Microsoft Word 1 Chuong 1 Phan 1 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 Phaàn I – Tổng quan Kỹ thuật Truyền khối và Phân r[.]
Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Phần I – Tổng quan Kỹ thuật Truyền khối Phân riêng Chương CƠ SỞ QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHỐI PHÂN RIÊNG Mass Transfer and Separation Processes Lưu ý chung dành cho SV học phần này: SV nên học theo bố cục giảng tóm tắt đọc nội dung liên quan SGK (các nội dung ghi rõ giảng) Phần tập, SV tham khảo ví dụ có lời giải SGK gợi ý giảng tự làm tập rèn luyện đề cập cuối chương SGK tham khảo chính: Truyền Khối – Vũ Bá Minh, NXB ĐHQG Tp.HCM Các nội dung SGK dịch từ tài liệu gốc: Mass Transfer Operations, Mc Graw Hill Book Company Trong trường hợp muốn tìm hiểu cần kiểm tra số liệu tra cứu, đính cơng thức SV tham khảo trực tiếp tài liệu gốc tiếng Anh Ngoài ra, muốn hiểu sâu nội dung kỹ thuật phản ứng hóa học, SV tham khảo tài liệu tiếng Việt như: (1) Bài tập Truyền khối – Trịnh Văn Dũng, ĐHBK Tp.HCM; tiếng Anh: (2) Unit Operations of Chemical Engineering – Warren L.Mc.Cabe & Peter Harriott (3) Diffusion, Mass Tranfer in Fluid Systems – E.L.Cussler, Cambridge Nội dung tài liệu tham khảo phần nhiều dành cho SV thuộc lĩnh vực kỹ thuật hóa học Đối với SV thuộc lĩnh vực mơi trường, nên nắm vững phần kiến thức theo thứ tự bố cục giảng TRƯỚC muốn tham khảo tài liệu khác Mục đích nghiên cứu Truyền khối Phân riêng lónh vực xử lý môi trường nhằm sử dụng q trình hóa lý, hóa học để tạo nên di chuyển chất nhiễm (độc hại) từ pha sang pha khác biến đổi chất nhiễm thành: • Chất vơ hại, chất trơ; • chuyển thành chất có độ độc hại thấp, chất dễ xử lý hơn; • chuyển thành ngun liệu sản xuất khác… 1.1 ĐỊNH NGHĨA Q trình truyền khối (hay phân riêng phương pháp hóa lý) đóng vai trị chủ yếu cơng nghiệp hóa học, sản xuất thực phẩm, cơng nghệ vật liệu, kỹ thuật xử lý môi DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường trường … để tách chất khỏi nguyên liệu, thu hồi làm tinh khiết sản phẩm chính, giảm thiểu chất gây nhiễm dịng nước khí thải Để làm điều này, dịng vật chất (hoặc pha) cần phối trộn (Mixing) với Mixing: Phân riêng (Separation) trình ngược trình phối trộn cấu tử Separation: đề cập chủ yếu giáo trình Unit Operations Mass Transfer Operations Kỹ thuật “Phân riêng cấu tử” lĩnh vực quan trọng nhiều ngành khoa học trọng yếu ngày công nghệ sinh học (Biotechnology) lĩnh vực bảo vệ môi trường (Environmental Protection)… Quote: “A Chemical / Environmental Engineer must be familiar with the working principles of a variety of separation methods.” – Prof S.Farooq, Department of Chemical and Biomolecular Engineering Ví dụ: - Sử dụng kỹ thuật phân riêng trình xử lý VOCs (Volatile Organic Compounds): - Xử lý thành phần H2S khí thải: DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Truyền khối (Mass Transfer): trình truyền vật chất qui mô phân tử nội pha từ pha sang pha khác hai pha tiếp xúc trực tiếp với Truyền khối gọi trình khuếch tán (diffusion) Động lức trình truyền khối sai biệt nồng độ làm cho chất khuếch tán (cấu tử A) di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Vì vậy, ta cịn định nghĩa: Truyền khối trình vận chuyển vật chất pha từ pha vào pha khác theo hướng đạt trạng thái cân Khi đạt đến trạng thái cân bằng: • Trong pha: nồng độ không đổi • Nồng độ cân pha khác Các trình truyền khối bao gồm: - Hấp thụ: trình vận chuyển vật chất từ pha khí vào pha lỏng dựa khả hoà tan chất khí vào chất lỏng Hấp thụ chia làm loại: hấp thụ vật lý hấp thụ hóa học - Chưng cất: trình phân tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt dựa điều kiện hoá khác chúng, đó, vật chất từ pha lỏng vào pha - Hấp phụ: trình lôi mọât hay nhiều cấu tử pha khí hay lỏng chất rắn (gọi chất hấp phụ) - Sấy: trình tách nước khỏi vật liệu ẩm, đó, nước từ pha rắn vào pha khí - Trích ly: gồm có trích ly lỏng – lỏng trích ly rắn – lỏng Trích ly lỏng – lỏng trình tách chất hoà tan chất lỏng không hoà tan vào chất lỏng cho trước Trích ly rắn – lỏng trình hoà tan có chọn lựa cấu tử chất rắn dung môi lỏng DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường - Kết tinh: trình tách chất rắn khỏi dung dịch, đó, vật chất từ pha lỏng vào pha rắn - Hòa tan: trình vận chuyển vật chất từ pha rắn vào pha lỏng, đó, cấu trúc chất rắn bị thay đổi Các trình truyền khối gọi trình khuếch tán vận tốc chúng xác định vận tốc khuếch tán với tham gia cấu tử 1.2 BIỂU DIỄN THÀNH PHẦN PHA Ký hiệu pha: - Pha nhẹ: pha y - Pha nặng: pha x Ví dụ: Quá trình Pha nhẹ – pha y Pha nặng – pha x Hấp thụ Khí Lỏng Hấp phụ Lỏng Rắn Hấp phụ Khí Rắn Mỗi pha chứa vài cấu tử, cấu tử tham gia trực tiếp vào trình truyền khối gọi cấu tử (cấu tử A) hay gọi cấu tử phân tán, cấu tử lại cấu tử mang hay cấu tử trơ Trong trình phân tích tính toán truyền khối cần phải biết thành phần pha Thành phần pha đặc trưng cấu tử DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Thành phần pha thường biểu diễn thông qua đại lượng sau: Tên gọi Phần mol Phần khối lượng Tỉ số mol Đơn vị Pha lỏng Pha khí kmolA kmol ( A + B) x y kgA kg ( A + B) x y kmolA kmolB X Y kgA kgB X Y kmolA m ( A + B) Cx Cy kgA m ( A + B) Cx Cy Tỉ số khối lượng Nồng độ mol Nồng độ khối lượng Theo định luật Dalton, phần mol y cấu tử hỗn hợp khí lý tưởng bằng: yi = Với: pi P n P = ∑ pi : áp suất cân hỗn hợp khí i =1 p i = áp suất riêng phần cấu tử hỗn hợp khí 1.3 CÁC CÔNG THỨC CHUYỂN ĐỔI BIỂU NỒNG ĐÔ Bảng bên thể công thức chuyển đổi qua lại đại lượng Trong đó: - Trong pha lỏng, hệ cấu tử : M hh = M A x + M B (1 − x) - ρ: Khối lượng riêng hỗn hợp, kg/m3 - Tương tự pha khí, thay x, ứng y , x, X , X , Cx , Cx giá trị tương y , Y , Y , Cy , C y DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường x x X X xM hh MA x hay _ X 1+ X x x MA MA + (1 − x) MB X MB X + MA Mb Cx Cx Cx M hh ρ C x M hh ρM A hay hay Cx M B ρ + Cx ( M B − M A ) C xM B ρ M A + C x (M B − M A ) Cx x M Ax M hh _ MAX MAX + MB X 1+ X Cx M A ρ ρ X x 1− x xM B M A (1 − x) _ MB X MA M B Cx ρ − M AC x MBCx M A ( ρ − Cx ) X M Ax M B (1 − x) x (1 − x) MAX MB _ M AC x ρ − M AC x Cx ρ − Cx ρx xρ MA ρX ρX MAX + MB M A ( X + 1) _ Cx MA M Aρ X MAX + MB ρX M AC x _ Cx Cx M hh ρM Ax M hh DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM ρx X +1 Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường 1.4 TĨNH HỌC TRUYỀN KHỐI 1.4.1 Mục đích Xác định tỷ lệ cân cấu tử có hệ Trong phân thức tính toán trạng thái cân đa cấu tử, người ta sử dụng nguyên lý pha, định luật Mendeleev Clapeyron, định luật Dalton, Rault, Henry Dựa sở định luật xác định hướng vận chuyển vật chất xác định phạm vi giới hạn trình 1.4.2 Nguyên lý pha Nguyên lý pha cho phép xác định trạng thái cân hệ số tham số thay đổi tuỳ ý mà không phá vỡ thành phần pha C = K +N −F Trong đó: C : số bậc tự K : số cấu tử có hệ N : số yếu tố bên xác định trạng thái hệ F : số pha Ví dụ: Quá trình hấp thụ: Đại lượng Giá trị K Khí – lỏng - cấu tử F Khí – lỏng N Nồng độ – nhiệt độ – áp suất C =3+3-2 1.4.3 Các định luật tónh học truyền khối 1.4.3.1 Định luật Mendeleev – Claperon Nồng độ phần mol cấu tử hỗn hợp khí tính theo định luật Mendeleev – Claperon • Cấu tử A: V PA = nA R.T • Cấu tử B: V PB = nB R.T V ( PA + PB ) = (nA + nB ).R.T yA = Do YA = PA nA = PA + PB nA + nB yB = PB nB = PA + PB nA + nB PA nA y A = = PB nB yB DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường 1.4.3.2 Định luật Dalton p suất riêng phần cấu tử tỷ lệ thuận với phần mol cuûa cấu tử: PA = y A P PB = yB P P = PA + PB Thể tích riêng phần cấu tử trạng thái khí: v = vo T Po , m3/kg To P Trong đó: vo: thể tích riêng phần điều kiện tiêu chuẩn vo = 22.4 , m /kg M Po: 760mmHg Khối lượng riêng pha khí: ρ = ρo To P , kg/m3 T Po 1.4.3.3 Định luật Rault p suất riêng phần cấu tử nồng độ phần mol dung dịch nhân với áp suất bão hoà PA = Pa xA Trong đó: Pa: áp suất bão hoà, phụ thuộc vào nhiệt độ xA: nồng độ phần mol dung dịch 1.4.3.4 Định luật Henry p suất riêng phần khí lý tưởng hoà tan dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ phần mol cấu tử dung dịch PA = H x A H: hệ số tỷ lệ Henry, phụ thuộc vào nhiệt độ xác định thực nghiệm 1.4.4 Cân pha Cân pha trạng thái nhiệt động hệ mà đó, vận tốc trình thuận vận tốc trình nghịch trạng thái nhiệt động có nhiệt độ áp suất không đổi theo thời gian DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Dạng quan hệ tổng quát thành phần pha trạng thái cân biểu diễn sau: y ∗ = f ( x) Với: y* - nồng độ cân cấu tử pha khí x - nồng độ tương ứng cấu tử pha lỏng yA Đường cân y*= f(x) xA Tỉ lệ thành phần pha trạng thái cân gọi hệ số phân phối pha: y∗ m= x Ở nồng độ thấp: m = const Tổng quát : m = tgβ DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật môi trường 1.5 PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM 10 Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM 11 Bài giảng tóm tắt Quá trình Hóa học Hóa lý kỹ thuật mơi trường Khi nghiên cứu trình truyền khối hệ xử lý môi trường nhằm thiết kế thiết bị xử lý, ta quan tâm khảo sát hai trình khuếch tán khuếch tán phân tử (Molecular Diffusion) khuếch tán đối lưu (Turbulent Diffusion) Quá trình phân tán (Dispersion) thường khảo sát nhiều trình phát tán chất ô nhiễm qua nguồn thải nguồn điểm cao (ống khói nhà máy) nguồn điểm thấp (phát thải từ phương tiện giao thông) Trong lĩnh vực quản lý xử lý mơi trường, q trình nghiên cứu phục vụ việc thiết lập mơ hình phát thải (Environmetal Modelling) DuMyLe - Khoa Mơi trường, ĐHBK Tp.HCM 12