Chuong 2 hapthu 2

DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương 2.5 CÂN BẰNG VẬT CHẤT TRONG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ Tương tự trình truyền khối khác, trình hấp thu mô tả phương trình truyền khối Dạng phương trình cân vật chất cho trình truyền khối miêu tả chi tiết chương Sau ta xem xét cân vật chất riêng cho trình hấp thụ - Cân vật chất cho trình truyền khối chiều ổn định: Trong trình truyền khối ổn định chiều (giao chiều), cấu tử (dung chất) truyền từ pha lỏng sang pha khí - Cân vật chất cho trình truyền khối nghịch chiều ổn định: Chương 11 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Nếu thể cấu tử theo phần mol, ta có cân sau: + Cân vật chất cho toàn trình: L1 + G2 = L2 + G1 + Caân vật chất cho cấu tử (dung chất): L1x1 + G2y2 = L2x2 + G1y1 Nếu thể cấu tử theo tỉ số mol, phương trình cân vật chất toàn trình viết thông qua lượng vật chất chuyển pha sau: ( ) ( L Yd − Yc = G X c − X d ) L G lưu lượng khối lượng dòng lỏng trơ dòng khí trơ (kg/s) Nếu viết phương trình cho mặt cắt bất kỳ, ta thu phương trình đường làm việc với dạng sau: Y = a X + b a= L _ lưu lượng riêng chất hấp thụ G b = Yd − a X c Hiệu suất trình: η = Y d −Y c Yd Tùy thuộc vào cách biểu diễn nồng độ mà đường làm việc đường thẳng đường cong Nếu nồng độ biểu diễn theo phần mol (hay áp suất riêng phần tỉ lệ với phần mol) đường làm việc đường cong • Tỉ số L/G Một số trình lưu lượng riêng chất hấp thụ a = L G Thông số ảnh hưởng đặc biệt đến số kinh tế kích thước thiết bị, thông số xác định vị trí đường làm việc đồ thị biểu diễn động lực trình Chương 12 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Q trình hấp thụ Chương Q trình nhả hấp - Xem xét trình hấp thụ tiến hành với lưu lượng dòng khí trơ G (kg/s), nồng độ cấu tử phân tán pha khí đầu vào thiết bị Yd đầu Yc , nồng độ pha lỏng đầu vào X d nhiệt độ chất hấp thụ (t) giữ không đổi Hình bên cho thấy, ta thay đổi lưu lượng pha lỏng L (kg/s) làm thay đổi giá trị lưu lượng riêng a = L Khi đó, hệ số góc đường làm việc thay đổi với vị trí khác G nhau: AB1, AB2, AB3, AB4 AB4: Đường làm việc tối thiểu (tương ứng với (Ltr/Gtr)min))) Kích thước thiết bị xác định bề mặt tiếp xúc pha: F = Chương M k Y ΔYtb 13 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Trong trường hợp khảo sát, M = G.(Yd − Yc ) = const Vì vậy, với lưu lượng vận tốc pha khí không thay đổi, ta có: F ≈ ΔYtb Nếu tăng lưu lượng riêng chất hấp thụ giới hạn a = tgα → ∞, α → 90 , đường làm việc vuông góc với trục hoành vị trí AB3 Khi này, lưu lượng chất hấp thụ tối đa, bề mặt tiếp xúc cần thiết tối thiểu, động lực trung bình trình taêng Lmin Y d − Y c = * G Xc −Xd G.(Y d − Y c ) * Khi X c < X c => L > Lmin , với Lmin = P Y d − X d H Ngược lại, giảm lưu lượng riêng chất hấp thụ đến mức tối thiểu, đường làm việc tiến đến vị trí AB4, tương ứng điểm cắt đường cân B4 Khi này, ΔYd = động lực trung bình trình ΔYtb = , lưu lượng riêng chất hấp thụ mức tối thiểu amin Bề mặt tiếp xúc pha cần thiết lúc phải đạt vô cực ( F → ∞ ) Trong thực tế, lượng dung môi sử dụng lớn lượng dung môi tối thiểu nồng độ đầu pha lỏng nhỏ nồng độ cực đại Nguyên tắc áp dụng cho trình nhả khí, đường làm việc tiếp xúc với đường cân cho tỉ số lỏng / khí cực đại nồng độ dòng khí đầu cực đại Trong thực tế, cần xác định giá trị a tối ưu aopt, tìm cách phân tích kinh tế hoạt động thiết bị bao gồm chi phí vận hành như: (1) chi phí không phụ thuộc lưu lượng chất hấp thụ (giá thành khí, phục vụ…), (2) chi phí phụ thuộc kích thước thiết bị (khấu hao, sửa chữa, vận chuyển khí…), (3) chi phí phụ thuộc lưu lượng chất hấp thụ (vận chuyển chất lỏng, tái sinh chất hấp thụ…) Quá trình hấp thụ thực tế khảo sát tổng chi phí cần thiết để từ xác định lưu lượng chất hấp thụ phù hợp.’ Theo kinh nghiệm thiết kế, người ta thường chọn: Lopt = (1,1-1,3) Lmin Trong số q trình, để phục vụ cho mục đích giải nhiệt, lưu lượng pha lỏng lấy theo giá trị Lopt = (1,3-1,5) Lmin Chương 14 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương 2.6 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH HẤP THỤ Động lực hấp thụ mô tả phương trình: M = kY F ΔYtb = k X F Δ X tb với Ky = 1 βy + m βx Kx = 1 + mβ y β x 2.6.1 Các công thức xác định chuẩn số • Tháp đệm: Chương 15 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương • Tháp mâm Chương 16 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương 2.7 SƠ ĐỒ QUÁ TRÌNH HẤP THỤ LIÊN TỤC Một hệ thống hấp thụ liên tục thường bao gồm thiết bị: tháp hấp thụ, thiết bị truyền nhiệt, thiết bị nhả hấp thiết bị ngưng tụ Chương 17 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Chương 18 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương 2.8 TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ Trình tự tính toán Dựng đường cân (lấy từ tài liệu tham khảo) Xác định Xc* G.(Yd − Yc ) L = Xaùc định Lmin * Xc − Xd Xác định lượng chất lỏng thực tế: L = (1,3 ÷ 1,5)L hệ số góc đường làm việc L/G Xác ñònh Xc Xc = Xd + G (Yd − Yc ) L đường làm việc AB Vẽ đường làm việc Trình tự tính toán Lượng chất chuyển pha: M = G (Y d − Y c ) = L (X c − X d ) Xác định đường kính tháp: Tháp đệm Tháp mâm Xác định chiều cao TB (chiều cao phần làm việc) Tháp đệm Tháp mâm 10 Xác định trở lực tháp Từ lưu lượng pha lỏng(L) trở lực thiết bị (ΔP) ta chọn công suất quạt phù hợp ™ XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ TRUYỀN KHỐI Các kich thước thiết bị hấp thụ đường kính D chiều cao H Đường kính thiết bị xác định theo phương trình lưu lượng G = 0,785.D wy ρ y Chương (kg/s) 19 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương G _ lưu lượng pha liên tục, kg/s wy _ vận tốc pha liên tục qua tiết diện thiết bị, m/s ρ y _ khối lượng riêng pha liên tục, kg/m3 Vận tốc tối ưu pha liên tục phụ thuộc cấu trúc vật liệu tiếp xúc chế độ thủy động tháp tỷ lệ lưu lượng tính chất hóa lý pha tính theo phương trình thực nghiệm chuẩn số Trong thiết bị đệm có chế độ thủy động dòng: Chế độ chảy màng: mật độ tưới thấp vận tốc pha liên tục nhỏ Pha liên tục chảy màng, chất lỏng chảy theo vật liệu đệm dạng giọt tia riêng biệt Phần bề mặt đệm thấm ướt không nhiều Điểm ma sát: điểm chất lỏng bắt đầu cản trở pha khí, hình thành xoáy rối Sau trình xoáy rối, pha lỏng xuất chế độ thủy động chuyển tiếp (trung gian) Chất lỏng chảy dạng màng, nhiên phần lớn đệm không thấm ướt Điểm treo chất lỏng: Ở điểm này, chất lỏng bắt đầu bị giữ đệm dòng khí lên Lúc chất lỏng chảy dạng màng xoáy rối liên tục Cùng với gia tăng vận tốc dòng khí vùng có gia tăng đáng kể: phần bề mặt đệm thấm ướt, xoáy rối pha cường độ truyền khối đối lưu Điểm đảo pha: tương ưng với bắt đầu chế độ nhũ tương Lúc cường độ xoáy rối dòng trở nên mãnh liệt, dẫn đến đứt quãng bề mặtphân chia pha Chế độ thủy động tối ưu hoạt động tháp đệm chế độ gần điểm đảo pha (điểm được) Tương ứng vận tốc dòng khí ω0 Tháp hoạt động chế độ xoáy rối khi: 0,85.w0 < ωtu < w0 trình hấp thu Hoặc chế độ nhũ hóa wtu = w0 Vận tốc pha liên tục điểm đảo pha tính theo phương trình sau: ⎡ w02 δ ρ y ⎛ μ lg ⎢ ⎜⎜ x ⎢⎣ g Vtb ρ x ⎝ μ l ⎞ ⎟⎟ ⎠ ,16 , 25 ⎤ ⎛ L ⎞ ⎛⎜ ρ y ⎥ = A − 1,75⎜ ⎟ ⎜ ⎝ G ⎠ ⎝ ρx ⎥⎦ ⎞ ⎟⎟ ⎠ ,125 δ , Vtb _ bề mặt riêng phần thể tích tự đệm g _ gia tốc trọng trường, m/s2 ρ y , ρ x _ khối lượng riêng pha khí lỏng, kg/m Chương 20 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương μ x , μ l _ độ nhớt vận động pha lỏng nhiệt độ làm việc nước 200C G.L _ lưu lượng khối lượng pha khí lỏng, kg/s A _ hệ số phụ thuộc dạng trình, trình hấp thụ A = 0,022 Đối với tháp sủi bọt, vận tốc tối ưu dòng khí phụ thuộc vào tính chất pha đặc tính kết cấu mâm Vận tốc tối ưu phải đảm bảo cường độ truyền khối mãnh liệt với lôi chất lỏng không đáng kể Trường hợp sử dụng mâm chóp tròn, vận tốc khí giới hạn cho phép tính theo phương trình thực nghiệm: wgh = 0,016 ρx Δ H , 67 ρy dc để loại trừ tạo bọt mâm vận tốc tối ưu nhận 10 – 20 % thấp giới hạn wtu = (0,8 − 0,9).wgh Có thể áp dụng phương pháp sau để tính toán chiều cao tháp hấp thụ 2.8.1 Phương pháp Trong phương pháp này, động lực tính hiệu nồng độ trung bình nhờ số đơn vị truyền khối, động học trình mô tả nhờ hệ số truyền khối Phương pháp ứng dụng trường hợp có phương trình tính toán để xác định hệ số truyền khối, thường cho thiết bị có bề mặt tiếp xúc pha xác định Nếu nồng độ biểu diễn phần mol: M = k yF F Δy tb = k xF F Δxtb Lượng cấu tử phân tán chuyển từ pha vào pha khác biểu diễn phương trình cân vật chất: M = G.( y d − yc ) = L.( xc − xd ) F= G yd − yc G = m K yF Δy tb K yF y F= G xc − x d G = m K xF Δxtb K xF x Khi đó: Nếu đường cân đường thẳng: Chương 21 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT F= Chương M M = K yF Δy tbl K xF Δxtbl M _ khối lượng phân tử phân tán chuyển từ pha vào pha khác, kmol/s G, L _ lưu lượng mol pha khí lỏng, kmol/s F _ bề mặt tiếp xúc pha cần thiết, m2 Δytb , Δxtb _ hiệu trung bình tích phân nồng độ, phần mol yd, yc, xd, xc _ nồng độ đầu vào cuối cấu tử phân tán pha khí lỏng, phần mol my, mx _ số đơn vị truyền khối đơn vị bề mặt tiếp xúc pha pha khí lỏng, kmol m s.kmol kmol Hệ số truyền khối pha khí: k yF = 1 β yF m + β xF Hệ số truyền khối theo pha lỏng xác định theo phương trình sau: k xF = 1 m β yF + β xF β yF , β xF _ hệ số truyền khối từ phía khí lỏng, kmol m s.kmol kmol m _ hệ số phân phối, hệ số góc trung bình đường cân đoạn làm việc Các hệ số truyền khối tính theo phương trình chuẩn số: Nu d = f (Re, Prd ) Khi chọn phương trình cần tính dạng cấu tiếp xúc trạng thái pha Ví dụ D kmol β yF = y (0,79 Re y + 1,1.10 ), kmol 22,4 m s kmol trình tháp chóp mân xuyên lỗ: kmol 3,8.10 ρ x Dx Prdx0,62 , β xF = kmol M x h m s kmol Chương 22 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Dy Dx _hệ số khuếch tán phân tử trung bình pha khí lỏng, m2/s Chuẩn số Reynolds pha khí Re y = w y h.ρ y μy Chuẩn số Prandl pha khí: Prdx = μx ρ x Dx wy _ vận tốc khí, m/s μy μx _ khối lượng riêng trung bình pha khí lỏng, kg/m3 ρy ρx _ độ nhớt động học pha khí lỏng, Pa.s Mx _ khối lượng trung bình chất lỏng, kg/kmol Khi có dòng hai pha, bề mặt tiếp xúc xác định trực tiếp Trường hợp này, động lực trình mô tả nhờ hệ số truyền khối thể tích Kv Chiều cao vùng tiếp xúc pha tính theo phương trình: H= G L my = mx K yv f K xv f Nếu đường cân đường thẳng: H= G L = K yv f Δytbl K xv f Δxtbl f _ tiết diện tháp, m2 Tính hệ số truyền khối cho đơn vị thể tích Kyv, Kxv theo công thức tương tự KyF, KxF 2.8.2 Phương pháp thứ Phương pháp ứng dụng trường hợp có số liệu thực nghiệm hay phương trình xác định chiều cao (h) đơn vị truyền khối tháp đệm số đơn vị truyền khối (h), tương ứng mâm lý thuyết tháp sủi bọt Phương trình truyền khối cân vật chất: M = G ( y d − yc ) M = k y F Δy tb Chương 23 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Biểu diễn bề mặt tiếp xúc pha qua chiều cao phần làm việc tháp (H,m), diện tích tiết diện (f, m2) bề mặt phân chia pha đơn vị thể tích a (m2/m3) F = H.f.a Ta coù: K y H f a.