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.