BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH KHUẤY

BÁO CÁO THỰC HÀNH KỸ THUẬT PHẢN ỨNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Dương Huỳnh Thanh Linh THỰC HIỆN: NHÓM 2 Ma Thị Oanh Nguyễn Thị Thảo Đoàn Duy Tuấn Phạm Thị Xuân Quỳnh Lương Hoàng Văn Lộc Nguyễn Duy Khánh 1 BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH KHUẤY 1. MỤC ĐÍCH - Làm quen với sơ đồ nguyên lý quá trình khuấy và nguyên tắc hoạt động của thiết bị khuấy. - Khảo sát đặc tuyến công suất theo độ nhớt của dung dịch và đường kính, số vòng quay của cánh khuấy. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. 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. Quá trình khuấy hệ lỏng rất thường gặp trong công nghiệp (nhất là công nghiệp hóa chất và những ngành công nghiệp tương tự: công nghiệp thực phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu xây dựng, công nghiệp hóa dược, công nghiệp nhẹ, …) và trong đời sống hằng ngày. Quá trình khuấy cơ học được sử dụng nhằm mục đích: 1. Tạo ra các hệ đồng nhất từ các thể tích lỏng và lỏng, khí, rắn có tính chất thành phần khác nhau: dung dịch, nhũ tương, huyền phù, hệ bọt, … 2. Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt. 3. Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối và quá trình hóa học. Ba loại quá trình điển hình này thực hiện với các hệ đồng thể và dị thể khác nhau như hệ lỏng – lỏng, hệ lỏng – rắn, hệ lỏng – khí trong các loại hình thiết bị rất đa dạng như: thiết bị phản ứng (thiết bi sulfur hóa, nitro hóa, …), thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị tạo nhũ tương và tạo huyền phù. Trong các hệ thống khuấy, một trong những vấn đề được đặt ra là tiên đoán công suất tiêu tốn cho một hệ thống nhất định. 2.2. Các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá quá trình khuấy

Bà Rịa, ngày 20 tháng 3 năm 2019

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM

Nguyễn Duy Khánh

BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH KHUẤY

1 MỤC ĐÍCH

- Làm quen với sơ đồ nguyên lý quá trình khuấy và nguyên tắc hoạt động của

thiết bị khuấy

- Khảo sát đặc tuyến công suất theo độ nhớt của dung dịch và đường kính, số

vòng quay của cánh khuấy

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 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

Quá trình khuấy hệ lỏng rất thường gặp trong công nghiệp (nhất là công nghiệp hóa

chất và những ngành công nghiệp tương tự: công nghiệp thực phẩm, công nghiệp

luyện kim, công nghiệp vật liệu xây dựng, công nghiệp hóa dược, công nghiệp nhẹ,

…) và trong đời sống hằng ngày

Quá trình khuấy cơ học được sử dụng nhằm mục đích:

1 Tạo ra các hệ đồng nhất từ các thể tích lỏng và lỏng, khí, rắn có tính chất thành

phần khác nhau: dung dịch, nhũ tương, huyền phù, hệ bọt, …

2 Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt

3 Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối và quá trình

hóa học

Ba loại quá trình điển hình này thực hiện với các hệ đồng thể và dị thể khác nhau

như hệ lỏng – lỏng, hệ lỏng – rắn, hệ lỏng – khí trong các loại hình thiết bị rất đa

dạng như: thiết bị phản ứng (thiết bi sulfur hóa, nitro hóa, …), thiết bị trao đổi nhiệt,

thiết bị tạo nhũ tương và tạo huyền phù

Trong các hệ thống khuấy, một trong những vấn đề được đặt ra là tiên đoán công

suất tiêu tốn cho một hệ thống nhất định

2.2 Các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá quá trình khuấy

2.2.1 Mức độ khuấy

Mức độ khuấy là sự phân bố tương hỗ của hai hoặc nhiều chất sau khi khuấy cả

hệ Mức độ khuấy trộn chính là một loại chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả và cũng có thể

được sử dụng để đánh giá cường độ khuấy

2.2.2 Cường độ khuấy

Các đại lượng thường dùng để biểu thị cường độ khuấy:

 Số vòng quay n của cánh khuấy.

