QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI - Chương 1 - phần 2 pptx

1 Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hoá học III QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá 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 Biểu diễn nồng độ hệ hai pha (ví dụ: pha lỏng và pha khí) Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối •  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. Bề mặt phân pha Màng Nhân Nhân 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối –  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. Bề mặt phân pha Màng Nhân Nhân 3 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Khuếch tán phân tử Định luật Fick I dG Fd τ = −D dc dx Bề mặt vuông góc với hướng khuếch tán Hệ số khuếch tán Thời gian Vận tốc khuếch tán tỉ lệ với gradient nồng độ 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Hệ số khuếch tán D = 1,55.10 −3 T 3 2 P V A 1 3 +V B 1 3 " # $ % & ' 2 1 M A + 1 M B , m 2 h Áp suất chung của khí Khối lượng mol, kg/kmol Thể tích mol, cm 3 /mol Hệ số khuếch tán là lượng vật chất đi qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian khi nồng độ vật chất giảm một đơn vị trên một đơn vị chiều dài theo hướng khuếch tán (m 2 /s) Hệ số khuếch tán của khí trong khí 4 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Hệ số khuếch tán D 20 = 0,00360 ab µ V A 1 3 +V B 1 3 ! " # $ % & 2 1 M A + 1 M B , m 2 h Hệ số điều chỉnh của khí và của dung môi Hệ số khuếch tán của khí trong lỏng 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Khuếch tán đối lưu Vật chất khuếch tán trong môi trường chuyển động: nhờ khuếch tán phân tử và nhờ sự chuyển động của các pha Lượng vật chất đi qua các bề mặt thể tích của dV trong khoảng thời gian dt theo định luật khuếch tán: G x +dG x G z x z y G z +dG z G x Gy +dG y G y G x+ dx = G x + dG x = −D ∂c ∂x dydzd τ − D ∂ ∂x ∂c ∂x # $ % & ' ( dxdydzd τ Lượng vật chất còn lại trong dV: dG x = G x − G x+dx = D ∂ 2 c ∂x 2 dxdydzd τ Định luật Fick II 5 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Khuếch tán đối lưu Tương tự với các trục Oz và Oy: G x +dG x G z x z y G z +dG z G x Gy +dG y G y dG y = G y − G y+dy = D ∂ 2 c ∂y 2 dxdydzd τ dG z = G z − G z+dz = D ∂ 2 c ∂z 2 dxdydzd τ Với toàn bộ thể tích dV: dG = dG x + dG y + dG z = D ∂ 2 c ∂x 2 + ∂ 2 c ∂y 2 + ∂ 2 c ∂z 2 " # $ % & ' dxdydzd τ 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Khuếch tán đối lưu Lượng vật chất đi qua các bề mặt dydz của dV trong khoảng thời gian dt với vận tốc W nhờ sự chuyển động của dòng: G x +dG x G z x z y G z +dG z G x Gy +dG y G y G x+dx = G x + dG x = W x c ∂c ∂x dydzd τ − ∂(W x c) ∂x dxdydzd τ Lượng vật chất còn lại trong dV: dG x = ∂W x c ∂x dxdydzd τ 6 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Khuếch tán đối lưu G x +dG x G z x z y G z +dG z G x Gy +dG y G y Tương tự với Oy và Oz: dG y = ∂W y c ∂y dxdydzd τ dG z = ∂W z c ∂z dxdydzd τ Với toàn bộ thể tích nguyên tố dV: ∂W x ∂x + ∂W y ∂y + ∂W z ∂z = 0 dG = dG x + dG y + dG z = c∂W x ∂x + c∂W y ∂y + c∂W z ∂z ! " # $ % & dxdydzd τ + W x ∂c ∂x +W y ∂c ∂y +W z ∂c ∂z ! " # $ % & dxdydzd τ Theo phương trình dòng liên tục và ổn định: 8. Các định luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Khuếch tán đối lưu dG = W x ∂c ∂x +W y ∂c ∂y +W z ∂c ∂z ! " # $ % & dxdydzd τ Lượng vật chất tính theo 2 phương pháp phải bằng nhau: dG = D ∂ 2 c ∂x 2 + ∂ 2 c ∂y 2 + ∂ 2 c ∂z 2 " # $ % & ' = W x ∂c ∂x +W y ∂c ∂y +W z ∂c ∂z " # $ % & ' Phươn trình khuếch tán trong môi trường chuyển động 7 8. Động lực khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối •  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 : Δx = 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. 9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Sơ đồ quá trình chuyển khối y x y* x* y bg x bg Vận tốc quá trình = Động lực Trở lực Quá trình chuyển vật chất từ pha Φ y vào pha Φx : -  nồng độ y, x ở giữa dòng coi như không đổi -  trong lớp màng Φy nồng độ giảm từ y đến y bg (nồng độ biên giới) -  trong lớp màng Φx nồng độ giảm từ x bg (nồng độ biên giới) đến x. -  Gọi R y là trở lực trong pha Φy và R x là trở lực trong pha Φx Vận tốc khuyếch tán của chất phân bố qua màng Φy: dG dFd τ = y − y bg R y 8 9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Sơ đồ quá trình chuyển khối y x y* x* y bg x bg Vận tốc của chất phân bố qua màng Φx: dG dFd τ = x bg − x R x β x = 1 R x β y = 1 R y Hệ số cấp chất trong pha x và y Lượng vật chất chuyển qua màng Φy trong thời gian τ là: Lượng vật chất chuyển qua màng Φx trong thời gian τ là: dG = β y τ dF (y bg -y) dG = β x τ dF (x bg -x) 9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Sơ đồ quá trình chuyển khối y x y* x* y bg x bg Hệ số cấp chất Hệ số cấp chất là lượng vật chất chuyển qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian khi hiệu số nồng độ là một đơn vị. Hệ số cấp chất là một đại lượng phức tạp. Nó phụ thuộc vào tính chất vật lý của các pha (hệ số khuyếch tán, độ nhớt, khối lượng riêng), nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, kích thước hình học đặc trưng và cấu tạo của thiết bị truyền chất. 9 9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Sơ đồ quá trình chuyển khối y x y* x* y bg x bg Phương trình chuyển khối Theo định luật phân bố vật chất y = mx ta có : x bg = y bg m ; x = y * m dG = β x τ dF y bg − y * ( ) 1 m dG β y = τ dF y − y bg ( ) mdG β x = τ dF y bg − y * ( ) dG 1 β y + m β x ! " # # $ % & & = τ dF y − y * ( ) dG = k y τ dFΔy Hệ số chuyển khối Động lực của quá trình 9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Sơ đồ quá trình chuyển khối y x y* x* y bg x bg Phương trình chuyển khối Với toàn bộ bề mặt tiếp xúc pha F: G = k y τ FΔy tb Động lực trung bình của quá trình Tương tự: G = k x τ FΔx tb k x = 1 1 β x + 1 m β y Hệ số chuyển khối khi tính theo nồng độ pha x k y ≈ β y Cấu tử phân bố dễ hoà tan: Cấu tử phân bố khó hoà tan: k x ≈ β x 10 9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Xác định động lực trung bình Với toàn bộ bề mặt tiếp xúc pha F: Động lực trung bình thay đổi từ đầu đến cuối thiết bị vì thế trong khi tính toán ta phải dùng động lực trung bình. Khi đường cân bằng là đường cong ta dùng động lực trung bình tích phân. Khi đường cân bằng là đường thẳng ta dùng động lực trung bình lôgarit. Động lực trung bình tích phân. Để xác định động lực trung bình tích phân ta dùng phương trình truyền chất cơ bản ở dạng vi phân. Ví dụ để xác định Δy tb : dG = k y τ dF (y - y * ) dF = dG k y τ (y − y cb ) Mặt khác lượng vật chất dG có thể xác định theo phương trình bằng vật liệu: dG =-G y dy dF = − G y dy τ K y y − y * ( ) 9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Xác định động lực trung bình Với toàn bộ bề mặt tiếp xúc pha F: Lấy tích phân F = − G y τ k y dy y − y * y d y c ∫ = G y τ k y S S: xác định bằng phương pháp đồ thị Thay: G y = G y d − y c Có: F = G τ K y S y d − y c G = K y τ F y d − y c S Δy tb = y d − y c S Δy tb = y d − y c dy y − y* y c y d ∫ Tương tự: Δx tb = x c − x d dx x * −x x d x c ∫ Đây là trường hợp vật chất khuếch tán từ pha Φy vào pha Φx, nghĩa là trường hợp nồng độ cấu tử phân bố trong pha Φy giảm và trong pha Φx tăng. Đối với trường hợp ngược lại là khi vật chất khuếch tán từ pha Φx vào pha Φy, trong công thức động lực trung bình tích phân cần thay đổi vị trí của các đại lượng nồng độ trong công thức cho nhau. [...].. .Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 8 Động lực khuếch tán Sơ đồ biểu diễn động lực của quá trình chuyển khối 11 . 1 Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hoá học III QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Giảng viên:. luật khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Hệ số khuếch tán D = 1, 55 .10 −3 T 3 2 P V A 1 3 +V B 1 3 " # $ % & ' 2 1 M A + 1 M B , m 2 h Áp suất chung. 9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Sơ đồ quá trình chuyển khối y x y* x* y bg x bg Phương trình chuyển khối Với