Bài Báo cáo quá trình khuấy chất lỏng

môn học “Quá trình và thiết bị cơ học” là môn học giành cho sinh viên chuyên ngành công nghệ hoá học ,thưc phẩm ,sinh học …Trong các quá trình vận chuyển, quá trình khuấy trộn, lọc, lắng ly tâm đều có những ứng dụng rất quan trong trong cuộc sống đặc biệt là quá trình lọc và quá trình khuấy trộn các chất. quá trình lọc và khuấy trộn được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống đặc biệt là những sinh viên nghành hoá và nghành công nghệ

I TRÍCH YẾU

1 Mục đích

Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy với nhiều hệ thống có hình dạng khác nhau

2 Phương pháp

 Ta thực hiện khuấy 2 chất lỏng là dầu và nhớt bằng các cánh khuấy turbine (CT2, CT3) và chân vịt (CP2) ở các vận tốc khác nhau ứng với hai chế độ: có và không có tấm chặn

 Đo các giá trị lực ma sát (khi cánh khuấy quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy và làm cho động cơ quay trên ổ bi) ứng với từng trường hợp thí nghiệm

 Tính toán các giá trị công suất của động cơ, chuẩn số Re và chuẩn số công suất khuấy Np ứng với từng trường hợp, từ đó xây dựng các giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho các trường hợp thí nghiệm

3 Kết quả thí nghiệm

Bảng 1: Kết quả thí nghiệm với nhớt.

Bảng 2: Kết quả thí nghiệm với dầu.

Chế độ khuấy N(v/ph) F(lbf)

C T2

Có tấm chặn

Không tấm chặn

Có tấm chặn

Không tấm chặn

II LÝ THUYẾT TN

1 Khái niệm cơ bản:

 Khuấy là quá trình cung cấp năng lượng để tạo ra một dòng chảy thích hợp trong

thiết bị nhằm làm giảm sự không đồng nhất trong chất lỏng Đó là sự chênh lệch về nồng

độ, độ nhớt, nhiệt độ ở những điểm khác nhau trong lòng chất lỏng

Người ta có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí (dùng cánh khuấy), bằng khí nén

(sục khí) hoặc bằng tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng

Trong cách khuấy trộn bằng cơ khí, một vài loại cánh khuấy thường được dùng là:

nhỏ quay

vò ng số

khi dùng Được

ghép neo

m ỏ U) ,

(chữ neo

mỏ

Loại

chéo đặt

tha nh có

chèo

m ái và thanh, 2

chèo mái

Loại

bản chèo

m ái loạ i

tấm,

Loại









lớn.

quay vòng số

khi dùng Được turbine

Loại

vịt chân

Loại









Phạm vi ứng dụng của hai loại mái chèo được sử dụng trong bài thí nghiệm là:

+ Loại cánh khuấy turbine: Loại này dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao (

= 5.105 cP), để điều chế huyền phù mịn, để hòa tan nhanh chất rắn hoặc để khuấy trộn

chất lỏng đã lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 80%

+ Loại cánh khuấy chân vịt: Dùng để điều chế huyền phù, nhũ tương Loại cánh

khuấy này dùng không thích hợp với chất lỏng có độ nhớt cao hoặc khuấy trộn hỗn hợp,

trong đó pha rắn có khối lượng riêng lớn

 Trong các hệ thống khuấy, một số yếu tố được quan tâm là:

 Chọn cánh khuấy

 Thời gian khuấy

 Công suất tiêu tốn

 Số vòng quay

 Độ lớn của bề mặt truyền nhiệt

Trong bài thí nghiệm này ta sẽ xem xét về yếu tố công suất khuấy và tiên đoán công

suất khuấy cho một hệ thống nhất định

2 Phân tích thứ nguyên:

Công suất khuấy phụ thuộc vào tốc độ, tính chất của môi trường và đặc tính hình học

của thiết bị, tức là:

 Vận tốc cánh khuấy (v/ s)

 Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt  (Pa.s), khối lượng riêng  (kg/m3)

 Độ cao của chất lỏng trong bình chứa H (m)

 Đường kính cánh khuấy d (m)

 Đường kính bình khuấy D và cấu trúc bình khuấy (loại cánh khuấy, hình dáng

bình chứa, số tấm chặn,…)

Như vậy, ta có quan hệ :

P = f (N, d, , , D, H, Z, các kích thước hình học khác)

Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập các phương trình chuẩn

số tính công suất khuấy dưới dạng :



5 3

d N

P











,

, , , ,

2

D

H D

Z D

d g

d N N d





 N P = 3. 5.

d N

P

: chuẩn số công suất, có ý nghĩa của một thừa số ma sát Nó phụ

thuộc vào chế độ thủy động lực học trong thiết bị

 Re = d2.N. : chuẩn số Reynolds của cánh khuấy, tỷ số giữa lực ly tâm và lực

ma sát Nó đặc trưng cho chế độ chảy của lưu chất trong bình khuấy

 Fr = N g2 d : chuẩn số Froude, tỷ số giữa lực ly tâm và lực trọng trường, đặc

trưng cho sự hình thành xoáy phễu



D

d ,

D

Z ,

D

H ,… các thừa số hình dạng của hệ thống

Giữa các hệ thống thỏa 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:

N P = f*(Re, Fr,…) (*)

3 Giản đồ công suất:

Trong mỗi chế độ chảy (dòng, quá độ, chảy xoáy có xuất hiện xoáy phễu và không có suất hiện xoáy phễu), ta có công thức tính công suất khuấy riêng Ở đây ta chỉ xét đến trường hợp chảy xoáy

Công thức tổng quát để xác định công suất khuấy trộn:

P = N P.N3.d5. (W)) Trong đó NP phụ thuộc vào hai chuẩn số Re và Fr Ta có 3 cách để xác định chuẩn số công suất khuấy:

 Xác định chuẩn số công suất theo giải tích.

 Xác định chuẩn số công suất theo đồ thị.

 Xác định chuẩn số công suất theo phương trình chuẩn số.

Việc xác định chuẩn số công suất bằng giải tích đến nay vẫn còn là một vấn đề khó khăn Vì thế, người ta dùng thực nghiệm để xây dựng quan hệ giữa 3 chuẩn số nói trên Thông thường, người ta giữ cố định một trong hai thông số ở một giá trị nào đó (giả sử là Re ở Re1), làm thí nghiệm với các giá trị Fr1, Fr2,… để được các NP tương ứng Sau đó sẽ thay đổi nó đến các giá trị khác (chẳng hạn Re2, Re3,…) vàø cứ lặp lại quy trình Ta có thể dùng một mặt phẳng 3 chiều Re – Fr - NP để mô tả phương trình (*)

Từ giản đồ 3 chiều , ta có thể quy về giản đồ 2 chiều để sử dụng Tuy nhiên người ta nhận thấy, đối với đa số hệ thống thực, Fr không phải là yếu tố ảnh hưởng quyết định lên

NP Ví dụ như chuẩn số Fr thường chỉ được tính đến khi mặt thoáng chất lỏng không còn ở dạng phẳng do ảnh hưởng của tốc độ quay Do đó ta vẽ đồ thị quan hệ giữa NP và Re, bỏ

qua ảnh hưởng của Fr Đồ thị mô tả đó gọi là giản đồ công suất khuấy Ta có ví dụ về giản đồ công suất khuấy như hình

4 Tiên đoán công suất cho các hệ thống thực:

Khi cần thiết xây dựng một hệ thống khuấy trộn công nghiệp, người ta thường tạo những mô hình mẫu nhỏ rồi xây dựng giản đồ công suất cho các hệ thống này Mô hình mẫu phải đồng dạng với các mô hình thực tế và do đó, ta có thể dùng chung giản đồ công suất của mô hình nhỏ cho mô hình lớn Từ đó, ta có thể tiên đoán công suất khuấy trộn cần thiết

III DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

1 Thiết bị thí nghiệm:

 2 bình chứa dầu và nhớt

 2 cánh khuấy turbine CT2 (lớn), CT3 và 1 cánh khuấy chân vịt CP2

 1 trục gắn cánh khuấy

 1 bộ tấm chặn 4 tấm

 1 động cơ ¼ mã lực có thể thay đổi được vận tốc từ 0 đến 1200 vòng/phút (rpm) bằng hộp số Động cơ được đặt trên ổ bi

 1 lực kế lò xo có thang đo từ 0 đến 2 lbf

 1 vận tốc kế có 3 thang đo hoạt động theo nguyên tắc điện từ (0 – 300 rpm, 0 –

600 rpm, 0 – 1200 rpm)

