Tiểu luận môn học: LÝ THUYẾT HỆ ĐA PHÂN TÁN VÀ CẤU TRÚC TẬP HỢP HẠT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ HỘI
Tiểu luận môn học:
LÝ THUYẾT HỆ ĐA PHÂN TÁN
VÀ CẤU TRÚC TẬP HỢP HẠT
Người thực hiện : Lê Thanh Sơn
Học viên cao học
KTHH-ĐHBKHN
Người hướng dẫn: Nh.giáo ưu tú PGS.TS Hà Thị An
Hà Nội – 2010
Phần I:
HỆ VẬT LIỆU PHÂN TÁN VÀ CẤU TRÚC TẬP HỢP HẠT
I. Hệ vật liệu phân tán:
- Có rất nhiều quá trình công nghệ đi từ nguyên liệu ban đầu ở dạng rắn,
lỏng để tạo nên các bán sản phẩm hoặc sản phẩm, bao gồm một lượng rất
lớn các hạt rắn hoặc lỏng. Gọi là tập hợp hạt.
- Khoảng không gian giữa các phân tử rắn hoặc lỏng thường là khí hoặc
lỏng, gọi là pha liên tục, còn bản thân các phân tử rắn hoặc lỏng đó được
gọi là pha phân tán.
- Các phân tử rắn hay lỏng đó có thể phân tán vào môi trường liên tục (bụi
trong không khí, …huyền phù, …) hoặc cũng có thể tiếp xúc với nhau trực
tiếp (xi măng trong bể chứa) phụ thuộc vào kích thước của các phân tử
phân tán mà ta có thể phân loại như sau:
Pha liên
tục
Pha phân tán
Khí Lỏng
Hạt rắn phân
tán (không tiếp
xúc với nhau)
Hạt rắn dính

vào nhau
Thể khí Hòa trộn
(không
phải hệ
nhiều pha)
đồng thể
+ Đến
0,05mm:
sương mù
+>0,05mm:
hỗn hợp
lỏng khí
+ Đến 0,05mm:
khói
+>0,05mm: hỗn
hợp khí rắn
+ Bột trong
thùng chứa
+ Trong lớp
tâng sôi (tĩnh)
+Lớp xúc tác
khí rắn
Thể lỏng Bọt khí, hệ
bọt
Nhũ tương Huyền phù Bùn, bã lọc
Hệ phân tán:
Phân tán phân tử: <1µm
1µm < Phân tán keo <1mm
1mm <Phân tán thô
Phân biệt 2 khái niệm:

- Phân tán thô (đơn phân tán):
1
min
max
≈
d
d
- Phân tán tinh (đa phân tán):
1
min
max
>>
d
d
- Trong thực tế sản xuất, thường gặp các hệ vật liệu phân tán sau đây.

S
G L
S: Solid (Vật liệu rắn)
L: Liquid (lỏng)
G: Gas (khí)
- Gọi hệ lỏng - rắn: pha lọng trội hơn hẳn pha rắn (vd: Huyền phù).
- Trong thực tế gặp 9 hệ phân tán:
1. Hệ rắn – rắn: gồm nhiều pha rắn trộn với nhau.
2. Hệ rắn – lỏng: quá trình sấy bã lọc, bã than … đặc điểm: hệ vật liệu không mịn,
nhưng xốp.
3. Hệ lỏng – rắn: huyền phù >60%
4. Hệ lỏng – lỏng: nhũ tương
5. Hệ lỏng – khí: quá trình sục khí
6. Hệ khí – lỏng: sương mù,

