phần 3 các định luật về cân bằng pha

Câu 2: Phương trình cân bằng vật liệu trong thiết bị truyền chất Xét cho một nguyên tố bề mặt dF phương trình cân bằng có dạng: ???? = −???? Nếu biểu diễn trên toàn bộ bề mặt F sẽ là: ??

Câu 1: Quy tắc pha Giss và Các định luật về cân bằng pha , định luật Henry và định luật Raoult

Quy tắc pha Gibs cho phép biết được đối với một hệ nhất định có thể thay đổi bao nhiêu yếu tố mà cân bằng pha trong hệ không bị phá hủy

 Các định luật cân bằng pha

o Định luật Henry: Áp suất riêng phần của chất khí trên chất lỏng tỷ lệ thuận với nồng

độ phần mol x của nó trong dung dịch

𝑝𝑖 = 𝛹 𝑥𝑖Mặt khác, nếu 𝑦𝑖∗ là nồng độ cân bằng của cấu tử I trong hỗn hợp khí và

áp suất chung là P thì 𝑃𝑖 = 𝑦∗𝑖 𝑃

→ 𝑦∗ = 𝛹

𝑃𝑥𝑖 ↔ 𝑦∗ = 𝑚 𝑥Định luật Henry chỉ đúng với chất khí Ứng dụng trong tính toán quá trình hấp thụ

o Định luật Raoult: Áp suất riêng phần với cấu tử i trong dung dịch bằng áp suất hơi bão hòa của cấu tử đó (ở cùng nhiệt độ) nhân với nồng độ phần mol của nó trong dung dịch

𝑝𝑖 = 𝑝𝑖𝑏ℎ 𝑥

𝑝𝑖 – Áp suất hơi riêng phần của cấu tử i trong hỗn hợp hơi

𝑝𝑖𝑏ℎ - Áp suất hơi bão hòa của cấu tử i ở cùng nhiệt độ

𝑥𝑖 – nồng độ của cấu tử i trong dung dịch

Mặt khác, 𝑝𝑖 = 𝑦∗ 𝑃

→ 𝑦∗ = 𝑝𝑖𝑏ℎ

𝑃 𝑥𝑖Theo định luật Dalton: 𝑃 = 𝑝1+ 𝑝2

Câu 2: Phương trình cân bằng vật liệu trong thiết bị truyền chất

Xét cho một nguyên tố bề mặt dF phương trình cân bằng có dạng:

𝐺𝑥𝑑𝑋 = −𝐺𝑦𝑑𝑌

Nếu biểu diễn trên toàn bộ bề mặt F sẽ là: 𝐺𝑥(𝑋𝑐 − 𝑋𝑑) = 𝐺𝑦(𝑌𝑑− 𝑌𝑐)

Nếu xét ở tiết diện bất kỳ có nồng độ X, Y thì:

𝑌𝑑, 𝑌𝑐 – nồng độ phần mol tương đối trong pha 𝛷𝑦

𝑋𝑐, 𝑋𝑑 – Nồng độ cuối và nồng độ đầu của pha 𝛷𝑥 , phần mol tương đối

X, Y – nồng độ của pha 𝛷𝑥 𝑣à 𝛷𝑦 ở một tiết diện bất kỳ

Trong mỗi trường hợp cụ thể, các đại lượng 𝐺𝑥, 𝐺𝑦, 𝑌𝑑, 𝑌𝑐 đều cho trước và không đổi nên phương trình có dạng: 𝑌 = 𝐴𝑥 + 𝐵

→ Phương trình nồng độ làm việc:

∆𝑦 – Động lực quá trình chuyển khối

Câu 3:Biểu diễn quá trình bay hơi trên đồ thị t – x , y cho hỗn hợp hai cấu tử lý tưởng

𝑥𝑖 và pha hơi là 𝑦𝑖 Cuối cùng đạt đến đường ngưng tụ (điểm H) ứng với nhiệt độ

𝑡𝜏 Nồng độ pha lỏng 𝑥𝜏 và pha hơi 𝑦𝜏 Qua biểu diễn của quá trình cho thấy, quá trình bay hơi hay ngưng tụ của hỗn hợp 2 cấu tử ở áp suất không đổi có quan hệ chặt chẽ với sự thay đổi của nhiệt độ

Câu 4: Sơ đồ và nguyên tắc làm việc của hệ thống chưng bằng hơi nước trực tiếp

Quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp hợp lý nhất là chỉ dùng để tách cấu tử không tan trong nước khỏi tạp chất không bay hơi, trường hợp này sản phẩm ngưng sẽ phân lớp cấu tử bay hơi và nước

Sơ đồ:

Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp

a) Chưng gián đoạn:

1- Nồi chưng; 2- Thiết bị ngưng tụ; 3- Bình phân ly

b) Chưng liên tục, tháp chưng

Nguyên tắc: Khi chưng bằng hơi nước trực tiếp, người ta phun lớp hơi nước qua lớp chất lỏng bằng một bộ phận phun Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi nước và lớp chất lỏng, cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào trong hơi Hỗn hợp hơi nước và cấu tử trong hỗn hợp được ngưng

tụ và tách thành sản phẩm

Ưu điểm: Giảm được nhiệt độ sôi của hỗn hợp, nghĩa là có thể chưng ở nhiệt

độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dòng cấu tử Điều này rất có lợi với các chất dễ bị phân hủy cũng như các chất có nhiệt độ sôi cao

Câu 5: Sơ đồ hệ thống chưng đơn giản liên tục ? Cân bằng vật liệu ?

Nếu độ bay hơi tương đối của các cấu tử trong hỗn hợp lớn, người ta tiến hành chưng đơn giản, tức cho bốc 1 lần liên tục

Hỗn hợp đầu vào có nồng độ 𝑥𝐹 của cấu tử dễ bay hơi sẽ được đun tới nhiệt độ sôi

t trong vùng hơi lỏng với nồng độ hơi 𝑦𝐷 > 𝑥𝐹 và nồng độ 𝑥𝑊 < 𝑥𝐹 Khi đó một lượng hơi D bay lên cân bằng nhiệt động với lượng lỏng W

Theo sơ đồ trên:

𝐷 =

𝑦𝐷 − 𝑥𝐹

𝑥𝐹 − 𝑥𝑊 = tan 𝛼

Câu 6 Sơ đồ hệ thống thiết bị chưng luyện liên tục

Nguyên lý:

Hơi nước được đun sôi từ (1) sẽ được đưa qua tháp chưng luyện 2 phần hơi tiếp tục được đưa sang (3) để ngưng tụ thành chất lỏng và tách ra 1 lượng được quay lại (2) hồi lưu

Từ (3) chất lỏng sẽ được chuyền đến (4) đun thành hơi quay lại (2) để hồi lưu tiếp xúc lỏng qua các đĩa

Câu 7: Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng và đoạn luyện của tháp chưng luyện liên tục



P

x B R



Phương trình (2) là phương trình đường nồng độ làm việc ở đoạn luyện Nó có dạng đường thẳng và góc nghiêng 1 như hình:

0 1

0

1

L R

Tại y = x có x P y D, tức đi qua điểm yx P

trên đường chéo Điều này thể hiện quan hệ

giữa nồng độ của pha lỏng ở một tiết diện bất

kì trên đoạn luyện và nồng độ pha hơi ở cùng

tiết diện phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu và nồng

độ của sản phẩm đỉnh Trong trường hợp hồi

lưu hoàn toàn lượng sản phẩm đỉnh thì:

W 0

đường nồng độ làm việc ở đoạn

Câu 8 : Sơ đồ hệ thống chưng gián đoạn ? Cân bằng vật liệu cho chưng gián đoạn :

Quá trình ngưng hơi được lấy ra ngay và cho ngưng tụ dung dịch lúc đầu F có thành phần xF đun đến nhiệt độ sôi hơi bốc lên tại điểm P1 ứng với t1.Sau thời điểm t2 ta được thành phần sản phẩm đỉnh tại P2 <P1 và thành phần lỏng chuyển

về cấu tử khó bay hơi.Cuối cùng ta có chất lỏng còn lại trong bình chưng với thành phần xW < xF.

Tại thời điểm khác nhau thu được sản phẩm đỉnh cũng có thành phần khác nhau tại xp1 > xP2 > xP3, thành phần trung bình biểu hị tại điểm P là xP

Ứng dụng :

- Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác xa nhau

- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

- Tách hỗn hợp sơ bộ nhiều cấu tử

* Cân bằng vật liệu

Tại thời điểm T1 thành phần cấu tử bay hơi trong bình là L.x trong khoảng thời gian đó sẻ có một lượng nhỏ bốc hơi là dL với thành phần dx

Nồng độ hơi y ở thời điểm T1 cũng kết tủa sau khoảng thời gian đó là (y- dy) Phương trình cân bằng vật liệu :

1 1

Câu 9 : Sơ đồ hệ thống chưng luyện gián đoạn ?

Có thể coi tháp chưng luyện gián đoạn nhự là đoạn luyện của tháp chưng luyện liên tục Trong hệ thống chưng luyện gián đoạn hỗn hợp đầu được đưa vào đáy tháp theo từng mẻ Hỗn hợp đáy được đun nóng bằng hơi gián tiếp đến nhiệt độ sôi

và sau đó giữ cho sôi đều đặn Hơi tạo thành vào tháp Quá trình xảy ra ở trong tháp giống như đoạn luyện trong tháp chưng luyện liên tục Hơi từ đĩa trên cùng đi vào thiết bị ngưng tụ ở đó một phần lỏng được hồi lưu về tháp ở đĩa trên cùng, phần còn lại đi vào thiết bị làm lạnh để vào thùng chứa sản phẩm Khi muốn thu nhiều loại sản phẩn thì đặt nhiều thùng chứa ứng với từng sản phẩm Sau khi chưng xong, sản phẩm đáy được tháo ra và cho hỗn hợp đầu vào để tiến hành mẻ mới Quá trình trình chưng luyện gián đoạn có thể tiến hành theo hai cách: chưng luyện gián đoạn có thể tiến hành theo hai cách: chưng luyện gián đoạn với chỉ số hồi lưu không đổi hoặc với thành phần sản phẩm đỉnh không đổi

10 Cân bằng vật liệu và phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ

+ Gy – lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ kmol/h

+ Yđ – nồng độ đầu của hỗn hợp khí kmol/kmol khí trơ

+ Yc – nồng độ cuối của hỗn hợp khí kmol/kmol khí trơ

+ Gx – lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ kmol/h

+ Xđ – nồng độ đầu của dung môi kmol/kmol dung môi

+ Gtr – lượng khí trơ kmol/h

Lượng khí trơ được tính theo công thức

𝐺𝑚𝑖𝑛 = 𝐺𝑡𝑟( 𝑌𝑑− 𝑌𝑐

𝑋𝑐𝑏.𝑑− 𝑋𝑑) (

𝑘𝑚𝑜𝑙

ℎ )

Xcb.d – nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí

Nếu tính lượng dung môi theo 1 kg khí trơ ta có lượng dung môi tiêu hao là:

Câu 11 Sơ đồ hệ thống hấp thụ có tuần hoan và nhả

1- tháp hấp thụ, 2- Bể chứa, 3 – Bơm, 4- làm lạnh, 5 – Đun nóng, 6- Tháp nhả

Khí được đưa vào ở tháp 1 đến tháp 2 khí trở được đưa ra ngoài

Chất lỏng ở bể chứa 2 được bơm 3 chuyển sang thiết bị đun nóng số 5 sau đó đưua sang tháp nhả 6, khí được đưa ra ngoài, dung môi lấy ra ở tháp đáy, chuyển vào bể chứa 2 được bơm 3 chuyển sang thiết bị đun nóng 5 và chuyền lên thiết bị làm lạnh

4 chuyển vào tháp số 2 nó phụ thuộc vào vòi đưa vào bình chứa 2 được bơm 3 bơm trở lại tháp 2, 1 phần trích sang tháp 1 làm dòng lỏng

Câu 12 Cấu tạo tháp đĩa chóp dùng cho chưng luyện và hấp thụ

Tháp đĩa chóp là tháp gồm nhiều đĩa, trên đĩa có lắp nhiều chóp Trên mỗi đĩa có ỗng chảy chuyền để vận chuyển chất lỏng từ đĩa này sang đĩa khác Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào kích thước tháp và lưu lượng chất lỏng ống chảy chuyền được bố trí theo nhiều cách Khí đi từ dưới lên qua ống hơi vào chóp, qua khe chóp

để tiếp xúc với chất lỏng trên đĩa Chóp có cấu tạo tròn hay dạng khác Thân chóp

có rãnh tròn, chữ nhật hoặc tam giác để khí đi qua Hình dạng của rãnh trên chóp không ảnh hưởng mấy đến quá trình chuyển khối Chóp được lắp vào đĩa bằng nhiều cách

Câu 13) Nguyên tắc trích ly biểu diễn trên đồ thị tam giác ? Cân bằng vật liệu của quá trình trích ly

*Nguyên tắc trích ly:

Hỗn hợp hai cấu tử L và M hoàn toàn

tan lẫn vào nhau, ta có thể tách chúng ra

khỏi nhau bằng phương pháp trích ly

nếu chọn được dung môi thứ G thích

hợp Trên đồ thị tam giác đều ta đặt

dung môi thứ G ở góc phải dưới Dung

môi đầu L hòa tan hạn chế trong dung

môi thứ đặt ở góc trái dưới Cấu tử cần

tách (cấu tử phân bố ) M hòa tan hoàn

toàn trong dung môi đầu và trong dung

môi thứ đặt ở đỉnh

Hỗn hợp đầu, giả sử gồm hai cấu tử L

và M có thành phần biểu diễn ở F0 Nếu ta thêm dung môi thứ G vào F0 ta được một hỗn hợp ba cấu tử, mà thành phần của hỗn hợp này được biểu diễn ở điểm nào đấy nằm trên đường thẳng F0G phụ thuộc vào tỉ lượng G/F0

Giả sử ở điểm N, hỗn hợp N là hỗn hợp dị thể, không hòa tan vào nhau, phân thành hai lớp (hai pha) Pha E gồm hầu hết là G, M và một phần L Pha R gồm hầu hết L, một phần G và M Nồng độ của cấu tử cần tách trong pha E là EE lớn hơn trong pha raphinat là RR

Tìm cách tách raphinat R ra khỏi dung dịch trích E (thường bằng phương pháp gạn), rồi thêm dung môi thứ G vào R, ta được một hệ ba cấu tử mới có thành phần

ở N1 Cũng như trên hỗn hợp N1 là hỗn hợp không đồng nhất sẽ phân thành hai pha (hai lớp): pha raphinat R1 và pha trích E1 Rõ ràng thành phần của dung môi đầu L trong R1 lớn hơn trong R và nếu tiếp tục làm như thế đồng thời tách dung môi thứ

ra khỏi raphinat thì cuối cùng ta thu được raphinat gồm hầu hết là dung môi đầu Còn cấu tử cần tách M có độ tinh khiết tối đa sau khi đã tách hết dung môi G chỉ đạt được ở điểm Fm, tức là giao điểm của đường tiếp tuyến GEm với cạnh ML Tuy nhiên ta có thể thay đổi điều kiện của quá trình như giảm nhiệt độ, chọn dung môi thứ G để có diện tích vùng dị thể lớn hơn, có độ dốc đường liên hợp lớn hơn thì có thể thu được cấu tử cần tách tinh khiết hơn

* Cân bằng vật liệu quá trình trích ly

Phương trình cân bằng vật liệu của quá trình trích ly lỏng – lỏng có dạng:

F + S = R + E = N

Với: F – khối lượng của hỗn hợp đầu (dung

môi đầu L và cấu tử phân bố M), kg/h

S- Khối lượng của hỗn hợp dung môi thứ

(gồm chủ yếu là dung môi thứ G có hòa tan

một ít cấu tử phân bố M và dung môi đầu

L), kg/h

E, R – Khối lượng của pha trích và pha

raphinat (phân lớp không hòa tan vào

nhau), kg/h

Từ đồ thị thình trên ta thấy rằng phương

trình cân bằng vật liệu có thể xem như quá trình trộn lẫn hỗn hợp đầu F với dung môi có thành phần S được một hỗn hợp ở N Hỗn hợp có thành phần ở N không hòa tan vào nhau và phân thành hai lớp: raphinat R và dung dịch trích E ở trạng thái cân bằng Từ hình vẽ theo quy tắc đòn bẩy ta có:

S FN

F  SN hay S F FN

SN

Tương tự đối với raphinat R và dung dịch trích E:

R EN

E  RN hay R E EN

RN

Trong đó FN SN EN RN là các đoạn thẳng đo được trên hình 4.6 cùng thứ , , ,

nguyên chiều dài

Câu 14: cách xác định đường chuẩn trên đồ thị tam giác?

Vùng trong đường cong là dị thể

2 điểm trong vùng dị thể phân làm 2 pha R và E

tuân theo quy tắc đòn bẩy

Câu 15: sơ đồ trích ly nhiều bậc chéo dòng

Nguyên tắc làm việc như sau: hỗn hợp đầu F dẫn vào thiết bị trích ly 1 được trộn lẫn với một lượng dung môi thứ G I cho đên khi đạt cân bằng Tách pha trích Ei ra còn raphinat bậc 1: R1 dẫn vào thiết bị trích ly 2, được trộn lẫn với một lượng dung môi thứ G2 mới cho đến khi đạt cân bằng, tách pha trích E2 ra còn raphinat bậc 2:

R2 lại dẫn vào làm nguyên liệu đầu ở thiết bị trích ly 3 và quá trình lại xảy ra tương

tự như trên cho đến khi raphinat đạt được nồng độ theo yêu cầu

Biểu đồ biểu thị :

