Bài giảng kỹ thuật thực phẩm 2 chương 6 ths trần văn hùng

9/18/2014

MÔN HỌC
KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2

Giảng viên: ThS. Trần Văn Hùng
Email:

CHƯƠNG VI
CHƯNG CẤT

Tiết :
Nội dung tiết học
1. Một số khái niệm
2. Chưng cất liên tục hỗn hợp hai cấu tử
3. Các thiết bị chưng cất dùng trong công nghệ thực phẩm

1


9/18/2014

Chưng cất thu hồi chất mùi

1
2

3
4

Chưng cất lôi cuốn hơi nước

1. Bình cấp hơi nước
2. Bình chứa nguyên liệu chưng cất
3. Lớp tinh dầu
4. Lớp nước.

2


9/18/2014

I. Các khái niệm
Định nghĩa
Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng hoặc hỗn hợp
khí đã hóa lỏng thành những cấu tử riêng biệt dựa trên độ
bay hơi khác nhau giữa các cấu tử trong hỗn hợp.

Ứng dụng

• Trong lĩnh vực lọc hóa dầu
• Sản xuất Oxy và Nitơ
• Tổng hợp hữu cơ như sản xuất metanol, etylen, propylen,
butadien

• Công nghệ sinh học

3


9/18/2014

Phân loại

• Chưng đơn giản
• Chưng lôi cuốn bằng hơi nước
• Chưng chân không
• Chưng cất
• Chưng cất áp suất thấp
• Chưng cất áp suất cao



Chưng đơn giản: tách các hỗn hợp gồm các cấu tử
có độ bay hơi rất khác nhau. Dùng tách sơ bộ và
làm sạch cấu tử khỏi tạp chất.



Chưng bằng hơi nước trực tiếp: tách các hỗn hợp
gồm các chất khó bay hơi, thường được ứng dụng
trong trường hợp chất được tách không tan trong
nước

4


9/18/2014



Chưng chân không: dùng trong trường hợp cần

hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử



Chưng cất: phương pháp phổ biến để tách hoàn
toàn hỗn hợp cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa
tan một phần hoặc hoàn toàn với nhau:



Chưng cất ở áp suất thấp



Chưng cất ở áp suất cao

2. CHƯNG CẤT LIÊN TỤC HỖN HỢP HAI CẤU TỬ


Hỗn hợp 2 cấu tử hòa tan hoàn toàn theo tỷ lệ
bất kỳ



Hỗn hợp hai cấu tử hòa tan một phần



Hỗn hợp hai cấu tử không hòa tan vào nhau.

5


9/18/2014





Hỗn hợp 2 cấu tử hòa tan hồn tồn theo tỷ lệ bất
kỳ:
Hỗn hợp có nhiệt độ sơi thay đổi.

• Dung dịch thực
• Dung dịch lý tưởng


Hỗn hợp có nhiệt độ sơi khơng đổi: dung dịch
đẳng phí

• Sai lệch âm
• Sai lệch dương

Dung dòch lý tưởng ỉàdïèá dòcâ màtrá đó lực liên
kết giữa các phân tử cùng loại và lực liên kết giữa các phân
tử khác loại bằng nhau, kâi đócác cấï tư ûâoàtằ và
o èâạ
tâeo bất cư ùtỉ ỉệèà
o. Câè bằèá áiư õa ỉỏèá vàâơi âoà
è toà

è
tuân theo đònh luật Rauolt.



Dung dòch thực ỉàèâư õèá dïèá dòcâ kâôèá âoà
è toà
è
tïâè tâeo đòèâ ỉïật Rạt, sai ỉệcâ với đòèâ ỉïật Raọỉt.



6


9/18/2014

Sai ỉệcâ dư ơèá: ỉư ïc ỉiêè
kết áiư õa các pââè tư ûkâác
ỉoại èâỏ âơè ỉư ïc ỉiêè kết
áiư õa các pââè tư û cïø
èá
ỉoại



Sai ỉệcâ âm: ỉư ïc ỉiêè
kết áiư õa các pââè tư ûkâác
ỉoại ỉớè âơè ỉư ïc ỉiêè kết
áiư õa các pââè tư û cïø

èá
ỉoại.

