I Khuaáy chaát loûng I Trích yeáu 1 Muïc ñích, noäi dung thí nghieäm Khaûo saùt giaûn ñoà chuaån soá coâng suaát khuaáy vôùi heä thoáng coù hình daïng khaùc nhau Thí nghieäm ñöôïc thöïc hieän vôùi hai[.]
Khuấy chất lỏng I Trích yếu Mục đích, nội dung thí nghiệm - Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy với hệ thống có hình dạng khác - Thí nghiệm thực với hai chất lỏng nhớt dầu Đối với nhớt tiến hành với cánh khuấy, với dầu dùng cánh khuấy CT2 Ứng với cánh khuấy phải đo chế độ : có chặn Vận tốc khuấy thay đổi từ 100 đến 1100 vòng/phút Với nhớt chọn vận tốc 200, 400, 600, 800, 1000 Với dầu chọn 50, 400, 700, 900 1100 Cách tiến hành - Sử dụng động để điều chỉnh vận tốc quay cánh khuấy, cánh khuấy quay lực máy nén sát truyền lên cánh khuấy làm cho động quay ổ bi - Ta gắn lò xo lực kế vào động để hãm lại, đọc số lực kế Số đo độ lớn lực ma sát F chất lỏng cánh khuấy - Vận tốc khuấy N đọc vận tốc kế theo đơn vị vòng/phút (rpm) Kết - Công sinh điểm đặt lò xo chuyển động tương đối khoảng ds dA = Fds Khi chuyển động trọn vòng : Với r khoảng cách từ vị trí gắn lò xo đến trục động Trong hệ thống thí nghiệm này, r = inch với thời gian động quay hết vòng Như : P = 2FrN - 1- Khuấy chất lỏng - Xây dựng đồ thị giản đồ công suất khuấy cho trường hợp thí nghiệm - Xây dựng mô hình thực bồn chứa nhớt tích 50 m3 đồng dạng hình học với bình thí nghiệm khuấy nhớt Cơ sở lí thuyết II Khái niệm : Khuấy chất lỏng cung cấp lượng để tạo dòng chảy thích hợp thiết bị Khuấy trộn môi trường lỏng thường ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp hoá chất, thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để làm tăng cường trình truyền nhiệt, truyền khối phản ứng hoá học ….Người ta khuấy trộn chất lỏng khí, khí nén (sục khí) tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng Phạm vi ứng dụng số loại cánh khuấy (khuấy trộn khí) - Cánh khuấy mái chèo : Để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt nhỏ, thường dùng để hoà tan chất rắn có khối lượng riêng không lớn - Cánh khuấy chân vịt : Để điều chế huyền phù, nhũ tương Loại cánh khuấy dùng không thích hợp chất lỏng có độ nhớt cao khuấy trộn hỗn hợp, khối lượng riêng pha rắn lớn - Cánh khuấy turbine : Để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao ( = 5.105 cP), để điều chế huyền phù mịn, để hoà tan nhanh chất rắn để khuấy trộn chấtlỏng lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 80% - Cánh khuấy đặc biệt : Dùng trường hợp dùng cánh khuấy Loại dùng để khuấy bùn nhão chất lỏng có độ nhớt cao Đồng dạng Khi cần thiết kế hệ thống khuấy trộn công nghiệp, người ta tạo mô hình mẫu nhỏ tiến hành thực nghiệm để xây dựng giản đồ công suất khuấy cho mô hình mẫu Mô hình mẫu phải đồng dạng với mô hình thực tế tức - 2- Khuấy chất lỏng Đồng dạng hình học Đồng dạng động học Đồng dạng động lực học Vì đồng dạng mà mô hình lớn dùng chung giản đồ với mô hình mẫu p dụng giản đồ ta tiên đoán công suất khuấy trộn thực cần thiết Các phương pháp xác định chuẩn số công suất khuấy bao gồm - Xác định chuẩn số công suất theo giải tích: Trường hợp tổng quát, chuẩn số công suất xác định theo công thức k : Hệ số trở lực cánh khuấy K1 : Hệ số không thứ nguyên, liên quan đến trường tốc độ biểu diễn K1 = f(1,2) - Xác định chuẩn số công suất theo đồ thị Dựa vào đồ thị chuẩn số công suất khuấy với Re loại thiết bị khuấy ta xác định K N biết Re - Xác định chuẩn số công suất khuấy theo phương trình chuẩn số Phân tích thứ nguyên Công suất khuấy P phụ thuộc vào Vận tốc cánh khuấy N, v/s Đặc tính chất lỏng: độ nhớt , khối lượng riêng Độ cao chất lỏng bình chứa H, m Đường kính cánh khuấy D cấu trúc bình khuấy (loại cánh khuấy, hình dáng bình chứa, số chặn,…) Như ta có quan hệ: P = f(N, d, , , D, H, Z, kích thước hình học khác) Phân tích thứ nguyên cho thấy : - 3- Khuấy chất lỏng Trong đó: : Chuẩn số công suất, có ý nghóa thừa số ma sát : Chuẩn số Reynold cánh khuấy, tỉ số lực li tâm lực ma sát Nó đặc trưng cho chế độ chảy lưu chất bình khuấy : Chuẩn số Froude, tỉ số lực li tâm lực trọng trường đặc trưng cho hình thành xoáy phễu : Các thừa số hình dạng hệ thống Giữa hệ thống thoả mãn điều kiện đồng dạng hình học, thừa số hình dạng Ta bỏ qua ảnh hưởng chúng Vì : NP = f* (Re, Fr) (3) Giản đồ công suất a Công thức để xác định công suất khuấy trôn: P = NPN3d5 Trong Np phụ thuộc vào hai chuẩn số Re Fr Việc xác định chuẩn số công suất khuấy Np giải tích gặp nhiều khó khăn Vì thế, người ta dùng thực nghiệm để xây dựng quan hệ ba chuẩn số nói Thông thường, người ta cố định hai thông số (giả sử Re) giá trị Re đó, làm thí nghiệm với giá trị Fr1, Fr2,… để Np tương ứng Sau thay đổi Re đến Re 2, Re3,… lặp lại quy trình Dễ thấy ta có mặt phẳng hệ toạ độ Re – Fr – Np để mô tả phương trình (3) b Dạng công thức đơn giản để xác định chuẩn số công suất khuấy NP = K’RebFrc - 4- Khuấy chất lỏng Trong giá trị K’, b c xác định thực nghiệm dựa vào loại cánh khuấy hình dạng bình chứa, chế độ chuyển động lưu chất Chuẩn số Fr thường quan trọng trường lõm xoáy xuất bỏ qua giá trị chuẩn số Re nhỏ 300 Khi NP = K’Reb Với giá trị Re < 10 b = -1 công thức xác định công suất P = K’ N2D3 Giá trị K’ phụ thuộc vào loại cánh khuấy, cách đặt bình khuấy Đối với giá trị cao Re Chuẩn số Fr góp phần ảnh hưởng đến giá trị Np Đồ thị mô tả quan hệ gọi giản đồ chuẩn số công suất khuấy III Thiết bị thí nghiệm - bình chứa dầu nhớt - cánh khuấy turbine CT2 (lớn), CT3 (nhỏ) cánh khuấy chân vịt CP2 - trục cánh khuấy - chặn - động ¼ mã lực thay đổi vận tốc từ đến 1200 vòng/phút (rpm) hộp số Động đặt ổ bi - lực kế lò xo có thang đo từ đến lbf.( lbf =4.45N) - vận tốc kế có thang đo hoạt động theo nguyên tắc điện từ (0 – 300 rpm, – 600 rpm, – 1200 rpm) Kết thí nghiệm IV Với lưu chất nhớt CT2 Nhớt - không chặn N(v/phut) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re Np 100 1.667 0.10 0.44 0.59 90.732 58.363 - 5- Ghi Khuấy chất lỏng 200 3.333 300 5.000 400 6.667 100 1.667 200 3.333 300 5.000 400 6.667 0.53 1.42 181.463 0.62 2.48 0.14 272.195 0.89 4.73 0.20 362.926 Nhớt - chặn 0.35 0.47 0.08 90.732 0.44 1.18 0.10 181.463 0.53 2.12 0.12 272.195 0.80 4.25 0.18 362.926 0.12 17.509 9.079 7.295 46.690 14.591 7.782 6.566 Np Ghi chuù Nhớt - khoâng chặn CT3 N(v/phut) N(v/s) F(lbf) 100 1.667 0.08 200 3.333 0.10 300 5.000 0.12 400 6.667 0.14 100 1.667 0.10 200 3.333 0.12 300 5.000 0.14 400 6.667 0.20 CP2 F(N) P(W) Re 0.35 0.47 63.008 116.180 0.44 1.18 126.016 36.306 0.53 2.12 189.024 19.363 0.62 3.31 252.032 12.707 3 Nhớt - chặn 0.44 0.59 63.008 145.225 0.53 1.42 126.016 43.567 0.62 2.48 189.024 22.591 0.89 4.73 252.032 18.153 Nhớt - khoâng chặn N(v/phut) N(v/s) F(lbf) 100 1.667 0.10 200 3.333 0.12 F(N) P(W) 0.44 0.53 0.59 1.42 - 6- Re Np Ghi chuù 90.732 58.363 181.463 17.509 Khuấy chất lỏng 300 5.000 400 6.667 100 1.667 200 3.333 300 5.000 400 6.667 0.62 2.48 272.195 0.80 4.25 0.18 362.926 Nhớt - chặn 0.53 0.71 0.12 90.732 0.62 1.65 0.14 181.463 0.71 2.83 0.16 272.195 0.80 4.25 0.18 362.926 0.14 9.079 6.566 70.035 20.427 10.376 6.566 Với lưu chất dầu Dầu - không chặn CT2 N(v/phut) N(v/s) F(lbf) 50 0.833 0.10 150 2.500 250 4.167 350 5.833 50 0.833 150 2.500 250 4.167 350 5.833 F(N) P(W) Re Np 0.44 0.29 75.768 245.069 0.53 1.06 0.12 227.304 32.676 0.62 2.07 0.14 378.840 13.724 0.71 3.31 0.16 530.376 8.002 Daàu - chặn 0.44 0.29 0.10 75.768 245.069 0.62 1.24 0.14 227.304 38.122 0.71 2.36 0.16 378.840 15.684 0.80 3.72 0.18 530.376 9.003 - 7- Ghi chuù Khuấy chất lỏng Đồ thị V Với lưu chất nhớt - 8- Khuấy chất lỏng Với lưu chất dầu - 9- Khuấy chất lỏng VI Tiên đoán công suất cho hệ thống bồn chứa nhớt tích 50 m3, đồng dạng với bình khuấy nhớt sử dụng cánh khuấy CT3, bồn chặn Bể khuấy sử dụng cánh khuấy CT3 có đặc điểm sau - Đường kính bể DTN = 0.25 m - Chiều cao mực chất lỏng HTN = 0,284 m - Đường kính cánh khuấy dTN = 0.0635 m Thiết kế bể chứa tích VTT = 50 m3 Ta có : Suy : - 10- Khuấy chất lỏng Ngoài : = Vaäy DTT = 3,83 m, HTT = 4,35 m, dTT = 0.97 m Ta tính Re’ theo công thức với dTT N’ ( giá trị cho trước), sử dụng giản đồ chuẩn số công suất “Nhot CT3” tra giá trị N’P, dùng công thức tính P’ Kết tính toán xác định công xuất khuấy chọn giá trị vận tốc quay cánh khuấy: Chế độ Cánh khuấy N' (vòng/s) Re' 0.01 88.610 124.05 0.014 Khoân 159.49 g CT3 0.018 194.94 chaën 0.022 230.38 0.026 biểu diễn công suất theo vận tốc khuấy - 11- N'p P' (W) 83.725 0.062 38.794 0.079 27.303 0.118 18.738 0.148 14.994 0.195 Đo thị Khuấy chất lỏng VII Bàn luận a Xoáy phễu diễn vận tốc cánh khuấy lớn, làm cho bề mặt chất lỏng luôn lõm xuống gọi lõm xoáy Parabol, giá trị chuẩn số Fr ảnh hưỏng nhiều đến chuẩn số công suất - Quá trình khuấy người ta thường thấy xuất nhiều chỗ xoáy lớn bề mặt chuyển động tròn chất lỏng bị hạn chế lượng nhiều tạo bọt khuấy Lõm xoáy Parabol hình thành tồn làm giảm lực khuấy trộn, có tác dụng ngược lại làm xuất khả phân li (tác dụng lực li tâm) Thực tế người ta thấy dòng chuyển động theo phương chiều trục thích hợp cho trình hoà tan chất rắn dòng chuyển động theo phương bán kính thích hợp cho trình trộn khí với lỏng lỏng với Để tránh khả tạo thành lõm Parabol người ta thường dùng cách ghép chắn bình khuấy, người ta đặt lệch tâm cánh khuấy vào bể khuấy, lắp vòng cản… b Chọn khoảng cánh vận tốc trường hợp khuấy dầu lớn khuấy nhớt - Độ nhớt dầu nhỏ so với độ nhớt nhớt, lực cản nhớt lớn Ngoài khoảng biến thiên công suất khuấy nhớt nhỏ so với dầu khoảng biến thiên vận tốc cần nhỏ để khảo sát xác phụ thuộc chẩn số công suất khuấy vào tốc độ khuấy Đối với khuấy nhớt độ nhớt thấp khoảng biến thiên công suất khuấy lớn phải khảo sát khoảng rộng c nh hưởng chặn theo lí thuyết nhằm làm giảm suất lõm xoáy parabol nhiên thí nghiệm lõm xoáy xuất không đáng kể - Công công cần để thắng lực quán tính lực ma sát, độ nhớt lớn công lớn dẫn đến công suất lớn Ngoài chặn góp phần vào việc làm cho dòng chảy hỗn loạn trở lực tăng dẫn đến công suất tăng, - 12- Khuấy chất lỏng điều thể đồ thị qua chuẩn số công suất khuấy d Trong đồ thị biểu diễn phụ thuộc chuẩn số công suất khuấy Np vào Re thí nghiêm với lưu chất nhớt ta nhận thấy ứng với giá trị Re, Np cánh khuấy CT2 lớn nhỏ cánh khuấy chân vịt hay Cp2 Như cánh khuấy CT2 có công suất lớn tiêu thụ lượng nhiều e Trong thí nghiệm ta dựa vào đồng dạng hình học để xác định mô hình thực nghiệm nhiên việc xác định gặp phải nhiều sai số mức độ phóng đại lớn dẫn đến sai số nhân lên thành số không nhỏ Thực tế đồng dạng hoàn toàn có tất chuẩn số vô thứ nguyên có liên quan mô hình thiết bị thực tế phải Trong thực tế, tùy thuộc vào chế độ động lực học vượt trội mô hình thiết bị thực tế mà người ta sử dụng chuẩn số đặc trưng tương ứng mà Biện pháp lập mô hình có lợi mặt kinh tế ban đầu nhiên sai sót khó chấp nhận Như phương pháp khuếch đại đồng dạng đáng tin cậy khoảng biến đối không lớn kích thước phải có yếu tố hình học hoàn toàn tương hợp VIII Các công thức sử dụng Công thức để xác định công suất khuấy trôn: P = NPN3d5 P = 2FrN Công thức xác định kích thước mô hình thực tế - 13- Khuấy chất lỏng Chuẩn số Reynold Công thức để xác định công suất khuấy trôn: P = NPN3d5 IX Tài liệu tham khảo [1] ‘Sổ tay trình thiết bị công nghệ hoá họctập 2’; Nhà xuất khoa học kó thuật [2] Coulson and Richardson,‘Chemical Engineering’, Vol 1, Butterworth and Heinemann, 1999 [3] ‘Thí nghiệm Quá Trính Thiết Bị’- trường Đại học Bách Khoa Tp HCM [4] ‘Các trình thiết bị học Q1 – Khuấy, lắng, lọc’, Nguyễn Văn Lụa, NXB Đại học Quốc gia TP HCM [5] ‘Ví Dụ & Bài Tập’ Tập 10, trường Đại học Bách Khoa Tp HCM - 14-