I. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH 2 1.1. Khái quát về thiết bị kết tinh 2 1.2. Động học trong quá trình kết tinh và phương trình cân bằng mật độ 3 1.2.1. Tốc độ tăng trưởng của tinh thể 3 1.2.2. Tốc độ tạo mầm tinh thể 4 1.2.3. Mật độ mầm tinh thể 4 1.2.4. Phương trình cân bằng mật độ 5 1.2.5. Phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và cân bằng pha: 7 II. ỨNG DỤNG 10 III. VÍ DỤ CỤ THỂ 14 3.1. Bài toán kết tinh 14 3.2. Quy trỉnh xây dựng mô phỏng PROII cho ví dụ ở trên 16 3.2.1. Khởi động PROII 16 3.3. Báo cáo của PROII về thiết bị kết tinh 28 3.3.1. Chế độ Design 28 3.3.2. Chế độ Rating 29 3.4. Kết quả chạy ProII của một số thông số 30 3.4.1. Chế độ Design 30 3.4.2. Chế độ Rating 30 I NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH 1.1. Khái quát về thiết bị kết tinh Thiết bị kết tinh là thiết bị được sử dụng dùng để thực hiện các quá trình phân riêng thông qua việc chuyển cấu tử chất tan từ dung dịch lỏng sang dạng rắn. Quá trình kết tinh phụ thuộc vào sự cân bằng pha và cân bằng nhiệt động. Đó chính là sự cân bằng lỏng – rắn dựa trên yếu tố chính là độ hoà tan của chất tan – thành phần chất tan cân bằng trong dung dịch lỏng chứa dung môi. Độ hoà tan là một hàm theo nhiệt độ (S = f(T)), được tính toán theo phương trình Van’t Hoff hoặc do người sử dụng nhập dữ liệu vào. Độ hoà tan sẽ được tính toán một cách nghiêm ngặt nếu sử dụng các phương pháp nhiệt động để xác định. Tinh thể chỉ xuất hiện trong dung dịch quá bão hòa. Dung dịch quá bão hòa là dung dịch trong đó nồng độ chất tan vượt quá độ hòa tan cân bằng tại nhiệt độ kết tinh. Vấn đề quan trọng hàng đầu của kỹ thuật kết tinh là tạo ra độ quá bão hoà cần thiết của dung dịch và đảm bảo giữ được độ quá bão hoà này trong suốt quá trình kết tinh: Đối với một số dung dịch ít thay đổi độ hoà tan theo nhiệt độ (như NaCl) và một số dung dịch tăng độ hoà tan khi giảm nhiệt độ (như Na2SO4, Na2CO3.H2O,…) thì dung dịch quá bão hoà được tạo ra bằng cách cho bay hơi một phần dung môi. Khi đó, xuất hiện thêm một vấn đề là pha hơi và dung dịch lỏng phải thoả mãn được sự cân bằng lỏng – hơi. Đối với một số dung dịch giảm nhanh độ hoà tan khi hạ nhiệt độ (như Na2SO4.10H2O, MgSO4.7H2O, FeSO4.7H2O, Na2S2O3.5H2O,…) thì phải làm lạnh để tạo dung dịch quá bão hoà. Một số trường hợp có thể kết hợp cả việc làm lạnh và bốc hơi dung môi. Có 3 loại thiết bị kết tinh dựa trên nguyên lý trên là: Thùng kết tinh: bằng cách làm lạnh không bốc hơi. Thiết bị kết tinh – bốc hơi: bằng cách bốc hơi, không làm lạnh. Thiết bị kết tinh – chân không: vừa làm lạnh vừa bốc hơi. Mặt khác, còn có thiết bị kết tinh dựa trên kỹ thuật tạo sự tiếp xúc giữa dung dịch quá bão hòa với tinh thể đang tăng trưởng. Chủ yếu có 2 cách thực hiện: Phương pháp tuần hoàn dung dịch: làm cho dòng dung dịch quá bão hòa được tuần hoàn liên tục qua lớp tầng sôi gồm các tinh thể đang tăng trưởng trong vùng kết tinh và nó giảm độ quá bão hòa xuống do sự tạo mầm và tăng trưởng tinh thể. Sau đó dung dịch quá bão hòa ấy sẽ được bơm qua 1 thiết bị để làm lạnh hay bốc hơi dung môi để khôi phục lại độ quá bão hòa (còn gọi là vùng làm quá bão hòa), rồi lại bơm nó trở lại vùng kết tinh. Phương pháp “tuần hoàn magma” là phương pháp tuần hoàn toàn bộ khối magma (gồm khối dịch cái quá bão hòa có lẫn các tinh thể nhỏ mới tạo thành) qua cả 2 vùng kết tinh và vùng quá bão hòa (mà không cần phân biệt hạt tinh thể ra khỏi magma). Cả 2 quá trình kết tinh và làm quá bão hòa cùng xảy ra khi có mặt các tinh thể.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ KẾT TINH (CRYSTALLIZER)
GVHD: Thầy Trịnh Hoài Thanh
Buổi TN: Chiều thứ 7, tiết 9 – 10
Trang 3TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Báo cáo Thực hành Tin học trong CNHH&TP
ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG PRO/II CHO THIẾT
KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ KẾT TINH (CRYSTALLIZER)
GVHD: Thầy Trịnh Hoài Thanh
Bùi Nguyễn Hoài Nam 60601514 Nguyễn Phạm Trúc Nguyên 60601629
Trang 5I NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH -2
1.1 Khái quát về thiết bị kết tinh -2
1.2 Động học trong quá trình kết tinh và phương trình cân bằng mật độ -3
1.2.1 Tốc độ tăng trưởng của tinh thể -3
1.2.2 Tốc độ tạo mầm tinh thể -4
1.2.3 Mật độ mầm tinh thể -4
1.2.4 Phương trình cân bằng mật độ -5
1.2.5 Phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và cân bằng pha: 7 II ỨNG DỤNG -10
III VÍ DỤ CỤ THỂ -14
3.1 Bài toán kết tinh -14
3.2 Quy trỉnh xây dựng mô phỏng PRO/II cho ví dụ ở trên -16
3.2.1 Khởi động PRO/II -16
3.3 Báo cáo của PRO/II về thiết bị kết tinh -28
3.3.1 Chế độ Design -28
3.3.2 Chế độ Rating -29
3.4 Kết quả chạy Pro/II của một số thông số -30
3.4.1 Chế độ Design -30
3.4.2 Chế độ Rating -30
Trang 6I NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH
I.1 Khái quát về thiết bị kết tinh
Thiết bị kết tinh là thiết bị được sử dụng dùng để thực hiện các quá trình phân riêngthông qua việc chuyển cấu tử chất tan từ dung dịch lỏng sang dạng rắn Quá trình kếttinh phụ thuộc vào sự cân bằng pha và cân bằng nhiệt động Đó chính là sự cân bằnglỏng – rắn dựa trên yếu tố chính là độ hoà tan của chất tan – thành phần chất tan cânbằng trong dung dịch lỏng chứa dung môi Độ hoà tan là một hàm theo nhiệt độ (S =f(T)), được tính toán theo phương trình Van’t Hoff hoặc do người sử dụng nhập dữ liệuvào Độ hoà tan sẽ được tính toán một cách nghiêm ngặt nếu sử dụng các phương phápnhiệt động để xác định Tinh thể chỉ xuất hiện trong dung dịch quá bão hòa Dung dịchquá bão hòa là dung dịch trong đó nồng độ chất tan vượt quá độ hòa tan cân bằng tạinhiệt độ kết tinh
Vấn đề quan trọng hàng đầu của kỹ thuật kết tinh là tạo ra độ quá bão hoà cần thiếtcủa dung dịch và đảm bảo giữ được độ quá bão hoà này trong suốt quá trình kết tinh:
Đối với một số dung dịch ít thay đổi độ hoà tan theo nhiệt độ (như NaCl)
và một số dung dịch tăng độ hoà tan khi giảm nhiệt độ (như Na2SO4, Na2CO3.H2O,
…) thì dung dịch quá bão hoà được tạo ra bằng cách cho bay hơi một phần dungmôi Khi đó, xuất hiện thêm một vấn đề là pha hơi và dung dịch lỏng phải thoảmãn được sự cân bằng lỏng – hơi
Đối với một số dung dịch giảm nhanh độ hoà tan khi hạ nhiệt độ (như
Na2SO4.10H2O, MgSO4.7H2O, FeSO4.7H2O, Na2S2O3.5H2O,…) thì phải làm lạnh đểtạo dung dịch quá bão hoà
Một số trường hợp có thể kết hợp cả việc làm lạnh và bốc hơi dung môi
Có 3 loại thiết bị kết tinh dựa trên nguyên lý trên là:
Thùng kết tinh: bằng cách làm lạnh không bốc hơi
Thiết bị kết tinh – bốc hơi: bằng cách bốc hơi, không làm lạnh
Thiết bị kết tinh – chân không: vừa làm lạnh vừa bốc hơi
Mặt khác, còn có thiết bị kết tinh dựa trên kỹ thuật tạo sự tiếp xúc giữa dung dịchquá bão hòa với tinh thể đang tăng trưởng Chủ yếu có 2 cách thực hiện:
Phương pháp tuần hoàn dung dịch: làm cho dòng dung dịch quá bão hòađược tuần hoàn liên tục qua lớp tầng sôi gồm các tinh thể đang tăng trưởng trongvùng kết tinh và nó giảm độ quá bão hòa xuống do sự tạo mầm và tăng trưởng tinhthể Sau đó dung dịch quá bão hòa ấy sẽ được bơm qua 1 thiết bị để làm lạnh haybốc hơi dung môi để khôi phục lại độ quá bão hòa (còn gọi là vùng làm quá bãohòa), rồi lại bơm nó trở lại vùng kết tinh
Phương pháp “tuần hoàn magma” là phương pháp tuần hoàn toàn bộkhối magma (gồm khối dịch cái quá bão hòa có lẫn các tinh thể nhỏ mới tạo thành)qua cả 2 vùng kết tinh và vùng quá bão hòa (mà không cần phân biệt hạt tinh thể ra
Trang 7khỏi magma) Cả 2 quá trình kết tinh và làm quá bão hòa cùng xảy ra khi có mặtcác tinh thể.
Số lượng tinh thể hình thành phụ thuộc vào thời gian lưu và được xác định bởicác phương trình động học Tinh thể được hình thành từ dung dịch quá bão hoàthông qua các quá trình: tạo mầm tinh thể và tăng trưởng của các mầm tinh thể.Động lực chính của 2 quá trình trên là độ quá bão hoà của dung dịch Ngoài ra,một số yếu tố cơ học cũng ảnh hưởng đến 2 quá trính đó như tốc độ khuấy trộntrong thiết bị, mật độ tinh thể…
Hiệu ứng nhiệt của quá trình kết tinh tìm được từ giá trị nhiệt nóng chảy củacấu tử chất tan Yếu tố này cùng với enthalpy của dòng nhập liệu và dòng sảnphẩm sẽ xác định năng suất nhiệt làm nóng/ làm lạnh cần thiết cho thiết bị kếttinh Và nhiệt này thường được cung cấp bởi thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài.Dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu sẽ cùng đi qua thiết bị trao đổi nhiệt rồi mớiđến thiết bị kết tinh Trường hợp không sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoàithì ta sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên trong
Sơ đồ nguyên lý
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị kết tinh
Hầu hết các thiết bị kết tinh đều có trang bị các loại cánh khuấy thích hợp để tăngtốc độ tăng trưởng của tinh thể, đồng thời tránh sự phân lớp của dung dịch quá bão hoà
và để giữ cho các tinh thể phân bố đều trong huyền phù ở vùng kết tinh
Để phục vụ cho các tính toán định lượng cho quá trình kết tinh, ta phải tiến hànhxét một quá trình kết tinh lý tưởng gọi là quá trình kết tinh sản phẩm trộn – huyền phù
trộn (Mixed-suspension mixed-product crystallization).
I.2 Động học trong quá trình kết tinh và phương trình cân bằng mật độ
Thiết bị trao đổi nhiệt
Thiết bị kết tinh
Dòng hoàn lưu
Dòng nhập liệu
Sản phẩm đỉnh
Sản phẩm đáy
Trang 8I.2.1 Tốc độ tăng trưởng của tinh thể
(thường nằm trong khoảng từ 2 10 7 2 10 8m / s
solute: phần mole của chất tan trong dung dịch bão hoà tại nhiệt độ kết tinh
I.2.2 Tốc độ tạo mầm tinh thể
(thường có giá trị khoảng 25
c: khối lượng riêng của tinh thể, kg/m3
kv:hệ số hình dạng tinh thể (kv=1 với tinh thể khối lập phương, kv/6 với tinh thểhình cầu)
no: mật độ mầm tinh thể, số mầm tinh thể/m3 dung dịch magma
: thời gian lưu,
Trang 9no: mật độ mầm tinh thể, số mầm tinh thể/m3 dung dịch magma.
: phần thể tích lỏng trong dung dịch magma, m3 lỏng/m3 dung dịch magma
I.2.4 Phương trình cân bằng mật độ
Do sự phân bố kích thước phân tử của tinh thể gián đoạn, mật độ n(r) có thể biểudiễn bằng biểu đồ với n phân đoạn và rk là kích thước phân tử trung bình của phânđoạn thứ k Ví dụ cụ thể được trình bày trong hình
Hình 2: Sự phân bố kích thước phân tử của tinh thể.
Thiết lập cân bằng mật độ tinh thể trong thiết bị kết tinh:
dr
dn GV qn
V: thể tích vận hành của thiết bị kết tinh, m3
r: chiều dài đặc trưng của tinh thể
V
q
: thời gian lưu được định nghĩa như sau:
Trang 10Ta cho phân chia đến thứ k:
Dùng điều kiện ban đầu: n(ro)=no,
ro=0
Biểu thức tổng quát cho k bất kì:
Trang 11I.2.5 Phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và cân bằng pha
Phương trình cân bằng vật chất
Trong dòng tổng:
F E B
Với:
F: lưu lượng khối lượng dòng nhập liệu, kg/s
E: lưu lượng khối lượng của dòng sản phẩm đỉnh, kg/s
B: lưu lượng khối lượng của dòng sản phẩm đáy, kg/s
Đối với từng cấu tử thành phần:
Chất tan: Fsolute Esolute Bsolute
Dung môi: F solvent Esolvent Bsolvent
Chất trơ:
F E B i = 1, 2,…NCân bằng lỏng_rắn của chất tan:
F F Pc
F
liq solute solute
Bsolute Bliq solute Pc
Trang 12Ysolute: phần mole pha hơi của chất tan
Mvapor: khối lượng phân tử của hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/kgmol
Msolute: khối lượng phân tử của chất tan, kg/kgmol
Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Năng suất nhiệt = Enthalpy (sản phẩm)- Enthalpy (nhập liệu)
Phương trình cân bằng pha
Với:
Yi: phần mol pha hơi của cấu tử i
Xi: phần mol pha lỏng của cấu tử i
Tính toán khối lượng tinh thể kết tinh:
Thông thường , trong các trường hợp quá trình kết tinh không tiến hành đến cùngthì dùng công thức xác định khối lượng các tinh thể thô là :
x
x G G
c t
c c
d d kt
Gkt: khối lượng các tinh thể thô, kg
xd: phần khối lượng của chất tan trong dung dịch đầu
xc: phần khối lượng của chất tan trong dung dịch còn lại sau khi kết tinh
Gd: khối lượng dung dịch đầu, kg
W: khối lượng dung môi bốc hơi, kg
xt: phần khối lượng của chất tan trong tinh thể thô
Trang 13Nếu quá trình kết tinh không kèm theo sự bốc hơi của dung môi thì ta áp dụngcông thức:
x
G G
c t
c d d
( )
Lưu ý:
Tinh thể khan là tinh thể của chất tan thuần tuý ( như NaNO3, KCl, CaCl2….)
Tinh thể “thô” là tinh thể có chứa chất tan khan kèm theo một số lượng nhất địnhdung môi (như MgSO4.7H2O – lượng nước này được gọi là độ ẩm trong của tinhthể) và một phần dung môi tự do (lượng dung môi này có thể hiểu như là những hạtnước nhỏ li ti bám vào xung quanh hạt tinh thể – lượng nước này được gọi là độ
ẩm ngoài của tinh thể) Cả 2 lượng dung môi này đều có thể được tách ra hoàn toànthông quá các quá trình sấy và nung.Khi đó , ta mới có xt = 1 còn thông thường xt <1
Ví dụ : Hàm ẩm của MgSO4.7H2O là 3% Như vậy, việc tính toán xt (hay hàm lượngMgSO4 tinh khiết trong tinh thể thô) sẽ làm như sau:
246
) 03 0 1 (
Trang 19W t
Q
Q2 1 94247.7 792086327.7
Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt bổ sung là:
2 2
log 2
2
4.26500
7.86327
m t
III.2 Quy trỉnh xây dựng mô phỏng PRO/II cho ví dụ ở trên
III.2.1 Khởi động PRO/II
Click OK sau đó chọn File\New hoặc chọn biểu tượng trên màn hình
Trang 20Bước 1: Tạo dựng bản sơ đồ như sau, trong khung PFD ta chọn thiết bị kết tinh
(Crystallizer) và vẽ dòng sản phẩm cho thiết bị như hình:
Trang 21Bước 2: Vào Input\Component Selection hay click vào biểu tượng để khaibáo các cấu tử:
Hệ của ta sẽ gồm có 2 cấu tử đó là KI và nước (H2O) Nhấn vào hộp thoại Selectfrom Lists để chọn cấu tử Sau khi chọn hệ các cấu tử, ta click vào hộp thoại Addcomponents và click OK
Trang 32III.4 Kết quả chạy Pro/II của một số thông số
III.4.1 Chế độ Design
Nhiệt tải thiết bị trao đổi nhiệt là:
Do trong quá trình tính toán ta bỏ qua giá trị nhiệt lượng tổn thất nên 2 giá trị nhiệtlượng tính toán và chạy Pro/II thu được khác nhau Ta thấy rằng nhiệt lượng tổn thấtkhá lớn
III.4.2 Chế độ Rating