báo cáo thực hành bài cô đặc

Độ hấp thu dung dịch trước khi đun sôi: A1 = 2.476, A2 = 2.473, A3 = 2.482 →Atb=(2.476+2.473+2.82)3=2.477A Độ hấp thụ sau khi nước ngưng tụ được 1.5 lít: A1 = 3.266, A2 = 3.276, A3 = 3.273 → Atb=(3.267+3.276+3.273)3=3.271A

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

BÁO CÁO THỰC HÀNH

MÔN: CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG

NGHỆ HÓA HỌC

Tp HCM, tháng 3 năm 2018

MỤC LỤC

BÀI 1: CÔ ĐẶC 3

I Giới thiệu 3

II Mục đích thí nghiệm: 3

III Cơ sở lý thuyết: 3

3.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch: 3

3.2 Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn 4

3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng 4

IV Tiến hành thí nghiệm 8

4.1.Chuẩn bị thí nghiệm 8

4.2.Tiến hành thí nghiệm 9

4.3 Kết thúc thí nghiệm 9

V Bảng số liệu: 10

VI Xử lý số liệu: 11

VII Biểu đồ 17

VIII Nhận xét 19

8.1 Nhận xét về nồng độ đo được 19

8.2 Nhận xét về cân bằng năng lượng 20

8.3 Nhận xét về hệ số truyền nhiệt của thuyết bị ngưng tụ: 20

IX Bàn luận 21

X Kết luận 22

XI Tài liệu tham khảo 22

BÀI 1: CÔ ĐẶC

I Giới thiệu

Cô đặc là quá trình làm tăng nồng độ của dung dịch bằng cách tách một phần dung môi ởnhiệt độ sôi Dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ Quá trình cô đặc đượctiến hành ở nhiệt độ sôi, tương ứng với mọi áp suất khác nhau (áp suất chân không, áp suấtthường - hệ thống thiết bị để hở hay áp suất dư) Cô đặc ở áp suất chân không thì nhiệt độ sôidung dịch giảm do dó chi phí hơi đốt giảm, dùng để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi cao

ở áp suất thường và dung dịch dễ phân hủy vì nhiệt hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ mongmuốn (oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa) Cô đặc áp suất cao hơn thì khí quyển thường dùngcho các dung dịch không bị phân hủy ở nhiệt độ cao như các dung dịch muối vô cơ, để sửdụng hơi thứ cho quá trình cô đặc và các quá trình đun nóng khác Cô đặc ở áp suất cao khíquyển thì hơi thứ không được sử dụng mà được thải ra ngoài không khí

II Mục đích thí nghiệm:

 Hiểu rõ hơn về quá trình cô đặc

 Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng để tìm các thông số cần thiết

 Xác định năng suất và hiệu suất cuối cùng

 Đánh giá quá trình hoạt động gián đoạn

III 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

3.2 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 cógiá trị kinh tế Cô đặc một nồi có thể thực hiện theo 2 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

- Dung dịch cho vào ở mức nhất định, cho bốc hơi đồng thời bổ sung dung dịch mới lien tụcvào để giữ mức chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ dạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch

=(kg/m3)Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như sau:

=

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

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 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

Gđ * = Gc* Phương trình này giúp ta tính toán được khối lượng của dung dịch còn lại trong nồi đun sauquá trình cô đặc

Đối với hỗn hợp:

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

Gđ = Gc + Gw

Phương trình này tính toán khối lượng dung môi đã bay hơi trong quá trình cô đặc

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

nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun(kg/kg)

Gc: khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun(kg)

: nồng độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun(kg/kg)

Gw: 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 tính toán, chúng ta thường 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:

Qk1 = P1 * τ1

Năng lượng dung dịch nhận được:

Q1 = Gđ * Cp * (Tssd – Tđ)

Cp = CH2O * (1- )Phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp (Qk1 đặc trưng cho năng lượng mangvào, Q1 đặc trưng cho năng lượng mang ra; bỏ qua tổn thất năng lượng và nhiệt thất thoátthông qua dòng nước giải nhiệt)

Qk1 = Q1

 Đối với giai đoạn bốc hơi dung dịch

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ:

Qngưng tụ = Gw ×rw = VH2O ×pH2O ×CH20 ×(Tr – Tv) ×τ2

Chú thích:

Qk1: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng (J)

Qk2 : nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi (J)

Qngưng tụ : 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)

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)

iw : hàm nhiệt của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường

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

(Tssd – Tđ): chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (0C)

(Tr – Tv) : chênh lệch nhiệt độ củ nước ra và vào (0C)

VH2O :lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ (m3/s)

pH2O: khối lượng riêng của nước (kg/m3)

CH20 : nhiệt dung riêng của nước (J/kg.K)

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

IV Tiến hành thí nghiệm

4.1.Chuẩn bị thí nghiệm

4.1.1.Chuẩn bị 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 thịtrắng sáng

- Kích hoạt mô hình thí nghiệm bởi công tắc cấp nguồn cho các thiết bị phụ trợ để kích hoạt

mô hình,lúc này đèn xanh sáng

- Bộ hiển thị số được cấp điện

- Mở van nguồn nước 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 được 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

4.2.Tiến hành thí nghiệm

4.2.1 Giai đoạn đun sôi dung dịch

- Cho dung dịch nồi đun khoảng 8 lít

- Khóa van V1, VP1

- Kích hoạt bộ gia nhiệt, điều chỉnh công suất lên 100%

- Chỉnh lưu lượng nước cho thiết bị ngưng tụ ECH1 với lưu lượng 80l/h

- Đo thời gian và quan sát dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đun đến khi dung dịch sôi,quan sát nhiệt độ đầu vào và đầu ra của nước giải nhiệt

- Đo nhiệt độ sôi của dung dịch trong nồi đun từ lúc bắt đầu đến khi dung dịch sôi

4.2.2 Giai đoạn bốc hơi dung môi

- Đo nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra khỏi thiết bị ngưng tụ

- Quan sát nhiệt độ của dung dịch trong nồi đun khi thực hiên quá trình

- Đo nồng độ dung dịch sau khi kết thúc quá trình

- Xác định khối lượng riêng của dung dịch sau khi quá trình cô đặc

- Tháo hết dung dịch trong nồi đun qua van V2

- Tháo dung môi ( nước ) trong bình chứa hơi thứ

Bắt đầu 2000 16 89.6 30.2 32.6 0

Kết

thúc

1500 65 93.9 30.1 33.3 1.5 3.271 45.4Trong đó:

TI1: Đầu dò nhiệt độ nồi đun

TI3: Đầu dò nhiệt độ nước giải nhiệt vào thiết bị ngưng tụ

TI5: Đầu dò nhiệt độ chất tải lạnh ra khỏi thiết bị ngưng tụ

- Khối lượng riêng của nước = 1000 kg/m3

- Nhiệt dung riêng của dd = 380 J/kg*K

- Độ hấp thu dung dịch trước khi đun sôi:

 GIAI ĐOẠN ĐUN SÔI DUNG DỊCH

 Ta có: Nồng độ đo quang = 2.477A ( dựa vào đường chuẩn xác định nồng độ ddCuSO4)

Nên = 33 () = 33 ()

 Ta có Vdd= 6(lít)

 GIAI ĐOẠN CUỐI (NGƯNG TỤ 1.5 LÍT)

 Ta có: Nồng độ đo quang = 3.271A (dựa vào đường chuẩn xác định nồng độ ddCuSO4)

ρdd đầu = = 45.4/0.044= 1031.82 ()

6.2 Cân bằng vật chất

- Nồng độ đo quang ban đầu của dung dịch CuSO4 = 40 (g/l) Có d= 1,021(g/ml)

