báo cáo thực hành thiết bị cô đặc

GIỚI THIỆU Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch chứa chất tan không bay hơi bằng cách tách một phần dung môi ở nhiệt độ sôi.. Quá trình cô đặc thường được sử dụng rộng rãi

BÀI 1: QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

1 GIỚI THIỆU 1

2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 2

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch 2

3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn 3

3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng 3

4 THỰC NGHIỆM 6

4.1 Chuẩn bị thực nghiệm 6

5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 7

5.1 Kết quả thực nghiệm 7

5.2 Xử lý số liệu 7

6 NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN 10

BÀI 1: QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

1 GIỚI THIỆU

Cô đặc là quá trình làm tăng 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

Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh)

Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất)

Quá trình cô đặc thường được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn công nghiệp sản xuất hóa chất, thực phẩm: 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: cà phê, hồi,…

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)

Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôi dung dịch giảm do đó chi phí hơi đốt giảm, cô đặc chân không không dùng để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường và dung dịch dễ phân hủy vì hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ không mong muốn (oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa)

Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng 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

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

Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không

2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

 Vận hành được hệ thống thiết bị cô đặc gián đoạn, đo đạc các thông số của qúa 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 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

3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 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, độ sâu của dung dịch

Hình 1.1 Quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất Ps và của

dung môi trên dung dịch P với nhiệt độ t

3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn

Cô đặc một nồi có thể thực hiện theo hai phương pháp:

 Dung dịch cho vào 1 lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ dạt ở mức 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 đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện mẻ mới

3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng

3.3.1 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:

´

x= m chấ t tan

m dungd ị ch=(kg kg)

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

´

C= m chất tan

V dungdịch(m kg3)

Mối liên hệ giữa 2 nồng độ này như sau:

´

x= C´

ρ dd

Với là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3) b) Cân bằng vật chất

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 năng lượng

Do đó phương trình cân bằng 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

G đ ´x đ=G c ´x c

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

Đối với hỗn hợp:

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

G đ=G c+G w

Trong đó: : khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun

: Nồng độ ban đầu của chất tan (kg/kg) : khối lượng dung dịch còn lại (kg) : Nồng độ cuối của chất tan (kg/kg) : khối lượng dung môi bay hơi (kg)

3.3.3 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 trong tính toán, chúng ta coi như không có mất mát năng lượng

Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch:

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Q k 1=P1 τ1

Năng lượng dung dịch nhận được:

Phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp này là:

Q1=G đ C p(T sdd−T đ)

C p=C H 20 (1− ´x )

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình đặc trương cho năng lượng mang vào, năng lượng dung dich nhận được đạc trưng cho năng lượng mang ra Do vậy phương trình cân bằng năng lượng trong trương hợp này là bỏ qua năng lượng thất thoát

Đối với giai đoạn bốc hơi dung môi:

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Q k 1=P2 τ1

Năng lượng nước nhận được để bốc hơi:

Q2=G w (i w−C H 2 O T sdd)

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ:

Q ng=V H2O ρ H2O C H2O (T r−T V) τ2

Các phương trình cân bằng giúp ta so sánh giữa lý thuyết với thực nghiệm Trong đó:

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

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

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

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

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

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

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

: nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)

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

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

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

: chênh lệch nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (oC) : chênh lệch nhiệt độ nước ra và vào (oC)

: lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ (m3/s)

: khối lượng riêng của nước (kg/m3)

: nhiệt dung riêng của nước (J/kg.K)

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

4 THỰC NGHIỆM

4.1 Chuẩn bị thực nghiệm

4.1.1 Kiểm tra các hệ thống phụ trợ

 Bậc công tắc nguồn cấp cho tủ điện

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

 Kích hoạt mô hình thí ngiệm công tắc cấp nguồn cho thiết bị phụ trợ (nếu cần thiết sử dụng công tắc khẩn cấp) để kích hoạt mô hình, lúc 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 1 bar

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

4.1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị

 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

4.1.3 Chuẩn bị dung dịch

 Chuẩn bị 6 lít dung dịch CuSO4 loãng

 Xác định nồng độ (g/l) của dung dịch

 Xác định khối lượng riêng của dung dịch

5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

5.1 Kết quả thực nghiệm

Bảng 1 Kết quả thực nghiệm

t (phút) P (W) TI1 ( o C) TI3 ( o C) TI5 ( o C) Dung môi

(lít)

5.2 Xử lý số liệu

5.2.1 Tính toán nồng độ và khối lượng riêng

 Xác định nồng độ C´(g/l)

Với A = 1.999, dựa vào đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch CuSO 4 ta nội suy được C´ tại đây như sau:

2.022−1.948 1.999−1.948 = 27−26´

C−26 → C´= 26.69 (g/l)

 Xác định khối lượng riêng (kg/m3)

Khối lượng xác định được của 100ml dung dịch CuSO4.5H2O là 101.9 (g)

Mà ta có:

ρ = m V = 101.90.1 = 1019 (g/l) hay 1019 (kg/m3)

 Xác định nồng độ khối lượng

´

x = ρ C´

dd = 26.691019 = 0.026 (g/g)

Bảng 2 Kết quả tính toán nồng độ và khối lượng riêng

Thể tích (ml)

Khối lượng (g)

Độ hấp thu A

Nồng độ

´

C

(g/l)

Khối lượng riêng ρ

(kg/m 3 )

Nồng

độ khối lượng

´

x

(g/g)

5.2.2 Tính toán cân bằng vật chất

5.2.2.1 Đối với chất tan

Khối lượng chất tan vào = khối lượng chất tan ra

G đ × ´x đ=G c × ´x c

 Khối lượng của dung dịch còn lại sau cô đặc:

G c=G đ × ´x đ

´

x c

=1019× 6 ×0.026

0.031 =5138( g )=5.138(kg)

5.2.2.2 Đối với hổn hợp

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

thứ

G đ=G c+G w

→ G w=G đ−G c=1019 × 6−5138=976 ( g)=0.976(kg)

5.2.3 Tính toán cân bằng năng lượng

5.2.3.1 Giai đoạn đun sôi dung dịch

Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng:

Q k 1=P1×τ1=2000× 18 ×60=2160 kJ

Năng lượng dung dịch nhận được:

Q1=G đ ×C p ×(T sdd−T đ)

C p=C H2O (1−´x )

→ Q1=1019× 6 ×10−3× 4.18 ×(1−0.026)× (87.3−32.1)=1374 kJ

5.2.3.2 Giai đoạn bốc hơi dung dịch

Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi:

Q k 2=P2× τ2=1500 ×(48−18)×60=2700 kJ

Nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi:

Q2=G w ×(i w−C H2O t sdd)=0.976 ×(2667−4.18 × 94.1)=2219 kJ

Trong đó i w = 2667 (kJ/kg) là hàm nhiệt của hơi thứ tại 94.1oC

Nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận được ở thiết bị ngưng tụ

Q V ρ C T T τ

¿9.03 ×10−5× 994.5 ×4.18 × (33.9−29.9) ×(48−18)×60=2703(kJ )

Trong đó:

 ρ H2O = 994.5 (kg/m3): Khối lượng riêng trung bình của nước

 V H2O=325 l/h=9.03 × 10−5m3

/s: Lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ

 C H2O=4.18 kJ /kg K: Nhiệt dung riêng của nước

5.2.3.3 Tổn thất nhiệt từng giai đoạn

Giai đoạn đun sôi dung dịch

Q m 1=Q K 1−Q1=2160−1374=786 kJ

Giai đoạn bốc hơi của dung môi

Q m 2=Q k2−Q2=2700−2219=481 kJ

Tổn thất nhiệt của cả quá trình

Q m=Q m 1+Q m 2=786+481=1267 kJ

5.2.3.4 Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ

Ta có Q=K × F × ∆tlog× τ2

Với:

∆ tlog=∆ t max−∆ t min

ln ∆ t max

∆ t min

=(94.1−29.7 )−(94.1−33.9)

ln ⁡94.1−29.7

94.1−33.9

=60.78o C

Và F=0.2 m2

F × ∆ tlog×τ2 ¿ 2703 ×10

3

0.2× 60.78×(48−18)×60=¿ 123.54 (m W2 K)

6 NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN

 Năng lượng do nồi cung cấp cho quá trình Q k 1 đặc trưng cho năng lượng mang vào, năng lượng dung dịch nhận được Q1 đặc trưng cho năng lượng

mang ra Do đó: Q k 1=¿ Q1. Nhưng thực tế Q k 1 lớn hơn Q1 ,chứng tỏ có tổn thất năng lượng đáng kể trong quá trình

 Nồng độ chất tan lúc sau cao hơn so với nồng độ ban đầu Do trong quá trình

cô đặc, lượng nước trong dung dịch hóa hơi và tách khỏi dung dịch, làm cho nồng độ chất tan tăng lên

 Quá trình thực hành thí nghiệm cô đặc sử dụng thiết bị hiện đại để đo đạc nhằm xác định chính xác được các thông số cần thiết Bên cạnh đó, người thực hành cũng đóng vai trò quan trọng Trong quá trình thực hành còn gặp nhiều sai sót do thiếu thốn những thiết bị đo có độ chính xác cao cũng như sự thiếu hiểu biết về lí thuyết và thao tác thực hành, ảnh hưởng của môi trường xung quanh đến kết quả thí nghiệm