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

Trang 1

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

Lớp học phần: DHVC14A – 420300372606

Ngày thực hành: 08.04.2020

Trang 2

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 ra khỏi dung dịch bay lên gọi là hơi thứ

Mục đích của quá trình cô đặc:

+ Làm tăng nồng độ của chất hoà tan trong 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 trong thực tiễn công nghiệp sản xuất hoá 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 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 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 ra phản ứng phụ không mong muốn (oxy hoá, đường hoá, nhựa hoá)

Cô đặc áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùn cho các dung dịch không bị phẩn huỷ 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 được sử dụng mà được thải ra ngoài

Trang 3

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

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 năng lượng cho các 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

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 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 tân 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 đọ sâu của dung dịch trong 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 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

- 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 cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới

7.3.3 Cân bằng vật chất và năng lượng

7.3.3.1 Nồng độ

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

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

Trang 4

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

Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như 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 ra + 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 ra

Đối với chất tan

Khối lượng chất tan vào = Khối lượng chất tan ra

Dùng phương trình này giúp chúng 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 + khối lượng hơi thứ

Trang 5

Dùng phương trình này cho phép tính được khối lượng dung môi đã bay hơi trogn 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)

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

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

: Khối lượng dung môi bay hơi (kg)

7.3.3.3 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 tínhh 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

Qk1 = P1

Năng lượng dung dịch nhận được

Q1 =

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình QK1 đặc trưng cho năng lượng mang vào, năng lượng dung dịch nhận được Q1 đặc trưng cho năng lượng mang ra

Do vậy phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp này là (bỏ qua tổn thất năng lượng và nhiệt thất thoát thông qua dòng nước giải nhiệt)

Đối với giai đoạn bốc hơi dung môi

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình

Năng lượng nước nhận được để bốc hơi

Trang 6

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình 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

Các phương trình cân bằng năng 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 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 hoá hơi (W)

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

: Thời gian thực hiện quá trình hoá hơi (s)

: Nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)

: Nhiệt lượng nước nhận được để hoá hơi (J)

: Hàm lượng của hơi nước thoát ra trong quá trình ở áp suất thường (J/kg)

: Ẩn nhiệt hoá hơi 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 ra 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 MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM

7.4.1 Sơ đồ hệ thống

Trang 7

Hình 7.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cô đặc

Các thiệt bị phụ trợ trong 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 trong quá trình gián đoạn

V4 Van cấp cho thiết bị kết tinh trong 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

Trang 8

V8 Van xả nước ngưng trong 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 cơ chế của quá trình cô đặc bởi sự bay hơi 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 trên 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 trong suốt quá trình di chuyển dung dịch và thất thoát nhiệt ít nhất để tránh việc kết tinh huyền phù trong ống

Chống chỉ định

Cấm sử dụng hệ thống thiết bị cô đặc trong 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 cơ của máy

- Dùng với các vật chất như viết, chìa khoá,

Trang 9

- 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 100oC 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 luôn sạch và khô ráo, bên trong ống không được có bọt khí và được trong 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 ra được đặt đúng nơi quy định

- Mở van V9

- Kiểm tra áp suất của hệ thống đạt được 1 bar

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

Trang 10

7.5.1.2 Kiểm tra mô hình thiết bị

Trước khi 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 trong 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 trong nồi đun qua van V2

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

7.5.1.3 Chuẩn bị dung dịch

- Chuẩn bị 6 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 năng lượng Những vấn đề cần ghi chú trong mỗi giai đoạn của thí nghiệm

- Tính toán cân bằng vật chất

- Tính toán cân bằng năng lượng

- So sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm trong 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 trong nồi đun khi thực hiện giai đoạn hoá hơi dung môi Giải thích sự biến đổi này

Trang 11

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 Thể tích (L) Khối lượng (g) Độ hấp thu A

Bảng 7.2: Giá trị nhiệt đọ quá trình cô đặc, công suất và lưu lượng

Đặc

điểm

Công suất (W)

Thời gian (s)

TI1N

(oC)

TI3V

(oC)

TI5R

(oC)

Lưu lượng dòng nước lạnh (l/h) Bắt đầu

quá trình

cô đặc

Đun sôi

dung dịch

Bắt đầu

- Thể tích dung dịch ban đầu: V1 = 6 (L)

- Thể tích dung dịch kết thúc: V2 = 3,94 (L)

- Thể tích dung môi bay hơi: V3 = 2 (L)

7.6.2 Xử lý số liệu

Bảng 7.3: Thông số đặc trưng của trước cô đặc và sau cô đặc

- Nồng độ trước cô đặc: 22,19 (g/l)

- Nồng độ sau cô đặc: 34,52 (g/l)

 Tra bảng và lập ra bảng excel dò tìm kết quả tìm được nồng độ

Bảng 7.4: Các thông số vật lý của nước ở 93,6oC

Trang 12

Khối lượng riêng (kg/m3) 962,82

 Cân bằng vật chất

Khối lượng chất tan vào = Khối lượng chất tan ra

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 hơi thứ:

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



- Khối lượng chất tan:

mchấttan = = 5,853.0,0226 = 0,132 (kg)

 Cân bằng năng 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 93,6oC  CH2O = 4,212 (J/kg.oC)

Mà

Trang 13

 Q1=

o Giai đoạn bốc hơi dung môi

- Nhiệt lượng đun cung cấp cho quá trình hoá hơi 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 cơ học truyền nhiệt)

= 2,005.(2668,66 – 4,212.93,6) = 4560,205 (kJ)

- Cân bằng năng 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) mchấttan

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	117,43 KB