- Vdd cho vào nồi đun: 6 (lít)

 Đối với chất tan:

Khi hơi thứ ngưng tụ 1.5 lít = =4.455 (kg)

 Đối với hỗn hợp

Khi hơi thứ ngưng tụ 1.5 lít = 6.126 – 4.455 = 1.671 (kg)

6.3 Cân bằng năng lượng

Giai đoạn QK (J) Q (J) Qnglý Qngthực Hệ số Hệ số truyền

thuyết (J) nghiệm

(J)

truyềnnhiệt lýthuyết(W/m2K)

nhiệt thựcnghiệm(W/m2K)

 GIAI ĐỌAN ĐUN SÔI DUNG DỊCH

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình :

 ĐỐI VỚI GIAI ĐOẠN BỐC HƠI DUNG DỊCH:

Khi hơi thứ ngưng tụ đạt được 1.5 lít:

- Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi:

- Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ:

Qngưng tụ = Gw * rw = GH2O * H2O * CH20 * (Tr – Tv) * τ2

Trong đó:

là lưu lượng của nước vào thiệt bị ngưng tụ

Ta có: =200 (l/h)

200=5.55 (/s)

Khối lượng riêng của nước là =1000(kg/)

Nhiệt dung riêng của nước là = 4200 (J/Kg.)

Ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất thường rw= 2264(KJ/Kg)

Ta có

 Nhiệt độ nồi đun là 93.9

 Nhiệt độ nước giải nhiệt vào 30.1

 Nhiệt độ nước giải nhiệt ra là 33.3

Bắt đầu Kết thúc 0.04

Biểu đồ thể hiện năng lượng cung cấp cho quá trình theo lý thuyết và thực nghiệm ở hơi thứ

1.5lít

Kết thúc 0

Dựa vào biểu đồ và số liệu ta có thể nhận thấy:

 Nồng độ của dung dịch sau khi hơi thứ ngưng tụ được 1.5 lít là cao nhất

 Nồng độ của dung dịch lúc ban đầu là thấp nhất

 Nồng độ của dung dịch tăng theo thời gian và lượng hơi thứ thu được

 Lượng chất hòa tan không bay hơi trong dung dịch càng nhiều thì nồng độ của dung dịch càng cao

 Nồng độ tỉ lệ thuận với lượng hơi thứ thu được (lượng dung môi tách ra khỏi dung dịch bay lên) và lượng chất hòa tan không bay hơi có trong dung dịch

 Biểu đồ quan hệ giữa thời gian và nồng độ có sự tăng dần theo thời gian Nên đồ thì là đường thẳng đi lên

Nồng độ lúc sau cao hơn ban đầu vì:

- Trong quá trình cô đặc dung môi được tách ra khỏi dung dịch ở dạng hơi, còn dung chấthòa tan trong dung dịch này không bay hơi, do đó nồng độ dung dịch sẽ tăng dần lên.

- Lượng hơi thứ bay lên càng nhiều thì nồng độ của dung dịch thu được càng tăng

8.2 Nhận xét về cân bằng năng lượng

 Năng lượng do nồi đun cung cấp và dung dịch nhận được.

Dựa vào biểu đồ và số liệu ta có thể nhận thấy:

 Trong giai đoạn dung dịch sôi và thu được lượng hơi thứ 1.5 lít thì năng lượng nồi đung cung cấp cao hơn năng lượng dung dịch nhận được

 Giữa lý thuyết và thực nghiệm có sự khác nhau

 Khi lượng dung môi bay hơi đạt được 1.5 lít thì lý thuyết lớn hơn thực nghiệm Do đó

ta thấy có sự khác biệt lớn Ta có thể nhận thấy trong quá trình thí nghiệm đã xảy ra sai số

và một lượng năng lượng tổn thất ra bên ngoài môi trường

 Năng lượng thực nghiệm ở mỗi giai đoạn có sự khác nhau nhưng không lớn lắm

 Năng lượng lý thuyết ở hai giai đoạn có sự khác biệt, chênh lệch nhau

8.3 Nhận xét về hệ số truyền nhiệt của thuyết bị ngưng tụ:

 Do năng lượng lý thuyết cao hơn do với thực nghiệm Nên hệ số truyền nhiệt của lýthuyết lớn hơn so với thực tế Vì năng lượng và hệ số truyền nhiệt tỉ lệ thuận vớinhau

 Trong cùng một bề mặt diện tích tuyền nhiệt và nhiệt độ dòng tải nhiệt ra và vào nhưnhau thì hệ số truyền nhiệt thực nghiệm ở giai đoạn đun sôi nhỏ hơn giai đoạn ngưng

tụ

 Qua thí nghiệm này, ta có thể thấy hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào năng lượng

mà ta nhận được Giữa lý thuyết và thực nghiệm ít nhiều có sự khác biệt do ảnh

hưởng của một số yếu tố không mong muốn nên đã dẫn đến sai số,có thể kể đếnnhư: áp suất, nhiệt độ…

*Kết quả sai số có thể do:

Sai số khi tính toán về vật chất

+ Khi đưa dung dịch vào nồi hơi sau dó gia nhiệt đến khi sôi 1 phần đồng sunfat sẽ xảy ranhững phản ứng không mong muốn như oxy hóa, hay hiện tượng phân ly tạo thành Cu bámtrên thanh kim loại dùng để gia nhiệt dung dịch

+ Sau khi thí nghiệm thì hơi nước sau khi ngưng tụ vẫn còn bám lại 1 ít trong thiết bị cũng

có thể dẫn đến sai số khi tính nồng độ sau khi cô đặc

Sai số về năng lượng:

+ Khi gia nhiệt cho dung dịch thì nhiệt tỏa ra xung quanh nồi hơi

+ Hơi nước nóng được làm ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ do chiều dài của ống nước dẫn nướcvào làm lạnh khá dài nên trong quãng đường đó sẽ tổn hao nhiệt độ nên khó đo chính xácnhiệt chất tải lạnh khi ra khỏi thiết bị ngưng tụ

IX Bàn luận

-Trong quá trình thực hành thí nghiệm sẽ không tránh khỏi sự sai xót về thông số nhiệt

độ, thời gian

Nguyên nhân

- Các thao tác kỹ thuật trong quá trình thí nghiệm còn vụng về

- Dụng cụ thiết bị thí nghiệm còn nhiều hạn chế

- Sai số do làm tròn

- Cân đong dung dịch, máy đo quang chưa chính xác

- Thông số thiết bị không ổn định

- Thời gian không đồng đều

Cách khắc phục

- Kiểm tra thiết bị và dụng cụ trước và sau khi làm thí nghiệm Báo cáo ngay cho bộphận sửa chữa nếu có phát hiện hư hỏng

- Cần nắm vững kiến thức trước khi thực hành thí nghiệm

- Vệ sinh và khởi động thiết bị để nhiệt độ và áp suất ổn định

- Thao tác vận hành nhanh,pha dung dịch chuẩn

- Tính toán cẩn thận và chính xác

X Kết luận

Quá trình cô đặc có thể tiến hành trong thiết bị cô đặc một nồi hoặc nhiều nồi làm việc liêntục hay gián đoạn Trong thực tế cô đặc một nồi thường ứng dụng năng suất nhỏ và nhiệtnăng không có gia trị kinh tế Quá trình cô đặc được sử dụng nhiều trong công nghệ đồ hộp

để sản xuất cà chua cô đặc, sữa đặc…Trong quá trình cô đặc người ta thường sử dụng hơinước bão hòa để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điễm sôi Khi đó nước sẽ từ trạngthái lỏng sang trạng thái hơi

XI Tài liệu tham khảo

-Giáo trình hướng dẫn thực hành kỹ thuật thực phẩm- Trường đại học Công Nghiệp