Microsoft Word 2 Chuong 1 Phan 2 doc Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường DuMyLe Khoa Môi trường, ĐHBK Tp HCM 1 1 6 ĐỘNG HỌC TRUYỀN KHỐI Muïc tieâu khaûo saùt caù[.]
Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật môi trường 1.6 ĐỘNG HỌC TRUYỀN KHỐI Mục tiêu: khảo sát quy luật chuyển động xác định vận tốc truyền khối Quá trình truyền khối xảy cân pha bị phá vỡ, cấu tử dịch chuyển pha từ pha vào pha khác đạt trạng thái cân Cân pha bị có chênh lệch nồng độ, nhiệt độ có chuyển động tự nhiên hay cưỡng dòng 1.6.1 Vận tốc truyền khối Vận tốc truyền khối khối lượng cấu tử phân tán qua đơn vị diện tích theo đơn vị thời gian theo hướng lan truyền vật chất u= dM , kg/m2.s dF dτ Vận tốc truyền khối phụ thuộc vào trạng thái pha ( chuyển động đứng yên) Đối với môi trường đứng yên, vận tốc truyền khối xác định khuếch tán phân tử Đối với môi trường chuyển động, vận tốc truyền khối xác định khuếch tán phân tử khuếch tán đối lưu 1.6.2 Khuếch tán phân tử 1.6.2.1 Định luật Fick thứ Vận tốc khuếch tán phân tử u= dM dC = − D F dτ dn Trong : D : hệ số khuếch tán phân tử dC : gradient nồng độ đặc trưng cho biến đổi nồng độ theo hướng khuếch tán, dn động lực trình truyền khối Phương trình vận chuyển vật chất (Định luật Fick thứ 1): M = − D.F τ dC dn Khối lượng vật chất qua bề mặt tiếp xúc pha khoảng thời gian tỷ lệ với thay đổi nồng độ cấu tử theo chiều dày tiếp xúc pha M= D.F ΔC.τ δ DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Trong đó: M: khối lượng vật chất qua bề mặt tiếp xúc pha, kg F: diện tích bề mặt tiếp xúc pha, m2 ΔC: biến thiên nồng độ cấu tử, kg/m3 τ: thời gian, s δ: chiều dày tiếp xúc pha, m D: hệ số khuếch tán phân tử, m2/s Khuếch tán phân tử xảy chậm pha lỏng rắn 1.6.2.2 Hệ số khuếch tán phân tử Hệ số khuếch tán phân tử đặc trưng cho lượng vật chất thẩm thấu qua đơn vị bề mặt đơn vị thời gian gradient nồng độ Hệ số khuếch tán phân tử phụ thuộc vào tính chất môi trường vật chất ( cấu tử phân phối), nhiệt độ áp suất Giá trị D tra từ tài liệu tính theo công thức thực nghiệm Đối với chất khí: Dk = 4,3.10 −7 T / ( P v 1A/ + v 1B/ ) 1 + MA MB Trong đó: Dk: hệ số khuếch tán phân tử pha khí, m2/s T: nhiệt độ, oK P: áp suất, kg/cm2 MPa MA, MB: khối lượng mol tương ứng khí A khí B, kg/mol vA, vB: thể tích mol khí A B, xác định tổng thể tích nguyên tử nguyên tố có thành phần khí P ⎛T ⎞ Dk2 = Dk1 ⎜ ⎟ P2 ⎝ T1 ⎠ Với: D1, D2: hệ số khuếch tán phân tử tương ứng với nhiệt độ T1, T2 áp suất P1, P2 Đối với chất lỏng: 1.10−6 Dt = 1 AB μ (v A3 + vB3 ) 1 + MA MB Trong đó: DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Dl: hệ số khuếch tán pha lỏng, m2/s μ: độ nhớt động lực chất lỏng, mPa.s vA vB: thể tích mol chất tan dung môi, … MA, MB: khối lượng mol chất tan dung môi, kg/mol A, B: hệ số phụ thuộc tính chất chất tan dung môi (tra cứu TLTK) Dlt = Dl20 [1 + b(t − 20) ] Trong đó: b: hệ số nhiệt độ, tính công thức sau: b= 0.2 μ ρ μ: độ nhớt động lực chất lỏng 20oC, mPa.s ρ: khối lượng riêng chất