Tài liệu Bài 4: Mô hình hóa quá trình chuyển khối trên màng docx

Kỹ Thuật Màng Ứng Dụng Bài 4: Mơ hình hóa q trình chuyển khối màng Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ mơn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực trình Trở lực cấp khối cục Dung dịch vào Nước - Phân cực nồng độ lớp biên phía dịch vào (và phân cực nhiệt độ q trình thấm bốc thẩm khí) - Phân bố nồng độ lớp dế màng đảo pha/màng Composit - Tổn thất áp suất dòng thấm qua lớp đế - Phân cực nồng độ lớp biên phía nước Phân cực nồng độ phía dung dịch vào Lớp Lớp hoạt đế rỗng Phân cực nồng độ phía nước động Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực trình Phân cực nồng độ lớp biên phía dịch vào Màng Phân cực nồng độ phía dịch vào Dịng (khuyếch tán, đối lưu, chính) lớp biên phía dịch vào Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực trình Phân cực nồng độ lớp biên phía dịch vào (1) Quá trình chuyển chất phụ thuộc vào màng - Xảy trình phân tách chất lỏng tan lẫn tuân theo nguyên lý Hòa tan – Khuyếch tán - Dòng nước lọc nhỏ - Trở lực màng đóng vai trị quan trọng - Dịng nước lọc chịu ảnh hưởng tượng phân cực nồng độ (2) Quá trình chuyển chất phụ thuộc lớp cặn - Xảy trình Siêu lọc (UF) Vi lọc (MF) - Dòng nước lọc lớn - Hệ số khuyếch tán phân tử bị màng giữ lại nhỏ - Các cấu tử bị giữ lại màng liện kết với tạo thành lớp cặn/cake layer - Trở lực màng nhỏ trở lực lớp cặn Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực trình Phân cực nồng độ lớp biên phía dịch vào (1) Quá trình chuyển chất phụ thuộc vào màng Giải thiết để tính tốn nồng độ cấu tử bề mặt màng: Quá trình đạt cân Q tình khuyếch tán tn theo định luật Fick Khơng xảy biến đổi hóa học Gradient nồng độ theo hướng song song với màng nhỏ Gradient nồng độ vng góc với màng Cân vật liệu cấu tử j bên phía dịch vào: 0= ∂ & ′′ ⎜ (w j mGes ) y − ∂ ⎛ ρ F Dij ⋅ ∂w j ∂y ∂y ⎜ ∂y ⎝ Dòng đối lưu ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Dòng khuyếch tán Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực trình Phân cực nồng độ lớp biên phía dịch vào Tích phân phương trình cân vật liệu kết hợp với: & ′′ &P mGes ( y ) = − m′′ = const hay &′ &′ mij′,Ges ( y ) = − mij′, P = const Cùng với điều kiện biên: y = 0: wj = wj2 y = δF : w j = w j1 Phân bố nồng độ khoảng không gian bên màng: δF ⎛ dy &P = exp⎜ − m′′ ∫ ⎜ w j − w* ρ F Dij j y =0 ⎝ w j1 − w* j Nồng độ khối lượng cấu tử j dòng lọc vị trí khảo sát ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Đối với màng loại ống (hệ tọa độ trụ) Ri ⎛ dr &P = exp⎜ − m′′ RM ∫ * ⎜ wj2 − wj rρ F Dij Ri −δ F ⎝ w j1 − w* j ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Dòng lọc Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực trình Phân cực nồng độ lớp biên phía dịch vào Kết tích phân phương trình mơ tả phân cực nồng độ lớp biên phía dịch vào ⎛ m′′δ & = exp⎜ − P F * ⎜ ρ D wj2 − wj F ij ⎝ w j1 − w* j Đối với màng loại ống (hệ tọa độ trụ) ⎞ ⎛ & ′′ ⎟ = exp⎜ − mP ⎜ ρ k ⎟ F F ⎝ ⎠ 1/kF ⎛ m′′ R ⎛ Ri & = exp⎜ − P M ln⎜ * ⎜ R −δ ⎜ ρ D wj2 − wj F ij F ⎝ i ⎝ w j1 − w* j ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Hệ số cấp khối D ⎞⎞ ⎛ ⎟ ⎟ = ⎜1 − ij ⎟⎟ ⎜ R k i F ⎠⎠ ⎝ &P m′′ RM ⎞ ρ F Dij ⎟ ⎟ ⎠ Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các hiệu ứng giảm động lực q trình Phân cực nồng độ phía dung dịch đầu vào số kiểu mô đun màng Pe = &P m′′ d hyd ρ F Dij ⎛ PeDij = exp⎜ − ⎜ k d wj2 − w ⎝ F hyd w j1 − w* j * j ⎞ ⎟ = exp⎛ − Pe ⎞ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ Sh ⎠ ⎠ Chuẩn số Pecle Phân cực nồng độ phía dịch vào loại mơ đun màng khác Vận chuyển vật chất bề mặt màng Trở lực cấp khối lớp phụ trợ (1) Phân cực nồng độ Dịch vào Dòng nước lọc cục Dịch nước lọc chung Độ dài tương đối Tương quan dịng dọc theo chiều dài mơ đun z Vận chuyển vật chất bề mặt màng Trở lực cấp khối lớp phụ trợ Lớp đế Phân bố nồng độ lớp đế dùng màng bất đối xứng Vận chuyển vật chất bề mặt màng Trở lực cấp khối lớp phụ trợ Phân cực nồng độ lớp đế trình khác Nước Áp suất phía nước Khối lượng riêng nước Hệ số khuyếch tán Độ rỗng lớp đế Bề dày lớp đế Phân cực nồng độ Vận chuyển vật chất bề mặt màng Trở lực cấp khối lớp phụ trợ Áp suất sau lớp hoạt động (2) Tổn thất áp suất Dòng lọc Isopropanol- nước Áp suất thiết bị ngưng tụ Tổn thất áp suất lớp đế Vận chuyển vật chất bề mặt màng Dòng pha trộn hướng trục /axial back mixing Dòng pha trộn hướng trục hiểu tất các dịng vận chuyển khơng ngồi dịng đối lưu Xung bi suy giảm dòng pha trộn hướng trục: phân bố vận tốc, dịng xốy, khuyếch tán phân tử,… Xung chuẩn t=0 Phân bố đối xứng thời điểm Thời điểm phát sinh xung Thời điểm đo Phân bố xung chuyển động Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các loại trở lực hiệu ứng thủy động lực tác động tới trình tối ưu hóa mơ đun màng - Cân vật chất không gian trước màng sau màng - Tổn thất áp suất không gian sau màng - Phân cực nồng độ phia dịch vào - Đặc tính màng - Đặc tính dịng nước cục Vận chuyển vật chất bề mặt màng Phương pháp tính tốn cơng suất lọc cục màng Hệ phương trình tính tốn cơng suất lọc màng (trường hợp tn theo mơ hình Hịa tan – Khuếch tán) Phân cực nồng độ phía dịch vào Trở lực màng Thẩm thấu ngược (RO) Thấm bốc (PV) Trở lực lớp đế Phân cực nồng độ phía nước Vận chuyển vật chất bề mặt màng Phương pháp tính tốn cơng suất cục màng Thẩm thấu ngược: Hệ phương trình tính tốn có kể dến phân cực nồng độ phía dịch vào trở lực màng Sh= f( Re, Sh, kích thước hình học) Vận chuyển vật chất bề mặt màng Phương pháp tính tốn cơng suất cục màng Phân cực nồng độ trình thẩm thấu ngược Vận chuyển vật chất bề mặt màng Phương pháp tính tốn cơng suất cục màng Ảnh hưởng phân cực nồng độ phía dịch đặc tới dịng qua màng trường hợp khác Quá trình màng Hệ chất Màng Mô đun Loại túi Loại Loại ống Vận chuyển vật chất bề mặt màng Ảnh hưởng vị trí lớp hoạt động màng Nước Dung dịch vào Phân cực nồng độ phía dung dịch vào Lớp Lớp hoạt đế rỗng động Phân cực nồng độ phía nước Vận chuyển vật chất bề mặt màng Ảnh hưởng vị trí lớp hoạt động màng Hệ phương trình tính tốn công suất lọc màng lớp dế tiếp xúc với dịch vào trình RO 10 Vận chuyển vật chất bề mặt màng Ảnh hưởng vị trí lớp hoạt động màng Hệ phương trình tính tốn cơng suất lọc màng lớp dế tiếp xúc với dịch vào trình PV Vận chuyển vật chất bề mặt màng Ảnh hưởng vị trí lớp hoạt động màng Hệ phương trình tính cụ thể cho trình RO GP 11 Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các phương pháp tăng cường trình cấp khối màng - Tạo dòng nhiều pha - Thêm cấu tạo xốy khơng gian dịch vào: FeedSpacer - Tạo màng rung làm việc - Đưa dịch đặc vào mô đun dạng xung Vận chuyển vật chất bề mặt màng Cấc phương pháp tăng cường trình cấp khối màng Sơ đồ nguyên lý pp tạo dòng đa pha 12 Vận chuyển vật chất bề mặt màng Dùng Feed Spacer Sơ đồ nguyên lý pp dùng Feed Spacer 13 ... động màng Hệ phương trình tính tốn cơng suất lọc màng lớp dế tiếp xúc với dịch vào trình PV Vận chuyển vật chất bề mặt màng Ảnh hưởng vị trí lớp hoạt động màng Hệ phương trình tính cụ thể cho q trình. .. vào (1) Q trình chuyển chất phụ thuộc vào màng Giải thiết để tính tốn nồng độ cấu tử bề mặt màng: Quá trình đạt cân Quá tình khuyếch tán tuân theo định luật Fick Khơng xảy biến đổi hóa học Gradient... Phân bố xung chuyển động Vận chuyển vật chất bề mặt màng Các loại trở lực hiệu ứng thủy động lực tác động tới q trình tối ưu hóa mơ đun màng - Cân vật chất không gian trước màng sau màng - Tổn