Chương 6 7CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI

PHẦN 3 : CÁC QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI
CHƯƠNG 6. CƠ SỞ QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI
CHƯƠNG 7. CHƯNG CẤT VÀ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT

CHƯƠNG 8. QUÁ TRÌNH HẤP THỤ VÀ THIẾT BỊ HẤP THỤ

CHƯƠNG 9. SẤY VÀ THIẾT BỊ SẤY


6.1 Khái niệm về chuyển khối
•Chưng là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt , trong đó vật chất
di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại
•Hấp thụ là quá trình hút khí vào chất lỏng trong đó vật chất di chuyển từ pha khí vào
pha lỏng

•Hấp phụ là quá trình hút khí vào chất rắn xốp trong đó vật chất di chuyển từ pha khí vào
pha rắn
•Trích ly là quá trình tách chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất lỏng
khác
•Kết tinh là quá trình tách chất rắn trong dung dịch trong đó vật chất di chuyển từ pha
lỏng vào pha rắn

•Sấy là quá trình tách nước ra khỏi vật ẩm trong đó vật chất ( hơi nước ) đi từ pha rắn hay
lỏng vào pha khí



6.2 Sự cân bằng pha và động lực của quá trình chuyển khối
6.2.1 Sự cân bằng pha và động lực của quá trình chuyển khối

y* = f1 (x)

x* = f2 (y)
yM

Φy

Φx

xM

Nếu y < y* thì vật chất di chuyển từ pha ?
vào pha ? còn nếu y>y* thì vật chất di chuyển
từ pha ? vào pha ?


6.2.2 Quy tắc pha Giss và Các định luật về cân bằng pha
• Quy tắc pha Gibb
•Định luật Henry
“Áp suất riêng phần của khí trên lỏng tỉ lệ thuận với nồng độ phần mol x của nó trong dung dịch:”

pi = Ψ.xi

( 6.1)

*

Mặt khác nếu yi là nồng độ cân bằng của cấu tử i trong hỗn hợp khí và áp suất chung là P thì pi
còn có thể tính theo phương trình :

pi = yi* .P

( 6.2 )

Từ (6.1) và (6.2) ta có :

yi* =

Ψ
xi ⇔ y * = mx
P


Đường biểu diễn 6.3 là đường cân
bằng. Nó biểu thị mối liên hệ giữa
nồng độ cân bằng trong pha khí và
nồng độ trong dung dịch. Trong
trường hợp chung thì đường cân bằng
là đương cong có dạng
y* = f ( x )

Thường dùng cho tính toán hấp thụ


• Định

luật Raoult

Áp suất riêng phần của cấu tử i trên dung dịch bằng áp suất hơi bão hòa của cấu tử đó (ở
cùng nhiệt độ ) nhân với nồng độ phận mol của nó trong dung dịch
pi =pibh .xi

(6.4 )

Mặt khác theo (6.2) kết hợp với (6.4) ta có
*
i

y

pibh
=
x1
P

(6.5 )

Ta lại có theo định luật Danton cho hệ hai cấu tử
Hay là :

P =p1bh . x +p2bh .(1 −
x)

P =p1 +p2

(6.6 )

(6.7 )

Thay P ở (6.7) vào (6.5) ta có :
*
i

y

pibh .x
= bh
bh
p1 .x +p2
. (1 −
x)

(6.8 )

p1bh
Gọi α = bh là độ bay hơi tương đối của cấu tử 1 trong hỗn hợp khi đó :
p2

α
.x
yi* =
1+
x (α
−
1)

(6.9 )

Lý tưởng


6.3. Cơ chế và động học của quá trình vận chuyển vật chất trong hệ một pha.

Khi hai pha chuyển động tiếp xúc nhau, do sự
cản trở của pha này với pha kia nghĩa là
do ma sát giữa chúng mà trên bề mặt phân chia
pha tạo thành hai lớp màng.
Chế độ chuyển động trong màng và trong nhân
có sự khác nhau. ở trong màng luôn luôn
có chuyển động dòng, còn giữa nhân của dòng
thì có chuyển động xoáy.
Đặc trưng di chuyển vật chất trong màng và
trong nhân của dòng cũng khác nhau.

•Quá trình di chuyển vật chất trong màng là quá trình khuếch tán phân tử.
•Ở nhân của dòng sự di chuyển vật chất nhờ sự sáo trộn của các phân tử trong dòng,
vì thế gọi là khuếch tán đối lưu.


6.3.1.

Khuyếch tán phân tử - định luật Fick I
dG
dC
= −D
Fdτ
dx

( 6.10 )

Trong đó : F là bề mặt vuông góc với hướng khuếch tán, m2
D gọi là hệ số tỉ lệ hay gọi là hệ số khuếch tán m2/h
τ thời gian , h

6.3.2.