 Vận tốc vòng v của đầu cánh khuấy

 Chuẩn số Reynolds (Re) đặc trưng cho quá trình khuấy

2

n.d

Re =

υTrong đó: d – đường kính cánh khuấy, υ – độ nhớt động học của môi trường

của môi trường khuấy trộn, kg/m3

Bốn chỉ tiêu trên không phải là chỉ tiêu vạn năng mà ứng dụng chỉ tiêu nào là tủy

trường hợp cụ thể Nhưng chỉ tiêu thể hiện đúng đắn nhất cho cường độ khuấy trộn

chính là mức độ khuấy trộn trong đơn vị thời gian Người ta đã và đang nghiên cứu

để tìm cách xác định hàm biểu diễn nó, nhưng tới nay kết quả chưa nhiều

2.2.3 Hiệu quả khuấy trộn

Hiệu quả khuấy trộn được xác định bằng lượng năng lượng tiêu hao để đạt được

hiệu ứng công nghệ cần thiết Như vậy thiết bị khuấy trộn làm việc có hiệu quả lơn

hơn nếu nó đạt được yêu cầu công nghệ đã đề ra với hao phí năng lượng ít hơn

Hiệu quả khuấy trộn là chỉ tiêu cơ bản để đánh giá sự làm việc và tính hoàn thiện

của thiết bị khuấy trộn, đồng thời là chỉ tiêu chủ yếu dùng khi chọn trạng thái làm

việc tối ưu và kích thước tối ưu của thiết bị khuấy trộn

Tuy nhiên để tính toán hiệu quả khuấy trộn, cần phải biết phương trình xác định

công suất chi phí cho khuấy trộn, cho cấp nhiệt và cho chuyển khối ở trong các loại

thiết bị khuấy trộn Vấn đề này được giải quyết chủ yếu thông qua việc thiết lập các

mô hình vật lý hoặc mô hình toán học mô tả các quan hệ đặc trưng cho các quá trình

đã nêu trên

2.3 Cơ cấu khuấy

2.3.1 Cách lựa chọn cơ cấu khuấy

Cho tới nay chưa có một tiêu chuẩn vạn năng để lựa chọn cơ cấu khuấy tương

ứng cho quá trình đã biết Cho nên khi lựa chọn cơ cấu khuấy cần phải lưu ý tới các

kinh nghiệm thu lượm được ở các hệ thống công nghiệp cũng như ở thiết bị thí

nghiệm Cách lựa chọn này rõ ràng không phải tối ưu và thường không loại trừ được

các yếu tố chủ quan do tập quán dẫn đến làm phức tạp công nghệ hiện hành Các

tham số vật lý của chất lỏng mà trước hết là độ nhớt đóng vai trò quan trọng khi lựa

chọn cơ cấu khuấy Nói chung thường dùng cơ cấu khuấy vận tốc cao để khuấy trộn

chất lỏng có độ nhớt thấp và ngược lại

Đồ thị ở hình 2.1a giới thiệu vùng sử dụng của các kiểu cơ cấu khuấy đối với chất

lỏng có độ nhớt khác nhau:

Mỏ neo Chân vịt Turbin cánh phẳng Bản Khung Vít tải Băng

Từ đó thấy rằng cơ cấu khuấy chân vịt và turbin có vùng sử dụng rất rộng rãi và

chúng thích hợp để khuấy trộn các chất lỏng có khoảng độ nhớt rộng Các cơ cấu

khuấy còn lại có phạm vi sử dụng hẹp Từ đồ thị dễ dàng xác định được rằng để

khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt rất cao tốt nhất là dùng cơ cấu khuấy vít tải và

băng

Hình 2.1

Đồ thị hình 2.1b dùng để lựa chọn cơ cấu khuấy theo độ nhớt và theo thể tích

khuấy Các đường cong tương ứng là giới hạn trên phạm vi sử dụng của các loại cơ

cấu khuấy tương ứng

Việc lựa chọn cơ cấu khuấy phải căn cứ vào mục đích công nghệ, nghĩa là cần

chú ý đến quá trình thực hiện trong thiết bị khuấy và tính chất công nghệ của môi

trường được khuấy Ở bảng 2.1 giới thiệu sơ bộ các phạm vi sử dụng công nghệ của

các loại cơ cấu khuấy

Bảng 2.1

khuấy

Thể tíchkhuấy

V (m3)

Độ nhớtchất lỏng

μ (Pa.s)

Vận tốcvòng thíchhợp của đầucánh

sơ bộ; huyền phùhóa với nồng độ tới90%; khuấy đảo cáccặn bẩn; hòa tanchậm các vật liệutinh thể, vô địnhhình, dạng sợi; sanbằng nhiệt độ chấtlỏng; khuấy để kếttinh

-0,05 2,6 – 0,5

Hòa tan chất lỏng có

độ nhớt nhỏ; hòa tancác tinh thể, huyềnphù hóa, tăng cườngquá trình trao đổinhiệt

2.3.2 Cơ cấu khuấy bản (mái chèo) và tấm

Cơ cấu khuấy bản là cơ cấu khuấy chậm và có hai cánh hoặc bốn cánh Tỷ số

chiều dài cánh với đường kính thùng lớn hơn ở cơ cấu khuấy turbin (Hình 2.2a)

Đường kính cánh khuấy d = (0,5÷0,8)D và chiều cao cánh khuấy b = (0,1÷0,4)d

Khoảng cách từ cơ cấu khuấy tới đáy thùng h = (0,1-0,3)d, chiều cao lỏng trong

thùng H = (0,7-1,3)D Nếu khuấy trộn trong thiết bị cao thì một trục có thể lắp vài

cơ cấu khuấy Vận tốc vòng đầu cánh của cơ cấu khuấy bản trong khoảng 1,5-4 m/s

Cơ cấu khuấy bản là loại thiết bị khuấy trộn cổ nhất trong công nghiệp hóa học

Song chúng vẫn được sử dụng tới ngày nay trong những trường hợp không cần thiết

luân chuyển chất lỏng hướng trục – kính mãnh liệt trong thiết bị Cơ cấu kiểu này

tạo luân chuyển lỏng vòng quanh chu vi, còn sự luân chuyển trục – kính không đáng

kể Ưu điểm chủ yếu của cơ cấu khuấy bản là đơn giản, dễ chế tạo nên giá thành

thấp Nhược điểm là cường độ khuấy trộn kém, hiệu quả khuấy trộn thấp và không

thể dùng để khuấy các chất lỏng dễ phân lớp

Cơ cấu khuấy cánh nghiêng (Hình 2.2b) được dùng cho các chất lỏng khó khuấy

trộn cũng như để tạo huyền phù hay nhũ tương Góc nghiêng so với phương trục

quay thường là 45o Có thể gắn lên một trục hai hoặc ba cặp cơ cấu (Hình 2.2c) ở

dạng chữ thập, tạo nên sự khuấy trộn tốt trong toàn bộ thể tích chất lỏng Cơ cấu

khuấy bản có chiều cao bản b= (0,8-1,2)d là cơ cấu khuấy tấm Đường kính của nó

thường lấy bằng 0,5D Vận tốc đầu cánh khuấy không vượt quá 2,5 m/s Cơ cấu

khuấy này được sử dụng trong quá trình hòa tan và trao đổi nhiệt Đôi khi ở các

cánh có đục lỗ để tăng độ chảy rối của chất lỏng (Hình 2.2d) Trong trường hợp

khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt cao, trên thân thiết bị có lắp tấm chắn hướng kính

(Hình 2.2đ) để ngăn cản tạo xoáy, làm tăng chảy rối và thực hiện khuấy trộn trong

toàn thể tích Cần chú ý rằng việc sử dụng cơ cấu khuấy với cánh khuấy rất dài là

không hợp lý, vì khi răng đường kính cánh khuấy làm tăng vọt công suất yêu cầu

Cho nên trong thùng đường kính lớn người ta đặt hai hoặc nhiều hơn cơ cấu khuấy

có đường kính nhỏ

Hình 2.2 2.4 Phân tích thứ nguyên

Công suất khuấy P phụ thuộc vào:

 Vận tốc cánh khuấy N, v/s

 Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt , khối lượng riêng 

 Độ cao của chất lỏng trong bình chứa H, m

: chuẩn số cơng suất, cĩ ý nghĩa của một thừa số ma sát.

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

) khác học hình thước kích

các , , , , , , , (N d D H Z

Z D

d g

d N N d f d

3d N

Re1 Re2

Re 3

Re 4 Fr4

Fr 3

Fr 2

Fr 1

N P

: chuẩn số Froude, tỉ số giữa lực ly tâm và lực trọng trường, đặctrưng 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:

(3)

2.5 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 Việc xác định chuẩn số công suất

NP bằng giải tích cho đến nay vẫn còn rất khó khăn Vì thế, người ta dùng thực

nghiệm để xây dựng quan hệ giữa ba chuẩn số nói trên Thông thường, người ta tìm

cách cố định một trong hai thông số (giả sử là Re) ở một giá trị Re1 nào đó, làm thí

nghiệm với các giá trị Fr1, Fr2, … để được các NP tương ứng Sau đó sẽ thay đổi Re