lỏng 20oC, kg/m3 t: nhiệt độ, oC 1.6.3 Khuếch tán đối lưu Là khuếch tán diễn môi trường chuyển động Cấu tử mục tiêu chuyển từ pha vào pha khác không chuyển động phân tử, mà chuyển động tương đối pha với pha với vận tốc lớn nhiều so với khuếch tán phân tử u khuếch tán đối lưu >> u khuếch tán phân tử Trong khuếch tán đối lưu, vận chuyển vật chất diễn không theo phương dòng chảy mà trình theo mặt cắt ngang Sự vận chuyển vật chất, ví dụ từ pha khí vào pha lỏng, truyền chất pha biểu diễn nhờ giả thiết lớp biên Vận tốc khuếch tán đối lưu M = β ΔC.F τ Trong đó: ΔC: động lực trình truyền khối, kg/m3 Ta có: ΔC = C - Cgh F: diện tích bề mặt tiếp xúc pha, m2 τ: thời gian, s β: hệ số khuếch tán đối lưu (hay hệ số truyền khối) β= ⎤ M ⎡ kg =⎢ ΔC.F τ ⎣ m s dvC ⎥⎦ DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Hệ số truyền khối β phụ thuộc vào chế độ chảy, tính chất hoá lý môi trường cấu tử chính, phụ thuộc vào hình dáng kích thước bề mặt phân chia pha 1.7 PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN 1.7.1 Khuếch tán phân tử Ta tách phần tử thể tích đứng yên dòng chuyển động z z+dz dV dz dy y+dy y dx x+dx x y dMx’’ z dMx’ x Theo Định luật Fick thứ 1, lượng vật chất vận chuyển theo phương x vào nguyên tố thể tích dV (dx.dy.dz): M x = − D.(dy.dz ) ∂C dτ ∂x Tương tự, dòng ra: M x + dx = − D.(dy.dz ) ∂ ⎛ ∂C ⎞ + C dx ⎟ dτ ⎜ ∂x ⎝ ∂x ⎠ Trong đó: ∂C dx - biến đổi nồng độ đoạn dx ∂x Sự biến thiên vật chất theo thời gian qua nguyên tố thể tích theo phương x: dM x = M x − M x + dx ∂ 2C = D.( dy.dz ) dx.dτ ∂x ∂ 2C dM x = D dV dτ ∂x Tương tự, theo phương y z: dM y = D dM z = D ∂ 2C dV dτ ∂y ∂ 2C dV dτ ∂z DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Sự biến thiên vật chất toàn phần: dM = dM x + dM y + dM z ⎛ ∂ 2C ∂ 2C ∂ 2C ⎞ dM = D ⎜ + + ⎟ dV dτ ∂x ∂y ∂z ⎝144 424443⎠ ∀2C dM = D.∀2C.dV dτ 1.7.2 Khuếch tán đối lưu Vận tốc truyền khối khuếch tán đối lưu = vận tốc truyền khối khuếch tán phân tử + vận tốc chuyển động khối lớn dM x = dM x1 + dM x2 Khuếch tán phân tử theo phương x: ∂ 2C dM x1 = D dV dτ ∂x Chuyển động khối lớn theo phương x: M x = ωx dy.dz.C.dτ Ở vị trí (x+dx): M x + dx = ω x dy.dz.(C + ∂C ).dτ ∂x dM x2 = M x − M x + dx = −ω x ( ∂C ).dx.dy.dz.dτ ∂x Tổng cộng: ⎛ ∂ 2C ⎛ ∂ 2C ∂C ⎞ ∂C ⎞ ⎟⎟dx.dy.dz.dτ = ⎜⎜ D − ω x ⎟⎟dV dτ dM x = ⎜⎜ D − ω x 4 ∂x ⎠ dV ∂x ⎠ ⎝ ∂x ⎝ ∂x Tương tự phương y z: ⎛ ∂ 2C ∂C ⎞ ⎟⎟dV dτ dM y = ⎜⎜ D − ω y y ∂ y ∂ ⎠ ⎝ ⎛ ∂ 2C ∂C ⎞ ⎟dV dτ dM z = ⎜⎜ D − ω z ∂z ⎟⎠ ⎝ ∂z Coù: dM = dM x + dM y + dM z DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường ⎡ ⎤ ⎢ ⎛ ∂ 2C ∂ 2C ∂ 2C ⎞ ⎛ ∂C ∂C ∂C ⎞ ⎥ dM = ⎢ D ⎜ + + ⎟ − ⎜ ω x + ωy + ωz ⎟ ⎥ dV dτ x y z x y z ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ⎢ ⎝144424443⎠ ⎝ ⎠⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ ∀C 1444444444 424444444444 ∂C ∂τ → ⎛ ∂C dC ∂C ∂C ⎞ = D.∀2C − ⎜ ωc + ωy + ωz ⎟ dτ ∂y ∂z ⎠ ⎝ ∂x Tham khảo:SV tự đọc thêm “Khuếch tán ổn định môi trường chuyển động” a) Khuếch tán màng rơi b) Khuếch tán chất chuyển động theo thành ống tròn c) Khuếch tán từ nguồn điểm vào môi trường chuyển động d) Khuếch tán hạt (TLTK: Truyền khối – Vũ Bá Minh) 1.8 ĐỘNG HỌC TRUYỀN KHỐI GIỮA PHA Hướng truyền khối động lực trình truyền khối: Hướng: Từ nơi pha có nồng độ cao trạng thái cân đến pha có nồng độ thấp Sự chênh lệch với trạng thái cân cao trình mãnh liệt Động lực: Xác định mức độ sai lệch khỏi trạng thái cân biểu diễn hiệu nồng độ cấu tử mục tiêu pha Δy Δx Mô hình truyền khối lớp phim (Two Layers Theory): Các vấn đề mô hình lớp film Louis Uitmen sau: Tại ranh giới phân chia pha, từ phía pha xuất lớp phim (phim khí, phim lỏng…), tạo trở lực vận chuyển vật chất từ pha vào pha Tại ranh giới phân chia pha, điều kiện cân động hình thành nghóa đạt điều kiện truyền khối ổn định Dòng cấu tử khuếch tán giới hạn pha, tỉ lệ thuận hiệu nồng độ hiệu áp suất riêng phần cấu tử nhân dòng (C,P) (hoặc Y, X)và lớp ranh (Ctm, Pbm) (hoặc Ybm, Xbm) DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Bề mặt phân chia pha Pha khí Phalỏng Lớp phim khí Lớp phim lỏng Lý thuyết lớp phim Hình bên thể gradient nồng độ gần bề mặt phân pha trình chưng cất (hình a) q trình hấp thụ khí có độ hịa tan cao (hình b) 4.7.2 Tham khảo: Ngoài lý thuyết lớp phim, SV tự đọc thêm học thuyết khác phần TLTK Thuyết lớp phim, Thuyết lớp biên, Thuyết thẩm thấu Phần đọc thêm: 1.Mô hình khuếch tán lớp biên: Lớp biên khuếch tán hiểu hợp chât lỏng sát bề mặt phân chia pha, diễn khuếch tán phân tử có thay đổi đột ngột nồng độ cấu tử Chiều dày hiệu dụng lớp biên δ xác định theo công thức: 1 δ ≈ D ν z ω ω: vận tốc dòng D: hệ số khuếch tán phân tử z: khoảng cách từ điểm chảy dòng đến thân ν: độ nhớt động học DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Mỗi chất với hệ số khếch tán có lớp biên riêng Nếu khuếch tán nhiều chất có nhiều lớp biên Trong lớp biên khuếch tán có: Sự chuyển động chất lỏng truyền khối đối lưu Khuếch tán phân tử đ/v theo hướng vuông góc Không biễu diễn ranh giới lớp Hệ số khuếch tán xoáy rối: ϑo ρ ϑ o =z Dt = z λ δ δ λ= ρ ϑo2 Theo công thức này, hệ số khuếch tán xoáy rối giảm gần bề mặt phân chia pha chiều dày lớp biên hệ số khuếch tán phân tử: ϑo δ D M = Dt = λ Như dòng chia làm vùng Một vùng sát với bề mặt phân chia pha chiều dày δ, hệ số khuếch tán xoáy rối lớn hệ số khuếch tán phân tử 2.Mô hình thẩm thấu thu hồi bề mặt Mô hình thẩm thấu chấp nhận tiếp xúc tức thời cho trình khuếch tán không ổn định Higb giải phương trình thiết bị chuyển động biểu diễn lượng phân tử A qua đơn vị thời gian diện tích mặt cắt ngang dạng đẳng thức sau: Theo mô hình lớp film lớp màng không tồn Truyền khối diễn nhờ trình khuếch tán phân tử đối lưu Do đặc trưng chung cho truyền khối hệ số khuếch tán: De = DT + DM Mô hình cho kết hệ số truyền khối tỷ lệ với hệ số khuếch tán phân tử với bậc nhỏ ½ Tham khảo: SV tham khảo thêm mô hình truyền khối khác phần TLTK mô hình truyền khối hấp phụ, mô hình truyền khối theo giả thuyết xoáy rối pha DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM