Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khản năng hoạt động của cột chêm bắng cách xác định: Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) khi đi qua cột. Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô fck theo chuẩn số Reynolds (Re) của dòng khí và suy ra các hệ số thực nghiệm. Sự biến đổi của thừa số σ liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô va cột ướt theo vận tốc dòng lỏng. Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng).
Trang 1BÀI 2: CỘT CHÊM
I Mục Đích
Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khản năng hoạt động của cột chêm bắng cách xác định:
Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) khi đi qua cột
Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô fck theo chuẩn số Reynolds (Re) của dòng khí
và suy ra các hệ số thực nghiệm
Sự biến đổi của thừa số liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô va cột ướt theo vận tốc dòng lỏng
Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng)
Cơ Sở Lý Thuyết
Khái niệm quá trình hấp thụ (hấp thu)
Quá trình hấp thu là quá trình cho một hỗn hợp khí tiếp xúc với dung môi lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng, pha khí sau hấp thu gọi là khí sạch, pha lỏng sau hấp thu gọi là dung dịch sau hấp thu
Vậy quá trình hấp thu là quá trình truyền vận cấu tử vật chất pha khí vào pha lỏng, nên quá trình xẩy ra theo chiều ngược lại, nghĩa là truyền vận cấu tử từ pha lỏng sang pha khí, ta có quá trình nhả hấp thu
Mục đích của quá trình hấp thu là hòa tan chọn lọc một số cấu tử
Ứng dụng của quá trình hấp thu
- Công nghệ thực phẩm
-Công nghệ hóa học
-Công nghệ sinh học
-Kỹ thuật môi trường
-Nghành công nghệ dầu khí
Trang 2Phương pháp lựa chọn dung môi hấp thu
Khi lựa chọn dung môi hấp thu người ta dựa vào các tính chất sau:
Độ hòa tan chọn lọc
Đây là những tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chất chỉ hòa tan tốt những cấu
tử cần tách ra khỏi hỗn hợp mà không hòa tan các cấu tử còn lại hoặc hòa tan không đáng
kể Tổng quát, dung môi và dung chất có bản chất tương tự nhau thì cho độ hòa tan tốt Dung môi và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tang độ bền hòa tan lên rất nhiều, nhưng nếu dung môi được thu hồi để dung lại thì phản ứng phải có tính hoàn nguyễn
Dung môi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau quá trình hấp thu sẽ bảo hòa dung môi do đó dung môi bị mất
Tính ăn mòn của dung môi
Dung môi nên có tính ăn mòn thấp để vật liệu chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền
Chi phí
Dung môi dễ tìm và rẻ tiền để sự thất thoát không tốn kém nhiều
Độ nhớt
Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tang tốc độ hấp thu, cải thiện điều kiện ngập lụt trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt
Các tính chất khác
Dung môi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệt khi hoàn nguyễn dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị, không tạo kết tủa không độc
Trong thực tế, không một dung môi nào đáp ứng được tất cả các tính chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thực hiện quá trình hấp thu Dù sao tính chất thứ nhất cũng không thể thiếu được trong bất cứ trường hợp nào
Phương pháp hấp thu:
Có 2 phương pháp hấp thu nghịch dòng và hấp thu xuôi dòng ta chỉ xét hấp thu nghịch dòng
Trang 3 Hấp thu nghịch dòng
Pha khí là hỗn hợp khí G vào chứa nhiều chất:
Trong đó :
- Các chất trơ Gtr ( không hấp thu vào lỏng)
- Chất hấp thu vào lỏng gọi là cấu tử A
Pha lỏng:
- Lượng dung môi gọi là L
- Lượng cấu tử A đã có sẵn trong pha lỏng L
- Lượng dung môi trơ là Lư là lượng dung môi tổng cộng L trừ đi cấu tử A
Một số định nghĩa
Phần mol của câu tử I là số mol ( suất lượng mol ) của cấu tử I chia cho tổng số mol hỗn hợp ( suất lượng mol hỗn hợp )
Phần mol khối lượng của cấu tử i là khối lượng ( suất lượng khối lượng) của cấu
tử I chia cho tổng khối lượng hỗn hợp (suất lượng khối lượng hỗn hợp )
Tỉ số mol của cấu tử I là số mol (suất lượng mol) của cấu tử I chia cho tổng số mol (suất lượng mol) trừ đi số mol (suất lượng mol) của i
Các đơn vị:
Suất lượng mol : mol/h; (kmol/h.m2); (mol/h.m2)
Suất lượng khối lượng: kg/h; (kg/h.m2); (g/h.m2)
Phần mol và tỉ số mol không có đơn vi
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thu
Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố có ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp thu Chúng ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình
Nếu nhiệt độ tang thì giá trị của hệ số của định luật Henry tăng, đường cân bằng sẽ chuyển dịch về trục tung, động lực truyền khối sẽ giảm nếu tăng nhiệt độ lên một giới hạn nào đó thì không những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình cũng không thực hiện được Mặt khác khi nhiệt độ tăng cao cũng ảnh hưởng không tốt vì độ nhớt của dung môi giảm (có lợi đối với trường hợp trở lực khuếch tán nằm chủ yếu trong pha lỏng)
Trang 4Thiết bị hấp thu
Trong công nghiệp, thực tế sản xuất người ta có thể dung nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình hấp thu Tuy nhiên yêu cầu cơ bản của thiết bị vẫn là diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn để tăng hiệu suất của quá trình hấp thu Bài thí nghiệm này ta xét loại tháp hấp thu là tháp đệm (cột chêm)
Sơ đồ thiết bị
Trang 5Kết Quả Thí Nghiệm
Từ thí nghiêm ta có bảng số liệu
• Bảng số liệu cột khô
L = 0 (l/p)
Bảng số liệu cột ướt
L= 4 (l/p)
L = 5 (l/p)
Hàng V (fit 3 /p) P CƯ (cmH 2 O)
Trang 66 4.5 48.5 33.0
L = 6 (l/p)
L = 7 (l/p)
Hàng V (fit 3 /p) P CƯ (cmH 2 O)
L = 8 (l/p)
Hàng V (fit 3 /p) P CƯ (cmH 2 O)
L = 9 (l/p)
Hàng V (fit 3 /p) P CƯ (cmH 2 O)
Tính toán kết quả
Ta đổi V (fit3/phút)
Trang 71 fit3/phút = 2.83 * 10-2 m3/phút = (m3/s) Tương tự :
2 fit3/phút = 2* 9.43*10-4 (m3/s) Tính G
Cột khô đang vận hành ở nhiệt độ C hay K
Ở đó kk=1.095 (kg/m3), = 1.9558*10-5
G = = = 0,1125 Tong đó : S =*d2* = 0.00495
Tính : PCK
PCK=(số lớn –số nhỏ)*10*9.81=(41 - 40)*10*9.81=98.1 = = 127.5
Tính Re
Re = = = 933.18 Tính fCK :
fCK= = 0.9678
Trang 8Ta có bảng xử lý cột khô:
i G V(m3/s) PCK Log( LogG Re fCK Log fCK
1
98.1 0.000944 0.225 136.25 2.134 -0.647 1868.041 0.842 -0.07449
2 147.15 0.00118 0.281 204.375 2.310 -0.550 2335.051 0.805 -0.09388
3 196.2 0.001416 0.337 272.5 2.435 -0.471 2802.061 0.777 -0.10971
4 294.3 0.001652 0.394 408.75 2.611 -0.404 3269.071 0.753 -0.1231
5 294.3 0.001888 0.450 408.75 2.611 -0.346 3736.082 0.733 -0.1347
6 490.5 0.002124 0.506 681.25 2.833 -0.295 4203.092 0.716 -0.14493
Tính toán bảng cột ướt:
Từ bảng số liệu của cột ướt ta tính cho hàng đầu tiên trong bảng
Tính G
Cột ướt đang vận hành ở 300C hay 303k (độ Kelvin )
Ở đó cư =1,1663(kg/m3); µ=1,8638.10-5(kg/m.s)
G=cu ==0.1199 (kg/m2.s)
cư=(43.5 – 38.5).10.9,81 = 490.5 (N/m2.m)
cư/Z= 691.25 (N/m2.m)
Tính : = = = 5
Tính f cư=.f ck=5.0,842 = 4.21
Làm tương tự ta có bảng xử lý số liệu cột ướt như sau:
Trang 9I V
(m3/s)
Re
1
0.000944 0.2398 490.5 681.25 2.833307 -0.62003 2087.89 4.2118 0.6245 3.3197
2
0.00118 0.2998 539.55 749.37 2.874699 -0.52312 2609.86 2.9539 0.4704 3.4166
3
0.001416 0.3598 588.6 817.5 2.912488 -0.44394 3131.83 2.3303 0.3674 3.4958
4
0.001652 0.4197 588.6 817.5 2.912488 -0.37699 3653.80 1.5064 0.1779 3.5627
5
0.001888 0.4797 833.85 1158.1 3.063755 -0.319 4175.78 2.0778 0.3176 3.6207
6
0.002124 0.5397 931.95 1294.3 3.11206 -0.26785 4697.75 1.3609 0.1338 3.6719
L =5
i V(m3/s) G Pcư Log( LogG Re fCư logfCư Log
Re
1
0.000944 0.2399 1128.15 1566.88 3.1950 0.62003- 2087.89 9.6873 0.9862 3.3197
2
0.00118 0.2998 1324.35 1839.38 3.2647 0.52312- 2609.863 7.2505 0.8604 3.4166
3
0.001416 0.3598 1422.45 1975.63 3.2957 0.44394- 3131.835 5.6315 0.7506 3.4958
4
0.001652 0.4198 1471.5 2043.75 3.3104 0.37699- 3653.808 3.7659 0.5759 3.5627
5
0.001888 0.4797 1520.55 2111.88 3.3247 -0.319 4175.78 3.7889 0.5785 3.6207
6
0.002124 0.5397 1520.55 2111.88 3.3247
-0.26785 4697.753 2.2204 0.3464 3.6719
Trang 10L =6
(m3/s)
G Pcư Log ( LogG Re fCư logfCư Log
Re
1 0.00094
4 0.2399 1912.95 2656.88 3.4244 -0.62003 2087.89 16.4263 1.2155 3.3197
2
0.00118 0.2998 2207.25 3065.63 3.4865 -0.52312 2609.86 12.0841 1.0822 3.4166
3 0.00141
6 0.3598 2207.25 3065.63 3.4865 -0.44394 3131.83 8.7385 0.9414 3.4958
4 0.00165
2 0.4198 2256.3 3133.75 3.4960 -0.37699 3653.81 5.7744 0.7615 3.5627
5 0.00188
8 0.4797 2109.15 2929.38 3.4668 -0.319 4175.78 5.2555 0.7206 3.6207
6 0.00212
4 0.5397 2256.3 3133.75 3.4960 -0.26785 4697.75 3.2948 0.5178 3.6719
L =7
Re
1
0.000944 0.2397 2795.85 3883.1 3.5892 -0.62003 2087.89 24.0077 1.3804 3.3197 2
0.00118 0.2998 2992.05 4155.6 3.6186 -0.52312 2609.86 16.3807 1.2143 3.4166 3
0.001416 0.3598 2943 4087.5 3.6115 -0.44394 3131.84 11.6514 1.0664 3.4958 4
0.001652 0.4198 2992.05 4155.6 3.6186 -0.37699 3653.81 7.6573 0.8841 3.5627 5
0.001888 0.4797 2599.65 3610.6 3.5576 -0.319 4175.78 6.4777 0.8114 3.6207 6
0.002124 0.5397 2697.75 3746.9 3.5737 -0.26785 4697.75 3.9394 0.5954 3.6719
Trang 11L = 8
1
0.000944 0.2399 1373.4 1907.5 3.2805 -0.62003 2087.89 11.7933 1.0716 3.3197
2 0.00118 0.2998 2746.8 3815 3.5815 -0.52312 2609.86 15.0380 1.1772 3.4166 3
0.001416 0.3598 2893.9 4019.4 3.6042 -0.44394 3131.83 11.4572 1.0591 3.4958 4
0.001652 0.4198 2746.8 3815 3.5815 -0.37699 3653.81 7.0297 0.8469 3.5627 5
0.001888 0.4797 1520.6 2111.9 3.3247 -0.319 4175.78 3.7889 0.5785 3.6207 6
0.002124 0.5397 1324.6 1839.4 3.2647 -0.26785 4697.75 1.9338 0.2864 3.6719
L = 9
I V(m3/s) G Pcư Log ( LogG Re fCư logfCư Log
Re
1
0.000944 0.2399 3433.5 4768.75 3.6784 -0.62003 2087.89 29.4832 1.4696 3.3197
2 0.00118 0.2998 3433.5 4768.75 3.6784 -0.52312 2609.863 18.7975 1.2741 3.4166
3 0.001416 0.3598 2795.9 3883.13 3.5892 -0.44394 3131.835 11.0689 1.0441 3.4958
4 0.001652 0.4198 2648.7 3678.75 3.5657 -0.37699 3653.808 6.7786 0.8311 3.5627
5 0.001888 0.4797 2452.5 3406.25 3.5323 -0.319 4175.78 6.1111 0.7861 3.6207
6 0.002124 0.5397 2060.1 2861.25 3.4566 -0.26785 4697.753 3.0083 0.4783 3.6719
Tính toán bảng ngập lụt:
Trang 12Tính chuẩn số thứ nhất 1
1 = [(fCK*a*V12*KK)/(3*2g*L)]*td0.2
Ta có:
KK = 1.095(kg/m3)
= 0.585
g=9.81
lỏng =1000(kg/ m3)
fCK =0.842
a=24.656(m2/m3)
S1=*d2 = *(0.1)2
V1 = = = 0.1203(m/s)
Vậy 1 = * = 8.373E-05
Tính chuẩn số thứ 2 2
2 =*
L =9 (lit/phút) = 9*10-3 /60 = 0.00015 (m3/s)
V =0.000472
CƯ = 1.1663
lỏng =1000 (kg/m3)
2 =* = * = 0.0054266
Làm tương tự cho các dòng tiếp theo ta có bảng xử lý số liệu:
Trang 131 0.000944 8.373E-05 0.0054266 -4.07712 -2.26548
Trang 14Vẽ biểu đồ
Đồ thị cột khô: L = 0
Log – Log G
Đồ thị cột ướt Log() - LogG
L = 4
Trang 15L = 5
L = 6
L = 7
L = 8
Đồ thị ngập lụt Log1- Log2
Trang 16bàn luận:
1 Nhận xét kết quả:
Kết quả giữa lý thuyết và thực tế khác nhau
+ Dạng đồ thị Log theo Log(G) thực tế không phải là đường thẳng mà bị gãy khúc tại
nhiều điểm
+ thời gian đầu tiên ta đo được giá trị Pck = 0 Vậy dạng đồ thị là đường gấp khúc cắt trục tung tại điểm có giá trị Log(G) = -0.647
+ độ giảm áp của cột khô và cột ướt đều phụ thuộc vào giá trị G và L
+ nhìn chung độ giảm áp của cột khô càng lớn khi G càng lớn và L càng lớn tăng từ L= 4 đến L = 9
+ tuy nhiên mức độ tăng không đồng đều, không hoàn toàn theo quy luật
• Giản đồ cột ướt:
Đồ thị là đường gấp khúc có đoạn rất dốc ở các giá trị L khác nhau, điểm dốc lớn nhất theo lý thuyết là điểm thứ 2, nhưng thực tế khảo sát cho từ L = 4 đến L = 9 không hoàn toàn đúng như vậy;
+ dựa vào đường đồ thị tương ứng với giá trị L ta thấy: cá điểm nằm trên đường gấp khúc và không cùng nằm trên cùng 1 đường thẳng
• Giản đồ cột ngập lụt:
+ ứng với giá trị Log(1) càng nhỏ thì Log(2) có giá trị càng lớn
+ theo lý thuyết đồ thị là đường cong dòn về phía trục tung và trục hoành, tuy
nhiên hình dạng đồ thị ta nhận được gần như là một đường thẳng
2 Giải thích:
Hệ thống thiết bị cột chêm vận hành không ổn định
Thao tác sinh viên thực hiện chưa chuẩn xác
Sai số về P lớn và P nhỏ dẫn đến sai số về P
Trong khi vận hành thiết bị, có lỗi chưa đến điểm ngập lụt thì đã dừng thao tác
Càng vận hành lâu, hệ thống cột chêm tại phòng thí nghiệm cho kết quả càng thiếu chính xác
Trang 173 Kết luận và giải pháp:
Hệ thống cột chêm được ứng dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm và nhiều ngành khác Hoạt động của cột chêm tốt hay không phụ thuộc vào thiết bị được cấu tạo như thế nào và người vận hành phải có kỹ năng Vì vậy để làm tốt thí nghiệm với thiết bị cột chêm ta nên:
+ kiểm tra hệ thống trước khi vận hành
+ thao tác tốt trong suốt quá trình thí nghiệm
+ sinh viên phải phối hợp tốt với nhau tại vị trí làm việc khác nhau
+ đọc và ghi kết quả P lớn và P nhỏ một cách chính xác
+ nắm vững lý thuyết và cách vận hành để thao tác tốt
+linh hoạt trong xử lý tình huống trong phòng thí nghiệm