đến các Re2, Re3, … và lặp lại quy trình Dễ thấy rằng ta sẽ có được một mặt phẳng

trong hệ tọa độ Re-Fr-NP để mô tả phương trình (3)

g

d N

Z

D

d

, ,

) (Re,

f

N P 

5

N N

P P

Hình 2.4: Re – Fr - N P

Từ giản đồ ba chiều người ta sẽ chuyển về hai chiều để có thể sử dụng Tuy nhiên,

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

Đồ thị mô tả quan hệ đó gọi là giản đồ chuẩn số công suất khuấy Sinh viên có thể

tìm hiểu một số giản đồ đã được xây dựng trong các tài liệu tham khảo Hai giản đồ

dưới đây được trích lại từ tài liệu [1]

2.6 Tiên đoán công suất cho các hệ thống thực (Nguyên tắc khuếch đại đồng

dạng)

Khi cần thiết kế một hệ thống khuấy trộn trong công nghiệp, người ta tạo một mô

hình mẫu nhỏ rồi tiến hành thực nghiệm để 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 Áp dụng

giản đồ này, ta có thể tiên đoán công suất khuấy trộn thực cần thiết

- Bồn chứa: + Dung tích: V=20 lít

+ Vật liệu: inox SUS 304

- Motor: + Công suất: N=3/4 HP

+ Số vòng quay nmax= 1.000 rpm

- Cảm biến vòng quay: + Tín hiệu truyền: xung

+ Vật liệu: inox (hoặc nhựa chịu hóa chất)

- Tủ điện điều khiển: + Kích thước: H400 x W600 x D300

+ Vật liệu vỏ: inox SUS 304+ Vật liệu mặt: inox SUS 304 + thủy tinh hữu cơ+ Hiển thị số vòng quay: 1 đồng hồ chỉ thị số+ Hiển thị công suất: 1 đồng hồ hiển thị số+ Điều khiển: điều chỉnh số vòng quay+ Bảo vệ: quá tải

+ Cảnh báo sự cố: ánh sáng + âm thanh+ Tiến hành thí nghiệm trực tiếp trên mặt sơ đồ côngnghệ

4.1.1 Công suất khuấy

- Đọc trên đồng hồ POWER Nhấn nút P trên đồng hồ 1 lần và bắt đầu đọc.

- Bắt đầu đo công suất hoạt động P với vận tốc ban đầu của cánh khuấy là 10 rpm,

mỗi lần tăng 5rpm

- Ứng với mỗi tốc độ quay N của cánh khuấy, ghi nhận 20 lần giá trị công suất P và

lấy giá trị trung bình để tính toán

i

- Lưu ý ở góc dưới bên trái của đồng hồ POWER, mỗi khi ký hiệu xuất hiện

thì ghi nhận giá trị công suất 1 lần, lặp lại liên tục 20 lần

4.1.2 Vận tốc khuấy N

Đọc trên đồng hồ RETURN theo đơn vị vòng/phút (rpm).

4.2 Nội dung thí nghiệm

- Cho motor hoạt động không tải, cũng bắt đầu đo công suất hoạt động không tải Po

với vận tốc ban đầu của cánh khuấy là 10 rpm, mỗi lần tăng 5rpm

Thí nghiệm được thực hiện với 2 chất lỏng là nhớt và dầu Đối với nhớt tiến hành

lần lượt với cả ba cánh khuấy Ứng với mỗi cánh khuấy phải đo hai chế độ: có và

không có tấm chặn Vận tốc khuấy thay đổi từ 10 đến 95 vòng/phút

Nội dung trên có thể thay đổi theo yêu cầu của giáo viên hướng dẫn

Chú ý:

 Chiều cao mực chất lỏng trong bồn khuấy luôn được giữ ở mức H = 200

mm

 Khi tiến hành thay đổi cánh khuấy phải tháo trục khuấy ra ngoài rồi mới

thay cánh khuấy khác, xiết ốc lục giác để giữ trục khuấy và cánh khuấy

vừa chặt tay, không cố gắng dùng lực xiết quá chặt

 Mỗi khi tăng tốc độ vòng quay n phải đợi 20-30 giây để hệ thống ổn định

mới bắt đầu lấy số liệu công suất khuấy

5 PHÚC TRÌNH

5.1 Kết quả

Chiều cao cột dầu nhờn: 20 cm

Đường kính bể chứa dầu nhờn: 36 cm

N (rpm)

4 cánh 2 cánh lớn 2 cánh nhỏ 4 cánh Có bản Không bản Có bản Không bản Có bản Không bản lề Không nhớt

lề lề lề lề lề

3d N

Nhớt ở 300C:

μ=0.09089( Pa s )

ρ=852.15( Kg

m3)

f(x) = 3882834512.86 x^-2.7Giản đồ chuẩn số công suất khuấy

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy

Giản đồ chuẩn số công suất khuấy

Giả sử có chúng ta sắp xây dựng một bồn chứa nhớt có thể tích 50m3 Bồn đồng

dạng hình học với bình thí nghiệm khuấy nhớt trong bài này (tùy chọn loại cánh

khuấy, có tấm chắn hay thành trơn) Chọn 5 giá trị vận tốc bất kỳ, hãy tiên đoán

công suất để khuấy bồn nhớt trên ứng với các vận tốc đó Sau đó vẽ đồ thị biểu diễn

công suất theo vận tốc khuấy

Hình 7 Đồ thị dự đoán công suất khuấy cho bồn 50 m 3

5.2.2 Xây dựng giản đồ công suất khuấy theo tốc độ quay cho các trường hợp thí

nghiệm: ΔP=f(N), trong đó N được đo bằng đơn vị 1/s, từ đó xác định bằng giản đồ

chuẩn số công suất khuấy NP

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

N (1/s)

Trường hợp 6 2 cánh nhỏ không có bản lề (d = 18 cm)

5.3 Bàn luận

1) Nhận xét sự ảnh hưởng của tấm chặn đến công suất khuấy

Tấm chắn có tác dụng làm tăng cường độ khuấy trong bể vì nó tạo trở lực

cho dòng chảy, do đó ta thấy công suất khuấy trong trường hợp có tấm chắn

lớn hơn công suất khuấy trong trường hợp không có tấm chắn ở cùng vận

tốc

2) Nhận xét sự tiêu thụ năng lượng của từng loại cánh khuấy

Với cùng một 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 đó càng lớn Lực cản này biểu diễn bởi phương trình Newton:

P = µ.A.(dv/dy)

Trong đó: P là lực cản (N)

µ là độ nhớt động lực học ( N.s/m2)

A là tiết diện vuông góc với vận tốc chảy

dv/dy là gradient vận tốc lưu chất theo phương vuông góc dòng chảy

Dựa vào công thức trên ta thấy với cùng một cánh khuấy và cùng điều kiện

về các thông số khác, đường kính cánh khuấy càng lớn thì năng lượng tiêu

thụ càng lớn - Chính vì vậy, theo lý thuyết, công suất khuấy sẽ giảm dần

theo thứ tự : bản lớn 4 cánh > bản lớn 2 cánh > bản nhỏ 2 cánh Tuy nhiên ở

vận tốc như bài thí nghiệm thì sự chênh lệch trở lực rất ít và hầu như không

có giữa các loại cánh khuấy - Đối với cùng 1 loại cánh khuấy, sự chênh lệch

công suất tiêu tốn giữa 2 trường hợp khuấy có tải và không tải rất nhỏ và

tăng lên theo vận tốc khuấy, bởi vì khi vận tốc khuấy nhỏ, đồng nghĩa với

việc tốc độ của dòng lưu chất nhỏ, sự tiếp xúc giữacác phần tử trong dòng

lưu chất với các cơ cấu trong bình ít dẫn đến ma sát để thắng các phần tử

tĩnh ít hơn, sự chênh lệch sẽ không đáng kể Trường hợp vận tốc lớn,các

phần tử chuyển động nhanh hơn, sự tiếp xúc nhiều hơn nên sự chênh lệch

giữa 2 chế độ tải ta bắt buộc phải xét đến

3) Tại sao lại chọn khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu

lớn hơn khuấy nhớt

Vì độ nhớt của dầu nhỏ hơn độ nhớt của nhớt nên lực ma sát do dầu tạo ra

cũng sẽ nhỏ hơn của nhớt Vì vậy để dễ dàng quan sát sự thay đổi của công

suất ta sẽ chọn khoảng cách giữa các vận tốc trong trường hợp khuấy dầu lớn

hơn khuấy nhớt

4) Trong trường hợp nào thì có xoáy phễu? Theo bạn nó có lợi hay không Có

những phương pháp nào để làm mất xoáy phễu? Bề mặt của xoáy có dạng

lõm xuống hay lồi lên? Tại sao?

Nguyên nhân