báo cáo thực hành thiết bị cô đặc

BÀI 1:

1.

QUÁ TRÌNH CÔ ĐẶC

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 độ 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 hòa tan trong dung dịch.
−Tách chất rắn hòa tan ở dạng rắn (kết tinh).
−Tách dung môi ở dạng nguyên chất (nước cất).
Quá trình cô đặc thường được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn công nghiệp
sản xuất hóa 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 cô 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 không dùng để cô đặc các dung dịch có nhiệt độ sôi
cao ở áp suất thường và dung dịch dễ phân hủy vì hoặc có thể sinh ra phản ứng phụ
không mong muốn (oxy hóa, đường hóa, nhựa hóa).
Cô đặc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển thường dùng cho các dung dịch
không bị phân hủy 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 sử dụng được mà thải ra ngoài

không khí.

2


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.

2.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
− Vận hành được hệ thống thiết bị cô đặc gián đoạn, đo đạc các thông số của
qúa 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 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.

3.

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 bị cô đặc. Nhiệt độ sôi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung
môi và chất tan, độ sâu của dung dịch.

Hình 1.1. Quan hệ giữa áp suất hơi bão hòa của dung môi nguyên chất Ps và của
dung môi trên dung dịch P với nhiệt độ t

3


3.2. Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn
Cô đặc một nồi có thể thực hiện theo hai phương pháp:
− Dung dịch cho vào 1 lần rồi cho bốc hơi, mức dung dịch trong thiết bị giảm
dần cho đến khi nồng độ dạt ở mức 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 đến khi nồng độ đạt
yêu cầu, sau đó tháo dung dịch ra làm sản phẩm và thực hiện mẻ mới.

3.3. Cân bằng vật chất và năng lượng
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 dung dịch, được biểu diễn dưới dạng:

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

Mối liên hệ giữa 2 nồng độ này như sau:

Với

là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3) b) Cân bằng vật chất

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 năng lượng
Do đó phương trình cân bằng vật chất được viết lại:

4


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 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 + hơi thứ

Trong đó:

: khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun
: Nồng độ ban đầu của chất tan (kg/kg)
: khối lượng dung dịch còn lại (kg)
: Nồng độ cuối của chất tan (kg/kg)
: 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 trong tính 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:

Năng lượng dung dịch nhận được:
Phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp này là:

5


Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình đặc trương cho năng lượng
mang vào, năng lượng dung dich nhận được đạc trưng cho năng lượng mang ra. Do
vậy phương trình cân bằng năng lượng trong trương hợp này là bỏ qua năng lượng
thất thoát.
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:

Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ:

Các phương trình cân bằng giúp ta so sánh giữa lý thuyết với thực nghiệm
Trong đó:
: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng (J)
: nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình hóa 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 hóa hơi (W)
: thời gian thực hiện quá trình đun sôi dung dịch (s)
: thời gian thực hiện quá trình hóa hơi (s)
: nhiệt lượng dung dịch nhận được (J)
: nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi (J)
: hàm nhiệt của hơi nước thoát ra ở áp suất thường (J/kg)

6


: ẩn nhiệt hóa hơi của nước ở áp suất thường (J/kg)
: chênh lệch nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (oC)
: chênh lệch nhiệt độ nước ra và vào (oC)
: lưu lượng nước vào thiết bị 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)

4.

THỰC NGHIỆM

4.1. Chuẩn bị thực nghiệm
4.1.1. Kiểm tra các hệ thống phụ trợ
− Bậc công tắc nguồn cấp cho tủ điện.
− Kích hoạt điều khiển cách chuyển công tắc tổng sang vị trí 1, công tắc đèn
hiển thị trắng sáng.
− Kích hoạt mô hình thí ngiệm công tắc cấp nguồn cho thiết bị phụ trợ (nếu
cần thiết sử dụng công tắc khẩn cấp) để kích hoạt mô hình, lúc 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 hệ thống đạt 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
Thùng chứa dung dịch cô đặc phải rỗng và sạch
Các van V3 và V4 đóng

7


4.1.3. Chuẩn bị dung dịch
− Chuẩn bị 6 lít dung dịch CuSO4 loãng
− Xác định nồng độ (g/l) của dung dịch
− Xác định khối lượng riêng của dung dịch

5.

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

5.1. Kết quả thực nghiệm
Bảng 1. Kết quả thực nghiệm
t (phút)

P (W)

TI1 (oC)

TI3 (oC)

TI5 (oC)

Dung môi
(lít)

Ban đầu

0

2000

32.1

29.7

29.7

0

Bắt đầu sôi

18

2000

87.3

29.7

29.6

0

Kết thúc

48

1500

94.1

29.9

33.9

1

5.2. Xử lý số liệu
5.2.1. Tính toán nồng độ và khối lượng riêng
− Xác định nồng độ (g/l)
Với A = 1.999, dựa vào đường chuẩn xác định nồng độ dung dịch CuSO 4 ta nội suy
được tại đây như sau:
= = 26.69 (g/l)
− Xác định khối lượng riêng (kg/m3)
Khối lượng xác định được của 100ml dung dịch CuSO4.5H2O là 101.9 (g).

Mà ta có:
=

= = 1019 (g/l) hay 1019 (kg/m3)

− Xác định nồng độ khối lượng

8


=

= = 0.026 (g/g)

Bảng 2. Kết quả tính toán nồng độ và khối lượng riêng
Thể tích

Khối
lượng

(ml)

Độ hấp
thu A

Nồng độ
(g/l)

(g)

Khối
lượng
riêng

Nồng
độ khối
lượng

(kg/m3)
(g/g)

Trước cô đặc

100

101.9

1.999

26.69

1019

0.026

Sau cô đặc

100

103.12

2.405

32.63

1031.2

0.031

5.2.2. Tính toán cân bằng vật chất
5.2.2.1. Đối với chất tan
Khối lượng chất tan vào = khối lượng chất tan ra

− Khối lượng của dung dịch còn lại sau cô đặc:

5.2.2.2. Đối với hổn hợp
Khối lượng dung dịch ban đầu = khối lượng dung dịch còn lại + khối lượng hơi
thứ

5.2.3. Tính toán cân bằng năng lượng
5.2.3.1. Giai đoạn đun sôi dung dịch

9


Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình đun nóng:

Năng lượng dung dịch nhận được:

5.2.3.2. Giai đoạn bốc hơi dung dịch

Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho quá trình hóa hơi dung môi:

Nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi:

Trong đó = 2667 (kJ/kg) là hàm nhiệt của hơi thứ tại 94.1oC
Nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận được ở thiết bị ngưng tụ.

Trong đó:
− = 994.5 (kg/m3): Khối lượng riêng trung bình của nước.
− : Lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ
− : Nhiệt dung riêng của nước

5.2.3.3. Tổn thất nhiệt từng giai đoạn
Giai đoạn đun sôi dung dịch

10


Giai đoạn bốc hơi của dung môi

Tổn thất nhiệt của cả quá trình

5.2.3.4. Hệ số truyền nhiệt của thiết bị ngưng tụ
Ta có
Với:
Và
123.54

6.

()

NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN
− Năng lượng do nồi cung cấp cho quá trình đặc trưng cho năng lượng mang
vào, năng lượng dung dịch nhận được đặc trưng cho năng lượng mang ra.
Do đó: Nhưng thực tế lớn hơn ,chứng tỏ có tổn thất năng lượng đáng kể
trong quá trình
− Nồng độ chất tan lúc sau cao hơn so với nồng độ ban đầu. Do trong quá trình
cô đặc, lượng nước trong dung dịch hóa hơi và tách khỏi dung dịch, làm cho
nồng độ chất tan tăng lên.
− Quá trình thực hành thí nghiệm cô đặc sử dụng thiết bị hiện đại để đo đạc
nhằm xác định chính xác được các thông số cần thiết. Bên cạnh đó, người
thực hành cũng đóng vai trò quan trọng. Trong quá trình thực hành còn gặp
nhiều sai sót do thiếu thốn những thiết bị đo có độ chính xác cao cũng như sự
thiếu hiểu biết về lí thuyết và thao tác thực hành, ảnh hưởng của môi trường
xung quanh đến kết quả thí nghiệm.

11