Tài liệu Bài 4: Mô hình hóa quá trình chuyển khối trên màng docx

1
Kỹ ThuậtMàngvàỨng Dụng
Bài 4:
Mô hình hóa quá trình chuyểnkhối
trên màng
Giảng viên: NguyễnMinh Tân
Bộ môn QT-TB CN Hóa học& Thựcphẩm
Trường Đạihọc Bách khoa Hà nội

Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình
Trở lựccấpkhốicụcbộ
Dung dịch vào
Nước trong
Phân cựcnồng
độ phía dung
dịch vào
Lớp
hoạt
động
Lớp
đế rỗng
Phân cực
nồng độ phía
nướctrong
- Phân cựcnồng độ trong lớp
biên phía dịch vào (và phân cực
nhiệt độ trong quá trình thấmbốc
và thẩmkhí)
- Phân bố nồng độ trong lớpdế của
màng đảo pha/màng Composit

- Tổnthấtápsuấtcủadòngthấm
qua lớp đế
- Phân cựcnồng độ trong lớpbiên
của phía nướctrong
2
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình
Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào
Dòng (khuyếch tán, đốilưu, chính) trong lớpbiênphíadịch vào
Phân cựcnồng độ phía dịch vào
Màng
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình
Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào
(1) Quá trình chuyểnchấtphụ thuộcvàomàng
-Xảy ra trong các quá trình phân tách các chấtlỏng tan lẫn tuân theo nguyên lý Hòa
tan – Khuyếch tán
- Dòng nướclọcnhỏ
-Trở lựccủamàngđóng vai trò quan trọng
- Dòng nướclọcchịu ảnh hưởng củahiệntượng phân cựcnồng độ
(2) Quá trình chuyểnchấtphụ thuộclớpcặn
-Xảy ra trong quá trình Siêu lọc(UF) vàVi lọc(MF)
- Dòng nướclọclớnhơn
-Hệ số khuyếch tán của các phân tử bị màng giữ lạinhỏ hơn
-Cáccấutử bị giữ lại trên màng liệnkếtvới nhau tạo thành lớp
cặn/cake layer
-Trở lựccủa màng nhỏ hơntrở lựccủalớpcặn
3
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình

Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào
(1) Quá trình chuyểnchấtphụ thuộcvàomàng
Giảithiết để tính toán nồng độ của các cấutử trên bề mặtmàng:
-Quátrìnhđạtcânbằng
- Quá tình khuyếch tán tuân theo định luậtFick
- Không xảyrabiến đổi hóa học
- Gradient nồng độ theo hướng song song vớimàngnhỏ hơn
Gradient nồng độ vuông góc với màng
Cân bằng vậtliệu đốivớicấutử j bên phía dịch vào:
()
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
⋅
∂
∂
−
′′
∂
∂
=
y
w

D
y
mw
y
j
ijF
y
Gesj
ρ
&
0
Dòng đốilưu
Dòng khuyếch tán
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình
constmym
PGes
=
′′
−=
′′
&&
)(
constmym
PijGesij
=
′
′
−
=

′
′
,,
)(
&&
Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào
Tích phân phương trình cân bằng vậtliệutrênkếthợpvới:
hay
Cùng với điềukiệnbiên:
2
:0
jj
wwy ==
1
:
jjF
wwy =
=
δ
Phân bố nồng độ khoảng không gian bên trên màng:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
′′
−=

−
−
∫
=
F
y
ijF
P
jj
jj
D
dy
m
ww
ww
δ
ρ
0
*
2
*
1
exp
&
Đốivớimàngloại ống (hệ tọa độ trụ)
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜

⎜
⎝
⎛
′′
−=
−
−
∫
−
i
Fi
R
R
ijF
MP
jj
jj
Dr
dr
Rm
ww
ww
δ
ρ
&
exp
*
2
*
1

Nồng độ khốilượng cấu
tử j trong dòng lọctạivị
trí đang khảosát
Dòng lọc
4
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình
Phân cựcnồng độ trong lớp biên phía dịch vào
Kếtquả tích phân là phương trình mô tả phân cựcnồng độ trong lớpbiênphíadịch vào
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
′′
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
′′
−=
−

−
FF
P
ijF
FP
jj
jj
k
m
D
m
ww
ww
ρρ
δ
&&
expexp
*
2
*
1
Đốivớimàngloại ống (hệ tọa độ trụ)
ijF
MP
D
Rm
Fi
ij
Fi
i

ijF
MP
jj
jj
kR
D
R
R
D
Rm
ww
ww
ρ
δρ
′′
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜

⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
′′
−=
−
−
&
&
1lnexp
*
2
*
1
Hệ số cấpkhối1/k
F
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Các hiệu ứng giảm động lực quá trình
ijF
hydP
D
dm

Pe
ρ
′′
=
&
Phân cựcnồng độ phía dung dịch đầuvàocủamộtsố kiểumô
đun màng
Phân cựcnồng độ phía dịch vào trong các loạimôđun màng khác nhau
Chuẩnsố Pecle
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
−
−
Sh
Pe
dk

