QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI - Chương 1 - phần 1 doc

Định nghĩa và phân loại Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối • Phân loại các quá trình truyền chất: – Chưng : là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử

Trang 1

Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hoá học III

QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI

trình chuyển khối

Giảng viên: Nguyễn Minh Tân

Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nguyen.minhtan@gmail.com

1 Định nghĩa và phân loại

•  Định nghĩa: Quá trình di chuyển vật chất từ vị trí này sang vị

trí khác trong 1 pha hoặc từ pha này sang pha kia, khi có sự

tiếp xúc trực tiếp giữa hai pha gọi là quá trình truyền chất,

hoặc chuyển khối hoặc khuếch tán

Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối

Trang 2

•  Phân loại các quá trình truyền chất:

– Hấp thụ : là quá trình hút khí hoặc hơi bằng chất lỏng Vật

chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng

•  Phân loại các quá trình truyền chất:

– Chưng : là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu

tử riêng biệt Vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và

ngược lại

Trang 3

– Trao đổi ion : tách các ion trong pha lỏng hoặc khí nhờ trao

đổi các nhóm ion linh động với chất trao đổi ion (thường là

pha rắn)

– Sấy: là quá trình tách nước ra khỏi vật liệu ẩm, vật chất

(hơi nước) đi từ pha rắn vào pha khí

Trang 4

– Hoà tan: vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng

– Kết tinh : vật chất di chuyển từ pha lỏngvào pha rắn

Thành phần của cấu tử trong pha được biểu diễn theo các

đơn vị:

phần khối lượng, phần mol, phần thể tích, áp suất riêng phần,

phần khối lượng tương đối và phần mol tương đối

Mỗi pha có thể gồm nhiều cấu tử Ký hiệu pha:

–  ΦX - pha lỏng khi chưng luyện, hấp thụ, pha phân tán khi

trích ly, pha rắn khi hấp phụ

–  Φy - pha hơi khi chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, pha liên

tục khi trích ly

2 Biểu diễn thành phần pha

Trang 5

Thống nhất các ký hiệu biểu diễn thành phần:

•  Gy - Khối lượng pha Φy, kg

•  Gx - Khối lượng pha Φx, kg

•  ny – Số mol của pha Φy

•  nx - Số mol của pha Φx

•  gk - Khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx, kg

•  g’k - Khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φy, kg

•  nk - Số mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx

•  n’k - Số mol củamột cấu tử bất kỳ trong pha Φy

•  ak – Nồng độ phần % khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx

•  a’k - Nồng độ phần % khối lượngcủa một cấu tử bất kỳ trong pha Φy

•  – Nồng độ phần khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx

•  - Nồng độ phần khối lượngcủa một cấu tử bất kỳ trong pha Φy

•  xk – Nồng độ phần mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx

•  yk - Nồng độ phần mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φy

xk

yk

Trang 6

•  - Nồng độ phần khối lượng tương đối của một cấu tử bất kỳ trong

pha Φx, kg/kg

•  - Nồng độ phần khối lượng tương đối của một cấu tử bất kỳ trong

pha Φy, kg/kg

•  Xk – Nồng độ phần mol tương đối của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx,

kmol/kmol

•  Yk - Nồng độ phần mol tương đối của một cấu tử bất kỳ trong pha Φy,

kmol/kmol

•  vk – phần thể tích của cấu tử bất kỳ

Xk

Yk

Phần khối lượng

xk = gk

Gx yk = g'k

Gy

Phần trăm khối lượng ak = xk ⋅100%

Phần mol

xk = nk

nx yk =

n'k

ny

Trang 7

Phần khối lượng

tương đối

Xk = gk

Gx − gk

Xk = nk

nx − nk

Yk = g'k

Gy − g'k

Phần mol tương

đối

Yk = n'k

ny − n'k

Phần thể tích

vk = Vk

V

Đối với hỗn hợp khí, phần thể tích bằng phần mol

Thể tích của cấu tử bất kỳ

Thể tích của pha

vk = pk

P

Áp suất riêng phần của cấu

tử bất kỳ trong hỗn hợp

Áp suất chung của hỗn hợp

Trang 8

3 Cân bằng pha

Khái niệm cân bằng pha

•  Giả sử có 2 pha ΦX và Φy tiếp xúc với nhau

•  M là cấu tử phân bố, có nồng độ ban đầu yM, và xM = 0

•  Khi có tiếp xúc pha, cấu tử M di chuyển từ pha khí y vào pha

lỏng x, và ngược lại, nhưng với các vận tốc khác nhau

•  Quá trình được thực hiện cho đến khi vận tốc chiều thuận và

chiều nghịch bằng nhau Khi đó, nồng độ cấu tử M trong pha

ΦX đạt cân bằng

Định nghĩa: Nồng độ cân bằng là nồng độ lớn nhất của cấu

tử M mà pha Φ X có thể chứa được tại một điều kiện nhất

định

Liên hệ giữa nồng độ cân bằng x*M và yM: Φy Φx

x*M = f(yM) Trong các trường hợp chung: yM x*M

x* = f(x) x* = f(y) Nếu y < x* thì vật chất di chuyển từ ΦX sang Φy

Nếu y > x* thì vật chất di chuyển từ Φy sang Φx

3 Cân bằng pha

Trang 9

•  Sự tồn tại của một pha hay sự cân bằng pha trong hệ thống

chỉ thực hiện được ở các điều kiện xác định

•  Nếu thay đổi các điều kiện đó, cân bằng sẽ bị phá huỷ, nghĩa

là thay đổi số pha trong hệ

•  Quy tắc pha sẽ cho biết có thể thay đổi bao nhiêu yếu tố mà

không phá vỡ cân bằng của một hệ nhất định

4 Qui tắc pha Gibbs

Phương trình chung của quy tắc pha:

