Phúc trình thí nghiệm qúa trình thiết bị bài thời gian lưu

Phúc trình thí nghiệm qúa trình thiết bị bài thời gian lưu Phúc trình thí nghiệm qúa trình thiết bị bài thời gian lưu Phúc trình thí nghiệm qúa trình thiết bị bài thời gian lưu Phúc trình thí nghiệm qúa trình thiết bị bài thời gian lưu Phúc trình thí nghiệm qúa trình thiết bị bài thời gian lưu

Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách Khoa Khoa Kỹ thuật Hóa học BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ Phúc trình Thí nghiệm Qúa trình & Thiết bị Bài: THỜI GIAN LƯU CBHD: Cô Sinh viên: MSSV: Nhóm: 1.5 , Lớp: Ngày thí nghiệm: Năm học: Bài: THỜI GIAN LƯU I Trích yếu: 1 Mục đích:  Khảo sát thời gian lưu của hệ thống bình khuấy trộn mắc nối tiếp mô hình dãy hộp  Xác định hàm phân bố thời gian lưu thực và so sánh với hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết 2 Phương pháp:  Hệ một bình: khi hệ thống ổn định, cho phẩm màu vào bình 1 Bấm thời gian (đồng thời với thòi gian cho vào thiết bị ), lấy gốc thời gian là 1 phút Sau mỗi phút dung ống nghiệm lấy mẫu và đem mẫu đi so màu  Hệ hai, ba bình: làm giống như hệ một bình, cho phẩm màu vào bình 1 và lấy mẫu ở bình cuối cùng (từ ống thông nhau cuối cùng ) 3 Kết quả: Hệ một bình D0: 0,007 Đường kính (d): 14 cm Chiều cao (h): 12 cm Lưu lượng: 0,4 l/phút t (phút) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 D 0,001 0,002 0,003 0,004 0,001 0,002 0,001 0,001 0,001 0 t (phút) 11 12 13 14 15 0,001 0,003 0,005 0,003 D 0,003 Hệ hai bình D0: 0,0035 Đường kính (d): 14 cm Chiều cao (h): 12 cm Lưu lượng: 0,4 l/phút t (phút) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 D 0,003 0,003 0,001 0,004 0,003 0,002 0,002 0,003 0,003 0,006 t (phút) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 D 0,005 0,005 0,003 0,001 0,001 0,003 0,002 0,004 0,002 0,001 t (phút) 21 22 23 24 25 D 0,001 0,002 0,003 0,002 0,001 Hệ ba bình D0: 0,0023 Đường kính (d): 14 cm Chiều cao (h): 12 cm Lưu lượng: 0,4 l/phút t (phút) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 D 0,003 0,003 0,003 0,005 0,001 0,004 0,005 0,007 0,005 0 t (phút) 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 D 0,003 0,002 0,003 0,006 0,005 0,002 0,002 0,003 0,004 0,001 1 t (phút) 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 D 0,001 0 0,001 0,003 0 0,003 0,001 0 0,001 0,001 t (phút) 32 35 D 31 0,001 33 34 0,004 0,001 0,002 0,003 4 Nhận xét: II Lý thuyết thí nghiệm: 1 Khái niệm cơ bản: - Trong hệ thống thiết bị, những phần tử lưu chất khác nhau sẽ đi theo những con đường khác nhau Dựa trên hàm phân bố thời gian lưu xác định được, ta có thể đánh giá tương quan về dòng trong thiết bị, các nhược điểm sinh ra khi thiết kế như vùng tù, dòng chảy tắt và tìm cách khắc phục nhờ đánh giá này - Nghiên cứu thời gian lưu là phương pháp cần thiết để so sánh thiết bị dựa trên dòng vật liệu từ đó có thể cải tiến, lập mô hình tối ưu Cũng dựa trên hàm phân bổ thời gian lưu ta có thể vận hành tối ưu và qua