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

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 trong CNHH&TP
Đề tài:

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

GVHD:
Lớp:
Nhóm:
Buổi TN:

Thầy Trịnh Hoài Thanh
HC06TP
9
Chiều thứ 7, tiết 9 – 10


Tháng 12/2009


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 trong CNHH&TP

ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH MÔ
PHỎNG PRO/II CHO THIẾT
KẾ VÀ 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 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 PRO/II cho ví dụ ở trên-----------------------16
3.2.1. Khởi động PRO/II-------------------------------------------------------------16
3.3. Báo cáo của PRO/II 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 Pro/II của một số thông số----------------------------------------30
3.4.1. Chế độ Design-----------------------------------------------------------------30
3.4.2. Chế độ Rating------------------------------------------------------------------ 30


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

I NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CỦA THIẾT BỊ KẾT TINH
I.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 Na 2SO4, 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

2


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

khỏi magma). Cả 2 quá trình kết tinh và làm quá bão hòa cùng xảy ra khi có mặt
các tinh thể.
 Số lượng tinh thể hình thành phụ thuộc vào thời gian lưu và được xác định bởi
các phương trình động học. Tinh thể được hình thành từ dung dịch quá bão hoà
thông qua các quá trình: tạo mầm tinh thể và tăng trưởng của các mầm tinh thể.
Động lực chính của 2 quá trình trên là độ quá bão hoà của dung dịch. Ngoài ra,
một số yếu tố cơ học cũng ảnh hưởng đến 2 quá trính đó như tốc độ khuấy trộn
trong thiết bị, mật độ tinh thể…
 Hiệu ứng nhiệt của quá trình kết tinh tìm được từ giá trị nhiệt nóng chảy của
cấu tử chất tan. Yếu tố này cùng với enthalpy của dòng nhập liệu và dòng sản

phẩm sẽ xác định năng suất nhiệt làm nóng/ làm lạnh cần thiết cho thiết bị kết
tinh. Và nhiệt này thường được cung cấp bởi thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài.
Dòng nhập liệu và dòng hoàn lưu sẽ cùng đi qua thiết bị trao đổi nhiệt rồi mới
đến thiết bị kết tinh. Trường hợp không sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên ngoài
thì ta sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt bên trong.

Sơ đồ nguyên lý
Sản phẩm đỉnh

Dòng nhập liệu
Thiết bị
trao đổi
nhiệt

Thiết bị
kết tinh
Sản phẩm đáy

Dòng hoàn lưu
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị kết tinh
Hầu hết các thiết bị kết tinh đều có trang bị các loại cánh khuấy thích hợp để tăng
tốc độ tăng trưởng của tinh thể, đồng thời tránh sự phân lớp của dung dịch quá bão hoà
và để giữ cho các tinh thể phân bố đều trong huyền phù ở vùng kết tinh.
Để phục vụ cho các tính toán định lượng cho quá trình kết tinh, ta phải tiến hành
xét một quá trình kết tinh lý tưởng gọi là quá trình kết tinh sản phẩm trộn – huyền phù
trộn (Mixed-suspension mixed-product crystallization).

I.2. Động học trong quá trình kết tinh và phương trình cân bằng mật độ

3

Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

I.2.1. Tốc độ tăng trưởng của tinh thể
(thường nằm trong khoảng từ 2 10  7 2 10  8 m / s )

k G . S

G

a

Với:
G: tốc độ tăng trưởng của tinh thể, m/s
kG:hằng số tốc độ tăng trưởng, m/s

X
S: độ quá bão hoà, S 


solute

X

CB

X

solute

CB

solute

X : phần mole của chất tan trong dung dịch quá bão hoà
CB
X solute : phần mole của chất tan trong dung dịch bão hoà tại nhiệt độ kết tinh.
solute

I.2.2. Tốc độ tạo mầm tinh thể
(thường có giá trị khoảng 5 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: hằng số tốc độ tạo mầm tinh thể
MT: tỉ trọng của dung dịch magma, kg tinh thể/m3 dung dịch magma

M

T

6 

4

c

k n (G )
v

o

Trong đó:
 c : khối lượng riêng của 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 của thiết bị kết tinh, m3 ;
q: vận tốc thể tích của dòng sản phẩm đáy, m3/s
n: tốc độ khuấy, vòng/phút
x, y, z, t là các hệ số mũ

I.2.3. Mật độ mầm tinh thể

4

k

v

 / 6 với tinh thể


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

n

0



Crystallizer

B
G

0

Với:
no: mật độ mầm tinh thể, số mầm tinh thể/m3 dung dịch magma.
 : phần thể tích lỏng trong dung dịch magma, m3 lỏng/m3 dung dịch magma.

I.2.4. Phương trình cân bằng mật độ
Do sự phân bố kích thước phân tử của tinh thể gián đoạn, mật độ n(r) có thể biểu
diễn bằng biểu đồ với n phân đoạn và rk là kích thước phân tử trung bình của phân
đoạn thứ k. Ví dụ cụ thể được trình bày trong hình.

Hình 2: Sự phân bố kích thước phân tử của tinh thể.
Thiết lập cân bằng mật độ tinh thể trong thiết bị kết tinh:

q f n f  qn GV

dn
dr

Với:
q: tốc độ thể tích của sản phẩm đáy, m3/s
qf: tốc độ thể tích nhập liệu, m3/s
V: thể tích vận hành của thiết bị kết tinh, m3
r: chiều dài đặc trưng của tinh thể


V

: thời gian lưu được định nghĩa như sau:
q

5


Thực hành Tin học trong 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 không chứa rắn:

 Mật độ magma:

rc: khối lượng riêng của 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

6


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

I.2.5. Phương trình cân bằng vật chất, cân bằng nhiệt lượng và cân bằng
pha
Phương trình cân bằng vật chất
Trong dòng tổng:

F

E  B

Với:
F: lưu lượng khối lượng dòng nhập liệu, kg/s
E: lưu lượng khối lượng của dòng sản phẩm đỉnh, kg/s
B: lưu lượng khối lượng của dòng sản phẩm đáy, kg/s
Đối với từng cấu tử thành phần:
Chất tan:
Dung môi:
Chất trơ:

F E  B
F E  B
F E B
solute

solute

solvent

solvent

i
i
Cân bằng lỏng_rắn của chất tan:

solute

i

solvent

i = 1, 2,…N

liq

c

F solute  F solute  PF
liq

Với:

F

liq

solute

P
B

c
F

solute

P

: lưu lượng khối lượng của chất tan trong dòng lỏng nhập liệu, kg/s

: lưu lượng khối lượng của chất tan ở dạng tinh thể trong dòng nhập liệu, kg/s

liq

c

c

Bsolute Bsolute  P

: lưu lượng khối lượng của chất tan trong dòng lỏng sản phẩm đáy, kg/s

: lưu lượng khối lượng của chất tan ở dạng tinh thể trong dòng sản phẩm đáy,

kg/s

Cân bằng hơi của chất tan:

7


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

E solute Y solute (

E
M

vapor

Crystallizer

) M solute

Với:
Ysolute: phần mole pha hơi của chất tan
Mvapor: khối lượng phân tử của hỗn hợp sản phẩm đỉnh, kg/kgmol
Msolute: khối lượng phân tử của chất tan, kg/kgmol

Phương trình cân bằng nhiệt lượng
Năng suất nhiệt = Enthalpy (sản phẩm)- Enthalpy (nhập liệu)

Phương trình cân bằng pha
Cân bằng lỏng-rắn:

X

X

CB
solute

CB
solute

 f (t )
1

: phần mole cân bằng của chất tan trong dung dịch bão hoà tại nhiệt độ kết tinh

Cân bằng lỏng-hơi:

Y

i

 f ( X i)
2

Với:
Yi: phần mol pha hơi của cấu tử i
Xi: phần mol pha lỏng của cấu tử i
Tính toán khối lượng tinh thể kết tinh:
Thông thường , trong các trường hợp quá trình kết tinh không tiến hành đến cùng
thì dùng công thức xác định khối lượng các tinh thể thô là :

(x  x ) W x

G
G 
xx
d

d

c

c

kt

t

c

Với:
Gkt: khối lượng các tinh thể thô, kg.
xd: phần khối lượng của chất tan trong dung dịch đầu
xc: phần khối lượng của chất tan trong dung dịch còn lại sau khi kết tinh.
Gd: khối lượng dung dịch đầu, kg.
W: khối lượng dung môi bốc hơi, kg.
xt: phần khối lượng của chất tan trong tinh thể thô.

8


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

Nếu quá trình kết tinh không kèm theo sự bốc hơi của dung môi thì ta áp dụng
công thức:

G
G kt  d

( xd 

xx
t

x)
c

c

Lưu ý:
 Tinh thể khan là tinh thể của chất tan thuần tuý ( như NaNO3, KCl, CaCl2….).
 Tinh thể “thô” là tinh thể có chứa chất tan khan kèm theo một số lượng nhất định
dung môi (như MgSO4.7H2O – lượng nước này được gọi là độ ẩm trong của tinh
thể) và một phần dung môi tự do (lượng dung môi này có thể hiểu như là những hạt
nước nhỏ li ti bám vào xung quanh hạt tinh thể – lượng nước này được gọi là độ
ẩm ngoài của tinh thể). Cả 2 lượng dung môi này đều có thể được tách ra hoàn toàn
thông quá các quá trình sấy và nung.Khi đó , ta mới có x t = 1 còn thông thường xt <
1
Ví dụ: Hàm ẩm của MgSO4.7H2O là 3%. Như vậy, việc tính toán x t (hay hàm lượng
MgSO4 tinh khiết trong tinh thể thô) sẽ làm như sau:
120 (1  0.03)

xt 
246

Trong đó:
Khối lượng phân tử của MgSO4 =120 và khối lượng của MgSO4.7H2O=246

9


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

10


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

11


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

12

Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

13


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

14


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

Q1 k1 F1 t log i 100 3 26.4 7920W

Phần nhiệt lượng sẽ phải do ống xoắn mang đi 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 2
k 2 t log 2 500 26.4

Quy trỉnh xây dựng mô phỏng PRO/II cho ví dụ ở trên

III.2.1. Khởi động PRO/II

Click OK sau đó chọn File\New hoặc chọn biểu tượng

15

trên màn hình.


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

Bước 1: Tạo dựng bản sơ đồ như sau, trong khung PFD ta chọn thiết bị kết tinh
(Crystallizer) và vẽ dòng sản phẩm cho thiết bị như hình:

16


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

Bước 2: Vào Input\Component Selection hay click vào biểu tượng

để khai

báo các cấu tử:
 Hệ của ta sẽ gồm có 2 cấu tử đó là KI và nước (H 2O). Nhấn vào hộp thoại Select
from Lists để chọn cấu tử. Sau khi chọn hệ các cấu tử, ta click vào hộp thoại Add
components và click OK.

17


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

18


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

19


Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

20

Thực hành Tin học trong CNHH&TP

Crystallizer

21