Khuyếch tán đối lưu phương trình vi phân khuếch tán đối lưu –
định luật fick II.

Bằng cách lập phương trình vi phân và cân bằng vật chất Fick đã đưa ra
được phương trình vi phân cho khuếch tán đôi lưu như sau :

 ∂ 2C ∂ 2C ∂ 2C 
∂C
∂C
∂C
D 2 +
+
=
ω
+
ω
+
ω
x
y
z
2
2 ÷
∂
x
∂
y
∂

z
∂
x
∂
y
∂z


Hay viết dạng tổng quát của Vectơ:

ur
div Cω = div ( DgradC )

( )

( 6.12 )

( 6.11)


6.3.3 Phương trình cân bằng vật liệu trong thiết bị truyền chất
Xét cho một nguyên tố bề mặt dF phương trình cân bằng vật liệu có dạng

Gx dX = −G y dY

( 6.13)

Nếu biểu diễn trên toàn bộ bề mặt F sẽ là :

Gx ( X c − X d ) = G y ( Yd − Yc )

( 6.14 )

Nếu xét ở tiết diện bất kỳ có nồng độ X và Y thì :

Gx ( X − X d ) = G y ( Y − Yc )
Gx
Gx
Y=
X + Yc −
Xd
Gy
Gy

( 6.15 )

Trong mỗi trường hợp các đại lượng Gx , Gy và Yc , Xđ đều cho trước và không đổi nên
phương trình (6.15) có dạng.
Y = AX + B
(6.16)
Phương trình (6.16) gọi là phương trình đường nồng độ làm việc.


6.3.4 Phương trình cấp chất và phương trình truyền chất.
* Phương trình cấp chất

dG = β x .dF ( xbg − x ) τ

kx =

dG = β y .dF ( ybg − y ) τ
* Phương trình truyền chất

G = k x .F .∆xtb .τ

ky =

G = k y .dF .∆ytb .τ

1
1
1
+
β x m.β y
1
1 m
+
β y βx

Trong đó động lực trung bình được tính :

∆x1 − ∆x2
∆xtb =
∆x1
ln
∆x2
∆ y − ∆ y2
∆ytb = 1
∆y1
ln

∆y2

∆x1 = xc − xd*
Và

∆x2 = xd − xc*
∆y1 = yc − yd*
∆y1 = yd − yc*


CHƯƠNG 7. CHƯNG CẤT VÀ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
7..1.

Khái niệm về quá trình chưng cất

Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng cũng như hỗn hợp khí đã hóa lỏng thành
các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.

Chưng khác cô đặc trong quá trình chưng các cấu tử đều bay hơi còn trong cô đặc chỉ có
dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi.
Khi chưng ta thu được niều sản phẩm thường có bao nhiêu cấu tử ta thu được bấy
nhiêu sản phẩm. Trường hợp có hai cấu tử thì khi chưng ta sẽ thu được hai sản phẩm
•Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi ( P )
•Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi (W)
Để có thể thu được sản phẩm đỉnh tinh khiết ta tiến hành chưng nhiều lần gọi là chưng luyện

Ngoài ra chúng ta còn rất nhiều các phương pháp chưng khác bao gồm chưng bằng hơi
nước trực tiếp, chưng trích li hoặc chưng đẳng phí.

7.2. Cân bằng pha trong chưng luyện hệ hai cấu tử (tan và không tan vào nhau)
định luật Raoult, đồ thị x - y, t - x,y.
7.2.1

Hỗn hợp lỏng hai cấu tử

Hỗn hợp hai cấu tử A và B được biểu thị qua
•Khối lượng m, kg, hay lưu lượng khối lượng kg/h
•Thể tích V , m3 hay lưu lượng thể tích m3/h
•Số mol , kmol hay lưu lượng mol kmol/h
Các đại lượng m, V , n có quan hệ.

m =Vρ
m
n=
M

( 7.1)

Để biểu thị khả năng bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp người ta dùng α là
độ bay hơi tương đối:

α=

PbhA
≥1
PbhB


.2 Cân bằng hơi lỏng của hỗn hợp hai cấu tử

Hỗn hợp lí tưởng
Là hỗn hợp mà lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và các phân tử khác loại
bằng nhau và chúng hòa tan vào nhau theo bất kì tỉ lệ nào.
Hỗn hợp thực
Hỗn hợp thực là hỗn hợp bao gồm các cấu tử:
Chúng tan hoàn toàn vào nhau nhưng có sai lệch dương với định luật Raoult
p = α.x.Pbh với α > 1
Trong trường hợp này lực liên kết giữa các phân tử cùng loại lớn hơn lực liên kết
giữa các phân tử khác loại.
Chúng tan hoàn toàn vào nhau nhưng có sai lệch âm với định luật Raoult
p = α.x.Pbh với α < 1
Trong trường hợp này lực liên kết giữa các phân tử cùng loại nhỏ hơn lực liên kết
giữa các phân tử khác loại


