Khảo sát và tính toán thiết bị Cột Chêm

PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA THÍ NGHIỆM 3 Sự biến đổi của thừa số ĩ liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô và qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng.. Độ giảm áp của dòng khí Độ g

Khoa khoa học ứng dụng Phòng thí nghiệm Quá trình và thiết bị.

Bộ môn :

THÍ NGHIỆM QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ

Giáo viên hướng dẫn : Thầy Lê Văn Nhiều

Họ và tên : Trần Thụy Trúc Vy

MSSV: 61302758

Lớp : 13060201 – Khóa 17 ĐH Nhóm: 05 – Tổ 01

Đợt thí nghiệm : 01 Ngày thí nghiệm : 13/01/2016

PHẦN I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA THÍ NGHIỆM

3) Sự biến đổi của thừa số ĩ liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô

và qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng

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

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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 = 𝛂𝐆𝐧 (1)

Với n = 1,8 – 2,0

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 đều đặn cho đến một trị 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 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 ở điểm lụt

Đường biểu diễn log( Pc/Z) (độ giảm áp suất của dòng khí qua một dơn 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

- Với chế độ chuyển động dòng , 𝑅𝑒𝑘 < 40, 𝑓𝑐𝑘 = 140

𝑅𝑒𝑘

- Với chế độ chuyển động xoáy , 𝑅𝑒𝑘 > 40, 𝑓𝑐𝑘 = 𝑅𝑒16

𝑘0.2

2.3 Độ giảm áp ∆𝑷𝒄ư khi cột ướt

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

∆𝑝𝑐𝑘 với hệ số xối tưới như sau :

𝑅𝑒𝐿 = 4𝐺𝐿

𝐹𝑎𝜇𝐿

2.4 Điểm lụt của cột chêmKhi 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

П1 = ( 𝑓𝑐𝑘𝑎

𝜀3 ) 𝜈22𝑔

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

μtđ : độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước

𝜇𝑡đ= 𝜇𝐿

𝜇𝑛ướ𝑐, 𝑛ế𝑢 𝑐ℎấ𝑡 𝑙ỏ𝑛𝑔 𝑙à 𝑛ướ𝑐 𝑡ℎì 𝜇𝑡đ= 1

Do đó sự liên hệ giữa П1, П2 trên giản đồ logП1 – logП2 sẽ xác định một giản đồ lụt của cột chêm, phần giới hạn hoạt động của cột chêm ở dưới đường này

PHẦN II : THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Sơ đồ thiết bị thí nghiệm

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ

I-Máy thổi khí 1,2-Van điều chỉnh lưu lượng dòng khí

II-Lưu lượng kế dòng khí 3-Van xả nước đọng trong ống khí

VI- Lưu lượng kế dòng lỏng 8-Van xả nhanh khi lụt cột chêm

g- ống định mức chất lỏng ở đáy cột

HOẠT ĐỘNG:

-Khi đèn NGUỒN (màu xanh bên trái, trên) sáng báo có điện bật CB lên

-Bấm nút chạy (màu xanh) của BƠM Đèn hoạt động (màu đỏ) sáng Bơm ly tâm hoạt động

-Bấm nút chạy (màu xanh) của THỔI KHÍ Đèn hoạt động (màu đỏ) sáng Máy thổi khí hoạt động

• Chiều cao phần chêm h = 0,5 m

Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 15,9 mm, bề mặt riêng a = 349,5 m2/m3, độ xốp = 0.067

TỦ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN

4 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

1) Khóa lại tất cả các van lỏng (từ 4 đến 8)

2) Mở van 2 và khóa van 1, 3

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

4) Mở van 4 và 7 Sau đó cho bơm chạy

5) Mở van 5 và từ từ khóa van 4 để chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định mức g Tắt bơm và khóa van 5

6) Đo độ giảm áp của cột khô:

• Khóa tất cả các van lỏng lại Mở van 1 còn 2 vẫn đóng Cho quạt chạy rồi

từ từ mở van 2 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 4 cho bơm chạy Dùng van 6 tại lưu lượng kế để điều chỉnh lưu lượng lỏng Nếu van 6 đã mở tối đa mà phao vẫn không lên thì dùng van 4

để tăng lượng lỏng

• Ứng với lưu lượng lỏng đã chọn cố định, ta điều 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, sinh viên cần canh giữ mức lỏng ở đáy cột luôn ổn định ở ¾ chiều cao đáy bằng cách chỉnh van 7 Nếu cần, tăng cường van 8 để nước trong cột thoát về bình chứa

2 Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng trước, mở tối đa van 8 sau đó mới tắt quạt

3 Nếu sơ suất để nước tràn vào ống dẫn khí thì mở van xả nước ở phía bảng

PHẦN III : SỐ LIỆU VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

A Kết quả đo được (Số liệu thô): (với p có đơn vị là mmH2O)

Ta được bảng số liệu sau:

0.122084 0.183126 0.244169 0.305211 0.366253 0.427295 0.488337

L = 0 9.803922 29.41176 49.01961 88.23529 107.8431 156.8627 196.0784

5.217138 196.0784 294.1176 441.1765 490.1961 588.2353 647.0588 784.3137 7.825707 411.7647 450.9804 352.9412 686.2745 754.902 1176.471 1764.706 10.43428 490.1961 529.4118 784.3137 784.3137 813.7255 2254.902 2303.922 13.04285 539.2157 686.2745 1176.471 3725.49 960.7843 3627.451 5392.157

15.65141 686.2745 843.1373 1127.451 1078.431 2843.137 3921.569 3627.451

*các điểm in đậm, nghiêng là những điểm ngập lụt

B Kết quả tính toán:

Các thông số cần dùng để tính toán:

μ(Ns/m2

) (kg/m3)

Tra các thông số ở nhiệt độ phòng thí nghiệm (giả sử t = 30C)

Các thông số đã cho sẵn:

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

0.1220843 19.6078431 75.120701 6.74478415 -0.91334 1.292429824 0.828968 0.1831264 58.8235294 112.68105 6.21941883 -0.73725 1.769551079 0.79375 0.2441686 98.0392157 150.2414 5.87167565 -0.61231 1.991399828 0.768762 0.3052107 176.470588 187.80175 5.61539168 -0.5154 2.246672333 0.74938 0.3662529 215.686275 225.3621 5.41431857 -0.43622 2.333822509 0.733544 0.427295 313.72549 262.92245 5.2499413 -0.36927 2.496549807 0.720154 0.4883371 392.156863 300.4828 5.11159054 -0.31128 2.59345982 0.708556

với Reck ở bảng trên thì ta áp dụng công thức thứ 2 để tính

***Các cột không in đậm ta tính toán dùng để vẽ đồ thị

2 Các trị số kết quả trường hợp cột ướt

o L = 2 (l/p)

G, kg/m2.s Pck P cư  Pcư /Z Re cư f ck f cư

0.1220843 9.803922 196.078 20 392.15686 74.4975 6.74478 134.9

0.1831264 29.41176 294.118 10 588.23529 74.4975 6.21942 62.194 0.2441686 49.01961 441.176 9 882.35294 74.4975 5.87168 52.845 0.3052107 88.23529 490.196 5.55556 980.39216 74.4975 5.61539 31.197 0.3662529 107.8431 588.235 5.45455 1176.4706 74.4975 5.41432 29.533 0.427295 156.8627 647.059 4.125 1294.1176 74.4975 5.24994 21.656

B Trình bày cách tính toán ở cột ướt

3 Các trị số kết quả khi cột lụt

*các điểm in đậm, nghiên trên bảng kết quả thô là những điểm ngập lụt

0.3052107 13.04285 42.7339 0.26198 5.6153917 0.02671 1.46174 -1.5734 0.16487 0.3662529 15.65141 42.7339 0.31438 5.4143186 0.03708 1.46174 -1.4308 0.16487 0.427295 13.04285 30.5242 0.36678 5.2499413 0.04894 1.0441 -1.3103 0.01874 0.427295 15.65141 36.6291 0.36678 5.2499413 0.04894 1.25292 -1.3103 0.09792 0.4883371 13.04285 26.7087 0.41917 5.1115905 0.06224 0.91359 -1.2059 -0.0392 0.4883371 15.65141 32.0504 0.41917 5.1115905 0.06224 1.09631 -1.2059 0.03993

4 Các hệ thức thực nghiệm

thuộc của các đại lượng

5 Đồ thị

 LogPck/Z theo G

y = 2.1255x + 3.2861 R² = 0.9919

1 1.5 2 2.5 3

2.5 2.7 2.9 3.1 3.3 3.5 3.7 3.9 4.1

 Log fck theo Reynolds

y1 = 0.3333x + 10.667

R² = -3E-16

y3 = 0.1667x + 64 R² = -4E-17

y4 = -x + 256 R² = -5E-16

y5 = 0 R² = 0 0

 Log fcư theo Recư

Hoặc fcư theo Recư

y1 = 1 R² = 0

y3 = 0.0078x + 0.6667 R² = -1E-14

y4 = -0.0156x + 6 R² = -2E-14

y5 = 0 R² = 0

y = 4.3319x + 2.2 R² = 0.9422

y = 1.7381x + 0.93 R² = 0.9897

0 10 20 30 40 50 60 70 80

log 

G1,kg/s.m2G2,kg/s.m2Linear (G1,kg/s.m2)Linear (G2,kg/s.m2)

y = -8.155x 2 - 0.3015x - 1.2253

R² = 0.8112

-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2

 log theo L ( tại vài vị trí của G dưới điểm gia trọng )

 Giản đồ lụt của cột logП1 theo logП2

PHẦN IV : NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ VẢ BÀN LUẬN KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

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

 Đối với cột khô : Ta thấy từ đồ thị LogPck/Z theo G, khi suất lượng G tăng lên thì độ giảm áp trên một đơn vị độ cao của cột chêm Pck/Z cũng tăng theo Với đường thẳng tuyến tính và hệ số R gần như chính xác thì những điểm trên đồ thị hình thành gần như một đường thẳng Từ đó ta thấy, khi G tăng thì độ giảm

áp tăng theo và 2 đại lượng đó có quan hệ tuyến tính với nhau

 Đối với cột ướt : tương tự như đồ thị đối với cột khô, ở cột ướt khi G tăng thì

độ giảm áp cũng tăng theo nhưng mối quan hệ giữa chúng không còn là mối quan hệ tuyến tính nữa Để biết được điều đó ta áp dụng vào việc vẽ đường tương đối với các điểm, với đường thẳng tuyến tính (linear) thì khả năng sai số lớn hơn so với đường cong đa thức (polynomial – ở đây là đa thức bậc 2) rất nhiều (khả năng sai số ta dựa vào R, R càng tiến tới 1 thì càng chính xác)

 Đường thẳng nối các điểm trên đồ thị hình thành một đường gãy khúc

do vậy khi G tăng thì độ giảm áp cũng tăng theo từng giai đoạn rõ rệt Tuy vậy, có những đường đang tăng theo độ giảm áp lại giảm đột ngột rồi lại tăng lên rất cao là do thao tác thí nghiệm không chính xác, hoặc không điều chỉnh được mức chất lỏng ở đáy cột ổn định để đo do vậy xảy ra sai số

 Xét đồ thị LogPc.ư/Z theo G và theo L ta thấy khi lưu lượng lỏng L tăng lên thì độ giảm áp cũng tăng theo Ở những điểm độ giảm áp tăng đột ngột rất lớn ta xác định vùng ngập lụt (sau điểm gia trọng) Tháp chêm hoạt động ở chế độ tốt nhất đó là hoạt động trong vùng ngập lụt nhưng đoạn thẳng ngập lụt rất dốc, khó mà có thể thực hiện được trong thực tế do chênh lệch vận tốc khí rất nhỏ, chất lỏng dễ bị cuốn ngược trở ra theo dòng khí

2 Mục đích và cách sử dụng giản đồ f theo Reynolds

 Mục đích : Giản đồ f theo Re được lập nhằm để biểu diễn sự phụ thuộc của

trở lực và lưu lượng của dòng lưu chất Nếu lưu lượng của dòng lưu chất càng lớn thì hệ số ma sát càng lớn Việc ta lập đồ thị nhằm xác định được lưu lượng hợp lý để vận hành cột, nhằm giảm trở lực đến tối thiểu nhất thì khi đó hiệu suất mới đạt tối ưu

o Mặt khác, ở bài thí nghiệm này, đúng theo cơ sở lý thuyết khi lưu lượng tăng thì hệ số ma sát sẽ giảm dần, nhưng do ảnh hưởng của sai số ( sai số ngẫu nhiên, sai số do thao tác thí nghiệm,…) nên có những kết quả f đang giảm bỗng nhiên tăng rồi lại giảm Do vậy ở đồ thị fc.ư

tính nhưng thực sự không phải vậy Chế độ máy tính là nối các điểm theo lập trình, nhưng thực tế ta không thể vẽ được Hoặc giả ta nhìn vào R của các suất lượng lỏng khác nhau, ta thấy sai số rất lớn nên những đường đó tạm có thể chấp nhận nó có quan hệ tuyến tính

 Sử dụng giản đồ f theo Reynolds

o Nếu ta tính toán được một giá trị nào trong hai giá trị (f, Re) thì ta có thể dùng đồ thị mà suy ra giá trị còn lại

o Cách xác định như sau: từ một giá trị đã biết kẻ một đường thẳng theo phương ngang hoặc theo phương đứng song song với trục hoành hoặc trục tung, đường thẳng đó sẽ 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

3 Sự liên hệ giữa các đối tượng khảo sát có theo như dự đoán

không? Nếu không giải thích lý do

- Sự liên hệ giữa các đối tượng khảo sát có thể gần đúng như dự đoán

 Log(P ck /Z) – logG : phụ thuộc gần như tuyến tính với nhau theo 1

đường thẳng Dựa vào hình 1 ở phần cơ sở lý thuyết ta thấy đường thảng L = 0 là một đường thẳng tuyến tính

 Log(P c.ư /Z) – logG : Với L = 2 (l/p) ta thấy độ giảm áp tăng gần

như theo tuyến tính nhưng ở các giá trị suất lượng lỏng càng tăng của

L (3, 4, 5, 6 l/p) thì độ giảm áp hình thành như những đường gãy khúc So sánh với đồ thị hình 1 ở phần cơ sở lý thuyết thì ta thấy những đường thẳng trên đồ thị thực nghiệm tương đối giống

 Log - L : xét đồ thị thực nghiệm ở trên ta thấy R sai số không quá

nhiều do vậy có thể xem như log và L có quan hệ tuyến tính với nhau như cơ sở lý thuyết ở công thức : logσ = L (xem như  là một hằng số - tra bảng)

 Giản đồ ngập lụt thực nghiệm là một đường cong đa thức bậc 2

như hình vẽ trong cơ sở lý thuyết hoặc ta có thể tham khảo H5.32:

“Điểm lụt của tháp chêm theo quan hệ giữa П1 , П2 “ trang 133 sách

truyền khối tập 3 của Thầy Vũ Bá Minh Do vậy giữa thực nghiệm và

lý thuyết gần giống nhau

4 Những nguyên nhân gây ra sai số thí nghiệm?

o Nguyên nhân làm ảnh hưởng nhiều nhất là: mức chất lỏng

ở dưới đáy cột chêm duy trì không ổn định dẫn đến độ giảm áp chênh lệch rất nhiều

o Do người đọc số liệu trên áp kế U

o Do lưu lượng khí và lưu lượng lỏng chuyển động không đều trong cột chêm (sai số hệ thống do bơm quạt làm việc không ổn định)

o Do những khoảng ngập lụt quá nhiều, tắt hệ thống, khởi động lại và đo thì số liệu không còn tăng đều như ban đầu

PHẦN V: Những tài liệu đã tham khảo

1) Sách “Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm”- tập 1 và tập

4 của GS TSKH NGUYỄN BIN

2) Bảng tra cứu của sách “Cơ sở truyền nhiệt” của tác giả Hoàng Đình Tín

3) Sách “Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm: TRUYỀN KHỐI” –tập 3 của tác giả Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh

4) Giáo trình “Thí nghiệm quá trình và thiết bị công nghệ” thuộc trường đại học Tôn

Đức Thắng

5) Slide bài giảng của thầy Trần Văn Ngũ và thầy Lê Đức Trung (Cơ Nhiệt)