Sai lệc h
dư ơng





Sa i lệc h âm

H ìn h 3.1 Q u an h ệ giữa
áp suất và th àn h ph ần của
dun g dòch h ai cấu tử

Hỗn hợp 2 cấu tử khơng hòa tan vào nhau

+ Áp suất riêng phần của cấu tử này, khơng phụ thuộc vào sự
có mặt của cấu tử khác trong hỗn hợp.
+ Nhiệt độ sơi của hỗn hợp thấp hơn nhiệt độ sơi của từng cấu
tử
pA = pbhA; pB = pbhB
Pt = pA + pB = pbhA + pbhB
+ Tính lượng chất cấu tử A so với cấu tử B
GA/GB = (pbhA.MA)/(pbhB.MB)

7

9/18/2014



Hỗn hợp 2 cấu tử hòa tan một phần:

+ Phần 2 cấu tử hòa tan với nhau.
+ Phần 2 cấu tử không hòa tan vào nhau.




Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp hai cấu tử ở áp
suất không đổi.

Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp hai cấu tử ở áp
suất không đổi.

tSB

Hơi

Lỏng

tSA

8


9/18/2014



Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp hai cấu tử ở áp
suất khơng đổi.



Với hỗn hợp lý tưởng: Raoult
Pt = xA.pbhA + (1 – xA).pbhB



Độ bay hơi tương đối – hệ số phân riêng



Phương trình đường cân bằng:

Cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử
t

B
A

D
x

I

x

II

Hình 3.2 Cá c dạng đồ thò
I. P-x; II. t-x; III. y -x

III

x

9


9/18/2014

CHƯNG ĐƠN GIẢN


Chưng gián đoạn không hoàn lưu



Hơi trong quá trình chưng được lấy ra ngay
và cho ngưng tụ.



Chưng gián đoạn thành phần chất lỏng
ngưng luôn thay đổi.



Quá trình chưng liên tục, thành phần chất
lỏng ngưng không đổi.

CHƯNG ĐƠN GIẢN

10


9/18/2014

CHNG N GIN

S chng n gin :
2

1

n

n.l

n

h.d

3

C
H ệ th ố ng ch Ư ng cất đ o n g iản
1 - N ồ i n ấu .
n.l: N g u y ên liệu .
2- T h iết b ị n g Ư n g tụ .
h. d : H ơ i đ ốt .
3- T hù n g ch ứ a sản ph ẩm .
C : C ặn.
n : N u ớ c lm m át.

11


9/18/2014

CHƯNG ĐƠN GIẢN


Chưng gián đoạn không hoàn lưu.



Ưu điểm



Đơn giản, vốn đầu tư thấp



Linh động



Nhược điểm



Nồng độ không cao, sót nhiều.



Năng suất thấp

CHƯNG ĐƠN GIẢN


Chưng gián đoạn không hoàn lưu



Cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình.

12


9/18/2014

CHƯNG ĐƠN GIẢN


Chưng gián đoạn không hoàn lưu



Cân bằng nhiệt cho toàn tháp.
Nhiệt vào = nhiệt ra
Nhiệt vào:



QF: dòng nhập liệu, W
QF = FCPF.tF
QK: nhiệt lượng cung cấp cho nồi đun, W.
Qv = QF + QK

CHƯNG ĐƠN GIẢN


Chưng gián đoạn không hoàn lưu



Nhiệt ra:

QD: sản phẩm đỉnh, W
QD = DCPD.tD
QW: sản phẩm đáy, W
QW = wCPW.tW
Qng: ngưng tụ hơi thành lỏng.

Qng= D.rD

13


9/18/2014

CHƯNG ĐƠN GIẢN


Chưng gián đoạn không hoàn lưu



Nhiệt ra:

Qm: nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh,
W.
Qr = QD + Qw + Qng + Qm
Qv = Qr nên
 QF + QK = QD + Qw + Qng + Qm
→ QK = QD + Qw + Qng + Qm - QF

CHƯNG ĐƠN GIẢN


Chưng gián đoạn không hoàn lưu



Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ



Ngưng tụ (không làm lạnh)
Qng = D.rD = GC(tnr – tnv) + Qm



Ngưng tụ (có làm lạnh)

Qng =D.rD + DCPD(tsD - tD)
= GC(tnr – tnv) + Qm

14


9/18/2014

CHNG N GIN



Chng
giỏn on
cú hon
lu

3
2

1
S ơ đ ồ c h Ư n g đ ơ n g iả n c ó h ồ i l Ư u
1- Sơ đồ nồi chƯ ng
2 - th iế t b ị n g Ư n g tụ h ồ i l Ư u
3 - th iế t b ị n g Ư n g tụ l m lạ n h

15


9/18/2014

Chưng cất

Sơ đồ thiết bị chưng luyện liên tục

16


9/18/2014

III. CHƯNG CẤT

Sơ đồ quy trình
công nghệ

Thiết bị ngưng
tụ

yD=xD; G; tSD

xD; Gx; Dòng hồi lưu
tSD

xD; D; tSD

LUYỆN (CẤT)
xW ; W; tSW
xF; F; tSF
CHƯNG

yW=xW; tSW
Nồi đun
D2

TB gia nhiệt
nhập liệu

D1

TB làm
lạnh sp đáy

TB làm lạnh
sp đỉnh

xW ; W; tW
Bình chứa
sản phẩm
đỉnh

xF; F; tF
Bình chứa
nhập liệu

xW; tSW
Bình chứa
sản phẩm đáy

xD ; D; tD

17


9/18/2014

III. CHƯNG CẤT
2. Nguyên tắc làm việc

- Pha lỏng đi từ trên xuống có nồng độ cấu tử dễ
bay hơi giảm dần.
- Pha khí đi từ dưới lên có nồng độ cấu tử dễ bay
hơi tăng dần.
- Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của
tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự
thay đổi nồng độ.

III. CHƯNG CẤT
2. Nguyên tắc làm việc

Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền khối giữa pha
lỏng và pha hơi . Do đó một phần cấu tử dễ bay hơi
chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn
chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần
bốc hơi và ngưng tụ như vậy, hay nói một cách
khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên
đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng
nguyên chất và ở đáy tháp ta thu được cấu tử khó
bay hơi ở dạng nguyên chất.

18


9/18/2014

III. CHƯNG CẤT
2. Nguyên tắc làm việc

- Theo lý thuyết thì mỗi đĩa của tháp là một

bậc thay đổi nồng độ: thành phần hơi khi
rời khỏi đĩa bằng thành phần cân bằng với
chất lỏng khi đi vào đĩa. Do đó theo lý
thuyết thì số đĩa bằng số bậc thay đổi nồng
độ. Thực tế thì ở trên mỗi đĩa quá trình
chuyển khối giữa 2 pha thường không đạt
được cân bằng

III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng vật chất

Các giả thuyết trong tính toán






Hỗn hợp nhập liệu và dòng hồi lưu vào tháp ở
trạng thái lỏng sôi.
Quá trình ngưng tụ và bốc hơi không làm thay
đổi thành phần pha.
Số mol pha hơi khi đi từ dưới lên bằng nhau
trong tất cả tiết diện của tháp.
Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao
của đoạn chưng và đoạn cất.
Đun sôi đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp.

19


9/18/2014

IV. Chưng cất
2. Cân bằng vật chất
F: lưu lượng mol của dòng nhập liệu, kmol/h
D: lưu lượng mol của dòng sản phẩm đỉnh, kmol/h
W: lưu lượng mol của sản phẩm đáy, kmol/h
xF: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập
liệu
xD: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản

phẩm đỉnh
xW: nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong sản
phẩm đáy

III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng vật chất

a. Cân bằng vật chất:
Tổng quát:

F  D W
Cấu tử dể bay hơi:

F .x F  D .x D  W .xw

20


9/18/2014

III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng vật chất
b. Phương trình đường làm việc:

Phương trình đường làm việc đoạn cất:
y

x
R
x D

R 1
R 1

Phương trình đường làm việc đoạn chưng:
Gx

y

LR
L 1
x
xW
R 1
R 1

Gx
: chỉ số hồi lưu (hoàn lưu), Gx lưu
D
lượng dòng hoàn lưu
F
L
D : tỉ số lưu lượng nhập liệu và đỉnh
R

III. CHƯNG CẤT
3. Cân bằng vật chất
c. Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu):
R = b.Rmin
R =1,3.Rmin+0,3
hoặc R = (1,2÷2,5).Rmin

Rmin: chỉ số hồi lưu tối thiểu

* Phương pháp đại số:

R x min

x D  y F*
 *
yF  xF

y *F : nồng độ pha hơi cân bằng
ứng với nồng độ nhập liệu
pha lỏng.

21


9/18/2014

BÀI TẬP
1. Một tháp chưng cất Nước – Axít Axêtic,
nhập liệu 4320kg/h nồng độ 64% mol theo
Axít, nồng độ sản phẩm đáy 5% mol theo
nước, nồng độ sản phẩm đỉnh 3% mol theo
Axít. Xác định lưu lượng sản phẩm đỉnh
(kmol/h).
ĐS: 32 (kmol/h).

2. Một tháp chưng cất Etanol – Nước,
nhập liệu vào tháp có nồng độ 35% mol

theo Etanol, nồng độ sản phẩm đáy 10%
mol theo Etanol, nồng độ sản phẩm đỉnh
85% mol theo Etanol. Lưu lượng sản
phẩm đỉnh thu được 2565 kg/h. Xác lưu
lượng sản phẩm đáy.(Kmol/h)
ĐS: 122,8 Kmol/h

22


9/18/2014

3. Tháp chưng cất Nước – Axít Axêtíc, nồng độ nhập
liệu 60% mol theo Axít, nồng độ sản phẩm đỉnh 10%
mol theo Axít, lưu lượng sản phẩm đỉnh 40kmol/h.
Chỉ số hồi lưu thực bằng 1,5 lần chỉ số hồi lưu tối
thiểu. Xác định lượng hơi bay lên khỏi đỉnh tháp biết
yF*=0,5 mol/mol.

ĐS: 280kmol/h

4. Đường làm việc phần cất của một tháp chưng cất
Benzen – Toluen như sau: y=0,626.x + 0,332. Xác
định chỉ số hồi lưu.
ĐS: 1,67
5. Tháp chưng cất Nước – Axít Axêtíc, nồng độ nhập
liệu 30% mol theo Nước, nồng độ sản phẩm đỉnh
15% mol theo Axít. Chỉ số hồi lưu thực bằng 1,5 lần
chỉ số hồi lưu tối thiểu. Viết đường làm việc phần cất
biết yF*=0,5 mol/mol.

ĐS: y = 0,724x + 0,234

23


9/18/2014

6. Đường làm việc phần chưng của một tháp
chưng cất Mêtanol – Nước như sau: y=1,364x 0,04. Nhập liệu có nồng độ 36% theo Mêtanol.
Xác định nồng độ pha hơi tại vị trí mâm nhập liệu
(yF).
ĐS: 0,45
7. Đường làm việc phần cất của một tháp chưng
cất Etanol – Nước như sau: y=0,56.x + 0,449. Xác
định lưu lượng dòng hồi lưu (kg/h) biết lưu lượng
sản phẩm đỉnh 1500kg/h.
ĐS: 1909kg/h

8.Tháp chưng cất Nước – Axít Axêtíc, nồng độ nhập liệu 36%
mol theo Nước, nồng độ sản phẩm đỉnh 7% mol theo Axít,
lưu lượng sản phẩm đỉnh 690kg/h. Chỉ số hồi lưu thực bằng
1,5 lần chỉ số hồi lưu tối thiểu. Xác định lượng hơi bay lên
khỏi đỉnh tháp (kmol/h) biết yF*=0,5 mol/mol.
ĐS: 185 Kmol/h
9. Một tháp chưng cất Benzen – Toluen, nồng độ nhập liệu
45% mol theo Benzen, nồng độ sản phẩm đáy 8% mol theo
Benzen, nồng độ sản phẩm đỉnh 95% mol theo Benzen, lưu
lượng sản phẩm đỉnh 1605kg/h. Lưu lượng nhập liệu (kg/h)
ĐS: 3774kg/h

24


9/18/2014

10. Đường làm việc phần cất của một tháp chưng
cất Benzen – Toluen như sau: y=0,731.x+0,253.
Nồng độ sản phẩm đỉnh.

ĐS: 0.94mol/mol

*Phương pháp đồ thị:

xD
R x min  1

25