Δytb = G ( y d − yc ) ( y − yc ) = h.m G d y K y f a Δytb H= my = ( y d − yc ) Δytb : Số đơn vị truyền khối G _ chiều cao đơn vị truyền khối, chiều cao phần làm ướt K y f a h= tháp mà nồng độ cấu tử phân phối thay đổi đại lượng động lực nguồn trung bình trình Nếu tổng trở lực truyền khối: m 1 = + Ky βy βx Thì h= G G m.G G mG L = + = + K y f a β y f a β x f a β y f a L β x f a Giá trị hy = Còn hx = G chiều cao đơn vị truyền khối pha khí β y f a L chiều cao đơn vị truyền khối pha lỏng β x f a Như tổng chiều cao đơn vị truyền khối là: h = hy + m.G hx L Bởi chiều cao đơn vị truyền khối pha tỷ lệ với hệ số truyền khối pha tương ứng nên chúng tính theo chuẩn số tương tự Phương trình chuẩn số tháp đệm: hy = Chương Vtb Re 0k , 25 Prdy0,66 , m ϕ ψ σ hx = 119.δ td Re 0x, 25 Prdy0,5 , m 24 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương ψ _ phần bề mặt đệm thấm ướt chất lỏng ϕ _ hệ số đặc trưng dạng đệm 1/ ⎛ μ ⎞ δ td = ⎜⎜ x ⎟⎟ ⎝ ρ x g ⎠ Re y = Prdy = : chiều dày chuyển đổi màng chất lỏng 4.w y ρ y μ y σ μy ρ y D y Re x = Prdx = 4.L 0,785.D μ x σ μx ρ x Dx wy _ vận tốc khí tối ưu, m/s D _ đường kính tháp, m L _ lưu lượng chất lỏng, kg/s Trong tháp sủi bọt, bề mặt tiếp xúc pha thực tế tính được, hệ số truyền khối tính đơn vị diện tích mâm Khi trình truyền khối cân vật chất cho mâm có dạng: M = G.( y ′ − y ' ') = K f T Δy tb y’, y’’ _ nồng độ cấu tử phân phối pha khí đầu vào mâm, phần mol fT _ diện tích làm việc mâm, m2, diện tích phần mâm khoan lỗ mâm xuyên lỗ diện tích bố trí chóp tháp mâm chóp Ko _ hệ số truyền khối cho đơn vị diện tích mâm, kmol m s.kmol kmol Suy số đơn vị truyền khối cho mâm là: n= y '− y ' ' K fT = Δytb G Số đơn vị truyền khối mâm xác định phụ thuộc số đơn vị truyền khối pha khí ny pha lỏng nx 1 m.G = + n ny L nx ny, nx _ xác định theo phương trình thực nghiệm Chương 25 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT n y = 0,01.w , 32 y f ΔPx T f Chương −4 nx = 0,61.10 w0y , 73 u ΔPx Δ Px _ trở lực lớp chất lỏng mâm, Pa f _ tiết diện tháp, m2 wy _ vận tốc khí, m/s u _ mật độ tưới, m3/(m2.s) fT _ tiết diện phần làm việc mâm, m2 2.8.3 Phương pháp thứ Phương pháp ứng dụng có số liệu thực nghiệm phương trình tính để xác định chiều cao tương đương He bậc lý thuyết thay đổi nồng độ tháp đệm hiệu suất tháp sủi bọt Phương trình tính tháp đệm: H = He NT Đối với tháp mâm Ng = NT η NT _ số bậc lý thuyết thay đổi nồng độ Ng _ số bậc thực tế thay đổi nồng độ (số mâm) H _ chiều cao lớp đệm Số bậc lý thuyết xác định đồ thị: Chiều cao tương đương bậc thay đổi nồng độ xác định theo thực nghiệm phương trình chuẩn số Đối với trình chưng cất tháp đệm điểm ñaûo pha: ⎛G⎞ H e = 5,2.d e Re 0y, ⎜ ⎟ ⎝L⎠ de = Chương 4.Vtb σ , 35 ⎛ρ ⎞ ⎜ x ⎟ ⎜ρ ⎟ ⎝ y⎠ Re y = 0, ⎛ L ⎞ ln⎜ ⎟ mG ⎠ ⎝ G − m L 4.w y ρ y μ y σ 26 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Hiệu suất tháp tính theo phương trình thực nghiệm Đối với tháp chưng cất dạng mâm chóp: ⎛L⎞ lg η = 1,67 + 0,3 lg⎜ ⎟ − 0,25 lg(μ x α ) + 0,3.hl ⎝G⎠ α _ hệ số bay tương đối hỗn hợp Chương 27