BÁO cáo THỰC HÀNH môn THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH THIẾT bị hóa học bài TH QUÁ TRÌNH cô đặc

Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chất tan.. Nhiệt độ sôi của dung dịch còn phụ thuộc vào độ sâu của dung dịch trong thiết bị.. Hình 2.1 Quan hệ giữa áp

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

🙧🙧

BÁO CÁO THỰC HÀNH

MÔN THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ HÓA

HỌC BÀI

GVHD: Trương Văn Minh Sinh viên: Phan Thị Nguyễn Nhi Lớp: DHHC14A

MSSV:18077131 – Tổ 4 Ngày thực hành: 04/04/2022

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 04 năm 2022

1

MỤC LỤC

1 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 2

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

2.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch 2

2.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn 2

2.3 Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng 3

2.3.1 Nồng độ 3

2.3.2 Cân bằng vật chất 3

2.3.3 Cân bằng năng lượng 4

3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5

4 XỬ LÝ SỐ LIỆU 5

5 BÀN LUẬN 8

TÀI LIỆU THAM KHẢO 9

QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

1 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 năng lượng cho quá trình cô đặc gián đoạn

So sánh năng lượng cung cấp cho quá trính theo lý thuyết và thực tế

Xác định năng xuất và hiệu xuất của quá trình cô đặc

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 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 Nhiệt

độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở 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 thì nhiệt độ sôi càng tăng

Hình 2.1 Quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất P s và của

dung môi trên dung dịch P với nhiệt độ t

2.2 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 vào một lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm dần cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu

2

- Dung dịch cho vào ở mức ổn định, cho bốc hơi đồng thời bổ sung dung dịch mới liên tục vào để giữ múc chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới

2.3 Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng

2.3.1 Nồng độ

Nồng độ được sử dụng trong quá trình được xác định là khối lượng của chất tan

so với khối lượng của dung dịch, được biểu diễn dưới dạng:

x= m chat tan

m dungdich(kg/kg)

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

C= m chat tan

V dungdich(kg/m3)

Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như sau:

x= C ρ

dd

Với ρ dd là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)

2.3.2 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 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

Đối với hỗn hợp

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

G đ =G c +G w

Trong đó: Gđ - Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun (kg)

x đ - Nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun (kg/kg)

Gc - Khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun (kg).

x c - Nồng độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun (kg/kg)

Gw - Khối lượng dung môi bay hơi (kg)

2.3.3 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 năng lượng thất thoát)

Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch

- Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình

Q k1=P1.τ1

- Năng lượng dung dịch nhận được

Q1=G đ C p (T s dd −T đ)

C p =C nước .(1−x đ)

Phương trình cân bằng năng lương trong trường hợp này (bỏ qua tổn thất năng lượng và nhiệt thất thoát thông qua dòng nước giải nhiệt):

Q k1=Q1

Đối với giai đoạn bốc hơi dung môi

- Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Q k2=P2.τ2

- Năng lượng nước nhận được để bốc hơi:

Q2=G W (i¿¿w−C p nước T s dd) ¿ Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình Q k2 đặc trưng cho năng lượng mang vào, năng lượng nước nhận được để bốc hơi Q2

- Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ

Q ng =G W .r w =V nước ρ nước .C nước .(T r −T v) τ2

Trong đó: Q k1 Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng (J)

Q k2 Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi (J)

Q ng Nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận được ở thiết bị ngưng tụ (J)

P1 Công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình đun nóng (W)

P2 Công suất điện trở nồi đun sử dụng cho quá trình hóa hơi (W)

4

τ1 Thời gian thực hiện quá trình đun sôi dung dịch (s).

τ2 Thời gian thực hiện quá trình hóa hơi (s)

Q1 Nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)

Q2 Nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi (J)

i w Hàm nhiệt của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường (J/kg)

r w Ẩn nhiệt của hơi nước ở áp suất thường (J/kg)

(T sdd −T đ)Chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (℃

)

(T r −T v) Chênh lệch giữa nhiệt độ của nước ra và vào (℃)

V H2O Lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ

ρ H2O khối lượng riêng của nước (kg/m3)

C H2O Nhiệt dung riêng của nước (J/kg K)

C p Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg K)

3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Nhập liệu V0=5(l)=5.10 −3(m3)

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm quá trình cô đặc.

Giai đoạn (min)τ T(nước vào℃) Tnước ra℃) ( TCuSO4℃) ( C (g/L) A P (W) (LPH)Q (kg/mΡ 3)

4 XỬ LÝ SỐ LIỆU

Khối lượng 100mL dung dịch trước cô đặc: m0=99,3(g)

Khối lượng riêng của dung dịch trước cô đặc:

ρ bđ = m V= 99,3.10−3

0,1.10 −3 =993(kg/m3)

Nồng độ của dung dịch trước cô đặc:

A=2,470→C=33,53¿ Khối lượng 100mL dung dịch sau cô đặc: m1=101,3(g)

Khối lượng riêng của dung dịch sau cô đặc:

ρ kt = m V= 101,3.10−3

0,1.10−3 =1013(kg/m3)

Nồng độ của dung dịch sau cô đặc:

A=3,337 →C=47,03¿

Cân bằng vật chất và năng lượng

Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun:

G đ =V0.d=5.10−3 993=4,965(kg)

Nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun:

x đ = C ρ

bđ= 33,53993 =0,03377(kg/kg)

Nồng độ cuối của chất tan trong nồi đun:

x c = C ρ

kt= 47,031013=0,04643(kg/kg)

Cân bằng vật chất

Đối với chất tan

Khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun:

G đ .x đ =G c .x c ⟹G c=G đ x đ

x c = 4,965.0,033770,04643 =3,6112(kg)

Đối với hỗn hợp

Khối lượng hơi thứ bốc hơi:

G đ =G c +G w ⟹G w =G đ −G c=4,965−3,611=1,354(kg)

Cân bằng năng lượng

Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch

- Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình cô đặc:

Q k1=P1 τ1=2000.22 60=2640 (kJ)

- Năng lượng dung dịch nhận được:

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 30℃: C p nước=4,180(k J/kg K)

6

Nhiệt dung riêng của dung dịch:

C p dd =C p nước .(1−x đ)=4,180.(1−0,03377)=4,03884(kJ/kg K)

⇒ Năng lượng dung dịch nhận được:

Q1=G đ .C p .(T s dd −T đ)=4,965.4,03884 (93,5−29,6)=1281,376(kJ)

⇒ Năng lượng thất thoát ra môi trường:

Đối với giai đoạn bốc hơi dung dịch

- Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình cô đặc:

Q k2=P2 τ2=1500.65 60=5850(kJ)

- Năng lượng nước nhận được để bốc hơi:

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 93,5 ℃: C p nước=4,22786(kJ /kg K)

Hàm nhiệt của hơi nước thoát ra ở nhiệt độ 93,5 ℃, tra bảng I.250, trang 312, Sổ tay quá trình và thiết bị tập 1: i w=2668,66(kJ /kg K)

⇒ Năng lượng nước nhận được để bốc hơi:

Q2=G W (i¿¿w−C p nước T s dd )=1,354.(2668,66−4 ,22786 93,5)=3078,123(kJ)¿

⇒ Năng lượng thất thoát ra môi trường:

Cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị ngưng tụ

Q ng =G W .r w =V nước ρ nước .C nước .(T r −T v) τ2

⟺ Q ng=1,8 10 −3.1013 4,22786.(35−30)=38,545(kJ)

- Tổng lượng nhiệt do nồi đun cung cấp cho cả quá trình cô đặc:

Q cc =Q k1+Q k2=2640+5850=8490(kJ )

- Tổng lượng nhiệt dung dịch nhận được trong cả quá trình cô đặc:

Q hi =Q1+Q ng =1281,376+38,545=1319,921(kJ )

- Hiệu số nhiệt độ hữu ích, xem như quá trình chuyển động ngược chiều:

∆ t max=93,5−30=63,5(℃)

∆ t min=35−30=5(℃)

∆ tlog=∆ t max −∆ t min

ln(∆ t max

∆ t min) = 63,5−5ln(63,5

5 )=23,02(℃)

⇒ Hệ số truyền nhiệt của thiết bị:

Q tđ =Q ng =K F ∆ tlog⟹ K= Q ng

F ∆ tlog = 38,545.103

0,2.23,02 =8372,068(W /m2 K)

5 BÀN LUẬN

- Sau thực nghiệm, ta thấy có sự chênh lệch giữa nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình và nhiệt lượng mà dung dịch nhận vào điều này được lý giải dựa trên phương trình cân bằng năng lượng:

Q cc =Q hi +Q tt

- Theo lý thuyết, có thể bỏ qua sự thất thoát nhiệt ra môi trường nhưng trên thực tế

sự thất thoát vẫn diễn ra điều đó lý giải vì sao lượng nhiệt nồi đun cung cấp lại khác

so với lượng nhiệt mà dung dịch nhận vào Một lý do khác gây ra sự sai lệnh là do sai số hệ thống thiết bị, thiết bị thực hành chủ yếu để quan sát, không có bộ phận cách nhiệt nên lượng nhiệt thất thoát ra ngoài là rất lớn và rất khó tính toán chính xác cân bằng năng lượng

- Ta cũng thấy được có sự khác nhau giữa 2 khoảng thời gian mà dung tích nước ngưng nhận được là 1 lít và 2 lít chênh lệnh nhau Điều này được lý giải dựa trên cơ

sở của sức căng bề mặt của dung dịch Trong thời gian đầu khi tiến hành gia nhiệt cho dung dịch, nhiệt độ tăng làm sức căng bề mặt dung dịch giảm xuống nên tốc độ hóa hơi của dung dịch tăng, càng về sau nồng độ dung dịch càng tăng do lượng hơi thứ bốc hơi nhưng nhiệt độ sôi dung dịch không đổi làm dẫn đến sức căng bề mặt dung dịch lúc này lại tăng lên, làm giảm sự hóa hơi của dung dịch dẫn đến thời gian thu nước ngưng lúc sau sẽ dài hơn lúc đầu

8

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tài liệu hướng dẫn thực hành các quá trình & thiết bị trong công nghệ hóa học, Khoa công nghệ hóa học Trường đại học công nghiệp TP.HCM, 2017

[2] Tập thể tác giả, Sổ tay quá trình & thiết bị trong công nghệ hóa chất, tập 1 & 2, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2012