Bài giảng Quá trình cơ học, CHưƠNG 4: KỸ THUẬT TẦNG SÔI

4.1 Giới thiệu các dạng tầng sôi “Tầng sôi” hay “giả lỏng” (fluidization) là hoạt động trong đó các hạt rắn được chuyển qua trạng thái giống lưu chất do hạt lơ lửng trong khí hay chất lỏng. 4.1.1 Hiện tƣợng tầng sôi Nếu một lưu chất đi từ dưới lên xuyên qua một lớp hạt kích thước nhỏ với vận tốc bé thì lưu chất chỉ đi qua các không gian trống giữa các hạt tĩnh. Đây được gọi là “buồng cố định” (Fixed Bed), (Hình 41a). Nếu tăng nhẹ vận tốc lưu chất các phân tử di chuyển và có vài sự rung động làm hạt di chuyển trong một vùng hạn chế. Đây được gọi là “buồng dãn nở” (Expanded Bed). Khi vận tốc tăng cao hơn đến lúc tất cả các hạt vừa đạt sự lơ lửng bởi dòng lưu chất. lúc này lực ma sát giữa các hạt và lưu chất vừa đạt cân bằng với khối lượng của hạt, do đó thành phần thẳng đứng của lực nén giữa các hạt cạnh nhau biến mất dẫn đến tổn thất áp suất qua một phần buồng bằng với tổng khối lượng của hạt và lưu chất trong phần buồng đó. Lớp hạt được xem là “chớm sôi” và gọi là “tầng sôi tối thiểu” (minimum fluidization, Hình 41b). Trong hệ lỏngrắn khi vận tốc lưu chất vượt qua tầng sôi tối thiểu, lớp hạt dãn nở ra, một cách đồng đều thì gọi là “buồng tầng sôi đồng nhất” (Smooth fluidization, Hình 1c). Với hệ khí hạt đây là trường hợp xảy ra khi hạt nhỏ và nhẹ. Tổng quát, hệ khí hạt khá phức tạp. Khi tăng vận tốc cao hơn vận tốc sôi tối thiểu thì xuất hiện những bong bóng khí hoặc kênh khí làm cho lớp sôi không ổn định. lúc này ta có “buồng sôi không đồng nhất” hoặc “buồng sôi bong bóng” (Hình 41d). Với buồng hẹp và cao thì bong bóng xuất hiện ở tâm buồng, dọc trục (Hình 41e) hoặc đôi lúc biến tướng dạng phẳng khi kích thước hạt lớn (Hình 41f). Khi vận tốc khí đạt đủ lớn bằng với vận tốc tới hạn của hạt, lớp trên mặt của buồng sôi biến mất, các bong bóng biến mất, các khoảng trống không khí có nhiều dạng khác nhau, ta có “buồng tầng sôi rối” (Hình 41g). Nếu tăng thêm vận tốc, không khí sẽ đẩy các hạt bay lên cao, hạt đi theo dòng khí ta gọi là vận chuyển khí động (pneumatic transportation) (Hình 41h).

CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT TẦNG SÔI 4.1 Giới thiệu các dạng tầng sôi

“Tầng sôi” hay “giả lỏng” (fluidization) là hoạt động trong đó các hạt rắn được chuyển qua trạng thái giống lưu chất do hạt lơ lửng trong khí hay chất lỏng

4.1.1 Hiện tượng tầng sôi

Nếu một lưu chất đi từ dưới lên xuyên qua một lớp hạt kích thước nhỏ với vận tốc

bé thì lưu chất chỉ đi qua các không gian trống giữa các hạt tĩnh Đây được gọi là

“buồng cố định” (Fixed Bed), (Hình 4-1a) Nếu tăng nhẹ vận tốc lưu chất các phân

tử di chuyển và có vài sự rung động làm hạt di chuyển trong một vùng hạn chế Đây được gọi là “buồng dãn nở” (Expanded Bed)

Khi vận tốc tăng cao hơn đến lúc tất cả các hạt vừa đạt sự lơ lửng bởi dòng lưu chất lúc này lực ma sát giữa các hạt và lưu chất vừa đạt cân bằng với khối lượng của hạt, do đó thành phần thẳng đứng của lực nén giữa các hạt cạnh nhau biến mất dẫn đến tổn thất áp suất qua một phần buồng bằng với tổng khối lượng của hạt và lưu chất trong phần buồng đó Lớp hạt được xem là “chớm sôi” và gọi là “tầng sôi tối thiểu” (minimum fluidization, Hình 4-1b)

Trong hệ lỏng-rắn khi vận tốc lưu chất vượt qua tầng sôi tối thiểu, lớp hạt dãn nở

ra, một cách đồng đều thì gọi là “buồng tầng sôi đồng nhất” (Smooth fluidization, Hình 1c) Với hệ khí - hạt đây là trường hợp xảy ra khi hạt nhỏ và nhẹ

Tổng quát, hệ khí hạt khá phức tạp Khi tăng vận tốc cao hơn vận tốc sôi tối thiểu thì xuất hiện những bong bóng khí hoặc kênh khí làm cho lớp sôi không ổn định lúc này ta có “buồng sôi không đồng nhất” hoặc “buồng sôi bong bóng” (Hình 1d) Với buồng hẹp và cao thì bong bóng xuất hiện ở tâm buồng, dọc trục (Hình 4-1e) hoặc đôi lúc biến tướng dạng phẳng khi kích thước hạt lớn (Hình 4-1f)

Khi vận tốc khí đạt đủ lớn bằng với vận tốc tới hạn của hạt, lớp trên mặt của buồng sôi biến mất, các bong bóng biến mất, các khoảng trống không khí có nhiều dạng khác nhau, ta có “buồng tầng sôi rối” (Hình 4-1g) Nếu tăng thêm vận tốc, không khí sẽ đẩy các hạt bay lên cao, hạt đi theo dòng khí ta gọi là vận chuyển khí động (pneumatic transportation) (Hình 4-1h)

Hình 4-1: Các hệ tầng sôi

4.2 Đặc tính giống chất lỏng của buồng tầng sôi

Một buồng tầng sôi có đặc tính giống chất lỏng Chẳng hạn:

Một vật to và nhẹ sẽ nổi lên bề mặt lớp sôi (Hình 4-2a)

Nghiêng buồng tầng sôi, lớp hạt vẫn nằm ngang (Hình 4-2b)

Tuân theo nguyên tắc bình thông nhau, mức hạt sẽ ngang nhau (Hình 4-2c)

Sự khác biệt áp suất giữa 2 điểm của buồng bằng với tĩnh áp của buồng qua 2 điểm

đó (Hình 4-2d)

Hình 4-2: Đặc tính giống chất lỏng của buồng tầng sôi

Dòng chảy của lớp hạt giống như chất lỏng, do vậy, sự tiếp xúc giữa hạt và khí có thể sắp xếp nhiều dạng như các Hình 4-3 (a,b,c)

4.3 Ƣu và khuyết điểm của buồng tầng sôi trong công nghiệp

Bảng 4-1: So sánh máy phản ứng hóa học dạng tầng sôi so với các dạng máy khác Trong đó:

- Buồng cố định (Fixed bed): hạt đứng yên, khí xuyên qua lớp hạt

- Buồng di động (Moving bed): hạt di chuyển thẳng đứng, nằm ngang hay nghiêng 1 góc Khí xuyên qua lớp hạt

- Buồng tầng sôi (Fluidized bed): hạt lơ lững trong lớp khí, thổi qua

- Vận chuyển khí động (Pneumatic Transport): hạt di chuyển cùng với khí

- Xy lanh quay (Rotary Cylinder): Xylanh quay làm hạt di chuyển nghiên của xylanh, khí thổi ngược chiều hạt

Bảng 1: So sánh các loại buồng phản ứng khí - rắn

(xem phụ lục )

Hình 4-3: Các kiểu sắp xếp lớp sôi dựa vào dòng chảy của lớp hạt

Ưu điểm của buồng tầng sôi

1 Dòng chảy hạt giống chất lỏng giúp cho hệ hoạt động liên tục và dễ kiểm soát, xử lý

2 Các phân tử rắn được trộn nhanh giúp buồng phản ứng đạt được đẳng nhiệt nên việc kiểm soát đơn giản và đáng tin cậy

3 Với buồng sôi các hạt rắn được trộn đều, tránh được sự giảm nhanh nhiệt độ, an toàn cho các phản ứng tỏa nhiệt (exothermic reactions)

4 Sự tuần hoàn hạt rắn giữa 2 buồng sôi làm cho thiết bị dễ dàng thải ra một lượng nhiệt sinh ra trong phản ứng

5 Phù hợp cho các hoạt động máy lớn

6 Sự truyền nhiệt và truyền khối giữa khí và hạt lớn hơn nhiều so với các hệ thống khác

7 Nếu sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên trong lớp hạt thì yêu cầu diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị nhỏ

Khuyết điểm:

1 Buồng tầng sôi bong bóng với hạt mịn khó mô tả dòng chảy của khí, sự tiếp xúc khí - hạt chưa tốt Điều này đặc biệt nghiêm trọng khi yêu cầu sự chuyển đổi cao của chất phản ứng khí

2 Sự trộn nhanh hạt rắn làm cho thời gian lưu của hạt trong buồng phản ứng không đều:

 Với các xử lý chất rắn dòng liên tục, điều này làm cho sản phẩm không đều (Ví dụ: phủ bề mặt hạt, )

 Với các phản ứng xúc tác, sự di chuyển của các hạt xúc tác xốp đồng thời với việc bắt giữ và phóng thích các phân tử khí phản ứng làm trộn ngược trở lại các chất phản ứng khí và cuối cùng giảm năng suất

3 Vật rắn dễ vỡ sẽ bị nghiền vụn

4 Sự mài mòn buồng phản ứng do ma sát của hạt

5 Trong các hoạt động không xúc tác ở nhiệt độ cao, quá trình kết tụ hạt mịn làm cho yêu cầu nhiệt độ phản ứng giảm xuống kết quả là tốc độ phản ứng giảm

4.4 Các đặc tính cơ bản của 1 hệ thống sôi:

4.4.1 Đặc tính hạt:

a/ Đường kính hạt: Với hạt không có dạng hình cầu, đường kính hạt tương đương :

3 6



V

d tđ  (4-1)

Với V là thể tích của hạt

b/ Độ cầu: Độ cầu của 1 hạt là tỉ số giữa diện tích bề mặt hình cầu và bề mặt có

cùng thể tích

h

tđ

S

S

d2



Với Sh là diện tích bề mặt hạt

Với định nghĩa này, s  1cho hình cầu, và 0 s  1 cho tất cả các hình dạng khác

Số liệu độ cầu xem Bảng 4-1

c/ Đường kính hiệu quả

Đường kính hiệu quả của hạt là đường kính de để sao cho lớp hạt có đường kính de này sẽ có tổng diện tích bề mặt và độ nồng rỗng  bằng với lớp hạt đang xét

tđ

s

d  (4-3)

Bảng 4-1: Độ cầu hạt

Cylinder

Disks

h= d/3 0.76 (a)

Activated carbon and silica gels 0.70 – 0.90 (b)

Coal

Magetite, Fischer- Tropsh catalyst 0.58* (e)

Sand

d/ Diện tích bề mặt riêng:

Diện tích bề mặt riêng của hạt

tđ S tđ

S tđ

d d

d a

6 6

/

2















hạt 1 tích

thể

hạt 1 mặt bề

tích

diện

[m-1] (4-4a)

Diện tích bề mặt riêng tồn lớp hạt:

tđ

S d

a

1 6











hạt tích thể tổng

mặt hạt bề

tích diện

tổng

[m-1] (4-4b)

Nếu hạt lọt qua sàn cĩ đường kính lỗ d1 và bị chắn bởi sàn cĩ đường kính lỗ d2 thì kích thước sàn của hạt là dp=(d1+d2)/2

Do khơng cĩ quan hệ giữa de và dp, chúng ta cĩ thể dùng các quan hệ dưới đây khi khơng cĩ thực nghiệm:

Với hạt khơng phải hình cầu, khơng cĩ chiều quá dài hoặc quá ngắn:

p S tđ

S

d   . (4-5a)

Với hạt khơng hình cầu, cĩ 1 chiều dài hơn nhưng tỉ lệ chiều dài/ chiều ngắn <2:1 (ví dụ quả trứng gà, …)

p tđ

S

Với hạt khơng hình cầu, hình dạng bất kỳ phải dựa vào thực nghiệm

e/ Tổn thất áp suất qua lớp hạt cố định khi kích thước hạt đồng nhất:

Quan hệ độ cầu (S ) và độ rỗng (0 ): theo tác giả Brown (1950) thì độ rỗng càng giảm khi độ cầu tăng

Bảng 4-2:

S

0

Tổn thất áp suất ma sát qua lớp hạt bề dày L có kích thước hạt đồng nhất tương ứng kích thước sàn của hạt dp được tính theo phương trình Ergun:

o g o o p

S o o

o C

ms

d

u d

u g

L

P

1 75 1

1 150

2 3

2 3

2























(4-6)

Tổn thất áp suất đo được là:

C

g ms

đo

g

L P







Trong đó:

Pms: tổn thất ma sát, Pa

Pdo: tổn thất áp suất đo được qua lớp hạt , P đo .g.h, =khối lượng riêng chất lỏng

trong manometer (Hình 4-4)

2

.

.

.

1

S

N

m

kg

g c  = hệ số chuyển đổi

 = độ nhớt khí, kg/ms

Uo = vận tốc khí thổi qua lớp hạt, m/s

g

 = khối lượng riêng khí, kg/m3

o

 = độ rỗng khối hạt khí lớp hạt đứng yên

Trong phương trình (4-7), nếu chất lỏng đẩy qua lớp hạt thì đại lượng L

g c

g

 đáng

kể, tuy nhiên với chất khí thổi qua đại lượng này nhỏ có thể bỏ qua

Phương trình (4-6) có sai số 25% cho hạt bình thường Với khối hạt có độ rỗng quá lớn (0> 0.6), tổn thất áp suất thực lớn hơn nhiều so với tính từ phương trình (4-6)

f/ Tổn thất áp suất qua lớp hạt cố định khi kích thước hạt không đồng nhất

Trong trường hợp này, công thức (4-6) vẫn sử dụng nhưng thay thế dp bằng đường kính trung bình dpa của khối hạt Đường kính trung bình tính theo sự phân bố kích thước của khối hạt

Ví dụ 4-1: Tính toán kích thước trung bình dpa của khối hạt dựa vào số liệu thực nghiệm phân bố kích thước bằng ray như sau:

Pdo

Uo

Hình 4-4: Đo tổn thất

áp suất qua lớp hạt

Bảng 4-3a:

Khối lượng tích lũy của mẫu Có đường kính hạt nhỏ hơn dp (m )

Giải: Sắp xếp số liệu và tính như Bảng 4-3b:

Bảng 4-3b

Khoảng đường

kính

dpi Tỉ lệ khối lượng = xi (x/dp)i

50 -75

5 , 62 2

75 50



 600/3600,167 0,167/62,5=0,00257

75 -100 87,5 15060/3600,250 0,250/87,5=0,00286

=0,01021

dp x

dp

i

01021 , 0

1 )

/ (





4.4.2 Vận tốc sôi tối thiểu,U m

Khi có dòng khí thổi qua lớp hạt, sự sôi xảy ra nếu:

(lực cản dòng khí đi lên)= (khối lượng hạt) (4-8)

Do vậy ta có điều kiện sôi tối thiểu là:

C g S m

m

b

g

g L

P











Trong đó,

S

 = là khối lượng riêng hạt, kg/m3

g = 9,81 m/s2

b

P

 = là tổn thất áp suất qua lớp hạt đang sôi, Pa

Lm = là độ cao lớp hạt ở chế độ sôi tối thiểu, m

m

 = là độ rỗng khối hạt ở chế độ sôi tối thiểu

Bảng 4-4: Độ rỗng ở chế độ sôi tối thiểu

Particles

Size, dp (mm) 0.02 0.05 0.07 0.10 0.20 0.30 0.40 Sharp sand, s=0.67 0.60 0.59 0.58 0.54 0.50 0.49

Coal and glass powder 0.72 0.67 0.64 0.62 0.57 0.56

Anthracite coal, s=0.63 0.62 0.61 0.60 0.56 0.53 0.51

Fischer – Tropsch catalyst s=0.58 0.58 0.56 0.55

Vận tốc sôi tối thiểu tìm được bằng kết hợp giữa (4-9) và (4-6)

Đặt



g p m

m

U

d

.

2

3







d

Ar p g s  g



Ar

m s

m

m m

s m





1501 Re Re

75 1

2 3 2





Giải phương trình bậc 2 (4-10) và tìm Rem, từ đó tính Um Khi hạt rất nhỏ, phương trình (4-10) được đơn giản hóa thành phương trình (4-11) dưới đây (áp dụng khi

Rem <20)

m

s m g s

p

m

g d

U



















1

150

2 3 2

(4-11)

Với hạt kích thước rất lớn, dùng phương trình sau (áp dụng khi Rem >1000)

s m g

g s

p

m

g d





2

75

1



Với hạt không có một kích thước quá dài hoặc ngắn so với các hạt kích thước còn lại, có thể tính Um gần đúng khi không biết m và/ hoặc s như sau:

Đặt

s

m

k



3

1

75

.

1

2 3 2

.

1 150

s m

m

k











Tác giả Chitester và ctv (1984) sử dụng quan hệ 28,7

2 1

2 

k

k

và 1  0 , 0494

được:

28,7 0,0494  28,7

Rem  2  Ar 2  (4-13)

Với hạt rất mịn, Wen và Yci (1966) sử dụng quan hệ 33,7

2 1

2 

k

k

và 1  0 , 0408

được:

33,7 0,0408  33,7

4.4.3 Đồ thị quan hệ vận tốc khí và tổn thất áp suất

Với hạt kích thước đều: quan hệ như hình (4-5a) và với hạt kích thước khơng đều quan hệ như hình (4-5b)

Pmax

lớp hạt tầng sôi lớp hạt cố định

Hình 4-5a: Tương quan giữa tổn thất áp suất và vận tốc khí qua lớp

hạt khi kích thước hạt đồng đều

P(Pa)

Pmax

lớp hạt tầng sôi lớp hạt cố định

P (Pa)

Hình 4-5b: Tương quan giữa tổn thất áp suất và vận tốc khí qua lớp

hạt khi kích thước hạt khơng đồng đều

Ví dụ 4-2: Tính toán vận tốc tối thiểu buồng tầng sôi của hạt cát

Cho độ rổng lớp hạt m = 0,55 Không khí thổi qua lớp hạt có g = 0,0012 g/cm3,

=0,00018 g/cm.s

Hạt cát: hình thù không cầu, dh =160 m, m = 0,67, S = 2,6 g/cm3

Giải: Với hạt nhỏ dùng phương trình (4-11) cho Um =4,01 cm/s

00018 , 0

) 016 , 0 )(

01 , 4 )(

0012 , 0 (



g p m

m

U d

<20 Nên phương trình (4-11) là phù hợp So với số liệu thực nghiệm giá trị này chính xác Khi không biết m hay s, ta thử dùng phương trình (4-13) và có kết quả: Um=3,10 cm/s, thấp hơn giá trị thực nghiệm 22%

4.4.4 Phân loại hạt theo Gel Dart

GelDart phân hạt ra 4 lớp:

Nhóm C: hạt dính, kích thước rất nhỏ Rất khó tạo sự sôi bình thường Ví dụ: bột mì, tinh bột, …

Nhóm A: hạt có kích thước trung bình nhỏ, khối lượng riêng nhỏ ( <1,4 g/cm3)

hạt loại màu: dễ đạt lớp sôi với bong bóng nhỏ, dễ điều chỉnh và kiểm soát vận tốc gió

Ví dụ: chất xúc tác FCC thuộc loại này

Nhóm B: giống cát, có kích thước 40 m< dpa < 500 m và khối lượng riêng 1,4 < S < 4 g/cm3 Loại này cũng dễ tạo lớp sôi với bong bóng lớn

Nhóm D: Hạt có kích thước và khối lượng riêng lớn, có khả năng tạo cột hạt Lớp dày loại hạt này khó tạo lớp sôi

Ví dụ: các loại hạt sấy, cà fê rang, than dùng khí hóa, các loại hạt kim loại thuộc nhóm này

4.5 Thiết kế hệ thống tầng sôi

Một hệ thống tầng sôi bao gồm:

Buồng sôi

Vùng sôi

Vùng tự do

Sàn phân phối khí

Trục cuốn cung cấp hạt

Bộ phận tháo liệu

Hệ thống thu bục

Dụng cụ đo lường

Bộ phận cung cấp khí (Quạt)

Hình 70-75 mô tả sự sắp xếp các thành phần của một hệ thống tầng sôi

1 Buồng sôi: Chiều cao buồng sôi phụ thuộc vào

- Thời gian tiếp xúc khí hạt

- Tỉ số bề dày lớp hạt và đường kính buồng sôi

- Không gian cho thiết bị trao đổi nhiệt bên trong

- Thời gian lưu của vật rắn

Thường 0,3 m < chiều cao buồng sôi < 15 m

Sàn phân phối khi có ảnh hưởng quan trọng đến sự hoạt động của lớp sôi, thường có dạng sàn đục lỗ tròn, hoặc dạng thanh

2 Các bộ phận khác: có liên quan đến chất lượng làm việc của hệ thống

4.6 Áp dụng (Xem tài liệu Chương 2 tác giả Kunii)

Kỹ thuật tầng sôi được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp Các ứng dụng có thể liệt kê như sau:

Hệ thống phản ứng hóa học

Có xúc tác

Không có xúc tác

1 Đồng nhất

2 Không đồng nhất

Tiếp xúc vật lý

Truyền nhiệt

1 Giữa khí và hạt

2 Kiểm soát nhiệt độ

3 Giữa các điểm trong buồng

Trộn hạt rắn

Trộn khí

Sấy

1 Vật rắn

2 Sấy khí

Tăng kích thước hạt (ví dụ: vo viên phân bón, …)

Giảm kích thước hạt

Phân loại

1 Tách hạt nhỏ từ vật rắn

2 Tách hạt nhỏ từ khí

Hút nhả ẩm

Xử lý nhiệt

Phủ bề mặt hạt