Báo Cáo Bốc hơi và cô đặc

1. KHÁI NIỆM CHUNG1.1. Bốc hơi và cô đặc- Sự bốc hơi
Quá trình bay hơi được giải thích theo thuyết động học phân tử như sau: các phân tử chất lỏng nằm gần mặt thoáng có chuyển động vì nhiệt, ở thời điểm nào đó tốc độ chuyển động của phân tử vượt quá tốc độ giới hạn thì sẽ thoát khỏi bề mặt chất lỏng trở thành trạng thái tự do (hơi). Nếu có một luồng khí đi qua chất lỏng, các phân tử thoát ra sẽ được mang đi nhanh hơn và tỷ lệ bay hơi sẽ tăng lên. Khi chất lỏng được đun nóng lên, thì các phân tử sẽ tiếp tục hấp thụ đủ năng lượng để thoát ra và tỷ lệ phân tử chất lỏng bay hơi sẽ tăng lên rất nhiều. Áp suất của các phân tử này trong không khí gọi là áp suất hơi riêng phần của chất lỏng đã cho. Khi áp suất hơi của chất lỏng bằng áp suất của môi trường trên bề mặt chất lỏng, không những các phân tử chất lỏng nước trên bề mặt mà các phân tử chất lỏng trong lòng khối chất lỏng cũng biến thành hơi, nghĩa là chất lỏng sôi và nhiệt độ của chất lỏng lúc này là nhiệt độ sôi. Nếu như áp suất của môi trường trên bề mặt chất lỏng không đổi, nhiệt độ sôi không đổi trong suốt quá trình sôi.
Nếu chất lỏng được đựng trong một bình chứa kín, khoảng không gian bên trên chất lỏng sẽ chứa đầy hơi nước. Hơi nước này tạo ra một áp suất trong khoảng không gian phía trên mặt nước. Một số phân tử hơi nước sẽ rút trở lại vào chất lỏng. Sau một thời gian ngắn, sẽ đạt được trạng thái cân bằng và số phân tử thoát ra cũng như số phân tử rút trở lại chất lỏng sẽ không đổi. Hiện tượng này xảy ra khi khoảng không gian trên chất lỏng được bão hòa nhờ hơi nước, áp suất tạo ra từ chất lỏng được gọi là áp suất hơi nước bão hòa. Như vậy:
Sự bay hơi là quá trình lỏng chuyển thành hơi xảy ra trên bề mặt chất lỏng và tiến hành ở bất kỳ nhiệt độ nào (thấp hơn nhiệt độ sôi) và áp suất hơi của dung môi trên bề mặt dung dịch nhỏ hơn áp suất chung trên bề mặt dung dịch (nhưng lớn hơn áp suất riêng phần của nó).
Sự bốc hơi là quá trình lỏng chuyển thành hơi không những xảy ra trên bề mặt dung dịch mà còn xảy ra trong lòng khối dung dịch (bằng cách tạo thành bọt), áp suất hơi riêng phần của dung môi trên bề mặt dung dịch bằng áp suất chung trên mặt thoáng và trạng thái bốc hơi chỉ xảy ra ở một nhiệt độ xác định ứng với áp suất chung và nồng độ dung dịch. Sự bốc hơi còn gọi là sự sôi. Nhiệt độ sôi là nhiệt độ chất lỏng biến thành hơi khi áp suất riêng phần hơi dung môi bằng áp suất chung trên mặt thoáng. Áp suất tăng, nhiệt độ sôi tăng.
- Cô đặc
Cô đặc là quá trình bay hơi một phần dung môi của dung dịch chứa chất tan không bay hơi, với mục đích: làm tăng nồng độ dung dịch, tách chất rắn hòa tan ở dạng tinh thể (kết tinh) hay thu dung môi ở dạng nguyên chất (cất nước). Quá trình cô đặc thường tiến hành ở trạng thái sôi.
Đặc điểm của quá trình cô đặc là dung môi được tách khỏi dung dịch ở dạng hơi còn chất rắn hòa tan trong dung dịch không bay hơi, do đó nồng độ chất khô của dung dịch sẽ tăng lên.
Quá trình cô đặc có thể tiến hành ở áp suất chân không, áp suất thường hay áp suất dư, trong hệ thống một hay nhiều thiết bị cô đặc làm việc liên tục hay gián đoạn.
Hơi bay ra trong quá trình cô đặc thường là hơi nước, gọi là hơi thứ và được tận dụng làm hơi đốt cho các nồi cô đặc khác. Hơi thứ ở nhiệt độ cao có thể dùng để đun nóng một thiết bị khác. Nếu lấy một lượng hơi thứ để đun nóng thiết bị nằm ngoài hệ thống cô đặc thì hơi đó gọi là hơi phụ (còn gọi là hơi chiết).
Truyền nhiệt trong quá trình cô đặc có thể thực hiện trực tiếp hay gián tiếp. Truyền nhiệt trực tiếp như dùng khói lò cho tiếp xúc với dung dịch, còn truyền nhiệt gián tiếp thường dùng hơi bão hoà để đốt nóng.
1.2. Một số tính chất vật lý của dung dịch liên quan đến quá trình cô đặc1.2.1. Ẩn nhiệt hóa hơiKhi bay hơi, các phân tử chất lỏng cần phải thu một lượng nhiệt từ bên ngoài để khắc phục lực liên kết ở trạng thái lỏng và trở lực áp suất trên mặt thoáng. Mặc dù nhiệt lượng này được hấp thu, nhưng không làm cho nhiệt độ vật chất tăng lên khi nó thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Lượng nhiệt mà một đơn vị khối lượng chất lỏng cần lấy đi trong quá trình bay hơi ở một nhiệt độ nhất định gọi là ẩn nhiệt hóa hóa hơi (ẩn nhiệt). Ẩn nhiệt hóa hơi của nước là 2,46 MJ/kg ở nhiệt độ 20[SUP]o[/SUP]C. Khi nhiệt độ tăng, ẩn nhiệt bay hơi giảm, ở nhiệt độ tới hạn (t=374[SUP]0[/SUP]C) ẩn nhiệt hóa hơi bằng không.
1.2.2. Nhiệt hòa tanKhi hòa tan một chất rắn vào trong một dung môi nào đó thì dung môi sẽ lạnh đi vì khi hòa tan chất tan cần phải thu nhiệt để phá vỡ mạng lưới tinh thể (nhiệt nóng chảy). Mặt khác, khi chất rắn hòa tan thì các phân tử chất hòa tan sẽ tác dụng hóa học với dung môi solvat (nếu dung môi là nước thì là hydrat) khi đó sẽ tỏa nhiệt (nhiệt solvat)
Nhiệt hòa tan sẽ là tổng nhiệt nóng chảy và nhiệt solvat. Nhiệt hòa tan của một chất có thể dương hay âm tùy theo tính chất của chất hòa tan và dung môi. Đối với những chất dễ tạo thành quá trình solvat (hay hydrat) hóa thì nhiệt hòa tan dương còn những chất không tạo thành solvat thì nhiệt hòa tan âm.
Nhiệt hòa tan của 1 kg chất rắn khi hòa tan trong một lượng dung môi rất lớn gọi là nhiệt tích phân. Ký hiệu: q [J/kg chất rắn].
Gọi nhiệt tích phân của dung dịch ở nồng độ x[SUB]1[/SUB] là q[SUB]1[/SUB] và ở nồng độ x[SUB]2[/SUB] là q[SUB]2­[/SUB]. Khi nồng độ thay đổi từ x[SUB]1[/SUB] đến x[SUB]2[/SUB] thì nhiệt tích phân thay đổi một lượng là: