BAI 1: DONG CHẢY CHẤT LỎNG TỪ BỒN CHỨA RA MOI TRƯỜNG BÊN NGOÀI QUA LỖ TRỐNG L Mục tiêu thí nghiệm - _ Quan sát hiện tượng rò rỉ của lưu chất nước từ bồn chứa ra môi trường bên ngoài qua
Trang 1DAI HQC QUOC GIA THANH PHO HO CHI MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA Khoa Kỹ thuật Hoá học
BAO CAO THI NGHIEM AN TOAN QUA TRINH
(CH4052) NHÓM 02— LỚP L09-— HIK 231 NGAY NOP: 05/12/2023 Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kim Trung Sinh viên thực hiện:
1/ Nguyễn Kiều Quốc Huy - 2013313
2/ Lê Đức Thạc - 2010630
3/ Nguyễn Thị Thanh Tuyền - 2012365
4/ Trần Thanh Vũ - 2012446 5/ D6 Thi Ai Vy - 1916014
6/ Huynh Ngoc Nhu Y - 2012468
TP HO CHI MINH, NAM 2023
Trang 2MUC LUC BAI 1: DONG CHAY CHAT LONG TU’ BON CHU‘ RA MOI TRUONG BEN
NGOÀI QUA LỖ TRỐNG -CCCCCEEEEEEE.L 4412EE2122222222221244222Ecrerkrred 3 BÀI 2 DONG CHAY CHAT KHI TU BON CHUA RA MOI TRUONG BEN
BÀI 3 ÁP SUÁTT HƠI RED - 5° <5 8S sEEsEEsEEsEEse+serserserserssreersre 38
BÀI 4 XÁC ĐỊNH ĐIÊỄM CHỚP CHÁY CÓC KÍN (ASTM D 56) 42
Trang 3BAI 1: DONG CHẢY CHẤT LỎNG TỪ BỒN CHỨA RA MOI
TRƯỜNG BÊN NGOÀI QUA LỖ TRỐNG
L Mục tiêu thí nghiệm
- _ Quan sát hiện tượng rò rỉ của lưu chất (nước) từ bồn chứa ra môi trường bên ngoài qua lỗ trồng Quan sát sự thay đôi theo thời gian của các thông số sau: quỹ tích dòng chảy, chiều cao mực chất lỏng còn lại trong bình chứa
- Xác định hé sé C, (discharge coefficient) cho 2 loai orifice khac nhau vé kich thước lỗ
- _ Kiểm chứng các phương trình tính toán được nêu trong mục 4.3 tài liệu tham khảo
1 (4-3 Flow of Liquid through a Hole in a Tank")
II Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Hệ thống thiết bị thí nghiệm bao gồm các thiết bị sau:
1 Bình chứa hình trụ tròn (hình 1) với các thông số sau:
- _ Vật liệu chế tạo bồn chứa là nhựa acrylic
- _ Kích thước: đường kính trong 20 em, chiều cao 50 em
-_ Phía trong bình chứa có kẻ vạch đo mực chất lỏng (khắc trực tiếp lên thành bình)
- _ Trên thân bình gắn một vòi nước, ở đầu ra của vòi có gắn săn đĩa tròn bằng kim loại có đục lỗ (đĩa tron co 16 tréng nay goi la dia orifice) Vi tri cua lỗ trống cách day binh 10cm
2 Ứng dụng đo thời gian có chức năng bẩm giò, đo thời gian giữa 2 lần bấm (time lapse) nhu “Stopwatch” trén smartphone
Trang 4Hình 1 Hình ảnh bình chứa chất lỏng
3 Hai orifice plates khac nhau vé kích cõ: lỗ trồng có đường kính lỗ d = 3 mm và d =
6mm
Hinh 2 Orifice plate
II Cơ sở lý thuyết
Lưu lượng dòng chảy lưu chất qua lỗ tròn được cho bởi phương trình sau:
