Thí nghiệm quá trình thiết bị - Cột chêm - Bài 3

Nội dung text: Thí nghiệm quá trình thiết bị - Cột chêm - Bài 3

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. - 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 khóa van 1 để điều chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định mức g. Tắt bơm và khóa van 3. - Đo độ giảm áp của cột khô: o Khóa 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. o Ứng với mỗi giá trị lưu lượng khí đã chọn ta đọc P ck trên áp kế U theo mmH2O. Đo xong tắt quạt, nghỉ 5 phút. - Đo độ giảm áp khi cột ướt: o Mở quạt và điều chỉnh lưu lượng khí qua cột khoảng 15 – 20%. o Mở van 1 và cho bơm chạy. Dùng van VL tại lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng (lưu lượng kế lỏng có vạch chia 0,1; 0,2; ;1,6). Nếu VL đã mở tối đa mà phao vẫn không lên thì dùng van 1 để tăng lượng lỏng. o Ứng với lưu lượng lỏng đã chọn (ví dụ: 0,1; 0,2 ) cố định, ta chỉnh lưu lượng khí và đọc độ giảm áp Pcư giống như Pck trước đó. Chú ý là tăng lượng khí đến điểm lụt thì thôi. ❖ Chú ý: - Trong quá trình đo độ giảm áp của cột ướt cần canh giữ mức long ở đáy cột luôn ổn định ở ¾ chiều cao đáy bằng cách chỉnh van 4. Nếu cần, tăng cường van 2 để nước trong cột thoát về bình chứa (van 2 dùng để xả nhanh khi giảm lưu lượng khí). - Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng BL trước, mở tối đa van 4 sau đó tắt quạt BK. - Nếu sơ xuất để nước tràn vào ống dẫn khí thì mở van xả nước ở phía bảng. -5 -
4. Bảng 2: Các trị số kết quả khi cột khô L = 0 G P G Log( P STT ck P /Z f Re ck log G log f (%) L=0 (kg/s.m2) ck ck ck /Z) ck 1 10 2 0,0784 0,4854 0,8202 42,6741 -0,3139 -1,1056 -0,0861 2 15 4 0,1176 0,9708 1,6540 64,0112 -0,0129 -0,9295 0,2185 3 20 6 0,1568 1,4562 1,5615 85,3482 0,1632 -0,8046 0,1935 4 25 8 0,1960 1,9417 1,4934 106,6853 0,2882 -0,7077 0,1742 5 30 10 0,2352 2,4271 1,4399 128,0223 0,3851 -0,6285 0,1583 6 35 11 0,2744 2,6698 1,3962 149,3594 0,4265 -0,5615 0,1449 7 40 15 0,3137 3,6406 1,3594 170,6964 0,5612 -0,5035 0,1333 8 45 18 0,3529 4,3687 1,3277 192,0335 0,6404 -0,4524 0,1231 9 50 22 0,3921 5,3395 1,3000 213,3705 0,7275 -0,4066 0,1140 10 55 26 0,4313 6,3104 1,2755 234,7076 0,8001 -0,3652 0,1057 11 60 30 0,4705 7,2812 1,2535 256,0446 0,8622 -0,3275 0,0981 12 65 35 0,5097 8,4947 1,2336 277,3817 0,9291 -0,2927 0,0912 13 70 40 0,5489 9,7083 1,2154 298,7188 0,9871 -0,2605 0,0847 14 75 45 0,5881 10,9218 1,1988 320,0558 1,0383 -0,2305 0,0787 15 80 51 0,6273 12,3780 1,1834 341,3929 1,0927 -0,2025 0,0731 16 85 56 0,6665 13,5916 1,1691 362,7299 1,1333 -0,1762 0,0679 17 90 59 0,7057 14,3197 1,1559 384,0670 1,1559 -0,1514 0,0629 -7 -
5. Bảng 4: Các trị số kết quả trường hợp cột ướt L = 0,2 G P G STT cư P /Z f  log f Log  (%) L=0,2 (kg/s.m2) cư cư cư 1 10 4 0,0784 0,9708 1,4719 1,7946 0,1679 0,2540 2 15 6 0,1176 1,4562 2,9683 1,7946 0,4725 0,2540 3 20 8 0,1568 1,9417 2,8023 1,7946 0,4475 0,2540 4 25 11 0,1960 2,6698 2,6800 1,7946 0,4281 0,2540 5 30 13 0,2352 3,1552 2,5840 1,7946 0,4123 0,2540 6 35 20 0,2744 4,8541 2,5056 1,7946 0,3989 0,2540 7 40 23 0,3137 5,5823 2,4395 1,7946 0,3873 0,2540 8 45 24 0,3529 5,8250 2,3827 1,7946 0,3771 0,2540 9 50 28 0,3921 6,7958 2,3331 1,7946 0,3679 0,2540 10 55 35 0,4313 8,4947 2,2890 1,7946 0,3596 0,2540 11 60 41 0,4705 9,9510 2,2495 1,7946 0,3521 0,2540 12 65 48 0,5097 11,6499 2,2138 1,7946 0,3451 0,2540 13 70 54 0,5489 13,1062 2,1812 1,7946 0,3387 0,2540 14 75 64 0,5881 15,5332 2,1513 1,7946 0,3327 0,2540 15 80 70 0,6273 16,9895 2,1237 1,7946 0,3271 0,2540 16 85 73 0,6665 17,7176 2,0981 1,7946 0,3218 0,2540 -9 -
