QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI - Chương 1 - phần 1 doc

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

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
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:
p
i
= Ψ.x
i
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:
p
i
= 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 . x
i
y*
i
= m . x
i

–  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.
p
i
= p
bh
i
. x
i
•  Mặt khác, áp suất riêng phần còn được xác định:
p
i
= y*
i
.P nên ta có: y*
i
= p
bh
i
/P . x
i
–  P – áp suất chung của hệ, với hệ 2 cấu tử:
P = p
1

+ p
2
= p
bh
i
.x + p
bh
2
.(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 = p
bh
1
/p
bh
2
:
–  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 x
M
y

M
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
Y
đ

Y
c

X
c

X
đ
dF
F
dX
dY
Y
đ

Y
c

X
c

X

đ

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:
G
x
. dX = -G
y
. dY
•  Cho toàn bộ bề mặt F, phương trình có dạng:
G
x
(X
c
– X
đ
) = -G
y
. (Y
đ
– Y
c
)
•  Tại một tiết diện bất kỳ, có phương trình đường nồng độ

làm việc: G
x
(X – X
đ
) = -G
y
. (Y – Y
c
)
Y = G
x
/G
y
. X + Y
c
– G
x
/G
y
. X
đ
•  Trong mỗi trường hợp cụ thể, các đại lượng G
x
, G
y
, X
đ
,
Y
c

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