Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 1, Phần 2: 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
1.6 ĐỘNG HỌC TRUYỀN KHỐI
Muïc tieâu: khaûo saùt caùc quy luaät chuyeån ñoäng vaø xaùc ñònh vaän toác truyeàn khoái.
Quaù trình truyeàn khoái chæ xaûy ra khi caân baèng pha bò phaù vôõ, khi ñoù caáu töû chính seõ dòch
chuyeån trong moät pha hoaëc töø pha naøy vaøo pha khaùc cho ñeán khi ñaït traïng thaùi caân baèng
môùi.
Caân baèng pha bò maát khi coù söï cheânh leäch noàng ñoä, nhieät ñoä hoaëc coù söï chuyeån ñoäng töï
nhieân hay cöôõng böùc cuûa caùc doøng.
1.6.1 Vaän toác truyeàn khoái
Vaän toác truyeàn khoái laø khoái löôïng caáu töû phaân taùn ñi qua moät ñôn vò dieän tích theo moät
ñôn vò thôøi gian theo höôùng lan truyeàn vaät chaát.
dM
, kg/m2.s
u =
dF.dτ
Vaän toác truyeàn khoái phuï thuoäc vaøo traïng thaùi pha ( chuyeån ñoäng hoaëc ñöùng yeân).
Ñoái vôùi moâi tröôøng ñöùng yeân, vaän toác truyeàn khoái ñöôïc xaùc ñònh bôûi söï khueách taùn phaân
töû. Ñoái vôùi moâi tröôøng chuyeån ñoäng, vaän toác truyeàn khoái ñöôïc xaùc ñònh baèng khueách taùn
phaân töû vaø khueách taùn ñoái löu.
1.6.2 Khueách taùn phaân töû
1.6.2.1 Ñònh luaät Fick thöù 1
Vaän toác khueách taùn phaân töû
dM
dC
dn
u =
= −D.
F.dτ
Trong ñoù :
D : heä soá khueách taùn phaân töû
dC
: gradient noàng ñoä ñaëc tröng cho söï bieán ñoåi noàng ñoä theo höôùng khueách taùn,
dn
laø ñoäng löïc cuûa quaù trình truyeàn khoái.
Phöông trình vaän chuyeån vaät chaát (Ñònh luaät Fick thöù 1):
dC
M = −D.F.τ.
dn
Khoái löôïng vaät chaát ñi qua beà maët tieáp xuùc pha trong khoaûng thôøi gian tyû leä vôùi söï thay ñoåi
noàng ñoä caáu töû ñoù theo chieàu daøy tieáp xuùc pha.
D.F.ΔC.τ
M =
δ
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
1
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Trong ñoù:
M:
khoái löôïng vaät chaát ñi qua beà maët tieáp xuùc pha, kg.
dieän tích beà maët tieáp xuùc pha, m2.
F:
ΔC: söï bieán thieân noàng ñoä caáu töû, kg/m3.
τ:
δ:
D:
thôøi gian, s.
chieàu daøy tieáp xuùc pha, m.
heä soá khueách taùn phaân töû, m2/s.
Khueách taùn phaân töû xaûy ra chaäm trong pha loûng vaø raén.
1.6.2.2 Heä soá khueách taùn phaân töû
Heä soá khueách taùn phaân töû ñaëc tröng cho löôïng vaät chaát thaåm thaáu qua moät ñôn vò beà maët
trong moät ñôn vò thôøi gian khi gradient noàng ñoä laø 1.
Heä soá khueách taùn phaân töû phuï thuoäc vaøo tính chaát moâi tröôøng vaø vaät chaát ( caáu töû phaân
phoái), nhieät ñoä vaø aùp suaát.
Giaù trò D ñöôïc tra töø taøi lieäu hoaëc tính theo coâng thöùc thöïc nghieäm.
Ñoái vôùi chaát khí:
4,3.10−7 T 3 / 2
1
1
Dk =
+
2
v1A/ 3 + v1B/ 3
)
M A M B
P
(
Trong ñoù:
Dk: heä soá khueách taùn phaân töû trong pha khí, m2/s
T: nhieät ñoä, oK
P: aùp suaát, kg/cm2 hoaëc MPa
MA, MB: khoái löôïng mol töông öùng cuûa khí A vaø khí B, kg/mol.
vA, vB: theå tích mol khí A vaø B, ñöôïc xaùc ñònh baèng toång theå tích nguyeân töû caùc
nguyeân toá coù trong thaønh phaàn khí.
⎛ ⎞3
2
P T2
1
D = D . .
⎜ ⎟
k2
k1
P T
2
⎝
1
⎠
Với: D1, D2: heä soá khueách taùn phaân töû töông öùng vôùi nhieät ñoä T1, T2 vaø aùp suaát P1, P2.
Ñoái vôùi chaát loûng:
1.10−6
1
1
D =
+
1
3
1
t
2
3
M A MB
AB μ (vA + vB )
Trong ñoù:
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
2
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Dl: heä soá khueách taùn trong pha loûng, m2/s
μ: ñoä nhôùt ñoäng löïc cuûa chaát loûng, mPa.s
vA vaø vB: theå tích mol cuûa chaát tan vaø dung moâi, …
MA, MB: khoái löôïng mol cuûa chaát tan vaø dung moâi, kg/mol.
A, B: heä soá phuï thuoäc tính chaát chaát tan vaø dung moâi (tra cứu TLTK).
D = D 1+ b(t − 20)
[
lt
l20
Trong ñoù:
b: heä soá nhieät ñoä, ñöôïc tính baèng coâng thöùc sau:
0.2 μ
b =
3
ρ
μ: ñoä nhôùt ñoäng löïc cuûa chaát loûng ôû 20oC, mPa.s.
ρ: khoái löôïng rieâng chaát loûng ôû 20oC, kg/m3
t: nhieät ñoä, oC
1.6.3 Khueách taùn ñoái löu
Laø söï khueách taùn dieãn ra trong moâi tröôøng chuyeån ñoäng. Caáu töû muïc tieâu chuyeån töø pha
naøy vaøo pha khaùc khoâng chæ do söï chuyeån ñoäng cuûa caùc phaân töû, maø coøn do chuyeån ñoäng
töông ñoái cuûa pha naøy vôùi pha kia vôùi vaän toác lôùn hôn raát nhieàu so vôùi khueách taùn phaân
töû.
u khuếch taùn đối lưu >> u khueách taùn phaân töû
Trong khueách taùn ñoái löu, söï vaän chuyeån vaät chaát dieãn ra khoâng chæ theo phöông doøng
chaûy maø quaù trình naøy coøn theo maët caét ngang cuûa noù.
Söï vaän chuyeån vaät chaát, ví duï töø pha khí vaøo pha loûng, do truyeàn chaát trong moãi pha coù
theå bieåu dieãn nhôø giaû thieát veà lôùp bieân.
Vaän toác khueách taùn ñoái löu
M = β.ΔC.F.τ
Trong ñoù:
ΔC: ñoäng löïc quaù trình truyeàn khoái, kg/m3. Ta coù: ΔC = C - Cgh
F:
τ:
β:
dieän tích beà maët tieáp xuùc pha, m2.
thôøi gian, s.
heä soá khueách taùn ñoái löu (hay heä soá truyeàn khoái)
M
kg
1
⎡
⎣
⎤
⎦
β =
=
.
2
⎢
⎥
ΔC.F.τ
m .s dvC
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
3
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Heä soá truyeàn khoái β phuï thuoäc vaøo cheá ñoä chaûy, tính chaát hoaù lyù cuûa moâi tröôøng vaø caáu
töû chính, phuï thuoäc vaøo hình daùng vaø kích thöôùc cuûa beà maët phaân chia pha.
1.7 PHÖÔNG TRÌNH VI PHAÂN QUAÙ TRÌNH KHUEÁCH TAÙN
1.7.1 Khueách taùn phaân töû
Ta taùch moät phaàn töû theå tích ñöùng yeân trong doøng chuyeån ñoäng.
z
dV
’’
’
dMx
dMx
dy
y
y+dy
dx
x
x+dx
x
y
Theo Ñònh luaät Fick thöù 1, löôïng vaät chaát vaän chuyeån theo phöông x vaøo nguyeân toá theå
tích dV (dx.dy.dz):
∂C
∂x
Mx = −D.(dy.dz).
.dτ
Töông töï, ñoái vôùi doøng ra:
∂
∂x
∂C
∂x
⎛
⎞
⎠
Mx+dx = −D.(dy.dz).
C +
dx .dτ
⎜
⎝
⎟
Trong ñoù:
∂C
∂x
dx
- söï bieán ñoåi noàng ñoä treân ñoaïn dx
Söï bieán thieân vaät chaát theo thôøi gian qua nguyeân toá theå tích theo phöông x:
∂2C
dMx = Mx − Mx+dx = D.(dy.dz).
∂2C
.dx.dτ
∂x2
dMx = D.
.dV.dτ
∂x2
Töông töï, theo phöông y vaø z:
∂2C
dM y = D.
dMz = D.
.dV.dτ
∂y2
∂2C
∂z2
.dV.dτ
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
4
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Söï bieán thieân vaät chaát toaøn phaàn:
dM = dMx + dM y + dMz
2
2
2
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
∂ C ∂ C ∂ C
dM = D
+
+
.dV.dτ
∂x2 ∂y2 ∂z2
144424443
∀2C
dM = D.∀2C.dV.dτ
1.7.2 Khueách taùn ñoái löu
Vaän toác truyeàn khoái khueách taùn ñoái löu = vaän toác truyeàn khoái khueách taùn phaân töû + vaän
toác chuyeån ñoäng cuûa khoái lôùn.
dMx = dMx + dMx
1
2
Khueách taùn phaân töû theo phöông x:
∂2C
dMx = D.
.dV.dτ
∂x2
1
Chuyeån ñoäng cuûa khoái lôùn theo phöông x:
Mx = ωx.dy.dz.C.dτ
ÔÛ vò trí (x+dx):
∂C
∂x
Mx+dx = ωx.dy.dz.(C +
).dτ
∂C
∂x
dMx = Mx − Mx+dx = −ωx.( ).dx.dy.dz.dτ
2
Toång coäng:
∂2C
∂x2
∂C
∂x
∂2C
∂x2
∂C
∂x
⎛
⎞
⎛
⎞
⎜
⎟
⎟
⎜
⎟
⎟
dM x = D
−ωx
dx.dy.dz.dτ = D
−ωx
dV.dτ
⎜
⎜
14243
⎝
⎠
⎝
⎠
dV
Töông töï ñoái vôùi phöông y vaø z:
∂2C
∂y2
∂C
∂y
⎛
⎞
⎜
⎟
⎟
dM y = D
− ωy
−ωz
dV.dτ
dV.dτ
⎜
⎝
⎠
⎞
∂2C
∂z2
∂C
∂z
⎛
⎜
⎟
⎟
dM z = D
⎜
⎝
⎠
dM = dMx + dM y + dMz
Coù:
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
5
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
⎡
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
2
2
2
⎢
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
⎛
⎞
∂ C ∂ C ∂ C
∂C
∂x
∂C
∂y
∂C
∂z
⎢
dM = D
+
+
− ω
⎜
+ωy
+ωz
.dV.dτ
x
⎟
∂x2 ∂y2 ∂z2
⎢
⎢
⎝
⎠
1 4 442 4 4 43
2
14444∀4C44444244444444443
⎣
⎦
∂C
∂τ
⎛
⎞
dC
∂C
∂x
∂C
∂y
∂C
∂z
= D.∀2C − ωc
+ωy
+ωz
⎜
⎟
⎠
→
dτ
⎝
Tham khaûo:SV töï ñoïc theâm “Khueách taùn oån ñònh trong moâi tröôøng chuyeån ñoäng”
a) Khueách taùn trong maøng rôi
b) Khueách taùn trong chaát chuyeån ñoäng theo thaønh oáng troøn
c) Khueách taùn töø nguoàn ñieåm vaøo moâi tröôøng chuyeån ñoäng
d) Khueách taùn trong moät haït
(TLTK: Truyeàn khoái – Vuõ Baù Minh)
1.8 ÑOÄNG HOÏC TRUYEÀN KHOÁI GIÖÕA 2 PHA
Höôùng truyeàn khoái vaø ñoäng löïc cuûa quaù trình truyeàn khoái:
Höôùng: Töø nôi pha coù noàng ñoä cao hôn traïng thaùi caân baèng ñeán pha coù noàng ñoä thaáp. Söï
cheânh leäch vôùi traïng thaùi caân baèng caøng cao thì quaù trình caøng maõnh lieät.
Ñoäng löïc: Xaùc ñònh möùc ñoä sai leäch khoûi traïng thaùi caân baèng vaø coù theå bieåu dieãn laø
hieäu noàng ñoä caáu töû muïc tieâu trong caùc pha Δy hoaëc Δx.
Moâ hình truyeàn khoái 2 lôùp phim (Two Layers Theory):
Caùc vaán ñeà cô baûn cuûa moâ hình 2 lôùp film cuûa Louis vaø Uitmen nhö sau:
1. Taïi ranh giôùi phaân chia 2 pha, töø phía moãi pha xuaát hieän caùc lôùp phim (phim khí,
phim loûng…), taïo ra trôû löïc chính ñoái vôùi söï vaän chuyeån vaät chaát töø pha naøy vaøo pha
kia.
2. Taïi ranh giôùi phaân chia 2 pha, ñieàu kieän caân baèng ñoäng hình thaønh nghóa laø ñaït
ñieàu kieän truyeàn khoái oån ñònh.
