Phân bố giọt và bề mặt tiếp xúc pha trong tháp trích ly

T¹p chÝ Hãa häc, T. 42 (1), Tr. 29 - 33, 2004<br /> <br /> <br /> <br /> Ph©n bè giät vµ bÒ mÆt tiÕp xóc pha trong th¸p<br /> trÝch ly<br /> §Õn Tßa so¹n 2-1-2003<br /> NguyÔn Minh TuyÓn1, Ph¹m V¨n Thiªm2, Phan §×nh TuÊn3<br /> 1<br /> Tr êng §¹i häc X© y dùng H' Néi<br /> 2<br /> Tr êng §¹i häc B¸ch khoa H' Néi<br /> 3<br /> Tr êng §¹i häc B¸ch khoa Tp Hå ChÝ Minh<br /> <br /> <br /> Summary<br /> The paper exposes the mathematical descriptions of the droplet distribution in an<br /> extraction column and the algorithm for determining the interface between the two contact<br /> phases.<br /> <br /> <br /> I - Ph©n bè giät trong th¸p trÝch ly Khi c êng ®é xung tiÕp tôc t¨ng lªn, sù tån<br /> t¹i cña vïng l¾ng dÇn dÇn biÕn mÊt. HiÖn t îng<br /> C¸c nghiªn cøu ® îc tiÕn h nh víi tæng l u n y x¶y ra tr íc hÕt ë vïng gÇn ®Ønh th¸p, n¬i<br /> l îng pha liªn tôc v ph©n t¸n Vc + Vd = 0,36 chÞu t¸c ®éng nhiÒu nhÊt cña qu¸ tr×nh kÕt tô -<br /> cm3/cm2 s v tû lÖ dßng pha Vc/Vd = 1 kh«ng ph©n t¸n l¹i. Tõ mét gi¸ trÞ c êng ®é xung n o<br /> ®æi, v kh¶o s¸t ¶nh h ëng cña biªn ®é v tÇn ®ã trë ®i (A.f 2,0 cm/s), to n bé th¸p ho¹t<br /> sè xung ®Õn sù h×nh th nh v biÕn ®æi cña tËp ®éng ë chÕ ®é ph©n t¸n. ë chÕ ®é n y, giät pha<br /> hîp giät däc theo chiÒu d i th¸p. ph©n t¸n lu«n lu«n tån t¹i v ph©n t¸n ®Òu trong<br /> NhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu [1] ®A kh¼ng kh«ng gian gi÷a c¸c ®Üa. Do chÞu ¶nh h ëng<br /> ®Þnh r»ng: sù h×nh th nh v ph©n bè giät trong m¹nh cña qu¸ tr×nh kÕt tô, ph©n t¸n l¹i, phæ<br /> th¸p trÝch ly ®Üa xung kh«ng phô thuéc ®éc lËp ph©n bè giät theo kÝch th íc biÕn ®æi rÊt m¹nh<br /> v o biªn ®é A v tÇn sè f cña xung m phô thuéc theo chiÒu d i th¸p.<br /> v o tÝch A.f. V× vËy ë ®©y sÏ kh¶o s¸t ¶nh h ëng Khi t¨ng c êng ®é xung, th¸p chuyÓn<br /> cña c êng ®é xung (A.f) ®Õn sù h×nh th nh giät. nhanh vÒ chÕ ®é nhò t ¬ng ph¸t triÓn. Giät pha<br /> Khi c êng ®é xung thÊp, A.f 1,4 - 1,5 cm/s, ph©n t¸n chiÕm hÇu hÕt kh«ng gian gi÷a c¸c<br /> víi kÝch th íc lç 2,5 cm, th¸p ho¹t ®éng ë chÕ ®Üa. §ång thêi do t ¬ng t¸c gi÷a c¸c giät còng<br /> ®é khuÊy - l¾ng. ë chÕ ®é n y ng êi ta quan s¸t nh gi÷a c¸c giät víi th nh v ®Üa th¸p, c¸c giät<br /> thÊy hai vïng râ rÖt: vïng khuÊy v vïng l¾ng. cã kÝch th íc rÊt nhá so víi ® êng kÝnh lç. Phæ<br /> C¸c giät ® îc h×nh th nh trªn miÖng lç cã tÝnh ph©n bè giät t ¬ng ®èi æn ®Þnh.<br /> chÊt chu kú. Tuy nhiªn, mÆc dï sè ®Üa trªn lç<br /> rÊt lín, kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c lç ®Òu h×nh th nh II - H,m ph©n bè cÊu tróc tËp hîp<br /> giät. Sau khi h×nh th nh, mÆc dï c¸c giät cã giät<br /> kÝch th íc lín h¬n nhiÒu so víi kÝch th íc lç,<br /> c¸c giät c¹nh nhau vÉn ch a kÕt tô ë phÝa sau B¶ng 1 m« t¶ kÕt qu¶ ph©n tÝch phæ ph©n bè<br /> ®Üa m hiÖn t îng n y chØ x¶y ra ë vïng l¾ng giät trong th¸p trÝch ly ®Üa xung ë chÕ ®é nhò<br /> d íi ®Üa. t ¬ng.<br /> <br /> 29<br />  B¶ng 1: Gi¸ trÞ h m ph©n bè giät thùc nghiÖm<br /> Gi¸ trÞ h m ph©n bè giät thùc nghiÖm q3 (d) (1/mm) t¹i ®Üa th¸p sè<br /> d, mm<br /> 1 2 3 4 8 16<br /> 0,6 - 0,8 0,032<br /> 0,8 - 1,0 0,032 0,016 0,032 0,048<br /> 1,0 - 1,2 0,032 0,032 0,032 0,080 0,128<br /> 1,2 - 1,4 0,032 0,048 0,064 0,064 0,144 0,255<br /> 1,4 - 1,6 0,048 0,080 0,128 0,128 0,255 0,447<br /> 1,6 - 1,8 0,064 0,128 0,191 0,223 0,447 0,734<br /> 1,8 - 2,0 0,096 0,190 0,287 0,367 0,718 1,149<br /> 2,0 - 2,2 0,128 0,287 0,415 0,543 1,085 1,691<br /> 2,2 - 2,4 0,190 0,351 0,479 0,574 0,798 0,543<br /> 2,4 - 2,6 0,240 0,447 0,542 0,606 0,590 0,223<br /> 2,6 - 2,8 0,287 0,511 0,574 0,590 0,415 0,096<br /> 2,8 - 3,0 0,351 0,542 0,574 0,527 0,255 0,032<br /> 3,0 - 3,2 0,415 0,575 0,542 0,447 0,144<br /> 3,2 - 3,4 0,447 0,542 0,479 0,335 0,064<br /> 3,4 - 3,6 0,479 0,511 0,351 0,223 0,032<br /> 3,6 - 3,8 0,479 0,415 0,255 0,128<br /> 3,8 - 4,0 0,447 0,319 0,160 0,664<br /> 4,0 - 4,2 0,383 0,223 0,096 0,032<br /> 4,2 - 4,4 0,320 0,127 0,032<br /> 4,4 - 4,6 0,190 0,064<br /> 4,6 - 4,8 0,096 0,032<br /> 4,8 - 5,0 0,287 0,032<br /> <br /> C¸c th«ng sè cña h m ph©n bè tËp hîp giät nhÊt cña tËp hîp; q3(dj) l gi¸ trÞ cña ph©n bè<br /> ® îc tÝnh nh sau: thùc nghiÖm t¹i kÝch th íc giät dj. C¸c kÕt qu¶<br /> § êng kÝnh trung b×nh cña tËp hîp giät: tÝnh to¸n cña dfb v ® îc ® a ra trong b¶ng 2.<br /> d max Víi gi¶ thiÕt ph©n bè chuÈn cña tËp hîp<br /> d tb = d i .q 3 (d i ) d i giät trong th¸p, chóng t«i ®A tÝnh to¸n gi¸ trÞ<br /> d min h m ph©n bè lý thuyÕt t¹i c¸c ®Üa kh¸c nhau<br /> theo th«ng sè d v rót ra tõ thùc nghiÖm,<br /> §é lÖch b×nh ph ¬ng trung b×nh cña tËp<br /> theo ph ¬ng tr×nh:<br /> hîp:<br /> d max<br /> (d i d fb ) q 3 (d i ) d i<br /> (d d tb )2<br /> qˆ 3 (d ) =<br /> 1<br /> 2<br /> = 2<br /> exp<br /> d min 2 2 2<br /> trong ®ã dmin , dmax l kÝch th íc nhá nhÊt v lín C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n ® îc chØ ra trªn b¶ng 3.<br /> <br /> 30<br />  B¶ng 2: Tham sè cña ph©n bè chuÈn t¹i c¸c ®Üa kh¸c nhau cña th¸p<br /> Thø tù ®Üa<br /> Th«ng sè<br /> 1 2 3 4 8 16<br /> dfb , mm 3,423 3,294 2,868 2,525 2,206 2,07<br /> , mm 0,808 0,817 0,701 0,603 0,473 0,042<br /> <br /> B¶ng 3: Gi¸ trÞ h m ph©n bè lý thuyÕt<br /> Gi¸ trÞ h m ph©n bè lý thuyÕt q3 (d) (1/mm) t¹i ®Üa th¸p sè<br /> d, mm<br /> 1 2 3 4 8 16<br /> 0,6 - 0,8 0,003<br /> 0,8 - 1,0 0,011 0,017 0,019 0,015<br /> 1,0 - 1,2 0,013 0,024 0,028 0,055 0,054<br /> 1,2 - 1,4 0,016 0,025 0,047 0,084 0,135 0,159<br /> 1,4 - 1,6 0,029 0,044 0,085 0,156 0,278 0,364<br /> 1,6 - 1,8 0,051 0,073 0,142 0,259 0,476 0,650<br /> 1,8 - 2,0 0,084 0,144 0,220 0,386 0,684 0,907<br /> 2,0 - 2,2 0,129 0,168 0,312 0,516 0,823 0,989<br /> 2,2 - 2,4 0,188 0,233 0,410 0,617 0,827 0,843<br /> 2,4 - 2,6 0,257 0,305 0,496 0,661 0,696 0,561<br /> 2,6 - 2,8 0,331 0,375 0,553 0,634 0,489 0,291<br /> 2,8 - 3,0 0,405 0,435 0,569 0,545 0,288 0,118<br /> 3,0 - 3,2 0,456 0,475 0,539 0,419 0,142<br /> 3,2 - 3,4 0,488 0,488 0,471 0,289 0,058<br /> 3,4 - 3,6 0,492 0,473 0,379 0,179 0,020<br /> 3,6 - 3,8 0,466 0,432 0,281 0,099<br /> 3,8 - 4,0 0,415 0,371 0,192 0,049<br /> 4,0 - 4,2 0,348 0,300 0,121 0,022<br /> 4,2 - 4,4 0,274 0,229 0,071<br /> 4,4 - 4,6 0,203 0,164<br /> 4,6 - 4,8 0,1424 0,111<br /> 4,8 - 5,0 0,093 0,071<br /> <br /> §Ó kiÓm tra tÝnh t ¬ng hîp cña h m ph©n bè u víi møc ý nghÜa = 0,05 (n1 v n2 l dung<br /> lý thuyÕt chóng t«i dïng chuÈn sè Wincocson [3]. l îng mÉu cña h m ph©n bè thùc nghiÖm v lý<br /> thuyÕt t ¬ng øng, n l sè nghÞch ®¶o t¹o nªn tõ<br /> B¶ng 4 m« t¶ gi¸ trÞ chuÈn sè theo tÝnh to¸n<br /> 2 ph©n bè [2]. Víi c¸c h m ph©n bè cã dung<br /> n1n 2 l îng mÉu lín (n1 = n2 >14), chuÈn sè<br /> u v gi¸ trÞ cña chuÈn sè Wincocson Wincocson ® îc tÝnh theo hÖ thøc:<br /> 2<br /> <br /> 31<br />  n 1 n 2 (n 1 + n 2 + 1)<br /> Gi¸ trÞ h m sè:<br /> u =z z z<br /> t2<br /> 2 0 (z ) = (t )dt =<br /> 12 1<br /> exp dt<br /> trong ®ã z ® îc ®Þnh nghÜa tõ ph ¬ng tr×nh 0 2 0<br /> 2<br /> 2 0(z ) = 1 - . ® îc t×m tõ [2].<br /> n1 n 2<br /> B¶ng 4: Gi¸ trÞ chuÈn sè tÝnh to¸n u v gi¸ trÞ chuÈn sè Wincocson u víi møc ý nghÜa<br /> 2<br /> = 0,05 ( 0 (z ) = 0,475, z = 1,96 [3])<br /> Thø tù ®Üa<br /> ChuÈn sè<br /> 1 2 3 4 8 16<br /> n1 n 2<br /> u 4,5 18 11 2,5 2 2<br /> 2<br /> u0,05 67,2 72,5 61,9 56,9 49,5 33,4<br /> <br /> Tõ nh÷ng kÕt tÝnh to¸n, dÔ d ng thÊy r»ng: = 0,8967 . N-0,842 (mm),<br /> n1 n 2 trong ®ã N l sè thø tù ®Üa. Gi¸ trÞ æn ®Þnh cña<br /> tÊt c¶ c¸c gi¸ trÞ u víi tÊt c¶ c¸c ®Üa kÝch th íc giät trung b×nh phô thuéc v c êng<br /> 2<br /> ®é xung còng nh kÝch th íc h×nh häc cña thiÕt<br /> ®Òu nhá h¬n nhiÒu so víi chuÈn sè Wincocson bÞ. §èi víi ®Üa cã ® êng kÝnh lç 2,5 mm, tiÕt<br /> t ¬ng øng. Nh vËy ph©n bè chuÈn cã thÓ m« t¶ diÖn tù do 21%, sù thay ®æi cña ® êng kÝnh<br /> ho n to n t ¬ng hîp cÊu tróc tËp hîp giät trong trung b×nh theo c êng ®é xung ® îc ® a ra trªn<br /> th¸p trÝch ly ®Üa xung. b¶ng 5.<br /> Tõ c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm nªu trªn, dÔ<br /> III - Sù biÕn ®æi cÊu tróc tËp hîp giät<br /> d ng m« t¶ ® îc sù phô thuéc cña ® êng kÝnh<br /> theo chiÒu d,i th¸p trÝch ly trung b×nh v o c êng ®é xung:<br /> §¸nh gi¸ sù biÕn ®æi cña cÊu tróc tËp hîp dtb = 4,1832.(A.f)-1,045 cho pha ph©n t¸n toluen,<br /> giät theo chiÒu d i th¸p, chóng ta cã thÓ nhËn dtb = 17,24.(A.f)-2,594 cho pha ph©n t¸n l n íc.<br /> thÊy nh sau:<br /> Nh vËy ® êng kÝnh trung b×nh cña ph©n bè<br /> § êng kÝnh trung b×nh v ph ¬ng sai cña giät còng thay ®æi khi thay ®æi c êng ®é xung<br /> ph©n bè gi¶m liªn tôc theo quy luËt h m mò v<br /> theo quy luËt h m mò. Gi¸ trÞ tiÖm cËn cña<br /> tiÖm cËn ®Õn mét gi¸ trÞ æn ®Þnh<br /> ® êng kÝnh giät khi c êng ®é xung tiÕp tôc<br /> dtb = 3,5252 . N-0,208 (mm), t¨ng cã thÓ ®¸nh gi¸ tõ lý thuyÕt [4].<br /> <br /> B¶ng 5: Sù thay ®æi cña ® êng kÝnh trung b×nh cña ph©n bè giät<br /> theo c êng ®é xung<br /> A.f, cm/s 0,66 0,82 1 1,25 1,32 1,5 1,66 2<br /> Pha ph©n t¸n<br /> - - - - 7,55 7,04 4,6 2,73<br /> (n íc)<br /> dtb , mm<br /> Pha ph©n t¸n<br /> 6,48 4,89 4,34 3,43 1,98<br /> (toluen)<br /> <br /> <br /> 32<br />  IV - TÝnh to¸n bÒ mÆt tiÕp xóc pha T,i liÖu tham kh¶o<br /> §Ó tÝnh to¸n bÒ mÆt tiÕp xóc pha, ta cÇn 1. Phan §×nh TuÊn. LuËn ¸n TiÕn sü, Tr êng<br /> ph¶i tÝnh ® îc sè giät pha ph©n t¸n N cã mÆt §¹i häc B¸ch khoa H Néi (1999).<br /> trong hÖ. Gäi thÓ tÝch to n hÖ thèng l V v tû 2. H. Haverland. Untersuchungen zur Tropfen-<br /> lÖ pha ph©n t¸n l . Víi gi¶ thiÕt tÊt c¶ c¸c giät dispergierung in fluessigkeitspulsierten Sieb-<br /> ®Òu cã h×nh cÇu, ph ¬ng tr×nh c©n b»ng vËt chÊt boden - Extraktionskolonen - Dissertation.<br /> ®èi víi pha ph©n t¸n cã d¹ng: TU Clausthal (1988).<br /> d max 3. M. Akhranazarova, V. V. Kafarov. KÕ ho¹ch<br /> 1 3<br /> N. d .f(d).dd = .V. hãa v tèi u hãa thùc nghiÖm trong hãa häc<br /> 6 v c«ng nghÖ hãa häc. NXB Hãa häc,<br /> d min Moskva (1980) (tiÕng Nga).<br /> Khi biÕt gi¸ trÞ V, v h m ph©n bè f(d), ta 4. V. Rosen et al.. Ph ¬ng ph¸p chuyÓn tû lÖ<br /> dÔ d ng tÝnh ® îc N. trong c«ng nghÖ hãa häc. NXB Hãa häc,<br /> BÒ mÆt tiÕp xóc pha S trong hÖ sÏ l : Moskva (1980) (tiÕng Nga).<br /> 5. NguyÔn Minh TuyÓn. T¹p chÝ Hãa häc, T.<br /> d max<br /> 19, sè 4 (1981).<br /> S = N. d 2 .f (d ).dd. 6. S. Kattanek, U. Sünderman, NguyÔn Minh<br /> d min TuyÓn, Ph¹m V¨n Thiªm, Phan §×nh TuÊn.<br /> KÝch th íc, ph©n bè v h nh vi cña tËp hîp<br /> ViÖc tÝnh N v S cã thÓ thùc hiÖn dÔ d ng giät trong thiÕt bÞ chiÕt láng láng, TuyÓn tËp<br /> nhê sö dông ph ¬ng ph¸p h×nh thang hoÆc b¸o c¸o to n v¨n Héi nghÞ khoa häc to n quèc<br /> ph ¬ng ph¸p Simson. lÇn thø 2, Héi Kü thuËt c«ng nghÖ hãa häc,<br /> Trong thùc tÕ, ta tÝnh bÒ mÆt tiÕp xóc pha Héi Hãa häc ViÖt Nam, Tr. 17 - 23 (1997).<br /> khi ®A x¸c ®Þnh ® îc hÖ sè chuyÓn khèi trung 7. S. Kattanek, Nguyen Minh Tuyen, Pham Van<br /> b×nh. Khi hÖ sè chuyÓn khèi cña c¸c giät tËp Thiem, Phan Dinh Tuan. T¹p chÝ Hãa häc, T.<br /> hîp kh¸c nhau qu¸ lín, ch ¬ng tr×nh tÝnh bÒ 35, sè 1, Tr. 85 - 88 (1997).<br /> mÆt tiÕp xóc pha cã thÓ c¶i tiÕn ®Ó tÝnh dßng<br /> chuyÓn khèi tíi tËp hîp giät b»ng c¸ch ® a 8. H. S. Kim, W. S. Kim. Chem. Eng., Vol. 30,<br /> thªm biÓu thøc tÝnh hÖ sè chuyÓn khèi v ®éng P. 169 - 175 (1990).<br /> lùc trung b×nh tíi giät cã ® êng kÝnh d v o biÓu 9. Phan §×nh TuÊn, Ph¹m V¨n Thiªm, NguyÔn<br /> thøc d íi dÊu tÝch ph©n. Minh TuyÓn. Ph©n bè giät trong th¸p chiÕt v<br /> ph ¬ng ph¸p tÝnh bÒ mÆt tiÕp xóc pha, TuyÓn tËp<br /> C«ng tr×nh n'y ® îc sù hç trî cña Ch ¬ng B¸o c¸o Héi nghÞ to n quèc vÒ c¸c ®Ò t i Hãa lý<br /> tr×nh nghiªn cøu khoa häc tù nhiªn. v Hãa lý thuyÕt, H Néi (1999).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 33<br />