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

BÁO CÁO THỰC HÀNH TIN HỌC:

ỨNG DỤNG
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG PRO/II CHO
THIẾT BỊ KẾT TINH (CRYSTALLIZER)
Copyright © Wondershare Software


GVHD: Trịnh Hoài Thanh
SVTH: Nguyễn Quốc Duy
Lâm Minh Hiếu
Nguyễn Hữu Hiếu
Bùi Nguyễn Hoài Nam
Nguyễn Phạm Trúc Nguyên
Lê Trần Thùy Trâm
Lê Hồng Vân

60600342
60600680
60600687
60601514
60601629
60503065
60602948

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÍ TÍNH TOÁN:
1.

Khái quát về 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.

•

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÍ TÍNH TOÁN:
1.

Khái quát về thiết bị 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.
Thiết bị: dựa trên nguyên lý bốc hơi hay làm
lạnh dung dịch.

•

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÍ TÍNH TOÁN:
1.

Khái quát về thiết bị kết tinh:

•

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.

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÍ TÍNH TOÁN:
Sơ đồ nguyên lý
Sản phẩm đỉnh

Dòng nhập liệu

TB
TĐN

TB
KẾT TINH

Sản
phẩm
đáy

Dòng hoàn lưu

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÍ TÍNH TOÁN:
2.

Động học trong quá trình kết tinh và phương trình cân bằng mật độ:

• Tốc độ tăng trưởng của tinh thể:

G

= k G.S

a

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

S :độ quá bão hoà,
− Xsolute
X
solute
S=
CB

X

X

solute

solute

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

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÍ TÍNH TOÁN:
2.

Động học trong quá trình kết tinh và phương trình cân bằng mật độ:

• Tốc độ tạo mầm tinh thể:
x

y

z

t

B = k . M . S .G . n
0

B

T

Với:
Bo : tốc độ tạo mầm tinh thể, số hạt/s.m3
kB : hằng số tốc độ tạo mầm tinh thể (thường có giá trị khoảng 5E+25)
MT : tỉ trọng của dung dịch magma, kg tinh thể/m3 dung dịch magma
n : tốc độ khuấy, vòng/phút
x, y, z, t là các hệ số mũ

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÍ TÍNH TOÁN:
2.

Động học trong quá trình kết tinh và phương trình cân bằng mật độ:

• Tốc độ tạo mầm tinh thể:
Giá trị MT được tính như sau:

M

T

= 6ρ

c

k n (Gτ )
v

4

o

Với:
c : khối lượng riêng của tinh thể, kg/m3
kv : hệ số hình dạng tinh thể (kv=1 với tinh thể khối lập phương, kv=
/6 với tinh thể hình cầu)
no : mật độ mầm tinh thể, số mầm tinh thể/m3 dung dịch magma
 : thời gian lưu, =V/q
V : thể tích làm việc của thiết bị kết tinh, m3
q : vận tốc thể tích của dòng sản phẩm đáy, m3/s

Copyright © Wondershare Software

I. NGUYÊN LÍ TÍNH TOÁN:
3.

Các phương trình cân bằng:

• Cân bằng vật chất:

F =E +B

o Dòng tổng:

F: lưu lượng khối lượng dòng nhập liệu, (kg/s)
E: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đỉnh, (kg/s)
B: lưu lượng khối lượng dòng sản phẩm đáy, (kg/s)
o Thành phần:
Chất tan:

F

solute

= E solute + B solute

Dung môi:

F

solvent

=

E

solvent

+ B solvent

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN
3. Các phương trình cân bằng:
o Đối với chất tan các giá trị Fsolute, Bsolute, Esolute được tính toán như sau:
liq

c

F solute = F solute + PF
liq
: lưu lượng
F solute 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
c

P

F

B

=B

liq

+P

c

solute
: lưu lượng khối lượng của
chất tansolute
trong dòng lỏng sản phẩm đáy, kg/s
: lưu lượng khối lượng của chất tan ở dang tinh thể trong dòng sản phẩm đáy,
liq
kg/s
Bsolute

P

c

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN
3. Các phương trình cân bằng:
o Đối với chất tan các giá trị Fsolute, Bsolute, Esolute được tính toán như sau:

E solute = Y solute (

E
M

vapor

) M solute

Msolute : khối lượng phân tử của chất tan, kg/kgmol
Mvapor : khối lượng phân tử của sản phẩm đỉnh, kg/kgmol
E
: lưu lượng của dòng sản phẩm đỉnh, kg/sec
Ysolute : phần mole của chất tan trong dòng sản phẩm đỉnh

Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN
3. Các phương trình cân bằng:
• Cân bằng năng lượng:
Năng suất nhiệt = Enthalpy(sản phẩm) - Enthalpy(nhập liệu)

• Cân bằng pha:
o Lỏng – hơi:

X

CB
solute

=

f

1

(t )

Xsolute(CB) : phần mole của chất tan trong dung dịch tại nhiệt độ kết tinh.
o Lỏng – hơi:

Y

i

=

f (X )
2

i

Yi _ phần mol pha hơi của cấu tử i
Xi _ phần mol pha lỏng của cấu tử i
Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN
3. Tính toán khối lượng tinh thể kết tinh:

• Quá trình kết tinh không tiến hành đến cùng
thì dùng công thức xác định khối lượng các
tinh thể thô:

G

(x
G
=
d

kt

d

− xc ) + W

x −x
t

x

c

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 dịch cái 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.
Copyright © Wondershare Software


I. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN
3. Tính toán khối lượng tinh thể kết tinh:
• Quá trình kết tinh không kèm theo sự bốc hơi
của dung môi:
(x − x )
G
G =
x −x
d

d

c

kt

t

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).
Copyright © Wondershare Software


II. ỨNG DỤNG:
Ở cửa sổ chính, ta thấy có các cửa sổ con như:

•Calculation Mode:
•Growth and Nucleation Rates:
•Operating Conditions:
•Products:…

Copyright © Wondershare Software


II. ỨNG DỤNG:

Copyright © Wondershare Software


II. ỨNG DỤNG:
Đối với thiết bị kết tinh, có 2 ứng dụng lớn được thể hiện
trong chế độ tính toán: Rating (Đánh giá) và Design (Thiết
kế).

• Trong chế độ Design: một thông số được đòi

hỏi và thể tích thiết bị sẽ được tính toán.
• Trong chế độ Rating: thể tích thiết bị được
định nghĩa để tính các thông số (ngược với
Design ): giá trị thể tích nhập là giá trị thể tích
của thiết bị đã có sẵn trong thực tế.
Copyright © Wondershare Software


II. ỨNG DỤNG:

Copyright © Wondershare Software


II. ỨNG DỤNG:

Tốc độ phát triển và tạo mầm tinh thể
Copyright © Wondershare Software


II. ỨNG DỤNG:

Điều kiện vận hành
Copyright © Wondershare Software


III. VÍ DỤ:
Bài toán 1: Hãy xác định nhiệt lượng phải thoát đi từ một TBKT
liên tục được làm lạnh từ 900C xuống 400C để kết tinh dung dịch
KI nồng độ đầu (ở 900C) là 12 mol KI trên 1000g nước, nhập liệu
với lưu lượng 5000kg/h. Cho biết trong quá trình kết tinh lượng

nước bốc hơi khoảng 3% khối lượng dung dịch ban đầu và tinh
thể thu được có độ ẩm khoảng 5% khối lượng.
Giải:
Tính nồng độ phân mole của KI trong dung dịch ban đầu:
xđ =

12
= 0.1776
1000
+ 12
18

Tính các nồng độ % khối lượng:
Đầu:
12 × 166
xđ =
= 0.6658
1000 + 12 × 166
Cuối:

xc = 0.615
xt = 1 − 0.05 = 0.95
Copyright © Wondershare Software


III. VÍ DỤ:
Khối lượng tinh thể thô thu được sau khi kết tinh (trước khi sấy)
là:
Gđ ( xđ − xc ) − Wxc 5000(0.6658 − 0.615) + 0.03 × 5000 × 0.615
GKt =

xt − xc

=

3600(0.95 − 0.615)

= 0.287(kg / s) = 1033.2(kg / h)

Hàm lượng KI khan dạng tinh thể thu hồi được là:

G B = (1 − 0.05) × G Kt = 0.95 × 0.287 = 0.27265( kg / s ) = 981.54( kg / h)

Tỉ lệ thu hồi KI là : G
ηB = B =
G Bo

0.27365
= 0.295
5000
× 0.6658
3600

Copyright © Wondershare Software


III. VÍ DỤ:
Nhiệt lượng cần phải thoát đi tính theo công thức sau (bỏ qua sự tỏa
nhiệt tự nhiên ra môi trường xung quanh:

Q = G d C (t1 − t 2 ) + G B .q − W × r
Kết quả:
5000
44891 × 10 3 0.03 × 5000 × 2345.10 3
Q=
× 1702.425 × ( 90 − 40 ) + 0.27265 ×
−
3600
166
3600
= 94247.7(W ) = 94.25kW

Copyright © Wondershare Software


III. VÍ DỤ:
Bài toán 2: Tính toán bề mặt truyền nhiệt cần thiết để làm lạnh và
lượng nước phải dùng. Cho biết hệ số truyền nhiệt
k=100W/m2.độ. Nước vào vỏ áo của TBKT có nhiệt độ ban đầu là
300C.
Giải:
Ta chọn sơ đồ nước làm nguội ngược chiều, bố trí bề mặt truyền nhiệt
dạng vỏ áo (nồi hai vỏ) quanh TBKT. Biến thiên nhiệt độ nước cho phép
là 50C.
Sơ đồ:

900 C → 400 C ∆t ' = 10 0 C
 0
35 C ← 30 0 C ∆t '' = 550 C

Copyright © Wondershare Software