Nội dung

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 Minh TuyÓn1, Ph¹m V¨n Thiªm2, Phan §×nh TuÊn3 1 Tr êng §¹i häc X© y dùng H' Néi Tr êng §¹i häc B¸ch khoa H' Néi 3 Tr êng §¹i häc B¸ch khoa Tp Hå ChÝ Minh 2 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 h nh víi tæng l u l îng pha liªn tôc v ph©n t¸n Vc + Vd = 0,36 cm3/cm2 s v tû lÖ dßng pha Vc/Vd = 1 kh«ng ®æi, v kh¶o s¸t ¶nh h ëng cña biªn ®é v tÇn sè xung ®Õn sù h×nh th nh v biÕn ®æi cña tËp hîp giät däc theo chiÒu d i th¸p. NhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu [1] ®A kh¼ng ®Þnh r»ng: sù h×nh th nh v ph©n bè giät trong th¸p trÝch ly ®Üa xung kh«ng phô thuéc ®éc lËp v o biªn ®é A v tÇn sè f cña xung m phô thuéc v o tÝch A.f. V× vËy ë ®©y sÏ kh¶o s¸t ¶nh h ëng cña c êng ®é xung (A.f) ®Õn sù h×nh th nh giät. Khi c êng ®é xung thÊp, A.f 1,4 - 1,5 cm/s, víi kÝch th íc lç 2,5 cm, th¸p ho¹t ®éng ë chÕ ®é khuÊy - l¾ng. ë chÕ ®é n y ng êi ta quan s¸t thÊy hai vïng râ rÖt: vïng khuÊy v vïng l¾ng. C¸c giät ® îc h×nh th nh 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 th nh giät. Sau khi h×nh th nh, mÆc dï c¸c giät cã kÝch th íc lín h¬n nhiÒu so víi kÝch th íc lç, c¸c giät c¹nh nhau vÉn ch a kÕt tô ë phÝa sau ®Üa m hiÖn t îng n y chØ x¶y ra ë vïng l¾ng d íi ®Üa. Khi c êng ®é xung tiÕp tôc t¨ng lªn, sù tån t¹i cña vïng l¾ng dÇn dÇn biÕn mÊt. HiÖn t îng n y x¶y ra tr íc 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 c êng ®é xung n o 2,0 cm/s), to n bé th¸p ho¹t ®ã trë ®i (A.f ®éng ë chÕ ®é ph©n t¸n. ë chÕ ®é n y, 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 h ëng m¹nh cña qu¸ tr×nh kÕt tô, ph©n t¸n l¹i, phæ ph©n bè giät theo kÝch th íc biÕn ®æi rÊt m¹nh theo chiÒu d i th¸p. Khi t¨ng c êng ®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 th nh v ®Üa th¸p, c¸c giät cã kÝch th íc 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 B¶ng 1: Gi¸ trÞ h m ph©n bè giät thùc nghiÖm Gi¸ trÞ h m ph©n bè giät thùc nghiÖm q3 (d) (1/mm) t¹i ®Üa th¸p sè d, mm 1 2 3 4 8 16 0,032 0,032 0,016 0,032 0,048 0,032 0,032 0,032 0,080 0,128 0,6 - 0,8 0,8 - 1,0 1,0 - 1,2 1,2 - 1,4 0,032 0,048 0,064 0,064 0,144 0,255 1,4 - 1,6 0,048 0,080 0,128 0,128 0,255 0,447 1,6 - 1,8 0,064 0,128 0,191 0,223 0,447 0,734 1,8 - 2,0 0,096 0,190 0,287 0,367 0,718 1,149 2,0 - 2,2 2,2 - 2,4 0,128 0,190 0,287 0,351 0,415 0,479 0,543 0,574 1,085 0,798 1,691 0,543 2,4 - 2,6 0,240 0,447 0,542 0,606 0,590 0,223 2,6 - 2,8 0,287 0,511 0,574 0,590 0,415 0,096 2,8 - 3,0 0,351 0,542 0,574 0,527 0,255 0,032 3,0 - 3,2 0,415 0,575 0,542 0,447 0,144 3,2 - 3,4 0,447 0,542 0,479 0,335 0,064 3,4 - 3,6 0,479 0,511 0,351 0,223 0,032 3,6 - 3,8 3,8 - 4,0 0,479 0,447 0,415 0,319 0,255 0,160 0,128 0,664 4,0 - 4,2 0,383 0,223 0,096 0,032 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 C¸c th«ng sè cña h m ph©n bè tËp hîp giät ® îc tÝnh nh sau: § êng kÝnh trung b×nh cña tËp hîp giät: d tb = d max d min d i .q 3 (d i ) d i §é lÖch b×nh ph ¬ng trung b×nh cña tËp hîp: 2 = d max (d i d fb ) q 3 (d i ) d i 2 d min trong ®ã dmin , dmax l kÝch th íc nhá nhÊt v lín 30 nhÊt cña tËp hîp; q3(dj) l gi¸ trÞ cña ph©n bè thùc nghiÖm t¹i kÝch th íc 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 h m 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: qˆ 3 (d ) = 1 2 exp (d d tb )2 2 2 C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n ® îc chØ ra trªn b¶ng 3. B¶ng 2: Tham sè cña ph©n bè chuÈn t¹i c¸c ®Üa kh¸c nhau cña th¸p Th«ng sè dfb , mm , mm Thø tù ®Üa 1 3,423 0,808 2 3,294 0,817 3 2,868 0,701 4 2,525 0,603 8 2,206 0,473 16 2,07 0,042 B¶ng 3: Gi¸ trÞ h m ph©n bè lý thuyÕt d, mm Gi¸ trÞ h m ph©n bè lý thuyÕt q3 (d) (1/mm) t¹i ®Üa th¸p sè 1 2 0,6 - 0,8 0,8 - 1,0 1,0 - 1,2 3 0,017 