3. Doøng caáu töû khueách taùn trong giôùi haïn moãi pha, tæ leä thuaän hieäu noàng ñoä hoaëc
hieäu aùp suaát rieâng phaàn cuûa caáu töû giöõa nhaân doøng (C,P) (hoaëc Y, X)vaø taïi lôùp
ranh (Ctm, Pbm) (hoaëc Ybm, Xbm).
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
6
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Bề mặt phân chia 2 pha
Pha khí
Phalỏng
Lớp phim lỏng
Lớp phim khí
Lý thuyết 2 lớp phim
Hình bên dưới thể hiện gradient nồng độ gần bề mặt phân pha của quá trình chưng cất (hình
a) và quá trình hấp thụ khí có độ hòa tan cao (hình b).
4.7.2
Tham khaûo: Ngoaøi lyù thuyeát 2 lôùp phim, SV coù theå töï ñoïc theâm caùc hoïc thuyeát khaùc
trong phaàn TLTK nhö Thuyeát lôùp phim, Thuyeát lôùp bieân, Thuyeát thaåm thaáu.
Phaàn ñoïc theâm:
1.Moâ hình khueách taùn trong lôùp bieân:
Lôùp bieân khueách taùn ñöôïc hieåu laø hôïp chaât loûng saùt beà maët phaân chia pha, trong ñoù dieãn ra söï
khueách taùn phaân töû vaø coù söï thay ñoåi ñoät ngoät noàng ñoä caáu töû. Chieàu daøy hieäu duïng cuûa lôùp bieân δ
xaùc ñònh theo coâng thöùc:
1
1
z
6
6
δ ≈ D .ν .
ω
ω:
D:
z:
vaän toác doøng
heä soá khueách taùn phaân töû
khoaûng caùch töø ñieåm chaûy cuûa doøng ñeán thaân
ñoä nhôùt ñoäng hoïc
ν:
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
7
Baøi giaûng tóm tắt Quaù trình Hóa học và Hóa lý trong kỹ thuật môi trường
Moãi chaát vôùi heä soá kheách taùn cuûa mình seõ coù moät lôùp bieân rieâng. Neáu khueách taùn nhieàu chaát seõ coù
nhieàu lôùp bieân. Trong lôùp bieân khueách taùn coù:
1. Söï chuyeån ñoäng cuûa chaát loûng vaø söï truyeàn khoái ñoái löu
2. Khueách taùn phaân töû vaø ñ/v theo höôùng vuoâng goùc
3. Khoâng bieãu dieãn ranh giôùi cuûa caùc lôùp
Heä soá khueách taùn xoaùy roái:
ϑo
λ
ρ.ϑo3
δ
Dt = z2
= z2 .
δ
ρ.ϑo2
λ =
Theo coâng thöùc naøy, heä soá khueách taùn xoaùy roái caøng giaûm neáu caøng gaàn beà maët phaân chia pha
vaø khi chieàu daøy lôùp bieân baèng heä soá khueách taùn phaân töû:
ϑo .δ 2
DM = Dt =
λ
Nhö vaäy doøng ñöôïc chia ra laøm 2 vuøng. Moät laø vuøng saùt vôùi beà maët phaân chia pha chieàu daøy δ,
trong ñoù heä soá khueách taùn xoaùy roái lôùn hôn heä soá khueách taùn phaân töû.
2.Moâ hình thaåm thaáu vaø thu hoài beà maët
Moâ hình thaåm thaáu chaáp nhaän söï tieáp xuùc töùc thôøi vì cho raèng quaù trình khueách taùn khoâng oån ñònh.
Higb giaûi phöông trình ñoái vôùi thieát bò chuyeån ñoäng vaø bieåu dieãn löôïng phaân töû A ñi qua 1 ñôn vò
thôøi gian treân moät dieän tích maët caét ngang ôû daïng ñaúng thöùc sau:
Theo moâ hình naøy lôùp film hoaëc lôùp maøng khoâng toàn taïi. Truyeàn khoái dieãn ra nhôø caû 2 quaù trình
khueách taùn phaân töû vaø ñoái löu. Do ñoù ñaëc tröng chung cho truyeàn khoái laø heä soá khueách taùn:
De = DT + DM
Moâ hình naøy cho keát quaû laø heä soá truyeàn khoái tyû leä vôùi heä soá khueách taùn phaân töû vôùi baäc nhoû
hôn ½.
Tham khaûo: SV tham khaûo theâm caùc moâ hình truyeàn khoái khaùc trong phaàn TLTK nhö
moâ hình truyeàn khoái haáp phuï, moâ hình truyeàn khoái theo giaû thuyeát veà söï xoaùy roái giöõa caùc
pha.
DuMyLe - Khoa Môi trường, ĐHBK Tp.HCM
8
8 trang
28/04/2022
4880
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 1, Phần 2: 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