7. Hệ khí – rắn: hệ bụi,
8. Hệ rắn – khí: quá trình sấy khí
9. Hệ khí – lỏng – rắn: quá trình tuyển nổi
- Hệ vật liệu rắn – rắn được gặp nhiều nhất mà tập hợp hạt là một trường
hợp riêng của hệ rắn – rắn, và qua lớp tập hợp hạt có rất nhiều quá trình
công nghệ được tiến hành. (đập, nghiền, khuấy, trộn, thăng hoa…)
- Người kỹ sư công nghệ chỉ có thể tính toán được quá trình kể trên nếu đo
được các đặc trưng hình học, vật lý của các phân tử trong tập hợp hạt và
miêu tả được chính xác hình dạng, và xác định miền phân bố trong tập hợp
hạt đó.
II. Cấu trúc tập hợp hạt
• Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu cấu trúc tập hợp hạt:
- Nhằm tìm ra kích thước đặc trưng của tập hợp hạt và xác đinh được mật độ
phân bố, điều kiện thủy lực, độ xốp bề mặt riêng.
• Cấu tạo tập hợp hạt: trong tự nhiên và trong kỹ thuật.
- Các tập hợp hạt trong tự nhiên và trong kỹ thuật đều nằm trong một miền
cấu tạo.
1. Tập hợp hạt định vị
2. Tập hợp hạt ngẫu nhiên
3. Tập hợp hạt chuyển tiếp
4. Tập hợp hạt chuyển tiếp có thông số tỷ lệ
5. Tập hợp hạt chuyển tiếp có thông số điều chỉnh
Các tập hợp hạt trong tự nhiên và trong kỹ thuật đều nằm trong một
miền cấu tạo mà các cận của nó là các tập hợp hạt có cấu tạo định vị
( Tập hợp hạt định vị) và các tập hợp hạt có cấu tạo ngẫu nhiên (tập
hợp hạt ngẫu nhiên). Việc xuất hiện các tập hợp hạt ở 2 cận 1 và 2 phụ
thuộc rất nhiều vào phương pháp tạo thành chúng và độ phân tán của
chúng vào mật độ phân bố.
- Tập hợp hạt định vị: có độ phân tán = 1, kích thước hạt đồng đều
- Tập hợp hạt đồng nhất: ít gặp trong thực

- Tập hợp hạt ngẫu nhiên: phụ thuộc phương pháp tạo thành đó, mang tính
chất ngẫu nhiên
- Tập hợp hạt chuyển tiếp: thường có trong kỹ thuật và nghiên cứu.
• Kích thước cơ bản của tập hợp hạt:
Kích thước hình học trung bình (dp) của hạt:
Trong một tập hợp hạt đa phân tán thì các hạt thường có hình dạng rất phức tạp
và thường không giống nhau, trong trường hợp này phải quy ước
- Kích thước được tính theo chiều dài, diện tích, thể tích khối lượng của hạt.
- Hạt là hình cầu  kích thước hạt dp
- Hạt là hình khác độ lớn tương đương được rút ra từ 1 yếu tố nào đó của hạt
Các phương pháp xác định kích thước hạt:
- So sánh với hạt có hình dạng đều đặn
- Kích thước thống kê
- Đường kính tương đương của hạt
• Các phương pháp phân tích thành phần tập hợp hạt theo kích thước hạt:
- Phân tích bằng rây phân tích
- Phân tích bằng sa lắng
- Phân tích tế vi dùng kính hiển vi
- Phân tích bằng nhiễu xạ laser
Phần II
Phương pháp phân riêng cơ học và phân loại vật liệu hạt
- Phân riêng 1 hỗn hợp vật liệu bất kỳ là hết sức quan trọng trong công nghệ
hóa học, có rất nhiều phương pháp phân riêng nhưng đối với phân riêng cơ
học chỉ có thể phân riêng được một số hỗn hợp nhất đinh vì vậy ta phải biế
phân biêt hỗn hợp nào phân riêng bằng cơ học.
- Chỉ hỗn hợp tạo thành từ 2 hay nhiều pha mới dùng phương pháp phân
riêng cơ học
- Khi phân riêng cơ học hỗn hợp được tách ra thành 2 loại:
Phần thô và phần mịn
- Nhược điểm của phương pháp: không phân riêng được một cách triệt để.

