Báo cáo Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Cột chêm - Lương Duy Quốc Thịnh

Nội dung text: Báo cáo Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Cột chêm - Lương Duy Quốc Thịnh

1. I. TRÍCH YẾU 2 1. Mục đích thí nghiệm 2 2. Phương pháp thí nghiệm 2 3. Kết quả thí nghiệm 2 II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2 1. Độ giảm áp của dòng khí 2 2. Hệ số ma sát fck theo Rec khi cột khô 3 3. Độ giảm áp Pcu khi cột ướt 5 4. Điểm lụt của cột chêm 5 III. THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 6 1. Thiết bị thí nghiệm 6 2. Phương pháp thí nghiệm 7 IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 8 V. BÀN LUẬN 20 VI. PHỤ LỤC 22 VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO 23 1
2. các khoảng trống giữa các vật chêm tăng dần vận tốc thì độ giảm áp ũng tăng theo. Sự gia tăng này theo luỹ thừa từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dòng khí. n Pck G (1) Với n 1,8  2,0 - Khi có dòng chảy ngược chiều, các khoảng trống giữa những vật chêm bị thu hẹp lại. Dòng khí do đó di chuyển khó khăn hơn vì một phần thể tích tự do giữa các vật của dòng lỏng tăng đều đặn cho đến một trị số tới hạn của vận tốc khí, lúc đó độ giảm áp của dòng khí tăng vọt lên. Điểm ứng với trị số tới hạn của vận tốc khí này được gọi là điểm gia trọng. Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí quá trị số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỗ tương giữa dòng lỏng và dòng khí rất lớn, Pc tăng nhanh chóng không theo phương trình (1) nữa. Dòng lỏng lúc này chảy xuống cũng khó khan, cột ở điểm lụt. Pc - Đường biểu diễn log (độ giảm áp suất của dòng khí qua một đơn vị chiều cao Z của phần chêm trong cột) dự kiến trình bày như trên hình dưới đây. Pc log Z logG Hình 1: Ảnh hưởng của G và L đối với độ giảm áp của cột Pc 2. Hệ số ma sát fck theo Rec khi cột khô - Chilton và Colburn đề nghị một hệ thức liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm khô với vận tốc khối lượng của dòng khí qua cột. 3
3. 3. Độ giảm áp Pcu khi cột ướt - Sự liên hệ giữa độ giảm áp cột khô Pck và cột ướt Pcu có thể biểu diễn như sau Pcu  Pck (6) - Do đó có thể dự kiến fcu  fck (7) Với  : hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, kg / m2  s - Leva đề nghị ảnh hưởng của L lên  như sau  10L Hay log L - Giá trị  tuỳ thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xép vật chêm (xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự) và độ lớn của lưu lượng lỏng L. Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig 12,7mm, chêm ngẫ nhiên, độ xốp  0,586 ; giá trị L 0,39 11,7 kg / m2  s và cột hoạt động trong vùng dưới điểm gia trọng.  0,084 P - Một số tài liệu còn biểu diễn sự phụ thuộc giữa tỉ số cu với hệ số xối tưới như sau Pck 1,75 GL q 3 A 3 2 ReL F L 2g - Khi A 0,3 cho vật chêm bằng sứ có d 30 mm , ta có Pcu 1 3 (10) Pck 1 A 4G ReL (11) FaL 4. Điểm lụt của cột chêm - Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng chiếm toàn bộ khoảng trống trong phần chêm, các dòng chảy bị xáo trộn mãnh liệt, hiện tượng này rất bất lợi cho sự hoạt động của cột * chêm. Gọi giá trị của GL tương ứng với trạng thái này là GL 5
