Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 1, Phần 3: Cơ sở quá trình truyền khối và phân riêng
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
1.9 PHÖÔNG TRÌNH TRUYEÀN KHOÁI TOÅNG QUAÙT
Hầu hết các quá trình truyền khối xảy ra ở trạng thái chảy rối.
Phương trình chung miêu tả quá trình truyền khối được đặc trưng bởi hệ số truyền khối.
Vì vaäy, ñeå coù theå vieát phöông trình truyeàn khoái, ta caàn xaùc ñònh heä soá truyeàn khoái chung cho caû
quaù trình (coøn goïi laø heä soá truyeàn khoái toång quaùt K hoaëc Kx, Ky)
Xaùc ñònh vaän toác truyeàn khoái trong pha khí
Töø phöông trình caân baèng vaät chaát:
(kg/s)
Xaùc ñònh vaän toác truyeàn khoái trong pha loûng
Töø phöông trình caân baèng vaät chaát:
(kg/s)
Trong ñoù:
vaø
: xaùc ñònh taïi beà maët phaân chia pha.
Y* = mX
Phöông trình ñöôøng caân baèng:
Neáu giaû thieát söï caân baèng dieãn ra töùc thôøi ngay trong beà maët phaân chia pha:
Chương 1
1
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
Töø caùc phöông trình treân, suy ra:
⎛
⎞
⎛
⎜
⎝
⎞
⎟
⎠
M
M
Y −
−Y* = m
⎜
⎜
⎟
⎟
→
βy .F
F.βx
⎝
⎠
⎛
⎞
M m
1
Y −Y* =
+
⎜
⎟
⎟
→
→
⎜
F βx βy
⎝
⎠
1
M =
.F. Y −Y*
(
)
⎛
⎞
1
m
+
⎜
⎜
⎟
⎟
βy βx
⎝
⎠
m
1
Goïi:
,
: heä soá trôû löïc pha y, pha x
: heä soá trôû löïc toång quaùt
βx
βy
1
m
+
βy βx
Ñaët: Ky: heä soá truyeàn khoái toång quaùt cuûa heä ñang khaûo saùt.
M = Ky.(Y −Y*).F
Ta coù:
M = Kx.(X * − X ).F
Töông töï:
Vaäy, heä soá truyeàn khoái toång quaùt coù theå xaùc ñònh qua bieåu thöùc:
1
1
Ky =
Kx =
vaø
1
m
1
1
+
+
βy βx
m.βy βx
YÙ nghóa cuûa caùc heä soá trôû löïc:
Tröôøng hôïp
m
YÙ nghóa
1
m
nhoû Trôû löïc pha khí quyeát ñònh quaù trình. Pha khí quyeát
ñònh vaän toác truyeàn khoái chung, khí hoaø tan toát trong
dung dòch (giaù trò m nhoû)
>>
βy
βx
Ky ≈ βy
Kx ≈ βx
1
1
lôùn Pha loûng quyeát ñònh vaän toác truyeàn khoái chung, khí
khoù tan trong dung dòch
<<
m.βy
βx
Chương 1
2
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
1.10 PHÖÔNG TRÌNH CAÂN BAÈNG VAÄT CHAÁT TRONG TRUYEÀN KHOÁI
Theo ñònh luaät baûo toaøn khoái löôïng:
G.Yd + L.X d = G.Yc + L.X c
Trong ñoù, G, L: löu löôïng khoái löôïng doøng khí vaø doøng loûng (khoâng bao goàm caáu töû
hoøa tan), kg trô/s. Löu löôïng naøy khoâng ñoåi theo thôøi gian.
X d Xc
,
: phaàn khoái löôïng cuûa caáu töû chính trong pha loûng taïi thôøi ñieåm
ñaàu vaø cuoái cuûa quaù trình truyeàn khoái, kg/kg trô.
Yd Yc
,
: phaàn khoái löôïng cuûa caáu töû chính trong pha khí taïi thôøi ñieåm ñaàu
vaø cuoái cuûa quaù trình truyeàn khoái, kg/kg trô.
Aùp duïng lyù thuyeát 2 lôùp phim, quaù trình ñöôïc bieåu dieãn theo hình sau :
Caùc quaù trình naøy, khi öùng duïng vaøo thieát bò truyeàn khoái, ta coù theå phaân chia laøm 2 daïng:
quaù trình xuoâi doøng vaø quaù trình ngöôïc doøng.
Chương 1
3
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
Phaàn lôùn caùc thieát bò truyeàn khoái söû duïng trong lónh vöïc xöû lyù moâi tröôøng ñeàu aùp duïng
nguyeân lyù ngöôïc doøng. Trong caùc thieát bò naøy, hai pha ñöôïc boá trí chuyeån ñoäng ngöôïc
chieàu nhau.
Chương 1
4
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
Xeùt quaù trình ngöôïc doøng, ta coù:
G.(Y d −Y c ) = L.(X c − Xd )
Ñoái vôùi tieát dieän ngang baát kyø
G.(Y d −Y) = L.(X c − X )
(*)
Phöông trình ñöôøng laøm vieäc
Giaûi phöông trình (*) theo Y, ta thu ñöôïc ñöôøng laøm vieäc laø ñöôøng thaúng coù daïng:
L
L
Y = X + (Y d − X c )
G
G
Tyû leä löu löôïng doøng loûng vaø khí coù theå ñöôïc xaùc ñònh nhö sau:
L
Y d −Y c
X c − X d
=
G
Tyû leä naøy coøn goïi laø löu löôïng rieâng cuûa chaát loûng: L/G = a, theå hieän döôùi daïng kgchaát
loûng tan / kg chaát khí trô.
Phöông trình ñöôøng laøm vieäc coù theå bieåu dieãn döôùi daïng:
1.11 ÑOÄNG LÖÏC TỨC THỜI VÀ ĐỘNG LỰC TRUNG BÌNH
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.
1.11.1 Ñoäng löïc töùc thôøi quaù trình truyeàn khoái
Ñoäng löïc cuûa moät quaù trình ñaëc tröng cho möùc ñoä cheânh leäch cuûa heä so vôùi traïng thaùi
caân baèng. Vì vaäy ñoái vôùi quaù trình truyeàn khoái, ñoäng löïc laø hieäu noàng ñoä laøm vieäc vaø
ΔY =Y −Y* ΔX = X − X*
noàng ñoä caân baèng cuûa caùc caáu töû phaân phoái, nghóa laø
,
.
Noàng ñoä laøm vieäc vaø noàng ñoä caân baèng töông öùng cuõng chæ coù theå laáy trong cuøng moät
pha. Vì vaäy ñoái vôùi quaù trình truyeàn khoái, giaù trò ñoäng löïc cuûa moãi pha seõ khaùc nhau
ΔY ≠ ΔX
(
).
Caùc heä soá truyeàn khoái seõ ñöôïc xaùc ñònh trong töøng pha töông öùng vôùi ñoäng löïc ñöôïc
choïn.
Giaù trò ñoäng löïc taïi baát kyø maët caét naøo cuûa thieát bò (giaù trò ñoäng löïc töùc thôøi hoaëc cuïc
Y − X
boä) coù theå ñöôïc xaùc ñònh baèng phöông phaùp ñoà thò treân giaûn ñoà (
). Giaûn ñoà naøy
bieåu dieãn ñöôøng caân baèng Y* = f X vaø ñöôøng laøm vieäc döôùi daïng Y = aX +b .
( )
Chương 1
5
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
Y
Y
Y = aX + b
Y = aX + b
Y * = f
X
( )
Y
Y * = f
X
( )
Y −Y*
X* − X
X
X
X
a/
b/
Y
Y
Y * = f
X
( )
Y * = f
X
( )
Y
Y* −Y
Y = aX + b
Y = aX + b
X − X*
X
X
X
c/
d/
Giaûn ñoà bieåu dieãn ñöôøng caân baèng y* = f(x) vaø ñöôøng laøm vieäc y=ax+b
a) Δy = y – y* > 0 b) Δx = x – x* < 0
c) Δy = y – y* < 0
d) Δx = x – x* > 0
Chương 1
6
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
1.11.2 Ñoäng löïc trung bình
Động lực trung bình quá trình truyền khối phụ thuộc vào chiều chuyển động tương đối của
các dòng.
X d
Yc
Yd
Xc
Töø giaù trò ñoäng löïc töùc thôøi theo chieàu daøi cuûa thieát bò hoaëc theo beà maët tieáp xuùc pha, ta
coù theå tính giaù trò ñoäng löïc trung bình.
Trong quaù trình tính toaùn ñoäng löïc trung bình, coù theå gaëp 2 tröôøng hôïp:
1. Ñöôøng caân baèng laø ñöôøng cong: Y* = f X
( )
2. Ñöôøng caân baèng laø ñöôøng thaúng: Y* = mX (m = const)
Coù theå xem xeùt tröôøng hôïp haáp thuï khí trong thieát bò ngöôïc chieàu vôùi giaû thieát heä soá
truyeàn khoái toång quaùt khoâng thay ñoåi trong suoát quaù trình truyeàn khoái.
• Tröôøng hôïp 1. Ñöôøng caân baèng laø ñöôøng cong
Ñoái vôùi toaøn boä beà maët tieáp xuùc, khoái löôïng vaät chaát di chuyeån töø pha naøy vaøo pha kia
trong moät ñôn vò thôøi gian ñöôïc xaùc ñònh bôûi phöông trình:
M = G(Yd −Yc ) = Ky .F.ΔY
tb
M = L(X c − X d ) = Kx.F.ΔX tb
Trong ñoù: ΔY , ΔXtb : ñoäng löïc trung bình cho toaøn boä quaù trình truyeàn khoái, (kg/kg caáu
tb
töû trô).
M : khoái löôïng vaät chaát, kg/s
Ky : heä soá truyeàn khoái toång quaùt cuûa tröôøng hôïp truyeàn khoái khí Æ loûng
Kx: heä soá truyeàn khoái toång quaùt cuûa tröôøng hôïp truyeàn khoái loûng Æ khí
Xd , Xc : noàng ñoä ñaàu vaø cuoái cuûa caùc caáu töû chính trong doøng loûng, kg/kg caáu töû trô
Yd , Yc : noàng ñoä ñaàu vaø cuoái cuûa caùc caáu töû chính trong doøng khí, kg/kg caáu töû trô
Chương 1
7
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
F: dieän tích beà maët phaân pha, m2
Löôïng chaát di chuyeån treân moät nguyeân toá beà maët tieáp xuùc pha coù theå bieåu dieãn nhö sau:
dM = G(−dY)
dM = Ky (Y −Y*)dF
dM = G(−dY) = Ky (Y −Y* )dF
→
G
dY
Y −Y *
dF = −
.
Hay
Ky
Laáy tích phaân 2 veá phöông trình, ta thu ñöôïc:
YC
G
dY
Y −Y *
F = −
G =
∫
Ky
Y d
M
Thay
Y d −Y c
Y d
M
dY
Y −Y *
F =
Ta coù:
∫
K y
(
Y d −Y c
)
Y C
Y d −Y c
M = K y .F.
Hoaëc
Y d
dY
∫
Y −Y *
Y C
Töông töï neáu bieåu dieãn ñoäng löïc theo pha x, ta coù:
X c − X d
M = Kx .F.
XC
d X
∫
X * − X
Xd
Töø caùc bieåu thöùc, ta thu ñöôïc:
Y d −Y c
X c − X d
ΔY tb =
Y ñ
ΔX tb =
Xñ
dY
d X
∫
∫
Y −Y *
X * − X
Y C
Xd
Y d
dY
X C
d X
X * − X
no =
no =
Ñaët
∫
∫
y
x
Y −Y *
Y C
X d
noy , nox ñöôïc goïi laø soá ñôn vò truyeàn khoái.
Ñaïi löôïng ñöùng trong daáu tích phaân coù yù nghóa vaät lyù xaùc ñònh:
Chương 1
8
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
dY : ñaëc tröng cho söï thay ñoåi noàng ñoä laøm vieäc treân nguyeân toá beà maët dF
Y −Y* : ñoäng löïc cuûa quaù trình treân beà maët nguyeân toá dF.
(
Tyû leä giöõa caùc giaù trò naøy chæ ra ñöôïc phaàn thay ñoåi noàng ñoä laøm vieäc treân ñoäng löïc cuûa
quaù trình. Ta coù theå vieát:
Y d −Y c
ΔY tb
X c − X d
ΔX tb
no =
no =
y
x
Y d −Yc
X c − X d
ΔYtb =
ΔX tb =
Hay
no
no
y
x
Do ñoù soá ñôn vò truyeàn khoái tæ leä nghòch vôùi ñoäng löïc trung bình.
Caùc tích phaân thöôøng ñöôïc xaùc ñònh baèng phöông phaùp ñoà thò vì khoâng theå giaûi baèng
1
phöông phaùp phaân tích. Ñeå laáy tích phaân ta döïng ñöôøng
theo Y
.
Y −Y*
Y
B
Y* = f (X )
Yd
Ñöôøng caân baèng
Ñöôøng laøm vieäc
Y
− Y *
d
c
A
Yc
Y c − Y *
d
X d
X
Xc
1
Y −Y*
1
1
ΔY d
S = n
o
ΔY
y
c
Chương 1
9
Y
Y c
Yd
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
• Tröôøng hôïp 2. Ñöôøng caân baèng laø ñöôøng thaúng
Tích phaân xaùc ñònh laáy baèng phöông phaùp phaân tích
ΔY d − ΔY c
ΔX c − ΔX d
ΔY d
ΔY c
ΔY tb =
ΔY tb =
ΔX tb =
ΔX tb =
> 2
< 2
ΔY d
ΔX c
ln
ln
ΔX d
ΔY c
ΔY d
ΔY c
ΔX c + ΔX d
ΔY d + ΔY c
2
2
1.12 TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ TRUYEÀN KHOÁI
Vieäc tính toaùn thieát bò truyeàn khoái caàn phaûi xaùc ñònh caùc kích thöôùc cô baûn, goàm ñöôøng
kính vaø chieàu cao, phuï thuoäc vaøo dieän tích beà maët tieáp xuùc pha.
1.12.1 Ñöôøng kính thieát bò
Ñöôøng kính thieát bò xaùc ñònh theo phöông trình löu löôïng doøng lieân tuïc
π
G = ωy ( D2 )ρy
4
G
D =
0,785.ωy .ρy
Trong ñoù:
G:
ωy:
D:
löu löôïng khoái löôïng pha lieân tuïc, kg/s
vaän toác pha lieân tuïc qua toaøn boä tieát dieän ngang cuûa thieát bò, m/s
ñöôøng kính thieát bò, m
ρy:
khoái löôïng rieâng pha lieân tuïc, kg/m3
Vaän toác toái öu cuûa pha lieân tuïc phuï thuoäc caáu truùc vaät lieäu tieáp xuùc vaø cheá ñoä thuûy löïc
cuûa thieát bò cuõng nhö tyû leä löu löôïng caùc doøng vaø tính chaát hoùa lyù caùc pha. Gía trò naøy coù
theå ñöôïc tính theo phöông trình chuaån soá thöïc nghieäm.
- Ñoái vôùi thaùp ñeäm
Vaän toác pha lieân tuïc taïi ñieåm nghòch ñaûo tính theo coâng thöùc sau:
0,125
0,16
0,25
2
⎡
⎢
⎤
⎥
⎦
ωgh.σ.ρy
ρ
⎛
⎞
⎛
⎞
μx
μ
L
⎛ ⎞
y
⎜
⎜
⎟
⎟
lg
⎜
⎜
⎟
⎟
= A−1,75
⎜ ⎟
g.V 3.ρ
G
⎝ ⎠
ρx
⎢
⎣
⎝
⎠ ⎥
R
x
⎝
⎠
Trong ñoù:
σ :
dieän tích beà maët rieâng, m2/m3, cuûa vaät lieäu ñeäm
Chương 1
10
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
VR: phaàn theå tích töï do (roãng) cuûa vaät lieäu ñeäm m3/m3
g:
gia toác troïng tröôøng m/s2
μx:
μ:
ñoä nhôùt vaän ñoäng cuûa pha lieân tuïc ôû nhieât ñoä dieãn ra quaù trình, Pa.s
ñoä nhôùt vaän ñoäng cuûa nöôùc ôû 200C, Pa.s
G, L: löu löôïng khoái löôïng pha, kg/s
ρy, ρx: khoái löôïng rieâng pha khí vaø loûng, kg/m3
A:
heä soá phuï thuoäc daïng quaù trình
- chöng caát
- haáp thuï
A = 0,125
A = 0,022
Vaän toác toái öu ñöôïc tính nhö sau:
ωy =
(
0,75÷0,9 ωgh
)
- Ñoái vôùi thaùp suûi boït (thaùp ñóa)
Vaän toác doøng toái öu phuï thuoäc tính chaát pha vaø ñaëc ñieåm caáu truùc ñóa. Vaän toác toái öu
phaûi ñaûm baûo cöôøng ñoä truyeàn khoái cao nhöng khoâng loâi cuoán chaát loûng theo doøng. Ñoái
vôùi maâm choùp troøn, vaän toác cho pheùp xaùc ñònh theo coâng thöùc thöïc nghieäm.
ρx
ρy
0,016
dc0,67
ωgh =
ΔH
Trong ñoù:
d c:
ñöôøng kính choùp , m
ΔH: khoaûng caùch giöõa ñænh choùp vaø maâm treân, m
ρx:
ρy:
khoái löôïng rieâng cuûa chaát loûng, kg/m3
khoái löôïng rieâng cuûa chaát khí, kg/m3
Vaän toác khí trong thaùp coøn tính theo coâng thöùc
ρx − ρy
ωgh = 0,305C
ρy
C: heä soá phuï thuoäc khoaûng caùch giöõa caùc maâm vaø möïc chaát loûng treân maâm.
Ñeå ngaên ngöøa söï taïo boït treân ñóa vaän toác toái öu neân choïn nhoû hôn giaù trò giôùi haïn (Co +
20%).
ωy =(0.8÷ 0.9)ωgh
1.12.2 Chieàu cao thieát bò truyeàn khoái
Chương 1
11
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
Ñeå tính toaùn chieàu cao thieát bò truyeàn khoái, ta coù theå aùp duïng 3 phöông phaùp khaùc nhau,
phuï thuoäc vaøo caùch bieåu dieãn ñoäng löïc vaø vaän toác quaù trình.
1.12.2.1 Phöông phaùp thöù nhaát
Ñoäng löïc cuûa quaù trình khi naøy ñöôïc tính laø hieäu noàng ñoä trung bình hoaëc tính thoâng qua
soá ñôn vò truyeàn khoái, coøn vaän toác quaù trình ñöôïc moâ taû nhôø heä soá tuyeàn khoái.
Phöông phaùp naøy ñöôïc aùp duïng khi ñaõ coù phöông trình xaùc ñònh heä soá truyeàn chaát,
thöôøng duøng cho thieát bò coù beà maët tieáp xuùc pha coá ñònh.
Phöông trình vaän toác coù daïng:
M = Ky .F.ΔYtb = Kx.F.ΔX tb
Phöông trình caân baèng vaät chaát coù daïng:
M = G(Y d −Y c ) = L(X c − X d )
L X c − X d
L
F =
.
=
nox
Do ñoù:
Kx
Kx
ΔX tb
G Y d −Y c
G
F =
F =
.
=
noy
Vaø
Ky
Ky
ΔY tb
M
M
=
Hoaëc
Ky .ΔY tb Kx .ΔX tb
Heä soá truyeàn khoái:
1
1
Ky =
Kx =
1
m
1
1
+
+
βy βx
mβy βx
vaø
Vôùi β y , βx : heä soá khueách taùn ñoái löu (hay heä soá truyeàn chaát) töø pha khí vaø loûng,
⎛
⎜
⎞
⎟
kmol
⎜
⎟
, ñöôïc tính theo phöông trình chuaån soá coù daïng:
kmol
kmol
2
⎜
⎜
⎝
⎟
⎟
⎠
m .s.
Nud = f
Re,Prd
)
Phöông trình chuaån soá ñoàng daïng ñoái vôùi thaùp ñeäm duøng voøng rashig:
- Pha khí:
0,33
Nuy = 0,407.Re0y.655
Pry
)
d
d
Chương 1
12
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
β y de
Nuy =
d
Dy
Trong ñoù:
4VR
de =
: ñöôøng kính töông ñöông cuûa voøng Rasing.
σ
4ωy ρy
Rey =
σμy
μy
ν y
Pry =
=
d
ρy Dy Dy
Dy:Heä soá khueách taùn phaân töû khí
- Pha loûng:
Trong ñoù:
Nuxd = 0,0021.Re0x.76 Pr0.5
xd
βx .δ x
Nux =
Dx
1
μx2
ρx .g
⎛
⎜
⎜
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
δx =
3 : chieàu daøy maøng loûng chaûy treân vaät ñeäm, m
2
4L
Rex =
S.σ.Ψ.μx
Vôùi:
L:
S:
löu löôïng khoái löôïng doøng loûng, kg/s
dieän tích caét ngang thieát bò, m2
π D2
4
S =
Ψ:
, vôùi D: ñöôøng kính thieát bò, m
heä soá thaám öôùt
μx
ρx.Dx
Prx =
Dx:Heä soá khueách taùn phaân töû loûng
Ñoái vôùi thaùp ñeäm: F =σ.V =σ.S.H
Do ñoù, chieàu cao trung bình cuûa thieát bò ñöôïc tính theo coâng thöùc sau:
F
M
1
H =
=
.
σ.S
σ.S
Ky.ΔYtb
Chương 1
13
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
Neáu beà maët tieáp xuùc taïo thaønh do 2 pha chuyeån ñoäng, khi ñoù khoâng theå xaùc ñònh tröïc
tieáp beà maët tieáp xuùc pha. Trong tröôøng hôïp naøy, chieàu cao vuøng tieáp xuùc pha xaùc ñònh
theo phöông trình:
G
L
H =
=
Koy .S.noy Kox .S.nox
Vôùi Koy, Kox – heä soá truyeàn khoái theå tích, ñöôïc tính cho 1 ñôn vò theå tích, töông töï heä
soá truyeàn khoái cho 1 ñôn vò beà maët.
1.12.2.2 Phöông phaùp thöù hai
Ñoäng löïc ñöôïc tính qua soá ñôn vò truyeàn khoái. Vaän toác quaù trình bieåu dieãn nhôø chieàu cao
1 ñôn vò truyeàn khoái he ñoái vôùi thaùp cheâm, hoaëc soá ñôn vò truyeàn khoái ñoái vôùi thaùp ñóa
cho 1 ñóa lyù thuyeát.
Phöông phaùp naøy aùp duïng khi coù döõ lieäu thöïc nghieäm hoaëc phöông trình tính chieàu cao
töông ñöông 1 ñôn vò truyeàn khoái he ñoái vôùi thaùp cheâm hoaëc soá ñôn vò truyeàn khoái ñoái
vôùi thaùp suûi boït.
Phöông trình truyeàn khoái vaø caân baèng vaät chaát coù daïng
M = Ky .F.Δytb = G.(yd − yc )
Bieåu dieãn beà maët tieáp xuùc pha qua chieàu cao phaàn laøm vieäc cuûa thaùp
F = H.S.a
Vôùi: a:
dieän tích beà maët phaân chia pha trong 1 ñôn vò theå tích thaùp, m2/m3
Thay F vaøo phöông trình truyeàn khoái, ta coù:
Ky .(H.S.a).Δytb = G.(yd − yc )
yd − y
Δytb
G
H = (
).(
c ) = he .noy
14243
y
→
Ky .S.a
142 43
noy
hey
Kx.(H.S.a).Δxtb = L.(xc − xd )
Töông töï:
⎛
⎞ ⎛
⎞
Xc − X d
ΔXtb
L
⎜
⎜
⎟ ⎜
⎟
⎟
H =
.
= he .nox
⎟ ⎜
⎠ ⎝
x
Kx .S.a
⎝
⎠
142 43 14243
hex
nox
Chieàu cao töông ñöông 1 ñôn vò truyeàn khoái :
he ñöôïc ñònh nghóa laø chieàu cao töông ñöông 1 ñôn vò truyeàn khoái: chieàu cao phaàn laøm
vieäc cuûa thieát bò maø ôû ñoù noàng ñoä caáu töû phaân phoái thay ñoåi moät löôïng baèng ñoäng löïc
trung bình cuûa quaù trình.
Chương 1
14
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
1 G
h =
.
Ta coù :
Thay
ey
Ky S.a
1
1
m
=
+
vaøo phöông trình
Ky βy βx
G
1
m
G
mG
he =
.(
+
) =
+
y
S.a β y βx
β y .S.a βx .S.a
G
mG
L
he =
+
.
y
βy .S.a
L βx .S.a
G
L
hy =
hx =
ñaët:
β y .S.a
βx.S.a
hy, hx ñöôïc ñònh nghóa laø chieàu cao töông ñöông 1 ñôn vò truyeàn khoái ñoái vôùi pha khí vaø
loûng.
mG
he = hy +
.hx
Suy ra
y
L
1
1
L
h =
+
=
.hy + hx
Töông töï, ex
m.βy .S.a βx .S.a mG
- Ñoái vôùi thaùp cheâm:
VR
hy =
.Re0y,25 .Pry0,66
ϕ.Ψ.σ
hx =119.δx.Re0x,25 .Prx0,5
ϕ: heä soá ñaëc tröng cho daïng vaät cheâm
- Ñoái vôùi thaùp suûi boït: beà maët tieáp xuùc pha thöïc teá khoâng theå xaùc ñònh ñöôïc, do ñoù, heä
soá truyeàn khoái seõ tính treân 1 ñôn vò dieän tích ñóa.
Phöông trình truyeàn khoái vaø caân baèng vaät chaát cho 1 ñóa coù daïng:
M = G.( y'− y'') = Ko.St .Δytb
y’, y’’: noàng ñoä caáu töû phaân phoái ôû ñaàu vaøo vaø ra cuûa ñóa, phaàn mol
St:
K0: heä soá truyeàn khoái tính cho 1 ñôn vò dieän tích ñóa,
dieän tích ñóa, m2
kmol
kmol
m2.S.
kmol
Suy ra:
Chương 1
15
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
Ky.St
y'−y''
Δytb
nt =
=
y
G
⎛
⎞
⎟
⎟
⎠
1
G 1
m
G
mG
L
⎜
=
+
=
+
.
⎜
nt
St βy βx
St .βy
L St .βx
⎝
y
Soá ñôn vò truyeàn khoái treân moät ñóa xaùc ñònh phuï thuoäc vaøo soá ñôn vò truyeàn khoái trong
pha khí Ky vaø pha loûng Kx.
1
1 mG 1
1
L 1
1
=
+
.
=
.
+
nt
ny
L nx
nt
mG ny nx
y
x
ny , nx: xaùc ñònh theo phöông trình thöïc nghieäm
St
ny = 0,01.ωy 0,32.ΔP .
x
S
ω y
nx = 0,61.10−4
.ΔP
x
u
ΔPx: trôû löïc lôùp chaát loûng treân ñóa
S:
tieát dieän thaùp, m2
dieän tích ñóa, m2
maät ñoä töôùi, m3/m2, tính cho dieän tích laøm vieäc cuûa ñóa.
St:
U:
no
y
N =
Soá maâm ñöôïc xaùc ñònh baèng:
nt
y
Chieàu cao thieát bò: H = N.ht
1.12.2.3 Phöông phaùp thöù ba
Ñoäng löïc ñöôïc tính giaùn tieáp qua soá baäc thay ñoåi noàng ñoä (hoaëc soá maâm lyù thuyeát), coøn
vaän toác quaù trình bieåu dieãn qua chieàu cao töông ñöông soá baäc thay ñoåi noàng ñoä lyù thuyeát
ñoái vôùi thaùp ñeäm hoaëc KDP ñoái vôùi thaùp ñóa.
Ñoái vôùi quaù trình chöng caát trong thaùp ñeäm ôû ñieåm nghòch ñaûo:
L
⎛
⎜
⎞
⎟
0,2
ln
0,35
⎛
⎜
⎜
⎝
⎞
⎟
⎟
⎠
ρx
ρy
G
mG
⎛ ⎞
⎝
⎠
hlt = 5,2.de .Re0y.2
⎜ ⎟
G
L
⎝ ⎠
⎛
⎜
⎞
1− m
⎟
⎠
L
⎝
VR
de = 4
Vôùi
: ñöôøng kính töông ñöông cuûa tieát dieän caùc keânh cuûa vaät cheâm
σ
Chương 1
16
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
4ωy ρy
Rey =
μyσ
Heä soá hieäu duïng cuûa thaùp phuï thuoäc tính chaát vaät lyù cuûa caáu töû, ñieàu kieän thuûy löïc cuûa
caùc pha, chieàu saâu ngaäp chaát loûng cuûa choùp, quaù trình loâi cuoán chaát loûng bôûi doøng khí
vaøo. Thöïc teá η naèm trong khoaûng 0.2÷0.8 vaø trong ña soá tröôøng hôïp η = 0.5 ÷ 0.7 .
KPD trong bình coù theå tính theo phöông trình thöïc nghieäm. Ví duï ñoái vôùi quaù trình chöng
caát trong thaùp ñóa choùp:
L
lg(η) =1.67 + 0.3lg( ) − 0.25lg(μxα) + 0.3h
l
G
Trong ñoù:
α: heä soá bay hôi töông ñoái cuûa hoãn hôïp chaát loûng
PA
α =
PB
hl: khoaûng caùch töø ñænh raõnh cuûa choùp ñeán meùp treân cuûa oáng chaûy truyeàn coäng
theâm ½ chieàu cao raõnh.
Chieàu cao thaùp suûi boït ñöôïc tính baèng coâng thöùc sau:
H = Ntt . h
h: khoaûng caùch giöõa caùc maâm
1.13 CÔ SÔÛ TÍNH TOAÙN THIEÁT BÒ TRUYEÀN KHOÁI
Tính thieát bò truyeàn khoái laø xaùc ñònh chieàu cao H vaø ñöôøng kính D cuûa thieát bò. Coù 2
daïng thieát bò truyeàn khoái chính:
1) Thieát bò coù söï tieáp xuùc pha lieân tuïc- Thaùp ñeäm, thieát bò chaûy maøng
2) Thieát bò coù söï tieáp xuùc pha theo baäc - Thaùp maâm, thieát bò khuaáy troän - laéng
1. Tính thieát bò ngöôïc chieàu lieân tuïc
Beà maët tieáp xuùc pha coù theå tính baèng beà maët vaät lieäu ñeäm:
F = HSσψ
H – chieàu cao ñeäm, m
S – dieän tích maët caét ngang cuûa thieát bò, m2
σ - dieän tích beà maët rieâng cuûa ñeäm khoâ, m2/m3
ψ - heä soá thaám öùôt
Thay vaøo phöông trình xaùc ñònh dieän tích tieát dieän ngang, vaø noy = KyF/G, ta coù:
H = G*noy/ KySσψ
Chương 1
17
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
Ñaët hoy = G/ KySσψ - chieàu cao laøm vieäc cuûa phaàn thieát bò töông ñöông vôùi moät ñôn vò
truyeàn khoái. Nhö vaäy chieàu cao trung bình baèng H = hoynoy
Chieàu cao 1 ñôn vò truyeàn khoái ñöôïc xaùc ñònh bôûi heä soá truyeàn khoái , nghóa laø phaûn aùnh
ñoäng hoïc cuûa quaù trình. Roõ raøng ñaïi löôïng hoy vaø chieàu cao thieát bò caøng nhoû thì cöôøng
ñoä truyeàn khoái caøng maõnh lieät.
2. Tính thieát bò ngöôïc chieàu theo baäc (thaùp maâm)
Ñoái vôùi toaøn boä thaùp söï tieáp xuùc pha dieãn ra ngöôïc chieàu nhöng treân moãi maâm coù doøng
caét ngang vaø suûi boït (khí ôû daïng boït suïc qua lôùp chaát loûng treân maâm).
Beà maët tieáp xuùc trong thieát bò daïng naøy khoâng xaùc ñònh – ñoù laø toång beà maët boït khí, gioït
loûng, tia treân maâm.
Ta xem maâm lyù töôûng, thaønh phaàn chaát loûng treân maâm ôû moïi ñieåm ñeàu nhö nhau. Maâm
naøy töông öùng vôùi baäc A1BA2.
Ñieåm A1 coù noàng ñoä pha khí vaøo maâm yù1 coù noàng ñoä pha loûng treân maâm x1.
Ñieåm A2 coù noàng ñoä pha khí thoaùt ra khoûi maâm yù2 coù thaønh phaàn chaát loûng ñi vaøo maâm
*
x2. Thaønh phaàn pha khí theo tieát dieän caét ngang khoâng ñoåi do x1 = const neân y1 = const.
Taùch töø maâm nguyeân toá lôùp suûi boït dF, löôïng chaát chuyeån pha:
dM = -G.dy = Ky.(y-y*).dF
Bieán ñoåi vaø laáy tích phaân :
y2
F
Ky
G
dy
= −
dF
*
∫
∫
y − y
y2
0
y2 − y*
y1 − y*
Ky F
ln
= −
= −noy
G
y2 − y* + y1 − y1
y1 − y*
y1 − y
y1 − y
y1 − y2
y1 − y*
*
*
⎛
⎞
⎜
⎜
⎟
⎟
− noy = ln
= ln
−
= ln
(
1−η
)
⎝
⎠
y1 − y2
y1 − y*
η =
laø heä soá haáp thu, laø tæ leä löôïng chaát ñöôïc haáp thu treân löôïng chaát haáp thu ñeå ñaït ñeán
traïng thaùi baõo hoøa. Hay:
1−η = e−n
oy
η =1− e−n
oy
Treân hình veõ, y1 - y2 laø A1B coøn y1 – y* laø A1C, do ñoù, η = A1B/A1C.
Tính caùc giaù trò η ñoái vôùi noàng ñoä pha loûng x trong khoaûng töø xñ ñeán xc ta seõ xaùc ñònh
ñöôïc caùc giaù trò töông öùng, döïng ñöôøng EBD- ñoù laø ñöôøng cong ñoäng hoïc. Veõ baäc giöõa
ñöôøng laøm vieäc vaø caân baèng, ta xaùc ñònh ñöôïc soá maâm thöïc teá.
Chương 1
18
DuMyLe - Bài giảng Hóa học & Hóa lý trong KTMT
Phöông phaùp xaùc ñònh soá baäc thay ñoåi noàng ñoä lyù thuyeát (soá maâm lyù thuyeát)
Ñeå xaùc ñònh soá maâm thöïc teâ` söû duïng tyû leä:
nt = nlt/η
η - heä soá hieäu duïng, hieäu suaát trung bình toaøn thaùp, tính ñeán ñoäng hoïc truyeàn khoái treân
caùc maâm, do khoâng ñaït ñöôïc traïng thaùi caân baèng.
η - phuï thuoäc nhieàu yeáu toá trong ñoù coù: vaän toác pha, möùc ñoä xaùo troän, höôùng chuyeån
ñoäng, tính chaát vaät lyù pha.
η - naèm trong khoaûng roäng (0,3 –0,8)
Chieàu cao laøm vieäc cuûa thaùp: H = h (nt -1)
nt – soá maâm thöïc teá
h – khoaûng caùch giöõa caùc maâm
4V
Ñöôøng kính thieát bò tính theo löu löôïng khí D =
πω
ω - vaän toác khí qua tieát dieän thieát bò.
Chương 1
19
19 trang
28/04/2022
4360
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Quá trình hóa học và hóa lý trong kỹ thuật môi trường - Chương 1, Phần 3: 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
