bài giảng Thiết bị truyền khối

Yêu cầu của thiết bị truyền khối Diện tích bề mặt trao đổi pha lớn Trở lực thấpYêu cầu của thiết bị truyền khối Diện tích bề mặt trao đổi pha lớn Trở lực thấpYêu cầu của thiết bị truyền khối Diện tích bề mặt trao đổi pha lớn Trở lực thấpYêu cầu của thiết bị truyền khối Diện tích bề mặt trao đổi pha lớn Trở lực thấp

Chương

2

Yêu cầu của thiết bị truyền khối

Khí – lỏng

Tháp màng Tháp phun Tháp bọt Tháp venturi Tháp đệm Tháp mâm

Nguyên lý chung

 Hai pha lỏng và hơi tiếp xúc cùng chiều hay ngược chiều

 Một cấu tử hay nhiều cấu

tử có thể di chuyển qua lại giữa hai pha

THÁP MÀNG

Nguyên lý chung

 Pha lỏng chảy từ trên xuống tạo thành màng film trong ống (hay ngoài ống), pha hơi có thể thổi ngược từ dưới lên (ngược chiều) hay từ trên xuống (cùng chiều)

Ưu điểm

Sử dụng khi quá trình tỏa nhiều nhiệt, giải nhiệt liên tục

Đòi hỏi áp lực thấp

Thời gian lưu thấp

Phù hợp đối với những lưu chất nhạy cảm với nhiệt

Dễ vệ sinh

Nhược điểm

Khó kiểm soát chế độ màng film

Có thể xảy ra hiện tượng bốc hơi

Phải kiểm soát lưu lượng lỏng đều đặn

THÁP PHUN

Nguyên lý chung

từ trên xuống, pha hơi có thể thổi ngược từ dưới lên (ngược chiều) hay từ trên xuống (cùng chiều)

 Pha lỏng có thể được phun tại nhiều vị trí khác nhau trong tháp

Ưu điểm

Trở lực thấp

Nhượt điểm

Đòi hỏi áp lực bơm lớn nên chi phí cao

Dễ mất mát lỏng

Khả năng truyền khối thấp

Thời gian lưu thấp

Số bậc truyền khối ít

Hạt hình thành có thể kết khối

THÁP BỌT

Nguyên lý chung

từ trên xuống (ngược chiều) hay từ dưới lên (cùng chiều), pha hơi được phun vào từ đáy tháp

Thời gian lưu của pha lỏng cao

Diện tích bề mặt truyền khối lớn

Nhược điểm

Trở lực của pha hơi lớn

Thời gian lưu của pha hơi thấp

THÁP VENTURI

Nguyên lý chung

 Pha lỏng và hơi được phun vào đỉnh venturi, khi đi qua khe venture, giọt lỏng được tán nhỏ thành sương mù làm tăng tốc độ truyền khối Hỗn hợp sau venture được tách thành hai pha lỏng và hơi nhờ lực ly tâm của cyclone

Ưu điểm

Sự phân tán pha tốt

Nhược điểm

Đòi hỏi công suất bơm lớn

Trở lực pha hơi lớn

Chi phí năng lượng cho vận hành cao

Chỉ tiếp xúc pha cùng chiều

Tháp mâm

Hình 5.1: Sơ đồ hoạt động của tháp mâm

Pha lỏng được bơm vào đỉnh tháp, pha hơi được thổi ngược

từ dưới lên (ngược chiều) Hai pha tiếp xúc nhau trên từng mâm

Mỗi mâm tương đương một bậc truyền khối

Cĩ 3 loại mâm: mâm xuyên lỗ, mâm chop

và mâm van

Tháp mâm

Hình 5.1: Sơ đồ hoạt động của tháp mâm

Để mâm có hiệu suất cao → khi hoạt động mức chất lỏng trên mâm và vận tốc khí phải lớn → gây nên sự lôi cuốn cơ học các giọt lỏng trong dòng hơi từ mâm dưới lên mâm trên → giảm sự biến đổi nồng độ tạo nên bởi quá trình truyền khối, → làm giảm hiệu suất mâm Tạo nên độ giảm áp lớn cho pha hơi (khí) → làm tăng công suất máy nén khí cho tháp hấp thu, hoặc tăng nhiệt độ sôi ở nồi đun của tháp chưng cất

Cuối cùng độ giảm áp cao của pha khí làm cho tháp dễ bị ngập lụt khi hoạt động

Tháp mâm

Hình 5.1: Sơ đồ hoạt động của tháp mâm

Đường kính mâm D (m) Khoảng cách mâm H (m)

tối thiểu 0,150 đến 1,2 0,450 0,500 1,2 3,0 0,600 3,0 3,6 0,750 3,6 7,2 0,900

Đặc trưng chung

- Khoảng cách mâm

Tháp mâm

Hình 5.2: Giản đồ xác định C F cho mâm chóp Hình 5.2: Giản đồ xác định C F cho mâm xuyên lỗ

Tháp mâm

Hình 5.1: Sơ đồ hoạt động của tháp mâm

Chi tiết mâm

Mâm xuyên lỗ

Chi tiết mâm

Mâm chóp

Chi tiết mâm

Mâm van

 Gờ chảy tràn có tác dụng duy trì mực chất lỏng trên mâm

 Gờ chảy tràn có tác dụng duy trì mực chất lỏng trên mâm

 Gờ chảy tràn có tác dụng duy trì mực chất lỏng trên mâm

h : chiều cao gờ chảy tràn trên mâm, mm

 : gradient chiều cao chất lỏng trên mâm, mm

Ưu điểm

Hiệu quả truyền khối tốt hơn tháp đệm

Sử dụng được với cả lưu lượng cao hay thấp

Sử dụng được khi có lẫn hạt rắn

Đáp ứng được nhiều yêu cầu đặc biệt

Nhượt điểm

Trở lực cao hơn tháp đệm

Không phù hợp khi có quá nhiều cặn

Đường kính tháp

: lưu lượng khí hay lỏng ⁄ : vận tốc khí hay lỏng ⁄

Gờ chảy tràn

 Gờ chảy tràn có tác dụng duy trì mực chất lỏng trên mâm

Khoảng cách mâm

Khoảng cách mâm

Ngập lụt

Trở lực

Chi

phí

Chọn trước rồi kiểm tra

Cấu tạo gồm thân hình trụ

1; Bộ phân phối lỏng 2;

trong thân hình trụ đổ vật

rắn trơ (đệm) 3 Để đỡ đệm

dùng lưới 4; Ngoài ra còn

bộ phân phối lại chất lỏng

5 và ống xiphông 6 (xem

hình vẽ)

Tháp đệm

Đệm được chế tạo từ những vật

liệu khác nhau: hợp kim, kim

loại, gốm sứ, thủy tinh, chất dẻo,

Ngồi những yêu cầu trên khi lựa chọn đệm cần căn cứ vào:

 Khối lượng riêng nhỏ;

 Phân phối đều lỏng;

 Cĩ tính chịu ăn mịn cao, rẻ tiền, dễ kiếm :

 Để làm việc với chất lỏng bẩn nên chọn đệm cầu cĩ khối lượng riêng nhỏ

thành thiết bị

Tháp đệm

Cấu tạo gồm thân

hình trụ 1; Đệm 2;

lưới đỡ đệm 3 Bộ

phân phối lại chất

lỏng 4; Cửa đổ đệm 5,

tháo đệm 6 và phân

Cấu tạo tháp đệm làm việc

với ống xiphông để tạo chế

độ nhũ tương

Tháp đệm

Tháp đệm dùng trong trích

ly lỏng - lỏng

Cấu tạo bộ phận phân phối lỏng:

Chi tiết tách giọt

Chi tiết đỡ đệm

Chi tiết phân phối lỏng

Hiệu ứng thành và cách khắc phục:

Chia chiều cao đệm: 4  5 lần đường kính thì chất lỏng gần như tập trung ở thành tháp (xem hình vẽ) Nên với khoảng cách 4  5 lần đường kính người ta cần chia đệm thành từng đoạn, nhưng không lớn hơn 3  4 mét

Chọn kích thước đệm:

Xếp đệm trong TB: d < 50 đổ lộn xộn, d > 50 phải xếp thứ tự

Chế độ thủy động lực học tháp đệm:

Chế độ màng OA: mật độ tưới không

lớn, tốc độ khí nhỏ, chất lỏng chảy

thành màng theo bề mặt đệm, khí đi ở

khe giữa các màng,

kết thúc ở điểm nâng A;

Tháp đệm

Chế độ thủy động lực học tháp đệm:

Chế độ quá độ AB: do ma sát của

dòng khí đối với bề mặt lỏng và kìm

hãm sự chảy của màng lỏng, bề dày

màng lỏng tăng, lượng lỏng giữ lại

trong đệm tăng Khi tăng tốc độ khí

làm tăng xoáy Kết thúc chế độ này

tại điểm B gọi là đảo pha;

Tháp đệm

Chế độ thủy động lực học tháp đệm:

Chế độ nhũ tương BC: hệ nhũ tương

không bền, cường độ truyền khối lên

cực đại, đồng thời trở lực thủy lực

cũng tăng nhanh, chế độ này rất khó

duy trì mặc dù cường độ truyền khối

lớn Kết thúc chế độ nhũ tương bằng

điểm sặc C Tốc độ sặc xác định theo:

Tháp đệm

0,125 0,25

2

0,16 3

Chế độ thủy động lực học tháp đệm:

Chế độ cuốn theo: quá giới hạn sặc,

nếu tăng tốc độ khí, toàn bộ chất lỏng

sẽ bị giữ lại trong tháp và cuốn ngược

trở ra theo dòng khí

Tháp đệm làm việc tốt nhất là ở chế

độ hãm và nhũ tương nhưng khó điều

chỉnh, nên thường chọn wK = 0,8WS

Tháp đệm

Khi suất lượng pha lỏng hoặc pha khí vượt quá giới hạn cho trước, chất lỏng không chảy xuống được tạo nên một cột chất lỏng trong tháp, độ giảm áp pha khí khi đó sẽ dao động mạnh Điều này cần tránh khi điều hành tháp Theo Zhavoronkov, hiện

tượng ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số vô thứ nguyên sau có liên hệ với nhau như hình 5.32

Hình 5.32: Điểm lụt của tháp chêm theo quan hệ của hai nhóm số vô thứ nguyên

Phương trình thiết kế cho quá trình hấp thu một cấu tử

σ- diện tích bề mặt riêng của vật chêm m2 /m 3

z - chiều cao tháp có tiết diện bằng một đơn vị diện tích, m

(6.21)

Phương trình (6.21) được lấy tích phân để xác định chiều cao tháp chêm:

Nhân tử và mẫu số của tích phân của (6.22) với 1  ylm với

1  ylm là trung bình logarit của 1  y i và (1 – y)

z

.

1 2

Định nghĩa chiều cao đơn vị truyền khối:

giá trị này thường được xem là không đổi trong độ chính xác cho phép và được lấy bằng giá trị trung bình tại điều kiện làm việc ở đỉnh và đáy tháp Do đó:

1 1

cách thay trung bình số học cho trung bình logarit 1  ylm mà không gặp phải sai số lớn

Tương tự, ta chứng minh được cho nồng độ dung chất trong pha lỏng:

Tương tự, ta chứng minh được cho nồng độ dung chất trong pha lỏng:

với 1  xlm là trung bình logarit của (1–x) và 1  x1

Trong trường hợp đường cân bằng là đường thẳng và tỉ số các hệ số truyền khối pha khí, pha lỏng là không đổi thì các biểu thức tính chiều cao tháp chêm có thể được tính theo hệ số truyền khối tổng quát như sau:

Theo pha khí: z = N tOGH tOG

2 1

N

Y

Y Y* ln

1 2

2 1

1 1

Tương tự, theo pha lỏng, Z = N tOL.H tOL

1 1

K 1 x *

Những phương trình tính Z ở trên đều cho cùng kết quả Tuy

nhiên khi pha nào có trở lực truyền khối lớn thì dùng phương trình

tính Z theo pha đó tiện lợi hơn

Với quá trình nhả khí, động lực hay sẽ âm nhưng

y y*

1 2

(6.36)

Nếu đường cân bằng được xem là đường thẳng trong khoảng nồng độ x x thì phương trình đường cân bằng là: 1, 2

Nếu dung dịch loãng, lượng dung chất truyền giữa hai pha là nhỏ

thì đường làm việc trên tọa độ xy cũng có thể xem là đường thẳng có

1 2

2-Xác định bằng đồ thị

Đường KB được vẽ qua trung điểm các

đoạn thẳng đứng giữa đường cân bằng và đường làm việc

Bậc JLC và CFD là những đơn vị truyền được xác định bằng cách vẽ JK = KL và CE

= EF, sau đó từ L và F vẽ thẳng đứng lên

trung bình cho sự biến đổi nồng độ pha khí

Vì GE = EH nên nếu đường làm việc được xem như đường thẳng thì DF = 2GL = GH, bậc CFD là một đơn vị truyền khối Để xác định N toL ,

Đường KB vẽ qua các giao điểm của các đoạn thẳng nằm ngang nối đường làm việc

và đường cân bằng

3- Chiều cao tổng quát của đơn vị truyền khối

Khi hệ số góc đường cân bằng không đổi, chiều cao tổng quát của đơn vị truyền khối được tổng hợp từ các đơn vị truyền khối của mỗi pha theo biểu thức sau:

( ) ( )

3- Chiều cao tổng quát của đơn vị truyền khối

Tương tự chiều cao tổng quát của đơn vị truyền khối tính theo pha lỏng được xác định:

Ví dụ 6.3: Tháp chêm được dùng để hấp thu một dung chất

trong dòng khí bằng dung môi là nước ở áp suất thường

Nồng độ dung chất ban đầu trong dòng khí là 0,03 mol/mol

khí trơ Mức độ hấp thu đạt 90% Nước rời tháp hấp thu có

nồng độ 0,02 mol/mol nước Tháp được làm nguội để duy trì

nhiệt độ không đổi Xác định chiều cao tháp chêm? Cho biết

tG

H = 0,205 m, H tL = 0,90 m Dữ kiện cân bằng của nồng độ

dung chất trong pha khí và lỏng như sau:

Giải: Trong quá trình hấp thu này, trở lực truyền khối chủ yếu nằm trong pha khí nên có thể tính chiều cao tháp chêm theo biểu thức

.

 tOG tOG

1- Xác định N tOG : Có thể xác định theo hai cách

a) Bằng đồ thị: Vẽ đường cân bằng và đường làm việc trên hệ

trục X,Y Đường làm việc trên hệ trục X, Y là đường thẳng qua hai điểm C [ X = 0; 2 Y = 0,03 (1 – 0,9) = 0,003] và điểm D (2 X = 0,02; 1 Y1

= 0,03) Vẽ đường trung bình giữa đường làm việc và đường cân bằng Xác định được số đơn vị truyền khối tổng quát trên đồ thị là 5,5

b) Xác định bằng tích phân: Theo (6.31) với nồng độ dung chất

trong pha khí loãng

Y Y*

1 2

Kết quả để lấy tích phân bằng đồ thị

X Y Y * Y-Y * *

1 Y-Y

Vẽ đường biểu diễn 1/ Y(  Y*) theo Y Diện tích giới hạn giữa

đường cong và trục hoành, 2 đường Y1 = 0,03 và Y2= 0,003 là 5,83

2- Xác định H tOG : Trở lực truyền khối chủ yếu nằm trong pha

khí và với hỗn hợp có nồng độ loãng, theo (6.45)

z = N tOG.H tOG = 5,83 × 1,115 = 6,50 m