Chuong 13 co luu chat

CHƯƠNG 13 KHUẤY CHẤT LỎNG KHÁI NIỆM Ngược với trình phân ly, khuấy trình tạo huyền phụ nhũ tương, tức tạo sản phNm đồng nhất, ta gọi khuấy trình đồng hóa Khuấy ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, trình tạo nhũ tương huyền phù khuấy làm tăng nhanh phản ứng hóa học, phản ứng sinh học, làm tăng trình trao đổi nhiệt, tăng trình truyền khối v.v… Khuấy học dùng cánh khuấy để khuấy trực tiếp môi trường lưu chất Hình (H13.1) mô tả thiết bị khuấy học CẤU TẠO CÁNH KHUẤY, QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG LƯU CHẤT TRONG BỂ KHUẤY VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GẮN CÁNH KHUẤY 2.1 Cánh khuấy mái chèo Hình (H13 – 2) cấu trúc cánh khuấy mái chèo quỹ đạo chuyển động lưu chất bình khuấy Cánh khuấy mái chèo dùng để khuấy lưu chất có độ nhớt nhỏ, điều chế huyền phù nồng độ pha rắn nhỏ 5% Cánh khuấy có hai bốn, sáu tấm, thẳng nghiêng góc α 188 2.2 Cánh khuấy chong chóng – chân vịt Hình (H13 – 3) cấu trúc cánh khuấy chong chóng quỹ đạo chuyển động lưu chất bình khuấy Loại cánh khuấy dùng để điều chế huyền phù hay nhũ tương với nồng độ pha rắn từ (5 ÷ 15)% độ nhớt nhỏ 5cP Quỹ đạo chất lỏng từ lên áp suất sau cánh khuấy lớn trước cánh khuấy, tàu thuyền thường dùng làm chân đạp nên có tên cánh khuấy chân vịt 2.3 Cánh khuấy turbin Có hai loại: Turbin hở có cấu trúc giống cánh khuấy mái chèo, xem hình (H13- 4a) Turbin kín có cấu tạo gần giống rotor máy bơm, xem hình (H13 – 4b) Cánh khuấy turbin ứng dụng để điều chế loại nhũ tương có độ nhớt cao, điều chế loại huyền phù mịn, đặc biệt dùng loại turbin kín để nạo vét kênh mương sông rạch 189 2.4 Cánh khuấy đặc biệt Tùy theo lý tính dung dịch để chọn loại cánh khuấy đặc biệt Hình (H13 5a) cánh khuấy loại đĩa, có lực cắt mạnh nên dùng để khuấy phụ gia cao su số chất dẻo khác Hình (H13.5b) loại cánh khuấy mỏ neo dùng để khuấy loại dung dịch phi Newton sơn dầu, hồ keo…, Ngoài số sản phNm có độ kết dính cao hay dẻo dùng loại cánh khuấy bản, chữ U cánh thẳng nghiêng góc α, xem hình (H13 5c) Hình (H13.5d) mô tả thiết bị khuấy có truyền nhiệt ống xoắn bao quanh, cánh khuấy dùng trường hợp thường chong chóng mái chèo hay turbin hở Nhìn chung loại cánh khuấy đặc biệt rõ ràng quỹ đạo chuyển động lưu chất bình khuấy 2.5 Phương pháp gắn cánh khuấy vào bình Tùy theo vị trí yêu cầu công nghệ mà có phương pháp sau đây: Hình (H13.6) mô tả phương pháp gắn cánh khuấy khác nhau: a Trục khuấy song song trục bình b Trục khuấy tạo góc α với trục bình 190 c Trục khuấy vuông góc với trục bình d Khi chiều cao bình gấp ba lần đường kính bình lắp nhiều tầng cánh khuấy e Khi bình có gắn ngăn (tấm chặn – vật cản) So sánh hai trường hợp bình chứa có ngăn không (xem bảng 13.1) Bảng 13.1 