BÁO cáo THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH THIẾT bị và cơ học

Mục đích thí nghiệm Khảo sát sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng đến độ giảm áp suấtcủa dòng khí trong tháp đệm.. Ở chế độ màng, nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí thì xảy

BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ VÀ CƠ HỌC

Giáo viên hướng dẫn: Trần Thảo Quỳnh Ngân Lớp học phần: DHHC14A

Tên: Nguyễn Anh Hội MSSV: 18035251 Nhóm: 5

TP Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 05 năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA

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 đểtăng hiệu suất của quá trình, người ta thường chia tháp đệm ra thành nhiều đoạn và đặtthêm 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, phakhí đi từ dưới lên Quá trình truyền khối trong tháp đệm không những phụ thuộc vào quátrình khuếch tán mà còn chịu ảnh hưởng của chế độ thủy động trong tháp

2 Mục đích thí nghiệm

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

Khảo sát sự biến đổi của thừa số ma sát f ck , f cư trong tháp từ đó so sánh độ tổn thất

áp suất dòng khí trong tháp giữa thực nghiệm và lý thuyết

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

Xác định giản đồ điểm lụt của tháp đệm

a Cơ sở lý thuyết

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 làpha 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 phântán vào trong pha lỏng nên có hiện tượng sủi bọt Chế độ làm việc này gọi là chế độ sủibọt (nhũ tương) Nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí thì chất lỏng sẽ theo pha khí bắn rakhỏi tháp Hiện tượng này gọi là hiện tượng ngập lụt Theo thực nghiệm, quá trình truyềnkhối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, song thực tế tháp đệm được vận hành trong chế độ xoáygần điểm đảo pha để quá trình làm việc dễ kiểm soát, an toàn

1.2 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 tổnthất áp suất của dòng khí khi cột khô (trong tháp đệm chỉ có pha khí mà không có phalỏng) Khi lưu lượng dòng khí chuyển động trong tháp tăng dần thì độ giảm áp (∆ P ck)cũng tăng theo, sự gia tăng này được biểu diễn theo mối quan hệ lưu lượng với dòng khínhư sau (với n = 1,8 – 2):

log∆ P ck

Z =n lg ´G−lgZ

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 Tronggiai 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 trongtháp 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

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 ởtrạng thái ngập lụt, độ giảm áp của pha khí tăng rất nhanh

1.3 Độ giảm áp khi cột khô (∆ P ck¿

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

Hình 9.1: Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và

dòng lỏng đến độ giảm áp của dòng khí trong tháp đệm

Trong đó: ∆ P ck: độ giảm áp khi cột khô, Pa

D e: Đường kính tuong đương của đệm, m

1.4 Độ giảm áp khi cột ướt (∆ P cư¿

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 dòngkhí khi cột ướt cũng tăng lên Do vậy lưu lượng dòng lỏng càng lớn thì độ giảm áp càngtăng Sự liên hệ giữa độ giảm của dòng khí khi cột khô (∆ P ck¿ và khi cột ướt (∆ P cư¿ cóthể viết như sau:

´L : Vận tốc khối lượng của dòng lỏng qua tháp, kg

m2 s

L: Lưu lượng dòng lỏng vào tháp, phút1

ρ n c ướ: Khối lượng riêng của nước, kg

m3

μ x: Độ nhớt động lưc học của nước, m s kg

1.5 Điểm lụt của cột chêm

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

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

μ L: Độ nhớt quá trình động lực học của chất lỏng khác nước, kg/m.s

μ L

μ n c ướ = 1: Nếu chất lỏng là nước

Do đó sự liên hệ giữa π1 và π2 trên giản đổ log-log sẽ xác định một biểu đồ lụt của thápđệm, vùng giới hạn hoạt động của tháp đệm ở dưới đường này

1.4 Tiến hành thí nghiệm

1.4.1 Chuẩn bị thí nghiệm

 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)

Khi tiến hành thí nghiệm, luôn cho quạt thổi khí hoạt động trước bơm và bơm cấplỏng hoạt động sau.

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

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 kếthợp cả hai van điều chỉnh lưu lượng và van hoàn lưu Nhất thiết không được khóa hoàntoàn van hoàn lưu

Bảng 9.3: Độ giảm áp của cột khô (Pa) theo lưu lượng khí

1.5.3.1. Độ giảm áp khi cột khô (∆ P ck¿

Bảng 9.6: Độ giảm áp cột khô (Pa) theo lưu lượng khí (L/ph)

Khối lượng riêng của không khí ở 30℃C được tra theo bảng phụ lục sau:

Bảng 9.7: Khối lượng riêng của không khí theo nhiệt độ

Ở chế độ xoáy, ℜy>40 :

f ck= 16

ℜ0,2y =

1666,780,2=6,905

Bảng 9.8: Số liệu tính toán từ thực nghiệm

1.5.3.2 Độ giảm áp khi cột ướt (∆ P cư)

Sự liên hệ giữa dòng khí khi cột khô (∆ P¿¿ck)¿ và khi cột ướt (∆ P cư) có thể viết là:

Từ đó suy ra A: A=3√3 b

2 g(ρ n c ´L ướ )2a ε=3

3

√0,1522.10 (9964,1)20,67360=0,185

σ = 1

(1−A )3=

1(1−0,185)3=1,85

Độ chênh lệch áp suất khi cột ướt theo lý thuyết:

-1.000 -0.800 -0.600 -0.400 -0.200 1.4000.000

1.600 1.800 2.000 2.200

0.500 0.600 0.700 0.800 0.900 1.000 1.100 1.200 1.300 1.400 1.500 1.50

Theo đồ thị ta có thể thấy được vùng trong khoảng log(∆ P Z ) trong khoảng từ 0,92

đến 1,1 chính là vùng gia trọng do trên đồ thị ta thấy rằng giá trị log(∆ P Z ) tăng rất nhanh,chứng minh rằng lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp tăng nhanh theo tốc độ khí, các chỗtrống trong tháp nhỏ dần và độ giảm áp của pha khí tăng rất nhanh

1.5.4 Bàn luận

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

Khi vận tốc dòng chuyển động tăng dần khi đó độ giảm áp cũng tăng theo sự giatăng này theo lũy thừa từ 1,8 đến 2 của vận tốc khí

Khi có dòng lỏng chạy ngược chiều khoảng trống nhỏ lại, dòng khí chuyển độngkhó khăn hơn Lúc đầu độ giảm áp của pha khí tăng nhanh, nếu tiếp tục tăng tốc độ phakhi, giữ nguyên lưu lượng dòng lỏng thì độ giảm áp của pha khí tăng rất nhanh

1.5.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ giảm áp khi cột khí khô và ướt.

 Đối với cột khô:

độ thủy lực khác nhau.Trong đó chế độ làm việc tốt nhất là sủi bọt, song trong thực tếtháp đệm được vận hành trong chế độ chảy xoáy gần điểm đảo pha để quá trình dễ kiểmsoát, an toàn

1.7 Trả lời câu hỏi

1.Các yếu tố ảnh hưởng đến độ giảm áp của cột khô?

- Chiều cao phần chứa vật chêm

- Đường kính tương đương của vật chêm

- Thể tích tự do của vật chêm.

- Diện tích bề mặt riêng của vật chêm

- Khối lượng riêng của pha khí

- Suất lượng biểu kiến của pha khí qua một đơn vị tiết diện tháp

2 Tháp chêm được ứng dụng trong lĩnh vực nào?

Tháp chêm được ứng dụng nhiều trong ngành công nghiệp thực phẩm

3 Có mấy loại vật chêm? Chúng được chế tạo từ vật liệu gì?

Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loại vật chêmsau:

Vòng Raschig: hình trụ rỗng bằng sứ hoặc kim loại, nhựa, có đường kính bằngchiều cao(kích thước từ 10- 100mm)

Vật chêm hình yên ngựa: có kích thước từ 10- 75mm

Vật chêm vòng xoắn: đường kính dây từ 0, 1mm, đường kính vòng xoắn từ 8mm và chiều dài nhỏ hơn 25mm

3-4 Kích thước vật chêm cần phải thỏa mãn điều kiện gì?

Vật chêm phải có diện tích bề mặt riêng lớn,ngoài ra độ rỗng cũng phải lớn

5 Lựa chọn vật chêm cần phải thỏa mãn những điều kiện gì?

Phải có diện tích bề mặt riêng lớn,có độ rỗng lớn để giảm trở lực chop pha khí và phảibền

6 Ưu và nhược điểm của vật chêm bằng sứ?

- Ưu điểm:giá thành rẻ,không bị oxy hóa,không bị ăn mòn

-Nhược điểm:dễ vỡ

7 Trong thí nghiệm các số liệu đo được cũng như lưu lượng của các dòng có ổn định không?

Trong thí nghiệm các số liệu đo được cũng như lưu lượng của các dòng không ổn định

8 Trong thí nghiệm có mấy điểm cần lưu ý? Điểm nào quan trọng nhất?

Trong thí nghiệm có điểm cần lưu ý sau: Trong quá trình đo độ giảm áp của cột ướt,cần canh giữ mức lỏng ở đáy cột luôn ổn định ở ¾ chiều cao đáy bằng cách chỉnh van7.Nếu cần, tăng cường van 8 để nước trong cột thoát về bình chứa.

9 Tại sao phải duy trì mực lỏng ở ¾ đáy cột?

Vì nếu ta cho đầy thì khí không tiếp xúc được với nước (không đi vào cột hấp thu).Nếu cho ít nước thì khí ít tiếp xúc vói dung môi,và có nhiều bọt khí thí số liệu đo dược sẽ

bị sai

10 Có mấy loại quạt?kể tên?quạt trong bài này là loại gì? Cao áp hay thường?

Có 2 loại quạt là quạt cao áp và quạt thường Quạt trong bài này là quạt cao áp

11 Công thức tính hệ số trở lực do ma sát trong tháp chêm ở các chế độ chảy (Re) khác nhau?

Cột khô: với n = 1,8 – 2,0

Cột ướt: ∆Pcư = σ∆Pck với σ=〖10〗^ΩL

Giá trị σtùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm (xếp ngẫu nhiênhay theo thứ tự) và độ lớn của lưu lượng lỏng L Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig12,7 mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp ε= 0,586; giá trị của L từ 0,39 đến 11,7 kg/m2s và cộthoạt động trong vùng dưới điểm gia trọng Ω=0,084

12 Tháp chêm làm việc ở chế độ nào là tốt nhất? Thực tế có thể vận hành ở chế

độ này hay không? Tại sao?

Tháp chêm làm việc ở chế độ chân không là tốt nhất.nhưng không thể vận hành chothực tế Vì thực tế sẽ mau làm dòng lỏng đạt đến điểm lụt

13 Thế nào là điểm gia trọng?

Cho pha khí tiếp xúc pha lỏng phải qua vật liệu điệm tăng độ tiếp xúc.Khi vận tốc khílỏng sẽ phân tán trong khí, tăng tốc độ khí lỏng bị tụ lại,Điểm gia trọng điểm đó áp suấtpha khí đủ lớn để xuyên qua pha lỏng liên tục.Ưu điểm: ít tốn dung môi

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

Sổ tay quá trình & thiết bị trong công nghệ hóa chất, tập 1 & 2 [Book] / auth giả Tập

thể tác - [s.l.] : NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2012

Tài liệu hướng dẫn thực hành các quá trình & thiết bị trong công nghệ hóa học

[Book] - [s.l.] : Khoa công nghệ hóa học Trường đại học công nghiệp TP.HCM, 2017