ĐỒ án môn học máy KHUẤY TRỘN TRONG CÔNG NGHIỆP đề tài THIẾT kế máy KHUẤY để tạo hỗn hợp của HAI CHẤT LỎNG NHỚT

1.2.2 Đồng nhất hóa Trong khuấy trộn, đồng nhất hóa là quá trình đảm bảo rằng tất cả các thành phầncủa hỗn hợp được phân bố đều trong toàn bộ dung dịch hoặc chất lỏng đang được khuấy tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ

_*** _

ĐỒ ÁN MÔN HỌC MÁY KHUẤY TRỘN TRONG CÔNG NGHIỆP

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MÁY KHUẤY ĐỂ TẠO HỖN HỢP CỦA HAI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Thiết kế máy khuấy để tạo hỗn hợp của hai chất lỏng nhớt

II Các số liệu ban đầu:

- Năng suất máy (m3/h):

- Độ nhớt động lực của hỗn hợp (Kg/m.s): 28

- Thể tích chất tham gia khuấy (%): 5

- Khối lượng riêng của hỗn hợp (kg/m3): 1100

- Sai số so với sai số chuẩn: 0,003

- Giả thiết chất lỏng Newton

III Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

1 Đại cương về khuấy, trộn (đối tượng, chức năng, nhiệm vụ, )

2 Khái niệm cơ bản về các cơ cấu khuấy trộn thường gặp, lĩnh vực ứng dụng

3 Tính toán thông số cơ bản và lựa chọn phương án thiết kế

4 Tính toán bền chi tiết và cụm chi tiết chủ yếu (theo nhiệm vụ được giao)

IV Các bản vẽ

1 Bản vẽ hình chung của máy thiết kế (A0 hoặc A1)

2 Bản vẽ cụm thiết kế (A1 hoặc A2)

3 Bản vẽ chi tiết (A1 hoặc A2)

V Ngày giao nhiệm vụ thiết kế ngày 5 tháng 4 năm 2023

VI Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế ngày tháng năm 2023

dẫn

CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ KHUẤY TRỘN

1 Khái niệm chung.

1.1 Các khái niệm khuấy trộn

Khuấy trộn:

- Là chuyển động cảm ứng của vật theo một phương xác định

- Mô hình thường là chu trình tuần hoàn

- Nó thường được thực hiện bên trong một container

Khuấy trộn là một phương pháp theo đó việc trộn các pha có thể được thực hiện

và nhờ đó khối lượng và sự truyền nhiệt có thể được tăng cường giữa các phahoặc với các bề mặt bên ngoài Theo nghĩa chung nhất, quá trình trộn liên quanđến tất cả sự kết hợp của các pha trong đó những pha xảy ra thường xuyên nhấtlà

1 Khí với khí

2 Khí vào chất lỏng: phân tán

3 Khí với chất rắn dạng hạt: hóa lỏng, vận chuyển khí nén, sấy khô

4 Lỏng với khí: phun và nguyên tử hóa (tán nhỏ)

5 Chất lỏng với chất lỏng: hòa tan, nhũ tương hóa, phân tán

- Cánh quạt (impeller) tạo ra mô hình dòng chảy

- Bể quy mô nhỏ (dưới 10 lít) được xây dựng bằng thủy tinh Pyrex

- Đối với các bể phản ứng/lớn hơn, thép không gỉ được sử dụng

- Thiết bị giảm tốc được sử dụng để kiểm soát tốc độ khuấy trộn

- Luồng trộn: 3 mô hình (luồng trục, luồng phân tán, luồng tiếp xúc)

Mục đích khuấy

Quá trình khuấy cơ học được sử dụng nhằm mục đích:

1 Tạo ra các hệ đồng nhất từ các thể tích lỏng và lỏng, khí, rắn có tính chấtthành phần khác nhau: Dung dịch, nhũ tương (lỏng- khí), huyền phù(lỏng- rắn)

2 Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt

3 Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối vàquá trình hóa học 03 quá trình này thực hiện với các hệ đồng thể và dịthể khác nhau như hệ LỎNG - LỎNG, LỎNG - RẮN, LỎNG - KHÍ

1.2 Các đối tượng

1.2.1 Huyền phù

Huyền phù (nổi lơ lửng, từ phù có nghĩa là nổi và huyền là treo hay đeo lơ lửng)

là một hệ gồm pha phân tán là các hạt rắn lơ lửng trong môi trường phân tánlỏng (hỗn hợp dị thể); các hạt rắn không tan hoặc khó tan vào môi trường phântán

1.2.2 Đồng nhất hóa

Trong khuấy trộn, đồng nhất hóa là quá trình đảm bảo rằng tất cả các thành phầncủa hỗn hợp được phân bố đều trong toàn bộ dung dịch hoặc chất lỏng đang được khuấy trộn Quá trình đồng nhất hóa trong khuấy trộn được sử dụng để đảm bảo sự đồng nhất của sản phẩm cuối cùng, đồng thời cải thiện hiệu suất quátrình sản xuất Các kỹ thuật đồng nhất hóa trong khuấy trộn có thể bao gồm việc thay đổi tốc độ khuấy, áp lực, nhiệt độ, thời gian và các tham số khác để đảm bảo các thành phần của hỗn hợp được khuấy trộn đều và đồng đều Khi thực hiện đúng cách, đồng nhất hóa trong khuấy trộn có thể đảm bảo chất lượng và tính đồng đều của sản phẩm cuối cùng, tối ưu hóa hiệu suất sản xuất và giảm thiểu sự lãng phí

1.2.3 Tạo nhũ tương:

Tạo nhũ tương là quá trình tạo ra một hệ thống hai pha gồm chất lỏng và các hạtrắn hoặc khí phân tán trong chất lỏng dưới dạng các hạt nhỏ Nhũ tương đượctạo ra thông qua sự kết hợp giữa chất lỏng và các chất nhũ hóa, có khả năngphân tán các hạt rắn hoặc khí trong chất lỏng và tạo ra một hệ thống nhũ tương

ổn định - Khi tạo nhũ tương cần chú ý tới ba vấn đề: điều kiện cần thiết để tạonhũ tương, kích thước giọt và bề mặt tiếp xúc pha

1.2.4 Truyền nhiệt

Truyền nhiệt trong quá trình khuấy trộn là quá trình truyền đạt nhiệt từ môitrường xung quanh vào trong dung dịch đang được khuấy trộn Quá trình này làrất quan trọng trong các quá trình công nghiệp và nghiên cứu, vì nó ảnh hưởngđến hiệu suất và chất lượng của quá trình khuấy Khi khuấy trộn, năng lượng cơ

học được truyền vào dung dịch, tạo ra sự chuyển động của các phân tử trongdung dịch, làm tăng nhiệt độ của dung dịch Đồng thời, nhiệt độ xung quanhcũng ảnh hưởng đến nhiệt độ của dung dịch Quá trình truyền nhiệt cũng phụthuộc vào các yếu tố như diện tích bề mặt tiếp xúc giữa dung dịch và môi trườngxung quanh, độ nhớt của dung dịch và tốc độ khuấy Để đảm bảo quá trìnhkhuấy trộn đạt hiệu quả cao và không gây tổn hại đến chất lượng sản phẩm, cầnthiết phải thiết kế thiết bị khuấy phù hợp với quy mô của quá trình sản xuất vàchọn lựa điều kiện nhiệt độ và tốc độ khuấy phù hợp.

1.2.5 Phun hòa khí

Phun hòa khí trong khuấy trộn là một kỹ thuật được sử dụng để đưa chất khí vàodung dịch trong quá trình khuấy trộn Kỹ thuật này được sử dụng để tăng cườngkhả năng hòa tan của chất khí trong dung dịch và đạt được sự phân tán đồng đềuhơn Trong quá trình này, chất khí được phun vào trong dung dịch bằng cách sửdụng các vòi phun nhỏ hoặc các đầu phun áp lực cao để tạo thành các bong bóngkhí nhỏ Các bong bóng này sẽ được khuấy trộn và hòa tan trong dung dịch,giúp tăng tốc quá trình hòa tan của chất khí

Phun hòa khí trong khuấy trộn có ứng dụng rất rộng trong các ngành sản xuấthóa chất, thực phẩm và dược phẩm Nó được sử dụng để hòa tan các khí nhưOxy, CO2, Nitơ, hoặc các hợp chất hữu cơ trong dung dịch Kỹ thuật này cònđược sử dụng để tăng tốc quá trình trao đổi khí - chất lỏng trong các quá trìnhoxy hóa, khử trùng, khử mùi, xử lý nước thải và nhiều ứng dụng khác

1.2.6 Tạo dung dịch

Tạo dung dịch trong khuấy trộn là quá trình tạo ra một dung dịch bằng cách phatrộn các chất hóa học với nhau trong một bình khuấy trộn Khuấy trộn được sửdụng để tăng tốc độ pha trộn và đảm bảo rằng các chất hóa học được phân tánđều trong dung dịch