2 Phương pháp thí nghiệm:

2.1 Phương pháp đo:

2.1.1 Công suất khuấy:

Khi cánh khuấy quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy và làm cho động cơ quay trên ổ bi Ta gắn lò xo lực kế vào động cơ để hãm nó lại, đọc số đo trên lực kế Số đo này chính là độ lớn của lực ma sát F giữa chất lỏng và cánh khuấy

Công sinh ra khi điểm đặt lò xo chuyển động tương đối một khoảng ds:

dA = Fds Khi chuyển động trọn một vòng:











r

r F Fds

0

2 với r là khoảng cách từ vị trí gắn lò xo đến trục động cơ Trong hệ thống thí nghiệm này,

r = 5 inch

Công suất của động cơ:

T

A

P  với T N1 là thời gian động cơ quay hết một vòng

Như vậy:

P = 2FrN

2.1.2 Vận tốc khuấy N

Đọc trên vận tốc kế theo đơn vị vòng/phút (rpm)

2.2 Nội dung thí nghiệm

Thí nghiệm được thực hiện với hai chất lỏng là nhớt và dầu Đối với nhớt tiến hành lần lượt với cả ba cánh khuấy, với dầu chỉ dùng cánh khuấy CT2 Ứng với mỗi cánh khuấy phải đo hai chế độ: có và không có tấm chặn Vận tốc khuấy thay đổi từ 100 đến 1100 vòng/phút Với nhớt có thể chọn vận tốc 200, 400, 600, 800 và 1000 Với dầu nên để 50,

400, 700, 900 và 1100

Chú ý:

 Không nên chạy máy quá 1100 vòng/phút, máy sẽ rung, nguy hiểm

 Khi đọc vận tốc luôn thử để ở thang đo 0 – 1200 rpm trước Nếu thấy chưa đủ chính xác thì mới giảm xuống thang đo nhỏ hơn Tránh để kim chỉ nhảy quá mức tối đa của thang đo

0

2

4

6

8

10

12

14

 Mỗi khi bật tắt động cơ hay thay đổi vận tốc khuấy, phải dùng tay giữ động cơ để cho lực ban đầu không làm động cơ xoay mạnh sẽ gây va chạm và làm hư máy

 Khi tháo lắp cánh khuấy, trục… không để rơi xuống bình làm vỡ bình

 Trước khi dùng lực kế phải chỉnh về 0 khi động cơ không quay

 Khi quay hộp số để điều chỉnh vận tốc, phải tháo rời lò xo khỏi động cơ

IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Bảng 3: Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T2

Chế độ

Có tấm

chặn

1000 16,667 0,222 0,988 13,139 907,316 1,296

Không có

tấm chặn

1000 16,667 0,189 0,841 11,185 907,316 1,104

Hình 5 : Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T2

Re

N p

Bảng 4: Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T3

Chế độ

Có tấm

chặn

Không có

tấm chặn

0 5 10

15

20

25

30

Hình 6 : Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T3

N p

Re

Có tấm chặn

Không có tấm chặn

Bảng 5: Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C P2

Chế độ

Có tấm

chặn

Không có

tấm chặn

0

3

6

9

12

15

Hình 7 : Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C P2

N p

Re

Có tấm chặn

Không có tấm chặn

Bảng 6: Kết quả tính cho trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy C T2

Chế độ

Có tấm

chặn

1100 18,333 0,210 0,935 13,664 1666,897 1,063

Không có

tấm chặn

1100 18,333 0,156 0,694 10,151 1666,897 0,790

-40

0

40

80

120

160

200

Hình 8 : Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy C T2

N p

Re

Có tấm chặn

Không có tấm chặn

V BÀN LUẬN

Thiết kế bồn nhớt có thể tích 50m 3

- Trong quá trình thí nghiệm, tiến hành đo các kích thước của bình chứa, ta được các

kết quả như sau:

H: 0,26 (m)

D:0,245 (m) (ta dùng đường kính trong của bình chứa để làm cơ sở thiết kế bồn

chứa nhớt 50m3 theo tiêu chuẩn đồng dạng)

Với:

H: chiều cao cột nhớt trong bình, m

D: đường kính trong của bình, m

- Để thiết kế được bồn nhớt 50m3 đồng dạng với bình khuấy trong thí nghiệm thì phải thỏa điều kiện sau:

'

'

