Báo cáo thực hành quá trình và thiết bị hóa học bài cột chêm

BỘ CÔNG THƯƠNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BÁO CÁO THỰC HÀNH QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC Bài: CỘT CHÊM Giảng viên hướng dẫn: Phạm Văn Hưng Si

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÁO CÁO THỰC HÀNH

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ HÓA HỌC

Bài: CỘT CHÊM

Giảng viên hướng dẫn: Phạm Văn Hưng

Sinh viên thực hiện: Mai Diệu Thư

MSSV: 21113711

Tổ: 3

Môn học phần: Thực hành quá trình và thiết bị hóa học

Lớp học phần: DHHO17C

Năm học: 2024-2025

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2024

Trang 2

I Tóm tắt

Bài báo cáo này nhằm mục đích khảo sát độ giảm giảm áp khi cột khô và cột ướt của cột chiêm, khảo sát điểm lụt nhằn tìm ra khoảng làm việc lí tưởng của cột chiêm và tìm ra mối liên hệ giữa độ giảm áp với lưu lượng dòng khí và dòng lỏng trong cột chiêm Phương pháp thí nghiệm là khảo sát cột khô với các mức lưu lượng khí khác nhau và khảo sát cột ướt với các mức lưu lượng dòng khí và dòng lỏng khác nhau Kết quả đã tìm độ giảm áp và mối liên hệ với lưu lượng dòng khí, so sánh được độ giảm áp thực tế và lí thuyết của cột Từ kết quả thí nghiệm cũng thấy được rằng khi lưu lượng dòng khí càng tăng thì độ giảm áp trong cột cũng tăng theo, tuy nhiên khi gia tiếp tục gia tăng lưu lượng dòng khí thì sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha gây ngập lụt, khi tháp làm việc cần tránh hiện tượng này để đảm bào an toàn và hiệu suất làm việc

II Giới thiệu

Tháp đệm là tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật đệm được đổ đầy trong tháp một cách ngẫu nhiên hay có thứ tự.Vật liệu đệm gồm nhiều loại khác nhau, có diện tích bề mặt riêng (m2/m3) lớn, thể tích tự do (m3/m3) lớn, để giảm trở lực pha khí Ngoài ra vật liệu chế tạo phải có khối lượng riêng nhỏ và độ bền hóa học.Tháp đệm được sử dụng trong công nghiệp để thực hiện quá trình hấp thụ, chưng cất, trích ly,… vì cấu tạo đơn giản, trở lực nhỏ Tháp đệm được chia thành loại và đặt thêm bộ phận phân phối lỏng cho cho mỗi đoạn tháp.Trong tháp đệm, pha lỏng chảy từ trên xuống

và phân bố đều trên đệm, pha khí đi từ dưới lên Quá trình truyền khối trong tháp phụ thuộc vào quá trình khuếch tán và chế độ thủy động trong tháp

2.1/ Mục đích thí nghiệm.

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

 Khảo sát sự biến đổi của thừa số ma sát 𝑓𝑐𝑘 và 𝑓𝑐ư trong tháp từ đó so sánh độ tổn thất áp suất dòng khí trong tháp giữa thực nghiệm và lí thuyết

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

Xây dựng giản đổ điểm lụt của tháp đệm

III CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Độ giảm áp của dòng khí

Độ giảm áp ∆Pck của dòng khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G của dòng khí qua cột khô (không có dòng chảy ngược chiều) khi dòng khí chuyển động trong các khoảng trống giữa các vật chêm Tăng dần vận tốc thì độ giảm áp cũng tăng theo Sự gia tăng này theo luỹ thừa từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dòng khí

∆Pck= α.Gn

Với n= 1,8 -2,0

Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trống giữa những vật chêm bị thu hẹp lại Dòng khí do đó di chuyển khó khăn hơn vì một phần thể tích tự do giữa các vật chêm bị lượng

