Giáo trình Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

Giáo trình Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng) được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Kiến thức cơ bản của thủy lực học; Tổng quan về quá trình truyền nhiệt; Tổng quan về các quá trình truyền chất. Mời các bạn cùng tham khảo!

KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC HỌC

KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG VÀ TĨNH LỰC HỌC CHẤT LỎNG

1.1.1 Tính chất vật lý của chất lỏng a Khối lượng riêng của chất lỏng

− Khối lượng riêng của chất lỏng là khối lượng của chất lỏng chứa trong một đơn vị thể tích

Khối lượng riêng của chất lỏng được tính theo công thức sau: ρ = m

Trong đó: m - khối lượng chất lỏng, kg

V - thể tích của chất lỏng, m 3 Đối với 1 dung dịch hoặc hỗn hợp có nhiều chất lỏng, khối lượng riêng được tính như sau:

1, 2 … - khối lượng riêng của từng cấu tử trong dung dịch, [kg/m 3 ] a1, a2 … - nồng độ phần trăm theo khối lượng của từng cấu tử

Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 15

Khối lượng riêng của chất lỏng có thể thay đổi khi thay đổi nhiệt độ và áp suất

− Khối lượng riêng của chất khí tính theo phương trình trạng thái khí lý tưởng:

Từ công thức (1.2) ta có V = mRT

MP , Thay thế vào công thức: ρ = m

T - nhiệt độ tuyệt đối cùa khí, o K

M - khối lượng phân tử khí, g b Trọng lượng riêng của chất lỏng

Trọng lượng riêng của chất lỏng là trọng lượng của chất lỏng trong một đơn vị thể tích

Trọng lượng riêng của chất lỏng được tính theo công thức sau: γ = G

G - trọng lượng của chất lỏng, kf (kilogam lực) g - gia tốc trọng trường, g = 9.81 m/s 2 c Tỷ trọng của chất lỏng

Tỷ trọng của chất lỏng là tỷ số giữa trọng lượng riêng của chất lỏng và trọng lượng riêng của nước ở 0°C, phản ánh đặc tính nổi bật của chất lỏng Độ chịu nén ép thể hiện mức độ giảm thể tích của chất lỏng khi áp suất tăng 1 atm, tuy nhiên, chất lỏng có đặc tính không thay đổi thể tích khi thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ Thí nghiệm cho thấy trong phạm vi áp suất từ 1-500 atm và nhiệt độ từ 0-20°C, hệ số thể tích βw ≈ 0, cho phép coi chất lỏng là không nén được và không dãn ra dưới tác động của áp suất và nhiệt độ Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng vuông góc lên đơn vị diện tích, giúp hiểu rõ các đặc tính cơ học của chất lỏng trong các quá trình kỹ thuật và vật lý.

S (at, atm; N/m 2 ; mmHg; mH2O; kf/cm 2 ) (1.6)

− Cách đổi đơn vị áp suất:

Atmosphe vật lý: 1atm = 760 mmHg = 10,33 mH2O = 1,033 kf/cm 2 = 1,033.10 5 Pa Atmosphe kỹ thuật: 1at = 735,5 mmHg = 10 mH2O = 1 kf/cm 2 = 8,91.10 4 N/m 2

+ Áp suất tương đối (Áp suất dư): là áp suất gây ra chỉ do trọng lượng của cột chất lỏng

Trong đó: γ là trọng lượng riêng của chất lỏng; h là chiều cao cột chất lỏng

+ Áp suất tuyệt đối: Là tổng áp suất gây ra bởi khí quyển và cột chất lỏng tác dụng lên điểm trong lòng chất lỏng

+ Áp suất chân không (Độ chân không): Có giá trị là hiệu số giữa áp suất khí quyển và áp suất tuyệt đối

Phòng khách có kích thước sàn 3.5m x 4.2m và chiều cao 2.4m, giúp xác định trọng lượng không khí trong phòng và lực tác dụng của khí quyển lên sàn Đầu tiên, tính thể tích không khí trong phòng bằng cách nhân diện tích sàn với chiều cao, từ đó dễ dàng tính trọng lượng không khí dựa trên mật độ không khí tiêu chuẩn Ngoài ra, lực khí quyển tác dụng lên sàn phụ thuộc vào diện tích sàn và trọng lực, góp phần xác định lực tác động lên mặt sàn trong quá trình thiết kế hoặc bảo trì không gian nội thất.

Gọi V là thể tích của phòng và  là khối lượng riêng của không khí ở 20 o C áp suất 1atm ta có trọng lượng của khối không khí trong phòng được tính:

P = mg = Vg = (1,29kg/m 3 )(3,5mx4,2mx2,4m)(9.81m/s 2 )

P = 446 (N) b Lực do khí quyển tác dụng lên sàn căn phòng

1.1.2 Khái niệm về động và tĩnh lực học chất lỏng

Trong công nghệ hóa học, các vật liệu chủ yếu được sử dụng ở dạng rắn, lỏng và khí để phục vụ các quá trình sản xuất và xử lý Quá trình vận chuyển chất lỏng, khí, hoặc hơi qua các ống dẫn hoặc thiết bị đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu quả hoạt động Bên cạnh đó, các phương pháp như khuấy trộn, lắng, lọc và phân chia hệ không đồng nhất góp phần tối ưu hóa quá trình xử lý và phân tách chất trong ngành công nghiệp hóa học.

Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 17 tâm, quá trình tách các cấu tử trong hỗn hợp… đều có liên quan đến chuyển động dòng và tuân theo các định luật thuỷ lực học Vì vậy các quá trình này đều được gọi là quá trình thuỷ lực

Thuỷ lực học là lĩnh vực nghiên cứu các quy luật tác dụng lên lưu chất, gồm cả lỏng và khí, nhưng trong môn học này tập trung vào chất lỏng Thuỷ lực học được chia thành hai phần chính là thủy lực tĩnh lực học và thủy lực động lực học, nhằm phân tích các hiện tượng liên quan đến dòng chảy và các lực tác dụng lên chất lỏng.

Tĩnh lực học nghiên cứu các định luật cân bằng của chất lỏng và tác dụng của nó đối với các vật thể rắn ở trạng thái yên tĩnh khi tiếp xúc với chất lỏng đó Đây là lĩnh vực quan trọng trong lý thuyết chất lỏng, giúp hiểu rõ các lực tác dụng lên vật thể khi chúng nằm trong môi trường chất lỏng tĩnh Các nguyên tắc của tĩnh lực học giúp xác định các lực nổi, lực đẩy Archimedes và các hiện tượng cân bằng trong chất lỏng Nghiên cứu này có ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật hàng hải, các công trình thủy lực và thiết kế hệ thống chứa chất lỏng.

Động lực học chất lỏng nghiên cứu các định luật chuyển động của chất lỏng và ảnh hưởng của chúng đối với các vật thể rắn khi tiếp xúc, dù đang chuyển động hay đứng yên Khi phân tích tĩnh lực học của chất lỏng, ta giả định chất lỏng ở trạng thái yên tĩnh tương đối, nghĩa là khối chất lỏng trong không gian có giới hạn và cùng chuyển động với bình chứa, trong khi các phân tử trong khối không có chuyển động tương đối với nhau Trong trạng thái tĩnh, chất lỏng không có nội lực ma sát và được coi là chất lỏng lý tưởng Áp suất thủy tĩnh là các ứng suất gây ra bởi lực khối lượng và lực bề mặt trong chất lỏng tĩnh, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hành vi của chất lỏng trong các hệ thống kỹ thuật và tự nhiên.

− Lực khối lượng (hay lực thể tích) tác dụng lên chất lỏng tỷ lệ với khối lượng (như trọng lực, lực quán tính…)

Lực bề mặt là lực tác dụng lên bề mặt của chất lỏng, như áp lực của khí quyển tác dụng lên mặt chất lỏng hoặc lực của pittong tác dụng lên chất lỏng trong bơm pittong Hiểu rõ về lực bề mặt giúp chúng ta nắm vững các hiện tượng liên quan đến hành vi của chất lỏng và ứng dụng trong các thiết bị kỹ thuật.

Hình 1 1 Các lực tác dụng lên chất lỏng ở trạng thái tĩnh

Xét 1 thể tích chất lỏng giới hạn bởi diện tích F, nếu ta cắt khối chất lỏng bằng mặt phẳng AB, chất lỏng phần I tác dụng lên phần II qua diện tích mặt cắt F, Nếu ta bỏ

I, mà vẫn giữ II ở trạng thái cân bằng, thì cần phải thay I bằng 1 lực P gọi là áp suất thủy tĩnh tác dụng lên mặt F

 lim 0 (1.11) Đơn vị tính áp suất [N/m 2 ] = [Pa] Đặc điểm của áp suất thuỷ tĩnh

Hiểu rõ tác dụng theo phương tuyến và hướng vào trong chất lỏng là yếu tố quyết định sự ổn định của hệ thống Nếu lực tác dụng theo phương bất kỳ và hướng ra ngoài, chất lỏng sẽ bị chuyển động hoặc mất cân bằng, gây ảnh hưởng đến trạng thái tĩnh của chất lỏng Do đó, việc duy trì lực kéo vào trong chất lỏng theo phương phù hợp là cần thiết để đảm bảo sự cân bằng và ổn định của hệ thống chất lỏng.

− Tại 1 điểm bất kỳ trong chất lỏng có giá trị bằng nhau theo mọi phương

− Áp suất thuỷ tĩnh còn phụ thuộc vào những tính chất vật lý của chất lỏng, như khối lượng riêng và gia tốc trọng trường

Các phương pháp đo áp suất

❖ Nguyên lý làm việc của áp kế

Hình 1 2 Nguyên lý làm việc của áp kế

(a: Ở điều kiện hoạt động thông thường; b: Đo áp suất; c: Đo áp suất chân không)

Hình A trình bày dạng đơn giản nhất của áp kế, gồm một ống chữ U chứa chất lỏng khoảng nửa ống Hai đầu của ống đều mở và chiều cao của chất lỏng bên mỗi phía bằng nhau, giúp đo áp suất chính xác dựa trên sự biến đổi của mức chất lỏng trong ống.

Khi áp suất dương được cấp vào một bên của ống, chất lỏng sẽ bị đẩy xuống phía đó, gây ra sự giảm mức chất lỏng tại đó, trong khi mức chất lỏng ở phía kia sẽ tăng lên Sự chênh lệch độ cao h phản ánh tổng số lượng chênh lệch giữa hai phía ống, thể hiện hiệu ứng của áp suất tác động lên chất lỏng trong hệ thống Đây là nguyên lý cơ bản trong các hiện tượng thủy lực khi áp suất dương được áp dụng vào hệ thống.

0, cho thấy mức áp suất

Hình C mô tả hiện tượng chân không không được cấp vào một bên ống, khiến chất lỏng tăng lên bên đó và giảm xuống ở ống bên kia Sự chênh lệch độ cao h thể hiện tổng thông số trên và dưới 0, cho thấy mức độ chân không trong hệ thống Hiểu rõ nguyên nhân này giúp tối ưu hóa quá trình điều chỉnh chân không và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

❖ Đo áp suất dư bằng áp kế chất lỏng hay ống Pezomet

− Chiều cao pezomet là chiều cao của cột chất lỏng có khả năng tạo ra 1 áp suất bằng áp suất tại điểm ta đang xét

Hình 1 3 Đo áp suất bằng áp kế chất lỏng (ống Pezomet)

Trong bình kín chứa nước, ta xét điểm C chịu áp suất Po trên bề mặt nước, với Po lớn hơn Pa Ống kín đầu có mức h’ tương ứng với áp suất tuyệt đối trong bình là Po’ bằng 0, cho thấy áp suất trong bình so với điểm C và mực nước được xác định rõ ràng Việc đo đạc và phân tích các yếu tố áp suất này giúp hiểu rõ hơn về trạng thái khí quyển bên trong bình kín và ảnh hưởng của độ cao cũng như áp suất môi trường Các thông số này đóng vai trò quan trọng trong các bài toán về thủy lực và kỹ thuật an toàn trong hệ thống chứa khí hoặc chất lỏng kín.

Để đo áp suất trên đường ống hút và ống đẩy của bơm, người ta sử dụng chân không kế và áp kế Thiết bị gồm một ống thủy tinh có đường kính không nhỏ hơn 10 mm, đầu dưới nối với nơi cần đo áp suất, còn đầu trên mở thông với khí quyển để đo áp suất dư hoặc kín để hút hết không khí ra nhằm đo áp suất tuyệt đối.

CHẾ ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG

1.2.1 Phân loại các chế độ chuyển động của dòng chất lỏng

Chất lỏng có hai dạng chuyển động chính dựa trên tốc độ chảy: chuyển động xoáy và chuyển động dòng (chuyển động thành lớp) Để hiểu rõ hơn về chế độ chuyển động của dòng lưu chất, Reynolds đã thực hiện các thí nghiệm chứng minh sự tồn tại của hai dạng chảy này, góp phần quan trọng vào nghiên cứu về dòng chảy chất lỏng.

Hình 1 10 Thí nghiệm Reynolds nghiên cứu chế độ chảy của dòng chất lỏng

Dưới đây là các câu chính mang ý nghĩa của đoạn văn, được tối ưu hóa cho SEO và liên kết mạch lạc thành một đoạn: Trong thí nghiệm quan sát dòng chảy trong ống thủy tinh, khi điều chỉnh van điều tiết, vận tốc lưu chất thay đổi và dạng dòng chảy cũng biến đổi theo Ở vận tốc thấp, dòng mực di chuyển như một sợi chỉ xuyên suốt trong ống, gọi là chế độ chảy tầng hoặc chảy dòng, khi các lớp chất lỏng di chuyển song song và không có sự giao cắt hay xuất hiện sóng Khi tăng vận tốc lên một ngưỡng nhất định, các lớp chất lỏng bắt đầu xuất hiện sóng gợn, tạo thành chế độ chảy quá độ, dẫn đến sự dao động trong dòng chảy Tiếp tục tăng vận tốc, dòng mực trở nên hỗn loạn do các lớp chất lỏng chuyển động theo mọi hướng, gây ra chế độ chảy rối hoặc chảy xoáy, khi dòng chảy bị hòa trộn hoàn toàn trong lưu chất.

Trong dòng chảy có vận tốc cực đại, vận tốc giảm dần khi tiếp gần thành ống, đạt giá trị bằng 0 tại sát thành ống Điều này dẫn đến hình dạng profil vận tốc có dạng parabol, phản ánh sự biến đổi vận tốc theo chiều dọc của ống Trong quá trình tính toán, ta thường sử dụng vận tốc trung bình để đánh giá dòng chảy một cách chính xác và hiệu quả.

Hình vẽ dưới đây chỉ ra Profil chảy dòng:

Hình 1 11 Profil chảy dòng (chảy tầng) của dòng chất lỏng b Chế độ chảy rối (Chảy xoáy)

Khi tốc độ dòng chảy tăng lên, dòng chảy trở nên rối và xuất hiện dòng xoáy Các phần tử chuyển động có tốc độ thay đổi về cả giá trị lẫn hướng, tạo thành dòng parabol tù Trong lòng ống, có lớp biên nơi tốc độ giảm dần và đạt giá trị bằng 0 sát thành ống, điều này ảnh hưởng đến đặc điểm dòng chảy trong hệ thống ống dẫn.

Hình 1 12 Profil chảy rối (chảy xoáy) của dòng chất lỏng

Nghiên cứu dòng mực chuyển động trong ống khi thay đổi vận tốc nước Reynolds đã xác định ra một chuẩn số vô thứ nguyên đặc trưng cho chế độ chuyển động của lưu chất Chuẩn số Reynolds được tính bằng công thức đặc biệt, giúp phân tích và dự đoán hành vi dòng chảy trong các hệ thống ống, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành.

 – khối lượng riêng của lưu chất, kg/m 3

 – độ nhớt động lực của lưu chất, N.s/m

 – vận tốc dòng lưu chất chuyển động trong ống, m/s d – đường kính tương đương, m Reynolds đã chứng minh được rằng nếu:

Re < 2320: lưu chất chảy tầng

Re = 2320  1000: lưu chất chảy quá độ

Re > 10000: lưu chất chảy rối

1.2.2 Dòng ổn định và dòng không ổn định

Dòng ổn định là dòng chảy trong đó vận tốc, gia tốc, áp suất và độ sâu không thay đổi theo thời gian mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đang xét Đây là trạng thái mà các đặc trưng của dòng chảy duy trì ổn định theo không gian, giúp dễ dàng phân tích và dự đoán hành vi của dòng chảy trong các ứng dụng kỹ thuật và nghiên cứu môi trường.

Dòng không ốn định là dòng mà tất cả các đại lượng như vận tốc, gia tốc, áp suất, độ sâu… thay đổi theo thời gian

Thí nghiệm minh họa dòng chảy ổn định và dòng chảy không ổn định như sau:

Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 28 h

Hình 1 13 Minh họa dòng chảy ổn định và dòng chảy không ổn định

Trong điều kiện mực chất lỏng trong bình không đổi, lượng chất lỏng tháo ra không làm thay đổi độ sâu, áp suất thủy động hoặc vận tốc chảy, do đó dòng chảy trong bình diễn ra ổn định Đặc biệt, các đặc tính này chỉ phụ thuộc vào điểm đang xét trong bình và không bị ảnh hưởng bởi thời gian, đảm bảo tính chất dòng chảy ổn định trong hệ thống.

Khi chất lỏng thoát ra cùng với sự thay đổi của mực chất lỏng trong bình, các yếu tố như độ sâu, áp suất thủy động và vận tốc chảy sẽ biến đổi theo, dẫn đến dòng chảy không ổn định.

Phương trình Bernouli là biểu thức quan trọng nhất của động lực học chất lỏng, được biểu diễn như sau:

Trong đó: z – Đặc trưng thế năng riêng hình học, m

Trong các thông số của chất lỏng, P ρg thể hiện chiều cao áp suất thủy tĩnh (thế năng riêng áp suất), còn m ω 2 2g biểu thị năng lượng riêng vận tốc hay động năng của chất lỏng Năng lượng riêng toàn phần của chất lỏng lý tưởng chuyển động ổn định là tổng của thế năng riêng hình học, thế năng riêng áp suất và động năng Tất cả các thành phần này tạo thành một đại lượng không đổi trong quá trình vận động của chất lỏng.

TRỞ LỰC TRONG ÔNG DẪN CHẤT LỎNG

1.3.1 Trở lực do ma sát lên thành ống

Trở lực do ma sát của chất lỏng lên thành ống, gọi tắt là trở lực ma sát, ký hiệu h1, công thức tính như sau:

𝜆 – hệ số ma sát dọc theo chiều dài ống, là đại lượng không thứ nguyên

Độ nhám của ống dẫn là yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ số truyền nhiệt 𝜆, vì nó tác động trực tiếp đến khả năng dòng chảy và trao đổi nhiệt Độ nhám được hình thành từ vật liệu, quy trình chế tạo, tác động của quá trình ăn mòn và sự đóng cáu của chất lỏng Khi độ nhám tăng lên, mức độ xoáy của dòng chảy cũng tăng, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt và ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống ống dẫn.

Bảng 1.1 Độ nhám của các loại vật liệu

STT Tên vật liệu Độ nhám () nm

Hệ số  phụ thuộc chuẩn số Re và độ nhám của ống Căn cứ vào giá trị Re chia quan hệ này làm 3 khu vực:

Trong khu vực 1, khi chiều dày của màng m lớn hơn , màng chất lỏng hoàn toàn phủ kín gờ nhám, giúp dòng chảy trượt dọc theo bề mặt mà không bị gián đoạn Hệ số ma sát trong trường hợp này không phụ thuộc vào độ nhám của bề mặt mà chỉ phụ thuộc vào số Reynolds (Re), đảm bảo sự liên tục và ổn định của dòng chảy.

Nếu ống không phải hình tròn và Re < 2300 thì

 , với A là hệ số phụ thuộc vào dạng ống và đường kính ống Khi tính Re dùng đường kính tương đương

Khu vực 2: Chế độ chảy quá độ với 2300 < Re < 4000 ứng với chế độ quá độ từ chảy dòng sang chảy xoáy

Khu vực 3: Khu vực chảy xoáy

Nếu thành ống nhẵn có độ nhám nhỏ m > và tuy Re>4000 nhưng vẫn nằm trong giới hạn 4000 < Re < 10 5 nên  vẫn tính theo công thức ở khu vực 2

Nếu chiều dày lớp màng rất nhỏ m 2) Ta xét những trường hợp sau:

Trong hệ chứa một cấu tử nguyên chất đồng thời tồn tại cả ba pha rắn, lỏng, hơi, quy tắc pha số bậc tự do xác định C = 1 – 3 + 2 = 0, nghĩa là hệ bậc 0 và chỉ tồn tại ở một giá trị nhất định của áp suất và nhiệt độ Khi thay đổi một trong các yếu tố này, hệ sẽ mất đi một pha và chuyển thành hệ hai pha.

Trong hệ một cấu tử gồm hai pha lỏng và hơi bão hòa, ta có hệ số C = 1 – 2 + 2 = 1, cho thấy cân bằng của hệ không bị phá hủy khi thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ Sự phụ thuộc giữa áp suất và nhiệt độ trong các hệ thống này là đơn giản và rõ ràng, vì khi nhiệt độ thay đổi, áp suất sẽ điều chỉnh theo để duy trì cân bằng Do đó, mỗi chất lỏng có thể được biểu diễn bằng đường cong thể hiện mối liên hệ giữa áp suất hơi bão hòa và nhiệt độ, giúp dự đoán các trạng thái của hệ một cách chính xác.

Hệ hai cấu tử: Trong hệ thống gồm hai hoặc nhiều cấu tử, vị trí cân bằng phụ thuộc không chỉ vào áp suất và nhiệt độ mà còn vào thành phần của pha Đối với hệ hai cấu tử có hai pha, số bậc tự do là 2, cho phép thay đổi đồng thời cả áp suất và nhiệt độ mà số pha trong hệ không thay đổi Để mô tả hệ này, thường xem một yếu tố không đổi và phụ thuộc vào thành phần pha, nghĩa là khi áp suất không đổi, nhiệt độ sẽ tương ứng với một thành phần pha nhất định, và ngược lại Các định luật cân bằng pha, như định luật Henry, quy định rằng áp suất riêng phần của khí trên chất lỏng tỷ lệ thuận với nồng độ mol của khí đó trong dung dịch, được biểu diễn bởi pᵢ = Ψ xᵢ, phản ánh mối quan hệ giữa áp suất và thành phần pha trong quá trình cân bằng.

Trong phương trình (3.5), Ψ là hệ số Henry, có thứ nguyên là áp suất, phản ánh đặc tính của khí, lỏng và nhiệt độ Giá trị của hệ số này phụ thuộc vào tính chất của chất và điều kiện nhiệt độ, góp phần quan trọng trong việc mô tả sự hòa tan khí trong dung dịch Hiểu rõ về hệ số Henry giúp cải thiện các mô hình lý thuyết và ứng dụng trong công nghiệp, môi trường và quá trình hóa học.

Chương 3: Tổng quan về quá trình truyền chất Trang 36

Khi nhiệt độ tăng, hệ số Henry cũng tăng theo, giúp cải thiện khả năng hòa tan của khí trong dung môi Đối với khí lý tưởng, hệ số Henry có thể được mô tả bằng phương trình dạng đường thẳng, mang lại sự đơn giản trong tính toán Tuy nhiên, đối với khí thực, hệ số này phụ thuộc vào nồng độ và thường biểu diễn bằng đường cong trên đồ thị, phản ánh các yếu tố phức tạp hơn Khi nồng độ x nhỏ, đường biểu diễn của phương trình (6.1) trở thành đường thẳng, dễ dàng hơn trong việc phân tích và mô phỏng quá trình hòa tan khí.

Nồng độ cân bằng của cấu tử i trong hỗn hợp khí được ký hiệu là y * i, trong khi áp suất chung của hỗn hợp là P Áp suất riêng phần của khí i có thể được xác định theo công thức: p i = y * i P, giúp hiểu rõ hơn về thành phần khí trong hỗn hợp Công thức này là cơ sở để tính toán và phân tích thành phần khí trong các hệ thống khí hỗn hợp.

Từ hai phương trình (3.5) và (3.6) ta có thể rút ra được: yi = Ψ

Định luật Henry chỉ áp dụng cho chất khí và thường được sử dụng trong tính toán quá trình hấp thụ khí vào chất lỏng Trong đó, m = Ψ / P là hằng số cân bằng không có đơn vị Ngoài ra, định luật Raoult quy định rằng áp suất riêng phần của cấu tử i trong dung dịch bằng tích của áp suất hơi bão hòa của cấu tử đó (ở cùng nhiệt độ) và nồng độ phần mol của nó trong dung dịch.

P i – áp suất hơi riêng phần của cấu tử i trong hỗn hợp hơi;

P i bh – áp suất hơi bão hòa của cấu tửi ở cùng nhiệt độ x i - nồng độ của cấu tử i trong dung dịch

Mặt khác áp suất riêng phần còn xác định theo phương trình (3.6) So sánh hai phương trình (3.6) và (3.8) ta có: y * i = 1

Mặt khác với hệ hai cấu tử theo định luật Dalton áp suất chung được tính:

P = p1 + p2 (3.10) hay là: P = P 1 bh x + P 2 bh (1 – x) (3.11) Trong đó P 1 bh và P 2 bh - áp suất hơi bão hòa riêng phần của cấu tử 1 và 2

Thay giá trị P vào phương trình (3.8) ta có:

P = α là độ bay hơi tương đối của cấu tử 1 trong hỗn hợp, khi đó ta có: y * 1 x ( 1)

QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT

Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng và khí đã hóa lỏng thành các thành phần riêng biệt dựa trên sự khác nhau về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp Đây là kỹ thuật phổ biến trong công nghiệp để phân lập các hợp chất hữu cơ, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình xử lý Chưng cất giúp tách các hỗn hợp phức tạp thành các thành phần tinh khiết, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng và tối ưu hóa quá trình sản xuất.

