Tham khảo bài thuyết trình 'quá trình & thiết bị chuyển khối - chương 1 - phần 2', kỹ thuật - công nghệ, hoá học - dầu khí phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI - Chương 1 - phần 2
- Quá trình & Thiết bị
Công nghệ Hoá học III
QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá
trình chuyển khối
Giảng viên: Nguyễn Minh Tân
Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
nguyen.minhtan@gmail.com
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Biểu diễn nồng độ hệ hai pha (ví dụ: pha lỏng và pha khí)
1
- Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán Bề mặt
phân pha
• Khi hai pha chuyển
động tiếp xúc nhau, do
ma sát, trên bề mặt
phân chia pha tạo
thành hai lớp màng. Nhân
Nhân
• Chế độ chuyển động ở
màng và trong nhân
của dòng khác nhau.
Màng
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán Bề mặt
– Ở trong màng luôn luôn có chế phân pha
độ dòng. Quá trình di chuyển vật
chất là quá trình khuếch tán phân
tử.
– Ở giữa dòng có thể có chuyển
động xoáy. Quá trình di chuyển Nhân
vật chất là quá trình khuếch tán Nhân
đối lưu.
– Vận tốc khuếch tán trong màng
rất nhỏ so với vận tốc khuếch tán
trong nhân. Vận tốc quá trình phụ
thuộc vào vận tốc trong màng. Màng
2
- Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán
Khuếch tán phân tử
Định luật Fick I
Vận tốc
khuếch tán tỉ dG = −D dc
lệ với Fdτ dx
gradient
Bề mặt
nồng độ Thời gian
vuông góc
với hướng Hệ số
khuếch tán khuếch tán
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán
Hệ số khuếch tán
Hệ số khuếch tán là lượng vật chất đi qua một đơn vị bề mặt
trong một đơn vị thời gian khi nồng độ vật chất giảm một đơn vị
trên một đơn vị chiều dài theo hướng khuếch tán (m2/s)
Hệ số khuếch tán của khí trong khí
3
1,55.10 T 1 + 1 , m2
−3 2
D= 2
" 1 1% MA MB h
P $VA3 +VB3 '
# &
Áp suất
chung của Thể tích mol,
Khối lượng mol,
khí cm3/mol
kg/kmol
3
- Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán
Hệ số khuếch tán
Hệ số khuếch tán của khí trong lỏng
D20 = 0,00360 1 + 1 , m2
2
! 1 1$ MA MB h
ab µ #VA3 +V 3
B
&
" %
Hệ số điều chỉnh của khí và
của dung môi
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán
Khuếch tán đối lưu
Định luật Fick II
Vật chất khuếch tán trong môi trường chuyển động: nhờ
khuếch tán phân tử và nhờ sự chuyển động của các pha
Lượng vật chất đi qua các bề mặt thể
tích của dV trong khoảng thời gian dt Gz+dGz
z Gy
theo định luật khuếch tán:
∂c ∂ # ∂c & Gx+dGx
Gx+dx = Gx + dGx = −D dydzdτ − D % ( dxdydzdτ
∂x ∂x $ ∂x ' Gx
Lượng vật chất còn lại trong dV:
Gy Gz x
∂2 c
dGx = Gx − Gx+dx = D 2 dxdydzdτ +dGy
∂x y
4
- Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán
Khuếch tán đối lưu
Tương tự với các trục Oz và Oy: Gz+dGz
z Gy
∂2 c
dGy = Gy − Gy+dy = D 2 dxdydzdτ
∂y Gx
∂2 c
dGz = Gz − Gz+dz = D dxdydzdτ Gz
∂z 2 Gy x
+dGy Gx+dGx
y
Với toàn bộ thể tích dV:
" ∂2 c ∂2 c ∂2 c %
dG = dGx + dGy + dGz = D $ 2 + 2 + 2 ' dxdydzdτ
# ∂x ∂y ∂z &
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán
Khuếch tán đối lưu
Lượng vật chất đi qua các bề mặt dydz
của dV trong khoảng thời gian dt với vận z Gz+dGz
Gy
tốc W nhờ sự chuyển động của dòng:
∂c ∂(Wx c) Gx
Gx+dx = Gx + dGx = Wx c dydzdτ − dxdydzdτ
∂x ∂x
Gy Gz x
Lượng vật chất còn lại trong dV:
+dGy Gx+dGx
y
∂Wx c
dGx = dxdydzdτ
∂x
5
- Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán
Khuếch tán đối lưu
Tương tự với Oy và Oz:
Gz+dGz
∂Wy c z Gy
dGy = dxdydzdτ
∂y
Gx
∂Wz c
dGz = dxdydzdτ
∂z
Gy Gz x
Với toàn bộ thể tích nguyên tố dV: +dGy Gx+dGx
y
! c∂Wx c∂Wy c∂Wz $ ! ∂c ∂c ∂c $
dG = dGx + dGy + dGz = # + + & dxdydzdτ + #Wx + Wy + Wz & dxdydzdτ
" ∂x ∂y ∂z % " ∂x ∂y ∂z %
Theo phương trình dòng liên tục và ổn định:
∂Wx ∂Wy ∂Wz
+ + =0
∂x ∂y ∂z
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Các định luật khuếch tán
Khuếch tán đối lưu
! ∂c ∂c ∂c $
dG = #Wx + Wy + Wz & dxdydzdτ
" ∂x ∂y ∂z %
Lượng vật chất tính theo 2 phương pháp phải bằng nhau:
" ∂2 c ∂2 c ∂2 c % " ∂c ∂c ∂c %
dG = D $ 2 + 2 + 2 ' = $Wx + Wy + Wz '
# ∂x ∂y ∂z & # ∂x ∂y ∂z &
Phươn trình khuếch tán trong
môi trường chuyển động
6
- Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Động lực khuếch tán
• Quá trình khuếch tán xảy ra tự nhiên khi nồng độ làm việc và
nồng độ cân bằng của cấu tử phân bố trong mỗi pha là khác nhau.
• Động lực khuếch tán (động lực truyền chất) là hiệu số giữa nồng
độ làm việc và nồng độ cân bằng
• Tính theo pha Φy : Δy = y* - y hay Δy = y – y*.
• Tính theo pha Φx : Δx = x* - x hay Δx = x – x*.
• Động lực của quá trình thay đổi từ đầu đến cuối quá trình. Khi tính
toán sử dụng động lực trung bình.
• Chất phân tán sẽ đi vào pha có nồng độ nhỏ hơn nồng độ cân
bằng.
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình
Động lực
Vận tốc quá trình =
Trở lực y
Quá trình chuyển vật chất từ pha Φy vào
ybg
pha Φx :
- nồng độ y, x ở giữa dòng coi như
không đổi
x* y*
- trong lớp màng Φy nồng độ giảm từ y
đến ybg (nồng độ biên giới)
- trong lớp màng Φx nồng độ giảm từ xbg x
xbg (nồng độ biên giới) đến x.
- Gọi Ry là trở lực trong pha Φy và Rx là
trở lực trong pha Φx
Vận tốc khuyếch tán của chất phân bố qua màng Φy:
dG y − ybg Sơ đồ quá trình chuyển khối
=
dFdτ Ry
7
- Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình
Vận tốc của chất phân bố qua màng Φx: dG x −x
= bg
dFdτ Rx y ybg
Hệ số cấp chất trong pha x và y 1 1
βx = βy =
Rx Ry
x* y*
Lượng vật chất chuyển qua màng Φy trong thời gian τ là:
dG = βyτdF (ybg -y) xbg x
Lượng vật chất chuyển qua màng Φx trong thời gian τ là:
dG = βxτdF (xbg -x)
Sơ đồ quá trình chuyển khối
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình
Hệ số cấp chất
y ybg
x* y*
xbg x
Hệ số cấp chất là lượng vật chất chuyển qua một đơn
vị bề mặt trong một đơn vị thời gian khi hiệu số nồng
độ là một đơn vị.
Hệ số cấp chất là một đại lượng phức tạp. Nó phụ
thuộc vào tính chất vật lý của các pha (hệ số khuyếch
tán, độ nhớt, khối lượng riêng), nhiệt độ, áp suất, lưu Sơ đồ quá trình chuyển khối
lượng, kích thước hình học đặc trưng và cấu tạo của
thiết bị truyền chất.
8
- Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình
Phương trình chuyển khối
Theo định luật phân bố vật chất y = mx ta có : y ybg
*
ybg y
xbg = ; x= x*
m m y*
1
dG = β xτ dF ( ybg − y ) *
m xbg
dG x
= τ dF ( y − ybg )
βy ! 1 m$
dG # + & = τ dF ( y − y *)
#β β &
mdG " y x %
= τ dF ( ybg − y *)
βx
dG = kyτ dFΔy Sơ đồ quá trình chuyển khối
Hệ số
chuyển khối Động lực của
quá trình
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình
Phương trình chuyển khối
Với toàn bộ bề mặt tiếp xúc pha F: y ybg
G = kyτ FΔytb
Động lực trung x* y*
bình của quá trình
Tương tự:
G = kxτ FΔxtb xbg x
Hệ số chuyển khối khi
tính theo nồng độ pha x 1
kx =
1 1
+
β x mβ y
Cấu tử phân bố dễ hoà tan: k y ≈ β y Sơ đồ quá trình chuyển khối
Cấu tử phân bố khó hoà tan: k x ≈ β x
9
- ới toàn bộ bề mặt tiếp xúc pha F:
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình
Xác định động lực trung bình
Động lực trung bình thay đổi từ đầu đến cuối thiết bị vì thế trong khi tính toán ta phải
dùng động lực trung bình. Khi đường cân bằng là đường cong ta dùng động lực trung
bình tích phân. Khi đường cân bằng là đường thẳng ta dùng động lực trung bình
lôgarit.
Động lực trung bình tích phân. Để xác định động lực trung bình tích phân ta dùng
phương trình truyền chất cơ bản ở dạng vi phân. Ví dụ để xác định Δytb:
dG = kyτdF (y - y*)
dG
dF =
kyτ (y − ycb )
Mặt khác lượng vật chất dG có thể xác định theo phương trình bằng vật liệu:
dG =-Gydy
Gy dy
dF = −
τ K y ( y − y* )
ới toàn bộ bề mặt tiếp xúc pha F:
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình
Xác định động lực trung bình
yc S: xác định
Lấy tích phân F = − Gy dy Gy
τ ky
∫ y−y *
=
τ ky
S bằng phương
yd pháp đồ thị
Thay: G
Gy = Đây là trường hợp vật chất khuếch tán từ pha
yd − yc
Φy vào pha Φx, nghĩa là trường hợp nồng độ
G S cấu tử phân bố trong pha Φy giảm và trong pha
Có: F=
τ K y yd − yc Φx tăng.
Đối với trường hợp ngược lại là khi vật chất
yd − yc khuếch tán từ pha Φx vào pha Φy, trong công
G = K yτ F thức động lực trung bình tích phân cần thay đổi
S
vị trí của các đại lượng nồng độ trong công thức
cho nhau. Tương tự:
yd − yc y −y
Δytb = Δytb = yd d c x −x
S dy Δxtb = xc c d
∫ dx
yc y − y *
∫ x * −x
xd
10
- Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
8. Động lực khuếch tán
Sơ đồ biểu diễn động lực của quá trình chuyển khối
11
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
