BÁO CÁO QTTB CỘT CHÊM

khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng cách xác định ảnh hưởng vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất( độ giảm áp) khi đi qua cột; hệ số ma sát cột khô, cột ướt,v..v.. Ngoài ra còn hướng dẫn cách tính toán từ số liệu thực nghiệm.

Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách khoa Khoa Kỹ thuật Hóa học

BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Phúc trình Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị

Bài:

CỘT CHÊM

I Nội dung cơ bản:

1 Mục đích:

Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng cách xác định:

-Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất ( độ giảm áp ) khi đi qua cột

-Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô fck theo chuẩn số Reynolds (Re) của dòng khí và suy ra các hệ thức thực nghiệm

-Sự biến đổi của thừa số  liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô và qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng

-Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột ( giản đồ ngập lụt và gia trọng )

II Lý thuyết căn bản:

1 Độ giảm áp của dòng khí

Độ giảm áp của dòng khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G của dòng khí qua cột khô ( không có dòng chảy ngược chiều ) Khi dòng khí chuyển động trong các khoảng trống giữa các vật chêm tăng dần vận tốc thì độ giảm áp cũng tăng theo Sự gia tăng này theo lũy thừa từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dòng khí

(1)

Với n = 1,8 – 2,0

Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trống giữa những vật chêm bị thu hẹp lại Dòng khí do đó di chuyển khó khăn hơn vì một phần thể tích tự do giữa các vật chêm bị lượng chất lỏng chiếm cứ Khi tăng vận tốc dòng khí lên, ảnh hưởng cản trở của dòng lỏng tăng lên đều đặn cho đến một trị số tới hạn của vận tốc khí, lúc đó độ giảm áp của dòng khí tăng vọt lên Điểm ứng với trị số tới hạn của vận tốc khí này được gọi là điểm gia trọng Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí quá trị số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỗ tương giữa dòng lỏng và dòng khí rất lớn, tăng mau chóng không theo phương trình (1) nữa Dòng lỏng lúc này chảy xuống cũng khó khăn, cột ở điểm lụt

Đường biểu diễn log( ) (độ giảm áp suất của dòng khí qua một đơn vị chiều cao của phần chêm trong cột) dự kiến như trình bày trên hình 1

Hình 1: Ảnh hưởng của G và L đối với độ giảm áp của cột

2 Hệ số ma sát f ck theo Re c khi cột khô:

Chilton và Colburn đề nghị một hê thức liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm khô với vận tốc khối lượng của dòng khí qua cột

, N/m2

Z: chiều cao phần chêm, m G: vận tốc khối lượng dòng khí dựa trên một đơn vị tiết diện cột, kg/s.m2 Dh: kích thước đặc trưng của vât chêm, m

ρg: khối lượng riêng của pha khí, kg/m3 h: hệ số hiệu chỉnh dùng cho vật chêm rỗng

w: hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng của thành cột lên độ xốp của cột chêm

Sherwood tổng hợp kết quả của một số nghiên cứu và đưa ra trị số sau cho vòng Raschig:

h = 0,35

w = 1 Tuy nhiên, Zhavoronkov đề nghị một hệ thức khác chính xác hơn vì đã đưa được trị số độ xốp của cột chêm vào hệ thức:

L2 L1

L = 0

C

logG

, N/m2 Với : độ xốp của vật chêm

De = 4 /a : đường kính tương đương của vật chêm, m a: diện tích bề mặt riêng của vật chêm, m2/m3 Hệ số ma sát fck là hàm số theo chuẩn số vô thứ nguyên Rec, với Rec được tính theo công thức sau:

Rec = =

: độ nhớt của dòng khí, kg/ms

Zhavoronkoz đã xác định được dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối ứng với trị số Rec = 50 Trong vùng chảy rối, 50 < Rec < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên Ta được:

fck =

Tuy nhiên, các hệ thức tổng quát trên không được chính xác lắm vì không xem xét được toàn bộ ảnh hưởng của hình dạng vật chêm

3 Độ giảm áp khi cột ướt

Sự liên hệ giữa độ giảm áp cột khô và độ giảm áp cột ướt có thể được biểu diễn như sau:



Do đó có thể dự kiến fcu = .fck

Với : hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, kg/m2s

Leva đề nghị ảnh hưởng của L lên  như sau

 = 10 L hay log = L

Giá trị  tùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm ( xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự ) và độ lớn lưu lượng lỏng L Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig 12,7 mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp = 0,586; giá trị của L từ 0,39 đến 11,7 kg/m2s và cột hoạt động trong vùng dưới điểm gia trọng

= 0,084 Một số tài liệu còn biểu diễn sự phụ thuộc giữa tỉ số

với hệ số xối tưới như sau:

A = 3 √ (

Khi A < 0,3 cho vật chêm bằng sứ có d < 30 mm, ta có:

ReL =

4 Điểm lụt của cột chêm

Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng chiếm toàn bộ khoảng trống trong phần chêm, các dòng chảy bị xáo trộn mãnh liệt, hiện tượng này rất bất lợi cho sự hoạt động của cột chêm Gọi giá trị của GL tương ứng với trạng thái này là GL*

Hình 2: Giản đồ lụt của cột chêm

Zhavoronkov kết luận rằng trạng thái ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số sau có sự liên hệ nhất định với nhau cho mỗi cột

1 = (

và 2 = √

Với fck: hệ số ma sát cột khô

: vận tốc dài của dòng khí ngay trước khi vào cột, m/s

1

2

td: độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước td* =

, nếu chất lỏng là nước thì td = 1

Do đó sự liên hệ giữa 1, 2 nên giản đồ log1 - log2 sẽ xác định một giản đồ lụt của cột chêm, phần giới hạn hoạt động của cột chêm ở dưới đường này

III Dụng cụ- Thiết bi và Phương pháp thí nghiệm

1 Thiết bị thí nghiệm:

Thiết bị thí nghiệm gồm có:

1) Cột thủy tinh, bên trong là các vòng sứ Raschig xếp chêm ngẫu nhiên

2) Hệ thống cấp khí gồm:

 Bơm ( quạt) thổi khí BK

 Ống dẫn khí

 Áp kế sai biệt chữ U

 Lưu lượng kế khí F có độ chia từ 8 đến 100%

3) Hệ thống cấp nước gồm:

 Thùng chứa nước bằng nhựa N

 Bơm chất lỏng BL

 Lưu lượng kế lỏng F1 có độ chia từ 0 đến 1,6

2 Các số liệu liên quan đến cột chêm

Cột thủy tinh:

 Đường kính d = 0,09 m

 Chiều cao H = 0,805 m

 Chiều cao phần chêm Z = 0,42 m

Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7 mm, bề mặt riêng a = 370 –

380 m2/m3, độ xốp = 0,586

Đường kính ống thép ở đáy cột D = 0,09 m

3 Phương pháp thí nghiệm:

1) Khóa lại tất cả các van lỏng ( từ 1 đến 4 )

2) Mở van 5 và khóa van 6

3) Cho quạt chạy trong 5 phút để thổi hết ẩm trong cột Tắt quạt

4) Mở van 1 và 2 Sau đó cho bơm chạy

5) Mở van 3 và từ từ khóa van 1 để chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định mức g Tắt bơm và khóa van 3

6) Đo độ giảm áp ở cột khô:

 Khóa tất cả các van lỏng lại Mở van 6 còn van 5 vẫn đóng Cho quạt chạy rồi từ từ mở van 5 chỉnh lưu lượng khí vào cột

 Ứng với mỗi giá trị lưu lượng khí đã chọn ta đọc trên áp kế U theo mmH2O Đo xong tắt quạt, nghỉ 5 phút

7) Đo độ giảm áp khi cột ướt:

 Mở quạt và điều chỉnh lưu lượng khí qua cột khoảng 15 – 20%

 Mở van 1 và cho bơm chạy Dùng van VL tại lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng ( lưu lượng kế lỏng có vạch chia 0,1; 0,2;…; 1,6 ) Nếu VL đã mở tối đa mà phao vẫn không lên thì dùng van 1 để tăng lượng lỏng

 Ứng với lưu lượng lỏng đã chọn ( ví dụ: 0,1; 0,2; …) cố định, ta chỉnh lưu lượng khí và đọc độ giảm áp giống như trước đó Chú ý là tăng lượng khí đến điểm lụt thì thôi

Chú ý:

- Trong quá trình đo độ giảm áp của cột ướt, cần canh giữ mức lỏng ở đáy cột luôn

ổn định ở ¾ chiều cao đáy bằng cách chỉnh van 4 Nếu cần, tăng cường van 2 để

nước trong cột thoát về bình chứa ( van 2 dùng để xả nhanh thì giảm lưu lượng

khí)

- Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng BL trước, mở tối đa van 4 sau đó tắt quạt BK

- Nếu sơ suất để nước tràn vào ống dẫn khí thì mở van xả nước ở phía bảng

IV Kết quả thí nghiệm

Cột khô

L = 0,2

L = 0,4

G (%) G, kg/s.m2 D Pcu D Pcu (N/m2) D Pcu/Z, (N/m2)/m  fcu=  fck Recu log(fcu) log(  ) logG

10 0,087 3 29,43 70,071 1,000 11,499 50,327 1,061 0 -1,05905

20 0,175 9 88,29 210,214 1,286 8,624 100,655 0,936 0,109144 -0,75802

30 0,262 15 147,15 350,357 0,857 6,388 150,982 0,805 -0,06695 -0,58193

40 0,349 27 264,87 630,643 1,350 6,468 201,309 0,811 0,130334 -0,45699

50 0,436 53 519,93 1237,929 2,038 8,126 251,637 0,910 0,309303 -0,36008

60 0,524 73 716,13 1705,071 2,028 7,773 301,964 0,891 0,30702 -0,2809

70 0,611 104 1020,24 2429,143 2,261 8,135 352,291 0,910 0,354276 -0,21395

L = 0,6

L = 0,8

L = 1

G (%) G, kg/s.m2 DPcu DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m  fcu=.fck Recu log(fcu) log() logG

10 0,087 3 29,43 70,071 1,000 11,499 50,327 1,061 0,000 -1,059

20 0,175 9 88,29 210,214 1,286 8,624 100,655 0,936 0,109 -0,758

30 0,262 18 176,58 420,429 1,029 7,666 150,982 0,885 0,012 -0,582

40 0,349 27 264,87 630,643 1,350 6,468 201,309 0,811 0,130 -0,457

50 0,436 42 412,02 981,000 1,615 6,440 251,637 0,809 0,208 -0,360

60 0,524 70 686,7 1635,000 1,944 7,453 301,964 0,872 0,289 -0,281

70 0,611 146 1432,26 3410,143 3,174 11,421 352,291 1,058 0,502 -0,214

G (%) G, kg/s.m2 D Pcu D Pcu (N/m2) D Pcu/Z, (N/m2)/m  fcu=  fck Recu log(fcu) log(  ) logG

10 0,087 3 29,43 70,071 1,000 11,499 50,327 1,061 0,000 -1,059

20 0,175 10 98,1 233,571 1,429 9,583 100,655 0,981 0,155 -0,758

30 0,262 21 206,01 490,500 1,200 8,944 150,982 0,952 0,079 -0,582

40 0,349 53 519,93 1237,929 2,650 12,697 201,309 1,104 0,423 -0,457

50 0,436 80 784,8 1868,571 3,077 12,266 251,637 1,089 0,488 -0,360

55 0,480 101 990,81 2359,071 2,806 10,754 276,800 1,032 0,448 -0,319

L = 1,2

V Đồ thị

G (%) G, kg/s.m2 D Pcu D Pcu (N/m2) D Pcu/Z, (N/m2)/m  fcu=  fck Recu log(fcu) log(  ) logG

20 0,175 19 186,39 443,786 2,714 18,207 100,655 1,260 0,434 -0,758

30 0,262 38 372,78 887,571 2,171 16,184 150,982 1,209 0,337 -0,582

35 0,306 53 519,93 1237,929 2,650 12,697 176,146 1,104 0,423 -0,515

40 0,349 65 637,65 1518,214 2,500 9,966 201,309 0,999 0,398 -0,457

45 0,393 89 873,09 2078,786 2,472 9,476 226,473 0,977 0,393 -0,406

50 0,436 121 1187,01 2826,214 2,630 9,465 251,637 0,976 0,420 -0,360

G (%) G, kg/s.m2 D Pcu D Pcu (N/m2) D Pcu/Z, (N/m2)/m  fcu=  fck Recu log(fcu) log(  ) logG

L, gppm L, kg/s.m2 G*, % G*, Kg/s.m2 L/G*  1  2 log(  1 ) log(  2 )

VI Bàn luận:

1 Ảnh hưởng của G lên độ giảm áp khi cột khô và khi cột ướt:

_Khi cột khô: theo thí nghiệm thì khi G tăng, DP của tăng theo, đồ thì Log(DP/Z) theo Log(G) có dạng đường thẳng

_Khi cột ướt: Ban đầu, khi giá trị G còn nhỏ, G và DP tăng chậm, có dạng gần như đường thẳng Nhưng khi G tăng đến một giá trị gọi là điểm gia trọng thì DP xu hướng tăng mạnh và đột ngột, không tuân theo phương trình DPck = DGn, khi đó cột ở trạng thái lụt, và đồ thị lúc này có dạng đường cong Tuy nhiên ở mức L=0,2, cột chêm không hoạt động ở trạng thái lụt, do đó đồ thị chỉ hơi tăng nhẹ so với lý thuyết

2 Mục đích và cách sử dụng giản đồ f theo Re

_Mục đích của giản đồ f theo Re: dùng để xác định sư biến đổi của hệ số ma sát theo chuẩn số Re của dòng khí Giản đồ sẽ giúp ta chọn lưu lượng khí hợp lý nhất khi vận hành để giảm lực ma sát trong cột

_Cách sử dụng giản đồ:

Khi biết được giá trị f: từ giá trị đã biết trên trục tung, ta gióng đường thẳng song song với trục hoành, cắt đường đồ thị tại một điểm, từ điểm đó ta vẽ đường vuông góc với trục hoành, cắt trục hoành tại một điểm, thì điểm đó chính là giá trị Re cần tìm Chúng ta cũng làm tương tự khi biết giá trị của Re, nhưng thay trục hoành ở trên bằng trục tung, ta cũng sẽ tìm được một điểm, điểm đó chính là f cần tìm

VII Phụ lục

 Tính fck theo công thức:

Với : độ xốp của vật chêm, = 0,586

De = 4 / a: đường kính tương đương của vật chêm, m

a = 370-380 m2/m3 :diện tích bề mặt riêng của vật chêm

 Tính fcư bằng công thức:

fcư =  fck

 Tính  bằng công thức:

DPcư =  DPck

 Tính Reck bằng công thức:

Với : độ nhớt của dòng khí, kg/ms

 Lưu lượng khí: G(kg/s.m2) =

ρk: khối lượng riêng dòng khí ỡ 300C, tra số liệu ρk = 1,165 kg/m3 F: tiết diện cột chêm: F=

 Lưu lượng lỏng: L(kg/s.m2) =

 Tính 1 = (

)

Tính 2 = √

VIII Tài liệu tham khảo

[1].Tập thể CBGD bộ môn Máy – Thiết bị, Thí nghiệm Quá trình – Thiết bị, Đại học Bách Khoa Tp.HCM

[2] GS.TSKH.Nguyễn Bin,Giáo trình truyền khối, Đại học Bách khoa Hà Nội [3].Vũ Bá Minh, Truyền khối, Đại học Bách Khoa, Tp.HCM