Thí nghiệm khảo sát đặc tính động lực lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm

Thí nghiệm khảo sát đặc tính động lực lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm

I TRÍCH YẾU 2

1 Mục đích thí nghiệm 2

2 Phương pháp thí nghiệm 2

3 Kết quả thí nghiệm 2

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2

1 Độ giảm áp của dòng khí 2

2 Hệ số ma sát f ck theo Rec khi cột khô 3

3 Độ giảm áp P cu khi cột ướt 5

4 Điểm lụt của cột chêm 5

III THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 6

1 Thiết bị thí nghiệm 6

2 Phương pháp thí nghiệm 7

IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 8

V BÀN LUẬN 20

VI PHỤ LỤC 22

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

- Đo độ giảm áp cột ướt thì thực hiện tương tự, chỉ thay đổi lưu lượng dòng lỏng, dừngthí nghiệm khi phát hiện điểm lụt.

các khoảng trống giữa các vật chêm tăng dần vận tốc thì độ giảm áp ũng tăng theo Sựgia tăng này theo luỹ thừa từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dòng khí.

n ck

hỗ tương giữa dòng lỏng và dòng khí rất lớn, P c tăng nhanh chóng không theophương trình (1) nữa Dòng lỏng lúc này chảy xuống cũng khó khan, cột ở điểm lụt

- Đường biểu diễn

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

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

- Chilton và Colburn đề nghị một hệ thức liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột

 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 sứRaschig:

0,351

h w









- Tuy nhiên, Zhavoronkov đề nghị một hệ thức khác chính xác hơn vì đã đưa được trị

số độ xốp của cọt chêm vào hệ thức

2

2 3

2

, /

ck ck

a diện tích bề mặt riêng của vật chêm, m m2/ 3

- Hệ số ma sát f là hàm số theo chuẩn số vô thứ nguyên Re ck c, với Rec được tính theocông thức sau:

 độ nhớt của dòng khí, kg m s/ 

- Zhavoronkov đã xác định được dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảyrối ứng với trị số Rec 50 Trong vùng chảy rối, 50 Re c 7000 với cột chêm ngẫunhiên Ta được:

0,2

3,8Re

ck

c

f 

(5)

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

3 Độ giảm áp P cu khi cột ướt

- Sự liên hệ giữa độ giảm áp cột khô P ck và cột ướt P cu có thể biểu diễn như sau

Với  hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, : kg/m s2

- Leva đề nghị ảnh hưởng của L lên  như sau

10 L

Hay log L

- Giá trị  tuỳ thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xép vật chêm (xếp ngẫu nhiênhay theo thứ tự) và độ lớn của lưu lượng lỏng L Thí dụ với vật chêm là vòng sứ

Raschig 12,7mm, chêm ngẫ nhiên, độ xốp  0,586; giá trị L 0,39 11, 7 kg m s/ 2 

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

cu ck

P P

cu ck

ReL

L

G Fa



(11)

4 Điểm lụt của cột chêm

- Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng chiếm toàn bộ khoảng trống trong phần chêm, cácdòng chảy bị xáo trộn mãnh liệt, hiện tượng này rất bất lợi cho sự hoạt động của cột

G tương ứng với trạng thái này là G*

Hình 2: Giản đồ lụt của cột chêm

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

L G

- Do đó sự liên hệ giữa   trên giản đồ 1, 2 log 1 log sẽ xác định một giản đồ lụt2

của cột chêm, phần giới hạn hoạt động của cột chêm ở dưới đường này

III THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

 Lưu lượng kế lỏng F có độ chia từ 0,2 đến 3,5 gallon/ph1

b Các số liệu liên quan đến cột chêm

- Cột thuỷ tinh

 Đường kính d 0,09m

 Chiều cao H 0,805m

 Chiều cao phần chêm Z 0, 42m

- Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7 mm, bề mặt riêng

c Các thông số khác của thiết bị

- Các thông số trong sơ đồ thiết bị

 F Lưu lượng kế khí, K : V 0, 286 m3/ ph

 F Lưu lượng kế lỏng, L: G L 5,805 /l ph

 B : Quạt có công suất 1,0 Hp K

 B Bơm có công suất 0,5 Hp L:

2 Phương pháp thí nghiệm

- Khoá tất cả các van lỏng (từ 1 đến 4)

- Mở van 5 và khoá van 6

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

- Mở van 1 và 2 Sau đó cho bơm chạy

- Mở van 3 và từ từ khoá van 1 để chỉnh mức chất lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định mức g Tắt bơm và khoá van 3

- Đo độ giảm áp của cột khô

 Khoá tất cả các van lỏng lại Mở van 6 còn van 5 vẫn đóng Cho quạt chạy rồi từ từ

mở van 5 để chỉnh lưu lượng khí vào cột

 Ứng với mỗi giá trị lưu lượng đã chọn ta đọc P ck trên áp kế U theo mmH O Đo 2

xong tắt quạt, nghỉ 5 phút

- Đo độ gimr 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 V tại lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng L

(lưu lượng kế lỏng có vạch chia 0,2; 0,4;…; 3,5) Nếu V đã mở tối đa mà phao vẫn L

không lên thì dùng van 1 để tăng lượng lỏng

 Ứng với lưu lượng lỏng đã chọn cố định, ta chỉnh lưu lượng khí và đọc độ giảm áp

- Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng B trước, mở tối đa van 4 sau đó tắt quạt L B K

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

IV KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Bảng 2: Kết quả tính toán cho cột khô

log P ck

Z



theo log G

0,004f(x) = 1.61 x + 3.37

R² = 1

Bảng 3: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L 0, 2

Hình 4: Đồ thị log P cu

Z



theo G

Bảng 4: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L 0, 4

00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,001 00,001 00,001 00,001 00,001 000

Hình 5: Đồ thị log P cu

Z



theo G

Bảng 5: Tính toán cho cột ướt tại L 0,6

00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,001 00,001 00,001 00,001 000

Hình 6: Đồ thị log P cu

Z



theo G

Bảng 6: Tính toán cho cột ướt tại L 0,8

Hình 7: Đồ thị log P cu

Z



theo G

Bảng 7: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L 1, 0

Hình 8: Đồ thị log P

Z



theo G

Bảng 8: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L 1, 2

Hình 9: Đồ thị log P cu

Z



theo G

Bảng 9: Kết quả tính toán cột khô tại L 1, 4

Hình 10: Đồ thị log P cu

Z



theo G

Polynomial (L=0,2) L=0,4

Polynomial (L=0,4) L=0,6

Polynomial (L=0,6) L=0,8

Polynomial (L=0,8) L=1,0

Polynomial (L=1,0) L=1,2

Polynomial (L=1,2) L=1,4

Polynomial (L=1,4)

Hình 11: Đồ thị so sánh

logP c

Z theo G

-0,001 -0,001 -0,001 -0,001 0,000 0,000 0,000

0,002 0,002 0,003 0,003 0,004

0,004

L=0 Linear (L=0) L=0,2 Logarithmic (L=0,2) Linear (L=0,2) L=0,4 Linear (L=0,4) L=0,6 Linear (L=0,6) L=0,8 Linear (L=0,8) Linear (L=0,8) L=1,0 Linear (L=1,0) L=1,2 Linear (L=1,2) L=1,4 Linear (L=1,4)

Hình 12: Đồ thị,

c

P Z

Linear (L=0,4) L=0,6

Linear (L=0,6) Linear (L=0,6) L=0,8

Linear (L=0,8) L=1,0

Linear (L=1,0) Linear (L=1,0) L=1,2

Linear (L=1,2) L=1,4

Linear (L=1,4)

Hình 13: Đồ thị ảnh hưởng của

Rec lên log f ck à log f cu

Linear (G=10%) G=20%

Linear (G=20%) G=30%

Linear (G=30%)

Hình 14: Sự phụ thuộc của log vào L

9 0,6743

0,1677

0,001

3 -0,7756 -2,87870,6 0,6883 0,0452 0,6883 0,065

7 0,5994

0,1341

0,002

2 -0,8725 -2,65140,8 0,6022 0,0603 0,6022 0,100

0 0,5245

0,1030

0,003

4 -0,9872 -2,46851,0 0,5162 0,0753 0,5162 0,1459 0,4496 0,0790 0,0050 -1,1021 -2,30461,2 0,4302 0,0904 0,4302 0,2101 0,3746 0,0551 0,0071 -1,2589 -2,14631,4 0,3441 0,1054 0,3441 0,3064 0,2997 0,0407 0,0104 -1,3902 -1,9824

-00,003 -00,003 -00,003 -00,002 -00,002 -00,002 -00,002 -00,002

-00,002 -00,001 -00,001 -00,001 -00,001 -00,001 00,000

00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000 00,000

Pcư/Z theo G tại L = 0.2

Pcư/Z theo G tại L = 0.4

Pcư/Z theo G tại L = 0.6

Pcư/Z theo G tại L = 0.8

Pcư/Z theo G tại L = 1,0

Pcư/Z theo G tại L = 1.2

Pcư/Z theo G tại L = 1.4

log theo L tại G 10%

log theo L tại G 20%

y = 0,2253x + 0,0045

y = 0,2681x + 0,0214

V BÀN LUẬN

1 Dựa vào đồ thị và số liệu thực nghiệm ta thấy:

Đối với cột khô: khi G tăng thì độ giảm áp tăng theo đường thẳng

Đối với cột ướt: khi G tăng thì độ giảm áp cũng tăng theo nhưng chia thành từngvùng rõ rệt như giản đồ trong lý thuyết đã đề cập Khi lưu lượng lỏng càng tăng thìcột càng dễ gần đến điểm lụt hơn

Sau điểm gia trọng thì giá trị P tăng lên rất nhanh, đột ngột Đoạn thẳng ở trongvùng này rất dốc nên ta rất khó vận hành cột chêm ở chế độ sủi bọt này mặc dù cộtchêm hoạt động tốt nhất ở chế độ đó.Thực tế khi tiến hành thí nghiệm khi tới điểm lụt

ta dừng thí nghiệm do đó trên đồ thị không có vùng sau điểm gia trọng

2 Giản đồ f theo Re được lập để nhằm biểu diễn sự phụ thuộc của trở lực vào lưu lượngcủa dòng lưu chất Nếu lưu lượng dòng lưu chất càng lớn thì hệ số ma sát f giữa haipha càng tăng Lập đồ thị nhằm xác định được lưu lượng hợp lý để vận hành cột đểtrở lực nhỏ và thu được hiệu suất truyền khối tốt nhất giữa hai pha với nhau mà cộtvẫn không bị lụt Tuy nhiên trong đồ thị trên thì ta lại thấy điều ngược lại tức là khilưu lượng tăng lên thì trở lực lại giảm dần, kết quả này thu được do ảnh hưởng của sai

số trong quá trình thí nghiệm

Nếu biết 1 trong hai giá trị Re hoặc f thì có thể dùng đồ thị để xác định giá trị còn lạinhư sau: Từ giá trị f hoặc Re đã biết, kẻ một đường thẳng đứng theo phương nganghoặc theo phương đứng, cắt đồ thị f_Re tại một điểm Từ giao điểm đó, kẻ một đườngthẳng vuông góc với trục còn lại thì sẽ xác định được giá trị cần tìm

3 Sự liên hệ giữa các đối tượng tương đối gần với với dự đoán Cụ thể là các mối liên

hệ sau:

- Log(Pck/Z) và logG là phụ thuộc tuyến tính với nhau theo đường thẳng giống như lýthuyết đã nhận định

- Pcư/Z và G cũng gần như được chia thành hai vùng rõ rệt: vùng dưới điểm gia trọng

và vùng trên điểm gia trọng

 Vùng dưới điểm gia trọng thì P tăng chậm và đều đặn nên các điểm này thu đượcgần như cùng nằm trên một đường thẳng

 Vùng trên điểm gia trọng thì P tăng nhanh, đột ngột nên đoạn thẳng rất dốc; nếu tănglưu lượng lỏng và khí lên cao nữa sẽ tiến đến điểm lụt của cột

- Log và L: hoàn toàn phụ thuộc tuyến tính với nhau nên được thể hiện thành mộtđường thẳng trên đồ thị

4 Tuy nhiên trong quá trình làm thí nghiệm cũng có nhiều sai số Những nguyên nhândẫn đến sai số có thể là do:

 Lưu lượng dòng lỏng không ổn định do bơm

 Lưu lượng dòng khí không ổn định do quạt

 Cột nước duy trì ở đáy cột không đảm bảo yêu cầu làm cho nước xâm nhập vào ống

đo độ chênh áp làm ảnh hưởng đến kết quả

 Sai số khi đọc và trong thao tác thí nghiệm

 Điều kiện thí nghiệm không như nhau ở các lần đo

Chú ý:

Khi chỉnh xong lưu lượng dòng khí và dòng lỏng xong phải tiến hành đọc ngay kết quả.Giữa quá trình thí nghiệm phải dừng khoảng 10 phút để làm nguội thiết bị, ổn định hệ thốngrồi mới tiếp tục vận hành thiết bị

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

K: khối lượng riêng của dòng khí lấy ở 450C.

Tra được các thông số của dòng khí:

4.586 là hệ số quy đổi từ galon sang lít

L: khối lượng riêng của lỏng lấy ở nhiệt độ 35oC

Với F: tiết diện của cột chêm, tính bằng công thức:

Với fck: hệ số ma sát cột khô

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

v = G/F Trong đó G: lưu lượng dòng khí (m3/s)

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

μ l

μ nuoc Nếu chất lỏng là nườc thì μtd = 1

VII TÀI LIỆU THAM KHẢO

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

- [2] Giáo trình truyền khối ,GS.TSKH.Nguyễn Bin, Đại học Bách khoa Hà Nội

- [3] Vũ Bá Minh, Truyền khối, Đại học Bách Khoa Tp.HCM.