thí nghiệm quá trình và thiết bị cột chêm

thí nghiệm quá trình và thiết bị cột chêm

1 TRÍCH YẾU

1.1 Mục đích thí nghiệm

Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng cách xác định:

- Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp)

- Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô fck theo chuẩn số Reynolds (Re) của dòng khí và suy ra các hệ thức thực nghiệm

- Sự biến đổi của thừa số  liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô và qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng

- Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng)

1.2 Phương pháp thí nghiệm

Cho dòng khí với các lưu lượng khác nhau qua cột có chứa các vật chêm Lần lượt khảo sát độ giảm áp khi chỉ có dòng khí chuyển động qua cột (cột khô) và khi có dòng khí chuyển động qua cột kết hợp với dòng lỏng chảy từ trên xuống với lưu lượng khác nhau (cột ướt)

1.3 Kết quả thí nghiệm

Bảng 1:

G(%) L=0  P L=0.2  P L=0.4  P L=0.6  P L=0.8  P L=1  P L=1.2  P L=1.4  P

1.4 Nhận xét kết quả thí nghiệm

- Với cùng lưu lượng khí vào cột chêm, khi tăng lưu lượng dòng lỏng thì độ giảm áp ΔP tăng theo

- Khi lưu lượng dòng lỏng vào cột chêm tăng lên thì có xuất hiện hiện tượng ngập lụt ( bắt đầu từ L = 0.6), và ngập lụt đến nhanh hơn

2 LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM

2.1 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 lũy thừa từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dòng khí

Pck = Gn với n = 1,8 – 2,0 (1) 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 chất lỏng chiếm cứ Khi tăng vận tốc dòng khí lên, ảnh hưởng cản trở của dòng lỏng tăng lên đều đặn cho đến một trí 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 dòng khí quá trị số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỗ tương giữa dòng lỏng và dòng khí rất lớn, Pc tăng mau chóng không theo phương trình (1) nữa Dòng lỏng lúc này chảy xuống cũng khó khăn, cột chêm 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 hình 1

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

Chilton và Colburn đề nghị một hệ thức liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm khô với vận tốc khối lượng của dòng khí qua cột

w h h g ck

Z G f



2

2



Z: chiều cao phần chêm, m

G: vận tốc khối lượng dòng khí dựa trên một đơn vị tiết diện cột, kg/s.m2

Dh: kích thước đặc trưng của vật chêm, m

g: khối lượng riêng của pha khí, kg/m3

h: hệ số điều chỉnh dùng cho vật chêm rỗng

w: hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng của thành cột lên độ xốp của cột chêm

Sherwood tổng hợp kết quả của một số nghiên cứu và đưa ra trị số sau cho vòng sứ Raschig: h = 0,35

w = 1

Tuy nhiên, Zhavoronkov đề nghị một hệ thức khác chính xác hơn vì đã đưa được trị số độ xốp của cột chêm vào hệ thức:

e G

ck

Z G f P



2

2 2



Với:  : độ xốp của vật chêm

a

D e 4 đường kính tương đương của vật chêm, m

a : diện tích bề mặt riêng của vật chêm, m2/m3

Hệ số ma sát fck là hàm số theo chuẩn số vô thứ nguyên Rec, với Rec được tính theo công thức sau:



G

GD e

c

4





: độ nhớt của dòng khí, kg/ms

Zhavoronkov đã xác định được khi dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối ứng với trị số Rec = 50 Trong vùng chảy rối, 50 < Rec < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên Ta được: 38,2

Re

,

c ck

f 

Tuy nhiên, các hệ thức tổng quát trên không được chính xác lắm vì không xem xét được toàn bộ ảnh hưởng của hình dạng vật chêm

2.3 Độ giảm áp ΔP cư khi cột ướt

Sựï liên hệ giữa độ giảm áp cột khô Pck và cột ướt Pcư có thể biểu diễn như sau:

Do đó có thể dự kiến fcư = .fck (7)

