bài giảng môn quá trình thiết bị và truyền chất

ĐỀ CƯƠNG ĐỀ CƯƠNG MÔN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ TRUYỀN CHẤT Chương 1 Những kiến thức cơ bản của quá trình truyền chất 1 1 Những khái niệm cơ bản 1 2 Các định luật khuyếch tán 1 3 Cân bằng vật liệu và động. 1.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN: • Định nghĩa và phân loại: Định nghĩa quá trình truyền chất Quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau gọi là quá trình truyền khối. Phân loại: ® Dựa theo chiều của sự di chuyển vật chất và cơ chế của quá trình ® Dựa trên sự tham gia thực hiện quá trình truyền chất của các cấu tử trong hệ. • Hấp thu: vật chất đi từ pha khí vào lỏng. • Chưng: tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại • Hấp phụ: vật chất đi từ pha khí vào pha rắn. • Trích ly: tách các chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng chất lỏng khác. • Kết tinh: vật chất đi từ pha lỏng vào pha rắn. • Sấy: vật chất đi từ pha rắn hay lỏng vào pha khí. • Hòa tan: vật chất đi từ pha rắn sang lỏng.

ĐỀ CƯƠNG MƠN:Q TRÌNH & THIẾT BỊ TRUYỀN CHẤT Chương 1: Những kiến thức trình truyền chất 1.1 Những khái niệm 1.2 Các định luật khuyếch tán 1.3 Cân vật liệu động học q trình 1.4 Phương pháp tính thiết bị truyền chất 1.5 Bài tập Chương 2: Quá trình hấp thụ 2.1 Các khái niệm 2.2 Cơ sở vật lí q trình hấp thụ 2.3 Các q trình hấp thụ tách chất quan trọng kỹ thuật 2.4 Các loại thiết bị hấp thụ tính tốn 2.5 Một số sơ đồ hệ thống hấp thụ tách chất 2.6 Bài tập Chương 3: Quá trình hấp phụ 3.1 Khái niệm chung 3.2 Các loại chất hấp phụ 3.3 Cân pha trình hấp phụ 3.4 Các loại thiết bị hấp phụ Chương 4: Quá trình chưng 4.1 Khái niệm chung 4.2 Đặc trưng hệ hai cấu tử - hệ hai pha lỏng 4.3 Chưng đơn giản 4.4 Chưng nước trực tiếp 4.5 Chưng luyện 4.6 Các khái niệm phương pháp chưng khác 4.7 Bài tập Chương 5: Quá trình trích li 5.1 Khái niệm chung 5.2 Cân pha q trình trích li 5.3 Ngun tắc trích li 5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình trích li đồ thị tam giác 5.5 Các phương pháp trích li cơng nghiệp phương pháp tính tốn 5.6 Cấu tạo thiết bị trích li 5.7 Bài tập Chương 6: Quá trình kết tinh 6.1 Khái niệm chung 6.2 Các phương pháp thiết bị kết tinh 6.3 Tính tốn q trình kết tinh Chương 7: Quá trình sấy 7.1 Khái niệm chung 7.2 Tĩnh lực học trình sấy 7.3 Động lực học trình sấy 7.4 Cấu tạo máy sấy 7.5 Bài tập [1] Đỗ Văn Đài cộng Cơ sở q trình thiết bị cơng nghệ hóa học, tập NXB ĐH&THCN, 1980 [2] Đỗ Văn Đài cộng Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất, tập 1,2 NXB ĐH&THCN, 1980 [3] Phạm Nguyên Chương cộng Hóa kỹ thuật NXB KH&KT, 2002 [4] Nguyễn Bin Tính tốn q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập NXB KH&KT, 2001 [5] Nguyễn Bin Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, tập NXB KH&KT, 2005 CHƯƠNG 1: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN CHẤT 1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN: • Định nghĩa phân loại: - Định nghĩa trình truyền chất Quá trình di chuyển vật chất từ pha sang pha khác hai pha tiếp xúc trực tiếp với gọi trình truyền khối - Phân loại:  Dựa theo chiều di chuyển vật chất chế trình  Dựa tham gia thực trình truyền chất cấu tử hệ • Hấp thu: vật chất từ pha khí vào lỏng • Chưng: tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại • Hấp phụ: vật chất từ pha khí vào pha rắn • Trích ly: tách chất hịa tan chất lỏng hay chất rắn chất lỏng khác • Kết tinh: vật chất từ pha lỏng vào pha rắn • Sấy: vật chất từ pha rắn hay lỏng vào pha khí • Hịa tan: vật chất từ pha rắn sang lỏng • Trao đổi ion: tương tác hoá học ion pha lỏng ion pha rắn Phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng ) Cách biểu diễn thành phần pha: Liên hệ thành phần pha G, L: Suất lượng mol pha y, pha x (Kmol/h) : Suất lượng khối lượng pha y, pha x (kg/h) Gi, Li: Suất lượng mol cấu tử xét phong pha y, pha x (Kmol/h) : Suất lượng khối lượng cấu tử xét pha y, pha x y, x: Nồng độ phần mol cấu tử xét pha y, x : Nồng độ phần khối lượng cấu tử xét pha y, x Y, X: Nồng độ tỷ số mol cấu tử xét pha y, x : Nồng độ tỷ số khối lượng cấu tử xét pha y, x Vx,Vy: Lưu lượng thể tích pha x, y (m3/h) i: Cấu tử hỗn hợp 1.2 CÂN BẰNG PHA: • Khái niệm cân pha: Nồng độ cân pha x nồng độ lớn cấu tử M mà pha x chứa điều kiện định (p,T,y) Tương tự, nồng độ cân pha y nồng độ nhỏ cấu tử M mà pha y giảm điều kiện định (p,T,y) - Ở điều kiện p, T không đổi tiếp tục thêm M vào pha y: y1, y2, y3, cân động ta thu giá trị x tương ứng xcb1, xcb2, xcb3, pha x Vậy ta lập x*  f ( y) y *  f ( x) đường cân sau: hay - Động lực trình: y  y  y * y  y *  y x  x *  x x  x  x * Quá trình truyền chất trình di chuyển vật chất từ pha sang pha khác, điều kiện thiết phải để xảy trình hai pha phải chưa đạt trạng thái cân động Hay nói cách khác động lực q trình cịn khác Vậy động lực trình truyền chất hiệu số nồng độ “ban đầu” nồng độ cân ngược lại nồng độ cân nồng độ “ban đầu” pha tiết diện  Nếu y < ycb – vật chất chuyển từ pha x vào pha y  Nếu y > ycb – vật chất chuyển từ pha y vào pha x 1.3 QUI TẮC PHA CỦA GIBBS: Các trình truyền chất tiến hành trạng thái cân pha định Các trạng thái cân pha tồn điều kiện nhiệt độ, áp suất, nồng độ xác định Nếu ta thay đổi biến số T, p, x (y) độc lập mà không phù hợp với qui tắc pha làm cho cân pha bị phá hủy q trình truyền chất khơng cịn ý nghĩa Qui tắc pha cho phép ta biết hệ thống định ta thay đổi biến số độc lập mà cân pha hệ không bị phá hủy Qui tắc pha Gibbs: C = k - + n Trong đó: C - số bậc tự  - số pha hệ k - số cấu tử độc lập hệ n – số yếu tố bên ảnh hưởng lên cân hệ (n=2) Áp dụng qui tắc pha cho hệ cấu tử: • Trường hợp chất nguyên chất đồng thời tồn pha: R-L-H theo qui tắc pha ta có: C = k - + n = 1-3+2 = • Trường hợp chất nguyên chất tồn pha: L-H (hơi bão hịa) theo qui tắc pha ta có: C = k - + n = 1-2+2 = 1.4 Các định luật cân pha: • Đinh luật Henry: Áp suất riêng phần cấu tử phân bố (p) pha khí tồn cân với pha lỏng tỷ lệ với nồng độ phần mol (x) pha lỏng pi Hxi H số Henry thứ nguyên thứ nguyên p Khi nhiệt độ tăng H tăng Với khí lý tưởng phương trình biểu diễn đường thẳng cịn với khí thực đường cong Nếu x nhỏ phương trình đường thẳng y * mx Kết hợp Henry-Dalton: Định luật Raoult: Áp suất riêng phần cấu tử i dung dịch áp suất bão hòa cấu tử (ở nhiệt độ) nhân với nồng độ phần mol dung dịch: pi  pibh xi Trong thực tế người ta hay biểu diễn: Hay: pibh y  xi P * i x y*   x(  1) 1.4 CÁC ĐỊNH LUẬT KHUYẾCH TÁN: (các phương thức khuyếch tán) Như biết trình khuyếch tán trình di chuyển phân tử hay nhiều chất pha đến điểm khác pha hay pha khác Sự di chuyển phân tử do: - Chuyển động nhiệt phân tử gọi phương thức khuyếch tán phân tử - Tác động tia dao động xoáy điểm thân pha gọi phương thức khuyếch tán xoáy - Tác động tia dao động xoáy điểm thân pha gọi phương thức khuyếch tán xoáy - Sự đối lưu vật chất thân pha gọi phương thức khuyếch tán đối lưu • Khuyếch tán phân tử: phương thức khuyếch tán phân tử xảy chậm trình dịch chuyển xảy liên tục dẫn đến phân tử khuyếch tán vào lòng phân tử khác hướng chủ đạo trình theo chiều giảm nồng độ Bản chất khuyếch tán phân tử khí lỏng nhau, nhiên khuyếch tán phân tử chất lỏng xảy chậm nhiều so với chất khí Dkhí = (103  104) Dlỏng dG dC - vận tốc khuyếch tán:  D dFd dx - lượng vật chất khuyếch tán: hệ số khuyếch tán D: G  DF dC  dx    kg.m   m   D   kg     m2 h   h  m   Ý nghĩa hệ số khuyếch tán: - Hệ số khuyếch tán lượng chất qua đơn vị bề mặt đơn vị thời gian nồng độ vật chất giảm đơn vị đơn vị chiều dài theo hướng khuyếch tán - Hệ số khuyếch tán số vật lí đặc trưng cho khả xâm nhập chất xét vào mơi trường Vì khơng phụ thuộc vào điều kiện thủy động trình - Hệ số khuyếch tán phụ thuộc vào chất chất xét, vào áp suất, nhiệt độ xác định công thức thực nghiệm Thơng thường chất khí D tăng nhiệt độ tăng áp suất giảm; chất lỏng D không phụ thuộc nhiều vào áp suất Hệ số khuyếch tán khí khí: D 1,55.10  T   P V A3  VB3    1  MA MB Nếu biết hệ số khuyếch tán D0 khí A T0 P0 ta xác định hệ số khuyếch tán D khí nhiệt độ T áp suất P theo công thức sau: P  T 2 D D0   P  T0  Hệ số khuyếch tán khí lỏng: D20  đó: 0,00360 1  MA MB  13   ab   V A  VB3    a,b: hệ số hiệu chỉnh khí dung mơi (cho sổ tay); Đối với chất khí khuyếch tán thường a = : độ nhớt dung môi, cP Ở nhiệt độ t khác 20 0C, hệ số khuyếch tán D tính theo công thức sau: Dt D20  1   (t  20) Với  hệ số nhiệt độ và: •  0,2   Khuyếch tán đối lưu: Là phương thức khuyếch tán đối lưu vật chất thân pha Loại khuyếch tán có vận tốc lớn nhiều lần so với vận tốc khuyếch tán phân tử phụ thuộc vào chế độ chảy dòng pha Chuyển động đối lưu thu nhờ trình học khuấy trộn, tạo chênh lệch áp suất dòng chảy hay tác dụng lực trọng trường Xu hướng chung cố gắng tạo nên chế độ chảy xoáy để tăng trình đối lưu, giảm chiều dày lớp màng tức tăng cường phương thức khuyếch tán đối lưu so với phương thức khuyếch tán phân tử - Phương trình khuyếch tán mơi trường chuyển động, hay phương trình dòng khuyếch tán C C    2C  2C  2C   C  wy  wz D     wx y z  y z   x  x 1.5 CÂN BẰNG VẬT LIỆU & ĐỘNG LỰC CỦA QUÁ TRÌNH: • Phương trình cân vật liệu thiết bị truyền chất Xét trường hợp nồng độ pha y giảm từ Yđ đến Yc pha x tăng từ Xđ đến Xc Hình 1.1 Phân bố nồng độ thiết bị - Xét cho nguyên tố bề mặt dF, phương trình cân vật liệu có dạng: Gx dX  G y dY - Trên toàn bề mặt F: Gx ( X c  X d ) G y (Yd  Yc ) - Xét tiết diện có nồng độ X, Y: Gx ( X  X d ) G y (Y  Yc ) Hay: Y Gx G X  Yc  x X d Gy Gy Trong trường hợp cụ thể đại lượng Gx, Gy, Xđ, Yc cho trước khơng đổi, phương trình có dạng đường thẳng Y  AX  B gọi phương trình đường nồng độ làm việc • Động lực trình truyền chất Hiệu số nồng độ làm việc nồng độ cân gọi động lực truyền chất Động lực tính theo nồng độ pha y hay nồng độ pha x y  y *  y hay y  y  y * x  x *  x hay x  x  x * - Lượng vật liệu khô tuyệt đối: 100  W1 100  W2 G2 100 100 Suy lượng vật liệu ẩm trước vào máy sấy: 100  W2 G1 G2 100  W1 Lượng vật liệu khỏi máy sấy: Gk G1 - G2 G1 - 100  W1 100  W2 Lượng ẩm W bay trình sấy: W = G1 – G2 100  W1 W  W2 W G1  G1 G1 100 - W2 100  W2 Suy ra: W1  W2 100  W1 Cân vật liệu cho khơng khí sấy: W G2 Hay: Với mục đích tìm lượng khơng khí khơ tiêu tốn trình sấy L (kg/h) Coi lượng khơng khí tiêu tốn khơng bị mát q trình sấy Khi trình làm việc ổn định, lượng khơng khí khơ L vào máy sấy mang theo lượng ẩm (L.x1) Kết thúc trình sấy, từ vật liệu ẩm bốc lượng ẩm (W), dẫn đến lượng ẩm chứa khơng khí khơ sau q trình sấy (L.x2) Trên sở ta có phương trình cân vật liệu theo lượng ẩm: L.x1 + W = L.x2 L suy ra: W x  x1 (kgkkk / h) Vậy tính lượng khơng khí khơ cần thiết để bốc kg ẩm khỏi vật liệu gọi lượng khơng khí khơ tiêu tốn riêng (l): l L  W x  x1 (kgkkk/kg am bay hoi) Khi qua calorife sưởi khơng khí thay đổi nhiệt độ mà khơng thay đổi hàm ẩm, nghĩa x1 = x0 Do ta có: l 1  x  x1 x2  x0 7.5 CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG Hình 7.5 Sơ đồ ngun tắc máy sấy khơng khí làm việc liên tục Trong trình sấy tác nhân sấy qua máy sấy lần Dựa vào sơ đồ ta có: LI0+G2Cvltvl1+WCntvl1+GvcCvctvc1+Qs+Qbs=LI2+G2Cvltvl2+ GvcCvctvc2+Qm đó: G1Cvltvl1 = G2Cvltvl1 + WCntvl1 suy nhiệt lượng tiêu hao chung cho trình sấy Q: Q= Qs+ Qbs= L(I2-I0)+ G2Cvl(tvl2 - tvl1)+ GvcCvc(tvc2 - tvc1)+ Qm- WCntvl1 Đặt: Qvl = G2Cvl(tvl2 - tvl1): nhiệt lượng đun nóng vật liệu sấy Qvc = GvcCvc(tvc2 - tvc1): nhiệt đun nóng phận vận chuyển Chia hai vế cho phương trình cho W ta biểu thức tính lượng nhiệt tiêu hao riêng để bay 1kg ẩm vật liệu Kí hiệu: q: nhiệt lượng tiêu hao riêng cho máy sấy (J/kg ẩm) qs: nhiệt tiêu hao riêng calorifer sưởi (J/kg ẩm) qbs: nhiệt tiêu hao riêng calorifer bổ sung (J/kg ẩm) Q L G C (t - t ) G C (t - t ) Q q   (I2 - I )  vl vl2 vl1  vc vc vc2 vc1  m - C n t vl1 W W W W W q qs  qbs l (I - I )  q vl  q vc  qm - C n t vl1 Đặt: qvl  qvc  