Không ngăn Có ngăn Thời gian đồng lâu Thời gian nhanh Lực cắt bé nên công nhỏ Lực cắt lớn, công lớn Năng lượng tiêu hao Năng lượng tiêu hao nhiều Có tạo phễu mặt bình Không tạo phễu Năng suất nhỏ Năng suất lớn Hiệu suất thấp Hiệu suất cao Ghi nhớ: Tính toán toán khuấy không đơn giản số loại tập giới thiệu chương trước mà toán khó Do tính phải phân biệt chế độ làm việc, vận dụng bảng số đồ thị kèm chương CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG • Trong Bán kính hoạt động: vùng ảnh hưởng lớn cánh khuấy tạo 747.N R hd = a.0,15 ;m (13 – 1) 0,0021µ a: hệ số phụ thuộc phương pháp lắp cánh khuấy, Lắp song song với bình khuấy a = (0,3 ÷ 0,5) Lắp vuông góc với bình khuấy a = (0,10 ÷ 0,2) N: công suất; W µ: độ nhớt động lực; Pa.S • Hiệu suất khuấy Vr ρ r η= 100 ; % V.ρ + Vr ρ r • Các đại lượng hình học: Đường kính bình khuấy D = 2R; m Đường kính cánh khuấy dk = 2rk; m Chiều cao bình khuấy Ht; m Chiều cao chứa dung dịch Hh; m 191 (13 – 2) Độ nhúng sâu cánh khuấy tính từ mặt thoáng dung dịch hk1; m Độ sâu từ cánh khuấy đến đáy bình hk2; m D H h h k1 h k Đồng dạng hình học G D = ; ; ; dk dk dk dk • Lực ma sát ngoại: lực ma sát môi trường lên cánh khuấy F = ξ.A.ρ h v2 ;N (13 – 3) ξ: hệ số ma sát A: diện tích tiết diện cánh khuấy vuông góc với phương chuyển động; m2 ρh: khối lượng riêng dung dịch; kg/m3 v: vận tốc cánh khuấy môi trường dung dịch; v/s • Cường độ khuấy Thể qua chế độ động lực học bình khuấy, đặc trưng hai chuNn số quan trọng sau: Trong ρ n.d 2k n.d 2k ChuNn số Reynols khuấy Re k = h = µ υ (13 – 4) Công suất khuấy N = K N ρ h n d 5k ; W (13 – 5) KN: chuNn số công suất ρh: khối lượng riêng dung dịch; kg/m3 n: vận tốc cánh khuấy; v/s dk: đường kính cánh khuấy; m • Thông số động học Thể qua vận tốc quay cánh khuấy; (v/s) Vận tốc góc ω trục Vận tốc dung dịch lỏng v có ba dạng ∗ vt: vận tốc tiếp tuyến đầu mút cánh khuấy; m/s ∗ vr: vận tốc hướng trục; m/s ∗ vz: vận tốc dọc trục từ đáy bình lên mặt thoáng; m/s • Công suất khuấy riêng ε: công suất tính cho đơn vị chất lỏng bình N W ; - theo thể tích V m3 N W ε= ; - theo khối lượng G kg ε= 192 (13 – 6a) (13 - 6b) • Sự chuyển động tuần hoàn dung dịch bình khuấy hoạt động với điều kiện h k < d k - q (m3/s): gọi tắt lưu lượng tuần hoàn q = K q e 6,9 m n.d 3k ; m3/s (13 – 7) Kq: hệ số lưu lượng (xem bảng 13 – 7) m = + ψ1 + ψ : số mũ phụ thuộc vào phân bố vận tốc trung bình – tra đồ thị (H13.9) công thức (13 – 40), (13 – 41) n: số vòng quay; v/s dk: đường kính cánh khuấy; m XÁC ĐNNH VẬN TỐC CÁNH KHUẤY 4.1 Khi bình khuấy không gắn ngăn Khi bình gắn ngăn, nghĩa bình vật cản, trường hợp Rek > 300 tạo phễu phía mặt thoáng vt > vr vz Vận tốc vt đạt cực đại điểm cách trục đoạn r’   dk Re k  ;m (13 – 8) r ' =  1000 + , Re  k Trong thực tế giá trị trung bình vt v t = 0,4.