Giáo trình Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

Tính chất: Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học là môn học kỹ thuật cơ sở của chương trình đào tạo cao đẳng liên quan đến công nghệ và thiết bị dầu khí.. ❖ MỤC TIÊU CỦA C

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 16

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 Độ chịu nén ép là sự giảm thể tích của chất lỏng khi áp suất bề mặt tăng 1 at Chất lỏng có đặc tính không thay đổi thể tích khi áp suất hoặc nhiệt độ thay đổi Thí nghiệm cho thấy trong khoảng áp suất từ 1-500 at và nhiệt độ từ 0-20 °C, hệ số thể tích βₜ ≈ 0 (βₜ = 0,00005 cm²/kG), cho thấy chất lỏng được coi 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 một đơn vị diện tích.

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

Áp suất tuyệt đối trong chất lỏng được xác định bởi tổng áp suất từ khí quyển và cột chất lỏng tác động lên một điểm trong lòng chất lỏng, trong đó γ là trọng lượng riêng của chất lỏng và h là chiều cao cột 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

Trong một phòng khách có kích thước sàn 3.5m x 4.2m và chiều cao 2.4m, cần tính toán trọng lượng không khí trong phòng và lực do khí quyển tác dụng lên sàn Kết quả cho thấy trọng lượng không khí trong phòng là yếu tố quan trọng cần được xác định.

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, vật liệu thường tồn tại dưới dạng rắn, lỏng và khí Các quá trình quan trọng bao gồm vận chuyển chất lỏng, khí hoặc hơi qua ống dẫn và thiết bị, khuấy trộn, cũng như phân chia hệ không đồng nhất thông qua các phương pháp như lắng, lọc và ly tâm.

Chương 1: Kiến thức cơ bản của thủy lực học Trang 18 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

Thủy lực học nghiên cứu các quy luật tác động lên lưu chất, bao gồm cả lỏng và khí, nhưng trong môn học này chỉ tập trung vào chất lỏng Lĩnh vực này được chia thành hai phần chính: tĩnh lực học và động lực học.

Tĩnh lực học nghiên cứu các định luật cân bằng của chất lỏng và ảnh hưởng của chúng lên các vật thể rắn khi ở trạng thái yên tĩnh và tiếp xúc với chất lỏng.

Động lực học nghiên cứu các định luật chuyển động của chất lỏng và tác động của nó lên các vật thể rắn, cả khi chúng chuyển động hay đứng yên Trong tĩnh lực học chất lỏng, chất lỏng được coi là ở trạng thái yên tĩnh tương đối, nghĩa là khối chất lỏng trong một không gian giới hạn di chuyển cùng với bình chứa, trong khi các phân tử bên trong không có chuyển động tương đối Ở trạng thái tĩnh, không có nội lực ma sát, do đó chất lỏng được xem như chất lỏng lý tưởng Áp suất thủy tĩnh là ứng suất do các lực khối lượng và lực bề mặt gây ra.

− 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 động lên bề mặt của chất lỏng, bao gồm áp lực từ khí quyển và lực từ pittong trong bơm pittong.

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

lim0 (1.11) Đơn vị tính áp suất [N/m 2 ] = [Pa] Đặc điểm của áp suất thuỷ tĩnh

Tác dụng của lực theo phương pháp tuyến và hướng vào trong chất lỏng rất quan trọng, vì nếu lực tác động theo phương bất kỳ và có xu hướng kéo ra ngoài, sẽ gây ra chuyển động cho chất lỏng, điều này trái ngược với điều kiện cân bằng tĩnh của nó.

− 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)

Áp kế đơn giản nhất là một ống chữ U chứa chất lỏng, với mức chất lỏng ở giữa ống đạt khoảng nửa chiều cao Hai đầu ống đều hở và chiều cao chất lỏng ở mỗi bên ống bằng nhau.

Khi áp suất dương được cung cấp vào một bên ống, chất lỏng sẽ giảm xuống ở bên đó và tăng lên ở ống bên kia Sự chênh lệch độ cao h là tổng thông số giữa hai bên ống.

0, cho thấy mức áp suất

Chân không được cấp vào một bên ống, dẫn đến việc chất lỏng tăng lên ở 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.

❖ 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 một bình kín chứa nước, điểm C có áp suất bề mặt Po lớn hơn áp suất bên ngoài Pa Ống kín có đầu mức h’ tương ứng với áp suất tuyệt đối trong bình là Po’ bằng 0.

