Đang tải... (xem toàn văn)
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).
Bài giảng Q trình học CHƢƠNG 4: KỸ THUẬT TẦNG SƠI 4.1 Giới thiệu dạng tầng sơi “Tầng sơi” hay “giả lỏng” (fluidization) hoạt động hạt rắn chuyển qua trạng thái giống lưu chất hạt lơ lửng khí hay chất lỏng 4.1.1 Hiện tƣợng tầng sơi Nếu lưu chất từ lên xun qua lớp hạt kích thước nhỏ với vận tốc bé lưu chất qua khơng gian trống hạt tĩnh Đây gọi “buồng cố định” (Fixed Bed), (Hình 4-1a) Nếu tăng nhẹ vận tốc lưu chất phân tử di chuyển có vài rung động làm hạt di chuyển vùng hạn chế Đây gọi “buồng dãn nở” (Expanded Bed) Khi vận tốc tăng cao đến lúc tất hạt vừa đạt lơ lửng dòng lưu chất lúc lực ma sát hạt lưu chất vừa đạt cân với khối lượng hạt, thành phần thẳng đứng lực nén hạt cạnh biến dẫn đến tổn thất áp suất qua phần buồng với tổng khối lượng hạt lưu chất phần buồng Lớp hạt xem “chớm sơi” gọi “tầng sơi tối thiểu” (minimum fluidization, Hình 4-1b) Trong hệ lỏng-rắn vận tốc lưu chất vượt qua tầng sơi tối thiểu, lớp hạt dãn nở ra, cách đồng gọi “buồng tầng sơi đồng nhất” (Smooth fluidization, Hình 1c) Với hệ khí - hạt trường hợp xảy hạt nhỏ nhẹ Tổng qt, hệ khí hạt phức tạp Khi tăng vận tốc cao vận tốc sơi tối thiểu xuất bong bóng khí kênh khí làm cho lớp sơi khơng ổn định lúc ta có “buồng sơi khơng đồng nhất” “buồng sơi bong bóng” (Hình 41d) Với buồng hẹp cao bong bóng xuất tâm buồng, dọc trục (Hình 41e) đơi lúc biến tướng dạng phẳng kích thước hạt lớn (Hình 4-1f) Khi vận tốc khí đạt đủ lớn với vận tốc tới hạn hạt, lớp mặt buồng sơi biến mất, bong bóng biến mất, khoảng trống khơng khí có nhiều dạng khác nhau, ta có “buồng tầng sơi rối” (Hình 4-1g) Nếu tăng thêm vận tốc, khơng khí đẩy hạt bay lên cao, hạt theo dòng khí ta gọi vận chuyển khí động (pneumatic transportation) (Hình 4-1h) Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM Bài giảng Q trình học Hình 4-1: Các hệ tầng sơi 4.2 Đặc tính giống chất lỏng buồng tầng sơi Một buồng tầng sơi có đặc tính giống chất lỏng Chẳng hạn: Một vật to nhẹ lên bề mặt lớp sơi (Hình 4-2a) Nghiêng buồng tầng sơi, lớp hạt nằm ngang (Hình 4-2b) Tn theo ngun tắc bình thơng nhau, mức hạt ngang (Hình 4-2c) Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM Bài giảng Q trình học Sự khác biệt áp suất điểm buồng với tĩnh áp buồng qua điểm (Hình 4-2d) a b c d Hình 4-2: Đặc tính giống chất lỏng buồng tầng sơi Dòng chảy lớp hạt giống chất lỏng, vậy, tiếp xúc hạt khí xếp nhiều dạng Hình 4-3 (a,b,c) 4.3 Ƣu khuyết điểm buồng tầng sơi cơng nghiệp Bảng 4-1: So sánh máy phản ứng hóa học dạng tầng sơi so với dạng máy khác Trong đó: - Buồng cố định (Fixed bed): hạt đứng n, khí xun qua lớp hạt - Buồng di động (Moving bed): hạt di chuyển thẳng đứng, nằm ngang hay nghiêng góc Khí xun qua lớp hạt - Buồng tầng sơi (Fluidized bed): hạt lơ lững lớp khí, thổi qua - Vận chuyển khí động (Pneumatic Transport): hạt di chuyển với khí - Xy lanh quay (Rotary Cylinder): Xylanh quay làm hạt di chuyển nghiên xylanh, khí thổi ngược chiều hạt Bảng 1: So sánh loại buồng phản ứng khí - rắn (xem phụ lục ) Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM Bài giảng Q trình học Hình 4-3: Các kiểu xếp lớp sơi dựa vào dòng chảy lớp hạt Ưu điểm buồng tầng sơi Dòng chảy hạt giống chất lỏng giúp cho hệ hoạt động liên tục dễ kiểm sốt, xử lý Các phân tử rắn trộn nhanh giúp buồng phản ứng đạt đẳng nhiệt nên việc kiểm sốt đơn giản đáng tin cậy Với buồng sơi hạt rắn trộn đều, tránh giảm nhanh nhiệt độ, an tồn cho phản ứng tỏa nhiệt (exothermic reactions) Sự tuần hồn hạt rắn buồng sơi làm cho thiết bị dễ dàng thải lượng nhiệt sinh phản ứng Phù hợp cho hoạt động máy lớn Sự truyền nhiệt truyền khối khí hạt lớn nhiều so với hệ thống khác Nếu sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên lớp hạt u cầu diện tích trao đổi nhiệt thiết bị nhỏ Khuyết điểm: Buồng tầng sơi bong bóng với hạt mịn khó mơ tả dòng chảy khí, tiếp xúc khí hạt chưa tốt Điều đặc biệt nghiêm trọng u cầu chuyển đổi cao chất phản ứng khí Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM Bài giảng Q trình học Sự trộn nhanh hạt rắn làm cho thời gian lưu hạt buồng phản ứng khơng đều: Với xử lý chất rắn dòng liên tục, điều làm cho sản phẩm khơng (Ví dụ: phủ bề mặt hạt, ) Với phản ứng xúc tác, di chuyển hạt xúc tác xốp đồng thời với việc bắt giữ phóng thích phân tử khí phản ứng làm trộn ngược trở lại chất phản ứng khí cuối giảm suất Vật rắn dễ vỡ bị nghiền vụn Sự mài mòn buồng phản ứng ma sát hạt Trong hoạt động khơng xúc tác nhiệt độ cao, q trình kết tụ hạt mịn làm cho u cầu nhiệt độ phản ứng giảm xuống kết tốc độ phản ứng giảm 4.4 Các đặc tính hệ thống sơi: 4.4.1 Đặc tính hạt: a/ Đường kính hạt: Với hạt khơng có dạng hình cầu, đường kính hạt tương đương : d tđ 6V (4-1) Với V thể tích hạt b/ Độ cầu: Độ cầu hạt tỉ số diện tích bề mặt hình cầu bề mặt có thể tích S d tđ2 Sh (4-2) Với Sh diện tích bề mặt hạt Với định nghĩa này, s cho hình cầu, s cho tất hình dạng khác Số liệu độ cầu xem Bảng 4-1 c/ Đường kính hiệu Đường kính hiệu hạt đường kính de để cho lớp hạt có đường kính de có tổng diện tích bề mặt độ nồng rỗng với lớp hạt xét d e s d tđ (4-3) Bảng 4-1: Độ cầu hạt Type of Particle Sphere Cube Cylinder h=d h= 5d h= 10d Disks Sphericity s 1.00 0.81 Source 0.87 0.70 0.58 (a) (a) (a) Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM (a) (a) Bài giảng Q trình học h= d/3 h= d/6 h= d/10 Activated carbon and silica gels Broken solids Coal anthracite bituminous natural dust pulverized Cork Glass, crushed, jagged Magetite, Fischer- Tropsh catalyst Mica flakes Sand round sharp old beach young river Tungsten powder Wheat 0.76 0.60 0.47 0.70 – 0.90 (a) (a) (a) (b) (c) 0.63 0.63* 0.65 0.73 0.69 0.65 0.58* 0.28 (e) (e) (d) (d) (d) (d) (e) (d) 0.86* 0.66* As high as 0.86 As low as 0.53 0.89 0.85 (e) (e) (f) (f) (d) d/ Diện tích bề mặt riêng: Diện tích bề mặt riêng hạt a' diện tích bề mặt hạt d tđ2 / S thể tích hạt d tđ S d tđ [m-1] (4-4a) Diện tích bề mặt riêng tồn lớp hạt: a tổng diện tích bề mặt hạt 61 tổng thể tích hạt S d tđ [m-1] (4-4b) Nếu hạt lọt qua sàn có đường kính lỗ d1 bị chắn sàn có đường kính lỗ d2 kích thước sàn hạt dp=(d1+d2)/2 Do khơng có quan hệ de dp, dùng quan hệ khơng có thực nghiệm: Với hạt khơng phải hình cầu, khơng có chiều q dài q ngắn: d e S d tđ S d p (4-5a) Với hạt khơng hình cầu, có chiều dài tỉ lệ chiều dài/ chiều ngắn 0.6), tổn thất áp suất thực lớn nhiều so với tính từ phương trình (4-6) f/ Tổn thất áp suất qua lớp hạt cố định kích thước hạt khơng đồng Trong trường hợp này, cơng thức (4-6) sử dụng thay dp đường kính trung bình dpa khối hạt Đường kính trung bình tính theo phân bố kích thước khối hạt Ví dụ 4-1: Tính tốn kích thước trung bình dpa khối hạt dựa vào số liệu thực nghiệm phân bố kích thước ray sau: Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM Bài giảng Q trình học Bảng 4-3a: Khối lượng tích lũy mẫu Có đường kính hạt nhỏ dp (m ) 50 60 75 150 100 270 125 330 150 360 175 Giải: Sắp xếp số liệu tính Bảng 4-3b: Bảng 4-3b Khoảng đường Tỉ lệ khối lượng = xi dpi (x/dp)i kính 60 0 / 360 0,167 0,167/62,5=0,00257 87,5 150 60 / 360 0,250 0,250/87,5=0,00286 100 – 125 112,5 0,333 0,00296 125 – 150 137,5 0,167 0,00121 150 – 175 162,5 0,083 0,00051 50 -75 50 75 62,5 75 -100 =0,01021 Do đó: dpa 1 98m ( x / dp)i 0,01021 4.4.2 Vận tốc sơi tối thiểu,Um Khi có dòng khí thổi qua lớp hạt, sơi xảy nếu: (lực cản dòng khí lên)= (khối lượng hạt) (4-8) Do ta có điều kiện sơi tối thiểu là: Pb g 1 m S g Lm gC (4-9) Trong đó, S = khối lượng riêng hạt, kg/m3 g = 9,81 m/s2 Pb = tổn thất áp suất qua lớp hạt sơi, Pa Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM Bài giảng Q trình học Lm = độ cao lớp hạt chế độ sơi tối thiểu, m m = độ rỗng khối hạt chế độ sơi tối thiểu Bảng 4-4: Độ rỗng chế độ sơi tối thiểu Particles Sharp sand, s =0.67 Round sand, s =0.86 Mixed round sand Coal and glass powder Anthracite coal, s =0.63 Absorption carbon Fischer – Tropsch catalyst s =0.58 Carborundum 0.02 0.05 0.60 0.56 0.72 0.67 0.62 0.72 0.74 0.61 Size, dp (mm) 0.07 0.10 0.20 0.59 0.58 0.54 0.52 0.48 0.44 0.42 0.42 0.41 0.64 0.62 0.57 0.61 0.60 0.56 0.71 0.69 0.58 0.56 0.59 0.56 0.48 0.30 0.50 0.42 0.56 0.53 0.40 0.49 0.51 0.55 Vận tốc sơi tối thiểu tìm kết hợp (4-9) (4-6) d U Đặt Re m g p m 1.75 Ta có: s m Ar , Re 2m 1501 m m3 s2 Re m Ar d 3p g s g g 2 (4-10) Giải phương trình bậc (4-10) tìm Rem, từ tính Um Khi hạt nhỏ, phương trình (4-10) đơn giản hóa thành phương trình (4-11) (áp dụng Rem 1000) U m2 d p s g g 1.75 g m3 s (4-12) Với hạt khơng có kích thước q dài ngắn so với hạt kích thước lại, tính Um gần khơng biết m và/ s sau: Đặt k1 1.75 m s k2 1501 m m3 s2 Tác giả Chitester ctv (1984) sử dụng quan hệ được: Re m 28,7 0,0494 Ar 28,7 (4-13) Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM k2 28,7 0,0494 tìm k1 k Bài giảng Q trình học Với hạt mịn, Wen Yci (1966) sử dụng quan hệ 10 k2 33,7 0,0408 tìm k1 k được: Re m 33,7 0,0408 Ar 33,7 (4-14) 4.4.3 Đồ thị quan hệ vận tốc khí tổn thất áp suất Với hạt kích thước đều: quan hệ hình (4-5a) với hạt kích thước khơng quan hệ hình (4-5b) P(Pa) lớp hạt cố đònh lớp hạt tầng sôi Pmax Umin Uo (m/s) Hình 4-5a: Tương quan tổn thất áp suất vận tốc khí qua lớp hạt kích thước hạt đồng P (Pa) lớp hạt cố đònh lớp hạt tầng sôi Pmax Umin Uo (m/s) Hình 4-5b: Tương quan tổn thất áp suất vận tốc khí qua lớp hạt kích thước hạt khơng đồng Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM Bài giảng Q trình học 11 Ví dụ 4-2: Tính tốn vận tốc tối thiểu buồng tầng sơi hạt cát Cho độ rổng lớp hạt m = 0,55 Khơng khí thổi qua lớp hạt có g = 0,0012 g/cm3, =0,00018 g/cm.s Hạt cát: hình thù khơng 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 Kiểm tra số Rem: Re m g d pU m (0,0012)(4,01)(0,016) 0,43