PeD
ww
ww
hydF
ij
jj
jj
expexp
*
2
*
1
5
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Trở lựccấpkhốitronglớpphụ trợ
Tương quan giữa các dòng dọc theo chiềudàimôđun z
Độ dài tương đối
Dịch vào
Dòng nướclọc
cụcbộ
Dịch nướclọc
chung
(1) Phân cựcnồng độ
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Trở lựccấpkhốitronglớpphụ trợ
Phân bố nồng độ trong lớp đế khi dùng màng bất đốixứng
Lớp đế
-
6
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng

Trở lựccấpkhốitronglớpphụ trợ
Phân cựcnồng độ trong lớp đế trong các quá trình khác nhau
Nước trong
Áp suấtphíanước trong
Khốilượng riêng nước trong
Hệ số khuyếch tán
Độ rỗng lớp đế
Bề dày lớp đế
Phân cựcnồng độ
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
(2) Tổnthấtápsuất
Trở lựccấpkhốitronglớpphụ trợ
Tổnthấtápsuất trong lớp đế
Áp suấttrongthiếtbị ngưng tụ
Áp suấtsaulớphoạt động
Dòng lọc
Isopropanol- nước
7
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Dòng pha trộnhướng trục /axial back mixing
Dòng pha trộnhướng trục
đượchiểulàtất các các dòng
vậnchuyển không ngoài dòng
đốilưu
Phân bố các xung chuyển động
Thời điểm phát sinh xung
Thời điểm đo
Xung chuẩnkhi
t=0
Xung bi suy giảm do các dòng pha trộnhướng trục:

phân bố vậntốc, dòng xoáy, khuyếchtánphântử,…
Phân bốđốixứng tạimỗi
thời điểm
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Các loạitrở lựcvàhiệu ứng thủy động lực tác
động tớiquátrìnhtối ưu hóa các mô đun màng
- Cân bằng vậtchất trong không gian trước màng và sau màng
- Tổnthấtápsuất trong không gian sau màng
- Phân cựcnồng độ phia dịch vào
- Đặctínhcủamàng
- Đặc tính dòng nướctrongcụcbộ
8
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Phương pháp tính toán công suấtlọccụcbộ củamàng
Hệ phươngtrìnhtínhtoáncông suấtlọccủa màng (trường hợptuântheomô
hình Hòa tan – Khuếch tán)
Phân cựcnồng độ phía dịch vào
Trở lựccủamàng
Thẩmthấungược
(RO)
Thấmbốc (PV)
Trở lựccủalớp đế
Phân cựcnồng độ phía nướctrong
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Phương pháp tính toán công suấtcụcbộ củamàng
Thẩmthấungược: Hệ phươngtrìnhtínhtoáncókể dếnphâncựcnồng độ phía dịch
vào và trở lựccủamàng
Sh= f( Re, Sh, kích thướchìnhhọc)
9
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng

Phương pháp tính toán công suấtcụcbộ củamàng
Phân cựcnồng độ trong quá trình thẩmthấungược
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Phương pháp tính toán công suấtcụcbộ củamàng
Ảnh hưởng củaphâncựcnồng độ phía dịch đặctới dòng qua màng trong các trường
hợp khác nhau
Quá trình màng
Hệ chất
Màng
Mô đun
Loạitúi
Loạibản
Loại ống
10
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Ảnh hưởng củavị trí lớphoạt động củamàng
Dung dịch vào
Nước trong
Phân cựcnồng
độ phía dung
dịch vào
Lớp
đế rỗng
Phân cực
nồng độ phía
nướctrong
Lớphoạt
động
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Ảnh hưởng củavị trí lớphoạt động củamàng

Hệ phươngtrìnhtínhtoáncông suấtlọccủamàngkhilớpdế tiếpxúcvớidịch vào
trong quá trình RO
11
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Ảnh hưởng củavị trí lớphoạt động củamàng
Hệ phươngtrìnhtínhtoáncông suấtlọccủamàngkhilớpdế tiếpxúcvớidịch vào
trong quá trình PV
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Ảnh hưởng củavị trí lớphoạt động củamàng
Hệ phương trình tính cụ thể cho quá trình RO và GP
12
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Các phương pháp tăng cường quá trình cấpkhốitrên
màng
- Tạo ra dòng nhiều pha
- Thêm các cơ cấutạo xoáy trong không gian dịch vào: Feed-
Spacer
- Tạo màng rung khi làm việc
- Đưadịch đặcvàomôđun dướidạng xung
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Cấcphương pháp tăng cường quá trình cấpkhốitrên
màng
Sơđồnguyên lý pp tạo dòng đapha
13
Vận chuyểnvậtchấttrênbề mặtmàng
Dùng Feed Spacer
Sơđồnguyên lý pp dùng Feed Spacer