Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị - Bài: Khuấy chất lỏng

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị - Bài: Khuấy chất lỏng

1. Khuấy chất lỏng I. TRÍCH YẾU 1. Mục đích Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy với hệ thống có hình dạng khác nhau 2. Phương pháp thí nghiệm: Tiến hành thí nghiệm bằng cách thiết lập nhiều hệ thống khuấy khác nhau về: ▪ Loại cánh khuấy: cánh khuấy turbine (CT2, CT3) và chân vịt (CP2) ▪ Chế độ khuấy (có và không có tấm chặn) trong các chất lỏng có độ nhớt và khối lượng riêng khác nhau (dầu và nhớt). Ở mỗi thí nghiệm, ta thay đổi vận tốc khuấy và lần lượt đo các đại lượng : ▪ Vận tốc khuấy N. ▪ Lực cản Ff của cánh khuấy qua lực kế lò xo. 3. Kết quả. - Xây dựng giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho các trường hợp thí nghiệm - Xây dựng mô hình thực một bồn chứa nhớt có thể tích 50 m3 đồng dạng hình học với bình thí nghiệm khuấy nhớt. II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM 1. Khái niệm Khuấy chất lỏng là cung cấp năng lượng để tạo một dòng chảy thích hợp trong thiết bị Khuấy trộn trong môi trường lỏng thường được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hoá chất, thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để làm tăng cường quá trình truyền nhiệt, truyền khối phản ứng hoá học .Người ta có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí, bằng khí nén (sục khí) hoặc bằng tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng. Phạm vi ứng dụng của một số loại cánh khuấy (khuấy trộn bằng cơ khí). - Cánh khuấy mái chèo : Để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt nhỏ, thường dùng để hoà tan chất rắn có khối lượng riêng không lớn lắm. - Cánh khuấy chân vịt : Để điều chế huyền phù, nhũ tương. Loại cánh khuấy này dùng không thích hợp đối với chất lỏng có độ nhớt cao hoặc khuấy trộn hỗn hợp, trong đó khối lượng riêng của pha rắn lớn - Cánh khuấy turbine : Để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao ( = 5.105 cP), để điều chế huyền phù mịn, để hoà tan nhanh chất rắn hoặc để khuấy trộn chấtlỏng đã lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 80%. 1
2. Khuấy chất lỏng N 2d Fr (4) g : Chuẩn số Froude, tỉ số giữa lực li tâm và lực trọng trường đặc trưng cho sự hình thành xoáy phễu. d Z H , , , : Các thừa số hình dạng của hệ thống. D D D Giữa các hệ thống thoả mãn điều kiện đồng dạng hình học, các thừa số hình dạng bằng nhau. Ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của chúng. Vì thế : NP = f* (Re, Fr) (5) 4. Giản đồ công suất. a. Công thức để xác định công suất khuấy trôn 3 5 P = NPN d (6) Trong đó Np phụ thuộc vào hai chuẩn số Re và Fr. Việc xác định chuẩn số công suất khuấy Np bằng giải tích cho đến nay vẫn còn gặp nhiều khó khăn. Vì thế, người ta dùng thực nghiệm để xây dựng quan hệ giữa ba chuẩn số nói trên. Thông thường, người ta cố định một trong hai thông số (giả sử là Re) ở một giá trị Re1 nào đó, làm thí nghiệm với các giá trị Fr1, Fr2, để được các Np tương ứng. Sau đó sẽ thay đổi Re đến các Re2, Re3, và lặp lại quy trình. Dễ thấy rằng ta sẽ có được một mặt phẳng trong hệ toạ độ Re – Fr – Np để mô tả phương trình (5) b. Dạng công thức đơn giản nhất để xác định chuẩn số công suất khuấy là b c NP = K’Re Fr (7) Trong đó giá trị K’, b và c được xác định bằng thực nghiệm và dựa vào loại cánh khuấy hình dạng bình chứa, chế độ chuyển động của lưu chất Chuẩn số Fr thường quan trọng chỉ trong các trường lõm xoáy xuất hiện và có thể bỏ qua nếu giá trị của chuẩn số Re nhỏ hơn 300. Khi đó b NP = K’Re (8) Với giá trị Re < 10 thì b = -1 khi đó công thức xác định công suất là P = K’ N2D3 (9) Giá trị K’ phụ thuộc vào loại cánh khuấy, cách sắp đặt bình khuấy Đối với các giá trị cao hơn của Re Chuẩn số Fr cũng góp phần ảnh hưởng đến giá trị Np Đồ thị mô tả quan hệ đó gọi là giản đồ chuẩn số công suất khuấy III. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 1. Dụng cụ, thiết bị 3
3. Khuấy chất lỏng - Lắp cánh khuấy vào hệ thống (khi lắp cần chú ý không để rơi xuống làm vỡ bình). - Lắp tấm chặn nếu là chế độ có tấm chặn ( chú ý va chạm làm bể bình ). - Chọn chế độ vận tốc (0-600 vòng/phút) - Chỉnh lực kế lò xo về 0. - Bật động cơ (dùng tay giữ động cơ để cho lực ban đầu không làm động cơ xoay mạnh sẽ gây ra va chạm làm hư máy). - Chỉnh hộp số vận tốc đến mức cần thiết. - Khi động cơ quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy làm cho động cơ quay trên ổ bi. Ta gắn lò xo lực kế vào động cơ để hãm nó lại và đọc số đo trên lực kế. - Dùng tay giữ động cơ, tháo lò xo lực kế ra,chỉnh vaận tốc về 0,tắt máy - Mở máy, tiếp tục thay đổi vận tốc bằng hộp số, móc lò xo lực kế vào và đọc số đo mới. IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1. Bảng số liệu a. Với lưu chất là nhớt. Nhớt - không thanh chặn N(v/phut) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re Np Ghi chú 100 1.667 0.10 0.445 0.592 90.732 58.363 200 3.333 0.12 0.534 1.420 181.463 17.509 300 5.000 0.14 0.623 2.484 272.195 9.079 CT2 400 6.667 0.20 0.890 4.732 362.926 7.295 Nhớt - thanh chặn 100 1.667 0.08 0.356 0.473 90.732 46.690 200 3.333 0.10 0.445 1.183 181.463 14.591 300 5.000 0.12 0.534 2.129 272.195 7.782 400 6.667 0.18 0.801 4.259 362.926 6.566 Nhớt - không thanh chặn Ghi CT N(v/phut) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re Np 3 chú 100 1.667 0.08 0.356 0.473 63.008 116.180 5
4. Khuấy chất lỏng 2. Đồ thị. a. Với lưu chất là nhớt. ( “Nhớt-1” : không có thanh chặn.” Nhớt-2”: có thanh chặn) 7
5. Khuấy chất lỏng b. Với lưu chất là dầu (“ Dầu-1”: không thanh chặn.”Dầu-2”: có thanh chặn) 3. Tiên đoán công suất cho hệ thống bồn chứa nhớt có thể tích 50 m3, đồng dạng với bình khuấy nhớt sử dụng cánh khuấy CT3, bồn không có thanh chặn. * Bể khuấy sử dụng cánh khuấy CT3 có những đặc điểm sau - Đường kính bể DTN = 0.25 m - Chiều cao mực chất lỏng HTN = 0,284 m - Đường kính cánh khuấy dTN = 0.0635 m 3 * Thiết kế bể chứa có thể tích VTT = 50 m Ta có : 9
6. Khuấy chất lỏng V. BÀN LUẬN 1. Nhận xét ảnh hưởng của tấm chặn với công suất khuấy: Theo bảng số liệu: - Đối với lưu chất là nhớt: + Trường hợp cánh khuấy CT2: cơng suất khuấy khi cĩ thanh chặn nhỏ hơn khi khơng cĩ thanh chặn + Trường cánh khuấy CT3 và CP2 thì cơng suất khuấy khi khơng cĩ thanh chặn nhỏ hơn khi cĩ thanh chặn - Đối với lưu chất là dầu: cánh khuấy CT2, cơng suất khuấy khi cĩ thanh chặn lớn hơn khi khơng cĩ thanh chặn, giá trị công suất 2 trường hợp xấp xỉ nhau. Giải thích: - Khi lực ly tâm nhỏ, công suất khuấy lúc không có tấm chặn đạt giá trị gần như khi có tấm chặn vì ứng với giá trị lực ly tâm nhỏ ảnh hưởng của lực này chưa đáng kể xoáy lốc chưa xuất hiện và dòng lưu chất chuyển động không có tương tác nhiều với cánh khuấy và tấm chắn. Lực ma sát tác dụng lên cánh khuấy trong cả hai trường hợp này xấp xỉ nhau. - Khi lực ly tâm lớn và không có tấm chặn sẽ xuất hiện xoáy lốc (do sự cân bằng giữa lực ly tâm trở nên đáng kể với trọng lực ø tạo nên chuyển động xoay tròn của lưu chất) khi khuấy trộn ở vận tốc cao làm tiêu tốn một phần năng lượng, quá 11
7. Khuấy chất lỏng 4. Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu? - Chất lỏng khi chuyển động trong thùng khuấy chịu tác dụng của trường lực ly tâm cánh khuấy, cho nên bề mặt thoáng chất lỏng trong thiết bị từ phẳng chuyển thành parabol mà đáy của nó tại tâm. Hiện tượng này gọi là sự tạo phễu trong thiết bị khuấy. Khi Rek ≥ 300 lưu chất ở chế độ chảy xoáy và xuất hiện xoáy phễu. - Xoáy phễu là có hại vì: * Aûnh hưởng không tốt đến quá trình khuấy. Từ phễu, khí có thể xâm nhập vào môi trường lỏng giảm hiệu quả của quá trình khuấy đồng thời cánh khuấy chịu tác dụng của lực phụ làm tăng công suất khuấy. * Tạo sự phân lớp cho quá trình khuấy trộn (do lực ly tâm, chất co kích thước lớn đẩy ra xa tâm, chất có kích thước nhỏ gần tâm) - Những phương pháp làm mất xoáy phễu là: * Đặt lệch tâm cánh khuấy vào bể khuấy, đặt nghiêng hoặc nằm ngang xoáy phễu được tạo thành lệch tâm sẽ va đập vào thành và dội ngược trở lại, phá vỡ lõm xoáy mà không làm tăng diện tích tiếp xúc, tăng lực ma sát và tăng công suất động cơ. * Ghép thanh chắn trong thùng khuấy: ❖ Ghép tấm chặn ở thành thùng. ❖ Đặt ống tuần hoàn trung tâm. ❖ Đặt các ống thẳng đứng trong thùng (ống dẫn chất lỏng, nhiệt kế ) Nếu có tấm chặn: chất lỏng chuyển động rối va đập vào tấm chặn và truyền bớt năng lượng cho các tấm chặn giảm vận tốc và chuyển động dọc theo biên của các tấm chặn - Sự hình thành xoáy phễu chỉ xuất hiện ở vận tốc cao.Bề mặt của xoáy có dạng lõm xuống ở tâm do trọng lực và lực ly tâm. 5. Nhận xét mức độ tin cậy của phương pháp đồng dạng: - Đồng dạng là gì? Các hiện tượng cùng bản chất vật lý được gọi là đồng dạng với nhau nếu như tất cả các đại lượng đặc trưng của chúng đồng dạng: tại các điểm tương ứng, trong các thời điểm tương tứng, tất cả các đại lượng có hướng phải đồng dạng hình học, tất cả các đại lượng vô hướng phải tương ứng tỷ lệ với nhau. - Mục đích của phương pháp đồng dạng: ▪ Hai hệ thống đồng dạng thì có thể sử dụng giản đồ công suất của hệ thống nhỏ suy ra cho hệ thống lớn. ▪ Hai mô hình là đồng dạng nếu đồng thời thỏa 3 nội dung sau: - Đồng dạng hình học: nếu các kích thước giữa hệ thống thực và mô hình đồng dạng tương ứng tỷ lệ với nhau. - Đồng dạng động học: quỹ đạo chuyển động của các phần tử lưu chất tương ứng của chúng đồng dạng hình học với nhau; giá trị vận tốc và gia tốc tại các điểm tương ứng tại các thời điểm tương ứng tỷ lệ với nhau. 13
8. Khuấy chất lỏng 1 mã lực (HP) = 735,6 W. 1 lbf = 4,45 N. 1 inch = 0,0254 m. 1vòng/phút = 1/60 vòng/s. 1cP = 10-3Pa.s Các số liệu (tra bảng, đo) * Nhớt: = 852.15 Kg/m3  = 0.09089 N/sm Chiều cao cột nhớt: h = 28.4 cm Đường kính thùng :D = 25 cm * Dầu: = 811.75 Kg/m3  = 0.05184 N/sm * Đường kính cánh khuấy: CT2 : d= 3 inch =0.0762m CT3 : d= 2.5 inch=0.0635m CP2 : d= 3 inch=0.0762m 2. Công thức tính tóan Bảng số liệu Tính Re : áp dụng công thức (3) Tính P : áp dụng công thức (10) với r = 5 inch=0.127 m Tính Np : áp dụng công thức (2) VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bộ môn Máy – Thiết bị trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh, “ Giáo trình thí nghiệm quá trình – thiết bị”. [2] Các tác giả, “ Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất”, Tập 1, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1999. [3] Nguyễn Văn Lụa, “ Các quá trình và thiết bị hóa chất trong công nghệ hóa chất và thực phẩm”, Tập 1, NXB Đại học quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2000. [4] Các tác giả, “ Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học”, Tập 10, NXB Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh. [5] Các tác giả, “ Giáo trình cơ lưu chất”, NXB Trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh, tr 107-123. 15