Trong quá trình tạo dung dịch trong khuấy trộn, các chất hóa học được đưa vàobình khuấy trộn cùng với một lượng nhất định của dung môi, thường là nước.Sau đó, bình khuấy trộn được bật lên để tạo ra một luồng lực xoáy, giúp các chấthóa học phân tán đều và tan hoàn toàn trong dung môi Thời gian và tốc độkhuấy trộn được điều chỉnh để đảm bảo rằng quá trình pha trộn diễn ra hiệu quả

và nhanh chóng

Quá trình tạo dung dịch trong khuấy trộn được sử dụng trong nhiều ứng dụngkhác nhau, bao gồm trong sản xuất hóa chất, dược phẩm, thực phẩm, và trongcác quá trình xử lý nước và môi trường

1.3 Chức năng của máy khuấy trộn

1 Trộn đều: Giúp trộn đều các thành phần để tạo thành một sản phẩm đồngnhất và chất lượng cao.

2 Hòa tan: Giúp hòa tan các thành phần trong một dung môi lỏng để tạothành một dung dịch hoặc hỗn hợp đồng nhất

3 Pha trộn: Kết hợp các chất để tạo ra một sản phẩm mới với tính chất vàtính năng khác nhau

4 Phản ứng hóa học: Giúp thực hiện các phản ứng hóa học bằng cáchkhuấy trộn các chất lỏng và các chất tương tác với nhau

5 Nghiền: Giúp nghiền, xay nhỏ các hạt để tạo ra một hỗn hợp mịn hơn

6 Tạo bọt: Tạo ra bọt trong các sản phẩm

1.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy khuấy trộn

Cấu tạo

1.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy khuấy trộn

Cấu tạo

Hình 1:Máy khuấy trộn 1- Hệ dẫn động; 2- Khớp nối; 3- Ổ trục; 4- Thiết bị làm kín; 5- Ống; 6- Giá đỡ; 7- Cửa quan sát; 8- Vỏ ngoài; 9- Thùng khuấy; 10- Trục; 11- Cơ cấu khuấy;

12- Cửa xả

1 Hệ dẫn động – là bộ phận giúp truyền động từ động cơ đến trục khuấy, baogồm các bộ truyền động như bánh răng, dây đai, vòng bi,…

2 Khớp trục – là phần giúp kết nối trục khuấy với động cơ Khớp trục cũngđóng vai trò giúp trục khuấy quay một cách ổn định, không bị rung lắc haynghiêng trong quá trình khuấy trộn

3 Ổ trục – giúp thiết bị khuấy quay một cách ổn định và tránh rung động

4 Thiết bị làm kín – giúp tránh làm rò rỉ chất lỏng hoặc khí trong quá trìnhkhuấy trộn và tránh bụi bặm từ ngoài vào

5 Ống – nạp chất lỏng vào bình khuấy trộn

6 Giá đỡ - giúp máy khuấy trộn vững chắc và ổn định trong quá trình sử dụng

7 Cửa quan sát – cho phép người vận hành quan sát quá trình khuấy trộn cũngnhư vệ sinh thùng khuấy khi cần thiết

8 Vỏ ngoài – bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi các yếu tố bên ngoài như: bụibặm, ẩm ướt hoặc va đập

9 Thùng khuấy – Chứa chất lỏng cần khuấy trộn

10 Trục – truyền lực dẫn động từ hệ dẫn động đến cơ cấu khuấy

11 Cơ cấu khuấy – tạo động lực để di chuyển chất lỏng trong bình khuấy, đảmbảo hỗn hợp đều và đạt được mục đích khuấy trộn

12 Cửa xả - cho phép người vận hành lấy mẫu và xả chất lỏng sau khi khuấytrộn

Nguyên lý làm việc của máy khuấy trộn:

- Hệ dẫn động bao gồm động cơ và bộ truyền động Động cơ truyềnchuyển động cho các bộ truyền động sau đó sẽ truyền động đến trụcthông qua khớp nối đồng thời ổ trục giúp đỡ trục quay Cơ cấu khuấyđược gắn trên trục khi đó trục quay sẽ làm cho cơ cấu khuấy quay theotạo động lực di chuyển chất lỏng trong bình khuấy, đảm bảo hỗn hợp đều

và đạt được mục đích khuấy trộn Vật liệu được cấp vào từ ống ( cửanạp) , trong quá trình khuấy cửa quan sát cho phép người vận hành quansát quá trình khuấy trộn (cũng có thể vệ sinh thùng khuấy sau khi sửdụng xong) Sau khi hoàn thành quá trình khuấy trộn chất lỏng nhớt sẽđược xả ra từ cửa xả và cho phép người vận hành lấy mẫu

- Quá trình khuấy đó được thực hiện trong thùng khuấy Vỏ ngoài sẽ giúp bảo vệ các bộ phân bên trong khỏi các yếu tố bên ngoài như : bụi bậm;

ẩm ướt hoặc va đập

- Thiết bị làm kín giúp tránh làm rò rỉ chất lỏng hoặc khí trong quá trình khuấy trộn và tránh bụi bặm từ ngoài vào.

- Giá đỡ giúp cho máy khuấy trộn vũng chắc và ổn định trong quá trình vận hành

Chương 2: Các cơ cấu khuấy trộn thường gặp và lĩnh vực

ứng dụng

2 Cơ cấu khuấy và lĩnh vực áp dụng

ST

T Tên cơ cấukhuấy Hình vẽ Lĩnh vực áp dụng

1 Cơ cấu chân vịt

- Thường 3 cạnh

- Dòng chảy: hướng trục

- Vận tốc vòng :2 15 m/s

- đến 20 Pa.sỨng dụng:

- Đồng nhất

- Huyền phù, trao đổi nhiệt

2 Cơ cấu khuấynghiêng

- Cánh phẳng đặt nghiêng, 6cánh phẳng,

- Vận tốc vòng (m/s): 4 10

- : 10 Pa.sỨng dụng:

- Đồng nhất hóa

- Tạo huyền phù

- Trao đổi nhiệt

3 Cơ cấu khuấy

bản - Thường 6 cánh hướng tâm- Vận tốc vòng (m/s): 2 6

- (Pa.s): đến 10Ứng dụng:

- Đồng hóa nhất → dònghướng kính

- Tạo nhũ tương

- Trao đổi nhiệt

- Hòa khí

4 Cơ cấu dạngcánh

- Thường 3 tay trộn đặt nghiêng

- Dòng: hướng kính

- v(m/s): 3 8

- : đến khoảng 100 Pa.sỨng dụng:

- Dòng: hướng trục tiếp tuyến

- v(m/s): 2 6

- : đến khoảng 100 Pa.sỨng dụng:

- Đồng nhất hóa

- Hòa khí

- Trao đổi nhiệt

6 Cơ cấu dạnglưới

- Dòng: tiếp tuyến-v(m/s): 2 5

- : đến khoảng 10 Pa.sỨng dụng:

- Đồng nhất hóa

- Tạo huyền phù

- Hòa khí

7 Cơ cấu mỏ neo

- Cánh khuấy chia ra 2 bên

- Dòng: chủ yếu tiếp tuyến-v(m/s): 1 6

- :đến khoảng 20 Pa.sỨng dụng:

- Trao đổi nhiệt

8 Cơ cấu cánh vít

- Cánh khuấy có cánh phẳngquấn dạng vít

- Dòng: hướng trục-v(m/s): 0,5 1

- :đến khoảng 103 Pa.sỨng dụng:

- Đồng nhất hóa

- Trao đổi nhiệt

Chương 3 : Tính toán toán thông số cơ bản

- Giả thiết dòng chảy Newton

Để xác định được phương án thiết kế bước đầu tiên phải chọn được dạng thiết bị trộn hợp lý Việc lực chọn này phụ thuộc rất nhiều yếu tố khác nhau cũng như chỉ tiêu đánh giá tính hợp lý Dưới đây là trình tự tính toán mang tính khi tính toán thiết kế máy khuấy trộn

3.1 Các dạng cụm dẫn động máy khuấy trộn

Cụm dẫn động máy khuấy trộn quyết định đến khả năng làm việc hiệu quả hay không hiệu quả của máy khuấy trộn, nên việc bố trí cụm dẫn động phải được lựa chọn cẩn thận Hiện nay có rất nhiều dạng cụm dẫn động , tùy theo từng mục

đích của bài toán đặt ra mà lựa chọn Các dạng cụm khuấy trộn cũng như kết cấu của nó đều xuất phát từ nghiên cứu thực nghiệm

Các Hình 1, 2dưới đây là các dạng cụm dẫn động thường gặp trong công

3.2 Chọn sơ bộ cơ cấu khuấy :

Miền sử dụng hợp lý Lĩnh vực áp

dụng

Re η (kg/ms)(Pa.s)Dạng chân

Dạng bản B r - 50 H

H: Đồng nhất hóa; S: Tạo huyền phù; E: Nhũ tương hóa; W: Truyền nhiệt; B: Thoát khí.

a: Dòng chuyển động dọc trục; r: Dòng chuyển động hướng tâm.

