Giáo trình Cơ sở quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Trình độ: Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí (năm 2020)

TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: CƠ SỞ Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC NGHỀ: VẬN HÀNH THIẾT BỊ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: 191/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng năm 2020 Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2020 (Lưu hành nội bộ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Trang LỜI GIỚI THIỆU Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa học xây dựng sở khoa học tự nhiên kỹ thuật Đặc điểm lĩnh vực nghiên cứu quy luật hoạt động trình để nghiên cứu cấu thiết bị, nhằm thích ứng với thực tế sản xuất Vì vậy, hiểu sâu trình thiết bị giúp cho người học có khả vận hành loại thiết bị thông dụng công nghệ hóa học Q trình thiết bị cơng nghệ hóa học mơn học sở quan trọng cho học sinh ngành Vận hành thiết bị chế biến dầu khí Mục đích trang bị cho học sinh kiến thức trình thủy lực, truyền nhiệt trình truyền chất Trong phần trình bày sở lý thuyết mơ tả ngun lý cấu tạo thiết bị điển hình Mặc dù sách biên soạn sở tham khảo tài liệu ngồi nước, song khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến quý độc giả Trân trọng cảm ơn./ Bà rịa - Vũng Tàu, tháng năm 2020 Tham gia biên soạn Chủ biên: Ths Phạm Thị Nụ Nguyễn Hữu Thanh Trần Thu Hằng Huỳnh Việt Triều Ks Phạm Công Quang Trang MỤC LỤC TRANG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .5 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA THỦY LỰC HỌC 14 1.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG VÀ TĨNH LỰC HỌC CHẤT LỎNG 15 1.1.1 Tính chất vật lý chất lỏng 15 1.1.2 Khái niệm động tĩnh lực học chất lỏng 17 1.2 CHẾ ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG 26 1.2.1 Phân loại chế độ chuyển động dòng chất lỏng 26 1.2.2 Dòng ổn định dịng khơng ổn định 28 1.2.3 Phương trình Bernouli 29 1.3 TRỞ LỰC TRONG ÔNG DẪN CHẤT LỎNG 30 1.3.1 Trở lực ma sát lên thành ống 30 1.3.2 Trở lực cục 31 1.3.3 Chọn đường kính ống dẫn 31 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT 33 2.1 CÁC HÌNH THỨC TRUYỂN NHIỆT 34 2.1.1 Dẫn nhiệt 34 2.1.2 Đối lưu nhiệt 36 2.1.3 Bức xạ nhiệt 37 2.2 TRAO ĐỔI NHIỆT PHỨC TẠP 38 2.2.1 Truyền nhiệt đẳng nhiệt qua tường phẳng tường ống 38 2.2.2 Chọn chiều chuyển động lưu thể 43 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN CHẤT 32 3.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ QUÁ TRÌNH TRUYỀN CHẤT 33 3.1.1 Khái niệm chung 33 3.1.2 Sơ lược trình chuyển khối 38 3.2 QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 38 3.2.1 Khái niệm chung 38 3.2.2 Cân pha lỏng – 39 a Dung dịch lý tưởng 39 b Dung dịch thực 41 3.2.3 Nguyên tắc trình chưng luyện 41 Trang 3.2.4 Quá trình chưng luyện liên tục, ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất tỷ số hồi lưu đến trình 43 a Chưng luyện liên tục 43 b Các yếu tố ảnh hưởng đến trình chưng luyện 43 3.3 QUÁ TRÌNH HẤP THỤ 44 3.3.1 Cơ sở lý thuyết trình hấp thụ 44 a Quá trình hấp thụ nhả hấp thụ 44 b Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp thụ 45 c Phân loại chất hấp thụ (dung môi) 46 3.3.2 Nguyên lý hoạt động thiết bị hấp thụ 46 a Thiết bị hấp thụ loại bề mặt 46 b Thiết bị hấp thụ loại màng 47 3.3.3 Tháp hấp thụ 49 a Tháp đệm 49 b Tháp đĩa 50 3.4 QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ 53 3.4.1 Cơ sở lý thuyết trình hấp phụ 53 a Khái niệm động học trình hấp phụ 53 b Phân loại hình thức hấp phụ 53 c Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ 54 3.4.2 Nguyên lý hoạt động thiết bị hấp phụ 54 a Thiết bị hấp phụ loại đứng 54 b Thiết bị hấp phụ loại nằm dùng để hấp phụ khí 56 3.4.3 Các chất hấp phụ 57 a Cấu trúc xốp chất hấp phụ 57 b Ứng dụng chất hấp phụ 58 3.5 QUÁ TRÌNH KẾT TINH 61 3.5.3 Khái niệm chung 61 3.5.2 Các phương pháp kết tinh 62 3.6 QUÁ TRÌNH SẤY KHƠ 65 3.6.3 Khái niệm chung 65 3.6.2 Vật liệu sấy 67 3.6.3 Thiết bị sấy 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Các lực tác dụng lên chất lỏng trạng thái tĩnh 18 Hình Nguyên lý làm việc áp kế 19 Hình Đo áp suất áp kế chất lỏng (ống Pezomet) 20 Hình Đo áp suất áp kế chữ U 21 Hình Đo áp suất áp kế kiểu chén 21 Hình Đo áp suất áp kế vi sai 21 Hình Sơ đồ làm việc máy ép thủy lực 22 Hình Áp suất hai bình thơng dạng kín (a) hở (b) 24 Hình Biểu đồ thể chuyển động lớp chất lỏng trượt lên 25 Hình 10 Thí nghiệm Reynolds nghiên cứu chế độ chảy dòng chất lỏng 27 Hình 11 Profil chảy dịng (chảy tầng) dòng chất lỏng 27 Hình 12 Profil chảy rối (chảy xốy) dòng chất lỏng 28 Hình 13 Minh họa dịng chảy ổn định dịng chảy khơng ổn định 29 Hình Thành phần dịng nhiệt xạ Q đập vào bề mặt vật thể 38 Hình 2 Quá trình truyền nhiệt qua tường phẳng lớp 39 Hình Quá trình truyền nhiệt qua tường ống lớp 41 Hình Hai lưu thể chảy xuôi chiều 43 Hình Đặc trưng thay đổi nhiệt độ lưu thể chảy xuôi chiều 43 Hình Hai lưu thể chảy ngược chiều 44 Hình Đặc trưng thay đồi nhiệt độ lưu thể chảy ngược chiều 44 Hình Hai lưu thể chảy chéo dòng 45 Hình Hai lưu thể chảy theo dòng chảy hỗn hợp 45 Hình 10 Thay đổi nhiệt độ lưu thể truyền nhiệt ổn định 46 Hình Sơ đồ di chuyển cấu tử M từ pha y vào pha x 34 Hình Sơ đồ tiếp xúc hai lưu thể 37 Hình 3 Sơ đồ trình chưng hỗn hợp cấu tử A B 39 Hình Sơ đồ trình chưng cất nhiều lần 41 Hình Sơ đồ trình chưng cất nhiều lần có hồi lưu 42 Hình Hệ thống tháp chưng cất 43 Hình Quan hệ X – Y 45 Hình Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất lên trình hấp thụ 46 Hình Thiết bị hấp thụ loại bề mặt kiểu ống 47 Hình 10 Thiết bị hấp thụ loại bề mặt kiểu vò 47 Hình 11 Thiết bị hấp thụ màng kiểu ống 48 Hình 12 Thiết bị hấp thụ loại 49 Hình 13 Sơ đồ tháp đĩa chóp 51 Hình 14 Chế độ thủy động tháp đĩa chóp khơng có ống chảy chuyền 51 Hình 15 Kết cấu xu páp đĩa 52 Hình 16 Tháp đĩa sóng hình chữ S 52 Hình 17 Thiết bị hấp phụ khí loại đứng BTP 55 Hình 18 Thiết bị hấp phụ khí loại đứng với lớp hấp phụ hình xuyến 55 Hình 19 Tháp hấp phụ dầu 56 Hình 20 Thiết bị hấp phụ nằm ngang 57 Hình 21 Chất hấp phụ than hoạt tính 59 Hình 22 Các hạt silicagel 60 Hình 23 Cấu trúc phân tử Zeolit 61 Hình 24 Thiết bị đặc kết tinh 63 Hình 25 Thiết bị kết tinh làm lạnh dung dịch 64 Hình 26 Thiết bị kết tinh chân không 65 Hình 27 Thiết bị sấy tia hồng ngoại (bức xạ kiểu đèn) 66 Trang Hình 28 Phịng sấy khơng khí nóng tuần hồn có đốt nóng chừng 69 Hình 29 Hầm sấy (tuy nen) với lớp vật liệu sấy di động 70 Trang DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Độ dẫn nhiệt kim loại thường dùng 35 Trang GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: CƠ SỞ Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC Mã mơn học: CNH19MH13 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: 3.1 Vị trí: Là mơn học thuộc mơn học chun mơn chương trình đào tạo Môn học dạy trước môn sản phẩm dầu mỏ sau môn học, mô đun như: Nhiệt kỹ thuật, điều khiển q trình, hóa lý 3.2 Tính chất: Cơ sở q trình thiết bị cơng nghệ hóa học mơn học kỹ thuật sở chương trình đào tạo cao đẳng liên quan đến cơng nghệ thiết bị dầu khí 3.3 Ý nghĩa vai trị mơn học: Mơn học trang bị kiến thức số q trình cơng nghiệp hố học, ngun tắc hoạt động cấu tạo số thiết bị Mục tiêu môn học: 4.1 Về kiến thức: A1 Trình bày kiến thức thủy lực học A2 Trình bày kiến thức trình truyền nhiệt A3 Trình bày kiến thức trình chưng cất, kết tinh, sấy khơ A4 Trình bày kiến thức trình hấp thụ, hấp phụ A5 Trình bày cấu tạo nguyên tắc hoạt động số thiết bị 4.2 Về kỹ năng: B1 Phân biệt thiết bị sơ đồ cơng nghệ B2 Tính tốn hiệu số nhiệt độ trung bình 4.3 Về lực tự chủ trách nhiệm: C1 Rèn luyện tác phong làm việc khoa học cho học sinh, tính kiên nhẫn, chăm khả làm việc theo nhóm C2 Rèn luyện tính nghiêm túc, cẩn trọng trình làm việc Nội dung mơn học: 5.1 Chương trình khung Thời gian đào tạo (giờ) Mã MH/MĐ/HP Tên môn học, mô đun Số tín Tổng số Trong Lý thuyết Thực hành/ thí nghiệm/ Thi/ Kiểm tra Trang tập/ thảo luận LT TH Các môn học chung/ đại cương 21 435 157 255 15 MHCB19MH02 Giáo dục trị 75 41 29 MHCB19MH03 Pháp luật 30 18 10 MHCB19MH05 Giáo dục thể chất 60 51 MHCB19MH08 Giáo dục quốc phòng An ninh 75 36 35 MHCB19MH09 Tin học 75 15 58 Tiếng Anh 120 42 72 75 1855 556 1182 38 79 11 195 119 65 I TA19MH02 II II.1 Các môn học, mô đun chuyên môn ngành, nghề Môn học, mô đun kỹ thuật sở 2 CK19MH01 Vẽ kỹ thuật - 45 15 28 KTĐ19MĐ06 Điện kỹ thuật 45 36 An toàn vệ sinh lao động 30 26 2 Nhiệt kỹ thuật 30 28 ATMT19MH 01 CNH19MH10 2 Cơ sở điều khiển q trình Mơn học, mơ đun chun mơn ngành, nghề Cơ sở q trình thiết bị cơng nghệ hóa học 45 14 29 1 61 1660 437 1117 30 76 45 42 CNH19MH14 Sản phẩm dầu mỏ 45 42 CNH19MĐ16 Vận hành thiết bị tách dầu khí Vận hành hệ thống đường ống bể chứa Vận hành máy thuỷ khí I Vận hành máy thuỷ khí II Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt Kỹ thuật phịng thí nghiệm 45 14 29 1 150 28 106 13 150 28 106 14 100 28 66 75 21 50 2 45 13 30 1 TĐH19MĐ12 II.2 CNH19MH13 CNH19MĐ17 CNH19MĐ18 CNH19MĐ19 CNH19MĐ20 CNH19MĐ21 Trang − Maropore: kích thước lớn 1000 – 2000 Å Các mao quản tạo 0.5 – m2/g Ngày có nhiều loại vật liệu hấp phụ than hoạt tính, zeolit, đất sét hoạt tính oxit kim loại (oxit nhôm) Cùng với cấu trúc xốp, loại có đặc tính tạo nên ứng dụng hiệu riêng loại b Ứng dụng chất hấp phụ ✓ Than hoạt tính: Sản xuất từ nguyên liệu giàu cacbon than bùn, than đá, thực vật (gỗ, mùn cưa, bã mía ), xương động vật Q trình sản xuất than hoạt tính gồm hai giai đoạn chính: than hố hoạt hố − Than hố: nhờ q trình nhiệt phân, nhằm giải phóng cacbon khỏi liên kết với nguyên tử khác cácliên kết bền trước chúng, loại nguyên tố khác đồng thời nâng cao hàm lượng cácbon Quá trình nhiệt phân vật liệu thực vật 400 – 500oC điều kiện khơng có chất oxy hố Đối với loại than, ngun liệu thơ cịn tẩm hố chất trước than hoá − Hoạt hoá: than oxy hoá chọn lọc 800 – 1000oC môi trường chứa nước khí CO2: Khi dùng nước: C + H2O → CO + H2 Khi dùng CO2 : C + CO2 → CO Các phản ứng (đốt cháy phần than đá) tạo nên độ xốp với bề mặt chứa nhóm chức hoạt động lớn, từ 600 đến 1700 m2/g Than hoạt tính thường dùng hai dạng: − Dạng bột thường dùng suất nhỏ, đem trộn vào dung dịch cần hấp phụ sau lọc Dạng viên (có thể ép bột lại) thuận lợi cho việc hoàn nguyên tái sử dụng, nên thường sử dụng cho hệ thống có suất lớn Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 58 Hình 21 Chất hấp phụ than hoạt tính Ưu điểm: xử lý chất thải dễ sau dùng (bằng cách đốt) Nhược điểm: dễ cháy (thậm chí với hàm lượng thích hợp gây nổ) Ứng dụng khác: − Trong y tế (Carbo medicinalis – than dược): để tẩy trùng độc tố sau bị ngộ độc thức ăn, − Trong cơng nghiệp hóa học: làm chất xúc tác chất tải cho chất xúc tác khác; − Trong kỹ thuật làm thành phần lọc khí (trong đầu lọc thuốc lá, tủ mát máy điều hòa nhiệt độ), − Trong xử lý nước (hoặc lọc nước gia đình): để tẩy chất bẩn vi lượng − Tác dụng cực tốt phòng tránh tác hại Tia đất ✓ Silicagel: Chế tạo silicagel theo nguyên tắc sau: − Tạo thành H2SiO3 cách tác dụng với muối Na2SiO3 với axít mạnh H2SiO3 kết tủa dạng keo polymer tổ hợp từ hạt nhỏ, chứa nhiều nước − Sấy 120 – 150oC làm tự do, độ ẩm – 7%, giải phóng khơng gian vi hạt, hình thành lỗ xốp với bề mặt riêng phát triển, cỡ 300 – 750 m2/g Silicagel chất hấp phụ mà bề mặt ưa nước Nó hấp phụ tốt nước nhiều hất có cực, ứng dụng lớn để tách nước khơng khí, khí tự nhiên khai thác từ mỏ, khí cơng nghiệp khác hay tách nước chất lỏng tan nước, tách chất hữu từ dung dịch (dùng sắc ký, công nghiệp dầu mỏ, dược phẩm…) Silicagel bền học nhiệt độ cao > 500oC Kích thước 0.2 – mm Trong đời sống hàng ngày, người ta thường gặp silica gel gói nhỏ đặt lọ thuốc tây, gói thực phẩm, sản phẩm điện tử Ở đó, silica gel đóng vai trị hút ẩm để giữ sản phẩm không bị ẩm làm hỏng Silica gel hút ẩm nhờ tượng mao dẫn hàng triệu khoang rỗng li ti nó, nước bị hút vào bám vào chỗ rỗng bên hạt Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 59 Để thị tình trạng ngậm nước silica gel, người ta cho chlorua coban vào Khi cịn khơ có màu phớt xanh, bắt đầu ngậm nước, chuyển dần sang màu xanh nhạt, màu hồng, cuối trắng đục Khi silica gel ngậm no nước, ta tái sinh cách giữ nhiệt độ khoảng 150°C khoảng nửa trở màu phớt xanh Hình 22 Các hạt silicagel ✓ Chất dẻo xốp: Là chất hấp phụ từ polymer tổng hợp nhân tạo styren divinyl benzen polymer, copolymer, phenolformaldehyt – amin… Nhựa xốp hấp phụ vật liệu bề mặt kỵ nước, khơng có cực cực yếu., hấp phụ tốt hợp chất hữu có chứa nhóm chức clo, amin, phenol…(than hoạt tính hấp phụ tốt nhiều hợp chất hữu cơ, nhiên hợp chất hữu này) − Loại kích thước lỗ xốp lớn có bề mặt riêng 140 m2/g − Loại kích thước lỗ xốp nhỏ có bề mặt riêng lớn đến 750 m2/g ✓ Zeolit Là dạng khoáng từ Aluminosilicat số kim loại có cấu trúc vi xốp với cơng thức chung: Me2/xO.Al2O3.nSiO2.mH2O Trong đó: Me kim loại kiềm Na, K kim loại kiềm thổ Ca, Mg Lúc đầu khoáng tự nhiên, sau tổng hợp để phát triển đặc tính tốt cuả Zeolit gọi “sàng phân tử”, nghĩa tách chất dựa vào khác nhauvề kích thước phân tử Đó nhờ mạng tinh thể tạo cấu trúc giống “lồng”, có cửa sổ Với kích thước định cho phép qua phân tử nhỏ Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 60 Hình 23 Cấu trúc phân tử Zeolit ✓ Oxit nhơm hoạt tính Cịn gọi Alumogel chúng tạo tương tự Silicagel: tạo kết tủa Al(OH)3 ngậm nước dạng keo, sấy ung theo chế độ kỹ thuật định, phân tử nước bị loại tạo thành cấu trúc pore Alumogel có bề mặt riêng 200 – 400 m2/g, thuộc loại ưa nước, bền học nên dùng tốt cho lớp hấp phụ chuyển động, thường dùng cột sắc ký, làm chất mang xúc tác 3.5 QUÁ TRÌNH KẾT TINH 3.5.3 Khái niệm chung Kết tinh trình tách chất rắn hòa tan dung dịch dạng tinh thể Tinh thể vật rắn đồng có hình dạng khác nhau, giới hạn mặt phẳng Tinh thể gồm phân tử nước gọi tinh thể ngậm nước (tinh thể hydrat) Tủy theo điều kiện thực q trình mà tinh thể ngậm số phân tử nước khác Để thực trình kết tinh, người ta phải làm thay đổi nhiệt độ phải tách phần dung mội Có thể kết tinh dung dịch nước hay dung dịch chất hữu (như rượu, este, hydrocacbon,….) Trong thực tế sản xuất, trình kết tinh gồm giai đoạn − Kết tinh; − Tách tinh thể khỏi dung dịch lại (gọi dung dịch cặn, hay nước cái); − Kết tinh lại (trong trường hợp thấy cần thiết); − Rửa sấy khô tinh thể Một số nhân tố sau có ảnh hưởng đến vận tốc trình kết tinh như: Mức độ bão hòa dung dịch, nhiệt độ, tạo mầm tinh thể, cường độ khuấy trộn dung dịch, có mặt tạp chất,… Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 61 a Quá trình tạo mầm tinh thể Mầm tinh thể gọi tâm kết tinh tự hình thành dung dịch trạng thái bão hòa dung dịch làm lạnh cho bốc phần dung môi Theo quan điểm đại, mầm tạo liên kết ion (phân tử) va chạm với chất hòa tan dung dịch Mầm tinh thể đạt tới trạng thái cân với dung dịch kết tinh dừng lại Vận tốc tạo mầm phụ thuộc tính tự nhiên chất hịa tan dung mơi, vào mức độ q bão hịa dung dịch, vào nhiệt độ phương pháp khuấy trộn, vào tạp chất Thời gian từ vài giây đến vài tháng Để trình tạo mầm dễ dàng, người ta thêm vào chất “trợ mầm” tinh thể chất hịa tan tinh thể chất khác cấu trúc tinh thể giống chất tan dung dịch Để tăng cường q trình tạo mầm, cịn thay đổi nhiệt độ tăng cường khuấy trộn tăng cường tác động học bên như: rung, lắc, va đập,… b Quá trình lớn lên tinh thể Tinh thể phát triển kích thước đạt tới giá trị tới hạn mầm Tinh thể có bề mặt lớn nến hút (hấp thụ) chất hịa tan dung dịch Sự lớn lên tinh thể đồng thời theo tất mặt vận tốc lớn lên mặt tinh thể khác Chiều dày lớp chuyển động dòng gần bề mặt tinh thể phụ thuộc vào cường độ khuấy dung dịch Nếu dung dịch khơng khuấy trơn bề dạy lớp biên 𝛿 từ 20 ÷ 150μm Khi khuấy trộn mạnh 𝛿 → 3.5.2 Các phương pháp kết tinh a Kết tinh tách phần dung môi Để tách phần dung mơi cho bay dung môi Dung môi cho bay thiết bị cô đặc Sau đạt tới bão hòa mức độ cần thiết thực trình kết tinh Phương pháp gọi kết tinh đẳng nhiệt có nhược điểm tinh thể bị dính lên bề mặt truyền nhiệt đồng thời làm tăng nồng độ tạp chất có dung dịch Để hạn chế lượng chất rắn động bề mặt truyền nhiệt phải tăng vận tốc tuần hoàn dung dịch khuấy trộn Để tách dung dịch (nước cái) khỏi tinh thể thực thiết bị khác bên thiết bị lọc, ly tâm,… Dung dịch lại nước rửa chứa lượng tạp chất nhỏ cho quay lại để tiếp tục đặc Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 62 Hình 24 Thiết bị đặc kết tinh Phòng bốc hơi, Phòng đốt, Bộ phận chứa tinh thể Vận tốc dung dịch ống truyền nhiệt không m/s Để giảm tiêu hao nhiệt tiến hành nhiều thiết bị theo phương thức song song Sản phẩm nhận phương pháp thường đồng có kích thước tinh thể lớn b Kết tinh với thay đổi nhiệt độ Để bão hòa dung dịch phải làm lạnh Có thể làm lạnh dung dịch nước lạnh nước muối Phương pháp làm việc liên tục gián đoạn: − Kết tinh liên tục thực nhiều thiết bị nối với nhau, dung dịch từ thiết bị qua thiết bị khác sản phẩm lấy liên tục; − Kết tinh gián đoạn cách cho dung dịch vào đầy thiết bị, sau kết tinh xong nước tinh thể, tinh thể tháo Thiết bị kết tinh làm lạnh dung dịch: Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 63 Hình 25 Thiết bị kết tinh làm lạnh dung dịch Nguyên lý hoạt động thiết bị: − Thiết bị làm lạnh ống xoắn ruột gà vỏ lọc ngồi, có cánh khuấy để trộn dung dịch Đây loại thiết bị làm việc gián đoạn Để tăng thời gian lưu bố trí thiết bị nối tiếp thành dãy − Thiết bị hình máng có máng đặt nghiêng theo trục, dung dịch cho vào đầu cao máng, dung dịch làm lạnh mát nhiệt môi trường xung quanh bay phần dung môi Do dung dịch chuyển động chậm làm lạnh, mầm tinh thể hình thành phát triển chậm với kích thước từ 3-5mm 10-15mm Tinh thể dịch nước lấy đầu thấp Loại có chiều dài khoảng 15m, rộng 1,5m Để tăng cường khuấy trộn dung dịch tạo cho tinh thể trạng thái lơ lửng, người ta dùng loại máng có vít tải c Kết tinh chân khơng Trong phương pháp kết tinh chân không, phần dung môi bay nhờ vào nhiệt vật lý dung dịch Hơi bay theo đường bơm chân không Nhiệt độ dung dịch trạng thái bão hòa giảm đến nhiệt độ sôi tương ứng với áp suất chân khơng thiết bị Dung dịch đạt bão hịa kết tinh Dung môi bay không nhiệt độ vật lý dung dịch mà tỏa nhiệt kết tinh Kết tinh tiến hành đồng thời bay hút chân không làm lạnh tăng cường trình xảy tồn thể tích dung dịch, tinh thể hạn chế dính vào bề mặt thiết bị thời gian rửa thiết bị rút ngắn Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 64 Hình 26 Thiết bị kết tinh chân khơng Thùng; Bơm tuye; Thiết bị ngưng tự chân cao Vì khơng có phận làm lạnh nên thiết bị chế tạo từ vật liệu bền ăn mịn hóa học, hệ số dẫn nhiệt thấp như: Gốm, sứ, gang chịu axit,… Thùng hình trụ có cánh khuấy mái chèo mỏ neo, hút chân không bơm tuye 2, ngưng tụ thiết bị chân cao (baromet) 3.6 QUÁ TRÌNH SẤY KHƠ 3.6.3 Khái niệm chung Sấy q trình dùng nhiệt để làm bay nước khỏi vật liệu Q trình tiến hành bay tự nhiên lượng tự nhiên lượng Mặt trời, lượng gió… (gọi trình phơi hay sấy tự nhiên) Dùng phương pháp đỡ tốn nhiệt năng, không chủ động điều chỉnh vận tốc trình theo yêu cầu kỹ thuật, suất thấp … Do vậy, ngành công nghiệp người ta thường tiến hành trình sấy nhân tạo (dùng nguồn lượng người tạo ra) Kỹ thuật Sấy chia thành nhiều phương pháp: − Phương pháp sấy thông thường: + Sấy đối lưu: Là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với khơng khí nóng, khói lị… (gọi tác nhân sấy) + Sấy tiếp xúc: Là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua vách ngăn − Phương pháp sấy đặc biệt: + Sấy tia hồng ngoại: Là Phương pháp sấy dùng lượng tia hồng ngoại nguồn nhiệt phát truyền cho vật liệu sấy Phương pháp Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 65 thường ứng dụng để sấy bề mặt sơn, sấy vật liệu dạng sợi, sấy chất dẻo, sấy sản phẩm gỗ, sấy thực phẩm,… Phương pháp bao gồm: Sấy xạ kiểu đèn sấy thiết bị có phận xạ kim loại hay sành sứ Hình 27 Thiết bị sấy tia hồng ngoại (bức xạ kiểu đèn) Phòng Sấy, Băng tải, Bóng đèn xạ tia hồng ngoại Sấy dịng điện cao tần: Là Phương pháp sấy dùng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng toàn chiều dày lớp vật liệu Nếu vật liệu sấy đặt hai điện cực nối với dịng điện có tần số cao, vật liệu đốt nóng tồn chiều dày Phương pháp có nhược điểm tiêu tốn lượng lớn (2÷5 kW.h/kg ẩm) giá thành đắt so với sấy đối lưu từ 3÷ lần, thiết bị phức tạp (phải có máy tạo dịng cao tần) nên thực tế dùng Sấy thăng hoa (Sấy lạnh đông): Là Phương pháp tách ẩm từ vật liệu, ẩm trạng thái rắn (băng, nước đá) thành thơng qua trạng thái lỏng Q trình xảy mơi trường có độ chân khơng cao (áp suất tuyệt đối từ 0,1 ÷ 1,0 mmHg), nhiệt độ thấp (có thể tới -15oC), nên ẩm tự vật liệu đóng băng bay từ trạng thái rắn thành không qua trạng thái lỏng Ưu điểm phương pháp thu sản phẩm có chất lượng cao, khơng làm biến chất albumin, khơng xảy trình vi sinh, giữ nguyên vitamin lúc cịn tươi, giữ ngun thể tích ban đầu vật liệu sấy xốp nên dễ hấp thụ nước để trở lại dạng ban đầu Do đó, phương pháp ứng dụng để sấy thực phẩm như: Sữa, rau, Tuy nhiên, giá thành đắt, thiết bị phức tạp, vốn đầu tư lớn Quá trình Sấy q trình chuyển khối có tham gia pha rắn phức tạp bao gồm q trình khuếch tán bên bên ngồi vật liệu rắn đồng thời với trình truyền nhiệt Đây q trình nối tiếp, vận tốc tồn trình quy định giai đoạn chậm Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 66 Trong q trình Sấy, thơng thường mơi trường khơng khí ẩm xung quanh có ảnh hưởng lớn trực tiếp đến vận tốc trình sấy 3.6.2 Vật liệu sấy Vật liệu sấy hay gọi vật liệu ẩm, vật ẩm có chứa khối lượng chất lỏng đáng kể (chủ yếu nước) Như vậy, Vật ẩm thường tập hợp ba pha: Rắn, lỏng Vật liệu ẩm có tính xốp có nghĩa bên vật thể có khoảng trống rỗng chứa khí Trong trình sấy, ẩm chất lỏng vật bay hơi, độ ẩm giảm Trạng thái vật liệu ẩm xác định độ ẩm nhiệt độ a Các loại liên kết ẩm vật Các vật rắn đem sấy thường vật xốp mao dẫn keo xốp mao dẫn Quá trình sấy, vật liệu ẩm bị chi phối dạng liên kết ẩm vật, là: - Liên kết hóa học: Liên kết bền vững phân tử nước trở thành phận thành phần hóa học phân tử vật ẩm Loại ẩm tách có phản ứng hóa học thường phải nung nóng vật đến nhiệt độ cao - Liên kết hóa lý: Bao gồm kiểu liên kết hấp thụ liên kết thẩm thấu + Liên kết hấp thụ thường gặp vật keo, có cấu tạo dạng hạt, có bề mặt bên lớn, có lượng bề mặt tự đáng kể Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với nước, ẩm xâm nhập vào vật theo bề mặt tự tạo thành liên kết hấp thụ nước bề mặt; + Liên kết thẩm thấu: Là liên kết hóa lý nước với vật rắn có chênh lệch nồng độ chất hòa tan ngồi tế bào, tức có chênh lệch áp suất nước Q trình thẩm thấu khơng kèm theo tượng tỏa nhiệt không làm cho vật biến dạng - Liên kết lý: Là dạng liên kết nước vật liệu tạo thành sức căng bề mặt nước mao dẫn hay bề mặt vật Liên kết bao gồm kiểu liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn liên kết dính ướt + Liên kết cấu trúc: Là liên kết nước vật liệu hình thành q trình hình thành vật Ví dụ: Nước tế bào động vật, vật đơng đặc có chứa sẵn nước… Để tách nước trường hợp này, ta làm cho nước bay hơi, nén ép vật phá vỡ cấu trúc vật… Sau tách nước, vật bị biến dạng nhiều, thể thay đổi tính chất chí thay đổi trạng thái pha + Liên kết mao dẫn: Các vật thể có cấu tạo mao quản (gỗ, vải…) để nước, nước theo mao quản xâm nhập vào vật thể; để môi trường Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 67 khơng khí ẩm, nước ngưng tụ bề mặt mao dẫn theo mao quản xâm nhập vào vật thể Muốn tách ẩm trường hợp ta cần làm cho ẩm bay đẩy ẩm áp suất lơn áp suất mao dẫn Vật sau tách ẩm nhìn chung giữ kích thước, hình dáng tính chất hóa lý + Liên kết dính ướt: Là liên kết nước bám dính vào bề mặt vật Tách ẩm trường hợp ta dùng phương pháp bay phương pháp học như: Lau, thấm, thổi… b Phân loại vật liệu ẩm Người ta phân loại vật liệu ẩm kỹ thuật chủ yếu dựa vào tính chất vật lý vật thể Theo A.V.Lưcơp phân loại vật ẩm thành nhóm là: Vật xốp mao dẫn, vật keo vật keo xốp mao dẫn - Vật xốp mao dẫn: + Là vật mà ẩm liên kết với vật liệu chủ yếu mối liên kết mao dẫn Các loại vật liệu có khả hút chất lỏng dính ướt, khơng phụ thuộc vào thành phần hóa học chất lỏng + Các vật xốp mao dẫn điển hình: Than củi, cát, thạch anh… + Các vật liệu loại sau sấy khơ trở nên dịn bị vỡ vụn thành bột - Vật keo: + Là vật có tính dẻo có cấu trúc hạt Trong vật keo, ẩm liên kết dạng hấp thụ thẩm thấu + Các vật keo điển hình: Keo động vật, vật liệu xenlulo, tinh bột, đất sét, + Các vật liệu loại sau sấy bị co ngót nhiều giữ tính dẻo - Vật keo xốp mao dẫn: + Là vật thể mà tồn ẩm liên kết có vật keo vật xốp mao dẫn + Các vật keo xốp mao dẫn điển hình: Gỗ, than bùn, loại hạt, số thực phẩm Về cấu trúc, vật thuộc loại xốp mao dẫn chất lại vật keo nghĩa thành mao dẫn chúng có tính dẻo, hút ẩm mao quản trương lên, sấy khơ co lại + Phần lớn vật liệu dạng sấy khô trở nên giòn bánh mỳ, rau xanh… 3.6.3 Thiết bị sấy Thiết bị sấy có nhiều loại khác phân loại cụ thể: Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 68 − Theo phương thức truyền nhiệt: đối lưu, tiếp xúc… − Theo tác nhân sấy: khơng khí, khói lị, hơi… − Theo áp suất làm việc: áp suất quyển, áp suất chân không, − Theo phương thức sấy: liên tục, gián đoạn − Theo hướng chuyển động tác nhân sấy so với vật liệu sấy máy sấy đối lưu: Cùng chiều, ngược chiều, chéo dòng, Các máy sấy sử dụng phổ biến cơng nghiệp hóa chất, thực phẩm, thường phân loại dựa theo phương pháp truyền nhiệt dựa vào trạng thái lớp vật liệu (đứng yên hay chuyển động) a Phòng sấy với lớp vật liệu ẩm đứng yên Phòng sấy thường làm việc theo nguyên tắc gián đoạn, áp suất khí Thiết bị có từ đến vài phịng sấy Vật liệu sấy xếp giá xe goòng, xe goòng đưa vào lấy cửa phòng tay tời nhờ động Nhược điểm phịng sấy vật liệu sấy khơng đảo trộn trình sấy nên thời gian sấy dài, nạp vật liệu vào tháo vật liệu gián đoạn, tổn thất nhiệt lớn phải mở cửa phịng, điều kiện làm việc nặng nhọc, không đảm bảo vệ sinh, khó kiểm tra q trình Do ta dùng phịng sấy khơng khí nóng tuần hồn có đốt nóng chừng đây: Hình 28 Phịng sấy khơng khí nóng tuần hồn có đốt nóng chừng Phịng Sấy, Xe gng, Bóng đèn xạ tia hồng ngoại, Các thiết bị sưởi khơng khí (caloriphe), Tấm lật (van), Quạt b Hầm sấy (tuy nen) với lớp vật liệu sấy di động Hầm sấy làm việc áp suất khí dùng tác nhân sấy khói lị hay khơng khí nóng, vật liệu xếp giá xe goòng Xe goòng di chuyển chậm Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 69 dọc theo hầm nhờ người đẩy dùng tời (nếu suất lớn) đẩy xe vào đầu hầm đầu hầm có xe Hình 29 Hầm sấy (tuy nen) với lớp vật liệu sấy di động Hầm, Xe goòng, Caloriphe (lò đốt), Quạt, Cửa hầm, Tời, Đường goòng Hầm sấy có nhược điểm loại máy sấy tĩnh, sấy không đồng lớp tượng phân tầng khơng khí (khơng khí nóng có khối lượng riêng bé lên, khơng khí lạnh có khối lượng riêng lớn chìm xuống ❖ TĨM TẮT CHƯƠNG Trong chương này, số nội dung giới thiệu: - Khái niệm chung trình truyền chất: Khái niệm chung sơ lược trình truyền khối - Quá trình chưng cất: Khái niệm chưng cất, Cân pha lỏng – hơi, Nguyên tắc trình chưng luyện, Quá trình chưng luyện liên tục, ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất tỷ số hồi lưu đến trình - Quá trình hấp thụ: Cơ sở lý thuyết trình hấp thụ, Nguyên lý hoạt động thiết bị hấp thụ, tháp hấp thụ - Quá trình kết tinh: khái niệm chung, phương pháp kết tinh - Q trình sấy khơ: khái niệm chung, vật liệu sấy, thiết bị sấy ❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN CHƯƠNG Câu Trình bày khái niệm trình truyền chất? Câu Trình bày khái niệm trình chưng cất, hấp thụ, hấp phụ, kết tinh sấy khô? Câu Trình bày nguyên lý hoạt động loại thiết bị sử dụng cho trình chưng cất Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 70 Câu Trình bày nguyên lý hoạt động thoại thiết bị sử dụng cho trình hấp thụ? Câu Trình bày nguyên lý hoạt động loại thiết bị dùng chất hấp phụ? Chương 3: Tổng quan trình truyền chất Trang 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trường Cao Đẳng Dầu khí, Giáo trình Cơ sở q trình thiết bị cơng nghệ hóa học, Lưu hành nội bộ, 2017 [2] Đại học Bách Khoa Hà Nội, Cơ sở trình thiết bị cơng nghệ hóa học (tập 1,2,3,4), 2015 Tài liệu tham khảo Trang 72