thiet bi truyen khoi svcnhh

Thiết bị truyền khối Nói truyền khối mà nói q trình chưng cất, hấp thu, trích ly, sấy, thiếu sót mảng lớn thiết bị Đây điều mà kĩ sư hoá học phải hướng tới phải có máy móc thiết bị thực q trình Bài viết tơi sau mang tính chất thống kê lại điều (do thân rút kinh nghiệm "xương máu" từ việc học tham khảo số tài liệu tham khảo) Sẽ nhiều điều thiếu sót (trong phần đáng kể viết chưa "đụng chạm" nhiều vào thiết bị thực tế góp ý kiến phê bình Now let's begin! ) Rất mong người đóng Định nghĩa phân loại: - Thiết bị truyền khối thiết bị dùng để thực trình truyền vật chất nội pha, từ pha sang pha khác chúng tiếp xúc - Khi thực truyền khối hai pha, thiết bị cần có bề mặt tiếp xúc pha lớn, hoạt động ổn định, hiệu suất cao, suất lớn, dễ chế tạo, lắp đặt, vận hành, sữa chữa thay - Có nhiều cách phân loại TB truyền khối: + Theo nguyên tắc làm việc: chia thiết bị truyền khối thành: thiết bị làm việc liên tục, gián đoạn bán liên tục + Theo áp suất làm việc: thiết bị làm việc áp suất thường, thấp cao + Theo phương pháp cấp nhiệt cho q trình: đun nóng trực tiếp gián tiếp + Theo chiều chuyển động dòng pha: thiết bị làm việc xi chiều, ngược chiều chéo chiều + Theo dạng bề mặt tiếp xúc pha: tiếp xúc pha liên tục, tầng bậc + Theo kết cấu: tháp màng, tháp đệm, tháp đĩa tháp phun Trong thực tế phân loại gọi tên thiết bị truyền khốitheo phương pháp hỗn hợp Tháp màng: - Bề mặt tiếp xúc pha bề mặt chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt vật rắn thường thẳng đứng Bề mặt vật rắn ống, song song đệm 2.1 Tháp màng dạng ống: Có cấu tạo tương tự thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, gồm có ống tạo màng giữ hai vĩ ống hai đầu, khoảng không ống vỏ thiết bị để tách cần thiết Chất lỏng chảy thành màng theo thành ống từ xuống, chất khí (hơi) theo khoảng không gian màng chất lỏng từ lên 2.2 Tháp màng dạng phẳng: Các đệm đặt dạng thẳng đứng làm từ vật liệu khác (kim loại, nhựa, vải căng treo khung ) đặt thân hình trụ Để đảm bảo thấm ướt chất lỏng từ phía đệm ta dùng dụng cụ phân phối đặc biệt có cấu tạo cưa 2.3 Tháp màng dạng ống lỏng khí chiều: Cũng có cấu tạo từ ống cố định vỉ, khí qua thân gồm ống phân phối tương ứng đặt đồng trục với ống tạo màng Chất lỏng vào ống tạo màng qua khe ống Khi tốc độ khí lớn kéo theo chất lỏng từ lên chuyển động dạng màng theo thành ống tạo màng Khi cần tách nhiệt cho tác nhân lạnh vào khoảng không gian vỏ ống Để nâng cao hiệu suất người ta dùng thiết bị nhiều bậc giống - Thủy động lực thiết bị dạng màng: + Khi Re < 300 – chảy màng , bề mặt pha nhẵn trơn + Khi 300 < Re < 1600 – chảy màng bắt đầu có gợn sóng + Khi Re > 1600 – chảy rối Khi có dòng khí chuyển động ngược chiều ảnh hưởng lớn đến chế độ chảy màng Khi đó, lực ma sát khí lỏng có cản trở mạnh dòng khí làm bề dày màng tăng lên, trở lực dòng khí tăng Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí dẫn đến cân trọng lực màng lỏng lực ma sát dẫn đến chế độ sặc (nhiều pha khí 3-6m/s xảy sặc) Khi tốc độ vượt qua tốc độ sặc làm kéo chất lỏng theo pha khí ngồi - Ưu nhược điểm tháp màng: + Ưu: - trở lực theo pha khí nhỏ - biết bề mặt tiếp xúc pha (trong trường hợp chất lỏng chảy thành màng) - thực trao đổi nhiệt + Nhược: - suất theo pha lỏng nhỏ - cấu tạo phức tạp, vận hành dễ bị sặc * Ứng dụng: - phòng thí nghiệm - trường hợp có suất thấp - hệ thống cần trở lực thấp (hệ thống hút chân khơng, ) * Ví dụ: Hệ thống chưng dầu vỏ hạt điều, tái sinh dầu nhờn, chưng cất tinh dầu, cô đặc nước trái cây, Tháp đệm: a) Sơ đồ cấu tạo: Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác (gỗ, nhựa, kim loại, gốm, ) với hình dạng khác (trụ, cầu, tấm, yên ngựa, lò xo, ); lưới đỡ đệm, ống dẫn khí lỏng vào Để phân phối lỏng lên khối đệm chứa tháp, người ta dùng phận phân phối dạng: lưới phân phối (lỏng ống – khí ngồi ống; lỏng khí ống); màng phân phối, vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu, khe); bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay, ổ đỡ); - Các phần tử đệm đặc trưng bằng: đường kính d, chiều cao h, bề dày δ Đối với đệm trụ, h = d chứa nhiều phần tử đơn vị thể tích - Khối đệm đặc trưng kích thước: bề mặt riêng a (m2/m3); thể tích tự ε (m3/m3); đường kính tương đương d(tđ) = 4r(thủy lực) = 4.S/n = ε/a; tiết diện tự S (m2/m3) - Khi chọn đệm cần lưu ý: thấm ướt tốt chất lỏng; trở lực nhỏ, thể tích tự và tiết diện ngang lớn; làm việc với tải trọng lớn lỏng khí ε S lớn; khối lượng riêng nhỏ; phân phối lỏng; có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm Để làm việc với chất lỏng bẩn nên chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ b) Nguyên lý hoạt động: - Chất lỏng chảy tháp theo đệm dạng màng nên bề mặt tiếp xúc pha bề mặt thấm ướt đệm - Tháp đệm làm việc ngược chiều có chế độ thủy động lực sau: + Chế độ màng OA: mật độ tưới khơng lớn, tốc độ khí nhỏ, chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt đệm, khí khe màng + Chế độ hãm AB: từ A tăng tốc độ khí làm tăng ma sát dòngkhí với bề mặt lỏng kìm hãm chảy màng lỏng, lượng lỏng giữ lại đệm tăng Khi tăng tốc độ khí làm tăng xoáy đảo màng lỏng đệm nên tăng cường trình truyền khối + Chế độ nhũ tương BC: Khí-lỏng tạo thành hệ nhũ tương khơng bền pha liên tụcgián đoạn khí-lỏng đổi vai trò cho liên tục, làm tăng bề mặt tiếp xúc pha cường độ truyền khối lên cực đại, đồng thời trở lực thủy lực tăng nhanh; chế độ trì khó cường độ truyền khối lớn + Chế độ theo: giới hạn sặc, tăng tốc độ khí, tồn chất lỏng bị giữ lại tháp ngược trở theo dòng khí - Hiệu ứng thành thiết bị (channeling effect) Chất lỏng có xu hướng chảy từ tâm thành thiết bị, gây giảm hiệu suất tiếp xúc pha Khắc phục cách: + Nếu chiều cao đệm lớn lần đường kính đệm chia đệm thành đoạn; đoạn đệm đặt phận phân phối lại chất lỏng + Chọn d/Φ = đường kính đệm/đường kính tháp = 1/15 – 1/8 + Xếp đệm: d < 50mm: đổ lộn xộn d > 50mm: xếp thứ tự + Tưới lỏng phun khí từ đầu c) Ưu – nhược điểm - ứng dụng: * Ưu: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí (hoạt động chế độ màng/quá độ) nhỏ * Nhược: hoạt động ổn định, hiệu suất thấp; dễ bị sặc; khó tách nhiệt, khó thấm ướt * Ứng dụng: + dùng trường hợp suất thấp: tháp hấp thụ khí, tháp chưng cất, + dùng hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống hút chân không, ) Tháp đĩa: a) Sơ đồ cấu tạo: - Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên có đặt ngăn (đĩa) cách khoảng định Trên đĩa hai pha chuyển động ngược chéo chiều:lỏng từ xuống (hoặc ngang), khí từ lên xuyên qua chất lỏng chảy ngang; tiếp xúc pha xảy theo bậc đĩa.Tùy thuộc cấu tạo đĩa chất lỏng đĩa khuấy lý tưởng dòng chảy qua - Tháp đĩa có ống chảy chuyền: bao gồm tháp đĩa, chóp, lỗ, xupap, lưới, Trên đĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng từ đĩa xuống đĩa theo đường riêng gọi ống chảy chuyền, đĩa cuối ống chảy chuyền ngập sâu khối chất lỏng đáy tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí (hơi hay lỏng) theo ống lên đĩa Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua lỗ, khe chóp, khe lưới,hay khe xupap sục vào pha lỏng đĩa Để phân phối chất lỏng người ta dùng ngăn điều chỉnh chiều cao mức chất lỏng đĩa - Tháp đĩa khơng có ống chảy chuyền: khí (hơi hay lỏng) lỏng qua lỗ đĩa b) Ưu – nhược điểm ứng dụng: - Tháp đĩa lỗ: ưu điểm kết cấu đơn giản, trở lực tương đối thấp, hiệu suất cao Tuy nhiên không làm việc với chất lỏng bẩn, khoảng làm việc hẹp tháp chop (về lưu lượng khí) - Tháp chóp: làm việc với tỉ trọng khí, lỏng thay đổi mạnh, ổn định Song có trở lực lớn, tiêu tốn nhiều vật tư kim loại chế tạo, kết cấu phức tạp Nói chung tháp chop có hiệu suất cao tháp đĩa lỗ - Tháp xupap: dùng chưng cất dầu mỏ Tháp phun: 5.1 Tháp phun khí – lỏng: 5.2 Tháp phun lỏng – lỏng: - Dùng trích ly lỏng – lỏng, đơn giản, gọn, chiếm diện tích Về nguyên tắc phân tán pha nặng (giọt) vào pha nhẹ (liên tục) hay phân tán pha nhẹ (giọt) vào pha nặng - Thiết bị gồm vùng: vùng phân tán pha phân tán thành giọt, chủ yếu vòi phun; vùng giọt chuyển động đều; vùng kết dính giọt để phân pha - Nó làm việc với chất lỏng bẩn, chí với bùn Nhưng tốc độ pha thấp nên cường độ truyền khối không cao, chiều cao đơn vị truyền khối lớn, đến 5–6 m References: Trịnh Văn Dũng, “Bài giảng Các trình thiết bị truyền khối” Đỗ Văn Đài tác giả, “Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất” – Tập NXB KH – KT 2006 Võ Văn Bang & Vũ Bá Minh, “Quá trình thiết bị cơng nghệ hóa học & thực phẩm, tập 3: Truyền khối”, NXBĐHQGTPHCM, 2007 Robert Treybal, “Mass Transfer Operations” Mc Graw-Hill Book Company, 1981 Warren L McCabe & Julian C Smith, “Unit Operations of Chemical Engineering, 5th edition”, Mc Graw-Hill, 1993 James R Couper & Stanley M Walas, “Chemical Process Equipment, Selection and Design, 2nd edition”, Gulf Professional Publishing, 2005 Robert H Perry, “Perry’s Chemical Engineers Handbook, 7th edition”, Mc Graw-Hill, 1997  ... khung ) đặt thân hình trụ Để đảm bảo thấm ướt chất lỏng từ phía đệm ta dùng dụng cụ phân phối đặc bi t có cấu tạo cưa 2.3 Tháp màng dạng ống lỏng khí chiều: Cũng có cấu tạo từ ống cố định vỉ, khí... sặc làm kéo chất lỏng theo pha khí - Ưu nhược điểm tháp màng: + Ưu: - trở lực theo pha khí nhỏ - bi t bề mặt tiếp xúc pha (trong trường hợp chất lỏng chảy thành màng) - thực trao đổi nhiệt + Nhược:... - Tháp đĩa có ống chảy chuyền: bao gồm tháp đĩa, chóp, lỗ, xupap, lưới, Trên đĩa có cấu tạo đặc bi t để lỏng từ đĩa xuống đĩa theo đường riêng gọi ống chảy chuyền, đĩa cuối ống chảy chuyền ngập