C = k – Φ + n

C - số bậc tự do

k - số cấu tử độc lập của hệ

Φ - số pha của hệ

n - số yếu tố độc lập bên ngoài ảnh hưởng lên cân bằng

của hệ

Đối với các quá trình chuyển khối, các yếu tố ảnh hưởng đến

cân bằng pha là nhiệt độ và áp suất:

C = k – Φ + 2

Trang 10

Hệ một cấu tử

•  Nếu hệ tồn tại cả 3 pha rắn,lỏng, hơi, số bậc tự do được xác định:

C = 1 – 3 + 2 = 0 –  Nghĩa là hệ này chỉ tồn tại tại một giá trị nhất định của áp suất

và nhiệt độ

•  Nếu hệ có hai pha lỏng – hơi bão hoà:

C = 1 – 2 + 2 = 1 –  Có thể thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất của hệ mà cân bằng của

hệ không bị phá vỡ

–  Khi thay đổi nhiệt độ, áp suất của hệ sẽ thay đổi tương ứng

–  Có thể lập được một đường

cong phụ thuộc giữa áp suất

hơi bão hoà và nhiệt độ của

mỗi một chất lỏng

–  Các số liệu về áp suất và nhiệt

độ của các chất lỏng thường

là các số liệu thực nghiệm và

thường có sẵn trong các tài

liệu chuyên môn

–  Hoặc có thể xác định từ lý

thuyết

đường sôi hơi

lỏng

áp suất hơi

nhiệt độ sôi

P

t

Sự phụ thuộc áp suất và nhiệt độ của

hơi nước bão hoà

Hệ một cấu tử

Trang 11

–  Có thể lập được một đường

cong phụ thuộc giữa áp suất

hơi bão hoà và nhiệt độ của

mỗi một chất lỏng

–  Các số liệu về áp suất và nhiệt

độ của các chất lỏng thường

là các số liệu thực nghiệm và

thường có sẵn trong các tài

liệu chuyên môn

–  Hoặc có thể xác định từ lý

thuyết Sự phụ thuộc áp suất và nhiệt độ của hệ một cấu tử

4 Qui tắc pha Gibbs Hệ một cấu tử

Hệ hai cấu tử có hai pha:

C = 2 – 2 + 2 = 2

•  Hệ bậc 2, có thể thay đổi đồng thời cả áp suất và nhiệt độ

mà số pha trong hệ không thay đổi

•  Tuy nhiên với các hệ hai hay nhiều cấu tử, thành phần pha

cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng pha

•  Khi áp suất không đổi thì một thành phần pha sẽ ứng với

một nhiệt độ nhất định và tương tự, khi nhiệt độ không

đổi thì thành phần pha sẽ ứng với một áp suất nhất định

Trang 12

Hệ hai cấu tử có hai pha:

C = 2 – 2 + 2 = 2 Cân bằng lỏng – hơi hệ 2 cấu tử

5 Các định luật cân bằng pha

Áp suất riêng phần p của hơi trên chất lỏng tỷ lệ với nồng

độ phần mol của nó trong dung dịch:

pi = Ψ.xi

Ψ - là hệ số Henry, phụ thuộc vào tính chất của khí, lỏng và

nhiệt độ

Nhiệt độ tăng thì Ψ tăng Với khí lý tưởng, quan hệ trên là

đường thẳng Với khí thực, Ψ phụ thuộc vào nồng độ và quan hệ

này là đường cong, khi nồng độ x nhỏ, quan hệ trên là đường

thẳng

Định luật Henry

Trang 13

25

•  Mặt khác, áp suất riêng phần có thể xác định:

pi = y*i P

–  y*i - là nồng độ cân bằng của cấu tử i trong pha hơi

–  P - áp suất chung của hỗn hợp

•  Kết hợp hai phương trình trên, có phương trình

đường cân bằng:

y*i = Ψ/P xi y*i = m xi

–  m - hằng số cân bằng

•  Đối với dung dịch lý tưởng,

đường cân bằng là đường

thẳng

•  Trong trường hợp chung,

đường cân bằng là đường

cong

•  Định luật Henry chỉ đúng đối

với chất khí nên thường

được sử dụng trong tính toán

quá trình hấp thụ

y

x

y* = f(x)

y* = m.x

Đường cân bằng của hệ khí - lỏng

Trang 14

Định luật Raoult

•  Áp suất hơi riêng phần của cấu tử i trong dung dịch (ở

cùng nhiệt độ) bằng áp suất hơi bão hoà của cấu tử đó

nhân với nồng độ phần mol của nó trong dung dịch

pi = pbh

i xi

•  Mặt khác, áp suất riêng phần còn được xác định:

pi = y*i P nên ta có: y*i = pbh

i/P xi

–  P – áp suất chung của hệ, với hệ 2 cấu tử:

P = p1 + p2 = pbh

i.x + pbh

2.(1 - x)

28

•  Thay vào phương trình Raoult, có phương trình đường cân

bằng:

•  Với α = pbh

1/pbh

2 :

–  Phương trình này chỉ đúng với dung dịch lý tưởng Với các

dung dịch thực, các số liệu cân bằng thường được xác định

bằng thực nghiệm

–  Định luật Raoult thường được sử dụng để tính toán cho quá

trình chưng luyện

) 1 (

y

2 1

1

*

x p

bh bh

bh

− +

=

) 1 (

1

.

y*

− +

=

α

x x

Trang 15

29

Dung dịch lý tưởng:

-  Là dung dịch mà trong đó lực liên kết giữa các phân tử cùng loại

và lực liên kết giữa các phân tử khác loại bằng nhau

- Khi đó các cấu tử hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào cân

bằng lỏng-hơi hoàn toàn tuân theo định luật Raout;

Dung dịch thực

-  Là những dung dịch hoàn toàn không tuân theo định luật Raout;

-  Sự sai lệch với định luật Raout là dương nếu lực liên kết giữa các

phân tử khác loại < lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;

-  Sự sai lệch với định luật Raout là âm nếu lực liên kết giữa các phân tử

khác loại

  lực liên kết giữa các phân tử cùng loại;

- Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại << lực liên kết giữa

các phân tử cùng loại → dung dịch sẽ phân lớp

Quan hệ giữa áp suất và 2

thành phần của dung dịch 2 cấu tử 1

1 Tuân theo định luật Raout; 3

2 Sai lệch dương

3 Sai lệch âm

Trang 16

31

Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y t

0 xM yM 1

⇒ Biểu đồ này ít sử dụng vì trong thực tế P rất ít thay đổi

32

Giản đồ đẳng áp T-x-y

Trang 17

33

•  Khi hai pha chuyển động tiếp xúc nhau, do ma sát, trên bề mặt

phân chia pha tạo thành hai lớp màng

•  Chế độ chuyển động ở màng và trong nhân của dòng khác nhau

–  Ở trong màng luôn luôn có chế độ dòng Quá trình di chuyển

vật chất là quá trình khuếch tán phân tử

–  Ở giữa dòng có thể có chuyển động xoáy Quá trình di chuyển

vật chất là quá trình khuếch tán đối lưu

–  Vận tốc khuếch tán trong màng rất nhỏ so với vận tốc khuếch

tán trong nhân Vận tốc quá trình phụ thuộc vào vận tốc trong

màng

6 Các định luật khuyếch tán

Phương trình cân bằng vật liệu

•  Nồng độ thực tế của các pha gọi là nồng độ làm việc

•  Quá trình truyền chất được thực hiện khi hai pha chuyển

động ngược chiều và tiếp xúc trực tiếp với nhau

7 Cân bằng vật liệu và động lực của quá trình

Trang 18

35

Phân bố nồng độ trong thiết bị

X,

Xđ dF

F

dX

dY

Yđ

Yc

Xc

Xđ

dF

X Y

7 Cân bằng vật liệu và động lực của quá trình

36

•  Xét một nguyên tố bề mặt dF, phương trình cân bằng vật

liệu có dạng:

Gx dX = -Gy dY

•  Cho toàn bộ bề mặt F, phương trình có dạng:

Gx (Xc – Xđ) = -Gy (Yđ – Yc)

•  Tại một tiết diện bất kỳ, có phương trình đường nồng độ

làm việc: Gx (X – Xđ) = -Gy (Y – Yc)

Y = Gx/Gy X + Yc – Gx/Gy Xđ

•  Trong mỗi trường hợp cụ thể, các đại lượng Gx, Gy, Xđ,

Yc đều cho trước và không đổi, vì vậy phương trình trên

có dạng đường thẳng

Trang 19

37

•  Quá trình khuếch tán xảy ra tự nhiên khi nồng độ làm việc và

nồng độ cân bằng của cấu tử phân bố trong mỗi pha là khác nhau

•  Động lực khuếch tán (động lực truyền chất) là hiệu số giữa nồng

độ làm việc và nồng độ cân bằng

•  Tính theo pha Φy : Δy = y* - y hay Δy = y – y*

•  Tính theo pha Φx : Δy = x* - x hay Δx = x – x*

•  Động lực của quá trình thay đổi từ đầu đến cuối quá trình Khi tính

toán sử dụng động lực trung bình

•  Chất phân tán sẽ đi vào pha có nồng độ nhỏ hơn nồng độ cân

bằng

7 Động lực khuếch tán

Định dạng
Số trang	19
Dung lượng	4,72 MB