QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI - Chương 1 - phần 2 pptx

Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hoá học III QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI trình chuyển khối Giảng viên: Nguyễn Minh Tân Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa

Trang 1

Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hoá học III

QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI

trình chuyển khối

Giảng viên: Nguyễn Minh Tân

Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nguyen.minhtan@gmail.com

Biểu diễn nồng độ hệ hai pha (ví dụ: pha lỏng và pha khí)

Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối

Trang 2

8 Các định luật khuếch tán

•  Khi hai pha chuyển

động tiếp xúc nhau, do

ma sát, trên bề mặt

phân chia pha tạo

thành hai lớp màng

•  Chế độ chuyển động ở

màng và trong nhân

của dòng khác nhau

Bề mặt phân pha

Màng

Nhân Nhân

–  Ở trong màng luôn luôn có chế

độ dòng Quá trình di chuyển vật

chất là quá trình khuếch tán phân

tử

–  Ở giữa dòng có thể có chuyển

động xoáy Quá trình di chuyển

vật chất là quá trình khuếch tán

đối lưu

–  Vận tốc khuếch tán trong màng

rất nhỏ so với vận tốc khuếch tán

trong nhân Vận tốc quá trình phụ

thuộc vào vận tốc trong màng

Bề mặt phân pha

Màng

Nhân Nhân

Trang 3

Khuếch tán phân tử

Định luật Fick I

dG

Fd τ = −D dc dx

Bề mặt vuông góc với hướng khuếch tán khuếch tán Hệ số

Thời gian

Vận tốc

khuếch tán tỉ

lệ với

gradient

nồng độ

Hệ số khuếch tán

3 2

1 3

"

#

&

'

2

1

h

Áp suất

chung của

khí Khối lượng mol, kg/kmol

Thể tích mol,

cm3/mol

Hệ số khuếch tán là lượng vật chất đi qua một đơn vị bề mặt

trong một đơn vị thời gian khi nồng độ vật chất giảm một đơn vị

trên một đơn vị chiều dài theo hướng khuếch tán (m 2 /s)

Hệ số khuếch tán của khí trong khí

Trang 4

Hệ số khuếch tán

D20 = 0,00360

1 3

!

"

%

&

2

1

h

Hệ số điều chỉnh của khí và

của dung môi

Hệ số khuếch tán của khí trong lỏng

Khuếch tán đối lưu

Vật chất khuếch tán trong môi trường chuyển động: nhờ

khuếch tán phân tử và nhờ sự chuyển động của các pha

Lượng vật chất đi qua các bề mặt thể

tích của dV trong khoảng thời gian dt

theo định luật khuếch tán:

Gx+dGx

Gz x z

y

Gz+dGz

Gx

Gy +dGy

Gy

G x+dx = G x + dG x = −D ∂c

∂x dydzdτ− D

∂

∂x

∂c

∂x

#

$

&

'

(dxdydzdτ

Lượng vật chất còn lại trong dV:

dG x = G x − G x+dx = D∂

2

c

∂x2dxdydzdτ

Định luật Fick II

Trang 5

Tương tự với các trục Oz và Oy:

Gx+dGx

Gz x z

y

Gz+dGz

Gx

Gy +dGy

Gy

dGy = Gy− Gy+dy = D ∂

2

c

∂y2 dxdydzd τ

2

c

Với toàn bộ thể tích dV:

dG = dGx+ dGy+ dGz = D ∂

2

c

∂x2 +

∂2c

∂y2 +

∂2c

∂z2

"

#

&

'dxdydzdτ

Lượng vật chất đi qua các bề mặt dydz

của dV trong khoảng thời gian dt với vận

tốc W nhờ sự chuyển động của dòng:

Gx+dGx

Gz x z

y

Gz+dGz

Gx

Gy +dGy

Gy

G x+dx = G x + dG x = W x c ∂c

∂x dydzdτ −

∂(W x c)

∂x dxdydzdτ

Lượng vật chất còn lại trong dV:

Trang 6

Gx+dGx

Gz x z

y

Gz+dGz

Gx

Gy +dGy

Gy

Tương tự với Oy và Oz:

Với toàn bộ thể tích nguyên tố dV:

∂W x

∂x +

∂W y

∂y +

∂W z

∂z = 0

dG = dG x + dG y + dG z= c∂W x

∂x +

c∂W y

∂y +

c∂W z

∂z

!

"

$

%

&dxdydzdτ + W x

∂c

∂x + W y

∂c

∂y + W z

∂c

∂z

!

"

$

%

&dxdydzdτ

Theo phương trình dòng liên tục và ổn định:

dG = Wx ∂c

∂c

∂z

!

