Quá trình và thiết bị khuấy trộn trong công nghệ (GS.TSKH Nguyễn Minh Tuyển).pdf

Quá trình và thiết bị khuấy trộn trong công nghệ (GS.TSKH Nguyễn Minh Tuyển).pdfQuá trình và thiết bị khuấy trộn trong công nghệ (GS.TSKH Nguyễn Minh Tuyển).pdf Quá trình và thiết bị khuấy trộn trong công nghệ (GS.TSKH Nguyễn Minh Tuyển).pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

GS TSKH NGUYÊN MINH TUYỂN

QUA TRINH

VA THIET BI KHUAY TRON

TRONG CONG NGHE

tas NHA XUAT BAN XAY DUNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

GS TSKH NGUYEN MINH TUYEN

QUA TRINH VA THIET BI KHUAY TRON

TRONG CONG NGHE

LỜI NÓI ĐẦU

Các thiết bị khuấy trộn là những thiết bị dùng năng lượng cơ học của

cơ cấu khuấy trộn để làm đông đêu các hỗn hợp đông thể hoặc dị thể, để tăng cường các quá trình chuyển nhiệt, chuyển khối uà phản ứng hoá học, đồng thời tạo ra các hệ nhũ tương, huyền phù uà hệ bọt Do đó các

thiết bị khuấy trộn góp phần quan trọng uào uiệc tăng năng suất của các

hệ thống máy uè thiết bị công nghệ Ngoài ra, các thiết bị khuấy trộn còn

có uai trò quyết định trong uiệc sản xuất ra các sản phẩm có chất lượng

đông đêu, phù hợp uới tiêu chuẩn bš thuật uà tạo ra các sản phẩm có chất lượng đặc biệt (thí dụ không có máy khuấy không thể sản xuất được thuỷ tính quang học) Chính uì thế mà các thiết bị khuấy trộn được dùng nhiều trong công nghệ hoá học, công nghệ môi trường, công nghệ thực

phẩm, công nghệ dược phẩm, công nghệ luyện kim, công nghệ uật liệu

xây dựng, công nghệ chế biến nông lâm hỏi sản, công nghệ khai thác mỏ

va nhiều ngành công nghệ khac

Để sử dụng tốt nhất khả năng làm uiệc của các thiết bị khuấy trộn

đang hoạt động trong công nghệ uà thiết bế được những mẫu máy làm

viée ơn toàn có hết cấu hợp ly, thích hợp uới từng hoàn cảnh cụ thể cần

nắm được nguyên lý làm uiệc, hết cấu, các phương phúp tính toán thuỷ động lực học, tính công suốt, tính toán công nghệ, tính toán cơ khí cũng như các nguyên tắc lắp đặt, uận hành, bảo dưỡng các máy uà thiết bị

khuấy trộn Với mục đích trao đổi uà cung cấp những kiến thức cơ bản uề

các uấn đề trên chúng tôi biên soạn cuốn sách này

Sách có nội dụng phù hợp uới các kỹ sử, cán bộ kỹ thuật công tác tại

các công ty, nhà máy, xí nghiệp, các uiện nghiên cứu uà thiết kế thuộc các ngành công nghệ có liên quan tới quá trinh va thiét bị khuấy trộn Đồng

thời sách còn có thể làm tài liệu tham khảo cho các thầy giáo, sinh uiên

các chuyên ngành thuộc các ngành công nghệ: uật liệu xây dựng, luyện bim, khai thúc mỏ, hoá chất, dược phẩm, môi trường u.U

Do khuôn bhổ cuốn sách có hạn, nên trong quó trình biên soạn va trình bày không tránh khỏi các thiếu sói Chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc

Tác giả

các ống có dòng chất lỏng chảy qua, trong các bơm vận chuyển, trên đĩa của các tháp

tinh luyện, v.v cũng như trong các thiết bị khuấy hoạt động nhờ năng lượng cơ học đưa

vào qua cơ cấu khuấy hoặc nhờ năng lượng của dòng khí nén Trong khuôn khổ của

cuốn sách này chúng ta chỉ xét tới loại thiết bị khuấy cơ học với cơ cấu khuấy - còn gọi tắt là máy khuấy

Quá trình khuấy cơ học được sử dụng nhằm mục đích: _

1) Tạo ra các hệ đồng nhất từ các thể tích lỏng và lỏng, khí, rắn có tính chất thành

phần khác nhau: dung dịch, nhũ tương, huyền phù, hệ bọt v.v

2) Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt

3) Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyền khối và quá trình

hoá học

Ba loại quá trình điển hình này thực hiện với các hệ đồng thể và dị thể khác nhau như

hệ lỏng - lông, lỏng - rắn , lỏng - khí trong các loại hình thiết bị rất đa dạng như thiết bị

phản ứng (thiết bị sunfô hoá, nitro hoá v.v ), thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị tạo nhũ

tương và tạo huyền phù

1.1 CÁC CHỈ TIÊU CO BAN ĐỂ ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH KHUẤY

1.1.1 Mức độ khuấy

Mức độ khuấy là sự phân bố tương hỗ của hai hoặc nhiều chất sau khi khuấy cả hệ Mức độ khuấy trộn chính là một loại chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả khuấy và cũng có thể

được sử dụng để đánh giá cường độ khuấy

Có thể dùng nhiều công thức khác nhau để tính mức độ khuấy Ï trên cơ sở phân tích các mẫu thử lấy từ thể tích được khuấy, trong số đó công thức của Hixơn và Tenny là

thông dụng hơn cả:

Trong đó: AS, AS„„„ - lượng tăng entropi của chất lỏng được khuấy sau thời gian

khuấy + và sau khi khuấy hoàn toàn t = 0

Dạng cụ thể của hàm (1-3) đối với cơ cấu khuấy tuabin được thiết lập nhờ khuấy thực

nghiệm hai thể tích một chất lỏng có nhiệt độ khác nhau:

Trong đó:

t - thời gian khuấy;

k - hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds và là đại lượng để đo cường độ khuấy

(k càng lớn thời gian khuấy càng nhỏ)

1.1.2 Cường độ khuấy trộn

Người ta thường dùng một trong các đại lượng dưới đây để biểu thị cường độ khuấy trộn:

1 Số vòng quay n của cánh khuấy

2 Vận tốc vòng v của đầu cánh khuấy

3 Chuan sé Reynolds: Re, = nO dic trưng cho quá trình khuấy (d - đường kính v cánh khuấy; v - độ nhớt động học của môi trường khuấy trộn)

6

4 Công suất khuấy trộn riêng, nghĩa là công suất chi phi để khuấy trộn một đơn vị thé tich N, = ~ hotc mot don vi khdéi luong N= ~ (N - công suất khuấy trộn, kW; p

V - lưu lượng khuấy trộn m'/s; p - khối lượng riêng của môi trường khudy tron, kg/m’)

Bốn chỉ tiêu trên không phải là chỉ tiêu vạn nẵng mà ứng dụng chỉ tiêu nào là tuỳ

trường hợp cụ thể Nhưng chỉ tiêu thể hiện đúng đắn nhất cho cường độ khuấy trộn chính

là mức độ khuấy trộn trong don vi thoi gian - 1 hoặc I Người ta đã và đang nghiên cứu đề 1

tìm cách xác định dạng hàm biểu diễn nó, nhưng tới nay kết quả chưa nhiều

1.1.3 Hiệu quả khuấy trộn

Hiệu quả khuấy trộn được xác định bằng lượng năng lượng tiêu hao để đạt được hiệu

ứng công nghệ cần thiết Như vậy thiết bị khuấy trộn làm việc có hiệu quả lớn hơn nếu

nó đạt được yêu cầu công nghệ đã đề ra với hao phí năng lượng ít hơn Hiệu quả khuấy

trộn là chỉ tiêu cơ bản để đánh giá sự làm việc và tính hoàn thiện của thiết bị khuấy trộn, đồng thời là chỉ tiêu chủ yếu dùng khi chọn trạng thái làm việc tối ưu và kích thước tối

ưu của máy khuấy trộn

Tuy nhiên để tính toán hiệu quả khuấy trộn, cần phải biết phương trình xác định công suất chỉ phí cho khuấy trộn, cho cấp nhiệt và cho chuyển khối ở trong các loại thiết bị khuấy trộn Vấn để này được giải quyết chủ yếu thông qua việc thiết lập các mô hình vật

lý hoặc mô hình toán học mô tả các quan hệ đặc trưng cho các quá trình đã nêu trên

L2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN MÔ TẢ CÁC QUÁ TRÌNH TRONG

tử) Những mô tả này đã được Damkoehler công bố lần đầu năm 1936 dưới dạng các

phương trình bảo toàn dòng như sau:

Biến đổi gây ra do dòng đối lưu + Biển đổi gây ra do dòng dẫn + Biến đổi gây ra do dòng cấp + Nguôn + Biến đổi tại chỗ = 0

Biểu thức toán học tương ứng là:

or

div(Tyv) - div (SgradIy) + eoAT'y + Gy + > 0 (1-5)

Đối với dòng khối lượng có dạng:

Phương trình (1-5d) chính là phương trình Navier - Stock

Trong các phương trình trên:

œ - bề mặt chuyển pha riêng;

G - lượng biến đổi do nguồn;

G„ - lượng biến đổi do nguồn khối lượng

Nghiệm chung của hệ phương trình bảo toàn (1-5) cho tới nay vẫn chưa có Nhưng

trong thực tế thường chỉ tồn tại hai hoặc ba số hạng nên có thể tìm được lời giải trong

những trường hợp này mặc dù cách giải khá phức tạp Để nhanh chóng thu được thông tin và tuỳ theo yêu cầu của người nghiên cứu thiết kế mà trong thực tế người ta sử dụng

hai phương pháp để tìm giải đáp gần đúng của hệ phương trình đã được đơn giản hoá đó:

phương pháp hạ bậc tự do đưa ra mô hình vật lý và phương pháp phân tích cấu trúc đưa

ra mô hình toán học Cho tới nay các tính toán về quá trình trong thiết bị khuấy trên

vẫn còn dựa vào các nghiên cứu theo phương pháp mô hình hoá vật lý, còn phương

pháp thứ hai mới chỉ được phát triển trong thời gian gần đây nhưng đã thu được những

kết quả rực rỡ

13 PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HOÁ VẬT LÝ MÔ TẢ CÁC QUÁ TRÌNH

TRONG THIẾT BỊ KHUẤY TRỘN

1.3.1 Xác định các đại lượng đặc trưng

Các đại lượng đặc trưng cho quá trình xảy ra trong thiết bị khuấy trộn xác định theo

k - số cấu tử trong hệ (thiết bị);

@ - số pha vào hệ;

R - số phản ứng hoá học độc lập;

L¡¡ - số các đại lượng hình học mô tả hệ;

M,, - số phương trình liên kết giữa L¡; đại lượng hình học

Người ta có thể căn cứ vào phương trình bảo toàn để xác định các đại lượng đặc trưng

cho quá trình xảy ra trong thiết bị Mặt khác có thể tham khảo các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã có sẵn để xác định số các đại lượng đó

1.3.2 Xác định cấu trúc hệ để lập mô hình mô tả quá trình khuấy trộn

Cấu trúc hệ trong trường hợp lập mô hình vật lý chỉ bao gồm một phần tử (hình 1.1a)

mà bản chất được mô tả bằng các trường hợp riêng của phương trình (1-5) Nhưng cũng không thể giải được các phương trình đó nếu thiếu công cụ và kiến thức Vì vậy phải hạ bậc tự do của hệ, nghĩa là chuyển hệ có n bậc tự do thành hệ chỉ còn lại p bậc tự do

(hình I.1b) với p = F - r Œ - số thứ nguyên cơ bản của hệ Với hệ hình học r = I đó là độ

đài, với hệ động học r = 2; hệ cơ học r = 3; hệ nhiệt học r = 4)

1.3.3 Xác định hàm toán mô tả quá trình

Việc xác định hàm toán phải thực hiện hai bước: trước tiên cần xác định các đại lượng vô thứ nguyên từ các đại lượng có thứ nguyên và sau đó xác định hàm mô tả toán

học Cả hai bước này đều dùng định lý x do Buchkingham đưa ra như sau: nếu có n = (F +l)

đại lượng đặc trưng xị, , X;, , xạ có thứ nguyên và không thứ nguyên tuân theo

phương trình toàn phần @(X¡, X¿, , X; , Xa) = 0 thì luôn luôn có thể đưa phương trình này về dạng:

Trong đó: m¡, Tạ, , Th ve Tye - các đại lượng vô thứ nguyên và được xác định theo

công thức:

n ký TS m=] ]x," với j= l,p (1-11) i=]

1.3.3.1 Xác định các đại lượng đặc trưng vô thứ nguyên (chuẩn số)

Có thể trực tiếp hoặc gián tiếp dùng định ly 1 để xác định các chuẩn số theo các

phương pháp: phân tích thứ nguyên, phương trình vi phân và hằng số vật liệu Nếu phối

hợp được cả ba phương pháp này thì sẽ nhanh chóng có kết quả

1.3.3.1.1 Phương pháp phân tích thứ nguyên

Định lý 1 da cho biết dạng của các chuẩn số theo công thức (1-11) Các đại lượng x,

có thể xác định theo các đại lượng cơ bản nhờ công thức:

10

B; - đại lượng cơ bản thứ p;

a¡p - số mũ, gồm các số nguyên và số không;

r - số thứ nguyên cơ bản trong hệ;

i=l p=l i=l i=] p= p=l

Vì x¡ không có thứ nguyên nên số mũ của các thứ nguyên cơ bản trong (1-13) phải

bằng không, nghĩa là:

ft

Hoặc là (a,.)(k;;) =0 vớip =l,r:i=l,n ; j=l,p”,

Giải hệ (1-I4a) ta sẽ có các giá trị của k;; va như vậy là tìm được các chuẩn số

1 Trình tự các bước của phương pháp phân tích thứ nguyên:

a) Lập ma trận thứ nguyên (a;s) nhu bang 1.1:

Ep AIp aip an'p antip ânp

E, ar ai Apr Âp+lu Ane

rcét

11

b) Xác định hạng của ma trận thứ nguyên đó, thường hạng r =r Như vậy số chuẩn

số cần tìm là p'=n—r hoặc j = l,p', nghĩa là phải tìm được p bộ nghiệm

c) Viết hệ phương trình (1-14a) Số phương trình là r mà số nghiệm cần tìm với mỗi

giá trị cụ thể của j là n Vì vậy ứng với mỗi giá trị cụ thể của j ta phải chọn pˆ nghiệm tự

do Ứng với mỗi giá trị của j ta phải có một bộ nghiệm tự do độc lập Để tiện ta chọn như SaU: VỚI I = J ta chọn kj = 1, voi i # j chon k, = 0 Lần lượt giải hệ (1-14a) với các bộ

nghiệm tự do khác nhau rồi lập ma trận nghiệm (k¡) như bảng 1.2 Sau đó viết các giá trị

cụ thể của các chuẩn số bằng cách thay các giá trị của k¡ vào công thức (1-11)

Bảng 1.2

Kj

kj; kj ky Kou, j we Kj 1L;

b) Nếu trong số n đại lượng đặc trưng ban đầu có hai đại lượng cùng thứ nguyên thì tỉ

số giữa hai đại lượng này là một chuẩn số Tiếp đó đặt tên cho nó và loại bỏ một trong

hai đại lượng khỏi không gian biến để lập ma trận (Aip);

12

3 Thí dụ: lập mô hình vật lý xác định công suất khuấy trộn Cho biết công suất

khuấy phụ thuộc vào: số vòng quay của cơ cấu khuấy n, đường kính cơ cấu khuấy dụ, chiều cao mức chất lỏng trong thùng khuấy H, đường kính thùng khuấy D, độ nhớt động học của môi trường khuấy v, khối lượng riêng của môi trường p, hiệu suất quá trình

khuấy nị,

Lời giải:

a) Hiệu suất quá trình khuấy là đại lượng không thứ nguyên, ta đặt chuẩn số hiệu suất

7 = tị, và loại bỏ rị, khỏi không gian biến dé lap (ap);

b) Các đại lượng d,, D, H cé cing thit nguyén Lap cac chudn s6 Tp =>

Ð Khi J = 2 chon ky, = 1; kj = ky = Ö rồi thay vào hệ (1-14b) tìm ra ky, = 0; ky = -1;

Ks = -2;

g) Khi j = 3 chon k33 = 1; k,3 = ky, = 0 va thay vao hé (1-14b) tim ra ky; = 0; kg, = -2;

h) Lap ma tran nghiém:

k) Không gian các chuẩn số là: Tey +My +My My, My, My

1.3.3.1.2 Phương pháp phân tích thứ nguyên cổ điển

Trong một số tài liệu người ta vẫn dùng phương pháp phân tích thứ nguyên cổ điển

Ưu điểm của phương pháp này là cùng một lúc giải quyết cả hai bước: xác định được

các chuẩn số và xác định được quan hệ giữa chúng Nhưng phương pháp này chỉ dùng được khi có ít biến số Ở đây chỉ nêu cách tiến hành đối với thí dụ ở mục 1.3.3.1.1 Ở thí

dụ này người ta đã cho phương trình toàn phần @ (N, n, d,, p, v, g, D, H, n,) = 0 Ta cé

thể dua vé dang N = f (n, d,, p, v, g, D, H, n,) va c6 thé viet:

Chuyển (1-15) sang dạng thứ nguyên:

ML2Tˆ3 = (T Py pL (ML3 )3 (TT yb4 (LT~2 ys L LẺ MI?2T = MB LP27?3+2ba+bs+bạ+b¿ TTĐ.I~b4-2bs

14

Tiếp đó lập các phương trình cân bằng thứ nguyên cho:

- Thứ nguyên độ dài: 2= bạ—3b¿ +2bạ + bạ + bạ + bạ; (2)

- Thứ nguyên thời gian: -3 =—bi, ~bạ„~2b;s ; (3)

Ở đây có ba phương trình gồm 7 ẩn số Muốn giải được ta phải chọn trước 4 ẩn, đó là

by, bs, bạ, bạ Như vậy từ (1) có bạ = 1; từ (3) có bị = 3 - bạ- 2b; và từ (2) có bạ = 5 - 2b, -

b; - bạ- b; Thay các giá trị này vào công thức (1-L5) có:

1.3.3.1.3 Phương pháp phân tích thứ nguyên cơ sở

Phương pháp này là dạng trung gian giữa hai phương pháp trên Người ta chọn trong

n đại lượng vật lý ra một hệ cơ sở, rồi định nghĩa mỗi đại lượng còn lại theo các đại lượng trong hệ cơ sở này theo dạng (1-15) Sau đó đưa tất cả các đại lượng có thứ nguyên về một vế fa sẽ có một chuẩn số Cách làm cụ thể xem ở các tài liệu chuyên ngành

1.3.3.1.4 Phương pháp phương trình vi phân (phương trình bảo toàn dòng)

Dựa trên nguyên tắc của các hệ đồng dạng với nhau được mô tả bằng cùng một phương trình vi phân, người ta có thể rút ra các chuẩn số đặc trưng cho hệ như đã trình bày ở các tài liệu chuyên ngành

1.3.3.1.5 Phương pháp hằng số vật liệu

Mỗi hằng số vật liệu đặc trưng cho một tính chất nhất định của môi trường được khuấy trộn Xuất phát từ các hằng số vật liệu ta có thể tìm được các chuẩn số đặc trưng cho quá trình xảy ra trong hệ

1.3.3.2 Xác định hàm toán mô tả hệ

Ở định lý z, Buchkingham đã nêu rõ mối quan hệ giữa các chuẩn số đặc trưng cho quá trình xảy ra trong thiết bị theo công thức (1-10) Người ta đã chứng minh rằng có thé dua (1-10) vé dang:

Đối với thí dụ ở mục 1.3.1.1 thì mô hình vật lý mô tả quan hệ giữa tiêu hao công suất

và các yếu tố ảnh hưởng (chủ yếu là yếu tố thuỷ động, hình học và đặc trưng môi trường) là:

,

Eu, =CRej! Fr?2 (2) [#) mh (1-17a)

dự d,

Dạng của mô hình vật lý đó khi hệ thực và thí nghiệm hoàn toàn đồng dạng hình học

và có hiệu suất như nhau:

Eu, =C Re”! Fr?2 (1-17b)

1.3.4 Xác định các tham số của mô hình

Nếu ta logarít hai vế của công thức (1-16) sẽ có:

phải tiến hành trên thiết bị khuấy mẫu có các điều kiện đồng dạng với hệ trục theo đúng

định lý đồng dạng của Niutơn, Kirpitschev va Huchman: "Hai hệ đồng dạng với nhau thì

các chuẩn số đồng dạng bằng nhau, ngược lại nếu hai hệ có các chuẩn số đồng dạng bằng nhau thì đồng đạng với nhau" Như vậy, muốn để quá trình trong hệ (thiết bị) mẫu

đồng dạng với quá trình trong hệ (thiết bị) thực thì các chuẩn số độc lập mô tả chúng

phải bằng nhau, nghĩa là:

Tum = Tuy (Với u=ljp ,uz#j) (1-19)

