Chương 4 Truyền khối - Hấp thu

9/18/2014 1 MÔN HỌC KỸ THUẬT THỰC PHẨM II Giảng viên: ThS. Trần Văn Hùng Email: Hungtp1k50@gmail.com CHƯƠNG 4 TRUYỀN KHỐI-HẤP THU Tiết 1: Truyền Khối Nội dung tiết học 1. Phân loại các quá trình truyền khối 2. Nguyên tắc thiết kế thiết bị truyền khối 9/18/2014 2 1.PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHỐI  Quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc trực tiếp với nhau gọi là quá trình truyền khối hoặc quá trình khuếch tán  Tùy theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của hai pha có thể phân ra các quá trình chuyển khối sau đây. QT Trích ly QT Chưng luyện 9/18/2014 3 QT Cô đặc QT Cô đặc 9/18/2014 4 TVH Bài Giảng Hóa Công 7 of 32 Mô hình sấy Sấy phun Sấy băng tải Sấy tầng sôi Phòng sấy QT Sấy 9/18/2014 5 1.1. HỖN HỢP KHÍ-LỎNG - Chưng cất: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại 1 2 3 4 Chưng cất lôi cuốn hơi nước 1. Bình cấp hơi nước 2. Bình chứa nguyên liệu chưng cất 3. Lớp tinh dầu 4. Lớp nước. 9/18/2014 6 - Hấp thu là quá trình hút khí hoặc hơi bằng chất lỏng trong đó vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng Thiết bị loại bề mặt -Nhả khí (nhả hấp thụ) Là quá trình ngược lại của hấp thụ, vật chất đi từ pha lỏng vào pha khí 9/18/2014 7 1.2. HỖN HỢP KHÍ RẮN Hấp phụ Sấy khô 1.3. HỖN HỢP LỎNG-LỎNG Trích chất lỏng: là quá trình tách chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất lỏng khác Hình1:Sự phân bố nồng độ trong các pha của quá trình chuyển khối Hình2:Sơ đồ hệ thống thiết bị trích ly chất rắn có cánh khuấy 9/18/2014 8 1.4. HỖN HỢP LỎNG-RẮN Kết tinh Trích ly rắn là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha rắn 1.5. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN TÁCH - Hấp thu - Hấp phụ và trao đổi ion - Chưng cất - Sấy - Cô đặc - Kết tinh - Trích ly 9/18/2014 9 1.6. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÁCH o Cơ sở:  Đặc điểm của cấu tử cần tách  Đặc điểm của phương pháp phân tách  Yêu cầu chất lượng sản phẩm  Các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật khác 2. NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRUYỀN KHỐI  Số đoạn lý thuyết(chiều cao tương đương)  Thời gian tiếp xúc pha  Năng suất  Nhu cầu về năng lương 9/18/2014 10 2.1. THÀNH PHẦN PHA a. Thành phần phần mol (Nồng độ phần mol) b. Thành phần phần khối lượng (nồng độ phần khối lượng) c. Thành phần tỷ số mol d. Thành phần tỷ số khối lượng 1. Các loại nồng độ thành phần 9/18/2014 11 •G: lưu lượng mol của pha y (pha khí), kmol/h •L: lưu lượng mok của pha x (pha lỏng), kmol/h •Gi: lưu lượng mol của cấu tử đang xét trong pha y, kmol/h •Li: lưu lượng mol của cấu tử đang xét trong pha x, kmol/h y: nồng độ phần mol của cấu tử đang xét trong pha y x: nồng độ phần mol của cấu tử đang xét trong pha x Y: nồng độ tỷ số mol của cấu tử đang xét trong pha y X: nồng độ tỷ số mol của cấu tử đang xét trong pha X Gọi : lưu lượng k/lượng của pha y (pha khí), kmol/h : lưu lượng k/lượng của pha x (pha lỏng), kmol/h : lưu lượng k/lượng của cấu tử đang xét trong pha y, kmol/h : lưu lượng k/lượng của cấu tử đang xét trong pha x, kmol/h : nồng độ phần k/lượng của cấu tử đang xét trong pha y : nồng độ phần k/lượng của cấu tử đang xét trong pha x : nồng độ tỷ số k/lượng của cấu tử đang xét trong pha y : nồng độ tỷ số k/lượng của cấu tử đang xét trong pha x G L iG iL y x Y X 9/18/2014 12 Nồng độ phần mol của cấu tử trong pha x, pha y 1. Các loại nồng độ thành phần G G y L L x ii  Nồng độ phần khối lượng của cấu tử trong pha x, pha y G G y L L x ii  Nồng độ tỷ số mol của cấu tử trong pha x, pha y 1. Các loại nồng độ thành phần pha i i i i GG G Y LL L X     Nồng độ tỷ số khối lượng của cấu tử trong pha x, pha y i i i i GG G Y LL L X     9/18/2014 13 2. Quan hệ giữa các nồng độ thành phần pha 2. Quan hệ giữa các nồng độ thành phần pha 9/18/2014 14 2. Quan hệ giữa các nồng độ thành phần pha 2.2. HỆ SỐ TRUYỀN KHỐI - Hệ số truyền khối K là lượng vật chất truyền qua 1 đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc pha trong một đơn vị thời gian khi sai biệt nồng độ là 1 đơn vị. - Tốc độ truyền khối = HSTK * (Sai biệt nồng độ) 9/18/2014 15 2.2.1. Cấu tử A truyền qua B đứng yên ).( 21 AA AB A CC z D N  BABA AB MMVVP T D 11 . )( .10.55,1 33 2 3 3    Hệ số khuếch tán trong pha khí Trong đó: - MA, MB - Khối lượng phân tử của khí A và B, kg/kmol. -T - Nhiệt độ tuyệt đối của khí, 0K. - P - Áp suất chung của khí, at. - VA, VB - Thể tích mol của khí A và B, cm 3/mol. [m2/h] 2.2.2. Cấu tử A và B truyền đẳng mol nghịch chiều ).(. 21 AA BM AB A CC C C z D N  A B AB V TM D 6,0 8 '. ...10.4,7    Trong đó: 3 2,0     - μ: Độ nhớt của dung môi ở 200C, cP. - ρ : Khối lượng riêng của dung môi ở 200C, kg/m3. 9/18/2014 16 2.3. HẤP THỤ 2.3.1.Khaùi nieäm a. Ñònh nghóa Haáp thuï laø quaù trình huùt khí baèng chaát loûng, khí ñöôïc huùt goïi laø chaát bò haáp thuï, chaát loûng duøng ñeå huùt goïi laø dung moâi, hay coøn goïi laø chaát haáp thuï, khí khoâng bò haáp thuï goïi laø khí trô. 9/18/2014 17 b. YÙ nghóa Quaù trình haáp thuï ñoùng moät vai troø quan troïng trong saûn xuaát hoùa hoïc, noù ñöôïc öùng duïng ñeå:  Thu hoài caùc caáu töû quyù  Laøm saïch khí  Taùch hoãn hôïp thaønh caáu töû rieâng  Taïo thaønh saûn phaåm cuoái cuøng c. Tính chaát cuûa dung moâi 1. Coù tính chaát hoøa tan choïn loïc nghóa laø chæ hoøa tan toát caáu töû caàn taùch ra vaø khoâng hoøa tan caùc caáu töû coøn laïi hoaëc chæ hoøa tan khoâng ñaùng keå. Ñaây laø tính chaát chuû yeáu cuûa dung moâi 2. Ñoä nhôùt dung moâi beù. Ñoä nhôùt caøng beù chaát loûng chuyeån ñoäng caøng deã trôû löïc seõ nhoû hôn vaø heä soá chuyeån khoái seõ lôùn hôn. 9/18/2014 18 c. Tính chaát cuûa dung moâi 3. Nhieät dung rieâng beù, ít toán nhieät khi hoaøn nguyeân dung moâi 4. Nhieät ñoä soâi khaùc xa vôùi nhieät ñoä soâi cuûa chaát hoøa tan nhö vaäy seõ deã taùch caáu töû ra khoûi dung moâi 5. Nhieät ñoä ñoùng raén thaáp traùnh ñöôïc hieän töôïng ñoùng raén laøm taéc thieát bò c. Tính chaát cuûa dung moâi 6. Khoâng taïo thaønh keát tuûa, khi hoøa tan traùnh ñöôïc taéc thieát bò, vaø thu hoài caáu töû ñôn giaûn hôn 7. Ít bay hôi, maát maùt ít 8. Khoâng ñoäc ñoái vôùi ngöôøi, khoâng aên moøn thieát bò. 9/18/2014 19 Gc; Yc Lc; Xc Lđ; Xđ Gđ; Yđ 2.3.2. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu Gđ: lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ, kmol/h. Gc: lượng hỗn hợp khí đi ra thiết bị hấp thụ, kmol/h. Yđ: nồng độ của pha khí đi vào TB, kmol/kmol ktrơ. Yc: nồng độ của pha khí đi ra TB, kmol/kmol ktrơ. Ltr: lượng dung môi đi vào thiết bị, kmol/h. Xđ: nồng độ đầu của dung môi, kmol/kmol dung môi. Xc : nồng độ cuối của dung môi, kmol/kmol dung môi. Gtr: lượng khí trơ đi trong thiết bị kmol/h. 9/18/2014 20 Lượng khí trơ đi trong thiết bị: )1()1( 1 1 1 1 ccđđ c c d đtr yGyG Y G Y GG    Cân bằng vật liệu: )()( đctrcđtr XXLYYG  dc cd trtr XX YY GL    Lượng dung môi cần thiết cho quá trình 1. Cân bằng vật chất Lượng dung môi tối thiểu để hấp thụ được xác định khi nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng: đc cđ trtr XX YY GL    max min Xcmax - nồng độ pha lỏng cân bằng ứng với nồng độ đầu của pha khí. Xcmax được xác định từ phương trình cân bằng hoặc số liệu cân bằng ứng với Yđ )4,11(. min  bLbL trtr 9/18/2014 21 Viết phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kì nào đó với phần trên của thiết bị )()( đtrctr XXLYYG  2. Phương trình đường làm việc đ tr tr c tr tr X G L YX G L Y  3. Số mâm lý thuyết 9/18/2014 22 Trong điều kiện làm việc nhất định thì lượng khí bị hấp thụ không đổi và xem hệ số truyền khối là không đổi. 4. Sự liên hệ giữa lượng dung môi và kích thước TB Như vậy bề mặt tiếp xúc chỉ thay đổi tương ứng với sự thay đổi của Ytb sao cho tích số F.Ytb là không đổi Ta có thể khảo sát sự thay đổi động lực trung bình Ytb trên đồ thị Y-X. Khi Yđ, Yc và Xd cố định thì giá trị nồng độ cuối của dung môi Xc quyết định động lực trung bình của quá trình Nồng độ cuối của dung môi Xc là điểm cuối của đường làm việc chỉ được dịch chuyển từ A đến A4 4. Sự liên hệ giữa lượng dung môi và kích thước TB 9/18/2014 23 4. Sự liên hệ giữa lượng dung môi và kích thước TB Đường OA và OA4 là hai đường giới hạn. Nếu chọn lượng dung môi ít nhất thì thiết bị sẽ vô cùng cao nhưng nếu chọn lượng dung môi lớn quá để cho bề mặt F nhỏ thì sẽ không kinh tế hoặc là chẳng thu được gì vì nồng độ dung dịch quá loãng 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ (t1p2>p3) 9/18/2014 24 2.3.3. THIẾT BỊ HẤP THỤ 2.3.3.1. Sơ đồ hệ thống hấp thu 9/18/2014 25  Thiết bị loại bề mặt  Thiết bị loại màng.  Cột chêm (tháp đệm).  Tháp mâm (tháp đĩa).  Thiết bị phun. Thiết bị có bề mặt tiếp xúc pha lớn  Tháp đệm: tháp hình trụ, nhiều đoạn nối với nhau (mặt bích/hàn). Trong tháp được đổ đầy đệm.  Yêu cầu chung cho đệm: • Diện tích bề mặt riêng lớn (a: m2/m3) • Thể tích tự do lớn (Vtd: m3/m3) • Khối lượng riêng bé • Bền hóa học. 9/18/2014 26 Tháp đệm Tháp đệm và các loại đệm 9/18/2014 27  Đệm vòng Vòng Rasching Vòng Pall kim loại Vòng Pall nhựa 9/18/2014 28  Đệm vòng Vòng yên ngựa Berl Vòng yên ngựa Italox - ceramic Vòng yên ngựa Italox - plastic 9/18/2014 29 9/18/2014 30 Vât liệu polime Vât liệu kim loại  Ngoài đệm vòng, còn có những loại đệm khác: •Đệm hạt •Đệm xoắn •Đệm lưới Khi cần độ phân tách cao: chọn loại đệm có kích thước bé → diện tích bề mặt riêng của đệm lớn → diện tích tiếp xúc pha lớn 9/18/2014 31 9/18/2014 32  Ưu điểm: • Cấu tạo đơn giản • Trở lực trong tháp không lớn lắm • Hiệu suất cao, vì diện tích tiếp xúc pha lớn • Giới hạn làm việc tương đối rộng  Nhược điểm: • Khó làm ướt nhiều đệm • Phân phối chất lỏng không đều, khi chiều cao tháp quá cao.  Khắc phục: chia tháp thành nhiều tầng, và có bộ phận phân phối ở mỗi tầng. 9/18/2014 33 9/18/2014 34 9/18/2014 35 Tháp đĩa: • Tháp hình trụ, bên trong gắn mâm có cấu tạo khác nhau • Khí/hơi phân tán qua lớp lỏng, tiếp xúc pha trên mâm. • Trên mâm có gờ chảy tràn để duy trì mực chất lỏng trên mâm. 9/18/2014 36 Tháp đĩa: • Tháp đĩa có ống chảy chuyền. • Tháp đĩa không có ống chảy chuyền. Tháp đĩa (tháp mâm) Tháp đĩa và hoạt động của tháp đĩa 9/18/2014 37 Tháp đĩa (tháp mâm) 9/18/2014 38 Cấu tạo đĩa chóp có ống chảy chuyền Cấu tạo đĩa dài có ống chảy chuyền 9/18/2014 39 Đĩa lưới không có ống chảy chuyền Thiết bị hấp thu loại bề mặt kiểu vỏ và kiểu ống 9/18/2014 40 Thiết bị hấp thụ loại màng kiểu vỏ và kiểu tấm Sơ đồ hệ thống hấp thụ Sơ đồ hệ thống hấp thụ 9/18/2014 41 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Thế nào tổn thất sau thu hoạch? Phân loại và lấy ví dụ minh họa? Câu 2: Tại sao nói tổn thất sau thu hoạch là mất mùa trong nhà? Câu 3: Nêu những biện pháp chính nhằm hạn chế tổn thất sau thu hoạch? BÀI TẬP 9/18/2014 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh.Truyền khối, Trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, 2001. 2. Nguyễn Bin. Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm. Tập 2, NXB khoa học kỹ thuật, 1999 3. Đỗ Trọng Đài, Nguyễn Trọng Khuông, Trần Quang Thảo, Võ Thị Ngọc Tươi, Trần Xoa. Cơ sở quá trình và thiết bị công nghệ hóa học. Tập 2, NXB đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1974. 4. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học. Tập 2,NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 1992.