Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 1, Phần 1: Cơ sở quá trình truyền khối và phân riêng
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Phaàn I – Tổng quan Kỹ thuật Truyền khối và Phân riêng
Chöông 1
CÔ SÔÛ QUAÙ TRÌNH TRUYEÀN KHOÁI vaø PHAÂN RIEÂNG
Mass Transfer and Separation Processes
Lưu ý chung dành cho SV khi học phần này:
1. SV nên học theo bố cục trong bài giảng tóm tắt và đọc các nội dung liên quan trong
SGK (các nội dung này sẽ được ghi chú rõ trong bài giảng). Phần bài tập, SV có thể
tham khảo các ví dụ có lời giải trong SGK được gợi ý trong bài giảng và tự làm các
bài tập rèn luyện được đề cập ở cuối các chương.
2. SGK tham khảo chính: Truyền Khối – Vũ Bá Minh, NXB ĐHQG Tp.HCM.
Các nội dung chính trong SGK được dịch từ tài liệu gốc: Mass Transfer Operations,
Mc Graw Hill Book Company. Trong trường hợp muốn tìm hiểu hoặc cần kiểm tra số
liệu tra cứu, đính chính công thức... SV có thể tham khảo trực tiếp trên tài liệu gốc
bằng tiếng Anh.
3. Ngoài ra, nếu muốn hiểu sâu nội dung kỹ thuật phản ứng hóa học, SV có thể tham
khảo các tài liệu tiếng Việt như: (1) Bài tập Truyền khối – Trịnh Văn Dũng, ĐHBK
Tp.HCM;
hoặc tiếng Anh: (2) Unit Operations of Chemical Engineering – Warren L.Mc.Cabe
& Peter Harriott (3) Diffusion, Mass Tranfer in Fluid Systems – E.L.Cussler,
Cambridge.
Nội dung trong các tài liệu tham khảo phần nhiều dành cho SV thuộc lĩnh vực kỹ
thuật hóa học.
Đối với SV thuộc lĩnh vực môi trường, nên nắm vững phần kiến thức chính theo thứ
tự trong bố cục bài giảng TRƯỚC khi muốn tham khảo các tài liệu khác.
Muïc ñích nghieân cöùu Truyền khối và Phân riêng trong lónh vöïc xöû lyù moâi tröôøng laø nhaèm
sử dụng các quá trình hóa lý, hóa học để tạo nên sự di chuyển chất ô nhiễm (độc hại) từ pha
này sang pha khác hoặc biến đổi chất ô nhiễm thành:
• Chất vô hại, chất trơ;
• hoặc chuyển thành các chất có độ độc hại thấp, chất dễ xử lý hơn;
• chuyển thành nguyên liệu sản xuất khác…
1.1 ÑÒNH NGHÓA
Quá trình truyền khối (hay phân riêng bằng các phương pháp hóa lý) đóng vai trò chủ yếu
trong công nghiệp hóa học, sản xuất thực phẩm, công nghệ vật liệu, kỹ thuật xử lý môi
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
1
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
trường … để tách các chất ra khỏi nguyên liệu, thu hồi và làm tinh khiết các sản phẩm
chính, giảm thiểu các chất gây ô nhiễm trong dòng nước hoặc khí thải.
Để làm được điều này, các dòng vật chất (hoặc các pha) cần được phối trộn (Mixing) với
nhau.
Mixing:
Phân riêng (Separation) là quá trình ngược của quá trình phối trộn các cấu tử.
Separation: được đề cập chủ yếu trong các giáo trình như Unit Operations hoặc Mass
Transfer Operations.
Kỹ thuật “Phân riêng các cấu tử” là lĩnh vực rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học
trọng yếu ngày nay như công nghệ sinh học (Biotechnology) và lĩnh vực bảo vệ môi trường
(Environmental Protection)…
Quote: “A Chemical / Environmental Engineer must be familiar with the working
principles of a variety of separation methods.” – Prof. S.Farooq, Department of Chemical
and Biomolecular Engineering.
Ví dụ:
- Sử dụng kỹ thuật phân riêng trong quá trình xử lý VOCs (Volatile Organic Compounds):
- Xử lý thành phần H2S trong khí thải:
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
2
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Truyền khối (Mass Transfer): là quá trình truyền vật chất trên qui mô phân tử trong nội bộ
một pha hoặc từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau.
Truyền khối còn gọi là quá trình khuếch tán (diffusion).
Động lức của quá trình truyền khối chính là sự sai biệt nồng độ làm cho chất khuếch tán
(cấu tử A) di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn.
Vì vậy, ta còn có thể định nghĩa: Truyeàn khoái laø quaù trình vaän chuyeån vaät chaát trong moät
pha vaø töø pha naøy vaøo pha khaùc theo höôùng ñaït traïng thaùi caân baèng.
Khi ñaït ñeán traïng thaùi caân baèng:
• Trong 1 pha: noàng ñoä laø khoâng ñoåi.
• Noàng ñoä caân baèng ôû 2 pha laø khaùc nhau.
Caùc quaù trình truyeàn khoái bao goàm:
- Haáp thuï: laø quaù trình vaän chuyeån vaät chaát töø pha khí vaøo pha loûng döïa treân khaû naêng
hoaø tan cuûa chaát khí vaøo chaát loûng. Haáp thuï ñöôïc chia laøm 2 loaïi: haáp thuï vaät lyù vaø haáp
thuï hoùa hoïc.
- Chöng caát: laø quaù trình phaân taùch caùc hoãn hôïp loûng thaønh caùc caáu töû rieâng bieät döïa
treân ñieàu kieän hoaù hôi khaùc nhau cuûa chuùng, trong ñoù, vaät chaát ñi töø pha loûng vaøo pha
hôi.
- Haáp phuï: laø quaù trình loâi cuoán moïât hay nhieàu caáu töû trong pha khí hay loûng bôûi chaát
raén (goïi laø chaát haáp phuï).
- Saáy: laø quaù trình taùch nöôùc ra khoûi vaät lieäu aåm, trong ñoù, nöôùc ñi töø pha raén vaøo pha
khí.
- Trích ly: goàm coù trích ly loûng – loûng vaø trích ly raén – loûng. Trích ly loûng – loûng laø
quaù trình taùch chaát hoaø tan trong chaát loûng khoâng hoaø tan vaøo chaát loûng cho tröôùc. Trích
ly raén – loûng laø quaù trình hoaø tan coù choïn löïa moät caáu töû trong chaát raén baèng moät dung
moâi loûng.
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
3
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
- Keát tinh: laø quaù trình taùch chaát raén ra khoûi dung dòch, trong ñoù, vaät chaát ñi töø pha
loûng vaøo pha raén.
- Hoøa tan: laø quaù trình vaän chuyeån vaät chaát töø pha raén vaøo pha loûng, do ñoù, caáu truùc
chaát raén bò thay ñoåi.
Caùc quaù trình truyeàn khoái coøn ñöôïc goïi laø quaù trình khueách taùn laø vì vaän toác cuûa chuùng
ñöôïc xaùc ñònh baèng vaän toác khueách taùn vôùi söï tham gia ít nhaát cuûa 2 caáu töû.
1.2 BIEÅU DIEÃN THAØNH PHAÀN PHA
Kyù hieäu pha: - Pha nheï: pha y
- Pha naëng: pha x
Ví duï:
Quaù trình
Haáp thuï
Pha nheï – pha y
Pha naëng – pha x
Khí
Loûng
Khí
Loûng
Raén
Raén
Haáp phuï
Haáp phuï
Moãi pha coù theå chöùa vaøi caáu töû, caáu töû tham gia tröïc tieáp vaøo quaù trình truyeàn khoái ñöôïc
goïi laø caáu töû chính (caáu töû A) hay coøn goïi laø caáu töû phaân taùn, caáu töû coøn laïi laø caáu töû
mang hay caáu töû trô.
Trong quaù trình phaân tích vaø tính toaùn truyeàn khoái caàn phaûi bieát thaønh phaàn pha. Thaønh
phaàn pha ñöôïc ñaëc tröng bôûi caùc caáu töû chính.