Trong d6: 1,,, Va my - các chuẩn số đồng dạng độc lập trong hệ mẫu và hệ thực

Từ hệ phương trình (1-19) sẽ tìm được kích thước và các điều kiện làm việc của hệ

mẫu khi biết các đại lượng tương ứng ở hệ thực Vấn đề chi tiết hơn đã được trình bày ở các tài liệu chuyên ngành [14] [17]

1.3.5 Ứng dụng tương tự để xác định mô hình vật lý

Reynolds cho rằng giữa các dòng động lượng và nhiệt lượng có quan hệ với nhau, sau này Lewiss bổ sung thêm là cả dòng cấu tử cũng có liên quan với hai dòng trên theo công thức:

2t =§t

(1-20)

l6

hoặc: +1 ©% _ Ke

py pC,v v

+

Trong đó: 37 chuẩn số ma sát thuỷ lực; St, Sử - chuẩn số Stanton nhiệt và chuẩn số

Stanton khối (các ký hiệu khác xem giải thích ở công thức (1-5))

Phương trình (1-20) được gọi là tương tự Reynolds, nó chỉ đúng khi Pr = Pr = Le = 1

Khi Pr # Prz Le# l (và cả khi Pr= Pr= Le = 1) phải dùng tương tự Colburn:

Prandtl khéi hay chuan s6 Schmidt; Le = > chuẩn số Lewiss

Dùng các tương tự từ mô hình mô tả quá trình này ta có thể tìm được mô hình mô tả quá trình khác kèm theo Thí dụ, biết mô hình của quá trình chuyển nhiệt: St = CRe* Pr?

ding tuong tu Colburn sẽ tìm được mô hình của quá trình chuyển động lượng:

== CRe* Pr 3 và mô hình quá trình chuyển khối kém theo: S't=CRe* Pr 3 Pr 3

14 PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HOÁ TOÁN HỌC MÔ TẢ CÁC QUÁ TRÌNH

TRONG THIẾT BỊ KHUẤY TRỘN

Phương pháp mô hình hoá toán học xuất hiện khoảng năm 1950 cho tới nay đã phát triển rất rực rỡ và thu được những kết quả to lớn Mô hình hoá toán học là con đường tốt

nhất để tiếp cận hệ, là một phương pháp giải gần đúng và có hữu hiệu các phương trình

1.4.1 Các công cụ để nhận biết, kiểm tra cấu trúc hệ và tổng hợp mô hình

1.1.1.1 Hàm đáp ứng (hàm phân bố thời gian lưu vô thứ nguyên)

Hàm đáp ứng là một trong những công cụ để nhận biết, để kiểm tra cấu trúc hệ và để

xác định các thông số của mô hình Người ta xác định hàm đáp ứng bằng cách đưa vào

hệ (ở lối vào) những tín hiệu đặc trưng và thu tín hiệu đáp ứng ở lối ra Biểu thức mô tả biến đổi của tín hiệu này theo thời gian chính là hàm đáp ứng, đường cong tương ứng là

đường cong đáp ứng Tuỳ theo loại tín hiệu ở lối vào là tín hiệu xung, tín hiệu bậc hay

tín hiệu tần số mà ta có hàm đáp ứng vi phân (hình 1.2a), hàm đáp ứng tích phân

(hình 1.2b) hoặc hàm đáp ứng tần số (hình 1.2c) Hàm đáp ứng vi phân (còn gọi là phổ

17

thời gian lưu vi phân vô thứ nguyên) thu được khi đưa tín hiệu xung (biểu diễn bằng hàm

ð/r) vào hệ có dạng:

Trong đó:

At - khoảng thời gian lấy mẫu;

C - nồng độ ở lối ra tại thời điểm +;

C; - nồng độ ở lối ra ứng với thời điểm t;;

Cọ - nồng độ quy ước ban đầu:

C„; - hàm phân bố thời gian lưu có thứ nguyên;

t - thoi gian lưu trung bình trong hệ

Hàm phân bố thời gian lưu thứ nguyên xác định theo công thức:

Néu S’ = 0 nghia 1a P’e = co mo hinh sẽ là day lý tưởng (hình 1.2d); néu S? = 0

(hình 1.2e) nghĩa là P'e = œ mô hình sẽ là trộn lý tưởng

Liên hệ giữa hàm đáp ứng tích phân (khi dùng tín hiệu bậc) và hàm đáp ứng vi phân như sau:

9

dF

18

1.4.1.2 Phép biến đổi Laplace

Phép biến đổi Laplace dùng rất nhiều khi tổng hợp mô hình của hệ từ mô hình của các

phần tử căn cứ theo sơ đồ cấu trúc, đồng thời cũng sử dụng nó để giải các mô hình Nhờ phép biến đổi Laplace ta có thể đưa các hệ phương trình vi phân về hệ các phương trình đại

số Sau khi giải ra nghiệm ta lại dùng phép biến đổi ngược đưa nó về dạng bình thường

Phép biến đổi thuận được biểu diễn bằng công thức:

Ký hiệu của phép biến đổi xuôi là: F(p)= L[f(+) | hoặc f(p)+f();

Ký hiệu của phép biến đổi ngược là: f(t)= LÌ LF(p)| hoặc f(t)+F(p)

19

Dùng phép biến đổi Laplace có thể chuyển biểu thức vi phân thành biểu thức đại số dạng toán tử:

Đó là ảnh Laplace của hàm đáp ứng vi phân, vi vậy nó phân ánh bản chất hệ

Hàm truyền của hệ nối tiếp (hình 1.3a) tính theo công thức:

Hình 13

20

Hàm truyền của hệ n phần tử nối song song (hình 1.3b):

i=]

n Trong đó: PB, - hệ số phân dòng ứng với phần tứ thứ ¡, có 3ÿ; =]

bảo toàn dòng khi xét với một toạ độ không gian và hệ số dẫn ö = 0 hoặc 6 = œ Khi ỗ = 0

ta có mô hình của phần tử đẩy lý tưởng (hình 1.4a):

Trong đó: x - tọa độ không gian; các ký hiệu khác xem ở công thức (1-5)

Chế độ chảy trong phần tử là chảy pittông, không có sự khuấy trộn dọc, các lớp di chuyển đồng đều theo hướng chuyển động, thời gian lưu của tất cả các phần tử trong hệ

là như nhau và bằng tỉ số giữa thể tích hệ và lưu lượng thể tích của chất chảy qua hệ

Hàm truyền của nó W = e” (tạ = ~ thời gian lưu của vật liệu trong hệ)

Khi 5 = 0 ta có mô hình toán học của phần tử trộn lý tưởng (hình 1.4b):

Hàm truyền của mô hình trộn ly tuong: W, = ’

21

Đường cong của hàm đáp ứng của mô hình trộn lý tưởng được giới thiệu ở hình 1.2d

và mô hình đẩy lý tưởng ở hình 1.2e

Mô hình trộn lý tưởng có thể dùng cho các quá trình xay ra trong thiết bị trụ đáy cầu

có tấm chắn ở thành trụ, lưu lượng chất lỏng vừa phải, số vòng quay của cơ cấu khuấy

lớn và cơ cấu khuấy có kích thước đủ để khuấy trộn mãnh liệt

1.4.3 Mô hình phối hợp mô tả quá trình khuấy trộn

Quá trình trong thiết bị khuấy thực rất phức tạp, chỉ có thể mô tả bằng một cấu trúc