ω.rk K N rk2 (ϕ.ξ k R )3 ; m/s (13 – 9) ω = 2πn; 1/s Rk: bán kính cánh khuấy; m ξk = f(Rek): hệ số ma sát, tra bảng (13 – 7) R: bán kính bình khuấy; m ϕ: hệ số chứa đầy; % H  8H  Khi β = h < ⇒ ϕ =  (13 – 10a) + 1 Ht  D  H  8H  Khi β = h = ⇒ ϕ =  + 2 (13 – 10b) Ht  D  Như bảng (13 – 1) phân tích, Rek > 300 tạo phễu, có phễu hiệu suất kém, muốn tránh tạo phễu phải tính Rek tới hạn, nghĩa số vòng quay tới hạn nth cho phép (Re k )th µ h n th = ; v/s (13 – 11) ρ h d 2k Trong 193 h  Ở đây: (Re k )th = 0,4 k1   dk  0,58  Ga     − 10.Ga − 0,18  0,5 (13 – 12) 0, 75 h  Hoặc: (Re k )th = C1  k1  Ga 0,5  dk  C1: hệ số thực nghiệm phụ thuộc cánh khuấy: Trong Cánh khuấy mái chèo C1 = 0,52 Cánh khuấy cong chóng C1 = 0,57 Cánh khuấy turbin hở C1 = 0,35 Cánh khuấy turbin kín C1 = 0,41 Cánh khuấy chữ U, C1 = (0,44 ÷ 0,58) d ρ g Ga: chuNn số Galieo; Ga = k h µ2 (13 – 13) (13 – 14) 4.2 Khi bình có gắn ngăn Khi có ngăn không xuất phểu, hiệu suất cao Số lượng ngăn thường số chẵn 2, 4, 6, 8, 10 trường hợp có ngăn thì: vz > vr vt Dòng lưu chất chuyển động từ đáy bình lên mặt thoáng bình, nên phểu Kích thước số lượng ngăn tính theo mối quan hệ Z ng B ng (13 - 15) = 0,5 D Trong Zng: số lượng ngăn; (tấm) Bng: bề dày ngăn; m hng: bề rộng ngăn; m Vận tốc dọc trục vz tính theo giá trị trung bình: 0,36  Z ξ  v z = 0,55.ω.rk  k k  Re k 0,09 G D −0,64 ; m/s  ϕ  Zk: số tầng cánh khuấy lắp trục Các thông số khác sách dẫn (13 – 6) CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ QUÁ TRÌNH KHUẤY 5.1 Hàm phân bố thời gian Trong trình khuấy, vận tốc tăng thời gian khuấy giảm, biểu thị mối quan hệ 194 Ck = t.n G 2D = const (13 – 17) t: thời gian khuấy; s n: vận tốc cánh khuấy; v/s GD: đồng dạng hình học Ck: hàm phân bố thời gian khuấy, xem bảng 13 – Bảng 13 – Ck Không ngăn Có ngăn Mái chèo 35 9,9 Cánh khuấy chữ U loại lồng 18  Bản cánh 170 10 Bản cánh 80 12,9 Chong chóng 170 10 Turbin hở 90 6,2 Turbin kín 65 5,1 Trong chế độ công nghệ trình khuấy chất lỏng, thường chịu tác động chuNn số đồng dạng sau đây: LOẠI CÁNH KHUẤY • ChuNn số Frud: Fr = nd 2k g • ChuNn số công suất: K N = Eu k = N ρ.n d 5k • ChuNn số Reynolds ly tâm : Re k = • ChuNn số Galileo: Ga = g.d 3k • ChuNn số Weber: We = ρ.n d 3k υh = ρ.n.d 2k µ ρ g.d 3k µ2 σ • ChuNn số Peclet: Pe = Wi H h D k−1 Trong σ: sức căng bề mặt; N/m Dk: hệ số khuếch tán; m2/s Wi: vận tốc phân tử pha phân tán; m/s Hh: chiều cao hỗn hợp bình khuấy; m Còn đại lượng khác sách dẫn 195 5.2 Sự trao đổi nhiệt bình khuấy Thường gặp hai trường hợp sau đây: - Cấp nhiệt bình hai vỏ có cánh khuấy, xem hình (H13 7a) - Cấp nhiệt ống xoắn có cánh khuấy, xem hình (H13.7b) Lượng nhiệt cần cung cấp cho môi trường hỗn hợp Q = K.A.∆t tb ; W K:hệ số truyền nhiệt; (13 – 18) W m K A: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt; m2 ∆ttb: chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit; 0K (xem thêm môn truyền nhiệt) W Với (13 – 19) K= ; δ m2 K + + α1 λ α W + α1: hệ số cấp nhiệt từ dòng nhiệt lên bình khuấy, xem hình (H13.7a); m K W + α2: hệ số cấp nhiệt từ bình khuấy lên hỗn hợp, xem hình (H13.7a); m K + δ: chiều dày vỏ bình; m W + λ: hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm vỏ bình; m K m K δ + : nhiệt trở riêng; λ W Chú ý công thức (13 – 19) đại lượng α2 liên quan trực tiếp đến trình khuấy Nếu điều kiện: 196 + d k = (0,3 ÷ 0,6 )D + Chiều cao vòng xoắn Hx = 0,48D + Đường kính bình D ≤ 500 mm Thì chuNn số Nusselt: Nu = C k Re k Pr m Trong Nu = 0,33 µ  h  µw    0,14 d   k  D (13 – 20) α D ; chuNn số Nusselt λh Ck, m: hệ số xác định thực nghiệm, với Hai vỏ Ck = 0,36; m = 0,67 Ống xoắn Ck = 0,87; m = 0,62 Rek: chuNn số Reynolds υ Pr = ; chuNn số đồng dạng Prante a υ: độ nhớt động học dung dịch; m2/s λ.h W a= : hệ số dẫn nhiệt dung dịch; C h ρ h m K λh, Ch, ρh: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng dung dịch µh, µw: độ nhớt động lực dung dịch lớp chất lỏng sát thành bình, PaS Nu.λ h W Từ (13 – 20) suy ra: α = ; D m K Ngoài để tính α1, α2 xem thêm môn học truyền nhiệt 5.3 Sự hòa tan đồng hóa Từ số liệu khuấy hòa tan đồng hóa, chúng có hàm phụ thuộc dạng sau đây: t.n = f (Re k ) (13 – 21) t: thời gian khuấy; s n: vận tốc cánh khuấy; v/s Rek: chuNn số Reynolds ly tâm Ví dụ với cánh khuấy chong chóng, khi: 2000 + Re k < 10 t.n = Re k + Re k > 2.10 t.n = 8,77 Trường hợp tổng quát xem công thức (13 – 17) bảng (13 2) Xét cụ thể hai trường hợp có ngăn không ngăn 5.3.1 Khi ngăn 197 - Vận tốc vòng cánh khuấy để đạt mức độ đồng nhũ tương n = k e Ar 0,315 Re k 0,37 We k −0,185 G D α ; v (13 – 33) s ke α3 xem bảng (13 5) Bảng 13.5 Loại cánh khuấy Mái chèo ke 1,47 α3 1,3 Bản cánh Bản cánh Chong chóng Turbin kín 2,95 1,50 2,95 2,3 0,67 1,55 0,67 0,67 Điều kiện để tính công thức (13 – 33) ∗ 2.10 < Re l < 10 ∗ 8.10 < Ar < 2.1010 Re k ∗ 6,15 < < 1,18.10 We k d 3k We k = ρ h n ; chuNn số Webe σ - Đánh giá mức độ đồng nhũ tương, dùng chuNn số Peclet Pe = Wi H h D −k Wi: vận tốc lắng phân tử rắn, xem chương lắng (chương 8) Dk: hệ số khuếch tán, dẫn Hh: chiều cao chứa dung dịch; m - Vận tốc lắng Wi tính theo thực nghiệm: m (13 – 34) Wi = 0167.d 2r (min ) (ρ r − ρ )g.(µ r + µ )µ −1 (2µ r + 3µ )−1 ; s ρr , ρ: khối lượng riêng pha phân tán pha liên tục; kg/m3 µr, µ: độ nhớt động lực pha phân tán pha liên tục; Pa.S - Nếu Pe ≤ 0,3: mức độ không đồng cực đại tính theo: ∆C max = − e − Pe 5.6 Tính công suất khuấy Có hai phương pháp tính công suất khuấy Theo ma sát Theo cường độ khuấy E (N/m2) 5.6.1 Tính công suất khuấy theo ma sát 201 Khi vật chuyển động với vận tốc v chịu lực ma sát F tiêu tốn công suất N Từ công thức (13 – 5): N = K N ρ h n 3d 5k ; W Trong KN: chuNn số công suất, tìm thực nghiệm N p KN = = A Re m k Fr ρ h n d k (13 – 35) A, m, p: số số mũ tìm thực nghiệm dựa vào giản đồ Ruston (H13.8) Xét trường hợp cụ thể sau đây: • Xét đường AB Khi Rek < 20 ⇒ m = -1 p = A v ậy K N = ⇒ Công suất N = A.µ h n d 3k ; W Re k (13 – 36) • Từ điểm B CE: Quá độ, không xác định • Xét đường CD Khi Rek > 300 ⇒ m = p = 0, công suất đoạn có ngăn: N = A.ρ h n d 5k ; W (13 – 37) • Xét đường EF a − lg Re k b Công suất đoạn ngăn Khi Rek > 300 ⇒ m = p = N = A.ρ h n d 5k Fr a − lg Re k b 202 ;W (13 – 38) a, b: số mũ phụ thuộc loại cánh khuấy, xem bảng (13 6) A: số, xem bảng (13 8) Bảng 13 LOẠI CÁNH KHUẤY Chong chóng Turbin GD a B 2,1 2,6 18 2,7 2,3 18 2,0 2,1 18 3,3 1,7 18 4,5 3,3 1,0 40 3,3 1,0 40 5.6.2 Tính công suất theo cường độ khuấy E Công suất theo cường độ khuấy E có dạng tổng quát sau: E = f (ψ1 , ψ ); N m (13 – 39) Trong ψ1, ψ2 hàm phân bố vận tốc vùng thứ vùng thứ hai dung dịch bình khuấy, xem hình (H13.1) Khi cánh khuấy chuyển động dung dịch trở lực đặc trưng đại lượng: ϕ N (13 – 40) E= ; ξ k Z k R 0k,25 m Trong ϕ: xem công thức (13 10a) (13 10b) dẫn ξk: hệ số trở lực, xem bảng (13.7) Zk: số tầng cánh khuấy lắp trục Rek: Reynolds ly tâm Khi tính toán, trước hết dựa vào điều kiện cụ thể cho để tính thông số trở lực E theo (13 – 40), kế dựa vào đồ thị hình (H13.9) để tìm thông số vận tốc thứ ψ1, sau dựa vào công thức (13- 41) để tính thông số vận tốc thứ nhì ψ2 ψ = −0,5 − 1,25ψ1 (13 – 41) Để dễ hiểu, xem tập cuối chương Bảng 13.7 LOẠI CÁNH KHUẤY Mái chèo Rek Tầng 10 Quá độ 50 ÷ 5.104 Rối 9,4.104 203 ξk Kq GD 0,88 0,0013 1,25 ÷ 2,5 Bản cánh Bản cánh 100 50 500 ÷ 5000 1,7.105 500 1,4.105 0,56 3,0 0,0028 0,0013 3÷6 2÷4 100 ÷ 1000 7,4.104 8,4 0,0013 3÷6 1000 1,1.10 4,2 0,0028 3÷6 100 ÷ 1000 1,8.105 3,7 0,0013 3÷6 10000 1,28 0,0013 1,1 ÷ 1,3  Lồng 50 2000 23,5 0,0013 3÷6  Mỏ neo 10 ÷ 80      Nhìn chung, công suất khuấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, thường biểu diễn phương trình không thứ nguyên N = f (Re k , Frk , Ga k , G D ) (13 – 42) Turbin hở Turbin kín Chong chóng Chữ U 100 100 100 1000 dạng phương trình chuNn số N KN = = f (Re k , Frk , Ga k , ) ρ h n 3d 5k 204 (13 – 43) 205 Nếu tính theo phương trình (13 – 42) theo Rômancốp công suất là: • Chế độ chảy tầng Rek < 50 N = 230.ρ h−0,67 µ1h,67 n1,33 d1k,66 ; W • Chế độ chảy rối Rek ≥ 50 N = 0,845.ρ 0h,95 µ 0h,05 n 2,95 d k4,9 ; W (13 – 44) (13 – 45) Tóm lại: Công suất khuấy có dạng tổng quát (13 – 5) N = K N ρ h n d 5k ; W Vấn đề cần phải xác định chuNn số công suất KN ba phương pháp sau đây: 5.6.2.1 Tính KN theo phương pháp giải tích • Khi ngăn: K N = 4.