1

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

BÀI THÍ NGHIỆM

CÔ ĐẶC CHÂN KHÔNG

TP. Hồ Chí Minh 2014

2

1. MUÏC ÑÍCH THÍ NGHIỆM :

Khaûo saùt hoaït ñoäng vaø tính caân baèng vaät chaát - naêng löôïng cuûa moät thieát bò coâ ñaëc buoàng ñoát

trong-dung dòch ñoái löu töï nghieân duøng oáng tuaàn hoaøn trung taâm. Quaù trình coâ ñaëc coù theå thöïc

hieän ôû aùp suaát thöôøng hay aùp suaát chaân khoâng.

2. CÔ SÔÛ LYÙ THUYEÁT :

Coâ ñaëc laø phöông phaùp thöôøng ñöôïc söû duïng ñeå laøm taêng noàng ñoä moät caáu töû trong dung dòch

goàm hai hay nhieàu caáu töû (trong ñoù thöôøng coù moät caáu töû laø nöôùc). Thí nghieäm ôû ñaây ñöôïc thöïc

hieän vôùi dung dòch laø moät caáu töû tan trong nöôùc, hoaït ñoäng theo phöông phaùp giaùn ñoaïn.

Trong thöïc teá, coâ ñaëc moät noài hoïat ñoäng giaùn ñoaïn thöông ñöôïc laøm vieäc theo moät trong ba

phöông phaùp sau:

(1) Cho dung dòch nhaäp lieäu vaøo moät laàn ban ñaàu roài cho boác hôi, möïc dung dòch trong

thieát bò giaûm daàn cho ñeán khi noàng ñoä daït yeâu caàu.

(2) Dung dòch nhaäp lieäu cho vaøo ban ñaàu ñeán moät möùc nhaát ñònh, sau ñoù vöøa cho boác hôi

vöøa tieáp tuïc dung dòch vaøo ñeå giöõ cho möùc dung dòch trong thieát bò khoâng ñoåi.

(3) Dung dòch ban ñaàu ñöôïc cho vaøo thieát bò ñeán moät möùc nhaát ñònh, sau ñoù vöøa cho boác

hôi vöøa cho tieáp dung dòch vaøo ñeå giöõ cho khoái löôïng rieâng dung dòch khoâng ñoåi, vì khoái löôïng

rieâng dung dòch taêng khi noàng ñoä taêng do ñoù möùc dung dòch trong thieát bò seõ giaûm.

Trong phöông phaùp coâ ñaëc duøng nhieät, döôùi taùc duïng cuûa nhieät (do ñun noùng), dung moâi chuyeån

töø traïng thaùi loûng sang traïng thaùi hôi khi aùp suaát rieâng phaàn cuûa noù baèng aùp suaát beân ngoaøi taùc

duïng leân maët thoaùng dung dòch (töùc khi dung dòch soâi). Ñeå coâ ñaëc caùc dung dòch khoâng chòu

ñöôïc nhieät ñoä cao (nhö dung dòch ñöôøng) ñoøi hoûi phaûi coâ ñaëc ôû nhieät ñoä ñuû thaáp öùng vôùi aùp suaát

caân baèng ôû maët thoaùng thaáp, hay thöôøng laø ôû chaân khoâng.

2.1. Caân baèng vaät chaát :

Caân baèng vaät chaát cho thieát bò coâ ñaëc hoaït ñoäng giaùn ñoaïn theo phöông phaùp thöù nhaát (giaû söû

khoâng coù toån thaát chaát tan).

ccdd xGxG vaø cd GWG

Töø ñoù ta coù :

c

dd

x

xGW 1 vaø

d

d

d

ddc

G

W

x

WG

xGx

1

3

Trong ñoù:

Gd: khoái löôïng dung dòch ñaàu cho vaøo noài, kg.

Gc: khoái löôïng dung dòch laáy ra khoûi noài, kg.

W: khoái löôïng hôi nöôùc (hôi thöù) laáy ra khoûi noài, kg.

xd: noàng ñoä ñaàu cuûa chaát tan trong dung dòch, phaàn khoái löôïng.

xc: noàng ñoä cuoái cuûa chaát tan trong dung dòch, phaàn khoái löôïng.

2.2. Caân baèng nhieät löôïng :

Caân baèng nhieät löôïng cho thieát bò coâ ñaëc hoat ñoäng giaùn ñoaïn theo phöông phaùp thöù nhaát :

- Caân baèng nhieät löôïng cho giai ñoaïn ñun noùng

dQ1 = G.Cp.dT = K1.S.(Th - T).dt

Vôùi :

Q1: nhieät löôïng caàn thieát ñeå ñun noùng dung dòch ñeán nhieät ñoä soâi, J

G: khoái löôïng dung dòch cho vaøo ban ñaàu, kg

Cp: nhieät dung rieâng cuûa dung dòch. (J/kgoC)

S: dieän tích beà maët ñun noùng, m2

K1: heä soá truyeàn nhieät trong quaù trình ñun noùng, m2

Th: nhieät ñoä cuûa doøng noùng (nöôùc soâi trong voû, 100oC)

T: nhieät ñoä soâi cuûa dung dòch, oC (tra theo ñoä chaân khoâng trong noài)

t: thôøi gian ñun noùng, s

Töø (3) ruùt ra :

TT

dT

SK

GCdt

h

p

.

1

Laáy tích phaân hai veá, ta ñöôïc htôøi gian ñun noùng dung dòch töø nhieät ñoä ñaàu ñeán nhieät ñoä soâi

Sh

dhp

TT

TT

SK

GCt

ln

1

Thôøi gian boác hôi ñöôïc xaùc ñònh töø phöông trình

dQ2 = K2.S.(Th – Ts)dt

Laáy tích phaân, ta ñöôïc :

4

2 2

0 0 22

2)(

1

)(

Q Q

shsh TTK

dQ

STTSK

dQt

Vôùi

Q2: nhieät löôïng caàn thieát ñeå boác hôi nöôùc, J

K2: heä soá truyeàn nhieät khi nöôùc soâi, W/m2o

C

Tñ: nhieät ñoä ban ñaàu cuûa dung dòch (oC)

Ts: nhieät ñoä soâi cuûa dung dòch (oC)

2.2. Tính nhieät ñoä soâi cuûa dung dòch :

(1) Ñoä taêng nhieät ñoä soâi do noàng ñoä: Trong thöïc teá, thöôøng cæ bieát nhieät ñoä soâi cuûa dung

dòch ôû aùp suaát thöôøng. Trong tröôøng hôïp naøy, aùp duïng quy taéc Balboâ nhö sau: ñoä giaûm töông ñoái

aùp suaát hôi baõo hoøa cuûa dung moâi (nöôùc) treân beà maët dung dòch ôû noàng ñoä ñaõ cho laø moät ñaïi

löôïng khoâng ñoåi, khoâng phuï thuoäc nhieät ñoä soâi, nghóa laø

constP

PP

bh

bh

hay constP

Pbh

Töø bieåu thöùc treân, neáu bieát nhieät ñoä soâi cuûa dung dòch ôû noàng ñoä ñaõ cho öùng vôùi aùp suaát naøo ñoù

thì coù theå xaùc ñònh nhieät ñoä soâi ôû caùc aùp suaát khaùc.

Goïi ’ laø ñoä taêng nhieät ñoä soâi cuûa dung dòch (do noàng ñoä) so vôùi nhieät ñoä soâi cuûa dung dòch moâi

nguyeân chaát, ’ cuõng phuï thuoäc vaøo noàng ñoä; noàng ñoä taêng thì ’ cuõng taêng. Ñaïi löôïng naøy goïi

laø toån thaát nhieät ñoä soâi do noàng ñoä. Trò soá ’ phuï thuoäc vaøo chaát hoøa tan.

(2) Ñoä taêng nhieät ñoä soâi do aùp suaát thuûy tónh: Nhieät ñoä soâi cuûa dung dòch cuõng phuï thuoäc

vaøo ñoä saâu, tr6n maët thoùang nhieät ñoä soâi thaáp, caøng xuoáng saâu, nhieät ñoä soâi caøng taêng. Hieäu soá

giöõa nhieät ñoä soâi ôû ñieåm döôùi T(P+P) vôùi nhieät ñoä ñoä soâi ôû maët thoaùng Tp goïi laø toån thaát nhieät ñoä

soâi do aùp suaát thuûy tónh.

” = T p+p – Tp

Aùp suaát thuûy tónh trong tính toaùn ñöôïc laáy baèng trò soá trung bình

ghp2

; N/m

2

Vôùi 2

laø khoái löôïng rieâng cuûa dung dòch ôû daïng boït, kg/m

3; laáy gaàn ñuùng baèng ½ khoái löôïng

rieâng cuûa dung dòch.

g: gia toác troïng tröôøng, m/s2

h: khoaûng caùch töø maët thoaùng ñeán vò trí muoán xaùc ñònh nhieät ñoä soâi,m

5

3. THIEÁT BÒ THÍ NGHIEÄM

Thieát bò thí nghieäm coâ ñaëc ñöôïc thieát keá moâ phoûng theo caùc thieát bò coâ ñaëc söû duïng trong coâng

nghieäp. Dung dòch ñöôïc coâ ñaëc theo töøng meû. Dung dòch soâi trong noài coâ ñaëc do nöôùc soâi beân

ngoaøi voû aùo truyeàn nhieät vaøo noài. Hôi thöù boác leân trong noài coâ ñaëc ñöôïc daãn qua thieát bò ngöng

tuï (TBNT) oáng xoaén ñeå thu hoàivaø ñònh löôïng. Bôm chaân khoâng voøng nöôùc ñöôïc söû duïng ñeå taïo

chaân khoâng cho toaøn heä thoáng.

Heä thoáng goàm caùc thieát bò sau:

1) Thieát bò coâ ñaëc loaïi voû aùo

2) Thieát bò ngöng tuï loaïi oáng xoaén

3) Bình chöùa nöôùc ngöng

4) Bôm chaân khoâng

5) Heä thoáng ñieàu khieån

3.1. Thieát bò coâ ñaëc loaïi voû aùo :

Noài hai voû, khoâng gian giöõa hai voû laø nöôùc soâi. Dung dòch coâ ñaëc soâi beân trong noài vaø hôi nöôùc

boác leân (hôi thöù) ñöôïc daãn vaøo TBNT.

- Buoàng boác hôi coù ñöôøng kính 350mm, cao 400mm

- Voû ngoaøi coù ñöôøng kính 400mm

- Ñieän trôû ñun noùng coù coâng suaát

- Dieän tích beà maët trao ñoåi nhieät 0,546m2

Taát caû ñöôïc cheá taïo baèng theùp khoâng ró AISI304

3.2. Thieát bò ngöng tuï loaïi oáng xoaén:

Hôi nöôùc töø noài coâ ñaëc ñi vaøo TBNT trong oáng xoaén, trao ñoåi nhieät, ngöng tuï thaønh loûng vaø

chaûy vaøo bình chöùa (III). Nöôùc giaûi nhieät ñi vaøo TBNT qua van(15) vaø ñi ra qua van (11). Nhieät

ñoä nöôùc giaûi nhieät vaøo vaø ra ñöôïc ño baèng hai nhieät keá soá (12) vaø (16). Van (18) ñeå xaû vaø ño

löôïng nöôùc ngöng theo meû coâ ñaëc hay theo thôøi gian muoán kieåm tra.

Oáng coù ñöôøng kính 16mm, quaán thaønh caùc voøng xoaén coù ñuôøng kính 150mm. Taát caû ñöôïc cheá

taïo baèng theùp khoâng ró AISI304

3.3 Bôm chaân khoâng

Bôm chaân khoâng laø loaïi bôn voøng nöôùc coù coâng suaát Hp

3.4 Sô ñoà thí nghieäm

6

4. PHÖÔNG PHAÙP THÍ NGHIEÄM

(1) Chuaån bò dung dòch coâ ñaëc: cho nöôùc vaø ñöôøng theo tæ leä ñònh tröôùc vaøo

thuøng nhaäp lieäu.

(2) Khoùa taát caû caùc van loûng. Baät coâng taéc cho bôm chaân khoâng hoaït ñoäng.

Môû van thoâng vôùi thieát bò ngöng tuï, quan saùt aùp keá chaân khoâng ñeá ñoä chaân

khoâng mong muoán. Môû van noái thuøng chöùa nguyeân lieäu vôùi noài coâ ñaëc, dung

dòch seõ ñöôïc huùt vaøo noài ñeán möùc ñònh tröôùc.

(3) Cho nöôùc vaøo voû cuûa noài coâ ñaëc ñeán möùc quy ñònh. Cho

5. PHUÙC TRÌNH

5.1. Baûng keát quaû ño:

Ghi nhaän laïi taát caû caùckeát quaû ño ñaõ neâu treân

5.2. Baûng keát quaû tính toaùn:

Caân baèng vaät chaát vaø caân baèng naêng löôïng cho heä thoáng.

Xaùc ñònh hieäu suaát thieát bò

Xaùc ñònh heä soá truyeàn nhieät cho töøng giai ñoaïn cuûa quaù trình coâ ñaëc.

7

NGUYEÂN LÍ CỦA THIẾT BỊ COÂ ĐẶC CHAÂN KHOÂNG

I – Buồng ñốt; II – Buồng bốc; III – Bộ ngưng tụ; IV – Bồn chứa nước ngưng;

V – Bơm tạo chaân khoâng; VI – Bộ tạo hơi nước; VII – Bồn chứa nước ngưng;

VIII – Thaùp giải nhiệt

Buồng ñốt (I) gồm có các ống truyền nhiệt và một ống tuần hoàn trung tâm.

Dung dịch đ i trong ống, hơi đ ốt đ ược tạo ra từ bộ tạo hơi (VI) sẽ đ i trong

khoảng không gian phía ngoài ống làm nóng dung dịch phía trong buồng đ ốt (I).

Một phần khí ngưng tạo thành nước ngưng thoát ra ngoài qua ống tháo nước ngưng

và chứa trong bồn chứa nước ngưng (VII).

Buồng bốc (II) đ ể tách hơi ra khỏi dung dịch, trong buồng bốc còn có bộ

phận tách bọt đ ể tách những giọt lỏng ra khỏi hơi thứ. Hơi thứ bay lên ở buồng

bốc sau khi qua bộ phận tách lỏng sẽ đ i qua bộ phận ngưng tụ (III) đ ể ngưng tụ

lại thành nước lỏng chứa trong bồn chứa nước (IV) rồi xả ra ngoài.

8

VẬN HAØNH

Chuẩn bị

- Kiểm tra mực chất lỏng trong tháp giải nhiệt (VIII), mước nước trong

tháp giải nhiệt phải ngang vạch trên cùng.

- Dung dịch cần cô đ ặc, dung dịch cần cô đ ặc phải có dung tích ít nhất là

5 lít.

- Kiểm tra nước trong bồn chứa nước ngưng (VII), thể tích nước trong

bồng chứa khỏang 1/3 tổng thể tích bồn chứa. Bổ sung nước vào bồn chứa (VII)

bằng cách mở van 11.

9

Vận hành

- Mở van 6 và van 7. Khóa tất cả các van còn lại.

- Bật CB nguồn và CB trên mặt tủ đ iện, đ èn màu xanh (phía trên) sáng.

- Tạo chân không cho hệ thống cô đ ặc bằng cách xoay công tắc màu đ en

(phía dưới, bên trái), khi đ ó đ èn hoạt đ ộng (màu đ ỏ) sáng. Điều chỉnh van 4 sao

cho đ ồng hồ áp kế 2 chỉ khoảng 2atm.

- Sau khi hệ đ ạt chân không khoảng – 0,1atm, đ ặt đ ầu đ ường ống xả

dung đ ịch vào bồn chứa dung dịch cần cô đ ặc, mở van 1 và 2, lúc này nhờ chệnh

lệc áp suất giữa bên trong nồi cô đ ặc và bồn chứa nguyên liệu dung dịch cần cô

đ ặc đ ược vào nồi cô đ ặc. Sau khi dung dịch đ ược nạp vào hết, khóa van số 1.

- Xoay công tắc cấp hơi (màu đ en, bên phải), đ èn màu đ ỏ cấp hơi sáng, lúc

này đ iện trở bắt đ ầu gia nhiệt đ ể tạo hơi cấp cho buồng đ ốt của hệ thống cô

đ ặc.

- Kiểm tra nhiệt đ ộ của dung dịch cô đ ặc bằng cách quan sát đ ồng hồ

nhiệt đ ộ nằm trên mặt tủ đ iện.

- Kiểm tra áp suất trong nối cô đ ặc bằng cách quan sát đ ồng hồ áp kế chân

không 1 (phía trên nồi cô đ ặc).

Lưu ý: Trong suốt quá trình cô đ ặc cầm kiểm tra mực nước trong tháp giải

nhiệt (VIII). Mực nước phải ngang vạch ở giữa. Nếu nước trong tháp giảm

thì mở van số 11 đ ể xả nước vào (trước khi mớ van 11 cần mở van khóa

chính của nguồn nước cấp)

- Lấy mẫu dung dịch kiểm ra nồng đ ộ bằng cách:

+Sau đ ó khóa van 2, mở van 1 đ ể lấy mẫu.

+Sau khi lấy mẫu xong khóa van 1

- Đo lượng nước ngưng tụ bằng cách:

+Mở van 5

+Khóa van 6 và van 7

+ Mở van 8 đ ể xả chân không trong bình chứa nước ngưng

10

+Mở van 9 lấy lượng nước ngưng trong bồn (IV) ra ngoài.

+Sau khi lấy hết nước ngưng, khóa van 8 và 9; mở van 6 và van 7,

khóa van 5.

- Kết thúc:

+Tắt công tắc CẤP HƠI

+ Khóa van 4

+ Mở van 8, xả chân không trong thiết bị

+ Tắt công tắc CHAÂN KHOÂNG (nhấn nuùt maøu ñoû)

+ Mở van 1 vaø van 2 lấy dung dịch đ ã cô đ ặc ra ngoài.

- Rửa thiết bị: Đặt đ ầu đ ường ống xả vào đ ường nuớc xả chính của

phòng thí nghiệm, mở van đ iện số 10 , nước đ ược cấp vào nồi cô đ ặc.

11

SƠ ĐỒ ĐIỆN