Tài liệu Bài 4: Mô hình hóa quá trình chuyển khối trên màng docx

Bài 4: Mô hình hóa quá trình chuyển khốitrên màng Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn Vận chuyển vật

Bài 4: Mô hình hóa quá trình chuyển khối

trên màng

Giảng viên: Nguyễn Minh Tân

Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tannm-dce@mail.hut.edu.vn

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Các hiệu ứng giảm động lực quá trình

Trở lực cấp khối cục bộ

Phân cực nồng

độ phía dung dịch vào

Lớp hoạt động

Lớp

đế rỗng

Phân cực nồng độ phía nước trong

- Phân cực nồng độ trong lớp

biên phía dịch vào (và phân cực

nhiệt độ trong quá trình thấm bốc

và thẩm khí)

- Phân bố nồng độ trong lớp dế của

màng đảo pha/màng Composit

- Tổn thất áp suất của dòng thấm

qua lớp đế

- Phân cực nồng độ trong lớp biên

của phía nước trong

Các hiệu ứng giảm động lực quá trình

Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào

Dòng (khuyếch tán, đối lưu, chính) trong lớp biên phía dịch vào

Phân cực nồng độ phía dịch vào

Màng

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Các hiệu ứng giảm động lực quá trình

Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào

(1) Quá trình chuyển chất phụ thuộc vào màng

- Xảy ra trong các quá trình phân tách các chất lỏng tan lẫn tuân theo nguyên lý Hòa

tan – Khuyếch tán

- Dòng nước lọc nhỏ

- Trở lực của màng đóng vai trò quan trọng

- Dòng nước lọc chịu ảnh hưởng của hiện tượng phân cực nồng độ

(2) Quá trình chuyển chất phụ thuộc lớp cặn

- Xảy ra trong quá trình Siêu lọc (UF) và Vi lọc (MF)

- Dòng nước lọc lớn hơn

- Hệ số khuyếch tán của các phân tử bị màng giữ lại nhỏ hơn

- Các cấu tử bị giữ lại trên màng liện kết với nhau tạo thành lớp cặn/cake layer

- Trở lực của màng nhỏ hơn trở lực của lớp cặn

Các hiệu ứng giảm động lực quá trình

Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào

(1) Quá trình chuyển chất phụ thuộc vào màng

Giải thiết để tính toán nồng độ của các cấu tử trên bề mặt màng:

- Quá trình đạt cân bằng

- Quá tình khuyếch tán tuân theo định luật Fick

- Không xảy ra biến đổi hóa học

- Gradient nồng độ theo hướng song song với màng nhỏ hơn Gradient nồng độ vuông góc với màng

Cân bằng vật liệu đối với cấu tử j bên phía dịch vào:

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

∂

∂

⋅

∂

∂

−

′′

∂

∂

=

y

w D y

m w y

j ij F y

Ges

0

Dòng đối lưu Dòng khuyếch tán

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Các hiệu ứng giảm động lực quá trình

const m

y

m&Ges′′ ( ) = −&P′′ = m&ij′′,Ges(y) = −m&ij′′,P=const

Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào

Tích phân phương trình cân bằng vật liệu trên kết hợp với:

hay Cùng với điều kiện biên:

2

:

0 w j w j

1

F w w

Phân bố nồng độ khoảng không gian bên trên màng:

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

′′

−

=

−

−

∫

=

F

y F ij P

j

j

j

j

D

dy m w

w

w

ρ

0

*

2

*

Đối với màng loại ống (hệ tọa độ trụ)

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

′′

−

=

−

−

∫

−

i

F i

R

M P j

j

j j

D r

dr R

m w

w

w w

δ ρ

&

exp

* 2

* 1

Nồng độ khối lượng cấu

tử j trong dòng lọc tại vị

trí đang khảo sát

Dòng lọc

Các hiệu ứng giảm động lực quá trình

Phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào

Kết quả tích phân là phương trình mô tả phân cực nồng độ trong lớp biên phía dịch vào