- Ưu điểm: phân riêng hiệu quả, kinh tế.
-
I. Phân riêng hệ lỏng rắn (huyền phù) bằng phương pháp lọc
1. Cơ sở quá trình:
Phương pháp lọc: Làm trong và tạo bã.
- Lọc làm trong: nhằm tách đến mức có thể được các phần tử rắn sẵn có
trong chất lỏng cá rất ít pha rắn, phổ biến là lọc tiệt trùng hoặc sử lý nước
uống.
- Lọc tạo bã: với huyền phù có hàm lượng pha rắn cao và mục đích của quá
trình lọc là tách được 2 pha rắn và lỏng riêng biệt, thường pha rắn là sản
phẩm.
Các dạng của quá trình lọc:
- Lọc bề mặt
- Lọc bề sâu
- Lọc tạo bã: lọc động lực (lọc chéo dòng)
Xác định dạng của quá trình lọc
Tổn thất áp suất của dòng chảy:
2
32
32
)
1
(150
ε
ε
η
−
=∆
d
hw

p
Trong đó:
h là chiều cao của lớp hạt.
v: vận tốc dòng.
η: độ nhớt của pha lỏng
ε: độ xốp của lớp
d
32
: đường kính hình cầu tương đương = 6V/A
Phương trình tổng quát của quá trình lọc:
h
p
kW
.
η
∆
=
K: hệ số thấm.
2
2
32
)1(150
.
ε
ε
−
=
d
kk
,(m

2
)
Theo Herman có 4 mô hình lọc khác nhau:
- Lọc tạo bã
- Lọc bít kín mao quản
- Lọc chuẩn
- Lọc trung gian
2. Trợ lọc:
- Là một loại vật liệu bột hoặc sợi xơ có độ xốp rất lớn mà trở lực riêng rất
bé, đặc biết rất trơ với huyền phù.
- Nguồn gốc được chế tạo từ khoáng diatomit
3. Phân bố của tập hợp hạt:
• Các lớp hạt là những tập hợp hạt bao gồm các hạt có kích thước không đồng đều
nhau và phân bố trong khoản từ dp
min
 dp
max
: phụ thuộc hạt đa phân tán.
• Để mô tả cấu trúc đó người ta dùng hàm phân bố tổng Q
r
(dp) và hàm mật độ
phân bố q
r
(dp).
• Các hàm phân bố thường gặp:
- Hàm phân bố chuẩn Gaus
- Hàm phân bố chuẩn Logarit
- Hàm phân bố RRSB
- Hàm phân bố GGS
II. Phân riêng hệ rắn – rắn:

- Quá trình phân riêng hệ rắn – rắn nói chung là quá trình từ 1 hỗn hợp vật
liệu ban đầu được phân chia thành ít nhất 2 sản phẩm nhờ việc sử dụng 1
đặc tính phân riêng điển hình.
- Quá trình phân riêng rắn – rắn tùy thuộc vào đặc tính phân riêng được lựa
chọn chia làm 2 loại:
Phân riêng theo kích thước hạt: sàng…
Phân riêng theo các đặc tính khác: theo khối lượng riêng của hạt…
Phần bài tập:
Bài tập 1 :
Tiến hành phân tích bằng sàng khô một tập hợp hạt với lượng mẫu M= 0,5Kg.
Máy Ray có 8 Ray, sau khi Ray xong khối lượng các hạt tương ứng là M1->M9 (Đáy Ray)
Để nhận được các giá trị mẫu ta chia khối lượng mẫu trong các Ray:
ΔM1/M; ΔM2/M; … ΔM9/M; Kết quả lập bảng (đã cho)
Yêu cầu: Hãy vẽ đường cong mật độ phân bố.
Số rây
Kích
thước
lỗ rây
Khối lượng
trên rây
thư i
Khối lượng
trên rây thứ
i
tương đối
Mật độ
phân bố của
lớp hạt
Tổng khối
lượng

trên rây
tương đối
Mật độ
phân bố
kích thước
hạt
Tổng
phân
bố
i dp(mm)
Delta(Mi)
[kg]
DeltaMi/M q3(Delta(dp)) Mr/M q(dp) Q(dp)
1.0000 0.7100 0.0139 0.0278 - 0.0278 0.9722
2.0000 0.5000 0.0711 0.1422 0.6771 0.1700 0.6771 0.8300
3.0000 0.3550 0.1201 0.2402 1.6566 0.4102 1.6566 0.5898
4.0000 0.2500 0.1167 0.2334 2.2229 0.6436 2.2229 0.3564
5.0000 0.1800 0.0763 0.1526 2.1800 0.7962 2.1800 0.2038
6.0000 0.1250 0.0500 0.1000 1.8182 0.8962 1.8182 0.1038
7.0000 0.0710 0.0346 0.0692 1.2815 0.9654 1.2815 0.0346
8.0000 0.0450 0.0103 0.0206 0.7923 0.9860 0.7923 0.0140
Ngăn đáy 0.0000 0.0070 0.0140 0.3111 1.0000 0.3111 0.0000
Tổng cộng 0.5000 1.0000
Bài tập 2:
Xác định Ti cho quá trình sàng vật liệu khô.
Vẽ đường cong phân ly Ti
Xác định độ chính xác phân riêng của phương pháp trên.
Kích thước
hạt

(mm)
Khối lượng các lớp kích
thước hạt
MuyiA MuyiK TiK Ti=TiG
Trong vật
liệu đầu
miA (g)
Trong sản
phẩm mịn
miK (g)
< 0.063 0.3 1 0.0161 0.0405 100.68027 0
0.063-0.16 35.5 115.2 1.2364 3.0297 98.014372 1.985628054
0.16-0.2 29.6 89 2.5000 5.6760 90.816327 9.183673469
0.2-0.26 51.5 134.3 2.8998 5.7100 78.765207 21.23479295
0.26-0.315 72.8 52.5 4.4717 2.4351 21.78179 78.21821036
>0.315 106.3 0 0 100
Tổng 296 392
Số thứ tự
Kích thước
hạt
Khối lượng
vật liệu đầu
Khối lượng
trên rây thứ
i tương đối
Mật độ
phân bố của
lớp hạt
Tổng khối
lượng

tương đối
Mật độ phân
bố kích thước
hạt
Tổng
phân
bố
dp(mm) Delta(Mi)[g] DeltaMi/M q3(Delta(dp)) Mr/M f(A) F(A)
1 0.3150 106.3000 0.3591 - 0.3591 0.6409
2 0.2600 72.8000 0.2459 4.4717 0.6051 4.4717 0.3949
3 0.2000 51.5000 0.1740 2.8998 0.7791 2.8998 0.2209
4 0.1600 29.6000 0.1000 2.5000 0.8791 2.5000 0.1209
5 0.0630 35.5000 0.1199 1.2364 0.9990 1.2364 0.0010
6 0.0000 0.3000 0.0010 0.0161 1.0000 0.0161 0.0000
Tổng cộng 296.0000 1.0000
Số thứ tự
Kích thước
hạt
Khối lượng
vật liệu đầu
Khối lượng
trên rây thứ
i tương đối
Mật độ
phân bố của
lớp hạt
Tổng khối
lượng
tương đối
Mật độ phân

bố kích thước
hạt
Tổng
phân
bố
dp(mm)
Delta(Mi)
[g]
DeltaMi/M q3(Delta(dp)) Mr/M f(K) F(K)
1 0.3150 0.0000 0.0000 - 0.0000 1.0000
2 0.2600 52.5000 0.1339 3.2248 0.1339 2.4351 0.8661
3 0.2000 134.3000 0.3426 7.5619 0.4765 5.7100 0.5235
4 0.1600 89.0000 0.2270 7.5169 0.7036 5.6760 0.2964
5 0.0630 115.2000 0.2939 4.0123 0.9974 3.0297 0.0026
6 0.0000 1.0000 0.0026 0.0536 1.0000 0.0405 0.0000
Tổng cộng 392.0000 1.0000
Khối lượng riêng của lớp hạt (kg/m3)