Khi chưng, ta thu được nhiều sản phẩm hơn từ các cấu tử trong nguyên liệu, phù hợp với quy luật rằng số lượng sản phẩm tương ứng với số lượng cấu tử ban đầu Trong trường hợp có hai cấu tử, chưng một bình sẽ cho ra sản phẩm đỉnh gồm phần cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi, giúp tách riêng các thành phần dễ bay hơi và khó bay hơi của hỗn hợp.

Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi vá một phần cấu tử dễ bay hơi

Hình 3 3 Sơ đồ quá trình chưng hỗn hợp cấu tử A và B

3.2.2 Cân bằng pha lỏng – hơi a Dung dịch lý tưởng

Dung dịch lý tưởng là loại dung dịch có lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và khác loại bằng nhau, mang lại đặc điểm cân bằng nhất định Cân bằng giữa lỏng và hơi trong dung dịch lý tưởng tuân theo định luật Raoult, thể hiện qua công thức p = x p, giúp dự đoán áp suất hơi của thành phần trong hỗn hợp Ngoài ra, quá trình này cũng tuân theo định luật Dalton, mô tả mối quan hệ giữa áp suất tổng và áp suất riêng của các thành phần trong dung dịch lý tưởng, đảm bảo tính chính xác trong các tính toán hóa học.

Kết hợp hai định luật:

= p Đặt A b p p =là độ bay hơi tương đối của cấu tử A trong hỗn hợp hai cấu tử thì ta được phương trình cân bằng

Cân bằng pha của hệ hai cấu tử với các độ bay hơi tương đối khác nhau

Giản đồ đẳng áp x-y b Dung dịch thực

Dung dịch thực là những dung dịch không tuân theo định luật Raoult

Quan hệ giữa áp suất và nồng đồ của dung dịch hai cấu tử

1 Tuân theo định luật Raoult

3.2.3 Nguyên tắc của quá trình chưng luyện

Phương pháp chưng một bậc không mang lại hiệu quả phân tách cao, do đó, để thu được sản phẩm tinh khiết, cần tiến hành chưng cất nhiều lần theo sơ đồ mô tả Quá trình chưng cất nhiều lần giúp nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng và đảm bảo hiệu quả phân tách tối ưu Việc lặp lại quá trình chưng cất là cần thiết để đạt được sản phẩm có chất lượng cao nhất.

Hình 3 4 Sơ đồ quá trình chưng cất nhiều lần

Kết quả thu được sản phẩm đỉnh chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi và các sản phẩm đáy có nồng độ khác nhau

Trong hệ thống, sơ đồ chưng nhiều lần gây lãng phí năng lượng do cần cung cấp nhiệt liên tục vào bộ phận đun sôi và tỏa nhiệt qua thiết bị ngưng tụ nhiều lần, làm giảm hiệu quả hoạt động và tiêu tốn lớn tài nguyên.

Do dó người ta đã phát minh sơ đồ chưng cất nhiều lần có hồi lưu:

− Chỉ cung cấp nhiệt vào ở bộ phận đun sôi ở bình dưới cùng, và tỏa nhiệt đi ở thiết bị ngưng tụ sau ở bình trên cùng một lần

Trong quá trình hoạt động, pha lỏng từ bình trên chảy xuống bình dưới, đồng thời pha hơi từ bình dưới sục vào bình trên Quá trình ngưng tụ một phần của hơi làm giải phóng nhiệt, nhiệt này sẽ đun sôi chất lỏng trong bình trên, gây bay hơi một phần của chất lỏng để duy trì quá trình phân tách hiệu quả.

Lượng lỏng hồi lưu là phần dịch ngưng tái tuần hoàn từ thiết bị ngưng tụ trở về bình trên cùng nhằm duy trì quá trình truyền chất trong các bình trên bình tiếp liệu Việc này giúp duy trì mức chất lỏng ổn định trong hệ thống, đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả của quá trình sản xuất Lượng lỏng hồi lưu đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát quá trình phản ứng và tối ưu hóa năng suất, đồng thời giảm thiểu mất mát chất lỏng và tăng tính ổn định của hệ thống.

Hình 3 5 Sơ đồ quá trình chưng cất nhiều lần có hồi lưu

Trong sản xuất, quá trình chưng luyện thường được thực hiện bằng tháp chưng luyện, giúp tách các thành phần hiệu quả hơn Quá trình chưng luyện nhiều lần có hồi lưu gọi là quá trình chưng luyện, giúp nâng cao độ tinh khiết của sản phẩm Nguyên lý hoạt động của tháp dựa trên sự phân chia các thành phần dựa trên điểm sôi khác nhau của chúng, được thể hiện rõ qua sơ đồ cấu tạo của tháp chưng luyện Mặc dù sơ đồ ban đầu khá phức tạp và cồng kềnh, nhưng nó phản ánh chính xác quá trình tách phức tạp diễn ra trong thực tế sản xuất.

Trong quá trình chưng cất, hơi từ dưới lên trên thoát ra, còn các chất lỏng lỏng từ trên xuống dưới Nồng độ các thành phần thay đổi theo chiều cao của tháp, ảnh hưởng đến quá trình phân tách Nhiệt độ sôi của các thành phần cũng biến đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ này, giúp tối ưu hóa hiệu quả của quá trình chưng cất.

Trên đĩa 1, chất lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là x₁, và hơi bốc lên có nồng độ y₁, trong đó y₁ > x₁ Hơi từ đĩa 1 đi qua lỗ lên đĩa 2, tiếp xúc với chất lỏng ở đó và hình thành hơi có nồng độ y₂ > x₂; do nhiệt độ của đĩa 2 thấp hơn đĩa 1, một phần hơi ngưng tụ lại, làm nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa 2 tăng lên x₂ > x₁ Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ y₂, tiếp tục di chuyển lên đĩa 3, nơi có nhiệt độ thấp hơn, gây ra hiện tượng ngưng tụ một phần hơi và làm tăng nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa 3.

Quá trình truyền chất xảy ra trên mỗi đĩa giữa pha lỏng và pha hơi, trong đó các thành phần dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, còn phần ít hơn chuyển ngược lại Quá trình ngưng tụ và bay hơi lặp đi lặp lại nhiều lần, giúp tinh chế và tập trung các thành phần trên đỉnh tháp Đây là quá trình quan trọng trong các hệ thống chưng cất để tách các hợp chất hiệu quả, góp phần nâng cao hiệu suất sản phẩm cuối cùng.

Chương 3: Tổng quan về quá trình truyền chất Trang 43 thu được cấu tử dễ bay hơi có nồng độ cao, và dưới đáy thu được cấu tử khó bay hơi có nồng độ cao

3.2.4 Quá trình chưng luyện liên tục, ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và tỷ số hồi lưu đến quá trình a Chưng luyện liên tục

Chưng liên tục hỗn hợp hai cấu tử là quá trình thực hiện liên tục, nghịch dòng và qua nhiều đoạn, giúp tối ưu hóa hiệu quả phân lập các hợp chất Phương pháp này phù hợp với các hệ thống nồng độ cấu tử không có điểm đẳng phí, mang lại khả năng thu hồi hai sản phẩm có độ tinh khiết cao mong muốn.

Hình 3 6 Hệ thống tháp chưng cất

Hệ thống chưng cất liên tục được trình bày rõ ràng trong hình 3.6, với nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình nhập liệu tại vị trí thích hợp trên tháp, chia thành phần cất ở trên và phần chưng ở dưới Trong quá trình này, pha lỏng di chuyển từ trên xuống dưới do dòng hoàn lưu từ đỉnh tháp, trong khi dòng hoàn lưu sản phẩm tại đỉnh gồm pha lỏng hoặc pha hơi, được ngưng tụ lại chứa các cấu tử dễ bay hơi Nhiệt độ bên trong tháp luôn duy trì ở mức sôi và ngưng tụ, đạt cao nhất tại đáy và thấp nhất tại đỉnh, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tinh khiết của các sản phẩm đáy và đỉnh, phụ thuộc vào tỷ lệ lỏng khí và số đĩa lý thuyết của hệ thống Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng luyện gồm có các điều kiện nhiệt độ, áp suất, tỉ lệ lỏng khí, và cấu trúc của tháp, đều góp phần tối ưu hóa hiệu quả phân cực và độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng.

• Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu quả của tháp chưng cất Chất lượng và năng suất của các sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất phụ thuộc lớn vào việc kiểm soát nhiệt độ chính xác Việc duy trì chế độ nhiệt phù hợp giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi các thành phần trong nguyên liệu, đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn cao nhất Trong quá trình chưng cất, thay đổi nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đáng kể đến độ tinh khiết và giá trị của thành phẩm cuối cùng Vì vậy, giám sát nhiệt độ liên tục là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

QUÁ TRÌNH HẤP THỤ

3.3.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ a Quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ

Hấp thụ là quá trình hút khí vào trong chất lỏng, trong đó khí được gọi là chất bị hấp thụ, còn chất lỏng dùng để hút gọi là chất hấp thụ Khí không bị hấp thụ được gọi là khí trơ Phương pháp hút là quá trình tiếp nhận của một chất vào một chất khác qua bề mặt phân chia pha, góp phần quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và xử lý khí.

Quá trình hấp thụ được dùng để:

− Thu hồi các cấu tử quý

− Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt

Trong các trường hợp thứ nhất và thứ ba, quá trình nhả sau hấp thụ là bắt buộc để tách các cấu tử hấp thụ ra khỏi dung môi, đảm bảo hiệu quả của quá trình xử lý Đối với các trường hợp khác, quá trình nhả không cần thiết trừ khi phải tái sử dụng dung môi, đặc biệt khi sử dụng dung môi quí đắt tiền Việc lựa chọn phương pháp nhả phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí trong quá trình xử lý hóa chất.

Quá trình hấp thụ phụ thuộc chủ yếu vào dung môi, do đó cần chọn dung môi có những tính chất sau:

Hòa tan chọn lọc là quá trình hòa tan chỉ một số cấu tử nhất định, trong khi các cấu tử khác không hòa tan hoặc hòa tan rất ít, giúp kiểm soát hiệu quả quá trình tách rời các thành phần trong hợp chất.

− Độ nhớt của dung môi phải nhỏ, để giảm trở lực và tăng hệ số chuyển khối

− Có nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của cấu tử hoà tan

− Không tạo thành kết tủa khi hoà tan, để tránh tắc thiết bị và dễ thu hồi

− Ít bay hơi, để tránh tổn thất

− Không độc và ăn mòn thiết bị

Quá trình nhả hấp thụ diễn ra khi cần thu hồi chất bị hấp thụ hoặc tái sử dụng dung môi, và đây là quá trình ngược lại của hấp thụ Để thực hiện nhả hấp thụ, lượng khí đã được hấp thụ sẽ được tách ra khỏi hỗn hợp lỏng bằng cách sử dụng hơi nước Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ bao gồm lượng dung môi sử dụng, trong đó lượng dung môi đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thu hồi khí và tối ưu hóa quá trình xử lý.

Xét phương trình đường nồng độ làm việc:

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Tăng áp suất luôn đi kèm với việc tăng nhiệt độ, gây ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình hấp thụ Ngoài ra, việc tăng áp suất cũng làm khó khăn trong việc lựa chọn thiết bị phù hợp, do đó quá trình hấp thụ thường được thực hiện ở áp suất cao đối với các khí khó hòa tan như khí CO2, thường tiến hành ở áp suất 17 atm để đạt hiệu quả tốt nhất.

Nhiệt độ và áp suất đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ, trong đó nhiệt độ t₁, t₂, t₃ lần lượt tăng, còn áp suất P₁, P₂, P₃ giảm dần ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ Chất hấp thụ (dung môi) được phân loại dựa trên đặc tính và khả năng hấp thụ, giúp tối ưu quá trình xử lý và nâng cao hiệu suất Việc hiểu rõ tác động của nhiệt độ và áp suất cùng với phân loại chất hấp thụ là yếu tố quan trọng để cải thiện quá trình hấp thụ trong công nghiệp.

Chất hấp thụ đa dạng về loại và công thức, được sử dụng phù hợp với từng loại chất cần hấp thụ để đạt hiệu quả tối ưu Chúng được phân loại dựa trên bản chất, chức năng và lĩnh vực ứng dụng, giúp lựa chọn dung môi phù hợp để tối ưu quá trình xử lý hoặc thu hồi chất cần thiết Việc hiểu rõ đặc tính của các loại chất hấp thụ giúp nâng cao hiệu quả trong các ngành công nghiệp như xử lý khí, lọc nước, và hóa dầu.

− Phân loại dung môi dựa vào bản chất:

+ Các dung dịch Bazơ: KOH, NaOH, Na2CO3, K2CO3, Ca(OH)2, CaCO3,…

Trong lĩnh vực công nghiệp, các chất hấp thụ như Diamix Aqua, than hoạt tính, đất sét, silicagel, keo nhôm và một số chất tổng hợp hoặc chất thải từ quá trình sản xuất như xi mạ sắt thường được sử dụng Những chất này đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý và loại bỏ các tạp chất, cải thiện chất lượng sản phẩm Việc lựa chọn các loại chất hấp thụ phù hợp dựa trên đặc tính và ứng dụng cụ thể giúp nâng cao hiệu quả quá trình xử lý và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

3.3.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị hấp thụ a Thiết bị hấp thụ loại bề mặt

Trong thiết bị, khí và lỏng chuyển động ngược chiều nhau và tiếp xúc với nhau trên bề mặt thoáng của chất lỏng

Thiết bị này có bề mặt tiếp xúc pha nhỏ, thích hợp để sử dụng khi khí dễ hòa tan trong chất lỏng Thường xuyên lắp ráp các thiết bị thành từng dãy để tăng hiệu quả xử lý Khi cần làm nguội trong quá trình hấp thụ, người ta có thể tưới nước lên bề mặt thiết bị hoặc nhúng toàn bộ thiết bị vào bể nước chảy để đảm bảo quá trình diễn ra thuận lợi.

Trong quá trình hấp thụ, khi cần làm nguội thiết bị, người dùng có thể tưới nước lên bề mặt thiết bị hoặc nhúng toàn bộ thiết bị vào bể nước lạnh để giảm nhiệt nhanh chóng Việc làm nguội đúng cách giúp duy trì hiệu suất hoạt động của thiết bị và đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành Thực hiện làm nguội đúng quy trình góp phần kéo dài tuổi thọ cho thiết bị và prev bảo vệ môi trường khỏi các tác nhân nhiệt độc hại.

Thiết bị loại bề mặt có hai loại: Kiểu ống và kiểu vò ng

Hình 3 9 Thiết bị hấp thụ loại bề mặt kiểu ống ng ng

Hình 3 10 Thiết bị hấp thụ loại bề mặt kiểu vò b Thiết bị hấp thụ loại màng

Trong thiết bị này, chất lỏng được dẫn chảy thành màng mỏng trên bề mặt của thiết bị, tạo điều kiện cho quá trình trao đổi chất khí và lỏng diễn ra hiệu quả Khi khí tiếp xúc với màng lỏng, nó sẽ hấp thụ vào trong dung môi lỏng qua màng, tối ưu hóa quá trình hấp thụ khí Quá trình này còn sinh ra nhiệt tỏa ra, có thể được thu nhiệt để sử dụng trong các mục đích khác, nhờ đó nâng cao hiệu quả của hệ thống xử lý khí.

Thiết bị có cấu tạo đơn giản được phân thành loại ống và loại tấm

Thiết bị này có cấu tạo tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, giúp tối ưu quá trình truyền nhiệt Chất lỏng di chuyển theo chiều từ trên xuống qua thành trong của ống, trong khi chất khí đi từ dưới lên và tiếp xúc với màng chất, đảm bảo hiệu quả trao đổi nhiệt cao Đây là giải pháp lý tưởng cho các hệ thống yêu cầu sự trao đổi nhiệt tối ưu và đáng tin cậy.

QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ

3.4.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp phụ a Khái niệm và động học của quá trình hấp phụ

Hấp phụ là quá trình hấp thụ các chất trên bề mặt của vật liệu Các vật liệu dùng để hấp phụ được gọi là chất hấp phụ (adsorbent), trong khi các chất bị hấp phụ được gọi là chất hấp thụ (adsorbate) Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và môi trường, giúp loại bỏ tạp chất và xử lý ô nhiễm hiệu quả Chọn lựa chất hấp phụ phù hợp là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu quả hấp phụ trong các quy trình xử lý.

Trong trường hợp chất bị hấp phụ ở pha khí, quá trình hấp phụ có tác dụng tương tự như hấp thụ nhưng chỉ hút trên bề mặt Hấp thụ là quá trình hút và hoà tan vào trong lòng chất lỏng, còn hấp phụ chỉ diễn ra trên bề mặt của chất hấp phụ Ứng dụng của quá trình hấp phụ rất đa dạng trong công nghệ hoá chất, thực phẩm và nhiều lĩnh vực nghiên cứu, chế biến khác; từ việc tách triệt để các chất khí có hàm lượng thấp, tẩy màu, tẩy mùi các dung dịch đến hấp phụ các chất độc hại trong nước và khí thải Chất hấp phụ còn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các chất xúc tác.

