Mô phỏng công nghệ hóa học và dầu khí - Xyclon

Xyclon Mục lục 1. Xyclon khí .............................................................................................................. 2 1.1 Cấu tạo xyclon .................................................................................................. 2 1.2. Xyclon tổ hợp .................................................................................................. 3 1.3. Kích thước và hiệu suất tách. ........................................................................... 3 1.4. Xyclon khí trong Hysys ................................................................................... 5 1.4.1. Design Tab .............................................................................................. 6 1.4.2. Ratings Tab............................................................................................... 8 1.4.3. Worksheet Tab .......................................................................................... 9 1.4.4 Performance Tab ........................................................................................ 9 1.4.5. Dynamics Tab ........................................................................................... 9 2. Xyclon lỏng ............................................................................................................ 9 2.1. Cấu tạo xyclon lỏng ......................................................................................... 9 2.2. Xyclon lỏng trong hysys (HydroCyclone) ...................................................... 10 2.2.1. Design tab ............................................................................................... 10 2.2.2 Ratings Tab............................................................................................. 11 2.2.3. Worksheet Tab ........................................................................................ 12 2.2.4. Performance Tab ..................................................................................... 12 2.2.5. Dynamics Tab ......................................................................................... 12 Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 13 Xyclon Nguyên tắc làm việc của xyclon dựa vào lực quán tính với mọi loại xyclon. Xyclon bao gồm hai loại là: xyclon lỏng để tách riêng hệ lỏng không đồng nhất (huyền phù) và xyclon khí để tăng vận tốc lắng của bụi trong khí và làm sạch khí hoàn toàn. 1. Xyclon khí 1.1 Cấu tạo xyclon Hình 1. Xyclon khí 1-Thân trụ; 2- thân phễu; 3- Cửa vào; 4- nắp; 5- cửa khí ra; 6- cửa tháo bụi Xyclon gồm thân hình trụ với thân đáy nón. Hỗn hợp khí chứa bụi đưa vào xyclon ở cửa tiếp tuyến với thân hình trụ. Vận tốc của khí vào khoảng w = 20 m/s. Khi vào thân trụ dòng khí chuyển động xoáy dọc theo thân trụ. Nhờ lực ly tâm (lực quán tính) các hạt bụi chuyển động tách khỏi dòng khí theo hướng bán kính và sau đó tập hợp lại bên ngoài lớp khí trên thành thiết bị. Khi đến cửa thoát bên dưới của ống tâm, một phần khí đi qua ống ra ngoài, phần còn lại tiếp tục chuyển động xoáy quanh tâm ở đoạn phễu tạo thành dòng đi lên để vào ống tâm. Trong xyclon dòng khí chuyển động theo hai hướng ngược nhau song song Phân tách khí và bụi Khí chứa bụi vào Khí sạch ra Bụi ra 2 1 4 5 3 6 với trục của thiết bị. Cùng với dòng khí, bụi cũng chuyển động dọc theo thành của đoạn phễu đến cửa để ra ngoài. 1.2. Xyclon tổ hợp Xyclon tổ hợp có cấu tạo gồm vỏ 1, bên trong lắp các xyclon con 5 thành các dãy song song. Hai đầu của chúng lắp chặt trên hai tấm lưới 2 và 3. Hỗn hợp khí dẫn vào cửa 4 ở khoảng giữa hai tấm lưới và vào từng xyclon. Bụi được lắng trên thành của xyclon con nhờ lực ly tâm rơi xuống dưới nón rồi tập trung ở đáy 7 để ra ngoài, còn khí sạch đi lên phía trên qua ống tâm của xyclon con và theo cửa 6 ra ngoài. Xyclon tổ hợp có thể làm việc đến nhiệt độ 4000C. Hình 2. Xyclon tổ hợp 1.3. Kích thước và hiệu suất tách. Nếu nồng độ và tính chất của bụi đã biết, thì kích thước của xyclon có thể được tính dựa vào vận tốc vòng của khí và vận tốc dòng khí qua ống tâm. Vận tốc dòng khí trong xyclon thường có giá trị từ 12 đến 14 m/s. Như vậy vận tốc dòng khí ở cửa vào xyclon là 18 đến 20 m/s và ra ở ống tâm là 4 đến 8 m/s. Gọi w- vận tốc vòng của khí trong xyclon, m/s wA- vận tốc khí ở ống tâm, m/s r1- đường kính ngoài của ống tâm, m r2- đường kính trong phần trụ của xyclon, m rA- đường kính trong của ống tâm, m n- số vòng quay của dòng khí trong xyclon τ- thời gian lưu của khí trong xyclon, s Vậy 22 w w r nl     , s Trong khoảng thời gian τ bụi sẽ đi được quãng đường dưới tác dụng của lực ly tâm là (r2 – r1). Nếu vận tốc lắng w0 thì thời gian cần thiết để bụi lắng lại là: 2 1 0w r r    , s Từ quan hệ 2 1 0w r r  2 2 w r n , ta có 1 2 02 w1 w r r n   , m Trong thực tế dòng khí chuyển động được 1.5 vòng, nên chấp nhận 2πn = 10, ta được 1 2 0w1 10 w r r   ,m Để tính đường kính trong của ống tâm, ta vận dụng phương trình lưu lượng: Vs = πrA2.wA , Vậy: w s A A V r   , m Nếu bề dày của ống tâm là δ, ta có đường kính ngoài r1 = rA + δ. Chiều cao phần hình trụ của xyclon được tính theo công thức: 2 1 . ( )w snVH r r   , m Với: 2 1 Hw ( )sV r r n   , m3/s Chiều cao phần phễu của xyclon được chọn theo kinh nghiệm, nhưng thường có góc với tâm 30 – 400. Đường kính của cửa tháo bụi ở đáy phễu phụ thuộc vào lượng bụi và độ mịn của nó, trong thực tế chọn từ 200 đến 250 mm. Quá trình phân ly bụi trong xyclon rất phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Chúng chỉ có thể xác định qua thực nghiệm dựa vào thuyết đồng dạng. Khái quát, hiệu suất của xyclon có thể tính được: d c d c c c    Trong đó: cd, cc – nồng độ đầu và cuối của bụi trong hỗn hợp khí, g/m3 Trong quá trình lắng. hạt bụi chịu đồng thời ba lực là - Lực ly tâm: 2wm C r  , N - Lực trọng lượng: G = m.g , N - Lực cản của môi trường (trở lực) 2 2 0w. 2 S F   , N Trong đó, 3 1. 6 d m   ; 2 4 d F   và trở lực w (Re) ( ) d       . Trong trường hợp này hiệu suất có quan hệ hàm số sau: 1 2 0( , , , , ,w )d r     Hoặc dưới dạng chuẩn số: 2 2 1 w ( ,Re, ) ( , ) ( ) l f Fr Fr St d gl         Trong đó Fr, St, Re là các chuẩn số Froude, Stockes, Reynolds Trong thực tế xyclon đạt được hiệu suất tách từ 70 đến 80%. Tuy nhiên giá trị này có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của bụi. Xyclon có khả năng tách bụi rất tốt, nếu kích thước các hạt bụi không bé hơn 10- 6mm. Ngoài ra vận tốc lắng bụi phụ thuộc bậc hai vào vận tốc dòng khí, nên khả năng tách bụi của xyclon sẽ giảm rất nhanh khi vận tốc dòng khí giảm. 1.4. Xyclon khí trong Hysys Thiết bị xyclon khí được sử dụng để tách riêng những chất rắn từ dòng khí và được khuyến cáo chỉ sử dụng để tách những hạt có kích thước lớn hơn 5m. Xyclon khí bao gồm một hình trụ thẳng đứng có đáy hình côn, một đầu vào tiếp tuyến với thân hình trụ ở gần đầu thiết bị, và một đầu ra cho các chất rắn ở dưới cùng của đáy hình côn. Dưới tác dụng của lực ly tâm xuất hiện trong dòng khí chuyển động xoáy làm các hạt rắn bị văng về phía thành thùng xyclon. Các hạt rắn va đập vào thành thiết bị, rơi xuống đáy hình côn, và do đó bị tách ra khỏi các dòng khí. Các chất rắn được tách ra phải được xác định trước đó và cài đặt như các thành phần trong dòng khí kèm theo hoạt động này. Để cài đặt xyclon khí hoạt động, bấm phím F12 và chọn Xyclon khí từ Unit Ops xem hoặc chọn biểu tượng Xyclon khí trong Object Palette (trước tiên cần phải bấm vào biểu tượng Solids Handling). Để bỏ qua Xyclon khí trong quá trình tính toán, chọn Ignored. HYSYS sẽ hoàn toàn bỏ qua những thao tác liên quan đến xyclon khí cho đến khi khôi phục lại bằng cách bỏ lựa chọn Ignored. 1.4.1. Design Tab Connections Page Trên Connections Page cần cung cấp tên thiết bị xyclon, các dòng vào và ra bao gồm sản phẩm hơi và sản phẩm rắn. Biểu tượng Cyclon Parameters Page Cần xác định các thông số: Thông số Mô tả Configuration (đặt cấu hình) Chọn một trong hai giá trị High Efficiency hoặc High Output. Efficiency Method (phương pháp tác động hiệu quả) Chọn một trong hai phương pháp Lapple hay Leith/Licht. Phương pháp thứ hai là một tính toán khắt khe hơn, xem xét hỗn hợp hai hiệu ứng. Particle Efficiency Phần trăm hiệu quả thu hồi các chất rắn đã quy định có trong dòng sản phẩm đáy. Đường kính thiết bị đã cho, hoặc là từ cấu tử được chọn hay đặc tính của hạt rắn, được sử dụng trong các tính toán hiệu suất quá trình phân tách. Ví dụ như nếu chọn hiệu quả 85%, có nghĩa là 85% những hạt rắn có đường kính đã cho sẽ được thu hồi trong dòng sản phẩm đáy. Phần chất rắn còn lại trong dòng vào đã bị loại tuỳ thuộc vào đường kính của hạt. Solids Page Trên trang này những thông tin sau đây về chất rắn được xác định: Thông số Mô tả Solid Name Phải cung cấp hoặc là tên của chất rắn đã cài đặt ban đầu (được truy cập thông qua Edit Bar), hoặc cung cấp đường kính và mật độ của hạt Particle Diameter và Particle Density Nếu không chọn thành phần rắn, cần cung cấp đường kính hạt và mật độ hạt User Variables Page Trang này cho phép cài đặt và cung cấp các biến trong mô phỏng của Hysys. Để biết thêm thông tin về việc triển khai thực hiện xem chương User Variables trong Customization Guide. Notes Page Trong trang này thực hiện soạn thảo văn bản, có thể ghi lại bất kỳ các ý kiến hoặc thông tin liên quan đến các thao tác hoặc liên quan đến quá trình mô phỏng . 1.4.2. Ratings Tab Sizing Page Design mode: ở chế độ bật xác định cho toàn bộ xyclon, nếu ở chế độ tắt cần nhập xyclon muốn xác định thông số. Xác định các thông số sau: Thông số Mô tả Configuration Lựa chọn High Output, High Efficiency, hoặc User Defined. Điều này cũng được xác định trên Parameters page Inlet Width Ratio Tỷ lệ độ rộng đầu vào với đường kính thiết bị (phải là giữa 0 và 1). Giá trị cần phải nhỏ hơn tỷ số tổng chiều cao Inlet Height Ratio Tỷ lệ độ cao đầu vào với đường kính thiết bị Xyclon khí Height Ratio Tỷ lệ chiều cao của phần đáy hình côn so với đường kính thân thiết bị. Gas Outlet Length Ratio Tỷ lệ chiều dài của ống dẫn khí ra so với đường kính thân thiết bị. Gas Outlet Diameter Ratio Tỷ lệ đường kính của ống dẫn khí ra so với đường kính thân thiết bị (phải ở giữa 0 và 1). Total Height Ratio Tỷ lệ của chiều cao tổng của thiết bị so với đường kính thân thiết bị. Solid Outlet Diameter Ratio Tỷ lệ đường kính ống dẫn chất rắn ra ở đáy so với đường kính thân thiết bị. Body Diameter Nếu đang ở chế độ Design Mode, đường kính thân thiết bị sẽ được tự động tính toán. Nếu đang tắt Design Mode, cần phải cung cấp giá trị này Constraints Page Có thể xác định đường kính tối thiểu và tối đa cho xyclon, chỉ áp dụng khi chế độ Design Mode đang bật. Maximum Pressure Drop và Maximum Number of Cyclones: độ tụt áp tối đa và số lượng các xyclon khí tối đa được thiết lập trên Page này. Nó cũng được sử dụng trong các tính toán để xác định số lượng xyclon tối thiểu cần thiết để thực hiện việc phân tách đạt hiệu quả yêu cầu. 1.4.3. Worksheet Tab Worksheet Tab cung cấp cùng một thông tin mặc định về các dòng vật liệu của Workbook. Tuy nhiên, tại đây chỉ hiển thị các dòng hiện thời đang được gắn liền với các thao tác. 1.4.4. Performance Tab Results Page Các kết quả tính toán độ tụt áp (Pressure Drop), hiệu suất chung (Overall Efficiency), và số lượng các xyclon khí mắc song song được hiển thị. 1.4.5. Dynamics Tab Tính năng được sử dụng cho mô phỏng động. 2. Xyclon lỏng 2.1. Cấu tạo xyclon lỏng Nguyên tắc cấu tạo và phương thức làm việc của xyclon lỏng cũng giống như xyclon khí. Xyclon lỏng cũng gồm thân hình trụ và đáy hình nón cụt. Giữa thân hình trụ có lắp ống tâm để tạo dòng xoáy của chất lỏng nhiều hay ít trong xyclon. Huyền phù được đưa vào tiếp tuyến với thân hình trụ có áp suất dư 0.3 đến 2 at. Trong thân hình trụ huyền phù chuyển động quay với vận tốc lớn nên gây ra lực ly tâm làm các hạt rắn văng ra thành xyclon. Ở gần thành các hạt rắn chuyển động theo đường xoáy ốc và đi xuống đáy hình nón. Chất lỏng và các hạt nhỏ cũng chuyển động xoáy ốc ở phần trong gần ống tâm rồi theo ống tâm lên phía trên ra ngoài. Khả năng phân tách của xyclon được điều chỉnh qua độ nhúng sâu của ống tâm và diện tích tiết diện ở cửa ra của đáy xyclon. Để tăng năng suất thiết bị và tăng hiệu quả phân riêng người ta thường dùng xyclon tổ hợp gồm nhiều xyclon nhỏ đường kính 10 đến 15 mm ghép với nhau. 2.2. Xyclon lỏng trong hysys (HydroCyclone) Các Hydrocyclone có nguyên lý hoạt động giống như các xyclon, sự khác biệt chính là Hydrocyclone thực hiện tách các chất rắn từ pha lỏng, chứ không phải từ pha khí. Các chất rắn được tách phải được xác định trước đó và cài đặt như các thành phần trong dòng kèm theo hoạt động này. Để cài đặt Hydrocyclone chọn Add Operation từ Flowsheet Menu, và chọn Hydrocyclone. Ngoài ra chọn biểu tượng Hydrocyclone từ Object Palette (trước đó phải bấm vào biểu tượng Solids Handling). Để bỏ qua các Hydrocyclone trong quá trình tính toán, chọn Ignored. Hysys sẽ bỏ qua hoàn toàn những thao tác tính toán cho đến khi khôi phục lại bằng cách xoá bỏ lựa chọn Ignored. 2.2.1. Design tab Conections Page Trên trang này cần cung cấp tên xyclon và các dòng nguyên liêu, sản phẩm lỏng đỉnh và sản phẩm rắn ở đáy. Parameters Page Phải xác định các thông số sau đây: Biểu tượng HydroCyclone Đường kính đã cho, hoặc là từ các cấu tử được lựa chọn hay từ các đặc trưng của hạt rắn, được sử dụng trong tính toán hiệu suất tách. Ví dụ như nếu chọn hiệu suất tách là 85%, có nghĩa là 85% chất rắn có đường kính xác định sẽ được thu hồi. Phần chất rắn còn lại trong dòng vào đã được loại bỏ tuỳ thuộc vào các thông số đã cài đặt ban đầu. Solids Page Dưới đây là những thông tin chất rắn có thể được xác định: Thông số Mô tả Solid Name Phải cung cấp hoặc là tên của một rắn đã cài đặt ban đầu (được truy cập từ việc kéo thả trình đơn trong Edit Bar, hoặc cho trước đường kính và tỷ trong hạt). Particle Diameter và Particle Density Nếu không biết tên chất rắn, thì cần đưa ra đường kính và tỷ trong hạt User Variables Page Trang này cho phép tạo ra và thao tác với các biến trong môi trường mô phỏng HYSYS. Để biết thêm thông tin về việc triển khai thực hiện lựa chọn User Variables, xem trong Customization Guide Notes Page Trong trang nàythực hiện soạn thảo văn bản, có thể ghi lại bất kỳ các ý kiến hoặc thông tin liên quan đến các thao tác, hoặc liên quan đến mô phỏng. 2.2.2 Ratings Tab Sizing page Xác định các thông số sau đây: Thông số Mô tả Thông số Mô tả Configuration Lựa chọn cấu hình hoặc Mode1, Mode2 hoặc User Defined Particle Efficciency Hiệu suất phần trăm thu hồi chất rắn đã xác định trong dòng sản phẩm đáy. Configuration Chọn Mode 1, Mode 2 hoặc User Defined. Điều này cũng đã được xác định tại trang tham số (Parameters page). Inlet Diameter Ratio Tỷ lệ đường kính ống dẫn vào với đường kính thân thiết bị. Included Angle (Degrees) Góc nghiêng của Cyclone so với phương thẳng đứng Overflow Length Ratio Tỷ lệ độ dài ống chảy tràn so với đường kính thân thiết bị Overflow Diameter Ratio Tỷ lệ đường kính ống chảy tràn so với đường kính thân thiết bị Total Height Ratio Tỷ lệ tổng chiều cao của thiết bị so với dường kính thân thiết bị Underflow Diameter Ratio Tỷ lệ đường kính ống dẫn trong so với đường kính thân thiết bị Body Diameter Nếu Design Mode đang bật thì đường kính thân sẽ được tính tự động khi đã nhập đủ các thông số. Nếu Design Mode đang tắt thì phải nhập số liệu này. Constraints Page Có thể xác định đường kính tối thiểu và tối đa cho Cyclone, chỉ áp dụng khi Design Mode ở chế độ bật. Maximum Pressure Drop (độ tụt áp tối thiếu) và Maximum Number of Cyclones (số lượng tối đa của các Cyclone) cũng có thể thao tác tại trang này. 2.2.3. Worksheet Tab Các Worksheet cung cấp cùng thông tin mặc định như Material Streams trong Workbook. Tuy nhiên, trang này chỉ hiển thị các dòng hiện đang gắn liền với thao tác trong trang này. 2.2.4. Performance Tab Results Page Các kết quả tính toán Pressure Drop (độ tụt áp), Overall Efficiency (hiệu suất tổng) và số lượng Cyclones đồng thời được hiển thị trên trang này. 2.2.5. Dynamics Tab Tính năng này chỉ được sử dụng trong mô phỏng động. Tài liệu tham khảo 1. GS. Nguyễn Bin. Các quá trình,thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm, tập 2. NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2007. 2. Perry’s Chemical Engineers' Handbook. 8th Edition, McGraw-Hil, 2008. 3. Visual Encyclopedia of Chemical Engineering Equipments. MIT, 2001.