chương trình đào tạo trình độ đại học bài giảng môn học truyền khối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH LẠC HỒNG Độc lập – Tự do – Hạnh phúc CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC BÀI GIẢNG MÔN HỌC: TRUYỀN KHỐI CHƯƠNG 1:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH LẠC HỒNG Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO TRÌNH ĐỘ ĐẠI HỌC

BÀI GIẢNG MÔN HỌC: TRUYỀN KHỐI CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

MỤC ĐÍCH:

Nội dung bài giảng này giúp sinh viên nắm được các khái niệm ban đầu về bản chất của các quá trình truyền khối, phân loại được các quá trình, tạo nền tảng khái niệm cho những nội dung trong quá trình học tiếp theo

SỐ TIẾT: 8

BẢNG PHÂN CHIA THỜI LƯỢNG

1 Khái niệm và phân loại các quá trình truyền khối 0.5

5 Cân bằng vật chất và phương trình truyền khối 1

6 Phương pháp tính thiết bị truyền khối 0.75

Bài tập và thảo luận sẽ được phân phối vào từng mục nhỏ của chương

TRỌNG TÂM BÀI GIẢNG

- Tập trung khái quát hóa các khái niệm cơ bản của môn học truyền khối

- Nắm bắt các ký hiệu, nguyên tắc chung

NỘI DUNG

1 Khái niệm và phân loại các quá trình truyền khối ([1] trang 5, [5] trang 9)

Quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau gọi là quá trình truyền khối hay là quá trình khuếch tán, quá trình này đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa học, thực phẩm và các ngành công nghiệp khác

2 Biểu diễn thành phần pha: ([1] trang 6, [5] trang 14)

i

L x L

i

G y G

=

−

i i

i

G Y

=

−

i i

i

G Y

x M x

−++

Và tỉ số mol của ethanol sẽ là

0,144

0,168

e e

e

x X

x

VD1.2 Xác định phần khối lượng và tỉ số khối lượng của hỗn hợp benzen – toluen, biết tỉ

lệ mol benzen trong hỗn hợp là 0,4

Giải: Theo đầu bài ta có X b =0, 4, áp dụng công thức 0, 4

1

b b

b

x X

b

X x

b

x M x

b b

b

x X

x

−

−

3 Cân bằng pha: ([1] trang 10, [5] trang 71)

3.1 Khái niệm về cân bằng pha:

Một hệ đạt trạng thái cân bằng pha thì thỏa mãn những nguyên tắc sau:

- Tại mỗi điều kiện nhiệt độ và áp suất xác định, tồn tại một mối quan hệ cân bằng giữa nồng độ của dung chất trong hai pha và được biểu diễn bằng đường cân bằng

- Khi hệ đạt trạng thái cân bằng thì không có khuếch tán tổng cộng giữa hai pha

- Khi hệ chưa đạt cân bằng, quá trình khuếch tán của dung chất giữa hai pha sẽ diễn ra như thế nào để đưa hệ đến điều kiện cân bằng

3.2 Quy tắc pha Gibbs:

Bậc tự do C của một hệ là số thông số nhiệt động độc lập đủ để xác định hệ ở trạng thái cân

bằng Để tìm được bậc tự do, ta sử dụng quy tắc pha Gibbs, công thức như sau:

C = k - f + n

Trong đó: f : số pha trong hệ

k : số cấu tử độc lập của hệ

n : số yếu tố bên ngoài ảnh hưởng lên cân bằng của hệ

3.3 Các định luật về cân bằng pha:

3.3.1 Định luật Henry:

Đối với dung dịch lý tưởng áp suất riêng phần p của khí trên chất lỏng tỷ lệ với phần mol x của nó trong dung dịch

p i = H.x i

Suy ra: H x i = y P i* hay y*i P.x i mx i

P : áp suất hơi bão hòa của cấu tử i ở cùng nhiệt độ

x i : phần mol x của cấu tử i trong dung dịch

4 Quá trình khuếch tán: ([1] trang 15, [5] trang 15)

4.1 Định nghĩa:

Khi hai pha chuyển động tiếp xúc với nhau do sự cản trở của pha này đối với pha kia, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha tạo thành hai lớp màng Trong màng là chuyển động dòng vì thế gọi là khuếch tán phân tử còn nhân chuyển động xóay và gọi là khuếch tán đối lưu Khuếch tán trong màng rất chậm so với trong nhân nên nó quyết định đến quá trình khuếch tán

4.2 Động lực quá trình:

Quá trình truyền khối giữa các pha xảy ra một cách tự nhiên khi nồng độ làm việc và nồng

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

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn quá trình truyền khối

Hiệu số giữa nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng gọi là động lực khuếch tán hay động lực truyền khối, có thể biểu diễn bằng đồ thị (Hình 1.1)

Nếu tính theo pha Φy ta có động lực: ∆y=y cb−y hay là ∆y=y−y cb

Nếu tính theo pha Φx ta có động lực: ∆x=x cb−x hay là ∆x=x−x cb

4.3 Khuếch tán phân tử ([1] trang 16, [5] trang 16)

F : diện tích bề mặt, vuông góc với hướng khuếch tán

τ: thời gian khuếch tán

G : lượng vật chất khuếch tán

D : hệ số khuếch tán 4.3.2 Công thức tính hệ số khuếch tán

4.3.2.1 Khuếch tán trong pha khí

Hệ số khuếch tán giữa hai khí A và B ở nhiệt độ T và áp suất P được xác định theo

T : nhiệt độ tuyệt đối, K

P : áp suất tuyệt đối, atm

M A , M B : khối lượng mol của khí A và khí B, g/mol

V A , V B : thể tích mol của khí A và khí B

4.3.2.2 Khuếch tán trong pha lỏng

Hệ số khuếch tán giữa lỏng A và lỏng B ở nhiệt độ T và áp suất P được xác định theo

V A , V B : thể tích mol của khí A và khí B

µ : độ nhớt của pha lỏng, mPa.s

A, B : hệ số phụ thuộc theo tính chất của chất tan và dung môi

VD1.3 Tính hệ số khuếch tán của khí A vào khí B ở 20 0 C, áp suất tuyệt đối 2 atm Biết khối lượng mol của A và B lần lượt là 16 và 18; thể tích mol của A và B lần lượt là 24,2 và 14,8

Giải: Áp dụng công thức tính hệ số khuếch tán giữa hai pha khí

VD1.4 Tính hệ số khuếch tán của khí sulfur hidrogen trong nước ở 20 0 C Cho biết

Với sulfur hidro Với nước

Giải: Khí sulfur hidrogen khuếch tán trong nước là quá trình khuếch tán pha khí vào pha

lỏng nên hệ số khuếch tán của quá trình này được tính theo công thức:

4.4 Khuếch tán đối lưu ([1] trang 20, [5] trang 39)

Trong dòng chảy rối các dòng xoáy chuyển động sẽ truyền vận vật chất từ vị trí này đến vị trí khác như trong trường hợp truyền vận moment và nhiệt lượng, phương trình truyền khối có dạng sau:

N

dc v

dx

ε

= −Với ε là hệ số khuếch tán dòng xoáy

5 Cân bằng vật chất và phương trình truyền khối ([1] trang 23, [5] trang 83)

5.1 Cân bằng vật chất trong thiết bị truyền khối

Xét quá trình truyền khối nghịch dòng như hình 1.2

Hình 1.2 Quá trình truyền khối nghịch chiều

Gọi:

G 1 , G 2 : suất lượng mol tổng cộng của pha khí vào và ra khỏi thiết bị

L 1 , L 2 : suất lượng mol tổng cộng của pha lỏng ra và vào thiết bị

L tr , G tr : suất lượng mol của cấu tử không khuếch tán (trơ) trong pha lỏng và pha khí

x 1 , x 2 : phần mol của dung chất trong pha lỏng ra và vào thiết bị

y 1 , y 2 : phần mol của dung chất trong pha khí vào và ra khỏi thiết bị

X 1 , X 2 : tỉ số mol của dung chất trong pha lỏng ra và vào thiết bị

Y 1 , Y 2 : tỉ số mol của dung chất trong pha khí vào và ra khỏi thiết bị

Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kì nào

đó với phần trên của thiết bị:

5.2 Hệ số truyền khối tổng quát: ([1] trang 27, [5] trang 42)

Gọi K y và K x lần lượt là hệ số truyền khối tổng quát biểu diễn của quá trình truyền khối giữa hai pha tính theo pha khí và pha lỏng Ta có

Ở đây ky , k x là hệ số truyền khối riêng trong pha khí và pha lỏng

VD1.5 Tính hệ số truyền khối tổng quát và so sánh trở lực pha khi hệ số truyền khối

trong mỗi pha lần lượt là k y = 8,7 kmol/m 2 h (∆∆∆y = 1) và k x = 0,2 kmol/m 2 h (∆∆∆x =1) Thành

phần cân bằng của pha lỏng và pha khí tuân theo định luật Henry như sau: p * = 1,6.10 4x

(mmHg) Biết thiết bị truyền khối hoạt động ở áp suất thường Dựa vào tỉ số trở lực hãy biện luận xem ta nên chọn thiết bịt ruyền khối loại nào cho hiệu quả

Giải: Trước tiên ta cần phải đổi phương trình ra dạng y* = mx

Do thiết bị làm việc ở áp suất thường và thành phần cân bằng của pha khí và pha lỏng tuân theo định luật Henry nên ta có

Ta tính được: K y = 9,2.10-3 kmol/m2.h(∆y = 1)

Đối với pha lỏng

Ta tính được: K x = 0,2 kmol/m2.h(∆x = 1)

Tỉ số trở lực khuếch tán giữa pha khí và pha lỏng tính theo pha khí là

1

0, 2 21,8.8,7

y x

VD1.6 Trong một thiết bị truyền khối, tỉ số trở lực truyền khối giữa pha khí và pha

lỏng tính theo pha lỏng là 2 Hệ số truyền khối tổng quát trong pha lỏng là K x = 1,62 kmol/h.m 2 (∆∆∆y =1) Hãy xác định hệ số truyền khối trong mỗi pha và hệ số truyền khối tổng

quát trong pha khí Biết phương trình cân bằng khí – lỏng có dạng y * = 1,22x

Giải:

Tỉ số trở lực của pha khí và pha lỏng tính theo pha lỏng là 2 nên ta có

1

2

y x

m k k

x y

Từ phương trình cân bằng khí – lỏng của hệ y * = 1,22x, ta suy ra m = 1,22

Hệ số truyền khối trong pha lỏng kx = 2,43 kmol/m2.h

Hệ số truyền khối trong pha khí ky = 4,86

5.3 Phương trình truyền khối và động lực trung bình: ([1] trang 26)

Vận tốc của quá trình nào cũng tỷ lệ thuận với động lực và tỉ lệ nghịch với trở lực Phương trình truyền khối có thể biểu diễn như sau:

G = k y τ.F.∆y tb = k x τ.F.∆x tb

Trong đó:

k y , k x : hệ số truyền khối tính theo nồng độ pha Φy và Φx

∆y tb , ∆x tb : động lực trung bình của quá trình

F : diện tích bề mặt tiếp xúc pha

τ : thời gian truyền khối

Khi đường cân bằng là đường thẳng thì động lực trung bình theo lôgarit theo pha Φy và Φx như sau:

2 1

2 1

ln

y y

y y

2 1

ln

x x

x x

∆y 1 , ∆y 2 , ∆x 1 , ∆x 2 là động lực cuối và đầu theo pha Φy và Φx

6 Phương pháp tính thiết bị truyền khối: ([1] trang 33, [5] trang 101)

6.1 Tính đường kính thiết bị

0785,

V

Trong đó:

V : lưu lượng pha Φy , m3/s

ω0 : vận tốc pha Φy đi qua toàn bộ tiết diện thiết bị, m/s

6.2 Tính chiều cao thiết bị

Muốn tính theo phương trình truyền khối trước hết phải xác định hệ số truyền khối k y , k x và động lực trung bình sau đó tính bề mặt tiếp xúc pha

tb

k

G F

G H

tb

y∆ σ

= , m

f x k

G H

f – tiết diện ngang của thiết bị, m2

- Theo số bậc thay đổi nồng độ:

Hình 1.3 Đồ thị mô tả số bậc thay đổi nồng độ

Trước hết phải xác định được đường cân bằng và đường làm việc Từ đó chúng ta xác định

số bậc lý thuyết trên đồ thị N lt (được biểu diễn trên đồ thị Hình 1.3) sau đó xác định số mâm thực

tế N tt

lt tt

N N

η

= η - hệ số hiệu chỉnh (hiệu suất ngăn) lấy từ 0,2 ÷ 0,9

Chiều cao thiết bị được xác định như sau:

- Đối với tháp mâm (đĩa): H =h N( tt −1),m

h – khoảng cách giữa hai ngăn, m

- Đối với tháp đệm (chêm): H =h N0 tt,m

h 0 – chiều cao tương đương một bậc thay đổi nồng độ

VD1.7 Thiết kế tháp mâm chóp để chưng cất với khoảng cách mâm là 300 mm Lưu lượng hơi qua tháp là 3200 m 3 /h và khối lượng riêng của pha hơi là 1,25 kg/m 3 (lấy ở điều kiện chuẩn), khối lượng riêng của pha lỏng là 430 kg/m 3 Xác định đường kính của tháp nếu

áp suất tuyệt đối trong tháp là 1,2 at, nhiệt độ trung bình 40 0 C

o o H

430

1,31

L H

ρ

Ở đây C = 0,0315 được ta từ giản đồ H.2.2 trang 42 tài liệu [2]

Lưu lượng hơi đi qua tháp ở điều kiện làm việc

v

Để dễ dàng trong thiết kế, ta chọn quy chuẩn đường kính là D = 1,4 m

CHƯƠNG 2: HẤP THỤ MỤC ĐÍCH:

Nội dung bài giảng này giúp sinh viên nắm được các khái niệm, kiến thức cơ bản về quá trình hấp thụ, phân loại và ứng dụng cũng như xác định các thông số cơ bản của quá trình và tính

toán thiết kế thiết bị hấp thụ

SỐ TIẾT: 7

BẢNG PHÂN CHIA THỜI LƯỢNG

3 Độ hòa tan cân bằng của chất khí trong chất lỏng 0.5

4 Cân bằng vật chất quá trình hấp thụ 0.5

5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ 0.5

6 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước thiết bị 0.25

Bài tập và thảo luận sẽ được phân phối vào từng mục nhỏ của chương

TRỌNG TÂM BÀI GIẢNG

- Nguyên lý của quá trình hấp thụ

- Quy trình, thiết bị hấp thụ

NỘI DUNG

1 Định nghĩa: ([1] trang 152, [5] trang 136)

Hấp thụ là quá trình hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử trong hỗn hợp khí vào trong chất lỏng, các cấu tử khí được hòa tan gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng để hòa tan gọi là dung môi (hay chất hấp thụ), khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ

Quá trình hấp thụ đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó được ứng dụng để:

- Thu hồi các cấu tử quý

- Làm sạch khí

- Tách hỗn hợp khí thành các cấu tử riêng biệt

- Tạo thành một dung dịch sản phẩm mong muốn

2 Yêu cầu lựa chọn dung môi: ([5] trang 137)

Nếu mục đích của quá trình hấp thụ là tạo nên một dung dịch sản phẩm xác định thì dung môi đã được xác định bởi bản chất của sản phẩm

Nếu mục đích của quá trình hấp thụ là tách các cấu tử của hỗn hợp khí thì khi lựa chon dung môi ta chú trọng các tính chất sau:

- Có tính chất hòa tan chọn lọc: nghĩa là chỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách ra và không hòa

tan các cấu tử còn lại hoặc chỉ hòa tan không đáng kể Đây là tính chất chủ yếu của dung môi

- Độ bay hơi tương đối thấp nhằm tránh mất mát

- Tính ăn mòn của dung môi thấp để dễ dàng trong việc chế tạo thiết bị

- Chi phí thấp, dung môi dễ tìm, giá thành rẻ

- Độ nhớt dung môi bé: giúp tăng tốc độ hấp thụ, tránh ngập lụt, truyền nhiệt tốt

- Nhiệt dung riêng bé ít tốn nhiệt khi hoàn nguyên dung môi

- Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của chất hòa tan như vậy sẽ dễ tách cấu tử ra khỏi

dung môi

- Nhiệt độ đóng rắn thấp tránh được hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị

- Không tạo thành kết tủa, khi hòa tan tránh được tắc thiết bị, và thu hồi cấu tử đơn giản

hơn

- Không độc đối với người và môi trường

Trong thực tế, khi chọn ta phải dựa vào những điều kiện cụ thể của sản xuất Nhưng dù sao

đi nữa thì điều kiện thứ nhất cũng không thể thiếu được trong bất cứ trường hợp nào

3 Độ hòa tan cân bằng của chất khí trong chất lỏng ([1] trang 152, [5] trang 138)

Sự phụ thuộc đó có thể biểu thị bằng định luật Henry - Dalton như sau: y cb = mx

Khi tính toán hấp thụ, người ta thường dùng nồng độ phần mol tương đối trong trường hợp này ta có :

Y =

X m

mX

)1(

1+ −

4 Cân bằng vật chất quá trình hấp thụ ([1] trang 154, [5] trang 141)

Khi tính toán hấp thụ thường người ta cho biết lượng hỗn hợp khí nồng độ đầu và nồng độ cuối của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí và trong dung môi

Xét quá trình hấp thụ nghịch dòng như hình 2.1

Gọi:

G 1 , G 2 : suất lượng mol tổng cộng của pha khí vào và ra khỏi thiết bị

L 1 , L 2 : suất lượng mol tổng cộng của pha lỏng ra và vào thiết bị

L tr , G tr : suất lượng mol của cấu tử không khuếch tán (trơ) trong pha lỏng và pha khí

x 1 , x 2 : phần mol của dung chất trong pha lỏng ra và vào thiết bị

y 1 , y 2 : phần mol của dung chất trong pha khí vào và ra khỏi thiết bị

X 1 , X 2 : tỉ số mol của dung chất trong pha lỏng ra và vào thiết bị

Y 1 , Y 2 : tỉ số mol của dung chất trong pha khí vào và ra khỏi thiết bị

Hình 2.1 Quá trình truyền khối trong thiết bị hấp thụ

Lượng khí trơ được xác định theo công thức sau đây:

1 1

(1 )1

là 0,6 kg/kg acid, hàm lượng cuối là 1,4 kg/kg acid, không khí được làm khô ở điều kiện áp suất khí quyển

Giải: Tóm tắt đầu bài ta có:

Không khí vào tháp với suất lượng F = 500m3/h

Nồng độ ẩm (nước) trong không khí trước và sau khi ra khỏi thiết bị lần lượt là Y V =0,016 và

VD2.2 Một tháp dùng để hấp thụ hơi aceton từ không khí bằng dung môi là nước với suất lượng 3000 kg nước/h Nồng độ đầu của aceton trong không khí là 0,05 kg/kg không khí khô, nồng độ cuối mong muốn là 0,005 kg/kg không khí khô Hãy xác định năng suất thiết bị tính theo lượng khí chứa aceton ban đầu Biết nồng độ aceton trong nước lúc trước ra khỏi thiết bị là 0,03 kg/kg nước

Giải: Tóm tắt đầu bài ta có

Lượng nước vào tháp với suất lượng L = 500 kg/h

Nồng độ aceton trong nước trước và sau khi ra khỏi thiết bị hấp thụ lần lượt là X V =0 và

G=G +Y = 2000.(1 + 0,05) = 2100 kg/h Vậy năng suất thiết bị là 2100 kg không khí/h

VD2.3 Dòng khí thải chứa 0,06 kg NH 3 / kg không khí khô được cho qua thiết bị hấp thụ bằng nước để hấp thụ lượng NH 3 Năng suất nhập liệu của dòng khí 50m 3 /ph ở nhiệt độ

25 0 C, áp suất thường Lưu lượng nước cho vào thiết bị hấp thụ là 8 m 3 /ph Nồng độ NH 3 trong nước sau khi ra khỏi thiết bị là 0,015 kg/kg nước Hãy xác định xem thiết bị có đáp ứng được yêu cầu xử lý khí thải không nếu nồng độ NH 3 trong dòng khí được phép thải ra môi trường không được vượt quá 0,03 kg NH 3 /kg không khí khô

Giải: Tóm tắt đầu bài ta có

Đối với dung môi là nước:

Lượng nước vào tháp với suất lượng F 1 = 8 m3/h

Nồng độ NH3 trong nước trước và sau khi ra khỏi thiết bị hấp thụ lần lượt là X V =0 và

0,015

R

Đối với khí thải chứa NH3: Suất lượng nhập liệu của dòng khí là F2 = 50 m3/ph

Nồng độ NH3 trong khí thải lúc vào và ra khỏi thiết bị lần lượt là Y V =0,06 và Y R =?

Ở 250C và áp suất thường ta có khối lượng riêng của không khí và nước lần lượt là:

ρk = 1,293 kg/m3 và ρn = 1000 kg/m3

Suất lượng của dòng khí G = F 2 ρk = 50.1,293 = 64,65 kg/ph = 3879 kg/h

Suất lượng khí trơ nhập liệu 3879

1 1 0, 06

tr

V

G G

Y

Suất lượng của dòng nước L = L tr = F 1 ρn = 8.1000 = 8000 kg/h

Cân bằng vật chất trong thiết bị hấp thụ này cho dung chất là NH3 ta được

5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ ([1] trang 157, [5] trang 146)

Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố có ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp thụ, chúng ảnh hưởng trực tiếp lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình

Nếu nhiệt độ tăng thì động lực truyền khối sẽ giảm, khi nhiệt độ nhiệt tăng đến một điểm giới hạn nào đó thì quá trình không còn xảy ra được nữa

Tuy nhiên, nhiệt độ cao cũng có ảnh hưởng tốt vì độ nhớt của dung môi giảm rất có lợi trong trường hợp trở lực khuếch tán nằm trong pha lỏng

Nếu tăng áp suất thì thì động lực quá trình truyền khối sẽ tăng

Tuy nhiên khi ta tăng áp suất thì nhiệt độ cũng tăng theo và khi áp suất cao sẽ gây khó khăn khi

ta thiết kế chế tạo thiết bị hấp thụ

6 Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước thiết bị trong quá trình hấp thụ ([1] trang 157,

[5] trang 146)

Khi chọn lượng dung môi sử dụng và các thông số vận hành thiết bị, ta phải chọn sao cho thích hợp nhất theo các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như kinh tế

7 Thiết bị hấp thụ ([1] trang 160, [5] trang 147)

7.1 Tháp đệm

Chế độ làm việc của tháp đệm

Trong tháp đệm chất lỏng chảy từ trên xuống theo

bề mặt đệm và khí đi từ dưới lên phân tán đều trong chất

lỏng

Tháp đệm có những ưu điểm sau:

- Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc khá lớn

- Cấu tạo đơn giản

- Trợ lực trong tháp không lớn lắm

- Giới hạn làm việc tương đối rộng

Nhưng tháp đệm có nhược điểm quan trọng là khó

làm ướt nhiều đệm

Nếu tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không

đều Để khắc phục nhược điểm đó, nếu tháp cao quá thì

người ta chia đệm ra nhiều tầng và có đặt thêm bộ phận

phân phối chất lỏng đối với mỗi tầng đệm

7.2 Tháp đĩa (tháp mâm)

Tháp đĩa được ứng dụng rất nhiều trong kỹ thuật hóa học Trong tháp đĩa khí hơi phân tán qua các lớp chất lỏng chuyển động chậm từ trên xuống dưới, sự tiếp xúc pha riêng biệt trên các đĩa So với tháp đệm thì tháp đĩa phức tạp hơn

do khó làm hơn và tốn kim lọai hơn

Chia tháp đĩa (mâm) ra làm hai lọai có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyển động riêng biệt từ đĩa nọ sang đĩa kia và không có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyển động

từ đĩa nọ sang đĩa kia theo cùng một lỗ hay rãnh Trong tháp đĩa có thể phân ra như sau tháp chóp, tháp đĩa lưới

Hình 2.3. Cấu tạo tháp đĩa

Hình 2.2. Cấu tạo tháp đệm

BẢNG PHÂN CHIA THỜI LƯỢNG

2 Cân bằng pha quá trình chưng cất 1

Bài tập và thảo luận sẽ được phân phối vào từng mục nhỏ của chương

TRỌNG TÂM BÀI GIẢNG

- Nguyên lý của quá trình chưng cất

- Đề xuất quy trình, tính toán thiết kế hệ thống thiết bị chưng cất

NỘI DUNG

1 Định nghĩa và phân loại ([1] trang 49, [5] trang 167)

Chưng là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau)

Trong sản xuất ta thường gặp các phương pháp chưng sau đây:

- Chưng đơn giản: Dùng để tách các hỗn hợp gồm có các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Phương pháp này thường dùng để tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

- Chưng bằng hơi nước trực tiếp: Dùng để tách các hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi

và tạp chất không bay hơi, thường được ứng dụng trong trường hợp chất được tách không tan vào nước

- Chưng chân không: Dùng trong trường hợp cần hạ thấp nhiệt độ sôi của cấu tử, như trường hợp các cấu tử trong hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao hay trường hợp các cấu tử có nhiệt độ sôi quá cao

- Chưng cất: Chưng cất là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần hoặc hòa tan hoàn toàn vào nhau

2 Cân bằng pha quá trình chưng cất: ([1] trang 52, [5] trang 168)

Trường hợp chất lỏng hòa tan vào nhau theo bất cứ tỉ lệ nào thì áp suất hơi của mỗi cấu tử

sẽ giảm đi và áp suất chung của hỗn hợp, nhiệt độ sôi của hỗn hợp cũng như thành phần của cấu tử trong hơi không phải là một hằng số mà thay đổi theo thành phần của cấu tử trong dung dịch

Hình 3.1 Đồ thị nhiệt độ - thành phần

Đường cong OMD là đường nối liền các điểm biểu diễn cho thành phần hơi cân bằng với x Đường này gọi là đường ngưng tụ hay đường hơi bảo hòa Đường cong OND là đường nối liền các điểm ứng với thành phần x, đường này gọi là đường cong sôi hay đường lỏng bảo hòa

Khu vực phía trên đường OMD là khu vực hơi, khu vực dưới đường cong OND là khu vực lỏng, khu vực ở giữa hai đường cong là khu vực hỗn hợp hơi lỏng

3 Chưng đơn giản ([1] trang 69, [5] trang 210)

3.1 Nguyên tắc

Chưng cất đơn giản là quá trình có 1 giai đoạn trong đó pha lỏng được cho bốc hơi , pha hơi tạo nên luôn luôn ở trạng thái cân bằng với pha lỏng còn lại trong thiết bị

Dung dịch được cho vào nồi chưng Hơi tạo thành vào thiết bị ngưng tụ Sau khi ngưng tụ và làm lạnh đến nhiệt độ cần thiết chất lỏng đi vào các thùng chứa Thành phần chất lỏng ngưng luôn luôn thay đổi Sau khi đã đạt được yêu cầu chưng, chất lỏng còn lại trong nồi được tháo ra Chưng đơn giản được ứng dụng cho những trường hợp sau:

- Khi nhiệt độ sôi của hai cấu tử khác nhau xa

- Khi không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

3.2 Sơ đồ

Hình 3.2 Sơ đồ quá trình chưng đơn giản

4 Chưng cất liên tục ([1] trang 71, [5] trang 182)

4.1 Sơ đồ hệ thống và nguyên tắc quá trình chưng luyện:

Hơi đi dưới lên qua các lỗ của đĩa, chất lỏng chảy từ trên xuống dưới theo các ống chảy chuyền Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ

Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi Cuối cùng ở trên đỉnh tháp ta thu được hỗn hợp chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi và ở đáy tháp ta thu được hỗn hợp chứa nhiều cấu tử khó bay hơi

Mỗi đĩa của tháp được xem là một bậc thay đổi nồng độ hay bậc lý thuyết

4.2 Cân bằng vật chất ([1] trang 71, [5] trang 182)

Phương trình cân bằng cho toàn tháp

Trong đó:

F, W, D - suất lượng nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh, kmol/h

x F , x W , x D - phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong nhập liệu, sản phẩm đáy và đỉnh

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn cất

1

1 + ++

=

R

x x R

= - là chỉ số hồi lưu của tháp

L o - lượng lỏng được hồi lưu, kmol/h

- Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng

= - lượng hỗn hợp nhập liệu so với sản phẩm đỉnh

4.3 Xác định chỉ số hồi lưu và số đĩa lý thuyết

- Chỉ số hồi lưu tối thiểu

Tỉ số hồi lưu tối thiểu với số mâm là vô cực cho một quá trình chưng cất xác định trước

và tương ứng là nhiệt tải của thiết bị ngưng tụ và nồi đun là tối thiểu

Hình 3.3. Đồ thị xác định R min

Tỉ số hồi lưu tối thiểu được tính dựa theo đồ thị xy:

min min 1

- Chỉ số hồi lưu làm việc

Vấn đề là chúng ta xác định lượng R sao cho thích hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật, nếu lượng R quá bé thì tháp vô cùng cao, điều này khó thực hiện, nếu lượng hồi lưu lớn thì thiết bị

có thấp đi nhưng đường kính lại to và sản phẩm đỉnh thu chẳng bao nhiêu

Nếu gọi R x là chỉ số hồi lưu làm việc, ta có : R x = ϕ.R min

Với ϕ là hệ số hồi lưu dư

Trong thực tế, tỉ số hồi lưu làm việc có thể tính đơn giản như sau:

y 0 26,8 41,8 57,9 66,5 72,9 77,9 82,5 87 91,5 95,8 100

Giải:

Từ số liệu trong bảng cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp methanol – nước ở 1 atm đề bài, ta xây

dựng đường cân bằng x – y của hệ như hình 3.4

Theo đầu bài ta có x F= 0,315, từ đồ thị cân bằng pha bên trên ta xác định được y*F =0, 675

Áp dụng công thức ta xác định được tỉ số hoàn lưu tối thiểu R min như sau:

Ta tính được

Rmin 0,975 0, 675−

Hình 3.4 Đồ thị x – y của hệ methanol – nước

Tỉ số hoàn lưu làm việc là

Từ phương trình trên ta xây dựng đường làm việc phần cất trên đồ thị Chú ý rằng đường làm

việc phần cất luôn đi qua điểm có toạn độ (x D , y D), đường làm việc phần chưng luôn đi qua điểm

việc phần chưng và đường nồng độ xF nhập liệu có chung 1 giao điểm Chỉ cần ta xác định được giao điểm này thì sẽ có thể xây dựng được đường làm việc phần chưng

Giao điểm chung này được xác định trên giản đồ hay ta cũng có thể giải trực tiếp bằng hệ phương trình, như trong bài này ta phải giải hệ

Ta bắt đầu xác định số đĩa lý thuyết trên đồ thị

Hình 3.5 Đồ thị xác định số đãi lý thuyết của hệ methanol – nước

Từ đồ thị trên ta dễ dàng nhận thấy số bậc thay đổi nồng độ của tháp là 11, trong đó phần cất

là 7 và của phần chưng là 4

Vậy số mâm thực cần thiết cho tháp chưng hoạt động là n = 11.1,7 = 18,7 = 19 mâm, trong

đó số mâm của đoạn chưng là nchưng = 4.1,7 = 6,8 = 7 mâm và số mâm đoạn cất n cất= 7.1,7 = 11,9

= 12 mâm

VD3.2 Để tách một hỗn hợp gồm 40% khối lượng benzen và phần còn lại là toluen người ta sử dụng một cột cất liên tục với tốc độ 4kg/s, cho sản phẩm đầu cột chứa 97% khối

lượng benzen và sản phẩm cuối cột chứa 98% khối lượng toluen Nguyên liệu được nạp vào ở trạng thái lỏng tại điểm sôi của nó

Dữ liệu cân bằn lỏng – hơi của hệ benzen – toluen:

X 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90

Y 0,22 0,38 0,51 0,63 0,70 0,78 0,85 0,91 0,96

Hãy:

a Tính năng suất sản phẩm đầu cột và cuối cột (theo đơn vị khối lượng)

b Nếu tỉ số hồi lưu là 3,5 thì cột cất này cần có bao nhiêu đĩa để đáp ứng được yêu cầu tách trên

c Tìm số đĩa thực nếu độ hiệu dụng của đĩa là 60%

Vậy lượng sản phẩm đỉnh cột là D = 1,6 kg/s và lượng sản phẩm đáy tháp là W = 2,4 kg/s

b Do các nồng độ benzen đầu bài đều là nồng độ khối lượng nên ta cần chuyển chúng

x M x

−++

x M x

−++

x M x

−++

Với tỉ số hồi lưu là R = 3,5 ta xác định được phương trình đoạn cất như sau:

3,5 0,974

D

x R

Tính toán tương tự VD3.1 ta tìm được tọa độ giao điểm chung là (0,440; 0,558)

Từ bảng số liệu cân bằng vật chất trên đề bài ta xây dựng giản đồ x – y và xác định số đĩa lý thuyết

Hình 3.6 Đồ thị xác định số đãi lý thuyết của hệ benzen - toluen

Qua giản đồ trên ta dễ dàng xác định được số đĩa lý thuyết là 12, trong đó số đĩa lý thuyết cho đoạn chưng là 6 và số đĩa lý thuyết cho đoạn cất là 6

c Với hiệu suất đĩa E = 60% ta xác định được số đĩa thực theo công thức

lt

n E n

= suy ra 12 20

0, 6

lt tt

n n E

4.4 Cân bằng năng lượng ([1] trang 74, [5] trang 183)

4.4.1 Cân bằng nhiệt lương của thiết bị đun nóng

Q D1 = 1

D 1 - lương hơi đốt, kg/s

r - ẩn nhiệt hoá hơi của hơi đốt, J/kg,

Q f - nhiệt lượng do dung dich đầu mang vào, w;

Q f = Fc f t f ,W Trong đó :

F - lượng hỗn hợp đầu,kg/s;

C f - nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu, J/kgđộ;

t f - nhiệt độ đầu của hỗn hợp, 0C

t - nhiệt độ của dung dịch,0C

Q m - nhiệt mất ra khỏi môi trường xunh quanh.W

Ta có thể lấy Q m bằng 5o/o

Q D1 - nhiệt lượng do hơi đốt mang vào

Thay các giá trị tính vào ta được

Q n = D(1+R x )λ ,W

D - lượng sản phẩm đỉnh, kg/s

R x - chỉ số hồi lưu thích hơp

λ - nhiệt lượng riêng của hỗn hợp, λ=a1 1λ +a2 2λ ,J/kg

λ1 , λ2 - nhiệt lượng riêng của các cầu tử trong hỗn hợp, J/kg

a 1 ,a 2 - nồng độ các cấu tử trong hỗn hợp, %khối lượng

Q w : nhiệt do sản phẩm đáy mang ra,W

Q w = t w C w W

W - lượng sản phẩm đáy, kg/s

C w - nhiệt dung riêng của sản phẩm đáy , J/kgđộ

t w - nhiệt độ sản phẩm đáy,0C

Q m : nhiệt mất mát ra môi trường xunh quanh, lấy bầng 5% QD2

Qx : nhiệt lương do môi trường bên ngoài mang vào, W

Q x = R x DC x t x

C x - nhiệt dung riêng của chất lỏng hồi lưu.J/kgđộ

T x - nhiệt độ của chất lỏng hồi lưu,0C

4.4.3 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị ngưng tụ

- Nếu chỉ ngưng tụ hồi lưu

C 1 - nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t tb = 0,5(t 1 + t 2 )

r - ẩn nhiệt hoá hơi J/kg

t 1 ,t 2 - nhịêt độ vào và ra của nước, 0C

- Nếu ngưng tụ hoàn toàn ta có :

