Tài liệu 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: [email protected] 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 hoàn toàn theo tỷ lệ bất kỳ: Hỗn hợp có nhiệt độ sôi thay đổi. • Dung dịch thực • Dung dịch lý tưởng  Hỗn hợp có nhiệt độ sôi không đổi: dung dịch đẳng phí • Sai lệch âm • Sai lệch dương Dung dòch lyù töôûng æaødïèá dòcâ maøtroèá ñoù löïc lieân keát giöõa caùc phaân töû cuøng loaïi vaø löïc lieân keát giöõa caùc phaân töû khaùc loaïi baèng nhau, kâi ñoùcaùc caáï tö ûâoaøtaè vaø o èâaï tâeo baát cö ùtæ æeäèaø o. Caâè baèèá áiö õa æoûèá vaøâôi âoaø è toaø è tuaân theo ñònh luaät Rauolt.  Dung dòch thöïc æaøèâö õèá dïèá dòcâ kâoâèá âoaø è toaø è tïaâè tâeo ñòèâ æïaät Raïoæt, sai æeäcâ vôùi ñòèâ æïaät Raoïæt.  6 9/18/2014 Sai æeäcâ dö ôèá: æö ïc æieâè keát áiö õa caùc pâaâè tö ûkâaùc æoaïi èâoû âôè æö ïc æieâè keát áiö õa caùc pâaâè tö û cïø èá æoaïi  Sai æeäcâ aâm: æö ïc æieâè keát áiö õa caùc pâaâè tö ûkâaùc æoaïi æôùè âôè æö ïc æieâè keát áiö õa caùc pâaâè tö û cïø èá æoaïi. Sai leäc h dö ông   Sa i leäc h aâm H ìn h 3.1 Q u an h eä giöõa aùp suaát vaø th aøn h ph aàn cuûa dun g dòch h ai caáu töû Hỗn hợp 2 cấu tử không hòa tan vào nhau + Áp suất riêng phần của cấu tử này, không phụ thuộc vào sự có mặt của cấu tử khác trong hỗn hợp. + Nhiệt độ sôi của hỗn hợp thấp hơn nhiệt độ sôi 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 không 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: Caân baèng loûng hôi heä 2 caáu töû t B A D x I x II Hình 3.2 Caù c daïng ñoà 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 CHƯNG ĐƠN GIẢN Sơ đồ chưng đơn giản : 2 1 n n.l n h.d 3 C H Ö th è ng ch ¦ ng cÊt ® o n g i¶n 1 - N å i n Êu . n.l: N g u y ªn liÖu . 2- T h iÕt b Þ n g ¦ n g tô . h. d : H ¬ i ® èt . 3- T hï n g ch ø a s¶n ph Èm . C : C Æn. n : N u í c làm m ¸t. 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 CHƯNG ĐƠN GIẢN  Chưng gián đoạn có hoàn lưu 3 2 1 S ¬ ® å c h ¦ n g ® ¬ n g i¶ n c ã h å i l ¦ u 1- S¬ ®å nåi ch¦ ng 2 - th iÕ t b Þ n g ¦ n g tô h å i l ¦ u 3 - th iÕ t b Þ n g ¦ n g tô là m l¹ 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