đó thiết lập được các thông số, phương pháp điều khiển cũng như tối ưu hóa quá trình trong thiết bị - Thời gian lưu của một phần tử trong hệ là thời gian phần tử đó lưu lại ở trong bình phản ứng, hay trong thiết bị bất kỳ cần khảo sát Thời gian lưu của của một thiết bị là một đại lượng xác suất Như vậy tất cả thời gian lưu đều dao động xung quanh thời gian lưu trung bình, do đó xác định thời gian lưu trung bình đặc biệt có ý nghĩa 1n tv  tvi (1) n i1 Trong đó tvi là thời gian lưu của phần tử bất kỳ i - Với định nghĩa hàm phân bố thời gian lưu F tv   E tv  , ta có:  tv   f tv tv  dtv  E tv  0   cIA tv tv  dtv tv   0 Hay  cIA tv   dtv 0 2 - Với các hàm điểm, ta có: K  citi t  K i1  ci i 1 K là các khoảng chia bằng nhau - Thời gian lưu trong bình thể tích:   VR  t VM Với: VR : thể tích lưu chất trong bình, lít VM : lưu lượng của dòng vào thiết bị, lít/giây - Nếu chất chỉ thị không đạt tương quan lý tưởng thì phương trình trên không thoả mãn (nếu   t có thể chất chỉ thị bí hấp phụ vào thành bình hoặc các chi tiết hấp phụ) 2 Các phương pháp nghiên cứu thời gian lưu: - Nghiên cứu thời gian lưu có thể tiến hành theo các phương pháp: Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) ra khỏi thiết bị, xác định hàm F(t) hoặc F() Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) vẫn còn lưu lại trong thiết bị, hàm I(t) hoặc I() Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) đang trong quá trình thóat ra khỏi thiết bị, hàm f(t) hoặc f() - Để khảo sát khả năng hoạt động của một thiết phản ứng thực tế ta thường dùng phương pháp kích thích – đáp ứng (phương pháp đánh dấu) Các dạng kích thích đầu vào và đáp ứng đầu ra được trình bày trên hình 1 Tín hiệu vào Tín hiệu ra (Đáp ứng) (Kích thích) Bình 3 Hình 1: Các dạng tín hiệu kích thích đáp ứng thường dùng 4 - Như vậy các phần tử đánh dấu phải có đặc điểm là không được ảnh hưởng và khác biệt với các phần tử tạo nên tương quan trong hệ - Các loại chất chỉ thị đối với môi trường lỏng có thể là dung dịch màu, các chất phóng xạ, các đồng vị phóng xạ ổn định, các hạt rắn phát sáng Các chất chỉ thị thích hợp với tính chất của các phần tử trong hệ phải có khối lượng riêng, độ nhớt, hệ số khuếch tán thích hợp - Khi có các chỉ thị thích hợp, ta có thể để nó vào hệ theo hai kiểu tín hiệu là: tín hiệu ngẫu nhiên (Stochas) và tín hiệu xác định (Determinis) Loại tín hiệu xác định có thể chia làm hai loại là tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn - Để khảo sát các thiết bị, người ta sử dụng tín hiệu xác định không tuần hoàn Loại tín hiệu này có thể tạo ra nhờ:  Đánh dấu bằng va chạm  Đánh dấu bằng cho nhập vào liên tục một lượng xác định  Đánh dấu bằng cho nhập chiếm chỗ toàn bộ trong hệ - Vì tiện lợi trong sử dụng và sự đồng dạng của tín hiệu kích thích có dạng bậc hoặc dạng xung Trong thí ngiệm, ta sử dụng loại đánh dấu bằng va chạm Loại đánh dấu này chính là sự thực hiện ở điều kiện kỹ thuật hàm Dirac (hàm động lượng Dirac), hay còn gọi là hàm Delta 