Quá trình nấu rượu gạo (dung dịch ethanol) thủ công được thực hiện như sau: Gạo được nấu chín, để nguội, rắc men, ủ kín từ 3 đến 5 ngày thu được hỗn hợp chủ yếu gồm nước, ethanol và bã rượu.
19/28
Quá trình nấu rượu gạo (dung dịch ethanol) thủ công được thực hiện như sau:
Gạo được nấu chín, để nguội, rắc men, ủ kín từ 3 đến 5 ngày thu được hỗn hợp chủ yếu gồm nước, ethanol và bã rượu.
Đun nóng hỗn hợp trên (trong nồi chưng cất) đến nhiệt độ sôi để ethanol và nước hóa hơi và đi vào đường ống dẫn. Hỗn hợp hơi (ethanol và nước) trong đường ống được làm lạnh khi đi qua thùng nước lạnh sẽ hóa lỏng và chảy vào bình hứng. Ta có bảng giá trị của ethanol và nước như sau:
Chất | Nhiệt độ sôi (°C) | Khối lượng riêng (kg/m3) | Nhiệt dung riêng (J/(kg.K)) | Nhiệt hóa hơi riêng (J/kg) |
Ethanol | 78 | 789 | 2 440 | 0,9.106 |
Nước | 100 | 997 | 4 200 | 2,3.106 |
Giả thuyết trong quá trình nấu rượu, hỗn hợp được cung cấp nhiệt một cách đều đặn. Ethanol sôi và hóa hơi trước ở 78 C. Sau đó đến 100 C thì nước bắt đầu sôi và hóa hơi. Bỏ qua lượng hơi nước ban đầu trong ống dẫn. Bỏ qua sự truyền nhiệt với môi trường, ống dẫn và bình hứng. Thùng nước lạnh chứa lượng nước có thể tích 250 lít ở nhiệt độ 20 C. Khi thu được 20 lít rượu gạo 40 (thể tích ethanol chiếm 40%), người ta đo nhiệt độ của rượu khi có cân bằng nhiệt là 45 C. Biết nhiệt độ của ethanol khi ra khỏi thùng nước lạnh là 35 C.
Khối lượng ethanol và nước có trong 20 lít rượu gạo 40 lần lượt là 11,964 kg và 6,312 kg.
Nhiệt độ của nước khi ra khỏi thùng nước lạnh là 48 C.
Khi hơi nước và hơi ethanol đi qua thùng nước lạnh, chúng tỏa nhiệt và ngưng tụ.
Nếu trong quá trình nấu rượu không thay nước mới trong thùng nước lạnh thì nhiệt độ nước trong thùng sau khi thu được 20 lít rượu gạo 40 là 55 C.
a) SAI
Khối lượng ethanol chứa trong 20 lít rượu gạo 40 là: \({m}_{e}={D}_{e}.{V}_{e}=789.40\%.20.{10}^{-3}=6,312\) kg.
Khối lượng nước chứa trong 20 lít rượu gạo 40 là: \({m}_{n}={D}_{n}.{V}_{n}=997.60\%.20.{10}^{-3}=11,964\) kg.
b) ĐÚNG
Xét sự trao đổi nhiệt giữa ethanol và nước, ta có:
\(\left| {Q}_{tỏa} \right|=\left| {Q}_{thu} \right|\) \({m}_{n}.{c}_{n}.\left. {t}_{n}-45 \right.={m}_{e}.{c}_{e}.\left. 45-35 \right.\)
\(11,964.4200.\left. {t}_{n}-45 \right.=6,312.2440.10\)
\({t}_{n}=\frac{1006337}{20937}≈48 ℃\).
c) ĐÚNG
Khi hơi nước và hơi ethanol đi qua thùng nước lạnh có nhiệt độ thấp hơn nên chúng truyền nhiệt cho nước lạnh, bị làm lạnh và ngưng tụ thành chất lỏng.
d) ĐÚNG
Khối lượng nước chứa trong thùng nước lạnh là: \(m={D}_{n}.V=997.250.{10}^{-3}=249,25\) kg.
Xét sự trao đổi nhiệt giữa ethanol, nước (trong ống dẫn) với nước trong thùng nước lạnh, ta có:
\(\left| {Q}_{tỏa} \right|=\left| {Q}_{thu} \right|\)
\({L}_{n}.{m}_{n}+{m}_{n}.{c}_{n}.\left. 100-48 \right.+{L}_{e}.{m}_{e}+{m}_{e}.{c}_{e}.\left. 78-35 \right.=m.{c}_{n}.\left. t-20 \right.\)
\(2,3.{10}^{6}.11,964+11,964.4200.52+0,9.{10}^{6}.6,312+6,312.2440.43=249,25.4200\left. t-20 \right.\)
\(t≈55 ℃\).