KT quá trình thiết bị 2 - Chuơng 5: Quá trình truyền khối hấp thu

Các biểu diễn thành phần pha•G: lưu lượng mol của pha y pha khí, kmol/h •L: lưu lượng mol của pha x pha lỏng, kmol/h •G i : lưu lượng mol của cấu tử i đang xét trong pha y, kmol/h •L i :

Trang 1

KỸ THUẬT QUÁ TRÌNH VÀ

THIẾT BỊ 2 Chương 5: Quá trình truyền

khối – hấp thu

GV: TS Bùi Tấn Nghĩa

I Định nghĩa & Phân loại

1 Định nghĩa:

“Quá trình truyền vật chất từ pha (phase) này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau gọi là quá trình truyền khối.

Động lực của quá trình là sự sai biệt nồng

độ làm cho chất khuếch tán từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp.”

2

Quá trình truyền khối (Mass transfer)

I Định nghĩa & Phân loại

2 Phân loại:

Hấp thu (absorption)

Chưng (distillation)

Hấp phụ (adsorption)

Trích ly (extraction, destraction)

Kết tinh (crystallization)

Hòa tan (dissolvation)

Trao đổi ion (ion exchange)

II Các biểu diễn thành phần pha

a Nồng độ phần mol, mol/(mol hỗn hợp) b.Nồng độ phần khối lượng, kg/(kg hỗn hợp)

c Nồng độ tỷ số mol d.Nồng độ tỷ số khối lượng

1 Các loại nồng độ thành phần

Trang 2

•G: lưu lượng mol của pha y (pha khí), kmol/h

•L: lưu lượng mol của pha x (pha lỏng), kmol/h

•G i : lưu lượng mol của cấu tử i đang xét trong pha y, kmol/h

•L i : lưu lượng mol của cấu tử i đang xét trong pha x, kmol/h

y: nồng độ phần mol của cấu tử đang xét trong pha y

x: nồng độ phần mol của cấu tử đang xét trong pha x

Y: nồng độ tỷ số mol của cấu tử đang xét trong pha y

X: nồng độ tỷ số mol của cấu tử đang xét trong pha X

Quy ước:

5

• : lưu lượng k/lượng của pha y (pha khí), kg/h

• : lưu lượng k/lượng của pha x (pha lỏng), kg/h

• : lưu lượng k/lượng của cấu tử i đang xét trong pha y, kg/h

• : lưu lượng k/lượng của cấu tử i đang xét trong pha x, kg/h : nồng độ phần k/lượng của cấu tử đang xét trong pha y : nồng độ phần k/lượng của cấu tử đang xét trong pha x : nồng độ tỷ số k/lượng của cấu tử đang xét trong pha y : nồng độ tỷ số k/lượng của cấu tử đang xét trong pha x

G L i G i

L y x Y X

6

Nồng độ phần mol của cấu tử trong pha x, pha y

Các loại nồng độ thành phần

G

G y L

L

Nồng độ phần khối lượng của cấu tử trong pha x, pha y

G

G y L

L

7

Nồng độ tỷ số mol của cấu tử trong pha x, pha y Các loại nồng độ thành phần pha

i i i

i

G G

G Y L L

L X









Nồng độ tỷ số khối lượng của cấu tử trong pha x, pha y

i i i

i

G G

G Y L L

L X









8

Trang 3

2 Quan hệ giữa các nồng độ thành phần pha

9

10

Y M

M

.



III Cân bằng pha (phase)

 Tại mỗi điều kiện xác định sẽ tồn tại một mối quan

hệ cân bằng giữa nồng độ của cấu tử trong hai pha

vàđược biểu diễn bằng đường cân bằng

 Khi cânbằng thì sự khuếch tán tổng cộng của hai phabằng 0

 Khi chưa cân bằng, sẽ xảy ra Quá trình khuếch táncủa cấu tử giữa hai pha để đưa hệ về trạng thái cânbằng

 Giới hạn của quá trình truyền khối là khi hệ đạt trạng thái cân bằng

1.Khái niệm

Trang 4

Chiều khuếch tán của cấu tử sẽ tuân

13

Định luật Henry:

“Đối với dung dịch lý tưởng áp suất

p = H.x

2 Các định luật về Cân bằng pha (phase)

14

Định luật Raoult: “Áp suất riêng

phần p của một cấu tử trên dung

dịch bằng áp suất hơi bão hòa Pbh

của cấu tử đó (ở cùng nhiệt độ) nhân

với nồng độ phần mol x của cấu tử

đó trong dung dịch.”

p = Pbhi.x

2 Các định luật về Cân bằng pha (phase)

15

Ở trạng thái cân bằng, ta có:

• Định luật Raoult: p* = Pbh.x

p* = P.y*

• y*=(Pbh/P).x

16

Trang 5

ycb = m.x

ycb = f(x)

x

y

17

Khuếch tán phân tử

 Xảy ra trong lớp màng ở chế độ

chuyển động dòng

 Động lực là chênh lệch nồng độ

 Khuếch tán từ nơi nồng độ cao đến

nơi nồng độ thấp trong lớp màng

 Xảy ra rất chậm

IV Quá trình khuếch tán

18

IV Quá trình khuếch tán

 Khuếch tán đối lưu

 Xảy ra trong nhân pha ở chế độ

chuyển động xoáy

 Xảy ra là nhờ sự xáo trộn của các

phân tử trong dòng

 Khuếch tán phân tử quyết định tốc

độ cho cả Quá trình khuếch tán

V Động lực khuếch tán

 y

 x

Trang 6

Nếu tính theo pha y

y = ycb – y hay y = y – ycb

Nếu tính theo pha x

x = xcb – x hay x = x – xcb

21

Phương trình truyền khối

G = ky..F.ytb= kx..F.xtb

Động lực trung bình

2 1

ln

y y

ytb











2 1

ln

x x

xtb











22

VI Phương pháp tính kích thước thiết bị truyền khối

D

H

23

0

.

4





V

D 

trongđó: V – lưu lượng thể tích của pha y, m3/s

 0–vận tốc pha y đi qua toàn bộ tiết diện thiết bị, m/s.

24

Trang 7

2.Tính chiều cao

• Dựa vào phương trình truyền khối

tb

y y k

G F





tb

x x k

G F





f y k

G H

tb

y 



f x k

G H

tb

x 



Từ đó tính chiều cao thiết bị H Nếu là tháp đệm thì:

F = .V ; m2 Hay là F = .H.f

Từ đó rút ra:

trong đó: V- thể tích làm việc của thiết bị, m 3

 - bề mặt riêng của đệm, m 2 /m 3

f – tiết diện ngang của thiết bị, m 2 25

2.Tính chiều cao

• Tính theo bậc thay đổi nồng độ



l t

N

N 

) 1

H

t

N h

 - hệ số hiệu chỉnh (hiệu suất ngăn) Chiều cao thiết bị được xác định như sau:

-Đối với tháp mâm(đĩa):

h – khoảng cách giữa hai ngăn, m -Đối với tháp đệm(chêm):

h0– chiều cao tương đương một bậc thay đổi nồng độ 26

Quá trình hấp thu (Absorption)

“Hấp thụ là quá trình hấp khí bằng chất

lỏng, khí bị hút gọi là chất bị hấp thụ, chất

lỏng dùng để hút gọi là dung môi (còn gọi

là chất hấp thụ), khí không bị hấp thụ gọi

là khí trơ.”

Ứng dụng

Quá trình hấp thụ đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, 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 8

Dung môi và tính chất của dung môi

Quá trình hấp thụ thực hiện được tốt hay

xấu phần lớn là do tính chất dung môi

quyết định.

Các tính chất cần thiết của dung môi:

29

1 Có tính chất hòa tan chọn lọc

Nghĩa là chỉ hòa tan với 1 hoặc 1 nhóm cấu tử, còn những cấu tử khác không

có khả năng hòa tan hoặc

hòa tan rất ít.

30

2 Độ nhớt của dung môi bé

Để giảm trở lực và tăng

hệ số chuyển khối

31

3 Nhiệt dung riêng bé

Để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi

32

Trang 9

4 Có nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi

của cấu tử hòa tan

Để dễ dàng phân riêng chúng qua chưng luyện

33

5 Có nhiệt độ đóng rắn thấp

Để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị

34

6 Không tạo thành kết tủa khi hòa tan

Để tránh tắc thiết

bị và dễ thu hồi dung môi

7 Ít bay hơi

Để tránh tổn thất

Trang 10

8 Không độc và không ăn mòn thiết bị

An toàn cho người và bảo

vệ thiết bị

37

2.1 Cơ sở vật lý của quá trình hấp thu

2.1.1 Độ hòa tan của 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 của khí trong chất lỏng phụ thuộc vào:

Tính chất của khí và chất lỏng

Nhiệt độ môi trường

Áp suất riêng phần của khí trong hỗn hợp.

38

Định luật Henry-Dalton

Biểu thức:

ycb= m.x

Khi tính toán hấp thụ, người ta thường

dùng tỷ số mol, trong trường hợp này ta

có:

39

1

Y

y

Y



X x

X





2.1.2 Cân bằng vật chất của quá trình hấp

thụ

Gọi:

G d : lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ kmol/h.

kmol/kmol khí trơ.

Y c : nồng độ tỷ số mol cuối của hỗn hợp khí kmol/kmol khí trơ.

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

kmol/kmoldung môi

X c : nồng độ tỷ số mol cuối của dung môi kmol/kmol dungmôi

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

40

) 1

1 ( )

1 (

đ đ

tr

Y G

y G

G









Trang 11

Phương trình cân bằng vật chất (toàn tháp)

Theo nguyên tắc: lượng khí pha lỏng thu

được bằng lượng khí mất đi trong pha

hơi.

Gtr(Yđ - Yc) = Ltr(Xc - Xđ)

Xác định lượng dung môi cần thiết:

41

tr tr



Xác định lượng dung môi tối thiểu

Lượng dung môi tối thiểu khi nồng độ chất tan trong dung môi đạt cực đại:

42

trmin tr

max



Xác định Xcmax(Đường cân bằng cong lồi)

Y

X

Yc

Đường cân bằng

Yd

Ltrmin/Gtr D

X

Yc

Yd

D

đường thẳng)

Trang 12

Lượng dung môi cần thiết

đ c

c đ

tr tr

tr

đ c

c đ

tr tr

X X

Y

Y G

L b

L

X X

Y

Y G

L









min

max min

*

45

Phương trình cân bằng vật chất đối với khoảng thể tích thiết bị

kể từ một tiết diện bất kì nào

đó với phần trên của thiết bị.

Gtr( Y - Yc) = Ltr(X - Xd) Suy ra:

46

Y = tr X + Y - X tr

Số mâm lý thuyết (số bậc thay đổi nồng độ)



lt t

N

N 

47

Quá trình xuôi dòng

Y

X

Y2

Xe

Y1 Đường làm việc

- Ltr/Gtr

Ye

48

Trang 13

Trong điều kiện làm việc nhất định thì lượng khí bị hấp

thụ không đổi và xem hệ số truyền khối là không đổi

2.1.3 Sự liên hệ giữa lượng dung môi và kích thước TB

Như vậy bề mặt tiếp xúc chỉ thay đổi tương ứng với sự

thay đổi của Ytbsao cho tích số F Ytblà không đổi

Ta có thể khảo sát sự thay đổi động lực trung bình Ytb

trên đồ thị Y-X Khi Yđ, Ycvà Xdcố định thì giá trị nồng

độ cuối của dung môi Xcquyết định động lực trung bình

của quá trình

49

2.1.3 Sự liên hệ giữa lượng dung môi và kích thước TB

50

2.1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên

quá trình hấp thu

Nhiệt độ tăng => Hằng số Henry tăng

Y

t1 < t2 < t3< t4

P

t4 t3 t2 t

1

Q

Đường

làm việc

2.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thu

Áp suất tăng => Hằng số Henry giảm

Y

P1 < P2 < P3< P4

P

4 Q

Đường làm việc

Trang 14

TÓM TẮT CÔNG THỨC

Lượng khí trơ đi trong thiết bị:

) 1 ( ) 1 ( 1

1 1

1

c c đ đ c c d đ

Y

G Y

G









Lượng hỗn hợp khí vào và ra khỏi thiết bị

) 1 ( 1

1

) 1 ( 1

1

c tr

c

đ tr

d tr

đ

Y G

y G

G

Y G

y G

G

















53

Chuyển đổi từ V(m/h) sang G(kmol/h) chỉ áp dụng với chất khí

RT

V P

G  .