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

Leva đề nghị ảnh hưởng của L lên  như sau: = 10 L (8)

Hay log = L (9) Giá trị  tùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm (xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự) và độ lớn của lưu lượng dòng lỏng L Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig 12,7mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp  = 0,586; giá trị của L từ 0,39 đến 11,7 kg/m2s và cột hoạt động trong vùng dưới điểm gia trọng

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

ck

cư

p

p





với hệ số xối tưới :

2 2

75 1 3



q F

G A

L

L

L  

 Re , Khi A< 0,3 cho vật chêm bằng sứ có d < 30mm, ta có:

L L

L

4G Re

Fa



cư

3 ck





  (11)

2.4 Điểm lụt của cột chêm

Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng chiếm toàn bộ khoảng trống trong phần chêm, các dòng chảy bị xáo trộn mãnh liệt, hiện tượng này rất bất lợi cho sự hoạt động của cột chêm Gọi giá trị của GL tương ứng với trạng thái này là GL*

Zhavoronkov kết luận rằng trạng thái ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số sau có sự liên hệ nhất định với nhau cho mỗi cột

2 0,2

L

f a v 2g



và

L

G G

L







Với fck : hệ số ma sát cột khô

v : vận tốc dài của dòng khí ngay trước khi vào cột, m/s

tđ : độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước, ,

nước

l

tđ 



  nếu chất lỏng là nước thì tđ = 1

Do đó sự liên hệ 1, 2 trên giản đồ log(1)– log(2) sẽ xác định một giản đồ lụt của cột chêm, phần giới hạn hoạt động của cột chêm dưới đường này

3 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP TN

3.1 Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm

3.1.1 Sơ đồ thiết bị nghiệm

Gồm có:

- Cột thủy tinh, bên trong là các vòng sứ Raschig xếp chêm ngẫu nhiên

- Hệ thống cấp khí gồm có:

 Bơm (quạt) thổi khí BK

 Ống dẫn khí

 Áp kế sai biệt chữ U

 Lưu lượng kế khí F có độ chia từ 8 đến 100%

- Hệ thống cấp nước gồm:

 Thùng chứa nước bằng nhựa N

 Bơm chất lỏng BL

 Lưu lượng kế lỏng Fl có độ chia từ 0,2 đến 1,6

3.1.2 Các số liệu liên quan đến cột chêm

Cột thủy tinh:

 Đường kính d = 0,09 m

 Chiều cao H = 0,805 m

 Chiều cao phần chêm Z = 0,6 m

Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7mm, bề mặt riêng a = 370 – 380 m2/m3, độ xốp  = 0,586

Đường kính ống thép ở đáy cột D = 0,09m

3.2 Phương pháp thí nghiệm

1) Khóa lại tất cả van lỏng (từ 1 đến 4)

2) Mở van 5 và khóa van 6

3) Cho quạt chạy trong 5 phút để thổi hết ẩm trong cột Tắt quạt

4) Mở van 1 và 2, sau đó cho bơm chạy

5) Mở van 3 và từ từ khóa van 1 để điều chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định mức g Tắt bơm và khóa van 3

6) Đo độ giảm áp của cột khô:

 Khóa tất cả các van lỏng lại Mở van 6 còn van 5 vẫn đóng Cho quạt chạy rồi từ từ mở van 5 để chỉnh lưu lượng khí vào cột

 Ứng với mỗi giá trị lưu lượng khí đã chọn ta đọc Pck trên áp kế U theo mmH2O Đo xong tắt quạt, nghỉ 5 phút

7) Đo độ giảm áp khi cột ướt:

 Mở quạt và điều chỉnh lưu lượng khí qua cột khoảng 15 – 20%

 Mở van 1 và cho bơm chạy Dùng van VL tại lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng (lưu lượng kế lỏng có vạch chia 0,1; 0,2; …;1,6) Nếu VL đã mở tối đa mà phao vẫn không lên thì dùng van 1 để tăng lượng lỏng

