ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG PROII CHO THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ KẾT TINH (CRYSTALLIZER)

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 1

ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG PRO/II CHO THIẾT BỊ KẾT TINH (CRYSTALLIZER)

BÁO CÁO THỰC HÀNH TIN HỌC:

Trang 2

GVHD: Trịnh Hoài Thanh

Nguyễn Hữu Hiếu 60600687

Bùi Nguyễn Hoài Nam 60601514

Nguyễn Phạm Trúc Nguyên 60601629

Lê Trần Thùy Trâm 60503065

Trang 3

I NGUYÊN LÍ TÍNH TOÁN:

1 Khái quát về 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.

Trang 4

• 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.

• Thiết bị: dựa trên nguyên lý bốc hơi hay làm

lạnh dung dịch.

Trang 5

• Số lượng tinh thể hình thành phụ thuộc vào

thời gian lưu và được xác định bởi các phương trình động học Tinh thể được hình thành từ dung dịch quá bão hoà thông qua các quá trình: tạo mầm tinh thể và tăng trưởng của các mầm tinh thể.

Trang 6

Sơ đồ nguyên lý

TB TĐN

TB KẾT TINH

Dòng hoàn lưu

Sản phẩm đỉnh

Sản phẩm đáy Dòng nhập liệu

Trang 7

2 Động học trong quá trình kết tinh và phương trình cân bằng mật độ:

• Tốc độ tăng trưởng của tinh thể:

S k

phần mole của chất tan trong dung dịch quá bão hoà

phần mole của chất tan trong dung dịch bão hoà tại nhiệt độ

kết tinh

X

CB solute

Trang 8

• Tốc độ tạo mầm tinh thể:

n G

S M

k

B0 = B. T x. y. z. t

Với:

Bo : tốc độ tạo mầm tinh thể, số hạt/s.m3

kB : hằng số tốc độ tạo mầm tinh thể (thường có giá trị khoảng 5E+25)

MT : tỉ trọng của dung dịch magma, kg tinh thể/m3 dung dịch magma

n : tốc độ khuấy, vòng/phút

x, y, z, t là các hệ số mũ

Trang 9

• Tốc độ tạo mầm tinh thể:

Với:

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 thể hình cầu)

no : mật độ mầm tinh thể, số mầm tinh thể/m3 dung dịch magma

 : thời gian lưu, =V/q

V : thể tích làm việc của thiết bị kết tinh, m3

Trang 10

B E

o Dòng tổng:

o Thành phần:

Chất tan: F solute = Esolute + Bsolute

Dung môi: Fsolvent = Esolvent + Bsolvent

Trang 11

I NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN

: lưu lượng khối lượng của chất tan trong dòng lỏng nhập liệu, kg/s

: lưu lượng khối lượng của chất tan ở dạng tinh thể trong dòng nhập liệu, kg/s

: lưu lượng khối lượng của chất tan trong dòng lỏng sản phẩm đáy, kg/s

: lưu lượng khối lượng của chất tan ở dang tinh thể trong dòng sản phẩm đáy,

kg/s

P F

F c F

liq solute solute = +

Fliq solute

Pc F

P B

Bsolute = liq solute + c

Bliq

solute

Pc

3 Các phương trình cân bằng:

Trang 12

M solute : khối lượng phân tử của chất tan, kg/kgmol

M vapor : khối lượng phân tử của sản phẩm đỉnh, kg/kgmol

E : lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh, kg/sec

Y solute : phần mole của chất tan trong dòng sản phẩm đỉnh

M M

E Y

Trang 13

• Cân bằng năng lượng:

Năng suất nhiệt = Enthalpy(sản phẩm) - Enthalpy(nhập liệu)

Xsolute(CB) : phần mole của chất tan trong dung dịch tại nhiệt độ kết tinh

Yi _ phần mol pha hơi của cấu tử i

Xi _ phần mol pha lỏng của cấu tử i

Trang 14

3 Tính toán khối lượng tinh thể kết tinh:

• Quá trình kết tinh không tiến hành đến cùng thì dùng công thức xác định khối lượng các tinh thể thô:

Với:

G kt : khối lượng các tinh thể thô, kg.

x d : phần khối lượng của chất tan trong dung dịch đầu

tinh

W : khối lượng dung môi bốc hơi, kg.

x t : phần khối lượng của chất tan trong tinh thể thô

c c

d d

Trang 15

3 Tính toán khối lượng tinh thể kết tinh:

• Quá trình kết tinh không kèm theo sự bốc hơi của dung môi:

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 định dung môi (như MgSO4.7H2O - lượng nước này được

gọi là độ ẩm trong của tinh thể) và một phần dung môi tự do (lượng

dung môi này có thể hiểu như là những hạt nước nhỏ li ti bám vào

xung quanh hạt tinh thể - lượng nước này được gọi là độ ẩm ngoài của

c d

d

−

Trang 16

Trang 17

II ỨNG DỤNG:

Trang 18

II ỨNG DỤNG:

Đối với thiết bị kết tinh, có 2 ứng dụng lớn được thể hiện

trong chế độ tính toán: Rating (Đánh giá) và Design (Thiết

kế).

• Trong chế độ Design: một thông số được đòi

hỏi và thể tích thiết bị sẽ được tính toán.

• Trong chế độ Rating: thể tích thiết bị được

định nghĩa để tính các thông số (ngược với

Design ): giá trị thể tích nhập là giá trị thể tích

của thiết bị đã có sẵn trong thực tế.

Trang 19

II ỨNG DỤNG:

Trang 20

II ỨNG DỤNG:

Tốc độ phát triển và tạo mầm tinh thể

Trang 21

II ỨNG DỤNG:

Điều kiện vận hành

Trang 22

III VÍ DỤ:

Bài toán 1: Hãy xác định nhiệt lượng phải thoát đi từ một TBKT

với lưu lượng 5000kg/h Cho biết trong quá trình kết tinh lượng

nước bốc hơi khoảng 3% khối lượng dung dịch ban đầu và tinh

thể thu được có độ ẩm khoảng 5% khối lượng.

0 12

18 1000

12

= +

=

đ x

6658

016612

1000

16612

=

×+

.0

=

t

x

Trang 23

)615.095.0(3600

615.0500003

.0)615.06658.0(5000)

(

h kg s

kg

x x

Wx x

x G G

c t

c c

đ đ Kt

/(27265

0287

.095.0)

05.01

295

06658

036005000

27365

G G

η

Trang 24

q G t

t C G

Q = d ( 1 − 2 ) + B − ×

( )

kW W

Q

25.94)

(7.94247

3600

10.23455000

03

0166

104489127265

.04090

425

17023600

−

×

=

Trang 25

III VÍ DỤ:

Bài toán 2: Tính toán bề mặt truyền nhiệt cần thiết để làm lạnh và

lượng nước phải dùng Cho biết hệ số truyền nhiệt

Giải:

Ta chọn sơ đồ nước làm nguội ngược chiều, bố trí bề mặt truyền nhiệt

dạng vỏ áo (nồi hai vỏ) quanh TBKT Biến thiên nhiệt độ nước cho phép

C C

C t

C C

0 ''

0 0

0 '

0 0

5530

35

1040

90

Trang 26

t

t t

'' '

55

10ln

5510

Q F

∆

×

=

27

35 4

26 100

7

kg t

C

Q G

n n

) 30 35

( 4186

7

Trang 27

III VÍ DỤ:

Bước 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 28

III VÍ DỤ:

Bước 2: Vào Input\Component Selection hay click vào biểu tượng để

khai báo các cấu tử:

• Hệ gồm có 2 cấu tử đó là KI và nước (H2O) Vào hộp thoại Select from

Lists để chọn cấu tử Sau khi chọn hệ các cấu tử, vào hộp thoại Add

components và click OK

Trang 29

III VÍ DỤ:

Trang 30

III VÍ DỤ:

Bước 2 (tt):

• Click vào hộp thoại Component Phases (Pha của cấu tử), ta chỉnh KI về

dạng Liquid – Solid (pha lỏng-rắn) và nước về dạng Vapor – Liquid – Solid

Trang 31

III VÍ DỤ:

Bước 3: Khai báo các tính chất của các cấu tử Vào Input\Component

Properties hay click vào biểu tượng

• Trên cửa sổ Component Properties, ta click vào hộp thoại Particle Size

Distribution (phân phối kích thước hạt) ở mục Solid Properties đê định dạng

cấu tử rắn

Trang 32

III VÍ DỤ:

Bước 3 (tt):

• Ở đây, ta thiết lập đường kính cho các hạt cấu tử rắn KI Ta chọn kích

thước hạt trong khoảng từ 1 đến 2 đến 3 mm tức 0.039370 đến 0.078740

đến 0.11811

Trang 33

III VÍ DỤ:

Bước 4: Vào Input\Thermodynamic Data để xác định phương pháp nhiệt

động hay click vào biểu tượng

• Vào Most Common Used (những phương pháp hay được sử dụng nhất)

chọn Ideal hoặc cũng có thể vào Liquid Activity (hoạt tính pha lỏng) và cũng

chọn Ideal

Trang 34

III VÍ DỤ:

Bước 5: Thiết lập các thông số cho dòng.

• Dòng S1 là dòng nhập liệu lỏng Double Click và dòng S1 trên thiết bị và

chọn Composition Defined (xác định thành phần)  Flowrate and

Composition (Lưu lượng và thành phần) Total Fluid Flowrate (tổng lưu

lượng của lưu chất), thiết lập giá trị tổng lưu lượng là 5000kg/hr

Trang 35

III VÍ DỤ:

Bước 5 (tt):

• Bổ sung giá trị thành phần phần mol của KI và H2O lần lượt là 0.1776 và

0.8224

Trang 36

Trang 37

III VÍ DỤ:

Bước 6: Khai báo các thông số cho thiết bị kết tinh

• Mô tả cho thiết bị bằng cách nhập vào ô Description chứ “Thiet bi ket tinh”,

unit là “CRYSTALLIZER” Chọn Solute (chất tan) là KI và Solvent (dung môi)

là H2O

Trang 38

III VÍ DỤ:

Bước 6 (tt):

• Vào cửa sổ Operating Conditions (điều kiện làm việc): chọn tổn thất áp

suất (Pressure Drop) so với áp suất trên đường ống là bằng 0.02 atm Chọn

nhiệt độ làm việc (Temperature) là 40oC Chọn lưu lượng thể tích của dòng

hồi lưu (Volumetric Rate) là 0.5m3/h

Trang 39

III VÍ DỤ:

Bước 6 (tt):

• Vào cửa sổ Calculation Mode (Chế độ tính toán) Chọn design (thiết kế)

Trang 40

III VÍ DỤ:

Bước 6 (tt):

• Ở mục Design Specification (Đặc điểm/thông số thiết kế), chọn mục

Crystal Production Rate (tốc độ sản xuất tinh thể), nhập vào là 1102.3 lb tinh

thể/h Có thể chọn mục khác như: tỷ lệ chất tan được kết tinh (Fraction of

Solute Crystallized) , khối lượng riêng của dòng sản phẩm đáy (Magma

density in the Bôttm Product) hay độ bán bão hoà (Supersaturation Ratio)

Trang 41

III VÍ DỤ:

Bước 6 (tt):

• Vào cửa sổ Print Option  click vào ô Include Crystal Size Distribution

(phân phối kích thước tinh thể)

Trang 42

III VÍ DỤ:

Bước 6 (tt):

• Vào cửa số Product, chọn S2 là dòng sản phẩm đáy (Bottom) và S3 là

dòng sản phẩm đỉnh (Overhead)

Trang 43

III VÍ DỤ:

Bước 6 (tt):

• Vào cửa sổ Growth and Nucleation Rate (tốc độ phát triển và tạo mầm tinh

thể), ở đây ta sẽ chỉnh các hệ số cho phương trình tốc độ tạo mầm và tốc

độ phát triển tinh thể Như đã trình bày ở phần nguyên lí, giá kị KG sẽ nằm

trong khoảng từ 2.10 -7 đến 2.10-8 (m/s) Còn giá trị KB sẽ thường có giá trị là

2.105 (không có thứ nguyên)

Trang 44

III VÍ DỤ:

Bước 7 : Đến đây ta đã khai báo xong tất cả các thông số và có thể chạy

mô phỏng thử quá trình: View\Palettes\Run hoặc click vào biểu tượng

• Hình của hệ thống sau khi cho chảy:

Trang 45

III VÍ DỤ:

Báo cáo của PROII về thiết bị kết tinh :

Trang 46

III VÍ DỤ:

Ở phần calculation mode (chế độ tính toán) có thể chọn Rating thay vì chon

Design Khi đó ta cần nhập thể tích thiết bị, ở đây ta nhập thể tích thiết bị

kết tinh là 100m3 Các thao tác khác làm tương tự như phần Design Cho

kết quả sau:

Trang 47

CẢM ƠN THẦY VÀ CÁC

BẠN ĐÃ CHÚ Ý THEO

DÕI!

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	1,3 MB