"

%

&dxdydzd τ

Lượng vật chất tính theo 2 phương pháp phải bằng nhau:

dG = D ∂

2

c

∂2c

∂y2 +

∂2c

∂z2

"

#

&

∂c

∂z

"

#

&

'

Phươn trình khuếch tán trong

môi trường chuyển động

Trang 7

8 Động lực khuếch tán

•  Quá trình khuếch tán xảy ra tự nhiên khi nồng độ làm việc và

nồng độ cân bằng của cấu tử phân bố trong mỗi pha là khác nhau

•  Động lực khuếch tán (động lực truyền chất) là hiệu số giữa nồng

độ làm việc và nồng độ cân bằng

•  Tính theo pha Φy : Δy = y* - y hay Δy = y – y*

•  Tính theo pha Φx : Δx = x* - x hay Δx = x – x*

•  Động lực của quá trình thay đổi từ đầu đến cuối quá trình Khi tính

toán sử dụng động lực trung bình

•  Chất phân tán sẽ đi vào pha có nồng độ nhỏ hơn nồng độ cân

bằng

9 Phương trình chuyển khối và động lực trung bình

Sơ đồ quá trình chuyển khối

y

x

y*

x*

ybg

xbg

Trở lực

Quá trình chuyển vật chất từ pha Φy vào

pha Φx :

-  nồng độ y, x ở giữa dòng coi như

không đổi

-  trong lớp màng Φy nồng độ giảm từ y

đến ybg (nồng độ biên giới)

-  trong lớp màng Φx nồng độ giảm từ

xbg (nồng độ biên giới) đến x

-  Gọi Ry là trở lực trong pha Φy và Rx là

trở lực trong pha Φx

Vận tốc khuyếch tán của chất phân bố qua màng Φy:

dG dFdτ =

y − y bg

R y

Trang 8

y

x

y*

x*

ybg

xbg

Vận tốc của chất phân bố qua màng Φx: dG

dFdτ =

x bg − x

R x

βx= 1

R x βy=

1

R y

Hệ số cấp chất trong pha x và y

Lượng vật chất chuyển qua màng Φy trong thời gian τ là:

Lượng vật chất chuyển qua màng Φx trong thời gian τ là:

dG = βyτdF (ybg -y)

dG = βxτdF (xbg -x)

y

x

y*

x*

ybg

xbg

Hệ số cấp chất

Hệ số cấp chất là lượng vật chất chuyển qua một đơn

vị bề mặt trong một đơn vị thời gian khi hiệu số nồng

độ là một đơn vị

Hệ số cấp chất là một đại lượng phức tạp Nó phụ

thuộc vào tính chất vật lý của các pha (hệ số khuyếch

tán, độ nhớt, khối lượng riêng), nhiệt độ, áp suất, lưu

lượng, kích thước hình học đặc trưng và cấu tạo của

thiết bị truyền chất

Trang 9

y

x

y*

x*

ybg

xbg

Phương trình chuyển khối

Theo định luật phân bố vật chất y = mx ta có :

xbg = ybg

m ; x = y

*

m

dG = βxτ dF y ( bg− y*) m 1

dG

βy

=τ dF y − y( bg)

mdG

βx

=τ dF y( bg − y *)

dG 1

βy+

m

βx

!

"

## $

%

&& =τdF y − y *( )

dG = k yτdFΔy

Hệ số

chuyển khối Động lực của

quá trình

y

x

y*

x*

ybg

xbg

Phương trình chuyển khối

Với toàn bộ bề mặt tiếp xúc pha F:

G = k yτFΔy tb

Động lực trung bình của quá trình Tương tự:

G = k xτFΔx tb

k x= 1 1

βx+

1

mβy

Hệ số chuyển khối khi

tính theo nồng độ pha x

k y≈βy

Cấu tử phân bố dễ hoà tan:

Cấu tử phân bố khó hoà tan: k x≈βx

Trang 10

Xác định động lực trung bình

Động lực trung bình thay đổi từ đầu đến cuối thiết bị vì thế trong khi tính toán ta phải dùng động lực trung bình Khi đường cân bằng là đường cong ta dùng động lực trung bình tích phân Khi đường cân bằng là đường thẳng ta dùng động lực trung bình lôgarit

Động lực trung bình tích phân Để xác định động lực trung bình tích phân ta dùng

phương trình truyền chất cơ bản ở dạng vi phân Ví dụ để xác định Δytb:

dG = kyτdF (y - y*)

k yτ(y − y cb)

Mặt khác lượng vật chất dG có thể xác định theo phương trình bằng vật liệu:

dG =-Gydy

dF = − G y dy

τK y y − y*

Xác định động lực trung bình

Với toàn bộ bề mặt tiếp xúc pha F:

Lấy tích phân F = − G y

τk y

dy

y − y*

y d

y c

τ y

S S: xác định bằng phương

pháp đồ thị Thay: G

y d − y c

Có: F = G

τ K y

S

y d − y c

G = K yτF y d − y c

S

Δy tb=y d − y c

dy

y − y *

y c

y d

∫

Tương tự:

Δx tb= x c − x d

dx

x * −x

x d

x c

∫

Đây là trường hợp vật chất khuếch tán từ pha

Φy vào pha Φx, nghĩa là trường hợp nồng độ cấu tử phân bố trong pha Φy giảm và trong pha

Φx tăng

Đối với trường hợp ngược lại là khi vật chất khuếch tán từ pha Φx vào pha Φy, trong công thức động lực trung bình tích phân cần thay đổi

vị trí của các đại lượng nồng độ trong công thức cho nhau

Trang 11

8 Động lực khuếch tán

Sơ đồ biểu diễn động lực của quá trình chuyển khối

Định dạng
Số trang	11
Dung lượng	2,22 MB