 Ứng với lưu lượng lỏng đã chọn (ví dụ: 0,1; 0,2…) cố định, ta chỉnh lưu lượng khí và đọc độ giảm áp Pcư giống như Pck trước đó Chú ý là tăng lượng khí đến điểm lụt thì thôi

Chú ý:

1) Trong quá trình đo độ giảm áp của cột ướt cần canh giữ mức long ở đáy cột luôn ổn định ở ¾ chiều cao đáy bằng cách chỉnh van 4 Nếu cần, tăng cường van 2 để nước trong cột thoát về bình chứa (van 2 dùng để xả nhanh khi giảm lưu lượng khí)

2) Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng BL trước, mở tối đa van 4 sau đó tắt quạt BK 3) Nếu sơ xuất để nước tràn vào ống dẫn khí thì mở van xả nước ở phía bảng

4 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

4.1 Các trị số kết quả khi cột khô L=0

Bảng 2: Khi L=0

G % G, kg/s.m2

ΔPck, N/m2 ΔPck/Z,

4.2 Các trị số kết quả trường hợp cột ướt

Bảng : Khi L=0.2

G

(%)

P cư

Bảng 4: Khi L=0.4

G

Bảng 5: Khi L=0.6

G

Bắt đầu xảy ra ngập lụt tại G=100%

Bảng 6: Khi L=0.8

G

Bắt đầu xảy ra ngập lụt tại G=85%

Bảng 7: Khi L=1

G

Bắt đầu xảy ra ngập lụt tại G=75%

Bảng 8: Khi L=1.2

G

Bắt đầu xảy ra ngập lụt tại G=70%

Bảng 9: Khi L=1.4

G

Bắt đầu xảy ngập lụt tại G=65%

4.3 Các trị số kết quả khi cột lụt

Bảng 10:

L, gppm kg/s.mL, 2 G*, % Kg/s.mG*, 2 L/G* 1 2 v(m/s) fck

4.4 Đồ thị

Đồ thị 1: Biểu diễn log(∆Pck/Z) theo log(G)

Đồ thị 2: Biểu diễn Logfck theo Re

y = 1.6666x + 3.3797 R² = 0.9809

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Đồ thị log(∆P ck /Z) theo log(G)

y = 5E-06x 2 - 0.0033x + 1.0447

R² = 0.9782

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Logfck

Re

Đồ thị 3: Biểu diễn ΔPcư /Z theo L và G -500

500 1500

2500

3500

4500

5500

6500

P cư

2 )/m

G, kg/s.m 2

Poly (L=0.2) Poly (L=0.4) Poly (L=0.6) Poly (L=0.8) Poly (L=1) Poly (L=1.2) Poly (L=1.4)

Đồ thị 4 : Biểu diễn logfcư theo log(Re)

y = -0.3334x + 1.395

R² = 0.6728

y = -0.3334x + 1.5342

R² = 0.6728

y = -0.3334x + 1.6478

R² = 0.6728

y = -0.3334x + 1.6953

R² = 0.6728

y = -0.4061x + 1.9546

R² = 0.775

y = -0.48x + 2.1995

R² = 0.8824

y = -0.5354x + 2.3865

R² = 0.974

y = -0.5427x + 2.4301

R² = 0.9727

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

Đồ thị log(fư) theo log(Re)

L=0 L=0.2 L=0.4 L=0.6 L=0.8 L=1 L=1.2 L=1.4

Đồ thị 5: Biểu diễn logσ theo L (tại vài vị trí của G dưới điểm gia trọng)

Chọn các vị trí G=20%, 30%, 40%

Đồ thị 6: Giản đồ lụt của cột log1 theo log2

4.5 Các kết quả, hệ thức thực nghiệm

DPck/Z theo G 0 log(∆Pck/Z )= 1.6666*log(G) + 3.3797

DPcư/Z theo G

0.2 ∆Pcư/Z =4151*G2 - 294.82*G + 94.822 0.4 ∆Pcư/Z =12689*G2 - 5264.7*G + 676.43 0.6 ∆Pcư/Z =16203*G2 – 7521*G + 989.92 0.8 ∆Pcư/Z =25073*G2 - 9994.4*G + 1056.2

1 ∆Pcư/Z =37938*G2 – 16515*G + 1750 1.2 ∆Pcư/Z =44312*G2 – 18017*G + 1793.4 1.4 ∆Pcư/Z =52303*G2 – 20894*G + 2036.8

fck theo Rec 0 log(fck) =5E-06*Rec 2 - 0.0031*Rec + 1.0224

fcư theo Rec

0.2 log(fcư)== -0.3334*log(Re) + 1.5342 0.4 log(fcư)=-0.3334*log(Re) + 1.6478 0.6 log(fcư)= -0.3334*log(Re) + 1.6953 0.8 log(fcư)=-0.4061*log(Re) + 1.9546

1 log(fcư)=-0.48*log(Re) + 2.1995

-1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4

π1

log(π2)

1.2 log(fcư)=-0.5354*log(Re) + 2.3865 1.4 log(fcư)=-0.5427*log(Re) + 2.4301

theo L

G=20% log(σ)=0.3864*L-0.0165 G=30% log(σ)=0.4262*L-0.0917 G=40% log(σ)=0.5327*L-0.1082

5 BÀN LUẬN

5.1 Ảnh hưởng của G lên độ giảm áp khi cột khô và khi cột ướt

Đối với cột khô: khi G tăng thì độ giảm áp tăng theo, cụ thể log(∆Pcư/Z) tuyến tính với logG

Đối với cột ướt: khi G tăng thì độ giảm áp cũng tăng theo nhưng chia thành từng vùng rõ rệt

như giản đồ trong lý thuyết đã đề cập.Cụ thể từ đồ thị ta thấy lúc đầu khi G còn nhỏ thì (∆Pcư/Z) tăng chậm sau đó khi G đủ lớn thì (∆Pcư/Z) bắt dầu tăng nhanh và khi vượt qua giới hạn điểm lụt thì (∆Pcư/Z) tăng rất nhanh Khi lưu lượng lỏng càng tăng thì giới hạn điểm lụt càng gần hơn, cột càng dễ gần đến điểm lụt hơn

Sau điểm gia trọng thì giá trị P tăng lên rất nhanh, đột ngột Đoạn thẳng ở trong vùng này rất dốc nên ta rất khó vận hành cột chêm ở chế độ sủi bọt này mặc dù cột chêm hoạt động tốt nhất ở chế độ đó.Thực tế khi tiến hành thi nghiệm khi tơ i đđiểm lụt ta dư ng thi nghiệm do khó duy trì vùng hoạt động ở điểm gia trọng, dễ đi vào chế độ cuốn theo làm nước phun ra khỏi cột

5.2 Mục đích và cách sử dụng giản đồ f theo Re

Giản đồ f theo Re được lập để nhằm biểu diễn sự phụ thuộc của trở lực vào lưu lượng của dòng lưu chất Nếu lưu lượng dòng lưu chất lỏng càng lớn thì hệ số ma sát f giữa hai pha càng tăng, ở mỗi giá trị lưu lượng lỏng cố định khi ta tăng G thì f giảm cụ thể khi với các giá trị G nhỏ thì f giảm tương đối nhanh sau đó khi G càng tăng lên thì f giảm chậm và ổn định ở 1 giá trị (không xét gí trị G từ điêmmr lụt trở về sau) Lập đồ thị nhằm xác định được lưu lượng hợp lý để vận hành cột để trở lực nhỏ và thu được hiệu suất truyền khối tốt nhất giữa hai pha với nhau mà cột vẫn không bị lụt

Nếu biết 1 trong hai giá trị Re hoặc f thì có thể dùng đồ thị để xác định giá trị còn lại như sau: Từ giá trị f hoặc Re đã biết, kẻ một đường thẳng theo phương ngang hoặc theo phương đứng, cắt đồ thị f_Re tại một điểm Từ giao điểm đó, kẻ một đường thẳng vuông góc với trục còn lại thì sẽ xác định được giá trị cần tìm

5.3 Sự liên hệ giữa các đối tượng khảo sát có theo như dự đoán không? Giải thích

Sự liên hệ giữa các đối tượng tương đối gần với với dự đoán Cụ thể là các mối liên hệ sau:

- Log(Pck/Z) và logG là phụ thuộc tuyến tính với nhau theo đường thẳng giống như lý thuyết đã nhận định

- Log và L: hoàn toàn phụ thuộc tuyến tính với nhau nên được thể hiện thành một đường thẳng trên đồ thị giống như dự đoán

- Đường cong biểu diễn Pck/Z theo G gần như tuân theo qui lật hàm bạc hai đúng như dự đoán.Các đồ thị Pcư/Z theo G thì có dạng không ổn định và không tuân theo qui luật nhất định phụ thuộc vào các chế độ làm việc của lưu lượng và khí.Điều này có thể giải thích

do một số nguyên nhân sai số

5.4 Nguyên nhân sai số

Kết quả thí nghiệm tương đối phù hợp với lý thuyết của các dòng lưu chất và gần với sự dự đoán của các phương trình liên hệ

Tuy nhiên kết quả thí nghiệm cũng có sai số do các nguyên nhân sau:

- Các điều kiện thí nghiệm không ổn định và không giống nhau ở các lần đo

- Lưu lượng dòng lỏng và lưu lượng dòng khí không ổn định do bơm và quạt

- Sai số khi đọc và trong thao tác thí nghiệm (do người đọc đọc không chính xác, do đđiều chỉnh lưu lượng khí và lỏng chưa chính xác…)

- Các công thức sử dụng trong tính toán là công thức thực nghiệm do đó chỉ đúng trong một giới hạn nhất định, không phải cho tất cả các trường hợp

- Cột nước duy trì ở đáy cột không đảm bảo yêu cầu

Chú ý:

- Khi chỉnh xong lưu lượng dòng khí và dòng lỏng xong phải tiến hành đọc ngay kết quả

- Giữa quá trình thí nghiệm phải dừng khoảng 10 phút để làm nguội thiết bị, ổn định hệ thống rồi mới tiếp tục vận hành thiết bị

6 PHỤ LỤC

1 Chuyển đổi lưu lượng

xF

G m s kg

60

286 , 0 (%)

) /



( )

K, ρL: khối lượng riêng của dòng khí, dòng lỏng

F = 3.14* d2/4

d = 0.09m

2 Tính fck bằng công thức: G Z

D P

.

2 2

2









Trong đó:

 =0.568 : độ xốp của vật chêm

D e a :



4

 đường kính tương đương của vật chêm, m

a =375 m2/m3 : diện tích bề mặt riêng của vật chêm, m2/m3

Z = 0.42 m : chiều cao phần chêm

3 Tính fcư bằng công thức:

fcư = .fck

Tính  bằng công thức:

Pcư = .Pck

4 Đổi đơn vị đo áp suất

1 N/m2 =1 mmH2O/10000* 9.81*10^4

5 Tính Reck bằng công thức:



G

GDe c

4





Re

Tính điểm lụt của cột chêm

2 2

3 1

2

,

tđ L

G ck

g

v a f







 













L

G G

L







2

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Tập thể CBGD bộ môn Máy - Thiết bị, Thí nghiệm Quá trình-Thiết bị, Đại học Bách Khoa

Tp.HCM

[2] Giáo trình truyền khối ,GS.TSKH.Nguyễn Bin, Đại học Bách khoa Hà Nội

[3] Vũ Bá Minh, Truyền khối, Đại học Bách Khoa Tp.HCM