✓ Động học của quá trình hấp phụ

Quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn:

− Khuyếch tán từ môi trường lỏng đến bề mặt hạt chất hấp phụ: chất lỏng được chuyển dần đến bề mặt hạt chất hấp phụ nhờ đối lưu

− Chuyển chất trong lòng hạt: sự chuyển chất từ bề mặt ngoài của hạt chất hấp phụ vào bên trong nhờ sự khuyếch tán teo bề mặt lỗ xốp

Quá trình hấp phụ chất diễn ra khi các phân tử chất lỏng hoặc khí gắn kết vào bề mặt của chất hấp phụ, gây bão hòa dần các không gian hấp phụ của hạt Quá trình này làm giảm độ tự do của các phân tử, đi kèm với sự tỏa nhiệt thể hiện đặc điểm hấp phụ tỏa nhiệt Có nhiều hình thức hấp phụ khác nhau, được phân loại dựa trên cơ chế và tính chất của quá trình hấp phụ.

Trường lực hút tồn tại trên và gần sát bề mặt, trong đó các lực hoá trị là mạnh nhất, tạo ra các hợp chất bền trên bề mặt Những hợp chất này khó bị phân tách thành nguyên tử hoặc gốc do ảnh hưởng của trường lực hút, khiến quá trình phá vỡ phân tử trở nên khó khăn.

Hấp phụ hóa học là quá trình xảy ra với tính chất đặc trưng, trong đó lực liên kết giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mạnh hơn nhiều so với hấp phụ vật lý, giúp nâng cao hiệu quả và độ bền của quá trình hấp phụ.

Hấp phụ hóa học được chia thành hấp phụ hóa học kích hoạt và hấp phụ hóa học không kích hoạt

Hấp phụ hóa học chỉ xảy ra trên lớp đơn phân tử vì liên kết hóa học không thể xảy ra với các phân tử nằm ở khoảng cách xa hơn đường kính của chúng Quá trình hấp phụ này xảy ra khi các nhóm chức hoặc các liên kết đặc biệt trên bề mặt vật liệu chủ yếu tương tác với các chất cần hấp phụ, tạo thành liên kết hóa học mạnh mẽ hơn so với hấp phụ vật lý Do đó, hiệu quả của hấp phụ hóa học phụ thuộc vào khả năng hình thành các liên kết vững chắc giữa chất hấp phụ và chất cần hấp phụ.

Chương 3: Tổng quan về quá trình truyền chất Trang 54 lượng chất trên bề mặt chất rắn cũng giảm khi nhiệt độ tăng nhưng so với hấp phụ vật lý, cả lượng chất bị hấp phụ trên bề mặt và khoảng nhiệt độ đều cao hơn

Là lực hấp phụ hoá học do lực hút phân tử Vanderwalls tác dụng trong khoảng không không gian gần sát bề mặt

Trong quá trình hấp phụ vật lý, xảy ra hiện tượng hấp phụ đơn lớp, khi trên bề mặt chất rắn chỉ hình thành một lớp phân tử chất bị hấp phụ hoặc nhiệt lớp Các lớp phân tử này tương tác với nhau giống như trong trạng thái chất lỏng, tạo thành cơ chế hấp phụ hiệu quả và ổn định.

Trong nhiều hệ thống, thường xuyên quan sát thấy sự đồng thời của quá trình hấp phụ vật lý và hóa học diễn ra ở hai vùng nhiệt độ khác nhau Ở nhiệt độ thấp, quá trình hấp phụ vật lý chiếm ưu thế, nhưng khi nhiệt độ tăng lên, khả năng hấp phụ vật lý giảm dần trong khi hấp phụ hóa học bắt đầu tăng lên và đạt cực đại trước khi giảm trở lại Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ bao gồm nhiệt độ, áp suất, và tính chất của chất hấp phụ cũng như chất hấp thụ, góp phần quyết định hiệu suất và cơ chế của quá trình hấp phụ trong hệ thống.

Lượng chất bị hấp phụ tối đa trên một đơn vị chất hấp phụ ở trạng thái cân bằng được gọi là hoạt độ hấp phụ hoặc hoạt độ tĩnh, thông thường được đo bằng các đơn vị như gram trên gram (g/g), kilogram trên kilogram (kg/kg), hoặc mol trên mol (mol/g) Hoạt độ hấp phụ là chỉ số quan trọng trong quá trình nghiên cứu hấp phụ, phản ánh khả năng hấp phụ của chất hấp phụ trong điều kiện cân bằng Việc xác định hoạt độ hấp phụ giúp đánh giá hiệu quả của quá trình lọc và xử lý môi trường, đồng thời hỗ trợ tối ưu hóa quá trình hấp thụ các chất cần loại bỏ.

Nhiệt độ tăng làm giảm hoạt độ hấp phụ khí và hơi rất nhiều

✓ Ảnh hưởng của cấu trúc lỗ xốp, tính chất bề mặt của chất hấp phụ và của pH

Hoạt độ hấp phụ phụ thuộc rất nhiều vào sự phù hợp giữa chất hấp phụ và bị hấp phụ

Các chất hấp phụ giàu micropore hấp phụ được rất nhiều các chất khí, song lại có hoạt độ thấp khi dùng hấp phụ chất lỏng hữu cơ

Các chất hấp phụ gồm hai loại chính: bề mặt có cực và bề mặt không có cực Chất hấp phụ có cực như silicagel thể hiện hoạt độ lớn khi hấp phụ các chất có cực như nước, trong khi chất hấp phụ không có cực như than hoạt tính phù hợp để hấp phụ các hợp chất hữu cơ Ngoài ra, pH môi trường đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến tính chất của bề mặt chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, từ đó tác động đến hiệu quả quá trình hấp phụ trong dung dịch.

3.4.2 Nguyên lý hoạt động của các thiết bị hấp phụ a Thiết bị hấp phụ loại đứng

Thiết bị khí loại BTP có dạng hình trụ với đường kính từ 2 đến 3 mét và chiều cao khoảng 2,2 mét, được thiết kế để chứa lớp than dày từ 0,5 đến 2 mét Lớp than này được đặt trên giá bằng gang đúc có các rãnh chữ nhật rộng 10 cm, đảm bảo sự ổn định và tối ưu hóa quá trình khí hóa.

120 mm Mặt trên lớp than cũng được phủ bằng lưới nhắm trách sự lôi kéo chất hấp phụ theo khí

Hỗn hợp khí (hơi) được đưa qua cửa 3 vào lớp hấp phụ để loại bỏ các tạp chất không mong muốn Sau quá trình hấp phụ, quá trình nhả được thực hiện bằng cách phun nước qua ống 8 nhằm giải phóng các hợp chất còn lại khỏi lớp hấp phụ Hỗn hợp hơi nhả sau đó được thoát ra qua cửa, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và liên tục.

Hệ thống gồm 12 đến hệ thống ngưng tụ và phân riêng giúp tách các thành phần khỏi khí Quá trình bắt đầu bằng việc nhả khí nóng, sau đó khí nguội được áp dụng từ cửa 3 để sấy khô và làm nguội chất hấp phụ, đảm bảo hiệu quả vận hành Khí thải sau quá trình được xả ra qua cửa 11 Thiết bị này có thiết kế đơn giản, dễ vận hành và phù hợp cho các hệ thống có năng suất nhỏ, tiết kiệm chi phí và dễ bảo trì.

Thiết bị hình xuyến để hấp phụ khí có đường kính 3m và chiều cao 7m, thiết kế giúp tối ưu quá trình xử lý khí Các hỗn hợp khí nguyên liệu, khí sấy khô, làm nguội và hơi nước đều được đưa vào cửa 2, xuyên hướng tâm qua lớp hấp phụ để đạt hiệu quả tối đa Khí thải sau quá trình xử lý thoát ra tại cửa 4, trong khi hơi nhả hấp phụ thoát ra tại cửa 3, đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả Loại thiết bị này có đặc điểm là trở lực nhỏ nhờ kích thước lớn và cấu trúc phức tạp, tuy nhiên cũng đi kèm với chi phí cao do cấu tạo đắt tiền.

Hình 3 17 Thiết bị hấp phụ khí loại đứng BTP

QUÁ TRÌNH KẾT TINH

Kết tinh là quá trình tách chất rắn hòa tan trong dung dịch dưới dạng tinh thể trong suốt và đồng nhất Tinh thể là vật rắn có các hình dạng đa dạng, giới hạn bởi các mặt phẳng rõ nét, và có thể chứa phân tử nước gọi là tinh thể ngậm nước hoặc tinh thể hydrat Quá trình kết tinh có thể diễn ra trong dung dịch nước hoặc trong dung dịch các chất hữu cơ như rượu, este, hydrocacbon, bằng cách thay đổi nhiệt độ hoặc tách bớt phần dung môi Điều kiện thực hiện kết tinh ảnh hưởng đến cấu trúc và thành phần của tinh thể, giúp tách chất rắn khỏi dung dịch một cách hiệu quả.

Trong thực tế sản xuất, quá trình kết tinh gồm các giai đoạn

− Tách tinh thể ra khỏi dung dịch còn lại (gọi là dung dịch cặn, hay nước cái);

− Kết tinh lại (trong trường hợp nếu thấy cần thiết);

− Rửa và sấy khô tinh thể

Các yếu tố ảnh hưởng chính đến tốc độ kết tinh gồm có mức độ bão hòa của dung dịch, nhiệt độ, sự hình thành của mầm tinh thể, cường độ khuấy trộn dung dịch và sự hiện diện của tạp chất Những yếu tố này góp phần quyết định quá trình kết tinh diễn ra nhanh hay chậm, ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu quả sản xuất tinh thể Hiểu rõ các nhân tố này giúp tối ưu hóa điều kiện kết tinh, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Chương 3: Tổng quan về quá trình truyền chất Trang 62 a Quá trình tạo mầm tinh thể

Mầm tinh thể, còn gọi là tâm kết tinh, hình thành tự nhiên khi dung dịch ở trạng thái quá bão hòa do quá trình làm lạnh hoặc bốc hơi một phần dung môi Theo quan điểm hiện đại, mầm tinh thể được hình thành nhờ sự liên kết của các ion hoặc phân tử khi tiếp xúc trong dung dịch hòa tan Khi mầm tinh thể đạt đến trạng thái cân bằng với dung dịch, quá trình kết tinh sẽ tự động dừng lại, góp phần kiểm soát quá trình hình thành tinh thể đúng cách.

Vận tốc tạo mầm phụ thuộc vào tính tự nhiên của chất hòa tan và dung môi, mức độ quá bão hòa của dung dịch, nhiệt độ, phương pháp khuấy trộn, cũng như các tạp chất hiện diện trong hệ; quá trình này có thể kéo dài từ vài giây đến vài tháng Để thúc đẩy quá trình tạo mầm, người ta thường thêm chất trợ mầm là tinh thể của chất hòa tan hoặc tinh thể của chất khác có cùng cấu trúc tinh thể với chất tan trong dung dịch Ngoài ra, để tăng cường quá trình tạo mầm, có thể thay đổi nhiệt độ, tăng cường khuấy trộn hoặc sử dụng các tác động cơ học bên ngoài như rung, lắc hoặc va đập.

Tinh thể phát triển về kích thước và đạt tới giá trị tới hạn của mầm, có bề mặt lớn giúp hấp thụ các chất hòa tan trong dung dịch Quá trình lớn lên của tinh thể diễn ra đồng thời theo tất cả các mặt, tuy nhiên vận tốc lớn lên của các mặt tinh thể có thể khác nhau, ảnh hưởng đến hình dạng và sự phát triển của tinh thể đó.

Chiều dày lớp chuyển động dòng gần bề mặt tinh thể phụ thuộc vào cường độ khuấy dung dịch Nếu không tiến hành khuấy trộn, bề dày lớp biên δ dao động trong khoảng 20 ÷ 150 μm Ngược lại, khi khuấy trộn mạnh, lớp biên δ giảm xuống gần bằng 0, giúp tăng cường quá trình truyền nhiệt và chất trong phản ứng.

3.5.2 Các phương pháp kết tinh a Kết tinh tách một phần dung môi Để tách một phần dung môi có thể cho bay hơi dung môi Dung môi cho bay hơi trong thiết bị cô đặc Sau khi đạt tới quá bão hòa ở mức độ cần thiết thì thực hiện quá trình kết tinh Phương pháp này gọi là kết tinh đẳng nhiệt có nhược điểm là các tinh thể sẽ bị dính lên bề mặt truyền nhiệt và đồng thời sẽ làm tăng nồng độ tạp chất có trong dung dịch Để hạn chế lượng chất rắn động trên bề mặt truyền nhiệt phải tăng vận tốc tuần hoàn dung dịch hoặc khuấy trộn Để tách dung dịch (nước cái) khỏi tinh thể thực hiện ở thiết bị khác ở bên ngoài như thiết bị lọc, ly tâm,… Dung dịch cái còn lại và nước rửa nếu chứa lượng tạp chất nhỏ thì có thể cho quay lại để tiếp tục cô đặc

Hình 3 24 Thiết bị cô đặc kết tinh

1 Phòng bốc hơi, 2 Phòng đốt, 3 Bộ phận chứa tinh thể

Vận tốc dung dịch trong ống truyền nhiệt không quá 3 m/s Để giảm tiêu hao nhiệt năng có thể tiến hành trong nhiều thiết bị theo phương thức song song

Phương pháp này tạo ra các sản phẩm có kích thước tinh thể đồng đều và lớn Để tiến hành kết tinh, dung dịch cần được làm lạnh để đạt trạng thái bão hòa, có thể sử dụng nước lạnh hoặc nước muối để làm lạnh hiệu quả.

Phương pháp này có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn:

Kết tinh liên tục là quá trình diễn ra liên tục trong nhiều thiết bị kết nối nhau, trong đó dung dịch di chuyển liên tục từ thiết bị này sang thiết bị khác để tạo ra sản phẩm tinh khiết, đảm bảo hiệu quả và năng suất cao trong quá trình sản xuất.

Quá trình kết tinh gián đoạn được thực hiện bằng cách đưa dung dịch vào đầy thiết bị và để cho quá trình kết tinh diễn ra Sau khi kết tinh hoàn tất, nước cái và tinh thể sẽ được tách ra, giúp thu hồi tinh thể một cách hiệu quả Phương pháp này đảm bảo tinh thể đạt chất lượng cao và quá trình kết tinh diễn ra an toàn, thuận tiện.

Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng dung dịch:

Hình 3 25 Thiết bị kết tinh làm lạnh bằng dung dịch

Nguyên lý hoạt động của thiết bị:

Thiết bị làm lạnh sử dụng ống xoắn ruột gà hoặc vỏ lọc ngoài có cánh khuấy để trộn dung dịch, đảm bảo hiệu quả làm lạnh tối ưu Loại thiết bị này hoạt động theo chế độ gián đoạn, phù hợp với quy trình yêu cầu xử lý theo từng giai đoạn Để tăng thời gian lưu dung dịch và nâng cao hiệu quả làm lạnh, có thể bố trí các thiết bị nối tiếp nhau thành dãy liên tục, giúp quy trình diễn ra liên tục và tối ưu hơn.

Thiết bị hình máng có máng đặt nghiêng theo trục, phù hợp để làm lạnh dung dịch nhờ sự mất nhiệt ra môi trường xung quanh và bay hơi một phần dung môi, giúp hình thành và phát triển các mầm tinh thể chậm với kích thước từ 3-5mm đến 10-15mm Tinh thể và dung dịch nước cái thường được lấy ở đầu thấp của máng, có chiều dài khoảng 15m và rộng 1,5m, nhằm tối ưu quá trình kết tinh Để nâng cao hiệu quả trộn đều dung dịch và duy trì tinh thể trong trạng thái lơ lửng, người ta có thể sử dụng loại máng có vít tải Ngoài ra, còn có phương pháp kết tinh chân không để đạt được chất lượng tinh thể cao hơn trong quy trình tinh luyện.

Phương pháp kết tinh chân không sử dụng quá trình bay hơi dung môi nhờ nhiệt vật lý của dung dịch, khi hơi bay ra theo đường bơm chân không Nhiệt độ của dung dịch ở trạng thái bão hòa giảm đến nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất chân không trong thiết bị, gây ra hiện tượng kết tinh của dung dịch.

Dung môi bay hơi không chỉ do nhiệt độ vật lý của dung dịch mà còn do sự tỏa nhiệt khi kết tinh

Quá trình kết tinh diễn ra đồng thời với quá trình bay hơi do hút chân không và làm lạnh, giúp tăng cường hiệu quả quá trình kết tinh Phương pháp này diễn ra trong toàn bộ thể tích dung dịch, từ đó hạn chế sự dính của các tinh thể vào bề mặt thiết bị Kết quả là thời gian rửa thiết bị được rút ngắn, nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm thời gian vận hành.

Hình 3 26 Thiết bị kết tinh chân không

1 Thùng; 2 Bơm tuye; 3 Thiết bị ngưng tự chân cao

Thiết bị không có bộ phận làm lạnh thường được chế tạo từ các vật liệu bền về ăn mòn hóa học như gốm, sứ, gang chịu axit để đảm bảo độ bền và khả năng chống ăn mòn Tuy nhiên, các vật liệu này có hệ số dẫn nhiệt thấp, gây hạn chế trong quá trình truyền nhiệt Việc chọn vật liệu phù hợp là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị trong điều kiện hoạt động mà không cần bộ phận làm lạnh.