(đây là phương trình 4-12 tài liệu tham khảo L khi áp suất đư của chất lỏng ở bề mặt P,=0)
Q,, =pAC Veh (4)
Hay:
Q, =AC /2gh (2) Trong đó:
Q„, Q„: lưu lượng khối lượng và lưu lượng thê tích của dòng chảy qua lỗ trống 0: khối lượng riêng của lưu chất (ở nhiệt độ lưu chất trong bồn chứa)
A: tiết diện lỗ trồng
C.: hệ s6 (coefficient of discharge)
g: gia tốc trọng trường
h: chiều cao mực chất lỏng trong bình chứa (so với vị trí lỗ trống)
Chiều cao mực chất lỏng trong bình chứa thay đối theo thời gian được cho bởi phương trỉnh sau:
(đây là phương trình 4-18 tài liệu tham khảo | khi ap suat du của chất lỏng ở bề mặt P,=0)
Trang 5h„: chiều cao mực chất lỏng trong bình chứa ở thời điểm ban đầu /= 0 (so với vị trí
lỗ trồng)
Ar dién tích tiết diện ngang của bình chứa
Thời gian đề lưu chất thoát ra hết (mực chất lỏng giảm đến mức chất lỏng thấp nhất = vị trí lỗ rò ri được cho bởi phương trình sau:
¬ Cal A
IV Tiến hành thí nghiệm
Mô tá quy trình tiễn hành thí nghiệm:
- Gan san 1 dia orifice vao binh chia, với lỗ trống được bịt kin = 1 nut chan (plug)
- _ Cho nước vào bình chứa đến độ cao ñ„
- _ Mở nút chặn đề nước trong bình thoát ra ngoài Ghi nhận mốc thời gian ban đầu ,=0
- _ Ghi nhận sự thay đôi của mực chất lỏng trong bình theo thời gian t: cụ thê ghi nhận các mốc thời gian khi mực chất lỏng trong bình thay đôi 1 khoảng xác định trước
là 5 mm Khi tốc độ thoát lỏng giảm dần về 0 thì khoảng thay đổi mực chất lỏng là
2 mm và l mm (cụ thê như được ghi trong các bảng xử lý số liệu 1 và 2)
- Quan sát quỹ tích của dòng chảy ra ngoài, mô tả sự thay đôi của quỹ tích dòng chảy theo thời gian
- _ Dừng thí nghiệm khi mực chất lỏng hạ xuống đến vi trí lỗ tròn (nước không chảy
ra ngoài được nữa) Ghi nhận mốc thời gian nay 1a t
Lặp lại quy trình thí nghiệm như trên một lần Kết quả thí nghiệm trình bày trong bảng báo cáo kết quả thí nghiệm là trung bình cộng của hai lần đo đạc (thời gian tương ứng với các mức chất lỏng ?)
Để tiến hành I thí nghiệm khác với đĩa orifice khac, thay dia orifice có sẵn trong bình chứa bằng đĩa orifice mới
V Kết quả thí nghiệm
Các thông số chung cho cả hai thí nghiệm:
Đường kính trong của bình chứa D, = 20 em
Diện tích tiết diện ngang của của bình chứa A, = 0.03142 m?
Thí nghiệm Ì:
Dia orifice 1, đường kính lỗ trống d = 3 mm
Diện tích tiết điện ngang của lỗ trồng: A = 7.Ix10° m?
Lỗ trồng oriñce cách đáy bình: 106 mm
Trang 6Đồ nước vào bình chứa đến mực chất lỏng 405 mm Do đó, chiều cao ban đầu (chiều cao mực chất lỏng so với tâm lỗ trống): h, = 405 — 106 = 299 mm.
