Bộcánh khuấy dòng hướng trục độ vũng cao
CHUYẾN KHỐ
Nhiều quá trình hoá học liên quan tới sự chuyển khối lượng lỏng - rắn, lỏng - khí, hoặc lỏng - lỏng, hoặc tổ hợp của ba quá trinh đó. Tuỳ thuộc vào quá trình cụ thể, một hoặc tổ hợp bất kỳ của những quá trình chuyển khối đó có thể được xét đến. Điều quan trọng là xác định ảnh hưởng của các quá trình chuyển khối lượng đối với các mục tiêu xử lý chung. Trường hợp lý tưởng là phải thiết kê' hệ thống trước hết đáp ứng các yêu cầu về tốc độ phản ứng, do đó không được hạn chế tốc độ chuyển khối lượng. Điểu cũng quan trọng là không
được thiết kế hệ thống có các khả năng chuyển khối lượng vượt quá các yêu cầu cần để thoả mãn tốc độ phản ứng. Hiểu
rõ quan hệ của các tham số khuấy với tính năng quá trình ià điều cãn bản để tối ưu hoá thiết kế quá trình. Một phương pháp dùng để thiết lập thiết kế chung của hệ thống là như sau :
(1) Quyết định bước nào khống chế các kết quả chung của quá trình. Điều này liên quan tới tói ưu hoá các yêu cầu thời gian, sản lượng và/hoậc chất lương sản phẩm, và tận dụng chất phản ứng. Có thể xác định bằng thực nghiệm tác dụng của quá trình khuấy đối với mỗi tham số đó.
(2) Tối ưu hoá thiết kế ở quy mô thương mại để đáp ứng các yêu cầu khống chế thiết lập ở bước (1). Điều này bao gồm xác định thiết kế co' hiệu quả nhất hình dạng thùng và cấu hỉnh máy khuấy để đáp ứng tốt nhất các mục tiêu quá trình và kinh tế.
Điểu quan trọng cẩn nhận thấy là tiếp xúc vật lý đồng đểu không nhất thiết cho thiết kế chuyển khối tối ưu. Trong
một số trường hợp, có thể thỏa mãn các yêu cáu của quá trinh bàng chế độ chất lỏng không đồng đéu song những yêu cầu khác lại đòi hỏi các mức công suất khuấy cao hơn đáng kể để tạo ra độ đỗng đều có thể đo được của chất lỏng. Cũng phải thận trọng để đảm bào tối ưu hóa được các mức trượt khi khuấy. Các mức trượt cao hơn cẩn thiết có thể ngăn cản kết quả mà nếu không thỉ phải hạn chế chuyển khối lượng.
Không thể tính được giá trị tuyệt đối của hệ số chuyển khối lượng chung (Kqa) cho hàng loạt quá trình nếu không
thử nghiệm vì if Ga phụ thuộc vào cáf t i n h chất vật lý của các chất liên quan. Có thể biểu diễn quan hệ chuyến khối chung như :
K ũa = pao-mol/h/ft/atm (4.1) và K Ga ~ (P/V)a(F ) V ) c (4.2) trong đó
K ũa là hệ số chuyển khối khí/lỏng p = Công suất
V = Thể tích
F = Vận tốc khí bé mặt
a, b và c là hàm của các biến quá trình
Sự chuyển khối thường được hiểu theo quan hệ sau đây : Tốc độ chuyển khối = K u (Ac) (4.3)
trong đó : = Hệ số chuyển khối, h“1 và Ac = Građien nồng độ
Động học phản ứng của quá trình chuyển khối khí-lỏng riêng thiết lập tốc độ chuyển khối lượng chung hoặc điếu kiện quá tnnh. Sự đánh giá điển hình (hình 4.13) cho thấy rầng ỈK. . 0 chuyển khối lượng chung cấu thành từ hằng số hệ thống
iCs và diện tích trao đổi A, vốn bị ảnh hưởng bởi sự khuấy.
Lực dẫn động Ac là biến hệ thống ảnh hưởng bởi áp suất riêng
Qiiu Kiện quá irinh Mấy irộn ònh hơónq 1ó’i
diện hch hú' HẸ s ô = K5 Ạ A ÁC A I Biên hẻĩ íhông
Hình - i.ìỉ. Hệ số chuyển khối lượng khí-lỏng chung cấu thành từ hằng sá hệ thống, diện tích trao dổi và biển hệ thống.
phẩn của chất khí và hình dạng thùng.
Ta luôn cần xác định bước nào của quá trình bị giới hạn. Theo hình 1 14, các khả năng chuyển khối lượng khí-lỏng của hệ phải được điểu chỉnh theo hoặc các điểu kiện phản ứng lỏng-rán hoặc điều kiện phản ứng hóa học. Sự chuyển chất khí tới chất lỏng không đủ có thể hạn chế kết quả quá trình, trong khi chuyển quá nhiều có nghĩa là chi phí cơ bản không cần thiết và chi phí vận hành quá sớm.
Tác dụng khuấy đối với hệ số chuyển khối lỏng - rán Ks
là hoàn toàn rõ ràng cho tới điểm đạt được huyển phù xa
đáy. Ngoài điểm đó, khi huyền phù đạt được độ đồng đều thì
/ ỉ p c Chuyền khói k h i ló n g ► m ■ ■ Phẩn ứng hoa học
Hình 4.14. Phát xác định duộc quá trình bi giói han.
Trong các quá trinh chuyển khối khí-lỏng có mức công suất tối thiểu cẩn cho sự phân tán. Điều này ngăn không cho chất khí dâng thảng lên qua chất lỏng (hỉnh 4.5). Sự phân tán đểu chất khí (hình 4.6) phân bố các bọt khí trong toàn bộ thùng. Trong những ví dụ đó bộ cánh R100 được sử dụng vì nó tạo ra tốc độ trượt chất lỏng cao cùng với núng suất
bơm cần thiết và nó tạo ra sự phân tán được điều khiến. Các điéu kiện hệ thống đối với sự chuyển khối khí-lỏng quyết định mức công suất tối ưu và mức độ phân tán.
Hình 4.16 minh hoạ hai trường hợp trong dó các quá trình có thể hoặc bị hạn chế do tốc độ chuyển khối hoặc do tốc độ phản ứng. Trong cả hai hai trường hợp sự chuyển oxi đêu cần cho tiếp xúc khí-lỏng. Hình ở bên trái cho thấy sự
giảm oxi hoà tan (D .o.) theo thời gian và độ giảm tốc độ phản ứng do hệ thống thiếu oxi. Hệ thống ở bên phải cho thấy mức
H ì n h 4.15Ảnh hường của múc công suất tái hệ số chuyển khá
lỏng-rắn đối với các chuần cứ huyền phù khác nhau.
oxi hoà tan tăng theo thời gian vì tốc độ phản ứng không đủ nhanh để tiêu thụ tất cả oxi sẵn có. Như vậy, hiệu suất sản phẩm thấp không nhất thiết ỉà do khuấy không đỏ. Bởi thế, phải hiểu rõ các yếu tố khống chế hệ thống để thu được hiệu suất cao.
Ngoài ra, hệ số chuyển khối Kũa thay đổi theo vận tốc
khí bề m ặt Qo/A và công suất (hình 4.17). Các khảo sát thử nghiệm ở các vận tốc khí bề mặt khác nhau và các mức công suất máy khuấy khác nhau sẽ cho phép tối ưu hóa. Vận tốc khí bề mặt F là tỉ số lượng khí tiêu thụ theo thể tích Qg trên
diện tích tiết diện thùng A.
Chuyên khôi' hạn c h ê '
Tóc âộ phàn ứng
',<5
<5 MÚ'c OA ĩ hoa ìơn
Thỡì g ia n
Hình 4.16. V Í dy về các quá trình bi hạn chê do chuyển khối và
bị hạn chế do tốc độ phản úng.
Hình 4.17. Hệ số chuyến khá XGa phụ thuộc vào công suất mảy
khuấy trên thể tích ddn vị và vận tác khí bề mặt.
Hơn nữa, tốc độ trượt do bộ cánh máy khuấy tạo ra ảnh hưởng tới bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (hình 4.18). Trong sự chuyển khối khí-lỏng hoặc lỏng-rắn, nếu tốc độ chuyển quá cao kết quả có thể không mong muốn. Điều này đặc biệt đúng đối với các quá trình sinh học (ví dụ, lên men) nơi mà một số vi sinh vật rất nhạy vối tốc độ trượt. Hơn nữa trong tiếp xúc lỏng-lỏng, cẩn thận trọng để tránh những sự phân tán
Hình 4.18. Ảnh hường của tốc độ trượt lên bề mặt tiếp xúc pha.
vốn khó tách ra. Điều này cũng đòi hỏi điểu khiển thận trọng các tốc độ trượt chất lỏng.