Huong dan thi nghiem QTTB

Bài 1: Xác định độ nhớt của chất lỏng, trạng thái không khí ẩm, hệsố phân bố I- XÁC ĐỊNH ĐỘ NHỚT CỦA CHẤT LỎNG 1 Lý thuyết Khi chất lỏng chuyển động sẽ tạo ra quá trình trượt giữa các l

Bài 1: Xác định độ nhớt của chất lỏng, trạng thái không khí ẩm, hệ

số phân bố I- XÁC ĐỊNH ĐỘ NHỚT CỦA CHẤT LỎNG

1) Lý thuyết

Khi chất lỏng chuyển động sẽ tạo ra quá trình trượt giữa các lớp chất lỏng giống như hiện tượng ma sát, vì có lực ma sát trong lòng lớp chất lỏng Lực ma sát gây ra sức cản của chất lỏng đối với chuyển động tương đối của các phần tử chất lỏng Tính chất này của chất lỏng thực gọi là độ nhớt

1 St =1 cm2/s = 100 cSt (centistôc)

Có nhiều phương pháp đo độ nhớt, sau đây sẽ giới thiệu phương pháp đo độ nhớt bằng nhớt kế mao quản Ứng với mỗi chất lỏng có độ nhớt khác nhau phải có một nhớt kế có giới hạn đo phù hợp

2) Tiến hành thí nghiệm và lấy số liệu

Phương pháp này theo tiêu chuẩn ASTM D 445 nhằm xác định độ nhớt động học của những sản phẩm dầu mỏ trong cũng như đục, bằng cách đo thời gian để một thể tích chất lỏng xác định chảy qua một mao quản thủy tinh dưới tác dụng của trọng lực Độ nhớt động học là kết quả tính được từ tích số giữa thời gian chảy và hằng số nhớt kế

-Nhớt kế mao quản

-Bể điều nhiệt

-Nhiệt kế chính xác

-Đồng hồ bấm giây

-Giữ nhiệt độ bể điều nhiệt ổn định theo yêu cầu nhiệt độ thí nghiệm

-Nhớt kế phải rửa sạch, khô và các thang đo phù hợp với chất lỏng cần xác định độ nhớt, loại có mao quản rộng dung cho chất lỏng độ nhớt lớn và ngược lại Nhớt kế thích hợp phải có thời gian chảy >= 200 giây

-Nạp chất lỏng vào nhớt kế với thể thích thích hợp (tùy theo từng loại nhớt kế)

-Nhớt kế đã nạp phải giữ trong bể điều nhiệt khoảng 30 phút để đảm bảo nhiệt độ chất lỏng cần tiến hành đo, chỉnh lại chất lỏng trong nhớt kế nếu cần thiết Nếu đo độ nhớt tại nhiệt độ phòng thì không cần đưa vào bể điều nhiệt

-Dùng bóp cao su tạo lực hút hay đẩy cho mực chất lỏng trong mao quản lên cao hơn mực dánh dấu thứ nhất khoảng 5 mm Để chất lỏng chảy tự do và dung đồng hồ bấm giâyxác định thời gian chất lỏng chảy từ mực đánh dấu thứ nhất đến mực đánh dấu thứ 2

-Lập lại thí nghiệm sao cho kết quả sai số giữa hai lần không quá 0,2 %.

-Thường tiến hành 3 lần đo thời gian và lấy giá trị trung bình

t = (s)

-Xác định độ nhớt của mẫu tại nhiệt độ phòng, 400C, 1000C

-Đối với nhớt kế loại 1: � = C.t (cSt)

K= = const

Trong đó:

T1, T2 – Nhiệt độ mà tại đó chất lỏng A có độ nhớt µ1, µ2

- Nhiệt độ của chất lỏng tiêu chuẩn bất kỳ có cùng độ nhớt µ1, µ2

- Như vậy để tính độ nhớt của chất lỏng A tại nhiệt độ T3, ta chỉ cần xác định độ nhớt của chất lỏng tiêu chuẩn ở nhiệt độ �3

K= �3 = + 2

Tài liệu tham khảo:

1) Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm; tập 1: các quá trình thủy lực, bơm, quạt, máy nén; nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2002; tác giả Nguyễn Bin

2) Thủy lực đại cương, GS.TSKH Trần Văn Đắc, Nhà xuất bản giáo dục 2004

II- XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI CỦA KHÔNG KHÍ ẨM

1 Mục Đích

Bài thí nghiệm giúp sinh viên biết cách xác định trạng thái không khí ẩm thôngqua việc đo nhiệt độ bầu khô và bầu ướt của không khí.

2 Ý nghĩa

Đây là bài thí nghiệm có ứng dụng quan trọng trong thực tế

Khi tính toán quá trình sấy cần biết nhiệt độ điểm sương vì đó là giới hạn của quátrình làm lạnh hỗn hợp không khí ẩm trong điều kiện x c= onst

.Biết được nhiệt độ điểm sương để chọn nhiệt độ cuối của quá trình sấy phải lớnhơn nhiệt độ điểm sương để tránh ngưng tụ trên bề mặt vật liệu sấy

Trong dự báo thời tiết người ta dùng phương pháp này để xác định trạng thái củakhông khí ẩm tại điểm đo vào thời điểm đo

3 Lý thuyết của phương pháp đo có dùng đồ thị I-x (đồ thị L.K Ramzin)

Trạng thái của không khí ẩm được đặc trưng bằng 4 thông số trạng thái cơ bản là

t0C, I, x, φ Nếu dùng đồ thị I-x ta chỉ cần 2 trong 4 thông số cơ bản trạng thái của khôngkhí ẩm, vì mỗi điểm trong đồ thị I-x là giao điểm của 4 đường: đẳng nhiệt (to), đẳng độ

Nếu tiếp tục giảm nhiệt

độ của khí thì hơi nước trong khối không khí đó sẽ bắt đầu ngưng tụ, hàm ẩm của hỗnhợp khí bắt đầu giảm Nhiệt độ của không khí tương ứng với trạng thái bão hòa hơi nướcgọi là nhiệt độ điểm sương, ký hiệu là ts Vậy điểm sương là giới hạn của quá trình làmlạnh không khí trong điều kiện hàm ẩm x c= onst

b Nhiệt độ bầu ướt (tu)

Nếu ta cho bay hơi nước có trong khối không khí chưa bão hòa trong điều kiệnđoạn nhiệt, nghĩa là quá trình bay hơi nước diễn ra do nhiệt của khối không khí đó cungcấp mà không cần cung cấp thêm nhiệt và cũng không cần lấy bớt nhiệt của khối không

khí đó Khi đó nhiệt độ không khi sẽ giảm dần, hơi ẩm tăng dần đến khi khối không khí

đó bão hòa hơi nước thì hệ đạt được trạng thái cân bằng động Nghĩa là cứ trên một đơn

vị bề mặt bốc hơi, trong cùng một đơn vị thời gian Lượng ẩm bay hơi vào trong khôngkhí bằng lượng ẩm ngưng tụ từ không khí vào nước Nhiệt độ này gọi là nhiệt độ bầu ướt,

kí hiệu là (tu)

Vậy nhiệt độ bầu ướt là một thông số đặc trưng cho khả năng cấp nhiệt của khôngkhí để làm bay hơi nước cho đến khi không khí bão hoa hơi nước

c Nhiệt độ bầu khô (t)

Nhiệt độ bầu khô gọi là giá trị đọc được trên nhiệt kế thường, kí hiêu là (t)

t t

ε = −

gọi là thế sấy đặc trưng cho khả năng hút ẩm của không khí

4 Phương pháp đo nhiệt độ bầu ướt.

Để đo nhiệt độ bầu ướt ta dùng ẩm kế Ta cũng có thể dùng nhiệt kế thường có bọcvải ướt Một đầu vải ướt được nhúng vào trong nước, để tạo ra môi trường không khíxung quanh bầu thủy ngân có

100%

ϕ =

.Giá trị đọc trên nhiệt kế bầu ướt là nhiệt độ bầu ướt (tu)

Giá trị đọc trên nhiệt kế thường là nhiệt độ bầu khô (t)

6 Tiến hành thí nghiệm và xác định các thông số

- Lắp ráp dụng cụ thí nghiệm như hình 2

- Đo nhiệt độ bầu ướt →

tu (oc)

- Đo nhiệt độ bầu khô →

t (oc)

- Xác định nhiệt độ điểm sương →

ts (oc)

- Đưa ra các đại lượng có được vào giản đồ RamJin theo thứ tự các bước sau:

Bước 1: Vạch đường đẳng nhiệt qua điểm tương ứng với t

Bước 2: Vạch đường đẳng nhiệt qua điểm tương ứng với tu gặp đường

1

ϕ =

ở (3)Bước 3: Vạch đường thẳng I c= onst

qua (3), cắt đường thẳng đẳng nhiệt qua t tại ABước 4: Từ A vạch đường x c= onst

tới khi cắt đường

Bước 6: Cũng theo đường x c= onst

ta xác định được hàm ẩm của không khíx (điểm 8)Bước 7: Xác định áp suất hơi riêng phần của hơi nước trong không khí (điểm 9)

Để đối chiếu với giá trị h

P

xác định bằng giản đồ RamJin ta có thể xác định ápsuất riêng phần của hơi nước trong không khí theo công thức sau:

Bước 8: Qua điểm A ta xác định độ ẩm tương đối ϕ

của không khí ở trạng thái A

ts

x

h

P

tính cho giá trị đúng hơn

-Dùng ẩm kế đọc kết quả độ ẩm trên mặt đồng hồ và so sánh với giá trị xác định đượctheo phương pháp trên Đưa ra nhận xét

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Bin f Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thựcphẩm, tập 4, NXB: KH & KT, Hà Nội, 2008

[2] Trịnh Văn Dũng f QT và TB công nghệ hóa học và thực phẩm Bài tậptruyền khốif NXB: ĐH Quốc gia TP.HCM, 2008

2- Lý thuyết cân bằng pha

Ta khảo sát sự chuyển chất của amoniac làm ví dụ

Amoniac là một cấu tử phân bố có trong hỗn hợp của nó với không khí Hỗn hợp bị hấpthụ bằng nước sạch Khi chưa có sự cân bằng amoniac sẽ chuyển tới pha hơi Фy, ở đónồng độ của nó bằng y, sang pha lỏng Фx có nồng độ đầu của amoniac bằng không,nghĩa là x = 0

Khi amoniac hòa tan vào nước thì cũng bắt đầu sự chuyển một phần phân tử amoniactheo hướng ngược lại với tốc độ tỷ lệ thuận với nồng độ amoniac và tại biên giới pha

Theo thời gian tốc độ chuyển dịch amoniac vào nước giảm dần và tốc độ chuyểndịch ngược lại tăng dần Sự chuyển dịch này diễn ra cho đến khi nào tốc độ chuyển dich

về hai phía bằng nhau Khi đó sẽ thiết lập một cân bằng động ở đó sự chuyển dịch vậtchất từ pha này đến pha khác sẽ diễn ra không rõ rệt lắm

Ở thời điểm cân bằng, giữa nồng độ cân bằng hay nồng độ giới han của cấu tử trong cácpha có một mối quan hệ xác định (tùy thuộc nhiệt độ và áp suất) như sau:

*: nồng độ NH3 trong pha hơi cân bằng với nó

Tỷ số nồng độ các pha ở trạng thái cân bằng với nó là hệ số phân bố

m = x

y *

Hệ số phân bố là tan của góc nghiêng của đường cân bằng, đối với đường cong cânbằng thì m không phải là một hằng số, nó có thể lớn hơn, nhỏ hơn hay bằng 1.Với quátrình trích ly , m càng lớn hơn 1 thì càng dễ trích ly

