Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

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 Email trao đổi tài liệu tailieu.qttb@gmail.com qttb98305 2
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình
• 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 Lewis-Whitman (1923) Động lực Vận tốc quá trình = two-film model Trở lực y ybg
Quá trình chuyển vật chất từ pha Φy vào pha Φx :
-nồng độ y, x ở giữa dòng coi như không x* đổi y*
-trong lớp màng Φy nồng độ giảm từ y đến
ybg (nồng độ biên giới)
-trong lớp màng Φx nồng độ giảm từ x x bg bg x
(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
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Lewis-Whitman (1923)
Vận tốc của chất phân bố qua màng Φx: dG x − x two-film model = bg dFdτ Rx y ybg 1 1
Hệ số cấp chất trong pha x và y β = β = x R y R x y x* y*
Lượng vật chất chuyển qua màng Φy trong thời gian τ là:
dG = b tdF (y x y bg -y) bg x
Lượng vật chất chuyển qua màng Φx trong thời gian τ là: dG = b t x dF (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 Lewis-Whitman (1923) Hệ số cấp khối two-film model y ybg x* y* xbg x
Hệ số cấp khối 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 khối 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 lượng, kí S
chơ đồ quá trình chuyển khối
thước hình học đặc trưng và cấu tạo của thiết bị truyền chất.
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
9. Phương trình chuyển khối và động lực trung bình Lewis-Whitman (1923)
Phương trình chuyển khối two-film model
Theo định luật phân bố vật chất y = mx ta có : y ybg y y*
x = bg ; x = bg x* m m y*
dG = β τ dF y − y* x ( bg ) 1m xbg x
dG =τdF y− y ( ) β bg ! $ y 1 m dG# + #
&& = τdF(y − y*) mdG β β " y x %
= τ dF y − y * ( ) β bg x
Sơ đồ quá trình chuyển khối
dG = k τ dFΔy y 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 Lewis-Whitman (1923)
Phương trình chuyển khối two-film model
Với toàn bộ bề mặt tiếp xúc pha F: y ybg
G = k τ FΔy y tb Động lực trung x* y* bình của quá trình Tương tự: xbg
G = k τ FΔx x tb x Hệ số chuyển khối khi tính theo nồng độ pha x 1 k = x 1 1 + β mβ x y
Sơ đồ quá trình chuyển khối
Cấu tử phân bố dễ hoà tan: k ≈ β y y
Cấu tử phân bố khó hoà tan: k ≈ β x x
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 = k t y dF (y - y*) dG
dF = k τ(y− y ) y cb
Mặt khác lượng vật chất dG có thể xác định theo phương trình bằng vật liệu: dG =-Gydy G dy dF = − y τ K y − y* y ( )
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 y S: xác định Lấy tích phân G c dy G F = − y ∫ = y S bằng phương τ k y τ k y − y* y pháp đồ thị d y Thay: G G = y
Đây là trường hợp vật chất khuếch tán từ pha y − y d c
Φy vào pha Φx, nghĩa là trường hợp nồng độ
cấu tử phân bố trong pha Φy giảm và trong pha Có: G S F = Φx tăng. τ K y − y y d c
Đối với trường hợp ngược lại là khi vật chất y − y
khuếch tán từ pha Φx vào pha Φy, trong công
G = K τ F d c y
thức động lực trung bình tích phân cần thay đổi S
vị trí của các đại lượng nồng độ trong công thức cho nhau. y − y Tương tự: Δy = d c y − y tb d c x − x S Δy = tb y c d d dy Δx = tb x ∫ c dx y − y * ∫ yc x * −x xd
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 = k t y dF (y - y*) dG
dF = k τ(y− y ) y cb
Mặt khác lượng vật chất dG có thể xác định theo phương trình bằng vật liệu: dG =-Gydy G dy dF = − y τ K y − y* y ( )
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 y S: xác định Lấy tích phân G c dy G F = − y ∫ = y S bằng phương τ k y τ k y − y* y pháp đồ thị d y Thay: G G = y
Đây là trường hợp vật chất khuếch tán từ pha y − y d c
Φy vào pha Φx, nghĩa là trường hợp nồng độ
cấu tử phân bố trong pha Φy giảm và trong pha Có: G S F = Φx tăng. τ K y − y y d c
Đối với trường hợp ngược lại là khi vật chất y − y
khuếch tán từ pha Φx vào pha Φy, trong công
G = K τ F d c y
thức động lực trung bình tích phân cần thay đổi S
vị trí của các đại lượng nồng độ trong công thức cho nhau. y − y Tương tự: Δy = d c y − y tb d c x − x S Δy = tb y c d d dy Δx = tb x ∫ c dx y − y * ∫ yc x * −x xd
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 y S: xác định Lấy tích phân G c dy G F = − y ∫ = y S bằng phương τ k y τ k y − y* y pháp đồ thị d y Thay: G G = y
Đây là trường hợp vật chất khuếch tán từ pha y − y d c
Φy vào pha Φx, nghĩa là trường hợp nồng độ
cấu tử phân bố trong pha Φy giảm và trong pha Có: G S F = Φx tăng. τ K y − y y d c
Đối với trường hợp ngược lại là khi vật chất y − y
khuếch tán từ pha Φx vào pha Φy, trong công
G = K τ F d c y
thức động lực trung bình tích phân cần thay đổi S
vị trí của các đại lượng nồng độ trong công thức cho nhau. y − y Tương tự: Δy = d c y − y tb d c x − x S Δy = tb y c d d dy Δx = tb x ∫ c dx y − y * ∫ yc x * −x xd
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 = k t y dF (y - y*) dG
dF = k τ(y− y ) y cb
Mặt khác lượng vật chất dG có thể xác định theo phương trình bằng vật liệu: dG =-Gydy G dy dF = − y τ K y − y* y ( )
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 y S: xác định Lấy tích phân G c dy G F = − y ∫ = y S bằng phương τ k y τ k y − y* y pháp đồ thị d y Thay: G G = y
Đây là trường hợp vật chất khuếch tán từ pha y − y d c
Φy vào pha Φx, nghĩa là trường hợp nồng độ
cấu tử phân bố trong pha Φy giảm và trong pha Có: G S F = Φx tăng. τ K y − y y d c
Đối với trường hợp ngược lại là khi vật chất y − y
khuếch tán từ pha Φx vào pha Φy, trong công
G = K τ F d c y
thức động lực trung bình tích phân cần thay đổi S
vị trí của các đại lượng nồng độ trong công thức cho nhau. y − y Tương tự: Δy = d c y − y tb d c x − x S Δy = tb y c d d dy Δx = tb x ∫ c dx y − y * ∫ yc x * −x xd
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 y S: xác định Lấy tích phân G c dy G F = − y ∫ = y S bằng phương τ k y τ k y − y* y pháp đồ thị d y Thay: G G = y
Đây là trường hợp vật chất khuếch tán từ pha y − y d c
Φy vào pha Φx, nghĩa là trường hợp nồng độ
cấu tử phân bố trong pha Φy giảm và trong pha Có: G S F = Φx tăng. τ K y − y y d c
Đối với trường hợp ngược lại là khi vật chất y − y
khuếch tán từ pha Φx vào pha Φy, trong công
G = K τ F d c y
thức động lực trung bình tích phân cần thay đổi S
vị trí của các đại lượng nồng độ trong công thức cho nhau. y − y Tương tự: Δy = d c y − y tb d c x − x S Δy = tb y c d d dy Δx = tb x ∫ c dx y − y * ∫ yc x * −x xd
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Cơ chế truyền nhiệt và chuyển khối trong chất lỏng Phạm vi Chuyển khối Truyền nhiệt Khuyêch tán Qui mô phân tử Dẫn nhiệt phân tử Truyền nhiệt đối Qui mô vĩ Đối lưu lưu mô/macroscopic Bức xạ nhiệt
Trong các quá trình kỹ thuật: Các quá trình vận chuyển qui
mô phân tử chỉ xảy ra tại những nơi không có dòng đối lưu
VD: trong các lỗ rỗng mao quản trong chất rắn, trong cấu
trúc màng và trong lớp biên chảy dòng
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Đồng dạng giữa truyền nhiệt và chuyển khối
Quá trình ổn định trong hệ tĩnh Định luật Fick 1 Định luật Fourier 1 dc dT n! = -D q! = -l 12 dx dx
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Đồng dạng giữa truyền nhiệt và chuyển khối
Quá trình ổn định trong hệ tĩnh
Tích phân từ 0 đến x, ca và c tương tự Ta vàT được Dòng khối Dòng nhiệt D l(T -T l - a ) (T T a ) 12 (c - c - a ) D12(c c a ) n e ! = = q e ! = = x x D x x D Phân bố nồng độ Phân bố nhiệt độ c = c - - T = T - - a (T T a e ) x a (ca e) x c x D x D c Konzentration [mol/m3]
q! Wärmestromdichte [W/m2],
D12 bin. Diffusionskoeffizient [m2/s] [kJ/s/m2] n! Stoffstromdichte [mol/s/m2] T Temperatur [K] x Länge [m]
l Wärmeleitkoeffizient [W/m/k]
Chương 1: Các kiến thức cơ bản của quá trình chuyển khối
Đồng dạng giữa truyền nhiệt và chuyển khối
Quá trình ổn định trong hệ tĩnh Định luật Fick 2 Định luật Fourier 2 2 d c d c 2 = D d T d T 12 = 2 d a t d x 2 d t d x