Bài giảng Quá trình và thiết bị chuyển khối

TỔNG QUAN VỀ MƠN HỌC Q TRÌNH-THIẾT BỊ CƠNG NGHỆ HĨA HỌC VÀ THỰC PHẨM NỘI DUNG Các q trình thủy lực, thủy học Các trình thiết bị truyền nhiệt Kỹ thuật phản ứng Các trình thiết bị chuyển khối Nghiên cứu Nghiên cứu Nghiên cứu Nghiên cứu Các định luật thủy tĩnh, thủy động, chuyển động chất lỏng, khí; trình thiết bị vận chuyển chất lỏng, khí (bơm, quạt máy nén); phân riêng hệ không đồng (lắng, lọc, ly tâm), trình đập nghiền sàng Các định luật truyên nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, xạ nhiệt); trình thiết bị trao đổi nhiệt (đun nóng, ngưng tụ, đặc); q trình thiết bị làm lạnh Các định luật chuyển khối, lý thuyết khuếch tán; trình thiết bị chưng cất, hấp thụ, trích ly, kết tinh, hấp phụ, sấy Kỹ thuật phản ứng, trình hóa học thiết bị phản ứng hóa học HỌC PHẦN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI KHOA HĨA VÀ MƠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Giới thiệu mơn học  LÀ MƠN CƠ SỞ KHỐI NGÀNH DÀNH CHO SINH VIÊN CÁC NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC, MÔI TRƯỜNG, CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM VÀ SINH HỌC  MƠN HỌC TRÌNH BÀY CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI, KHUẾCH TÁN, CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI CƠ BẢN NHƯ CHƯNG ĐƠN GIẢN, CHƯNG LUYỆN, HẤP THỤ, TRÍCH LY, KẾT TINH, HẤP PHỤ, SẤY  GIỚI THIỆU CÁC NGUN TẮC CƠ BẢN TRONG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ CHỦ YẾU CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI  TRANG BỊ CHO SINH VIÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI THƯỜNG GẶP TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC  ĐỒNG THỜI SINH VIÊN CĨ THỂ TÍNH TỐN ĐƯỢC CÁC Q TRÌNH CHUYỂN KHỐI TRONG CÁC THIẾT BỊ; TỪ ĐÓ HIỂU ĐƯỢC CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ; CÓ THỂ THIẾT KẾ, CẢI TIẾN CÁC THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI Giáo trình sử dụng, tài liệu tham khảo Giáo trình: [1] Nguyễn Bin, Các q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, Tập 4: Phân riêng tác dụng nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2013 Các tài liệu tham khảo: [1] James R Couper, W Roy Penney, James R Fair, Chemical Process Equipment, Selection and Design, Elsevier, 2012 [2] Diran Basmadjian, Mass transfer: principles and applications, CRC Press Publisher, 2003 [3] E.S Tarleton, Solid/liquid separation: equipment selection and process design, Elsevier Science Publisher, 2007 LOGO Những Kiến Thức Cơ Bản Của Quá Trình Chuyển Khối 1.1 Các khái niệm 1.2 Cân pha 1.3 Các định luật khuếch tán 1.4 Cân vật liệu động lực trình 1.5 Phương pháp tính đường kính chiều cao thiết bị truyền chất Các khái niệm Định nghĩa: Trong cơng nghiệp hóa học nhiều q trình sản xuất dựa tiếp xúc trực tiếp pha di chuyển vật chất từ pha sang pha khác Quá trình di chuyển vật chất từ pha sang pha khác hai pha tiếp xúc trực tiếp với gọi trình truyền khối trình khuếch tán, trình đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp hóa học, thực