KHUẤYTT QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CNHH CTU

SV Công nghệ kỹ thuật hóa học ĐHCT liên hệ anh tặng free: 0817.342.352 (zalo)

Trang 1

3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1.1 Khái niệm cơ bản

Khuấy là quá trình làm giảm sự không đồng nhất trong chất lỏng Đó là sự chênh lệch

về nồng độ, độ nhớt, nhiệt độ… ở những vị trí khác nhau trong lòng chất lỏng

Trong các hệ thống khuấy, một trong những vấn đề đặt ra là tiên đoán công suất tiêu tốn cho một hệ thống nhất định

3.1.2 Phân tích thứ nguyên

Công suất khuấy phụ thuộc vào:

 Vận tốc cánh khuấy N (v/s)

 Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt μ, khối lượng riêng ρ

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

 Đường kính cánh khuấy d (m)

 Đường kính bình khuấy D (m) và cấu trúc bình khuấy ( loại bình khuấy, hình dáng bình chứa, số tấm chặn…)

Như vậy ta có quan hệ:

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

Phân tích thứ nguyên cho thấy:

Trong đó:

NP =: chuẩn số công suất, có ý nghĩa của một thừa số ma sát

Re=: chuẩn số Reynold của cánh khuấy, tỉ số giữa lực ly tâm và lực ma sát Nó đặc trưng cho chế độ chảy của lưu chất trong bình khuấy

Fr = : chuẩn số Froude, tỉ số giữa lực ly tâm và lực trọng trường, đặc trưng cho sự hình thành xoáy phễu

: 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:

NP = f*(Re,Fr)

Trang 2

3.1.3 Giản đồ công suất

Công thức để xác định công suất khuấy trộn:

Trong đó NP phụ thuộc vào hai chuẩn số Re và Fr

Thông thường, người ta dùng thực nghiệm để xây dựng quan hệ giữa ba chuẩn số nói trên Sau đó vẽ giản đồ ba chiều, rồi người ta sẽ chuyển về hai chiều để có thể sử dụng Đồng thời, người ta nhận thấy rằng đối với đa số các hệ thống thực, Fr không phải là yếu tố ảnh hưởng quyết định lên NP Do đó ta có thể vẽ đồ thị thể hiện quan hệ giữa NP

và Re và bỏ qua Fr

3.1.4 Tiên đoán công suất cho các hệ thống thực

Khi cần thiết kế một hệ thống khuấy trộn trong công nghiệp, người ta tạo một mô hình mẫu nhỏ rồi xây dựng giản đồ chuẩn số công suất cho mô hình này Mô hình mẫu phải đồng dạng với mô hình lớn thực tế Vì sự đồng dạng này mà mô hình lớn có thể dùng chung giản đồ của mô hình mẫu, từ đó ta có thể tiên đoán công suất khuấy trộn thực cần thiết

Công suất khuấy

Khi cánh khuấy quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy và làm cho động cơ quay Tùy vào tốc độ quay cài đặt mà máy khuấy hiển thị giá trị momen xoắn tương ứng

Momen xoắn

M = F.r (N.cm) F: lực ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy (N)

r: khoảng cách từ tâm cánh khuấy đến thành bình chứa chất lỏng (cm)

Công suất khuấy:

P = 2π F.r.N (W)

3.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

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

3.3 KẾT QUẢ VÀ TÍNH TOÁN

Cánh khuấy chân vịt A100 (đường kính 78.6 mm) và A315 (đường kính 127 mm)

Trang 3

Khối lượng riêng của nước ở 30oC là 996 kg/m3.

Độ nhớt động học của nước ở 30oC là 0.000799 Pa.s

3.3.1 Xử lí số liệu

Tính toán với cánh khuấy A100, không có tấm chặn, cùng chiều, nhiệt độ của nước là 30°C Số liệu ban đầu với Momen xoắn M = 2 N.cm, vận tốc cánh khuấy N = 50 v/ph Công suất khuấy:

2 50

60

P � �M N  � �  � 

(W) Khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ 30°C là ρ = 989 kg/m3 Suy ra chuẩn số công suất:

Độ nhớt của nước ở 30°C là μ = 0.8007×10-3 N.s/m2 Suy ra chuẩn số Reynold:

3.3.2 Trường hợp cánh khuấy A100

Bảng 3-1: Kết quả thí nghiệm với cánh khuấy A100 không có tấm chặn

CÁNH KHUẤY A100

Vận tốc

(v/ph) Momen (N.cm)

Độ dâng cao của mực chất lỏng (mm)

Vận tốc (v/ph) Momen (N.cm)

Bảng 3-2: Bảng kết quả tính toán cánh khuấy A100 không có tấm chặn

N

(v/ph) N (v/s)

M (N.m)

Trang 4

150 2.5 0.06 0.1 19252.967 0.942 1.570 20.177 33.629

Bảng 3-3: Kết quả thí nghiệm với cánh khuấy A100 có tấm chặn

CÁNH KHUẤY A100

Vận tốc

(v/ph) Momen (N.cm)

Bảng 3-4: Bảng kết quả tính toán cánh khuấy A100 có tấm chặn

N

(v/ph)

N

(v/s)

M (N.m)

100

1.67 0.04 0.08 12860.982 0.420 0.839 30.145 60.290 150

19252.9

200

25644.9

250

4.17 0.12 0.16 32113.948 3.143 4.190 14.504 19.339 300

38505.9

350

Trang 5

6.67 0.16 0.24 51366.915 6.702 10.053 7.559 11.338

3.3.3 Trường hợp cánh khuấy A315

Bảng 3-5: Kết quả thí nghiệm với cánh khuấy A315 không có tấm chặn

CÁNH KHUẤY A315

Vận tốc

(v/ph) Momen (N.cm)

Bảng 3-6: Bảng kết quả tính toán cánh khuấy A315 không có tấm chặn

N

(v/ph) N (v/s)

M (N.m)

Bảng 3-7: Kết quả thí nghiệm với cánh khuấy A315 có tấm chặn

CÁNH KHUẤY A315

Vận tốc

(v/ph)

Momen

(N.cm)

Vận tốc (v/ph)

Momen (N.cm)

Trang 6

100 6 0 100 10 0

Bảng 3-8: Bảng kết quả tính toán cánh khuấy A315 có tấm chặn

N

(v/ph) N (v/s)

M (N.m)

3.4 Nhận xét

Trang 7

50 100 150 200 250 300 350 400 450 0.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

Đồ thị so sánh ảnh hưởng của tốc độ cánh khuấy đến công suất khuấy A100

Có tấm chặn_cùng chiều

Có tấm chặn_ngược chiều

Không tấm chặn_ngược chiều

TỐC ĐỘ CÁNH KHUẤY N (vòng/phút)

Đồ thị 3-1

Từ đồ thị 3-1, đối với cánh khuấy A100, ta thấy:

-Tốc độ cánh khuấy tăng thì công suất tăng

-Trong trường hợp có tấm chặn hoặc không tấm chặn đều cho thấy công suất trong khuấy ngược chiều lớn hơn khuấy cùng chiều Do moment xoắn ngược chiều lớn hơn cùng chiều

-Trong trường hợp cùng chiều, tấm chặn không ảnh hưởng đến công suất, trường hợp ngược chiều thì tấm chặn ảnh hưởng đến công suất

Trang 8

50 100 150 200 250 300 350 400 450

0.000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

Đồ thị so sánh ảnh hưởng của tốc độ cánh khuấy đến công suất khuấy A315

Có tấm chặn_cùng chiều

Có tấm chặn_ngược chiều Không tấm chặn_cùng chiều Không tấm chặn_ngược chiều

Đồ thị 3-2

Từ đồ thị 3-2, đối với cánh khuấy A315, ta thấy:

-Tốc độ cánh khuấy tăng thì công suất tăng

-Trong trường hợp có tấm chặn hoặc không tấm chặn đều cho thấy công suất trong khuấy ngược chiều lớn hơn khuấy cùng chiều Do moment xoắn ngược chiều lớn hơn cùng chiều

-Tấm chặn ảnh hưởng đến công suất ở cả trường hợp cùng chiều và ngược chiều

Trang 9

50 100 150 200 250 300 350 400 450 0.000

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

Đồ thị so sánh ảnh hưởng tốc độ cánh khuấy đến công suất khuấy

của A100 và A315

A100 Có tấm chặn_cùng chiều A100 Có tấm chặn_ngược chiều A100 Không tấm chặn_cùng chiều A100 Không tấm chặn_ngược chiều A315 Có tấm chặn_cùng chiều A315 Có tấm chặn_ngược chiều A315 Không tấm chặn_cùng chiều A315 Không tấm chặn_ngược chiều

Đồ thị 3-3

Từ đồ thị 3-3, ta thấy:

-Cánh khuấy A315 có công suất lớn hơn cánh khuấy A100 trong cùng một tốc độ, do diện tích mặt tiếp xúc lớn hơn nên moment xoắn lớn hơn

-Trong trường hợp cùng chiều, ảnh hưởng của tấm chặn đối với công suất khuấy của A100 là không có, còn A315 sự ảnh hưởng của tấm chặn đối với công suất khuấy thể hiện rõ rệt vì A315 có diện tích mặt tiếp xúc lớn cùng với tấm chặn làm tăng moment xoắn

-Trong trường hợp ngược chiều, ảnh hưởng của tấm chặn đối với công suất khuấy của A100 có nhưng khá nhỏ, còn A315 sự ảnh hưởng lớn của tấm chặn đối với công suất khuấy vì A315 có diện tích mặt tiếp xúc lớn cùng với tấm chặn làm tăng moment xoắn

Trang 10

10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 55000 0.000

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

Đồ thị Re-Np

A100 ngược chiều, không chặn A100 ngược chiều, có chặn A100 cùng chiều, có chặn A100 cùng chiều, không chặn A315 cùng chiều, không chặn A315 cùng chiều có chặn A315 ngược chiều, không chặn A315 ngược chiều, có chặn

Re

Đồ thị 3-4

Từ đồ thị 3-4, ta thấy:

- Đối với cánh khuấy A100:

 Trong cùng một chế độ khuấy, việc sử dụng hay không sử dụng tấm chặn không gây ra ảnh hưởng đáng chú ý đến công suất khuấy, các hệ số Re và

Np gần như không đổi

 Chế độ khuấy ngược chiều làm tăng chuẩn số công suất khuấy

- Đối với cánh khuấy A315:

 Trong cùng một chế độ khuấy, việc sử dụng tấm chặn làm tăng chuẩn số công suất khuấy Np dẫn đến làm tăng công suất của thiết bị

 Chế độ khuấy ngược chiều làm tăng chuẩn số công suất khuấy Np

- Nhận xét chung:

 Cánh khuấy A315 dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tác động bên ngoài hơn

so với cánh khuấy A100

 Cả hai loại cánh khuấy đều bị chi phối nhiều bởi chế độ khuấy

 Giá trị chuẩn số Re không thay đổi nhiều trong tất cả các trường hợp kể trên

Trang 11

Giải thích kết quả:

- Cánh khuấy A315 dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố tác động bên ngoài hơn

so với cánh khuấy A100 vì Diện tích tiếp xúc của cánh khuấy A100 khá nhỏ nên việc sử dụng tấm chặn không gây ra ảnh hưởng đáng kể lên cánh khuấy Trong khi đó cánh khuấy A315 có diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn nên bị ảnh hưởng nhiều hơn

 Chế độ khuấy ngược chiều làm tăng chuẩn số công suất khuấy vì Do khi khuấy ngược chiều thì dòng chất lỏng hướng trục từ dưới lên, để có thể chuyển động lên thì lực tác dụng lên phần tử chất lỏng phải lớn hơn lực trọng trường của phần tử chất lỏng đó Điều này đòi hỏi cánh khuấy phải cung cấp một lực lớn hơn, mà moment thì bằng lực nhân cánh tay đòn, do

đó giá trị moment thu được sẽ lớn hơn, dẫn đến công suất khuấy lớn hơn

Kết luận rút ra:

Độ lớn công suất phụ thuộc và tỉ lệ thuận với độ lớn tốc độ cánh khuấy Khi khuấy càng nhanh thì công suất khuấy càng lớn và ngược lại

Trường hợp khuấy ngược chiều có tấm chặn sẽ có công suất lớn hơn khuấy cùng chiều

có tấm chặn

Trường hợp khuấy ngược chiều có dùng tấm chặn thì cánh khuấy có đường kính lớn A315 sẽ có công suất khuấy lớn hơn cánh khuấy A100 có đường kính nhỏ hơn

Khi có tấm chặn, chất lỏng không những tiếp xúc với thành bình khuấy mà còn tiếp xúc với tấm chặn (va đập vào và chuyển động dọc theo biên của tấm chặn), tức là diện tích tiếp xúc tăng lên làm lực ma sát F tăng lên kéo theo momen xoắn cũng tăng lên (M = F.r) Từ đó, công suất khuấy P tăng lên (P = 2π.M.N) Vậy khi có tấm chặn, công suất khuấy lớn hơn

Tiêu chí so sánh Thiết bị thành trơn Thiết bị có tấm chặn

Sự tạo phễu Dễ tạo phễu dù ở vận tốc nhỏ Chỉ tạo phễu ở vận tốc lớn

Trang 12

3.5 BÀN LUẬN

Câu 1 Mức độ tiêu thụ điện năng giữa hai loại cánh khuấy A100 và A315.

Nhìn chung cánh khuấy A315 có công suất khuấy lớn hơn công suất khuấy của cánh khuấy A100 nên tiêu thụ năng lượng lớn hơn Vì cánh khuấy A315 có đường kính lớn hơn cánh khuấy A100 nên diện tích bề mặt vuông góc, vận tốc dài của cánh khuấy lớn hơn Với cùng vận tốc khuấy, lực ma sát tác dụng lên cánh khuấy phụ thuộc vào tiết diện vuông góc với vận tốc dài của cánh khuấy Tiết diện càng lớn, lực cản của chất lỏng lên cánh khuấy càng lớn nên năng lượng tiêu hao để thắng lực cản càng lớn

Câu 2 Trong quá trình khuấy phát ra âm thanh ở trục cánh khuấy.

Trường hợp khuấy mà cánh khuấy đẩy dòng chất lỏng đi xuống đáy bình ta nhận thấy không có âm thanh phát ra Sở dĩ như vậy là do khi cánh khuấy đẩy dòng chất lỏng đi xuống sẽ làm trục cánh khuấy bị nẩy lên, làm giảm ma sát với đáy bình khuấy Ngược lại, trường hợp cánh khuấy đẩy dòng chất lỏng đi lên sẽ làm cho trục cánh khuấy lún xuống làm ma sát giữa trục và đáy bình tăng lên tạo ra âm thanh

Câu 3 Trong trường hợp nào thì quá trình khuấy xuất hiện xoáy phễu? Xoáy phễu có lợi hay không? Có những phương pháp nào để làm mất xoáy phễu? Bề mặt của xoáy phễu có dạng lõm xuống hay lồi lên? Tại sao?

Trường hợp khuấy tạo xoáy phễu khi tốc độ quay lớn hơn một tốc độ giới hạn đối với từng loại cánh khuấy hay bình chứa, có tấm chặn hay không có tấm chặn

Xoáy phễu có thể có lợi và có hại tùy vào từng trường hợp, nhưng thường có hại nhiều hơn so với có lợi

Trường hợp có lợi:

-Xoáy phễu làm cho khí bên ngoài có thể xâm nhập vào trong lòng chất lỏng, sự di chuyển những dòng khí này sẽ kéo theo các phân tử chất lỏng từ đó làm cho chất lỏng được khuấy trộn đều hơn Bọt khí còn tham gia vào một số phản ứng hóa học hoặc một

số trường hợp tạo môi trường phát triển cho vi sinh vật hiếu khí

Trường hợp có hại:

-Chiều cao của mực chất lỏng sát thành sẽ dâng cao làm cho chất lỏng tràn ra ngoài làm hư hỏng thiết bị, hiệu suất quá trình khuấy, cao quá

-Phễu khí có thể xâm nhập vào môi trường lỏng làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy, đồng thời cánh khuấy chịu tác dụng của lực phụ làm tốn công vô ích, hao phí

Trang 13

điện năng -Bọt khí còn ảnh hưởng đến dung dịch khuấy trong trường hợp có phản ứng phụ không mong muốn

-Sự xuất hiện phễu làm cho mực chất lỏng gần thành bình dâng lên cao, có thể làm văng chất lỏng ra ngoài và có thể làm gẫy trục khuấy

-Phễu xóay làm giảm thể tích tác dụng của cánh khuấy nên làm giảm công suất khuấy, tạo nên một số vùng chết trong lòng chất lỏng, giảm độ đồng nhất của dung dịch

Phương pháp làm mất xoáy phễu:

 Giảm tốc độ quay của cánh khuấy

 Thay đổi loại cánh khuấy

 Tăng số tầng cánh khuấy

 Đặt trục cánh khuấy lệch tâm thùng, đặt nghiêng hoặc nằm ngang

 Sử dụng các tấm chặn

 Vòng ống quanh cánh khuấy đối với cánh khuấy tuabin

 Sử dụng ống tuần hoàn trung tâm

 Thanh rối dùng cho cánh khuấy mỏ neo

 Ống dẫn dòng cho bể sâu và khi cần kéo các hạt rắn lên

Bề mặt của xoáy phễu có dạng lõm xuống hoặc lõm lên có thể giải thích như sau:

-Do chiều qua của cánh khuấy khác nhau, cánh khuấy quay theo cùng chiều im đồng

hồ và ngược lại

Theo bản chất thì lực ly tâm có xu hướng đem các phần tử chất lỏng từ trong ra ngoài, đến thành bình chúng bị ứ đọng và cản lại tại đó Vì vậy, mật độ các phần tử chất lỏng

ở tâm sẽ ít hơn ở ngoài thành bình vì vậy xuất hiện dạng lõm (do thiếu chất lỏng ở tâm bình khuấy) đồng thời còn do tác dụng của lực trọng trường nên xoáy phễu có dạng lõm xuống

Câu 4 Ảnh hưởng của bọt khí đến quá trình khuấy?

Với các quá trình khuấy cho phép không khí tiếp xúc vào dung dịch khuấy trộn thì bọt khí xuất hiện vừa có lợi nhưng gây hại cung rất lớn

Bọt khí có lợi:

-Bọt khí giúp cho quá trình khuấy diễn ra nhanh hơn do khi chuyển động bọt khí kéo theo một số phân tử chất lỏng hay nói cách khác bọt khí làm tăng mức độ xáo trộn của chất lỏng

Trang 14

Trong một số quá trình khuấy phản ứng hóa học cần có sự tham gia của bọt khí như quá trình xử lý nước thải, hay một số phản ứng oxy hóa khác… thì bọt khí đóng vai trò quan trọng Tuy nhiên, đối với các loại phản ứng này thì người ta thường dùng cách sục bọt khí vì sẽ có lợi hơn

Đa số trường hợp thì bọt khí có hại vì:

- Bọt khí làm tăng lực va đập lên cánh khuấy, do đó làm tiêu tốn công vô ích, tăng ma sát và làm giảm hiệu suất khuấy Để đạt công suất lớn thì cần phải tiêu tốn điện năng lớn

-Trong các sản phẩm mỹ phẩm, bọt khí làm giảm chất lượng và tính thẩm mỹ của sản phẩm

-Trong một số phản ứng hóa học kỵ khí, sự xuất hiện của bọt khí có thể phản ứng với sản phẩm, làm giảm độ tinh khiết của sản phẩm và gây biến chất

-Làm tiêu tốn công suất của động cơ do các phân tử khí hình thành đi từ dưới lên tác dụng thêm một lực vào cánh khuấy làm động cơ cần tăng công suất để giữ tốc độ khuấy ổn định như mức đã được cài đặt

-Hiệu suất của quá trình khuấy trộn bị giảm xuống

-Không khí len lỏi vào gây oxi hoá hoặc các phản ứng hóa học không mong muốn làm

hư hỏng sản phẩm

Với các quá trình khuấy trộn không cho phép không khí tiếp xúc vào dung dịch khuấy trộn thì bọt khí khi xuất hiện hầu như chỉ gây hại

 Làm tiêu tốn công suất động cơ

 Giảm hiệu suất quá trình khuấy trộn

 Các dòng hoà trộn không đồng đều

 Không khí len lỏi vào gây oxi hoá hoặc các phản ứng hóa học không mong muốn làm hư hỏng sản phẩm

 Sau khi khuấy trộn trong sản phẩm có thể còn lẫn bọt khí làm giảm chất lượng sản phẩm

Câu 5 Nhận xét sự ảnh huongwrw của tấm chặn đến cong suất khuấy.

Công suất trường hợp có tấm chặn luôn lớn hơn công suất khuấy thành trơn tại cùng vận tốc khảo sát

• Trường hợp không có tấm chặn, có sự tạo thành xoáy phễu, làm không khí xâm nhập vào chất lỏng làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy Hiện tượng tạo phễu là không tốt cho quá trình khuấy

Định dạng
Số trang	15
Dung lượng	85,66 KB