Xem mẫu
T¹p chÝ Hãa häc, T.42 (1), Tr.29-33, 2004
Ph©n bè giät vµ bÒ mÆt tiÕp xóc pha trong th¸p trÝch ly
§Õn Tßa so¹n 2-1-2003
NguyÔn MinhTuyÓn1,Ph¹m V¨n Thiªm2,Phan §×nh TuÊn3
1Trêng §¹i häcX© ydùng H’Néi 2Trêng §¹i häcB¸chkhoa H’Néi
3 Trêng §¹ihäcB¸ch khoa Tp Hå ChÝ Minh
Summary
The paper exposes the mathematical descriptions of the droplet distribution in an extraction column and the algorithm for determining the interface between the two contact phases.
I - Ph©n bè giät trong th¸p trÝch ly
C¸c nghiªn cøu ®îc tiÕn hnh víi tæng lu lîng pha liªn tôc v ph©n t¸n Vc + Vd = 0,36 cm3/cm2 s v tû lÖ dßng pha V /V = 1 kh«ng ®æi, v kh¶o s¸t ¶nh hëng cña biªn ®é v tÇn sè xung ®Õn sù h×nh thnh v biÕn ®æi cña tËp hîp giät däc theo chiÒu di th¸p.
NhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu [1] ®A kh¼ng ®Þnh r»ng: sù h×nh thnh v ph©n bè giät trong th¸p trÝch ly ®Üa xung kh«ng phô thuéc ®éc lËp vo biªn ®é A v tÇn sè f cña xung m phô thuéc vo tÝch A.f. V× vËy ë ®©y sÏ kh¶o s¸t ¶nh hëng cña cêng ®é xung (A.f) ®Õn sù h×nh thnh giät.
Khi cêng ®é xung thÊp, A.f 1,4 - 1,5 cm/s, víi kÝch thíc lç 2,5 cm, th¸p ho¹t ®éng ë chÕ
®é khuÊy - l¾ng. ë chÕ ®é ny ngêi ta quan s¸t thÊy hai vïng râ rÖt: vïng khuÊy v vïng l¾ng. C¸c giät ®îc h×nh thnh trªn miÖng lç cã tÝnh chÊt chu kú. Tuy nhiªn, mÆc dï sè ®Üa trªn lç rÊt lín, kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c lç ®Òu h×nh thnh giät. Sau khi h×nh thnh, mÆc dï c¸c giät cã kÝch thíc lín h¬n nhiÒu so víi kÝch thíc lç, c¸c giät c¹nh nhau vÉn cha kÕt tô ë phÝa sau ®Üa m hiÖn tîng ny chØ x¶y ra ë vïng l¾ng díi ®Üa.
Khi cêng ®é xung tiÕp tôc t¨ng lªn, sù tån t¹i cña vïng l¾ng dÇn dÇn biÕn mÊt. HiÖn tîng ny x¶y ra tríc hÕt ë vïng gÇn ®Ønh th¸p, n¬i chÞu t¸c ®éng nhiÒu nhÊt cña qu¸ tr×nh kÕt tô -ph©n t¸n l¹i. Tõ mét gi¸ trÞ cêng ®é xung no ®ã trë ®i (A.f 2,0 cm/s), ton bé th¸p ho¹t ®éng ë chÕ ®é ph©n t¸n. ë chÕ ®é ny, giät pha ph©n t¸n lu«n lu«n tån t¹i v ph©n t¸n ®Òu trong kh«ng gian gi÷a c¸c ®Üa. Do chÞu ¶nh hëng m¹nh cña qu¸ tr×nh kÕt tô, ph©n t¸n l¹i, phæ ph©n bè giät theo kÝch thíc biÕn ®æi rÊt m¹nh theo chiÒu di th¸p.
Khi t¨ng cêng ®é xung, th¸p chuyÓn nhanh vÒ chÕ ®é nhò t¬ng ph¸t triÓn. Giät pha ph©n t¸n chiÕm hÇu hÕt kh«ng gian gi÷a c¸c ®Üa. §ång thêi do t¬ng t¸c gi÷a c¸c giät còng nh gi÷a c¸c giät víi thnh v ®Üa th¸p, c¸c giät cã kÝch thíc rÊt nhá so víi ®êng kÝnh lç. Phæ ph©n bè giät t¬ng ®èi æn ®Þnh.
II - H,m ph©n bè cÊu tróc tËp hîp giät
B¶ng 1 m« t¶ kÕt qu¶ ph©n tÝch phæ ph©n bè giät trong th¸p trÝch ly ®Üa xung ë chÕ ®é nhò t¬ng.