0,t  0   t    ,t  0    t  dt  1  Loại đánh dấu này thường thích hợp với chất màu 3 Hàm phân bố thời gian lưu của mô hình dãy hộp: Đa số các thiết bị thực lại thường có hàm phân bố là của mô hình dãy hộp Bình khuấy trộn lý tưởng: - Trong một bình phản ứng được coi là lý tưởng với kiểu đánh dấu va chạm phải thỏa mãn: thể tích VR trong bình là hằng số theo thời gian, trong bình có sự khuấy trộn hoàn toàn một thành phần trong hệ một cách đồng nhất ở mọi vị trí thuộc thể tích VR Như vậy, trong bình có sự đột biến của dòng vào 5 - Thời gian lưu trung bình thể tích:   VR ; C1out  t  VM in 1 exp    C1   - Khi nối các bình lý tưởng lại, ta được mô hình dãy hộp - Hàm phân bố có dạng tổng quát  t n1  t      exp   1     f t     n 1! - Khi n  1, ta có mô hình khuấy trộn lý tưởng Con khi n   , ta lại có mô hình đẩy lý tưởng - Giả sử ban đầu không có chất chỉ thị trong dòng lưu chất vào bình, sau đó tác động tín hiệu xung vào bằng các cho một lượng chất chỉ thị nhất định vào dòng lưu chất trong khoảng thời gian rất ngắn - Đường cong biểu diễn nồng độ theo thời gian thu gọn của chất chỉ thị trong dòng ra ứng với tín hiệu kích thích dạng xung tại đầu vào gọi là đường cong C Nồng độ ban đầu của chất chỉ thị là Co Với diện tích bên dưới đường cong bằng 1, ta có: Thời gian thu gọn vô thứ nguyên:   t  t   t t V (2) Với t là thời gian phần tử lưu chất bất kỳ đi qua thiết bị t và  được xác định theo (1)    C  d   C d  1 0 0 C0 (3)  1 C0   C  d   C  dt 0 t0 6 Hình 2: Đường cong C biểu diễn đáp ứng tại dòng ra cho tín hiệu xung tại đầu vào III Dung cụ, thiết bị và phương pháp thí nghiệm: 1 Dụng cụ: Ống nghiệm, đồng hồ bấm giờ, pipet, phẩm màu và máy đo độ truyền suốt (hấp thụ) ánh sáng 2 Thiết bị: Hệ thống thí nghiệm thời gian lưu mô hình dãy hộp bình khuấy trộn 3 Phương pháp thí nghiệm: Tiến hành theo trình tự sau - Mở van cho nước lên thùng cao vị cho đến khi có nước trong ống chảy tràn - Mở khóa cho nước chảy qua lưu lượng kế vào hệ thống bình khuấy và chỉnh lưu lượng dòng chảy - Hệ một bình: khi hệ thống ổn định, cho phẩm màu vào bình 1 Bấm thì kế (đồng thời với thời gian cho màu vào thiết bị), lấy gốc thời gian Dùng ống nghiệm lấy mẫu theo thời gian, sau đó đem mẫu đi so màu 7 - Hệ hai, ba bình: làm giống như hệ một bình, cho phẩm màu vào bình 1 và lấy mẫu ở bình cuối cùng (từ ống thông nhau cuối cùng) IV Kết quả thí nghiệm: Bảng 1: Hệ thống một bình: TT t (phút) D Thực tế Lý thuyết q 0,007 t × D 0 Eq q Eq 0,001 0 0,140741 1 1 0 0,002 0,281481 0,142857 0 1 0,003 0,001 0,422222 0,285714 2 1 0,004 0,004 0,562963 0,428571 0,216647 0,805214 0,001 0,009 0,703704 0,571429 3 2 0,002 0,016 0,844444 0,142857 0,433294 0,64837 0,001 0,005 0,985185 0,285714 4 3 0,001 0,012 1,125926 0,142857 0,649942 0,522076 0,001 0,007 1,266667 0,142857 5 4 0,008 1,407407 0,142857 0,866589 0,420383 0 0,009 1,548148 0 6 5 0,003 1,688889 0,428571 1,083236 0,338498 0,001 0 1,82963 0,142857 7 6 0,003 0,033 1,97037 0,428571 1,299883 0,272564 0,005 0,012 2,111111 0,714286 8 7 0,003 0,039 0,428571 1,51653 0,219472 0,07 9 8 0,045 1,733177 0,176722 10 9 1,949825 0,142299 11 10 2,166472 0,114581 12 11 2,383119 0,092262 13 12 2,599766 0,074291 14 13 2,816413 0,05982 15 14 3,03306 0,048168 16 15 3,249708 0,038786 Số liệu: VR = 0,001846 (m3) ; VM = 0,0004 (m3/phút) Thời giant rung bình thể tích:  = 4,6158 (phút) Thời gian lưu trung bình thực̅ = 7,1053 (phút) 8 1.2 1 0.8 D/D0 0.6 Thực tế 0.4 Lý thuyết 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5  Hình 3: Đồ thị D/D0 = f() ở hệ thống 1 bình Bảng 2: Hệ thống 2 bình nối tiếp: TT t (phút) D Thực tế Lý thuyết t × D  E  E 1 0 0,003 0  1  0 2 1 0,003 0,003  1  0,348895 3 2 0,003 0,006  1  0,56187 4 3 0,001 0,003  0,333333  0,678638 5 4 0,004 0,016  1,333333  0,728599 6 5 0,003 0,015  1  0,733347 7 6 0,002 0,012  0,666667  0,708602 8 7 0,002 0,014  0,666667  0,665672 9 8 0,003 0,024  1  0,612581 10 9 0,003 0,027  1  0,554916 11 10 0,006 0,06  2  0,496474 12 11 0,005 0,055  1,666667  0,439744 13 12 0,005 0,06  1,666667  0,386278 14 13 0,003 0,039  1  0,336956 15 14 0,001 0,014  0,333333  0,292193 16 15 0,001 0,015  0,333333  0,252083 17 16 0,003 0,048  1  0,216513 18 17 0,002 0,034  0,666667  0,185236 19 18 0,004 0,072  1,333333  0,157928 20 19 0,002 0,038  0,666667  0,134231 9 21 20 0,001 0,02  0,333333  0,113773 22 21 0,001 0,021  0,333333  0,096192 23 22 0,002 0,044  0,666667  0,081144 24 23 0,003 0,069  1  0,068308 25 24 0,002 0,048  0,666667  0,057394 26 25 0,001 0,025  0,333333  0,04814 Số liệu: VR = 0,001846 ×2 (m3) ; VM = 0,0004 (m3/phút) Thời gian trung bình thể tích:  = 9,2316 (phút) Thời gian lưu trung bình thực̅ = 11,3333 (phút) 2.5 2 D/D0 1.5 Thực tế 1 Lý thuyết 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3  Hình 4: Đồ thị D/D0 = f() ở hệ thống 2 bình mắc nối tiếp Bảng 3: Hệ thống 3 bình nối tiếp: TT t (phút) D Thực tế Lý thuyết  t × D E  E 1 0 0,002 0  1  0 2 1 0,003 0,003  1,5  0,05669 3 2 0,003 0,006  1,5  0,182591 4 3 0,003 0,009  1,5  0,330806 5 4 0,005 0,02  2,5  0,473546 6 5 0,001 0,005  0,5  0,595791 7 6 0,004 0,024  2  0,690825 10 8 7 0,005 0,035  2,5  0,757134 9 8 0,007 0,056  3,5  0,796284 10 9 0,005 0,045  2,5  0,811492 11 10 0 0  0  0,806697 12 11 0,003 0,033  1,5  0,785972 13 12 0,002 0,024  1  0,753175 14 13 0,003 0,039  1,5  0,711756 15 14 0,006 0,084  3  0,664679 16 15 0,005 0,075  2,5  0,614398 17 16 0,002 0,032  1  0,562884 18 17 0,002 0,034  1  0,511667 19 18 0,003 0,054  1,5  0,461898 20 19 0,004 0,076  2  0,4144 21 20 0,001 0,02  0,5  0,369729 22 21 0,001 0,021  0,5  0,328227 23 22 0 0  0  0,290063 24 23 0,001 0,023  0,5  0,255278 25 24 0,003 0,072  1,5  0,223816 26 25 0 0  0  0,195551 27 26 0,003 0,078  1,5  0,170309 28 27 0,001 0,027  0,5  0,147887 29 28 0 0  0  0,128065 30 29 0,001 0,029  0,5  0,110617 31 30 0,001 0,03  0,5  0,095319 32 31 0,001 0,031  0,5  0,081954 33 32 0,001 0,032  0,5  0,070317 34 33 0,002 0,066  1  0,060214 35 34 0,003 0,102  1,5  0,051468 36 35 0,004 0,14  2  0,043917 Số liệu: VR = 0,001846 ×3 (m3) ; VM = 0,0004 (m3/phút) Thời gian trung bình thể tích:  = 13,845 (phút) Thời gian lưu trung bình thực̅ = 14,5604 (phút) 11 D/D0 4 Thực tế 3.5 Lý thuyết 3 0.5 1 1.5 2 2.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0  Hình 5: Đồ thị D/D0 = f() ở hệ thống 3 bình mắc nối tiếp V Bàn luận: 1 So sánh hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết và thực nghiệm: - Qua các số liệu và đồ thị ở trên, ta thấy hàm phân bố thời gian lưu lý và thực nghiệm có sự khác biệt rất lớn, trong khi ở lý thuyết có sự biến đổi ổn định (ở đồ thị hình 4 và 5 có sự tăng dần lên cực đại và tiến dần về 0) thì ở thực nghiệm, hàm phân bố biến đổi liên tục, không theo quy luật gì - Thời gian lưu trung bình thực nghiệm lớn hơn thời gian lưu trung bình thể tích ( lý thuyết) nên xảy ra dòng chảy tắt, vùng tù 2 Các hiện tượng của quá trình và thiết bị phát sinh sự mất ổn định: - Vùng tù: tốc độ cánh khuấy chậm không khuấy đều hết thể tích chất lỏng, tạo ra vùng trũng ở giữa 12 - Tốc độ quay của cánh khuấy cùng với sự chuyển động của dòng chất trong bình dưới cản trở của bề mặt bình tạo nên các vùng có mức độ đồng đều chất khác nhau, có thể tồn tại trong thời gian lấy mẫu làm ảnh hưởng đến kết quả - Phẩm màu đi qua đường ống có thể bị giữ lại một phần trên đường ống 3 Đánh giá sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên:  Sai số hệ thống: sai số kết quả trong bài một phần là sai số hệ thống, vì có những điều sau: - Máy đo độ truyền suốt trong bài thí nghiệm hư nên không thể xác định được bước sóng đang thực hiện Do dó, các kết quả D ghi nhận được đều không biết được là đúng hay sai ở bước sóng nào - Hoạt động ổn định của thiết bị ( vận tốc của cánh khuấy, cản trở chuyển động của bề mặt bình) và sự hấp thụ phẩm màu không đều qua từng lần lấy mẫu cũng là nguyên nhân gây ra sai số hệ thống  Sai số ngẫu nhiên: thao tác thí nghiệm: - Xác định mốc thời gian bấm giờ - Chỉnh hệ thống ổn định (mức thể tích ở trong bình luôn ổn định trong quá trình lấy mẫu) - Cho mẫu vào cuvet : lau không sạch, nhiễu mẫu lên thành ngoài… VI Phụ lục: Các giá trị tính toán cho hệ 1 bình 1  Thực tế D0=0,007 - Độ hấp thụ cực đại 13 - Thời gian lưu trung bình thực: t   Diti  Di - Thời gian thu gọn   t t - Độ đo sự phân bố thời gian lưu E  D D0  Lý thuyết - Thời gian lưu lý thuyết   VR (phút) VM - Thời gian thu gọn  t  - Độ đo sự phân bố thời gian lưu E  e 2 Các giá trị tính toán cho hệ 2 bình mắc nối tiếp:  Thực tế - Độ hấp thụ cực đại D0=0,007/2  Lý thuyết - Thể tích 2 bình khuấy n  n  n 2 n1 - Độ đo sự phân bố thời gian lưu E  e  4  e n 1! 3 Các giá trị tính toán cho hệ 3 bình  Thực tế - Độ hấp thụ cực đại D0=0,007/3  Lý thuyết - Thể tích 3 bình khuấy - Độ đo sự phân bố thời gian lưu E  n n  n n1 27 3 2 e e n 1! 2 VII Tài liệu tham khảo: [1] Tập thể cán bộ giảng dạy bộ môn Qúa trình và Thiết bị,” Giáo trình Thí nghiệm Qúa trình và Thiết bị”, Trường ĐH Bách Khoa TPHCM 14