Hỗn hợp đầu được biểu diễn ở điểm F trộn với dung môi G; được biểu diễn ở điểm

N1 Sau khi đạt được cân bằng ta thu được pha trích E1 và pha raphinat R1 Raphinat bậc một là nguyên liệu đầu của bậc hai, ở đây được trộn với một lượng dung môi mới G2 nên điểm hỗn hợp N2 nằm trên đoạn thẳng R G , , số đường liên hợp 1 RE

chính là số bậc trong trích ly nhiều bậc chéo dòng

Câu 16: trích ly nghược chiều:

Cân bằng vật liệu:

Đổì với bậc 1: F +E2=R1 +E1 hay F –E1 =R1 - E2 = P

Đốì vối bậc 2: R1 +E3 = R2+E2 hay R1 -E2 = R2 -E3 = P

Đối với bậc n: Rn-1 +G = Rn+En hay Rn-1 -En=Rn - G = P

Từ phương trình trên ta được:

F=P + E1; R1= P + E2; R2= P+E3; …

Các đường thẳng FE1 ,R2E3 ,… ,RNG gặp nhau tại 1 điểm P P được gọi là điểm cực hay điểm làm việc của quá trình trích ly nhiều bặc 1 chiều vì vậy cách xác định

số bậc trích ly dựa vào P:

Trên đường liên hợp đi qua E1 (theo số liệu của đường cân bằng đã cho) ta tìm được điểm R1 đó là giao điểm của đường liên hợp E1R1 và đưòng cân bằng

Qua điểm P và R1 ta kẻ một đoạn thẳng kéo dài cắt nhánh phải của đường cân bằng, đó chính là điểm E2 Theo số liệu đường cân bằng ta vẽ được đường liên hợp E2R2 đó chính là bậc trích ly lý thuyết thứ hai

Nối P với R2 kéo dài cắt nhánh phải của đường cân bằng tại điểm E3 Cứ vẽ như vậy cho đến khi thu được raphinat bậc cuối cùng có thành phần cấu tử phân bố nhỏ hơn hoặc bằng thành phần theo số liệu kỹ thuật yêu cầu Số đường liên hợp thu được (E1R1 ,E2R2 ,E3R3 , v.v.) chính là số bậc lý thuyết của quá trình trích ly nhiều bậc ngược chiều

Câu 17: các thông số cơ bản của không khí ẩm

- Độ ẩm tuyệt đối của không khí: là lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm,

về trị số thì bằng khối lượng riêng của hơi nước ở trong hỗn hợp không khí ẩm,

kí hiệu là h; thứ nguyên là kg/m3

- Độ ẩm tương đối của không khí (mức độ bão hòa của hơi nước ) là: tỉ số tương

đối giữa lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí với lượng hơi nước chứa trông 1m3 không khí đó đã bão hòa hơi nước ở cùng một nhiệt độ và áp suất, kí hiệu là :

- Hàm ẩm của không khí ẩm: là lượng hơi nước chứa trong 1kg không khí khô

(kkk); kí hiệu là x; kg/kgkkk ( kg ẩm/ kg không khí khô):

h kkk

I -nhiệt lượng riêng của không khí ẩm có hàm ẩm x;

Ckkk –nhiệt dung riêng của kkk, J/kg.độ;

t –nhiệt độ không khí;

ih –nhiệt lượng riêng của hơi nước ở nhiệt độ t, J/kg;

- Thể tích và khối lượng riêng của không khí ẩm:

+ thể tích không khí ẩm tính theo 1kg kkk được tính theo công thức:

. bh

RT V

0, 378 1

 khối lượng riêng của không khí ở đktc

P0 ,P áp suất chung của hỗn hợp không khí ẩm ở nhiệt độ T0 và T

Điểm sương

Nhiệt độ của hỗn hợp khí tương ứng với trạng thái bão hòa hơi nước gọi là nhiệt độ điểm sương kí hiệu ts điêm sương là giới hạn quá trình làm lạnh không khí trong

điều kiện hàm ẩm x=const

ở nhiệt độ điểm sương =1 nên ta có 0.622 bh

bh

p x

P p



 hay bh 0.622

xP p

x



 biết được pbh tra bảng tìm được nhiệt độ điểm sương

Nhiệt độ bầu ướt

Đặc trưng cho khả năng cấp nhiệt của không khí để làm bay hơi nước cho đến khi không khí bão hòa hơi nước

Để đo nhiệt độ bầu ươt dùng ẩm kế