BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HĨA HỌC
🙧🙥

BÁO CÁO THỰC HÀNH
MƠN THỰC HÀNH Q TRÌNH & THIẾT BỊ HĨA
HỌC

BÀI TH: Q TRÌNH CƠ ĐẶC

GVHD: Trương Văn Minh
Sinh viên: Phan Thị Nguyễn Nhi
Lớp: DHHC14A
MSSV:18077131 – Tổ 4
Ngày thực hành: 04/04/2022

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 04 năm 2022
1


MỤC LỤC
1.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM........................................................................2

2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT...............................................................................2
2.1

Nhiệt độ sơi của dung dịch................................................................2

2.2

Cô đặc một nồi làm việc gián đoạn..................................................2

2.3

Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng..................................3

2.3.1 Nồng độ.................................................................................................3
2.3.2 Cân bằng vật chất................................................................................3
2.3.3 Cân bằng năng lượng..........................................................................4
3.

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM..........................................................................5

4.

XỬ LÝ SỐ LIỆU......................................................................................5

5.

BÀN LUẬN.............................................................................................8

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................9


Q TRÌNH CƠ ĐẶC
1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

Vận hành được hệ thống thiết bị cô đặc gián đoạn, đo đạc các thơng số của q
trình.
Tính tốn cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng cho q trình cơ đặc gián đoạn.
So sánh năng lượng cung cấp cho quá trính theo lý thuyết và thực tế.
Xác định năng xuất và hiệu xuất của q trình cơ đặc.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Nhiệt độ sôi của dung dịch
Nhiệt độ sôi của dung dịch là thông số kỹ thuật rất quan trọng khi tính tốn và thiết
kế thiết bị cơ đặc.
Nhiệt độ sơi của dung dịch phụ thuộc vào tính chất của dung môi và chất tan. Nhiệt
độ sôi của dung dịch luôn lớn hơn nhiệt độ sôi của dung môi nguyên chất ở cùng áp
suất.
Nhiệt độ sơi của dung dịch cịn phụ thuộc vào độ sâu của dung dịch trong thiết bị.
Trên mặt thống, nhiệt độ sơi thấp, càng xuống sâu thì nhiệt độ sơi càng tăng.

Hình 2.1 Quan hệ giữa áp suất hơi bão hịa của dung mơi ngun chất Ps và của
dung môi trên dung dịch P với nhiệt độ t
2.2

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 khơng có giá trị kinh tế. Cơ 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.

2



- Dung dịch cho vào ở mức ổn định, cho bốc hơi đồng thời bổ sung dung dịch
mới liên tục vào để giữ múc chất lỏng không đổi cho đến khi nồng độ đạt yêu cầu,
sau đó tháo dung dịch làm sản phẩm và thực hiện một mẻ mới.
2.3 Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng
2.3.1 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:
x=

m chat tan
( kg /kg )
m dung dich

Ngồi ra nồng độ cịn được xác định là khối lượng chất tan trong thể tích dung
dịch, được biểu diễn dưới dạng:
C=

mchat tan
( kg/m3 )
V dungdich

Mối liên hệ giữa hai nồng độ này như sau:
x=

C
ρdd

Với ρdd là khối lượng riêng của dung dịch (kg/m3)
2.3.2 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 q trình cơ đặc:
Khơng có lượng tích tụ.
Khơng có phản ứng hóa học nên khơng 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 . x đ =Gc . x c

Đối với hỗn hợp
Khối lượng dung dịch ban đầu = Khối lượng dung dịch còn lại + khối lượng hơi thứ
Gđ =G c +G w

Trong đó: Gđ - Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun (kg).
x đ - Nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun (kg/kg).

3


Gc - Khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun (kg).
x c - Nồng độ cuối cùng của chất tan trong nồi đun (kg/kg).

Gw - Khối lượng dung môi bay hơi (kg).
2.3.3 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 tốn, chúng ta coi như khơng có năng lượng thất thốt).
Đối với giai đoạn đun sơi dung dịch
- Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình

Qk =P1 . τ 1
1

- Năng lượng dung dịch nhận được
Q1=Gđ .C p .(T s −T đ )
dd

C p=C nước . ( 1−x đ )

Phương trình cân bằng năng lương trong trường hợp này (bỏ qua tổn thất năng
lượng và nhiệt thất thốt thơng qua dịng nước giải nhiệt):
Qk =Q 1
1

Đối với giai đoạn bốc hơi dung môi
- Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình:
Qk =P2 . τ 2
2

- Năng lượng nước nhận được để bốc hơi:
Q 2=G W .(i ¿ ¿ w−C p . T s )¿
nước

dd

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình Qk đặc trưng cho năng lượng mang
vào, năng lượng nước nhận được để bốc hơi Q2.
2

- Cân bằng năng lượng tại thiết bị ngưng tụ

Qng=GW . r w =V nước . ρnước .C nước . ( T r −T v ) . τ 2

Trong đó: Qk Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho q trình đun nóng (J).
1

Qk Nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho q trình hóa hơi dung mơi (J).
2

Q ng Nhiệt lượng nước giải nhiệt nhận được ở thiết bị ngưng tụ (J).

