THỜI GIAN LƯU BÁO CÁO THÍ NGHIỆM QTTB

khảo sát thời gian lưu của hệ thống bình khuấy trộn nối tiếp mô hình dãy hộp. Xác định hàm phân bố thời gian lưu thực và so sánh với hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết. Trong bài báo cáo có bảng số liệu được đo từ thực nghiệm, cách tính toán các thông số liên quan, kết quả, nhận xét từ bảng thực nghiệm ở phần phụ lục. Báo cáo này được thực hiện theo yêu cầu chuẩn xác của phòng thí nghiệm quá trình thiết bị mà các sinh viên kỹ sư tại các trường đại học kỹ thuật.

Phúc trình Thí nghiệm Quá trình & Thiết bị

Bài:

THỜI GIAN LƯU

Năm học:2015-2016

I Nội dung thí nghiệm:

1 Mục đích:

-Khảo sát thời gian lưu của hệ thống bình khuấy trộn mắc nội tiếp mô hình dãy hộp -Xác định hàm phân bố thời gian lưu thực và so sánh với hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết

2 Kết quả thí nghiệm

Do = 0,144 Đường kính (d): 14 cm Chiều cao (h): 12cm Lưu Lượng(v): 0,6 l/phút

Hệ 1 bình Hệ 2 bình Hệ 3 bình

D

t (phút)

II Lý thuyết cơ bản:

1) Khái niệm cơ bản:

Trong hệ thống thiết bị, những phần tử lưu chất khác nhau sẽ đi theo những con đường khác nhau Dựa trên hàm phân bố thời gian lưu xác định được, ta có thể đánh giá tương quan về dòng trong thiết bị, các nhược điểm sinh ra khi thiết kế như vùng tù, dòng chảy tắt… và tìm cách khắc phục nhờ đánh giá này Nghiên cứu thời gian lưu là phương pháp cần thiết để so sánh thiết bị dựa trên dòng vật liệu từ đó có thể cải tiến, lập mô hình tối ưu Cũng dựa trên hàm phân bố thời gian lưu ta có thể vận hành tối ưu và qua đó thiết lập được các thông số, phương pháp điều khiển cũng như tối ưu hóa quá trình trong thiết bị

Thời gian lưu của một phần tử trong hệ là thời gian phần tử đó lưu lại ở trong bình phản ứng, hay trong thiết bị bất kỳ cần khảo sát Thời gian lưu của một thiết bị là một đại lượng xác xuất Như vậy tất cả thời gian lưu đều dao động xung quanh thời giant rung bình , do đó xác định thời gian lưu trung bình đặc biệt có ý nghĩa

̅ ∑ trong đó tVi là thời gian lưu của một phần tử bất kỳ i

Với định nghĩa hàm phân bố thời gian lưu F(tV) = E(tV), ta có:

∫ ( ) ( )

hay ̅ ∫ ( )

∫ ( )

Với các hàm điểm, ta có:

̅ ∑

∑

K là các khoảng chia bằng nhau

Thời gian lưu trung bình thể tích

 = ̅

Với VR : thể tích của lưu chất trong bình, lít

VM : lưu lượng của dòng vào thiết bị, lít/giây

Nếu chất chỉ thị không đạt tương quan lý tưởng thì phương trình trên không thỏa mãn ( nếu  > ̅ có thể chất chỉ thị bị hấp phụ vào thành bình hoặc các chi tiết phụ)

2) Các phương pháp nghiên cứu thời gian lưu

Nghiên cứu thời gian lưu có thể tiến hành theo các phương pháp:

 Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) ra khỏi thiết bị, xác định hàm F(t) hoặc F()

 Xác định thành phần của các cấu tử ở thới điểm t (hoặc ) vẫn còn lưu lại trong thiết bị , hàm I(t) hoặc I()

 Xác định thành phần các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) đang trong quá trình thoát ra khỏi thiết bị, hàm f(t) hay f()