- Phễu chiết 200ml

4 Phương pháp thực nghiệm :

Cho vào cốc thủy tinh 50ml nước cất và 50ml toluene sạch Cân a gam (khoảng0,5 gam) axit xalycilic tinh thể rồi cho vào cốc có hỗn hợp nước và toluene ở trên.Khuấy liên tục trong 15 phút Sau đó, đổ toàn bộ dung dịch vào phễu chiết, chờ hỗnhợp phân lớp rõ rệt (khoảng 30phút), thận trọng mở van lấy ra phần nước trắng phíadưới, đem đi chuẩn độ

Lấy ra 10ml vào 1 cốc rồi chuẩn độ bằng NaOH 1N có chất chỉ thị phenolphthalein(làm 3 lần thí nghiệm)

Dựa vào công thức : V1N1= V2N2

Trong đó : + V1_ml dung dịch axit xalycilic

Tính lượng axít xalycilic đã tan vào trong 50ml nước là : m1

5 Tài liệu tham khảo :

[1] Nguyễn Bin Các QTTB trong công nghệ hóa chất và thực phẩm – tập 4 – NXBKHKT, 2006, Hà Nội , chương 4 Trích ly chất lỏng ( tr 197 )

Bài 2: Thí nghiệm reynold, dòng chảy qua lỗ

I: THÍ NGHIỆM REYNOLDS

1) Mục đích

Có 2 trạng thái chuyển động của lưu chất: Trạng thái chảy tầng và chảy rối,giữa hai trạng thái này có trạng thái chảy quá độ Các trạng thái này có những tínhchất khác hẳn nhau và tạo ra những nguyên tắc khác nhau gây ra sự tiêu hao nănglượng của dòng chảy

Mô hình thí nghiệm này giúp sinh viên hình dung được:

- Quan sát, phân biệt hai trạng thái của lưu chất và sự quá độ từ trạng thái nàysang trạng thái kia của lưu chất

- Xác định giá trị của Re để dòng chảy tầng, chảy rối và so sánh với kết quá thựcnghiệm của Reynolds

2) Lý thuyết

-Các phần tử chuyển động song song nhau theo một đường thẳng với vận tốcchậm gọi là chảy dòng Ngược lại các phần tử chuyển động với vận tốc nhanh theođường thẳng không thứ tự với các hướng khác nhau tạo thành một dòng rối gọi làchảy rối (chảy xoáy)

Khi vận tốc tăng lên dòng bị chảy rối, nên xuất hiện dòng xoáy, các phần tử chuyểnđộng với vận thay đổi cả giá trị và hướng tạo thành parabol tù Dọc thành ống có lớpbiên, ở lớp biên vận tốc chất lỏng giảm dần và sát thành ống bằng 0 Trong lớp biênchất lỏng chảy tầng.

-Để quan sát chế độ chuyển động của dòng chảy cho một dòng chất màu chuyển độngcùng dòng chảy trong ống Khi lưu lượng nhỏ tia màu chuyển động theo đường thẳng,không dao động và dung dịch màu không có sự hòa trộn vào nước Khi lưu lượngtăng đến một mức nào đó thì tia màu bắt đầu gợn sóng, kết thúc giai đoạn chảy tầng.-Nếu lưu lượng dòng chảy tăng đến một giới hạn nhất định thì tia màu bị dao độngmạnh và đứt đoạn, hòa trộn vào dòng chảy Lúc này đã chuyển sang chảy rối hoàntoàn Theo Reynolds dòng chảy chuyển từ trạng thái chảy tầng sang chảy rối phải quabước trung gian là trạng thái chảy quá độ

-Khi dòng chảy ở trạng thái chảy rối hoàn toàn và tiến hành giảm lưu lượng đến mộtmức nào đó tia màu trở về trạng thái gợn sóng và chảy theo đường thẳng là dòng chảytrong ống đã chuyển từ trạng thái chảy rối sang chảy tầng

