1 chuong 1 phan 1

Microsoft Word 1 Chuong 1 Phan 1 doc Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường DuMyLe Khoa Môi trường, ĐHBK Tp HCM 1 Phaàn I – Tổng quan Kỹ thuật Truyền khối và Phân r[.]

Phần I – Tổng quan Kỹ thuật Truyền khối và Phân riêng

Chương 1

CƠ SỞ QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHỐI và PHÂN RIÊNG

Mass Transfer and Separation Processes

Lưu ý chung dành cho SV khi học phần này:

1 SV nên học theo bố cục trong bài giảng tĩm tắt và đọc các nội dung liên quan trong

SGK (các nội dung này sẽ được ghi chú rõ trong bài giảng) Phần bài tập, SV cĩ thể

tham khảo các ví dụ cĩ lời giải trong SGK được gợi ý trong bài giảng và tự làm các bài tập rèn luyện được đề cập ở cuối các chương

Các nội dung chính trong SGK được dịch từ tài liệu gốc: Mass Transfer Operations,

Mc Graw Hill Book Company Trong trường hợp muốn tìm hiểu hoặc cần kiểm tra số

liệu tra cứu, đính chính cơng thức SV cĩ thể tham khảo trực tiếp trên tài liệu gốc bằng tiếng Anh

3 Ngồi ra, nếu muốn hiểu sâu nội dung kỹ thuật phản ứng hĩa học, SV cĩ thể tham khảo các tài liệu tiếng Việt như: (1) Bài tập Truyền khối – Trịnh Văn Dũng, ĐHBK Tp.HCM;

hoặc tiếng Anh: (2) Unit Operations of Chemical Engineering – Warren L.Mc.Cabe

& Peter Harriott (3) Diffusion, Mass Tranfer in Fluid Systems – E.L.Cussler, Cambridge

Nội dung trong các tài liệu tham khảo phần nhiều dành cho SV thuộc lĩnh vực kỹ thuật hĩa học

Đối với SV thuộc lĩnh vực mơi trường, nên nắm vững phần kiến thức chính theo thứ

tự trong bố cục bài giảng TRƯỚC khi muốn tham khảo các tài liệu khác

Mục đích nghiên cứu Truyền khối và Phân riêng trong lĩnh vực xử lý môi trường là nhằm

sử dụng các quá trình hĩa lý, hĩa học để tạo nên sự di chuyển chất ơ nhiễm (độc hại) từ pha này sang pha khác hoặc biến đổi chất ơ nhiễm thành:

• Chất vơ hại, chất trơ;

• hoặc chuyển thành các chất cĩ độ độc hại thấp, chất dễ xử lý hơn;

• chuyển thành nguyên liệu sản xuất khác…

1.1 ĐỊNH NGHĨA

Quá trình truyền khối (hay phân riêng bằng các phương pháp hĩa lý) đĩng vai trị chủ yếu

trường … để tách các chất ra khỏi nguyên liệu, thu hồi và làm tinh khiết các sản phẩm chính, giảm thiểu các chất gây ô nhiễm trong dòng nước hoặc khí thải

Để làm được điều này, các dòng vật chất (hoặc các pha) cần được phối trộn (Mixing) với

nhau

Mixing:

Phân riêng (Separation) là quá trình ngược của quá trình phối trộn các cấu tử

Separation: được đề cập chủ yếu trong các giáo trình như Unit Operations hoặc Mass

Transfer Operations

Kỹ thuật “Phân riêng các cấu tử” là lĩnh vực rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học trọng yếu ngày nay như công nghệ sinh học (Biotechnology) và lĩnh vực bảo vệ môi trường (Environmental Protection)…

Quote: “ A Chemical / Environmental Engineer must be familiar with the working principles of a variety of separation methods ” – Prof S.Farooq, Department of Chemical

and Biomolecular Engineering

Ví dụ:

- Sử dụng kỹ thuật phân riêng trong quá trình xử lý VOCs (Volatile Organic Compounds):

- Xử lý thành phần H2S trong khí thải:

Truyền khối (Mass Transfer): là quá trình truyền vật chất trên qui mơ phân tử trong nội bộ

một pha hoặc từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau

Truyền khối cịn gọi là quá trình khuếch tán (diffusion)

Động lức của quá trình truyền khối chính là sự sai biệt nồng độ làm cho chất khuếch tán (cấu tử A) di chuyển từ nơi cĩ nồng độ cao đến nơi cĩ nồng độ thấp hơn

