Chuong 13 co luu chat

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 là cấu trúc cánh khuấy mái chèo và quỹ đạo chu

Khuấy cơ học là dùng cánh khuấy để khuấy trực tiếp trong môi trường lưu chất Hình (H13.1) mô tả thiết bị khuấy cơ học

2 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) là cấu trúc cánh khuấy mái chèo và quỹ đạo chuyển động của lưu chất trong bình khuấy Cánh khuấy mái chèo dùng để khuấy lưu chất có độ nhớt nhỏ, hoặc điều chế huyền phù nồng độ pha rắn nhỏ hơn 5% Cánh khuấy có thể có hai tấm hoặc bốn, sáu tấm, có thể thẳng hoặc nghiêng một góc α

189

2.2 Cánh khuấy chong chóng – chân vịt

Hình (H13 – 3) là cấu trúc cánh khuấy chong chóng và quỹ đạo chuyển động của lưu chất trong bình khuấy Loại cánh khuấy này cũng dùng để điều chế huyền phù hay nhũ tương với nồng độ pha rắn từ (5 ÷ 15)% và độ nhớt nhỏ hơn 5cP Quỹ đạo chất lỏng đi từ dưới lên trên vì áp suất sau cánh khuấy lớn hơn trước cánh khuấy, do đó các tàu thuyền thường dùng làm chân đạp nên có tên là cánh khuấy chân vịt

2.3 Cánh khuấy turbin

Có hai loại:

Turbin hở có cấu trúc giống như 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 được ứng dụng để điều chế các loại nhũ tương có độ nhớt cao, hoặc điều chế các loại huyền phù mịn, đặc biệt là dùng loại turbin kín để nạo vét kênh mương sông rạch

190

2.4 Cánh khuấy đặc biệt

Tùy theo lý tính của dung dịch để chọn loại cánh khuấy đặc biệt

Hình (H13 5a) là cánh khuấy loại đĩa, vì có lực cắt mạnh nên dùng để khuấy các phụ gia cao su và một số chất dẻo khác

Hình (H13.5b) là loại cánh khuấy mỏ neo dùng để khuấy các loại dung dịch phi Newton như sơn dầu, hồ keo…,

Ngoài ra đối với một số sản phNm có độ kết dính cao hay dẻo thì dùng loại cánh khuấy bản, tấm chữ U cánh thẳng hoặc nghiêng một góc α, xem hình (H13 5c)

Hình (H13.5d) mô tả thiết bị khuấy có sự truyền nhiệt bởi ống xoắn bao quanh, cánh khuấy dùng trong trường hợp này thường là chong chóng hoặc mái chèo hay turbin hở Nhìn chung các loại cánh khuấy đặc biệt này không thể hiện rõ ràng quỹ đạo chuyển động của lưu chất trong bình khuấy

2.5 Phương pháp gắn cánh khuấy vào bình

Tùy theo vị trí hoặc yêu cầu công nghệ mà có những phương pháp sau đây:

Hình (H13.6) mô tả các phương pháp gắn cánh khuấy khác nhau:

a Trục khuấy song song trục bình

b Trục khuấy tạo một góc α với trục bình

191

c Trục khuấy vuông góc với trục bình

d Khi chiều cao bình gấp ba lần đường kính bình thì lắp nhiều tầng cánh khuấy

e Khi trong bình có gắn tấm ngăn (tấm chặn – vật cản)

So sánh hai trường hợp khi bình chứa có tấm ngăn và không (xem bảng 13.1)

Bảng 13.1

Thời gian đồng đều lâu hơn Thời gian nhanh hơn

Lực cắt bé nên công nhỏ Lực cắt lớn, công lớn

Năng lượng tiêu hao ít Năng lượng tiêu hao nhiều hơn

Có tạo phễu trên mặt bình Không bao giờ tạo phễu

Hiệu suất thấp Hiệu suất cao

Ghi nhớ: Tính toán bài toán khuấy không đơn giản như một số loại bài tập đã giới

thiệu ở các chương trước mà là một bài toán khó Do vậy khi tính thì phải phân biệt chế độ làm việc, vận dụng các bảng số hoặc các đồ thị kèm trong chương này

3 CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG

• Bán kính hoạt động: là vùng ảnh hưởng lớn nhất do cánh khuấy tạo ra

m

;0021,0

N.747.15,0.a

Rhd

µ

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

100.V.V

.V

r r

r rρ+ρ

Chiều cao bình khuấy Ht; m

Chiều cao chứa dung dịch Hh; m

192

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

;d

h

;d

H

;d

DG

k

2 k k

1 k

h k

D =

• Lực ma sát ngoại: là lực ma sát môi trường lên cánh khuấy

N

;2

v A.F

2 hρξ

Trong đó 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 trong môi trường dung dịch; v/s

ρ

k

d.nd.n

∗ vz: vận tốc dọc trục từ đáy bình lên trên mặt thoáng; m/s

• Công suất khuấy riêng εεεε: là công suất tính cho một đơn vị chất lỏng trong

N

=

193

• Sự chuyển động tuần hoàn của dung dịch trong bình khuấy khi hoạt động với điều kiện h 2 <dk - q (m 3 /s): gọi tắt là lưu lượng tuần hoàn

3 k m 9 , 6

q.e n.dK

Kq: hệ số lưu lượng (xem bảng 13 – 7)

2 1

4.1 Khi bình khuấy không gắn các tấm ngăn

Khi trong bình không có gắn các tấm ngăn, nghĩa là trong bình không có vật cản, trường hợp này khi Rek > 300 thì sẽ tạo phễu phía trên mặt thoáng

vt > vr và vz Vận tốc vt sẽ đạt cực đại tại một điểm cách trục một đoạn r’

2

d.Re6,11000

Re'

t

R

r.K.r 4,0v

ξϕω

2 k h

h th k th

d

.Ren

ρµ

194

58 , 0 k

1 th

k

Ga.101

G

d

h4,0

k

1 1 th

d

h.C

Trong đó C1: hệ số thực nghiệm phụ thuộc cánh khuấy:

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) Ga: chuNn số Galieo;

2

2 h

3

k .g

dGa

µ

ρ

4.2 Khi trong bình có gắn các tấm ngăn

Khi có tấm ngăn thì không bao giờ xuất hiện phểu, hiệu suất cao Số lượng tấm ngăn thường là số chẵn như 2, 4, 6, 8, 10 tấm trường hợp khi có tấm ngăn thì:

vz > vr và vtDòng lưu chất chuyển động từ đáy bình lên trên mặt thoáng của bình, nên không bao giờ có phểu cả

Kích thước và số lượng tấm ngăn tính theo mối quan hệ

5,0D

B

36 , 0 k k k

Zk: số tầng cánh khuấy lắp trên trục

Các thông số khác sách đã dẫn

5 CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ QUÁ TRÌNH KHUẤY

5.1 Hàm phân bố thời gian

Trong quá trình khuấy, khi vận tốc tăng thì thời gian khuấy giảm, nó được biểu thị bằng mối quan hệ

195

constG

n.C

2 D

2 k

=

• ChuNn số công suất:

5 k 3 k

N

d.n

NEu

• ChuNn số Galileo:

2

3 k 2 2 h

3

k g.dd

.gGa

µ

ρ

=υ

2.dn.We

• ChuNn số Peclet: Pe =Wi.Hh.Dk−1

Dk: hệ số khuếch tán; m2/s

Wi: vận tốc các phân tử pha phân tán; m/s

Hh: chiều cao hỗn hợp trong bình khuấy; m

Còn các đại lượng khác sách đã dẫn

196

5.2 Sự trao đổi nhiệt trong bình khuấy

Thường gặp hai trường hợp sau đây:

Lượng nhiệt cần cung cấp cho môi trường hỗn hợp là

W

;t.A.K

K:hệ số truyền nhiệt;

K.m

W

0 2

A: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt; m2

∆ttb: chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit; 0K (xem thêm môn truyền nhiệt) Với

Km

W

;11

1K

0 2 2

δ+α

+ α1: hệ số cấp nhiệt từ dòng nhiệt lên bình khuấy, xem hình (H13.7a);

K.m

W

0 2+ α2: hệ số cấp nhiệt từ bình khuấy lên hỗn hợp, xem hình (H13.7a);

K.m

W

0 2+ δ: chiều dày vỏ bình; m

+ λ: hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm vỏ bình;

K.m

W

0+

λ

δ: nhiệt trở riêng;

W

K

m2 0

Chú ý trong công thức (13 – 19) đại lượng α2 liên quan trực tiếp đến quá trình khuấy Nếu điều kiện:

14 , 0

w

h 33 , 0 m k

Trong đó

h

2.DNu

h.a

ρ

λ

= : hệ số dẫn nhiệt của dung dịch;

K.m

W

0

λh, Ch, ρh: hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, khối lượng riêng của dung dịch

µh, µw: độ nhớt động lực của dung dịch và lớp chất lỏng sát thành bình, PaS

W

0 2

Ngoài ra để tính α1, α2 có thể xem thêm môn học truyền nhiệt

5.3 Sự hòa tan và đồng hóa

Từ các số liệu khuấy hòa tan và đồng hóa, chúng có hàm phụ thuộc dạng sau đây:

)(Refn

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:

=

k 2.10

Re > thì n =8,77Trường hợp tổng quát xem công thức (13 – 17) và bảng (13 2)

Xét cụ thể hai trường hợp có tấm ngăn và không tấm ngăn

5.3.1 Khi không có tấm ngăn

198

Thông thường là cho trước mức độ đồng nhất η rồi mới tính thời gian khuấy

- Với η = 0,87 thì thời gian khuấy là:

s

;G.q

1d

'r2G

d

'r2.V.04,2t

4 D

2 k

2 D 2 k

Trong đó r’: xem công thức (13 – 8) đã dẫn

V: thể tích dung dịch trong bình khuấy; m3q: lưu lượng tuần hoàn, xem công thức (13 – 7) đã dẫn Các đại lượng khác sách đã dẫn

Với η’ cho trước, tính theo công thức (13 -22) và (13 – 23) và tra bảng (13 – 2) sẽ tính được vận tốc khuấy

t

G.Cn

2 D k

D+H.F

=t

k

2 2 h

Trong đó F0 = - 0,43lh (1 - η): chuNn số trao đổi chất Furies

Hh: chiều cao mức chất lỏng trong bình, m D: đường kính bình; m

D.v.1,0

e1

q

V.CC

Ctb: nồng độ trung bình theo yêu cầu công nghệ; %

VS: năng suất khuấy; m3/s q: lưu lượng tuần hoàn, sách đã dẫn Pe: chuNn số Peclet

5.4 Huyền phù hoá

199

Là quá trình tạo ra huyền phù, để tối ưu vận tốc cánh khuấy thì trong bình khuấy nên lắp cánh khuấy ở vị trí:

1 D k

1 0,8 1,6.Dd

- Chế độ thủy động lực trong bình khuấy xác định theo:

5 , 0 5 , 0 h

1 D 5 , 0 5 , 0 c

5 < <

∗ h 1: sách đã dẫn

∗ kc và α1 xem bảng (13 3) Bảng 13 3

m r r k

ρ

ρ

.Ga.B

200

Pe tb

min max

max

e

%

;C

CC

Vx

r

r+

Vr: thể tích pha phân tán; m3V: thể tích pha liên tục; m3

-Khối lượng riêng hỗn hợp có thể tính theo công thức (1 – 2c) hoặc

x).ρ-(1+x.ρ

=

- Độ nhớt động lực của hỗn hợp nhũ tương

+ Với x ≤ 0,3 thì µh = µ+ Với x > 0,3 và µr > µ thì

( ) (µ-µ ) [µ+(1-6x) ]

1x-1

µ

=µ

r h

+ Với x > 0,3 và µr ≤µ thì

( ) ( ) [µ+µr(1-1,5x) ]

rµ-µ

1x-1

µ

=hµ

-Khi tạo nhũ tương, kích thước hạt pha phân tán quan hệ với tỉ lệ

6 tb 5

σ: sức căng bề mặt tại bề mặt phân pha; N/m

vtb: vận tốc trung bình của dung dịch trong bình khuấy; m/s

-Kích thước cực đại và cực tiểu của các phần tử pha phân tán xác định:

( )min k" ;md

m

;

g'

kmaxd

4 , 0 6 , 0 r

r r

σ

=

(13 - 32)

σ: sức căng bề mặt đã dẫn; N/m

ρ: khối lượng riêng pha liên tục; kg/m3

ρr: khối lượng riêng pha phân tán; kg/m3

ε: công suất thể tích; kW/m3k’ = 3,77; k” = 0,13: hằng số thực nghiệm

201

-Vận tốc vòng của cánh khuấy để đạt mức độ đồng nhất của nhũ tương

sv

;G.We

.Re.Ar.k

D 185 , 0 k 37 , 0 k 315 , 0

k

10 3

5 l 2

10.18,1We

Re15,6

10.2Ar10.8

10Re10

.2

h k

d.n

- Đánh giá mức độ đồng nhất của nhũ tương, dùng chuNn số Peclet

1 k h

i.H DW

gd

.0167

min r

ρr , ρ: khối lượng riêng pha phân tán và pha liên tục; kg/m3

µr, µ: độ nhớt động lực pha phân tán và pha liên tục; Pa.S

-Nếu Pe ≤ 0,3: mức độ không đồng nhất cực đại tính theo: ∆Cmax =1−e−Pe

5.6 Tính công suất khuấy

Có hai phương pháp tính công suất khuấy là

Theo ma sát

Theo cường độ khuấy E (N/m2)

5.6.1 Tính công suất khuấy theo ma sát

3 h

d.n

Công suất đoạn này là không có tấm ngăn

Re lg a 5 k

3 h

k

−

ρ

5.6.2 Tính công suất theo cường độ khuấy E

Công suất theo cường độ khuấy E có dạng tổng quát sau:

( 1 2) 2

m

N

;,f

N

;R.Z

5 k

3 h

ρ

205

N= ρ0h,95µ0h,05 2,95 4k,9 (13 – 45) Tóm lại: Công suất khuấy có dạng tổng quát như (13 – 5)

W

;d.n K

N= Nρh 3 5k

Vấn đề là cần phải xác định chuNn số công suất KN bằng ba phương pháp sau đây:

5.6.2.1 Tính K N theo phương pháp giải tích

• Khi không có tấm ngăn:

1 k

2 1 1

K = ψ +ψ

• Khi có tấm ngăn, KN xác định theo

p k k

ln.h.Z.G2

ng ng

để tìm Kp

207

5.6.2.2 Tính K N theo đồ thị

Dựa vào đồ thị hình (H13.11) và (H13.12) để tra giá trị KN

5.6.2.4 Tính công suất khi có pha khí tham gia

Khi sục khí vào chất lỏng trong bình khuấy, trở lực sẽ giảm, do đó công suất khuấy cũng giảm Công suất có sục khí tính theo

M=

KN: chuNn số công suất không có pha khí tham gia

4 , 0 h d

n 21 , 0 h g

D

H.n

QX

5 , 0 k

6 ÷ 20 0,59

12 , 0 h

16,

G.10.3,3391,

h

01 , 0 h

23,369,

k

h k

Hệ số f phụ thuộc cấu trúc cánh khuấy như sau:

• Loại bản, tấm, mái chèo

3

15

1d

h

45,2dD

h k

k

3 , 0

k

6 , 0

k h 1 , 1

h4.d

H.d

k

6 , 0

k h 1 , 1

h.15.d

H.d11,1

H.d

.3

η = (0,6 ÷ 0,7): hiệu suất khuấy

5.7 Xác định số vòng quay của cánh khuấy

Thường số vòng quay được xác định bằng thực nghiệm theo công thức:

sv

;d

v.20n

211

Bảng 13.10 Loại cánh khuấy

Thể tích khuấy

Vh (m3)

Độ nhớt động lực (Pa.S)

vth (v/s)

0,5 ÷ 3 1 ÷ 1,2 Chong chóng ≤ 50 0,001 ÷ 0,1 10 ÷ 16

212

6 BÀI TẬP

Bài 1 Một bình khuấy, đường kính D = 2,4 m, chiều cao bình Ht= 3m, chiều cao mức chất lỏng trong 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 tấm 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 và

ψ2?

Bài giải

8,0

4,2d

DG

k

10.2

8,0.08,2nd

3

8,2H

8,2.81D

• Tính trở lực môi trường theo (13 – 40):

10.7,6.1.4,8

3,10Re

.Z

E

25 , 0 5 25

, 0 k k k

=

=ξ

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 tấm ngăn, biết nồng độ khối lượng pha rắn

x = 4% Quá trình khuấy gián đoạn, năng suất G = 180 kg/mẻ Tính:

- Chiều cao bình khuấy Ht

- Tính hk1 biết độ ngập 3/5 huyền phù

- Tính công suất động cơ biết Kd = 1,4 và η = 80%

- Tính thời gian khuấy một mẻ?

180G

ρ

=

213

• Tính chiều cao mức chất lỏng trong bình 0,60m

6,0.14,3

4.17,0H

2

• Tính chiều cao bình 0,75m

8,0

60,08,0

k h

10

2,0.2,2.4,1068nd

6,0d

DG

6,0d

H

k

h = = ⇒ không cần nhân thêm f

• Công suất khuấy N=KN.ρh.n3.d5k =0,7.1068,4.2,23.0,25 =2,55;W

• Công suất động cơ (áp dụng công thức [13 – 57]): 1,4 4,5W

8,0

55,2K

2 D k

= và bảng (13.2) với

cánh khuấy mái chèo, không tấm ngăn Ck = 35 ⇒ 143,2s

2,2

3.35t

Bài giải

3

2 2

k h

10

4,0.60

400.1000d

.n

µρ

825,0.1D

H.d

.3

Df

6 , 0 6

, 0 h 93 , 0

360

Đáp số: N dc = 630 W

215

7 CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Mục đích và ứng dụng của quá trình khuấy chất lỏng?

2 Cấu tạo các loại cánh khuấy?

3 Phân biệt quỹ đạo của lưu chất trong bình khuấy?

4 Các thông số đặc trưng của quá trình khuấy?

5 Vận tốc cánh khuấy khi có tấm ngăn và không tấm ngăn?

6 Hàm phân bố thời gian là gì?

7 Sự trao đổi nhiệt trong bình khuấy?

8 Sự hoà tan và đồng hoá khi có tấm ngăn và không tấm ngăn?

9 Huyền phù hoá là gì? Các thông số huyền phù hoá?

10.Nhũ tương hoá là 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 khi có pha khí tham gia trong bể khuấy?

15.Tại sao phải hiệu chỉnh công suất, lúc nào cần hiệu chỉnh?

16.Xác định số vòng quay của cánh khuấy?