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 bò Bài: THỜI GIAN LƯU Năm học:2015-2016 I Nội dung thí nghiệm: Mục đích: -Khảo sát thời gian lưu hệ thống bình khuấy trộn mắc nội tiếp mô hình dãy hộp -Xác đònh hàm phân bố thời gian lưu thực so sánh với hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết Kết thí nghiệm Do = 0,144 Đường kính (d): 14 cm Chiều cao (h): 12cm Lưu Lượng(v): 0,6 l/phút D Hệ bình Hệ bình t (phút) Hệ bình 0,144 0,110 0,117 0,123 0,110 0,118 0,143 0,081 0,114 0,125 0,061 0,118 0,124 0,120 0,119 0,120 0,113 0,119 0,002 0,097 0,120 0,001 0,119 0,118 0,001 0,082 0,119 10 0,006 0,120 0,120 11 0,007 0,116 0,119 12 0,001 0,119 0,120 13 0,000 0,118 0,118 14 0,000 0,120 0,116 15 0,000 0,123 0,118 16 0,122 0,116 17 0,120 0,116 18 0,119 0,118 19 0,115 0,116 20 0,115 0,114 21 0,119 0,113 22 0,121 0,120 23 0,114 0,120 24 0,120 0,119 25 0,119 0,121 26 0,118 27 0,119 28 0,120 29 0,118 30 0,120 31 0,120 32 0,119 33 0,119 34 0,118 35 0,119 II Lý thuyết bản: 1) Khái niệm bản: Trong hệ thống thiết bò, phần tử lưu chất khác theo đường khác Dựa hàm phân bố thời gian lưu xác đònh được, ta đánh giá tương quan dòng thiết bò, nhược điểm sinh thiết kế vùng tù, dòng chảy tắt… tìm cách khắc phục nhờ đánh giá Nghiên cứu thời gian lưu phương pháp cần thiết để so sánh thiết bò dựa dòng vật liệu từ cải tiến, lập mô hình tối ưu Cũng dựa hàm phân bố thời gian lưu ta vận hành tối ưu qua thiết lập thông số, phương pháp điều khiển tối ưu hóa trình thiết bò Thời gian lưu phần tử hệ thời gian phần tử lưu lại bình phản ứng, hay thiết bò cần khảo sát Thời gian lưu thiết bò đại lượng xác xuất Như tất thời gian lưu dao động xung quanh thời giant rung bình , xác đònh thời gian lưu trung bình đặc biệt có ý nghóa ̅ ∑ tVi thời gian lưu phần tử i Với đònh nghóa hàm phân bố thời gian lưu F(tV) = E(tV), ta có: ( ) ∫ hay ∫ ̅ ∫ ( ) ( ) ( ) Với hàm điểm, ta có: ̅ ∑ ∑ K khoảng chia Thời gian lưu trung bình thể tích = Với ̅ VR : thể tích lưu chất bình, lít VM : lưu lượng dòng vào thiết bò, lít/giây Nếu chất thò không đạt tương quan lý tưởng phương trình không thỏa mãn ( > ̅ chất thò bò hấp phụ vào thành bình chi tiết phụ) 2) Các phương pháp nghiên cứu thời gian lưu Nghiên cứu thời gian lưu tiến hành theo phương pháp: Xác đònh thành phần cấu tử thời điểm t (hoặc ) khỏi thiết bò, xác đònh hàm F(t) F() Xác đònh thành phần cấu tử thới điểm t (hoặc ) lưu lại thiết bò , hàm I(t) I() Xác đònh thành phần cấu tử thời điểm t (hoặc ) trình thoát khỏi thiết bò, hàm f(t) hay f() Để khảo sát khả hoạt động thiết bò phản ứng thực tế ta thường dùng phương pháp kích thích – đáp ứng (phương pháp đánh dấu) Các dạng kích thích đầu vào đáp ứng đầu trình bày hình Tín hiệu vào (kích thước) Bình Tín hiệu vào Tín hiệu (đáp ứng) Tín hiệu vào tuần hoàn Ra Ra Hình 1: Các dạng tín hiệu kích thích đáp ứng thường dùng Như phần tử đánh dấu phải có đặc điểm không ảnh hưởng khác biệt với phân tử tạo nên tương quan hệ Các loại chất thò đồi với môi trường lỏng dung dòch màu, chất phóng xạ, đồng vò phóng xạ ổn đònh, hạt rắn phát sáng,… Các chât thò thích hợp với tính chất phần tử hệ phải có khối lượng riêng, độ nhớt, hệ số khuếch tán thích hợp Khi có chất thò thích hợp, ta để vào hệ theo hai kiểu tín hiệu: tín hiệu ngẫu nhiên (Stochas) tín hiệu xác đònh (Determinis) Loại tín hiệu xác đònh chia làm hai loại tín hiệu tuần hoàn tín hiệu không tuần hoàn Để khảo sát thiết bò, người ta sử dụng loại tín hiệu xác đònh không tuần hoàn Loại tín hiệu tạo nhờ: Đánh dấu va chạm Đánh dấu cho nhập vào liên tục lượng xác đònh Đánh dấu cho nhập chiếm chỗ toàn hệ 3) Hàm phân bố thời gian lưu mô hình dãy hộp Bình khuấy trộn lý tưởng Một bình phản ứng gọi lý tưởng với kiểu đánh dấu va chạm phải thỏa mãn: thể tích VR bình số theo thời gian, bình có sư khuấy trộn hoàn toàn thành phần hệ cách đồng vò trí thuộc thể tích VR Như vậy, bình có đột biến dòng vào Thời gian lưu trung bình thể tích: = () ; Khi nối bình lý tưởng lại, ta mô hình dãy hộp: Hàm phân bố có dạng tổng quát: ( ) ( ) ( ) ( ) Khi n =1, ta có lại mô hình khuấy trộn lý tưởng Còn n = , ta có lại mô hình đẩy lý tưởng Giả sử ban đầu chất thò dòng lưu chất vào bình, sau tác động tín hiệu xung vào cách cho lượng chất thò đònh vào dòng lưu chất khoảng thời gian ngắn Đường cong biểu diễn nồng độ theo thời gian thu gọn chất thò dòng ứng với tín hiệu kích thích dạng xung đầu vào gọi đường cong tốc độ ban đầu chất thi Co Với diện tích bên đường cong Thời gian thu gọn, vô thứ nguyên: = Với t thời gian phần tử lưu chất qua thiết bò ̅ xác đònh theo (1) ∫ =∫ = hay C0 = ∫ = ∫ 2,0 Phân tán nhỏ D 0,002 uL 1,5 Bình khuấy Phân tán trung bình D D uL uL 1,0 0,025 Phân tán lớn D uL 0,02 0.5 0.5 1,0 1,5 2,0 Hình 2: Đường cong C biểu diễn đáp ứng dòng cho tín hiệu xung đầu vào III Dụng cụ-Thiết bò thí nghiệm Phương pháp thí nghiệm Dụng cụ Ống nghiệm, kế, pipet, phẩm màu máy độ truyền suốt (hấp thụ) ánh sáng 2 Phương pháp thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm theo trình tự sau: 1) Mở van cho nước lên thùng cao vò có nước ống chảy tràn 2) Mở khóa cho nước chảy qua lưu lượng kế vào hệ thống bình khuấy chỉnh lưu lượng dòng chảy 3) Hệ bình: hệ thống ổn đònh, cho phẩm màu vào bình Bấm kế (đồng thời với thời gian co màu vào thiết bò), lấy gốc thời gian Dùng ống nghiệm lấy mầu theo thời gian, sau đem mẫu so màu 4) Hệ hai, ba, bồn bình: làm giống hệ bình, cho phẩm màu vào bình lấy mẫu bình cuối (từ ống thông cuối cùng) IV Kết thí nghiệm 1) Kết Do = 0,144 Đường kính (d): 14 cm Chiều cao (h): 12cm Lưu Lượng(v): 0,6 l/phút D Hệ bình Hệ bình t (phút) Hệ bình 0,144 0,110 0,117 0,123 0,110 0,118 0,143 0,081 0,114 0,125 0,061 0,118 0,124 0,120 0,119 0,120 0,113 0,119 0,002 0,097 0,120 0,001 0,119 0,118 0,001 0,082 0,119 10 0,006 0,120 0,120 11 0,007 0,116 0,119 12 0,001 0,119 0,120 13 0,000 0,118 0,118 14 0,000 0,120 0,116 15 0,000 0,123 0,118 16 0,122 0,116 17 0,120 0,116 18 0,119 0,118 19 0,115 0,116 20 0,115 0,114 21 0,119 0,113 22 0,121 0,120 23 0,114 0,120 24 0,120 0,119 25 0,119 0,121 26 0,118 27 0,119 28 0,120 29 0,118 30 0,120 31 0,120 32 0,119 33 0,119 34 0,118 35 0,119 2) Tính toán: Bảng 1: Hệ thống bình TT t ( phút ) D 10 11 12 13 14 15 10 11 12 13 14 15 tổng t trung binh 0,144 0,123 0,143 0,125 0,124 0,120 0,002 0,001 0,001 0,006 0,007 0,001 0,000 0,000 0,000 0,797 3,562 Bảng 2: Hệ thống hai bình Thực tế Lý thuyết ti.Di D/Do = t/ 0,144 0,246 0,429 0,5 0,62 0,72 0,014 0,008 0,009 0,06 0,077 0,012 0 2,839 0,854 0,993 0,868 0,861 0,833 0,014 0,007 0,007 0,042 0,049 0,007 0 0,281 0,561 0,842 1,123 1,404 1,684 1,965 2,246 2,527 2,807 3,088 3,369 3,650 3,930 4,211 0,217 0,433 0,650 0,866 1,083 1,299 1,516 1,732 1,949 2,165 2,382 2,598 2,815 3,032 3,248 D/Do = e - 0,805 0,649 0,522 0,421 0,339 0,273 0,220 0,177 0,142 0,115 0,092 0,074 0,060 0,048 0,039 thoi gian the tich 4,618 TT t ( phút ) D 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 tổng t trung binh 0,110 0,110 0,081 0,061 0,120 0,113 0,097 0,119 0,082 0,120 0,116 0,119 0,118 0,120 0,123 0,122 0,120 0,119 0,115 0,115 0,119 0,121 0,114 0,120 0,119 2,793 13,492 Bảng 3: Hệ thống ba bình Lý thuyết Thực tế ti.Di 0,110 0,220 0,243 0,244 0,600 0,678 0,679 0,952 0,738 1,200 1,276 1,428 1,534 1,680 1,845 1,952 2,040 2,142 2,185 2,300 2,499 2,662 2,622 2,880 2,975 37,684 D/Do 0,764 0,764 0,563 0,424 0,833 0,785 0,674 0,826 0,569 0,833 0,806 0,826 0,819 0,833 0,854 0,847 0,833 0,826 0,799 0,799 0,826 0,840 0,792 0,833 0,826 = t/ 0,074 0,148 0,222 0,296 0,371 0,445 0,519 0,593 0,667 0,741 0,815 0,889 0,964 1,038 1,112 1,186 1,260 1,334 1,408 1,482 1,556 1,631 1,705 1,779 1,853 D/Do = e - 0,108 0,897 0,217 0,805 0,325 0,723 0,433 0,649 0,541 0,582 0,650 0,522 0,758 0,469 0,866 0,421 0,974 0,377 1,083 0,339 1,191 0,304 1,299 0,273 1,407 0,245 1,516 0,220 1,624 0,197 1,732 0,177 1,841 0,159 1,949 0,142 2,057 0,128 2,165 0,115 2,274 0,103 2,382 0,092 2,490 0,083 2,598 0,074 2,707 0,067 thoi gian the tich 9,236 TT t ( phút ) D 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000 11,000 12,000 13,000 14,000 15,000 16,000 17,000 18,000 19,000 20,000 21,000 22,000 23,000 24,000 25,000 26,000 27,000 28,000 29,000 30,000 31,000 32,000 33,000 34,000 35,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000 11,000 12,000 13,000 14,000 15,000 16,000 17,000 18,000 19,000 20,000 21,000 22,000 23,000 24,000 25,000 26,000 27,000 28,000 29,000 30,000 31,000 32,000 33,000 34,000 35,000 tổng t trung binh 0,117 0,118 0,114 0,118 0,119 0,119 0,120 0,118 0,119 0,120 0,119 0,120 0,118 0,116 0,118 0,116 0,116 0,118 0,116 0,114 0,113 0,120 0,120 0,119 0,121 0,118 0,119 0,120 0,118 0,120 0,120 0,119 0,119 0,118 0,119 4,136 18,035 Thực tế Lý thuyết ti.Di D/Do = t/ 0,117 0,236 0,342 0,472 0,595 0,714 0,840 0,944 1,071 1,200 1,309 1,440 1,534 1,624 1,770 1,856 1,972 2,124 2,204 2,280 2,373 2,640 2,760 2,856 3,025 3,068 3,213 3,360 3,422 3,600 3,720 3,808 3,927 4,012 4,165 74,593 0,813 0,819 0,792 0,819 0,826 0,826 0,833 0,819 0,826 0,833 0,826 0,833 0,819 0,806 0,819 0,806 0,806 0,819 0,806 0,792 0,785 0,833 0,833 0,826 0,840 0,819 0,826 0,833 0,819 0,833 0,833 0,826 0,826 0,819 0,826 0,055 0,111 0,166 0,222 0,277 0,333 0,388 0,444 0,499 0,554 0,610 0,665 0,721 0,776 0,832 0,887 0,943 0,998 1,054 1,109 1,164 1,220 1,275 1,331 1,386 1,442 1,497 1,553 1,608 1,663 1,719 1,774 1,830 1,885 1,941 D/Do = e - 0,072 0,930 0,144 0,866 0,217 0,805 0,289 0,749 0,361 0,697 0,433 0,649 0,505 0,603 0,577 0,561 0,650 0,522 0,722 0,486 0,794 0,452 0,866 0,421 0,938 0,391 1,011 0,364 1,083 0,339 1,155 0,315 1,227 0,293 1,299 0,273 1,371 0,254 1,444 0,236 1,516 0,220 1,588 0,204 1,660 0,190 1,732 0,177 1,804 0,165 1,877 0,153 1,949 0,142 2,021 0,133 2,093 0,123 2,165 0,115 2,238 0,107 2,310 0,099 2,382 0,092 2,454 0,086 2,526 0,080 thoi gian the tich 13,854 V Đồ thò: Hình 1: Đồ thò D/Do = f() hệ thống bình Hình 2: Đồ thò D/Do = f() hệ thống bình Hình 3: Đồ thò D/Do = f() hệ thống bình VI Bàn luận So sánh hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết thực nghiệm: - Dựa vào đồ thò, ta thấy hàm phân bố thời gian lưu thực nghiệm sai lệch lớn so với hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết Các giá trò đồ thò thời gian lưu thực nghiệm tăng giảm bất thường, không theo quy luật đònh, đó, giá trò hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết tăng giảm có quy luật Các tượng trình thiết bò phát sinh ổn đònh: - Sự ổn đònh số liệu thực nghiệm nguyên nhân sau: Tạo nên vùng tù thiết bò Nguyên nhân vùng tù tốc độ cánh khuấy chậm nên có vùng không khuấy tới •Sự tuần hoàn lưu chất Nguyên nhân tuần hoàn lưu chất phân bố không dung dòch Điều đặc điểm thân lưu chất tốc độ khuấy chậm •Nhiệt độ tiến hành thí nghiệm không ổn đònh, môi trường hay cánh khuấy, làm thay đổi tính chất vật lý (độ nhớt, tỷ trọng, …) dòng lưu chất chuyển động thiết bò •Lưu lượng nước cấp từ bồn cao vò không đặn •Quá trình khuấy tực tế không Do lấy mẫu đo, chất màu chưa đồng bình chứa •Lưu lượng nước truyền bình không đều, phải cố gắng giữ mực nước cố đònh •Máy đo độ truyền suốt( hấp thụ) ánh sáng hoạt động không ổn đònh, dẫn đến đo xác Đánh giá sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên: Sai số thiết bò: •Máy đo mật độ quang: nguyên nhân lớn dẫn đến sai số kết đo, máy đo hoạt động không ổn đònh •Tốc khuấy chậm làm cho mức độ đồng chất thò dòng lưu chất thấp •Đường ống : Do đường ống có gây trở lực làm cho hệ thống ổn đònh mực nước bình không suốt trìng thí nghiệm khó giữ cho hệ thống ổn đònh đặc biệt số bình khuấy tăng lên Sai số thao tác: •Canh thời gian lấy mẫu không xác •Điều chỉnh lưu lượng chưa tốt làm cho hệ thống chưa khôang hoàn toàn ổn đònh •Quá trình đo chưa xác ( lau chùi cuvet chưa kỹ, tráng rửa cuvet cưa trước đo) VII Phụ lục: -Công thức tính D/Do: Ở hệ thống bình: , Ở hệ thống bình mắc nối tiếp : Ở hệ thống bình mắc nối tiếp: , , -Công thức tính : Với t: thời gian tương ứng trình lấy mẫu : thời gian trung bình hệ thống thí nghiệm: ∑ ∑ -Công thức tính thể tích bình: , 0, 00 VIII Tài liệu tham khảo: [1].Vũ Bá Minh, “Quá trình thiết bò 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