phẩm ngành công nghiệp khác Các khái niệm Phân loại: • Chưng • Hấp thụ • Trích ly • Kết tinh • Hấp phụ • Sấy • Hịa tan Các khái niệm Chưng trình tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt, vật chất từ pha lỏng vào pha ngược lại Hấp thụ q trình hút khí (hơi) chất lỏng, vật chất từ pha khí vào lỏng Trích ly q trình tách chất hòa tan chất lỏng hay chất rắn chất lỏng khác Kết tinh trình tách chất rắn dung dịch vật chất từ pha lỏng vào pha rắn Hấp phụ trình hút khí (hơi) chất rắn xốp, vật chất từ pha khí vào pha rắn Sấy khơ q trình tách nước khỏi vật liệu ẩm vật chất từ pha rắn hay lỏng vào pha khí Hịa tan q trình vật chất từ pha rắn sang lỏng Các Biểu Diễn Thành Phần Pha Các loại nồng độ thành phần a Thành phần phần mol (Nồng độ phần mol) b.Thành phần phần khối lượng (nồng độ phần khối lượng) c Thành phần tỷ số mol d.Thành phần tỷ số khối lượng 10 Tĩnh lực học sấy Các phương thức sấy 4.1 Sấy có bổ sung nhiệt phịng sấy t1 H A B’ B C t’1 B’ Ưu điểm: giảm nhiệt độ tác nhân sấy trước vào phịng sấy, thích hợp sấy vật liệu không chịu nhiệt độ cao t2 B” A C t0 Y 106 Tĩnh lực học sấy Các phương thức sấy 4.2 Sấy có đốt nóng khơng khí phịng sấy H Ưu điểm: đảm bảo cho q trình sấy khơng giảm nhanh nhiệt độ phòng sấy, đảm bảo cho chế độ sấy điều hòa hơn, thích hợp sấy vật liệu khơng chịu nhiệt độ cao, biến thiên nhiệt độ phòng sấy lớn t’1 B B’ B” B” ’ t1 t2 C’ A C” C t0 Y 107 Tĩnh lực học sấy Các phương thức sấy 4.3 Sấy có tuần hồn khí thải H B t’1 B1 Ưu điểm: nhiệt độ tác nhân sấy thấp nhiều so với khơng tuần hồn, độ ẩm trung bình tác nhân lớn so với khơng tuần hồn, thích hợp sấy vật liệu dễ bị biến dạng trình sấy nhiệt độ cao, hàm ẩm thấp (như đồ gốm, sành, sứ,…) D A t1 D1 C t0 M Y 108 Tĩnh lực học sấy 4.3 Sấy có tuần hồn khí thải Nếu có kg khơng khí khô ban đầu hút vào trộn lẫn với n kg khơng khí khơ tuần hồn nhiệt lượng riêng HM hợp tính theo cơng thức: H  nH HM  1 n Hàm ẩm hỗn tính theo cơng thức: YM  Lượng hỗn hợp khơng khí vào sấy: Hay: Ln  L(n  1) Y  nY 1 n W Ln  Y Y M Trong L lượng khơng khí khơ ban đầu: L  W Y Y Lượng nhiệt tiêu tốn calorife: Qs  Ln ( H1  H  )  W H1  H  Y Y  109 Tĩnh lực học sấy Các phương thức sấy 4.4 Sấy khói lị  Sấy khói lị thường sử dụng vật liệu sấy cho phép sấy nhiệt độ cao không yêu cầu phải giữ vệ sinh  Khói lị sử dụng làm tác nhân sấy thường chứa lượng tro bụi định nên phải làm trước vào phòng sấy  Nhiệt độ khói lị thường cao, vượt nhiệt độ cho phép vật liệu sấy nên phải trộn lẫn khói lị với khơng khí lạnh để điều chỉnh nhiệt độ khói lị  Sấy khói lị có ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu, giảm chi phí thiết bị khơng dùng thiết bị đun nóng gián tiếp calorife sấy khơng khí nóng 110 Động lực học sấy Trạng thái liên kết ẩm vật liệu Theo Ghingbua, liên kết ẩm với vật liệu chia thành bốn loại:  Liên kết hấp phụ đơn phân tử: lực liên kết lớn, lượng ẩm nhỏ khó tách  Liên kết hấp phụ đa phân tử (còn gọi hấp phụ hóa lý): lực liên kết phần ẩm lớn, sấy thường tách phần phần ẩm  Liên kết mao quản: lực liên kết phần ẩm không lớn sấy tách hết  