4. • Lưu lượng kế khí FK có độ chi từ 8 đến 100% - Hệ thống cấp nước gồm có • Thùng chứa nước bằng nhựa N • Bơm chất lỏng BL • Lưu lượng kế lỏng F1 có độ chia từ 0,2 đến 3,5 gallon/ph b. Các số liệu liên quan đến cột chêm - Cột thuỷ tinh • Đường kính d 0,09m • Chiều cao H 0,805m • Chiều cao phần chêm Z 0,42m - Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7 mm, bề mặt riêng a 370 380 m2 / m3 , độ xốp  0,586 - Đường kính ống thép ở đáy cột D 0,09m c. Các thông số khác của thiết bị - Các thông số trong sơ đồ thiết bị 3 • FK : Lưu lượng kế khí, V 0,286 m / ph • FL : Lưu lượng kế lỏng, GL 5,805 l / ph • BK : Quạt có công suất 1,0 Hp • BL : Bơm có công suất 0,5 Hp 2. Phương pháp thí nghiệm - Khoá tất cả các van lỏng (từ 1 đến 4) - Mở van 5 và khoá van 6 - Cho quạt chạy trong 5 phút để thổi hết ẩm trong cột. Tắt quạt. - Mở van 1 và 2. Sau đó cho bơm chạy - Mở van 3 và từ từ khoá van 1 để chỉnh mức chất lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định mức g. Tắt bơm và khoá van 3. - Đo độ giảm áp của cột khô • Khoá tất cả các van lỏng lại. Mở van 6 còn van 5 vẫn đóng. Cho quạt chạy rồi từ từ mở van 5 để chỉnh lưu lượng khí vào cột. • Ứng với mỗi giá trị lưu lượng đã chọn ta đọc Pck trên áp kế U theo mmH2O . Đo xong tắt quạt, nghỉ 5 phút. - Đo độ gimr áp khi cột ướt 7
5. Bảng 2: Kết quả tính toán cho cột khô G P Pck P / Z G % ck ck Pck 2 2 fck Reck logG log kg / m  s mmH2O N / m N / m Z 10 0,0860 2 19,62 46,71 7,6750 47,390 -1,065 1,669 20 0,1721 6 58,86 140,14 5,7562 94,781 -0,764 2,147 30 0,2581 11 107,91 256,93 4,6902 142,171 -0,588 2,410 40 0,3441 17 166,77 397,07 4,0773 189,561 -0,463 2,599 50 0,4302 23 225,63 537,21 3,5305 236,951 -0,366 2,730 60 0,5162 33 323,73 770,79 3,5177 284,342 -0,287 2,887 70 0,6022 43 421,83 1004,36 3,3676 331,732 -0,220 3,002 80 0,6883 56 549,36 1308,00 3,3578 379,122 -0,162 3,117 90 0,7743 70 686,70 1635,00 3,3163 426,512 -0,111 3,214 100 0,8603 84 824,04 1962,00 3,2235 473,903 -0,065 3,293 0,004 0,003 0,003 0,002 l o 0,002 g Z P c k 0,001 0,001 0,000 -0,001 -0,001 -0,001 -0,001 0,000 0,000 0,000 logG P Hình 3: Đồ thị log ck theo logG Z 9
6. Bảng 4: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L 0,4  G P Pcu P / Z G % cu cu f Re 2 2 cu cu kg / m2  s kg / m  s mmH2O N / m N / m 10 0,0860 2 19,62 46,71 7,675 216,744 1,0000 20 0,1721 7 68,67 163,50 6,716 216,744 1,1667 30 0,2581 15 147,15 350,36 6,396 216,744 1,3636 40 0,3441 25 245,25 583,93 5,996 216,744 1,4706 50 0,4302 45 441,45 1051,07 6,907 216,744 1,9565 60 0,5162 68 667,08 1588,29 7,249 216,744 2,0606 70 0,6022 99 971,19 2312,36 7,753 216,744 2,3023 80 0,6883 118 1157,58 2756,14 7,075 216,744 2,1071 90 0,7743 167 1638,27 3900,64 7,912 216,744 2,3857 -Ở giá trị G 90% bắt đầu xảy ra hiện tượng lụt 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,001 00,001 00,001 00,001 00,001 P Hình 5: Đồ thị log cu theo G Z 11