29
d, mm
0,6 - 0,8
B¶ng 1: Gi¸ trÞ hm ph©n bè giät thùc nghiÖm
Gi¸ trÞ hm ph©n bè giät thùc nghiÖm q3 (d) (1/mm) t¹i ®Üa th¸p sè
1 2 3 4 8 16
0,032
0,8 - 1,0 0,032 1,0 - 1,2 0,032 0,032 1,2 - 1,4 0,032 0,048 0,064 1,4 - 1,6 0,048 0,080 0,128 1,6 - 1,8 0,064 0,128 0,191 1,8 - 2,0 0,096 0,190 0,287 2,0 - 2,2 0,128 0,287 0,415 2,2 - 2,4 0,190 0,351 0,479 2,4 - 2,6 0,240 0,447 0,542 2,6 - 2,8 0,287 0,511 0,574 2,8 - 3,0 0,351 0,542 0,574 3,0 - 3,2 0,415 0,575 0,542 3,2 - 3,4 0,447 0,542 0,479 3,4 - 3,6 0,479 0,511 0,351 3,6 - 3,8 0,479 0,415 0,255 3,8 - 4,0 0,447 0,319 0,160 4,0 - 4,2 0,383 0,223 0,096 4,2 - 4,4 0,320 0,127 0,032 4,4 - 4,6 0,190 0,064
4,6 - 4,8 0,096 0,032
4,8 - 5,0 0,287 0,032
0,016 0,032 0,048 0,032 0,080 0,128 0,064 0,144 0,255 0,128 0,255 0,447 0,223 0,447 0,734 0,367 0,718 1,149 0,543 1,085 1,691 0,574 0,798 0,543 0,606 0,590 0,223 0,590 0,415 0,096 0,527 0,255 0,032 0,447 0,144
0,335 0,064 0,223 0,032 0,128
0,664
0,032
C¸c th«ng sè cña hm ph©n bè tËp hîp giät ®îc tÝnh nh sau:
§êng kÝnh trung b×nh cña tËp hîp giät:
dtb = dmax di.q3(di )di min
§é lÖch b×nh ph¬ng trung b×nh cña tËp hîp:
dmax
= di dfb q3 di di
dmin
trong ®ã dmin , dmax l kÝch thíc nhá nhÊt v lín
nhÊt cña tËp hîp; q3(dj) l gi¸ trÞ cña ph©n bè thùc nghiÖm t¹i kÝch thíc giät dj. C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n cña dfb v ®îc ®a ra trong b¶ng 2.
Víi gi¶ thiÕt ph©n bè chuÈn cña tËp hîp giät trong th¸p, chóng t«i ®A tÝnh to¸n gi¸ trÞ hm ph©n bè lý thuyÕt t¹i c¸c ®Üa kh¸c nhau theo th«ng sè d v rót ra tõ thùc nghiÖm, theo ph¬ng tr×nh:
q (d)= 1 exp ( dtb )2 2 2
C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n ®îc chØ ra trªn b¶ng 3.
30
B¶ng 2: Tham sè cña ph©n bè chuÈn t¹i c¸c ®Üa kh¸c nhau cña th¸p
Th«ng sè 1 2 3
Thø tù ®Üa
4 8 16
dfb , mm 3,423 3,294 2,868
, mm 0,808 0,817 0,701
2,525 2,206 2,07
0,603 0,473 0,042
d, mm
0,6 - 0,8
B¶ng 3: Gi¸ trÞ hm ph©n bè lý thuyÕt
Gi¸ trÞ hm ph©n bè lý thuyÕt q3 (d) (1/mm) t¹i ®Üa th¸p sè
1 2 3 4 8 16
0,003
0,8 - 1,0 0,011 0,017 1,0 - 1,2 0,013 0,024 0,028 1,2 - 1,4 0,016 0,025 0,047 0,084 1,4 - 1,6 0,029 0,044 0,085 0,156 1,6 - 1,8 0,051 0,073 0,142 0,259 1,8 - 2,0 0,084 0,144 0,220 0,386 2,0 - 2,2 0,129 0,168 0,312 0,516 2,2 - 2,4 0,188 0,233 0,410 0,617 2,4 - 2,6 0,257 0,305 0,496 0,661 2,6 - 2,8 0,331 0,375 0,553 0,634 2,8 - 3,0 0,405 0,435 0,569 0,545 3,0 - 3,2 0,456 0,475 0,539 0,419 3,2 - 3,4 0,488 0,488 0,471 0,289 3,4 - 3,6 0,492 0,473 0,379 0,179 3,6 - 3,8 0,466 0,432 0,281 0,099 3,8 - 4,0 0,415 0,371 0,192 0,049 4,0 - 4,2 0,348 0,300 0,121 0,022 4,2 - 4,4 0,274 0,229 0,071
4,4 - 4,6 0,203 0,164 4,6 - 4,8 0,1424 0,111
4,8 - 5,0 0,093 0,071
0,019 0,015 0,055 0,054 0,135 0,159 0,278 0,364 0,476 0,650 0,684 0,907 0,823 0,989 0,827 0,843 0,696 0,561 0,489 0,291 0,288 0,118 0,142
0,058
0,020
§Ó kiÓm tra tÝnh t¬ng hîp cña hm ph©n bè lý thuyÕt chóng t«i dïng chuÈn sè Wincocson [3].
