Báo cáo Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Khuấy chất lỏng - Lương Duy Quốc Thịnh

Nội dung text: Báo cáo Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị - Khuấy chất lỏng - Lương Duy Quốc Thịnh

1. Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị Bài: Khuấy Chất Lỏng MỤC LỤC I. TRÍCH YẾU 2 1. Mục đích 2 2. Phương pháp thí nghiệm 2 3. Kết quả thí nghiệm 2 II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 3 1. Khái niệm 3 2. Xác định công suất khuấy P 3 3. Giản đồ công suất và các chuẩn số đặc trưng 4 4. Nguyên tắc khuếch đại đồng dạng 6 5. Tiên đoán công suất cho hệ thống thực 6 III. THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 6 1. Thiết bị thí nghiệm 6 2. Phương pháp thí nghiệm 7 3. Nội dung thí nghiệm 7 IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 8 V. BÀN LUẬN 12 VI. PHỤ LỤC 16 VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 1
2. Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị Bài: Khuấy Chất Lỏng 600 0,06 800 0,07 1000 0,08 200 0,02 400 0,04 CP2 (có chặn) 600 0,05 800 0,06 1000 0,06 50 0,04 400 0,05 CP2 (không chặn) 700 0,06 900 0,08 1100 0,10 DẦU 50 0,04 400 0,06 CP2 (có chặn) 700 0,10 900 0,12 1100 0,18 II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 1. Khái niệm - Khuấy là quá trình làm giảm sự không đồng nhất trong chất lỏng. Đó là sự chênh lệch về nồng độ, độ nhớt, nhiệt độ, ở những vị trí khác nhau trong lòng chất lỏng 2. Xác định công suất khuấy P - Công suất khuấy P phụ thuộc nhiều yếu tố được biễu như sau: P f (N,d, , , D, H, Z, các kích thước khác) (1) - Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập các phương trình chuẩn số tính công suất khuấy dưới dạng: 3 5 P NP N d (2) - Trong đó Np là chuẩn số công suất, nó phụ thuộc vào chế độ thủy động lực học của thiết bị: NP f (Re, Fr,Ga, ) (3) Với: P • N : Chuẩn số công suất, vô thứ nguyên. P N 3d 5 3
3. Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị Bài: Khuấy Chất Lỏng - Suy thẳng từ định nghĩa chuẩn số Re của dòng chảy khi thay vận tốc v bằng số vòng quay N D v  d 2  N  Re (5)   c. Chuẩn số Froude: - Là tỉ số giữa lực ly tâm và gia tốc trọng trường d  N 2 v2 Fr (6) g d  g - Chính quân bình giữa hai lực này tạo nên xoáy lốc hình phễu. Xoáy lốc này gây ra lực phụ tác dụng ngang lên trục khuấy, lực này sẽ rất lớn nếu độ sâu xoáy phễu lớn hơn độ sâu cánh khuấy tính từ mặt thoáng chất lỏng và khi đó khí sẽ lọt vào chất lỏng làm giảm đáng kể hiệu suất khuấy. Sự tạo phễu còn gây sự đảo, lắc trục khuấy nếu trục khuấy không được lắp đặt chính tâm. Vận tốc khuấy càng cao thì khả năng tạo xoáy phễu càng lớn, để khắc phục hiện tượng này, người ta bố trí những tấm chặn để ngăn cản sự tạo phễu, khi này hiệu suất khuấy tăng lên nhưng công suất cánh khuấy cũng tăng lên do sức cản khuấy tăng. - Nếu lực ly tâm nhỏ Re 300 thì chuẩn số Fr chưa đáng kể (gần bằng số không) và công suất khuấy trong trường hơp có tấm chắn và không có tấm chắn là như nhau, xoáy lốc chưa xuất hiện. -Ở chuẩn số Re cao trong bình không có tấm chắn người ta gộp ảnh hưởng của chuẩn số Fr vào chuẩn số công suất qua định nghĩa của chuẩn số công suất hiệu chỉnh: N N * P (7) P Frm - Lũy thừa m tùy thuộc hình dáng của cánh khuấy và của hệ thống a log(Re) m (8) b Trong đó : a, b là các hằng số phụ thuộc hình dạng cánh khuấy và các thừa số hình dạng. H Z - Đối với chong chóng 3 cánh bước 2 có 3,3 và 1 thì a 1,7 và b 18,0 . d d - Một cách tổng quát, ta có : N f Re,Fr C Re Fr 2 (9) P0 N Trong đó : CN, 1, 2, là các hằng số phụ thuộc chế độ khuấy. - Nếu lưu chất khuấy có chế độ chảy : 1 • Chảy tầng : 1 1, 2 0 khi này P0 CN Re . 5
4. Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị Bài: Khuấy Chất Lỏng - 1 trục gắn cánh khuấy - 1 bộ tấm chặn 4 tấm - 1 động cớ ¼ mã lực có thể thay đổi vận tốc 0 – 1200 v/ph bằng hộp số - 1 lực kế lò xo có thang đo 0 – 2lbf - 1 vận tốc kế có 3 thang đo ( 0- 300; 0- 600; 0 – 1200 v/ph) 2. Phương pháp thí nghiệm a. Đo công suất khuấy - Công suất khuấy P được tính bằng công thức P 2 r  F  N (10) Trong đó: r 5 inch : là khoảng cách từ vị trí gắn trục lò xo đến động cơ F : lực ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy N : số vòng quay của cánh khuấy b. Vận tốc khuấy N: - Đọc trên vận tốc kế (vòng/phút) 3. Nội dung thí nghiệm (1) Chọn lưu chất dầu hay là nhớt để tiến hành TN (2) Chọn cánh khuấy turbine (CT2 hay CT3) hay cánh khuấy chân vịt CP2 lắp vào trục khuấy (3) Đối với nhớt điều chỉnh tốc độ khuấy là 200, 400, 600, 800, 1000. Còn đối với dầu thì chọn tốc độ khuấy là 50, 400, 700, 900, 1100 vòng/phút - Chú ý khi tiến hành TN : • Không nên chạy máy quá 1100 vòng/phút máy sẽ rung, nguy hiểm • Khi đọc vận tốc luôn thử để vận tốc kế ở thang 0 – 1200prm trước. Nếu thấy chưa đủ chính xác thì mới giảm xuống thang đo nhỏ hơn . Tránh để kim chỉ nhảy quá mức tối đa của thang đo. • Mỗi khi bật tắt động cơ hay thay đổi vận tốc khuấy, phải dùng tay giữ động cơ cho lực ban đầu không làm động cơ xoay mạnh sẽ gây va chạm và làm hư máy. • Khi tháo lắp cánh khuấy , trục không để rơi xuống làm vỡ bình. • Trước khi dùng lực kế phải chỉnh về 0 khi động cơ quay. • Khi quay hộp số để điều chế vận tộc, phải tháo rời lò xo khỏi động cơ. 7
5. Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị Bài: Khuấy Chất Lỏng Bảng 3: Tính toán số liệu với lưu chất là nhớt và cánh khuấy CT 3 N (v/p) N (v/s) F (ldf) F (N) P (W) Re NP Ghi chú 200 3,33 0,03 0,1335 0,3551 126,016 10,8974 CT3 400 6,67 0,04 0,1780 0,9469 252,032 3,6325 (không 600 10,00 0,06 0,2670 2,1306 378,048 2,4216 chặn) 800 13,33 0,08 0,3560 3,7877 504,065 1,8162 1000 16,67 0,08 0,3560 4,7346 630,081 1,1624 200 3,33 0,02 0,0890 0,2367 126,016 7,2649 400 6,67 0,04 0,1780 0,9469 252,032 3,6325 CT3 (có 600 10,00 0,05 0,2225 1,7755 378,048 2,0180 chặn) 800 13,33 0,07 0,3115 3,3142 504,065 1,5892 1000 16,67 0,08 0,3560 4,7346 630,081 1,1624 012 010 008 006 Không chặn Có chặn 004 002 000 0 100 200 300 400 500 600 700 Hình 2: Giản đồ NP Re cho lưu chất là nhớt với cánh khuấy CT 3 9
6. Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị Bài: Khuấy Chất Lỏng Bảng 5: Tính toán số liệu với lưu chất là dầu và cánh khuấy CP2 N (v/p) N (v/s) F (ldf) F (N) P (W) Re NP Ghi chú 50 0,83 0,04 0,1780 0,1184 75,768 98,0774 CT2 400 6,67 0,05 0,2225 1,1836 606,144 1,9156 (không 700 11,67 0,06 0,2670 2,4857 1060,752 0,7506 chặn) 900 15,00 0,08 0,3560 4,2611 1363,825 0,6054 1100 18,33 0,10 0,4450 6,5101 1666,897 0,5066 50 0,83 0,04 0,1780 0,1184 75,768 98,0774 400 6,67 0,06 0,2670 1,4204 606,144 2,2987 CT2 (có 700 11,67 0,10 0,4450 4,1428 1060,752 1,2510 chặn) 900 15,00 0,12 0,5340 6,3917 1363,825 0,9081 1100 18,33 0,18 0,8010 11,7181 1666,897 0,9119 120 100 80 60 Không chặn Có chặn 40 20 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Hình 4: Giản đồ NP Re cho lưu chất là dầu với cánh khuấy CP2 11
7. Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị Bài: Khuấy Chất Lỏng - Lắp tấm chặn sẽ làm tăng trở lực cản trở dòng chảy xoáy tròn của chất lỏng trong bồn khuấy. Từ đó làm tăng lực ma sát của dòng chảy. Trong trường hợp không có tấm chặn nếu dùng một công suất bằng với trường hợp không lắp tấm chặn thì do trở lực dòng chảy đó, vận tốc khuấy sẽ đạt giá trị thấp hơn. Vì vậy, để đảm bảo được vận tốc khuấy cần thiết, ta phải cung cấp một công suất lớn hơn trường hợp không lắp tấm chặn.Tuy nhiên, khi lắp tấm chặn sẽ ngăn cản được sự hình thành xoáy phễu, làm tăng hiệu suất khuấy, bên cạnh đó công suất khuấy cũng tăng do trở lực cản của tấm chặn lên sự khuấy tăng - Tuy nhiên, với trường hợp của dầu, khi vận tốc khuấy đạt đến một giá trị nào đó thì chuẩn số công suất ở hai trường hợp lại tiến về gần bằng nhau. Có vẻ như kết quả trên hoàn toàn ngược lại so với hai giản đồ trong sách hướng dẫn thí nghiệm. Còn đồ thị 3 thì lại giống với 2 giản đồ trong sách hướng dẫn. Nguyên nhân có thể do thiết bị: khi quay lâu trong nhớt (dầu) do có độ nhớt cao nên khi hệ thống khuấy hoạt động lâu sẽ làm lỏng khớp nối cánh khuấy với trục khuấy. Điều này làm cho việc đo lực khó khăn hơn, số liệu thu nhận được từ lực kế không còn tính chính xác nữa. Ngoài ra, hệ thống gồm: động cơ, hộp số được đỡ trên ổ bi, khi hệ thống hoạt động không ngừng dao động số đo lực kế dao động liên tục khó xác định chính xác giá trị và sai số do không kể đến ma sát trong ổ bi đỡ động cơ (chống lại ma sát giữa cánh khuấy và chất lỏng làm sai kết quả đo lực). Câu 2: Sự tiêu thụ năng lượng của từng loại cánh khuấy - Với cùng một loại cánh khuấy và cùng điều kiện thí nghiệm về các thông số khác, đường kính cánh khuấy càng lớn thì năng lượng tiêu thụ càng lớn. - Trong trường hợp đó, năng lượng tiêu thụ phụ thuộc vào tiết diện vuông góc với vận tốc dài của cánh khuấy. Tiết diện càng lớn, lực cản của chất lỏng lên cánh khuấy càng lớn năng lượng tiêu hao để thắng lực cản đó càng lớn. - Lực cản này được biểu diễn bởi phương trình của Newton : dv P   A dy Trong đó : • P : Lực cản N . •  : Hệ số nhớt động lực học N  s / m2 . • A : Tiết diện vuông góc với vận tốc dòng chảy. dv • : Gradient vận tốc lưu chất theo phương vuông góc dòng chảy. dy - Trong thí nghiệm, ta thấy 13
8. Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị Bài: Khuấy Chất Lỏng - Theo bản chất: lực ly tâm có xu hướng đem các phần tử chất lỏng từ tâm ra ngoài. Đến thành bình, chúng bị cản lại và ứ đọng tại đó. Vì vậy mật độ các phần tử chất lỏng ở tâm bình sẽ ít hơn ở ngoài thành bình vì vậy sẽ xuất hiện dạng lõm (do thiếu chất lỏng ở tâm bình khuấy). - Cánh khuấy chân vịt có tác dụng tăng cường khuấy trộn dọc nên sẽ ít tạo xoáy phễu hơn. - Thường thì xoáy phễu không có lợi, vì trên bề mặt chất lỏng sẽ xuất hiện nhiều chỗ xoáy lớn và sự chuyển động của chất lỏng trong lòng đôi khi bị hạn chế do sự mất mát năng lượng nhiều và sự tạo bọt trong khi khuấy. Hơn nữa, xoáy phễu hình thành và tồn tại làm giảm lực khuấy trộn ,đôi khi còn có tác dụng ngược lại làm xuất hiện khả năng phân li làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy. Do vậy thực tế người ta thường tránh khả năng tạo xoáy phễu bằng các phương án sau: • Đặt lệnh tâm cánh khuấy vào bể (thùng) khuấy: đặt nghiêng hay đặt nằm ngang • Ghép thanh chặn trong thùng khuấy: Ghép thanh chặn ở thành thùng, dùng vòng cản, thanh rối dòng, các ống thẳng đứng đặt trong thùng, các vòng ống, - Tuy nhiên, việc đặt lệch tâm cánh khuấy và ghép thanh chặn trong thùng chắn sẽ xuất hiện thêm trở lực cục bộ và xuất hiện vùng tù để giảm thỉu vùng tù ta phải tăng vận tốc khuấy trộn. Câu 5: Nhận xét mức độ tin cậy của phương pháp đồng dạng.Phân tích trường hợp bồn “50m 3” ở trên: - Phương pháp đồng dạng là phương pháp được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu và thiết kế các hệ thống. Như đã đề cập ở phần lý thuyết, hai quá trình được gọi là đồng dạng phải thỏa: • Đồng dạng hình học. • Đồng dạng động học. • Đồng dạng động lực học. - Mô hình đồng dạng hoàn toàn đòi hỏi tất cả các chuẩn số vô thứ nguyên tương ứng bằng nhau. - Tuy nhiên, khi áp dụng mô hình đồng dạng của mô hình thí nghiệm vào mô hình sản xuất công nghiệp sẽ khó tránh khỏi những sai khác về một số thông số kĩ thuật. Vì vậy, để có thể áp dụng những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm vào thực tế thường người ta sẽ thêm 1 hay 1 vài thông số hiệu chỉnh. - Mức độ tin cậy của phương pháp đồng dạng là có thể chấp nhận được trong khi chưa có một mô hình giải tích chính xác để tính toán các hệ thống thực. - Trong mô hình sản xuất công nghiệp, yêu cầu năng suất được đặt lên hàng đầu và công suất khuấy trộn lớn hơn rất nhiều so với thí nghiệm. Theo thí nghiệm trên ReL 1000 rất nhỏ 15
9. Báo cáo Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị Bài: Khuấy Chất Lỏng d 2 N Re  P 2 rFN - Tính toán cho trường hợp bồn nhớt thực tế 50 m3 2 2 DN H 0,24 0,16 3 • Thể tích bồn thí nghiệm : VTN 0,007328 m 4 4 3 • Thể tích bồn thực tế : VTT 50 m VTT 50 • Tỉ số đồng dạng hình học : l 3 3 19,045 VTN 0,007328 • Đường kính bồn thực tế : DTT DN 19,045 4,57 m • Đướng kính cánh khuấy : dTT d 19,045 1,45 m - Chọn giá trị N v / s sao cho Re (tính theo dTT ) Re (tính theo d ) - Từ giản đồ NP Re của cánh khuấy CT 2 trường hợp khuấy nhớt, tra giá trị NP cho trường hợp thực tế 3 5 - Tính công suất khuấy thực tế : PTT NP N dTT VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tập thể Tác giả bộ môn Máy & Thiết bị – Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu khí – Trường Đại học Bách khoa –Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh, “ Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị”, 09/2003. [2]. Tập thể tác giả, “ Sổ tay Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hóa chất – tập 1”, Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật Hà Nội, 1992. [3]. Nguyễn Văn Lụa, “Quá trình & Thiết bị Công nghệ Hóa học & Thực phẩm – tập 1 – Các Quá trình & Thiết bị Cơ học – quyển 1- Khuấy Lắng Lọc”,NXB –Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2001. 17