Chương 6 7CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI

PHẦN : CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI CHƯƠNG CƠ SỞ QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI CHƯƠNG CHƯNG CẤT VÀ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT CHƯƠNG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ VÀ THIẾT BỊ HẤP THỤ CHƯƠNG SẤY VÀ THIẾT BỊ SẤY 6.1 Khái niệm chuyển khối •Chưng trình tách hỗn hợp lỏng thành cấu tử riêng biệt , vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha ngược lại •Hấp thụ trình hút khí vào chất lỏng vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng •Hấp phụ trình hút khí vào chất rắn xốp vật chất di chuyển từ pha khí vào pha rắn •Trích ly trình tách chất hòa tan chất lỏng hay chất rắn chất lỏng khác •Kết tinh trình tách chất rắn dung dịch vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha rắn •Sấy trình tách nước khỏi vật ẩm vật chất ( nước ) từ pha rắn hay lỏng vào pha khí 6.2 Sự cân pha động lực trình chuyển khối 6.2.1 Sự cân pha động lực trình chuyển khối y* = f1 (x) x* = f2 (y) yM Φy Φx xM Nếu y < y* vật chất di chuyển từ pha ? vào pha ? y>y* vật chất di chuyển từ pha ? vào pha ? 6.2.2 Quy tắc pha Giss Các định luật cân pha • Quy tắc pha Gibb •Định luật Henry “Áp suất riêng phần khí lỏng tỉ lệ thuận với nồng độ phần mol x dung dịch:” pi = Ψ.xi ( 6.1) * Mặt khác yi nồng độ cân cấu tử i hỗn hợp khí áp suất chung P pi tính theo phương trình : pi = yi* P ( 6.2 ) Từ (6.1) (6.2) ta có : yi* = Ψ xi ⇔ y * = mx P Đường biểu diễn 6.3 đường cân Nó biểu thị mối liên hệ nồng độ cân pha khí nồng độ dung dịch Trong trường hợp chung đường cân đương cong có dạng y* = f ( x ) Thường dùng cho tính toán hấp thụ • Định luật Raoult Áp suất riêng phần cấu tử i dung dịch áp suất bão hòa cấu tử (ở nhiệt độ ) nhân với nồng độ phận mol dung dịch pi =pibh xi (6.4 ) Mặt khác theo (6.2) kết hợp với (6.4) ta có * i y pibh = x1 P (6.5 ) Ta lại có theo định luật Danton cho hệ hai cấu tử Hay : P =p1bh x +p2bh (1 − x) P =p1 +p2 (6.6 ) (6.7 ) Thay P (6.7) vào (6.5) ta có : * i y pibh x = bh bh p1 x +p2 (1 − x) (6.8 ) p1bh Gọi α = bh độ bay tương đối cấu tử hỗn hợp : p2 α x yi* = 1+ x (α − 1) (6.9 ) Lý tưởng 6.3 Cơ chế động học trình vận chuyển vật chất hệ pha Khi hai pha chuyển động tiếp xúc nhau, cản trở pha với pha nghĩa ma sát chúng mà bề mặt phân chia pha tạo thành hai lớp màng Chế độ chuyển động màng nhân có khác màng luôn có chuyển động dòng, nhân dòng có chuyển động xoáy Đặc trưng di chuyển vật chất màng nhân dòng khác •Quá trình di chuyển vật chất màng trình khuếch tán phân tử •Ở nhân dòng di chuyển vật chất nhờ sáo trộn phân tử dòng, gọi khuếch tán đối lưu 6.3.1 Khuyếch tán phân tử - định luật Fick I dG dC = −D Fdτ dx ( 6.10 ) Trong : F bề mặt vuông góc với hướng khuếch tán, m2 D gọi hệ số tỉ lệ hay gọi hệ số khuếch tán m2/h τ thời gian , h 6.3.2 Khuyếch tán đối lưu phương trình vi phân khuếch tán đối lưu – định luật fick II Bằng cách lập phương trình vi phân cân vật chất Fick đưa phương trình vi phân cho khuếch tán đôi lưu sau :  ∂ 2C ∂ 2C ∂ 2C  ∂C ∂C ∂C D + + = ω + ω + ω x y z 2 ÷ ∂ x ∂ y ∂ z ∂ x ∂ y ∂z   Hay viết dạng tổng quát Vectơ: ur div Cω = div ( DgradC ) ( ) ( 6.12 ) ( 6.11) 6.3.3 Phương trình cân vật liệu thiết bị truyền chất Xét cho nguyên tố bề mặt dF phương trình cân vật liệu có dạng Gx dX = −G y dY ( 6.13) Nếu biểu diễn toàn bề mặt F : Gx ( X c − X d ) = G y ( Yd − Yc ) ( 6.14 ) Nếu xét tiết diện có nồng độ X Y : Gx ( X − X d ) = G y ( Y − Yc ) Gx Gx Y= X + Yc − Xd Gy Gy ( 6.15 ) Trong trường hợp đại lượng Gx , Gy Yc , Xđ cho trước không đổi nên phương trình (6.15) có dạng Y = AX + B (6.16) Phương trình (6.16) gọi phương trình đường nồng độ làm việc d) Đồ thị y – x Động lực chưng luyện biểu thị qua hiệu số nồng độ đường cân bằn đường chéo ( hình 6.7 ) Trên đường chéo có y = x động lực thể qua nồng độ pha y* - y = Δy nồng độ pha lỏng x – x* = Δx Điều kiện để tiến hành chưng luyện nồng độ pha phải lớn nồng độ pha lỏng điều kiện cân nhiệt động Khả bay cấu tử thể qua α đại lượng tỉ lệ với động lực trình Trường hợp α = trình không tách cấu tử có nhiệt độ sôi áp suất bão hòa nên động lực không Chưng bằng nước trực tiếp Trong thực tế chất lỏng không tan vào độ hòa tan vào chúng bé ( ví dụ Benzen – nước ) ta coi chung không tan vào Những tính chất hỗn hợp là: •Áp suất riêng phần cấu tử không phụ thuộc vào có mặt cấu tử hỗn hợp áp suất bão hòa cấu tử nguyên chất nhiệt độ PbhA = pA PbhB = pB •Áp suất chung hỗn hợp tổng áp suất bão hòa cấu tử P = PbhA + PbhB = pA + pB (7.3) Nhiệt độ sôi hỗn hợp thấp nhiệt độ sôi cấu tử 7.3.1 Sơ đồ chưng bằng nước trực tiếp Quá trình chưng nước trực tiếp hợp lý dùng để tách cấu tử không tan nước khỏi tạp chất không bay hơi, trường hợp sản phẩm ngưng phân lớp cấu tử bay nước Ưu điểm trình chưng giảm nhiệt độ sôi hỗn hợp, nghĩa chưng nhiệt độ thấp nhiệt độ sôi cấu tử Điều có lợi với chất dễ bị phân hủy chất có nhiệt độ sôi cao Chưng liên tục Chưng đơn giản liên tục Nếu độ bay tương đối cấu tử hỗn hợp lớn người ta tiến hành chưng đơn giản, tức cho bốc lần liên tục Hỗn hợp đầu vào có nồng độ XF cấu tử dễ bay đun tới nhiệt độ sôi t vùng lỏng với nồng độ yD > xF nồng độ xw < xF Khi lượng D bay lên cân nhiệt động với lượng lỏng W 7.4.2 Đồ thị x,y-t y-x Giữa hai trường hợp giới hạn ta có: yD = yDmax xF = yDmin xF = xwmax xw = xwmin W=F D=F D=O W = OF Trong thực tế có phạm vi làm việc : yDmin < yD < yDmax 7.4.3 Cân vật liệu trình chưng đơn giản Theo sơ đồ ( 7.8 ) ta có : F=D+W Cho cấu tử dễ bay F.xF = D.xD + W.xW (7.4) (7.5) Từ (7.4) (7.5) ta rút : W y D − xF = = tgα D x F − xW ( 7.6 ) 7.4.4 Chưng luyện liên tục •Cấp nhiệt vào phận đun sôiở bình cuối tỏa nhiệt thiết bị ngưng tụ sau bình lần •Cho pha lỏng từ bình chảy suống bình pha bình sục vào bình , ngưng tụ phần, nhiệt tỏa trình ngưng tụ đun sôi chất lỏng , làm bay phần chất lỏng bình •Cho môt phần dịch ngưng từ thiết bi ngưng tụ trở bình gọi lượng lỏng hồi lưu, để trì trình truyền chất bình bình tiếp niệu b) Cân vật liệu phương trình đường nồng độ làm việc c Số đĩa lý thuyết tháp chưng: 7.5 Chưng gián đoạn 7.5.1 Chưng cất gián đoạn đơn giản 7.5.2 Chưng luyện gián đoạn [...].. .6. 3.4 Phương trình cấp chất và phương trình truyền chất * Phương trình cấp chất dG = β x dF ( xbg − x ) τ kx = dG = β y dF ( ybg − y ) τ * Phương trình truyền chất G = k x F ∆xtb τ ky = G = k y dF ∆ytb τ 1 1 1 + β x m.β y 1 1 m + β y βx Trong đó động lực trung bình được tính : ∆x1 − ∆x2 ∆xtb = ∆x1 ln ∆x2 ∆ y − ∆ y2 ∆ytb = 1 ∆y1 ln ∆y2 ∆x1 = xc − xd* Và ∆x2 = xd − xc* ∆y1 = yc − yd* ∆y1 = yd − yc* CHƯƠNG... hợp hai cấu tử là lí tưởng Quá trình bay hơi của hỗn hợp •Xét cho hỗn hợp thực Đồ thị hình 6. 5 biểu thị đồ thị x,y-t cho hỗn hợp lý tưởng và thực Trường hợp hỗn hợp tồn tại điểm đửng phí ở áp suất cự đại d) Đồ thị y – x Động lực của chưng luyện được biểu thị qua hiệu số nồng độ đường cân bằn và đường chéo ( hình 6. 7 ) Trên đường chéo có y = x và động lực được thể hiện qua nồng độ pha hơi y* - y = Δy... 7.4.3 Cân bằng vật liệu trong quá trình chưng đơn giản Theo sơ đồ ( 7.8 ) ta có : F=D+W Cho cấu tử dễ bay hơi F.xF = D.xD + W.xW (7.4) (7.5) Từ (7.4) và (7.5) ta rút ra : W y D − xF = = tgα D x F − xW ( 7 .6 ) 7.4.4 Chưng luyện liên tục •Cấp nhiệt ở vào ở bộ phận đun sôiở bình cuối cùng và tỏa nhiệt đi ở thiết bị ngưng tụ sau bình trên cùng một lần •Cho pha lỏng từ bình trên chảy suống bình dưới và pha hơi