Truyền khối giữa hai pha

Truyền khối xuyên pha • Khái niệm Truyền khối xuyên pha là sự dịch chuyển vật chất từ pha này sang pha khác thông qua sự tiếp xúc pha. • Ví dụ. Chưng cất, hấp thu Trích ly SấyTruyền khối xuyên pha • Khái niệm Truyền khối xuyên pha là sự dịch chuyển vật chất từ pha này sang pha khác thông qua sự tiếp xúc pha. • Ví dụ. Chưng cất, hấp thu Trích ly SấyTruyền khối xuyên pha • Khái niệm Truyền khối xuyên pha là sự dịch chuyển vật chất từ pha này sang pha khác thông qua sự tiếp xúc pha. • Ví dụ. Chưng cất, hấp thu Trích ly Sấy

Chương

Truyền khối xuyên pha

• Khái niệm

• Động lực - cân bằng

• Cơ chế

• Tốc độ quá trình

Truyền khối xuyên pha

• Khái niệm

Truyền khối xuyên pha là sự dịch chuyển vật chất

từ pha này sang pha khác thông qua sự tiếp xúc pha

• Ví dụ

Chưng cất, hấp thu

Trích ly

Sấy

Truyền khối xuyên pha

Cơ cấu TK xuyên pha

5 giai đoạn

Cơ chế TK xuyên pha

• Khuếch tán

• Đối lưu

Động lực QTTK xuyên pha

Cân bằng QTTK xuyên pha

Cân Bằng Pha

• - Gọi Φ x , Φ y : lần lượt là pha lỏng và pha khí

• -x ,y là nồng độ của ammoniac trong pha lỏng

và pha khí

• -υt, υn là vận tốc của pha khí vào lỏng, và của lỏng vào khí

• Ban đầu, x = 0, y>0

Cân Bằng Pha

Qúa trình cân bằng động

Tại trạng thái cân bằng pha, quá trình di chuyển vật chất giữa hai pha là bằng nhau

Cân bằng pha

Φy , yA

Φx, xA =0

Cân bằng t=0

x * A

Φy yA

Nồng độ cân bằng : nồng độ lớn nhất của cấu

tử A mà pha Φx có thể chứa được trong điều kiện nhất định

Φx

y* = f(x) hoặc x*= f (y)

y < y*: A di chuyển từ Φx vào Φy

y > y*: A di chuyển từ Φy vào Φx

Khái niệm về cân bằng pha:

• Tại mỗi điều kiện xác định sẽ tồn tại một mối quan

hệ cân bằng giữa nồng độ của cấu tử trong hai

pha và được biểu diễn bằng đường cân bằng

• Khi cân bằng thì sự khuếch tán tổng cộng của hai pha bằng 0

• Khi chưa cân bằng, sẽ xảy ra quá trình khuếch

tán của cấu tử giữa hai pha để đưa hệ về trạng

thái cân bằng

• Giới hạn của quá trình truyền khối là khi hệ đạt trạng thái cân bằng

Cân Bằng Pha

Chiều khuếch tán của cấu tử sẽ tuân theo quy luật:

Nếu như y < ycb – vật chất chuyển từ pha Φx vào

Bài 1: Trường hợp nào sau đây vật chất chủ yếu chuyển từ pha x sang pha y?

a x < xcb

b x = xcb

c x > xcb

d Không xác định

Quy tắc pha

Quy tắc pha cho phép xác định có thể thay đổi bao nhiêu yếu tố mà cân bằng không bị phá hủy

Các định luật cân bằng pha

• Định luật Henry

Áp suất riêng phần p của khí trên bề mặt chất lỏng tỷ lệ với nồng độ phân mol của nó trong dung dịch

pi = H.xi ; H =const hay H thay đổi theo nhiệt độ

y* là nồng độ cân bằng của cấu tử i trong hỗn hợp khí và

Các định luật cân bằng pha

• Định luật Raoul

Áp suất riêng phần của cấu tử i trên dung dịch (pi) bằng tích

áp suất hơi bão hòa của cấu tử đó (ở cùng nồng độ; pibh) và

nồng độ phân mol của nó trong dung dịch

pi=pibh.x

Với pi = yi*.P → yi*=(pibh/P).xi

Định luật Dalton:

) 1

( 2 1

1

x p

x p P p

n i

bh

bh i

p

p x

p x p

x p y

2

1 2

1

1

*

; ) 1 (

) 1 (

BÀI TẬP

Một dung dịch lý tưởng tuân theo định luật Henry

có hằng số Henry là 950 mmHg, áp suất làm việc của hệ 860 mmHg, nồng độ pha lỏng

bằng 0,28 phần mol Xác định nồng độ cân

bằng của pha khí

BÀI TẬP

Một dung dịch lý tưởng tuân theo định luật

Raoult có áp suất hơi bão hòa bằng 680

mmHg, áp suất làm việc của hệ 735mmHg

nồng độ pha lỏng bằng 0,33 phần mol

Động học quá trình TK

• Khái niệm

Động học quá trình truyền khối khảo sát mối quan hệ giữa sự

biến thiên nồng độ dung chất theo thời gian và các thông

số của quá trình : tính chất, cấu trúc của vật chất… điều kiện thủy động lực của dòng lưu chất…

• Mục đích

Xác định tốc độ truyền khối, thời gian truyền khối

khi sai biệt nồng độ là 1 đơn vị

Vận tốc của một quá trình nào cũng tỷ lệ thuận với

động lực và tỷ lệ nghịch với trở lực Trong quá trình

truyền khối : động lực là hiệu số nồng độ và trở lực

là sự cản trở chất khuếch tán chuyển động qua lưu thể

Động Lực Khuếch Tán

Động học quá trình TK

• Phương trình tốc độ truyền khối

NA = Ky (yA – yA*) = Kx (xA* – xA)

N = K ΔC= ΔC Truyền khối trong 1 pha: (Fick)

N= DAB(CA1 - CA2) = kC(C*A – CA) Truyền khối xuyên pha

Động học quá trình TK

• Truyền khối cục bộ giữa hai pha

Vì dung chất khuếch tán từ pha khí vào pha lỏng, do đó phải có một gradient nồng độ trong mỗi pha theo chiều khuếch tán:

xA → xAi, yA → yAi

Hình 4.4: Động lực truyền khối trong mỗi pha

Hai giá trị nồng độ xA và yA không thể là động lực cho quá trình truyền khối xuyên pha, bởi vì hai nồng độ này liên hệ đến hai hóa thế khác nhau trong hai pha, mà chính

hóa thế mới là động lực thực sự của quá trình truyền khối

Hệ số truyền khối tổng quát

Gọi yA*l à nồng độ của A trong

pha khí cân bằng với x A và K Y là

hệ số truyền khối tổng quát biểu diễn hiệu ứng tổng quát của quá trình truyền khối giữa hai pha

Tốc độ truyền khối được biểu diễn là:

Hệ số truyền khối tổng quát

Hệ số trở lực truyền khối

Trở lực truyền khối

Động lực trung bình

• Động lực của quá trình thay đồi từ đầu đến

cuối nên khi tính toán phải dùng động lực trung bình

Động lực trung bình

Phương trình đường làm việc

yA – yA* = - Kx/Ky (xA – xA*)

yA = - Kx/Ky xA + (yA* + Kx/Ky xA*)

Phương trình đường làm việc

Giải bài tập

Vì đây là quá trình truyền khối ngược chiều nên

Giải bài tập

nồng độ cấu tử trong pha hơi:

Giải bài tập

Vì đường cân bằng là đường thẳng nên động lực trung bình của quá trình truyền khối tính theo

công thức:

Ví dụ 4.2 trang 81

• Quá trình hấp thu NH3 trong thiết bị truyền khối

có hệ số truyền khối theo pha khí Ky = 1

kmol/h.m 2 at Vào cùng một một thời điểm,

người ta đo được tại một vị trí trong pha khí có nồng độ 8% mol NH3, và nồng độ NH3 trong pha lỏng CA = 0,065 kmol/m3 Nhiệt độ 20oC, áp suất

1 atm 85% trở lực truyền khối nằm trong pha

khí Hằng số Henry H =9,28.10 -3 atm/(kmol/m 3 ) Tính hệ số truyền khối trong mỗi pha và nồng độ

NH3 trong mỗi pha tại diện tích tiếp xúc pha

Vì 85% trở lực truyền khối tổng cộng nằm trong pha khí nên ta có:

h m atm kmol = 0,062 m/h = 0,062 . 2.( / 3)

kmol

h m kmol m

Cân bằng vật chất

Quá trình cùng chiều ổn định

- L1,L2 suất lượng mol tổng cộng của pha L vào và ra khỏi

thiết bị

- G1, G2 suất lượng mol tổng công của pha G vào và ra khỏi

thiết bị

- Ltr, Gtr suất lượng mol của cấu tử không khuếch tán (trơ)

trong pha lỏng, pha khí

-x1, x2 phần mol của dung chất trong pha L vào và ra khỏi

Cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình:

Cân bằng cho dung chất:

(4.17)

Phương trình (4.17) biểu diễn phương trình đường thẳng có hệ số góc là -Ltr/Gtr

đi qua hai điểm có tọa độ lần lượt là (X1,Y1) và (X2,Y2)

Quá trình cùng chiều ổn định

Tại một tiết diện bất kỳ của thiết bị, hai pha có nồng độ lần lượt là x, y và X, Y Do

đó cân bằng vật chất giữa một đầu thiết bị và vị trí bất kỳ này ta được

Quá trình cùng chiều ổn định

Hình 4.6: Quá trình truyền khối ổn định

cùng chiều ( giao chiều) dung chất truyền

từ pha L vào pha G

Hình 4.7: Quá trình truyền khối ổn định cùng chiều (giao chiều ) dung chất truyền từ pha G vào pha L

Quá trình cùng chiều ổn định

Hình 4.8: Quá trình cùng chiều (giao chiều), truyền dung chất từ pha L vào pha G

Quá trình nghịch chiều ổn định

Quá trình nghịch chiều ổn định

Cân bằng vật chất cho toàn bộ quá trình:

Cân bằng cho dung chất:

từ pha L vào pha G

Quá trình nhiều bậc

Quá trình nhiều bậc

• Quá trình một bậc: Một bậc (hay đoạn) thay đổi

bị, một thiết bị, hay một cụm thiết bị trong đó

hai pha không hòa tan được cho tiếp xúc với

nhau để thực hiện quá trình truyền khối có

được tách ra

• Một bậc lý tưởng, hay lý thuyết, hay cân bằng

là bậc trong đó có thời gian tiếp xúc pha đủ để hai pha thực sự đạt cân bằng Điều này trong

thực tế không thể đạt được

Quá trình nhiều bậc

• Quá trình liên tục cùng chiều

Quá trình diễn tả trên hình 4.5 là quá trình một bậc và nếu là bậc

lý tưởng, thành phần các dòng ra sẽ ở tại điểm T trên hình 4.6

và 4.7

Hình 4.6: Quá trình truyền khối

ổn định cùng chiều ( giao chiều)

dung chất truyền từ pha L vào

pha G

Hình 4.7: Quá trình truyền khối ổn định cùng chiều (giao chiều ) dung chất truyền từ

pha G vào pha L

Quá trình nhiều bậc giao dòng

Hình 4.12: Quá trình nhiều bậc giao dòng với ba bậc thực

Mỗi bậc được biểu diễn bằng một vòng tròn và các dòng trong mỗi bậc là cùng chiều

Pha L di chuyển từ bậc này sang bậc kế để tiếp xúc với pha G mới

Suất lượng pha G vào mỗi pha có thể khác nhau và hiệu suất bậc Murphree cũng có thể khác nhau

Cân bằng vật chất và đường làm việc trên đồ thị lặp lại cho từng bậc

Quá trình nhiều bậc giao dòng thường được dùng cho các quá trình hấp phụ, trích chất rắn, sấy và trích chất lỏng

Quá trình nhiều bậc nghịch dòng

đoạn thẳng PQ là đường làm việc

cho bậc 1, MN cho bậc 2 và tọa

độ , nằm trên đường cân bằng Đường ST là đường làm việc cho toàn bộ quá trình và các điểm như

B, C, biểu diễn thành phần của các dòng đi qua giữa hai bậc

Có thể xác định số bậc lý thuyết cho quá trình nghịch dòng bằng cách vẽ đường bậc thang

TQBNC S

Quá trình nhiều bậc nghịch dòng

• Nếu tại một vị trí bất kỳ đường làm việc và đường cân

• Nếu quá trình truyền dung chất từ pha G vào pha L thì

toàn bộ cách vẽ sẽ nằm trên đường cân bằng

• Trong đa số trường hợp, do đường làm việc hoặc

đường cân bằng là đường cong, nên mối quan hệ giữa

số bậc, thành phần và tỉ số suất lượng phải được xác định bằng đồ thị

• Trong trường hợp đặc biệt nếu hai đường làm việc và đường cân bằng là đường thẳng với đường cân bằng qua gốc tọa độ, ta có thể rút ra lời giải giải tích để xác định số bậc lý thuyết một cách nhanh chóng