BÀI 7 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

báo cáo thực hành các quá trình thiết bị và cơ học trong công nghệ hoá BÀI 7 QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC của trường đại học Công nghiệp Tp.HCM do sinh viên biên soạn báo cáo và được giáo viên chỉnh sửa bài đúng theo yêu cầu

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC  BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC GVHD: Trần Thảo Quỳnh Ngân SVTH: Bùi Tấn Tài MSSV: 18073881 Lớp học phần: Nhóm: DHVC14A – 420300372606 Ngày thực hành: 08.04.2020 MỤC LỤC BÀI 7: QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 7.1 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 đôi sôi Dung môi tách khỏi dung dịch bay lên gọi là thứ Mục đích của quá trình cô đặc: + Làm tăng nồng độ của chất hoà tan dung dịch + Tách chất rắn hoà tan ở dạng rắn (kết tinh) + Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất) Quá trình cô đặc được sung dụng rộng rãi thực tiễn công nghiệp sản xuất hoá chất, thực phẩm: Cô đặc đường nhà máy sản xuất đường, cô đặc xút các nhà máy sản xuất phèn nhôm, cô đặc các dịch trích ly từ các nguyên vật liệu tự nhiên: cà phê, hồi, Quá trình đặc được tiến hành ở nhiệt độ sôi, tương ứng với mọi áp suất khác (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 đó chi phí đốt giảm Cô đặc chân không dùng để cô đaẹc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao ở áp suất thường và dung dịch dễ phân huỷ vì nhiệt hoặc có thể sinh phản ứng phụ không mong muốn (oxy hoá, đường hoá, nhựa hoá) Cô đặc áp suất cao áp suất khí quyển thường dùn cho các dung dịch không bị phẩn huỷ ở nhiệt độ cao các dung dịch muối vô cơ, để sử dụng thứ cho quá trình cô đặc và các quá trình đun nóng khác Cô đặc ở áp suất khí quyển thì thứ không được sử dụng mà được thải ngoài không khí Trong hệ thống cô đặc nhiều nồi thì nồi đầu tiên thường làm việc ở áp suất lớn áp suất khí quyển, các nồi sau làm việc ở áp suất chân không 7.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Vận hành được hệ thống thiết bị cô đặc gián đoạn, đo đạc các thông số của quá trình - Tính toán cân bằng vật chất, cân bằng lượng cho các quá trình cô đặc gián đoạn - So sánh lượng cung cấp cho quá trình theo lý thuyết và thực tế - Xác định suất và hiệu suất quá trình cô đặc - Xác định hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ 7.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7.3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch Nhiệt độ sôi của dung dích là thông số kỹ thuật rất quan trọng 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 tân Nhiệt độ sôi của dung dịch lớn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp suất Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào đọ sâu của dung dịch thiết bị Trên mặt thoáng nhiệt độ sôi thấp, càng xuống sâu thì nhiệt độ sôi càng tăng 7.3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng suất nhỏ và nhiệt không có giá trị kinh tế Cô đặc một nồi có thể thực hiện theo hai phương pháp sau: - Dung dịch cho vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch thiết bị giảm dần cho đến nồng độ đạt yêu cầu - Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc đồng thời bổ sung dung dịch mới liên tục vào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới 7.3.3 Cân bằng vật chất và lượng 7.3.3.1 Nồng độ Nồng độ được sử dụng quá trình được xác định là khối lượng của chất tan so với khối lượng của dung dịch, được biểu diễn dưới dạng: Ngoài nồng độ còn được xác định là khối lượng chất thể tích dung dịch, được biểu diễn dưới dạng: Mối liên hệ giữa hai nồng độ này sau: Với là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3) 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 + lượng chất tích tu Đối với quá trình cô đặc: - Không có lượng tích tụ - Không có phản ứng hoá học nên không có lượng phản ứng Do đó phương trình cân bằng vật chất được viết lại: Lượng chất vào = Lượng chất Đối với chất tan Khối lượng chất tan vào = Khối lượng chất tan Dùng phương trình này giúp chúng ta tính toán được khối lượng của dung dịch còn lại nồi đun sau quá trình cô đặc cô đặc Đối với hỗn hợp Khối lượng dung dịch ban đầu = Khối lượng dung dịch còn lại + khối lượng thứ Dùng phương trình này cho phép tính được khối lượng dung môi đã bay trogn quá trình cô đặc Trong đó: Gđ: Khối lượng dung dịch ban đầu nồi đun (kg) : Nồng độ ban đầu của chất tan nồi đun (kg/kg) : Khối lượng dung dịch còn lại nồi đun (kg) : Nồng độ cuối cùng của chất tan nồi đun (kg/kg) : Khối lượng dung môi bay (kg) 7.3.3.3 Cân bằng lượng Phương trình cân bằng lượng tổng quát: Năng lượng mang vào = Năng lượng mang + Năng lượng thất thoát Để đơn giản tínhh toán, chúng ta coi không có mất mát lượng Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch Năng lượng nồi đun cung cấp cho quá trình Qk1 = P1 Năng lượng dung dịch nhận được Q1 = Năng lượng nồi đun cung cấp cho quá trình Q K1 đặc trưng cho lượng mang vào, lượng dung dịch nhận được Q đặc trưng cho lượng mang Do vậy phương trình cân bằng lượng trường hợp này là (bỏ qua tổn thất lượng và nhiệt thất thoát thông qua dòng nước giải nhiệt) Đối với giai đoạn bốc dung môi Năng lượng nồi đun cung cấp cho quá trình Năng lượng nước nhận được để bốc Năng lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đặc trưng cho lượng mang vào, lượng nước nhận được để bốc Q2 Cân bằng lượng tại thiết bị ngưng tụ Các phương trình cân bằng lượng giúp ta so sánh giữa lý thuyết với thực nghiệm Trong đó: Nhiệt lượng nồi đun cấp cho quá trình đun nóng (J) Nhiệt lượng nồi đun cấp cho quá trình hoá 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 hoá (W) : Thời gian thực hiện quá trình đun sôi dung dịch (s) : Thời gian thực hiện quá trình hoá (s) : Nhiệt lượng dung dịch nhận được (J) : Nhiệt lượng nước nhận được để hoá (J) : Hàm lượng của nước thoát quá trình ở áp suất thường (J/kg) : Ẩn nhiệt hoá của nước ở áp suất thường (J/kg) : Chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (oC) : Chênh lệch nhiệt độ của nước và vào (oC) : Lưu lượng nước vào thiết bi 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) 7.4 MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 7.4.1 Sơ đờ hệ thớng Hình 7.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cô đặc Các thiệt bị phụ trợ mô hình W1 Nguồn gia nhiệt nồi đun 2000W P1 Bơm định lượng lưu lượng tối đa 15lít/h ECH1 Thiết bị ngưng tụ của nồi đun ECH2 Bộ trao đổi nhiệt ống xoắn của thiết bị kết tinh Hệ thống van V1 Vân cấp cho nồi đun V2 Van xả nồi đun V3 Vân cấp cho thiết bị kết tinh quá trình gián đoạn V4 Van cấp cho thiết bị kết tinh quá trình liên tục V5 Van xả nước ngưng trpmg 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 thiết bị kết tinh V8 Van xả nước ngưng thiết bị làm nguội nước ngưng V9 Van ngừng cung cấp nước giải nhiệt cho hệ thống thiết bị ngưng tụ VP1 Van điều chủnh lưu lượng phần cất Mô hình này trình bày chế của quá trình cô đặc bởi sự bay cục bộ dung môi Mô hình khảo sát quá trình làm việc gián đoạn ở áp suất khí quyển Mô tả chung của mô hình: - Dung tích nồi đun 10 lít - Bộ điều chỉnh công suất gia nhiệt (2000W) được điều chỉnh bằng tay - Một thiết bị ngưng tụ vỏ làm bằng thuỷ tinh và bộ làm lạnh ống xoắn bằng thép không rỉ (bề mặt truyền nhiệt 0,2 m2) - 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 đo bằng các đầu dò nhiệt kết nối với bộ hiển thị số gắn với bộ điều khiển gắn ở bảng trước - Công suất gia nhiệt được điều chỉnh tay được đọc trực tiếp bộ điều khiển phía trước bảng hiển thị số nhiệt độ nồi đun - Lưu lượng dòng chất tải nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt được đo bằng Rotamet viên bi với thiết bị ngưng tụ 40 – 400 lít/h - Lớp bảo vệ cách nhiệt đặt tại mức thoát giữa nồi đun và thiết bị kết tinh không cho phép nung suốt quá trình di chuyển dung dịch và thất thoát nhiệt ít nhất để tránh việc kết tinh huyền phù ống Chống chỉ định Cấm sử dụng hệ thống thiết bị cô đặc các trường hợp sau: - Các chất gây tắc nghẽn - Tiến hành ở áp suấy chân không - Để mô hình làm việc mà không có sự giám sát của người điều hành được huấn luyện về các nguy của máy - Dùng với các vật chất viết, chìa khoá, - Dùng với các chất phản ứng mà không cho phép dùng với mô hình thí nghiệm 7.4.2 Trang thiết bị, hoá chất Quá trình làm việc có nhiệt độ đến 100 oC và làm việc ở áp suất khí quyển với các trang thiết bị phụ trợ và các tiện nghi khác phục vụ cho quá trình thí nghiệm Bên cạnh đó, để phục vụ cho quá trình cần có thêm các hoá chất, máy, dụng cụ sau: - Dung dịch đồng sulphate - Cân phân tích và ống đong (100ml) dùng để xác định khối lượng riêng dung dịch - Máy đo độ hấp thu A dùng để xác định nồng độ (g/l) của dung dịch thông qua đường chuẩn bên dưới Nồng độ dung dịch g/l được xác định thông qua độ hấp thu A Độ hấp thu A được xác định qua máy đo có bước song , ở nhiệt độ phòng khoảng 30oC Cuvet chứa mẫu phải sạch và khô ráo, bên ống không được có bọt khí và được máy đo đúng theo yêu cầu 7.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 7.6.1 Chuẩn bị thí nghiệm 7.5.1.1 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 (nếu cần thiết sử dụng công tắc khẩn cấp) 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 được đặt đúng nơi quy định - Mở van V9 - Kiểm tra áp suất của hệ thống đạt được bar - Mở van V6 để lưu thông nước thiết bị ngưng tụ 7.5.1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị Trước 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 được phải rỗng và sạch - Các van V3 và V4 đóng Kết thúc thí nghiệm - Tắt W1 - Khoá van VP1 - Đợi cho dung dịch nồi đun đạt đến nhiệt độ khoảng 30oC - Khoá van nguồn nước giải nhiệt cấp cho thiết bị ngưng tụ ECH1 - Tháo hết dung dịch nồi đun qua van V2 - Tháo dung môi (nước) bình chứa thứ 7.5.1.3 Chuẩn bị dung dịch - Chuẩn bị lít dung dịch CuSO4 loãng (có thể pha mới theo yêu cầu giáo viên hướng dẫn) - Xác định nồng độ (g/l) của dung dịch - Xác định khối lượng riêng của dung dịch 7.5.2 Báo cáo - Ghi nhận kết quả thí nghiệm để tính toán cân bằng vật chất và lượng Những vấn đề cần ghi chú mỗi giai đoạn của thí nghiệm - Tính toán cân bằng vật chất - Tính toán cân bằng lượng - So sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm mỗi giai đoạn Nhận xét và giải thích - Tính hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ - Nhận xét về sự biến đổi nhiệt độ nồi đun thực hiện giai đoạn hoá dung môi Giải thích sự biến đổi này 10 7.6 BÁO CÁO THỰC NGHIỆM 7.6.1 Kết quả thực nghiệm Bảng 7.1: Một số tính chất của dung dịch CuSO4 tại các thời điểm Đặc điểm Trước cô đặc Sau cô đặc Thể tích (L) 100 100 Khối lượng (g) 97,95 100,44 Độ hấp thu A 1,712 2,534 Bảng 7.2: Giá trị nhiệt đọ quá trình cô đặc, công suất và lưu lượng Đặc điểm Bắt đầu quá trình cô đặc Đun sôi dung dịch Bắt đầu ngưng tụ Công suất (W) Thời gian (s) TI1N (oC) TI3V (oC) TI5R (oC) Lưu lượng dòng nước lạnh (l/h) 150 2000 41,8 30 30 1500 1380 89 30 30,4 150 1500 6112 93,6 30 30,4 150 - Thể tích dung dịch ban đầu: V1 = (L) - Thể tích dung dịch kết thúc: V2 = 3,94 (L) - Thể tích dung môi bay hơi: V3 = (L) 7.6.2 Xử lý số liệu Bảng 7.3: Thông số đặc trưng của trước cô đặc và sau cô đặc Thông số Nồng độ (g/l) (g/l) Nồng độ khối lượng Trước cô đặc 22,19 979,5 0,0226 Sau cô đặc 34,52 1004,4 0,0343 - Nồng độ trước cô đặc: 22,19 (g/l) - Nồng độ sau cô đặc: 34,52 (g/l)  Tra bảng và lập bảng excel dò tìm kết quả tìm được nồng độ Bảng 7.4: Các thông số vật lý của nước ở 93,6oC 11 Khối lượng riêng (kg/m3) 962,82 4,212 o Nhiệt dung riêng (J/kg C)  Cân bằng vật chất Khối lượng chất tan vào = Khối lượng chất tan Mà thể tích cho vào dung dịch nồi đun lúc đầu là 6L = 0,006 (m3) - Khối lượng dung dịch đầu: = 0,006.979,5 = 5,877 (kg) - Khối lượng dung dịch còn lại sau cô đặc: - Khối lượng thứ: Khối lượng dung dịch ban đầu = Khối lượng dung dịch còn lại + khối lượng thứ  - Khối lượng chất tan: mchấttan = = 5,853.0,0226 = 0,132 (kg)  Cân bằng lượng o Giai đoạn sôi của dung dịch - Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng Qk1 = P1 = 2070 (kJ) Năng lượng dung dịch nhận được Q1 = Sử dụng sổ tay QTTB tra nhiệt dung riêng của nước ở 93,6 oC  CH2O = 4,212 (J/kg.oC) Mà 12  Q1 = o Giai đoạn bốc dung môi - Nhiệt lượng đun cung cấp cho quá trình hoá dung môi - Năng lượng nước nhận được để bốc hơi: Tại 93,6oC ta có: iw = 2668,66 (kJ/kg) (tra bảng – bảng tra quá trình học truyền nhiệt) = 2,005.(2668,66 – 4,212.93,6) = 4560,205 (kJ) - Cân bằng lượng tại thiết bị ngưng tụ: (kJ) -Tổng nhiệt lượng cung cấp cho cả quá trình cô đặc: Qcc = Qk1 + Qk2 = 2070 + 9124,5 = 11194,5 (kJ) - Hệ số truyền nhiệt của thiết bị: Ta có: Với: = 939,214 (W) 63,6 oC 63,2 oC => oC Vậy: 7.6.3 Kết quả xử lý số liệu Cân bằng vật chất Bảng 7.5 : Các giá trị khối lượng của dung dịch cô đặc Gđ (kg) (kg/kg) Gc (kg) (kg/kg) 5,877 0,0226 3,872 0,0343 13 mchấttan (kg) 0,132 Gw (kg) 2,005 • Cân bằng lượng Bảng 7.6 : Các giá trị nhiệt lượng cung cấp cho quá trình Qk1 (kJ) 2070 Q1 (kJ) Qk2 (kJ) Q2 (kJ) Qng (kJ) Qcc (kJ) K 1248,1567 9124,5 4560,205 5713,244 11194,5 74,1 7.7 NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN - Nồng độ dung dịch tăng lên sau quá trình cô đặc - Trong giai đoạn bốc dung môi nhiệt độ nồi đun tăng dần từ 41,6 oC đến 93,6 oC - Năng lượng cho quá trình gia nhiệt thấp lượng cho quá trình bốc dung môi - Năng lượng nồi đun cung cấp cho quá trình lớn lượng dung dịch nhận được vi có một phần đã thất thoát qua dòng nước giải nhiệt - Giai đoạn đun sôi dung dịch: theo lý thuyết Q k1 = Q1 thực tế thì Qk1 > Q1 nghĩa là nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun cao nhiệt lượng dung dịch nhận được - Có sai số quá trình xác định khối lượng chất tan ảnh hưởng đến việc tính toán nồng độ đầu và cuối của dung dịch - Về nồng độ: Nồng độ chất tan lúc sau cao so với nồng độ ban đầu Do quá trình cô đặc, lượng nước dung dịch hoá và tách khỏi dung dịch, làm cho nồng độ chất tan tăng lên - Về nhiệt độ: Quá trình đun nóng diến có sự thay đổi quanh nhiệt độ sôi, cụ thể là udng dịch sôi tạo 90 oC, tiếp tục cung cấp nhiệt lượng, nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng đến nhiệt độ sôi cố định là 93,6 oC Trong quá trình quan sát, ta thấy nhiệt độ biến động quanh nhiệt độ sôi không đáng kể Điều này có thể hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ và lưu lượng nước bơm có thể không ổn định hoặc sự biến đổi nhỏ lượng chất dung dịch 14 7.8 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Xuân Toản, Các quá trình thiết bị công nghệ hoá chất và thực phẩm, tập 3: Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt, NXB KHKT, 2013 [2] Phạm Văn Bôn, Quá trình và thiết bị công nghệ hoá học & thực phẩm, Tập 5: Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, quyển 1: Truyền nhiệt ổn định, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2006 [3] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất, tập 1,2, NXB Khoa học kỹ thuật, 2013 [4] Warren L.McCabe, Julian C.Smith, Peter Harriott, Unit operations of chemical engineering, McGraw Hill 15 ... Khối lượng (g) 97, 95 100,44 Độ hấp thu A 1 ,71 2 2,534 Bảng 7. 2: Giá trị nhiệt đọ quá trình cô đặc, công suất và lưu lượng Đặc điểm Bắt đầu quá trình cô đặc Đun sôi dung dịch... (L) 7. 6.2 Xử lý số liệu Bảng 7. 3: Thông số đặc trưng của trước cô đặc và sau cô đặc Thông số Nồng độ (g/l) (g/l) Nồng độ khối lượng Trước cô đặc 22,19 979 ,5 0,0226 Sau cô đặc. ..MỤC LỤC BÀI 7: QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC 7. 1 GIỚI THIỆU Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch (chứa chất tan không