Vì vậy, ta cịn cĩ thể định nghĩa: Truyền khối là quá trình vận chuyển vật chất trong một pha và từ pha này vào pha khác theo hướng đạt trạng thái cân bằng

Khi đạt đến trạng thái cân bằng:

• Trong 1 pha: nồng độ là không đổi

• Nồng độ cân bằng ở 2 pha là khác nhau

Các quá trình truyền khối bao gồm:

- Hấp thụ: là quá trình vận chuyển vật chất từ pha khí vào pha lỏng dựa trên khả năng

hoà tan của chất khí vào chất lỏng Hấp thụ được chia làm 2 loại: hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học

- Chưng cất: là quá trình phân tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa

trên điều kiện hoá hơi khác nhau của chúng, trong đó, vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi

- Hấp phụ: là quá trình lôi cuốn mọât hay nhiều cấu tử trong pha khí hay lỏng bởi chất

rắn (gọi là chất hấp phụ)

- Sấy: là quá trình tách nước ra khỏi vật liệu ẩm, trong đó, nước đi từ pha rắn vào pha

khí

- Trích ly: gồm có trích ly lỏng – lỏng và trích ly rắn – lỏng Trích ly lỏng – lỏng là

quá trình tách chất hoà tan trong chất lỏng không hoà tan vào chất lỏng cho trước Trích

ly rắn – lỏng là quá trình hoà tan có chọn lựa một cấu tử trong chất rắn bằng một dung môi lỏng

- Kết tinh: là quá trình tách chất rắn ra khỏi dung dịch, trong đó, vật chất đi từ pha

lỏng vào pha rắn

- Hòa tan: là quá trình vận chuyển vật chất từ pha rắn vào pha lỏng, do đó, cấu trúc

chất rắn bị thay đổi

Các quá trình truyền khối còn được gọi là quá trình khuếch tán là vì vận tốc của chúng

được xác định bằng vận tốc khuếch tán với sự tham gia ít nhất của 2 cấu tử

1.2 BIỂU DIỄN THÀNH PHẦN PHA

Ký hiệu pha: - Pha nhẹ: pha y

- Pha nặng: pha x

Ví dụ:

Mỗi pha có thể chứa vài cấu tử, cấu tử tham gia trực tiếp vào quá trình truyền khối được

gọi là cấu tử chính (cấu tử A) hay còn gọi là cấu tử phân tán, cấu tử còn lại là cấu tử

mang hay cấu tử trơ

Trong quá trình phân tích và tính toán truyền khối cần phải biết thành phần pha Thành phần pha được đặc trưng bởi các cấu tử chính

Thành phần pha thường được biểu diễn thông qua các đại lượng sau:

1 Phần mol

kmolA

2 Phần khối lượng

kgA

4 Tỉ số khối lượng kgA

5 Nồng độ mol

kmolA

6 Nồng độ khối lượng

kgA

Theo định luật Dalton, phần mol y của một cấu tử trong hỗn hợp khí lý tưởng bằng:

i i

p y P

=

Với:

1

n

i i

=

=∑ : áp suất cân bằng của hỗn hợp khí

p i = áp suất riêng phần của cấu tử trong hỗn hợp khí

1.3 CÁC CÔNG THỨC CHUYỂN ĐỔI BIỂU NỒNG ĐÔ

Bảng bên dưới thể hiện các cơng thức chuyển đổi qua lại giữa các đại lượng

Trong đĩ:

- Trong pha lỏng, đối với hệ 2 cấu tử :

Mhh = M x MA + B(1 − x )

- ρ: Khối lượng riêng của hỗn hợp, kg/m3

- Tương tự đối với pha khí, thay thế x, x , X , X , Cx, Cx bằng các giá trị tương

ứng y, y , Y, Y , C , y Cy

x x X X C x C x

hh A

xM M

hay

A

x M x x

1

X X

+

B

B A

M X

M X M+

x hh

C M

ρ

hay

x B

x B A

C M

ρ+ −

x hh A

C M M

ρ

hay

( )

x B x

C M

ρ + −

hh

M x

A B

M X

C M

ρ

x

C

ρ

X

1

x x

B A

xM

A

M X M

B x

A x

M C

M C

x B

A x

M C

M ρ−C

B

M x

x x

−

A B

M X

A x

M C

M C

ρ−

x x

C C

ρ−

x

C

hh

x M

ρ

A

x M

ρ

A B

X

M X M

ρ

X

M X

ρ

A

C M

x

hh

M x M

ρ

x

A B

M X M

ρ

1.4 TĨNH HỌC TRUYỀN KHỐI

1.4.1 Mục đích

Xác định tỷ lệ cân bằng của các cấu tử có trong hệ Trong phân thức và tính toán trạng thái cân bằng đa cấu tử, người ta sử dụng nguyên lý pha, định luật Mendeleev Clapeyron, định luật Dalton, Rault, Henry Dựa trên cơ sở các định luật này có thể xác định được hướng vận chuyển vật chất và xác định được phạm vi giới hạn của quá trình

