KHUẤY - TRỘN CHẤT LỎNG doc

Khuấy trộn chất lỏng là một là một phương pháp quan trong và cần thiết được ứng dụng rộng rãi trong các ngàng công nghiệp hóa chất và thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để

Khái niệm,cấu tạo vànguyên lý hoạt động

Bài tập 3Nguyễn Thị Thanh

Huyền

Khái niệm,cấu tạo vànguyên lý hoạt động

Bài tập 4Kiều Thị Huyền Các thông số đặc trưng của

hệ khuấyBài tập 2Trần huỳnh Hoa Ưu diểm và nhược điểm

Bài tập 1

MỞ ĐẤU

Trong lĩnh vực sản xuất hóa chất và chế biến thực phẩm

thường phải sử lý các nguyên liệu, các bán thành phẩm và các sản phẩm dưới dạng vật liệu rời, vật liệu khí (hơi) hoặc hỗn hợp của các dạng nói trên

Khuấy trộn chất lỏng là một là một phương pháp quan trong

và cần thiết được ứng dụng rộng rãi trong các ngàng công

nghiệp hóa chất và thực phẩm để tạo dung dịch huyền phù, nhũ tương, để tăng cường quá trình hòa tan, truyền nhiệt, chuyển khối và quá trình hóa học

Trong bài tiểu luận này nhóm sẽ trình bày về khuấy trộn chấtlỏng bằng cơ khí Nghĩa là quá trình khuấy trộn được thực hiện nhờ cánh khuấy,thùng khuấy Trong bể khuấy quá trình được tiến hành đồng thời hoặc liên tiếp với thờ gian ngắn và dòng không dài

Trong bài còn nhiều thiếu sót mong nhân được sự góp ý của thầy

Chân thànhcảm ơn !

I KHÁI NIỆM

Khuấy trộn là một quá trình cơ học được dùng rất nhiều trongcác quá trình sản xuất thực phẩm nhằm tăng cường các quá trìnhtruyền nhiệt hoặc để thu được một hỗn hợp đồng nhất từ nhiều cấu

tử trộn lại Ngoài ra khuấy trộn còn được dùng nhiều để làm tannhanh chất rắn trong lỏng hoặc tăng cường các phản ứng hóa họctrong hỗn hợp

Khuấy trộn là một hoạt động quan trọng trong nhiều giaiđoạn khác nhau của quá trình xử lí nước thải nhằm:

(1) Trộn lẫn hoàn toàn chất này với chất khác

(2) Khuấy trộn duy trì các chất rắn lơ lửng ở trạng thái lơlửng

(3) Khuấy trộn các giọt chất lỏng ở trạng thái lơ lửng

(4) Trộn lẫn các chất lỏng

(5) Tạo bông cặn

(6) Trao đổi nhiệt

Quá trình khuấy trộn còn tạo được hiệu quả phụ đó là việccung cấp thêm oxy hòa tan cho quá trình phân hủy sinh học hiếukhí

Khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí có nghĩa quá trình khuấytrộn được thực hiện nhờ cánh khuấy, thùng khuấy Đặc trưng quátrình khuấy trộn là cường độ khuấy và năng lượng tiêu hao Đểđánh giá một quá trình khuấy trộn thường dựa vào các yếu tố sau:

- Loại cánh khuấy

- Thời gian khuấy trộn.

- Công suất khuấy

- Số vòng quay của cánh khuấy

- Độ lớn của bề mặt truyền nhiệt

Một số loại cánh khuấy thường dùng

 Cánh khuấy mái chèo: Để khuấy trộn chất lỏng có độnhớt nhỏ Thường dùng để hòa tan chất rắn có khốilượng riêng không lớn lắm

 Cánh khuấy chân vịt (chong chóng): Dùng để điềuchế dung dịch huyền phù , nhũ tương Không thểdung cánh khuấy chân vịt để khuấy chất lỏng có độnhớt cao hoặc khuấy chất lỏng trong đó có các hạtrắn có khối lượng riêng lớn

 Cánh khuấy tua bin: Dùng để khuấy chất lỏng có độnhớt cao đến 5.105cp, để điều chế huyền phù mịn, đểhòa tan chất rắn nhanh hoặc để khuấy động các hạtrắn đã lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 60%

 Cánh khuấy đặc biệt: Dùng trong trường hợp khôngthể dung được cánh khuấy mái chèo, chân vịt, tuabin Thường dung để khuấy bùn nhão hoặc khuấychất lỏng có độ nhớt rất cao

hình ảnh của các loại cánh khuấy

Cánh khuấy mái chèo

Cánh khuấy mái chèo, cánh khuấy chân vịt(chong chóng)

Cánh khuấy mái chèo

Cánh khuấy chong chóng,chân vịt

Cánh khuấy turbin

Cánh khuấy đặc biệt

II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG THIẾT BỊ KHUẤY

1 Cấu tạo:

Một cách tổng quát, thiết bị

khuấy gồm các bộ phận chủ

yếu sau: thùng khuấy 1 hình

trụ với đáy tròn hoặc nón phía

trên đậy nắp 3 ghép với than

bằng bích 2 (H3.1) Theo

đường tâm của thùng lắp trục

khuấy 10 với cánh khuấy 11

trục khuấy xuyên qua nắp và

được bịt kín bằng hộp đệm 4

truyền chuyển động cho trục

khuấy từ động cơ 7 qua hộp

giảm tốc độ 6 để tạo tốc độ thích hợp cho cánh khuấy tháo và lắptrục khuấy thông qua khớp nối 5 Thùng khuấy được gắn tai đỡ 12,nhờ bulong lắp vào chân đỡ 13 Thực hiện nhập nguyên liệu quacác cửa 8 trên lắp thiết bị cần tháo sản phẩm qua đường 4 dưới đáytrên lắp và thân thiết bị có khi người ta bố trí cửa sửa chữa và cửaquan sát Trên thực tế thiết bị khuấy được tthiết kế và chế tạo rất đadạng về kiểu và hình dáng tùy thuộc vào mục đích sử dụng

Ví dụ: Trên (H3.2a) thiết bị khuấy dạng tháp, thiết bị loại này với

trục dài 3 được lắp nhiều tầng cách khuấy 4 trong cột tháp 1 được

bố trí nhiều tấm chặn 2 thành côn Các bề mặt cản 5, 6 tạo cường

độ khuấy mạnh hơn, đồng thời với các vòng chắn đồng tâm 7 Trên

bố trí nhiều tấm chặn 2 thành côn Các bề mặt cản 5, 6 tạo cường

độ khuấy mạnh hơn, đồng thời với các vòng chắn đồng tâm 7 Trên(H3.2b) là thiết bị khuấy trục thẳng đứng, bên trong có bố trí cácdàn ống truyền nhiệt Ở (H3.2c) là thiết bị khuấy nằm ngang vớicác cách khuấy 1,2,3,4 vừa khuấy vừa đóng vai trò của 1 bơm chấtlỏng.

Hình 3.3 Thiết bị khuấy dạng kín

Thiết bị khuấy có thể chế tạo dạng hở, tức là không có sự ngăncách với môi trường bên ngoài Trường hợp khi thiết bị làm việc ởđiều kiện nhiệt độ và áp suất khác khác với môi trường khí quyểnthì phải chế tạo dạng thiết bị kín , nghĩa là có sự ngăn cách với môi

trường bên ngoài Trên (H3.3) giới thiệu một dạng thiết bị khuấydạng kín: cách khuấy 1 đặc vào ống tuần hoàn trung tâm 2, nhởtrục khuấy 3 trục khuấy tựa trên ở đở 4, 8 mang rô to 11 của động

cơ điện , còn cuộn dây stato 6 ngăn bên ngoài cùng với stato 7 Stato và roto của động cơ được bảo vệ cách điện 5

bôi trơn hệ thống bằng nhớt đưa qua lổ 9, còn ống dẩn 10 dùng đểnạp khí trơ vào thiết bị

Trục khuấy lắp vào thiết bị có thể bố trí đứng hoặc nghiêng 1 gócnhư trên (H3.4)

Do nhu cầu của qua trình công nghệ, trong thiết bị khuấy có thể bốtrí các bộ phận khác nhau như : ống dẫn khí, đo nhiệt độ, áp suất,

hình 3.4 sơ đồi nguyên tắc lắp trục khuấy

ống ngưng tụ hoàn lưu, giàn ống truyền nhiệt v.v … ví dụ: trên(H3.5) giới thiệu cách bố trí dàn ống truyền nhiệt:

Hình 3.5: sơ đồ bố trí giàn ống

H 3.5a :bố trí các vòng xoắn đối xứng

H3.5c :bố trí nhiều vòng xoắn đồng tâm

Truyền động cho trục khuấy có thể thực hiện bằng nhiều cơ cấu khác nhau Mục đích của bộ chuyển động nhằm tạo cho trục quay với một tốc độ mong muốn, đồng thời để cấp đủ năng lượng để

hoàn thành chức năng công nghệ đả cho Trên (H 3.6a) động cơ 1

và hộp giảm tốc đươc chế tạo chung

Trục khuấy 4 TỰa trên vòng bi 6,8 3,10 và liên hệ với hộp giảm tốc bởi khớp banh răng 2 giử lực chiều trục bằng ổ chặn 9, còn hợp đệm bít kín trúc khuấy nhờ các vòng đệm 7

(a) (b)

hình 3.6 cấu tạo bộ truyền động

Một kiểu truyền động khác thể hiện trên (H3.6b) động cơ 4 qua hộp giảm tốc với cấp giam tốc độ sâu đầu tiên 3 và cấp giảm thứ 7,đưa chuyển động đến trục 2 nhờ khớp nối liên hệ với trục khuấy 1 các ổ đở 5,8 giữ vai trò định tâm cho trục , rắp ráp bộ truyền trên

chân đế 6 ngoài ra,có thể truyền động cho trục khuấy bằng truyền đai thang, hoặc truyền xích.

2 Các dạng cánh khuấy

Khuấy là quá trình tạo sự chuyển động của khối chất lỏng trongthiết bị nhờ vào cánh khuấy Về kết cấu cánh khuấy có nhiều dạng,nhiều kiểu khác nhau Tuy nhiên theo quan điểm về tốc độ quayngười ta chia các cánh khuấy thanh 2 nhánh chính:

Nhóm cánh khuấy tốc độ nhanh

Nhóm cánh khuấy tốc độ chậm

Sự phân chia này mang tính tương đối, bởi vì nhiều loại cánhkhuấy có thể dùng ở tốc độ nhanh hoặc chậm vi dụ như cánhkhuấy mái chèo, cánh khuấy vít xoắn Khái niệm về cánh khuấytốc độ chậm là ở chỗ khi khuấy môi trường độ nhớt lớn, ưu việthơn là sử dụng tốc độ chậm, chứ bản chất cấu tạo cánh khuấykhông hề thể hiện tính nhanh hay chậm

- Nhóm cánh khuấy tốc độ nhanh gồm: bản 2 cánh( mái chéo);bản 6 cánh; cánh khuấy lồng ; bản 3 cánh ; chân vịt ( chongchóng); tua bin kín; tua bin hở; cánh khuấy vít…

- Nhóm cánh khuấy tốc độ chậm gồm: mỏ neo ; cánh khuấy

khùg ; cánh khuấy vít ; cánh khuấy băng và cánh khuấy băng có cào

Về kết cấu ,cánh khuấy có 2 bộ phận chính : moay –ơ ;giữa có lỗ

và rảnh then để lắp vào trục ,các cánh dính vào moay- ơ

Mỗi loại cánh khuấy khi làm việc tạo dòng chuyển động chochất lỏng quanh cánh khuấy theo phương tiếp tuyến, phương bánkính hoặc phương trục.

Dòng hướng trục làm tăng tác dụng của cánh khuấy Dòng bánkính làm tăng khả năng truyền nhiệt Thanh chắn và dòng cản được

bố trí để tạo tất cả các dòng đồng thời nhưng ở mức độ khác nhau.Cánh khuấy loại tuabin tạo dòng bán kính.Cánh khuấy chân vịt tạodòng hướng trục

Tuy nhiên đối với mỗi môi trường cho trước, việc chọn loạicánh khuấy nào để làm việc hiệu quả nhất cần được nghiên cứu Vìmỗi quá trình ( kết tinh, polymer hóa hoặc hòa tankhis, lỏng và rắntrrong lỏng) khong giống nhau, nên không thể có một tiêu chuẩn

để đánh giá

a Loại mái chèo.

Cấu tạo: Cánh khuấy loại

mái chèo cấu tạo rất đơn giản,

gổm có hai tấm phẳng gắn chặt

vào trục thẳng, trục quay nhờ

bộ phận truyền động từ động

cơ Đường kính của mái chèo

thường vào khoảng 0.7 đường kính của thiết bị

Nguyên lý hoạt động: Nếu số vòng quay nhỏ thì chất lỏng sẽ

chuyển động vòng tròn trên mặt phẳng nằm ngang trùng với mặtphẳng của cánh khuấy, và không có sự khuấy trộn chất lỏng ở cáclớp khác

Khi khuấy trộn mạnh sẽ xuất hiện dòng chuyển động phụ, khi

đó chất lỏng chuyển động xoáy Dòng chuyển động phụ này xuấthiện do lực ly tâm gây nên làm cho chất lỏng văng từ tâm của thiết

bị ra ngoài thành, đồng thời áp suất ở tâm sẽ giảm xuống và hútchất lỏng nằm ở bên trên và bên dưới cánh khuấy

Dòng chuyển động phụ làm tăng cường độ của khuấy trộn.Cường độ khuấy càng tăng khi tăng số vòng quay, nhưng đồng thờinăng lượng tiêu hao cũng tăng

Khi chất lỏng chuyển động vòng thì do tác dụng của lực lytâm nên trên bề mặt của chất lỏng có dạng hình phễu

Chiều sâu của phễu càng tăng khi số vòng quay tăng Sự xuấthiện phễu chất lỏng sẽ dẫn tới làm giảm thể tích sử dụng của thiết

bị Do đó trong trường hợp cụ thể, bằng thực nghiệm người ta cóthể tìm số vòng quay thích hợp cho khuấy trộn Nếu tăng số vòngquay đó thì năng lượng tiêu hao sẽ tăng lên

Để tăng sự khuấy trộn chất lỏng, thường người ta dung cánhkhuấy mái chèo hình khung Loại mái chèo này có phần đáy congtương ứng với bán kính cong của đáy thiết bị Đôi khi người ta gắnvào thành thiết bị các tấm ngăn để làm tăng sự xáo trộn chất lỏng

Loại cánh khuấy mái chèo có ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, dễ

gia công, thích hợp với chất lỏng có độ nhớt bé

Nhược điểm: Khuấy không đều , hiệu suất khuấy thấp đối

với chất lỏng nhớt, không thích hợp với chất lỏng dễ phân lớp

b Cánh khuấy loại chân vịt (chong chóng).

Để tăng sự tuần hoàn chất

lỏng người ta thường dùng cánh

khuấy loại chân vịt (chong

chóng)

Cấu tạo: Loại này thường

gồm ba cánh, mỗi cánh uốn cong

một góc α, góc này thay đổi dần từ 0o ở trục đến 90o ở cuối cánh.Cánh khuấy gắn trên trục, số chong chóng trên trục có thể nhiều ítkhác nhau phụ thuộc điều kiện khuấy trộn và chiều sâu mực chấtlỏng khuấy

Đường kính cánh khuấy chong

chóng vào khoảng 0.25 - 0.3

đường kính thiết bị

Chong chóng 3 cánh

Để tăng sự khuấy trộn người ta làm thêm bộ phận hưởng chất lỏng,

bộ phận này có thể là ống hình trụ hay hình nón cụt, trong đó đặtcánh khuấy

Ngoài ra nếu thiết bị khuấy lớn người ta có thể đặt cánh khuấy lệchtâm hoặc nghiêng một góc 10 – 20o so với trục thẳng đứng

Cánh khuấy chong chóng có ưu điểm: Cường độ khuấy lớn,

năng lượng tiêu hao nhỏ kể cả khi số vòng quay lớn, giá thành hạ

Nhược điểm: Khi khuấy chất lỏng độ nhớt cao thì hiệu suất

thấp, thể tích chất lỏng được khuấy mãnh liệt bị hạn chế

c Cánh khuấy tua bin.

Cánh khuấy tua bin

làm việc giống như bơm ly

tâm nghĩa là cũng có guồng

quay, tùy theo cấu tạo của

guồng người ta phân ra loại

cánh khuấy tua bin hở hay

Cánh khuấy tua bin kín guồng động gồm hai hình vành khăn,được nối với nhau bằng những cánh nhỏ, giữa hai cánh tạo thànhrãnh Guồng động thường đặt trong một bộ phận hướng chất lỏngđứng yên.

Khi cánh khuấy tua bin kín

làm việc, chất lỏng đi vào theo lỗ

ở tâm của guồng, chuyển động

theo rãnh trong guồng ta thấy

chất lỏng chuyển động theo

hướng thẳng đứng tới hướng nằm

ngang theo bán kính và ra khỏi

guồng với bán kính lớn.Trong một đơn vị thời gian lặp đi lặp lạinhiều lần như thế làm cho toàn bộ thể tích chất lỏng trong thùng bịkhuấy mãnh liệt

Cánh khuấy tua bin có ưu điểm: Hiệu suất cao, hòa tan

nhanh, thuận tiện cho quá trình liên tục

Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp, giá thành đắt.

d. Cánh khuấy đặc biệt – thùng khuấy .

Thùng khuấy gồm có một thùng có cánh

khuấy, trông giống như lồng sóc Loại này dung để

tạo huyền phù, nhũ tương hoặc để tăng phản ứng

hóa học giữa khí và lỏng

Thường thùng khuấy sử dụng trong trường

hợp tỉ lệ đường kính của thùng khuấy và của thiết

bị từ - và tỉ lệ chiều cao mực chất lỏng với đường kính thùngkhuấy không nhỏ hơn 10

e Khuấy bằng khí nén.

Dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt thấp khí nén thường làkhông khí được nén qua một ống các lỗ nhỏ, ống này đặt ở tận đáythiết bị không khí chui qua lỗ tạo thành những bọt nhỏ, rồi qua lớpchất lỏng làm cho chất lỏng bị khuấy.Để khuấy được đều người talàm đường ống khí thành vòng, hoặc xoắn ốc, đôi khi làm một dãyống thẳng đặt song song nhau

III CÁC THÔNG SỐ CĂN BẢN CỦA HỆ KHUẤY

1 Kích thước hình học của cánh khuấy

Đường kính cánh khấy d k ; đường kính moay-ơ d m đường kính

cổ trục d0, chiều cao cánh khuấy h; chiều cao cánh h c, chiều rộng cánh b c; chiều dài cánh l c; góc nghiêng cánh  ; số cánh

K- số cấu tử tham gia trong hệ

-số pha tham gia trong hệ

R- số các phản ứng hóa học độc lập

L H - số các đại lượng hình học mô tả

P H - số các phương trình liên kết các đại lượng hình học

3 Các đại lượng hình học mô tả

d

D

G  ,

4 Cường độ khuấy

Cường độ khuấy thể hiện bởi chế độ thủy động lực trong thiết

bị, đặc trưng bởi các đại lượng:

Chuẩn số Reynold(được gọi là chuẩn số Reynold ly tâm)

Re k2 k2

k

nd nd

Tốc độ tiếp tuyến ở đầu cánh khuấy v t  nd k,m s

5 Công suất khuấy trộn

Có hai phương pháp tính công suất khuấy là:

Theo ma sát

Theo cường độ khuấy E (N/m2)

a Tính công suất khuấy theo ma sát

Trong đó K N: chuẩn số công suất, tìm bằng thực nghiệm

A, m, p: là hằng số và số mũ tìm bằng thực nghiệm hoặc dựa vào giản đồ Ruston

Giải đồ Ruston

W d n K

N N. h 3 k5 ;





p m k k

h

d n

N

3 5 





Xét từng trường hợp cụ thể sau đây:

b.Tính công suất theo cường độ khuấy E

Công suất khuấy có dạng tổng quát sau

Khi cánh khuấy chuyển động trong dung dịch thì trở lực đặc trưngbởi đại lượng

Khi tính toán, trước hết dựa vào điều kiện cụ thể đã cho để tính thông số trở lực E theo, kế đó là dựa vào đồ thị để tìm thông số

 1 , 2; 2

m

N f

2 25 ,

0 ;

N R

Z

E

k k k







vận tốc thứ nhất 1, sau cùng dựa vào công thức để tính thông sốvận tốc thứ nhì 2

c.Tính chuẩn số công suất K N theo phương pháp giải tích

Khi không có tấm ngăn

K N  k

p k k

K  4 

m k

N A

K  Re

e Tính công suất khi có pha khí tham gia

=

h Ng

Trong đó: a – tỉ số chiều cao và đường kính mái chèo

n- số vòng quay của cánh khuấy, vg/ph

- khối lượng riêng của môi trường, kg/m3

d- đường kính cánh khuấy, m

Np- công suất làm việc, W

M- hệ số công suất là hằng số tìm bằng thực nghiệm,

nó phụ thuộc vào hình dạng cánh khuấy, thùng khuấy, chuẩn số

M

Re

2 5

Np

M M

Re



Trong đó A và m là hằng số xác định bằng thực nghiệm

Người ta có thể tính được hệ số công suất nếu biết ReM, Đồng thời qua đó cũng có thể tính được công suất từng loại cánh

khuấy Đối với một số loại cánh khuấy có tỉ số hình học khác nhau thì phải nhân thêm với hệ số hiêu chỉnh f

Hệ số f phụ thuộc vào cấu trúc cánh khuấy như sau

Loại bản, tấm, mái chèo (D/d=2,5-4; H/D=0,6-1,6;

H d

D f

Loại mỏ neo, chữ U, khung