Thí nghiệm quá trình thiết bị - Cột chêm - Bài 1

Nội dung text: Thí nghiệm quá trình thiết bị - Cột chêm - Bài 1

1. I. TRÍCH YẾU: I.1 Mục đích thí nghiệm: - Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng cách xác định: o Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) khi đi qua cột. o Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô fck theo chuẩn số Reynolds (Re) của dòng khí và suy ra các hệ thức thực nghiệm. o Sự biến đổi của thừa số  liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô và qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng. o Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng). I.2 Phương pháp thí nghiệm: - Cho dòng khí với các lưu lượng khác nhau qua cột có chứa các vật chêm bằng sứ. Lần lượt khảo sát độ giảm áp khi chỉ có dòng khí chuyển động qua cột (cột khô) và khi có dòng khí chuyển động qua cột kết hợp với dòng lỏng chảy từ trên xuống với lưu lượng khác nhau (cột ướt). II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: II.1 Độ giảm áp của dòng khí: - Độ giảm áp Pck của dòng khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G của dòng khí qua cột khô (không có dòng chảy ngược chiều). Khi dòng khí chuyển động trong các khoảng trống giữa các vật chêm tăng dần vận tốc thì độ giảm áp cũng tăng theo. Sự gia tăng này theo lũy thừa từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dòng khí. n Pck = G Với n = 1,8 – 2,0. (1) - Khi có dòng lỏng 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 chêm bị lượng chất lỏng chiếm cứ. Khi tăng vận tốc dòng khí lên, ảnh hưởng cản trở của dòng lỏng tăng lên đều đặn cho đến một trí 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 dòng khí quá trị số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỗ tương giữa dòng lỏng và dòng khí rất lớn, Pc tăng mau chóng không theo phương trình (1) nữa. Dòng lỏng lúc này chảy xuống cũng khó khăn, cột chêm ở điểm lụt. - Đường biểu diễn log( Pc/Z) (độ giảm áp suất của dòng khí qua một đơn vị chiều cao của phần chêm trong cột) dự kiến như trình bày trên hình 1. -1 -
2. - Hệ số ma sát fck là hàm số theo chuẩn số vô thứ nguyên Rec, với Rec được tính theo công thức sau: GD 4G Re e c  a : độ nhớt của dòng khí, kg/ms. - Zhavoronkov đã xác định được khi dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối ứng với trị số Rec = 50. Trong vùng chảy rối, 50 < Rec < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên. Ta được: 3,8 f ck 0,2 Rec - Tuy nhiên, các hệ thức tổng quát trên không được chính xác lắm vì không xem xét được toàn bộ ảnh hưởng của hình dạng vật chêm. II.3 Độ giảm áp Pcư khi cột ướt: - Sự liên hệ giữa độ giảm áp cột khô Pck và cột ướt Pcư có thể biểu diễn như sau: Pcư =  Pck - Do đó có thể dự kiến fcư = fck Với: hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, kg/m 2s/ - Leva đề nghị ảnh hưởng của L lên  như sau:  = 10L hay log = L - Giá trị  tùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm (xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự) và độ lớn của lưu lượng dòng lỏng L. Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig 12,7mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp  = 0,586; giá trị của L từ 0,39 đến 11,7 kg/m2s 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 cư với hệ số xối tưới như sau: pck 1,75 G L q A 33 2 ReL F L 2g - Khi A< 0,3 cho vật chêm bằng sứ có d < 30mm, ta có: pcư 1 3 pck (1 A ) 4G L ReL FaL II.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*. -3 -
