CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nguyên liệu 1.1 Nước Nước (H2O) là một hợp chất hóa học của oxygen và hydrogen. Trong điều kiện bình thường, nước là chất lỏng không màu, không mùi, không vị, không có hình dạng nhất định. Các phân tử nước hình thành liên kết hydro với nhau và phân cực mạnh, cho phép nó tách các ion trong muối và liên kết với các phân tử phân cực khác như rượu và acid, do đó hòa tan chúng. Liên kết hydro của nó gây ra những tính chất độc đáo, chẳng hạn như có dạng rắn ít đậm đặc hơn dạng lỏng, có điểm sôi tương đối cao là 100oC và khả năng tỏa nhiệt cao.
Nước là chất lưỡng tính, có nghĩa là nó có thể thể hiện các tính chất của acid hoặc base, tùy thuộc vào pH của dung dịch mà nó có trong đó; nước dễ dàng tạo ra cả ion H+ và OH-. Về mặt hình học thì phân tử nước có góc liên kết là 104,45°. Do các cặp điện tử tự do chiếm nhiều chỗ nên góc này sai lệch đi so với góc lý tưởng của hình tứ diện. Chiều dài của liên kết O-H là 96,84 picomet.
✓ Một số thông số vật lý: Nhiệt độ sôi của nước: 100℃ (ở 760 mmHg). Nhiệt độ nóng chảy: 0℃ (ở 760 mmHg). Khối lượng riêng ở 25oC: ρN = 997,08 kg/m3 Khối lượng phân tử: MN = 18 g/mol Độ nhớt ở 25oC: 0,9005 N.1: Cấu trúc của nước 2 Ứng dụng của nước: Nước là thành phần quan trọng của các tế bào sinh học và là môi trường của các quá trình sinh hóa cơ bản như quang hợp tạo thành khí oxi. Nước tham gia vào quá trình hoá học trong cơ thể con người và động vật, nước còn giúp hoà tan chất dinh dưỡng và là thành phần không thể thiếu trong cơ thể sống.
Bên cạnh đó, nước rất cần thiết cho đời sống hàng ngày, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, xây dựng, giao thông vận tải. Sự sống trên Trái Đất đều bắt nguồn từ nước và phụ thuộc vào nước. Nước có ảnh hưởng quyết định đến khí hậu một khu vực, là nguyên nhân tạo ra thời tiết.2 Ethanol Ethanol là một hợp chất hữu cơ có công thức phân tử C2H6O và còn được biểu diễn bằng các công thức như CH3CH2OH hoặc C2H5OH. Nó thường được gọi là ethanol, ethyl alcohol, alcohol, rượu hữu cơ, rượu ethylic, rượu ngũ cốc hay rượu công nghiệp, rượu cồn… Ethanol là một chất lỏng trong suốt không màu, dễ cháy và dễ bay hơi ở nhiệt độ và áp suất bình thường.
Nó có độc tính thấp và chất lỏng nguyên chất không thể uống trực tiếp, có mùi thơm đặc biệt và hơi khó chịu, hơi ngọt và kèm theo vị cay nồng. Ethanol tan vô hạn trong nước, nhẹ hơn nước. ✓ Một số thông số vật lý và nhiệt động của ethanol: Khối lượng phân tử: 46,07 g/mol Điểm sôi: 78,39°C Điểm nóng chảy: -114,3°C Tỷ trọng: 0,789 g/cm3 Hình 1.2: Cấu trúc của ethanol Một số tính chất hóa học: 3 Tác dụng với acid hữu cơ (phản ứng ester hóa): H+ CH3 − CH 2 − OH + HO − CO − CH3 CH3 − COO − C2 H5 + H 2O Tác dụng với HX: CH 3 − CH 2 − OH + HX CH 3 − CH 2 − X + H 2O Phản ứng tạo ether và tách loại nước: 2CH 3 − CH 2 − OH ⎯⎯⎯ H 2 SO4 150o C →(CH 3 − CH 2 )2 O + H 2O CH 3 − CH 2 − OH ⎯⎯⎯ H 2 SO4 150o C → CH 2 = CH 2 + H 2O Phản ứng oxi hoá: CH 3 − CH 2 − OH + CuO ⎯⎯ → CH 3 − CH 2 − CHO + Cu + H 2O o t CH3 − CH2 − OH + O2 ⎯⎯⎯ mengiam ⎯→CH3COOH + H 2O CH 3 − CH 2 − OH + O2 ⎯⎯ → CO2 + H 2O o t Ứng dụng của ethanol: Ethanol được sử dụng trong các sản phẩm chống đông lạnh vì điểm đóng băng thấp của nó, người ta còn dùng ethanol để điều chế một số hợp chất hữu cơ như acid acetic, diethyl ether, ethyl acetate…, làm dung môi hoặc chất pha để pha vecni, dược phẩm, nước hoa… Không chỉ vậy, ethanol còn dùng để pha chế xăng sinh học E5, E10 (thường tỉ lệ xăng chiếm trên 90%), dùng trong công nghiệp in, công nghiệp điện tử, dệt may, ngành điện tử, lau vi mạch, bo mạch…Ethanol là một trong những nguyên liệu để tạo ra đồ uống có cồn mà hằng ngày chúng ta vẫn hay sử dụng như bia, rượu,… Ethanol còn được dùng như nước ướp gia vị và được dùng như một chất chống vi khuẩn, sát trùng, điều chế thuốc ngủ.3 Hỗn hợp Ethanol - Nước Hỗn hợp Ethanol – Nước có thành phần lỏng (x) – hơi (y) và nhiệt độ sôi của hỗn hợp Ethanol – Nước ở 760 mmHg như bảng (theo phần mol cấu tử nhẹ, tức là theo phần mol của ethanol): 4 Bảng1.1: Thành phần cân bằng lỏng – hơi hệ hai cấu tử Ethanol – Nước T(°C) 100 90,5 86,5 83,2 81,7 80,8 80 79,4 79 78,6 78,15 78,4 78,4 x (%mol) 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 89,4 90 100 y (%mol) 0 33,2 44,2 53,1 57,6 61,4 65,4 69,9 75,3 81,8 89,4 89,8 100 Hỗn hợp Ethanol – Nước có điểm đẳng phí ở áp suất cực đại tương ứng nhiệt độ cực tiểu T = 78,15oC với thành phần ethanol trong pha lỏng và pha hơi là x = y = 89,4 %mol. Vì vậy, phía bên trái của điểm đẳng phí cho phép chưng cất, vì nồng độ cân bằng của hơi lớn hơn của lỏng.