P1

Công suất điện trở nồi đun sử dụng cho q trình đun nóng (W).

P2

Cơng suất điện trở nồi đun sử dụng cho q trình hóa hơi (W).

4


τ1

Thời gian thực hiện q trình đun sơi dung dịch (s).

τ2

Thời gian thực hiện q trình hóa hơi (s).

Q1 Nhiệt lượng dung dịch nhận được (J).

Q2 Nhiệt lượng nước nhận được để hóa hơi (J).

i w Hàm nhiệt của hơi nước thốt ra trong q trình ở áp suất thường

(J/kg).
r w Ẩn nhiệt của hơi nước ở áp suất thường (J/kg).

( T sdd −T đ )Chênh lệch giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ đầu của dung dịch (℃
).

( T r−T v ) Chênh lệch giữa nhiệt độ của nước ra và vào (℃ ).
V H O Lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ.
2

ρ H O khối lượng riêng của nước (kg /m3).
2

CH

2

O

Nhiệt dung riêng của nước (J/kg . K ).

C p Nhiệt dung riêng của dung dịch (J/kg . K ).

3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
Nhập liệu V 0=5 ( l ) =5.10−3 ( m3 )
Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm q trình cơ đặc.

τ

(min)

Tnước vào
(℃ )

Ban đầu

0

30

30

29,6

33,53

2,470

2000

150

993

Ổn định

22


30

38

92

-

-

1500

150

-

Kết thúc

65

30

35

93,5

47,03

3,337


1500

150

1013

Giai đoạn

Tnước ra ( TCuSO4 (
C (g/L)
℃)
℃)

4. XỬ LÝ SỐ LIỆU
Khối lượng 100mL dung dịch trước cô đặc: m0=99,3( g)
Khối lượng riêng của dung dịch trước cô đặc:
ρbđ =

−3

m 99,3.10
3
=
=993 ( kg /m )
−3
V 0,1.10

5


A

P (W)

Q
(LPH)

Ρ
(kg/m3)


Nồng độ của dung dịch trước cô đặc:
A=2,470→ C=33,53 ¿

Khối lượng 100mL dung dịch sau cô đặc: m1=101,3(g)
Khối lượng riêng của dung dịch sau cô đặc:
ρ kt =

−3

m 101,3.10
3
=
=1013 ( kg/m )
−3
V
0,1.10

Nồng độ của dung dịch sau cô đặc:
A=3,337 →C=47,03¿


Cân bằng vật chất và năng lượng
Khối lượng dung dịch ban đầu trong nồi đun:
−3

Gđ =V 0 . d=5. 10 .993=4,965 ( kg )

Nồng độ ban đầu của chất tan trong nồi đun:
xđ=

C 33,53
=
=0,03377 ( kg /kg )
ρbđ 993

Nồng độ cuối của chất tan trong nồi đun:
xc=

C 47,03
=
=0,04643 ( kg/kg )
ρkt 1013

Cân bằng vật chất
Đối với chất tan
Khối lượng dung dịch còn lại trong nồi đun:
G đ . x đ =G c . x c ⟹Gc =

G đ . x đ 4,965.0,03377
=

=3,6112 ( kg )
xc
0,04643

Đối với hỗn hợp
Khối lượng hơi thứ bốc hơi:
Gđ =Gc +Gw ⟹G w =Gđ −Gc =4,965−3,611=1,354 ( kg )

Cân bằng năng lượng
Đối với giai đoạn đun sôi dung dịch
-

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho quá trình cơ đặc:
Qk =P1 . τ 1=2000.22 .60=2640 (kJ )
1

-

Năng lượng dung dịch nhận được:

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 30 ℃: C p =4,180 ( k J /kg . K )
nước

6


Nhiệt dung riêng của dung dịch:
C p =C p . ( 1−x đ ) =4,180. ( 1−0,03377 ) =4,03884 ( kJ /kg . K )
dd


nước

⇒ Năng lượng dung dịch nhận được:
Q1=Gđ .C p . ( T s −T đ )=4,965.4,03884 . ( 93,5−29,6 )=1281,376 ( kJ )
dd