qm  q tổng nhiệt lượng tổn thất chung q qs  qbs l (I - I )   q - C n t vl1 Vậy: Suy nhiệt lượng tiêu hao chung calorifer chính: qs l (I - I )   q - C n t vl1  qbs  qbs  tvl1Cn  Nếu đặt:  qbs  tvl1Cn  thì: qs l (I - I ) -  hay: l (I - I ) qs   q q ý nghĩa đại lượng  : đại lượng  tổng nhiệt lượng bổ sung chung trừ tổng nhiệt lượng tổn thất chung Do đó, người ta gọi  lượng nhiệt bổ sung thực tế 7.6 SẤY LÝ THUYẾT VÀ SẤY THỰC TẾ  Sấy lý thuyết Theo Tudose sấy lí thuyết cần điều kiện nhiệt lượng nhiệt tổn thất chung bù lại hoàn toàn nhiệt lượng nước vật liệu ẩm mang vào nhiệt lượng calorifer bổ sung cung cấp qbs  tvl1Cn  q   0 Tức là: Khi phương trình: qs l (I - I ) -  l ( I  I ) Mặc khác qua calorifer sưởi khơng khí đun nóng từ nhiệt độ t0 đến t1 Do nhiệt lượng riêng khơng khí tăng từ I0 đến I1 Vậy, nhiệt lượng tiêu tốn chung calorifer qs tính theo phương trình qs l (I1 - I ) sau: l (I - I ) l ( I1  I ) Suy ra: I  I1 Hay: Vậy sấy lí thuyết nhiệt lượng riêng khơng khí khơng thay đổi suốt q trình sấy (I = const: đẳng I) Hay nói cách khác q trình sấy lí thuyết, phần nhiệt lượng khơng khí có bị để làm bốc nước vật liệu lượng nhiệt hồn tồn quay trở khơng khí, I khơng đổi Đường gấp khúc ABC đường biểu diễn q trình sấy lí thuyết - Lượng khơng khí khơ tiêu tốn riêng: 1 l   x  x1 x2  x0 CD.m x - Lượng nhiệt tiêu tốn riêng calorifer sưởi: I  I I  I qs   x  x0 x2  x1 m AB AB qs  M mx CD CD Hình 7.6 Biểu diễn trình sấy máy sấy lý thuyết Sấy thực tế: Trong sấy thực tế, lượng nhiệt bổ sung chung ( qbs  tvl1Cn ) lượng nhiệt tổn thất chung( q 0 ) không nhau, nghĩa Trong thực tế có trường hợp xảy ra:  Lượng nhiệt bổ sung chung lớn lượng nhiệt tổn thất chung: qbs  tvl1Cn   q    Từ phương trình: qs l (I - I ) -  qs l (I1 - I ) Và phương trình: Ta có:  l (I - I1 )   I  I1 Vậy trình sấy tiến hành với việc tăng enthanpi khơng khí thân phịng sấy  Lượng nhiệt bổ sung chung nhỏ lượng nhiệt tổn thất chung: qbs  tvl1Cn   q    Từ phương trình: qs l (I - I ) -  Và phương trình: qs l (I1 - I ) Ta có:  l (I - I1 )   I  I1 Vậy trình sấy tiến hành với việc giảm enthanpi khơng khí thân phịng sấy Đối với loại máy sấy khơng khí thường xảy trường hợp I20  Wcb) Thời gian sấy hai giai đoạn là:  W  W2       (W1  Wth1 )  (Wth1  Wcb ) ln th1  N W2  Wcb  7.9 CẤU TẠO CỦA MÁY SẤY ... trình truyền chất thiết bị, động lực truyền chất biểu diễn đồ thị (hình 1.2) Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn động lực trình truyền chất 1.6 PHƯƠNG TRÌNH TRUYỀN CHẤT VÀ ĐỘNG LỰC TRUNG BÌNH • Phương trình. .. dùng sản xuất: - Thiết bị loại bề mặt - Thiết bị loại màng - Thiết bị loại phun -Thiết bị loại đệm (tháp đệm) - Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa) 2.4 CÁC QUÁ TRÌNH HẤP THỤ TÁCH CHẤT QUAN TRỌNG KỸ... l xn 1.7 PHƯƠNG PHÁP TÍNH ĐƯỜNG KÍNH VÀ CHIỀU CAO THIẾT BỊ TRUYỀN CHẤT • Tính đường kính thiết bị: Đối với thiết bị có tiết diện trịn, đường kính thiết bị tính theo cơng thức sau: D Trong đó: