phân loại , cân bằng pha, quá trình khuếch tán

Định nghĩa và phân loại

Trong công nghiệp hóa học nhiều quá trình sản xuất dựa trên sự tiếp xúc trực tiếp giữa các pha và sự di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác. 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 hay là quá trình khuếch tán, quá trình này đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp hóa học, thực phẩm và các ngành công nghiệp khác.

1-    Hấp thu là quá trình hút khí (hơi) bằng chất lỏng, trong đó vật chất đi từ pha khí vào lỏng.

2-    Chưng là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, vật chất đi từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại

3-    Hấp phụ quá trình hút khí (hơi) bằng chất rắn xốp, trong đó vật chất đi từ pha khí vào pha rắn.

4-    Trích ly là quá trình tách các chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng chất lỏng khác.

5-    Kết tinh là quá trình tách chất rắn trong dung dịch vật chất đi từ pha lỏng vào pha rắn.

6-    Sấy khô là quá trình tách nước ra khỏi vật liệu ẩm vật chất đi từ pha rắn hay lỏng vào pha khí.

7-    Hòa tan là quá trình vật chất đi từ pha rắn sang lỏng.

Cân bằng pha

1. Khái niệm về cân bằng pha:

Giả sử có hai pha Fxvà pha Fy tiếp xúc với nhau và các cấu tử phân bố trong chúng là M. Giả sử lúc đầu chỉ có trong pha Fy với nồng độ là yM còn trong pha Fxkhông có cấu tử M, nghĩa là xM = 0.

Khi đó cấu tử M sẽ di chuyển từ pha Fyvào pha Fx. Quá trình khuếch tán là thuận nghịch nên khi trong pha Fxcó cấu tử M thì lập tức có quá trình di chuyển ngược lại. Nhưng tốc độ của vật chất từ pha Fyvào pha Fx lớn hơn từ pha Fxvào pha Fy . Quá trình di chuyển vật chất đó thực hiện đến khi đạt cân bằng động, nghĩa là vận tốc thuận nghịch bằng nhau. Lúc đó ta có nồng độ cấu tử M trong pha Fxđạt đến cân bằng. Gọi xcb là nồng độ cấu tử M trong pha Fxđạt đến cân bằng có liên hệ như sau:   xcb = f(yM)

Nếu như y < ycb – vật chất chuyển từ pha Fxvào pha Fy

Nếu như y > ycb – vật chất chuyển từ pha Fyvào pha Fx

2. Quy tắc pha:

Qui tắc pha cho phép xác định có thể thay đổi bao nhiêu yếu tố mà cân bằng không bị phá hủy.

C = k - F + n                          

Trong đó:         C  - số bậc tự do

F- số pha trong hệ

k -  số cấu tử độc lập của hệ

n – số yếu tố bên ngoài ảnh hưởng lên cân bằng của hệ

3. Các định luật về cân bằng pha:

Định luật Henry: Đối với dung dịch lý tưởng áp suất riêng phần p của khí trên chất lỏng tỷ lệ với phần mol x của nó trong dung dịch

p = H.x                                                (1.2)

H là hằng số Henry thứ nguyên là thứ nguyên của áp suất. Khi nhiệt độ tăng thì H tăng. Với khí lý tưởng phương trình được biểu diễn bằng đường thẳng còn với khí thực là đường cong. Nếu x nhỏ thì phương trình (1.2) là đường thẳng.

Định luật Raoult:Aùp suất riêng phần của một cấu tử trên dung dịch bằng áp suất hơi bão hòa của cấu tử đó (ở cùng nhiệt độ) nhân với nồng độ phần mol của cấu tử đó trong dung dịch

p = Pbhi.x                                 (1.5)

Trong đó:

p - áp suất hơi riêng phần của cấu tử trong hỗn hợp hơi.

Pbhi- áp suất hơi bão hòa của cấu tử ở cùng nhiệt độ.

x - phần mol x của cấu tử trong dung dịch

ycb = (P­bhi/P).x

ycb= (H/P).x = m.x   

4. Quá trình khuếch tán

Định nghĩa:

Khi hai pha chuyển động tiếp xúc với nhau do sự cản trở của pha này đối  với  pha kia, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha tạo thành hai lớp màng. Chế độ chuyển động trong màng và trong nhân là khác nhau. Trong màng là chuyển động dòng  vì thế gọi là khuếch tán phân tử còn nhân chuyển động xóay và gọi là khuếch tán đối lưu. Khuếch tán trong màng rất chậm so với trong nhân nên nó quyết định đến quá trình khuếch tán.

Quá trình truyền khối giữa các pha xảy ra một cách tự nhiên khi nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng của các cấu tử phân bố trong mỗi pha khác nhau. Hiệu số giữa nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng gọi là động lực khuếch tán hay động lực truyền khối, có thể biểu diễn bằng đồ thị (Hình 1.2)

Nếu tính theo pha Fy ta có động lực: đen ta y bằng trị tuyệt đối y cân bằng trừ y

Nếu tính theo pha Fx ta có động lực: đen ta x bằng trị tuyệt đối x cân bằng trừ x