bài tập quá trình và thiết bị truyền chất

CHƯƠNG 1: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN CHẤT

Bài tập 1:
Trong một thiết bị truyền chất (truyền khối) hoạt ñộng ở áp suất tuyệt ñối 3,1 at, hệ số
cấp khối trong mỗi pha như sau:
β
y=1,07kmol/m2.h (
∆
y=1) và
β
x=22kmol/m2.h (
∆
x=1).
Thành phần cân bằng của pha lỏng và pha khí tuân theo ñịnh luật Henry như sau:
p*=0,08×106x. (hệ số Henry có thứ nguyên là mmHg, và cho biết 1at = 735 mmHg) Xác
ñịnh:
1/ Hệ số truyền khối tổng quát của quá trình ky và kx
2/ So sánh trở lực khuyếch tán trong pha lỏng và pha khí
Bài tập 2:
Hãy xác ñịnh phần khối lượng, phần thể tích và phần mol của hỗn hợp lỏng gồm các cấu
tử sau:
m
metanol
= 160 kg; M
metanol
= 32 kg/kmol; ρ
metanol
= 792 kg/m3.
m
propano
l = 225 kg; M

propanol
= 60 kg/kmol; ρ
propanol
= 804 kg/m3.
m
butanol
= 400 kg; M
butanol
= 74 kg/kmol; ρ
butanol
= 810 kg/m3.
Bài tập 3:
Không khí bão hòa hơi nước ở áp suất thường và nhiệt ñộ 34
0
C. Hãy xác ñịnh:
1/ Áp suất riêng phần của không khí khô.
2/ Phần thể tích của hơi nước trong hỗn hợp không khí - hơi nước.
3/ Phần khối lượng của hơi nước trong hỗn hợp không khí - hơi nước.
4/ Thành phần khối lượng tương ñối của hơi nước trong hỗn hợp không khí - hơi nước.
5/ Khối lượng riêng của hỗn hợp không khí - hơi nước.
Cho biết áp suất của hơi nước bão hòa ở nhiệt ñộ 34
0
C là 40 mmHg. Áp suất của khí
quyển là 745 mmHg.
Bài tập 4:
Hãy xác ñịnh phần khối lượng và thể tích của các cấu tử trong hỗn hợp khí gồm các cấu
tử có thành phần như sau:
Metan: 0,3 phần mol; etan: 0,45 phần mol; pentan: 0,25 phần mol
ở ñiều kiện chuẩn (p = 760mmHg, t = 0
0

C) và ở p=10 at và t = 80
0
C.
Cho biết trọng lượng phân tử của các cấu tử như sau:
M
metan
= 16 kg/kmol; M
etan
= 30 kg/kmol; M
pentan
= 72 kg/kmol;
và 760 mmHg = 1,033 at.

Chương 2: QÚA TRÌNH HẤP THỤ

Bài tập 6:
Một hỗn hợp khí gồm NH
3
và không khí chứa 25% khối lượng NH
3
ñược rửa bằng nước
ñể nồng ñộ NH
3
giảm xuống còn 3% khối lượng. Xác ñịnh số ñĩa lý thuyết cần thiết ñể
ñáp ứng yêu cầu tách nói trên?
Cho biết cường ñộ dòng nước: 6 kg/m
2
.s; cường ñộ dòng khí: 4 kg/m
2
.s; và phương trình

ñường cân bằng Y = X (trong ñó Y, X là phần khối lượng tương ñối của NH
3
trong pha
khí và pha lỏng).
Bài tập 7:
ðể tách một hỗn hợp khí gồm 20% thể tích C
2
H
2
và 80% thể tích H
2
. Người ta dùng
aceton ñể rửa hỗn hợp khí trên trong tháp hấp thụ loại ñĩa, sao cho hỗn hợp khí sau rửa
còn lại 0,2% thể tch C
2
H
2
. Quá trình rửa ñược tiến hành ở 25
0
C, áp suất 1atm. Hãy xác
ñịnh:
1/ Phương trình ñường cân bằng
2/ Phương trình ñường nồng ñộ làm việc của hệ khí – lỏng. Giả sử rằng quá trình tách chỉ
ñạt ñược 70% giá trị cực ñại.
3/ Xác ñịnh số ñĩa lý thuyết của thiết bị hấp thụ tách chất ở trên
Cho biết hệ số Henry của aceton ở 25
0
C là: Ψ = 9,6(atm)
Bài tập 8:
Một hỗn hợp khí A có nồng ñộ ñầu y

ñ
= 0,2 (nồng ñộ phần mol) với lưu lượng pha khí
Gy = 1000 mol/h ñi vào tháp hấp thụ, tiếp xúc ngược chiều với dung môi nguyên chất.
Biết phương trình ñường nồng ñộ cân bằng lỏng hơi là y* = 2x (x, y nồng ñộ phần mol)
1/ Tính lượng dung môi tối thiểu Gxmin, nếu nồng ñộ của khí A sau hấp thụ y
c
= 0,01
(nồng ñộ phần mol)
2/ Viết phương trình ñường nồng ñộ làm việc và tính nồng ñộ ra của dung dịch, nếu
lượng dung môi thực tế Gx=1,5Gxmin
3/ Xác ñịnh số ñĩa lý thuyết của tháp hấp thụ tách chất ở trên
Bài tập 9:
Hấp thụ NH
3
trong không khí bằng nước. Nồng ñộ ñầu của NH
3
trong không khí là 5%
thể tích, lúc cuối 0,27% thể tích. Lượng khí ñi vào tháp hấp thụ là 10000m
3
/h (ở ñktc).
Áp suất chung của không khí là 760mmHg, khối lượng riêng của không khí là 1,29
kg/m
3
. Nồng ñộ ñầu của NH
3
trong nước là 0,2% khối lượng. Lượng dung môi tiêu hao
riêng là 1,18kg/kg.
1/ Xác ñịnh lượng NH
3
hấp thụ ñược (kg/h)

2/ Nồng ñộ NH
3
trong nước (kg/kg)
3/ Viết phương trình ñường nồng ñộ làm việc

CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH CHƯNG

Bài tập 10:
Người ta cần tách một khí hydrocacbon trong một loại dầu mỏ có chứa 0,4 phần mol
hydrocacbon ñó bằng phương pháp rửa bằng hơi nước, sao cho hàm lượng khí
hydrocacbon giảm xuống còn 0,1 phần mol. hãy xác ñịnh:
1/ Phương trình ñường nồng ñộ làm việc của quá trình tách nói trên
2/ Số ñĩa lý thuyết ñối với thiết bị tách
Giả thiết rằng dầu không bay hơi và nhiệt ñộ ñược giữ không ñổi ñể hơi nước không bị
ngưng tụ trong thiết bị rữa.
Cho biết lượng hơi nước dừng ñể rửa dầu theo tỷ lệ 1:1. ðường cân bằng lỏng - hơi của
quá trình tách là:
Y = X (Y, X tính theo phần mol tương ñối)
Bài tập 11:
Một hỗn hợp rượu etylic và nước chứa 25% mol rượu ñược phân tách trong một tháp
chưng cất liên tục ở áp suất thường. Nồng ñộ sản phẩm ñỉnh là 80% mol và nồng ñộ rượu
cho phép trong sản phẩm ñáy không quá 0.1 phần mol. Nguyên liệu cho vào tháp chưng ở
nhiệt ñộ sôi và ñường cong cân bằng lỏng hơi ñược cho trong sổ tay
1/ Hãy xác ñịnh chỉ số hồi lưu thực tế R, nếu R=1.8Rmin+ 0.3
2/ Viết phương trình ñường nồng ñộ làm việc của ñoạn luyện và ñoạn chưng.
3/ Tính số ñĩa thực của tháp chưng luyện khi biết hiệu suất làm việc của tháp là 65%.
Bài tập 12:
Một hỗn hợp ñầu chứa 40% etanol và 60% nước với lưu lượng là 1000kmol/h cần ñược
chưng luyện ñể thu ñược sản phẩm ñỉnh chứa 82% etanol và sản phẩm ñáy chỉ còn 4%
etanol. Hỗn hợp lỏng cho vào tháp chưng luyện ở nhiệt ñộ sôi, quá trình chưng luyện

ñược tiến hành ở áp suất 760 mmHg. Các số liệu trên cho theo thành phần % khối lượng.
ðường cong cân bằng lỏng hơi cho trong sổ tay
1/ Hãy xác ñịnh chỉ số hồi lưu thực tế R, nếu R=2Rmin
2/ Tính lượng sản phẩm ñỉnh P, lượng hồi lưu Gx và lượng sản phẩm ñáy W.
3/ Viết phương trình ñường nồng ñộ làm việc của ñoạn luyện và ñoạn chưng.
4/ Tính số ñĩa thực của tháp chưng luyện khi hiệu suất làm việc của tháp là 70%.
Bài tập 13:
Một hỗn hợp ñầu chứa 25% CS2 và 75% CCl4 với lưu lượng là 2000kmol/h cần ñược
chưng luyện ñể thu ñược sản phẩm ñỉnh chứa 66% CS2 và sản phẩm ñáy còn 11% CS2.
Hỗn hợp lỏng cho vào tháp chưng luyện ở nhiệt ñộ sôi, quá trình chưng luyện ñược tiến
hành ở áp suất 760 mmHg. Các số liệu trên cho theo thành phần % khối lượng. ðường
cong cân bằng lỏng hơi cho trong sổ tay
1/ Hãy xác ñịnh chỉ số hồi lưu thực tế R, nếu R=2Rmin
2/ Tính lượng sản phẩm ñỉnh P, lượng hồi lưu Gx và lượng sản phẩm ñáy W.
3/ Viết phương trình ñường nồng ñộ làm việc của ñoạn luyện và ñoạn chưng.
4/ Tính số ñĩa thực của tháp chưng luyện khi hiệu suất làm việc của tháp là 75%.
Bài tập 14:
Một hỗn hợp rượu etylic và nước chứa 0.16 phần mol rượu ñược phân tách trong một
tháp chưng cất liên tục ở áp suất thường. Nồng ñộ sản phẩm ñỉnh là 0.8 phần mol và nồng
ñộ rượu cho phép trong sản phẩm ñáy là 0.05 phần mol. Giả sử rằng 25% rượu ñược lấy
ra theo một ñường phụ và trong dòng này thì rượu chiếm 0.5 phần mol. Biết rằng nguyên
liệu ñược ñưa vào tại nhiệt ñộ sôi và chỉ số hồi lưu của cột là 2. ðường cong cân bằng
lỏng hơi cho trong sổ tay
1/ Hãy xác ñịnh lượng sản phẩm ñỉnh, sản phẩm ñáy và lượng rượu lấy ra ở ñường phụ.
2/ Viết phương trình ñường nồng ñộ làm việc của ñoạn luyện ở phần sản phẩm lấy ra ở
ñầu cột và ở sản phẩm lấy ra theo ñường phụ.
3/ Viết phương trình ñường nồng ñộ làm việc của ñoạn chưng.
4/ Xác ñịnh số ñĩa lí thuyết của tháp chưng và vị trí ñĩa lấy sản phẩm ra theo ñường phụ
Bài tập 15:
Một tháp chưng cất ñược sử dụng ñể tách một hỗn hợp chứa 0,4 phần mol n-heptan

(C7H16) và 0,6 phần mol n-octan (C8H18), ñể cho sản phẩm ñỉnh ñạt ñến 0,95 phần mol
và sản phẩm ñáy còn 0,05 phần mol. Nguyên liệu ñược ñưa vào ở trạng thái sôi với tốc
ñộ nạp liệu là 1,25 kg/s. Tốc ñộ hơi ñi trong tháp là 0,6 m/s, nhiệt ñộ sôi ở ñỉnh tháp là
372K.
1/ Xác ñịnh số ñĩa lí thuyết của tháp chưng, khi cho R = 2R
min
.
2/ Xác ñịnh ñường kính tháp chưng .
ðường cân bằng lỏng hơi ñược cho trong sổ tay, và 1kmol khí lý tưởng ở P = 760 mmHg
và 273K là 22,4 m
3

Bài tập 16:
Một tháp chưng luyện liên tục ñược thiết kế với năng suất theo lượng sản phẩm ñỉnh là
1000 kg/h và nồng ñộ cấu tử dễ bay hơi là 98% khối lượng, lưu lượng sản phẩm ñáy là
3000 kg/h với nồng ñộ cấu tử khó bay hơi là 95% khối lượng. Biết chỉ số hồi lưu R = 3.
Xác ñịnh:
1/ Nồng ñộ cấu tử dễ bay hơi trong hỗn hợp ñầu (% khối lượng)
2/ Lượng nước lạnh cần thiết ñể ngưng tụ toàn bộ hơi ñi ra khỏi tháp chưng luyện (kg/h).
Biết ẩn nhiệt ngưng tụ của hơi ở ñỉnh tháp là 2000 kJ/kg; nhiệt ñộ vào, nhiệt ñộ ra và
nhiệt dung riêng của nước làm lạnh tương ứng là 20
0
C, 60
0
C và 4kJ/kg.ñộ
Bài tập 17:
Dùng tháp chưng luyện ñể tách hỗn hợp metanol-nước (CH
3
OH-H
2

O) với năng
suất tính theo hỗn hợp ñầu 8,45 tấn/h, chứa lượng metanol là 4,3 tấn/h. Biết nồng ñộ sản
phẩm ñỉnh là 0,995 phần mol và nồng ñộ sản phẩm ñáy 0,002 phần mol. Xác ñịnh lượng
metanol trong sản phẩm ñỉnh và trong sản phẩm ñáy (kmol/h).

Chương 5: QUÁ TRÌNH TRÍCH LY

Bài tập 18:
Dùng benzen ñể tách phenol ra khỏi hỗn hợp nước thải phenol-nước trong hệ thống trích
li liên tục ngược chiều. Thành phần phenol trong nước thải lúc ñầu là 8kg/m
3
, và lúc cuối
là 1,0kg/m
3
. Thành phần phenol trong benzen sau khi trích li là 25kg/m
3
. Nhiệt ñộ làm
việc 25
0
C.
1/ Vẽ sơ ñồ hệ thống trích li hỗn hợp trên.
2/ Xác ñịnh lượng dung môi thứ benzen cần thiết ñể ñảm bảo yêu cầu tách nói trên.
3/ Xác ñịnh số bậc trích li .
Cho biết mỗi giờ có 10m
3
nước thải ñược sử dụng. Số liệu về ñường cân bằng của hỗn
hợp cho ở hình sau.

Hình 2. Âäö thë âæåìng cán bàòng cuía hãû
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

x(kg/kg)
y(kg/kg)
Bài tập 19:
Dùng benzen tinh khiết ñể tách dioxan ra khỏi nước trong hệ thống trích li liên tục
ngược chiều. Thành phần của dioxan trong nước lúc ñầu 10kg/m3 và lúc cuối 1kg/m3.
Thành phần của dioxan trong benzen sau khi trích là 30kg/m3. Xác ñịnh lượng dung môi
benzen cần thiết cho quá trình trích li, số bậc trích, và sơ ñồ trích li. Nếu mỗi giờ có 15m3
hỗn hợp dioxan – nước ñược sử dụng. Số liệu về ñường cân bằng của hỗn hợp cho ở bài
tập 16 (bỏ qua tính hoà tan lẫn nhau giữa nước và benzen).
Bài tập 20:
Dung môi thứ cấp S ñược ñưa vào với tốc ñộ 160 cm
3
/s ñể chiết cấu tử A trong hỗn hợp
ñầu chứa 10% về trọng lượng của cấu tử ñó trong dung môi ñầu B theo phương pháp
ngược dòng (giả sử có 3 bậc tách). Tốc ñộ của hỗn hợp ñầu ở lối vào là 400 cm
3
/s. Xác
ñịnh thành phần của dịch bã sau 3 bậc tách. Cho biết:
- Tỷ trọng của cấu tử A, dung môi ñầu B và dung môi thứ S lần lượt như sau:
ρ
A
= 1200 kg/m3;
ρ
B
= 1000 kg/m3;
ρ
S
= 800 kg/m3;
- ðường cân bằng chỉ sự phân bố cấu tử A trong B và S trên hình sau.

CHƯƠNG 7: QUÁ TRÌNH SẤY

Bài tập 21:
Hãy xác ñịnh lượng không khí khô ñi qua máy sấy, lượng nhiệt cần thiết cấp cho
máy sấy trong máy sấy bằng không khí và nhiệt ñộ của không khí sấy sau khi ra khỏi
caloriphe sưởi. Quá trình sấy ñược thực hiện theo phương thức sấy thực tế.
Cho biết năng suất của thiết bị tính theo vật liệu ẩm là m = 300 kg/h; ñộ ẩm ñầu và cuối
của vật liệu tương ứng 40% và 10%; trạng thái của không khí trước khi vào caloriphe

Hình 2. ðưong cân bang
0.000
0.020
0.040
0.060
0.080
0.100
0.120
0.140
0.160
0.180
0.200
0.220
0.240
0.260
0.280
0.300
0 0.015 0.03 0.045 0.06 0.075 0.09 0.105 0.12 0.135 0.15
kgA/kgB
kgA/kgS
t
0
= 20
0
C và x
o
= 0.01 kg/kg kkk và sau khi sấy t
2
= 40
0

C và x
2
= 0.028 kg/kg kkk; nhiệt
ñộ ñầu (khi vào máy sấy) và nhiệt ñộ cuối (sau khi ra khỏi máy sấy) của vật liệu tương
ứng là 25
0
C và 43
0
C; khối lượng của bộ phận vận chuyển m
VC
= 500 kg; nhiệt dung riêng
của vật liệu sấy, vật liệu vận chuyển và của nước tương ứng C
VL
= 0.55 kcal/kg.ñộ,
C
VC
= 0.12 kcal/kg.ñộ, C
n
= 1 kcal/kg.ñộ; nhiệt tổn thất ra môi trường chung quanh trong
quá trình sấy bằng 10% lượng nhiệt tiêu tốn tính theo lí thuyết
Bài tập 22:
Hãy xác ñịnh lượng không khí khô ñi qua mây sấy; lượng nhiệt cần thiết cấp cho máy sấy
và thời gian sấy cần thiết ñể vật liệu có ñộ ẩm từ 40% xuống còn 8%.
Biết năng suất của thiết bị tính theo vật liệu ẩm là m = 350kg/h; trạng thái của không khí
trước khi vào caloriphe chính: t
0
= 15
0
C; x
0

= 0,008 kgẩm/kgkkk; và sau khi ra khỏi máy
sấy là: t
2
= 45
0
C; x
2
= 0,038 kgẩm/kgkkk. Biết rằng sau 10h sấy ñộ ẩm vật liệu giảm từ
35% xuống còn 12%; ñộ ẩm tới hạn tương ứng là 16% và ñộ ẩm cân bằng là 5%. Bỏ qua
thời gian khởi ñộng; và quá trình sấy ñược thực hiện theo phương thức sấy lý thuyết.
Bài tập 23:
Trong thiết bị sấy thí nghiệm kiểu ống hơi, người ta tiến hành sấy than bùn. Kết
quả ñược ghi nhận như sau:
- Năng suất của thiết bị m = 11,2 kg/h (tính heo vật liệu khô tuyệt ñối)
- Trạng thái than bùn:
* nhiệt ñộ vào: 20
0
C; nhiệt ñộ ra: 52
0
C
* ñộ ẩm ñầu và cuối vật liệu: hokgvatlieukkgwhokgvatlieukkgw
cd
/148,0;/57,0 ==
• hàm nhiệt của vật liệu trước khi sấy và sau khi sấy:
i
0
= 17,4 kcal/kg và i
2
= 23,3 kcal/kg
- Trạng thái của không khí (của tác nhân sấy)

* Trước khi sấy: t
0
= 220C; x
0
= 0.0057 kg/kg
* Sau khi sấy: t
2
= 82
0
C; x
2
= 0,146 kg/kg
- Nhiệt ñộ hơi ñốt: t =100
0
C
- Diện tích bề mặt ñốt nóng của ống là 2,18 m
2
.
- Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh bằng 10% lượng nhiệt làm bay hơi ẩm.
Hãy xác ñịnh hệ số truyền nhiệt trung bình (tính cho hiệu số nhiệt ñộ giữa hơi ñốt và vật
liệu sấy).
Bài tập 24:
Một máy sấy dùng tác nhân sấy là không khí nóng với năng suất tính theo sản
phẩm sau khi sấy G
2
= 500 kg/h; ñộ ẩm ñầu và cuối của vật liệu tương ứng là w
1
= 40%,
w
2

= 10% (tính theo vật liệu ướt). Biết không khí ngoài trời có nhiệt ñộ t
0
= 25
0
C, ñộ ẩm
tương ñối ϕ
0
= 80%; nhiệt ñộ không khí khi vào máy sấy (sau khi ñi qua caloriphe chính)
t
1
= 80
0
C và sau khi ra khỏi máy sấy t
2
= 40
0
C. Quá trình sấy xem như sấy lý thuyết. Hãy
tính:
1/ Lượng nguyên liệu cần phải ñưa vào máy sấy (kg/h)
2/ Lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy (kgkkk/h)
3/ Lượng nhiệt cung cấp cho caloriphe (kW)
Cho biết: Áp suất không khí là 10
5
N/m2; áp suất hơi nước bão hoà ở 25
0
C là
P
bh
=3150 N/m
2