7. Bảng 6: Tính toán cho cột ướt tại L 0,8  G P Pcu P / Z G % cu cu f Re 2 2 cu cu kg / m2  s kg / m  s mmH2O N / m N / m 10 0,0860 3 29,43 70,07 11,512 433,487 1,5000 20 0,1721 8 78,48 186,86 7,675 433,487 1,3333 30 0,2581 18 176,58 420,43 7,675 433,487 1,6364 40 0,3441 30 294,30 700,71 7,195 433,487 1,7647 50 0,4302 65 637,65 1518,21 9,977 433,487 2,8261 60 0,5162 114 1118,34 2662,71 12,152 433,487 3,4545 70 0,6022 165 1618,65 3853,93 12,922 433,487 3,8372 -Ở giá trị G 70% bắt đầu xảy ra hiện tượng lụt 4,500 4,000 3,500 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,001 00,001 00,001 P Hình 7: Đồ thị log cu theo G Z 13
8. Bảng 8: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L 1,2  G P Pcu P / Z G % cu cu f Re 2 2 cu cu kg / m2  s kg / m  s mmH2O N / m N / m 10 0,0860 3 29,43 70,07 11,512 650,231 1,5000 20 0,1721 11 107,91 256,93 10,553 650,231 1,8333 30 0,2581 23 225,63 537,21 9,807 650,231 2,0909 40 0,3441 67 657,27 1564,93 16,069 650,231 3,9412 50 0,4302 118 1157,58 2756,14 18,113 650,231 5,1304 -Ở giá trị G 50% bắt đầu xảy ra hiện tượng lụt 3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,001 P Hình 9: Đồ thị log cu theo G Z 15
9. 4,500 4,000 3,500 L=0 3,000 L=0,2 L=0,4 2,500 L=0,6 2,000 L=0,8 L=1,0 1,500 L=1,2 L=1,4 1,000 500 000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,001 00,001 00,001 00,001 00,001 00,001 P Hình 11: Đồ thị so sánh log c theo G Z 0,004 0,004 L=0 L=0,2 0,003 L=0,4 L=0,6 L=0,8 0,003 L=1,0 L=1,2 L=1,4 0,002 0,002 -0,001 -0,001 -0,001 -0,001 0,000 0,000 0,000 P Hình 12: Đồ thị, c theo G Z 17
10. Bảng 10: Các trị số khi cột lụt L L G * L v G * %   log  log  ga / ph kg / s kg / m2  s G * m / s 1 2 1 2 0,4 0,7743 0,0301 0,7743 0,0389 0,6743 0,1677 0,0013 -0,7756 -2,8787 0,6 0,6883 0,0452 0,6883 0,0657 0,5994 0,1341 0,0022 -0,8725 -2,6514 0,8 0,6022 0,0603 0,6022 0,1000 0,5245 0,1030 0,0034 -0,9872 -2,4685 1,0 0,5162 0,0753 0,5162 0,1459 0,4496 0,0790 0,0050 -1,1021 -2,3046 1,2 0,4302 0,0904 0,4302 0,2101 0,3746 0,0551 0,0071 -1,2589 -2,1463 1,4 0,3441 0,1054 0,3441 0,3064 0,2997 0,0407 0,0104 -1,3902 -1,9824 -00,003 -00,003 -00,003 -00,002 -00,002 -00,002 -00,002 -00,002 00,000 -00,001 -00,001 -00,001 -00,001 1 -00,001  g -00,001 o l -00,001 -00,001 -00,001 -00,001 -00,002 log 2 Hình 15: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của log 1 vào log 2 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 Hình 16: Giản đồ lụt của cột chêm 19
11. 2. Giản đồ f theo Re được lập để nhằm biểu diễn sự phụ thuộc của trở lực vào lưu lượng của dòng lưu chất. Nếu lưu lượng dòng lưu chất càng lớn thì hệ số ma sát f giữa hai pha càng tăng. Lập đồ thị nhằm xác định được lưu lượng hợp lý để vận hành cột để trở lực nhỏ và thu được hiệu suất truyền khối tốt nhất giữa hai pha với nhau mà cột vẫn không bị lụt. Tuy nhiên trong đồ thị trên thì ta lại thấy điều ngược lại tức là khi lưu lượng tăng lên thì trở lực lại giảm dần, kết quả này thu được do ảnh hưởng của sai số trong quá trình thí nghiệm. Nếu biết 1 trong hai giá trị Re hoặc f thì có thể dùng đồ thị để xác định giá trị còn lại như sau: Từ giá trị f hoặc Re đã biết, kẻ một đường thẳng đứng theo phương ngang hoặc theo phương đứng, cắt đồ thị f_Re tại một điểm. Từ giao điểm đó, kẻ một đường thẳng vuông góc với trục còn lại thì sẽ xác định được giá trị cần tìm. 3. Sự liên hệ giữa các đối tượng tương đối gần với với dự đoán. Cụ thể là các mối liên hệ sau: - Log( Pck/Z) và logG là phụ thuộc tuyến tính với nhau theo đường thẳng giống như lý thuyết đã nhận định. - P cư/Z và G cũng gần như được chia thành hai vùng rõ rệt: vùng dưới điểm gia trọng và vùng trên điểm gia trọng. • Vùng dưới điểm gia trọng thì P tăng chậm và đều đặn nên các điểm này thu được gần như cùng nằm trên một đường thẳng. • Vùng trên điểm gia trọng thì P tăng nhanh, đột ngột nên đoạn thẳng rất dốc; nếu tăng lưu lượng lỏng và khí lên cao nữa sẽ tiến đến điểm lụt của cột. - Log và L: hoàn toàn phụ thuộc tuyến tính với nhau nên được thể hiện thành một đường thẳng trên đồ thị. 4. Tuy nhiên trong quá trình làm thí nghiệm cũng có nhiều sai số. Những nguyên nhân dẫn đến sai số có thể là do: • Lưu lượng dòng lỏng không ổn định do bơm • Lưu lượng dòng khí không ổn định do quạt • Cột nước duy trì ở đáy cột không đảm bảo yêu cầu làm cho nước xâm nhập vào ống đo độ chênh áp làm ảnh hưởng đến kết quả. • Sai số khi đọc và trong thao tác thí nghiệm. • Điều kiện thí nghiệm không như nhau ở các lần đo. Chú ý: Khi chỉnh xong lưu lượng dòng khí và dòng lỏng xong phải tiến hành đọc ngay kết quả. 21
12. Vôùi F: tieát dieän cuûa coät cheâm, tính baèng coâng thöùc: d 2 3,140,092 F 0,0064 (m2) 4 4 6. Tính ñieåm luït cuûa coät cheâm” f  a v 2 ck  G  0.2 1 3 td  2g L L G 2 G L Vôùi fck: heä soá ma saùt coät khoâ v: vaän toác daøi cuûa doøng khí ngay tröôùc khi vaøo coät, m/s v = G/F Trong ñoù G: löu löôïng doøng khí (m3/s) l μtd : ñoä nhôùt töông ñoái cuûa chaát loûng so vôùi nöôùc td . Neáu chaát loûng laø nöôøc thì nuoc μtd = 1. VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO - [1] Tập thể CBGD bộ môn Máy - Thiết bị, Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị, Đại học Bách Khoa Tp.HCM. - [2] Giáo trình truyền khối ,GS.TSKH.Nguyễn Bin, Đại học Bách khoa Hà Nội - [3] Vũ Bá Minh, Truyền khối, Đại học Bách Khoa Tp.HCM. 23