Tại điểm đẳng phí không có khả năng chưng cất vì động lực của quá trình bằng không. Phía bên phải điểm đẳng phí không thực hiện được quá trình chưng cất vì nồng độ cân bằng của hơi nhỏ hơn nồng độ cân bằng của lỏng. Hệ Ethanol - Nước 1 y - phân mol ethanol trong pha hơi 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 x - phân mol ethanol trong pha lỏng Hình 1.3: Giản đồ x-y của hệ Ethanol - Nước 5 Hệ Ethanol - Nước 100 95 Đường lỏng Nhiệt độ (oC) 90 Đường hơi 85 80 75 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 x, y - phân mol ethanol trong pha lỏng - hơi Hình 1.4: Giản đồ T – x, y của hệ Ethanol – Nước Ethanol tan vô hạn trong nước. Ở áp suất khí quyển, nhiệt độ sôi của ethanol và nước cách nhau một khoảng nhiệt độ tương đối lớn.
Để tách ethanol ra khỏi hỗn hợp không thể dùng cô đặc, trích ly hay hấp thụ vì ethanol và nước đều có khả năng bay hơi. Khi thêm một cấu tử vào hệ, quá trình tách trở nên phức tạp hơn và không thể tách hoàn toàn. Vì thế, ta dùng phương pháp chưng cất để tách ethanol và nước.2 Tổng quan về chưng cất 1.1 Khái niệm chưng cất Chưng cất là quá trình dùng để tách các cấu tử của cùng một hỗn hợp lỏng (cũng như các hỗn hợp khí đã hoá lỏng) thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi bão hòa của các cấu tử khác nhau). Thay vì đưa vào 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.
Khác với cô đặc, trong quá trình chưng cất, các cấu tử đều bay hơi, còn trong cô đặc chỉ có dung môi bay hơi mà chất tan không bay hơi. 6 Khi chưng cất, ta thu được nhiều sản phẩm và thường hỗn hợp chứa bao nhiêu cấu tử thì sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Các sản phẩm đỉnh của quá trình chưng cất chủ yếu gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu tử dễ bay hơi) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé (cấu tử khó bay hơi). Sản phẩm đáy chủ yếu gồm cấu tử có độ bay hơi bé (cấu tử khó bay hơi) và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu tử dễ bay hơi).
Như trong đồ án môn học này, chưng cất hệ Ethanol – Nước sẽ thu được sản phẩm đỉnh chủ yếu là ethanol (cấu tử dễ bay hơi) và một phần rất ít nước (cấu tử khó bay hơi). Sản phẩm đáy chủ yếu là nước (cấu tử khó bay hơi) và một phần rất ít ethanol (cấu tử dễ bay hơi).2 Các phương pháp chưng cất Các phương pháp chưng cất được phân loại như sau: Dựa theo áp suất làm việc: Chưng cất trong môi trường chân không, chưng cất theo áp suất thường hoặc áp suất cao. Nguyên tắc làm việc của phương pháp chưng cất dựa theo áp suất là dựa vào nhiệt độ sôi của các cấu tử, nếu nhiệt độ của các cấu tử quá cao hoặc các cấu tử của hỗn hợp dễ bị phân huỷ thì ta sẽ giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử. Nếu các cấu tử của hỗn hợp không hoá lỏng ở áp suất thường thì chưng cất được thực hiện ở áp suất cao.
Dựa theo nguyên lý làm việc: có hai phương pháp là chưng cất liên tục hoặc chưng cất gián đoạn (chưng cất đơn giản). Trong đó, chưng cất đơn giản (gián đoạn) dùng để tách các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau, phương pháp này dùng để tách sơ bộ hoặc làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất, không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao. Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử (dùng thiết bị hoạt động liên tục) là quá trình thực hiện liên tục, nghịch dòng, nhiều đoạn, phương pháp này cho ra sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn. Dựa theo số lượng cấu tử trong hỗn hợp: hệ hai cấu tử, hệ có ba hoặc số cấu tử ít hơn mười và hệ nhiều cấu tử (lớn hơn mười).
Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các cấu tử bay hơi không tan trong nước ra khỏi tạp chất không bay hơi. Sản phẩm ngưng sẽ phân lớp, ta có thể dễ dàng tách cấu 7 tử bay hơi ra khỏi nước. Ưu điểm của quá trình chưng cất bằng hơi nước trực tiếp là giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp, có lợi đối với những chất bị phân huỷ ở nhiệt độ cao cũng như đối với những chất có nhiệt độ sôi quá cao mà khi chưng gián tiếp đòi hỏi phải dùng hơi có áp suất cao.3 Các thiết bị chưng cất Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình chưng cất.