1.4.2 Nguyên lý pha

Nguyên lý pha cho phép xác định trạng thái cân bằng trong hệ và chỉ ra số tham số có thể thay đổi tuỳ ý mà không phá vỡ thành phần pha

C K N F = + −

Trong đó:

C : số bậc tự do

K : số cấu tử có trong hệ

N : số yếu tố bên ngoài xác định trạng thái hệ

F : số pha

Ví dụ: Quá trình hấp thụ:

Đại lượng Giá trị

K 3 Khí – lỏng - cấu tử chính

F 2 Khí – lỏng

N 3 Nồng độ – nhiệt độ – áp suất

C 4 = 3 + 3 - 2

1.4.3 Các định luật trong tĩnh học truyền khối

1.4.3.1 Định luật Mendeleev – Claperon

Nồng độ phần mol của các cấu tử trong hỗn hợp khí được tính theo định luật Mendeleev

– Claperon

• Cấu tử A: V P A =n R T A

• Cấu tử B: V P B =n R T B

V P.( A+P B) (= n A+n R T B)

A

y

B

y

B B B

Y

1.4.3.2 Định luật Dalton

Aùp suất riêng phần của cấu tử tỷ lệ thuận với phần mol của cấu tử:

P = y P và P B = y P B

P P= +P

Thể tích riêng phần của các cấu tử ở trạng thái khí:

. o o

o

P T

v v

T P

= , m3/kg

Trong đó:

vo: thể tích riêng phần ở điều kiện tiêu chuẩn

22.4

o

v

M

= , m3/kg

Po: 760mmHg

Khối lượng riêng của pha khí:

. o .

o

o

T P

T P

1.4.3.3 Định luật Rault

Aùp suất riêng phần của cấu tử bằng nồng độ phần mol trong dung dịch nhân với áp suất bão hoà

.

P = P x

Trong đó:

Pa: áp suất hơi bão hoà, phụ thuộc vào nhiệt độ

xA: nồng độ phần mol trong dung dịch

1.4.3.4 Định luật Henry

Aùp suất riêng phần của khí lý tưởng hoà tan trong dung dịch tỷ lệ thuận với nồng độ phần mol của cấu tử trong dung dịch đó

.

P = H x

H: hệ số tỷ lệ Henry, phụ thuộc vào nhiệt độ và được xác định bằng thực nghiệm

1.4.4 Cân bằng pha

Cân bằng pha là một trạng thái nhiệt động của hệ mà khi đó, vận tốc của quá trình thuận bằng vận tốc của quá trình nghịch hoặc là trạng thái nhiệt động có nhiệt độ và áp suất không đổi theo thời gian

Dạng quan hệ tổng quát giữa các thành phần pha ở trạng thái cân bằng có thể biểu diễn như sau: y∗ = f x ( )

Với: y* - nồng độ cân bằng của cấu tử chính trong pha khí

x - nồng độ tương ứng của cấu tử trong pha lỏng

xA

yA

Đường cân bằng y*= f(x)

Tỉ lệ thành phần pha ở trạng thái cân bằng được gọi là hệ số phân phối pha:

y m

x

∗

=

Ở nồng độ thấp: m = const

Tổng quát : m = tgβ

1.5 PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN

Khi nghiên cứu quá trình truyền khối trong các hệ xử lý môi trường nhằm thiết kế thiết bị

xử lý, ta quan tâm khảo sát hai quá trình khuếch tán chính là khuếch tán phân tử

(Molecular Diffusion) và khuếch tán đối lưu (Turbulent Diffusion)

Quá trình phân tán (Dispersion) thường được khảo sát nhiều trong quá trình phát tán chất ô

nhiễm qua nguồn thải là nguồn điểm cao (ống khói nhà máy) hoặc nguồn điểm thấp (phát thải từ phương tiện giao thông) Trong lĩnh vực quản lý và xử lý môi trường, quá trình này

còn được nghiên cứu phục vụ việc thiết lập các mô hình phát thải (Environmetal

Modelling)