4.4.4 Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị làm lạnh

Xét trường hợp ngưng tụ và làm lạnh hoàn toàn ta có

t - nhiệt độ đầu vào và đầu ra của sản phẩm đỉnh

C p - nhiệt dung riêng của sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ trung bình '

tb

t = 0,5( '

1

t + ' 2

t )

G 2 - lượng nước lạnh tiêu tốn cho quá trình làm nguội sản phẩm đỉnh

C 1 - nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ trung bình t tb = 0,5(t 1 + t 2 )

t 1 ,t 2 - nhịêt độ vào và ra của nước, 0C

VD3.3 Tháp chưng cất hỗn hợp methanol - nước Nhập liệu là 5000 kg/h nồng độ 25% mol methanol ở nhiệt độ sôi Sản phẩm đỉnh thu được chứa 95% mol methanol Sản phẩm đáy chứa 2,5% mol methanol Áp suất trong tháp là áp suất thường Xác định:

a Suất lượng các dòng sản phẩm đỉnh và đáy (kmol/h)

b Lượng nước cần sử dụng để ngưng tụ sản phẩm đỉnh, biết nhiệt độ nước lạnh vào và ra khỏi thiết bị lần lượt là 20 và 30 0 C Cho biết ẩn nhiệt ngưng tụ của rượu và nước ở đỉnh tháp lần lượt là 1125 kJ/kg và 2340 kJ/kg Nhiệt dung riêng trung bình của nước lạnh là 4178 J/kgK

với M F =x M F me+(1−x F).M n =0, 25.32 (1 0, 25).18 25, 6+ − = kg/kmol Thế số liệu vào hệ phương trình ta được

195,30,95 0, 025 195,3.0, 25 48,8

D r G

BẢNG PHÂN CHIA THỜI LƯỢNG

Bài tập và thảo luận sẽ được phân phối vào từng mục nhỏ của chương

TRỌNG TÂM BÀI GIẢNG

- Nguyên lý của quá trình trích ly chất lỏng

- Đề xuất quy trình, tính toán thiết kế hệ thống thiết bị trích ly chất lỏng

1.2 Lựa chọn dung môi

Dung môi thích hợp cho quá trình trích ly cần đáp ứng các tính chất:

- Tính chất căn bản không thể thiếu được là tính hòa tan có chọn lọc nghĩa là dung môi phải hòa tan tốt chất cần tách mà không hòa tan hoặc hòa tan rất ít các cấu tử khác

- Khối lượng riêng của nó phải khác xa với khối lượng riêng của dung dịch

- Khi trích ly để thu được cấu tử nguyên chất ta cần tách dung môi ra, thường ta tách bằng phương pháp chưng cất, vì thế để đạt được yêu cầu tiết kiệm nhiệt lượng trong khi hoàn nguyên ta cần chọn dung môi có nhiệt dung bé

- Ngoài ra còn phải có tính chất thông thường khác như: không độc, không ăn mòn thiết

bị, không có tác dụng hóa học với các cấu tử trong hỗn hợp, rẻ tiền, dễ kiếm…

2 Sơ đồ trích ly ([1] trang 196, [5] trang 258)

Sơ đồ nguyên tắc của quá trình trích ly có thể biểu thị ở hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ quá trình trích ly chất lỏng

Quá trình trích ly được tiến hành qua ba giai đoạn sau:

- Giai đoạn 1: Giai đoạn trộn lẫn, phân phối hai pha vào với nhau để tạo sự tiếp xúc pha tốt cho dung chất truyền từ hỗn hợp đầu vào dung môi Nếu thời gian tiếp xúc pha đủ thì quá tình truyền vật chất xảy ra cho đến khi đạt cân bằng giữa hai pha

- Giai đoạn 2: Giai đoạn tách pha, hai pha này phân lớp và tách ra dễ dàng hay không phụ thuộc vào độ chênh lệch khối lương riêng của chúng Một pha gọi là pha trích gồm dung môi và cấu tử phân bố, một pha gọi là raphinat gồm phần còn lại của dung dịch

- Giai đoạn 3: Giai đoạn hoàn nguyên dung môi, tách cấu tử phân bố ra khỏi dung môi

3 Cân bằng pha trong hệ lỏng lỏng ([1] trang 197, [5] trang 225)

Hình 4.2 Đồ thị tam giác cơ bản

Khoảng cách từ một điểm bất kỳ K trong tam giác xuống cạnh AB biểu diễn thành phần của C

trong hỗn hợp K Một điểm bất kỳ trên cạnh tam giác biểu diễn thành phần hỗn hợp 2 cấu tử đó Nếu R (kg) hỗn hợp tại R được trộn với E (kg) hỗn hợp tại E, hỗn hợp mới được tạo thành tại

M nằm trên đoạn RE và được xác định theo hệ thức: