mixer và splitter trong pro II Splitter tách hỗn hợp

Phần 1:

Lý thuyết


I. Mixer
Mixer kết hợp hai hay nhiều dòng vào một dòng sản phẩm duy nhất. Áp lực
ngõ ra có thể được điều khiển theo ý muốn.
Áp suất đầu vào được giả định là áp suất nhỏ nhất của dòng nhập liệu. Pro/II
sẽ tự động tính nhiệt độ, áp suất, trạng thái pha cho từng dòng sản phẩm
Phương trình cân bằng vật chất cho 1 cấu tử

Trong đó:
Fi: Lưu lượng dòng nhập liệu thứ i
Zi: Thành phần cấu tử trong dòng nhập liệu thứ i
Fo: lưu lương dòng sản phẩm
Zo: thành phần cấu tử trong dòng sản phẩm
Nguyên lý:
- Khuấy trộn là quá trình cung cấp năng lượng để tạo ra một dòng chảy
thích hợp trong thiết bị nhằm làm giảm sự không đồng nhất trong
chất lỏng. Đó là sự chênh lệch về nồng độ, độ nhớt, nhiệt độ ở những
điểm khác nhau trong lòng chất lỏng.
- Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường được ứng dụng rộng rãi
trong các ngành công nghiệp hoá chất, thực phẩm để tạo dung dịch
huyền phù, nhũ tương, để làm tăng cường quá trình truyền nhiệt,
truyền khối phản ứng hoá học..
- Người ta có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí, bằng khí nén (sục
khí) hoặc tuần hoàn chất lỏng.


Thiết bị phản ứng trộn lý tưởng

• Có 3 cách vận hành : liên tục (ổn định) , gián đoạn và bán liên tục.

• Được đặc trưng bằng quá trình trộn là hoàn toàn, do đó hỗn hợp phản ứng
đồng nhất về nhiệt độ và thành phần trong tất cả các phần của thiết bị và
giống dòng ra của sản phẩm. Điều này có ý nghĩa là phân tố thể tích ΔV
trong các phương trình cân bằng có thể được lấy là thể tích V của toàn thiết
bị.
• Người ta giả thiết rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng, nồng độ của tác
chất giảm một cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn
thể tích của thiết bị và nồng độ của dòng sản phẩm ra. Ta có thể biểu diễn sự
thay đổi nồng độ của tác chất từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường
gấp khúc như sau :


Thiết bị phản ứng trộn hoạt động ổn định :
• Xét trường hợp đơn giản chỉ có một dòng nhập liệu và một dòng sản phẩm
và tính chất của các dòng này không thay đổi theo thời gian, như vậy :
 Hai số hạng đầu trong phương trình cân bằng là không đổi : Lượng
tác chất nhập vào thể tích V của thiết bị phản ứng là F Ao(1-xAo).Δt và
lượng tác chất ra khỏi thiết bị phản ứng là FAo(1-xAf).Δt ;
 Vì hỗn hợp phản ứng trong bình có nhiệt độ và thành phần đồng nhất,
nên vận tốc phản ứng là không đổi và được xác định với nhiệt độ và
thành phần của dòng sản phẩm và bằng (-rA ).V.Δt ;
 Vì thiết bị phản ứng hoạt động liên tục và ổn định nên không có sự
tích tụ tác chất trong thiết bị, vì vậy số hạng thứ tư bằng 0 ;
• Vậy phương trình vật chất viết cho thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động
ổn định trong khoảng thời gian Δt là :
FAo(1-xAo).Δt − FAo (1-xAf).Δt − (-rA ).V.Δt = 0
Hay :
trong đó : xAo và xAf - Độ chuyển hóa của tác chất trước khi vào thiết bị và

sau khi ra khỏi thiết bị ;
v - lưu lượng của dòng nguyên liệu (l/h)
Nếu dòng nguyên liệu chứa cấu tử A hoàn toàn chưa chuyển hóa, nghĩa là x Ao
= 0 thì :

II. Splitter
Splitter được sử dụng để tách một hay hỗn hợp dòng đầu vào thành hai hay
nhiều hơn dòng sản phẩm đồng nhất về thành phần và pha.


Phương trình cân bằng vật chất cho 1 cấu tử

Trong đó:
Fi: Lưu lượng dòng nhập liệu thứ i
Zi: Thành phần cấu tử trong dòng nhập liệu thứ i
Fj: lưu lương dòng sản phẩm thứ j
Zj: thành phần cấu tử trong dòng sản phẩm thứ j
Áp suất dòng ra có thể thiết lập theo ý muốn, nhiệt độ và pha dòng ra được
xác định bằng 1 flash đoạn nhiệt.
Với N dòng sản phẩm, splitter đòi hỏi phải khai báo đặc tính của N-1 dòng
sản phẩm. Mỗi dòng sản phẩm ( ngoại trừ một dòng không cần khai báo)
phải được khai báo lưu lượng của dòng đó. Dòng sản phẩm còn lại sẽ được
tính dựa vào lượng nhập liệu và lượng của N-1dòng sản phẩm khai báo.


Phần 2:

Ứng dụng

I. Ứng dụng của mixer trong Pro/II
Khi sử dụng quá trình có sử dụng thiết bị khuấy trộn chỉ có thể đơn giản là
quá trình khuấy trộn 2 hay nhiều dòng nhập liệu nào đó. Mixer kết hợp hai
hay nhiều dòng vào một dòng sản phẩm duy nhất. Áp lực ngõ ra có thể được
điều khiển theo ý muốn. Nhiệt độ đầu ra và điều kiện pha luôn được xác định
bởi adiabatic flash từ điều kiện nhập liệu.

Trong thiết bị khuấy trộn thì chúng ta chỉ cần cài đặt thông số áp suất tổn
thất ở option Pressure Drop (thông thường ta giữ nguyên giá trị mặc định là
0) hay áp suất đầu ra ở option outlet Pressure.
Khi cài đặt thông số độ tổn thất áp suất hay áp suất đầu ra thì chúng ta có thể
thay đổi đơn vị bằng cách chọn thẻ tab UOM


Hệ thống nhiệt động trong option thermodynamic System không lựa chọn
trong thiết bị mixer mà được để ở chế độ mặc định.
Hệ thống nhiệt động của những phương pháp được sử dụng cho những tính
toán máy trộn được có thể lựa chọn bằng việc chọn một phương pháp từ hộp
danh sách xuống hệ thống nhiệt động trên cửa sổ mục vào dữ liệu chính máy
trộn.
PRO / II sẽ tự động đặt điều kiện nhiệt độ và điều kiện pha cho sản phẩm.

II. Ứng dụng của Splitter trong Pro/II
Splitter được sử dụng để tách một hay hỗn hợp dòng đầu vào thành hai hay
nhiều hơn dòng sản phẩm đồng nhất về thành phần và pha. Áp suất dòng ra
có thể được đặt nếu muốn, và một flash đoạn nhiệt được sử dụng để xác định
nhiệt độ và pha dòng ra. Có những tùy chọn sẵn được cung cấp dành cho các
dòng đầu vào không đầy đủ để thỏa mãn các tỉ lệ đầu ra xác định.

a) Hệ thống nhiệt động học của các phương pháp sử dụng cho tính

toán splitter có thể được lựa chọn từ Thermodynamic System dropdown list box trên cửa sổ dữ liệu chính.


b) Tùy chọn cho tỉ lệ nhập liệu không đầy đủ:
Có 2 tùy chọn cho trường hợp khi dòng nhập liệu không đầy đủ để thỏa mãn
tất cả những đặc tính tỉ lệ của dòng sản phẩm. Chúng có thể được chọn bằng
những nút radio trên cửa sổ dữ liệu chính Splitter:
o Satisfy Each Specification in Order Until Feed is Exhausted: dòng
sản phẩm lúc này bị giới hạn cùng với giá trị khả dụng của nhập liệu,
và những sản phẩm còn lại được mặc định là “zero rate” (đây là tùy
chọn default)
o Satisfy Each Specification and Normalize Flowrates if Needed: tất cả
những đặc tính tỉ lệ sản phẩm đã thiết lập được thỏa mãn, và những tỉ
lệ tổng hợp được tiêu chuẩn hóa với tổng tỉ lệ nhập liệu. Sản phẩm
với tỉ lệ không xác định được đưa về “zero flow”
Nếu muốn thay đổi dòng sản phẩm trong list box, click vào nút Change
Stream Specification Order… trên cửa sổ dữ liệu chính. Có thể đặt lại vị trí
các dòng bằng cách click nút Reset Stream Specification.
c) Thiết lập dữ liệu với các dòng sản phẩm đầu ra trong Product Rate
Specification.:



Thiết lập dữ liệu cho dòng (Click vào parameter ở cửa sổ trên)
Xác định giá trị lưu lương của dòng( Click vào value)


Trong dòng sản phẩm đầu ra chúng ta có thể chọn
 All components: Tất cả các thành phần có trong dòng nhập liệu
 Selected components : Lựa chọn những thành phần có trong dòng

nhập liệu
Wet basis : thiết lập lưu lượng của 1 dòng sản phẩm mặc định để máy tính
dòng còn lại . Wet là cho dòng ở trạng thái lỏng, Dry là cho dòng ở trạng thái
rắn

Chúng ta cũng có thể chuyển đổi thứ nguyên cho dòng ra bằng cách click
chuột vào đơn vị hiện hành màu xanh ở cửa sổ cài đặt dữ liệu cho dòng sản
phẩm


d) Thay đổi giá trị sự giảm áp suất
Cũng giống như Mixer áp suất dòng ra cho các sản phẩm phân tách có thể
được thay đổi bằng việc áp dụng sự giảm áp suất cho áp suất dòng nhập liệu
thấp nhất. Giá trị này được cung cấp trong cửa sổ Pressure specification,
xuất hiện khi click vào nút Pressure specification… trên cửa sổ dữ liệu chính
Splitter.
Khi sự giảm áp suất được đáp ứng, dẫn đến kết quả điều kiện nhiệt độ và pha
của dòng ra được xác định bằng sự tính toán flash đoạn nhiệt từ tổ hợp
những điều kiện dòng vào.

Ở đây chúng ta cũng có 2 tùy chọn là độ giảm áp suất Pressure Drop( thường
chọn giá trị mặc định là 0) và áp suất đầu ra Outlet Pressure.


Phần 3:

Các ví dụ
(2 ví dụ mixer và 1 ví dụ splitter)

I. Mixer
1)Ví dụ 1:
Phối trộn cồn 40% về thể tích ở 300C với cồn 95,6% về thể tích ở 250C. Xác
định nồng độ và thể tích cồn mới khi phối trộn ?. Quá trình phối trộn được
thực hiện ở áp suất 1atm, lưu lượng 2 dòng vào lần lượt là 3000 l/h và 4500
l/h.

Bước 1: Tạo dựng bản sơ đồ quá trình gồm thiết bị và dòng

Mở một chương trình mô phỏng mới: từ File Menu  New hoặc kích chuột
trái vào biểu tượng
(New) trên thanh công cụ chuẩn Standard Tool Bar.
Kết quả ta thu được màn hình như sau:

Nếu bảng công cụ di động PFD chưa xuất hiện ta kích chuột trái vào biểu
tượng

(Show or Hide PFD Palette) trên Standard Tool Bar.


Kích chuột vào biểu tượng Mixer trên bảng công cụ di động PFD, sau đó
kích chuột lần nữa vào vị trí trên sơ đô PFD nơi ta muốn đặt thiết bị.
Kích chuột vào nút bấm Stream trên bảng công cụ di đông PFD. Thêm dòng
bằng cách kích chuột lần nữa tại điểm bắt đầu của dòng, sau đó kích chuột
lần nữa tại điểm kết thúc của dòng.


Bước 2: Xác định danh mục các chất thành phần.
Kích chuột vào biểu tượng
trên Standard Tool Bar để chọn các chất

thành phần hoặc chọn Input  Component Selection. Kết quả thu được cửa
sổ SIMSCI – Component Selection.

Nhập các chất thành phần trong quá trình vào cửa sổ Component Selection
xuất hiện trên màn hình: kích chuột vào nút bấm Select from Lists, thu được
cửa sổ Component Selection – List/Search.


Trong mục Component Family ta chọn Most Commonly Used  chọn
Ethanol.

Kích chuột vào nút bấm Add Components để di chuyển chất thành phần này
vào danh mục các chất thành phần đã chọn.
Tương tự ta chọn Water, kết quả thu được cửa sổ như sau:

Sau đó kích chuột vào nút bấm OK.


Tiếp tục kích chuột vào nút bấm OK.
Bước 3: Xác định phương pháp nhiệt động
Kích chuột vào biểu tượng giản đồ pha
trên bảng công cụ di động PFD
hoặc chọn Input  Thermodynamic Data, kết quả thu được cửa sổ:

Trong mục Category chọn Most Commonly Used. Trong mục Primary
Method chọn Peng-Robinson, sau đó kích chuột vào nút bấm Add.


Cuối cùng chọn OK.

Bước 4: Thiết lập dữ liệu đối với dòng
 Thiết lập dữ liệu cho dòng S1 (cồn 40%)
Kích đôi chuột vào nhãn nhận diện có viền đỏ S1 của dòng, xuất hiện cửa sổ


 Nhập dữ liệu về lưu lượng và thành phần của dòng
Kích chuột vào nút bấm Flowrate and Composition, chọn Total Fluid
Flowrate nhập 3000.


Chọn thứ nguyên l/h của lưu lượng dòng bằng cách kích chuột vào UOM,
chọn Lig.Vol  liter  hr.

Kích chuột vào nút bấm Change Units.
Trong mục Component Mole, nhập 40 đối với Ethanol và 60 đối với H20.
Chọn thứ nguyên phần trăm về thể tích cho thành phần của dòng bằng cách
kích chuột vào UOM, chọn Liq.Vol.  Change Units


Kết quả thu được cửa sổ như sau:

 Thiết lập nhiệt độ và áp suất dòng
Trong mục First Specification của Thermol Condition chọn Temperature,
nhập 30.


Chọn thứ nguyên 0C của nhiệt độ bằng cách kích chuột vào UOM chọn C 
Change Units

Trong mục Second Specification chọn Pressure, nhập 1

Chọn thứ nguyên atm của áp suất bằng cách kích chuột vào UOM chọn atm
 Change Units.


Kết quả thu được cửa sổ sau

 Nhập dữ liệu cho dòng S2 ( cồn 95,6 %).
Tiến hành tương tự như nhập dữ liệu cho dòng S2, chỉ thay đổi các thông số
về lưu lượng dòng, thành phần dòng và nhiệt độ dòng. Kết quả thu được như
sau: