MH thiết bị truyền khối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MÔ HÌNH HÓA–MÔ PHỎNG–TỐI ƯU HÓA

TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

TS. Nguyễn Đình Thọ
Bộ môn: Quá trình và thiết bị CN Hóa – Sinh học – Thực phẩm


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH
trinhvandung190361

5.1 Mục đích mô hình hoá
5.2 Cơ sở toán học
5.3 Mô hình thiết
ế bị thủy lực
5.4 Mô hình thiết bị truyền nhiệt
5 6 Mô hình thiết bị truyền khối
5.6
5.7 Mô hình thiết bị phản ứng

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

2


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4. Mô hình toán thiết bịị truyền
y khối
Một quá trình truyền khối khá phức tạp, bao gồm:
-Cân
Cân bằng pha
-Thủy động lực
-Truyền nhiệt
-Truyền
ề khối:
ố Cân bằng
ằ vật chất
ấ
Động lực và động học truyền khối

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

3

190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4. Mô hình toán thiết bịị truyền
y khối
d Gy   d Gx 
Cân bằng vật chất: dM  
 Gdy  Ldx
Phương trình truyền khối: dM  KF tb
Hệ số truyền nhiệt: K Y 

1
1

Y

02.03.2018
21:45



m

X

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

4


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4. Mô hình toán thiết bịị truyền
y khối

Động lực và tương ứng động học truyền khối được biểu
diễn qua:
q
-Động lực trung bình
-Số đơn vị truyền khối
-Số
ố đĩa lý thuyết
ế

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

5

190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.1 Mô hình toán cân bằngg pha
p lỏngg – hơi
Tính toán cân bằng pha lỏng – hơi được chia thành:
1) Biết thành phần lỏng, áp suất, tính: y, tS
2) Biết
ế thành phần
ầ lỏng, nhiệt độ sôi, tính: y, P
3) Biết thành áp suất, tính: x, y
4) Biết thành phần hơi,
hơi nhiệt độ,
độ tính: x
Thành phần cần bằng:
G
fi
i 
Pyi

i – hệ số fugat cấu tử i;
fi – fugat cấu tử i;
y, P – phần mol, áp suất hệ
Hệ lý tưởng:
t ở
i = 1
02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

6


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.1 Mô hình toán cân bằngg pha
p lỏngg – hơi

pi0
Tí h hệ sốố hoạt
Tính
h t độ
độ: K i   i
P
VTPR (Volume-Translated Peng-Robinson)
PSRK (Predictive Soave-Redlich-Kwong)
PSRK, SRK, PR, PR78, SRKBM, PRBM, PR78BM, LKP,
BWRS (Benedict
(Benedict-Webb-Rubin)
Webb Rubin)
LK (Lee-Kesler),
LKP (Lee-Kesler-Plocker)
(B di t W bb R bi St li Ni hi i)

BWRS (Benedict-Webb-Rubin-Starling-Nishiumi).
02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

7


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.1 Mô hình toán cân bằngg pha
p lỏngg – hơi

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

8


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.1 Mô hình toán cân bằngg pha
p lỏngg – hơi

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

9


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.1 Mô hình toán cân bằngg pha
p lỏngg – hơi
Hằng số
Tên chất
Benzen

А

В

С

15,9008

2788,51

-52,36

Clorua benzen

16 0676
16,0676

3295 12
3295,12

-55 6
-55,6

m-diclorua benzen

16,8173

4104,12

-43,15

I - NRTL, II - SRK, III – Wilson, IV – UNIQUAC, V – UNIFAC.
N



02.03.2018
21:45


i 1

TN
i

y

y

TT
i

yiTN
N

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

10


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.1 Mô hình toán cân bằngg pha
p lỏngg – hơi
Sai số δ, %
Mô

hình

Hỗn hợp

NRTL

UNIQUAC

Wilson

SRK

PR

Benzen - Etylbenzen

1,261

4,343

3,46

0,755

0,182

Benzen - Xyclohecxan

0,332

0,249

0,256

0,07

0,363

Benzen-Propylbenzen

1,025

–

0,09

0,361

0,176

Etylbenzen-Propylbenzen

0,052

–

0,053

0,537

0,317

Xyclohecxan-Etylbenzen

0,038

0,027

0,038

0,148

0,28

Benzen-Anilin

0,006

0,015

0,014

0,034

0,171

Xyclohecxan-Anilin

0,012

0,033

0,019

0,163

0,299

Etylbenzen-Anilin
02.03.2018
21:45

0,037

0,058

0,055

0,127

0,369

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

11


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.1 Mô hình toán cân bằngg pha
p lỏngg – hơi

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

12


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.1 Mô hình toán cân bằngg pha
p lỏngg – hơi
Các định luật và phương trình cơ bản của quá trình truyền khối:
1) Các định luật về khuếch tán vật chất;
2) Các phương trình cân bằng vật chất;

3) Các phương trình cấp khối và truyền khối.

dM  Gdyy   Ldx

dM   y  y  ybg dFd   x xbg  x dFd



dM  K y y  y *
1
1
m


Ky y x

dFd  K x

*

x



 x dFd



Kx


  Ky 
1
1
1
m


K x m y  x 

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

13


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.2 Mô hình toán thiết bịị phân
p
lyy
Mô hình toán:
F

G

L

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

14


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.2 Mô hình toán thiết bịị phân
p
lyy
Cân bằng vật chất:
F=G+L
F z = Gy + Lx

F

G

y i  K i xi
0

Pi
Ki 
P
n


i 1

n

zi
xi  
i 1 1  e  K i  1 

G
e
F
02.03.2018
21:45

L
n

x
i 1

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

i



n

y
i 1

i

1

MS: CH2051

15


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.2 Mô hình toán thiết bịị phân
p
lyy
Tính toán cân bằng pha theo phương trình Sbod:


1  F T  
Pi  10 exp  6,172 .




F
T


0

5

F T  

02.03.2018
21:45

F

1250

T

 273   108000  307 , 6
2

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

G

L

1

MS: CH2051

16


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3 Mô hình toán quá
q trình hấp
p thụ
ụ
Giả thiết: Khí trơ không tan
Dung môi không bay hơi
Xét quá trình: Ngược chiều
Như vậy: GTR = const, L = const
Đ ờ làm
Đường
là việc:
iệ đường
đ ờ thẳng
thẳ
Dùng nồng độ tương đối

Y
y
1 Y

X
x
1 X
02.03.2018
21:45

y
Y
1 y
x
X
1 x

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

17


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3 Mô hình toán quá
q trình hấp
p thụ
ụ
Đường hấp thụ:
-Đẳng

Đẳng nhiệt;
-Đa biến nhiệt.

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

18


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3.1 Mô hình toán quá
q trình hấp
p thụ
ụ đẳngg nhiệt
ệ

Hi
 *
 y  mx : m  P
*
p  Hx  
mX
Y * 


1  1 mX
Cân bằng vật chất: d Gy   d GTRY   GTR dY
Đường hấp thụ đẳng nhiệt:

 y 
dy
dy
dy
  GTR
 G1  y 
G
d Gy  GTRdY  GTRd 
2
2
1  y 
1  y 
1  y 
1 y 

Phương trình truyền khối:
02.03.2018
21:45





dM  d Gy   K y y  y* dF

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

19


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3.1 Mô hình toán quá
q trình hấp
p thụ
ụ đẳngg nhiệt
ệ

d Gy   d GTRY   GTR dY
dy
d Gy   G
1  y 
*
dM  d Gyy   K y y  y dF





Diện tích tiếp xúc pha:

dF  adV  aSdh

Thay vào thu được:

dy
*
G
 K y y  y aSdh
1  y 

H

Tích phân:
02.03.2018
21:45





y1

G
dy
H   dh  
*


K
aS

1

y
y

y
y
0
y2



Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa



MS: CH2051

20


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3.1 Mô hình toán quá
q trình hấp
p thụ
ụ đẳngg nhiệt
ệ

H

y1

G
dy
Chiều cao thiết bị: H   dH  
*


S 1 y y  y
0
y 2 K y aS
Do:




1  y   1  y * 
1  y TB 
1 y
ln

1  y*

y y
1 y
 ln
1  y TB
1  y*

*

y1

G
Kết q
quả: H  
S 1  y TB
y 2 K y aS
02.03.2018
21:45



n0 y 

y1



dy





1 y
1  y ln
1  y*
1  yTB dy  h n

0y 0y
1  y  1  y *

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

y2

MS: CH2051

21


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3.1 Mô hình toán quá
q trình hấp
p thụ
ụ đẳngg nhiệt
ệ

Tương tự:

n0 y 

y1



y2

dy
1 y
1  y ln
1  y*


1  xTB dx
L
 h0 x n0 x
Chiều cao: H  
*
K x aS 1  x TB 1  x  1  x
x1
x2



02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa



MS: CH2051

22

190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3.2 Mô hình toán quá
q trình hấp
p thụ
ụ đa biến nhiệt
ệ

Quá trình hấp thụ tỏa nhiệt:
-Làm tăng nhiệt độ;
-Thay đổi cân bằng pha;
-Thay đổi (giảm động lực) quá trình.
Xét cân
â bằng
bằ nhiệt:
hiệt giả
iả thiết nhiệt
hiệt hấp
hấ thụ
th chỉ
hỉ đun
đ nóng
ó
lỏng, không đun nóng khí.
Cân bằng nhiệt:

dQ  qLdX  LC P dt

q  X  X V   C P t  tV 
q
Biến đổi nhiệt độ:
X  XV 
t  tV 
CP
Biến đổi:

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

MS: CH2051

23


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3.2 Mô hình toán quá
q trình hấp
p thụ
ụ đa biến nhiệt
ệ

Quá trình hấp thụ NH3:

-Đường hấp thụ đa biến nhiệt ở P = 101,33 kPa:

K H T 
y 
x
P
*

-Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ:

K H T   3,01  0,1227T  5,9.10 T
3

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

2

MS: CH2051

24


190361

MÔ HÌNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CNHH

4.3.2 Mô hình toán quá

q trình hấp
p thụ
ụ đa biến nhiệt
ệ

Cân bằng vật chất: dM  GTR dY  LdX
Phương trinh động học:









dM  K a S Y  Y * dH  K a S X *  X dH
Hằng số cân bằng phụ thuộc vào nhiệt độ:

K H T   3,01  0,1227T  5,9.10 T
3

02.03.2018
21:45

Mô hình hóa – Mô phỏng – Tối ưu hóa

2

MS: CH2051

25