Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Chương 6: Dòng chảy thực - Trần Tấn Việt

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Chương 6: Dòng chảy thực - Trần Tấn Việt

1. ❖Những sai lệch so với mô hình lý tưởng có thể là: ▪ Dòng chảy tắt của lưu chất ▪ Sự tuần hòan của lưu chất ▪ Các vùng tù đọng trong thiết bị ❖ Trong tất cả các lọai thiết bị thực hiện quá trình truyền nhiệt, truyền khối, kỹ thuật phản ứng nếu có các hiện tượng trên sẽ làm giảm khả năng họat động (hiệu suất) của thiết bị. ❖ Mục đích của chương này là đánh giá định lượng ảnh hưởng của các sai số trên lên độ chuyển hóa. 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 2
2. 1. KHÁI NIỆM VỀ KHUẤY TRỘN VÀ MÔ HÌNH 3 phương pháp ước tính các sai số so với lý tưởng: 1) Xác định sự phân phối thời gian lưu thực tế (thích hợp cho thiết bị phản ưng dạng ống, chảy dòng và phản ứng bậc một). 2) Mô hình phân tán theo phương trục (thích hợp cho thiết bị phản ứng có chế độ chảy rối) 3) Mô hình hệ nhiều bình khuấy bằng nhau mắc nối tiếp * Một mô hình khác là thiết bị phản ứng dạng ống có dòng hòan lưu. 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 4
3. 2. SỰ PHÂN BỐ THỜI GIAN LƯU CỦA LƯU CHẤT TRONG BÌNH Xét dịng chảy ổn định, khơng cĩ phản ứng và sự biến đổi khối lượng riêng của phân tố lưu chất qua thiết bị. Thời gian thu gọn là một biến số khơng thứ nguyên được định nghĩa như sau:  = = =  với : t - là thời gian phân tố lưu chất đi qua thiết bị. - thời gian lưu trung bình θ - thời gian thể tích 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 6
4. b) hàm phân bố thời gian lưu trong bình của lưu chất trong dòng ra (đường cong E) E là độ đo sự phân bố thời gian lưu trong bình của tất cả các phân tố của dịng lưu chất rời khỏi bình: là phần lưu chất trong dịng ra cĩ thời gian lưu trong bình từ θ đến θ+dθ. E d = 1 0 2 E d = 1 − E d 2 0 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 8
5. 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Các dạng tín hiệu kích thích (stimulation) – đáp ứng (response) thường sử dụng 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 10
6. Quan hệ giữa các đường cong F, C, I và E Giả sử rằng tín hiệu được đưa vào tại thời điểm t = 0 thì tại thời điểm t bất kỳ cân bằng vật chất cho bình là:    =+      và tại thời điểm θ   =      += = − =  =  = = = = −  12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 12
7. Cả hai mô hình cho tín hiệu đáp ứng giống nhau và tác động tương tự cho phản ứng bậc 1, nhưng có tác động khác nhau với phản ứng có tốc độ không tuyến tính theo nồng độ 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 14
8. Diện tích bên dưới đường cong nồng độ theo thời gian Q =  =()./ + + + + + = ()= ()()= = =   t, ph 0 5 10 15 20 25 30 C E(t) = , ph−1 0 0,03 0,05 0,05 0,04 0,02 0,01 Q Để nhận được E, đổi t thành =   ( ) + ( ) + + ( ) = = =  = = =()() = = + + + + +  12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 16
9. Thí dụ 6.2 Lập bảng và vẽ hàm phân phối I cho thí nghiệm trong ví dụ 6.1 = −  = − .  i  E EE+ i i E  =ii −  1 − () E  I= 1E − iii 1 2 − 0 0 0 0 0 1 0, 45+ 0 1 1 1 0,45 .,= 0 075 0,075 0,925 3 23 0,, 75+ 0 45 1 2 2 0,75 .,= 0 200 0,275 0,725 3 23 0,, 75+ 0 75 1 3 1 0,75 .,= 0 250 0,525 0,475 23 0,, 60+ 0 75 1 4 4 0,60 .,= 0 225 0,750 0,250 3 23 0,, 30+ 0 60 1 5 5 0,30 .,= 0 150 0,900 0,100 3 23 0,, 15+ 0 30 1 6 2 0,15 .,= 0 075 0,975 0,025 23 0+ 0, 15 1 7 7 0 .,= 0 025 1,000 0 3 23 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 18
10. 6. XÁC ĐỊNH ĐỘ CHUYỂN HĨA TRỰC TIẾP TỪ THỰC NGHIỆM Quá trình tuyến tính = = ( ) = Với phản ứng bậc một cĩ –rA=kCA và cĩ khối lượng riêng khơng đổi = − = − = − ( ) 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 20
11. e−kt Thí dụ 6.3 Với bình phản ứng thực = − ( ) e−kt. E ( t ). t  − ( ) = , 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 22
12. 5. MƠ HÌNH DỊNG CHẢY THỰC   Phương trình vi phân cho khuếch tán phân tử theo phương x *   D* là hệ số khuếch tán phân tử, là thơng số duy nhất đặc trưng cho quá trình.  • • được gọi là hệ số phân tán theo phương trục   Với dịng chảy trong ống, khuấy trộn theo phương trục chủ yếu do gradient vận tốc # khuấy trộn theo phương bán kính chủ yếu do khuếch tán phân tử.       được gọi là số phân tán, là thơng số dùng để đo mức độ phân tán theo phương trục. → : phân tán khơng đáng kể, như vậy dịng chảy ống. → : phân tán hồn tồn, như vậy dịng khuấy trộn. 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 24
13. Mối quan hệ giữa D/uL và đường cong C vô thứ nguyên cho mức độ phân tán nhỏ, ph.tr (6.15) 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 26
14. Kết quả thực nghiệm sự phân tán của lưu chất của dòng chảy qua tháp chêm với vận tốc trung bình theo phương trục u 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 28
15. Phản ứng hĩa học và phân tán cân bằng vật chất cho tác chất ( −) +( − ) + Tiêu thụ do phản ứng + Tích tụ = 0 , . + =− =− + (−=) − ( ) 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 30
16. (i) Phản ứng bậc một exp = − = ( +) exp −( −) exp − D/uL nhỏ, đường cong E đạt đến dạng Gauss  =exp −  +( ) = exp −  + So sánh tỉ số kích thước để đạt cùng độ chuyển hĩa cho các bình phản ứng tương tự bình ống. = = +()  ; với cùng CA,ra tỉ số nồng độ dịng ra cho cùng cỡ bình: = +( ) ; với cùng V 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 32
17. (ii) Phản ứng bậc hai Hình 6.22. So sánh giữa bình phản ứng thực và bình ống cho phản ứng bậc hai 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 34
18. Mơ hình bình khuấy mắc nối tiếp Là mơ hình một thơng số được sử dụng rộng rãi để biểu diễn dịng chảy thực. -Lưu chất chảy qua một loạt các bình khuấy lý tưởng bằng nhau mắc nối tiếp; - Một thơng số của mơ hình là số bình khuấy cĩ trong hệ. N bình mắc nối tiếp : − − − − − / − / = = − / = − / (− )! = (− )! (− )! (− )!  − − −− == −  −  −−   ==  === (− )! (− )!  ()!(−− )! − ( ) − − == − ( ) ( )− −  ( ) −==( ) − (− )!  ==( ) == ( ) (− )! (− )! ( ) (− )! 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 36
19. Đánh giá họat động của bình phản ứng ống bằøng đường cong C: Một số dạng sai số của bình ống: (a) không sai lệch; (b) có dòng chảy tắt và vùng tù; (c) có hiện tượng tuần hòan; (d) lưu lượng đo sai, thể tích chất lỏng, tín hiệu không thực sư là trơ; (e) hai dòng chảy song song trong thiết bị 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 38
20. Một số phương pháp để tạo dịng chảy gần đạt đến dịng chảy ống trong thiết bị Hình 6.31. Các phương pháp cải thiện dịng chảy để đạt đến dạng ống. 12/30/2022 Chương 6 - Dịng chảy thực 40