Lượng hỗn hợp lỏng vào và ra khỏi thiết bị

) 1

( 1

1

) 1

( 1

1

c tr

c

đ tr

d tr

đ

X L

x L

L

X L

x L

L

















54

Nồng độ của pha khí

Lượng dung môi sử dụng

đ c

c đ tr tr

tr

đ c

c đ tr tr

X X

Y Y G bL

L

X X

Y Y G L









min

max min

) 1 (

1











đ

c Y Y

y

y Y

55

Nồng độ cuối của pha lỏng

Phương trình đường làm việc

đ c

đ tr

tr

L

G

X  (  ) 

đ tr

tr c

tr

G

L Y

X G

L



56

Trang 15

2.2 Các thiết bị hấp thụ và tính toán

57

Thiết bị hấp thụ loại bề mặt Thiết bị hấp thụ loại ống Thiết bị hấp thụ loại tấm Thiết bị hấp thụ loại phun Thiết bị hấp thụ loại đệm Thiết bị hấp thụ loại đĩa

THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI BỀ MẶT

58

Thiết bị hấp thụ loại bề mặt kiểu vỏ

THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI BỀ MẶT

Thiết bị hấp

thụ loại bề mặt

kiểu ống

Đặc điểm:

Cấu tạo đơn giản nhất, bề mặt tiếp xúc nhỏ.

THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI MÀNG

Thiết bị hấp thụ loại màng kiểu ống và kiểu tấm

Trang 16

THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI MÀNG

Đặc điểm thiết bị hấp thụ loại màng kiểu

tấm:

 Trở lực nhỏ nhất.

 Vận tốc chất lỏng đến 5 m/s.

 Hiệu suất thấp khi chiều cao lớn

 Khó phân phối đều chất lỏng

 Ứng dụng nhiều, đặc biệt là chưng và hấp

thụ ở áp suất chân không.

61

THÁP ĐỆM

62

Tháp đệm và các loại đệm

THÁP ĐỆM

Vật liệu đệm: Tăng bề mặt tiếp xúc pha.

→ Tăng tốc độ truyền khối.

→ Tăng tổn thất áp suất.

Chế độ làm việc: Chất lỏng chảy từ trên xuống

theo bề mặt đệm, khí đi từ dưới lên tiếp xúc với

pha lỏng trên màng nước trên bề mặt đệm.

Theo vận tốc khí có chế độ dòng, quá độ và xoáy.

Hiện tượng đảo pha (ngập lụt – khí sủi bọt trong

lỏng): tốc độ truyền khối lớn, nhưng không ổn

định.

→ Làm việc thực tế ở chế độ màng.

63

THÁP ĐỆM

Yêu cầu với vật liệu đệm:

Bề mặt riêng lớn (bề mặt trong một đơn vị thể tích đệm).

Thể tích tự do lớn.

Khối lượng riêng bé, bền hóa học.

Ưu điểm:

Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc lớn.

Cấu tạo đơn giản, trở lực trong tháp không lớn lắm.

Giới hạn làm việc tương đối rộng.

Nhược điểm: Khó làm ướt nhiều đệm.

→ Tháp cao: phải có bộ phận phân phối lại chất lỏng.

64

Trang 17

THÁP ĐĨA (MÂM)

Tháp mâm chóp

Tháp mâm xuyên lỗ

THÁP ĐĨA (MÂM)

 Đặc điểm:

Sự tiếp xúc pha diễn ra trên các mâm.

Chất khí xuyên qua lỗ (chóp), sủi bọt trong chất

lỏng trên đĩa.

Chất lỏng chảy từ mâm trên xuống mâm dưới

bằng ống chảy chuyền.

Cấu tạo phức tạp và tốn nhiều vật liệu hơn tháp

đệm.

Ứng dụng trong hấp thụ, chưng cất.

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HẤP THỤ

Trang 18

Bài tập

1.Trộn 50 kg NaOH vào trong 500kg nước Tính phần

mol, phần khối lượng, tỉ số mol, tỉ số khối lượng của

NaOH trong dung dịch

2.Hỗn hợp khí NH3 với không khí, NH3 chiếm 7% theo

thể tích Tính phần mol, phần khối lượng, tỉ số mol, tỉ số

khối lượng NH3trong không khí

3.Dung dịch NH4Cl với nước trong đó NH4Cl chiếm 45%

khối lượng Tính phần mol, phần khối lượng, tỉ số mol, tỉ

số khối lượng của NH4Cl trong dung dịch

4.Dung dịch NaCl với nước trong đó NaCl chiếm 45%

mol Tính phần mol, phần khối lượng, tỉ số mol, tỉ số khối

lượng của NaCl trong dung dịch

69

5 Hỗn hợp lỏng chứa 58,8% mol toluen và 41,2% mol tetrachloride carbon Xác định tỉ số khối lượng của toluen

6 Không khí bão hòa hơi nước ở áp suất 745mmHg nhiệt

độ 34oC Xác định áp suất riêng phần của không khí, phần thể tích, phần khối lượng và tỉ số khối lượng của hơi nước trong hỗn hợp không khí-hơi nước Xác định khối lượng riêng của không khí-hơi nước (so sánh với không khí khô)

