấu tử A và B với cấu tử

phân ly S, trong đó cấu tử A là cấu tử có độ bay hơi lớn (hình

1-18 )

Chưng phân tử ở độ chân không cao (từ 0,01 - 0,0001

mmHg) Ở áp suất đó các phân tử thắng lực hút giữa chúng,

số va chạm giữa các phân tử giảm đi và khoảng chạy tự do

của các phân tử tăng lên nhiều Dựa trên những điều đó nếu

ta làm khoảng cách giữa bề mặt bốc hơi và ngưng tụ nhỏ

hơn khoảng chạy tự do của các phân tử thì các phân tử của

cấu tử dễ bay hơi rời khỏi bề mặt bốc hơi và va vào bề mặt

ngưng tụ rồi ngưng tụ ở đấy khoảng cách giữa bề mặt bốc

hơi và bề mặt ngưng tụ khoảng 20-30 mm Hiệu số nhiệt độ

giữ chúng khoảng 1000C Sơ đồ chưng phân tử đơn giản

nhất thể hiện ở hình 1-19

4.3 Chưng phân tử :

Phía trong phòng bốc hơi 1 có dây điện trở để đun

nóng hỗn hợp bằng điện Phía ngoài bộ phận ngưng

tụ 2 có vỏ bọc 3 để cho chất làm lạnh vào Hỗn hợp

đầu cho vào phễu 4 và chảy thành màng theo bề mặt

bốc hơi 1 sản phẩm đáy lấy ra qua ống 6 Sản phẩm

đỉnh tập trung lại ở bề mặt ngưng tụ 2 và chảy ra theo

ống phễu 5 Chất làm lạnh vào cửa 8 và ra cửa 7 Ống

9 nối với bơm chân không để giữ độ chân không cần

thiết trong ống khoảng không gian giữa bề mặt bốc

hơi và bề mặt ngưng tụ

+ Thiết bị gia nhiệt đáy…

( + Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu…)

Tháp chưng cất

sự tiếp xúc giữa 2 pha khí – lỏng

gồm 3 phần cơ bản:

- Phần đỉnh

- Phần nhập liệu

- Phân đáy

(- Phân đoạn trích ngang…)

Thân tháp mâm - đĩa

Tháp đĩa (tháp mâm)

Tháp chưng cất

dùng để hồi lưu, thu hồi sản phẩm đỉnh

- Duy trì ổn định trạng thái hoạt động trong hệ thống

- Thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị gia nhiệt đáy

- Cung cấp năng lượng, ổn định trạng

thái hoạt động trong hệ thống

- Làm tinh khiết sản phẩm đáy

là thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị gia nhiệt đáy

Thiết bị gia nhiệt đáy

Thiết bị gia nhiệt đáy

Sơ đồ tổng quát quá trình chưng cất

S¬ då tæng qu¸t qu¸ tr×nh ch ¦ ng cÊt

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Lê Bạch Tuyết, GT Các quá trình công nghệ cơ bản trong sản xuất thực