BÀI 9 CỘT CHÊM IUH

báo cáo thực hành các quá trình thiết bị và cơ học trong công nghệ hoá BÀI 9 CỘT CHÊM của trường đại học Công nghiệp Tp.HCM do sinh viên biên soạn báo cáo và được giáo viên chỉnh sửa bài đúng theo yêu cầu

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

  

BÁO CÁO THỰC HÀNH CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ

HOÁ HỌC CỘT CHÊM

GVHD: Trần Thảo Quỳnh Ngân

SVTH:

Lớp học phần:

08.04.2020

Trang 2

MỤC LỤC

9.1 GIỚI THIỆU 3

9.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 3

9.3 CỞ SỞ LÝ THUYẾT 3

9.3.1 Chế độ làm việc của tháp đệm 3

9.3.2 Mối quan hệ giữa độ giảm áp với lưu lượng dòng khí trong tháp 4

9.3.3 Độ giảm áp khi cột khô ( 4

9.3.4 Độ giảm áp khi cột ướt ( 6

9.3.5 Điểm lụt của cột chêm 7

9.4 MỒ HÌNH THÍ NGHIỆM 8

9.4.1 Sơ đồ hệ thống 8

9.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 8

9.5.1 Chuẩn bị thí nghiệm 8

9.5.1.1 Chuẩn bị 8

9.5.1.2 Các lưu y 9

9.5.2 Báo cáo 9

9.6 BÁO CÁO THỰC NGHIỆM 10

9.6.1 Kết quả thực nghiệm 10

9.6.2 Các thông số của phần xử ly số liệu 12

9.6.3 Xử ly số liệu và nhận xét 12

9.6.3.1 Độ giảm áp khi cột khô ( 12

9.6.3.2 Độ giảm áp khi cột khô ( 15

9.6.3.3 Tính toán Log( - Log : 18

9.6.3.3 Tính toán điểm lụt của cột chêm: 20

9.8 BÀN LUẬN CHUNG 21

9.8.1 Ảnh hưởng của dòng khí và dòng lỏng lên độ giảm áp của cột: 21

9.8.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ giảm áp khi cột khí khô và ướt 21

9.8.3 Kết luận 22

9.9 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

Trang 3

BÀI 9: CỘT CHÊM

9.1 GIỚI THIỆU

Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật đệm được đổ đầy trong tháp một cách ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Vật đệm được sử dụng gồm nhiều loại khác nhau, với các loại vật liệu khác nhau, nhưng phải có diện tích bề mặt riêng (m2/m3) lớn, ngoài ra độ rỗng hay thể tích tự do (m3/m3) lớn để giảm trở lực pha khí Vật liệu chế tạo phải có khối lượng riêng nhỏ và bền hóa học

Tháp đệm được sử dụng trong công nghiệp để thực hiện các quá trình hấp thụ, chưng cất, trích ly Vì cấu tạo đơn giản, trở lực trong tháp không lớn lắm Tuy nhiên để tăng hiệu suất của quá trình, người ta thường chia tháp đệm ra thành nhiều đoạn và đặt thêm bộ phận phân phối lỏng cho mỗi đoạn tháp

Trong tháp đệm pha lỏng chảy từ trên xuống và phân bố đều trên bề mặt đệm, pha khí đi từ dưới lên Quá trình truyền khối trong tháp đệm không những phụ thuộc vào quá trình khuếch tán mà còn chịu ảnh hưởng của chế độ thủy động trong tháp

9.2 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

- Khảo sát sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng đến độ giảm áp suất của dòng khí trong tháp đệm

- Khảo sát sự biến đổi của thừa số ma sát trong tháp từ đó so sánh độ tổn thất áp suất dòng khí trong tháp giữa thực nghiệm và ly thuyết

- Xác định vùng gia trọng của tháp đệm khi vận hành tháp đệm

- Xác định giản đồ điểm lụt của tháp đệm

Trang 4

9.3 CỞ SỞ LÝ THUYẾT

9.3.1 Chế độ làm việc của tháp đệm

Tùy thuộc vào vận tốc dòng khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm có thể xảy ra 4 chế độ thủy lực sau: chế độ dòng, quá độ, xoáy và sủi bọt Trong ba chế độ dòng, quá độ và xoáy thì pha khí là pha liên tục chiếm tất cả không gian trong tháp còn pha lỏng là pha phân tán chảy thành màng bề mặt đệm, nên còn gọi là chế độ màng

Ở chế độ màng, nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí thì xảy ra hiện tượng đảo pha (điểm C) pha lỏng là pha liên tục chiếm toàn bộ không gian trong tháp và pha khí phân tán vào trong pha lỏng nên có hiện tượng sủi bọt Chế độ làm việc này gọi là chế độ sủi bọt (nhũ tương) Nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí thì chất lỏng sẽ theo pha khí bắn ra khỏi tháp Hiện tượng này gọi là hiện tượng ngập lụt Theo thực nghiệm, quá trình truyền khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, song thực tế tháp đệm được vận hành trong chế độ xoáy gần điểm đảo pha để quá trình làm việc dễ kiểm soát, an toàn