Từ hình 3 và bảng (3.2) ứng với = 28 kg/ms có các thông số sau:

BA: Dạng tua bin 4 cánh khuấy

Để tạo được sự đồng nhất hóa và tạo dung dịch theo Bảng 3.1 thì chỉ có dạng cơ

cấu khuấy là dạng vít, dạng tua bin, dạng lồng vít và dạng bản là làm được Ta chọn sơ bộ cơ cấu khuấy dạng vít và tua bin 4 cánh khuấy

3.3 Tính toán thông số cơ bản của cơ cấu khuấy máy thiết k

Chọn sơ bộ chuẩn Re (do chưa có thông số n)

Từ bảng 3.1 chọn sơ bộ Re = 10

(Sau này tính chính xác hơn Re)

Với Re vừa chọn thì loại hệ thống khuấy BA và SN là đáp ứng tốt nhất

Phương án A : Tính toán thông số cơ bản cho BA ( Vierlelattruhrer)

Hình 4 : Hệ số công suất Ne theo Re của một số dạng

cơ cấu khuấy trộn [17]

a 1 – Tra Ne (NewtonZahl) ở hình 4 ứng với Re = 10 có Ne ≈ 19

a2 – Tính đường kính cơ cấu khuấy (bảng 3.3)

Bảng 3.3 Kích thước chủ yếu của thùng khuấy

a2 – Tính đường kính cơ cấu khuấy (bảng 7.3)

dk = 0,5dB = 0,5m

a3 – Xác định số vòng quay n (7.16)

(7.16)Suy ra:

( v/s )

a4 – Tính công suất:

(7.22)

(W)

a5 – Tính lại Re khi có sự khác biệt về n

a6 – Tính toán thời gian trộn

Hình 5 Thời gian trộn không thứ nguyên với độ lệch chuẩn S=0,05

a6 – Tính toán thời gian trộn

a61 – Từ (7.28) để xác định được thời gian trộn phải xác định được giá trị tc bằng kết quá thí nghiệm ở điều kiện S=0,05; So = 3 và Se = 0,01667 nêu ở Hình 5

Tra đồ thị ứng BA thời gian trộn không thứ nguyên Tm = 93

Như vậy thời gian trộn ứng với thí nghiệm theo là:

sXác định hằng số thời gian tc ứng với Se = 0,01667 khi thí nghiệm từ phương trình (7.27)

b5 – Tính lại để chọn được bộ thông số hợp lý hơn nếu cần thiết.

b6 – Xác định thời gian trộn

Tương tự như đã tính toán cho phương án A ta có kết quả như sau

Thời gian trộn không thứ nguyên Tm (tra đồ thị hình 7.8)

Tm = 67Thời gian trộn t05 khi thí nghiệm ứng với S = 0,05

sHằng số thời gian t0 ứng với Se thí nghiệm là 0,01667

Hay 6,88.10-4 =

Suy ra t = 208s

Kết luận:

Việc chọn 2 phương án A và B với cơ cấu trộn khác nhau để cùng đạt được mức

độ đồng đều khi trộn như nhau nhằm đánh giá, xác định phương án hợp lý

N – Công suất dẫn động

Q – Năng suất

Hay:

Ta có :

Như vậy phương án B tốt hơn.

3.4 Một vài nhận xét

Từ nội dung nghiên cứu tổng quan trên có thể rút ra một vài nhận xét sau :

- Có nhiều loại máy khuấy trộn có thể thực hiện cùng một nhiệm vụ như nhau,việc chọn phương án thiết kế nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố có kinh

nghiệm của người thiết kế

- Do việc tính toán máy khuấy trộn chỉ là tính toán gần đúng nên từ các chỉ dẫn của các tài liệu khác nhau có thể dẫn đến sai khác nhất định về kết quả tính toán Để có được kết quả tốt hơn có thể thực hiện tính cho nhiều

phương án khác nhau

3.5 Tính toán xác định các thông số cơ bản của thùng khuấy

3.5.1.Lựa chọn hình dạng hình học đáy bể khuấy trộn

Tùy theo thành phần và yêu cầu dung dịch cần trộn khuấy trong thực tế thường áp dụng 3 dạng khuấy khác nhau: đáy phẳng, đáy hình chuông và đáy bán cầu Theo mục đặc điểm chung của máy khuấy trộn dung dịch là tạo được dung dịch đồng nhất giữa vật liệu, không xảy ra hiện tượng lắng đọng các hạt rắn nên dạng đáy phẳng không phù hợp

Hình 2.1: Hình dáng hình học đáy bể khuấy trộn

Lựa chọn đáy bể khuấy trộn chỏm cầu vì đáy chỏm cầu tăng khả năng trộnhỗn hợp vật liệu khi tạo được dòng chảy rối bên trong và không xảy ra hiện tượnglắng đọng