QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI - Chương 1 - phần 3 pot

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

2
V - lưu lượng pha y, m
3
/s.
w
o
- vận tốc của pha y đi trong toàn bộ thiết bị, m/s.

o
w
V
.785,0
D =
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính đường kính thiết bị:

Phương pháp tính vận tốc w
0
sẽ được xét đến đối với
từng loại thiết bị trong các trường hợp cụ thể
2
3
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Khi tính chiều cao thiết bị nghĩa là tính chiều cao mà trong
đó, các pha tiếp xúc trực tiếp với nhau.
Phương pháp tính theo phương trình chuyển khối:
Xác định được bề mặt tiếp xúc pha. Thường được xác định đối
với tháp đệm.
F = σ. H. f
•  f - tiết diện ngang của thiết bị, m
2
.
•  σ - bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
2
.

4
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Đối với thiết bị loại đệm Gọi thể
tích làm việc là V m

3
và bề mặt
riêng của đệm là σ m
2
/m
3
ta có bề
mặt tiếp xúc F là :
F =
σ
V , m
2

F =
σ
Hf , m
2

H =
G
k
y
σ
f Δy
tb
, m
H =
G
k
x

σ
f Δx
tb
, m
3
5
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Phương pháp tính theo số bậc thay đổi nồng độ:
Số bậc thay đổi nồng độ (hay còn
gọi là số đĩa lý thuyết) được xác
định bằng phương pháp đồ thị.
Muốn vậy, phải biết đường nồng
độ cân bằng: : y* = f(x)
và đường nồng độ làm việc:
y = Ax + B
6
Phương pháp tính theo số bậc thay đổi nồng độ:
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
•  Xác định số bậc thay đổi nồng độ từ điểm
(x
đ
, y
c
) và điểm (y
đ
, x
c

) là giới hạn đường
làm việc của quá trình.
•  Bậc thay đổi nồng độ trên đồ thị y-x là một
khoảng thể tích của thiết bị trong đó tiến
hành quá trình truyền chất sao cho nồng độ
của cấu tử phân bố khi ra khỏi thể tích đó
bằng nồng độ cân bằng đi vào thể tích tiếp
theo của cấu tử đó.
4
7
Phương pháp tính theo số bậc thay đổi nồng độ:
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
8
•  Bậc thay đổi nồng độ còn được gọi là đĩa lý thuyết.
•  Số đĩa thực tế của thiết bị được xác định:
N
tt
= N
lt
/η
–  η - là hiệu suất của đĩa.
•  Hiệu suất đĩa phụ thuộc tính chất hoá lý của các cấu tử, điều
kiện thuỷ động của các pha và cấu tạo của thiết bị.
•  Thông thường, hiệu suất đĩa nămg trong khoảng 0,2 – 0,9, Có
thể chọn hiệu suất đĩa 0,5 đến 0,6 cho nhiều trường hợp.
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
5

9
•  Chiều cao của thiết bị:
–  Tháp đĩa: H = h. (N
tt
- 1)
•  h - khoảng cách giữa hai ngăn, m
–  Tháp đệm: H = h
o
.N
tt
•  h
o
- chiều cao tương đương một bậc thay đổi nồng độ.
Xác định từ các công thức thực nghiệm.

10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
10
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
6
11
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Phương pháp tính theo số đơn vị truyền chất
12
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối

Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Phương pháp tính theo số đơn vị truyền chất
7
13
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Phương pháp tính theo số đơn vị truyền chất
Đơn vị truyền chất: một đơn vị truyền chất (m
y
=1 )
tương ứng với một đoạn thiết bị mà trong đó thay đổi
nồng độ làm việc bằng động lực trung bình trong đoạn
đó.
Cũng tương tự như pha khí, đối với pha lỏng:
H = h
x
.m
x

14
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Cách xác định số đơn vị truyền chất
Khi đường cân bằng là đường cong số đơn vị truyền chất
phải xác định bằng đồ thị tích phân. Diện tích gạch chéo
dưới đường cong tích phân chính là số đơn vị truyền chất
my. Khi đường cân bằng là đường thẳng, đối với quá trình

hấp phụ :
8
15
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Cách xác định số đơn vị truyền chất
Khi đường cân bằng là đường thẳng, đối với quá trình chưng luyện :
Khi đường cân bằng là đường cong, đối với quá trình chưng luyện :
16
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Cách xác định số đơn vị truyền chất
Chiều cao tương đương với một đơn vị chuyền chất:
9
17
Phương pháp vẽ đường cong động học.
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Phương pháp xác định chiều cao theo cách vẽ thêm đường cong động
học để xác định số ngăn thực tế là một trong những phương pháp chính
xác nhất đối với các tháp loại đĩa, vì phương pháp này có xét đến động
học của quá trình truyền chất. Hệ số truyền chất ở đây tính cho 1m
2
bề
mặt làm việc của tháp.

Xét trường hợp chất lỏng không bị cuốn theo pha khí, khi đó đối

với các thiết bị đường kính nhỏ hơn 1m có nồng độ trong pha lỏng x
n

thực tế không khác nhau trong toàn bộ thể tích của đĩa, còn pha hơi (khí)
thay đổi từ y
n+1
đến y
n
vì quá trình thực tế không đạt cân bằng

18
Phương pháp vẽ đường cong động học.
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
10
19
Phương pháp vẽ đường cong động học.
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
20
Phương pháp vẽ đường cong động học.
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
A
B
A
1

x
n
y
n+1

y
n
y*
n
C
11
21
Phương pháp vẽ đường cong động học.
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
y*
n
-nồng độ cân bằng của hơi ứng với xn trong lỏng ở trên đĩa; y
n
-
nồng độ của khí đi ra khỏi đĩa; y
n+1
- nồng độ của khí đi vào đĩa đó
The image cannot be
displayed. Your computer
may not have enough
memory to open the image,
or the image may have been
corrupted. Restart your

computer, and then open the
The image cannot be
displayed. Your
computer may not
have enough
memory to open the
image, or the image
may have been
Khi xác định được e
myd
ta sẽ xác định được điểm B trên đồ thị và
bậc ABA1 là một bậc thực tế
22
Phương pháp vẽ đường cong động học.
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Trình tự các bước thực hiện
- Trên đồ thị vẽ đường cân bằng 1 và đường làm việc 2 ứng
với điều kiện thích hợp (số hồi lưu thích hợp hoặc lượng dung môi
tiêu hao riêng thích hợp).
- Lấy các giá trị x tuỳ ý (ví dụ 0,1; 0,2 ) kẻ các đoạn thẳng
đứng ứng với các trị số của x được A1C1; A2C2:
- Qua từng giá trị của x xác định số đơn vị truyền chất theo
công thức:
m
yd
=
y
n

− y
n+1
Δy
nd
=
K
y
f
G
y
12
23
Phương pháp vẽ đường cong động học.
10. Phương pháp tính toán thiết bị chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Tính chiều cao thiết bị
Trình tự các bước thực hiện
- Xác định độ dài của đoạn BC với mỗi giá trị của x ta được
C1B1: C2B2 nối các điểm B1, B2, B3 ta được đường cong
3 gọi là đường cong động học.
- Vẽ các bậc giữa đường cong động học và đường làm việc ta
được số đĩa thực của thiết bị. Chiều cao của tháp xác định theo:
H = h(N
t
-1)
24
11. Đồng dạng của quá trình chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Mục đích
- Phương pháp cơ bản nhất để xác định hệ số cấp chất βy , βx

là tích phân phương trình khuếch tán trong môi trường động
kết hợp với các phương trình thuỷ động lực học khi biết các
điều kiện đầu và điều kiện biên

- Việc giải phương trình này gặp nhiều khó khăn nên thông
thường nhất là dùng thuyết đồng dạng để đưa các phương trình
vi phân vế các phương trình chuẩn số, rồi từ đó đúc kết các số
liệu thực nghiệm để ứng dụng cho tính toán.
13
25
11. Đồng dạng của quá trình chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Các chuẩn số đồng dạng thường gặp trong quá trình chuyển khối
Chuẩn số Nuyxen được rút ra từ hiện tượng truyền chất ở bề mặt
phân giới. Lượng vật chất chuyển đến bề mặt phân giới có thể xác
định theo phương trình có dạng chung:
G = βFΔC
Cùng một lượng vật chất đó đi qua bề mặt biên giới giữa các pha
bằng khuyếch tán phân tử được xác định bằng phương trình sau
Chuẩn số Nuyxen
26
11. Đồng dạng của quá trình chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Các chuẩn số đồng dạng thường gặp trong quá trình chuyển khối
N
!
u =
β
l
D

Chuẩn số Nuyxen của quá trình chuyển khối đặc trưng cho quá
trình chuyển khối trên bề mặt biên giới
14
27
11. Đồng dạng của quá trình chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Các chuẩn số đồng dạng thường gặp trong quá trình chuyển khối
Chuẩn số Pêcơle
Chuẩn số Pêcơle. được rút ra từ phương trình vi phân khuyếch tán
trong môi trường động
W
x
∂c
∂x
= D
∂
2
c
∂
2
x
W l
D
= idem
chuẩn số Pêcơle và ký hiệu là Pe, nó đặc trưng cho truyền chất trong
môi trường chuyển động
P
!
e =
W l

D
28
11. Đồng dạng của quá trình chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Các chuẩn số đồng dạng thường gặp trong quá trình chuyển khối
Chuẩn số Pran và Reynold
Quá trình truyền chất xảy ra trong các hệ thống đồng dạng về thuỷ
lực học, vì thế cần phải có các chuẩn số Re và Fr:
Re =
W.l.
ρ
µ
; Fr =
W
2
g.l
P
!
r =
P
!
e
Re
=
W.l
D
W.l.
ρ
µ
=

µ
D
ρ
=
ν
D
Chuẩn số Pran
chuẩn số Pran của quá trình
truyền chất. Nó đặc trưng cho
tính chất vật lý của môi trường
15
29
11. Đồng dạng của quá trình chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Các chuẩn số đồng dạng thường gặp trong quá trình chuyển khối
Ngoài ra đối với các hệ không đồng dạng về hình học, ví dụ như
đối với các thiết bị có quan hệ đường kính và chiều cao khác nhau
ta phải đưa thêm vào các nhóm đồng dạng hình học như
d
d
0
;
l
l
0
Trường hợp truyền chất đối lưu tự nhiên ta phải đưa thêm vào chuẩn
số Gơratcốp
Gr =
gl
3

µ
2
ρ
2
β
Δt
β - hệ số dãn nở thể tích , 1/độ ; t - nhiệt độ 0C
30
11. Đồng dạng của quá trình chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Các chuẩn số đồng dạng thường gặp trong quá trình chuyển khối
Có sự liên hệ giữa các chuẩn số như sau:
Nu = f Re, P
!
r , Fr, Gr,
d
d
0
,
l
l
0
"
#
$
%
&
'
N
!

u = A. Re
m
. P
!
r
n
.Gr
f
.Fr
p
d
d
0
"
#
$
%
&
'
i
.
l
l
0
"
#
$
%
&
'

k
Nếu như quá trình xảy ra trong môi trường chuyển động cưỡng
bức (lúc này không kể đến ảnh hưởng của chuẩn số đồng dạng Gr
và nếu không kể đến ảnh hưởng của lực khối lượng (bỏ qua chuẩn
số đồng dạng Fr) thì ta có
Nu = A. Re
m
. P
!
r
n
.
d
d
0
"
#
$
%
&
'
i
.
l
l
0
"
#
$
%

&
'
k
16
31
11. Đồng dạng của quá trình chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Các chuẩn số đồng dạng thường gặp trong quá trình chuyển khối
Phương trình chuẩn số của quá trình chuyển khối
Nu = A. Re
m
. P
!
r
n
.
d
d
0
"
#
$
%
&
'
i
.
l
l
0

"
#
$
%
&
'
k
Bằng cách làm thí nghiệm đối với nhiều trường hợp riêng biệt chúng
ta sẽ xác định được các hệ số mũ của các phương trình trên. Các
phương trình đó cho phép chúng ta xác định được hệ số cấp chất βy
hay βx đối với nhiều trường hợp thực tế khi đã biết các hệ số và số
mũ của chúng