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 là chuyển động xoáy và chuyển động dòng (chuyển động thành lớp), tùy thuộc vào tốc độ chảy Reynolds đã thực hiện thí nghiệm để chứng minh sự tồn tại của hai dạng chảy này trong nghiên cứu chế độ chuyển động của dòng lưu chất.

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

Khi điều chỉnh van 1, vận tốc lưu chất trong ống thủy tinh thay đổi, dẫn đến hiện tượng dòng mực chuyển động như một sợi chỉ khi vận tốc nhỏ Khi tăng vận tốc, dòng mực bắt đầu gợn sóng và nếu tiếp tục tăng, dòng mực sẽ hòa trộn hoàn toàn trong nước Reynolds giải thích rằng ở vận tốc nhỏ, chất lỏng chuyển động theo từng lớp song song, tạo ra chế độ chảy tầng Khi vận tốc đạt đến một giới hạn, các lớp chất lỏng bắt đầu gợn sóng, dẫn đến chế độ chảy quá độ Cuối cùng, khi vận tốc tiếp tục tăng, các lớp chất lỏng chuyển động theo mọi phương, tạo ra chế độ chảy rối.

Trong dòng chảy, vận tốc đạt giá trị cực đại ở giữa ống, và giảm dần khi tiến gần đến thành ống, với giá trị bằng 0 tại điểm tiếp xúc Do đó, biểu đồ vận tốc có hình dạng parabol Khi thực hiện tính toán, chúng ta sử dụng vận tốc trung bình.

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, hiện tượng rối loạn xuất hiện, dẫn đến sự hình thành các dòng xoáy Các phần tử trong dòng chảy di chuyển với tốc độ và hướng thay đổi, tạo thành một parabol tù Dọc theo thành ống, lớp biên có tốc độ giảm dần, và tốc độ trở về 0 khi gần sát thành ống.

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 của nước đã dẫn đến việc xác định một số vô thứ nguyên đặc trưng cho chế độ chuyển động của lưu chất, được gọi là số Reynolds Số Reynolds được tính theo công thức:

 – 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 ốn định là dòng mà các thông số như vận tốc, gia tốc, áp suất và độ sâu không thay đổi theo thời gian, mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm được xem xét.

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 29 h

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

Khi chất lỏng trong bình chứa được tháo ra mà mực chất lỏng không thay đổi, độ sâu, áp suất thủy động và vận tốc chảy chỉ phụ thuộc vào vị trí đang xem xét, không phụ thuộc vào thời gian, tạo ra dòng chảy ổn định.

Khi chất lỏng được tháo ra và mực chất lỏng trong bình thay đổi, độ sâu, áp suất thủy động và vận tốc chảy cũng sẽ thay đổi, 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

P ρg là đặc trưng chiều cao áp suất thủy tĩnh, hay còn gọi là thế năng riêng áp suất Trong khi đó, m ω²/2g thể hiện thế năng riêng vận tốc, phản ánh động năng của chất lỏng.

Năng lượng riêng toàn phần của chất lỏng lý tưởng trong chuyển động ổn định là một đại lượng không đổi, được xác định bằng tổng của thế năng riêng hình học, thế năng riêng áp suất và động năng.

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 quan trọng ảnh hưởng đến 𝜆 Độ nhám này được hình thành từ vật liệu, quy trình chế tạo, tác động ăn mòn và sự đóng cáu của chất lỏng, tạo ra bề mặt sần sùi Khi độ nhám tăng, mức độ xoáy của dòng chảy cũng sẽ gia tăng.

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:

Khu vực 1 có chiều dày màng lớn hơn độ nhám, dẫn đến việc màng hoàn toàn phủ kín gờ nhám Dòng chất lỏng sẽ trượt dọc theo màng, và hệ số ma sát chỉ phụ thuộc vào số Reynolds, không bị ảnh hưởng bởi độ nhám.

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:

Nếu hệ chỉ có một cấu tử (nguyên chất) và tồn tại đồng thời cả ba pha rắn, lỏng, hơi, thì theo quy tắc pha số bậc tự do, ta có thể xác định rằng C = 1 – 3 + 2 = 0 Điều này có nghĩa là hệ bậc 0 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 với hai pha lỏng và hơi bão hòa, có thể thay đổi áp suất hoặc nhiệt độ mà không làm phá hủy cân bằng của hệ Sự phụ thuộc giữa áp suất và nhiệt độ trong các hệ thống này cho thấy khi nhiệt độ thay đổi, áp suất cũng sẽ thay đổi tương ứng Do đó, mỗi chất lỏng đều có thể xác định được đường cong phụ thuộc giữa áp suất hơi bão hòa và nhiệt độ.

