Bài giảng Quá trình cơ học, CHưƠNG 4: KỸ THUẬT TẦNG SÔI

Bài giảng Quá trình cơ học

1

CHƢƠNG 4: KỸ THUẬT TẦNG SÔI
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 4-1a). 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 4-1b).
Trong hệ lỏng-rắn 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 4-1f).
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 4-1g). 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 4-1h).

Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM


Bài giảng Quá trình cơ học

Hình 4-1: Các hệ tầng sôi
4.2 Đặc tính giống chất lỏng của buồng tầng sôi

Một buồng tầng sôi có đặc tính giống chất lỏng. Chẳng hạn:
Một vật to và nhẹ sẽ nổi lên bề mặt lớp sôi (Hình 4-2a)
Nghiêng buồng tầng sôi, lớp hạt vẫn nằm ngang (Hình 4-2b)
Tuân theo nguyên tắc bình thông nhau, mức hạt sẽ ngang nhau (Hình 4-2c)

Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM

2


Bài giảng Quá trình cơ học

3

Sự khác biệt áp suất giữa 2 điểm của buồng bằng với tĩnh áp của buồng qua 2 điểm
đó (Hình 4-2d).

a

b

c

d

Hình 4-2: Đặc tính giống chất lỏng của buồng tầng sôi
Dòng chảy của lớp hạt giống như chất lỏng, do vậy, sự tiếp xúc giữa hạt và khí có
thể sắp xếp nhiều dạng như các Hình 4-3 (a,b,c).
4.3 Ƣu và khuyết điểm của buồng tầng sôi trong công nghiệp

Bảng 4-1: So sánh máy phản ứng hóa học dạng tầng sôi so với các dạng máy khác.
Trong đó:
-

Buồng cố định (Fixed bed): hạt đứng yên, khí xuyên qua lớp hạt.

-

Buồng di động (Moving bed): hạt di chuyển thẳng đứng, nằm ngang hay
nghiêng 1 góc. Khí xuyên qua lớp hạt.

-

Buồng tầng sôi (Fluidized bed): hạt lơ lững trong lớp khí, thổi qua

-

Vận chuyển khí động (Pneumatic Transport): hạt di chuyển cùng với khí

-

Xy lanh quay (Rotary Cylinder): Xylanh quay làm hạt di chuyển nghiên của
xylanh, khí thổi ngược chiều hạt.

Bảng 1: So sánh các loại buồng phản ứng khí - rắn.
(xem phụ lục )

Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM


Bài giảng Quá trình cơ học

4

Hình 4-3: Các kiểu sắp xếp lớp sôi dựa vào dòng chảy của lớp hạt.
Ưu điểm của buồng tầng sôi
1. Dòng chảy hạt giống chất lỏng giúp cho hệ hoạt động liên tục và dễ kiểm soát, xử lý.
2. Các phân tử rắn được trộn nhanh giúp buồng phản ứng đạt được đẳng nhiệt nên việc
kiểm soát đơn giản và đáng tin cậy.
3. Với buồng sôi các hạt rắn được trộn đều, tránh được sự giảm nhanh nhiệt độ, an toàn
cho các phản ứng tỏa nhiệt (exothermic reactions).
4. Sự tuần hoàn hạt rắn giữa 2 buồng sôi làm cho thiết bị dễ dàng thải ra một lượng nhiệt
sinh ra trong phản ứng.
5. Phù hợp cho các hoạt động máy lớn
6. Sự truyền nhiệt và truyền khối giữa khí và hạt lớn hơn nhiều so với các hệ thống khác
7. Nếu sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên trong lớp hạt thì yêu cầu diện tích trao đổi nhiệt
của thiết bị nhỏ.
Khuyết điểm:
1. Buồng tầng sôi bong bóng với hạt mịn khó mô tả dòng chảy của khí, sự tiếp xúc khí hạt chưa tốt. Điều này đặc biệt nghiêm trọng khi yêu cầu sự chuyển đổi cao của chất

phản ứng khí.

Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM


Bài giảng Quá trình cơ học

5

2. Sự trộn nhanh hạt rắn làm cho thời gian lưu của hạt trong buồng phản ứng không đều:


Với các xử lý chất rắn dòng liên tục, điều này làm cho sản phẩm không đều (Ví dụ:
phủ bề mặt hạt,...)



Với các phản ứng xúc tác, sự di chuyển của các hạt xúc tác xốp đồng thời với việc
bắt giữ và phóng thích các phân tử khí phản ứng làm trộn ngược trở lại các chất
phản ứng khí và cuối cùng giảm năng suất.

3. Vật rắn dễ vỡ sẽ bị nghiền vụn
4. Sự mài mòn buồng phản ứng do ma sát của hạt
5. Trong các hoạt động không xúc tác ở nhiệt độ cao, quá trình kết tụ hạt mịn làm cho yêu
cầu nhiệt độ phản ứng giảm xuống kết quả là tốc độ phản ứng giảm.
4.4 Các đặc tính cơ bản của 1 hệ thống sôi:
4.4.1 Đặc tính hạt:

a/ Đường kính hạt: Với hạt không có dạng hình cầu, đường kính hạt tương đương :
d tđ  3

6V



(4-1)

Với V là thể tích của hạt
b/ Độ cầu: Độ cầu của 1 hạt là tỉ số giữa diện tích bề mặt hình cầu và bề mặt có
cùng thể tích
S 

d tđ2
Sh

(4-2)

Với Sh là diện tích bề mặt hạt
Với định nghĩa này,  s  1 cho hình cầu, và 0  s  1 cho tất cả các hình dạng khác.
Số liệu độ cầu xem Bảng 4-1
c/ Đường kính hiệu quả
Đường kính hiệu quả của hạt là đường kính de để sao cho lớp hạt có đường kính de
này sẽ có tổng diện tích bề mặt và độ nồng rỗng  bằng với lớp hạt đang 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 môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM

(a)
(a)


Bài giảng Q trình cơ 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)

6

d/ Diện tích bề mặt riêng:

Diện tích bề mặt riêng của hạt
a' 

diện tích bề mặt 1 hạt d tđ2 /  S
6


3
thể tích 1 hạt
 d tđ 6  S .d tđ

[m-1]

(4-4a)

Diện tích bề mặt riêng tồn lớp hạt:
a

tổng diện tích bề mặt hạt 61   

tổng thể tích hạt
 S .d tđ

[m-1]

(4-4b)

Nếu hạt lọt qua sàn có đường kính lỗ d1 và bị chắn bởi sàn có đường kính lỗ d2 thì
kích thước sàn của hạt là dp=(d1+d2)/2
Do khơng có quan hệ giữa de và dp, chúng ta có thể dùng các quan hệ dưới đây khi
khơng có thực nghiệm:
Với hạt khơng phải hình cầu, khơng có chiều q dài hoặc q ngắn:
d e  S .d tđ  S .d p

(4-5a)

Với hạt khơng hình cầu, có 1 chiều dài hơn nhưng tỉ lệ chiều dài/ chiều ngắn <2:1
(ví dụ quả trứng gà, …)
d e  S d tđ  d p

(4-5b)

Với hạt khơng hình cầu, hình dạng bất kỳ phải dựa vào thực nghiệm
e/ Tổn thất áp suất qua lớp hạt cố định khi kích thước hạt đồng nhất:

Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ mơn Cơng Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM


Bài giảng Quá trình cơ học

7

Quan hệ độ cầu (  S ) và độ rỗng (  0 ): theo tác giả Brown (1950) thì độ rỗng càng

giảm khi độ cầu tăng.
Bảng 4-2:
S

1

0,8

0,6

0,4

0,2

0

0,36

0,43

0,54

0,70

0,88

Tổn thất áp suất ma sát qua lớp hạt bề dày L có kích thước hạt đồng nhất tương ứng
kích thước sàn của hạt dp được tính theo phương trình Ergun:
2
2


Pms
1  o 
.uo
1   o  g uo
g C  150.
.
 1.75 3 .
L
 o3
 o S .d p
S .d p 2

(4-6)

Tổn thất áp suất đo được là:
Pđo  Pms 

g L
gC

(4-7)

Trong đó:
Pms: tổn thất ma sát, Pa
Pdo: tổn thất áp suất đo được qua lớp hạt , Pđo  .g.h , =khối lượng riêng chất lỏng
trong manometer (Hình 4-4)
g c  1.

kg.m

= hệ số chuyển đổi
N .S 2

Pdo

 = độ nhớt khí, kg/ms
Uo = vận tốc khí thổi qua lớp hạt, m/s

 g = khối lượng riêng khí, kg/m3
 o = độ rỗng khối hạt khí lớp hạt đứng yên.

Uo
Hình 4-4: Đo tổn thất
áp suất qua lớp hạt.

Trong phương trình (4-7), nếu chất lỏng đẩy qua lớp hạt thì đại lượng

g
gc

.L đáng

kể, tuy nhiên với chất khí thổi qua đại lượng này nhỏ có thể bỏ qua.
Phương trình (4-6) có sai số 25% cho hạt bình thường. Với khối hạt có độ rỗng quá
lớn (  0 > 0.6), tổn thất áp suất thực lớn hơn nhiều so với tính từ phương trình (4-6).
f/ Tổn thất áp suất qua lớp hạt cố định khi kích thước hạt không đồng nhất

Trong trường hợp này, công thức (4-6) vẫn sử dụng nhưng thay thế dp bằng đường
kính trung bình dpa của khối hạt. Đường kính trung bình tính theo sự phân bố kích
thước của khối hạt.

Ví dụ 4-1: Tính toán kích thước trung bình dpa của khối hạt dựa vào số liệu thực
nghiệm phân bố kích thước bằng ray như sau:
Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM


Bài giảng Quá trình cơ học

8

Bảng 4-3a:
Khối lượng tích lũy của mẫu

Có đường kính hạt nhỏ hơn dp (m )

0

50

60

75

150

100

270

125

330

150

360

175

Giải: Sắp xếp số liệu và tính như 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
2

75 -100

=0,01021

Do đó: dpa 

1
1

 98m
 ( x / dp)i 0,01021

4.4.2 Vận tốc sôi tối thiểu,Um

Khi có dòng khí thổi qua lớp hạt, sự sôi xảy ra nếu:
(lực cản dòng khí đi lên)= (khối lượng hạt)

(4-8)

Do vậy ta có điều kiện sôi tối thiểu là:
Pb
g
 1   m  S   g 
Lm
gC

(4-9)

Trong đó,
 S = là khối lượng riêng hạt, kg/m3.

g = 9,81 m/s2
Pb = là tổn thất áp suất qua lớp hạt đang sôi, Pa
Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM


Bài giảng Quá trình cơ học

9

Lm = là độ cao lớp hạt ở chế độ sôi tối thiểu, m
 m = là độ rỗng khối hạt ở chế độ sôi tối thiểu
Bảng 4-4: Độ rỗng ở chế độ sôi 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 sôi tối thiểu tìm được bằng kết hợp giữa (4-9) và (4-6)
 .d .U
Đặt Re m  g p m

1.75

Ta có:

 s
3
m

Ar 

,

. Re 2m 

1501   m 

 m3  s2

. Re m  Ar

d 3p  g  s   g g

2

(4-10)

Giải phương trình bậc 2 (4-10) và tìm Rem, từ đó tính Um. Khi hạt rất nhỏ, phương
trình (4-10) được đơn giản hóa thành phương trình (4-11) dưới đây (áp dụng khi
Rem <20)
d p2  s   g g  m3 . s2
Um 
.
150
1 m

(4-11)

Với hạt kích thước rất lớn, dùng phương trình sau (áp dụng khi Rem >1000)
U m2 

d p  s   g g
1.75 g

. m3  s

(4-12)

Với hạt không có một kích thước quá dài hoặc ngắn so với các hạt kích thước còn
lại, có thể tính Um gần đúng khi không biết  m và/ hoặc  s như sau:
Đặt k1 

1.75

 

3
m s

k2 

và

1501   m 
 m3 . s2

Tác giả Chitester và ctv. (1984) sử dụng quan hệ
được:



Re m  28,7 2  0,0494 Ar



1

2

 28,7 (4-13)

Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM

k2

1
 28,7 và
 0,0494 tìm
2 k1
k


Bi ging Quỏ trỡnh c hc

Vi ht rt mn, Wen v Yci (1966) s dng quan h

10

k2
1
33,7 v 0,0408 tỡm
2 k1
k

c:



Re m 33,7 2 0,0408 Ar



1

2

33,7

(4-14)

4.4.3 th quan h vn tc khớ v tn tht ỏp sut

Vi ht kớch thc u: quan h nh hỡnh (4-5a) v vi ht kớch thc khụng u
quan h nh hỡnh (4-5b)
P(Pa)

lụựp haùt coỏ ủũnh

lụựp haùt tang soõi

Pmax

Umin

Uo (m/s)

Hỡnh 4-5a: Tng quan gia tn tht ỏp sut v vn tc khớ qua lp
ht khi kớch thc ht ng u

P (Pa)

lụựp haùt coỏ ủũnh

lụựp haùt tang soõi

Pmax

Umin

Uo (m/s)

Hỡnh 4-5b: Tng quan gia tn tht ỏp sut v vn tc khớ qua lp
ht khi kớch thc ht khụng ng u

Biờn son: TS Trng Vnh, B mụn Cụng Ngh Húa Hc HNL TP HCM


Bài giảng Quá trình cơ học

11

Ví dụ 4-2: Tính toán vận tốc tối thiểu buồng tầng sôi của hạt cát.
Cho độ rổng lớp hạt m = 0,55. Không khí thổi qua lớp hạt có g = 0,0012 g/cm3,
=0,00018 g/cm.s
Hạt cát: hình thù không 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 <20

0,00018

Nên phương trình (4-11) là phù hợp. So với số liệu thực nghiệm giá trị này chính xác.

Khi không biết m hay s, ta thử dùng phương trình (4-13) và có kết quả: Um=3,10 cm/s,
thấp hơn giá trị thực nghiệm 22%.
4.4.4 Phân loại hạt theo Gel Dart
GelDart phân hạt ra 4 lớp:
Nhóm C: hạt dính, kích thước rất nhỏ. Rất khó tạo sự sôi bình thường. Ví dụ: bột mì, tinh
bột, …
Nhóm A: hạt có kích thước trung bình nhỏ, khối lượng riêng nhỏ ( <1,4 g/cm3)
hạt loại màu: dễ đạt lớp sôi với bong bóng nhỏ, dễ điều chỉnh và kiểm soát vận tốc gió.
Ví dụ: chất xúc tác FCC thuộc loại này.
Nhóm B: giống cát, có kích thước 40 m< dpa < 500 m và khối lượng riêng 1,4 < S < 4
g/cm3. Loại này cũng dễ tạo lớp sôi với bong bóng lớn.
Nhóm D: Hạt có kích thước và khối lượng riêng lớn, có khả năng tạo cột hạt. Lớp dày loại
hạt này khó tạo lớp sôi.
Ví dụ: các loại hạt sấy, cà fê rang, than dùng khí hóa, các loại hạt kim loại thuộc nhóm
này.
4.5. Thiết kế hệ thống tầng sôi
Một hệ thống tầng sôi bao gồm:
Buồng sôi
Vùng sôi
Vùng tự do
Sàn phân phối khí
Trục cuốn cung cấp hạt
Bộ phận tháo liệu
Hệ thống thu bục

Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM


Bài giảng Quá trình cơ học

12

Dụng cụ đo lường
Bộ phận cung cấp khí (Quạt)
Hình 70-75 mô tả sự sắp xếp các thành phần của một hệ thống tầng sôi
1. Buồng sôi: Chiều cao buồng sôi phụ thuộc vào
-

Thời gian tiếp xúc khí hạt

-

Tỉ số bề dày lớp hạt và đường kính buồng sôi

-

Không gian cho thiết bị trao đổi nhiệt bên trong

-

Thời gian lưu của vật rắn

Thường 0,3 m < chiều cao buồng sôi < 15 m
Sàn phân phối khi có ảnh hưởng quan trọng đến sự hoạt động của lớp sôi, thường có dạng
sàn đục lỗ tròn, hoặc dạng thanh
2. Các bộ phận khác: có liên quan đến chất lượng làm việc của hệ thống.
4.6 Áp dụng (Xem tài liệu Chương 2 tác giả Kunii)
Kỹ thuật tầng sôi được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Các ứng dụng có thể
liệt kê như sau:

Hệ thống phản ứng hóa học
Có xúc tác
Không có xúc tác
1. Đồng nhất
2. Không đồng nhất

Tiếp xúc vật lý
Truyền nhiệt
1. Giữa khí và hạt
2. Kiểm soát nhiệt độ
3. Giữa các điểm trong buồng
Trộn hạt rắn
Trộn khí
Sấy
1. Vật rắn
2. Sấy khí
Tăng kích thước hạt (ví dụ: vo viên phân bón, …)
Giảm kích thước hạt
Phân loại

Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM


Bài giảng Quá trình cơ học

1. Tách hạt nhỏ từ vật rắn
2. Tách hạt nhỏ từ khí
Hút nhả ẩm
Xử lý nhiệt
Phủ bề mặt hạt

Biên soạn: TS Trương Vĩnh, Bộ môn Công Nghệ Hóa Học ĐHNL TP HCM

13