khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng cách xác định ảnh hưởng vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất( độ giảm áp) khi đi qua cột; hệ số ma sát cột khô, cột ướt,v..v.. Ngoài ra còn hướng dẫn cách tính toán từ số liệu thực nghiệm.
Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách khoa Khoa Kỹ thuật Hóa học BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ Phúc trình Thí nghiệm Quá trình & Thiết bò Bài: CỘT CHÊM I Nội dung bản: Mục đích: Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất khả hoạt động cột chêm cách xác đònh: -Ảnh hưởng vận tốc dòng khí lỏng lên tổn thất áp suất ( độ giảm áp ) qua cột -Sự biến đổi hệ số ma sát cột khô fck theo chuẩn số Reynolds (Re) dòng khí suy hệ thức thực nghiệm -Sự biến đổi thừa số liên hệ độ giảm áp dòng khí qua cột khô qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng -Giản đồ giới hạn khả hoạt động cột ( giản đồ ngập lụt gia trọng ) II Lý thuyết bản: Độ giảm áp dòng khí Độ giảm áp dòng khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G dòng khí qua cột khô ( dòng chảy ngược chiều ) Khi dòng khí chuyển động khoảng trống vật chêm tăng dần vận tốc độ giảm áp tăng theo Sự gia tăng theo lũy thừa từ 1,8 đến 2,0 vận tốc dòng khí (1) Với n = 1,8 – 2,0 Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, khoảng trống vật chêm bò thu hẹp lại Dòng khí di chuyển khó khăn phần thể tích tự vật chêm bò lượng chất lỏng chiếm Khi tăng vận tốc dòng khí lên, ảnh hưởng cản trở dòng lỏng tăng lên đặn trò số tới hạn vận tốc khí, lúc độ giảm áp dòng khí tăng vọt lên Điểm ứng với trò số tới hạn vận tốc khí gọi điểm gia trọng Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí trò số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỗ tương dòng lỏng dòng khí lớn, tăng mau chóng không theo phương trình (1) Dòng lỏng lúc chảy xuống khó khăn, cột điểm lụt Đường biểu diễn log( ) (độ giảm áp suất dòng khí qua đơn vò chiều cao phần chêm cột) dự kiến trình bày hình log( L3 ) L2 C A L1 B L=0 logG Hình 1: Ảnh hưởng G L độ giảm áp cột Hệ số ma sát fck theo Rec cột khô: Chilton Colburn đề nghò thức liên hệ độ giảm áp dòng khí qua cột chêm khô với vận tốc khối lượng dòng khí qua cột , N/m2 Z: chiều cao phần chêm, m G: vận tốc khối lượng dòng khí dựa đơn vò tiết diện cột, kg/s.m2 Dh: kích thước đặc trưng vât chêm, m ρg: khối lượng riêng pha khí, kg/m3 h: hệ số hiệu chỉnh dùng cho vật chêm rỗng w: hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng thành cột lên độ xốp cột chêm Sherwood tổng hợp kết số nghiên cứu đưa trò số sau cho vòng Raschig: h = 0,35 w= Tuy nhiên, Zhavoronkov đề nghò hệ thức khác xác đưa trò số độ xốp cột chêm vào hệ thức: , N/m2 Với : độ xốp vật chêm De = /a : đường kính tương đương vật chêm, m a: diện tích bề mặt riêng vật chêm, m2/m3 Hệ số ma sát fck hàm số theo chuẩn số vô thứ nguyên Rec, với Rec tính theo công thức sau: Rec = = : độ nhớt dòng khí, kg/ms Zhavoronkoz xác đònh dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối ứng với trò số Rec = 50 Trong vùng chảy rối, 50 < Rec < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên Ta được: fck = Tuy nhiên, hệ thức tổng quát không xác không xem xét toàn ảnh hưởng hình dạng vật chêm Độ giảm áp cột ướt Sự liên hệ độ giảm áp cột khô độ giảm áp cột ướt biểu diễn sau: Do dự kiến fcu = .fck Với : hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới dòng lỏng L, kg/m2s Leva đề nghò ảnh hưởng L lên sau = 10L hay log = L Giá trò tùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức xếp vật chêm ( xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự ) độ lớn lưu lượng lỏng L Thí dụ với vật chêm vòng sứ Raschig 12,7 mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp = 0,586; giá trò L từ 0,39 đến 11,7 kg/m2s cột hoạt động vùng điểm gia trọng = 0,084 Một số tài liệu biểu diễn phụ thuộc tỉ số A=3 √ ( ) Khi A < 0,3 cho vật chêm sứ có d < 30 mm, ta có: với hệ số xối tưới sau: ReL = Điểm lụt cột chêm Khi cột chêm bò ngập lụt, chất lỏng chiếm toàn khoảng trống phần chêm, dòng chảy bò xáo trộn mãnh liệt, tượng bất lợi cho hoạt động cột chêm Gọi giá trò GL tương ứng với trạng thái GL* 1 Hình 2: Giản đồ lụt cột chêm 2 Zhavoronkov kết luận trạng thái ngập lụt xảy hai nhóm số sau có liên hệ đònh với cho cột 1 = ( ) 2 = Với fck: hệ số ma sát cột khô : vận tốc dài dòng khí trước vào cột, m/s √ td: độ nhớt tương đối chất lỏng so với nước td* = , chất lỏng nước td = Do liên hệ 1, 2 nên giản đồ log1 - log2 xác đònh giản đồ lụt cột chêm, phần giới hạn hoạt động cột chêm đường III Dụng cụ- Thiết bi Phương pháp thí nghiệm Thiết bò thí nghiệm: Thiết bò thí nghiệm gồm có: 1) Cột thủy tinh, bên vòng sứ Raschig xếp chêm ngẫu nhiên 2) Hệ thống cấp khí gồm: Bơm ( quạt) thổi khí BK Ống dẫn khí Áp kế sai biệt chữ U Lưu lượng kế khí F có độ chia từ đến 100% 3) Hệ thống cấp nước gồm: Thùng chứa nước nhựa N Bơm chất lỏng BL Lưu lượng kế lỏng F1 có độ chia từ đến 1,6 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 = 0,42 m Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7 mm, bề mặt riêng a = 370 – 380 m2/m3, độ xốp = 0,586 Đường kính ống thép đáy cột D = 0,09 m Phương pháp thí nghiệm: 1) Khóa lại tất van lỏng ( từ đến ) 2) Mở van khóa van 3) Cho quạt chạy phút để thổi hết ẩm cột Tắt quạt 4) Mở van Sau cho bơm chạy 5) Mở van từ từ khóa van để chỉnh mức lỏng đáy cột ngang với ống đònh mức g Tắt bơm khóa van 6) Đo độ giảm áp cột khô: Khóa tất van lỏng lại Mở van van đóng Cho quạt chạy từ từ mở van chỉnh lưu lượng khí vào cột Ứng với giá trò lưu lượng khí chọn ta đọc áp kế U theo mmH2O Đo xong tắt quạt, nghỉ phút 7) Đo độ giảm áp cột ướt: Mở quạt điều chỉnh lưu lượng khí qua cột khoảng 15 – 20% Mở van cho bơm chạy Dùng van VL lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng ( lưu lượng kế lỏng có vạch chia 0,1; 0,2;…; 1,6 ) Nếu VL mở tối đa mà phao không lên dùng van để tăng lượng lỏng Ứng với lưu lượng lỏng chọn ( ví dụ: 0,1; 0,2; …) cố đònh, ta chỉnh lưu lượng khí đọc độ giảm áp giống trước Chú ý tăng lượng khí đến điểm lụt Chú ý: - Trong trình đo độ giảm áp cột ướt, cần canh giữ mức lỏng đáy cột ổn đònh ¾ chiều cao đáy cách chỉnh van Nếu cần, tăng cường van để nước cột thoát bình chứa ( van dùng để xả nhanh giảm lưu lượng khí) - Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng BL trước, mở tối đa van sau tắt quạt BK - Nếu sơ suất để nước tràn vào ống dẫn khí mở van xả nước phía bảng IV Kết thí nghiệm Cột khô G , kg/s.m2 G (%) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,087 0,175 0,262 0,349 0,436 0,524 0,611 0,698 0,786 0,873 DPck DPck (N/m2) DPck/Z, (N/m2)/m fck 17,5 20 26 36 46 62 78 93 29,43 68,67 171,68 196,20 255,06 353,16 451,26 608,22 765,18 912,33 70,071 163,500 408,750 467,143 607,286 840,857 1074,429 1448,143 1821,857 2172,214 Reck 11,499 6,708 7,453 4,791 3,986 3,833 3,598 3,713 3,691 3,565 50,32735 100,6547 150,982 201,3094 251,6367 301,9641 352,2914 402,6188 452,9461 503,2735 log(DPck/Z) logG 1,846 2,214 2,611 2,669 2,783 2,925 3,031 3,161 3,261 3,337 -1,059 -0,758 -0,582 -0,457 -0,360 -0,281 -0,214 -0,156 -0,105 -0,059 log(fck) 1,061 0,827 0,872 0,680 0,601 0,584 0,556 0,570 0,567 0,552 L = 0,2 DPcu DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m G (%) G, kg/s.m2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,087 0,175 0,262 0,349 0,436 0,524 0,611 0,698 0,786 14 23 33 46 62 95 135 19,62 68,67 137,34 225,63 323,73 451,26 608,22 931,95 1324,35 100 0,873 170 1667,7 fcu=.fck Recu log(fcu) log() logG 46,714 163,500 327,000 537,214 770,786 1074,429 1448,143 2218,929 3153,214 0,667 1,000 0,800 1,150 1,269 1,278 1,348 1,532 1,731 7,666 6,708 5,963 5,510 5,060 4,898 4,850 5,690 6,388 50,327 100,655 150,982 201,309 251,637 301,964 352,291 402,619 452,946 0,885 0,827 0,775 0,741 0,704 0,690 0,686 0,755 0,805 -0,176 0,000 -0,097 0,061 0,104 0,106 0,130 0,185 0,238 -1,059 -0,758 -0,582 -0,457 -0,360 -0,281 -0,214 -0,156 -0,105 3970,714 1,828 6,516 503,273 0,814 0,262 -0,059 L = 0,4 G (%) G, kg/s.m2 DPcu DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m log(fcu) log() fcu=.fck Recu logG 10 0,087 29,43 70,071 1,000 11,499 50,327 1,061 -1,05905 20 0,175 88,29 210,214 1,286 8,624 100,655 0,936 0,109144 -0,75802 30 40 50 60 70 0,262 0,349 0,436 0,524 0,611 15 27 53 73 104 147,15 264,87 519,93 716,13 1020,24 350,357 630,643 1237,929 1705,071 2429,143 0,857 1,350 2,038 2,028 2,261 6,388 6,468 8,126 7,773 8,135 150,982 201,309 251,637 301,964 352,291 0,805 0,811 0,910 0,891 0,910 -0,06695 0,130334 0,309303 0,30702 0,354276 -0,58193 -0,45699 -0,36008 -0,2809 -0,21395 L = 0,6 G (%) G, kg/s.m2 10 20 30 40 50 60 70 DPcu 0,087 0,175 0,262 0,349 0,436 0,524 0,611 DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m 18 27 42 70 146 29,43 88,29 176,58 264,87 412,02 686,7 1432,26 70,071 210,214 420,429 630,643 981,000 1635,000 3410,143 fcu=.fck Recu 1,000 1,286 1,029 1,350 1,615 1,944 3,174 11,499 8,624 7,666 6,468 6,440 7,453 11,421 50,327 100,655 150,982 201,309 251,637 301,964 352,291 log(fcu) log() 1,061 0,936 0,885 0,811 0,809 0,872 1,058 0,000 0,109 0,012 0,130 0,208 0,289 0,502 logG -1,059 -0,758 -0,582 -0,457 -0,360 -0,281 -0,214 L = 0,8 G, kg/s.m2 DPcu G (%) 10 20 30 40 50 55 L=1 0,087 0,175 0,262 0,349 0,436 0,480 DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m 10 21 53 80 101 29,43 98,1 206,01 519,93 784,8 990,81 70,071 233,571 490,500 1237,929 1868,571 2359,071 1,000 1,429 1,200 2,650 3,077 2,806 fcu=.fck Recu log(fcu) log() 11,499 9,583 8,944 12,697 12,266 10,754 1,061 0,981 0,952 1,104 1,089 1,032 50,327 100,655 150,982 201,309 251,637 276,800 0,000 0,155 0,079 0,423 0,488 0,448 logG -1,059 -0,758 -0,582 -0,457 -0,360 -0,319 G (%) G, kg/s.m2 10 20 30 35 40 45 50 0,087 0,175 0,262 0,306 0,349 0,393 0,436 DPcu 19 38 53 65 89 121 DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m 39,24 186,39 372,78 519,93 637,65 873,09 1187,01 93,429 443,786 887,571 1237,929 1518,214 2078,786 2826,214 fcu=.fck Recu 1,333 2,714 2,171 2,650 2,500 2,472 2,630 15,332 18,207 16,184 12,697 9,966 9,476 9,465 50,327 100,655 150,982 176,146 201,309 226,473 251,637 fcu=.fck Recu 1,667 2,286 2,571 3,050 3,231 19,165 15,332 19,165 14,613 12,879 50,327 100,655 150,982 176,146 196,277 log(fcu) log() 1,186 1,260 1,209 1,104 0,999 0,977 0,976 logG 0,125 0,434 0,337 0,423 0,398 0,393 0,420 -1,059 -0,758 -0,582 -0,515 -0,457 -0,406 -0,360 log(fcu) log() logG 1,283 1,186 1,283 1,165 1,110 -1,059 -0,758 -0,582 -0,515 -0,468 L = 1,2 G (%) G, kg/s.m2 10 20 30 35 39 0,087 0,175 0,262 0,306 0,340 DPcu DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m L, gppm L, kg/s.m2 0,400 3,951 0,600 5,927 0,800 7,903 1,000 9,878 1,200 11,854 1,400 13,830 1,600 15,805 V Đồ thò 16 45 61 84 49,05 156,96 441,45 598,41 824,04 116,786 373,714 1051,071 1424,786 1962,000 G*, % G*, Kg/s.m2 0,700 0,611 0,700 0,611 0,500 0,437 0,500 0,437 0,400 0,349 0,300 0,262 0,200 0,175 L/G* 6,463 9,695 18,097 22,622 33,932 52,784 90,486 1 0,110 0,110 0,062 0,062 0,048 0,027 0,017 2 0,221 0,332 0,619 0,774 1,161 1,806 3,095 0,222 0,359 0,410 0,484 0,509 log( 1 ) -0,9586073 -0,9586073 -1,2076083 -1,2076083 -1,3187588 -1,5686362 -1,7695511 log( 2 ) -0,65561 -0,47886 -0,20831 -0,11126 0,064832 0,256718 0,490661 VI Bàn luận: Ảnh hưởng G lên độ giảm áp cột khô cột ướt: _Khi cột khô: theo thí nghiệm G tăng, DP tăng theo, đồ Log(DP/Z) theo