Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị cơ học bài 3 lọc khung bản

• Khảo sát quá trình hoạt động của máy lọc khung bản qua thí nghiệm lọc huyền phù ở các chế độ áp suất khác nhau.. Các chế độ đặc trưng trong quá trình lọc Lọc chân không và lọc ép được

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CƠ HỌC BÀI 3: LỌC KHUNG BẢN

Khoa: KHOA HỌC ỨNG DỤNG – Ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Chuyên ngành: TỔNG HỢP HỮU CƠ

Giảng viên hướng dẫn: TS ĐỖ HẢI SÂM

Sinh viên thực hiện: Trần Đỗ Huê Minh – MSSV: 62100145

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM HỌC 2024 – 2025

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT 1.1 Mục đích thí nghiệm

• Làm quen cấu tạo, nguyên lí hoạt động, cách vận hành hệ thống lọc

• Khảo sát quá trình hoạt động của máy lọc khung bản qua thí nghiệm lọc huyền phù ở các chế

độ áp suất khác nhau

• Xác định các hệ số lọc bằng thực nghiệm

• Xác định trở lực vách ngăn

1.2 Cơ sở lý thuyết

1.2.1 Định nghĩa

Lọc là quá trình phân riêng của hỗn hợp nhờ 1 vật ngăn xốp, vật ngăn xốp có khả năng cho 1 pha đi qua còn pha kia đượ c giữ lại nên còn gọi là vách ngăn lọc

1.2.2 Các chế độ đặc trưng trong quá trình lọc

Lọc chân không và lọc ép được đặc trưng bằng bề mặt lọc:

• Đối với lọc chân không: bề mặt lọc được đổi mới liên tục

• Đối với lọc ép: lớp bã phải đủ dày để tạo thành áo lọc

1.3 Cơ sở xử lý số liệu

1.3.1 Xây dựng đồ thị V = f(t)

• Ta có : 𝑞 =𝑉

𝑆 , (𝑚𝑚32) là lượng nước lọc riêng thu được

• Trong đó: V là thể tích nước lọc thu được (m3)

S = n f với n là số tấm vải lọc, f là diện tích một tấm vải lọc (m2)

1.3.2 Giải hệ phương trình lọc

• Lọc trên mặt phẳng với ∆𝑃 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

→ 𝑞2+ 2𝐶𝑞 = 𝐾𝑡 (3.5)

• Hệ phương trình lọc:

{𝑞1

2+ 2𝐶𝑞1 = 𝐾𝑡1

𝑞22+ 2𝐶𝑞2 = 𝐾𝑡2 (3.6)

• Trong đó: q 1 , q 2 là lượng nước lọc riêng thu được ở thời điểm t1, t2 (𝑚3

𝑚 2)

C, K là hằng số lọc cần xác định

1.3.3 Xây dựng đồ thị r = f (q)

• Phương trình lọc dạng nghịch đảo:

𝑟 = 𝑑𝑡

𝑑𝑞=

2

𝐾𝑞 +

2𝐶 𝐾

• Hình 1.1 thể hiện r = f(q) là đường thẳng với hệ số góc 2/K, tung độ góc 2C/K

Hình 1: Đồ thị sự phụ thuộc của dt/dq theo q

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Hệ thống thí nghiệm

Hình 2 mô tả hệ thống thí nghiệm lọc khung bản Hệ thống bao gồm các bộ phận sau:

• Thiết bị lọc khung bản: 3 khung, 4 bản, 6 tấm vải lọc

• Bồn chứa huyền phù, cánh khuấy

• Máy bơm huyền phù

• Hệ thống các van điều chỉnh

• Dụng cụ đo: áp kế (đo áp suất dư), ống đong

Hình 2: Sơ đồ hệ thống thí nghiệm lọc khung bản

2.2 Trình tự thí nghiệm

Bước 1: kiểm tra và chuẩn bị hệ thống

• Chuẩn bị huyền phù: cân 20 (gam) bột CaCO3 cho vào bồn khuấy trộn cùng với 30 (lít) H2O Khởi động motor khuấy

• Mở hoàn toàn van tuần hoàn số 1 (các van còn lại khóa) Khởi động bơm để kiểm tra hoạt động của bơm

• Lắp vải lọc vào hệ thống khung bản

Bước 2: Thực hiện thí nghiệm

• Khi van 1 đang ở chế độ mở hoàn toàn, bơm và động cơ khuấy vẫn hoạt động ổn định, ta bắt đầu tiến hành thí nghiệm

• Mở hoàn toàn van 3 và van 2 cho dung dịch huyền phù vào hệ thống lọc 2

• Đóng từ từ van 1 để điều khiển áp suất dòng vào ở chế độ thực hiện thí nghiệm

• Khi dịch lọc ổn định ở đầu ra, dùng ống đong và thì kế để đo lượng nước lọc thu được theo thời gian và ghi nhận giá trị vào bảng số liệu

• Kết thúc mỗi thí nghiệm thì tắt hệ thống, sau đó vệ sinh hệ thống khung bản và thực hiện lại

từ bước 1

Lưu ý: thực hiện thí nghiệm ở 3 chế độ áp suất khác nhau

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THÔ VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 3.1 Số liệu thô

➢ Tiến hành thí nghiệm thu được số liệu thô thể hiện ở bảng 3

Bảng 3: số liệu thu được sau khi tiến hành thực nghiệm

Vtb (L) ttb (s) Vtb (L) ttb (s) Vtb (L) ttb (s)

Với các điều kiện môi trường và các thông số đã được cho sau đây:

• Nhiệt độ phòng: t = 27oC

• Độ nhớt: 𝜇 = 8.62 × 10−4 (𝑃𝑎.𝑠)

• Nhiệt độ dịch lọc: t = 29oC

• Nhiệt độ nước t = 27oC

• Diện tích khung lọc: 0.2 × 0.2 (m2) = 0.04 (m2)

• Diện tích hai tam giác bị khuất: 1/2 ×0.0352 ×2 = 0.001225 (m2)

• Diện tích một tấm vải lọc: 0.04 − 0.001225 = 0.038775 (m2)

• Diện tích bề mặt lọc: S = n f = 6 × 0.038775 = 0.23265 (m2)

Hình 3: khung lọc trong hệ thống lọc khung bản

3.2 Xử lý số liệu

3.2.1 Với P = 1.3 at

Ta có: ∆𝑃 = (1.3−1) × 98100 = 29430 N/m2

q1 được tính như sau:

𝑞1=𝑉

𝑆 =

0.6 × 10−3

0.23265 = 0.00258

𝑚3

𝑚2

Tương tự tính q2, q3 thu được bảng số liệu 3.1

Bảng 3.1: các giá trị kết quả tại ∆P = 0.3 at

STT V (m 3 ) t (s) q (m 3 /m 2 ) ∆t ∆q

Từ các trị số kết quả ở bảng 3.1 xây dựng đồ thị biểu diễn q = f(t) ở hình 4 và đồ thị biểu diễn r = f(q)

ở hình 5

Hình 4: Lượng nước lọc riêng theo thời gian ở áp suất dư là 0.3 at

Tính toán K và C

- Chọn q1 = 0.00258 (m3/m2 ), t1 = 6.52 (s) và q2 = 0.00344 (m3/m2 ) , t2 = 8.82 (s)

- Ta có hệ phương trình sau:

{𝑞1

2+ 2𝐶𝑞1= 𝐾𝑡1

𝑞22+ 2𝐶𝑞2= 𝐾𝑡2

→ {0.002582+ 2𝐶 × 0.00258 = 6.52𝐾 0.003442+ 2 × 0.00344𝐶 = 8.82𝐾

- Giải hệ phương trình, ta được:

→ { 𝐶 = 0.028 (𝑚

3/𝑚2) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

𝐾 = 2.34 × 10−5(𝑚2/𝑠) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

Bảng 3.2: các kết quả và kết luận tại áp suất dư là 0.3at

q1 t1 q2 t2 C (𝑚3/𝑚2) K (𝑚2/𝑠) Kết luận

0.00258 6.52 0.00344 8.82 0.028 2.34 × 10−5 Nhận nghiệm

0.00258 6.52 0.00430 10.48 - 0.025 −1.91 × 10−5 Loại nghiệm

0.00344 8.82 0.00430 10.48 - 0.010 −6.78 × 10−5 Loại nghiệm

• Giá trị thu được:

𝐶 = 0.028 (𝑚3/𝑚2)

𝐾 = 2.34 × 10−5(𝑚2/𝑠)

• Ta có: 𝐶 = 𝑅𝑣

𝑟0×𝑋0 ; 𝐾 =𝜇×𝑟2×∆𝑃

0 ×𝑋0

→ 𝐶

𝑚)

y = 0.0004x - 0.0003 R² = 0.9916

0.00250 0.00300 0.00350 0.00400 0.00450 0.00500

3/m

2)

thời gian t (s)

Đồ thị q = f(t) ở ∆P = 0.3 at.

Hình 5: Đồ thị dt/dq theo q ở ∆P = 0.3 at

Ta có: 𝑞2+ 2𝐶𝑞 = 𝐾𝑡 →𝑡

𝑞= 2

𝐾𝑞 +2𝐶

𝐾 = 𝑎𝑥 + 𝑏

- Trong đó: 𝑎 = 2

𝐾; 𝑏 =2𝐶

𝐾

- Từ đồ thị, ta có phương trình: y = 85470x + 2393,2

{

𝑎 = 85470 = 2

𝐾→ 𝐾 = 2.34 × 10

−5(𝑚2/𝑠) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

𝑏 = 2393,2 =2𝐶

𝐾 → 𝐶 = 0.028 (𝑚

3/𝑚2) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

3.2.2 Với P = 1.4 at

Ta có: ∆𝑃 = (1.4−1) × 98100 = 39240 N/m2

q1 được tính như sau:

𝑞1=𝑉

𝑆 =

0.6 × 10−3

0.23265 = 0.00258

𝑚3

𝑚2

Tương tự tính q2, q3 thu được bảng số liệu 3.3

Bảng 3.3: các giá trị kết quả tại ∆P = 0.4 at

STT V (m 3 ) t (s) q (m 3 /m 2 ) ∆t ∆q

Từ các trị số kết quả ở bảng 3.3 xây dựng đồ thị biểu diễn q = f(t) ở hình 6 và đồ thị biểu diễn r = f(q)

ở hình 7

y = 85470x + 2393,2 R² = 0.998

2600

2620

2640

2660

2680

2700

2720

2740

2760

2780

Lượng nước lọc riêng (m3/m2)

Đồ thị r = f(q) ở ∆P = 0.3 at

Hình 6: Lượng nước lọc riêng theo thời gian ở áp suất dư là 0.4 at

Tính toán K và C

- Chọn q1 = 0.00258 (m3/m2 ), t1 = 5.79 (s) và q2 = 0.00344 (m3/m2 ) , t2 = 6.23 (s)

- Ta có hệ phương trình sau:

{𝑞1

2+ 2𝐶𝑞1= 𝐾𝑡1

𝑞22+ 2𝐶𝑞2= 𝐾𝑡2

→ {0.002582+ 2𝐶 × 0.00258 = 5.79𝐾 0.003442+ 2 × 0.00344𝐶 = 6.23𝐾

- Giải hệ phương trình, ta được:

→ { 𝐶 = −0.003 (𝑚

3/𝑚2) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

𝐾 = −1.98 × 10−6(𝑚2/𝑠) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

Bảng 3.4: các kết quả và kết luận tại áp suất dư là 0.4 at

q1 t1 q2 t2 C (𝑚3/𝑚2) K (𝑚2/𝑠) Kết luận

0.00258 5.79 0.00344 6.23 - 0.003 −1.98 × 10−6 Loại nghiệm

0.00258 5.79 0.00430 8.53 - 0.008 −6.60 × 10−6 Loại nghiệm

0.00344 6.23 0.00430 8.53 0.003 4.98 × 10−6 Nhận nghiệm

• Giá trị thu được:

𝐶 = 0.003 (𝑚3/𝑚2)

𝐾 = 4.98 × 10−6(𝑚2/𝑠)

• Ta có: 𝐶 = 𝑅𝑣

𝑟0×𝑋0 ; 𝐾 =𝜇×𝑟2×∆𝑃

0 ×𝑋0

→ 𝐶

8.62 × 10−4× 4.98 x 10−6 = 5.48 × 1010 (1

𝑚)

Từ q1 ,2,3 và C, K Ta lập bảng số liệu sau dựa trên phương trình lọc dạng nghịch đảo:

y = 0.0005x - 0.0003 R² = 0.8668

0 0.0005

0.001 0.0015

0.002 0.0025

0.003 0.0035

0.004 0.0045

0.005

3/m

2)

thời gian t (s)

Đồ thị q = f(t) ở ∆P = 0.4 at.

Hình 7: Đồ thị dt/dq theo q ở ∆P = 0.4 at

Ta có: 𝑞2+ 2𝐶𝑞 = 𝐾𝑡 →𝑡

𝑞= 2

𝐾𝑞 +2𝐶

𝐾 = 𝑎𝑥 + 𝑏

- Trong đó: 𝑎 = 2

𝐾; 𝑏 =2𝐶

𝐾

- Từ đồ thị, ta có phương trình: y = 401844x + 1204.5

{

𝑎 = 401844 =2

𝐾→ 𝐾 = 4.97 × 10

−6(𝑚2/𝑠) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

𝑏 = 1204.5 =2𝐶

𝐾 → 𝐶 = 0.00299 (𝑚

3/𝑚2) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

3.2.3 Với P = 1.5 at

Ta có: ∆𝑃 = (1.5−1) × 98100 = 49050 N/m2

q1 được tính như sau:

𝑞1=𝑉

𝑆 =

0.6 × 10−3

0.23265 = 0.00258

𝑚3

𝑚2

Tương tự tính q2, q3 thu được bảng số liệu 3.5

Bảng 3.5: các giá trị kết quả tại ∆P = 0.5 at

STT V (m 3 ) t (s) q (m 3 /m 2 ) ∆t ∆q

Từ các trị số kết quả ở bảng 3.1 xây dựng đồ thị biểu diễn q = f(t) ở hình 8 và đồ thị biểu diễn r = f(q)

ở hình 9

y = 401844x + 1204,5 R² = 0.997

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Lượng nước lọc riêng (m3/m2)

Đồ thị r = f(q) ở ∆P = 0.4 at

Hình 8: Lượng nước lọc riêng theo thời gian ở áp suất dư là 0.5 at

Tính toán K và C

- Chọn q1 = 0.00258 (m3/m2 ), t1 = 3.52 (s) và q2 = 0.00344 (m3/m2 ) , t2 = 6.42 (s)

- Ta có hệ phương trình sau:

{𝑞1

2+ 2𝐶𝑞1= 𝐾𝑡1

𝑞22+ 2𝐶𝑞2= 𝐾𝑡2

→ {0.002582+ 2𝐶 × 0.00258 = 3.52𝐾 0.003442+ 2 × 0.00344𝐶 = 6.42𝐾

- Giải hệ phương trình, ta được:

→ {𝐶 = 1.212 × 10

−4 (𝑚3/𝑚2) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

𝐾 = 1.713 × 10−6(𝑚2/𝑠) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

Bảng 3.6: các kết quả và kết luận tại áp suất dư là 0.5at

0.00258 3.52 0.00344 6.42 1.212 × 10−4 1.713 × 10−6 Nhận nghiệm 0.00258 3.52 0.00430 7.59 - 0.00638 4.29 × 10−6 Loại nghiệm 0.00344 6.42 0.00430 7.59 0.00965 −8.5 × 10−6 Loại nghiệm

• Giá trị thu được:

𝐶 = 1.212 × 10−4 (𝑚3/𝑚2)

𝐾 = 1.713 × 10−6(𝑚2/𝑠)

• Ta có: 𝐶 = 𝑅𝑣

𝑟0×𝑋0 ; 𝐾 = 2×∆𝑃

𝜇×𝑟0×𝑋0

→ 𝐶

𝑚)

Từ q1 ,2,3 và C, K Ta lập bảng số liệu sau dựa trên phương trình lọc dạng nghịch đảo:

y = 0.0006x - 0.0004 R² = 0.9923

0.002 0.0025

0.003 0.0035

0.004 0.0045

3/m

2)

Thời gian lọc (s)

Đồ thị q = f(t) ở ∆P = 0.5 at.

Hình 9: Đồ thị dt/dq theo q ở ∆P = 0.5 at

Ta có: 𝑞2+ 2𝐶𝑞 = 𝐾𝑡 →𝑡

𝑞= 2

𝐾𝑞 +2𝐶

𝐾 = 𝑎𝑥 + 𝑏

- Trong đó: 𝑎 = 2

𝐾; 𝑏 =2𝐶

𝐾

- Từ đồ thị, ta có phương trình: y = 1167542.33x + 141.51

{

𝑎 = 1167542.33 =2

𝐾→ 𝐾 = 1.713 × 10

−6(𝑚2/𝑠) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

𝑏 = 141.51 =2𝐶

𝐾 → 𝐶 = 1.212 × 10

−4 (𝑚3/𝑚2) (𝑛ℎậ𝑛 𝑛𝑔ℎ𝑖ệ𝑚)

Phần bàn luận

Trong quá trình lọc, chất rắn trong huyền phù được giữ lại nhờ một lớp vật liệu lọc Chiều cao lớp chất rắn này tăng theo thời gian và tạo thành một lớp bánh lọc có tác dụng như một lớp màng lọc mới làm tăng chất lượng của quá trình lọc Độ lọc hiệu dụng phụ thuộc vào kích cỡ hạt rắn và chiều cao của lớp bánh lọc Vật liệu lọc ban đầu có tác dụng giữ và tạo thành bánh lọc Bên trong vật liệu lọc không xảy ra quá trình tách giữ, có nghĩa là các tiểu phân nhỏ hoặc được lưu trên lớp bánh lọc hoặc được chui qua Dịch lọc ban đầu không trong suốt vì các tiểu phân nhỏ đã chui qua vật liệu lọc Chỉ khi nào các hạt chất rắn kết tụ lại thành các lỗ rất nhỏ trên vật liệu lọc thì chất lượng lọc mới tốt được Song

ở đây các hạt giữ lại cũng tạo ra một sự cản trở của dòng chảy khi lọc Độ cản trở tăng theo chiều cao của lớp bánh lọc Muốn đảm bảo tốc độ lọc nhanh, người ta phải tăng sự chênh lệch về áp suất qua màng và đến một chiều cao bánh lọc nhất định nào đó phải ngừng quá trình

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc:

- Độ nhớt của dung dịch huyền phù

- Nhiệt độ lọc, vận tốc dung dịch huyền phù qua hệ thống lọc

- Vận tốc của lưu chất lọc

- Áp suất lọc: khi áp suất trước bề mặt vật liệu lọc tăng thời gian để thu được nước trong được rút ngắn lại

- Lớp bã lọc và tính chất lớp vách ngăn: càng về sau lớp bã bám trên khung vải

lọc ngày càng nhiều nên thời gian thu được nước trong càng lâu

- Lớp vải lọc, hệ thống lọc

- Tính chất của huyền phù

- Nhiệt độ lọc

Các phương pháp để làm tăng năng suất lọc:

- Tăng áp lực lọc

- Tăng tốc độ lọc

y = 1167542.33 x + 141.51

R 2 = 0.994

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

Lượng nước lọc riêng (m3/m2)

Đồ thị r = f(q) ở ∆P = 0.5 at

- Tăng số lượng khung bản

- Gia nhiệt trong quá trình lọc để giảm độ nhớt

Nguyên nhân dẫn đến sai số:

- Thao tác điều chỉnh áp suất, bấm thời gian chưa được chính xác và đọc thông

số chưa đúng thời điểm dẫn đến sai số

- Do lượng huyền phù pha có thể chưa hòa tan hoàn toàn nên thiếu chính xác

trong quá trình lọc

- Vải lọc chưa khớp với khung bản dẫn đến hệ thống bị rò rỉ

- Vải lọc và khung lọc giặt rửa chưa sạch gây tắt nghẽn trong quá trình lọc, gây ra sai số

Cách khắc phục sai số

- Hiểu rõ thiết bị và nắm chắc thao tác để hạn chế sai số

- Chỉnh đồng hồ áp suất ổn định rồi mới tiến hành đo, và kiểm tra đồng hồ áp

suất để điều chỉnh kịp thời

- Giặt vải lọc và rửa kỹ khung lọc

- Lắp ráp khung bản khớp với nhau để hạn chế rò rỉ

- Khuấy kỹ và duy trì lượng huyền phù ổn định nhất có thể

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa học & thực phẩm – Tập 3 – Truyền Khối, NXB ĐHQG TP HCM, ĐHBK Tp HCM, 2011, 388 tr

[2] Trịnh Văn Dũng, Tóm tắt bài giảng các Quá trình và Thiết bị Truyền khối, NXB ĐH Bán công Tôn Đức Thắng TP HCM, 2003, 199 tr

[3] Bộ môn Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất, Khoa Hóa, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1, NXB Khoa học và

Kỹ thuật Hà Nội, Hà Nội, 1992, 630 tr

[4] Trịnh Văn Dũng, Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa học & thực phẩm – Bài tập – Truyền Khối, NXB ĐHQG TP HCM, ĐHBK TP.HCM, 2011, 162 tr

[5] Bộ môn Máy và Thiết bị, Bảng tra cứu quá trình cơ học truyền nhiệt – truyền khối, NXB ĐHQG TP HCM, ĐHBK TP.HCM, 2011, 68 tr