-Sự thay đổi trạng thái lưu chất phụ thuộc vào một đại lượng không thứ nguyên Re,đặc trưng cho dòng chảy có ma sat, được lập theo tỷ số giữa lực ma sát và lực quántính

-Việc tăng dần lưu lượng là tăng dần Re, khi Re càng nhỏ thì lực ma sát nhớt càng lớn

vì vậy mọi kích động của dòng chảy sẽ bị lực ma sat nhớt dập tắt, ta có trạng thái chảytầng Ngược lại khi Re lớn lực quá tính tăng nên lực ma sat nhớt không đủ lớn để dậptắt các kích động dẫn đến dòng lưu chất chuyển sang chảy rối

Đối với ống và máng dẫn không phải là tròn đường kính tương đương tính theo côngthức dtđ = d = 4 rtl

rtl =

Trong đó: rtl -bán kính thủy lực, m

f - tiết diện ống, m2

U - chu vi thấm ướt của ống, m

Đối với ống hình chữ nhật dạng a.b

rtl = =

dtd = 4 rtl =

3) Tiến hành thí nghiệm và lấy số liệu

a) Thí nghiệm Reynolds đối với ống thẳng

- Lưu lượng tăng dần: Mở khóa cho lưu lượng nước tăng dần đến khi dòng chảy ổn

định, dùng ống đong 1 lit để đo lưu lượng của dòng chảy Đo thời gian nước chảy đầyống hoặc một thể tích chọn trước, tiến hành 3 lần đo với cùng một mức lưu lượng dòng chảy Để lưu lượng dòng chảy ổn định thì mực nước trên bể phải không có sự thay đổi Tiến hành đo ứng với 3 trạng thái chảy tầng, quá độ, rối và lập bảng tính toán

Chảy tầng:

Thể tích chất lỏng (nước) V=……m3

Thời gian đo lần 1, t1 =…… (s)

Thời gian đo lần 2, t2 =…… (s)

Thời gian đo lần 3, t3 =…… (s)

Thời gian trung bình, ttb = (s)

Lưu lượng dòng chảy Q = (m3/s)

Vận tốc chất lỏng w = (m/s), S là tiết diện ống S = (m2)

Re =

Chảy quá độ:

Thể tích chất lỏng (nước) V=……m3

Thời gian đo lần 1, t1 =…… (s)

Thời gian đo lần 2, t2 =…… (s)

Thời gian đo lần 3, t3 =…… (s)

Thời gian trung bình, ttb = (s)

Lưu lượng dòng chảy Q = (m3/s)

Vận tốc chất lỏng w = (m/s), S là tiết diện ống S = (m2)

Re =

Chảy rối:

Thể tích chất lỏng (nước) V=……m3

Thời gian đo lần 1, t1 =…… (s)

Thời gian đo lần 2, t2 =…… (s)

Thời gian đo lần 3, t3 =…… (s)

Thời gian trung bình, ttb = (s)

Lưu lượng dòng chảy Q = (m3/s)

Vận tốc chất lỏng w = (m/s), S là tiết diện ống S = (m2)

Re =

-Lưu lượng giảm dần:

Giảm dần lưu lượng và quan sát trạng thái dòng chảy xác định chuẩn số Re tại ba trạng thái:

Chảy rối….

Chảy quá độ ….

Chảy tầng….

Đưa ra nhận xét về giá trị Re đo được trong thực nghiệm với giá trị của Reynolds đưa

ra, giải thích sự khác nhau đó.

b) Dòng chảy trong đường ống bị gấp khúc

Mở khóa và điều chỉnh lưu lượng sao cho trước đoạn ống gấp khúc là trạng thái chảy tầng Quan sát và nhận xét về trạng thái dòng chảy trong khoảng sau đoạn gấp khúc.

c) Dòng chảy trong ống có đường kính khác nhau

Điều chỉnh lưu lượng nước sao cho trong đoạn đầu tiên nước chảy tầng sau đó quan sát trạng thái dòng chảy ở ống có đường kính bé hơn và đưa ra nhận xét

Tài liệu tham khảo: Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực

phẩm; tập 1: các quá trình thủy lực, bơm, quạt, máy nén; nhà xuất bản khoa học và

kỹ thuật 2002; tác giả Nguyễn Bin

II: DÒNG CHẢY QUA LỖ

1) Mô tả: Xác định lượng chất lỏng chảy trong một thời gian nhất định

2) Ứng dụng:

3) Tiến hành thí nghiệm và lấy số liệu

a) Sự chảy qua lỗ khi mức chất lỏng ổn định.

trong thời gian (T) Tiến hành 3 lần và lấy giá trị trung bình.

- Do mực nước ổn định nên w2 = 0, p1 = p2

b) Sự chảy qua lỗ khi mức chất lỏng thay đổi.

Xác định thời gian mức chất lỏng chảy từ mức H đến

hành trong 3 lần, sau đó lấy giá trị thời gian trung bình

thích sự khác nhau đó.

c) Tính chiều xa của dòng nước

Vậy dòng nước vạch ra parabol có dạng: y =

Vậy chiều xa của dòng nước tính theo chiều cao y: x =

Lấy một độ cao nhất định (y) Sau đó đo vận tốc dòng nước w0 và chiều xa x, so sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết.

Tài liệu tham khảo: Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm;

tập 1: các quá trình thủy lực, bơm, quạt, máy nén; nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật 2002; tác giả Nguyễn Bin.

Bài 3: CHƯNG CẤT CÓ HƠI NƯỚC

1 Mục đích :

Bài thí nghiệm này giúp sinh viên hiểu về nguyên lý chưng hệ chất lỏng không hòa tanvào nhau

2 Lý thuyết quá trình chưng bằng hơi nước trực tiếp

Áp dụng định luật Raoult cho hai chất lỏng không tan lẫn vào nhau: Pt = +

Áp suất hơi bão hoà của cấu tử A và B tại nhiệt độ cần khảo sát (Tra cứu sổ tay quá trìnhthiết bị)

Khi hỗn hợp sôi ở áp suất khí quyển thì : + = 1atm = 760 mm Hg

Vậy khi chưng cất lôi cuốn theo hơi nước của hai chất lỏng không tan lẫn vào nhau thìgiảm được nhiệt độ sôi, đây chính là ứng dụng quan trọng trong thực tế để tách một sốhợp chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp, tránh phá huỷ cấu trúc phân tử cũng như các phảnứng phụ xảy ra ở nhiệt độ cao

= = , Giả sử A là H2O, B là chất cần lôi cuốn theo hơi nước

Vậy khối lượng nước thoát ra cùng với 1 mol chất lỏng không hoà tan là:

mH2O = 18 (g)

Trong thực tế không có những chất lỏng không hòa tan vào nhau Chúng hòa tan rất ítvào nhau đến mức ta coi như không tan lẫn trong nhau

Ví dụ: Như hệ benzen, nước, cacbon sunphua Các hỗn hợp này có thể tách thành các cấu

tử riêng biệt bằng phương pháp lắng gạn

- Ống nhựa hoặc cao su

và lớp chất lỏng, toluene là cấu tử cần chưng sẽ vào trong hơi tạo thành một hỗn hợp baylên rồi qua ống sinh hàn để ngưng tụ lại Nước ngưng tụ lại trong cốc đem đi phân lớp, ta

đo thể tích toluene thu được (V:ml) Rồi tính tỷ lệ thu hồi toluene:

Quá trình chưng cất kết thúc khi thấy thể tích lớp toluene trong cốc không đổi.Trong quá trình chưng cất ta đọc nhiệt độ ghi nhận trên nhiệt kế Nó là một đại lượngthấp hơn 1000C Khi nhiệt độ hơi tăng cao chứng tỏ toluene đã bay hơi hết