đa dạng trong đó các phân tử trộn lý tưởng và đẩy lý tưởng tương tác lẫn nhau theo các liên hệ cơ sở (mục 1.4.1.3)

1.4.3.1 Mô hình trộn lý tưởng và đẩy lý tưởng mắc song Song

Hàm truyền của hệ: W, =Be P2 +(1-B)(t,p+1)" (1-38)

Trong đó:

1¡- thời gian lưu trung bình trong phần tử trộn lý tưởng;

t¿ - thời gian lưu trong phần tử đẩy lý tưởng:

B - phần dòng đi vào phần tử đẩy lý tưởng

Mô hình trộn lý tưởng và đẩy lý tưởng mắc song song dùng cho thiết bị khuấy trộn thân trụ, đáy cầu, cơ cấu khuấy nhỏ, vận tốc khuấy trộn nhỏ và lưu lượng chất lỏng nhỏ 1.4.3.2 Mô hình trộn lý tưởng có dòng chảy qua

Đây là trường hợp riêng của trường hợp trên với Tạ = 0 Hàm truyền có dạng:

1.4.3.3 Mô hình trộn lý tưởng và đẩy lý tưởng mắc nối tiếp

em

Trong đó: t- thời gian lưu trung bình tại hộp thứ ¡

Mô hình dãy hộp dùng cho thiết bị khuấy có nhiều ngăn, mỗi ngăn có một cơ cấu

khuấy trộn rất mãnh liệt, hoặc khi mắc nối tiếp nhiều thiết bị khuấy trộn với nhau

1.4.3.6 Các mô hình phối hợp khác

Trong thực tế còn dùng nhiều mô hình phối hợp khác để mô tả các quá trình trong thiết

bị khuấy trộn như mô hình ba vòng tuần hoàn, mô hình bốn vòng tuần hoàn, mô hình dấy hộp tuần hoàn đơn giản và mô hình hai vòng tuần hoàn với cấu trúc đơn giản v.v

Chi tiết về những mô hình này có thể xem ở các tài liệu chuyên ngành

dv c 3

— - gradient van téc chay;

dx

tT, - Ứng suất tiếp

Độ nhớt động lực học của chất lỏng Niutơn là một hằng số không phụ thuộc vào

vận tốc chảy, vì vậy đồ thị biểu diễn quan hệ (1-43) là một đường thẳng (đường số 1 ở

hình 1.5) Độ nhớt động lực học của chất lỏng cũng phụ thuộc vào nhiệt độ:

Trong đó:

tAn› tẠn, - nhiệt độ của chất lỏng chuẩn A ứng với độ nhớt TỊ¡ Và TỊ; của nó; tay tnạ, - nhiệt độ của chất lỏng khuấy B ứng với độ nhớt TỊ¡ Về Tịa

Chỉ cần biết hai nhiệt độ của chất lỏng B ứng với hai độ nhớt là ta xác định được hằng

số C, rồi từ dạng (1-45) của công thức During ta có thể xác định được nhiệt độ của chất

A(tAn,) ứng với nhiệt độ của chất BŒpn, )

Dùng nhiệt độ đó của chất A tra bảng độ nhớt (vì độ nhớt của chất A đã biết trong

khoảng rất rộng) ta có thể tìm ra độ nhớt rị, của chất B ở nhiệt độ thn) -

Độ nhớt của chat long phụ thuộc rất ít vào áp suất

Độ nhớt n, của hôn hợp hai chất lỏng tan lẫn (dung dịch) có thể xác định theo

phương trình Arrenius - Kendali:

Trong đó:

X¡ Xa - phần mol của các cấu tử;

TỊ¡ rìa - độ nhớt động lực học của các cấu tử

Độ nhớt của đụng dịch nước bão hoà chất điện ly nói chung tính theo công thức:

Cũng có thể dùng công thức During để tính cho các dung dịch điện ly

24

1.5.2 Độ nhớt của chất lỏng phi Niutơn

Tất cả các chất lỏng có đặc trưng lưu biến

khác công thức (1-43) đều là chất lỏng phi

Niutơn và được chia thành hai nhóm lớn: các chất

lỏng có tính lưu biến không đổi theo thời gian và

các chất lỏng có tính lưu biến thay đổi theo thời

gian Các chất lỏng có tính lưu biến không đổi

theo thời gian bao gồm: chất lỏng Bingham (có

đồ thị của hàm lưu biến là đường thẳng 2 ở hình

1.5); chất lỏng giả dẻo (có đồ thị của hàm lưu

biến là đường cong số 3 ở hình 1.5); chất lỏng giả

đông cứng (có đồ thị của hàm lưu biến là đường Hình I.5

cong số 4 ở hình 1.5) Hai loại chất lỏng sau có

phương trình lưu biến:

tị -«( ©) (1-48)

dx

Trong đó: k - hằng số nhớt của chất lỏng; m - số mũ Với chất lỏng Niutơn m = l;

chất lỏng giả dẻo m < | và chất lỏng giả đông cứng m > 1

Độ nhớt biểu kiến tương đương của các chất lỏng loại này xác định theo công thức:

4 dv \"" 1

dx

Giá trị của B tra ở bảng 3-1 1 hoặc tinh theo các công thức (3-46), (3-47)

Độ nhớt biểu kiến tương đương có ý nghĩa tương ứng như độ nhớt rị của chất lỏng Niutơn trong các công thức tính Re,

Độ nhớt của chất lỏng phi Niutơn có đặc trưng lưu biến thay đổi theo thời gian (như polyme nóng chảy, hắc ín), cho đến nay còn ít được nghiên cứu

1.5.3 Độ nhớt của hôn hợp lỏng không đồng nhất

n=n, (1+4,5X, )

Trong dé: 1, - dé nhét động lực học pha liên tục

1.5.3.2 D6 nhot cua nhii tuong

Độ nhớt của nhũ tương có nồng độ thể tích của pha phân tán X, <0,3 có:

nen (i-X,) (n, +N ) [m +Nor (1-1,5X,) ]

Trong đó: rịi, tị, - độ nhớt của pha liên tục và pha phân tán

Muốn chuyển đổi các đơn vị đo độ nhớt khác về đơn vị độ nhớt động lực học theo hệ

