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

32 15 0
  • Loading ...
1/32 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 14/04/2018, 17:31

I. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH21.1. Khái quát về thiết bị kết tinh21.2. Động học trong quá trình kết tinh và phương trình cân bằng mật độ31.2.1. Tốc độ tăng trưởng của tinh thể31.2.2. Tốc độ tạo mầm tinh thể41.2.3. Mật độ mầm tinh thể41.2.4. Phương trình cân bằng mật độ51.2.5. Phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và cân bằng pha:7II. ỨNG DỤNG10III. VÍ DỤ CỤ THỂ143.1. Bài toán kết tinh143.2. Quy trỉnh xây dựng mô phỏng PROII cho ví dụ ở trên163.2.1. Khởi động PROII163.3. Báo cáo của PROII về thiết bị kết tinh283.3.1. Chế độ Design283.3.2. Chế độ Rating293.4. Kết quả chạy ProII của một số thông số303.4.1. Chế độ Design303.4.2. Chế độ Rating30 I NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH1.1. Khái quát về thiết bị kết tinhThiết 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. ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM  Báo cáo Thực hành Tin học CNHH&TP Đề tài: ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH PHỎNG PRO/II CHO THIẾT KẾ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ KẾT TINH (CRYSTALLIZER) GVHD: Lớp: Nhóm: Buổi TN: Thầy Trịnh Hoài Thanh HC06TP Chiều thứ 7, tiết – 10 Tháng 12/2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM Báo cáo Thực hành Tin học CNHH&TP ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH PHỎNG PRO/II CHO THIẾT KẾ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ KẾT TINH (CRYSTALLIZER) GVHD: Thầy Trịnh Hoài Thanh SVTH: Nguyễn Quốc Duy 60600342 Lâm Minh Hiếu 60600680 Nguyễn Hữu Hiếu 60600687 Bùi Nguyễn Hoài Nam 60601514 Nguyễn Phạm Trúc Nguyên 60601629 Lê Trần Thùy Trâm 60503065 Lê Hồng Vân 60602948 Tháng 12/2009 MỤC LỤC I NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH -2 1.1 Khái quát thiết bị kết tinh -2 1.2 Động học trình kết tinh phương trình cân mật độ 1.2.1 Tốc độ tăng trưởng 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 mật độ 1.2.5 Phương trình cân vật chất, cân nhiệt lượng cân pha: II ỨNG DỤNG - 10 III VÍ DỤ CỤ THỂ 14 3.1 Bài toán kết tinh 14 3.2 Quy trỉnh xây dựng PRO/II cho ví dụ -16 3.2.1 Khởi động PRO/II -16 3.3 Báo cáo PRO/II thiết bị kết tinh 28 3.3.1 Chế độ Design -28 3.3.2 Chế độ Rating 29 3.4 Kết chạy Pro/II số thông số 30 3.4.1 Chế độ Design -30 3.4.2 Chế độ Rating 30 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer I NGUYÊN LÝ TÍNH TỐN CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH I.1 Khái qt thiết bị kết tinh Thiết bị kết tinh thiết bị sử dụng dùng để thực q trình phân riêng thơng qua việc chuyển cấu tử chất tan từ dung dịch lỏng sang dạng rắn Quá trình kết tinh phụ thuộc vào cân pha cân nhiệt động Đó cân lỏng – rắn dựa yếu tố độ hoà tan chất tan – thành phần chất tan cân dung dịch lỏng chứa dung môi Độ hoà tan hàm theo nhiệt độ (S = f(T)), tính tốn theo phương trình Van’t Hoff người sử dụng nhập liệu vào Độ hồ tan tính tốn cách nghiêm ngặt sử dụng phương pháp nhiệt động để xác định Tinh thể xuất dung dịch bão hòa Dung dịch bão hòa dung dịch nồng độ chất tan vượt q độ hòa tan cân nhiệt độ kết tinh Vấn đề quan trọng hàng đầu kỹ thuật kết tinh tạo độ bão hoà cần thiết dung dịch đảm bảo giữ độ bão hoà suốt trình kết tinh:  Đối với số dung dịch thay đổi độ hồ tan theo nhiệt độ (như NaCl) số dung dịch tăng độ hoà tan giảm nhiệt độ (như Na 2SO4, Na2CO3.H2O, …) dung dịch q bão hồ tạo cách cho bay phần dung mơi Khi đó, xuất thêm vấn đề pha dung dịch lỏng phải thoả mãn cân lỏng –  Đối với số dung dịch giảm nhanh độ hoà tan hạ nhiệt độ (như Na2SO4.10H2O, MgSO4.7H2O, FeSO4.7H2O, Na2S2O3.5H2O,…) phải làm lạnh để tạo dung dịch bão hoà  Một số trường hợp kết hợp việc làm lạnh bốc dung mơi Có loại thiết bị kết tinh dựa nguyên lý là:  Thùng kết tinh: cách làm lạnh không bốc  Thiết bị kết tinh – bốc hơi: cách bốc hơi, không làm lạnh  Thiết bị kết tinh – chân không: vừa làm lạnh vừa bốc Mặt khác, có thiết bị kết tinh dựa kỹ thuật tạo tiếp xúc dung dịch bão hòa với tinh thể tăng trưởng Chủ yếu có cách thực hiện:  Phương pháp tuần hoàn dung dịch: làm cho dòng dung dịch bão hòa tuần hồn liên tục qua lớp tầng sơi gồm tinh thể tăng trưởng vùng kết tinh giảm độ q bão hòa xuống tạo mầm tăng trưởng tinh thể Sau dung dịch bão hòa bơm qua thiết bị để làm lạnh hay bốc dung môi để khơi phục lại độ q bão hòa (còn gọi vùng làm q bão hòa), lại bơm trở lại vùng kết tinh  Phương pháp “tuần hoàn magma” phương pháp tuần hoàn toàn khối magma (gồm khối dịch q bão hòa có lẫn tinh thể nhỏ tạo thành) qua vùng kết tinh vùng q bão hòa (mà khơng cần phân biệt hạt tinh thể Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer khỏi magma) Cả trình kết tinh làm bão hòa xảy có mặt tinh thể  Số lượng tinh thể hình thành phụ thuộc vào thời gian lưu xác định phương trình động học Tinh thể hình thành từ dung dịch q bão hồ thơng qua trình: tạo mầm tinh thể tăng trưởng mầm tinh thể Động lực q trình độ q bão hồ dung dịch Ngoài ra, số yếu tố học ảnh hưởng đến q trính tốc độ khuấy trộn thiết bị, mật độ tinh thể…  Hiệu ứng nhiệt trình kết tinh tìm từ giá trị nhiệt nóng chảy cấu tử chất tan Yếu tố với enthalpy dòng nhập liệu dòng sản phẩm xác định suất nhiệt làm nóng/ làm lạnh cần thiết cho thiết bị kết tinh nhiệt thường cung cấp thiết bị trao đổi nhiệt bên ngồi Dòng nhập liệu dòng hồn lưu qua thiết bị trao đổi nhiệt đến thiết bị kết tinh Trường hợp không sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên ngồi ta sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên Sơ đồ nguyên lý Sản phẩm đỉnh Dòng nhập liệu Thiết bị trao đổi nhiệt Thiết bị kết tinh Sản phẩm đáy Dòng hồn lưu Hình 1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị kết tinh Hầu hết thiết bị kết tinh có trang bị loại cánh khuấy thích hợp để tăng tốc độ tăng trưởng tinh thể, đồng thời tránh phân lớp dung dịch bão hoà để giữ cho tinh thể phân bố huyền phù vùng kết tinh Để phục vụ cho tính tốn định lượng cho q trình kết tinh, ta phải tiến hành xét trình kết tinh lý tưởng gọi trình kết tinh sản phẩm trộn – huyền phù trộn (Mixed-suspension mixed-product crystallization) I.2 Động học trình kết tinh phương trình cân mật độ Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer I.2.1 Tốc độ tăng trưởng tinh thể (thường nằm khoảng từ 10  2 10  m / s ) k G S G a Với: G: tốc độ tăng trưởng tinh thể, m/s kG:hằng số tốc độ tăng trưởng, m/s X S: độ bão hoà, S   solute X CB X solute CB solute X : phần mole chất tan dung dịch bão hoà CB X solute : phần mole chất tan dung dịch bão hoà nhiệt độ kết tinh solute I.2.2 Tốc độ tạo mầm tinh thể (thường có giá trị khoảng 10 25 ) y x z t B0 k B M T S G n Với: Bo: tốc độ tạo mầm tinh thể, số hạt/s.m3 kB: số tốc độ tạo mầm tinh thể MT: tỉ trọng dung dịch magma, kg tinh thể/m3 dung dịch magma M T 6  c k n (G ) v o Trong đó:  c : khối lượng riêng tinh thể, kg/m3 k :hệ số hình dạng tinh thể ( k v =1 với tinh thể khối lập phương, hình cầu) no: mật độ mầm tinh thể, số mầm tinh thể/m3 dung dịch magma  v : thời gian lưu,  V  , q Với: V: thể tích làm việc thiết bị kết tinh, m3 ; q: vận tốc thể tích dòng sản phẩm đáy, m3/s n: tốc độ khuấy, vòng/phút x, y, z, t hệ số mũ I.2.3 Mật độ mầm tinh thể k v  / với tinh thể Thực hành Tin học CNHH&TP n  Crystallizer B G Với: no: mật độ mầm tinh thể, số mầm tinh thể/m3 dung dịch magma  : phần thể tích lỏng dung dịch magma, m3 lỏng/m3 dung dịch magma I.2.4 Phương trình cân mật độ Do phân bố kích thước phân tử tinh thể gián đoạn, mật độ n(r) biểu diễn biểu đồ với n phân đoạn rk kích thước phân tử trung bình phân đoạn thứ k Ví dụ cụ thể trình bày hình Hình 2: Sự phân bố kích thước phân tử tinh thể Thiết lập cân mật độ tinh thể thiết bị kết tinh: q f n f  qn GV dn dr Với: q: tốc độ thể tích sản phẩm đáy, m3/s qf: tốc độ thể tích nhập liệu, m3/s V: thể tích vận hành thiết bị kết tinh, m3 r: chiều dài đặc trưng tinh thể  V : thời gian lưu định nghĩa sau: q Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer Ta cho phân chia đến thứ k: Dùng điều kiện ban đầu: n(ro)=no, ro=0 Biểu thức tổng quát cho k bất kì:  Đối với dòng nhập liệu khơng chứa rắn:  Mật độ magma: rc: khối lượng riêng tinh thể (kg/m3) Kv=hằng số hình dạng tinh thể Kv=1, tinh thể hình lập phương; Kv=p/6, tinh thể hình cầu  Trường hợp nhập liệu có rắn Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 14 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer Q1 k1 F1 t log i 100 3 26.4 7920W Phần nhiệt lượng phải ống xoắn mang là: Q2 Q  Q1 94247.7  7920 86327.7W Vậy diện tích bề mặt truyền nhiệt bổ sung là: F2  III.2 Q2 86327.7  6.54m k t log 500 26.4 Quy trỉnh xây dựng PRO/II cho ví dụ III.2.1 Khởi động PRO/II Click OK sau chọn File\New chọn biểu tượng 15 hình Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer Bước 1: Tạo dựng sơ đồ sau, khung PFD ta chọn thiết bị kết tinh (Crystallizer) vẽ dòng sản phẩm cho thiết bị hình: 16 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer Bước 2: Vào Input\Component Selection hay click vào biểu tượng để khai báo cấu tử:  Hệ ta gồm có cấu tử KI nước (H 2O) Nhấn vào hộp thoại Select from Lists để chọn cấu tử Sau chọn hệ cấu tử, ta click vào hộp thoại Add components click OK 17 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 18 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 19 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 20 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 21 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 22 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 23 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 24 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 25 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 26 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer 27 Thực hành Tin học CNHH&TP Crystallizer III.4 Kết chạy Pro/II số thông số III.4.1 Chế độ Design Nhiệt tải thiết bị trao đổi nhiệt là: Do q trình tính tốn ta bỏ qua giá trị nhiệt lượng tổn thất nên giá trị nhiệt lượng tính tốn chạy Pro/II thu khác Ta thấy nhiệt lượng tổn thất lớn III.4.2 Chế độ Rating 28 ... CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH I.1 Khái quát thiết bị kết tinh Thiết bị kết tinh thiết bị sử dụng dùng để thực trình phân riêng thông qua việc chuyển cấu tử chất tan từ dung dịch lỏng sang dạng rắn Quá trình. .. cần thiết cho thiết bị kết tinh Và nhiệt thường cung cấp thiết bị trao đổi nhiệt bên ngồi Dòng nhập liệu dòng hồn lưu qua thiết bị trao đổi nhiệt đến thiết bị kết tinh Trường hợp không sử dụng thiết. .. KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Báo cáo Thực hành Tin học CNHH&TP ỨNG DỤNG Q TRÌNH MƠ PHỎNG PRO/II CHO THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ KẾT TINH (CRYSTALLIZER) GVHD: Thầy Trịnh
- Xem thêm -

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

Từ khóa liên quan

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nhận lời giải ngay chưa đến 10 phút Đăng bài tập ngay