Mô Phỏng hóa học: XYCLON

Xyclon
Mục lục

1. Xyclon khí 2
1.1 Cấu tạo xyclon 2
1.2. Xyclon tổ hợp 3
1.3. Kích thước và hiệu suất tách. 3
1.4. Xyclon khí trong Hysys 5
1.4.1. Design Tab 6
1.4.2. Ratings Tab 8
1.4.3. Worksheet Tab 9
1.4.4 Performance Tab 9
1.4.5. Dynamics Tab 9
2. Xyclon lỏng 9
2.1. Cấu tạo xyclon lỏng 9
2.2. Xyclon lỏng trong hysys (HydroCyclone) 10
2.2.1. Design tab 10
2.2.2 Ratings Tab 11
2.2.3. Worksheet Tab 12
2.2.4. Performance Tab 12
2.2.5. Dynamics Tab 12
Tài liệu tham khảo 13

Xyclon

Nguyên tắc làm việc của xyclon dựa vào lực quán tính với mọi loại xyclon.
Xyclon bao gồm hai loại là: xyclon lỏng để tách riêng hệ lỏng không đồng nhất
(huyền phù) và xyclon khí để tăng vận tốc lắng của bụi trong khí và làm sạch khí hoàn toàn.

1. Xyclon khí
1.1 Cấu tạo xyclon














Hình 1. Xyclon khí
1-Thân trụ; 2- thân phễu; 3- Cửa vào; 4- nắp; 5- cửa khí ra; 6- cửa tháo bụi
Xyclon gồm thân hình trụ với thân đáy nón. Hỗn hợp khí chứa bụi đưa vào xyclon ở
cửa tiếp tuyến với thân hình trụ. Vận tốc của khí vào khoảng w = 20 m/s. Khi vào thân trụ
dòng khí chuyển động xoáy dọc theo thân trụ. Nhờ lực ly tâm (lực quán tính) các hạt bụi
chuyển động tách khỏi dòng khí theo hướng bán kính và sau đó tập hợp lại bên ngoài lớp khí
trên thành thiết bị. Khi đến cửa thoát bên dưới của ống tâm, một phần khí đi qua ống ra
ngoài, phần còn lại tiếp tục chuyển động xoáy quanh tâm ở đoạn phễu tạo thành dòng đi lên
để vào ống tâm. Trong xyclon dòng khí chuyển động theo hai hướng ngược nhau song song
Phân tách khí và bụi
Khí chứa
bụi vào
Khí sạch ra
Bụi ra

2
1
4
5
3
6
với trục của thiết bị. Cùng với dòng khí, bụi cũng chuyển động dọc theo thành của đoạn
phễu đến cửa để ra ngoài.
1.2. Xyclon tổ hợp
Xyclon tổ hợp có cấu tạo gồm vỏ 1, bên trong lắp các xyclon con 5 thành các dãy
song song. Hai đầu của chúng lắp chặt trên hai tấm lưới 2 và 3. Hỗn hợp khí dẫn vào cửa 4 ở
khoảng giữa hai tấm lưới và vào từng xyclon. Bụi được lắng trên thành của xyclon con nhờ
lực ly tâm rơi xuống dưới nón rồi tập trung ở đáy 7 để ra ngoài, còn khí sạch đi lên phía trên
qua ống tâm của xyclon con và theo cửa 6 ra ngoài. Xyclon tổ hợp có thể làm việc đến nhiệt
độ 4000C.












Hình 2. Xyclon tổ hợp
1.3. Kích thước và hiệu suất tách.
Nếu nồng độ và tính chất của bụi đã biết, thì kích thước của xyclon có thể được tính

dựa vào vận tốc vòng của khí và vận tốc dòng khí qua ống tâm. Vận tốc dòng khí trong
xyclon thường có giá trị từ 12 đến 14 m/s. Như vậy vận tốc dòng khí ở cửa vào xyclon là 18
đến 20 m/s và ra ở ống tâm là 4 đến 8 m/s.
Gọi w- vận tốc vòng của khí trong xyclon, m/s
w
A
- vận tốc khí ở ống tâm, m/s
r
1
- đường kính ngoài của ống tâm, m
r
2
- đường kính trong phần trụ của xyclon, m
r
A
- đường kính trong của ống tâm, m
n- số vòng quay của dòng khí trong xyclon
τ- thời gian lưu của khí trong xyclon, s
Vậy
2
2
ww
rn
l



, s
Trong khoảng thời gian τ bụi sẽ đi được quãng đường dưới tác dụng của lực ly tâm là
(r

2
– r
1
). Nếu vận tốc lắng w0 thì thời gian cần thiết để bụi lắng lại là:
21
0
w
rr



, s
Từ quan hệ
21
0
w
rr


2
2
w
rn

, ta có
1
2
0
2w
1

w
r
r
n



, m

Trong thực tế dòng khí chuyển động được 1.5 vòng, nên chấp nhận 2πn = 10, ta được
1
2
0
w
1 10
w
r
r 

,m
Để tính đường kính trong của ống tâm, ta vận dụng phương trình lưu lượng:
Vs = πrA
2
.wA ,
Vậy:
w
s
A
A
V

r


, m
Nếu bề dày của ống tâm là δ, ta có đường kính ngoài r
1
= r
A
+ δ. Chiều cao phần hình
trụ của xyclon được tính theo công thức:
21
.
( )w
s
nV
H
rr


, m
Với:
21
Hw
()
s
V r r
n

, m
3

/s
Chiều cao phần phễu của xyclon được chọn theo kinh nghiệm, nhưng thường có góc
với tâm 30 – 400.
Đường kính của cửa tháo bụi ở đáy phễu phụ thuộc vào lượng bụi và độ mịn của nó,
trong thực tế chọn từ 200 đến 250 mm.
Quá trình phân ly bụi trong xyclon rất phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.
Chúng chỉ có thể xác định qua thực nghiệm dựa vào thuyết đồng dạng.
Khái quát, hiệu suất của xyclon có thể tính được:
dc
d
cc
c




Trong đó: c
d
, c
c
– nồng độ đầu và cuối của bụi trong hỗn hợp khí, g/m
3

Trong quá trình lắng. hạt bụi chịu đồng thời ba lực là
- Lực ly tâm:
2
wm
C
r


, N
- Lực trọng lượng: G = m.g , N
- Lực cản của môi trường (trở lực)
2
20
w
.
2
SF



, N
Trong đó,
3
1
.
6
d
m



;
2
4
d
F



và trở lực
w
(Re) ( )
d

  


.
Trong trường hợp này hiệu suất có quan hệ hàm số sau:
1 2 0
( , , , , ,w )dr
    


Hoặc dưới dạng chuẩn số:
2
2
1
w
( ,Re, ) ( , ) ( )
l
f Fr Fr St
d gl

  

  

Trong đó Fr, St, Re là các chuẩn số Froude, Stockes, Reynolds

Trong thực tế xyclon đạt được hiệu suất tách từ 70 đến 80%. Tuy nhiên giá trị này có
thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của bụi.
Xyclon có khả năng tách bụi rất tốt, nếu kích thước các hạt bụi không bé hơn 10-
6mm. Ngoài ra vận tốc lắng bụi phụ thuộc bậc hai vào vận tốc dòng khí, nên khả năng tách
bụi của xyclon sẽ giảm rất nhanh khi vận tốc dòng khí giảm.
1.4. Xyclon khí trong Hysys
Thiết bị xyclon khí được sử dụng để tách riêng những chất rắn từ dòng khí và được
khuyến cáo chỉ sử dụng để tách những hạt có kích thước lớn hơn 5m. Xyclon khí bao gồm
một hình trụ thẳng đứng có đáy hình côn, một đầu vào tiếp tuyến với thân hình trụ ở gần đầu
thiết bị, và một đầu ra cho các chất rắn ở dưới cùng của đáy hình côn. Dưới tác dụng của lực
ly tâm xuất hiện trong dòng khí chuyển động xoáy làm các hạt rắn bị văng về phía thành
thùng xyclon. Các hạt rắn va đập vào thành thiết bị, rơi xuống đáy hình côn, và do đó bị tách
ra khỏi các dòng khí. Các chất rắn được tách ra phải được xác định trước đó và cài đặt như
các thành phần trong dòng khí kèm theo hoạt động này.
Để cài đặt xyclon khí hoạt động, bấm phím F12 và chọn Xyclon khí từ Unit Ops xem
hoặc chọn biểu tượng Xyclon khí trong Object Palette (trước tiên cần phải bấm vào biểu
tượng Solids Handling).


Để bỏ qua Xyclon khí trong quá trình tính toán, chọn Ignored. HYSYS sẽ hoàn toàn
bỏ qua những thao tác liên quan đến xyclon khí cho đến khi khôi phục lại bằng cách bỏ lựa
chọn Ignored.
1.4.1. Design Tab
Connections Page
Trên Connections Page cần cung cấp tên thiết bị xyclon, các dòng vào và ra bao gồm
sản phẩm hơi và sản phẩm rắn.


Biểu tượng Cyclon
Parameters Page

Cần xác định các thông số:
Thông số
Mô tả
Configuration
(đặt cấu hình)
Chọn một trong hai giá trị High Efficiency hoặc High
Output.
Efficiency Method
(phương pháp tác động
hiệu quả)
Chọn một trong hai phương pháp Lapple hay Leith/Licht.
Phương pháp thứ hai là một tính toán khắt khe hơn, xem xét
hỗn hợp hai hiệu ứng.
Particle Efficiency
Phần trăm hiệu quả thu hồi các chất rắn đã quy định có trong
dòng sản phẩm đáy.
Đường kính thiết bị đã cho, hoặc là từ cấu tử được chọn hay đặc tính của hạt rắn,
được sử dụng trong các tính toán hiệu suất quá trình phân tách. Ví dụ như nếu chọn hiệu quả
85%, có nghĩa là 85% những hạt rắn có đường kính đã cho sẽ được thu hồi trong dòng sản
phẩm đáy. Phần chất rắn còn lại trong dòng vào đã bị loại tuỳ thuộc vào đường kính của hạt.
Solids Page
Trên trang này những thông tin sau đây về chất rắn được xác định:
Thông số
Mô tả

Solid Name
Phải cung cấp hoặc là tên của chất rắn đã
cài đặt ban đầu (được truy cập thông qua Edit Bar), hoặc
cung cấp đường kính và mật độ của hạt
Particle Diameter

và Particle Density
Nếu không chọn thành phần rắn, cần cung cấp đường
kính hạt và mật độ hạt

User Variables Page
Trang này cho phép cài đặt và cung cấp các biến trong mô phỏng của Hysys. Để biết
thêm thông tin về việc triển khai thực hiện xem chương User Variables trong Customization
Guide.
Notes Page
Trong trang này thực hiện soạn thảo văn bản, có thể ghi lại bất kỳ các ý kiến hoặc
thông tin liên quan đến các thao tác hoặc liên quan đến quá trình mô phỏng .



1.4.2. Ratings Tab
Sizing Page
Design mode: ở chế độ bật xác định cho toàn bộ xyclon, nếu ở chế độ tắt cần nhập
xyclon muốn xác định thông số.
Xác định các thông số sau:
Thông số
Mô tả
Configuration
Lựa chọn High Output, High Efficiency, hoặc User Defined.
Điều này cũng được xác định trên Parameters page
Inlet Width Ratio

Tỷ lệ độ rộng đầu vào với đường kính thiết bị (phải là giữa 0
và 1). Giá trị cần phải nhỏ hơn tỷ số tổng chiều cao
Inlet Height Ratio
Tỷ lệ độ cao đầu vào với đường kính thiết bị

Xyclon khí Height
Ratio
Tỷ lệ chiều cao của phần đáy hình côn so với đường kính thân
thiết bị.
Gas Outlet Length
Ratio
Tỷ lệ chiều dài của ống dẫn khí ra so với đường kính thân thiết
bị.
Gas Outlet Diameter
Ratio
Tỷ lệ đường kính của ống dẫn khí ra so với đường kính thân
thiết bị (phải ở giữa 0 và 1).
Total Height Ratio
Tỷ lệ của chiều cao tổng của thiết bị so với đường kính thân
thiết bị.
Solid Outlet Diameter
Ratio
Tỷ lệ đường kính ống dẫn chất rắn ra ở đáy so với đường kính
thân thiết bị.
Body Diameter
Nếu đang ở chế độ Design Mode, đường kính thân thiết bị sẽ
được tự động tính toán. Nếu đang tắt Design Mode, cần phải
cung cấp giá trị này

Constraints Page
Có thể xác định đường kính tối thiểu và tối đa cho xyclon, chỉ áp dụng khi chế độ
Design Mode đang bật.
Maximum Pressure Drop và Maximum Number of Cyclones: độ tụt áp tối đa và số
lượng các xyclon khí tối đa được thiết lập trên Page này. Nó cũng được sử dụng trong các
tính toán để xác định số lượng xyclon tối thiểu cần thiết để thực hiện việc phân tách đạt hiệu

quả yêu cầu.
1.4.3. Worksheet Tab
Worksheet Tab cung cấp cùng một thông tin mặc định về các dòng vật liệu của
Workbook. Tuy nhiên, tại đây chỉ hiển thị các dòng hiện thời đang được gắn liền với các
thao tác.
1.4.4. Performance Tab
Results Page
Các kết quả tính toán độ tụt áp (Pressure Drop), hiệu suất chung (Overall Efficiency),
và số lượng các xyclon khí mắc song song được hiển thị.
1.4.5. Dynamics Tab
Tính năng được sử dụng cho mô phỏng động.

2. Xyclon lỏng
2.1. Cấu tạo xyclon lỏng
Nguyên tắc cấu tạo và
phương thức làm việc của xyclon
lỏng cũng giống như xyclon khí.
Xyclon lỏng cũng gồm thân hình trụ
và đáy hình nón cụt. Giữa thân hình
trụ có lắp ống tâm để tạo dòng xoáy
của chất lỏng nhiều hay ít trong
xyclon. Huyền phù được đưa vào
tiếp tuyến với thân hình trụ có áp
suất dư 0.3 đến 2 at. Trong thân hình
trụ huyền phù chuyển động quay với
vận tốc lớn nên gây ra lực ly tâm làm các hạt rắn văng ra thành xyclon. Ở gần thành các hạt
rắn chuyển động theo đường xoáy ốc và đi xuống đáy hình nón. Chất lỏng và các hạt nhỏ
cũng chuyển động xoáy ốc ở phần trong gần ống tâm rồi theo ống tâm lên phía trên ra ngoài.
Khả năng phân tách của xyclon được điều chỉnh qua độ nhúng sâu của ống tâm và
diện tích tiết diện ở cửa ra của đáy xyclon. Để tăng năng suất thiết bị và tăng hiệu quả phân

riêng người ta thường dùng xyclon tổ hợp gồm nhiều xyclon nhỏ đường kính 10 đến 15 mm
ghép với nhau.

2.2. Xyclon lỏng trong hysys (HydroCyclone)
Các Hydrocyclone có nguyên lý hoạt động giống như các
xyclon, sự khác biệt chính là Hydrocyclone thực hiện tách các
chất rắn từ pha lỏng, chứ không phải từ pha khí. Các chất rắn
được tách phải được xác định trước đó và cài đặt như các thành
phần trong dòng kèm theo hoạt động này.
Để cài đặt Hydrocyclone chọn Add Operation từ Flowsheet Menu, và chọn
Hydrocyclone. Ngoài ra chọn biểu tượng Hydrocyclone từ Object Palette (trước đó phải bấm
vào biểu tượng Solids Handling).
Để bỏ qua các Hydrocyclone trong quá trình tính toán, chọn Ignored. Hysys sẽ bỏ qua
hoàn toàn những thao tác tính toán cho đến khi khôi phục lại bằng cách xoá bỏ lựa chọn
Ignored.
2.2.1. Design tab
Conections Page
Trên trang này cần cung cấp tên xyclon và các dòng nguyên liêu, sản phẩm lỏng đỉnh
và sản phẩm rắn ở đáy.

Parameters Page
Phải xác định các thông số sau đây:

Biểu tượng
HydroCyclone


Đường kính đã cho, hoặc là từ các cấu tử được lựa chọn hay từ các đặc trưng của hạt
rắn, được sử dụng trong tính toán hiệu suất tách. Ví dụ như nếu chọn hiệu suất tách là 85%,
có nghĩa là 85% chất rắn có đường kính xác định sẽ được thu hồi. Phần chất rắn còn lại

trong dòng vào đã được loại bỏ tuỳ thuộc vào các thông số đã cài đặt ban đầu.

Solids Page
Dưới đây là những thông tin chất rắn có thể được xác định:
Thông số
Mô tả
Solid Name
Phải cung cấp hoặc là tên của một rắn đã cài đặt ban đầu (được
truy cập từ việc kéo thả trình đơn trong Edit Bar, hoặc cho trước
đường kính và tỷ trong hạt).
Particle Diameter
và Particle Density
Nếu không biết tên chất rắn, thì cần đưa ra đường kính và tỷ
trong hạt

User Variables Page
Trang này cho phép tạo ra và thao tác với các biến trong môi trường mô phỏng
HYSYS. Để biết thêm thông tin về việc triển khai thực hiện lựa chọn User Variables, xem
trong Customization Guide

Notes Page
Trong trang nàythực hiện soạn thảo văn bản, có thể ghi lại bất kỳ các ý kiến hoặc
thông tin liên quan đến các thao tác, hoặc liên quan đến mô phỏng.
2.2.2 Ratings Tab
Sizing page
Xác định các thông số sau đây:

Thông số
Mô tả
Thông số

Mô tả
Configuration
Lựa chọn cấu hình hoặc Mode1, Mode2 hoặc
User Defined
Particle Efficciency
Hiệu suất phần trăm thu hồi chất rắn đã xác
định trong dòng sản phẩm đáy.
Configuration
Chọn Mode 1, Mode 2 hoặc User Defined. Điều này
cũng đã được xác định tại trang tham số (Parameters
page).
Inlet Diameter Ratio
Tỷ lệ đường kính ống dẫn vào với đường kính thân
thiết bị.
Included Angle (Degrees)
Góc nghiêng của Cyclone so với phương thẳng đứng
Overflow Length Ratio
Tỷ lệ độ dài ống chảy tràn so với đường kính thân
thiết bị
Overflow Diameter Ratio
Tỷ lệ đường kính ống chảy tràn so với đường kính
thân thiết bị
Total Height Ratio
Tỷ lệ tổng chiều cao của thiết bị so với dường kính
thân thiết bị
Underflow Diameter Ratio
Tỷ lệ đường kính ống dẫn trong so với đường kính
thân thiết bị
Body Diameter
Nếu Design Mode đang bật thì đường kính thân sẽ

được tính tự động khi đã nhập đủ các thông số. Nếu
Design Mode đang tắt thì phải nhập số liệu này.

Constraints Page
Có thể xác định đường kính tối thiểu và tối đa cho Cyclone, chỉ áp dụng khi Design
Mode ở chế độ bật.
Maximum Pressure Drop (độ tụt áp tối thiếu) và Maximum Number of Cyclones
(số lượng tối đa của các Cyclone) cũng có thể thao tác tại trang này.
2.2.3. Worksheet Tab
Các Worksheet cung cấp cùng thông tin mặc định như Material Streams trong
Workbook. Tuy nhiên, trang này chỉ hiển thị các dòng hiện đang gắn liền với thao tác trong
trang này.
2.2.4. Performance Tab
Results Page
Các kết quả tính toán Pressure Drop (độ tụt áp), Overall Efficiency (hiệu suất tổng) và
số lượng Cyclones đồng thời được hiển thị trên trang này.
2.2.5. Dynamics Tab
Tính năng này chỉ được sử dụng trong mô phỏng động.
Tài liệu tham khảo


1. GS. Nguyễn Bin. Các quá trình,thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 2.
NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007.
2. Perry’s Chemical Engineers' Handbook. 8
th
Edition, McGraw-Hil, 2008.
3. Visual Encyclopedia of Chemical Engineering Equipments. MIT, 2001.