ĐỀ CƯƠNG cơ sở NGÀNH MÔI TRƯỜNG

Định luật raoult: Áp suất riêng phần của một cấu tử trên dung dịch bằng áp suất hơi bão hòa của cấu tử đó ở cùng nhiệt độ nhân với nồng độ phần mol của cấu tử đó trong dung dịch Trong đó

ĐỀ CƯƠNG CƠ SỞ NGÀNH

Câu 1: Định nghĩa quá trình chuyển khối ?

Quá trình chuyển khối là quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp vơi nhau

Định nghĩa 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 xuất 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 hẹ đạt 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 sẻ diễn ra như thế nào để đưa hệ đến điều kiện cân bằng

Định nghĩa về quá trình khuếch tán ?

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 xoáy 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

Định luật về cân bằng pha ?

a Định luật Henry:

Đối với dung dịch lý tưởng áp xuất riêng phần p của khí trên chất lỏng

tỷ lệ thuận với phân mol x của nó trong dung dich

p i = H.x i

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

H Với P - áp suất tổng cộng, P =∑

p i m - hệ số phân phối hay

hằng số cân bằng

H - hằng số Henry

b Định luật raoult:

Áp suất riêng phần của một cấu tử trên dung dịch bằng áp suất hơi bão hòa của cấu tử đó (ở cùng nhiệt độ) nhân với nồng độ phần mol của cấu tử đó trong dung dịch

Trong

đó:

p i = P i o x i

p i : áp suất hơi riêng phần của cấu tử i

trong hỗn hợp hơi

Pio : 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

Câu 2: Hấp thụ :

a Định nghĩa:

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

b Ứng dụng :

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

c Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình:

Nhiệt độ và áp suất

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

Ngoài ra : còn một số yếu tố ảnh hưởng đến kích thước thiết bị

trong quá trình hấp thụ

d Yêu cầu lựa chọn dung môi:

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:

- 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

e Sơ đồ hoạt động:

f Cân bằng vật chất quá trình hấp thụ:

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

Ltr,

Gtr

: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 , tỉ số mol của dung chất trong pha lỏng ra và vào thiết

L 2 x 2

L tr x 2

G 2 G tr

y 2 y 2

L x

L tr x

L 2 x 1

L tr x 1

G 1 y 1

G tr x 1

G y

G tr y

X 2 : bị

Y 1 ,

Y 2 :

tỉ số mol của dung chất trong pha khí vào và ra khỏi thiết bị

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

G

G tr = =G y (1− y1)

1 +Y1

Và phương trình cân bằng vật liệu là :

G tr (Y1 −Y2 ) = L tr (X1 − X 2 )

Từ đây ta xác định lượng dung môi cần thiết

L tr = Gtr (Y1 − Y2 ) (X1 − X 2 )

Lượng dung môi tối thiểu để hấp thụ được xác định khi nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, như vậy ta có:

Y1 − Y2 Ltr min = G tr

X1max − X 2 Trong đó X 1max là nồng độ ra của pha lỏng cực đại ứng với lượng dung môi tối thiểu hay nồng độ ra của pha lỏng cân bằng với nồng độ vào của pha khí Lượng dung môi tiêu hao riêng là:

l = Ltr = Y1 −Y2

Gtr X1 − X 2

Nếu ta viết 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 Ta có:

G tr (Y1 −Y) = L tr (X1 − X)

g Thiết bị hấp thụ:

a 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

b 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

ph ức tạp hơn do khó làm hơn và tốn kim lọai

Chia tháp đĩa (mâm) ra làm hai lọai có ống

bi ệt từ đĩa nọ sang đĩa kia và không có ống

ch ảy 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

Câu 3: Chưng

a Định nghĩa và phân loại

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

b Cơ sở lý thuyết các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình:

- Nhiệt độ

- Áp suất

- Các yếu tố về kích thước thiết bị……

c ứng dụng

sx rượu mạnh

d yêu cầu lựa chọn dung môi

như trên

e sơ đồ hoạt động

F: là hỗn hợp nhập liệu (kmol/h or kg/h)

W: sản phảm đáy (kmol/h or kg/h)

P: sp đỉnh (kmol/h or kg/h) G: lượng hơi vào thiết bị ngưng tụ L0 : lượng lỏng hồi lưu

xf : nồng độ cấu tử dễ bay hơi ở hỗn hợp nhập liệu

xp : nồng độ cấu tử bay hơi ở sp đỉnh xw: nồng độ cấu tử bay hơi ở sp đáy

f cân bằng vc:

F = W + P

Fx F = Wx W + Px p

Trong đó:

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

h

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

vậy có 6 đại lượng ta ta cần biết 4, 2 đại lượng còn lại tìm theo pt sau đó

ta sẻ viết được pt của đoạn chưng và đoạn luyện

câu 4 : Hấp phụ

a Khái niệm hấp phụ

Hấp phụ là quá trình hút lựa chọn các cấu tử trong pha khí hay pha lỏng lên bề mặt chất rắn Cấu tử pha khí hay pha lỏng bị hút được gọi là chất

bị hấp phụ hay dung chất, chất rắn dùng để hút dung chất gọi là chất hấp phụ và những cấu tử không bị hấp phụ gọi là chất trơ

b Phân loại

Tùy theo đặc trưng của quá trình mà chúng ta phân biệt các loại hấp phụ sau đây:

Hấp phụ vật lý: hay hấp phụ Van der Walls là hiện tượng hấp phụ thuận nghịch, hiện tượng này kèm theo phản ứng tỏa nhiệt, lượng nhiệt tỏa ra luôn lớn hơi ẩn nhiệt hóa hơi và gần bằng nhiệt thăng hoa của chất khí

Hấp phụ hóa học: là hấp phụ có kèm theo phản ứng hoá học giữa chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Trong phạm vi giáo trình này chúng ta không xét đến hấp phụ hoá học

Chú ý rằng trong thực tế tất cả các loại hấp phụ trên đều có thể xảy

ra đồng thời, nhưng tùy điều kiện thực tế mà loại này hay loại khác

chiếm ưu thế hơn

c ứng dụng

Làm sạch và sấy khí

Tách những hỗn hợp khí bay hơi thành những cấu tử

Tiến hành quá trình xúc tác không thể trên bề mặt phân chia pha

d tính chất cơ bản của chất hấp phụ