ξ k K1 (13 – 46) ξk: tra bảng 13.7 K1 = f(ψ1, ψ2) Với cánh khuấy mái chèo, chong chóng, turbin kín, turbin hở, cánh, cánh K1 = 0,1ψ12 + 0,22ψ1ψ + 0,125ψ 22 ; ψ1, ψ2: tìm qua công thức (13 – 40); (13 – 41), đồ thị hình (H13.9) Với cánh khuấy mỏ neo, chữ U K1 = (ψ1 + ψ )2 • Khi có ngăn, KN xác định theo K N = 4.ξ k Z k K p (13 – 47) ξk: tra bảng 13.7 Zk: số tầng cánh khuấy lắng liên tục Kp: thông số phụ thuộc vào cấu tạo ngăn, biểu thị đại lượng ngăn P P = 2G D Z ng h ng [( ln D D + 2B ng ξ k Z k D )] (13 – 48) Zng= số ngăn gắn bình khuấy hng, Bng: sách dẫn ξk, Zk, D: sách dẫn Muốn tìm KP trước hết tính P theo (13 – 48), dựa vào đồ thị hình (H13.10) để tìm Kp 206 5.6.2.2 Tính KN theo đồ thị Dựa vào đồ thị hình (H13.11) (H13.12) để tra giá trị KN 207 Chú ý tra cứu KN trước tiên ta phải xác định đồng dạng GD, giá trị hình (H13.11) (H13.12) tầng cánh khuấy Zk=1 5.6.2.3 Tính KN theo phương trình chu n số Dạng tổng quát: K N = A Re m k (13 – 49) A,m: số, số mũ tra bảng (13.8) Bảng 13.8 Hh D hk2 LOẠI CÁNH KHUẤY dk dk dk Tấm, cánh thẳng đứng Mái chèo Mái chèo nghiêng 450 Bản cánh thẳng Bản cánh nghiêng 600 Mỏ neo chữ U Mỏ neo cánh tròn 2 3 3 1,11 1,11 3 3 1,11 1,11 0,36 0,33 0,33 0,33 0,33 0,11 0,11 208 A m Rek 111 14,35 6,8 4,05 8,52 6,3 6,2 6,0 -1 -0,31 -0,2 -0,2 -0,2 -0,18 -0,25 -0,25 Rek 3000  Tính công suất có pha khí tham gia Khi sục khí vào chất lỏng bình khuấy, trở lực giảm, công suất khuấy giảm Công suất có sục khí tính theo (13 – 50) N g = K Ng ρ h n d 5k ; W ρh: khối lượng riêng dung dịch khuấy; kg/m3 n: vận tốc cánh khuấy; v/s dk: đường kính cánh khuấy; m K Ng = M.K N ; chuNn số công suất có sục khí Với: (13 – 51) M = b.X e K G K G KN: chuNn số công suất pha khí tham gia 0, 21.n d ,5 0, k  Q g ρ h n   Hh   X =     σ  D    Qg: lưu lượng khí cấp vào trình khuấy; m3/s ρh, n, Hh, D, σ, dk: sách dẫn Các hệ số X, b, e, KG1, KG2 tra bảng (13.9) Bảng 13.9 X 20 b e 1,23 -0,7 0,59 µ − 0,16 h  µ 0,42 (13 – 52) KG1    0,12  µh   µ    0, 023  µh   µ    0, 013 µ 0, 01 h µ   µ 0,69 + 3,23 h    µ  209 KG2 0,75 + 27,8.10 −3.G 2D 0,91 + 33,3.10 −3.G 2D    1,0 5.6.2.5 Hiệu chỉnh công suất khuấy D Hh ≈ ≠ phải nhân thêm hệ số hiệu chỉnh f vào dk dk Nếu đồng dạng hình học công thức (13 – 5) nghĩa là: N = K N ρ h n d 5k f ; W (13 – 53) Hệ số f phụ thuộc cấu trúc cánh khuấy sau: • Loại bản, tấm, mái chèo D  = (2,5 ÷ )  dk   D h 1 1  Khi =  ÷   f =  dk     3d k  Hh = (0,6 ÷ 1,6 ) D  Với 1,1   Hh       dk  0,  4h     dk  0, (13 – 54) h: chiều cao bản, tấm; m • Mỏ neo, chữ U, khung  D f =   1,11d k 1,1   Hh     dk    0,  15.h     dk  0, (13 – 55) • Chong chóng, turbin kín, hở  D f =   3.d k    0,93 H   h   D  0, (13 – 56) Sau tính công suất khuấy tính công suất động N N dc = K d ; W η (13 – 57) Kd = (1,1 ÷ 1,4): hệ số dự phòng η = (0,6 ÷ 0,7): hiệu suất khuấy 5.7 Xác định số vòng quay cánh khuấy Thường số vòng quay xác định thực nghiệm theo công thức: 20.v th v n= ; (13 – 58) s d k với vth: vận tốc tới hạn cánh khuấy, xem bảng (13 – 10) 210 Bảng 13.10 Loại cánh khuấy Thể tích khuấy Vh (m3) Mái chèo ≤ 50 Chong chóng ≤ 50 Turbin hở ≤ 50 Turbin kín ≤ 50 Độ nhớt động lực (Pa.S) 0,001 ÷ 0,5 0,5 ÷ 0,001 ÷ 0,1 0,1 ÷ 0,4 0,001 ÷ 5 ÷ 15 15 ÷ 25 0,001 ÷ 5 ÷ 15 15 ÷ 25 25 ÷ 40 211 vth (v/s) 2÷3 ÷ 1,2 10 ÷ 16 3,8 ÷ 10 7,5 ÷ 12 5,2 ÷ 7,5 3,5 ÷ 5,2 ÷ 10 5÷7 3,5 ÷ 5 ÷ 3,5 BÀI TẬP Bài Một bình khuấy, đường kính D = 2,4 m, chiều cao bình Ht= 3m, chiều cao mức chất lỏng bình Hh = 2,8m, sử dụng cánh khuấy turbin hở dk = 0,8m, số vòng quay cánh khuấy n = 124,8 v/phút, bình không gắn ngăn, môi trường dung dịch khuấy có ρ = 1000 kg/m3, độ nhớt động học υ = 2.10-6 m2/s Hãy xác định hai thông số phân bố vận tốc ψ1 ψ2? Bài giải D 2,4 • Tính đồng dạng: G D = = =3 d k 0,8 • Tra bảng (13.7) với cánh khuấy turbin hở: ξk = 8,4 nd 2,08.0,8 124,8 • Tính Re k = k = = , 10 v i n = = 2,08v / s υ 60 2.10 − H 2,8  8H   8.2,8  • Hệ số β = h = < ⇒ công thức (13.10a): ϕ =  h + 1 =  + 1 = 10,3 Ht  D   2,4  • Tính trở lực môi trường theo (13 – 40): ϕ 10,3 E= = 0, 25 ξ k Z k Re k 8,4.1 6,7.105 ( )0,25 = 0,0425 • Từ giản đồ hình (H13.9) Trên trục tung E = 0,0425 dóng qua bên phải cắt đường turbin hở GD = đọc ψ1 = -0,45 • Từ công thức (13 – 41) tính ψ2 = -0,5 – 1,25 ψ1 ⇒ ψ2 = 0,0625 Đáp số ψ1 = -0,45 ψ2 = 0,0625 Bài Chế tạo huyền phù cách trộn CaCO3 có khối lượng riêng ρ = 2710 kg/m3 vào nước có khối lượng riêng ρ = 1000 kg/m3 độ nhớt động lực µ = 1cP thiết bị khuấy hình trụ D=0,6m, hệ số chứa β = 0,8 Dùng loại cánh khuấy mái chèo dk = 0,2m, số vòng quay n = 132v/phút, bình khuấy không gắn ngăn, biết nồng độ khối lượng pha rắn x = 4% Quá trình khuấy gián đoạn, suất G = 180 kg/mẻ Tính: - Chiều cao bình khuấy Ht - Tính hk1 biết độ ngập 3/5 huyền phù - Tính công suất động biết Kd = 1,4 η = 80% - Tính thời gian khuấy mẻ? Bài giải • Tính khối lượng riêng huyền phù (dùng công thức [13 – 30b]) ρ h = 0,04.2710 + (1 − 0,04 ).1000 = 1068,4 kg m G 180 • Thể tích huyền phù chứa bình Vh = h = = 0,17 m ρ h 1068,4 212 • Tính chiều cao mức chất lỏng bình H h = 0,17.4 3,14.0,6 = 0,60m H h 0,60 = = 0,75m 0,8 0,8 3 • Vậy độ nhúng sâu h k1 = H h = 0,60 = 0,36m 5 ρ nd 1068,4.2,2.0,2 • Tính chế độ thuỷ động bình Re k = h k = = 9,4.10 ⇒ chảy − µ 10 • Tính chiều cao bình H t = rối (ở n = 132 = 2,2 v s ) 60 • Đồng dạng hình học G D = D 0,6 = =3 d k 0,2 • Từ bảng (13.8) cánh khuấy mái chèo với Rek > 5.104 ta có: A = 6,8 m = -0,2 ( • Tính K N = A Re m = 6,8 9,4.10 )−0,2 = 0,7 • Kiểm tra số liệu hiệu chỉnh f; tỉ số hình học H h 0,6 = = ⇒ không cần nhân thêm f d k 0,2 • Công suất khuấy N = K N ρ h n d 5k = 0,7.1068,4.2,23.0,25 = 2,55; W N 2,55 • Công suất động (áp dụng công thức [13 – 57]): N dc = K d = 1,4 = 4,5 W η 0,8 • Xác định thời gian khuấy (từ công thức [13 – 24]: t = cánh khuấy mái chèo, không ngăn Ck = 35 ⇒ t = Đáp số: C k G 2D bảng (13.2) với n 35.32 = 143,2s 2,2 Ht = 0,75 m hk1 = 0,36m Ndc = 4,5W t = 143,2s Bài Thiết bị tạo huyền phù hình trụ đường kính D = 1,2m, chiều cao Ht = 1,1m, chứa đầy ¾ huyền phù Biết ρh = 1000kg/m3, µ = 1cP Dùng cánh khuấy chong chóng dk = 0,4m với số vòng quay n = 400v/phút, hệ số Kd = 1,4; hiệu suất η = 0,8, bình không ngăn Tính công suất động cơ? Bài giải 400 1000 .0,4 ρ h n.d 2k 60 • Trước hết tính chế độ thuỷ động: Re k = = = 10 ⇒ Chảy rối − µ 10 213 • Từ bảng (13.8) với cánh khuấy chong chóng, không ngăn Rek > 3000, tra A = 1,19 m = -0,15 ( )−0,15 • Tính chuNn số công suất: K N = A Re m = 1,19 10 = 0,1485 • Tính mức chất lỏng bình: H h = 1,1 = 0,825m H 0,825 • Xác lập tỉ số hình dạng: h = = 2,06 ≠ ⇒ cần phải nhân thêm hệ số hiệu dk 0,4 chỉnh công suất f  D Từ công thức (13 – 56): f =   3.d k    0,93 H   h   D  0,  0,825  = 1.   1,2  0,  400  • Công suất khấy: N = 0,1485.1000.  0,4 0,799 = 360 W  60  360 1,4 = 630 W • Công suất động cơ: N dc = 0,8 Đáp số: Ndc = 630 W 214 = 0,799 CÂU HỎI ÔN TẬP Mục đích ứng dụng trình khuấy chất lỏng? Cấu tạo loại cánh khuấy? Phân biệt quỹ đạo lưu chất bình khuấy? Các thông số đặc trưng trình khuấy? Vận tốc cánh khuấy có ngăn không ngăn? Hàm phân bố thời gian gì? Sự trao đổi nhiệt bình khuấy? Sự hoà tan đồng hoá có ngăn không ngăn? Huyền phù hoá gì? Các thông số huyền phù hoá? 10 Nhũ tương hoá gì? Các thông số nhũ tương hoá? 11 Tính công suất theo phương pháp ma sát? 12 Tính công suất theo cường độ khuấy trộn - E? 13 Các phương pháp tính chuNn số công suất - KN? 14 Tính công suất có pha khí tham gia bể khuấy? 15 Tại phải hiệu chỉnh công suất, lúc cần hiệu chỉnh? 16 Xác định số vòng quay cánh khuấy? 215 ... 0 ,13: số thực nghiệm 200 (13 – 31) (13 - 32) - Vận tốc vòng cánh khuấy để đạt mức độ đồng nhũ tương n = k e Ar 0,315 Re k 0,37 We k −0,185 G D α ; v (13 – 33) s ke α3 xem bảng (13 5) Bảng 13. 5... hoàn, xem công thức (13 – 7) dẫn Các đại lượng khác sách dẫn Với η’ cho trước, tính theo công thức (13 -22) (13 – 23) tra bảng (13 – 2) tính vận tốc khuấy C k G 2D ; v/s n= t (13 – 24) 5.3.2 Khi... Cánh khuấy cong chóng C1 = 0,57 Cánh khuấy turbin hở C1 = 0,35 Cánh khuấy turbin kín C1 = 0,41 Cánh khuấy chữ U, C1 = (0,44 ÷ 0,58) d ρ g Ga: chuNn số Galieo; Ga = k h µ2 (13 – 13) (13 – 14) 4.2