mô hình hóa các quá trình truyền khối

1
www.enviro.netfirms.com
Mô hình hóa
các quá trình truyền khối
 Truyền khối trong 1 pha
 Truyền khối giữa 2 pha
Truyền khối trong 1 pha
Khái niệm
Động lực – cân bằng
Cơ chế
Tốc độ quá trình
www.enviro.netfirms.com
Truyền khối trong một pha
 Khái niệm:
 Truyền khối trong 1 pha là sự dịch chuyển
vật chất trong lòng 1pha.
 Chiều: C cao – C thấp
2
www.enviro.netfirms.com
Quá trình truyền khối trong 1 pha
 Khuếch tán trong khí
quyển
www.enviro.netfirms.com
Quá trình truyền khối trong 1
pha
 Trộn nước thải
và nước nguồn
3
www.enviro.netfirms.com
Quá trình truyền khối trong 1
pha

 Khuấy trộn trong
công trình xử lý
www.enviro.netfirms.com
Động lực: chênh lệch nồng độ
 Chênh lệch nồng độ trong một pha
4
www.enviro.netfirms.com
Động lực TK trong 1 pha:
sai biệt nồng độ
 Trong pha khí:
 Áp suất riêng phần (p) →
at, Pa, mmHg
 Phần mol (y) → phần mol
 Nồng độ mol (C) → mol/m
3
www.enviro.netfirms.com
Động lực TK trong 1 pha:
sai biệt nồng độ
 Trong pha lỏng
 Phần mol (y) → phần mol
 Nồng độ mol (C) →
mol/m
3
5
www.enviro.netfirms.com
Bài toán
 Thành phần pha
 Biểu diễn nồng độ
 Các công cụ tính toán
 Cách viết chữ số có nghóa

 Quy tắc toán học
www.enviro.netfirms.com
Ví dụ 1. Nồng độ pha lỏng.
5phút
 Cho dung dòch axit axetic nồng độ 10%
khối lượng trong nước ở điều kiện chuẩn.
Hãy xác đònh nồng độ phân mol của axit
(x
A
) và tỉ lệ mol (X
A
) của axit trong dung
dòch.
6
www.enviro.netfirms.com
Nguyên tắc căn bản giải bài toán kỹ thuật
 Tóm tắt đề, chuyển sang ngôn ngữ
kỹ thuật
 Xác đònh công thức áp dụng
 Tìm các thông số trong công thức
 Kết luận
 Kết quả
 Nhận xét
 Đánh giá
www.enviro.netfirms.com
CHUYỂN ĐỔI NỒNG ĐỘ
7
www.enviro.netfirms.com
Chuyển đổi nồng độ
 M

hh
= x.M
A
+ (1-x)M
B
.
 Pha khí:
 Nồng độ %
 Nồng độ mol
v
M
C
x
A
=
BA
A
)BA(
A
gg
g
g
g
%C
+
==
+
B
B
A

A
A
A
BA
A
M
g
M
g
M
g
molmol
mol
x
+
=
+
=
www.enviro.netfirms.com
VD2. Nồng độ pha khí. 5 phút
 Axeton trong xưởng sơn có nồng
độ 400mg/m
3
ở 35
o
C. Xác đònh
nồng độ phần mol của axeton
trong không khí.
8
www.enviro.netfirms.com

Cân bằng truyền khối trong 1
pha
 Trạng thái cân bằng:
nồng độ các cấu tử của hệ đồng nhất
(bằng nhau tại mọi điểm)
www.enviro.netfirms.com
Cơ chế truyền khối trong 1 pha
Toàn khối
Khuếch tán
Đối lưu
9
www.enviro.netfirms.com
Cơ chế TK 1 pha
 Cơ chế
 Khuếch tán phân tử:
 Đối lưu
v
Lớp film
Khuếch tán phân tử
Lòng pha
Khuếch tán
đối lưu
Bề mặt
phân chia pha
www.enviro.netfirms.com
Cơ chế truyền khối 1 pha
 Khuếch tán phân tử
 (molecular diffusion)
 Khuếch tán đối lưu
 (convection)

 Khái niệm
 Động lực
 Cân bằng
 Động học
10
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử – diffusion
 Khuếch tán: sự dòch chuyển vật chất (ở
mức độ phân tử) đi đến trạng thái cân
bằng nồng độ 1 chất trong pha đó.
 Ý nghóa
 Quá trình kín trong 1 pha
 Dần dần sự đồng đều mật độ (nồng độ).
Đó là sự cân bằng động năng của quá trình
chuyển động hỗn loạn của các phân tử,
nguyên tử hay ion.
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
 Truyền khối
11
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
 Cân bằng
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
 Đònh luật Fick
thông lượng (mol/cm
2
.s)
z

C
DJ
A
ABA
∂
∂
−=
12
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
 Tốc độ truyền khối
 M = K
x
. F. ∆x = K
y
. F. ∆y, (kg/s)
 Tốc độ truyền nhiệt
 Q = α. F. ∆T, (J/s)
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
 Khuếch tán trong pha khí
 Khuếch tán 1 chiều, ổn đònh
 (mol/thời gian/diện tích)
 Khuếch tán ổn đònh A qua B
không khuếch tán
 (mol/thời gian/diện tích)
)C.(C
z
D
N

A2A1
AB
A
−=
)C(C
C
C
.
z
D
N
A2A1
BM
AB
A
−=
13
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
 Hệ số khuếch tán trong pha khí
cm
2
/s
cm
3
/mol
g/mol
o
K
at

1/2
BA
2
1/3
B
1/3
A
3/23
AB
M
1
M
1
)VP(V
T4,3.10
D
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
+
=
−
www.enviro.netfirms.com
VD3. Hệ số khuếch tán trong

pha khí
 VD 2.3. QTTBT3/21
 Tính hệ số khuếch tán của hơi
etanol qua không khí ở 1at, 0
o
C
 Công thức tính
 Nhận xét, đánh giá kết quả
14
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
 Khuếch tán trong pha lỏng
 Khuếch tán tương đương
 (mol/thời gian)
 Khuếch tán một chiều
 (mol/thời gian)
)CF(C
z
D
C
A2
1
A
A
A
−=
)
A1
C
A2

(C
BM
C
A
C
F
z
A
D
C
A
−−=
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng
 Điều kiện: dd loãng, µ
dm
<100 cP.
0,6
A
B
8
AB
µ'.V
Tβ.M7,4.10
D
−
=
cm
2

/s
cm
3
/mol
g/mol
o
K
cP
15
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
Khuếch tán trong pha lỏng
 Dung dòch loãng (20
o
C)
21/3
B
1/3
AB
BA
6
AB
)V.(VµAB.
M
1
M
1
.1.10
D
−

+
=
−
m
2
/s
cm
3
/mol
g/mol
cP
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán phân tử
Khuếch tán trong pha lỏng
 Dung dòch loãng (20
o
C)
D
T2
= D
20
[1 + b (T
2
- 20)]
3
ρ
µ0,2
b =
16
www.enviro.netfirms.com

VD4. Hệ số khuếch tán pha lỏng
 VD4.
Tính hệ số khuếch tán của khí
sunfua hydro trong nước ở 40
o
C.
www.enviro.netfirms.com
VD5. Tốc độ khuếch tán
 VD5. Bài tập 2.5. [T3]/ 25. Tốc độ
khuếch tán. Truyền khối 1 pha
17
www.enviro.netfirms.com
Tính toán mẫu
 Xem VD 2.1. QTTBT3/18;
 Xem VD 2.4. QTTBT3
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán đối lưu –
Quá trình cấp khối
 Khái niệm
 Cơ chế
 Động lực
 Tốc độ:
 C
A
= k . F (C
A
-C
AS
)
 mol/s

v
Lớp film chảy tầng
Lòng ph
a
đối lưu
Khoảng
cách
Nồng
độ
C
AS
C
A
18
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán đối lưu –
convection
 Khái niệm: trong 1 pha có sự dòch
chuyển vật chất do các phần tử chuyển
động → đạt đến sự cân bằng nồng độ
trong 1 pha.
 Phần tử > phân tử về kích thước.
 Ý nghóa:
 Khuếch tán đối lưu bao gồm cả khuếch tán
phần tử
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán đối lưu
 Truyền khối
19
www.enviro.netfirms.com

Khuếch tán đối lưu
 Cân bằng
www.enviro.netfirms.com
Khuếch tán đối lưu
 Vận tốc truyền khối
C
A
= k . F (C
A
-C
AS
), mol/s
 k: hệ số cấp khối, m/s
N
A
= -D
AB
(∂C
A
/∂z)
z=0
= k
L
(C
A
–C
AS
)
mol/m
2

.s.
 k
L
: hệ số cấp khối, mol/[s.m
2
.(mol/m
3
)]
20
www.enviro.netfirms.com
Hệ số truyền khối 1 pha
trong pha khí
 Nồng độ → hệ số truyền khối
 Áp suất riêng phần: p = [at, Pa, mmHg]
→ k
G
= [mol/diệntích.thờigian.ápsuất]
 Phần mol y = [phần mol]
→ k
y
= [mol/diệntích.thờigian.phầnmol]
 Nồng độ mol: C = [mol/m
3
]
→k
C
= [mol/diệntích.thờigian.(mol/thểtích)]
www.enviro.netfirms.com
Hệ số truyền khối 1 pha
Trong pha lỏng

 Nồng độ
 Phần mol: y = [phần mol ]
→ k
x
= [mol/diệntích.thờigian.phầnmol]
 Nồng độ mol: C= [mol/m
3
]
→ k
L
= [mol/diệntích.thờigian.mol/thểtích]
= (chiều dài/thời gian)
→
21
www.enviro.netfirms.com
HỆ SỐ CẤP KHỐI
 Phụ thuộc đại lượng vật lý
và điều kiện thuỷ động
của hệ đang xét
www.enviro.netfirms.com
Tốc độ cấp khối
 Điều kiện giả thiết
 Không có phản ứng hoá học (không
có nguồn sinh chất đang xét)
 Truyền khối theo phương x, y không
đáng kể so với phương z.
 Trạng thái ổn đònh
 D, ρ, µ… không đổi theo thời gian
22
www.enviro.netfirms.com

Hệ số cấp khối
 Phương trình chuẩn số:
k
0
pfnm
l
l
Fr . Gr . Pr . Re A. Sh
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
www.enviro.netfirms.com
Chuẩn số
 Reynold number
 Khái niệm :
 Ý nghóa
 Chế độ chuyển động của lưu thể
 Tác dụng của lực nhớt trong dòng chảy
 Áp dụng
 Chảy tầng: Re ≤ 2.300
 Chảy quá độ: Re = 2.300-10.000
 Chảy rối: Re ≥ 10.000
µ
u.lρ

ν
u.l
Re ==
23
www.enviro.netfirms.com
Heọ soỏ truyen khoỏi tớnh theo chuaồn soỏ
mass transfer coefficient
Heat
transfer
Nusselt No. (Nu)
Prandtl No.
Mass
transfer
Sherwood No. (Sh)
Schmidt No.
L
Nu
=
L
DSh
k
AB
m
=
a

Pr =
Pr),(Re RaorfNu
=
Sc)Ra,orf(ReSh

=
AB
D

Sc =
www.enviro.netfirms.com
Grashof Number
Heat
transfer
Mass
transfer
2
32
TLg
Gr
à

=
t
2
32
AB
à
Lg
Gr =
24
www.enviro.netfirms.com
Chuẩn số
 Phụ lục bài giảng
 Chuẩn số – ký hiệu và đơn vò

www.enviro.netfirms.com
Hệ số truyền khối
 Bảng 3.3. Hệ số truyền khối cho
những trường hợp đơn giản
 QTTB T3 / 36 – 37
25
www.enviro.netfirms.com
Chuẩn số - Numbers
 VD. Trong bảng 3.3/36 – 37
 Re → l là đường kính trong của ống
 Re’ → l là đường kính ngoài của ống
 Re
x
→ l là chiều dài mặt phẳng dọc
theo chiều chuyển động của khí
 Re’’ → l là đường kính tương đương.
 Pha khí là kích thước khe rỗng,
 pha lỏng là chiều dày lớp lỏng.
www.enviro.netfirms.com
Truyền vận trong lưu thể chảy rối
 Khái niệm
 Tốc độ truyền khối
Cụm xoáy