0,019 0,013 0,024 0,028 0,055 0,054 0,135 0,278 0,476 0,684 0,823 0,827 0,696 0,489 0,288 0,142 0,058 0,020 0,159 0,364 0,650 0,907 0,989 0,843 0,561 0,291 0,118 0,016 0,029 0,051 0,084 0,129 0,188 0,257 0,331 0,405 0,456 0,488 0,492 0,466 0,025 0,044 0,073 0,144 0,168 0,233 0,305 0,375 0,435 0,475 0,488 0,473 0,432 0,047 0,085 0,142 0,220 0,312 0,410 0,496 0,553 0,569 0,539 0,471 0,379 0,281 0,084 0,156 0,259 0,386 0,516 0,617 0,661 0,634 0,545 0,419 0,289 0,179 0,099 3,8 - 4,0 4,0 - 4,2 4,2 - 4,4 0,415 0,348 0,274 0,371 0,300 0,229 0,192 0,121 0,071 0,049 0,022 4,4 - 4,6 0,203 0,164 4,6 - 4,8 0,1424 0,111 4,8 - 5,0 0,093 0,071 2 16 0,011 1,2 - 1,4 1,4 - 1,6 1,6 - 1,8 1,8 - 2,0 2,0 - 2,2 2,2 - 2,4 2,4 - 2,6 2,6 - 2,8 2,8 - 3,0 3,0 - 3,2 3,2 - 3,4 3,4 - 3,6 3,6 - 3,8 n1n 2 8 0,003 0,015 §Ó kiÓm tra tÝnh t ¬ng hîp cña h m 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 u 4 v gi¸ trÞ cña chuÈn sè Wincocson u víi møc ý nghÜa = 0,05 (n1 v n2 l dung l îng mÉu cña h m 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 h m ph©n bè cã dung l îng mÉu lín (n1 = n2 >14), chuÈn sè Wincocson ® îc tÝnh theo hÖ thøc: 31 u =z n 1 n 2 (n 1 + n 2 + 1) Gi¸ trÞ h m sè: z z t2 2 0 (z ) = exp dt (t )dt = 2 2 trong ®ã z ® îc ®Þnh nghÜa tõ ph ¬ng tr×nh 0 0 ® îc t×m tõ [2]. 2 0(z ) = 1 - . n1 n 2 B¶ng 4: Gi¸ trÞ chuÈn sè tÝnh to¸n u v gi¸ trÞ chuÈn sè Wincocson u víi møc ý nghÜa 2 = 0,05 ( ChuÈn sè u n1 n 2 2 u0,05 1 12 0 (z ) = 0,475, z = 1,96 [3]) Thø tù ®Üa 1 2 3 4 8 16 4,5 18 11 2,5 2 2 67,2 72,5 61,9 56,9 49,5 33,4 Tõ nh÷ng kÕt tÝnh to¸n, dÔ d ng thÊy r»ng: n1 n 2 víi tÊt c¶ c¸c ®Üa tÊt c¶ c¸c gi¸ trÞ u 2 ®Òu nhá h¬n nhiÒu so víi chuÈn sè Wincocson t ¬ng øng. Nh vËy ph©n bè chuÈn cã thÓ m« t¶ ho n to n 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 d i 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 h m mò v tiÖm cËn ®Õn mét gi¸ trÞ æn ®Þnh dtb = 3,5252 . N-0,208 (mm), = 0,8967 . N-0,842 (mm), trong ®ã N l sè thø tù ®Üa. Gi¸ trÞ æn ®Þnh cña kÝch th íc giät trung b×nh phô thuéc v c êng ®é xung còng nh kÝch th íc 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 c êng ®é xung ® îc ® a ra trªn b¶ng 5. Tõ c¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm nªu trªn, dÔ d ng m« t¶ ® îc sù phô thuéc cña ® êng kÝnh trung b×nh v o c êng ®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 l n íc. Nh vËy ® êng kÝnh trung b×nh cña ph©n bè giät còng thay ®æi khi thay ®æi c êng ®é xung theo quy luËt h m mò. Gi¸ trÞ tiÖm cËn cña ® êng kÝnh giät khi c êng ®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 c êng ®é xung dtb , mm 32 A.f, cm/s Pha ph©n t¸n (n íc) Pha ph©n t¸n (toluen) 0,66 0,82 1 1,25 1,32 1,5 1,66 2 - - - - 7,55 7,04 4,6 2,73 6,48 4,89 4,34 3,43 1,98 IV - TÝnh to¸n bÒ mÆt tiÕp xóc pha T,i liÖu tham kh¶o §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 to n 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: 1. Phan §×nh TuÊn. LuËn ¸n TiÕn sü, Tr êng §¹i häc B¸ch khoa H Néi (1999). 2. H. Haverland. Untersuchungen zur Tropfendispergierung in fluessigkeitspulsierten Siebboden - 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 th íc, ph©n bè v h nh vi cña tËp hîp giät trong thiÕt bÞ chiÕt láng láng, TuyÓn tËp b¸o c¸o to n v¨n Héi nghÞ khoa häc to n 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 to n quèc vÒ c¸c ®Ò t i Hãa lý v Hãa lý thuyÕt, H Néi (1999). d max N. d min 1 3 d .f(d).dd = .V. 6 Khi biÕt gi¸ trÞ V, v h m ph©n bè f(d), ta dÔ d ng tÝnh ® îc N. BÒ mÆt tiÕp xóc pha S trong hÖ sÏ l : d max S = N. d 2 .f (d ).dd. d min ViÖc tÝnh N v S cã thÓ thùc hiÖn dÔ d ng 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 v o biÓu thøc d íi 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. 33