(TIỂU LUẬN) 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.. 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 vớ́

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 TH: QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

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

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 lớ́n 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 vớ́i 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 mớ́i 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 mớ́i

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 vớ́i khối lượng của dung dịch, được biểu diễn dướ́i dạng:

x= m chat tan (kg /kg )

m dungdich

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

C= m chat tan ( kg/m3 )

V

dungdich

Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như sau:

x= C ρ

dd

Vớ́i 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 vớ́i 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

=P

1 τ

1

- 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 nướ́c giải nhiệt):

=Q

1

Đối với giai đoạn bốc hơi dung môi

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

=P

2 τ

2

- Năng lượng nướ́c nhận được để bốc hơi:

Q 2=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 nướ́c 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 ng Nhiệt lượng nướ́c 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)

P

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

4

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

τ 2 Thời gian thực hiện quá trình hóa hơi (s)

Q 1 Nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)

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

i wHàm nhiệt của hơi nướ́c thoát ra trong quá trình ở áp suất thường (J/kg)

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

( T r −T v) Chênh lệch giữa nhiệt độ của nướ́c ra và vào (℃). V H2O Lưu lượng nướ́c vào thiết bị ngưng tụ.

ρ H2O khối lượng riêng của nướ́c (kg /m3 ).

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

Nhập liệu V 0 =5(l)=5.10−3 (m3 )

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm quá trình cô đặc.

Giai đoạn

τ Tnướ́c vào Tnướ́c ra ( TCuSO4 (

4 XỬ LÝ SỐ LIỆU

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

Khối lượng riêng của dung dịch trướ́c cô đặc:

ρ = m

= 99,3.10−3

=993 (kg /m3 )

bđ V 0,1.10−3

Nồng độ của dung dịch trướ́c 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

= 101,3.10−3

=1013 (

kg/ m3 ) V 0,1.10−3

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 =V 0 d=5 10−3 993=4,965 (kg)

Nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun:

x đ= C

= 33,53

=0,03377 (kg /kg) ρ bđ 993

Nồng độ cuối của chất tan trong nồi đun:

x c= C

= 47,03

=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

= 4,965.0,03377

=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:

- Năng lượng dung dịch nhận được:

Nhiệt dung riêng của nướ́c 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:

Q 1=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:

- Năng lượng nướ́c nhận được để bốc hơi:

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

Hàm nhiệt của hơi nướ́c 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 nướ́c 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:

Q tt =Q k2−Q2=5850−3078,123=2771,877 (kJ )

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:

- 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 = 63,5−5 =23,02 (℃)

ln (∆

∆ t t max min ) ln (63,5

5 )

⇒ Hệ số truyền nhiệt của thiết bị:

Q

ng 38,545.103

(

2

Q

tđ =Q

ng =K F ∆ t

log K=

F ∆ tlog =

0,2.23,02 =8372,068 W / m 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:

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

vớ́i 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 lớ́n 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 nướ́c

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 nướ́c ngưng lúc sau

sẽ dài hơn lúc đầu

8

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tài liệu hướ́ng 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