Trang 7Bảng 1 Bảng xử lý số liéu thé cho thi nghiém 1, Dia orifice 1, dung kính lỗ trong
Trang 11
Thời gian (giây)
Hình 3 DÔ thị mô tả sự thay đối chiều cao mực chất lỏng theo thời gian ứng với lỗ trồng
3mm
Giá tri trung binh cua C, xac dinh theo bang két qua thi nghiém trén la: Com = 0.7877 Giá trị C; theo nguyên tắc bình phương cực tiêu: Cạ= 0.7783
Thời gian đề lưu chất thoát ra hết:
Gia tri thực nghiệm t = 1368.L8 (giây)
Gia tri tinh theo phương trình (4): t,= 1393.08 (giây)
Thí nghiêm 2:
Đĩa oriñce 2, đường kính lễ trống: đ= 6 mm
Diện tích tiết điện ngang của lỗ trông: A = 2.§3x10 m?
II
Trang 12L6 tréng orifice cach day binh 103.5 mm
Đồ nước vào bình chứa đến mực chất lỏng 455 mm Do đó, chiều cao ban đầu (chiều cao mực chất lỏng so với tâm lỗ trống) A, = 455 — 103.5 mm = 351.5 mm
Bảng 3 Báng xử lý số liéu thé cho thi nghiém 2: Dia orifice 2, đường kính lỗ trống
d=6mm
Trang 14
(giây) | (mm) | (mm) | (m%s) (mm)
Trang 17Giá trị Cạ theo nguyên tắc bình phương cực tiểu: C, = 0.7089
Thời gian đề lưu chất thoát ra hết:
Gia tri thực nghiệm t, = 392.57 (s)
Gia tri tính theo phương trình (4): t = 419.2 (s)
" Thay đổi mực chất lỏng theo thời gian
Hinh 4 Dé thi mô tả sự thay đổi mực chất lỏng theo thời gian ứng với lỗ tréng 6mm
VL Cau hoi bàn luận
1 Trong hệ thông thiết bị thực tế, lỗ trắng được tạo ra không phải trên thành bình
mà trên 1 vòi, thực tế vị trí lỗ trắng cách thành bình khoảng 3 cm Sự khác biệt giữa hệ thông thiết bị thực tẾ và tinh huéng xảy xa rò ri theo lÿ thuyết (hình 4-5 tài liệu tham khảo [1]) có ảnh hưởng gì đến kết quả tính toán hệ số C và thời gian để lưu chất thoát
ra hết f, ?
- _ Sự khác biệt giữa hệ thống thiết bị thực tế và tình huồng xảy xa rò ri theo lý thuyết
có thể ảnh hưởng đến kết quả tính toán hệ số C, và thời gian đề lưu chất thoát ra
hết t., cụ thể như sau:
Hệ số C là một hệ số phụ thuộc vào nhiều yếu tô, trong đó có hình dạng và vị trí
của lỗ trống Sự khác biệt về vị trí lỗ trống giữa hệ thống thiết bị thực tế và tinh huồng xảy xa rò rỉ theo lý thuyết có thê dẫn đến sự khác biệt về hệ số C,
Thời gian t.: phụ thuộc vào hệ số C„ và các thông số khác như chiều cao mực chất
lỏng ban đầu, điện tích tiết điện ngang của lỗ trồng Sự khác biệt về hệ số C„ có thê dẫn đến sự khác biệt về thời gian t
17
Trang 18trống trong tình huống xảy xa rò rỉ theo lý thuyết, thì hệ số Ca sẽ lớn hơn Điều này
là do khi lỗ trống nằm xa thành bình hơn, thì dòng chảy của lưu chất sẽ ít bị cản trở bởi thành bình hon, dẫn đến hệ số C, lớn hơn
- _ Ngược lại, nêu lỗ trồng trong hệ thống thiết bị thực tế nằm gần thành bình hơn so với lỗ trồng trong tình huồng xảy xa rò rỉ theo lý thuyết, thì hệ số C„ sẽ nhỏ hơn
- _ Về thời gian ¿„ nêu hệ số C„ lớn hơn, thì thời gian te sẽ nhỏ hơn Điều này là do hệ
số C¿ lớn hơn tương ứng với tốc độ dòng chảy của lưu chất lớn hơn, dẫn đến thời gian đề lưu chất thoát ra hết sẽ nhỏ hơn
2 Bàn luận về sai số thí nghiệm: sự lặp lại của kết qua do đạc, giả trị sai số tương đối có chấp nhận được ?
- _ Ở thí nghiệm lỗ trống 3mm, sai số tương đối các lần đo đều nằm trong khoảng dưới 1% ( ngoại lệ lần đầu tiên ở khoảng 2% cho thấy kết quả đo đạc có sự chính
xác tương đối cao Kết quả thực hiện thí nghiệm có thé chap nhận được
- _ Ở thí nghiệm lỗ trống 6mm, sai số tương đối các lần đo đều nằm trong khoảng dưới 1.5% ( trừ hai lần đầu có sự sai lệch lớn khoảng 11%) Nhìn chung, sai số tương đối của phép đo là nhỏ, cho thấy kết quả đo đạc có độ chính xác khác cao, đáng tin cậy Do đó, kết quả thí nghiệm có thê chấp nhận được
- _ Tuy nhiên, dé có kết quả thí nghiệm chính xác hơn, cần tăng số lần đo đạc và giảm sai số trong quá trình đo đạc, cần yêu cầu người thực hiện chính xác hơn
3 Có hai phương pháp xác định hệ số C, (bảng xử lý số liệu và bình phương cực tiểu) Nên chấp nhận hệ số C, theo phương pháp tính toán nào ? Tại sao ?
- _ Phương pháp bảng xử lý số liệu đơn gián, đễ thực hiện, nhưng có thể dẫn đến sai
số do sai số trong quá trình đo đạc ( hạn chế ở dụng cụ đo đạc, người thực hiện,
4 Kích thước lỗ trắng có ảnh hưởng đúng kế đến hệ số C,? Tại sao ?
Kích thước lỗ trống có ảnh hưởng đáng kẻ đến hệ số C vì hệ số C„ phụ thuộc vào tiết diện lỗ trống, khi tăng tiết diện thì hệ số C„ giảm và ngược lại Ngoài ra, việc
18
Trang 19kích thước lỗ trống tăng cũng làm thay đối thời gian chảy của chất lỏng, qua đó ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy của chất lỏng
5 Tinh chat vat lý nào của lưu chất ảnh hướng lớn nhất đến hết quả về hệ số C„
và thời gian để lưu chất thoát ra hết t,? Nếu thay nước bằng lưu chất có độ nhót lớn hơn nhự dầu nhót thì hệ số C, và thời gian t, tăng hay giảm ?
Độ nhớt của chất lỏng là yêu tô ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả về hệ số C và thời gian t Khi thay nước bằng lưu chất có độ nhớt cao hơn như dầu nhớt thì thời gian
t, sẽ tăng lên và hệ số C, sẽ giảm
VIL Tài liệu tham khảo
[1] Daniel A Crowl; Joseph F Louvar (2011) Chemical Process Safety: Fundamentals and Applications, 3rd edition, Prentice Hall PTR
19
Trang 20BAI 2 DONG CHAY CHAT KHi TU BON CHUA
RA MOI TRUONG BEN NGOAI QUA LO MO
Lưu lượng dòng chảy khí qua lỗ tròn có tổn thất đo ma sát tương đối nhỏ được
xem là quá trình giãn nở khí tự do được mô tả trong hình dưới đây:
Trang 21
Cy: hé s6 can dong A: dién tích tiết diện lỗ trống
P,: ap suat tuyệt đối phía nguồn (upsteam)
P: áp suất tuyệt đôi môi trường bên ngoài
T;: nhiệt độ phía nguồn
M: khối lượng phân tử của chất
R,: hang số khí
y: hằng số nhiệt dung, đối với không khí cóy= 1.4
II Quy trình tiến hành thí nghiệm
1 Hệ thống thiết bị thí nghiệm
Hệ thống thiết bị thí nghiệm bao gồm các thiết bị sau:
— Bình chứa không khí kết nối máy nén
— Bình chứa bằng thép hình trụ, thê tích chứa của bình chứa = 23.2 lit = 0,0232 m3
— Hai dia orifice plate co kich thudc 16 trồng l mm và 2 mm
D®@ @
Hình 2 Sơ đồ hệ thống thiết bị thí nghiệm
(5) Áp kế đầu vào
21
Trang 22
2 Tiến hành thí nghiệm
Chuân bị thí nghiệm: Lắp oriñce vào họng thoát của bình chứa, đường thoát khí ra bị chặn lại bằng cách đóng van trên đường thoát khí Mở van nồi bình máy nén khí với bình chứa, điều chỉnh van điều áp đến khi đạt áp suất mong muốn và ồn định Đóng van nối bình máy nén khí với bình chứa
Chuân bị thu thập số liệu thí nghiệm: số liệu thí nghiệm (nhiệt độ và áp suất ở đầu vào
và đầu ra của bình chứa) sẽ được ghi nhận theo thời gian thực bằng tính năng quay video cua smartphone
Thu thập số liệu: Cho khí thoát ra ngoài bằng cách mở van trên đường thoát khí, khí sé theo ống dẫn và di qua lỗ trồng orifice dé thoát ra ngoài, tiễn hành ghi nhận các thông số: nhiệt độ và áp suất ở đầu vào và đầu ra của bình chứa theo thời gian thực Sinh viên quay video và sau đó phân tích file video ghi hình để có được các thông số nhiệt độ va áp suất theo thời gian t
Chuân bị cho lần đo tiếp theo: thời gian tiền hành một thí nghiệm (tương ứng với l giá trị áp suất ban đầu của bình chứa và 1 loại orifice) chí khoảng vài phút; một thí nghiệm kết thúc khi áp suất bên trong bình chứa và áp suất môi trường bên ngoài bằng nhau (cảm biến đo áp suất thể hiện giá tri do là áp suất dư bằng 0); khi đó khóa van trên đường thoát khí để chuẩn bị cho thí nghiệm tiếp theo Thay đổi giá trị áp suất ban đầu của bình chứa
22
Trang 23Thời gian | Nhiệt độ | Nhiệt độ [ Áp su p Lưu Nhiệt độ [ Nhiệt độ | Áp su
đầu vào đâura dauvao | daura lượng đâu vào dau ra dau vao
Trang 24
Thí nghiệm 1 Thí nghiệm 2
| Nhiệt độ | Nhiệt độ | Ápsuã | Áp suất Lưu | Nhiệtđộ | Nhiệt độ | Ápsuậ | Áp suất Lưu
Thời gian BI A As A As A - À
đâu vào đâura | đâu vào đầu ra lượng đâu vào đâura đầu vào đâu ra lượng
(°C) (°C) (Bar) (Bar) (1mm) (°C) (°C) (Bar) (Bar) (min)
Thi nghiém 1 Thi nghiém 2
‘ Luu Nhiệt độ | Nhiệt độ ‘ Luu Nhiệt độ | Nhiệt độ
(MPa) luong dau vao dau ra (MPa) luong dau vao dau ra
0,504 48,1 32,8 32,9 0,503 48,1 32,7 34,8 0,406 39,9 327 30,8 0,404 396 326 31,1 0,308 32 32 31,2 0,305 31,9 32,2 29,9 0,205 25,2 32,5 29.6 0,204 254 32 289 0,105 16 32,2 28,6 0,105 16 31,7 28,3
Bảng 4 Thí nghiệm với dụ = 2 mn
Thí nghiệm Í Thí nghiệm 2
‹ ⁄ Lưu Nhiệt độ | Nhiệt độ ‹ ⁄ Lưu Nhiệt độ | Nhiệt độ
(MPa) luong dau vao dau ra (MPa) luong dau vao dau ra
a : ° ° a : ° ©
0,504 176,9 33,3 334 0,504 176,4 35,5 33 0,405 147,4 33,4 30,9 0,403 145,9 35,1 31,8 0,305 118,2 33,4 29,1 0,305 118,2 34,7 30,5 0,205 89,1 33,3 28,2 0,205 88,8 34 29,1 0,106 56,1 32,7 258 0,108 56,7 333 273
24