SI là Pas ta phải dùng hệ số chuyển đổi cho ở bảng 1.3

nhớt | hiệu — | thườngdùng | vàn, | nhớt | hiệu | thường dùng thành

Chuong II

CAC BO PHAN CUA THIET BI (MAY) KHUAY

Có rất nhiều kiểu máy khuấy Số các kiểu

máy khuấy lớn hơn nhiều so với số kiểu các

thiết bị khác trong công nghiệp như thiết bị trao

đổi nhiệt hoặc các tháp chuyển khối Đó là vì

cấu trúc của thiết bị khuấy trộn được xác định

không chỉ bằng kiểu và cấu trúc của cơ cấu

khuấy, mà còn bằng kiểu thùng khuấy Cả

thùng khuấy lẫn cơ cấu khuấy đều có ảnh

hưởng quyết định đến quá trình làm việc của

máy khuấy Vì vậy, khi muốn so sánh các máy

khuấy khác nhau và so sánh các kết quả khi

nghiên cứu các máy khuấy cần phải biết chính

xác kích thước hình học của cả thùng khuấy lẫn

cánh khuấy Ngoài thùng khuấy 3, cơ cấu khuấy

7 còn có các bộ phận khác ảnh hưởng rất quan

trọng tới sự làm việc của máy khuấy đó là trục

khuấy 4, hộp đệm bít kín 7 và bộ phận truyền

động ó (hình 2.l) Nếu máy khuấy thực hiện

quá trình gia nhiệt thì còn có vỏ bọc 2, và đôi

khi có ống xoắn gia nhiệt đặt bên trong thùng khuấy Để kiểm tra sự làm việc của máy

khuấy người ta còn đặt các bộ phận như ống bọc nhiệt kế, áp kế, ống tháo nạp vật liệu, van an toàn v.v Các bộ phận này cũng có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình làm việc

trong máy khuấy, thí dụ ống bọc nhiệt kế sẽ làm tăng sự đảo trộn của chất lỏng và như vậy cũng làm tăng tiêu hao công suất rất đáng kể

2.1 CƠ CẤU KHUẤY

2.1.1 Phân loại

Cơ cấu khuấy trong trường hợp chung nhất có thể chia thành cơ cấu khuấy chậm và quay nhanh

27

1) Loại quay nhanh gồm cơ cấu khuấy tuabin (hình 2.2k, /) cơ cấu khuấy chân vịt

(hình 2.2h, ¡) và các kiểu cơ cấu khuấy chuyên dùng, thí dụ loại đĩa, loại bản v.v Tuỳ thuộc vào hình dạng cánh và phương pháp xếp đặt mà các cơ cấu khuấy này có thể tạo thành các dòng lỏng hướng kính (hình 2.3a), hướng trục (hình 2.3b) và hướng trục - kính

0,885d,

thể duy trì được dòng hướng trục Dòng trung gian hướng trục - kính được hình thành do

cơ cấu khuấy tuabin có cánh đặt nghiêng với mặt phẳng quay của cơ cấu khuấy

Cơ cấu khuấy quay nhanh thường làm việc trong thiết bị có tấm chắn Tấm chắn sẽ

tạo ra sự chảy xoáy chất lỏng trong thiết bị (hình 2.3a, b) và không cho hình thành phễu (hình 2.3c) Số lượng tấm chắn là J = 2+6 (thường J = 4, nếu đường kính thùng D > 4m

ding J = 6), chiều rộng tấm chắn B = 1/12 -1/10D

Các tấm chắn có thể phân bố ngay cạnh thành thiết bị (hình 2.4a) hoặc cách nó một khoảng cách nào đó (hình 2 4b) và có thể tạo thành một góc với bán kính của cánh

28

khuấy (hình 2.4c), còn chiều cao thì bằng hoặc nhỏ hơn mức lỏng Cách bố trí (hình 2.4a)

áp dụng đối với chất lỏng có độ nhớt không cao (gần độ nhớt của nước); cách bố trí (hình 2.4b) đối với chất lỏng có độ nhớt trung bình (7-10 Pas nghĩa là 7000-10000cP)

Đối với chất lỏng này nếu cách bố trí như ở hình 2.4a sẽ dẫn đến sự hình thành các vùng

ứ đọng xung quanh tấm chắn Cách bố trí như ở hình 2.4c dùng cho chất lỏng có độ nhớt

từ 10-50 Pas Đối với các chất lỏng có độ nhớt lớn hơn 50Pas (50000cP) nói chung không dùng các tấm chắn nữa Nếu trong thiết bị khuấy trộn có ống xoắn ruột gà thì tấm

chắn bố trí phía trong ống xoắn (hình 2.4d) và cũng có thể dùng để làm các cột đỡ ống xoắn Cơ cấu khuấy cũng có thể làm việc trong thiết bị không có tấm chắn mà có ống

tuần hoàn (hình 2.4đ)

3) Ngoài những dạng đã nêu ở trên còn có một số cơ cấu khuấy có cấu trúc đặc biệt,

thí dụ cơ cấu khuấy tạo ứng suất cắt lớn (thực ra là dạng riêng của cơ cấu khuấy tuabin),

cơ cấu khuấy chấn động và cơ cấu khuấy cào

29

Cho tới nay chưa có một tiêu chuẩn vạn năng để lựa chọn cơ cấu khuấy tương ứng

cho quá trình đã biết Cho nên khi lựa chọn cơ cấu khuấy cần phải lưu ý tới các kinh

nghiệm thu lượm được ở các hệ thống công nghiệp cũng như ở thiết bị thí nghiệm Cách

lựa chọn này rõ ràng không tối ưu và thường không loại trừ được các yếu tố chủ quan do tập quán dẫn đến làm phức tạp công nghệ hiện hành Các tham số vật lý của chất lỏng

mà trước hết là độ nhớt đóng vai trò quan trọng khi lựa chọn cơ cấu khuấy Nói Chung

thường dùng cơ cấu khuấy vận tốc cao để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt thấp và sử dụng cơ cấu khuấy quay chậm để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt cao

Đồ thị ở hình 2.5a giới thiệu vùng sử dụng của các kiểu cơ cấu khuấy đối với chất

lỏng có độ nhớt khác nhau (I - mỏ neo; ÏI - chân vịt; III - tuabin cánh phẳng; IV - bản;

V - khung; VI - vít tải; VỊI - băng) Từ đó thấy rằng cơ cấu khuấy chân vịt và cơ cấu

khuấy tuabin có vùng sử dụng rất rộng rãi và chúng thích hợp để khuấy trộn các chất

lỏng có khoảng độ nhớt rộng Các cơ cấu khuấy còn lại có phạm vi sử dụng hẹp Từ đồ

thị dễ đàng xác định được rằng để khuấy trộn chất lông có độ nhớt rất cao, tốt nhất là

dùng cơ cấu khuấy vít tải và cơ cấu khuấy băng

Đồ thị ở hình 2.5b dùng để lựa chọn cơ cấu khuấy theo độ nhớt và theo thể tích

khuấy Các đường cong tương ứng là giới hạn trên phạm vi sử dụng của các loại cơ cấu khuấy tương ứng

Việc lựa chọn cơ cấu khuấy phải căn cứ vào mục đích công nghệ, nghĩa là cần chú ý đến quá trình thực hiện trong máy khuấy và tính chất công nghệ của môi trường được khuấy (gọi tắt là môi trường khuấy) Ở bảng 2.1 giới thiệu sơ bộ các phạm vi sử dụng 30

công nghệ của các loại cơ cấu khuấy Ở đây chúng ta không đưa cơ cấu khuấy vít tải và

cơ cấu khuấy băng vào, vì phạm vi ứng dụng của nó quyết định chủ yếu là do độ nhớt

chất lỏng (chúng chỉ dùng khi độ nhớt môi trường khuấy rất lớn) Ở bảng 2.1 còn đưa ra

một số đặc trưng khác như phạm vi thể tích khuấy thích hợp, vận tốc đầu cánh thích hợp

của cơ cấu khuấy ứng với khoảng độ nhớt nhất định của môi trường khuấy

LÍ |

i

0,001-0,5 | 3-2,0 |néng độ tới 90%; khuấy đảo

Hoa tan chat long có độ nhớt

Tam 22a | <50 |0001-005| 2,6-0,5 huyền phù hơi, tng ¢ vòng

quá trình trao đổi nhiệt

trao đổi nhiệt, chống bám cặn

8-15 10-95 lbẩn vào bẻ mặt gia nhiệt để 0,001 - I0 3-1,5 lđể phòng khê cháy; huyền

Khung ,2.2m,n,o} <50 10 - 40 1,5-0,8 |phù hoá trong chất lỏng nhớt

0,001 - 5 12-7,5 |Hoà tan và nhũ tương hoá các

nồng độ tới 80%; huyền phù 15-25 5.2 - 3,5 hoá các vật liệu dạng sợi với

nồng độ tới 5%; khuấy dao 0,001 - 5 10-7 các hạt rắn có nồng độ tới 5-15 7-5 5%; khuấy đảo các hạt rắn có Tuabin kín 2.21 <50 nồng độ tới 60% và kích

15-25 5 - 3,5 thước hat téi 1,5mm; san bằng

25-40 | 3,5-2,5 |{nhiét do chat long; khuay trộn

các chất lỏng nhớt Hoà tan và nhũ tương hóa các

Chânvịt | 2.2h,¡ 0,001-0,1 | 16-10 |chất lỏng, huyền phù hoá với

nồng độ hạt rấn tới 50%; khuấy đảo bùn có nồng độ hạt Chân vịt đặt rắn tới 10% và kích thước hạt trong ống 2.4d < 50 0,1 -4 10-3,8 |t6i 0,!mm; khuấy các vật liệu khuếch tán sợi, san bằng nhiệt độ; tăng

cường quá trình trao đổi nhiệt

Khung |2Zm,n,o| 0,1-10 | 1-100 10-80 |kỂ cả các chất lỏng phi

Víctải | 2.9a,b |0/25-50| 10-100 | 01-30 _ |Niuton; ting cuong qué trình

trao đối nhiệt; chống bám cặn

khuếch tần phù hoá và đồng nhất hoá

Bảng 2.2 Cơ cấu khuấy bản

Đặc trưng của môi trường khuấy: đối với thùng có tấm chắn khối lượng riêng p = 800 -

1900 kg/m’, độ nhớt rị = 0,001 - 3Pas; thùng không tấm chấn p = 1900 kg/m’,

n = 0,001Pas

Đường kính Số vòng quay n, vg/s Công suất N,kW

Bảng 2.3 Cơ cấu khuấy tấm

Đặc trưng của môi trường khuấy: độ nhớt rị = 0,001 - 0,05Pas, khối lượng riêng

p = 800 - 1900 kg/m'

Đường kính Số vòng quay n, vg/s Công suất N, kW

cơ cấu khuấy Thùng không có Thùng có Thing không có Thùng có

d, mm _ tấm chấn tam chan tam chan tấm chấn

Đặc trưng của môi trường khuấy: độ nhớt n = 0,001 - 10Pas, khối lượng riêng

Bảng 2.5 Cơ cấu khuấy khung hai thanh ngang (hình 2.2n,o)

Đặc trưng của môi trường khuấy: độ nhớt n = 0,001 - 40Pas, khối lượng riêng

p = 800 - 1900 kg/m’

Bang 2.6 Cơ cấu khuấy tuabin

Đặc trưng của môi trường khuấy: khối lượng riêng p = 800 - 1200 kg/m”, đối với

thùng không có tấm ngăn r = 0,001 - 4Pas; đối với thùng có tấm chắn rị = 0,001Pas

cơ cấu Số vòng Công suất N, kW Số vòng Công suất N, kW

ee quay =| Thing không| Thùng có quay Thing khong | Thing có

Bảng 2.7 Cơ cấu khuấy chân vịt

Đặc trưng của môi trường khuấy: độ nhớt rị = 0,001 - 4Pas, khối lượng riêng p = 800-

Ở bảng 2.8 là các số liệu về hiệu quả tương đối và cường độ tương đối của các loại cơ

cấu khuấy khi lấy hiệu quả và cường độ khuấy của cơ cấu khuấy chân vịt làm đơn vị Từ

bảng 2.8 ta thấy rằng cơ cấu khuấy tuabin hở rất ưu việt, vì với cơ cấu khuấy này ta chỉ cần tiêu hao một năng lượng riêng bằng 0,58 năng lượng riêng tiêu hao cho cơ cấu khuấy chân vịt mà vẫn đạt được một yêu cầu công nghệ như nhau, còn cơ cấu khuấy mái chèo có tính năng kém nhất (tiêu hao năng lượng gấp 1,58 lần, nhưng hiệu quả đạt được

Tỉ số đường kính thiết bi và Cường đô Hi

Cơ cấu khuấy _ đường kính cơ cấu khuấy yong : lệu qua

: tương đối tương đối

D/d, Tuabin ho 3-4 0,51 1,00

2.1.3 Số vòng quay thích hợp của cơ cấu khuấy

Số vòng quay thích hợp của cơ cấu khuấy có thể xác định theo công thức:

Trong đó:

vụ, - vận tốc đầu cánh thích hợp (tra bang 2.1), m/s;

d, - đường kính cơ cấu khuấy, m

Số vòng quay này liên quan với công suât riêng tối ưu Vv và đặc trưng độ nhớt của môi trường khuấy

Trong thực tế còn phải kiểm tra xem số vòng quay này có thoả mãn các yêu cầu công

nghệ không, thí dụ khi huyền phù hoá cần số vòng quay tối thiểu n„„¡„ thì số vòng quay n

tính theo công thức (2.1) phải thoả mãn điều kiện n > nạn

2.1.4 Quan hệ kích thước của các cơ cấu khuấy chủ yếu và thùng khuấy

Chọn được quan hệ thích hợp sẽ tạo điều kiện thuận lợi để thực hiện các quá trình trong thiết bị khuấy trộn Quan hệ kích thước thích hợp của các cơ cấu khuấy chủ yếu và thùng khuấy cho ở bảng 2.9

2.1.5 Cơ cấu khuấy tuabin

Cơ cấu khuấy tuabin gồm các cánh J va dia roto 2 Nếu cơ cấu khuấy có vỏ tương tự rôtô của bơm ly tâm thì được gọi là cơ cấu tuabin kín (hình 2.6h,i,k,Ù) Cơ cấu tuabin hở

(hình 2.6a,b,c,d,đ,e,f,ø) sử dụng thông dụng hơn

Tỉ lệ đường kính của cơ cấu khuấy và đường kính thùng d,/D đối với máy khuấy kiểu

này là nhỏ và thường bang d,/D = 1/4 - 1⁄3 S6 vong quay n = 2 - 20vg/s (120 - 1200 vg/ph)

` dao động trong khoảng 3 - 9 m/s Tuỳ thuộc

nên vận tốc quay của đầu cánh v, =

vào phương pháp lấp đặt các cánh và cấu hình của chúng mà có các dạng cơ cấu khuấy

tuabin khác nhau

2.1.5.1 Cơ cấu khuấy tuabin hở

Cơ cấu khuấy cánh thẳng, phân bố hướng kính là dạng đơn giản nhất và có hiệu suất

cao (hình 2.6đ) Các kích thước cơ bản là:

a= dk, p= Sk, do=(2+3| dự

4 5 3 4

Các cánh có thể gắn vào các đĩa tròn bằng cách hàn hoặc bằng bulông

Để tạo dòng lỏng hướng trục (thi du để đẩy các phần tử rắn từ đáy lên khi tạo huyền phù) các cánh phẳng cần nghiêng di một góc œ xác định so với mặt phẳng quay của cơ cấu (hình 2.6e) Thường góc nghiêng œ = 45°

Các cánh dạng cong (hình 2.6đ) yêu cầu công suất nhỏ hơn Ngoài ra còn có các

dạng đặc biệt khác của cơ cấu khuấy tuabin cánh hở như cơ cấu tuabin cánh đài (hình 2.6a, b, c), cánh chữ V (hình 2.6), cánh dưới (hình 2.68)

2.1.5.2 Cơ cấu khuấy tuabin kín

Cơ cấu khuấy tuabin kín (giống rôtô bơm ly tâm) hình thành nhóm riêng biệt của cơ cấu khuấy tuabin Chúng được sản xuất từ các tấm thép nhờ hàn (hình 2.6h) hoặc bằng

phương pháp đúc (hình 2.6i) Cơ cấu khuấy dạng này có thể phối hợp với thiết bị định

hướng là vành cố định với cánh cong tương ứng Nhiệm vụ của thiết bị định hướng là tạo

ra đòng lỏng hướng kính, do đó ở đây sẽ không cần tấm chắn Cơ cấu khuấy tuabin kiểu

"guồng đài" (hình 2.6k) hoặc guồng nón (hình 2.6l) làm việc rất có hiệu quả Số vòng quay đạt tới 1500 vg/ph (25vg/s), tỉ số giữa dự/D = 0,15 - 0,25; d,/h = 0,66 (h- chiều cao

cơ cấu khuấy) và khoảng cách từ mặt dưới cánh khuấy tới đáy thiết bị bằng 0,4d,

2.1.6 Cơ cấu khuấy chân vịt

Cơ cấu khuấy chân vịt cho hiệu suất cao nhất trong trường hợp cần dòng lỏng tuần

hoàn trong thiết bị khi chỉ phí năng lượng cơ học nhỏ nhất Cơ cấu khuấy chân Vit tao

thành dòng lỏng chiều trục do hiệu ứng bơm, cho nên chúng dễ đàng nâng các phần tử rắn từ đáy lên và dùng để tạo thể huyền phù với đường kính hạt rắn 0,1 - 0,5 mm và

nồng độ tới 10% Ngoài ra, nó còn thích ứng với sự tạo thành thể nhũ tương, đối với quá

trình hoà tan và quá trình xảy ra có phản ứng hoá học khi thể tích lỏng đến 7m° Để đồng thể hoá chất lỏng ít nhớt trong thể tích thiết bị đến 16000 mỶ cần sử dụng một số

máy khuấy phân bố vòng quanh thiết bị

Cơ cấu khuấy chân vịt thường được sử dụng để phân tán khí vào long Ti 1é d,/D

đối với cơ cấu khuấy chân vịt cũng giống như đối với cơ cấu khuấy tuabin (thường d,/D = 1/4 - 1/3) Đường kính cơ cấu khuấy có thể giảm được đến đại lượng d, = D/5 Vận tốc vòng của biên cánh khuấy máy khuấy chân vit la 6 - 15 m/s Weber đã đưa ra

một số chỉ dẫn để lựa chọn số vòng quay của cơ cấu khuấy chân vit

1) nị = 400 vg/ph - cơ cấu khuấy dùng để khuấy trộn dầu nặng, bùn cũng như để

khuấy trộn hệ có xu hướng sủi bọt (không vượt quá giá trị n¡ nếu độ nhớt của lỏng được

khuấy trộn rị > 0,2Pas nghĩa là 200cP hoặc thể tích long trong thiết bi V, = 7,5m’)

2) n; =1150 vg/ph - máy khuấy dùng để khuấy trộn dầu nhẹ, sơn (không vượt quá giá

trị nạ nếu độ nhớt của lỏng được khuấy trộn rị > 0,05 Pas hay 5OcP hoặc thể tích lỏng trong thiết bị V¡ > 2m))

3) n; = 1750 vg/ph - máy khuấy sử dụng để khuấy trộn lỏng có độ nhớt thấp và trong thiết bị thể tích không lớn

40

Khi độ nhớt của lỏng rị > 0,1Pas (100cP) và chiều cao lỏng trong thiết bị H > 4d, nên dùng nhiều cơ cấu khuấy (từ l đến 3 cơ cấu khuấy chân vịt theo chiều trục) Cơ cấu khuấy chân vịt có thể được truyền động trực tiếp, khả năng này làm giảm đầu tư và táng hiệu quả truyền động Động cơ chỉ bị chất tải sau khi đạt được số vòng quay lớn và do

đó không yêu cầu dự trữ công suất cho khởi động Đó là ưu điểm của máy khuấy dạng này Nhược điểm của cơ cấu khuấy chân vịt là giá thành sản xuất tương đối cao Gần đây

đã xuất hiện đạng cơ cấu khuấy kiểu chân vịt tàu thuỷ với các kích thước như sau: chiều rộng cánh trung bình b = (0,2 - 0,35)d,, số cánh z = 2 - 6; chiều đày cánh s = 0,03 - 0,07

d, Bước cánh t/d, = 0,6 - 2,3; đường kính bạc dụ > 0,3d,

Các cánh của chân vịt có thể đúc cùng bạc hoặc lắp vào nó nhờ ốc vít Thiết kế và chế tạo cơ cấu khuấy chân vịt rất phức tạp và tốn kém Nên chỉ dùng với trường hợp máy

khuấy lớn, lúc này sự tiết kiệm năng lượng chỉ phí cho máy khuấy trộn mới bù lại chí

phí chế tạo Trong trường hợp cơ cấu khuấy nhỏ có thể sản xuất bằng phương pháp đơn giản, thí dụ bằng cách uốn hoặc đập các cánh từ thép tấm Cấu trúc khác nhau của cơ

cấu khuấy chân vịt giới thiệu ở hình 2.7 :

Trong đó: œ - góc nghiêng tại bán kính r, so với trục quay của cơ cấu

Các cơ cấu khuấy này cấu trúc với bước không đổi theo bán kính Cánh của cơ cấu khuấy là một phần bề mặt vít với bước không đổi và như vậy góc nghiêng của các cánh

thay đổi Góc nhỏ nhất ở đường vòng bên ngoài, góc lớn nhất ở đường giao tuyến với bạc Góc nghiêng mép biên của cánh được tính theo công thức:

Cơ cấu khuấy kiểu chân vịt tàu thuỷ làm việc trong phạm vi t/d, = 0,6 - 2,3, còn cơ cấu khuấy chân vịt có thể làm việc ở giá trị t/d, lớn tiến tới t/d, = 0 (cánh thẳng) Trong trường hợp này cơ cấu khuấy chân vịt trở thành cơ cấu khuấy tuabin hở với cánh elÍp '

4