3. ▪ Bơm chất lỏng BL. ▪ Lưu lượng kế lỏng Fl có độ chia từ 0 dến 1,6. III.2 Các số liệu liên quan đến cột chêm: - Cột thủy tinh: o Đường kính d = 0,09 m. o Chiều cao H = 0,805 m. o Chiều cao phần chêm Z = 0,42 m. - Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7mm, bề mặt riêng a = 370 – 380 m2/m3, độ xốp  = 0,586. - Đường kính ống thép ở đáy cột D = 0,09m. - III.3 Phương pháp thí nghiệm: - Khóa lại tất cả van lỏng (từ 1 đến 4). - Mở van 5 và khóa van 6. -5 -
4. IV.1. Các trị số kết quả khi cột khô L=0 Bảng 2: Các trị số kết quả khi cột khô L = 0 G. G, Pck, Pck, Pck/Z, fck (thực 2 2 2 Reck logG log( Pck/Z) % kg/s.m mmH2O N/m (N/m )/m nghiệm) 10 0.087 1.000 9.810 23.357 3.829 49.702 -1.059 1.368 20 0.175 3.000 29.430 70.071 2.872 99.404 -0.758 1.846 30 0.262 4.000 39.240 93.429 1.702 149.107 -0.582 1.970 40 0.349 7.000 68.670 163.500 1.675 198.809 -0.457 2.214 50 0.437 9.000 88.290 210.214 1.378 248.511 -0.360 2.323 60 0.524 11.000 107.910 256.929 1.170 298.213 -0.281 2.410 70 0.611 14.500 142.245 338.679 1.133 347.915 -0.214 2.530 80 0.699 18.000 176.580 420.429 1.077 397.618 -0.156 2.624 90 0.786 21.000 206.010 490.500 0.993 447.320 -0.105 2.691 100 0.873 27.000 264.870 630.643 1.034 497.022 -0.059 2.800 IV.2.Các trị số kết quả trường hợp cột ướt Bảng 3: Các trị số kết quả trường hợp cột ướt L = 0,2 G. G, Pcư, Pcư, Pcư/Z, Pck, 2 2 2 2  fck fcư Recư logG log( Pcư/Z) % kg/s.m mmH2O N/m (N/m )/m N/m 10 0.087 1.000 9.810 23.357 9.810 1.000 3.829 3.829 49.702 -1.059 1.368 20 0.175 3.000 29.430 70.071 29.430 1.000 2.872 2.872 99.404 -0.758 1.846 30 0.262 5.000 49.050 116.786 39.240 1.250 1.702 2.127 149.107 -0.582 2.067 40 0.349 7.000 68.670 163.500 68.670 1.000 1.675 1.675 198.809 -0.457 2.214 50 0.437 10.500 103.005 245.250 88.290 1.167 1.378 1.608 248.511 -0.360 2.390 60 0.524 13.000 127.530 303.643 107.910 1.182 1.170 1.383 298.213 -0.281 2.482 70 0.611 17.000 166.770 397.071 142.245 1.172 1.133 1.328 347.915 -0.214 2.599 80 0.699 21.000 206.010 490.500 176.580 1.167 1.077 1.256 397.618 -0.156 2.691 90 0.786 26.000 255.060 607.286 206.010 1.238 0.993 1.229 447.320 -0.105 2.783 100 0.873 31.000 304.110 724.071 264.870 1.148 1.034 1.187 497.022 -0.059 2.860 -7 -
5. Bảng 6: Các trị số kết quả trường hợp cột ướt L = 0,8 G. G, Pcư, Pcư, Pcư/Z, Pck, 2 2 2 2  fck fcư Recư logG log( Pcư/Z) % kg/s.m mmH2O N/m (N/m )/m N/m 10 0.087 3.000 29.430 70.071 9.810 3.000 3.829 11.486 49.702 -1.059 1.846 20 0.175 9.000 88.290 210.214 29.430 3.000 2.872 8.615 99.404 -0.758 2.323 30 0.262 18.000 176.580 420.429 39.240 4.500 1.702 7.658 149.107 -0.582 2.624 40 0.349 41.000 402.210 957.643 68.670 5.857 1.675 9.811 198.809 -0.457 2.981 50 0.437 68.000 667.080 1588.286 88.290 7.556 1.378 10.414 248.511 -0.360 3.201 60 0.524 105.000 1030.050 2452.500 107.910 9.545 1.170 11.167 298.213 -0.281 3.390 70 0.611 186.000 1824.660 4344.429 142.245 12.828 1.133 14.534 347.915 -0.214 3.638 Bắt đầu lụt tại G=70% Bảng 7: Các trị số kết quả trường hợp cột ướt L = 1 G. G, Pcư, Pcư, Pcư/Z, Pck, 2 2 2 2  fck fcư Recư logG log( Pcư/Z) % kg/s.m mmH2O N/m (N/m )/m N/m 10 0.087 3.000 29.430 70.071 9.810 3.000 3.829 11.486 49.702 -1.059 1.846 20 0.175 11.000 107.910 256.929 29.430 3.667 2.872 10.529 99.404 -0.758 2.410 30 0.262 23.000 225.630 537.214 39.240 5.750 1.702 9.785 149.107 -0.582 2.730 40 0.349 49.000 480.690 1144.500 68.670 7.000 1.675 11.726 198.809 -0.457 3.059 50 0.437 92.000 902.520 2148.857 88.290 10.222 1.378 14.090 248.511 -0.360 3.332 60 0.524 173.000 1697.130 4040.786 107.910 15.727 1.170 18.400 298.213 -0.281 3.606 Bắt đầu lụt tại G=60% -9 -
6. 0.2 0 0 0.4 0 0 0.6 0 0 0.8 0.477121255 0.477121255 1 0.477121255 0.477121255 1.2 0.602059991 0.636788689 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 log σ 0.2 0.1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 -0.1 L G=10 G=20 Hình 4: Giản đồ log_L -11 -
7. log(fck)-Re 49.702 198.809 248.511 298.213 347.915 397.618 447.320 497.022 Poly. (log(fck)-Re) Poly. (log(fck)-Re) Hình 6: Giản đồ logfck -Reck fcu 0.2 fcu 0.4 fcu 0.6 fcu 0.8 fcu 1 fcu 1.2 Hình7:Giản đồ logfcư theo Rec -13 -
8. V. BÀN LUẬN: - Dựa vào đồ thị và số liệu thực nghiệm ta thấy: o Đối với cột khô: khi G tăng thì độ giảm áp tăng theo đường thẳng. o Đối với cột ướt: khi G tăng thì độ giảm áp cũng tăng theo nhưng chia thành từng vùng rõ rệt như giản đồ trong lý thuyết đã đề cập. Khi lưu lượng lỏng càng tăng thì cột càng dễ gần đến điểm lụt hơn. Từ đồ thị thu được ta thấy vùng sau điểm gia trọng thì giá trị P tăng lên rất nhanh, đột ngột. Đoạn thẳng ở trong vùng này rất dốc nên ta rất khó vận hành cột chêm ở chế độ nhũ tương này mặc dù cột chêm hoạt động tốt nhất ở chế độ đó. - 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 giảm. 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. - Sự liên hệ giữa các đối tượng tương đối gần với với dự đoán. Cụ thể là các mối liên hệ sau: o Log( Pck/Z)_logG là phụ thuộc tuyến tính với nhau theo đường thẳng giống như lý thuyết đã nhận định. o P cư/Z_G cũng gần như được chia thành hai vùng rõ rệt: vùng dưới điểm gia trọng và vùng trên điểm gia trọng. Vùng dưới điểmgia 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. o Log_L: hoàn toàn phụ thuộc tuyến tính với nhau nên được thể hiện thành một đường thẳng trên đồ thị. Phù hợp với lý thuyết đã đề cập đến. Tuy nhiên trong quá trình làm thí nghiệm cũng có nhiều sai số. Những nguyên nhân dẫn đến sai số có thể là do: o Lưu lượng dòng lỏng không ổn định. o Lưu lượng dòng khí không ổn định. o 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. o Ma sát giữa dòng khí có tốc độ lớn với ống dẫn làm cho ống nóng lên và làm tăng thể tích khí làm tăng áp suất cũng ảnh hưởng đến độ chênh áp. -15 -