7 Trộn benzen với nitrobenzen với thể tích bằng nhau cho mỗi cấu tử Xác định khối lượng riêng của hỗn hợp, tỉ số khối lượng của nitrobenzen và nồng độ mole-thể tích

Bài tập

70

Bài tập

8 Hỗn hợp gồm 30kg rượu etylic và 120kg nước Tính phần

khối lượng, phần mol rượu trong hỗn hợp

9 Hỗn hợp gồm 40kmol rượu metylic và 120kmol nước.

Tính phần khối lượng, phần mol rượu trong hỗn hợp

10 Hỗn hợp gồm 35% mol rượu etylic và 65%mol nước.

Tính phần khối lượng, phần mol rượu trong hỗn hợp

11 Hỗn hợp gồm 40% khối lượng rượu metylic và 60% khối

lượng nước Tính phần khối lượng, phần mol rượu trong hỗn

hợp

12 Hỗn hợp gồm 40% khối lượng rượu metylic và 60% khối

lượng nước Tính phần khối lượng, phần mol rượu trong hỗn

hợp

71

Bài tập

Bài 1 Một thiết bị hấp thụ một hỗn hợp khí HCl + không khí với lưu lượng vào tháp là 9000 m 3 /h ở 25 o C áp suất 1 at, nồng độ khí vào tháp chiếm 6% thể tích HCl, sau khi hấp thụ nồng độ giảm xuống còn 1,5% thể tích HCl Dung môi là nước sạch ở nhiệt độ ở 25 o C.

Cho lượng dung môi vào tháp bằng 1,3 lần lượng dung môi tối thiểu, và phương trình đường cân bằng Y* =1,6 X

Xác định :

a Lưu lượng dung môi đưa vào tháp (Ltr)?

b Nồng độ pha lỏng ra khỏi tháp (Xc)?

c Số mâm lý thuyết (Nlt)?

d Đường kính tháp hấp thụ? Biết vận tốc pha khí là 8.0 m/s.

e Xác định chiều cao tháp? Biết khoảng cách giữa 2 mâm là 0.3 m, hiệu suất mâm là 0.55.

72

Trang 19

V=9000 m3/h, t=25oC , P=1 at

Xđ= 0

L= 1,3 Lmin

Y*= 1,6X

73

a) Lưu lượng dung môi vào tháp.

-Lượng hỗn hợp khí vào tháp áp dụng công thức ta có:

G y = = = 368,3 (kmol/h) -Lưu lượng khí trơ vào tháp:

G tr = G y ( 1- y đ ) = 368,3(1- 0,06)=346,2 (kmol/h)

Y đ = = = 0,0638 (kmol HCl/kmol khí trơ)

Y c = = = 0,0152 (kmol HCl/kmol khí trơ)

L min =

Mà X* c = = = 0,0398 (kmol.HCl/kmol nước)

L min = = 422,7 ( kmol/h)

L thực = 1,3 L min = 1,3.422,7= 549,5 (kmol/h) 74

T V

.

298 082 , 0 9000 1

d d y y



1 1 0 , 06

06 , 0



c c

y y

 1 0 , 015

015 , 0



d c c d

X X Y Y Gtr



*

) (

6 , 1

d

Y

6 , 1 0638 , 0

0398 , 0

) 0152 , 0 0638 , 0 ( 2 ,

b)Xác định nồng độ Xc

= 0,0306 (kmol.HCl/kmol nước)

c) Vẽ số mâm lý thuyết trên đồ đồ thị ta có :

Nlt=4

c c d

X

Y Y

Gtr(  )

thuc

c

d

L

Y

Gtr

.

) ( 

5 , 549

) 0152 , 0 0638 , 0 ( 2 ,

d) Xác định đường kính tháp

e) Xác định chiều cao tháp

4

.

2

D A





m V

Q

3600

* 8

*

9000

* 4 3600

.

4

0 0













7 27 7 55 0

4







lt tt

N N

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	1,7 MB