HƯỚNG dẫn KHUẤY TRỘN CHẤT LỎNG j y OLDSHUE

Các đặc trưng công suất của bộ cánh khuấy liên hệ các ảnh hưởng kết hợp của các tính chất chất lỏng, hình dạng bộ cánh khuấy, đường kính và tốc độ bộ cánh khuấy với công suất tiêu thụ..

J.Y OLDSHUE, N.R HERBST

HƯỚNG DẤN HUẤY TRỘN CHẤT LỎNG

Người dịch : Đặng Xuân Toàn

Đặng Vãn Sử

THÀ XUẤT BẨN KHOA HỌC VÀ KỶ THUẬT

HÀ N ộ ỉ - 1995

Dịch từ nguyên bản :

J.Y Olđshue, N.R.Herbst

A GUIDE TO FLUID MIXING Lightnin

Rochester, New York, U.S.À

Các tác giả

Tiến sỉ JY.Oldshue là tác giả Công nghệ khuấy trộn

chát lỏng (Chemical Engineering, McGraw-Hill Publishing

Company, 1983) và nhiều công trìn h về quá trìn h trộn Hiện nay ông là chủ tịch của công ty Oldshue Technologies Internationnal, ông đã nghỉ hưu sau bốn thập niên công tác ở Lightnin, một bộ phận của General Signal Khi còn ở Lightnin ông đã giữ nhiều cương vị kỹ thuật chủ chốt, trước khi nghỉ hưu ông là pho' chủ tịch Hội công nghệ khuấy trộn (Mixing Technology)

N.R.Herbst hiện là kỹ sư marketing kỹ thuật cao cấp

ở Lightnin, nơi ông đã giữ các cương vị kỹ sư thử nghiệm, kỹ sư dịch vụ marketing và kỹ sư marketing kỹ thuật trong nhiều năm qua Ngoài ra ông còn có nhiều kinh nghiệm trong nghiên cứu - triển khai, và kỹ thuật ứng dụng

LÒI GIỎI THIỆU

Việc các kỹ sư Việt Nam dịch cuốn "Hướng dẫn khuấy trộn chất lỏng" sang tiếng Việt để sử dụng là một vinh hạnh lớn cho chúng tôi Khuấy trộn chất lỏng được dùng trong hầu hết các quá trình sản xuất, bao gồm chủ yếu các qui trình công nghệ hóa học Công nghệ thiết kế

có hiệu quả các thiết bị khuấy trộn chất lỏng trong những ứng dụng này đã phát triển rất nhanh cho'ng.Cuốn sách này tóm tát nhiều khái niệm quan trọng được sử dụng rPng rãi trên thế giới để thiết kế và mở rộng qui mô và là một đóng góp có giá trị cho các phương tiện mà các kỹ sư thường dùng trong thực tế.Việc dịch cuốn sách này sang một vài thứ tiếng là một bước quan trọng đối với các kỹ sư thực hành Và bản dịch • sang tiếng Việt lần này có thể trợ giúp nhiều cho các kỹ sư Việt Nam Tôi vui mừng được co' dịp phổ biến tài liệu này và xin gửi lời chúc mừng các dịch giả Rất mong co' được sự hợp tác với các kỹ sư Việt Nam trong lĩnh vực công nghệ cơ bản này

Dr JAM ES Y OLDSHUE, p E

LƠI NOI ĐAU

Sách hướng dẫn vè khuấy trộn chát Lóng dành cho những

ai muốn tiếp cận nhanh chóng, ván tát các nguyên lý trộn chất lỏng Mặc dù ban đáu được viết như sách nhập môn hay giáo trình 111Ở đầu cho các sinh viên hóa kỹ thuật song nó cũng hữu ích cho những ai trong các ngành công nghiộp ho'a chất tCPI) tự thấy cấn tìm hiểu để tài này Không may là do tính chất học thuật nặng nề và những ràng buộc vó thời gian đối với các môn học điển hình của sinh viên nên nhiều kỹ sư hóa không có cơ hội tìm hiểu nhiéu kbía cạnh của lỉnh vực hứng thú này Trộn chất lỏng quả là đê tài đáng được chú ý nhiều hơn nếu ta chỉ cẩn xét tới ảnh hưởng to lớn của nó tới hầu như mọi quá trình sản xuất và mọi sản phẩm công nghiệp

và tiêu dùng Cuốn sách này nhằm giới thiệu những vấn để

cơ bản và kích thích lòng ham muốn nghiên cứu trong tương lai Được biên soạn qua hàng chục năm nghiên cứu và phát triển và các kinh nghiệm trong công nghiệp, sách được chia thành sáu chương dễ hiểu

Chương 1 là mở đầu tóm tắ t vể quá trình khuấy trộn, mảy khuấy trộn, các thành phần kết cấu máy trộn và các biến khuấy trộn chát lỏng Chương 2 đé cập những khái niệm cơ bản quan trọng như các nhóm không thứ nguyên, các chế độ chát lỏng, dáp tuyến công suất, kết cấu bộ cánh khuấy và phổ cánh khuấy Chương 3 khảo sát các cách thức diều khiển dòng

bao gồm pha trộn chát lỏng, tạo huyền p hù hạt ràn và truyền

nhiệt Chương 4 giải thích các kiểu quá trình khí-iỏng chương

5 giới thiệu các hoạt dộng thiết bị thử và tăng quy mô và chương 6 khảo sát các thiết k ể cơ k h í cơ bản.

Ngoài ra còn có cả phần hướng dẫn trong phòng thí nghiệm (chương 7) Chương này đễ cập tới các thí nghiệm vể

mức tiêu thụ công suất của các cánh khuấy, xác định số công suătỊsố Reynolds, kết cáu tăm chắn, tạo huyên phù, pha trộn chát lỏng dộ nhót thấp và chuyển khối khí-lòng.

Sách này dược giới thiệu như bước đẩu tiên trong việc khảo sát lĩnh vực khuấy trộn chất lỏng thực sự hứng thú Hy vọng rằng bạn đọc sẽ hưởng ứng bàng cách mong muốn mở rộng thêm sự hiểu biết của mình về lĩnh vực khuấy trộn chất lỏng Cuối cùng chúng tôi khuyên bạn đọc tìm đọc thêm cuốn

Công nghệ khuấy trộn chát lỏng của J.Y.Oldshue (Chemical

Engineering, McGraw-Hill Publishing Company, 1983)

Chương 1 MỒ ĐÂU

QUÁ TRÌNH KHUẤY TRỘN

Khuấy trộn chất lỏng đóng vai trò chính trong qui trình sản xuất rất nhiều sản phẩm Phần lớn các sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp đều đòi hỏi một kiểu khuấy trộn chất lỏng nào đó khi điều chế và ứng dụng chúng Khuấy trộn chất lỏng chác chắn là qui trình thường hay gặp nhất trong các ngành công nghiệp hóa chất (CPI) và cả ở các ngành công nghiệp có liên quan Các sản phẩm thu được từ những ngành công nghiệp thực phẩm, dầu mỏ, khai thác mỏ, dược phẩm, bột giấy và giấy và hóa chất co' thể sẽ không khả dụng nếu như không co' thiết bị khuấy trộn chất lỏng và công nghệ khuấy trộn chất lỏng Việc xử lý phế thải thành phố và công nghiệp

và xử lý nước cũng bị kém đi nếu không co' các máy khuấy trộn chất lỏng, các thiết bị phun khí và các thiết bị tạo bông láng Hơn nữa, các máy khuấy trộn chất lỏng là rất cẩn thiết trong việc bảo vệ môi trường Ví dụ, khử lưu huỳnh trong khí ống thải (FGD) - một quá trinh giúp kiểm soát mức ô nhiễm không khí (mưa axit) - các máy khuấy trộn chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong hấp thụ khí suníurơ (S02)

Các yêu cầu của quá trình khuấy trộn thay đổi và bao gồm (chứ không phải giới hạn ở) quá trình pha trộn các chất lỏng độ nhớt thấp với các chất lỏng độ nhớt cao, tạo các hạt

rán lơ lửng trong chất lỏng, phân tán chất khí hoặc chất rán trong chất lỏng, chuyển khối và truyền nhiệt Kiểu khuấy trộn riêng đối với một quá trinh đã cho cũng thay đổi từ chuyển động chát lỏng đơn giản, cẩn năng lượng tương đối thấp tới khuấy trộn cần năng lượng cao đòi hỏi chất lỏng phải trượt

và chảy rối ở mức độ cao

Cách phân loại chung các áp dụng trộn đối với các quá trình vật lý và ho'a học như ở bảng 1 - 1 0 đây ta thấy rằng một nhóm ứng dụng riêng liên quan tới cả quá trình vật lý lẫn quá trình hóa học Cũng có nhiều quá trình liên quan tới nhiễu hơn một nhóm ứng dụng - ví dụ, lỏng - rán - khí và lỏng - lỏng - rán - khí

MÁY KHUẤY TRỘN

Máy khuấy trộn là thiết bị thường gồm bộ truyền động, trục và một hoặc nhiẽu bộ cánh khuấy gán trên trục Bộ cánh khuấy là dụng cụ bất kỳ lắp trên trục quay để luân chuyển vật liệu trong thùng trộn Các cánh khuấy quay tạo ra sự thay thế lẫn nhau của vật liệu bên trong hệ thống để thỏa mãn yêu cáu cùa quá trình

Có nhiễu loại bộ cánh khuấy khác nhau, bao gốm chân vịt, tuabin đai chán, tuabin đĩa, kiểu cái cào, kiểu cửa, mái chèo, tuabin cánh nghiêng V V No'i chung, có thể phân các

bộ cánh khuấy thành hai nhóm lớn - cánh khuấy dòng chảy hướng trục và cánh khuấy dòng chảy hướng kính

Hình 1 - / Cánh khuấy dòng Hình ì -2 Mô hình dòng chảy

chảy hướng trục hướng trục điển hình.

Cánh khuấy dòng chảy hướng trục co' hướng xả chính trùng với trục quay cánh khuấy Hình 1-1 cho thấy những ví

dụ vê cánh khuấy dòng chảy hướng trục và hình 1-2 cho thấy

mô hình dòng chảy hướng trục điển hình

Các cánh khuấy dòng chảy hướng kính có hướng xả chính vuông go'c với trục quay Các hình 1-3 và 1-4 minh họa các

ví dụ về cánh khuấy dòng chảy hướng kính và các mô hình dòng chảy điển hình của chúng

Các máy khuấy chất lỏng công nghiệp được chế tạo với một khoảng rộng các kích thước và kiểu cách để thích ứng với các điêu kiện khuấy trộn từ quy mô phòng thí nghiệm tới quy mô sản xuất lớn :

1 Máy khuấy phòng thí nghiệm - thường dưới 1/8 mã lực (0,1 kW), các bộ điều khiển tốc độ láp trên vành đế với các kích thước cánh khuấy thích hợp với các loại cốc và binh

nhỏ trong phòng thí nghiệm (hình 1 - 5 )

2 Máy khuấy trộn xách tay - thường là máy khuấy trộn 1/4 tới 3 mã lực (0,2 tới 2,2 kW) có cơ cấu móc giữ thích hợp cho láp trên mép bỉnh Chúng thuộc loại xách tay vì chúng không có giá cố định và thường không cẩn nối thường xuyên với bộ khởi động Loại này có thể không cần nút kín, không cẩn kẹp giữ và di chuyển nhanh từ bình này sang bình khác (hình 1-6)

Hình 1 - 3 Cánh khuấy dòng

chảy hướng kính.

Hình 1 - 4 Mô hình dòng chảy

hddng kính điển hình.

ó May Knuay trọn láp pma tren - cong SUÍ11, tnuuug IU

5 tới 250 mã lực (3,75 tới 187 kW) hoặc lớn hơn, lắp ở giá

đỡ thường xuyên phía trên hoặc ngay trên đinh thùng khuấy (hình 1-7) Có thể dùng các máy khuấy trộn đó với thùng kín hoặc hở Trục máy thẳng đứng, co' một hoặc nhiều cánh khuấy Máy co' trục bít kín đôi khi cần thiết tùy thuộc vào từng áp dụng

4 Máy khuấy trộn láp

ngang - còng suất thường từ 1

tới 75 mã lực (0,75 tới 56 kW),

láp trên gờ bên thùng thường //;„/, 7 - d Máy khuấy trộn

gần đáy Trục nằm ngang, truyền động bánh răng sách tay

xuyên vào thùng và lấp bộ cánh khuấy kiểu dòng chảy hướng trục (hình 1-8) Máy khuấy trộn lắp ngang thường cần cơ cấu đệm trục khuấy

«) Xem chú thích vé các ký hiệu cánh khuổy <’i trang 41.

Hình / - 5 Máy khuấy trộn tốc độ

biến thiên dùng trong phòng

thí nghiệm.

Hình / - 7 Gá đặt máy khuấy trộn

lắp phía trên.

trộn đạt được bằng cách

tạo ra dòng chảy, đảo

ngược sự quay của dòng

lo ạ i m áy k h u ấ y tr ộ n n ày thư ờng cần cơ cấu đệm kín (hình 1-9)

6 Máy khuấy trộn tĩnh

h ay k h ô n g c h u y ể n độn g - những máy này được chế tạo với các chỉ tiêu khuấy trộn tĩnh tại, nghiêng chéo nhau đặt liên tiếp trong ống dẫn Năng lượng được cung cấp từ dòng chảy xuất phát từ một nguồn bơm, trọng lực hoặc áp lực Sự khuấy

Hình 7-8 Máy khuấy trộn lắp ngang.

Có b a bộ p h ậ n

chính trong thiết kế máy

khuấy trộn - thiết kế quá trình, các đặc trưng công suất của

bộ cánh khuấy và các chuẩn cứ thiết kế cơ khí (bảng 1-2)

- Tăng quy mô

2 Oăc trưng cóng suất của hộ cánh

khuấy trộn

■ Tốc độ bộ cánh khuấy, các mốt quan hệ công suất và đường kính

học chất lỏng của bộ cánh khuấy (lưu lượng, độ chênh áp và

sự trượt) và sự chuyển sang các kích thước bình khác nhau (tãng quy mô)

Các đặc trưng công suất của bộ cánh khuấy liên hệ các ảnh hưởng kết hợp của các tính chất chất lỏng, hình dạng bộ cánh khuấy, đường kính và tốc độ bộ cánh khuấy với công suất tiêu thụ

Các phán tử thiết kế cơ bao gốm bộ truyền động (bộ giảm tốc hoặc hộp số), trục ra bộ cánh khuấy, cơ cấu bít kín trục (khi cần) và động cơ chính (phương tiện ban đầu khiến máy chuyển động)

Ilin lì I - Hì Máy khuấy trộn “không chuyên động".

CÁC BIỂN KHUẤY TRỘN CHẢT LÓNG

Có một số biến khuấy trộn chất lỏng và tham số thiết

kế vốn có thể ảnh hướng tới kết quả của quá trinh (Thuật ngữ kê't quả quá trình cú nghĩa là cái chúng ta hy vọng đạt được trong thùng khuãv ' vi dụ, thời gian khuấy 3 phút, hiệu suất 40'Ý, thế lơ lửng déu, qui trình chuyển khối lượng nhanh

V V.) Tuy nhiên, những biến và tham số vốn quan trọng đối với quá trình này có thê’ không quan trọng đối với quá trinh khác Hơn nữa, điều quan trọng cần lưu ý là các dậc trưng công suất của các bộ cánh khuấv là dộc lập với kết quả quá trình Như vậy, điểu cốt yếu là phải hiểu được công nghệ khuấy

trộn chát lỏng cơ bán và các chuẩn cứ để tăng hoặc giảm quy

mô của các quá trinh

Các biến liên quan tới các điều kiện khuấy trộn chặt lỏng/điều kiện chuẩn

Các ký hiệu sau dày được dùng rộng rãi để định nghĩa các biến ti'ộn chát lòng icác biến chính in đậm) :

1 KÝ HIỆU

A = bể m ật trao đổi

B = độ rộng tấm chắn

c = khoảng cách bộ cánh trộn từ đáy thùng tới đường

tâm ngang của các tấm cánh bộ cánh khuấy

Cp = nhiệt đung riêng của chất lỏng

D = đường kính bộ cánh khuấy

d = đường kính ống truyển nhiệt

g - gia tốc trọng lực

p / v = công suất trên thể tích đơn vị

Q = năng suất bơm của bộ cánh khuấy

q = hệ số truyền nhiệt trung bình

s = khoảng cách giữa các cánh khuấy

2 ĐIỀU KIỆN CHUẨN VÀ HÌNH DẠNG CHUẨN

Để so sánh tính năng của các thiết kế cánh khuấy khác nhau ta áp dụng các điếu kiện chuẩn và hình dạng sau đây (hình 1-11)

Hình 1- l ì Hình dạng chuẩn trong dó hình trụ dặt thẳng dứng,

đáy phăng và điều kiện chuẩn trong đó trọng lượng riêng cùa chất lỏng = to và độ nhót = to cP (0,001 Pa.s) Càn bốn tấm chắn phẳng đứng ỏ thành bình như

đã vẽ.

Mặc dù có các điều kiện chuẩn để xác định tính nâng

của thiết kế bộ cánh trộn này so với thiết kế bộ cánh trộn khác, s ong các điều kiện quá trình thực có thể thay đổi nhiều

so với điều kiện chuẩn và hình dạng chuẩn Bởi vậy, các điều kiện chuẩn va hình dạng chuẩn là tập hợp điều kiện chuẩn tùy V dùng làm cơ sở để so sánh

Chương 2 KHÁI NIỆM c ơ BẤN

CÁC NHÓM KHÔNG THỨ NGUYÊN

Trong công nghệ khuấy trộn chất lỏng, các tỉ lệ lực thể hiện như những nhóm không thứ nguyên được sử dụng để liên hệ các tham số phóng đại kích thước với nhau Liên hệ lực quán tính (lực vào từ máy khuấy trộn) với những lực khác

(trong đó Q = năng suất bơm ban đẩu của bộ cánh trộn)

Các quan hệ công suất phụ thuộc sổ Reynolds

Nếu ta tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm

để xác định các quan hệ của công suất tiêu thụ của bộ cánh

7

/ / i / I

/

Hình 2- ì Cônq suất tiêu thụ cùa bộ cánh khuấy phụ

thuộc vào tốc độ.

khuấy, tốc độ và đường kính của bộ cánh khuấy, tỉ trọng và

độ nhớt của chất lỏng đối với một thiết kế bộ cánh khuấy riêng, thì ta sẽ có th ể tìm được :

1 Công suất tiêu thụ của bộ cánh khuấy trong chất lỏng với độ nhớt và tỉ trọng không đổi sẽ tỉ lệ với tốc độ bộ cánh khuấy mũ ba (hình 2 - 1),

2 Nếu ta lập lại thi nghiệm đối với một số đường kính

bộ cánh khuấy khác nhau m à vẫn duy tri điếu kiện chuẩn và cùng hình dạng bộ cánh khuấy thì ta có thể thấy công suất tiêu thụ tỉ lệ với đường kính bộ cánh khuấy mũ năm (hình 2-2)

llìn h 2- 2 Công suất tiêu thụ cùa bộ cánh khuấy phụ thuộc

vào tốc độ và đường kính.

3 Hơn nữa, nếu ta thay đổi :i trọng chất lỏng ta cĩ thể thấy rằng cơng suất tiêu thụ tỉ lệ thuận với tí trọng,

ta thu được các đường cong điển hình như ở hình 2-3.Hãy chú ý rằng các đường cong chia thành ba chế

độ hay ba miền phân biệt - chảy theo lớp (chảy tầng), chuyển tiếp và chảy rối Điều này tương ứng với các đường cong hệ số ma sát đối với dịng chảy trong các

đường ống dẫn ỏ miền chảy theo lĩp {chảy tầng), số

cồng suất thay đổi tỉ lệ nghịch với số Reynolds, ổ miến

chuyền tiếp, độ dốc thay đổi liên tục và ở miên chảy TỐI

(trong thùng cĩ tấm chắn) độ dốc khơng đổi (bằng khơng), bởi thế số cơng suất cũng khơng đổi trong miền chảy rối

Nếu ta cĩ ba thiết kế bộ cánh khuấy khác nhá hồn tồn thì cĩ thể tạo ra ba đường cong riêng biệt

như ký hiệu ở hình 2-4.

21

Hình 2-3 Các dường cong số công suất phụ thuộc số

Reynolds diển hình ỏ hVih dạng chuẩn.

Hình 2-4 N p phg thuộc /Vpte đá vả ba kiểu bộ cánh

khuấy khác nhau.

Khi so sánh số công suất của các thiết kế bộ cánh khuấy khác nhau thì phải giữ số Reynolds không đổi

Nhưng ở chế độ chảy rối Np là hàng sớ đối với một thiết

kế bộ cánh khuấy đã cho trong một khoảng rộng các số Reynolds Điều nậy thường là cơ sở để so sánh, ví dụ,

nếu ta nói rằng số công suất đối với bộ cánh khuấy R

là 5,0 và đối với bộ cánh khuấy A là 1,0 thì ta luôn

ngấm hiểu là ở chế độ chảy rối, nếu không đặc tả

rõ khác đi Bởi vi chế độ chảy rối bát đẩu ở những số Reynolds khác nhau đối với các bộ cánh khuấy khác nhau nên ta định nghĩa chế độ chảy rối đối với tất cả các bộ

cánh khuấy N Re > 105 ỏ giá trị này và cao hơn, tất

cả các bộ cánh khuấy đều làm việc ở chế độ chảy rối

CÔNG SUẤT ĐƯA VÀO

Công suất do bộ cánh khúấy bất kỳ đưa vào đễu sinh ra tác dụng bơm và cột áp do vận tốc vốn được biểu diễn như :

trong đó

p = công suất vào

Q = lưu lượng hoặc năng suất bơm

H = cột áp do vận tốc.

Cường độ khuấy trong vùng khuấy của bộ cánh khuấy được xác định bằng cột áp chất lỏng vốn tỉ lệ với tốc độ dịch chuyển (trượt) hoặc độ cuộn xoáy Trong công nghệ khuấy trộn chất lỏng các thuật ngữ "cột áp" và "dịch chuyển" ("độ trượt") được dùng thay thế cho nhau Hoặc

thành phần lưu lượng ộ, hoặc thành phần cột áp H đều co' thể được nhấn mạnh sao cho lưu lượng lớnịcội áp nhỏ hoặc cột áp lớn/lưu lượng nhỏ đều co' thể được tạo ra

đối với cùng công suất vào p Đối với công suất vào đã

cho, hoạt động đòi hỏi lưu lượng cao sề cạn bộ cánh khuấy lớn ở tốc độ thấp, còn hoạt động đòi hỏi cột áp cao (hoặc dịch chuyển mạnh) sẽ sử dụng bộ cánh khuấy nhỏ ở tốc độ cao, Hai hoạt động đó được gọi tương ứng

là điều khiển luu lượng và điều khiển dịch chuyển Năng suất bơm của bộ cánh khuấy khống chế tóc độ luân chuyển trong bình khuấy

Công suất vào của bộ cánh khuấy quay phụ thuộc

vào hình dạng, dường kính D, tốc độ N của nó, vị trí

của nó trong bình khuấy và các tính chất vật lv của chất lỏng Các tính chất chính của chất lỏng mà công suãt

của bộ cánh khuấy phụ thuộc vào là tỉ trọng p và độ nhớt fẮ , quan hệ điển hình giữa công suất không thứ nguyên iVp và số Reynolds khuấy N p ,,, được trình bày ở

có các građien vận tốc mà cả hai lại cần cho sự khuấy trộn Hơn nữa, xoáy hình thành khi không có các tấm chốn có thể chứa các bọt khí gây ra tác dụng hoá học không mong muốn (ví dụ oxi hoá) hoặc tác dụng vật lý không mong muốn (ví dụ tạo bọt, sủi bọt) Công suất tiêu thụ của bộ cánh khuấy cũng được phản ánh ở mức

độ chán Ta xem lại hình 2-3, độ dốc của đường cong (AB) ở miền chảy thành lớp hoặc nhớt là xấp xỉ trừ một,

trong đo' công suất tiêu thụ nhạy hơn nhiều với những thay đổi nhỏ của số Reynolds và nhu cầu về tấm chán giảm dấn tới không cần.

Đường cong ký hiệu CD ở

hình 2- 3 cho thấy đáp tuyến

công suất trong thùng có tấm

chắn, còn đường cong BE ỉà đối

với thùng không có tấm chắn

K hoảng chảy rối mô tả máy

khuấy vào hệ với chất lỏng độ

nhớt thấp (số Reynolds cao)

Hầu như luôn luôn cần tới các

tấm chắn đối với các hoạt động

đô n h ớ t th ấ p củ a các m áy

khuấy láp từ phía trên

T hiết k ế đú n g các tấm

chắn trong thùng là điểu quan

trọng để có được các kết quả khuấy thỏa đáng Tạo ra sự chắn thích hợp sẽ đảm bảo sự trộn tốt nhờ cung cấp mô hình dòng chảy trong toàn mẻ trộn Chắn quá mức sẽ làm giảm lưu lượng khối và khoanh vùng sự trộn và co' thể dẫn tới tính năng kém của quá trình Môi trường khuấy trộn thích hợp bao gồm các thiết kế thùng và tấm chắn đúng và sử dụng hiệu quả công suất đưa vào

Hình 2-S Thùng khuấy điển hình

vối các tấm chắn.

Máy khuấy trộn lắp trên ở đường tâm thùng

Phải có các tấm chắn để khuấy chất lỏng độ nhớt thấp khi các máy trộn láp trên nằm ở đường tâm thùng Điểu này cũng liên quan tới các máy trộn cố định (cỡ xách tay) láp thẳng đứng trên đường tâm thùng Các tấm chán đảm bảo

rìng toàn bộ mẻ trộn sẽ đi qua vùng cánh khuấy* có cường

độ khuấy tối đa Các tác dụng khác khi sử dụng các tấm chán

là chúng :

tạo ra mô hình dòng chảy cần cho quá trình,

hướng dòng chảy từ bộ cánh khuấy, tạo ra các dòng thẳng đứng cẩn thiết và građien vận tốc cẩn thiết,

thay đổi dòng chảy từ mô hình quay (vẽ bản tĩnh) sang mô hình trộn,

ngăn ngừa cuốn, xoáy quá'mức và cuốn không khí vào, cải tiến nhiễu độ chính xác nạp máy khuấy,

đảm bảo rút công suất ổn định, phù hợp,

tạo ra các tải trọng trục hướng kính đổng đều hơn (ít rung hơn) - một lý do cẩn xét khi thiết kế cơ để có các trục dài hơn

Hệ thông có tấm chán có thể gây ra những biến thiên công suất lớn, khiến kho' nạp có hiệu quả và động cơ có thể dưới mức tải Nếu không có các tấm chán thì chỉ có thể co' tác động khuấy đơn giản nhất - đòi hỏi công suất vào rất thấp

Đáp tuyến công suất ở chất lóng độ nhớt thấp

Đối với chất lỏng độ nhớt th ấ p [(độ nhớt chất lỏng

< 50000 cP (50 Pa.s)] các thùng hỉnh trụ thảng đứng thường được trang bị bốn tấm chán, rộng 1/12 đường kính thùng, dựng thảng đứng dọc m ật bên thùng và cách nhau 90° Các tấm chán rộng hơn tạo ra các dòng trộn thẳng đứng mạnh hơn một chút nhưng chúng cũng có thể cản trở dòng chảy giảm lưu lượng khối và giảm mạnh chuyển động quay (luôn

cần có một chuyển động quay nào đó) Mặc dù sử dụng bốn

tấm chán đã trở thành tiêu chuẩn chấp nhận chung trong nhiểu năm song các thiết kế bộ cánh khuấy dòng chảy hướng trục hiệu suất cao gần đây nhất chi cán cd ba tấm chán.Dùng ít tấm chán hơn hoặc tấm chán hẹp hơn sẽ có chuyển động quay mạnh hơn, hoặc lưu lượng khối tiếp tuyến lớn hơn, song làm giảm mức rút công suất của bộ cánh khuấy Giảm mức rút suất sẽ hạn chế nãng lượng có thể cấp cho mẻ trộn 0 những mức công suất cao hơn sẽ phát triển cuốn xoáy khi các tám chán không thích hợp hoặc khi không có các tấm chán.

Dặc tuyến công suất tương đối phụ thuộc vào số lượng

B ó rông tâm cnan

-£>ùàng kinh thũng

Hình 2- 6 Đáp số tuyến công suất tương đôi phụ thuộc kích

thuốc và số lượng cùa các tấm chắn.

và độ rộng các tấm chán như ở hình 2 - 6 Trị số đáp ứng công su ất 1007, được gán cho các tấm chán tiêu chuẩn (Các tấm chán tiêu chuẩn rộng 1/12 đường kính thùng, số lượng

là bốn và cách đều nhau),

H ãy chú ý ràn g khí giảm số lượng và/hoặc chiều rộng các tấm chán (so với tiêu chuẩn) sẽ làm m ất m át nhanh công suất do bộ cánh khuấy tạo ra, còn tăng số lượng và/hoặc chiểu rộng (quá tiêu chuẩn) lại ít ảnh hưởng tới sự táng công suất Các tấm chán, cũng như mọi thứ khác trong thùng khuây, chi được lớn tới mức cẩn thiết Hình 2 -6 đúng đối với các độ nhớt giữa 1 và 100 cP Hình này để chứng minh tác dụng của sự chắn không đủ tới công suất tiêu thụ và cho thấy các máy khuấy có th ể được tải chưa đủ như th ế nào

Ảnh hưởng của độ nhớt - chất lỏng Newton

Khi độ nhớt của mè trộn tâng thì lực cản nhớt ở thành thùng và những vật trong thùng cũng tăng, do đó giảm các tấm chán trong thùng để có tải trọng đúng Đối với chất lỏng thông thường hoặc chất lỏng Newton (trong dó độ nhớt không phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển chất lỏng) thì phải giảm các tấm chán trong thùng đối với các bộ cánh khuấy dòng chảy cả hướng trục lẫn hướng kính khi độ nhớt tảng (hỉnh 2-7)

Ảnh hưởng của độ nhớt - chất lỏng phi Newton

Chất lỏng phi Newton gặp khi khuấy thường là loại giả dẻo (độ nhớt biểu kiến giảm khi tốc độ dịch chuyển tâng) Vỉ các tốc độ dịch chuyển cao n hất gặp trong iniẽn bộ cánh khuấy nên đối với những chất lỏng phi Newton thường phải được giả hóa lỏng quanh bộ cánh trộn, còn thỉ ở các phán xa trong thùng (trên thàn h và ở bề m ặt mẻ trộn) thì vẫn giữ tĩnh Các

tấm chắn trong thùng làm táng xu hướng tù hãm và kích thước phải giảm hoậc trong một số trường hợp loại bỏ khi trộn các chất lỏng phi Newton.

Hình 2- 7 Chiều rộng tấm phụ chắn thuộc vào độ nhỏt.

0 các môi trường nhớt các đặc trưng công suất của các

bộ cánh trộn khác nhiều so với đặc trưng công suất ở các chất lỏng độ nhớt thấp hơn Điếu này thể hiện rõ ở chế độ chảy thành lớp của đường cong số công suất phụ thuộc số Reynolds (xem hình 2 - 3 - theo kinh nghiệm, các độ nhớt 50 000 cP (50 Pa.s) hoặc lớn hơn thường phải có ở miền chảy thành lớp hoặc miền nhớt)

Tấm chắn thường không cần ở các hệ rất nhớt vì có thể thu được các dòng chảv thẳng đứng cần thiết và mô hình dòng chảy pha trộn chung mà không cấn chúng Sức cản nhớt của chất lỏng tác động như tấm chán động, ổ các hệ độ nhớt cao,

sự có m ặt của các tấm chắn, các phụ tùng trong thùng (ví

dụ, các ruọn ỉâv nung hoặc làm lạnh) và các vít cố định bộ cánh khuấy co thế thực sự gây trờ ngại cho quá trình khuấy Trái lại, khuấy cường độ cao ở các chất lỏng độ nhớt thấp đòi hỏi sự cd m ặt của các tấm chán để phát triển sự chảy rối cục

bộ vốn tạo ra các ứng suát trượt cao (xem chương 3 Các biện pháp điều khiển dòng chảy, thảo luận vé ứng suất trượt và tốc độ trượt (dịch chuyểnt)

Các thùng hlnh hộp thường không cẩn các tấm chán Các góc thùng hình hộp có tác dụng phá vỡ các xoáy, tạo ra các dòng pha trộn thảng đứng cấn thiết Chỉ đối với sự khuấy trộn có độ trượt cao mới cẩn các tấm chắm bô’ sung trong

thùng hình hộp Không được tiến hành các quá trình khuấy

trộn chất lỏng độ nhớt cao trong các thùng hình hôp vi tác dụng chán tự nhiên của thùng

KHOẢNG CÁCH VÀ VỊ TRÍ CỦA BỘ CÁNH TRỘN

Khi sử dụng nhiéu bộ cánh trộn cẩn đặt chúng vào đúng

vị trí để đạt mỏ hỉnh dòng chảy hiệu quả Các hướng dẫn riêng áp dụng cho các bộ cánh khuấy dòng chảy hướng kính

và hướng trục

Bộ cánh khuấy dòng chảy hướng kính

Với nhiều bộ cánh khuấy dòng chảy hướng kính thỉ mỗi

bộ phải phát triển mô hình dòng chảy riêng của nó Khi thực hiện diều dó ta co' khoảng cách bộ cánh khuấy ở bên trong khoảng cấn thiết Nếu khoảng cách quá gẩn thì các mô hình dòng chảy của các bộ cánh khuấy hòa lẫn nhau và chúng ta

có xu hướng nhận được chỉ một mỏ hình dòng chảy đơn Điểu nay đặc biệt đúng đôi với các bộ cánh khuấy kiểu đỉa Nếu

khoảng cách giữa các- bộ cánh khuây quá lớn thì có thê’ có các vùng tĩnh hoặc tù hãm giữa các bò cánh khuây

Bộ cánh khuấy dòng chảy hướng truc

Các bộ cánh khuấy dòng chảv hướng trục thường khống gây nhiỗu cho nhau và nếu đạt chúng gấn nhau thì dòng chày

từ bộ cánh khuấy này chi táng cường thêm dòng chây từ bộ cánh khuấy khác với xu hướng phát triển ít hơn các vùng khuấy của bộ cánh khuáy tách riông

Tốt nhất thường đặt bộ cánh khuấv dòng chày hướng trục thấp hơn ở cách đáv thùng giữa 2/3 và 1 dường kính bộ cánh khuấy dể trộn có hiệu quà Tuy nhiên, dế tháo xuống (tháo chất lỏng trong khi trộn) thì co' thế cấn dật bộ cánh trộn gán đáy thùng hơn nhiều

CHUỐI Bộ CÁNH KHUÂY HÌNH DẠNG TƯƠNG Tự VÀ PHỔ Bộ CÁNH TRỘN

Khi chuỗi các bộ cánh khuấy hỉnh dạng tương tự hoạt động ở chế độ chảy rối thi một số dậc trưng cơ bàn và có thể tiên đoán được biếu diễn như sau :

rằng các dặc trưng công suất của các bộ cánh khuấy không

phụ thuộc vào kết quả quá trình, tức là bộ'cánh khuấy quay

sẽ tiêu thụ một lượng công suất cố định trong chất lỏng thực

hiện quá trình cho dù có thỏa mãn yêu câu của quá trình hay

không Công suất bộ cánh khuấy được tách ra giữa lưu lượng

chất lỏng và tốc độ dịch chuyển chất lỏng Một khi đã biết các yêu cáu của quá trình riêng thỉ có thể chọn được loại bộ cánh khuấy đúng Hình 2 - 8 là phổ bộ cánh khuấy vốn cho

biết công suất tương đối dành cho Q và H đối với các loại bộ

ĩu a b ìn dõng chiêu irục

ĩu a b in Canh nghiêng

T jabin kièú th a n h , bo canh

khuây không cánh, bô cánh

k h u â y rã stato (khe hẹp)

Côi xay keo m áy khuây dêu

Hình 2 - ti Phổ bộ cánh khuấy.

CÁC CHUẨN Cứ THIẾT KÊ BỘ CÁNH KHUẤY

Chức năng của bộ cánh khuấy bất kỳ là tiêu tán nâng lượng dưới dạng lưu lượng và cột áp Các đặc trưng bộ cánh khuấy phải phù hợp với các yêu cáu của quá trỉnh hoặc biện pháp đã cho Phấn lớn các áp dụng máy khuấy trong công nghiệp đẽu nhạy với lưu lượng hơn là với cột áp bộ cánh khuấy Các bộ cánh khuấy quay chuyển năng lượng khuấy theo cả hai dạng (lưu lượng và cột áp) Phẩn dành cho mỗi trong số hai thành phần khuấy chính đo' chủ yếu đưỢc điểu khiển bởi thiết kế bộ cánh khuấy

Các yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế bộ cánh khuấy

để phân tán chất màu sơn và luân chuyển chung chẳng hạn)

So sánh các bộ cánh khuấy đổi với một hoạt động riêng được tiến hành trên cơ sở yêu cầu công suất vào Pha trộn những chất rất nhớt thường thực hiện bằng bộ cánh khuấy lớn, tốc độ thấp nhưng cũng co' thể thực hiện bàng bộ cánh khuấy nhỏ tốc độ cao với chi phí công suất bô’ sung dáng kể

Bộ cánh khuấy nhỏ, tóc độ cao tạo ra dòng chảy với độ rối loạn cao vốn không cần thiết cho pha trộn chất lỏng nhớt, cho nên năng lượng có th ể bị hao phí Điều ngược lại cũng đúng Bộ cánh trộ n lớn ban đẩu thiết kế để tạo ra lưu lượng

có thể phung phí lượng công suất lớn để cố đáp ứng mức tốc

độ dịch chuyển cần cho phân tán chất màu

Cả tốc độ dịch chuyển lẫn lưu lượng đều cần trong tấ t

cả các quá trình khuấy trộn Cân bằng đúng hai đại lượng đo'

là cẩn thiết đối với thiết kế bộ cánh khuấy tối ưu Bởi thế, bộ

cánh khuấy lớn làm việc ở tốc độ thấp phải tạo ra lưu lượng khối cán cho luân chuyển mà vẫn giữ nguyên mức rối loạn thấp vốn cần cho pha trộn Ngược lại bộ cánh khuấy phân tán phải tạo ra cường độ vào cao cần cho phân tán mà vẫn

có được lưu lượng đủ cho sự tái tuẩn hoàn trong vùng cường

độ cao của bộ cánh khuấy

Cách khác để cân bằng đúng giữa lưu lượng và tốc độ dịch chuyển là kết hợp các kiểu bộ cánh trộn khác nhau trên trục máy khuấy đơn ; một bộ cánh khuấy dùng để tạo ra lưu lượng, bộ khác để tạo ra tổc độ dịch chuyển chất lỏng cần thiết

sẽ tạo ra các thành phẩn dòng chảy theo hướng trục dùng

để rú t dòng từ bó mật chất lòng hoặc hướng dòng về phía

đáy thùng để tạo ra các hạt lơ lửng (Xem các hình 1-1 tới 1-4, chương 1.)

Mô hình quay (cuốn xoáy) có ít các thành phần dòng chảy hướng tâm hoặc thẳng đứng Các tấm chắn dựng thẳng ở thành thùng làm lệch hướng các thành phần thuần túy hướng tâm, tạo ra các luồng thẳng đứng đề pha trộn Những gián đoạn tạo ra trong dòng chảy gây nên tốc độ dịch chuyển chung cao nhất trong hệ thống

THIẾT KẾ THÙNG

Không phải luôn luôn có th ể tối ưu hóa thiết kế máy khuấy đối với quá trình đã cho nếu thiết kế thùng là cố định Điểu này đặc biệt đúng nếu ta phải sử dụng các bình hiện co' Hình dạng thùng đóng vai trò rấ t quan trọng trong thiết kế máy khuấy cuối cùng Trong m ột số trưòng hợp rốt cục co' thể đỡ tốn kém hơn nếu bắt đầu với thiết kế thùng đúng, chứ không phải thiết kế máy khuấy với hỉnh dạng thùng cố định.No'i chung, thiết kế thùng tốt dẫn tới khoảng Z/T từ 1,0 tới 1,2 Đo' là tỉ số độ sâu chất lỏng tĩnh z trên đường kính thùng T Khoảng Z/T đo' cho phép phân bố tối ưu công suất

và công suất vào tối ưu trong phẩn lớn trường hợp Tuy nhiên, nếu điều kiện buộc phải có tỉ số Z/T khác thì mức làm việc bình thường tối thiều z phải vào quãng một phần ba đường kính thùng Khi Z/T > 1,0 tới 1,2 thi thường sẽ cẩn tới nhiều

bộ cánh khuấy

Đáy thùng phải hoặc phẳng hoặc lõm lòng đĩa, nhưng cũng co' th ể dùng đáy hỉnh nón hoặc hình cầu Thông thường thùng đáy lõm lòng đĩa được ưu tiên, nhưng có thể dùng thùng đáy phảng cho nhiểu quá trình m à không gặp khó khăn nào

Ta cũng có th ể xét tới việc sử dụng trám đáy góc nhỏ ở thùng đáy phảng nếu ta quan tâm với việc tạo hạt rán lơ lửng trong các thùng lớn (hình 2-91.

Nẹp q đ

% nep <ỊỈa hịz X 106

Hình 2- 9 Các dưòng gò dùng trong các áp dụng tạo thể

hạt rắn lơ lừng.

Chương 3 CÁC BIỆN PHÁP ĐIÊU

KHIỂN LƯU LƯỢNG

(trượt) của chất lỏng Tốc độ dịch chuyển (tỷ suất trượt) là

Hình 3 - I Minh họa tốc độ trượt của chất lỏng.

građien vận tốc, AV/AY, đo từ profin vận tốc của bộ cánh

khuấy (hỉnh 3-1) Chỉ do tốc độ dịch chuyển chất lỏng hạt

lỏng A mới co' th ể "bát kịp" hạt chất lỏng B Ỏ điểm này ứng suất trượt gây nên tương tác giữa A và B úng suất trượt là tích của tốc độ trược (tỷ suất trượt) và độ nhớt, /xAV/AY ứ n g

suất trượt là tác nhân chịu trách nhiệm tạo ra trao đổi chất

lỏng ở quy mô nhỏ và sự trộn lẫn nhau vốn là quá trình trộn.

Pha trộn và tạo thê huyền phù hạt rắn

Mậc dù pha trộn và tạo thể huyền phù chất rán là hai

đề tài tách riêng song chúng có liên quan với nhau Cả hai đều là các áp dụng diễu khiển lưu lượng ; nói chung lưu lượng càng lớn thì kết quả quá trình càng tốt Các chất được pha

trộn do dòng chảy (lưu lượng) và các hạt rắn lơ lửng cũng vì

nguyên nhân đo' :

KẾT QUẤ QUÁ TRÌNH - LƯU LƯỘNG (3.1)

Vễ cơ bản máy khuấy là cái bơm (dù không phải là cái bơm nâng suất cao) và có nhiêu đặc trưng giống như cái bơm Đặc trưng cơ bản nhất trong số đó là công suất tiêu thụ của

bộ cánh khuấy tỉ lệ với lưu lượng và cột áp,

trong đó

p = Công suất

Q = Lưu lượng

H = Cột áp do vận tốc hoặc tốc độ trượt của chất lỏng

Nói cách khác, toàn bộ công suất máy trộn cung cấp cho chất lòng đều tạo ra lưu lượng, cột áp do vận tốc hoặc tốc độ trượt (Trong khuấy trộn chất lỏng cột áp do vận tốc và tốc

độ trượt chat lỏng được dùng thay đổi cho nhau) Với công

suất không đổi, ta có thể thay đổi lưu lượng tương đối hoặc lượng trượt tác dụng vào chất lỏng bằng cách thay đổi thiết

kế bộ cánh khuấy Co' một khoảng rộng các tỉ số lưu lượng trên cột áp vón có thể đạt được bàng cách sử dụng phương pháp này (xem hình 2 - 8, Phổ bộ cánh khuấy, chương 2)

Vì pha trộn và tạo thể huyền phù chất rắn cả hai đều

là các áp dụng điéu khiển lưu lượng, nên cần phải chọn bộ cánh khuấy tạo ra lưu lượng tương đối nhiều hơn trượt Đối

với những áp dụng này ta thường sử dụng các bộ cánh trộn

dòng chảy theo hướng trục chứ không phải bộ cánh trộn dòng

chảy hướng kính vì bộ cánh trộn dòng chảy theo hướng trục

là dụng cụ bơm có hiệu quả hơn, sinh ra nhiều lưu lượng hơn trên đơn vị công suất tiêu tốn (hình 3 - 2)

é t n

ã h i gơc fc

Hình 3-2 Độ lệch chuẩn cùa độ đồng đều các hạt rắn biểu diễn

nhu độ lệch chuẩn tù trung binh của các mẫu lấy ò 25 vi trí.

Định nghĩa luu lượng

Thưật ngữ lưu lượng sơ cấp chi liên quan tới lưu lượng

do bộ cánh khuấy trực tiếp tạo ra ; có thể đo no' trong vùng

xả của bất kỳ bộ cánh khuấy nào Tổng lưu lượng bao gồm

lưu lượng sơ cấp và lưu lượng cuốn theo (lưu lượng đóng góp

vào mô hình tuần hoàn của bộ cánh khuấy) Hình 3-3 cho

thấy rằng tổng lưu lượng tảng chậm, ở công suất không đổi,

khi các tỉ số DÌT lớn hơn 0,6 Nói chung khi ta no'i tới lưu

lượng là ta ngụ ý lưu lượng sơ cấp, nếu không co' sự chỉ dẫn đặc biệt khác

H ìn h i - i Tổng lưu lượng và lưu iưpng sổ cấ p ỏ công suất không đổi.

Tổng lưu lượng tăng chậm ỏ các ti’ số t) /T > 0,6.

Có nhiẽu kiểu bộ cánh khuấy dòng theo hướng trục, bao gốm tuabin cánh nghiêng (ký hiệu A200), chân vịt tàu thủy (AI00) và bộ cánh khuấv dòng chảy theo hướng trục hiệu suất cao (A310) Hình 3-4 so sánh hai kiểu bộ cánh trộn dùng rộng rãi đó