B¶ng 4 m« t¶ gi¸ trÞ chuÈn sè theo tÝnh to¸n
n n
2 v gi¸ trÞ cña chuÈn sè Wincocson
u víi møc ý nghÜa = 0,05 (n1 v n2 l dung lîng mÉu cña hm ph©n bè thùc nghiÖm v lý thuyÕt t¬ng øng, n l sè nghÞch ®¶o t¹o nªn tõ 2 ph©n bè [2]. Víi c¸c hm ph©n bè cã dung lîng mÉu lín (n1 = n2 >14), chuÈn sè Wincocson ®îc tÝnh theo hÖ thøc:
31
u = z n1n2 (n1 + n2 +1)
trong ®ã z ®îc ®Þnh nghÜa tõ ph¬ng tr×nh 20(z) = 1 - .
Gi¸ trÞ hm sè:
20 (z )= (t)dt = 0
®îc t×m tõ [2].
1 z exp t2 dt 2 0 2
B¶ng 4: Gi¸ trÞ chuÈn sè tÝnh to¸n u n1n2 v gi¸ trÞ chuÈn sè Wincocson u víi møc ý nghÜa
= 0,05 (0 (z) = 0,475, z = 1,96 [3])
ChuÈn sè 1 2
Thø tù ®Üa
3 4 8 16
n1n2 2
u0,05
4,5 18
67,2 72,5
11 2,5 2 2
61,9 56,9 49,5 33,4
Tõ nh÷ng kÕt tÝnh to¸n, dÔ dng thÊy r»ng: = 0,8967 . N-0,842 (mm),
tÊt c¶ c¸c gi¸ trÞ u n1n2 víi tÊt c¶ c¸c ®Üa
®Òu nhá h¬n nhiÒu so víi chuÈn sè Wincocson t¬ng øng. Nh vËy ph©n bè chuÈn cã thÓ m« t¶ hon ton t¬ng hîp cÊu tróc tËp hîp giät trong th¸p trÝch ly ®Üa xung.
III - Sù biÕn ®æi cÊu tróc tËp hîp giät theo chiÒu d,i th¸p trÝch ly
§¸nh gi¸ sù biÕn ®æi cña cÊu tróc tËp hîp giät theo chiÒu di th¸p, chóng ta cã thÓ nhËn thÊy nh sau:
§êng kÝnh trung b×nh v ph¬ng sai cña ph©n bè gi¶m liªn tôc theo quy luËt hm mò v tiÖm cËn ®Õn mét gi¸ trÞ æn ®Þnh
dtb = 3,5252 . N-0,208 (mm),
trong ®ã N l sè thø tù ®Üa. Gi¸ trÞ æn ®Þnh cña kÝch thíc giät trung b×nh phô thuéc v cêng ®é xung còng nh kÝch thíc h×nh häc cña thiÕt bÞ. §èi víi ®Üa cã ®êng kÝnh lç 2,5 mm, tiÕt diÖn tù do 21%, sù thay ®æi cña ®êng kÝnh trung b×nh theo cêng ®é xung ®îc ®a ra trªn b¶ng 5.
Tõ c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm nªu trªn, dÔ dng m« t¶ ®îc sù phô thuéc cña ®êng kÝnh trung b×nh vo cêng ®é xung:
dtb = 4,1832.(A.f)-1,045 cho pha ph©n t¸n toluen, dtb = 17,24.(A.f)-2,594 cho pha ph©n t¸n lníc.
Nh vËy ®êng kÝnh trung b×nh cña ph©n bè giät còng thay ®æi khi thay ®æi cêng ®é xung theo quy luËt hm mò. Gi¸ trÞ tiÖm cËn cña ®êng kÝnh giät khi cêng ®é xung tiÕp tôc t¨ng cã thÓ ®¸nh gi¸ tõ lý thuyÕt [4].
B¶ng 5: Sù thay ®æi cña ®êng kÝnh trung b×nh cña ph©n bè giät theo cêng ®é xung
dtb , mm
A.f, cm/s
Pha ph©n t¸n (níc)
Pha ph©n t¸n (toluen)
0,66 0,82
- -
6,48 4,89
1 1,25
- -
4,34 3,43
1,32 1,5 1,66 2
7,55 7,04 4,6 2,73
1,98
32
IV - TÝnh to¸n bÒ mÆt tiÕp xóc pha
§Ó tÝnh to¸n bÒ mÆt tiÕp xóc pha, ta cÇn ph¶i tÝnh ®îc sè giät pha ph©n t¸n N cã mÆt trong hÖ. Gäi thÓ tÝch ton hÖ thèng l V v tû lÖ pha ph©n t¸n l . Víi gi¶ thiÕt tÊt c¶ c¸c giät ®Òu cã h×nh cÇu, ph¬ng tr×nh c©n b»ng vËt chÊt ®èi víi pha ph©n t¸n cã d¹ng:
dmax
N. d3.f(d).dd =.V. dmin
Khi biÕt gi¸ trÞ V, v hm ph©n bè f(d), ta dÔ dng tÝnh ®îc N.
BÒ mÆt tiÕp xóc pha S trong hÖ sÏ l:
dmax
S = N. d2.f d .dd. dmin
ViÖc tÝnh N v S cã thÓ thùc hiÖn dÔ dng nhê sö dông ph¬ng ph¸p h×nh thang hoÆc ph¬ng ph¸p Simson.
Trong thùc tÕ, ta tÝnh bÒ mÆt tiÕp xóc pha khi ®A x¸c ®Þnh ®îc hÖ sè chuyÓn khèi trung b×nh. Khi hÖ sè chuyÓn khèi cña c¸c giät tËp hîp kh¸c nhau qu¸ lín, ch¬ng tr×nh tÝnh bÒ mÆt tiÕp xóc pha cã thÓ c¶i tiÕn ®Ó tÝnh dßng chuyÓn khèi tíi tËp hîp giät b»ng c¸ch ®a thªm biÓu thøc tÝnh hÖ sè chuyÓn khèi v ®éng lùc trung b×nh tíi giät cã ®êng kÝnh d vo biÓu thøc díi dÊu tÝch ph©n.
C«ng tr×nh n’y ®îc sù hç trî cña Ch¬ng tr×nh nghiªn cøu khoa häc tù nhiªn.
T,i liÖu tham kh¶o
1. Phan §×nh TuÊn. LuËn ¸n TiÕn sü, Trêng §¹i häc B¸ch khoa H Néi (1999).
2. H. Haverland. Untersuchungen zur Tropfen-dispergierung in fluessigkeitspulsierten Sieb-boden - Extraktionskolonen - Dissertation. TU Clausthal (1988).
3. M. Akhranazarova, V. V. Kafarov. KÕ ho¹ch hãa v tèi u hãa thùc nghiÖm trong hãa häc v c«ng nghÖ hãa häc. NXB Hãa häc, Moskva (1980) (tiÕng Nga).
4. V. Rosen et al.. Ph¬ng ph¸p chuyÓn tû lÖ trong c«ng nghÖ hãa häc. NXB Hãa häc, Moskva (1980) (tiÕng Nga).
5. NguyÔn Minh TuyÓn. T¹p chÝ Hãa häc, T. 19, sè 4 (1981).
6. S. Kattanek, U. Sünderman, NguyÔn Minh TuyÓn, Ph¹m V¨n Thiªm, Phan §×nh TuÊn. KÝch thíc, ph©n bè v hnh vi cña tËp hîp giät trong thiÕt bÞ chiÕt láng láng, TuyÓn tËp b¸o c¸o ton v¨n Héi nghÞ khoa häc ton quèc lÇn thø 2, Héi Kü thuËt c«ng nghÖ hãa häc, Héi Hãa häc ViÖt Nam, Tr.17-23 (1997).
7. S. Kattanek, Nguyen Minh Tuyen, Pham Van Thiem, Phan Dinh Tuan. T¹p chÝ Hãa häc, T. 35, sè 1,Tr. 85 - 88 (1997).
8. H. S. Kim, W. S. Kim. Chem. Eng., Vol. 30, P. 169-175 (1990).
9. Phan §×nh TuÊn, Ph¹m V¨n Thiªm, NguyÔn Minh TuyÓn. Ph©n bè giät trong th¸p chiÕt v ph¬ng ph¸p tÝnh bÒ mÆt tiÕp xóc pha, TuyÓn tËp B¸o c¸o Héi nghÞ ton quèc vÒ c¸c ®Ò ti Hãa lý vHãa lýthuyÕt,HNéi (1999).
33
...
- tailieumienphi.vn
nguon tai.lieu . vn