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
4
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Thaønh phaàn pha thöôøng ñöôïc bieåu dieãn thoâng qua caùc ñaïi löôïng sau:
Teân goïi
1. Phaàn mol
Ñôn vò
Pha loûng
Pha khí
kmolA
y
x
kmol(A+ B)
kgA
2. Phaàn khoái löôïng
y
x
kg(A+ B)
kmolA
kmolB
3. Tæ soá mol
X
Y
kgA
kgB
4. Tæ soá khoái löôïng
X
Y
kmolA
m3 (A+ B)
5. Noàng ñoä mol
Cy
Cx
kgA
m3 (A+ B)
6. Noàng ñoä khoái löôïng
Cy
Cx
Theo ñònh luaät Dalton, phaàn mol y cuûa moät caáu töû trong hoãn hôïp khí lyù töôûng baèng:
pi
yi =
P
n
Vôùi: P = p : aùp suaát caân baèng cuûa hoãn hôïp khí
∑
i
i=1
p i = aùp suaát rieâng phaàn cuûa caáu töû trong hoãn hôïp khí
1.3 CAÙC COÂNG THÖÙC CHUYEÅN ÑOÅI BIEÅU NOÀNG ÑOÂ
Bảng bên dưới thể hiện các công thức chuyển đổi qua lại giữa các đại lượng.
Trong đó:
- Trong pha loûng, ñoái vôùi heä 2 caáu töû :
Mhh = MA x + MB (1 − x)
- ρ: Khoái löôïng rieâng cuûa hoãn hôïp, kg/m3.
Cx
C
x
- Töông töï ñoái vôùi pha khí, thay theá x, , X , X , ,
baèng caùc giaù trò töông
x
C
y
C
Y
öùng y , , Y , ,
,
.
y
y
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
5
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Cx
Cx
x
x
X
X
xMhh
MA
CxMhh
CxMhh
ρMA
ρ
hay
MB X
X
hay
hay
x
_
1+ X
MB X + MA
x
CxMB
MA
CxMB
ρ + Cx (MB − MA )
(1 − x)
ρMA + Cx (MB − MA )
x
+
MA
Mb
MAx
Mhh
MA X
CxMA
Cx
X
x
_
MA X + MB
ρ
ρ
1+ X
MBCx
xMB
MB Cx
x
MB X
MA
_
X
ρ − MACx
1− x
MA (1 − x)
MA (ρ −Cx )
MAx
MA X
MB
MACx
Cx
x
_
X
MB (1 − x)
ρ − MACx
ρ −Cx
(1 − x)
ρx
Mhh
ρ X
MA X + MB
ρ X
MA (X +1)
xρ
MA
Cx
Cx
_
MA
ρMAx
Mhh
MAρ X
MA X + MB
ρ X
X +1
MACx
Cx
ρ x
_
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
6
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
1.4 TĨNH HỌC TRUYỀN KHỐI
1.4.1 Muïc ñích
Xaùc ñònh tyû leä caân baèng cuûa caùc caáu töû coù trong heä. Trong phaân thöùc vaø tính toaùn traïng
thaùi caân baèng ña caáu töû, ngöôøi ta söû duïng nguyeân lyù pha, ñònh luaät Mendeleev
Clapeyron, ñònh luaät Dalton, Rault, Henry. Döïa treân cô sôû caùc ñònh luaät naøy coù theå xaùc
ñònh ñöôïc höôùng vaän chuyeån vaät chaát vaø xaùc ñònh ñöôïc phaïm vi giôùi haïn cuûa quaù trình.
1.4.2 Nguyeân lyù pha
Nguyeân lyù pha cho pheùp xaùc ñònh traïng thaùi caân baèng trong heä vaø chæ ra soá tham soá coù
theå thay ñoåi tuyø yù maø khoâng phaù vôõ thaønh phaàn pha.