Hệ hai cấu tử là hệ thống gồm hai hoặc nhiều cấu tử, trong đó vị trí cân bằng phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và thành phần pha Đối với hệ hai cấu tử có hai pha, số bậc tự do được tính là C = 2 – 2 + 2 = 2, cho phép thay đổi đồng thời áp suất và nhiệt độ mà không làm thay đổi số pha Để đặc trưng cho hệ này, thường thừa nhận một yếu tố không đổi, trong khi yếu tố còn lại phụ thuộc vào thành phần pha Cụ thể, khi áp suất không đổi, một thành phần pha sẽ tương ứng với một nhiệt độ nhất định, và ngược lại Theo định luật Henry, áp suất riêng phần p của khí trên chất lỏng tỷ lệ với nồng độ phần mol x của nó trong dung dịch, được biểu diễn bằng công thức: \$p_i = \Psi x_i\$.

Trong phương trình (3.5), hệ số Henry (Ψ) có đơn vị đo là áp suất và giá trị của nó phụ thuộc vào các đặc tính của khí, lỏng và nhiệt độ.

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

Khi nhiệt độ tăng, hệ số Henry cũng tăng theo Đối với khí lý tưởng, mối quan hệ này được thể hiện bằng một đường thẳng, trong khi đối với khí thực, hệ số Henry phụ thuộc vào nồng độ và thường được biểu diễn bằng một đường cong Tuy nhiên, khi nồng độ x nhỏ, đường biểu diễn của phương trình (6.1) sẽ là một đường thẳng.

Áp suất riêng phần của khí có thể được xác định bằng phương trình: \$ p_i = y_i P \$, trong đó \$ y_i \$ là nồng độ cân bằng của cấu tử i trong hỗn hợp khí và \$ P \$ là áp suất chung của hỗn hợp.

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

Trong đó, hằng số cân bằng được ký hiệu là m = Ψ / P, không có thứ nguyên Định luật Henry áp dụng cho chất khí và thường được sử dụng trong tính toán quá trình hấp thụ Theo định luật Raoult, áp suất riêng phần của cấu tử i trong dung dịch bằng áp suất hơi bão hòa của cấu tử đó (tại cùng nhiệt độ) nhân với 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 các hỗn hợp chất lỏng và khí đã hoá lỏng thành các thành phần riêng biệt, dựa vào sự khác biệt về độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp.

Khi tiến hành chưng, chúng ta thu được nhiều sản phẩm, với số lượng sản phẩm tương ứng với số cấu tử có mặt Trong trường hợp có hai cấu tử, quá trình chưng trong một bình sẽ tạo ra sản phẩm đỉnh, bao gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần của cấu tử khó bay hơi.

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 mà lực liên kết giữa các phân tử cùng loại và khác loại là bằng nhau Sự cân bằng giữa trạng thái lỏng và hơi của dung dịch này tuân theo định luật Raoult, được biểu diễn bằng công thức \$p = x p^*\$, và định luật Dalton.

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 cất một bậc không đạt hiệu quả phân tách cao, do đó để thu được sản phẩm tinh khiết, cần thực hiện chưng cất nhiều lần theo sơ đồ mô tả.

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

Sơ đồ chưng nhiều lần yêu cầu cung cấp nhiệt cho bộ phận đun sôi và tỏa nhiệt tại thiết bị ngưng tụ, dẫn đến lãng phí năng lượng.

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

Chất lỏng từ bình trên chảy xuống bình dưới, trong khi hơi từ bình dưới được sục vào bình trên Quá trình ngưng tụ của hơi này giải phóng nhiệt, làm đun sôi chất lỏng và khiến một phần chất lỏng trong bình trên bay hơi.

Để duy trì quá trình truyền chất trong các bình tiếp liệu, cần chọn một phần dịch ngưng từ thiết bị ngưng tụ trở về bình trên cùng, được gọi là lượng lỏng hồi lưu.

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

Sơ đồ này vẫn còn phức tạp và cồng kềnh Trong sản xuất, tháp được sử dụng gọi là tháp chưng luyện Quá trình chưng luyện diễn ra nhiều lần với hồi lưu Nguyên lý hoạt động của tháp được mô tả qua sơ đồ sau.