Trang 3

chất lỏng chiếm chỗ Khi tăng vận tốc dòng khí lên, ảnh hưởng cản trở của dòng lỏng tăng đều đặn cho đến một trị số tới hạn của vận tốc khí, lúc đó độ giảm áp của dòng khí tăng vọt lên Điểm ứng với trị số tới hạn của vận tốc khí này được gọi là điểm gia trọng Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí quá trị số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỡ tương giữa dòng lỏng và dòng khí rất lớn, ∆Pc tăng mau chóng không theo phương trình trên nữa Dòng lỏng lúc này chảy xuống cũng khó khăn, cột ở điểm lụt

Đường biểu diễn log(∆Pc/Z) (độ giảm áp suất của dòng khí qua một đơn vị chiều cao của phần chêm trong cột) dự kiến như trình bày trên

3.2 Hệ số ma sát f ck theo Re c khi cột khô

Trở lực tháp khô:

∆ p=f ck h

d td

w02ρ k

2 =

f ck ha ρ k w02

8 ε

ℜk=w ρ k d td

μ k

h: chiều cao lớp đệm, [m]

wo: vận tốc pha khí, [m/s]

a: bề mặt riêng, [m2/m3]

ε: độ xốp, [m3/m3]

ρk: khối lượng riêng của không khí, [kg/m3]

Fck: hệ số ma sát cảu dòng chảy qua lớp hạt, phụ thuộc vào Rek

Khi Rek < 40: f ck=40

ℜk

Khi Rek > 40: f ck= 16

ℜk0,2

3.3 Độ giảm áp ∆P cư khi cột ướt

Liên hệ giữa độ giảm áp cột khô ∆Pck và cột ướt ∆Pcư có thể biểu diễn như sau:

∆ P cư=σ ∆ P ck

Do đó có thể dự kiến f cư=σ f ck

Với σ: hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, [kg/m2s]

Leva đề nghị ảnh hưởng cảu L lên σ như sau:

σ =10 ΩLL

Haylog logσ =ΩLL

Giá trị σ tuỳ thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm (xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự) và độ lớn của lưu lượng lỏng L

Trang 4

Một số tài liệu còn biểu diễn sự phụ thuộc giữa tỉ số ∆ P ∆ P cư

ck với hệ số xối tưới như sau:

A=3√3 1,75

ℜL ( G L

F ρ L)2 g ε q 2

Khi A <0.3 cho vật chêm bằng sứ có d < 30 mm, ta có:

∆ P cư

∆ P ck=

q

(1− A)3

𝑅𝑒 𝐿= 4𝐺

𝐹.𝑎 𝜇𝐿

3.4 Điểm lụt của cột chiêm.

Khi cột chiêm bị ngập lục, chất lỏng không chảy xuống được, tạo nên côt chất lỏng trong tháp, các dòng chảy không đều đặn, độ giảm áp pha khí bị dao động mạnh Hiện tượng này gây bất lợi cho hoạt động của tháp, do vậy cần tránh khi vận hành Theo Zhavoronkov hiện tượng ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số vô thứ nguyên sau có mối liên

hệ với nhau:

𝑓𝑐𝑘 𝑎 𝜔2

𝜌𝑘

𝜇𝐿 0,2

𝜋1 =

𝜀3 2 𝑔 𝜌𝑛ướ

𝑐

𝜇𝑛ướ 𝑐

𝐿 𝜌𝑘

Trong đó:

𝜋2 =

𝐺

√ 𝜌

𝐺

10−3

𝜔 =

60 𝐹

𝜀 𝜔: vận tốc của không khí trong tháp đệm, 𝑚

𝑠

𝜇𝐿: độ nhớt động lực học của chất lỏng khác nước, 𝑘𝑔

𝑚.𝑠

𝜇 𝐿

= 1: nếu chất lỏng là nước

𝜇𝑛ướ 𝑐

�

Trang 5

Hình 7 3 Điểm lụt của tháp đệm theo quan hệ 𝜋1 𝑣𝑎̀ 𝜋2

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

Mô hình thí nghiệm.

Hình 7 4 Sơ đồ hệ thống cột chiêm

- Mô hình cột chiêm khảo sát chế độ hoạt động ở áp suất khí quyển

- Cột đệm làm bằng thủy tinh đường kính trong bằng 80 mm, chiều cao đệm 1060 mm

- Vật liệu đệm là vòng Rashig đường kính 8mm, bề mặt riêng 360 m2/m3, độ xốp 0.67 m3/m3

- Lưu lượng dòng khí vào đáy tháp từ 29.58 – 207 lít/phút

- Lưu lượng dòng lỏng vào đỉnh tháp với lưu lượng từ 1.6 – 8 lít/phút

- Áp kế chữ U dùng chất lỏng để đo tổn thất áp suất dòng khí trong cột

IV Thực nghiệm.

4.1 Chuẩn bị thí nghiệm.

4.1.1 Chuẩn bị

- Van xả đầy 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 phối khí (VL4)

Trang 6

- Khóa van xả nước trong bộ phận phân phối khí (VL5)

- Mở hoàn toàn van khí hoàn lưu (VK1)

Trang 7

- Độ giảm áp cột khô lý thuyết: ∆P ck = 12 ƒck ρ k G D e Z = 12 6,07 0,2131,293 7,4.10−31 = 14,39 (Pa)

G

(m3/h)

G

(l/phút

) (cmH2O)∆Pck G´ De Rey Fck

∆Pck lt (Pa) ∆P

ck tt (Pa)

1 7.27 0.25 0.107 0.0074 63.74 6.97 4.17 24.525 1.5 11.632 0.4 0.16 0.0074 95.32 6.43 8.6 39.24

2 17.448 0.6 0.213 0.0074 128.89 6.07 14.39 58.86 2.5 26.172 0.9 0.266 0.0074 158.47 5.81 21.84 88.29

3 31.988 1.1 0.32 0.0074 190.64 5.59 29.91 107.91 3.5 37.804 1.3 0.373 0.0074 222.2 5.43 39.47 127.53

4 46.528 1.6 0.426 0.0074 253.79 5.28 50.07 156.96 4.5 61.068 2.1 0.48 0.0074 285.96 5.16 62.12 206.01

5 69.792 2.4 0.533 0.0074 317.54 5.05 74.96 235.44

Trang 8

Khảo sát cột ướt

(kg/m.s)

- Đường kính tương đương của đệm:

D e = 4 ℇ a = 4.0,67360 = 7,4.10 -3 (m)

- Tiết diện ngang của ống chứa đệm:

F=( π 0,08²4 ) =5,03.10 -3 (m)

- Vận tốc khối lượng của dòng lỏng qua tháp:

´L= L 10 ˉ3 ρ nước

60 F ℇ = 3,3 10 ˉ

3

.996

60.(5,03 10 ˉ3).0.67 = 16,43(kg/m 2 s)

- Chuẩn sô Reynolds ở cột ướt được xác định:

Re x = 4 ´L

a µ ᵪ = 4 16,43

360.(0,8.10 ˉ3) = 228,00

- Hệ số ảnh hưởng của dòng lỏng lên đệm:

b = 1,745

228,00⁰· ³ =0,34

A = 33

√( b

2 g)(¿

´

L ρnước)a /ℇ¿= 3 ³√¿ ¿ =0,41

- Đệm có đường kính 8mm<300mm

σ= (1− A)ᶾ1 = (1−0,41)³1 = 4,87

- Hệ số ma sát cột ướt:

ƒ cư = σ ƒ ck =4,87 6,06= 29,51

- Độ giảm áp lý thuyết của cột ướt:

∆P cư = σ ∆P ck(lt) = 4,87 197,55 = 962,16 (Pa)

- Ảnh hưởng lưu lượng dòng khí đến độ giảm áp:

Log 𝐺̅ = log 0.335 = −0.475

∆ P cư Z = 962,161 = 962, 16

Log∆ P cư Z = 2,98

Trang 9

Bảng đổi đơn vị khảo sát cột ướt

𝑮 (L/phút) 34.90 40.71 46.53 52.34 58.16 63.98

L (L/phút) 2.00 2.33 2.67 3.00 3.33 3.67

Bảng xử lí số liệu khảo sát cột ướt

L(L/phút) 2.00 2.33 2.67 3.00 3.33 3.67 𝑳̅ (kg/m2 s) 9.86 11.50 13.14 14.79 16.43 18.07 𝑹𝒆𝒙 136.80 159.60 182.40 205.20 228.00 250.80

∆Pck (Pa) 10.90 37.97 78.77 132.21 197.55

∆Pcư (Pa) 32.76 129.11 302.39 571.94 962.16

Bảng so sánh độ giảm áp lí thuyết và thực tế của cột ướt

𝑮 (L/phút) 34.90 40.71 46.53 52.34 58.16 63.98

∆Pcư (Pa) (thực tế) 215.60 294.00 362.60 441.00 637.00 1029.00

∆Pcư (Pa) (lí

thuyết) 32.76 129.11 302.39 571.94 962.16

Biểu đồ so sánh độ giảm áp thực tế

và lí thuyết của cột ướt

1200.00 1000.00 800.00 600.00 400.00 200.00 0.00

Trang 10

Bảng xử lí số liệu ảnh hưởng của lưu lượng khí đến độ giảm áp cột ướt (tt)

𝑮̅ (kg/m2 s) 0.201 0.235 0.268 0.302 0.335 0.369

Log 𝑮̅ (kg/m 2 s) -0.696 -0.629 -0.571 -0.520 -0.475 -0.433

∆Pcư (Pa) (thực tế) 215.600 294.000 362.600 441.000 637.000 1029.00

∆Pcư /Z 203.396 277.358 342.075 416.038 600.943 970.755

Log ∆Pcư /Z 2.308 2.443 2.534 2.619 2.779 2.987

Bảng xử lí số liệu ảnh hưởng lưu lượng khí đến độ giảm áp cột ướt (lí thuyết)

𝑮̅ (kg/m2 s) 0.20 0.23 0.27 0.30 0.34 0.37

Log 𝑮̅ (kg/m 2 s) -0.70 -0.63 -0.57 -0.52 -0.47 -0.43

∆Pcư (Pa) (lí thuyết) 32.76 129.11 302.39 571.94 962.16

∆Pcư /Z 30.90 121.80 285.27 539.57 907.69

Log ∆Pcư /Z 1.49 2.09 2.46 2.73 2.96

Biểu đồ so sánh độ giảm áp thực tế

và lí thuyết của cột ướt

1200.00 1000.00 800.00 600.00 400.00 200.00 0.00

G (L/phút)

60.0

Lí Thuyết Thực tế

Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí đến độ giảm áp cột ướt

(thực tế)

3.200 3.000 2.800 2.600 2.400 2.200 2.000 -0.750-0.700-0.650-0.600-0.550-0.500-0.450-0.400

Log 𝑮 ̅

Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí đến độ giảm áp cột ướt (lí thuyết) 3.50

3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 -0.75-0.65 -0.55

Log 𝑮

-0.4 5

Trang 11

Điểm lụt của cột chiêm.

Kết quả khảo sát điểm lụt của cột chêm

G( Nm

3 /h)

L (L/h)

Pcư ( cmH2O)

1.00

100.00

2.00

1.00

150.00

2.30

1.00

200.00

2.50

1.00

250.00

5.50

3.00 1.00

300.00

8.00

2.50 3.00

Trang 12

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng khí đến độ giảm áp cột ướt.

𝑮

(L/phút)

L (L/phút)

∆Pcư (Pa)

𝑮

(kg/m 2 s)

log𝑮 (kg/

m 2 s)

∆Pcư /Z log∆Pcư /Z

29.08

1.67

196.00 0.17 -0.78 184.91 2.27

29.08

2.50

225.40 0.17 -0.78 212.64 2.33

29.08

3.33 245.00 0.17 -0.78 231.13 2.36

𝑮

(L/phút)

L (L/phút)

∆Pcư (Pa)

𝑮

(kg/m 2 s) log𝑮 (kg/ m 2 s)

∆Pcư /Z log∆Pcư /Z

29.08

4.17

29.08

5.00

Trang 13

Kết quả tính toán điểm lụt của cột

fck 𝑚 (m/s) 𝝅𝟏 log𝝅𝟏

𝑳(kg/m2 s) 𝑮(kg/m2 s)

𝝅𝟐 log𝝅𝟐

Ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng đến độ

3500.00

3000.00

2500.00

2000.00

1500.00

1000.00

500.00

0.00

-0.80

giảm áp trong cột ướt

-0.7 0

-0.6 0 L=1.6

-0.50 log¯𝑮 L=3.3

-0.4 0

-0.3 0 L=

Trang 14

V/ Bàn luận.

- Đối với khảo sát cột khô trước khi cho khí vào hệ thống cần bơm cấp lỏng cho bộ phân phối khí, do đó cột chiêm sẽ bị ướt, nên cần lưu ý đợi cho cột khô ráo nhất để khảo sát cột khô

- Cần điều chỉnh các van phân phối khí, lỏng một cách hợp lí, chính xác, ổn định, cẩn thận, để việc đo độ giảm áp được chính xác Cần phối hợp nhịp nhàng giữa van hoàn lưu lỏng và van điều chỉnh lưu lượng lỏng vào cột để thiết bị hoạt động ổn định

- Khi lượng lỏng trong bộ phận phân phối khí ngập qua khỏi ống dẫn khí vào thì xảy ra hiện tượng sặc nước, nếu không xả kịp thời có thể gây hiện tượng ngập lụt

- Khi khảo sát cột ướt cần lưu ý khảo sát với lưu lượng khí, lỏng từ nhỏ đến lớn và tăng từ từ lưu lượng, không nên tăng quá nhanh lưu lượng các dòng dễ gây ra hiện tượng sặc nước và có thể ngập lụt

VI/ Kết luận.

Từ kết quả thí nghiệm có thể thấy:

- Đối với cột khô:

+ Khi so sánh hai độ giảm áp ∆Pck thực tế và lí thuyết có sự sai biệt với nhau, khi lưu lượng dòng khí (G) càng tăng thì độ giảm áp (∆Pck ) càng tăng, hai giá trị thực tế và lí thuyết càng xa nhau + Khi tăng lưu lượng dỏng khí G, thì độ giảm áp ∆Pck cũng tăng theo, Log ∆Pck /Z tăng tuyến tính (R=1) theo Log 𝐺̅ (lí thuyết) Nhưng trong thực tế thì hai đại lượng này tăng tương đối tuyến tính (R= 0.951)

+ Hai giá trị độ giảm áp lí thuyết thực tế và lí thuyết có độ chênh lệch khá lớn là do: thao tác thực hiện thí nghiệm chưa chuẩn, cột chiêm, vật liệu đệm bị nhiễm bẩn

-Đối với cột ướt:

Điểm lụt của tháp đệm theo quan hệ

𝝅_𝟏 và 𝝅_2

0.17 0.1 2 0.0 7 0.02

-1.3 9

-1.29 log𝝅_𝟏

-1.1 9

Trang 15

+ Khi so sánh hai độ giảm áp ∆Pck thực tế và lí thuyết có sự sai biệt với nhau, khi lưu lượng dòng khí (G) càng tăng thì độ giảm áp (∆Pck ) càng tăng, hai giá trị thực tế và lí thuyết càng xa nhau + Khi tăng lưu lượng dòng khí G và dòng lỏng L, thì độ giảm áp ∆Pck cũng tăng theo, Log ∆Pck /Z tăng theo đường cong với Log 𝐺̅

+ Khi tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí thì xảy ra hiện tượng ngập lụt

+ Vùng giới hạn hoạt động của tháp đệm là vùng dưới đường log 𝜋1.𝑙𝑜𝑔𝜋2

Tiêu đề	Cột Chêm
Tác giả	Mai Diệu Thư
Người hướng dẫn	Phạm Văn Hưng
Trường học	Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Thực hành quá trình và thiết bị hóa học
Thể loại	Báo cáo thực hành
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	687 KB