Thùng hình trụ 1 trong có cánh khuấy mái chèo hoặc mỏ neo, hút chân không bằng bơm tuye 2, hơi được ngưng tụ trong thiết bị chân cao (baromet).

QUÁ TRÌNH SẤY KHÔ

Sấy là quá trình sử dụng nhiệt năng để làm bay hơi nước khỏi vật liệu, có thể thực hiện tự nhiên bằng năng lượng mặt trời hoặc gió, gọi là quá trình phơi hoặc sấy tự nhiên Phương pháp này tiết kiệm năng lượng nhưng không thể kiểm soát vận tốc quá trình theo yêu cầu kỹ thuật, dẫn đến năng suất thấp Vì vậy, trong các ngành công nghiệp, người ta thường sử dụng quá trình sấy nhân tạo, dựa trên nguồn năng lượng do con người tạo ra để đảm bảo hiệu quả và kiểm soát tốt hơn.

Kỹ thuật Sấy chia ra thành nhiều phương pháp:

− Phương pháp sấy thông thường:

+ Sấy đối lưu: Là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với không khí nóng, khói lò… (gọi là tác nhân sấy)

Phương pháp sấy tiếp xúc là kỹ thuật sấy trong đó tác nhân sấy không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu cần sấy Thay vào đó, nhiệt được truyền gián tiếp qua một vách ngăn, giúp đảm bảo quá trình sấy diễn ra an toàn và hiệu quả hơn Phương pháp này phù hợp để xử lý các loại vật liệu dễ bị hư hỏng hoặc cần tránh tiếp xúc trực tiếp với tác nhân sấy.

− Phương pháp sấy đặc biệt:

+ Sấy bằng tia hồng ngoại: Là Phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy Phương pháp

Chương 3: Tổng quan về quá trình truyền chất Trang 66 này thường được ứng dụng để sấy bề mặt sơn, sấy vật liệu dạng sợi, sấy chất dẻo, sấy các sản phẩm bằng gỗ, sấy thực phẩm,… Phương pháp này bao gồm: Sấy bằng bức xạ kiểu đèn và sấy bằng thiết bị có bộ phận bức xạ bằng kim loại hay sành sứ.

Hình 3 27 Thiết bị sấy bằng tia hồng ngoại (bức xạ kiểu đèn)

1 Phòng Sấy, 2 Băng tải, 3 Bóng đèn bức xạ tia hồng ngoại

Sấy bằng dòng điện cao tần sử dụng năng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng toàn bộ chiều dày của vật liệu Phương pháp này đặt vật liệu giữa hai bản điện cực nối với dòng điện tần số cao, giúp làm nóng đều toàn bộ vật liệu Tuy nhiên, nhược điểm chính là tiêu thụ lượng lớn năng lượng (2÷5 kW.h/kg ẩm), làm tăng chi phí vận hành so với sấy đối lưu từ 3÷4 lần Thêm vào đó, thiết bị cần có máy tạo dòng cao tần phức tạp, khiến phương pháp này ít được sử dụng trong thực tế.

Sấy thăng hoa (sấy lạnh đông) là phương pháp tách ẩm từ vật liệu bằng cách biến ẩm trong trạng thái rắn thành hơi qua quá trình trải qua trạng thái lỏng trong môi trường chân không rất cao và nhiệt độ thấp, thường tới -15°C Quá trình này giúp giữ nguyên chất lượng của sản phẩm, không làm biến chất protein, bảo tồn các vitamin như khi còn tươi và duy trì thể tích ban đầu của vật liệu sấy Sấy thăng hoa tạo ra sản phẩm xốp hơn, dễ hấp thụ nước để trở lại dạng ban đầu, phù hợp để sấy các loại thực phẩm như sữa, rau, quả Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là chi phí cao, thiết bị phức tạp và yêu cầu đầu tư lớn.

Quá trình sấy là quá trình chuyển khối phức tạp, trong đó pha rắn tham gia vào quá trình khuếch tán bên trong và bên ngoài vật liệu, đồng thời liên quan đến truyền nhiệt Đây là quá trình liên tục, với tốc độ tổng thể bị ảnh hưởng bởi giai đoạn chậm nhất Hiểu rõ đặc điểm này giúp tối ưu hóa quy trình sấy và nâng cao hiệu quả của quá trình khô.

Trong quá trình Sấy, thông thường môi trường không khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng rất lớn và trực tiếp đến vận tốc của quá trình sấy

Vật liệu sấy, còn gọi là vật liệu ẩm, là những vật chứa lượng lớn chất lỏng, chủ yếu là nước Chúng thường bao gồm ba pha: rắn, lỏng và khí, tạo thành các vật liệu đa pha cần được xử lý để giảm độ ẩm và nâng cao khả năng ứng dụng Quá trình sấy vật liệu ẩm giúp loại bỏ hơi ẩm, tăng tính ổn định và kéo dài thời gian bảo quản của sản phẩm.

Vật liệu ẩm đều có tính xốp có nghĩa là bên trong vật thể có các khoảng trống rỗng chứa khí

Trong quá trình sấy, độ ẩm của chất lỏng trong vật thể bay hơi giảm, làm giảm độ ẩm của vật liệu Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi lượng độ ẩm và nhiệt độ của nó, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sấy Các loại liên kết ẩm trong vật thể đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng giữ ẩm và cách vật liệu phản ứng trong quá trình sấy.

Các vật rắn dùng để sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn Quá trình sấy diễn ra khi vật liệu ẩm bị ảnh hưởng bởi các dạng liên kết ẩm trong vật, giúp loại bỏ độ ẩm hiệu quả và đảm bảo chất lượng vật liệu sau sấy.

Liên kết hóa học của phân tử nước trong vật ẩm rất bền vững và trở thành một phần của thành phần hóa học của các phân tử vật ẩm Loại ẩm này chỉ có thể bị tách ra thông qua phản ứng hóa học hoặc khi nung nóng vật đến nhiệt độ cao, đảm bảo tính ổn định của liên kết trong quá trình xử lý và bảo quản vật liệu.

- Liên kết hóa lý: Bao gồm 2 kiểu là liên kết hấp thụ và liên kết thẩm thấu

Liên kết hấp thụ thường gặp trong các vật keo có cấu tạo dạng hạt, với bề mặt bên trong rất lớn và năng lượng bề mặt tự do đáng kể Khi tiếp xúc với không khí ẩm hoặc nước, ẩm sẽ xâm nhập vào vật qua các bề mặt tự do này, tạo thành liên kết hấp thụ giữa nước và bề mặt của vật.

Liên kết thẩm thấu là quá trình liên kết hóa lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, dẫn đến sự chênh lệch áp suất hơi nước Quá trình này diễn ra mà không kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và không gây biến dạng cho vật thể.

Liên kết cơ lý là dạng liên kết giữa nước và vật liệu, được hình thành do sức căng mặt của nước tác động trên các mao dẫn hoặc bề mặt ngoài của vật Loại liên kết này đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng thủy lực và các ứng dụng liên quan đến sự di chuyển của nước qua các vật liệu rỗng Hiểu rõ về liên kết cơ lý giúp tối ưu hóa các công trình dân dụng, xây dựng và các hệ thống liên quan đến chất lỏng trong kỹ thuật.

3 kiểu là liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt

Liên kết cấu trúc là liên kết giữa nước và vật liệu hình thành trong quá trình tạo thành vật, như nước trong tế bào động vật khi nó đông đặc do chứa sẵn nước Để tách nước trong trường hợp này, có thể làm nước bay hơi, nén ép vật hoặc phá vỡ cấu trúc vật liệu Quá trình này dẫn đến vật bị biến dạng, thay đổi tính chất và thậm chí làm thay đổi trạng thái pha của vật.

Liên kết mao dẫn là hiện tượng các vật thể có cấu tạo mao quản như gỗ, vải khi tiếp xúc với nước sẽ gây ra quá trình nước xâm nhập vào bên trong qua các mao quản Hiểu rõ cơ chế này giúp tối ưu hóa quá trình bảo quản, sử dụng vật liệu mềm dẻo và bền vững trong các ứng dụng công nghiệp và đời sống hàng ngày.

Tiêu đề	Giáo trình Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng)
Tác giả	Ths. Phạm Thị Nụ, Ks. Nguyễn Hữu Thanh, Ks. Trần Thu Hằng, Cử nhân Huỳnh Việt Triều, Ks. Phạm Công Quang
Trường học	Trường Cao Đẳng Dầu Khí
Chuyên ngành	Vận hành thiết bị chế biến dầu khí
Thể loại	giáo trình
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Bà Rịa-Vũng Tàu

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	1,7 MB