Nồng độ các cấu tử trong tháp thay đổi theo chiều cao, với nhiệt độ sôi cũng biến đổi tương ứng Hơi từ dưới lên và lỏng từ trên xuống, tạo ra sự tương tác giữa các thành phần trong quá trình chưng cất.

Trên đĩa 1, chất lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay hơi x1, trong khi hơi bốc lên từ đĩa này có nồng độ y1 (với y1 > x1) Hơi này di chuyển lên đĩa 2, nơi có nhiệt độ thấp hơn, dẫn đến một phần hơi bị ngưng tụ, làm cho nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa 2 là x2 (với x2 > x1) Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ y2 (với y2 > x2) tiếp tục lên đĩa 3, nơi nhiệt độ lại thấp hơn, khiến một phần hơi tiếp tục ngưng tụ.

Trên mỗi đĩa, quá trình truyền chất giữa pha lỏng và pha hơi diễn ra liên tục Một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng sang pha hơi, trong khi một phần nhỏ hơn chuyển từ pha hơi về pha lỏng Quá trình ngưng tụ và bốc hơi lặp lại nhiều lần, dẫn đến sự phân tách hiệu quả tại đỉnh tháp.

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 một quá trình thực hiện liên tục, theo hướng nghịch dòng và chia thành nhiều đoạn Phương pháp này cho phép thu hồi hai sản phẩm với độ tinh khiết mong muốn, ngay cả khi nồng độ cấu tử không có điểm đẳng phí.

Hình 3 6 Hệ thống tháp chưng cất

Hệ thống chưng cất liên tục được mô tả trong hình 3.6, với liệu được đưa vào tháp tại vị trí thích hợp Phần trên của tháp gọi là phần cất, trong khi phần dưới là phần chưng Pha lỏng di chuyển từ trên xuống trong phần cất nhờ dòng hoàn lưu từ đỉnh tháp, nơi pha hơi ngưng tụ lại chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi Khi pha lỏng di chuyển xuống dưới, nồng độ cấu tử dễ bay hơi giảm do bị cuốn bởi pha hơi từ nồi đun Nhiệt độ trong tháp luôn duy trì ở mức sôi và ngưng tụ, với nhiệt độ cao nhất ở đáy và thấp nhất ở đỉnh Độ tinh khiết của sản phẩm ở đỉnh và đáy phụ thuộc vào tỉ số lỏng/khí và số đĩa lý thuyết của tháp.

• Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất trong hoạt động của tháp chưng cất, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và hiệu suất của sản phẩm thu được từ quá trình này Sự thay đổi trong chế độ nhiệt độ có thể dẫn đến sự biến đổi trong các sản phẩm chưng cất.

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 mà chất lỏng hút khí, trong đó khí được gọi là chất bị hấp thụ, còn chất lỏng được gọi là chất hấp thụ Khí không bị hấp thụ được gọi là khí trơ Phương pháp hút diễn ra khi một chất tiếp nhận vào một chất khác qua bề mặt phân chia giữa chúng.

Quá trình hấp thụ được dùng để:

− Thu hồi các cấu tử quý

− Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt

Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba, cần phải thực hiện quá trình nhả sau khi hấp thụ để tách cấu tử ra khỏi dung môi Đối với các trường hợp khác, quá trình nhả không cần thiết trừ khi dung môi quý được sử dụng lại.

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

Hoà tan chọn lọc là quá trình mà một chất chỉ hoà tan với một số cấu tử nhất định, trong khi các cấu tử khác không có khả năng hoà tan hoặc chỉ hoà tan rất ít.

− 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 đã bị hấp thụ hoặc tái sử dụng dung môi, và nó là quá trình ngược lại của hấp thụ Để tách khí đã hấp thụ ra khỏi hỗn hợp lỏng, người ta thường sử dụng hơi nước Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ là lượng dung môi sử dụng.

Xét phương trình đường nồng độ làm việc:

Dựa vào đồ thị, đường BA4 cho thấy tỷ lệ Gx/Gy nhỏ nhất, tương ứng với lượng dung môi tối thiểu Ngược lại, đường AB có tỷ lệ Gx/Gy lớn nhất, dẫn đến lượng dung môi lớn hơn.

Khi lựa chọn lượng dung môi, cần cân nhắc giữa việc thu được nồng độ Xc lớn với thiết bị lớn và việc sử dụng dung môi nhiều hơn để có thiết bị nhỏ nhưng nồng độ dung dịch lại quá loãng Do đó, điều kiện làm việc phải dựa vào các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, đồng thời cũng cần xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất.

Khi nhiệt độ tăng lên, chẳng hạn như đến t3, quá trình không thể diễn ra do đường cân bằng và đường làm việc cắt nhau, dẫn đến không thể đạt được nồng độ cuối Xc Đây là tác động tiêu cực của việc tăng nhiệt độ.

Khi áp suất tăng, nhiệt độ cũng tăng theo, điều này ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình hấp thụ Hơn nữa, việc tăng áp suất còn gây khó khăn về thiết bị, do đó, quá trình hấp thụ chỉ được thực hiện ở áp suất cao đối với các khí khó hòa tan, chẳng hạn như hấp thụ khí CO2 bằng nước ở áp suất 17 at.

Nhiệt độ và áp suất có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp thụ, với nhiệt độ tăng dần từ t1 đến t3 và áp suất giảm dần từ P1 đến P3 Bên cạnh đó, việc phân loại chất hấp thụ, hay dung môi, cũng là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này.

Chất hấp thụ có nhiều loại khác nhau, được lựa chọn dựa trên công thức và chất cần hấp thụ, cùng với dung môi phù hợp Việc phân loại chất hấp thụ dựa vào bản chất, chức năng và lĩnh vực ứng dụng của chúng.

− Phân loại dung môi dựa vào bản chất:

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

Trong ngành công nghiệp, các chất hấp thụ chủ yếu được sử dụng bao gồm Diamix Aqua, than hoạt tính, đất sét, silicagel, keo nhôm, cùng với một số chất tổng hợp và chất thải từ quá trình sản xuất như xi mạ sắt.

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, chỉ phù hợp cho chất khí dễ hòa tan trong chất lỏng Chúng thường được lắp nối tiếp thành từng dãy Trong trường hợp 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.

Trong quá trình hấp thụ, nếu cần làm nguội, có thể tưới nước lên bề mặt thiết bị hoặc nhúng thiết bị vào bể nước lạnh.

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 trên bề mặt Chất khí tiếp xúc với màng lỏng và được hấp thụ vào dung môi qua màng Nhiệt tỏa ra trong quá trình hấp thụ có thể được thu hồi.

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

Thiết bị này có cấu trúc tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, trong đó chất lỏng chảy theo chiều từ trên xuống qua thành trong ống, trong khi chất khí di chuyển từ dưới lên và tiếp xúc với màng chất.

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 mà các chất được hút lên bề mặt của vật liệu, trong đó vật liệu hút được gọi là chất hấp phụ (adsorbent) và chất bị hút được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbate).

Trong quá trình hấp phụ ở pha khí, hiện tượng này tương tự như hấp thụ, nhưng khác biệt ở chỗ hấp thụ là quá trình hút và hòa tan vào chất lỏng, trong khi hấp phụ chỉ diễn ra trên bề mặt Hấp phụ có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghệ hóa chất, thực phẩm và các lĩnh vực nghiên cứu khác, từ việc tách các chất khí có hàm lượng thấp, tẩy màu, tẩy mùi dung dịch, đến việc loại bỏ các chất độc hại trong nước và khí thải Ngoài ra, chất hấp phụ còn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất 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 bão hòa dần không gian hấp phụ của hạt, dẫn đến việc giảm độ tự do của các phân tử và kèm theo sự tỏa nhiệt Hấp phụ có thể được phân loại thành nhiều hình thức khác nhau.

Trường lực hút mạnh nhất gần bề mặt tạo ra các lực hóa trị, dẫn đến sự hình thành các hợp chất bền vững Điều này khiến cho việc tách rời hoặc phân hủy các phân tử thành nguyên tử hoặc gốc trở nên khó khăn.

Hấp phụ hóa học có đặc điểm nổi bật với lực liên kết giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ mạnh hơn nhiều so với hấp phụ vật lý.

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 ở lớp đơn phân tử do liên kết hóa học không thể tác động ở khoảng cách xa hơn đường kính của phân tử Trong quá trình này, các phân tử được gắn kết chặt chẽ với bề mặt của chất 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, có thể xảy ra hiện tượng hấp phụ đơn lớp, trong đó chỉ có một lớp phân tử chất bị hấp phụ trên bề mặt chất rắn Các lớp phân tử này tương tác với nhau tương tự như trong chất lỏng.

Trong nhiều trường hợp, cả hai quá trình hấp phụ vật lý và hóa học đều tồn tại trong cùng một hệ nhưng ở hai vùng nhiệt độ khác nhau Ở vùng nhiệt độ thấp, quá trình hấp phụ vật lý diễn ra, nhưng khi nhiệt độ tăng, khả năng hấp phụ vật lý giảm và hấp phụ hóa học gia tăng Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng, lượng hấp phụ hóa học sẽ đạt cực đại và sau đó giảm dần Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ cũng cần được xem xét.

Hoạt độ hấp phụ, hay hoạt độ tĩnh, là lượng chất tối đa mà một đơn vị chất hấp phụ có thể hút ở trạng thái cân bằng, được đo bằng các đơn vị như g/g, kg/kg, mol/g, v.v.

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 được chia thành hai loại chính: bề mặt có cực và bề mặt không có cực Chất hấp phụ có cực, như silicagel, có khả năng hấp phụ cao đối với các chất có cực như nước, trong khi chất hấp phụ không có cực, như than hoạt tính, hiệu quả hơn với các chất hữu cơ Ngoài ra, pH của môi trường có ảnh hưởng lớn đến tính chất của bề mặt và chất bị hấp phụ trong dung dịch, từ đó tác động đến hoạt độ hấp phụ.

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 cấu trúc hình trụ với đường kính từ 2-3 m và chiều cao 2,2 m, bên trong chứa lớp than dày từ 0,5-2 m Lớp than này được đặt trên một giá bằng gang đúc, có các rãnh chữ nhật rộng 10 cm.

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

Hỗn hợp khí được đưa vào lớp hấp phụ qua cửa 3 Sau khi hoàn thành giai đoạn hấp phụ, quá trình nhả diễn ra bằng cách phun nước qua ống 8, cho phép hỗn hợp hơi được nhả ra qua cửa.

Hệ thống ngưng tụ và phân riêng hoạt động bằng cách nhả khí nóng và sau đó là khí nguội từ cửa 3 để sấy khô và làm nguội chất hấp phụ Khí thải được xả ra ở cửa 11 Thiết bị này có thiết kế đơn giản và rất hiệu quả cho các trường hợp có năng suất nhỏ.

Thiết bị hình xuyến hấp phụ khí có kích thước 3m đường kính và 7m chiều cao, cho phép các hỗn hợp khí nguyên liệu, sấy khô, làm nguội và hơi nước đi vào qua cửa 2, xuyên qua lớp hấp phụ Khí thải được xả ra ở cửa 4, trong khi hơi nhả hấp phụ thoát ra từ cửa 3 Mặc dù loại thiết bị này có trở lực nhỏ, nhưng kích thước lớn và cấu trúc phức tạp khiến nó trở nên 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 thành các tinh thể, là những vật rắn đồng nhất với hình dạng đa dạng và được giới hạn bởi các mặt phẳng Tinh thể có thể chứa phân tử nước, được gọi là tinh thể ngậm nước (tinh thể hydrat), và số lượng phân tử nước này phụ thuộc vào điều kiện thực hiện quá trình kết tinh Để tiến hành kết tinh, cần thay đổi nhiệt độ hoặc tách một phần dung môi, có thể thực hiện trong dung dịch nước hoặc dung dịch các chất hữu cơ như rượu, este, và hydrocacbon.

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

Vận tốc của quá trình kết tinh chịu ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố, bao gồm mức độ bão hòa của dung dịch, nhiệt độ, sự hình thành mầm tinh thể, cường độ khuấy trộn dung dịch và sự hiện diện của tạp chất.

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

Mầm tinh thể, hay còn gọi là tâm kết tinh, hình thành tự nhiên khi dung dịch ở trạng thái quá bão hòa do làm lạnh hoặc bốc hơi một phần dung môi Theo quan điểm hiện đại, mầm tinh thể được tạo ra từ sự liên kết của các ion (phân tử) khi chúng va chạm với nhau trong dung dịch Khi mầm tinh thể đạt trạng thái cân bằng với dung dịch, quá trình kết tinh sẽ ngừng lại.

Vận tốc tạo mầm tinh thể phụ thuộc vào tính chất của chất hòa tan và dung môi, mức độ bão hòa của dung dịch, nhiệt độ, phương pháp khuấy trộn và sự hiện diện của tạp chất Thời gian tạo mầm có thể kéo dài từ vài giây đến vài tháng Để dễ dàng hơn trong quá trình này, người ta thường thêm chất “trợ mầm”, như một ít tinh thể của chất hòa tan hoặc tinh thể khác có cấu trúc tương tự Để tăng cường quá trình tạo mầm, có thể điều chỉnh nhiệt độ, tăng cường khuấy trộn hoặc áp dụng các tác động cơ học như rung, lắc, va đập.

Tinh thể phát triển kích thước và đạt giá trị tới hạn của mầm, với bề mặt lớn giúp chúng hấp thụ các chất hòa tan trong dung dịch Sự lớn lên của tinh thể diễn ra đồng thời trên tất cả các mặt, tuy nhiên, vận tốc lớn lên của các mặt tinh thể có thể khác nhau.

Chiều dày lớp chuyển động gần bề mặt tinh thể phụ thuộc vào cường độ khuấy dung dịch Khi dung dịch không được khuấy trộn, bề dày lớp biên 𝛿 dao động từ 20 đến 150μm Ngược lại, khi khuấy trộn mạnh, 𝛿 sẽ giảm xuống gần bằng 0.

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 sản phẩm đồng đều với kích thước tinh thể lớn Để đạt được sự bão hòa trong dung dịch, cần phải làm lạnh, có thể sử dụng nước lạnh hoặc nước muối để thực hiện quá trình này.

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

Kết tinh liên tục diễn ra trong nhiều thiết bị được kết nối, cho phép dung dịch di chuyển từ thiết bị này sang thiết bị khác, và sản phẩm được thu hồi một cách liên tục.

Kết tinh gián đoạn là quá trình cho dung dịch vào đầy thiết bị, sau khi kết tinh hoàn tất, nước cái và tinh thể sẽ được tách ra, và tinh thể sẽ được lấy ra ngoài.

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, kết hợp với cánh khuấy để trộn dung dịch, hoạt động theo phương thức gián đoạn Để tối ưu hóa thời gian lưu, có thể sắp xếp các thiết bị nối tiếp thành dãy.

Thiết bị hình máng được thiết kế với máng nghiêng theo trục, cho phép dung dịch được đưa vào đầu cao và làm lạnh nhờ vào sự mất nhiệt ra môi trường và bay hơi một phần dung môi Dung dịch chuyển động chậm, tạo điều kiện cho các mầm tinh thể hình thành và phát triển từ 3-5mm đến 10-15mm Tinh thể và dịch nước cái được thu hồi ở đầu thấp hơn của máng, có kích thước khoảng 15m chiều dài và 1,5m chiều rộng Để cải thiện quá trình khuấy trộn dung dịch và giữ cho tinh thể ở trạng thái lơ lửng, có thể sử dụng máng có vít tải.

Trong phương pháp kết tinh chân không, dung môi được bay hơi nhờ nhiệt vật lý của dung dịch, với hơi được dẫn ra qua bơm chân không Nhiệt độ của dung dịch ở trạng thái bão hòa giảm xuống mức sôi tương ứng với áp suất chân không trong thiết bị, dẫn đến việc dung dịch đạt trạng thái bão hòa và kết tinh.

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

Kết tinh diễn ra đồng thời với quá trình bay hơi nhờ hút chân không và làm lạnh, giúp tăng cường hiệu quả và diễn ra đồng đều trong toàn bộ thể tích dung dịch Điều này làm giảm sự dính của các tinh thể vào bề mặt thiết bị, từ đó rút ngắn thời gian rửa thiết bị.

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, cho phép sử dụng các vật liệu bền với ăn mòn hóa học và có hệ số dẫn nhiệt thấp, như gốm, sứ và gang chịu axit.

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 bằng cách phơi tự nhiên dưới năng lượng Mặt trời hoặc gió Mặc dù phương pháp này tiết kiệm năng lượng, nhưng không cho phép điều chỉnh tốc độ sấy theo yêu cầu kỹ thuật và có năng suất thấp Do đó, trong ngành công nghiệp, sấy nhân tạo thường được áp dụng, sử dụng nguồn năng lượng do con người tạo ra.

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)

Sấy tiếp xúc là phương pháp sấy mà trong đó tác nhân sấy không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, mà truyền nhiệt cho vật liệu thông qua một vách ngăn.

