CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý thuyết về chưng cất Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của một hỗn hợp lỏng – lỏng (cũng như hỗn hợp khí – lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau cùa các cấu tử trong hỗn hợp ở cùng điều kiện xác định. Thay vì đưa vào trong hỗn hợp một pha mới để tạo nên sự tiếp xúc giữa hai pha như trong quá trình hấp thu hoặc nhả khí, trong quá trình chưng cất pha mới được tạo nên bằng sự bốc hơi hoặc ngưng tụ. Trong trường hợp đơn giản nhất, chưng cất và cô đặc không khác gì nhau, tuy nhiên giữa hai quá trình này có một ranh giới cơ bản là trong quá trình chưng cất dung môi và chất tan đều bay hơi (nghĩa là các cấu tử đều hiện diện trong cà hai pha nhưng với tỷ lệ khác nhau), còn trong quá trình cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan thì không bay hơi.
Khi chưng cất ta thu được nhiều cấu tử và thường thì hệ có bao nhiêu cấu tử sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Nếu xét hệ đơn giản chỉ có 2 cấu tử thì ta thu được 2 sản phẩm, gồm: Sản phẩm đỉnh chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít các cấu tử có độ bay hơi bé (nhiệt độ sôi nhỏ ). Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi lớn). Như vậy, khi chưng cất hỗn hợp acetone và nước thì ta sẽ thu được sản phẩm đỉnh là acetone và sản phẩm đáy là nước.
Các phương pháp chưng cất Phân loại theo áp suất làm việc Áp suất thấp Áp suất thường Áp suất cao Phân loại theo thành phần chưng cất Chưng cất hai cấu tử Chưng cất đa cấu tử Phân loại theo phương pháp cấp nhiệt ở đáy tháp GVHD: TS. Trần Lưu Dũng 1 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công nghệ Hóa học Cấp nhiệt trực tiếp Cấp nhiệt gián tiếp Phân loại theo nguyên lý làm việc Chưng cất lôi cuốn hơi nước Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước (chưng cất bằng hơi nước trực tiếp) được dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được dùng để tách các chất không hòa tan vào nước (thường dùng để chưng cất tinh dầu có nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ sôi của nước và ít tan trong nước). Chưng cất chân không: Phương pháp này được dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử. Đối với cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao hay trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao.
Chưng cất theo chu kỳ (chưng cất gián đoạn) Phương pháp chưng cất gián đoạn được s dụng trong các điều kiện sau: Khi nhiệt độ của các cấu t khác xa nhau Không đòi hỏi độ tinh khiết cao Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử Chưng cất liên tục Chưng cất liên tục sử dụng thiết bị liên tục, là quá trình được thực hiện liên tục, nghịch dòng, gồm nhiều đoạn.Ngoài ra còn có thiết bị hoạt động bán liên tục. Như vậy, dựa vào yêu cầu Acetone có độ tinh khiết cao (90%) và hỗn hợp acetone – nước không có điểm đẳng phí nên chọn phương pháp chưng cất liên tục là hiệu quả nhất. Thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành chưng cất. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản chung của các thiết bị vẫn giống nhau là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, điều này phụ thuộc vào mức độ phân tán của một lưu chất này vào lưu chất kia.
Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí thì ta có tháp chêm., tháp phun,… Trong đó hai loại tháp thường dùng là tháp mâm và tháp chêm. Tháp mâm: thân tháp hình trụ, thẳng đứng phía trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha hơi được cho tiếp xúc với nhau. Tuỳ theo cấu tạo của đĩa, ta có: GVHD: TS. Trần Lưu Dũng 2 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công nghệ Hóa học Tháp mâm chóp: trên mâm bố trí có chóp dạng tròn, xupap, chữ S….
Tháp mâm xuyên lỗ: trên mâm có nhiều lỗ hay rãnh Tháp chêm (tháp đệm): tháp hình trụ, gồm nhiều bậc nối tiếp nhau bằng mặt bích hay hàn.Vật chêm được cho vào tháp theo một trong hai phương pháp sau: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. Bảng so sánh ưu và nhược điểm của tháp chêm, tháp mâm xuyên lỗ và tháp mâm chóp Tháp mâm xuyên Tháp mâm chóp Tháp chêm lỗ – Cấu tạo khá đơn giản. – Trở lực tương đối – Khá ổn định Ưu – Trở lực thấp. thấp – Hiệu suất cao điểm – Làm việc được với chất lỏng – Hiệu suất khá bẩn.
cao – Do có hiệu ứng thành nên – Có trở lực lớn – Không làm việc hiệu suất truyền khối thấp. – Tiêu tốn nhiều được với chất lỏng Nhược – Độ ổn định thấp, khó vận bẩn vật tư, kết cấu điểm hành phức tạp – Kết cấu khá phức – Khó tăng năng suất tạp – Thiết bị khá nặng nề 1. Giới thiệu về nguyên liệu chưng cất Nguyên liệu dùng để chưng cất là hỗn hợp Acetone và nước, tính chất hóa lý và đặc điểm của nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến việc chọn lựa thiết bị và hiệu suất của quá trình chưng cất. Tính chất vật lý và nhiệt động của acetone Acetone là một chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, không màu, có mùi thơm nhẹ thanh và là dạng keton đơn giản nhất.
Nó hòa tan vô hạn trong nước và một số hợp chất hữu cơ (như eter, methanol, ethanol, diacetone alcohol. Acetone có một số đặc điểm sau: Công thức phân tử : (CH3)2CO Khối lượng phân tử : MA= 58,08 đvC Tên gọi khác: Dimethylketal; 2–Propanone; Dimethyl ketone Ứng dụng của acetone phổ biến nhất là dùng làm dùng làm dung môi trong công nghiệp như: vecni, sơn, sơn mài, cellulose acetate, nhựa, cao su. Acetone được dùng làm dung môi do nó hòa tan tốt acetate, nitrocellulose, nhựa foocmandehyde, chất béo và được dùng nhiều làm dung môi sơn, mựa in ống đồng. Ngoài ra, acetone còn là GVHD: TS.
Trần Lưu Dũng 3 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công nghệ Hóa học nguyên liệu để tổng hợp thủy tinh hữu cơ. Một số hợp chất được tổng hợp từ acetone như: ceten, sulfonate (thuốc ngủ ), các holoform Bảng 1. 2 Một số tính chất của acetone o 1 Nhiệt độ nóng chảy – 94,6 C o 2 Nhiệt độ sôi 56,2 C o 3 Nhiệt độ tự bốc cháy 465 C o 3 4 Khối lượng riêng ở 20 C 791 kg/m o 5 Độ nhớt ở 20 C 0,3075 cp o 6 Nhiệt dung riêng ở 20 C 2180 J/Kg 7 Nhiệt trị 23,42 Kcal/kg 1. Tính chất hóa học của acetone Phản ứng cộng của nhóm C=O Trong liên kết C=O này cacbon mang điện tích dương (+) do liên kết C=O phân cực về phía O nên acetone có thể cộng với nhiều các tác nhân nucleophin khác nhau như: H–OH, RO–H, H–CN, R– MgBr, … Phản ứng cộng nước tạo thành rượu bậc 2 Phản ứng cộng natrihydrosulfide tạo hợp chất bisulfide Phản ứng cộng hợp với hợp chất cơ Magie Phản ứng thế tạo liên kết C=C (phản ứng andol hóa) Khi có mặt chất xúc tác là bazo, phân tử acetone có thể tác dụng với phân tử khác có nhóm –CH2– linh động như –CH2– bên cạnh nhóm hút e như C=O, NO2.
Phản ứng oxi hóa Phản ứng khử Phản ứng thế methyl 1. Sản xuất acetone Acetone được tìm thấy đầu tiên bởi Labavius (1595) bằng cách chưng cất khan đường, đến năm 1805 Trommdorff tiến hành sản xuất acetone bằng cách chưng cất acetate của bồ đạt và soda (một phân đoạn lỏng nằm giữa phân đoạn rượu và eter). Ca(CH3COO)2 → CaO + CO2↑ + (CH3)2CO Ngày nay, khoảng 83% aceton được sản xuất thông qua phương pháp oxi hóa Cumen (phương pháp Hock), phương pháp này được sử dụng chủ yếu để sản xuất acetone ở Mỹ và các nước Tây Âu, khi sản xuất aceton từ phương pháp này luôn thì cũng đồng thời sản xuất được phenol đi kèm. Phương pháp Cumen gồm các bước: alkyl hoá benzen với propen, sinh ra cumen, được oxi hoá, sinh ra axeton và phenol.
Trần Lưu Dũng 4 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công nghệ Hóa học Tuy nhiên, công nghệ sản xuất acetone thông qua oxi hóa cumen được thaybằng công nghệ hiệu quả hơn khi tổng hợp acetone bằng phương pháp tách nước của isopropyl alcol có sử dụng xúc tác. Xúc tác được dùng là đồng và hợp kim của đồng, oxit kim loại o và muối của nó. Ở nhiệt độ 327 C hiệu suất tổng hợp của phản ứng khoảng 97%. Ngoài ra còn một số quá trình sản xuất acetone khác như: Oxi hóa cumen hydro peroxide thành phenol và acetone Oxi hóa trực tiếp butane và propane Lên men carbonhydrate bởi vi khuẩn đặc biệt 1.
Tính chất vật lý của nước Trong điều kiện bình thường: nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị nhưng khối nước dày sẽ có màu xanh nhạt. Khi hóa rắn nó có thể tồn tại ở dạng 5 dạng tinh thể khác nhau: Khối lượng phân t : MN = 18 đvC Công thức phân t : H2O o Khối lượng riêng ở 4 C: 1 g/ml o Nhiệt độ nóng chảy: 0 C o Nhiệt độ sôi: 100 C Nước là dung môi phân cực mạnh, có khả năng hoà tan nhiều chất (rắn, lỏng và khí) và là dung môi rất quan trọng trong các l nh vực hóa học. Tính chất hóa học của nước Tác dụng với kim loại H2O + Na → NaOH + H2 2H2O + Ca → Ca(OH)2 + H2 Nước tác dụng được với một số kim loại ở nhiệt độ thường như: Li, Na, K, Ca. tạo thành bazo và khí H2.
Tác dụng với oxit bazơ Na2O + H2O → 2NaOH CaO + H2O → Ca(OH)2 Nước tác dụng với oxit bazo tạo thành bazo tương ứng. Dung dịc bazo làm quỳ tím hóa xanh. Tác dụng với oxit acid GVHD: TS. Trần Lưu Dũng 5 Trường ĐH Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Khoa Công nghệ Hóa học SO2 + H2O → H2SO3 P2O5 + 3H2O → 2H3PO4 Nước tác dụng với oxit axit tạo thành axit tương ứng.
Dung dịch axit làm qu tím hóa đỏ.