6. Bảng 6: Các trị số kết quả trường hợp cột ướt L = 0,4 G P G STT cư P /Z f  log f log (%) L=0,4 (kg/s.m2) cư cư cư 1 10 6 0,0784 1,4562 2,6414 3,2206 0,4218 0,5079 2 15 8 0,1176 1,9417 5,3268 3,2206 0,7265 0,5079 3 20 10 0,1568 2,4271 5,0290 3,2206 0,7015 0,5079 4 25 14 0,1960 3,3979 4,8095 3,2206 0,6821 0,5079 5 30 16 0,2352 3,8833 4,6373 3,2206 0,6663 0,5079 6 35 22 0,2744 5,3395 4,4965 3,2206 0,6529 0,5079 7 40 25 0,3137 6,0677 4,3780 3,2206 0,6413 0,5079 8 45 30 0,3529 7,2812 4,2761 3,2206 0,6310 0,5079 9 50 36 0,3921 8,7374 4,1869 3,2206 0,6219 0,5079 10 55 42 0,4313 10,1937 4,1079 3,2206 0,6136 0,5079 11 60 48 0,4705 11,6499 4,0370 3,2206 0,6061 0,5079 12 65 56 0,5097 13,5916 3,9729 3,2206 0,5991 0,5079 13 70 64 0,5489 15,5332 3,9144 3,2206 0,5927 0,5079 14 75 77 0,5881 18,6884 3,8608 3,2206 0,5867 0,5079 15 80 84 0,6273 20,3874 3,8113 3,2206 0,5811 0,5079 16 84 97 0,6587 23,5425 3,7743 3,2206 0,5768 0,5079 -11 -
7. Bảng 8: Các trị số tính toán khi cột ướt L = 0,6 G P G STT cư P /Z f  log f log (%) L=0,6 (kg/s.m2) cư cư cư 1 10 8 0,0784 1,9417 4,7403 5,7797 0,6758 0,7619 2 15 10 0,1176 2,4271 9,5596 5,7797 0,9804 0,7619 3 20 12 0,1568 2,9125 9,0251 5,7797 0,9555 0,7619 4 25 17 0,1960 4,1260 8,6312 5,7797 0,9361 0,7619 5 30 19 0,2352 4,6114 8,3221 5,7797 0,9202 0,7619 6 35 25 0,2744 6,0677 8,0694 5,7797 0,9068 0,7619 7 40 27 0,3137 6,5531 7,8568 5,7797 0,8952 0,7619 8 45 49 0,3529 11,8926 7,6739 5,7797 0,8850 0,7619 9 50 51 0,3921 12,3780 7,5139 5,7797 0,8759 0,7619 10 55 53 0,4313 12,8635 7,3720 5,7797 0,8676 0,7619 11 60 65 0,4705 15,7759 7,2448 5,7797 0,8600 0,7619 12 65 76 0,5097 18,4457 7,1297 5,7797 0,8531 0,7619 13 70 98 0,5489 23,7853 7,0249 5,7797 0,8466 0,7619 14 75 137 0,5881 33,2508 6,9286 5,7797 0,8406 0,7619 15 80 174 0,6273 42,2310 6,8397 5,7797 0,8350 0,7619 16 83 215 0,6508 52,1819 6,7896 5,7797 0,8318 0,7619 Bảng 9: Các kết quả, hệ thức thực nghiệm Mối liên hệ Kết quả thực nghiệm Pck/Z theo G y = 1,5386x + 1,3727 fck theo Rec y = -0,0004x + 0,2207  theo L y= 0,084x + 4.10-5 Bảng 10: Các kết quả, hệ thức thực nghiệm (tt) Phương trình biểu diễn y = log(fck) và log(fcư) theo logRec Lưu lượng lỏng Dưới điểm gia trọng Vùng nhũ tương L = 0.1 y = 30,952x – 6,2133 y = 37,762x -9,9267 L = 0.2 y = 37,762x – 7,7423 y = 40,857x – 9,0287 -13 -
8. 1  g o l 0 0 5 10 L Hình 4: Giản đồ log_L 60 50 ) 40 Z / P 30 ( 20 10 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 G Hình 5: Giản đồ Pcư/Z_G với L = 0,1 -15 -
9. 60 50 ) 40 Z / k c P 30 ( 20 10 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 G Hình 8: Giản đồ Pcư/Z_G với L = 0,4 60 50 ) 40 Z / k c P 30 ( 20 10 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 G Hình 9: Giản đồ Pcư/Z_G với L = 0,5 -17 -
10. 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 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. -19 -
11. L(%). .5,805.10 3 L(kg / s.m 2 ) L 60xF L: khối lượng riêng của lỏng lấy ở nhiệt độ thường. Với F: tiết diện của cột chêm, tính bằng công thức: d 2 3,14x 0,092 F 0,0064 (m2) 4 4 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] Vũ Bá Minh, Truyền khối, Đại học Bách Khoa Tp.HCM. [3] Phạm Văn Bôn – Vũ Bá Minh – Hoàng Minh Nam, Ví dụ và bài tập-tập 10, Đại học Bách Khoa Tp.HCM -21 -