− 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 là phương pháp sử dụng năng lượng điện trường tần số cao để đốt nóng toàn bộ chiều dày của vật liệu Khi vật liệu được đặt giữa hai bản điện cực nối với dòng điện cao tần, nó sẽ được làm nóng đồng đều Tuy nhiên, phương pháp này tiêu tốn năng lượng lớn (2÷5 kW.h/kg ẩm), dẫn đến chi phí cao hơn từ 3 đến 4 lần so với sấy đối lưu, và thiết bị phức tạp do cần máy tạo dòng cao tần, nên ít được sử dụng trong thực tế.

Sấy thăng hoa, hay còn gọi là sấy lạnh đông, là phương pháp tách ẩm từ vật liệu ở trạng thái rắn (băng, nước đá) thành hơi mà không qua trạng thái lỏng, diễn ra trong môi trường chân không cao (áp suất từ 0,1 đến 1,0 mmHg) và nhiệt độ rất thấp (có thể xuống tới -15 °C) Phương pháp này mang lại sản phẩm chất lượng cao, bảo toàn albumin, ngăn chặn quá trình vi sinh, giữ nguyên vitamin và thể tích ban đầu của vật liệu, đồng thời làm cho sản phẩm trở nên xốp hơn, dễ hấp thụ nước để trở lại dạng ban đầu Sấy thăng hoa thường được ứng dụng trong việc sấy thực phẩm như sữa, rau và quả, mặc dù chi phí cao, thiết bị phức tạp và yêu cầu vốn đầu tư lớn.

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối phức tạp, bao gồm sự tham gia của pha rắn, với cả quá trình khuếch tán bên trong và bên ngoài vật liệu rắn cùng với quá trình truyền nhiệt Vận tốc của toàn bộ quá trình sấy được xác định bởi giai đoạn chậm nhất trong chuỗi các giai đoạn này.

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, hay còn gọi là vật liệu ẩm, là những chất chứa một lượng lớn chất lỏng, chủ yếu là nước Vật ẩm thường bao gồm ba pha: rắn, lỏng và hơi.

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 trong vật liệu bay hơi, dẫn đến việc giảm độ ẩm của nó Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ Các loại liên kết ẩm trong vật liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Các vật rắn thường được sấy là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn Trong quá trình sấy, vật liệu ẩm sẽ bị ảnh hưởng bởi các dạng liên kết ẩm có trong vật.

Liên kết hóa học là một loại liên kết bền vững, trong đó các phân tử nước trở thành một phần của cấu trúc hóa học của vật ẩm Để tách loại ẩm này ra, cần phải thực hiện phản ứng hóa học và thường yêu cầu nung nóng vật đến nhiệt độ cao.

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

Liên kết hấp thụ là hiện tượng phổ biến trong các vật liệu keo có cấu trúc dạng hạt, với bề mặt bên trong rộng lớn và năng lượng bề mặt tự do cao Khi tiếp xúc với không khí ẩm hoặc nước, độ ẩm sẽ thẩm thấu qua các bề mặt tự do, hình thành liên kết hấp thụ giữa nước và bề mặt vật liệu.

Liên kết thẩm thấu là sự tương tác hóa lý giữa nước và vật rắn, xảy ra khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hòa tan bên trong và bên ngoài tế bào, dẫn đến sự chênh lệch áp suất hơi nước Quá trình này không sinh nhiệt và không gây biến dạng cho vật.

Liên kết cơ lý là loại liên kết giữa nước và vật liệu, được hình thành nhờ sức căng bề mặt của nước trong các mao dẫn hoặc trên bề mặt ngoài của vật.

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

Liên kết cấu trúc là mối liên hệ giữa nước và vật liệu trong quá trình hình thành vật Chẳng hạn, nước trong các tế bào động vật có thể bị đông đặc khi chứa nước Để tách nước trong trường hợp này, có thể thực hiện các phương pháp như làm nước bay hơi, nén ép vật hoặc phá vỡ cấu trúc vật Sau khi tách nước, vật sẽ bị biến dạng đáng kể, dẫn đến sự thay đổi tính chất và thậm chí cả trạng thái pha của cơ thể.

Liên kết mao dẫn xảy ra khi các vật thể có cấu trúc mao quản như gỗ và vải được ngâm trong nước, dẫn đến việc nước thẩm thấu qua các mao quản và xâm nhập vào bên trong vật thể.

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 - Trình độ: Cao đẳng)
Tác giả	Ths. Phạm Thị Nụ, Nguyễn Hữu Thanh, Trần Thu Hằng, 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	2020
Thành phố	Bà Rịa - Vũng Tàu

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	1,71 MB