Liên kết kết dính: phần ẩm nước bám bề mặt vật liệu mao quản lớn, ẩm tạo thành ta nhúng ướt vật liệu, lực liên kết không đáng kể nên dễ tách 111 Động lực học sấy Trạng thái liên kết ẩm vật liệu Theo A.Rebinder có dạng liên kết ẩm với vật liệu:  Liên kết hóa học: có lượng liên kết lớn nên nhiệt q trình khơng đủ để tách loại ẩm  Liên kết hóa lý: gồm liên kết hấp phụ liên kết thẩm thấu (liên kết ẩm trương) Ẩm liên kết hóa lý tách nhiệt q trình sấy, ẩm liên kết thẩm thấu tiêu tốn lượng ẩm liên kết hấp phụ  Liên kết lý: ẩm giữ bề mặt vật liệu mao quản liên kết kết dính với lượng liên kết bé Năng lượng trình sấy tách hồn tồn phần ẩm 112 Động lực học sấy Trạng thái liên kết ẩm vật liệu Ngồi người ta cịn phân ẩm vật liệu gồm hai loại:  Ẩm tự do: ẩm có tốc độ bay tốc độ bay nước từ bề mặt tự Do vật liệu có ẩm tự áp suất riêng phần nước bề mặt vật liệu áp suất bão hòa bề mặt tự  Ẩm liên kết ngược lại có áp suất riêng phần nước bề mặt vật liệu nhỏ áp suất bão hòa bề mặt tự Năng lượng liên kết loại ẩm tương đối lớn nên nhiệt trình sấy tách phần loại ẩm 113 Động lực học sấy Cơ chế tách ẩm vật liệu Quá trình ẩm bay từ vật liệu thường có hai giai đoạn:  Ẩm bề mặt vật liệu bay vào môi trường, giai đoạn tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào áp suất PM, Ph nhiệt độ, tốc độ môi trường  Khi độ ẩm mặt vật liệu nhỏ độ ẩm vật liệu, ẩm di chuyển từ nhờ chênh lệch độ ẩm (gradien ẩm) dạng lỏng dạng độ ẩm vật liệu nhỏ độ ẩm hút nước Ph: áp suất riêng phần nước môi trường xung quanh PM: áp suất riêng phần nước bề mặt vật liệu 114 Động lực học sấy Tốc độ sấy Tốc độ sấy xác định lượng kg ẩm (nước) bay 1m2 bề mặt vật liệu sấy đơn vị thời gian U dW Fd Tốc độ sấy iến đổi theo thời gian, giảm dần theo mức độ giảm hàm ẩm vật liệu sấy Khi sấy, thường có khoảng 90% lượng ẩm vật liệu bốc nửa thời gian đầu q trình, cịn lại 10% ẩm bốc nửa thời gian cuối 115 Động lực học sấy Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy  Bản chất vật liệu sấy Hình dáng vật liệu sấy: kích thước, chiều dày lớp vật liệu,…t liệu sấy với thể tích Bề mặt vật liệu sấy lớn trình sấy tiến hành nhanh Độ ẩm ban đầu ban cuối, độ ẩm tới hạn vật liệu Độ ẩm không khí, nhiệt độ tốc độ khơng khí Tác nhân sấy: sấy khơng khí khói lị Chênh lệch nhiệt độ ban đầu ban cuối tác nhân sấy, nhiệt độ cuối giảm nhiệt độ trung bình tác nhân sấy cao, tốc độ sấy tăng Nhưng khơng nên chọn nhiệt độ cuối q cao khơng sử dụng triệt để nhiệt Cấu tạo máy sấy, phương thức sấy chế độ sấy 116 Động lực học sấy Đường cong sấy – đường cong tốc độ sấy W,% A Gđ I Gđ II B B C Gđ II D C D E Wth1 Wth2 Gđ I Wcb  E Wcb Wth2 Wth1 A W,% 117 Động lực học sấy Các giai đoạn sấy  Giai đoạn I: sau khoảng thời gian đốt nóng ngắn (giai đoạn đốt nóng vật liệu) hàm ẩm vật liệu giảm khơng đáng kể bắt đầu giai đoạn sấy đẳng tốc Ở giai đoạn hàm ẩm vật liệu giảm nhanh theo quy luật tuyến tính vật liệu đạt độ ẩm tới hạn  Giai đoạn II: vật liệu đạt độ ẩm tới hạn tiếp tục sấy hàm ẩm vật liệu giảm chậm đạt độ ẩm cân bằng, giai đoạn gọi giai đoạn giảm tốc 118 LOGO 119 LOGO 120