Để khảo sát khả năng hoạt động của một thiết bị phản ứng thực tế ta thường dùng phương pháp kích thích – đáp ứng (phương pháp đánh dấu) Các dạng kích thích đầu vào và đáp ứng đầu ra được trình bày trên hình 1

Bình

Tín hiệu vào

(đáp ứng)

Tín hiệu vào bất kỳ

Ra

Tín hiệu vào tuần hoàn

Ra

Hình 1: Các dạng tín hiệu kích thích đáp ứng thường dùng

Như vậy các phần tử đánh dấu phải có đặc điểm là không được ảnh hưởng và khác biệt với các phân tử tạo nên tương quan trong hệ

Các loại chất chỉ thị đồi với môi trường lỏng có thể là dung dịch màu, các chất phóng xạ, các đồng vị phóng xạ ổn định, các hạt rắn phát sáng,… Các chât chỉ thị thích hợp với tính chất của các phần tử trong hệ phải có khối lượng riêng, độ nhớt, hệ số khuếch tán thích hợp

Khi có các chất chỉ thị thích hợp, ta có thể để nó vào hệ theo hai kiểu tín hiệu: tín hiệu ngẫu nhiên (Stochas) và tín hiệu xác định (Determinis) Loại tín hiệu xác định có thể chia làm hai loại là tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn

Để khảo sát các thiết bị, người ta sử dụng loại tín hiệu xác định không tuần hoàn Loại tín hiệu này có thể được tạo ra nhờ:

1 Đánh dấu bằng va chạm

2 Đánh dấu bằng cho nhập vào liên tục một lượng xác định

3 Đánh dấu bằng cho nhập chiếm chỗ toàn bộ trong hệ

3) Hàm phân bố thời gian lưu của mô hình dãy hộp

 Bình khuấy trộn lý tưởng

Một bình phản ứng được gọi là lý tưởng với kiểu đánh dấu va chạm phải thỏa mãn: thể tích VR trong bình là hằng số theo thời gian, trong bình có sư khuấy trộn hoàn toàn một thành phần trong hệ một cách đồng nhất ở mọi vị trí thuộc thể tích VR Như vậy, trong bình có sự đột biến của dòng vào

Thời gian lưu trung bình thể tích:

 = ; ()

Khi nối các bình lý tưởng lại, ta được mô hình dãy hộp:

Hàm phân bố có dạng tổng quát:

( )  (  ) ( )

( )

Khi n =1, ta có lại mô hình khuấy trộn lý tưởng Còn khi n = , ta có lại mô hình đẩy lý tưởng

Giả sử ban đầu không có chất chỉ thị trong dòng lưu chất vào bình, sau đó tác động tín hiệu xung vào bằng cách cho một lượng chất chỉ thị nhất định vào dòng lưu chất trong khoảng thời gian rất ngắn

Đường cong biểu diễn nồng độ theo thời gian thu gọn của chất chỉ thị trong dòng ứng với tín hiệu kích thích dạng xung tại đầu vào được gọi là đường cong tốc độ ban đầu của chất chỉ thi là Co Với diện tích bên dưới đường cong bằng 1

Thời gian thu gọn, vô thứ nguyên:  = 

Với t là thời gian phần tử lưu chất bất kỳ đi qua thiết bị

̅ và  được xác định theo (1)

∫  = ∫  = 1 hay C0 = ∫  = ∫

Hình 2: Đường cong C biểu diễn đáp ứng tại dòng ra cho tín hiệu xung tại đầu vào

III Dụng cụ-Thiết bị thí nghiệm và Phương pháp thí

nghiệm

1 Dụng cụ

Ống nghiệm, thì kế, pipet, phẩm màu và máy đó độ truyền suốt (hấp thụ) ánh sáng

Bình khuấy

D

uL

Phân tán nhỏ

D

uL 0,002

Phân tán trung bình

D

uL 0,025

Phân tán lớn

D

uL 0,02

0.5

1,0

1,5

2,0

2 Phương pháp thí nghiệm

Tiến hành thí nghiệm theo trình tự sau:

1) Mở van cho nước lên thùng cao vị cho đến khi có nước trong ống chảy tràn 2) Mở khóa cho nước chảy qua lưu lượng kế vào hệ thống bình khuấy và chỉnh lưu lượng dòng chảy

3) Hệ một bình: khi hệ thống ổn định, cho phẩm màu vào bình 1 Bấm thì kế (đồng thời với thời gian co màu vào thiết bị), lấy gốc thời gian Dùng ống nghiệm lấy mầu theo thời gian, sau đó đem mẫu đi so màu

4) Hệ hai, ba, bồn bình: làm giống như hệ một bình, cho phẩm màu vào bình 1 và lấy mẫu ở bình cuối cùng (từ ống thông nhau cuối cùng)

IV Kết quả thí nghiệm

1) Kết quả

2) Tính toán:

Bảng 1: Hệ thống một bình

Do = 0,144 Đường kính (d): 14 cm Chiều cao (h): 12cm Lưu Lượng(v): 0,6 l/phút

Hệ 1 bình Hệ 2 bình Hệ 3 bình

D

t (phút)

Bảng 2: Hệ thống hai bình

TT

Bảng 3: Hệ thống ba bình

ti.Di D/Do = t/  D/Do = e- 

tổng 2,793 37,684 thoi gian the tich 9,236

t trung binh 13,492

ti.Di D/Do = t/  D/Do = e-  1,000 1,000 0,117 0,117 0,813 0,055 0,072 0,930 2,000 2,000 0,118 0,236 0,819 0,111 0,144 0,866 3,000 3,000 0,114 0,342 0,792 0,166 0,217 0,805 4,000 4,000 0,118 0,472 0,819 0,222 0,289 0,749 5,000 5,000 0,119 0,595 0,826 0,277 0,361 0,697 6,000 6,000 0,119 0,714 0,826 0,333 0,433 0,649 7,000 7,000 0,120 0,840 0,833 0,388 0,505 0,603 8,000 8,000 0,118 0,944 0,819 0,444 0,577 0,561 9,000 9,000 0,119 1,071 0,826 0,499 0,650 0,522 10,000 10,000 0,120 1,200 0,833 0,554 0,722 0,486 11,000 11,000 0,119 1,309 0,826 0,610 0,794 0,452 12,000 12,000 0,120 1,440 0,833 0,665 0,866 0,421 13,000 13,000 0,118 1,534 0,819 0,721 0,938 0,391 14,000 14,000 0,116 1,624 0,806 0,776 1,011 0,364 15,000 15,000 0,118 1,770 0,819 0,832 1,083 0,339 16,000 16,000 0,116 1,856 0,806 0,887 1,155 0,315 17,000 17,000 0,116 1,972 0,806 0,943 1,227 0,293 18,000 18,000 0,118 2,124 0,819 0,998 1,299 0,273 19,000 19,000 0,116 2,204 0,806 1,054 1,371 0,254 20,000 20,000 0,114 2,280 0,792 1,109 1,444 0,236 21,000 21,000 0,113 2,373 0,785 1,164 1,516 0,220 22,000 22,000 0,120 2,640 0,833 1,220 1,588 0,204 23,000 23,000 0,120 2,760 0,833 1,275 1,660 0,190 24,000 24,000 0,119 2,856 0,826 1,331 1,732 0,177 25,000 25,000 0,121 3,025 0,840 1,386 1,804 0,165 26,000 26,000 0,118 3,068 0,819 1,442 1,877 0,153 27,000 27,000 0,119 3,213 0,826 1,497 1,949 0,142 28,000 28,000 0,120 3,360 0,833 1,553 2,021 0,133 29,000 29,000 0,118 3,422 0,819 1,608 2,093 0,123 30,000 30,000 0,120 3,600 0,833 1,663 2,165 0,115 31,000 31,000 0,120 3,720 0,833 1,719 2,238 0,107 32,000 32,000 0,119 3,808 0,826 1,774 2,310 0,099 33,000 33,000 0,119 3,927 0,826 1,830 2,382 0,092 34,000 34,000 0,118 4,012 0,819 1,885 2,454 0,086 35,000 35,000 0,119 4,165 0,826 1,941 2,526 0,080

tổng 4,136 74,593 thoi gian the tich 13,854

t trung binh 18,035

TT t ( phút ) D Thực tế Lý thuyết

V Đồ thị:

Hình 1: Đồ thị D/Do = f() ở hệ thống 1 bình

Hình 2: Đồ thị D/Do = f() ở hệ thống 2 bình

Hình 3: Đồ thị D/Do = f() ở hệ thống 3 bình

VI Bàn luận

1 So sánh giữa hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết và thực nghiệm:

- Dựa vào đồ thị, ta thấy hàm phân bố thời gian lưu thực nghiệm sai lệch rất lớn so với

hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết Các giá trị trong đồ thị thời gian lưu thực nghiệm

tăng giảm bất thường, không theo một quy luật nhất định, trong khi đó, giá trị của hàm

phân bố thời gian lưu lý thuyết tăng giảm có quy luật hơn

2 Các hiện tượng của quá trình và thiết bị phát sinh sự mất ổn định:

- Sự mất ổn định trong số liệu thực nghiệm có thể do nguyên nhân sau:

 Tạo nên vùng tù trong thiết bị Nguyên nhân của vùng tù là do tốc độ của cánh

khuấy quá chậm nên có những vùng không khuấy tới

 •Sự tuần hoàn của lưu chất Nguyên nhân của sự tuần hoàn là do lưu chất phân bố không đều trong dung dịch Điều đó có thể là do đặc điểm của bản thân lưu chất hoặc cũng là do tốc độ khuấy quá chậm

 •Nhiệt độ tiến hành thí nghiệm không ổn định, do môi trường hay do cánh khuấy, làm thay đổi tính chất vật lý (độ nhớt, tỷ trọng, …) của dòng lưu chất chuyển động trong thiết bị

 •Lưu lượng nước cấp từ bồn cao vị không đều đặn

 •Quá trình khuấy tực tế không đều Do đó khi lấy mẫu đo, chất màu chưa đồng đều trong bình chứa

 •Lưu lượng nước truyền giữa các bình không đều, phải cố gắng giữ mực nước cố định

 •Máy đo độ truyền suốt( hấp thụ) ánh sáng hoạt động không ổn định, dẫn đến không thể đo chính xác

3 Đánh giá sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên:

Sai số do thiết bị:

 •Máy đo mật độ quang: đây là nguyên nhân lớn nhất dẫn đến sai số của kết quả đo, do máy đo hoạt động không ổn định

 •Tốc khuấy chậm làm cho mức độ đồng đều của chất chỉ thị trong dòng lưu chất thấp

 •Đường ống : Do đường ống có gây ra trở lực làm cho hệ thống mất ổn định và mực nước trong các bình không bằng nhau trong suốt quá trìng thí nghiệm rất khó giữ cho hệ thống ổn định đặc biệt là khi số bình khuấy tăng lên

Sai số do thao tác:

 •Canh thời gian lấy mẫu không chính xác

 •Điều chỉnh lưu lượng chưa tốt làm cho hệ thống chưa khôang hoàn toàn ổn định

 •Quá trình đo chưa chính xác ( do lau chùi cuvet chưa kỹ, tráng rửa cuvet cưa sạch trước khi đo)

VII Phụ lục:

-Công thức tính D/Do:

Ở hệ thống 1 bình:

,

Ở hệ thống 2 bình mắc nối tiếp :

,

Ở hệ thống 3 bình mắc nối tiếp:

,

-Công thức tính :

Với t: thời gian tương ứng trong quá trình lấy mẫu

: thời gian trung bình trong từng hệ thống thí nghiệm: ∑ ∑

-Công thức tính thể tích 1 bình:

, 0, 2 0 00

VIII Tài liệu tham khảo:

[1].Vũ Bá Minh, “Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học, Tập 4, Kỹ thuật phản ứng”, NXB Đại học Quốc gia, 2000

[2].Levenspiel O., “Chemical Reaction Engineering”, John Willey and Sons, Bookcomp., New York, 1965