Hướng dẫn khuấy trộn chất lỏng

J.Y. OLDSHUE, N.R. HERBST HƯỚNG DẤN HUẤY TRỘN CHẤT LỎNG Người dịch : Đặng Xuân Toàn Đặng Vãn Sử THÀ XUẤT BẨN KHOA HỌC VÀ KỶ THUẬT HÀ Nộ ỉ - 1995 Dịch từ nguyên bản : J.Y. Olđshue, N.R.Herbst A GUIDE TO FLUID MIXING Lightnin Rochester, New York, U.S.À. Các tác giả Tiến sỉ JY.Oldshue là tác giả Công nghệ khuấy trộn chát lỏng (Chemical Engineering, McGraw-Hill Publishing Company, 1983) và nhiều công trình về quá trình trộn. Hiện nay ông là chủ tịch của công ty Oldshue Technologies Internationnal, ông đã nghỉ hưu sau bốn thập niên công tác ở Lightnin, một bộ phận của General Signal. Khi còn ở Lightnin ông đã giữ nhiều cương vị kỹ thuật chủ chốt, trước khi nghỉ hưu ông là pho' chủ tịch Hội công nghệ khuấy trộn (Mixing Technology). N.R.Herbst hiện là kỹ sư marketing kỹ thuật cao cấp ở Lightnin, nơi ông đã giữ các cương vị kỹ sư thử nghiệm, kỹ sư dịch vụ marketing và kỹ sư marketing kỹ thuật trong nhiều năm qua. Ngoài ra ông còn có nhiều kinh nghiệm trong nghiên cứu - triển khai, và kỹ thuật ứng dụng. 2 LÒI GIỎI THIỆU Việc các kỹ sư Việt Nam dịch cuốn "Hướng dẫn khuấy trộn chất lỏng" sang tiếng Việt để sử dụng là một vinh hạnh lớn cho chúng tôi. Khuấy trộn chất lỏng được dùng trong hầu hết các quá trình sản xuất, bao gồm chủ yếu các qui trình công nghệ hóa học. Công nghệ thiết kế có hiệu quả các thiết bị khuấy trộn chất lỏng trong những ứng dụng này đã phát triển rất nhanh cho'ng. Cuốn sách này tóm tát nhiều khái niệm quan trọng được sử dụng rPng rãi trên thế giới để thiết kế và mở rộng qui mô và là một đóng góp có giá trị cho các phương tiện mà các kỹ sư thường dùng trong thực tế. Việc dịch cuốn sách này sang một vài thứ tiếng là một bước quan trọng đối với các kỹ sư thực hành. Và bản dịch • sang tiếng Việt lần này có thể trợ giúp nhiều cho các kỹ sư Việt Nam. Tôi vui mừng được co' dịp phổ biến tài liệu này và xin gửi lời chúc mừng các dịch giả. Rất mong co' được sự hợp tác với các kỹ sư Việt Nam trong lĩnh vực công nghệ cơ bản này. Dr. JAMES Y. OLDSHUE, p. E 3 MỤC LỤC Trang Chương 1. MỔ ĐẦU 7 Chương 2 KHÁI NÊM CO BAN 18 Chương 3 CÁC BIỆN PHÁP ĐỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG 37 Chương 4 CÁC QUÁ TRÌNH KHÍ - LỎNG 68 Chương 5 CÁC HOẠT ĐỘNG THÉT BỊ THỦ NGHIỆM VÀ TĂNG QUY MÔ 90 Chương 6 THIẾT KẾ CO 101 Chương 7 HUỐNG DẪN KHUẤY TRỘN CHẤT LỎNG TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 125 4 LƠI NOI ĐAU Sách hướng dẫn vè khuấy trộn chát Lóng dành cho những ai muốn tiếp cận nhanh chóng, ván tát các nguyên lý trộn chất lỏng. Mặc dù ban đáu được viết như sách nhập môn hay giáo trình 111Ở đầu cho các sinh viên hóa kỹ thuật song nó cũng hữu ích cho những ai trong các ngành công nghiộp ho'a chất tCPI) tự thấy cấn tìm hiểu để tài này. Không may là do tính chất học thuật nặng nề và những ràng buộc vó thời gian đối với các môn học điển hình của sinh viên nên nhiều kỹ sư hóa không có cơ hội tìm hiểu nhiéu kbía cạnh của lỉnh vực hứng thú này. Trộn chất lỏng quả là đê tài đáng được chú ý nhiều hơn nếu ta chỉ cẩn xét tới ảnh hưởng to lớn của nó tới hầu như mọi quá trình sản xuất và mọi sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng. Cuốn sách này nhằm giới thiệu những vấn để cơ bản và kích thích lòng ham muốn nghiên cứu trong tương lai. Được biên soạn qua hàng chục năm nghiên cứu và phát triển và các kinh nghiệm trong công nghiệp, sách được chia thành sáu chương dễ hiểu. Chương 1 là mở đầu tóm tắt vể quá trình khuấy trộn, mảy khuấy trộn, các thành phần kết cấu máy trộn và các biến khuấy trộn chát lỏng. Chương 2 đé cập những khái niệm cơ bản quan trọng như các nhóm không thứ nguyên, các chế độ chát lỏng, dáp tuyến công suất, kết cấu bộ cánh khuấy và phổ cánh khuấy. Chương 3 khảo sát các cách thức diều khiển dòng 5 bao gồm pha trộn chát lỏng, tạo huyền phù hạt ràn và truyền nhiệt. Chương 4 giải thích các kiểu quá trình khí-iỏng. chương 5 giới thiệu các hoạt dộng thiết bị thử và tăng quy mô và chương 6 khảo sát các thiết kể cơ khí cơ bản. Ngoài ra còn có cả phần hướng dẫn trong phòng thí nghiệm (chương 7). Chương này đễ cập tới các thí nghiệm vể mức tiêu thụ công suất của các cánh khuấy, xác định số công suătỊsố Reynolds, kết cáu tăm chắn, tạo huyên phù, pha trộn chát lỏng dộ nhót thấp và chuyển khối khí-lòng. Sách này dược giới thiệu như bước đẩu tiên trong việc khảo sát lĩnh vực khuấy trộn chất lỏng thực sự hứng thú. Hy vọng rằng bạn đọc sẽ hưởng ứng bàng cách mong muốn mở rộng thêm sự hiểu biết của mình về lĩnh vực khuấy trộn chất lỏng. Cuối cùng chúng tôi khuyên bạn đọc tìm đọc thêm cuốn Công nghệ khuấy trộn chát lỏng của J.Y.Oldshue (Chemical Engineering, McGraw-Hill Publishing Company, 1983). 6 Chương 1. MỒ ĐÂU QUÁ TRÌNH KHUẤY TRỘN Khuấy trộn chất lỏng đóng vai trò chính trong qui trình sản xuất rất nhiều sản phẩm. Phần lớn các sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp đều đòi hỏi một kiểu khuấy trộn chất lỏng nào đó khi điều chế và ứng dụng chúng. Khuấy trộn chất lỏng chác chắn là qui trình thường hay gặp nhất trong các ngành công nghiệp hóa chất (CPI) và cả ở các ngành công nghiệp có liên quan. Các sản phẩm thu được từ những ngành công nghiệp thực phẩm, dầu mỏ, khai thác mỏ, dược phẩm, bột giấy và giấy và hóa chất co' thể sẽ không khả dụng nếu như không co' thiết bị khuấy trộn chất lỏng và công nghệ khuấy trộn chất lỏng. Việc xử lý phế thải thành phố và công nghiệp và xử lý nước cũng bị kém đi nếu không co' các máy khuấy trộn chất lỏng, các thiết bị phun khí và các thiết bị tạo bông láng. Hơn nữa, các máy khuấy trộn chất lỏng là rất cẩn thiết trong việc bảo vệ môi trường. Ví dụ, khử lưu huỳnh trong khí ống thải (FGD) - một quá trinh giúp kiểm soát mức ô nhiễm không khí (mưa axit) - các máy khuấy trộn chất lỏng đóng vai trò quan trọng trong hấp thụ khí suníurơ (S02). Các yêu cầu của quá trình khuấy trộn thay đổi và bao gồm (chứ không phải giới hạn ở) quá trình pha trộn các chất lỏng độ nhớt thấp với các chất lỏng độ nhớt cao, tạo các hạt 7 rán lơ lửng trong chất lỏng, phân tán chất khí hoặc chất rán trong chất lỏng, chuyển khối và truyền nhiệt. Kiểu khuấy trộn riêng đối với một quá trinh đã cho cũng thay đổi từ chuyển động chát lỏng đơn giản, cẩn năng lượng tương đối thấp tới khuấy trộn cần năng lượng cao đòi hỏi chất lỏng phải trượt và chảy rối ở mức độ cao. Cách phân loại chung các áp dụng trộn đối với các quá trình vật lý và ho'a học như ở bảng 1 -1 .0 đây ta thấy rằng một nhóm ứng dụng riêng liên quan tới cả quá trình vật lý lẫn quá trình hóa học. Cũng có nhiều quá trình liên quan tới nhiễu hơn một nhóm ứng dụng - ví dụ, lỏng - rán - khí và lỏng - lỏng - rán - khí. Bảng 1- 1. Các quá trình khuấy trộn Quá trình vật lý Nhóm ứng dụng Quá trình hóa học Tạo thể td từng Lỏng - rắn Hoà tan (huyền phù) Phân tán Lỏng - khí Hấp thụ Nhũ tương hóa Chất lỏng không trộn lẫn Chiết Pha trộn dược Chất lỏng trộn lẫn dược Phản ứng Bơm Chuyển dộng của chất lỏng Truyền nhiệt MÁY KHUẤY TRỘN Máy khuấy trộn là thiết bị thường gồm bộ truyền động, trục và một hoặc nhiẽu bộ cánh khuấy gán trên trục. Bộ cánh khuấy là dụng cụ bất kỳ lắp trên trục quay để luân chuyển vật liệu trong thùng trộn. Các cánh khuấy quay tạo ra sự thay thế lẫn nhau của vật liệu bên trong hệ thống để thỏa mãn yêu cáu cùa quá trình. 8 Có nhiễu loại bộ cánh khuấy khác nhau, bao gốm chân vịt, tuabin đai chán, tuabin đĩa, kiểu cái cào, kiểu cửa, mái chèo, tuabin cánh nghiêng V.V No'i chung, có thể phân các bộ cánh khuấy thành hai nhóm lớn - cánh khuấy dòng chảy hướng trục và cánh khuấy dòng chảy hướng kính. Hình 1 - / . Cánh khuấy dòng Hình ì -2. Mô hình dòng chảy chảy hướng trục. hướng trục điển hình. Cánh khuấy dòng chảy hướng trục co' hướng xả chính trùng với trục quay cánh khuấy. Hình 1-1 cho thấy những ví dụ vê cánh khuấy dòng chảy hướng trục và hình 1-2 cho thấy mô hình dòng chảy hướng trục điển hình. Các cánh khuấy dòng chảy hướng kính có hướng xả chính vuông go'c với trục quay. Các hình 1-3 và 1-4 minh họa các ví dụ về cánh khuấy dòng chảy hướng kính và các mô hình dòng chảy điển hình của chúng. 9 Các máy khuấy chất lỏng công nghiệp được chế tạo với một khoảng rộng các kích thước và kiểu cách để thích ứng với các điêu kiện khuấy trộn từ quy mô phòng thí nghiệm tới quy mô sản xuất lớn : 1. Máy khuấy phòng thí nghiệm - thường dưới 1/8 mã lực (0,1 kW), các bộ điều khiển tốc độ láp trên vành đế với các kích thước cánh khuấy thích hợp với các loại cốc và binh nhỏ trong phòng thí nghiệm (hình 1-5). 2. Máy khuấy trộn xách tay - thường là máy khuấy trộn 1/4 tới 3 mã lực (0,2 tới 2,2 kW) có cơ cấu móc giữ thích hợp cho láp trên mép bỉnh. Chúng thuộc loại xách tay vì chúng không có giá cố định và thường không cẩn nối thường xuyên với bộ khởi động. Loại này có thể không cần nút kín, không cẩn kẹp giữ và di chuyển nhanh từ bình này sang bình khác (hình 1-6). Hình 1-3. Cánh khuấy dòng chảy hướng kính. Hình 1-4. Mô hình dòng chảy hddng kính điển hình. 10 [...]... số truyền nhiệt trung bình s = khoảng cách giữa các cánh khuấy T = đường kính thùng khuấy u = hệ số truyền nhiệt chung V = thể tích z = độ sâu chất lỏng trong bình p = tỉ trọng chất lỏng hoặc chất rán ft = độ nhớt của chất lỏng ,ns = độ nhớt của chất lỏng ở nhiệt độ màng chất lỏng tại bể m ặt truyền nhiệt ơ = sức cáng bề mặt CHÍ SỐ DƯỎI 1 = lỏng s = rắn u = không phun khí V = trên thể tích đơn vị 16... khuấy liên hệ các ảnh hưởng kết hợp của các tính chất chất lỏng, hình dạng bộ cánh khuấy, đường kính và tốc độ bộ cánh khuấy với công suất tiêu thụ Các phán tử thiết kế cơ bao gốm bộ truyền động (bộ giảm tốc hoặc hộp số), trục ra bộ cánh khuấy, cơ cấu bít kín trục (khi cần) và động cơ chính (phương tiện ban đầu khiến máy chuyển động) 14 CÁC BIỂN KHUẤY TRỘN CHẢT LÓNG Có một số biến khuấy trộn chất lỏng. .. độ nhớt - chất lỏng Newton Khi độ nhớt của mè trộn tâng thì lực cản nhớt ở thành thùng và những vật trong thùng cũng tăng, do đó giảm các tấm chán trong thùng để có tải trọng đúng Đối với chất lỏng thông thường hoặc chất lỏng Newton (trong dó độ nhớt không phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển chất lỏng) thì phải giảm các tấm chán trong thùng đối với các bộ cánh khuấy dòng chảy cả hướng trục lẫn hướng kính... thùng và lấp bộ cánh khuấy kiểu dòng chảy hướng trục (hình 1-8) Máy khuấy trộn lắp ngang thường cần cơ cấu đệm trục khuấy «) Xem chú thích vé các ký hiệu cánh khuổy < trang 41 ’ i 11 5 Máy khuấy trộn lắp phía đáy - được láp thường xuyên phía dưới đáy thùng Với lo ạ i m áy k h u ấy trộ n này thường cần cơ cấu đệm kín (hình 1-9) Hình / - 7 Gá đặt máy khuấy trộn lắp phía trên 6 Máy khuấy trộn tĩnh hay k h... kế máy khuấy trộn - thiết kế quá trình, các đặc trưng công suất của bộ cánh khuấy và các chuẩn cứ thiết kế cơ khí (bảng 1-2) 12 n C3 Hình 1 - 9 Máy khuấy trộn iắp phía đáy Bàng 1-2 Các bộ phận chính trong thiết kể máy khuấy trộn 1 Thiết kế quá trình - Chế độ chất lóng cần thiết cho quá trình - Crt học chất lòng cùa bộ cánh khuấy - Tăng quy mô 2 Oăc trưng cóng suất của hộ cánh ■ Tốc độ bộ cánh khuấy, ... mô hình dòng chảy trong toàn mẻ trộn Chắn quá mức sẽ làm giảm lưu lượng khối và khoanh vùng sự trộn và co' thể dẫn tới tính năng kém của quá trình Môi trường khuấy trộn thích hợp bao gồm các thiết kế thùng và tấm chắn đúng và sử dụng hiệu quả công suất đưa vào Máy khuấy trộn lắp trên ở đường tâm thùng Phải có các tấm chắn để khuấy chất lỏng độ nhớt thấp khi các máy trộn láp trên nằm ở đường tâm thùng... các mốt khuấy trộn quan hệ công suất và đường kính bộ cánh khuấy 3 Thiết kể co - Bộ cánh khuấy - Trục - Bộ truyền động Thiết kế quá trình liên quan tới chế độ chất lỏng cẩn thiết (ví dụ, chảy rối, chuyển tiếp hoặc chảy thành lớp), cơ 13 học chất lỏng của bộ cánh khuấy (lưu lượng, độ chênh áp và sự trượt) và sự chuyển sang các kích thước bình khác nhau (tãng quy mô) Ilin lì I - Hì Máy khuấy trộn “không... 2-7) Ảnh hưởng của độ nhớt - chất lỏng phi Newton Chất lỏng phi Newton gặp khi khuấy thường là loại giả dẻo (độ nhớt biểu kiến giảm khi tốc độ dịch chuyển tâng) Vỉ các tốc độ dịch chuyển cao nhất gặp trong iniẽn bộ cánh khuấy nên đối với những chất lỏng phi Newton thường phải được giả hóa lỏng quanh bộ cánh trộn, còn thỉ ở các phán xa trong thùng (trên thành và ở bề m ặt mẻ trộn) thì vẫn giữ tĩnh Các... pha trộn thảng đứng cấn thiết Chỉ đối với sự khuấy trộn có độ trượt cao mới cẩn các tấm chắm bô’ sung trong thùng hình hộp Không được tiến hành các quá trình khuấy trộn chất lỏng độ nhớt cao trong các thùng hình hôp vi tác dụng chán tự nhiên của thùng KHOẢNG CÁCH VÀ VỊ TRÍ CỦA BỘ CÁNH TRỘN Khi sử dụng nhiéu bộ cánh trộn cẩn đặt chúng vào đúng vị trí để đạt mỏ hỉnh dòng chảy hiệu quả Các hướng dẫn riêng... khuấy (hình 1-7) Có thể dùng các máy khuấy trộn đó với thùng kín hoặc hở Trục máy thẳng đứng, co' một hoặc nhiều cánh khuấy Máy co' trục bít kín đôi khi cần thiết tùy thuộc vào từng áp dụng ó Hình / - 5 Máy khuấy trộn tốc độ biến thiên dùng trong phòng thí nghiệm 4 Máy khuấy trộn láp ngang - còng suất thường từ 1 tới 75 mã lực (0,75 tới 56 kW), láp trên gờ bên thùng thường //;„/, 7 - d Máy khuấy trộn . khí Hấp thụ Nhũ tương hóa Chất lỏng không trộn lẫn Chiết Pha trộn dược Chất lỏng trộn lẫn dược Phản ứng Bơm Chuyển dộng của chất lỏng Truyền nhiệt MÁY KHUẤY TRỘN Máy khuấy trộn là thiết bị thường. chất lỏng độ nhớt thấp với các chất lỏng độ nhớt cao, tạo các hạt 7 rán lơ lửng trong chất lỏng, phân tán chất khí hoặc chất rán trong chất lỏng, chuyển khối và truyền nhiệt. Kiểu khuấy trộn. THIỆU Việc các kỹ sư Việt Nam dịch cuốn " ;Hướng dẫn khuấy trộn chất lỏng& quot; sang tiếng Việt để sử dụng là một vinh hạnh lớn cho chúng tôi. Khuấy trộn chất lỏng được dùng trong hầu hết các quá