TÓM TẮTBài thực hành này được thực hiện trên thiết bị tháp đệm với mục đích là đểkhảo sát sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng đến độ giảm áp suất củadòng khí trong tháp đệm.
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA
HỌC BÁO CÁO THỰC HÀNH
MÔN: THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BÀI 9 : CỘT CHÊM GVHD: Th.S Phạm Văn Hưng
Nhóm: 4
Thành viên: Tồ Văn Tịnh
MSSV: 17059231
Trang 3
TÓM TẮT
Bài thực hành này được thực hiện trên thiết bị tháp đệm với mục đích là đểkhảo sát sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng đến độ giảm áp suất củadòng khí trong tháp đệm Khi lưu lượng dòng khí tăng thì độ giảm áp khi cột khô vàkhi cột ướt đều tăng Nhưng đối với cột khô thì độ giảm áp tăng tuyến tính còn đốivới cột ướt thì độ giảm áp tăng theo dạng đường cong Khi lưu lượng dòng lỏng vàdòng khí đều tăng thì đến một thời điểm sẽ xảy ra hiện tượng ngập lụt, chất lỏng sẽ
bị khí đẩy lên trào ngược ra khỏi tháp Từ các giá trị thực nghiệm log (∆Pcư/Z) vàlogG ta xây dựng được vùng gia trọng của tháp đệm, từ đó giúp ta xác định đượcđiều kiệm thích hợp để tháp đệm hoạt động đạt hiệu quả cao nhất Ngoài ra báo cáocòn xây dựng được giản đồ điểm lụt giúp ta có thể tránh được các vấn đề kỹ thuậttrong vận hành thiết bị tháp đệm
I GIỚI THIỆU [1]
1 Cơ sở lý thuyết
1.1 Chế độ làm việc của tháp đệm
Tùy thuộc vào vận tốc dòng khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm có thể xảy
ra 4 chế độ thủy lực như sau: chế độ dòng, quá độ, xoáy và sủi bọt Trong 3 chế độdòng, quá độ và xoáy thì pha khí liên tục chiếm tất cả các không gian trong tháp cònpha lỏng là pha phân tán chảy thành màng theo bề mặt đệm, nên gọi là chế độ màng
Ở chế độ màng nếu tăng thêm lưu lượng dòng khí thì xảy ra hiện tượng đảo pha(điểm C) pha lỏng là pha liên tục chiếm toàn bộ không gian trong tháp và pha khí làpha phân tán vào trong pha lỏng nên có hiện tượng sủi bọt Chế độ làm việc này gọi làchế độ sủi bọt(nhũ tương) Nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí thì chất lỏng sẽ theopha khí bắn ra khỏi tháp Hiện tượng này người ta gọi là hiện tượng ngập lụt Theothực nghiệm, quá trình truyền khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, song trong thực tế thápđệm được vận hành trong chế độ xoáy gần đến điểm đổi pha để quá trình làm việc dễkiểm soát, an toàn
Trang 4Hình 0.1: Tổn thất áp suất trong tháp đệm theo vận tốc dòng khí
1.1.1 Mối quan hệ giữa độ giảm áp với lưu lượng dòng khí trong tháp
Để khảo sát chế độ thủy động trong tháp đệm, người ta tiến hành khảo sát sự tổnthất áp suất của dòng khí khi cột khô (trong tháp đệm chỉ có pha khí mà không có phalỏng) Khi lưu lượng dòng khí chuyển động trong tháp tăng dần thì độ giảm áp (∆ P ck)
cũng tăng theo, sự gia tăng này được biểu diễn theo mối quan hệ với lưu lượng dòngkhí như sau (với n=1,8÷2¿:
log ∆ P ck
Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trống bị thu nhỏ lại và dòng khí
di chuyển khó khăn hơn vì một phần thể tích tự do bị lượng chất lỏng chiếm cứ Tronggiai đoạn đầu (dưới điểm A), lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp là không đổi theotốc độ dòng khí mặc dầu lượng chất lỏng này tăng theo suất lượng pha lỏng Trongvùng giữa A và B, lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp tăng nhanh theo tốc độ khí, cácchỗ trống trong tháp nhỏ dần và độ giảm áp pha khí tăng nhanh Vùng này gọi là vùnggia trọng, điểm B gọi là điểm gia trọng
Hình 0.2: Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng đến độ giảm của dòng khí
trong tháp đệm
Trang 5Tại B, nếu tiếp tục tăng tốc pha khí (ứng với một suất lượng pha lỏng không đổi)thì sẽ có hiện tượng pha khí sủi bọt qua lớp chất lỏng tại bề mặt lớp vật đệm và tạo ra
sự đảo pha Lúc đó hiện tượng pha khí lôi cuốn chất lỏng tăng mạnh và tháp ở trạngthái ngập lụt, độ giảm áp của pha khí sẽ tăng rất nhanh
1.1.1.1 Độ giảm áp khi cột khô (∆ P ck)
Zhavoronkov đề nghị một hệ thức đưa ra một hệ thức liên hệ giữa độ giảm áp củadòng khí qua cột chêm khô với vận tốc khối lượng của dòng khí qua cột
G: Vận tốc khối lượng của dòng khí qua tháp, m kg2.s
G: lưu lượng dòng khí vào tháp, phút lít
Z: chiều cao của lớp đệm, m
ρ k: Khối lượng riêng của không khí kg m3
F: Thiết diện ngang của ống chưa đệm, m2
D e: Đường kính tương đương của đệm,m
Trang 61.1.1.1.1 Độ giảm áp khi cột ướt (∆ P cư)
Đối với đệm ướt, do ảnh hưởng của dòng lỏng lên bề mặt của đệm, làm giảm bềmặt tự do, làm tăng vật tốc dòng khí, nên trở lực cũng tăng lên nghĩa là độ giảm áp củadòng khí khi cột ướt cũng tăng lên Do vậy lưu lượng dòng lỏng càng lớn thì độ giảm
áp càng tăng Sự liên hệ giữa độ giảm dòng khí khi cột khô (∆ P ck) và khi cột ướt(∆ P cư) có thể viết như sau:
Trang 7L: Vận tốc khối lượng của dòng lỏng qua tháp, m kg2.s
L: Lưu lượng dòng lỏng qua tháp, phút1
ρ nước: Khối lượng riêng của nước, kg m3
μ x: Độ nhớt động lực học của nước, m.s kg
1.1.1.1.1.1 Điểm lụt cột chêm
Khi cột chêm bị điểm lụt, chất lỏng không chảy xuống được, tạo nên một cột chấtlỏng trong tháp, các dòng chảy không còn đều đặn, độ giảm áp của pha khí bị giaođộng mạnh Hiện tượng này gây bất lợi cho sự hoạt động của tháp, do vậy cần tránhkhi vận hành tháp đệm Theo Zhavoronkov hiện tượng ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số
vô thứ nguyên sau có mối liên hệ với nhau
Trang 8Hình 0.3: Điểm lụt của tháp đệm theo quan hệ π1 và π2
Do đó sự liên hệ giữa π1 và π2 trên giản đồ log−log sẽ xác định một biểu đồ lụtcủa tháp đệm, vùng giới hạn hoạt động của tháp đệm ở dưới đường này
2 Mô hình thí nghiệm
2.1 Sơ đồ hệ thống
Mô hình tháp đệm (cột chêm) khảo sát chế đọ hoạt động ở áp suất khí quyển
- Cột đệm làm bằng thủy tinh đường kính trong bằng 80mm, chiều cao vật liệuđệm trong tháp bằng 90mm
- Vật liệu đệm bằng vòng Rashig đường kính 8mm: bề mặt riêng 360 m3/m2, độxốp 0,67, Khối lượng riêng xốp 800kg/m3
- Lưu lượng dòng khí vào đáy tháp đệm được đo bằng Rotamet với lưu lượng
Trang 9Hình 0.4: Sơ đồ hệ thống cột chêm
Các thiết bị phụ trợ trong mô hình
1- Máy thổi khí 4- Bộ phận phân phối lỏng 7- Bộ phận phân phốikhí
2- Lưu lượng kế khí 5- Cột chứa đệm 8- Ống chỉ mực chấtlỏng
3- Áp kế chữ U 6- Lưu lượng kế lỏng 9- Thùng chứa nước
10- Bơm nước
Hệ thống van
V K 1- Hoàn lưu V L1- Xả đáy bồn chứa nước
V K 2- Chỉnh lưu lượng dòng khí V L2- Hoàn lưu
Trang 10- Xác định vùng gia trọng của tháp đệm khi vận hành tháp đệm
- Xây dựng giản đồ điểm lụt của tháp đệm
III THỰC NGHIỆM
1 Tiến hành thí nghiệm
1.1 Khảo sát chênh lệch áp suất cột khô
- Đóng hoàn toàn các van V L3 và V L5
- Mở van V L4 đến khi lưu nước trong thiết bị phân phối khí đạt 2/3 thể tích thìđóng van V L4
- Tiến hành điều chỉnh lưu lượng dòng khí bằng van V K 2 và đo độ chênh lệch ápsuất ở áp kế chữ U
1 Khảo sát chênh lệch áp suất cột ướt
- Mở van V L3 điều chỉnh lưu lượng dòng lỏng cần khảo sát vào tháp
- Mở van V L4 điều chỉnh đến khi lượng nước trong thiết bị phân phối khí đạt 2/3thể tích Duy trì liên tục mực chất lỏng ở vị trí trên
- Tiến hành điều chỉnh lưu lượng dòng khí bằng van V K 2 và đo độ chênh lệch ápsuất ở áp kế chữ U
1.1.1.1 Kết thúc thí nghiệm
- Tắt bơm lỏng và mở hoàn toàn van lỏng hoàn lưu
- Tắt bơm khí và mở hoàn toàn van khí hoàn lưu
- Đợi cho chất lỏng trong ống thoát hết, mở van xả hết nước trong bồ chứa lỏng
Chú ý:
- Khi tiến hành thí nghiệm, luôn cho quạt thổi khí hoạt động trước và bơm cấp
lỏng hoạt động sau
Trang 11- Khi kết thúc thí nghiệm, cho bơm chất lỏng ngừng trước và quạt thổi khí ngừngsau.
IV KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
1 Kết quả thí nghiệm
1.1.1 Khảo sát độ giảm áp khi cột khô.
Bảng 0.1: Kết quả thực nghiệm độ giảm áp khi cột khô
STT Lưu lượng dòng khí G k(m3/h) Độ giảm áp cột khô ∆ P ck (cm H2O)
1.1.1.2Khảo sát độ giảm áp khi cột ướt.
Bảng 0.2: Kết quả thực nghiệm độ giảm áp khi cột ướt
Độ giảm áp tương ∆ P cư theo các chế độ L khác nhau mm H2O
Trang 122 Xử lý kết quả thí nghiệm [2]
1.1.2.1Khảo sát độ giảm áp khi cột khô (lý thuyết)
Bảng 0.3: Độ giảm áp cột khô theo lý thuyết
STT
G lít
phút
G kg
- So sánh độ giảm cột áp lý thuyết và độ giảm cột áp thực tế
Bảng 0.4: Bảng so sánh Độ giảm cột áp lý thuyết và thực tế trong trường hợp cột khô
Trang 13Hình 0.5: Biểu đồ so sánh Độ giảm cột áp lý thuyết và thực tế trong trường hợp cột khô
Nhận xét: Từ bảng 9.1 và 9.3 và hình 9.5 ta có thể thấy khi lưu lượng dòng khí
tăng từ 16.6 lít/phút đến 83.6 lít/phút độ giảm áp thực nghiệm so với độ giảm áp lý
thuyết chênh lệch khoảng (0.8 – 2.1) nhưngkhi lưu lượng dòng khí tăng lên từ 83.6
lít/phút đến 100 lít/phút thì độ giảm áp thực nghiệm và lý thuyết lại có sự chênh lệch
khá khoảng từ 4.6 mmH2O
1.1.2.2Khảo sát độ giảm áp khi cột ướt (lý thuyết)
Bảng 1: Kết quả thực nghiệm độ giảm áp ∆ P theo cột ướt (Pa)
Độ giảm áp ∆ P cư theo các chế độ L khác nhau (Pa)
Lưu ý: Ô giá trị được in đậm là tại đây xảy ra hiện tượng ngập lụt
Bảng 2: giá trị của σ phụ thuộc vào vận tốc khối lượng của dòng lỏng Z
Trang 16Bảng 8 Độ giảm áp và hệ số ma sát khi cột ướt với L = 7 lít/phút