9.3.2 Mối quan hệ giữa độ giảm áp với lưu lượng dòng khí trong tháp

Để khảo sát chế độ thủy động trong tháp đệm, người ta tiến hành khảo sát sự tổn thất áp suất của dòng khí khi cột khô (trong tháp đệm chỉ có pha khí mà không có pha lỏng) Khi lưu lượng dòng khí chuyển động trong tháp tăng dần thì độ giảm áp () cũng tăng theo, sự gia tăng này được biểu diễn theo mối quan hệ lưu lượng với dòng khí như sau (với n = 1,8 – 2):

Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trống bị thu nhỏ lại và dòng khí di chuyển khó khăn hơn vì một phân thể tích tự do bị lượng chất lỏng chiếm cứ Trong giai đoạn đầu (dưới điểm A), lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp là không đổi theo tốc độ khí mặc dầu lượng chất lỏng này tăng theo suất lượng pha lỏng Trong vùng giữa A và B, lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp tăng nhanh theo tốc độ khí, các chỗ trống trong tháp nhỏ dần và độ giảm áp của pha khí tăng nhanh Vùng này gọi là vùng gia trọng, điểm B gọi là điểm gia trọng

Trang 5

Tại B, nếu tiếp tục tăng tốc độ pha khí sủi bọt qua lớp chất lỏng tại bề mặt lớp vật đệm tạo sự đảo pha Lúc đó hiện tượng pha khí lôi cuốn chất lỏng tăng mạnh và tháp ở trạng thái ngập lụt, độ giảm áp của pha khí tăng rất nhanh

9.3.3 Độ giảm áp khi cột khô (

Zhavoronkov đề nghị một hệ thức đưa ra một hệ thức liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm khô với vận tốc khối lượng của dòng khí qua cột

Trong đó: : độ giảm áp khi cột khô, Pa

: hệ số ma sát cột khô : vận tốc khối lượng của dòng khí qua tháp, : lưu lượng dòng khí vào tháp,

Z: Chiều cao của lớp đệm, m : Khối lượng riêng cảu không khí, F: tiết diện ngang của ống chứa đệm, : Đường kính tuong đương của đệm, m : Độ rỗng hay độ xốp của đệm,

: Diện tích bề mặt riêng của đệm,

Hệ số ma sát khi cột khô là hàm số theo chuẩn số Reynold với các loại đệm khác nhau xác định theo các công thức thực nghiệm

Với đệm vòng xếp ngẫu nhiên, hệ số ma sát khi cột khô được xác định như sau

Ở chế độ xoáy, khi > 40:

Ở chế độ dòng, khi < 40:

Với chuẩn số Reynold được xác định như sau:

Với là độ nhớt động lực học của dòng khí

Trang 6

9.3.4 Độ giảm áp khi cột ướt (

Đối với đệm ướt, do ảnh hưởng của dòng lỏng lên bề mặt của đệm, làm giảm bề mặt tự do, làm tăng vận tốc dòng khí, nên trở lực cũng tăng lên nghĩa là độ giảm áp của dòng khí khi cột ướt cũng tăng lên Do vậy lưu lượng dòng lỏng càng lớn thì độ giảm áp càng tăng Sự liên hệ giữa độ giảm của dòng khí khi cột khô ( và khi cột ướt ( có thể viết như sau:

Do đó có thể dự kiến

Với tùy thuộc vào vận tốc khối lượng của dòng lỏng

Đối với đệm vòng sứ:

- Đường kính < 300mm thì

- Đường kính >300mm thì

Với :

Trong đó: b: hệ số do ảnh hưởng của lỏng lên đệm

: Gia tốc trọng trường,

: Vận tốc khối lượng của dòng lỏng qua tháp,

: Lưu lượng dòng lỏng vào tháp,

: Khối lượng riêng của nước,

: Độ nhớt động lưc học của nước,

Trang 7

9.3.5 Điểm lụt của cột chêm

Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng không chảy xuống được, nên tạo một cột chất lỏng trong tháp, các chất lỏng không còn đều đặn, độ giảm áp của pha khí bị giao động mạnh Hiện tượng này gây bất lợi cho sự hoạt động của tháp, do vậy cần tránh khi vận hành tháp đệm Theo Zhavoronkov hiện tượng ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số vô thứ nguyên sau có mối liên hệ với nhau:

Trong đó: vận tốc của khí trong tháp đệm, m/s

: Độ nhớt quá trình động lực học của chất lỏng khác nước, kg/m.s = 1: Nếu chất lỏng là nước

Hình 9.3: Điểm lụt của tháp đẹm theo quan hệ ,

Do đó sự liên hệ giữa và trên giản đổ log-log sẽ xác định một biểu đồ lụt của tháp đệm, vùng giới hạn hoạt động của tháp đệm ở dưới đường này

Trang 8

9.4 MỒ HÌNH THÍ NGHIỆM

9.4.1 Sơ đồ hệ thống

- SGK tr.91

9.5 TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM

9.5.1 Chuẩn bị thí nghiệm

9.5.1.1 Chuẩn bị

- Van xả đáy bồn lỏng (VL1) phải được đóng hoàn toàn

- Mở van nguồn nước, cấp nước vào bồn lỏng khoảng 2/3 bồn

- Mở hoàn toàn van lỏng hoàn lưu (VL2)

- Mở hoàn toàn van điều chỉnh mực nước trong bộ phận phân khối khí (VL4)

- Khóa van xả nước trong bộ phận phân phối khí (VL5)

- Mở hoàn toàn van khí hoàn lưu (VK1)

9.5.1.2 Các lưu y

- Đảm bảo duy trì mực chất lỏng trong ống phân khối khí đạt 2/3 ống trong suốt quá trình thí nghiệm cột khô hay cột ướt

- Trước khi tiến hành thí nghiệm, phải kiểm tra mực chất lỏng trong hai nhánh áp kế chữ U bằng nhau

- Khi tiến hành thí nghiệm, luôn cho quạt thổi khí hoạt động trước bơm và bơm cấp lỏng hoạt động sau

- Khi kết thúc thí nghiệm, Cho bơm chất lỏng ngừng trước và quạt thổi khí ngừng sau

- Khi đo lưu lượng dòng khí, giá trị đọc được trên lưu lượng kế phải nhân với 29,08 để đổi đơn vị đo được ra lít/phút

- Điều chỉnh lưu lượng dòng khí hay lỏng đạt được theo giá trị yêu cầu, có thể kết hợp cả hai van điều chỉnh lưu lượng và van hoàn lưu Nhất thiết không được khóa hoàn toàn van hoàn lưu

- Khi làm thí nghiệm cột ướt, các giá trị lỏng lớn hơn 6,4 l/phút có thể xảy ra hiện tượng ngập lụt

Trang 9

- Khi kết thúc thí nghiệm:

o Tắt bơm lỏng, mở hoàn toàn van lỏng hoàn lưu

o Tắt quạt khí, mở hoàn toàn van khí hoàn lưu

o Đợi cho chất lỏng trong thoát hết, xả hết nước trong bồn chứa lỏng

9.5.2 Báo cáo

- Ghi nhận kết quả thí nghiệm và thông số cần thiết khác để tính toán Đánh dấu những điểm gây ra hiện tượng ngập lụt trong tháp đệm

- Nhận xét về kết quả thí nghiệm, các dạng đường biểu diễn trên đồ thị, mối quan hệ giữa tổn thất áp suất dòng khí trong tháp với lưu lượng dòng khí, dòng lỏng

- Tính toán độ giảm áp của dòng khí qua tháp đệm So sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm Nhận xét và giải thích

- Vẽ đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng đến độ giảm áp của dòng khí trong tháp (log Xác định vùng gia trọng AB Nhận xét và giải thích

- Xây dựng giản đồ điểm lụt của tháp đệm theo quan hệ và Nhận xét kết quả đạt được

9.6 BÁO CÁO THỰC NGHIỆM

9.6.1 Kết quả thực nghiệm

Bảng số liệu thí nghiệm cột khô

L = 0 (l/p)

G (Nm3/h) 29,08 = (l/ph)

Bảng 9.1: Độ giảm áp cột khô (cmH2O) theo lưu lượng khí

Trang 10

4 4 116,32 1,7

Bảng số liệu thí nghiệm cột ướt

Bảng 9.1: Độ giảm áp cột ướt (cmH2O) theo lưu lượng khí và lưu lượng lỏng L =

140 (L/h)

Lưu lượng dòng lỏng L = 140 (L/h)

200 (L/h)

260 (L/h)

Trang 11

2 1,2 34,896 3,0

9.6.2 Các thông số của phần xử lý số liệu

Bảng 9.2: Các thông số của tháp đệm

Z (m) Bề mặt riêng a(m2/m3) Độ xốp (m3/m3) Dtrong (m)

- Dòng khí đi vào là không khí, độ nhớt và khối lượng riêng của không khí ở 0 lần lượt là = và 1.293 kg/m3

Độ nhớt của không khí ở 30 tính bởi công thức:

9.6.3 Xử lý số liệu và nhận xét

9.6.3.1 Độ giảm áp khi cột khô (

Khối lượng riêng của không khí theo nhiệt độ 30oC  = 1,165 kg/m3

- Vận tốc khối lượng của dòng khí qua tháp:

(kg/m 2 s)

- Đường kính tương đương của đệm:

- Giá trị chuẩn số Reynold:

- Hệ số âm sát cột khô khi > 40:

Trang 12

- Độ giảm áp lí thuyết khi cột khô:

= = 6,24 (Pa)

Bảng 9.6: Số liệu thu được tính toán cột khô

*Nhận xét:

-Hệ số ma sát fck tỉ lệ nghịch với độ giảm áp Pck (hệ số ma sát càng giảm thì độ giảm áp càng tăng)

- Độ giảm áp giữa ly thuyết và thực tế chênh lệch nhau khá lớn do thao tác thực nghiệm và thiết bị chưa chính xác

- Thí nghiệm cột khô tuân theo chế độ xoáy Re đều lớn hơn 40

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0.4

0.7

1.2

1.7

2.3

G (l/ph)

Hình 1: Đồ thị biểu hiện tương quan sự thay đổi giữa áp suất của dòng khí và lưu

lượng dòng khí theo thực nghiệm

 Nhận xét: Độ giảm áp tăng theo những vùng rõ rệt như trong giản đồ ly thuyết đa

đề cập Từ đồ thị ta thấy, lúc đầu khi G còn nhỏ thì tăng chậm, sau đó khi G đủ lớn thì bắt đầu tăng nhanh Vùng sau vùng gia trọng (AB) thì giá trị tăng lên rất nhanh

Trang 13

20 40 60 80 100 120 140 160 0

20

40

60

80

100

120

6.24

21.75

45.08

75.74

113.23

G (l/ph)

Hình 2: Đồ thị biểu hiện tương quan sự thay đổi giữa áp suất của dòng khí và lưu

lượng dòng khí theo lý thuyết

 Nhận xét: khi tăng lưu lượng dòng khí trong tháp thì độ giảm áp tăng theo gần như tuyến tính

9.6.3.2 Độ giảm áp khi cột khô (

Sự liên hệ giữa dòng khí khi cột khô và khi cột ướt có thể viết là:

Tra bảng:

- Khối lượng riêng của nước ở 30oC:

- Độ nhớt động lực học của nước ở 30oC: μư

*Tính mẫu

Với L = 140 l/h = 2,3 l/ph và G = 17,488 l/ph

- Vận tốc khối lượng của dòng lỏng qua tháp:

- Giá trị của chuẩn số Reynold:

157,362

- Hệ số do ảnh hưởng của lỏng lên đệm:

Trang 14

- Hệ số A

- Độ giảm áp của dòng khí theo ly thuyết của cột ướt:

=3,3556,24 = 20,9352

- Hệ số ma sát cột ướt:

=3,3556,38 = 21,4049

 Với L = 2,3 (l/ph)

Bảng 9.7: Số liệu tính toán thực nghiệm với lưu lượng lỏng (2,3 L/ph) với hệ số

(3,355)

L = 2,3 lít/phút với

157,362

 Với L = 3,3 (l/ph)

(4,795)

225,64

Trang 15

 Với L = 4,3 (l/ph)

(6,832)

294,12

Bảng 9.10: Các lưu lượng của từng phần

khác nhau (mmH2O)

L (l/ph)

-9.6.3.3 Tính toán Log( - Log :

 Cột khô

Bảng 9.11: Độ giảm áp theo sự thay đổi lưu lượng khí

Trang 16

116,32 0,6706 -0,17354 126,23 2,101

-0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0

0 0.5 1 1.5 2 2.5

1.02

1.56

1.88

2.1

2.28

Log �

Hình 3: Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng lưu lượng khí dến độ giảm áp của dòng

khí trong tháp đệm

 Cột ướt

- Kết quả tính toán Log (

Bảng 9.12: Độ giảm áp theo lưu lượng lỏng

Đồ thị Log ( theo Log

Trang 17

-1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

L=2,3 (l/ph) L=3,3(l/ph) L=4,3(l/ph)

log G

Hình 4 : Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng đến độ giảm áp của dòng

khí trong tháp đệm

- Nhận xét: Log ( và Log không hoàn toàn phụ thuộc tuyến tính với nhau giống như

ly thuyết đa nhận định Tuy nhiên, nó cũng gần như được chia thành hai vùng rõ rệt: vùng dưới vùng gia trọng và vùng trên vùng gia trọng Ở vùng dưới thì P tăng nhanh, đột ngột khi log tăng nên đoạn thẳng rất dốc; nếu tăng lưu lượng khí lên cao nữa sẽ tiến đến điểm lụt

9.6.3.3 Tính toán điểm lụt của cột chêm:

Bảng 9.12: Bảng tính toán thực nghiệm của điểm lụt

4

+ Vận tốc của dòng khí trong tháp đệm

= 1

= 0,6425

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	162,82 KB