Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị - Bài: Thời gian lưu

Nội dung text: Thí nghiệm Quá trình và Thiết bị - Bài: Thời gian lưu

1. I. TRÍCH YẾU : 1. Mục đích thí nghiệm: - Khảo sát thời gian lưu của hệ thống bình khuấy trộn mắc nối tiếp mô hình dãy hộp. - Xác định hàm phân bố thời gian lưu thực và so sánh với hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết. 2. Phương pháp thí nghiệm Khảo sát hàm phân bố mơ hình dãy hộp với cấu tử nước bằng phương pháp đánh dấu va chạm (phẩm màu là mực) 3. Kết quả thí nghiệm: Độ hấp thu cực đại (cho 1 bình): Do = 0,004 Đường kính bình khuấy: d = 12 (cm) Chiều cao mực nước trong bình khuấy: H = 12 (cm) Lưu lượng nước chảy vào bình khuấy: VM = 0,6 (lít/ phút) Bảng 1: Kết quả thô D D D t(phút) 1 Bình 2 bình 3 bình t(phút) 2 bình 3 bình t(phút) 3 bình 1 0.008 0.004 0.008 16 0.009 0.006 31 0.01 2 0.007 0.006 0.008 17 0.012 0.005 32 0.007 3 0.012 0.008 0.008 18 0.003 0.006 33 0.011 4 0.005 0.004 0.009 19 0.008 0.006 34 0.007 5 0.006 0.008 0.011 20 0.006 0.01 35 0.008 6 0.008 0.008 0.022 21 0.007 0.008 7 0.009 0.006 0.018 22 0.012 0.006 8 0.006 0.006 0.015 23 0.013 0.009 9 0.005 0.008 0.02 24 0.004 0.011 10 0.004 0.004 0.013 25 0.011 0.008 11 0.008 0.008 0.006 26 0.007 12 0.006 0.003 0.01 27 0.008 13 0.005 0.008 0.008 28 0.008 14 0.004 0.006 0.006 29 0.01 15 0.003 0.006 0.005 30 0.013
2. Với K là các khoảng chia bằng nhau. Thời gian lưu trung bình thể tích: V  R t (5) V M Với VR : thể tích của lưu chất trong bình, lít VM: lưu lượng của dòng vào thiết bị, lít/giây Nếu chất chỉ thị không đạt tương quan lý tưởng thì phương trình trên không thỏa mãn (nếu  t có thể chất chỉ thị bị hấp phụ vào thành bình hoặc các chi tiết phụ). 2. Các phương pháp nghiên cứu thời gian lưu: Nghiên cứu thời gian lưu có thể tiến hành theo các phương pháp: 1) Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) ra khỏi thiết bị, xác định hàm F(t) hoặc F(). 2) Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) vẫn còn lưu lại trong thiết bị, hàm I(t) hoặc I(). 3) Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) đang trong quá trình thóat ra khỏi thiết bị, hàm f(t) hoặc f(). Để khảo sát khả năng hoạt động của một thiết phản ứng thực tế ta thường dùng phương pháp kích thích – đáp ứng (phương pháp đánh dấu). Các dạng kích thích đầu vào và đáp ứng đầu ra được trình bày trên hình 1. Tín hiệu vào Tín hiệu ra (Kích thích) Bình (Đáp ứng)
3. Hình 1: Các dạng tín hiệu kích thích đáp ứng thường dùng Như vậy các phần tử đánh dấu phải có đặc điểm là không được ảnh hưởng và khác biệt với các phần tử tạo nên tương quan trong hệ. Các loại chất chỉ thị đối với môi trường lỏng có thể là dung dịch màu, các chất phóng xạ, các đồng vị phóng xạ ổn định, các hạt rắn phát sáng Các chất chỉ thị thích hợp với tính chất của các phần tử trong hệ phải có khối lượng riêng, độ nhớt, hệ số khuếch tán thích hợp. Khi có các chỉ thị thích hợp, ta có thể để nó vào hệ theo hai kiểu tín hiệu là: tín hiệu ngẫu nhiên (Stochas) và tín hiệu xác định (Determinis). Loại tín hiệu xác định có thể chia làm hai loại là tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn. Để khảo sát các thiết bị, người ta sử dụng tín hiệu xác định không tuần hoàn. Loại tín hiệu này có thể tạo ra nhờ: 1) Đánh dấu bằng va chạm. 2) Đánh dấu bằng cho nhập vào liên tục một lượng xác định. 3) Đánh dấu bằng cho nhập chiếm chỗ toàn bộ trong hệ. Vì tiện lợi trong sử dụng và sự đồng dạng của tín hiệu kích thích có dạng bậc hoặc dạng xung. Trong thí ngiệm, ta sử dụng loại đánh dấu bằng va chạm. Loại đánh dấu này chính là sự thực hiện ở điều kiện kỹ thuật hàm Dirac (hàm động lượng Dirac), hay còn gọi là hàm Delta. 0,t 0 (t) ,t 0 (t).dt 1 Loại đánh dấu này thích hợp với chất màu. 3. Hàm phân bố thời gian lưu của mô hình dãy hộp: Đa số các thiết bị thực lại thường có hàm phân bố là của mô hình dãy hộp. Trong một bình phản ứng được coi là lý tưởng với kiểu đánh dấu va chạm phải thỏa mãn: thể tích VR trong bình là hằng số theo thời gian, trong bình có sự khuấy trộn hoàn toàn một thành phần trong hệ một cách đồng nhất ở mọi vị trí thuộc thể tích VR. Như vậy, trong bình có sự đột biến của dòng vào. Thời gian lưu trung bình thể tích:
4. 2,0 D Phân tán nhỏ Bình ống 0 uL D = 0,002 uL 1,5 Bình khuấy Phân tán trung bình D D = = 0,025 uL uL 1,0 Phân tán lớn D = 0,02 uL 0,5 0 0,5 1 1,5 Hình 2: Đường cong C biểu diễn đáp ứng tại dòng ra cho tín hiệu xung tại đầu vào III. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 1. Dụng cụ: Ống ngiệm, thì kế, pipet, phẩm màu và máy đo độ truyền suốt (hấp thụ) ánh sáng. Sơ đồ thiết bị thí nghiệm: (Xem hình 3) [2]
5. Các giá trị : 0.678 Thực tế: D = 0.004, 0 푡 = 0.096 = 7.063 ( ℎú푡) 1.357 Lý thuyết : V =0.6 (l/ phút) , V = 1.357 (l), (phút) M R 휏 = 0.6 = 2.261 2. Hệ 2 bình Thực tế Lý thuyết 푡 푡 t(phút) D E=D/D t.D 휃 = E 휃 = 0 푡 푡 1 0.004 2 0.004 0.071 0.5684 0.2212 2 0.006 3 0.012 0.142 0.7305 0.4423 3 0.008 4 0.024 0.213 0.7040 0.6635 4 0.004 2 0.016 0.284 0.6032 0.8846 5 0.008 4 0.04 0.356 0.4845 1.1058 6 0.008 4 0.048 0.427 0.3735 1.3270 7 0.006 3 0.042 0.498 0.2800 1.5481 8 0.006 3 0.048 0.569 0.2056 1.7693 9 0.008 4 0.072 0.640 0.1486 1.9904 10 0.004 2 0.04 0.711 0.1061 2.2116 11 0.008 4 0.088 0.782 0.0750 2.4328 12 0.003 1.5 0.036 0.853 0.0526 2.6539 13 0.008 4 0.104 0.924 0.0366 2.8751 14 0.006 3 0.084 0.996 0.0253 3.0962 15 0.006 3 0.09 1.067 0.0174 3.3174 16 0.009 4.5 0.144 1.138 0.0119 3.5386 17 0.012 6 0.204 1.209 0.0082 3.7597 18 0.003 1.5 0.054 1.280 0.0055 3.9809 19 0.008 4 0.152 1.351 0.0038 4.2021 20 0.006 3 0.12 1.422 0.0025 4.4232 21 0.007 3.5 0.147 1.493 0.0017 4.6444 22 0.012 6 0.264 1.565 0.0012 4.8655 23 0.013 6.5 0.299 1.636 0.0008 5.0867 24 0.004 2 0.096 1.707 0.0005 5.3079 25 0.011 5.5 0.275 1.778 0.0003 5.5290 Tổng 0.178 2.503
6. 30 0.013 9.75 0.39 1.784 0.0005 4.4232 31 0.01 7.5 0.31 1.843 0.0003 4.5707 32 0.007 5.25 0.224 1.903 0.0002 4.7181 33 0.011 8.25 0.363 1.962 0.0001 4.8655 34 0.007 5.25 0.238 2.022 10-4 5.013 35 0.008 6 0.28 2.081 7.10-5 5.1604 Tổng 0.331 5.567 Các giá trị : 5.567 Thực tế: D = 0.0013, 0 푡 = 0.331 = 16.819 ( ℎú푡) 4.069 Lý thuyết : V =0.6 (l/ phút) , V = 4.069 (l), (phút) M R 휏 = 0.6 = 6.782 4. Đồ thị Hình 3. Đường cong phân bố thời gian lưu lý thuyết
7. So sánh: Các giá trị E của thực nghiệm đều lớn hơn lý thuyết và thời gian thu gọn ϴ của thực nghiệm ngắn hơn so với lý thuyết ( tín hiệu ra sớm hơn) xuất hiện vùng tù hoặc chảy tắt. Dạng đường cong của thực nghiệm khác so với lý thuyết, chúng có điểm giống nhau là có điểm cực đại . Câu 2 : Các hiện tượng của quá trình và thiết bị phát sinh sự mất ổn định. - Do tạo nên vùng tù trong thiết bị. Nguyên nhân của vùng tù là do tốc độ của cánh khuấy quá chậm nên có những vùng không khuấy tới. - Do sự tuần hoàn của lưu chất. Nguyên nhân của sự tuần hoàn là do lưu chất phân bố không đều trong dung dịch. Điều đó có thể là do đặc điểm của bản thân lưu chất hoặc cũng là do tốc độ khuấy quá chậm. Để khắc phục các hiện tượng trên, ta có thể tăng cường tốc độ khuấy để khuấy đều và khuấy được toàn bộ dung dịch. Ngoài ta còn có các hiện tượng phát sinh sự mất ổn định khác như: - Sự thay đổi vận tốc và phương chuyển động của lưu chất do hình dáng bề mặt thiết bị (bình phản ứng, cánh khuấy, đường ống ) tạo thành các vùng không mong muốn như vùng xoáy, vùng chết, vùng chảy qua , các vùng này có thể tồn tại trong một khoảng thời gian ngắn hay kéo dài làm ảnh hưởng đến kết quả đo. - Vận tốc quay của cánh khuấy không ổn định theo thời gian (do motor, trục khuấy ). - Sự hấp thụ chất chỉ thị của thiết bị (đặc biệt là đường ống) làm nồng độ của chất chỉ thị giảm theo thời gian. - Nhiệt độ môi trường trong quá trình thí nghiệm biến đổi làm thay đổi tương quan giữa các phần tử lưu chất có trong hệ (thay đổi độ nhớt, tỷ trọng, vận tốc ), thay đổi các tính chất của lưu chất chuyển động trong đường ống và thiết bị. Câu 3 : Đánh giá sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. a. Sai số hệ thống ❖ Máy đo mật độ quang ❖ Cánh khuấy:
8. t Thời gian thu gọn:  t D Độ đo sự phân bố thời gian lưu: E = Do Lý thuyết: Lưu lượng nước chảy vào bình khuấy: v = 0,6 (lít/ phút) 2 Thể tích 1 bình khuấy: VR = H x 3.14 x d /4 푅 Thời gian thể tích: 휏 = Thời gian thu gọn: ( 휃) ―1 ― 휃 Độ đo sự phân bố thời gian lưu: E = ( ― 1)! 푒 ( N: số bình) [1] 2. Các giá trị tính toán cho hệ 2 bình: tương tự 1 bình có thay đổi một số giá trị Thực tế: Độ hấp thu cực đại: Do = 0,004/2 = 0,002 Lý thuyết: 2 Thể tích 2 bình khuấy: VR = 2 x H x 3.14 x d /4 3. Các giá trị tính toán cho hệ 3 bình: tương tự 1 bình có thay đổi một số giá trị Thực tế: Độ hấp thu cực đại: Do = 0,004/3 = 0,0013 Lý thuyết: 2 Thể tích 3 bình khuấy: VR = 3 x H x 3.14 x d /4