Bảng 9 : Các thông số logarit biểu diễn sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng
đến độ giảm áp của dòng khí trong tháp
log G
L( Lít Phút)
Trang 171 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 1
1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Hình 10 :Biểu đồ xác định vùng gia trọng của tháp đệm
Nhận xét: Từ bảng 9.5 đến bảng 9.13 là các bảng tính toán giá trị độ giảm áp khicột ướt ∆ P cư theo lý thuyết Khi so sánh hai giá trị ∆𝑃𝑐ư lý thuyết với giá trị ∆𝑃𝑐ư thựcnghiệm ta thấy, khi lưu lượng dòng khí càng tăng thì độ giảm áp càng tăng, giá trị độgiảm áp giữa lý thuyết và thực tiễn càng cách xa nhau Dựa vào hình 9.6, khi G tăngthì độ giảm áp tăng theo nhưng không tăng một hàm tuyến tính mà theo một đườngcong Lúc ban đầu khi giá trị của G còn thấp thì log (∆Pcư/Z) tăng chậm sau đó khi Gtăng đến giá trị thích hợp thì log (∆Pcư/Z) bắt đầu tăng nhanh và tăng rất nhanh khi đạtgiá trị của điểm lụt Khi lưu lượng dòng lỏng càng tăng thì cột càng dễ gần đến điểmlụt hơn Vùng sau vùng gia trọng, giá trị ∆P tăng lên rất nhanh và đột ngột
1.1.2.3Xây dựng giản đồ điểm lụt cột chêm
Bảng 11: Các thông số ở hiện tượng ngập lụt
0,834 15,772 1,078 4,391 0,242 0,395 -0,616 -0,4030,695 23,657 0,899 4,554 0,174 0,948 -0,759 -0,0230,556 31,543 0,719 4,762 0,117 1,581 -0,932 0,199
Vùng giatrọng
Trang 18-0.95 -0.90 -0.85 -0.80 -0.75 -0.70 -0.65 -0.60
-0.50 -0.40 -0.30 -0.20 -0.10 0.00 0.10 0.20 0.30
Sự ảnh hưởng của dòng khí: Đối với cột khô, khi tăng lưu lượng dòng khí G thì
độ giảm áp suất tăng theo, log∆ P cư
Z tăng tuyến tính đối với logG Đối với cột ướt, khilưu lượng dòng khí G tăng thì độ giảm áp cũng tăng theo nhưng lại tăng theo dạngđường cong
Vùng gia trọng của tháp đệm là vùng mà tháp đệm thực hiện tốt nhất nhưng trênthực tế rất khó có thể vận hành tháp đệm ở điều kiện này Nguyên nhân là do sự chênhlệch vận tốc khí rất nhỏ, chỉ cần bất cẩn một chút là cột chêm có thể xảy ra hiện tượngpha khí lôi cuốn theo pha lỏng thoát ra ngoài làm giảm áp pha khí rất nhanh Mục đíchxác định vùng gia trọng là để chọn ra được chế độ làm việc tốt nhất cho thiết bị cộtchêm
Trang 19- Diện tích bề mặt riêng của đệm a=360 m2
2 Tính độ giảm áp khi cột ướt với L=2,4 lít/ phút
- Khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ 30℃: ρ nước =996 kg
Trang 20π2= L G .√ρ k
ρ L= 11,8291,078 √1,293
VI Trả lời câu hỏi:
a) Chế độ thủy động của tháp đệm gồm những chế độ nào?
Có 4 chế độ thủy động: chế độ dòng, chế độ quá độ, chế độ xoáy
Trang 21- Có bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao.
- Cấu tạo đơn giản
- Trở lực trong tháp không lớn
- Giới hạn làm việc tương đối rộng
Nhược điểm:
- Khó làm ướt đều đệm
- Tháp cao quá phân bố chất lỏng không đều
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tài liệu hướng dẫn thực hành các quá trình & thiết bị trong công nghệ hóa học,Khoa công nghệ hóa học Trường đại học công nghiệp TP.HCM, 2017
[2] T Xoa, N T Khuông và H L Viên, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóachất, tập 1, 2, NXB Khoa học Kỹ Thuật, 2013