D

H D

H

 Với H’: chiều cao cột nhớt trong bồn 50m3, m

D’: đường kính của bồn nhớt 50m3, m

- Thể tích của bồn nhớt được tính theo công thức:

' H ' D

4 2

Từ các điều kiện (1) và (2), ta suy ra được kích thước tương ứng của bồn nhớt 50m3 phải thiết kế như sau:

- Bồn nhớt có đường kính: D’ = 3,91 (m)

- Bồn nhớt có chiều cao: H  5(m)

- Chiều cao của nhớt trong bồn: H’ = 4,15 (m)

Với các kích thước tương ứng như trên, ta đã thiết kế được bồn nhớt có thể tích 50m3 đồng dạng với bình khuấy nhớt trong phòng thí nghiệm

Chọn cánh khuấy CT2 ở chế độ không tấm chặn trong quá trình thí nghiệm để làm chuẩn cho việc chọn loại cánh khuấy và kích thước cánh khuấy trong quá trình khuấy nhớt trong bồn 50m3

Ta cũng chọn cánh khuấy loại turbin và độ nhúng sâu của cánh khuấy vào bồn nhớt cho bồn 50m3 theo tiêu chuẩn sau:

'

'

Z

d Z

d

 Với d, d’: đường kính cánh khuấy trong phòng thí nghiệm và trong bồn 50m3

Z,Z’: chiều cao tính từ đáy bình đến cánh khuấy trong phòng thí nghiệm và trong bồn 50m3

Từ tiêu chuẩn trên ta chọn được đường kính cánh khuấy d’ = 1,22 (m) Như vậy, quá trình khuấy nhớt trong bồn thể tích 50m3 là đồng dạng với quá trình trong phòng thí nghiệm ta đã tiến hành

Quá trình khuấy trong bình chứa 50m3, ta chọn 5 giá trị vận tốc khuấy như sau:

Bảng 7: Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy turbin đồng dạng

với cánh khuấy CT 2

Chế độ khuấy Cánh Vận tốc khuấy (vòng/phút) Vòng/s Re

Không

1000 16,67 232578,0

Vì hai quá trình khuấy là đồng dạng với nhau nên ta có thể dựa trên giản đồ công suất khuấy đã thiết lập được trong quá trình thí nghiệm để tiên đoán công suất khuấy của bồn nhớt 50m3 với các vận tốc đã chọn

Đồ thị của công suất khuấy P theo Re trong chế độ khuấy không tấm chặn, dùng cánh khuấy CT2 được cho như sau:

Hình 9 : Giản đồ công suất khuấy theo Re trong trường hợp bồn nhớt 50m 3

Bảng 8: Kết quả tính công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh

khuấy turbin đồng dạng với cánh khuấy CT 2

Chế độ khuấy Cánh Vận tốc khuấy (vòng/phút) Vòng/s Re Công suất khuấy (W)

Không

Từ các số liệu tính toán được ở trên, ta sẽ vẽ được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa công suất khuấy P và vận tốc N

0

10

20

30

40

50

-5 0 5 10 15

Re

Câu 1: Nhận xét ảnh hưởng của tấm chặn đến công suất khuấy:

 Trường hợp cánh khuấy C T2 :

o Khuấy dầu : Khi vận tốc khuấy nhỏ, công suất khuấy khi có tấm chặn nhỏ hơn không có tấm chặn Còn khi vận tốc khuấy lớn (400rpm) thì công suất khuấy khi có tấm chặn lớn hơn không có tấm chặn

o Khuấy nhớt : Trong mọi vận tốc khảo sát, công suất khuấy khi có tấm chặn luôn lớn hơn khi không có tấm chặn

 Trường hợp cánh khuấy C T3: Ở vận tốc 200 và 600 rpm thì công suất khuấy khi có tấm chặn nhỏ hơn không có tấm chặn, còn ở các vận tốc còn lại thì công suất khuấy khi có tấm chặn lớn hơn không có tấm chặn

 Trường hợp cánh khuấy C P2: Trong mọi vận tốc khảo sát, công suất khi có tấm chặn luôn lớn hơn trường hợp không có tấm chặn

Nhìn chung, giá trị công suất khuấy khi có tấm chặn thường lớn hơn khi không có tấm chặn và không khác nhau nhiều lắm Bởi vì khi có tấm chặn thì các dòng lưu chất sẽ

bị ma sát với tấm chặn nên sẽ tốn thêm công suất để thắng lực ma sát đó

Câu 2: Nhận xét sự tiêu thụ năng lượng của từng loại cánh khuấy

Chế độ khuấy

trong nhớt

Vận tốc khuấy

N P

Có tấm chặn

Không có tấm

chặn

Theo bảng kết quả trên, ta có mức độ tiêu tốn năng lượng của các loại cánh khuấy theo thứ tự là:

 Ở vận tốc khuấy nhỏ (200 rpm): CT2 > CP2 >CT3

 Ở vận tốc khuấy lớn (>200 rpm): CT2 > CT3 > CP2

Bởi vì:

 Cánh khuấy kiểu turbine có bề mặt vuông góc với vận tốc dài của cánh khuấy lớn hơn cánh khuấy chân vịt nên sẽ chịu tác dụng của lực ma sát nhiều hơn, làm tiêu tốn năng lượng khuấy nhiều hơn Cánh khuấy càng lớn thì chịu lực ma sát tác dụng càng nhiều

Ngoài ra, ta cũng có một nhận xét là khi vận tốc càng lớn thì chênh lệch công suất khuấy tiêu tốn cho từng loại cánh khuấy càng chênh lệch rõ

Câu 3 : Ta chọn khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu lớn hơn khuấy nhớt vì:

Độ nhớt của dầu nhỏ hơn nhiều so với độ nhớt của nhớt (dầu = 51,84cP còn nhớt = 90,89cP) nên với cùng một tốc độ quay thì lực ma sát giữa dầu với cánh khuấy sẽ nhỏ hơn lực ma sát giữa nhớt với cánh khuấy Do đó vận tốc cánh khuấy khi khuấy dầu phải thay đổi một giá trị đáng kể thì ta mới có thể khảo sát thấy sự thay đổi của lực ma sát, làm giảm đi sai số chủ quan của quá trình thí nghiệm, trong khi đó ta chỉ cần thay đổi vận tốc khuấy nhớt một lượng nhỏ hơn thì đã đạt được những mục đích trên Cho nên ta chọn:

 Vận tốc khuấy dầu: 50, 400, 700, 900 và 1100 vòng/phút

 Vận tốc khuấy nhớt: 200, 400, 600, 800 và 1000 vòng/phút

Câu 4: Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu?

 Nguyên nhân gây ra 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 (như hình vẽ) Hiện tượng này gọi là sự tạo phễu trong thiết bị khuấy

 Để biết trong trường hợp nào thì có xoáy phễu, ta hãy xem xét đồ thị mô tả sự phụ thuộc giữa chuẩn số công suất khuấy và Re k sau:

Ta thấy đồ thị có 4 phần:

 AB (Rek < 20): ứng với chuyển động dòng

 BC và BE: biểu thị giai đoạn từ chảy quá độ chuyển sang chảy xoáy

 CD (Rek > 300): đặc trưng cho phạm vi chảy xoáy nhưng không xuất hiện xoáy phễu (do có dùng biện pháp chống xoáy phễu)

 EF (Rek > 300): cũng thuộc phạm vi chảy xoáy nhưng có xuất hiện xoáy phễu

Xoáy phễu là có hại vì:

* Sự tạo phễu ảnh hưởng không tốt đến quá trình khuấy Từ phễu khí có thể xâm nhập vào môi trường lỏng làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy (ta xét khuấy chất lỏng), đồng thời cánh khuấy chịu tác dụng của lực phụ làm tăng công suất khuấy

* Ngoài ra các chất lỏng đem khuấy thường có tính chất vật lý khác nhau (độ nhớt, khối lượng riêng), nên dưới tác dụng của trường lực ly tâm có thể xuất hiện khả năng phân ly (phân lớp) của các chất lỏng, làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy (mục đích của khuấy là làm giảm sự không đồng nhất, sự phân lớp của các chất)

Những phương pháp làm mất xoáy phễu là:

 Đặt lệch tâm cánh khuấy vào bể khuấy, đặt nghiêng hoặc nằm ngang: nhằm làm cho những xoáy phễu được tạo thành lệch tâm sẽ va đậm 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: có chung nhược điểm là tăng diện tích tiếp xúc làm tăng lực ma sát và công suất của động cơ, gồm có:

 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…)

Bề mặt của xoáy có dạng lõm xuống ở tâm vì mặt đẳng áp trên bề mặt thoáng

chất lỏng là một mặt parabol có đáy ở tâm (như hình)