7.2.2 Cân bằng hơi lỏng của hỗn hợp hai
cấu tử

Chúng tan hoàn toàn vào nhau nhưng tồn tại điểm đẳng phí tại đó áp suất hơi đạt giá trị
cực đại như hệ Etanol – nước
Chúng tan hoàn toàn vào nhau nhưng tồn tại điểm đẳng phí tại đó áp suất hơi đạt giá trị
cực tiểu như hệ HNO3 – nước
Chúng tan một phần vào nhau như hệ nước – n Butanol
Chúng hoàn toàn không tan vào nhau như hệ nước – Benzen hay nước – Anilin..


c) Đồ thị x,y-t
Xét cho hỗn hợp hai cấu tử là lí tưởng

Quá trình bay hơi của hỗn hợp


•Xét cho hỗn hợp thực
Đồ thị hình 6.5 biểu thị đồ thị x,y-t cho hỗn hợp lý tưởng và thực


Trường hợp hỗn hợp tồn tại điểm đửng phí ở áp suất cự đại


d) Đồ thị y – x
Động lực của chưng luyện được biểu thị
qua hiệu số nồng độ đường cân bằn và
đường chéo ( hình 6.7 ). Trên đường chéo
có y = x và động lực được thể hiện qua
nồng độ pha hơi y* - y = Δy hoặc nồng độ
pha lỏng x – x* = Δx.
Điều kiện để tiến hành chưng luyện là
nồng độ pha hơi phải lớn hơn nồng độ
trong pha lỏng trong điều kiện cân bằng
nhiệt động.

Khả năng bay hơi của từng
cấu tử thể hiện qua α là đại
lượng tỉ lệ với động lực quá
trình

Trường hợp α = 1 quá trình không tách
được các cấu tử có cùng nhiệt độ sôi và áp
suất hơi bão hòa nên động lực bằng

không



Chưng bằng hơi nước trực tiếp
Trong thực tế không có những chất lỏng không
tan vào nhau nhưng độ hòa tan vào nhau của
chúng rất bé ( ví dụ Benzen – nước ..) và ta coi
như chung không tan vào nhau. Những tính
chất cơ bản của hỗn hợp này là:

•Áp suất riêng phần của cấu tử này không phụ thuộc vào
sự có mặt của cấu tử kia trong hỗn hợp và bằng áp suất hơi bão hòa của
các cấu tử nguyên chất ở cùng một nhiệt độ. PbhA = pA và PbhB = pB
•Áp suất chung của hỗn hợp bằng tổng áp suất hơi bão hòa của các cấu tử
P = PbhA + PbhB = pA + pB
(7.3)
Nhiệt độ sôi của hỗn hợp thấp hơn nhiệt độ sôi của các cấu tử.


7.3.1 Sơ đồ chưng bằng hơi nước trực tiếp
Quá trình chưng bằng hơi nước
trực tiếp hợp lý nhất là chỉ dùng
để tách cấu tử không tan trong
nước khỏi tạp chất không bay hơi,
trường hợp này sản phẩm ngưng
sẽ phân lớp cấu tử bay hơi và
nước

Ưu điểm của quá trình chưng này là

giảm được nhiệt
độ sôi của hỗn hợp, nghĩa là có thể
chưng ở nhiệt độ
thấp hơn nhiệt độ sôi của từng cấu
tử. Điều này rất
có lợi với các chất dễ bị phân hủy
cũng như các chất
có nhiệt độ sôi cao.


1

Chưng liên tục
Chưng đơn giản liên tục
Nếu độ bay hơi tương đối của các
cấu tử trong hỗn hợp lớn người ta
tiến hành chưng đơn giản, tức cho
bốc hơi một lần liên tục.

Hỗn hợp đầu vào có nồng độ XF của cấu tử dễ bay hơi sẽ được đun tới nhiệt độ sôi t trong vùng
hơi lỏng với nồng độ hơi yD > xF và nồng độ xw < xF . Khi đó một lượng hơi D bay lên cân bằng
nhiệt động với lượng lỏng W


7.4.2 Đồ thị x,y-t và y-x

Giữa hai trường hợp giới hạn ta có:
yD = yDmax
xF = yDmin
xF = xwmax

xw = xwmin
W=F
D=F
D=O
W = OF
Trong thực tế có phạm vi làm việc : yDmin < yD < yDmax