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

−

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

−

=

−

−

F F P ij

F

F P j

j

j j

k

m D

m w

w

w w

ρ ρ

exp

* 2

* 1

Đối với màng loại ống (hệ tọa độ trụ)

ij F M P

D R m

F i ij F

i i ij

F

M P j

j

j

j

k R

D R

R D

R m w

w

w

δ ρ

′′

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

′′

−

=

−

1 ln

exp

*

2

*

1

Hệ số cấp khối

1/k F

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Các hiệu ứng giảm động lực quá trình

ij

F

hyd

P

D

d

m

Pe

ρ

′′

= &

Phân cực nồng độ phía dung dịch đầu vào của một số kiểu mô

đun màng

Phân cực nồng độ phía dịch vào trong các loại mô đun màng khác nhau

Chuẩn số Pecle

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛−

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

=

−

−

Sh

Pe d

k

PeD w

w

w

w

hyd F ij j

j

j

j * exp exp

2

*

1

Trở lực cấp khối trong lớp phụ trợ

Tương quan giữa các dòng dọc theo chiều dài mô đun z

Độ dài tương đối

Dịch vào

Dòng nước lọc cục bộ Dịch nước lọc chung

(1) Phân cực nồng độ

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Trở lực cấp khối trong lớp phụ trợ

Phân bố nồng độ trong lớp đế khi dùng màng bất đối xứng

Lớp đế

-Trở lực cấp khối trong lớp phụ trợ

Phân cực nồng độ trong lớp đế trong các quá trình khác nhau

Nước trong

Áp suất phía nước trong

Khối lượng riêng nước trong

Hệ số khuyếch tán

Độ rỗng lớp đế

Bề dày lớp đế

Phân cực nồng độ

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

(2) Tổn thất áp suất

Trở lực cấp khối trong lớp phụ trợ

Tổn thất áp suất trong lớp đế

Áp suất trong thiết bị ngưng tụ

Dòng lọc

Isopropanol- nước

Dòng pha trộn hướng trục /axial back mixing

Dòng pha trộn hướng trục

được hiểu là tất các các dòng

vận chuyển không ngoài dòng

đối lưu

Phân bố các xung chuyển động

Thời điểm phát sinh xung Thời điểm đo

Xung chuẩn khi

t=0

Xung bi suy giảm do các dòng pha trộn hướng trục:

phân bố vận tốc, dòng xoáy, khuyếch tán phân tử,…

Phân bố đối xứng tại mỗi thời điểm

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Các loại trở lực và hiệu ứng thủy động lực tác

động tới quá trình tối ưu hóa các mô đun màng

- Cân bằng vật chất trong không gian trước màng và sau màng

- Tổn thất áp suất trong không gian sau màng

Phương pháp tính toán công suất lọc cục bộ của màng

Hệ phương trình tính toán công suất lọc của màng (trường hợp tuân theo mô

hình Hòa tan – Khuếch tán) Phân cực nồng độ phía dịch vào

Trở lực của màng Thẩm thấu ngược

(RO)

Thấm bốc (PV)

Trở lực của lớp đế

Phân cực nồng độ phía nước trong

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Phương pháp tính toán công suất cục bộ của màng

Thẩm thấu ngược: Hệ phương trình tính toán có kể dến phân cực nồng độ phía dịch

vào và trở lực của màng

Sh= f( Re, Sh, kích thước hình học)

Phương pháp tính toán công suất cục bộ của màng

Phân cực nồng độ trong quá trình thẩm thấu ngược

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Phương pháp tính toán công suất cục bộ của màng

Ảnh hưởng của phân cực nồng độ phía dịch đặc tới dòng qua màng trong các trường

hợp khác nhau Quá trình màng

Hệ chất

Màng

Ảnh hưởng của vị trí lớp hoạt động của màng

Phân cực nồng

độ phía dung dịch vào

Lớp

đế rỗng

Phân cực nồng độ phía nước trong

Lớp hoạt động

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Ảnh hưởng của vị trí lớp hoạt động của màng

Hệ phương trình tính toán công suất lọc của màng khi lớp dế tiếp xúc với dịch vào

trong quá trình RO

Ảnh hưởng của vị trí lớp hoạt động của màng

Hệ phương trình tính toán công suất lọc của màng khi lớp dế tiếp xúc với dịch vào

trong quá trình PV

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Ảnh hưởng của vị trí lớp hoạt động của màng

Hệ phương trình tính cụ thể cho quá trình RO và GP

Các phương pháp tăng cường quá trình cấp khối trên

màng

- Thêm các cơ cấu tạo xoáy trong không gian dịch vào:

Feed-Spacer

Vận chuyển vật chất trên bề mặt màng

Cấc phương pháp tăng cường quá trình cấp khối trên

màng

Sơ đồ nguyên lý pp tạo dòng đa pha

Dùng Feed Spacer

Sơ đồ nguyên lý pp dùng Feed Spacer