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: –  Φ X - pha lỏng khi chưng luyện, hấp thụ, pha phân tán khi trích ly, pha rắn khi hấp phụ. –  Φ y - 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: •  G y - Khối lượng pha Φ y , kg •  G x - Khối lượng pha Φ x , kg •  n y – Số mol của pha Φ y •  n x - Số mol của pha Φ x •  g k - Khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ x , kg •  g’ k - Khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ y , kg •  n k - Số mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ x •  n’ k - Số mol củamột cấu tử bất kỳ trong pha Φ y 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: •  a k – Nồng độ phần % khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ x •  a’ k - Nồng độ phần % khối lượngcủa một cấu tử bất kỳ trong pha Φ y •  – Nồng độ phần khối lượng của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ x •  - Nồng độ phần khối lượngcủa một cấu tử bất kỳ trong pha Φ y •  x k – Nồng độ phần mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ x •  y k - Nồng độ phần mol của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ y Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha x k y k 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 Φ x, kg/kg •  - Nồng độ phần khối lượng tương đối của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ y , kg/kg •  X k – Nồng độ phần mol tương đối của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ x, kmol/kmol •  Y k - Nồng độ phần mol tương đối của một cấu tử bất kỳ trong pha Φ y, kmol/kmol •  v k – 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 X k Y k Phần khối lượng Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha x k = g k G x y k = g' k G y Phần trăm khối lượng a k = x k ⋅100% a ' k = y k ⋅100% Phần mol x k = n k n x y k = n' k n y 7 Phần khối lượng tương đối Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha X k = g k G x − g k X k = n k n x − n k Y k = g' k G y − g' k Phần mol tương đối Y k = n' k n y − n' k Phần thể tích Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 2. Biểu diễn thành phần pha v k = V k V Đối với hỗn hợp khí, phần thể tích bằng phần mol Thể tích của cấu tử bất kỳ Thể tích của pha v k = p k 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 Φ X và Φ y tiếp xúc với nhau. •  M là cấu tử phân bố, có nồng độ ban đầu y M , và x M = 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 Φ X 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 Φ X có thể chứa được tại một điều kiện nhất định. Liên hệ giữa nồng độ cân bằng x* M và y M : Φ y Φ x x* M = f(y M ) Trong các trường hợp chung: y M x* M x* = f(x) x* = f(y) Nếu y < x* thì vật chất di chuyển từ Φ X sang Φ y Nếu y > x* thì vật chất di chuyển từ Φ y sang Φ x 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 [...]... dịch 2 cấu tử 1 Tuân theo định luật Raout; 2 1 Sai lệch dương 3 2 3 Sai lệch âm 30 15 Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 5 Các định luật cân bằng pha Giản đồ đẳng nhiệt P-x-y t 0 xM yM 1 ⇒ Biểu đồ này ít sử dụng vì trong thực tế P rất ít thay đổi 31 Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 5 Các định luật cân bằng pha Giản đồ đẳng áp T-x-y 32 16 Chương 1: Các kiến... tốc quá trình phụ thuộc vào vận tốc trong màng 33 Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 7 Cân bằng vật liệu và động lực của quá trình 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 17 Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối. .. thành phần pha sẽ ứng với một áp suất nhất định 11 Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 4 Qui tắc pha Gibbs Hệ hai cấu tử có hai pha: C=2–2+2=2 Cân bằng lỏng – hơi hệ 2 cấu tử Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 5 Các định luật cân bằng pha Định luật Henry 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 -. .. trình Raoult, có phương trình đường cân bằng: p1bh x * y = •  Với α = pbh1/pbh2 : bh p1bh x + p2 (1 − x) y* = α x 1 + x.(α − 1) –  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 28 14 Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối. .. của quá trình chuyển khối 6 Các định luật khuyếch tán •  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. .. đường thẳng 12 Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 5 Các định luật cân bằng pha Định luật Henry •  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 25 Chương 1: Các kiến... của quá trình chuyển khối 5 Các định luật cân bằng pha Định luật Henry y •  Đối với dung dịch lý tưởng, đường cân bằng là đường thẳng y* = f(x) •  Trong trường hợp chung, đường cân bằng là đường cong y* = m.x •  Định luật Henry chỉ đúng đối với chất khí nên thường được sử dụng trong tính toán quá trình hấp thụ x Đường cân bằng của hệ khí lỏng 26 13 Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối. .. 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) Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 5 Các định... vì vậy phương trình trên có dạng đường thẳng 36 18 Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối 7 Động lực khuếch tán •  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... bằng vật liệu và động lực của quá trình Xđ X, Y Yđ dY Xc Yc Xđ Yc Y dF X dX dF F X Phân bố nồng độ trong thiết bị c Yđ 35 •  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 . 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:. – 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 X k Y k Phần khối lượng Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá. 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