Log(G) có dạng đường thẳng _Khi cột ướt: Ban đầu, giá trò G nhỏ, G DP tăng chậm, có dạng gần đường thẳng Nhưng G tăng đến giá trò gọi điểm gia trọng DP xu hướng tăng mạnh đột ngột, không tuân theo phương trình DPck = DGn, cột trạng thái lụt, đồ thò lúc có dạng đường cong Tuy nhiên mức L=0,2, cột chêm không hoạt động trạng thái lụt, đồ thò tăng nhẹ so với lý thuyết Mục đích cách sử dụng giản đồ f theo Re _Mục đích giản đồ f theo Re: dùng để xác đònh sư biến đổi hệ số ma sát theo chuẩn số Re dòng khí Giản đồ giúp ta chọn lưu lượng khí hợp lý vận hành để giảm lực ma sát cột _Cách sử dụng giản đồ: Khi biết giá trò f: từ giá trò biết trục tung, ta gióng đường thẳng song song với trục hoành, cắt đường đồ thò điểm, từ điểm ta vẽ đường vuông góc với trục hoành, cắt trục hoành điểm, điểm giá trò Re cần tìm Chúng ta làm tương tự biết giá trò Re, thay trục hoành trục tung, ta tìm điểm, điểm f cần tìm VII Phụ lục Tính fck theo công thức: Với : độ xốp vật chêm, = 0,586 De = / a: đường kính tương đương vật chêm, m a = 370-380 m2/m3 :diện tích bề mặt riêng vật chêm Tính fcư công thức: fcư = fck Tính công thức: DPcư = DPck Tính Reck công thức: Với : độ nhớt dòng khí, kg/ms Lưu lượng khí: G(kg/s.m2) = ρk: khối lượng riêng dòng khí ỡ 300C, tra số liệu ρk = 1,165 kg/m3 F: tiết diện cột chêm: F= Lưu lượng lỏng: L(kg/s.m2) = Tính 1 = ( Tính 2 = ) √ VIII Tài liệu tham khảo [1].Tập thể CBGD môn Máy – Thiết bò, Thí nghiệm Quá trình – Thiết bò, Đại học Bách Khoa Tp.HCM [2] GS.TSKH.Nguyễn Bin,Giáo trình truyền khối, Đại học Bách khoa Hà Nội [3].Vũ Bá Minh, Truyền khối, Đại học Bách Khoa, Tp.HCM [...]... độ giảm áp khi cột khô và khi cột ướt: _Khi cột khô: theo thí nghiệm thì khi G tăng, DP của tăng theo, đồ thì Log(DP/Z) theo Log(G) có dạng đường thẳng _Khi cột ướt: Ban đầu, khi giá trò G còn nhỏ, G và DP tăng chậm, có dạng gần như đường thẳng Nhưng khi G tăng đến một giá trò gọi là điểm gia trọng thì DP xu hướng tăng mạnh và đột ngột, không tuân theo phương trình DPck = DGn, khi đó cột ở trạng thái... : độ xốp của vật chêm, = 0,586 De = 4 / a: đường kính tương đương của vật chêm, m a = 370-380 m2/m3 :diện tích bề mặt riêng của vật chêm Tính fcư bằng công thức: fcư = fck Tính bằng công thức: DPcư = DPck Tính Reck bằng công thức: Với : độ nhớt của dòng khí, kg/ms Lưu lượng khí: G(kg/s.m2) = ρk: khối lượng riêng dòng khí ỡ 300C, tra số liệu ρk = 1,165 kg/m3 F: tiết diện cột chêm: F= Lưu lượng... đường cong Tuy nhiên ở mức L=0,2, cột chêm không hoạt động ở trạng thái lụt, do đó đồ thò chỉ hơi tăng nhẹ so với lý thuyết 2 Mục đích và cách sử dụng giản đồ f theo Re _Mục đích của giản đồ f theo Re: dùng để xác đònh sư biến đổi của hệ số ma sát theo chuẩn số Re của dòng khí Giản đồ sẽ giúp ta chọn lưu lượng khí hợp lý nhất khi vận hành để giảm lực ma sát trong cột _Cách sử dụng giản đồ: Khi biết