C = K + N − F
Trong ñoù:
C : soá baäc töï do
K : soá caáu töû coù trong heä
N : soá yeáu toá beân ngoaøi xaùc ñònh traïng thaùi heä
F : soá pha
Ví duï: Quaù trình haáp thuï:
Ñaïi löôïng Giaù trò
K
F
3
2
3
4
Khí – loûng - caáu töû chính
Khí – loûng
N
C
Noàng ñoä – nhieät ñoä – aùp suaát
= 3 + 3 - 2
1.4.3 Caùc ñònh luaät trong tónh hoïc truyeàn khoái
1.4.3.1 Ñònh luaät Mendeleev – Claperon
Noàng ñoä phaàn mol cuûa caùc caáu töû trong hoãn hôïp khí ñöôïc tính theo ñònh luaät Mendeleev
– Claperon
• Caáu töû A: V.P = nA.R.T
A
• Caáu töû B: V.P = nB.R.T
B
V.(P + P ) = (nA + nB ).R.T
A
B
P
nA
P
nB
A
B
yA =
=
và yB =
=
P + P
nA + nB
P + P
nA + nB
A
B
A
B
P
nA yA
= =
A
Y =
Do đó
A
P
nB yB
B
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
7
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
1.4.3.2 Ñònh luaät Dalton
Aùp suaát rieâng phaàn cuûa caáu töû tyû leä thuaän vôùi phaàn mol cuûa cấu tử:
P = yAP
và P = yB P
A
B
P = P + P
A
B
Theå tích rieâng phaàn cuûa caùc caáu töû ôû traïng thaùi khí:
T P
o
, m3/kg
v = vo. .
To P
Trong ñoù:
vo: theå tích rieâng phaàn ôû ñieàu kieän tieâu chuaån
22.4
, m3/kg
vo =
M
Po: 760mmHg
Khoái löôïng rieâng cuûa pha khí:
To
P
, kg/m3
ρ = ρo. .
T P
o
1.4.3.3 Ñònh luaät Rault
Aùp suaát rieâng phaàn cuûa caáu töû baèng noàng ñoä phaàn mol trong dung dòch nhaân vôùi aùp suaát
baõo hoaø.
P = P .xA
A
a
Trong ñoù:
Pa: aùp suaát hôi baõo hoaø, phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä
xA: noàng ñoä phaàn mol trong dung dòch
1.4.3.4 Ñònh luaät Henry
Aùp suaát rieâng phaàn cuûa khí lyù töôûng hoaø tan trong dung dòch tyû leä thuaän vôùi noàng ñoä
phaàn mol cuûa caáu töû trong dung dòch ñoù.
P = H.xA
A
H: heä soá tyû leä Henry, phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä vaø ñöôïc xaùc ñònh baèng thöïc nghieäm.
1.4.4 Caân baèng pha
Caân baèng pha laø moät traïng thaùi nhieät ñoäng cuûa heä maø khi ñoù, vaän toác cuûa quaù trình thuaän
baèng vaän toác cuûa quaù trình nghòch hoaëc laø traïng thaùi nhieät ñoäng coù nhieät ñoä vaø aùp suaát
khoâng ñoåi theo thôøi gian.
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
8
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Daïng quan heä toång quaùt giöõa caùc thaønh phaàn pha ôû traïng thaùi caân baèng coù theå bieåu dieãn
y∗ = f (x)
nhö sau:
Vôùi: y* - noàng ñoä caân baèng cuûa caáu töû chính trong pha khí
x - noàng ñoä töông öùng cuûa caáu töû trong pha loûng
yA
Đường cân bằng y*= f(x)
xA
Tæ leä thaønh phaàn pha ôû traïng thaùi caân baèng ñöôïc goïi laø heä soá phaân phoái pha:
y∗
m =
x
ÔÛ noàng ñoä thaáp: m = const
Toång quaùt :
m = tgβ
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
9
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
1.5 PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
10
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
11
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Khi nghiên cứu quá trình truyền khối trong các hệ xử lý môi trường nhằm thiết kế thiết bị
xử lý, ta quan tâm khảo sát hai quá trình khuếch tán chính là khuếch tán phân tử
(Molecular Diffusion) và khuếch tán đối lưu (Turbulent Diffusion).
Quá trình phân tán (Dispersion) thường được khảo sát nhiều trong quá trình phát tán chất ô
nhiễm qua nguồn thải là nguồn điểm cao (ống khói nhà máy) hoặc nguồn điểm thấp (phát
thải từ phương tiện giao thông). Trong lĩnh vực quản lý và xử lý môi trường, quá trình này
còn được nghiên cứu phục vụ việc thiết lập các mô hình phát thải (Environmetal
Modelling).
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
12
12 trang
18320
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 1, Phần 1: Cơ sở quá trình truyền khối và phân riêng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_qua_trinh_hoa_hoc_va_hoa_ly_trong_ky_thuat_moi_tr.pdf
- Bat tap 10.pdf
- Vi du và BT Chuong 1 (tt).pdf
- Vi du và BT Chuong 1.pdf
