Môn học kỹ thuật thực phẩm 3 các quá trình truyền khối

Động lực trung bình tích phânDựa vào phương trình truyền khối và phương trình cân bằng vật liệu, động lực trung bình tích phân được xác định theo công thức: y y dy y y y... Độ hòa tan có

Trang 1

MÔN HỌC

KỸ THUẬT THỰC PHẨM 3CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHỐI

Trang 2

I Định nghĩa và Phân loại

1.1 Định nghĩa 1.2 Phân loại

II Cách biểu diễn thành phần pha

2.1 Phần khối lượng 2.2 Phần trăm khối lượng 2.3 Phần mol

Trang 3

Chương I Những kiến thức cơ bản của quá

trình truyền khối

III Cân bằng pha

3.1 Khái niệm về cân bằng pha

3.2 Quy tắc pha

3.3 Các định luật cân bằng pha

3.3.1 Định luật Hăngri 3.3.2 Định luật Raun

A Khái niệm cơ bản

Trang 4

Trang 5

C Cân bằng vật liệu và động lực quá trình

I.Phương trình cân bằng vật liệu

y

bg R

y

y d

Trang 6

Dựa theo định luật phân bố và tính toán ta có phương trình truyền khối:

G = kyFytb Hoặc G = kxFxtb

Trong đó: ky và kx là hệ số truyền khối trong pha

1





Trang 7

III Phương trình truyền khối và động lực trung bình

3.2 Động lực trung bình

Động lực của quá trình thay đồi từ đầu đến cuối nên khi tính toán phải dùng động lực trung bình Khi đường cân bằng là đường cong thì tính theo động lực trung bình tích phân Khi đường cân bằng là đường thẳng thì tính theo động lực trung bình logarit

Trang 8

III Phương trình truyền khối và động lực trung bình3.2 Động lực trung bình

3.2.1 Động lực trung bình tích phânDựa vào phương trình truyền khối và phương trình cân bằng vật liệu, động lực trung bình tích phân được xác định theo công thức:

y y

dy

y y

y

Trang 9

III Phương trình truyền khối và động lực trung bình3.2 Động lực trung bình

3.2.1 Động lực trung bình logaritDựa vào phương trình truyền khối khi đường cân bằng là đường thẳng và phương trình cân bằng vật liệu, động lực trung bình logarit ta xác định theo công thức:

d c

d

c tb

y y

y

y y

Trang 10

D Phương pháp tính thiết bị truyền khối

Tính thiết bị truyền khối gồm tính kích thước thiết bị (đường kính, chiều cao và các kích thước khác), tính trở lực, công suất của bơm, quạt cần thiết,…

I Tính đường kính thiết bị

II Tính chiều cao thiết bị

Là phần chiều cao làm việc của tháp, kích thước phần trên và dưới tùy thuộc những bộ phận

Trang 11

D Phương pháp tính thiết bị truyền khối

II Tính chiều cao thiết bị

Là phần chiều cao làm việc của tháp, kích thước phần trên và dưới tùy thuộc những bộ phận được lắp ở đó

2.1 Tính chiều cao theo phương trình truyền khối

2.2 Tính chiều cao theo số bậc thay đổi nồng độ

2.3 Tính chiều cao theo số đơn vị truyền khối

2.4 Tính chiều cao theo cách vẽ đường cong động học

Trang 12

CHƯƠNG II HẤP THỤ

I. Các khái niệm

II. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ

III. Quy trình công nghệ

IV. Thiết bị hấp thụ

Trang 13

I Các khái niệm

1 Định nghĩa

Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi, hay còn gọi là chất hấp thụ, khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ

Trang 14

2 Ý nghĩa

Quá trình hấp thụ đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó được ứng dụng để:

 Thu hồi các cấu tử quý

 Làm sạch khí

 Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng

 Tạo thành sản phẩm cuối cùng

Trang 15

3 Tính chất của dung môi

nghĩa là chỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách ra và không hòa tan các cấu tử còn lại hoặc chỉ hòa tan không đáng kể Đây là tính chất chủ yếu của dung môi

càng bé chất lỏng chuyển động càng dễ trở lực sẽ nhỏ hơn và hệ số chuyển khối sẽ lớn hơn.

Trang 16

hoàn nguyên dung môi

của chất hòa tan như vậy sẽ dễ tách cấu tử ra khỏi dung môi

hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị

Trang 17

tan tránh được tắc thiết bị, và thu hồi cấu tử đơn giản hơn

mòn thiết bị.

Trang 18

II Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ

1 Độ hòa tan khí trong lỏng

Độ hòa tan của khí trong chất lỏng là lượng khí hòa tan trong một đơn vị chất lỏng Độ hòa tan có thể biểu thị bằng kg/kg, kg/m 3 , g/lít…

 Độ hòa tan của khí trong chất lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và chất lỏng, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và áp suất riêng phần của khí trong hỗn hợp.

Sự phụ thuộc có thể biểu thị bằng định luật Henry – Dalton như sau:

y cb = m.x

Trang 19

1 Độ hòa tan khí trong lỏng

Đối với khí lý tưởng phương trình có dạng đường thẳng, phù hợp với khí thực khi nồng độ của khí không lớn lắm và độ hòa tan nhỏ.

Đối với các hệ thống không tuân theo định luật Henry khi đó hằng số cân bằng m là một đại lượng biến đổi phụ thuộc vào nồng độ x và đường cân bằng là một đường cong

Đối với khí lý tưởng phương trình có dạng đường thẳng, phù hợp với khí thực khi nồng độ của khí không lớn lắm và độ hòa tan nhỏ.

Đối với các hệ thống không tuân theo định luật Henry khi đó hằng số cân bằng m là một đại lượng biến đổi phụ thuộc vào nồng độ x và đường cân bằng là một đường cong

Trang 20

Khi tính toán hấp thụ, người ta thường dùng nồng độ tỷ số mol hay nồng độ phần mol tương đối, ta có :

y

y Y





x X



 1

X ) m 1

( 1

Trang 21

2 Cân bằng vật chất

 Y c :nồng độ cuối của hỗn hợp khí kmol/kmol khí trơ.

 L tr : lượng dung môi đi vào thiết bị kmol/h

 X d : nồng độ đầu của dung môi kmol/kmol dung môi

 X c : nồng độ cuối của dung môi kmol/kmol dungmôi

 G tr : lượng khí trơ vào thiết bị kmol/h

Trang 22

Lượng khí trơ được xác định theo công thức :

Phương trình cân bằng vật liệu

)y1

(

GY

1

1G

( L )

Y Y

(

Gtr d  c  tr c  d

Trang 23

Lượng dung môi tối thiểu để hấp thụ được xác định khi nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, ta có:

Lượng dung môi cần thiết:

d max

c

d tr

min tr

XX

Y

YG

c

d tr

tr

X X

Y

Y G

L





Trang 24

Phương trình cân bằng vật liệu tại vị trí bất kỳ trong thiết bị:



) X X

( L )

Y Y

(

c

d tr

tr ( X X ) Y G

L

Trang 25

3 nh h Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp ưởng của nhiệt độ và áp ng c a nhi t ủa nhiệt độ và áp ệt độ và áp độ và áp và áp

suất

 Nếu nhiệt độ tăng thì hệ số Henry tăng đường cân bằng sẽ dịch chuyển

về trục tung động lực trung bình sẽ giảm do đĩ cường độ truyền khối sẽ giảm Nếu ta tăng nhiệt độ đến một nhiệt độ tới hạn nào đĩ thì quá trình truyền khối sẽ khơng thực hiện được Nhiệt độ tăng cũng cĩ ảnh hưởng tốt

do độ nhớt của dung mơi sẽ giảm, vận tốc khí tăng cường độ truyền khối cũng tăng

 Nếu ta tăng áp suất của hỗn hợp khí thì hệ số cân bằng m sẽ giảm do

đĩ đường cân bằng sẽ chuyển gần về trục hồnh Động lực trung bình sẽ tăng Nhưng sự tăng áp suất luơn kèm theo tăng nhiệt độ cho nên nĩ cũng ảnh hưởng xấu đến quá trình mặt khác tăng áp cũng gây khĩ khăn cho chế tạo thiết bị.

Trang 26

3 nh h Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp ưởng của nhiệt độ và áp ng c a nhi t ủa nhiệt độ và áp ệt độ và áp độ và áp và áp suất

Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình

hấp thụ (t <t <t ; p >p >p )

Trang 27

III Thiết bị hấp thụ

1 Thiết bị hấp thụ bề mặt

Thiết bị hấp thu loại bề mặt kiểu vỏ và kiểu ống

Trang 28

1 Thiết bị hấp thụ loại màng

Trang 29

1 Tháp đệm

Tháp đệm và các loại đệm

Trang 30

1 Tháp đĩa (tháp mâm)

Trang 31

1 Tháp đĩa (tháp mâm)

Trang 32

IV Sơ đồ hệ thống hấp thụ

Trang 33

CHƯƠNG III CH NG C T ƯNG CẤT ẤT

I Các khái niệm

II Cân bằng lỏng hơi hệ hai cấu tử

III Chưng cất đơn giản

IV Chưng cất

Trang 34

1 Định nghĩa

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một

nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau)

Trang 35

1 Định nghĩa Khi chưng hỗn hợp có bao nhiêu cấu tử

ta sẽ được bấy nhiêu sản phẩm Đối với trường hợp hai cấu tử ta có: sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi bé còn sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu tử có độ bay hơi lớn

Trang 36

2 Các phương pháp chưng cất

1.Chưng đơn giản: Dùng để tách các hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phương pháp này thường dùng để tách

sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.

tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước.

Trang 37

3.Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử, như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao.

4.Chưng cất: là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào

Trang 38

các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao và các hỗn hợp có nhiệt độ sôi quá cao.

các hỗn hợp không hoá lỏng ở áp suất thường

Trang 39

II Cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử

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 hoà tan vào nhau theo bất cứ tỉ lệ nào Cân bằng giữa lỏng và hơi hoàn toàn tuân theo định luật Rauolt.

không hoàn toàn tuân theo định luật Rauolt, sai lệch với định luật Raoult.

Trang 40

Sai lệch dương:

lực liên kết giữa các

phân tử khác loại nhỏ

hơn lực liên kết giữa

các phân tử cùng loại

sai lệch âm: lực

liên kết giữa các phân

tử khác loại lớn hơn

lực liên kết giữa các

phân tử cùng loại

Hình 3.1 Quan hệ giữa áp suất và thành phần của

Sai lệch dương

Sai lệch âm

Trang 41

nhau hoặc hoà tan không đáng kể khi lực liên kết giữa các phân tử khác loại rất bé so với lực liên kết giữa các phân tử cùng loại.

thực chỉ được xác định bằng thực nghiệm Đối với các dung dịch lý tưởng cân bằng phải được xác định bằng định luật Rauolt

Trang 42

theo định luật Rauolt ta có áp suất riêng phần của các cấu tử là :

pA = PbhA.xA

pB = PbhB.xB = PbhB.(1 – xA)

trên dung dịch là:

Trang 43

Hình 3.2 Các dạng đồ thị

Trang 44

Đồ thị P–x ở hình 3.2 (I) các đường

thẳng OB biểu thị sự phụ thuộc giữa áp suất hơi của cấu tử A vào thành phần của nó trong dung dịch; đường DA biểu thị sự phụ thuộc giữa áp suất hơi của cấu tử B vào thành phần của nó trong dung dịch; đường AB biểu thị sự phụ thuộc giữa áp suất chung của hỗn hợp vào thành của các cấu tử ở nhiệt độ khác nhau

Trang 45

Đối với các dung dịch lý tưởng ta có thể xây dựng đồ thị bằng cách tính giá trị áp suất hơi bão hoà của các cấu tử nguyên chất ở nhiệt độ khác nhau.

Ta có:

Ở mỗi nhiệt độ ta tìm các P bhA , P bhB rồi tính theo x,

y theo các phương trình trên Ta được đường cân bằng lỏng hơi hệ 2 cấu tử A và B

bhB bhA

bhB A

P P

P

P x



P P

y 

Trang 46

III CHƯNG CẤT ĐƠN GIẢnh hưởng của nhiệt độ và áp N

TB ngưng tụ

Nồi đun

Bình chứa sản phẩm

Nước vào

Hơi nước

Nước ngưng Nồi

chưng

Trang 47

Dung dịch được cho vào nồi chưng Hơi tạo thành vào thiết bị ngưng tụ Sau khi ngưng tụ và làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết chất lỏng đi vào các thùng chứa Thành phần chất lỏng ngưng luơn luơn thay đổi Sau khi đã đạt được yêu cầu chưng, chất lỏng cịn lại trong nồi được tháo ra

Trang 48

Chưng đơn giản được ứng dụng cho những trường hợp sau:

• Khi nhiệt độ sơi của hai cấu tử khác nhau xa

• Khi khơng địi hỏi sản phẩm cĩ độ tinh khiết cao

• Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất khơng bay hơi

• Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

Trang 49

Nhận xét:

sản phẩm đáy giảm khi tăng thời gian chưng.

giảm dần theo thời gian chưng.

Trang 50

IV CHƯNG CẤT

Sơ đồ quy trình công nghệ

Trang 51

Bình chứa sản phẩm đáy Nồi đun

Dòng hồi lưu

TB gia nhiệt nhập liệu

TB làm lạnh

sp đỉnh

TB làm lạnh sp đáy

Trang 52

III CHƯNG CẤT

2 Nguyên tắc làm việt độ và áp c

- Pha lỏng đi từ trên xuống cĩ nồng độ cấu

tử dể bay hơi giảm dần.

- Pha khí đi từ dưới lên cĩ nồng độ cấu tử

dể bay hơi tăng dần.

- Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sơi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ.

Trang 53

- Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi Do đĩ một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng, lặp lại nhiều lần bốc hơi và ngưng tụ như vậy, hay nĩi một cách khác, với một số đĩa tương ứng, cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được cấu tử dễ bay hơi ở dạng nguyên chất và ở đáy tháp ta thu được cấu tử khĩ bay hơi ở dạng nguyên chất

Trang 54

- Theo lý thuyết thì mỗi đĩa của tháp là một bậc thay đổi nồng độ: thành phần hơi khi rời khỏi đĩa bằng thành phần cân bằng với chất lỏng khi đi vào đĩa Do đĩ theo lý thuyết thì số đĩa bằng số bậc thay đổi nồng

độ Thực tế thì ở trên mỗi đĩa quá trình chuyển khối giữa 2 pha thường khơng đạt được cân bằng

Trang 55

Các giả thuyết trong tính toán

• Hỗn hợp nhập liệu và dòng hồi lưu vào tháp ở trạng thái lỏng sôi

• Quá trình ngưng tụ và bốc hơi không làm thay đổi thành phần pha

• Số mol pha hơi khi đi từ dưới lên bằng nhau trong tất cả tiết diện của tháp

• Số mol chất lỏng không thay đổi theo chiều cao của đoạn chưng và đoạn cất

• Đun sôi đáy tháp bằng hơi đốt gián tiếp

Trang 56

a Cân bằng vật chất:

Tổng quát:

W D

Cấu tử dể bay hơi:

w D

Trang 57

b Phương trình đường làm việc:

• Phương trình đường làm việc đoạn cất:

L x

R

L y

Trang 58

c Chỉ số hồi lưu (hoàn lưu):

F

D x

x y

y

x R



* min

Trang 61

a Thiết bị gia nhiệt nhập liệu:

m F

SF

C F r

D

F: lưu lượng nhập liệu.

Trang 62

b Thiết bị ngưng tụ:

* Ngưng tụ hoàn toàn:

F

m v

r D

D

G

Định dạng
Số trang	64
Dung lượng	2,59 MB