⇒ Năng lượng thất thốt ra mơi trường:

Q tt =Q k −Q1=2640−1281,376=1358,623 ( kJ )
1

Đối với giai đoạn bốc hơi dung dịch
-

Năng lượng do nồi đun cung cấp cho q trình cơ đặc:
Qk =P2 . τ 2=1500.65 .60=5850(kJ )
2

-

Năng lượng nước nhận được để bốc hơi:

Nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 93,5 ℃ : C p =4,22786 ( kJ /kg . K )
nước

Hàm nhiệt của hơi nước thoát ra ở nhiệt độ 93,5 ℃ , tra bảng I.250, trang 312, Sổ tay
quá trình và thiết bị tập 1: i w =2668,66 ( kJ /kg . K )
⇒ Năng lượng nước nhận được để bốc hơi:
Q2=GW .(i ¿ ¿ w−C p . T s )=1,354.(2668,66−4 ,22786 .93,5)=3078,123(kJ ) ¿
nước


dd

⇒ Năng lượng thất thoát ra môi trường:

Q tt =Q k −Q 2=5850−3078,123=2771,877 ( kJ )
2

Cân bằng nhiệt lượng tại thiết bị ngưng tụ
Qng=GW . r w =V nước . ρnước .C nước . ( T r −T v ) . τ 2
−3

⟺ Q ng =1,8. 10 .1013. 4,22786. ( 35−30 )=38,545( kJ )

-

Tổng lượng nhiệt do nồi đun cung cấp cho cả quá trình cô đặc:
Qcc =Q k +Q k =2640+5850=8490(kJ )
1

-

2

Tổng lượng nhiệt dung dịch nhận được trong cả q trình cơ đặc:
Qhi =Q 1 +Qng=1281,376+ 38,545=1319,921(kJ )

-

Hiệu số nhiệt độ hữu ích, xem như quá trình chuyển động ngược chiều:

∆ t max =93,5−30=63,5 ( ℃ )
∆ t min =35−30=5 ( ℃ )
∆ t log =

∆ t max −∆ t min
ln

=

63,5−5
=23,02 ( ℃ )
63,5
ln
5

( ) ( )
∆ t max
∆ t min

7


⇒ Hệ số truyền nhiệt của thiết bị:
Q tđ =Q ng=K . F . ∆ t log ⟹ K=

3
Q ng
38,545.10
2
=

=8372,068 ( W / m . K )
F . ∆ t log 0,2.23,02

5. BÀN LUẬN
- Sau thực nghiệm, ta thấy có sự chênh lệch giữa nhiệt lượng nồi đun cung cấp cho
quá trình và nhiệt lượng mà dung dịch nhận vào điều này được lý giải dựa trên
phương trình cân bằng năng lượng:
Qcc=Q hi+Qtt

- Theo lý thuyết, có thể bỏ qua sự thất thốt nhiệt ra mơi trường nhưng trên thực tế
sự thất thốt vẫn diễn ra điều đó lý giải vì sao lượng nhiệt nồi đun cung cấp lại khác
so với lượng nhiệt mà dung dịch nhận vào. Một lý do khác gây ra sự sai lệnh là do
sai số hệ thống thiết bị, thiết bị thực hành chủ yếu để quan sát, khơng có bộ phận
cách nhiệt nên lượng nhiệt thất thốt ra ngồi là rất lớn và rất khó tính tốn chính
xác cân bằng năng lượng.
- Ta cũng thấy được có sự khác nhau giữa 2 khoảng thời gian mà dung tích nước
ngưng nhận được là 1 lít và 2 lít chênh lệnh nhau. Điều này được lý giải dựa trên cơ
sở của sức căng bề mặt của dung dịch. Trong thời gian đầu khi tiến hành gia nhiệt
cho dung dịch, nhiệt độ tăng làm sức căng bề mặt dung dịch giảm xuống nên tốc độ
hóa hơi của dung dịch tăng, càng về sau nồng độ dung dịch càng tăng do lượng hơi
thứ bốc hơi nhưng nhiệt độ sôi dung dịch không đổi làm dẫn đến sức căng bề mặt
dung dịch lúc này lại tăng lên, làm giảm sự hóa hơi của dung dịch dẫn đến thời gian
thu nước ngưng lúc sau sẽ dài hơn lúc đầu.

8


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tài liệu hướng dẫn thực hành các q trình & thiết bị trong cơng nghệ hóa học,
Khoa cơng nghệ hóa học Trường đại học cơng nghiệp TP.HCM, 2017.

[2] Tập thể tác giả, Sổ tay quá trình & thiết bị trong cơng nghệ hóa chất, tập 1 & 2,
NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2012.

9