Vì sao phải giảm áp suất hơi khi chưng cất

Trong công nghiệp nói chung, đặc biệt là trong các hệ thống đường ống, các thiết bị máy móc, các nồi hơi, lò áp suất,… Chúng ta thường bắt gặp thuật ngữ ” Áp suất “. Trong cuộc sống hàng ngày, thuật ngữ này cũng thường xuyên được nhắc đến như áp suất khí quyển, áp suất dưới nước biển,… Vậy áp suất là gì. Hãy cùng tham khảo để tìm hiểu về áp suất vật lý này

1 Áp suất là gì

Áp suất có tên tiếng anh là Pressure, và thường được viết tắt bởi chữ cái đầu ” P “. Là một đại lượng vật lý, được định nghĩa – được tính – được đo, là lực tác dụng vuông góc lên bề mặt của vật thể trên một đơn vị diện tích ( hệ mét hoặc hệ inch) bị tác dụng.

Trong hệ đo lường quốc tế (Tiếng Pháp: Système International d’unités; Viết tắt: SI), đơn vị của áp suất được tính bằng Newton trên mét vuông (N/m2), và được gọi là Pascal (Pa) để tưởng nhớ nhà toán học, đồng thời là nhà vật lý học người Pháp có tên là Blaise Pascal, ở thế kỷ thứ 17.

Vậy áp suất của 1 Pa có lực tác dụng như thế nào? Áp suất 1Pa rất nhỏ, xấp xỉ bằng áp suất tác dụng lên mặt bàn của một đồng đô la. Chính vì vậy, trong đơn vị đo của áp suất người ta thường sử dụng 1kPa = 1000Pa.

2 Áp lực là gì

Trong nhiều trường hợp khác nhau, chúng ta bắt gặp 2 thuật ngữ ” Áp suất ” và ” Áp lực “. Chúng có khác nhau không? Đơn vị đo giống nhau hay khác nhau, thực tế và ứng dụng như thế nào? Để hiểu và nắm bắt rõ áp lực là gì, chúng ta cần hiểu về lực là gì

❶ Lực là gì

Trong chương trình giáo dục vật lý phổ thông chúng ta đã biết về lực, có tên tiếng anh là Force, được định nghĩa là bất kỳ ảnh hưởng, hay tác động nào làm một vật thể thay đổi ( bao gồm thay đổi về cấu trúc hình học, thay đổi vận tốc, biến dạng vật thể, thay đổi trạng thái ). Lực có thể miêu tả bằng nhiều khái niệm trực giác như sự kéo hoặc đẩy, là đại lượng vectơ ( tức là có độ lớn và hướng ). Trong hệ đo lường quốc tế SI, nó có đơn vị đo là newton và ký hiệu là F.

Định luật I của Newton về lực

Theo định luật I Newton, một vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, nếu không chịu tác dụng của lực nào hoặc hợp lực tác dụng vào nó bằng 0. Điều đó, có nghĩa là muốn thay đổi trạng thái ban đầu của vật (thay đổi vận tốc của vật) cần phải có lực tác dụng vào.

Công thức của định luật: Tốc độ biến thiên vận tốc của vật Δv  trong khoảng thời gian Δt  chính là gia tốc a của vật đó

a = Δv / Δt = (vf – vi)/(tf – ti). Trong đó, vf và vi là tốc độ của vật tại thời điểm tf và ti

Điều này được giải thích một cách dễ hiểu như sau

• • Nếu tăng lực kéo F ( Sử dụng con ngựa có lực kéo khỏe hơn) và, hoặc giảm khối lương của vật được kéo ⇒ Vân tốc của vật được kéo sẽ tăng và ngược lại. Có nghĩa là gia tốc của vật được kéo tỉ lệ thuận với lực kéo F
  • Trường hợp lực kéo F tác dụng vào vật không thay đổi, nhưng khối lượng của vật tăng thì vật sẽ khó chuyển động hơn và ngược lại. Điều đó có nghĩa là gia tốc của vật tỉ lệ nghịch với khối lượng
  • Lực tác dụng theo hướng nào thì vật sẽ chuyển động theo hướng đó. Tức là véc tơ gia tốc cùng chiều với véc tơ lực tác dụng

Định luật II của Newton về lực

Theo định luật II Newton, gia tốc của một vật cùng hướng với hợp lực tác dụng và có độ lớn của  tỉ lệ thuận với độ lớn của hợp lực, nhưng tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. Với công thức

Trong đó

1. • F=F1+F2+…+Fn là hợp của các lực tác dụng vào vật (N), có hướng là hướng của tổng lực
   • m: khối lượng của vật (kg)
   • a: gia tốc của vật (m/s2), có hướng trùng với hướng của tổng lực tác dụng

❷ Áp lực là gì

Áp lực được định nghĩa là lực tác động trên diện tích bề mặt của một vật. Như ở trên đã trình bày, lực là đại lượng có hướng, vì vậy lực ở đây là lực ép vuông góc với diện tích bề mặt chịu lực. Vì lý do đó, khi nói về áp lực, người ta đề cập tới độ lớn ( cường độ ) của lực tác động vuông góc

Về mặt toán học, áp lực được thể hiện bằng công thức

FA = F ÷ A. Trong đó, FA: Áp lực ; F: Lực tác dụng lên diện tích chịu lực A ; A: Diện tích chịu lực

Như vậy để, tính được áp lực, chúng ta cần phải chia nhỏ phần diện tích mà tổng lực tác động lên, để biết lực tác động trên một đơn vị diện tích hay chính là áp lực

❸ Sự khác nhau của áp lực và áp suất là gì

Chúng ta đã phân tích “ Áp suất là gì ” và ” Áp lực là gì ” hãy cùng so sánh để thấy điểm giống và khác nhau của áp lực và áp suất là gì

Điểm giống nhau của áp lực và áp suất

Θ Cùng là lực tác dụng tính trên một đơn vị diện tích

Θ Có chung công thức tính: Áp lực = Lực tác dụng vuông góc ÷ Diện tích bị tác dụng lực

Sự khác nhau của áp lực và áp suất

Θ Áp lực dùng để chỉ lực tác dụng của vật thể rắn trên một đơn vị diện tích, còn áp suất dùng để chỉ lực tác dụng của vật thể lỏng ( chất lỏng nói chung, nước, hơi, khí,…)

Θ Nói tới áp lực chúng ta sẽ liên tưởng ngay tới lực tác động Newton, còn nhắc tới áp suất người ta nhớ đến Pascal.

3 Công thức tính áp suất

Việc đo áp suất, được sử dụng bằng các loại đồng hồ đo áp suất khác nhau, tuy nhiên các đồng hồ đo này đều được sản xuất và tính toán để có được độ chính xác cao, dựa trên công thức tính áp suất

❶ Công thức tính áp suất chất rắn

Với áp lực, trong nhiều trường hợp còn được gọi là áp suất chất rắn, công thức áp suất được trình bày ở mục  ❷ Áp lực là gì

FA = F ÷ A

❷ Công thức tính áp suất chất lỏng

Khác với chất rắn, chất lỏng gây áp suất theo mọi phương lên đáy bình, thành bình và các vật trong chất lỏng đó, như vậy, chất lỏng không chỉ gây ra áp suất lên đáy ( bình, ống, bể chứa, sông hồ, biển…) mà lên tác động lên cả thành bình, và tất cả các vật trong lòng chất lỏng.

Áp lực đó được tính theo công thức

P = D x H

Trong đó

P: Áp suất chất lỏng. Có đơn vị tính là (N/m2) hay còn gọi là Pa, và nhiều đơn vị khác được quy đổi

D: Trọng lượng riêng của chất lỏng ( nước, dầu, xăng,… có trọng lượng riêng khác nhau), thường tính bằng đơn vị ” N/m3 ”

H: Chiều sâu tính từ độ cao mặt thoáng đến vị trí có độ cao đang cần tính áp suất, thường tính bằng ” m ”

Ví dụ: Trọng lượng riêng của nước ở nhiệt độ 4oC là 1000kg/m3. Như vậy áp suất của nước ở nhiệt độ này và sâu 100m sẽ là 100.000Kg/m2, quy đổi bằng tương đương 10Kg/cm2 ( Vì 1m2 = 10000cm2 ), trong  mặt bích tiêu chuẩn JIS thường được viết tắt là 10K.

❸ Áp suất khí quyển là gì? Công thức tính

Áp suất khí quyển, hay còn gọi  ” áp suất không khí ” là thuật ngữ thân thuộc nhất về áp suất, áp suất này được gay ra bởi trọng lượng của không khí. Thoạt nghĩ rất đơn giản, tuy nhiên nhiều người chưa hiểu rõ và chi tiết áp suất đó là gì

Chân không: Trong thuật ngữ và lý thuyết cổ điển là không gian mà ở đó không chứa bất kỳ vật chất nào. Như vậy, chân không chỉ có thể tích mà không có khối lượng, do trọng lượng bằng 0, nên chân không có giá trị áp suất bằng 0.

Trong môi trường chân không, áp suất bằng 0 và được gọi là áp suất tuyệt đối

♣ Áp suất không khí, được gây ra bởi không khí xung quanh chúng ta. Bới không khí có thành phần 78% khí Nitow, 21% khí ô xy và 1% các khí còn lại trong đó có khí Argon chiếm phần lớn. Mặc dù không khí rất nhẹ, tuy nhiên vẫn có trọng lượng và được lực hút trái đất kéo các phân tử không khí xuống

♣ Ở độ cao của bầu khí quyển, tức là ở độ cao 11 km ( tương đương 6.8 dặm, 36.000 feet)  lớp không khí này nằm trên mặt đất của chúng ta. Ranh giới của không gian bên ngoài ( không gian vũ trụ ) và không gian bầu khí quyển, ở độ cao khoảng 100km ( ~ 62 dặm ) trên bề mặt trái đất.

♣ Áp suất của bầu khí quyển tiêu chuẩn (atm), được đo và quy định ( định nghĩa ) là 101325 Pa (1.01325 bar ~  1 bar), tương đương 760 mmHg (torr), 29.92 inch Hg và 14.696 psi.

♣ Như vậy áp suất khí quyển đã được chứng minh, đo đạc và quy định là khoảng 1bar, không có công thức tính chung như áp suất chất rắn hay chất lỏng khác. Áp suất này phụ thuộc vào độ cao, nhiệt độ và độ ẩm của không khí….

Cảm nhận về áp suất không khí rõ ràng nhất là khi cơ thể của chúng ta thay đổi độ cao đột ngột, khi đó đôi tai của chúng ta có thể bị ” Ù tai “, đôi khi là rát họng, thậm chí chóng mặt, đau đầu hoặc đau khớp. Trong các trường hợp

♦ Chơi tàu lượn trên cao

♦ Đi máy bay, khi máy bay cất cánh và hạ cánh

♦ Lên xuống các tòa nhà cao tầng bằng thang máy

4 Các đơn vị đo áp suất

Trong hệ thống đo lường quốc tế SI, áp suất có đơn vị đo là Pascal (Pa). Tuy nhiên, các khu vực địa lý khác nhau trên thế giới, hoặc các đất nước có nền công nghiệp kỹ thuật tiến bộ sử dụng các đơn vị khác nhau.

Ngoài ra, để phục vụ cho việc tính toán của từng lĩnh vực, từng hệ thống có áp lực khác nhau, với các dòng chất lỏng khác nhau, thực tế cho thấy người ta sử dụng nhiều đơn vị áp suất khác nhau.

Đặc biện là trong các hệ thống đo lường khác nhau bao gồm hệ ” mét ” và hệ ” inch “. Với các chất lỏng thì chúng ta thường sử dụng ” áp suất cột nước ” và ” áp suất  thủy ngân “. Trong khí quyển thì được chia làm ” Áp suất khí quyển vật lý ” và ” Áp suất khí quyển kỹ thuật ”

5 Quy đổi các đơn áp suất

Tại sao phải quy đổi áp suất? Trong nhiều trường hợp, mặt đồng hồ thể hiện thang đó áp suất theo đơn vị này, nhưng thực tế trong tính toán hệ thống hoặc tính toán áp suất thực tế lại là đơn vị khác. Hoặc, trong nhiều tính toán hay sử dụng do khác đơn vị đo áp suất, khi đó việc quy đổi các đơn vị áp suất là cần thiết

Chúng ta có nhiều cách quy đổi áp suất, dựa trên các công thức tính toán, hoặc dựa vào các bảng tính toán sẵn, hoặc các phần mềm để quy đổi từ đơn vị đo áp suất này, thành đơn vị đo áp suất khác nhanh chóng.

Dưới đây là bảng quy đổi, được nhiều quốc gia và nhiều đơn vị trong nghành sử dụng

6 Ý nghĩa của áp suất là gì

Trong cuộc sống hàng ngày, đặc biệt là trong các công việc liên quan trực tiếp đến áp suất. Việc hiểu áp suất là gì, biết rõ đơn vị đo áp suất, cũng như các giá trị liên quan có vai trò quan trọng

♣ Giúp cho người vận hành, khai thác hệ thống và các thiết bị trên hệ thống một cách an toàn.

♣ Hiểu và sử dụng đồng hồ đo áp suất đúng cách.

♣ Kiểm tra và giám sát hệ thống, không xảy ra các hư hỏng do áp suất thực tế cao hơn áp suất giới hạn.

♣ Trong mua bán các loại thiết bị đo, lựa chọn chủng loại và đơn vị hiển thị áp suất đúng với yêu cầu.

♣ Lựa chọn các đồng hồ áp suất có giới hạn làm việc cao hơn áp suất hệ thống, cũng như phạm vi nhiệt độ rộng hơn nhiệt độ lưu chất và nhiệt độ môi trường

7 Thiết bị đo áp suất

Để đo được áp suất của bất kỳ chất lỏng thuộc hệ thống bất kỳ nào, người ta sử dụng các đồng hồ đo áp suất. Hiện nay, có rất nhiều chủng loại đồng hồ đo áp suất khác nhau, được phân chia theo nhiều cách. Tuy nhiên phổ biến nhất có 12 loại, được phân chia như dưới đây

Ngoài các đồng hồ đo áp suất, chúng ta còn có các loại cảm biến áp suất

8 Cách điều chỉnh áp suất hệ thống

Trong thực tế, đã có nhiều trường hợp xảy ra các vụ nổ, hỏng hóc hệ thống do áp suất thực tế vượt quá áp suất giới hạn của hệ thống. Để khắc phục điều này, các nhà thiết kế đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau

❶ Sử dụng van an toàn – Pressure Safety Valve

♦ Khi tìm hiểu ” Van an toàn là gì “, chúng ta đã biết rõ công dụng của van là bảo vệ hệ thống và máy móc thiết bị trên hệ thống, không vượt qua áp suất định mức. Khi áp suất của hệ thống vượt qua áp suất định mức, van tự mở và cho xả bớt một lượng lưu chất

♦ Tại thị trường Việt Nam có nhiều thương hiệu và loại van an toàn khác nhau, tuy nhiên hãy quý độc giả nên lựa chọn các đơn vị có kinh nghiệm kỹ thuật để có được những tư vấn chính xác, phù hợp với yêu cầu của hệ thống.

❷ Sử dụng van giảm áp – Pressure Relief Valve

♦ Bài viết ” Van giảm áp là gì “, đã giải thích cho các bạn biết van giảm áp lấy áp suất đầu ra làm định mức giới hạn. Van có chức năng đảm bảo áp suất của hệ thống nằm ở phía đầu ra của van

♦ Có nhiều loại van giảm áp khác nhau, tuy nhiên phổ biến hơn cả vẫn là các loại van giảm áp được nhập khẩu từ Nhật Bản, Hàn Quốc, Italya và Đài Loan