Bài giảng Quá trình và thiết bị chuyển khối

1 Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hoá học III QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nguyen.minhtan@gmail.com 1. Định nghĩa và phân loại •  Định nghĩa: Quá trình di chuyển vật chất từ vị trí này sang vị trí khác trong 1 pha hoặc từ pha này sang pha kia, khi có sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai pha gọi là quá trình truyền chất, hoặc chuyển khối hoặc khuếch tán. Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2 1. Định nghĩa và phân loại Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối •  Phân loại các quá trình truyền chất: –  Hấp thụ: là quá trình hút khí hoặc hơi bằng chất lỏng. Vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng. 1. Định nghĩa và phân loại Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối •  Phân loại các quá trình truyền chất: –  Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt. Vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. 3 1. Định nghĩa và phân loại Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối –  Trao đổi ion: tách các ion trong pha lỏng hoặc khí nhờ trao đổi các nhóm ion linh động với chất trao đổi ion (thường là pha rắn). 1. Định nghĩa và phân loại Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối –  Sấy: là quá trình tách nước ra khỏi vật liệu ẩm, vật chất (hơi nước) đi từ pha rắn vào pha khí. 4 1. Định nghĩa và phân loại Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối –  Hoà tan: vật chất di chuyển từ pha rắn vào pha lỏng. –  Kết tinh: vật chất di chuyển từ pha lỏngvào pha rắn Thành phần của cấu tử trong pha được biểu diễn theo các đơn vị: phần khối lượng, phần mol, phần thể tích, áp suất riêng phần, phần khối lượng tương đối và phần mol tương đối. Mỗi pha có thể gồm nhiều cấu tử. Ký hiệu pha: –  ΦX - pha lỏng khi chưng luyện, hấp thụ, pha phân tán khi trích ly, pha rắn khi hấp phụ. –  Φy - pha hơi khi chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, pha liên tục khi trích ly. Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha 5 Thống nhất các ký hiệu biểu diễn thành phần: •  Gy - Khối lượng pha Φy, kg •  Gx - Khối lượng pha Φx, kg •  ny – Số mol của pha Φy •  nx - Số mol của pha Φx •  gk - Khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx, kg •  g’k - Khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φy, kg •  nk - Số mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx •  n’k - Số mol củamột cấu tử bất kỳ trong pha Φy Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha Thống nhất các ký hiệu biểu diễn thành phần: •  ak – Nồng độ phần % khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx •  a’k - Nồng độ phần % khối lượngcủa một cấu tử bất kỳ trong pha Φy •  – Nồng độ phần khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx •  - Nồng độ phần khối lượngcủa một cấu tử bất kỳ trong pha Φy •  xk – Nồng độ phần mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx •  yk - Nồng độ phần mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φy Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha xk yk 6 Thống nhất các ký hiệu biểu diễn thành phần: •  - Nồng độ phần khối lượng tương đối của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx, kg/kg •  - Nồng độ phần khối lượng tương đối của một cấu tử bất kỳ trong pha Φy, kg/kg •  Xk – Nồng độ phần mol tương đối của một cấu tử bất kỳ trong pha Φx, kmol/kmol •  Yk - Nồng độ phần mol tương đối của một cấu tử bất kỳ trong pha Φy, kmol/kmol •  vk – phần thể tích của cấu tử bất kỳ Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha Xk Yk Phần khối lượng Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha xk = gk Gx yk = g 'k Gy Phần trăm khối lượng ak = xk ⋅100% a 'k = yk ⋅100% Phần mol xk = nk nx yk = n 'k ny 7 Phần khối lượng tương đối Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha Xk = gk Gx − gk Xk = nk nx − nk Yk = g 'k Gy − g 'k Phần mol tương đối Yk = n 'k ny − n 'k Phần thể tích Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha vk = Vk V Đối với hỗn hợp khí, phần thể tích bằng phần mol Thể tích của cấu tử bất kỳ Thể tích của pha vk = pk P Áp suất riêng phần của cấu tử bất kỳ trong hỗn hợp Áp suất chung của hỗn hợp 8 3. Cân bằng pha Khái niệm cân bằng pha •  Giả sử có 2 pha ΦX và Φy tiếp xúc với nhau. •  M là cấu tử phân bố, có nồng độ ban đầu yM, và xM = 0. •  Khi có tiếp xúc pha, cấu tử M di chuyển từ pha khí y vào pha lỏng x, và ngược lại, nhưng với các vận tốc khác nhau. •  Quá trình được thực hiện cho đến khi vận tốc chiều thuận và chiều nghịch bằng nhau. Khi đó, nồng độ cấu tử M trong pha ΦX đạt cân bằng. Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Định nghĩa: Nồng độ cân bằng là nồng độ lớn nhất của cấu tử M mà pha ΦX có thể chứa được tại một điều kiện nhất định. Liên hệ giữa nồng độ cân bằng x*M và yM: Φy Φx x*M = f(yM) Trong các trường hợp chung: yM x*M x* = f(x) x* = f(y) Nếu y < x* thì vật chất di chuyển từ ΦX sang Φy Nếu y > x* thì vật chất di chuyển từ Φy sang Φx 3. Cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 9 •  Sự tồn tại của một pha hay sự cân bằng pha trong hệ thống chỉ thực hiện được ở các điều kiện xác định. •  Nếu thay đổi các điều kiện đó, cân bằng sẽ bị phá huỷ, nghĩa là thay đổi số pha trong hệ. •  Quy tắc pha sẽ cho biết có thể thay đổi bao nhiêu yếu tố mà không phá vỡ cân bằng của một hệ nhất định. 4. Qui tắc pha Gibbs Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Phương trình chung của quy tắc pha: C = k – Φ + n C - số bậc tự do k - số cấu tử độc lập của hệ Φ - số pha của hệ n - số yếu tố độc lập bên ngoài ảnh hưởng lên cân bằng của hệ. Đối với các quá trình chuyển khối, các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng pha là nhiệt độ và áp suất: C = k – Φ + 2 4. Qui tắc pha Gibbs Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 10 4. Qui tắc pha Gibbs Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Hệ một cấu tử •  Nếu hệ tồn tại cả 3 pha rắn,lỏng, hơi, số bậc tự do được xác định: C = 1 – 3 + 2 = 0 –  Nghĩa là hệ này chỉ tồn tại tại một giá trị nhất định của áp suất và nhiệt độ. •  Nếu hệ có hai pha lỏng – hơi bão hoà: C = 1 – 2 + 2 = 1 –  Có thể thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất của hệ mà cân bằng của hệ không bị phá vỡ. –  Khi thay đổi nhiệt độ, áp suất của hệ sẽ thay đổi tương ứng. –  Có thể lập được một đường cong phụ thuộc giữa áp suất hơi bão hoà và nhiệt độ của mỗi một chất lỏng. –  Các số liệu về áp suất và nhiệt độ của các chất lỏng thường là các số liệu thực nghiệm và thường có sẵn trong các tài liệu chuyên môn. –  Hoặc có thể xác định từ lý thuyết đường sôi hơi lỏng áp suất hơi nhiệt độ sôi P t Sự phụ thuộc áp suất và nhiệt độ của hơi nước bão hoà 4. Qui tắc pha Gibbs Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Hệ một cấu tử 11 –  Có thể lập được một đường cong phụ thuộc giữa áp suất hơi bão hoà và nhiệt độ của mỗi một chất lỏng. –  Các số liệu về áp suất và nhiệt độ của các chất lỏng thường là các số liệu thực nghiệm và thường có sẵn trong các tài liệu chuyên môn. –  Hoặc có thể xác định từ lý thuyết Sự phụ thuộc áp suất và nhiệt độ của hệ một cấu tử 4. Qui tắc pha Gibbs Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Hệ một cấu tử 4. Qui tắc pha Gibbs Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Hệ hai cấu tử có hai pha: C = 2 – 2 + 2 = 2 •  Hệ bậc 2, có thể thay đổi đồng thời cả áp suất và nhiệt độ mà số pha trong hệ không thay đổi. •  Tuy nhiên với các hệ hai hay nhiều cấu tử, thành phần pha cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng pha. •  Khi áp suất không đổi thì một thành phần pha sẽ ứng với một nhiệt độ nhất định và tương tự, khi nhiệt độ không đổi thì thành phần pha sẽ ứng với một áp suất nhất định. 12 4. Qui tắc pha Gibbs Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Hệ hai cấu tử có hai pha: C = 2 – 2 + 2 = 2 Cân bằng lỏng – hơi hệ 2 cấu tử 5. Các định luật cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Áp suất riêng phần p của hơi trên chất lỏng tỷ lệ với nồng độ phần mol của nó trong dung dịch: pi = Ψ.xi Ψ - là hệ số Henry, phụ thuộc vào tính chất của khí, lỏng và nhiệt độ. Nhiệt độ tăng thì Ψ tăng. Với khí lý tưởng, quan hệ trên là đường thẳng. Với khí thực, Ψ phụ thuộc vào nồng độ và quan hệ này là đường cong, khi nồng độ x nhỏ, quan hệ trên là đường thẳng. Định luật Henry 13 25 •  Mặt khác, áp suất riêng phần có thể xác định: pi = y*i .P –  y*i - là nồng độ cân bằng của cấu tử i trong pha hơi. –  P - áp suất chung của hỗn hợp. •  Kết hợp hai phương trình trên, có phương trình đường cân bằng: y*i = Ψ/P . xi y*i = m . xi –  m - hằng số cân bằng 5. Các định luật cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Định luật Henry 26 •  Đối với dung dịch lý tưởng, đường cân bằng là đường thẳng. •  Trong trường hợp chung, đường cân bằng là đường cong. •  Định luật Henry chỉ đúng đối với chất khí nên thường được sử dụng trong tính toán quá trình hấp thụ. y x y* = f(x) y* = m.x Đường cân bằng của hệ khí - lỏng 5. Các định luật cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Định luật Henry 14 Định luật Raoult •  Áp suất hơi riêng phần của cấu tử i trong dung dịch (ở cùng nhiệt độ) bằng áp suất hơi bão hoà của cấu tử đó nhân với nồng độ phần mol của nó trong dung dịch. pi = pbhi . xi •  Mặt khác, áp suất riêng phần còn được xác định: pi = y*i .P nên ta có: y*i = pbhi/P . xi –  P – áp suất chung của hệ, với hệ 2 cấu tử: P = p1 + p2 = pbhi.x + pbh2.(1 - x) 5. Các định luật cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 28 •  Thay vào phương trình Raoult, có phương trình đường cân bằng: •  Với α = pbh1/pbh2 : –  Phương trình này chỉ đúng với dung dịch lý tưởng. Với các dung dịch thực, các số liệu cân bằng thường được xác định bằng thực nghiệm. –  Định luật Raoult thường được sử dụng để tính toán cho quá trình chưng luyện. )1(. .y 21 1* xpxp xp bhbh bh −+ = )1.(1 .y* −+ = α α x x Định luật Raoult 5. Các định luật cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 15 29 Định luật Raoult 5. Các định luật cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Dung dịch lý tưởng: -  Là dung dịch 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 hòa tan vào nhau theo bất cứ tỷ lệ nào. cân bằng lỏng-hơi hoàn toàn tuân theo định luật Raout; Dung dịch thực -  Là những dung dịch hoàn toàn không tuân theo định luật Raout; -  Sự sai lệch với định luật Raout là dương nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại < lực liên kết giữa các phân tử cùng loại; -  Sự sai lệch với định luật Raout là âm nếu lực liên kết giữa các phân tử khác loại   lực liên kết giữa các phân tử cùng loại; - Trường hợp lực liên kết giữa các phân tử khác loại << lực liên kết giữa các phân tử cùng loại → dung dịch sẽ phân lớp. 30 Định luật Raoult 5. Các định luật cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Quan hệ giữa áp suất và 2 thành phần của dung dịch 2 cấu tử 1 1. Tuân theo định luật Raout; 3 2. Sai lệch dương 3. Sai lệch âm 16 31 Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y t 5. Các định luật cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 0 xM yM 1 ⇒ Biểu đồ này ít sử dụng vì trong thực tế P rất ít thay đổi 32 Giản đồ đẳng áp T-x-y 5. Các định luật cân bằng pha Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 17 33 •  Khi hai pha chuyển động tiếp xúc nhau, do ma sát, trên bề mặt phân chia pha tạo thành hai lớp màng. •  Chế độ chuyển động ở màng và trong nhân của dòng khác nhau. –  Ở trong màng luôn luôn có chế độ dòng. Quá trình di chuyển vật chất là quá trình khuếch tán phân tử. –  Ở giữa dòng có thể có chuyển động xoáy. Quá trình di chuyển vật chất là quá trình khuếch tán đối lưu. –  Vận tốc khuếch tán trong màng rất nhỏ so với vận tốc khuếch tán trong nhân. Vận tốc quá trình phụ thuộc vào vận tốc trong màng. 6. Các định luật khuyếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối Phương trình cân bằng vật liệu •  Nồng độ thực tế của các pha gọi là nồng độ làm việc •  Quá trình truyền chất được thực hiện khi hai pha chuyển động ngược chiều và tiếp xúc trực tiếp với nhau. 7. Cân bằng vật liệu và động lực của quá trình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 18 35 Phân bố nồng độ trong thiết bị X, Y Yđ Yc Xc Xđ dF F dX dY Yđ Yc Xc Xđ dF X Y 7. Cân bằng vật liệu và động lực của quá trình Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 36 •  Xét một nguyên tố bề mặt dF, phương trình cân bằng vật liệu có dạng: Gx . dX = -Gy . dY •  Cho toàn bộ bề mặt F, phương trình có dạng: Gx (Xc – Xđ) = -Gy . (Yđ – Yc) •  Tại một tiết diện bất kỳ, có phương trình đường nồng độ làm việc: Gx (X – Xđ) = -Gy . (Y – Yc) Y = Gx/Gy . X + Yc – Gx/Gy . Xđ •  Trong mỗi trường hợp cụ thể, các đại lượng Gx, Gy, Xđ, Yc đều cho trước và không đổi, vì vậy phương trình trên có dạng đường thẳng. 19 37 •  Quá trình khuếch tán xảy ra tự nhiên khi nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng của cấu tử phân bố trong mỗi pha là khác nhau. •  Động lực khuếch tán (động lực truyền chất) là hiệu số giữa nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng •  Tính theo pha Φy : Δy = y* - y hay Δy = y – y*. •  Tính theo pha Φx : Δy = x* - x hay Δx = x – x*. •  Động lực của quá trình thay đổi từ đầu đến cuối quá trình. Khi tính toán sử dụng động lực trung bình. •  Chất phân tán sẽ đi vào pha có nồng độ nhỏ hơn nồng độ cân bằng. 7. Động lực khuếch tán Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối