Báo cáo thực hành thiết bị: Thời gian lưu

BÀI 12:THỜI GIAN LƯUBáo cáo thí nghiệm thời gian lưu là khái quát lại bài thí nghiệm với mục đính là khảo sát được sự phân bố thời gian lưu trong hệ thống thiết bị khuấy trộn hoạt động l

BÀI 12: THỜI GIAN LƯU 1

1 TÓM TẮT 1

2 GIỚI THIỆU 1

2.1 Cơ sở lý thuyết 1

2.2 Ứng dụng thời gian lưu trong sản xuất 2

2.3 Phương pháp xác định hàm phân bố thời gian lưu 4

2.4 Dạng thiết bị phản ứng 5

2.5 Xác định nồng độ bằng cách đo mật độ quang 6

3 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 6

4 THỰC NGHIỆM 7

4.1 Mô Hình thí nghiệm 7

4.2 Trang bị và hóa chất 7

4.3 Tiến hành thí nghiệm 7

5 KẾT QUẢ 8

5.1 TÍNH TOÁN MẪU VÀ SỐ LIỆU 10

5.2 Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 2 bình khuấy mắc nối tiếp hoạt động liên tục 13

6 Nhận xét và bàn luận 16

BÀI 12:THỜI GIAN LƯU

Báo cáo thí nghiệm thời gian lưu là khái quát lại bài thí nghiệm với mục đính

là khảo sát được sự phân bố thời gian lưu trong hệ thống thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục bao gồm một thiết bị và 2 thiết bị, phân biệt và tính toán được thời gian hưu trung bình lý thuyết và thực tế của thiết bị, đồng thời so sánh sự khác nhau giữa các giá trị lý thuyết và thực tế, giữa các thiết bị 1 thiết bị khuấy trộn và

2 thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp hoạt động liên tục Từ đó lựa chon được thiết bị phù hợp cho quá trình sản xuất để đạt năng xuất cao nhất và đồng thời có những

so sánh về khả năng đáp ứng của mô hình, thiết bị lý thuyết với mô hình, thiết bị thực tế để đưa ra được những đề xuất thay đổi thiết bị để phù hợp với quá trình sản xuất Thông qua phương pháp đánh dấu bằng va chạm (xung) giúp ta theo dõi được sự lưu lại của các phần tử xác định trong hệ dòng chảy, các phần tử này phải có đặc điểm không được ảnh hưởng và khác biệt với các phần tử tạo nên tương quan trong hệ (ở đây là mực màu và nước)

2 GIỚI THIỆU

2.1 Cơ sở lý thuyết

Thời gian lưu là thời gian trung bình của một phần tử lưu lại trong thiết bị những phần tử lưu chất khác nhau sẽ đi những quãng đường khác nhau trong thiết bị và mất những khoảng thời gian khác nhau Thời gian lưu biểu thị là thời gian để nồng độ cấu tử có sự thay đổi đáng kể trong một phân tố thể tích

Khái niệm thời gian lưu được sử dụng rộng rãi trong các môn học về khoa học, kỹ thuật và y học Mỗi môn học định nghĩa thời gian lưu theo những khoảng cách khác nhau cho những ứng dụng khác nhau tuy nhiên công thức toán học chung của thời gian lưu có thể biểu diễn như sau:

τ = Dung tích của hệ thốngchứa chất xác định

Vận tốc chảy của chất qua hệ thống =

V

Khi sử dụng công thức tính toán thời gian lưu, một số giả định cần thiết nhằm giảm tính phức tạp của hệ thống Những giả định bao gồm: 1) Dòng vào và dòng

ra cố định, 2) thể tích hệ thống không thay đổi, 3) nhiệt độ không thay đổi, 4) Phân tán của chất đó đồng nhất trong thiết bị, 5) không có hiện tượng phân hủy

chất (phân hủy hóa học) hoặc các phần tử hấp thụ trên bề mặt cản trở dòng chảy Nếu sự phân hủy hóa học diễn ra, thời gian lưu sẽ nhỏ hơn so với thực tế vì chất xác định đã bị biến đổi hóa học và mất đi trước khi thoát ra khỏi hệ thống theo cách tự nhiên

Thời gian lưu thu gọn là một biến số không thứ nguyên được định nghĩa như sau:

t

´t=

t

τ=

v t

Với: V: Thể tích của hệ bình phản ứng

v: lưu lượng của dòng lưu chất vào thiết bị phản ứng t: thời gian phân tố lưu chất đi qua thiết bị

´

t: thời gian lưu trung bình

τ: thời gian thể tích

2.2 Ứng dụng thời gian lưu trong sản xuất

Trong lĩnh vực môi trường, thời gian lưu được ứng dụng cho xử lý nước và nước thải Nó đặc trưng cho thời gian nước lưu lại trong thiết bị phản ứng khuấy gián đoạn (batch reactor), thiết bị dạng ống (plug flow reactor), thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục (Completely mixed flow reactor – CMFR) và bể tạo bông, lắng (flocculation tank)

Trong trường hợp này, thông số quan trọng là thời gian lưu chất lưu lại trong thiết bị có đủ để tham gia phản ứng

C=C0e−kττ

(12.3)

Trong đó: C: Nồng độ

C0: Nồng độ ban đầu k: Hằng số vận tốc phản ứng

τ: Thời gian lưu trong thiết bị Trong công thức này, thời gian lưu được xác định là thời gian thay đổi nồng

độ của tác chất trong hệ thống và phụ thuộc vào tốc độ dòng, thể tích thiết bị, Nồng độ ban đầu của tác chất, lượng hóa chất thêm vào cho quá trình xử lý và tốc độ phản ứng diễn ra Công thức này đặc biệt có ý nghĩa đối với thiết bị hòa tan nhanh (flash mixer) trong quá trình xử lý nước nhằm xác định nếu có quá ít hay quá nhiều hóa chất đưa vào hệ thống ban đầu

Hàm phân bố thời gian lưu (Residence time distribution – RTD) của một thiết

bị phản ứng là hàm mô tả thời gian của 1 cấu tử có thể lưu trú lại trong thiết bị phản ứng Người kỹ sư hóa sử dụng RTD để mô tả quá trình khuấy trộn, dòng chảy trong thiết bị và so sánh điều kiện của thiết bị thực và thiết bị lý tưởng Điều này quan trọng không chỉ cho việc xử lý các sự cố trong thiết bị mà còn giúp dự đoán hiệu suất của phản ứng trong quá trình tính toán thiết kế thiết bị

Đồ thị biễu diễn mối quan hệ giữa mật độ cấu tử và thời gian lưu tương ứng gọi là phổ phân bố thời gian lưu

Hình: Phổ phân bố thời gian lưu

Trong đó: E: Độ đo sự phân bố thời gian lưu trong bình của tất cả các phân tố

E.dθθ: Phần lưu chất có thời gian lưu từ θ đến (θ+ dθθ)

∫

0

∞

Phần lưu chất có thời gian lưu nhỏ hơn θ1 là

∫

0

θ1

Phần lưu chất có thời gian lưu lơn hơn θ1 là

∫

θ1

∞

I dθθ=1−∫

0

θ1

Khái niệm này được đưa ra bởi Macllin và Weber vào năm 1935, nhưng chỉ được ứng dụng phổ biến khi P.V Danckwerts phân tích tầm quan trọng của nó trong năm 1953

2.3 Phương pháp xác định hàm phân bố thời gian lưu

Để khảo sát khả năng hoạt động của một thiết bị phản ứng thực tế bằng hàm

phân bố trên, ta phải biết cách xác định hàm số này Phương pháp thực nghiệm

thường dùng trong trường hợp này là phương pháp kích thích - đáp ứng.

Các dạng tín hiệu kích thích đầu vào và đáp ứng tại đầu ra được trình bày ở trên hình Vì tiện lợi trong sử dụng và sự đồng dạng của tín hiệu đáp ứng tại đầu

ra với hàm phân bố nên thường dùng tín hiệu kích thích có dạng bậc hoặc dạng xung

Hình: Mô tả phương pháp Kích thích – Đáp ứng

Để đo thời gian lưu, mà trong thời gian đó một phần tử xác định lưu lại trong

hệ dòng chảy, người ta phải phân biệt nó với các phần tử khác bằng cách đánh dấu Các phần tử đánh dấu phải có dấu hiệu đặc điểm là không ảnh hưởng và khác biệt với các phần tử tạo nên tương quan trong hệ Các loại chất chỉ thị đánh dấu đối với môi trường và có thể là: Dung dịch màu, các chất phóng xạ, các chất đồng vị phóng xạ ổn định, các hạt rắn phát sáng

Hình: Các dạng tín hiệu Kích thích – Đáp ứng thường dùng

2.4 Dạng thiết bị phản ứng

Bình khuấy lý tưởng hoạt động liên tục – CMFR: Bình khuấy lý tưởng có tính

chất là quá trình khuấy trộn hoàn toàn do đó hỗn hợp phản ứng đồng nhất trong tất cả các phần của thiết bị và giống với dòng ra Điều này có ý nghĩa là phân bố thể tích trong các phương trình liên quan có thể được lấy là thể tích V của toàn thiết bị phản ứng

Mô hình dãy hộp: Khi nối các bình khuấy CMFR lại với nhau ta có mô hình dãy hộp Tổng quát, với mô hình dãy hộp n bình mắc nối tiếp, ta có hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết như sau:

C n= n n

(n−1) ! θ(n−1) e( −nθ )

(12.7)

Vẽ hàm tương ứng với C n theo các giá trị khác nhau, ta có đồ thị như hình Ta thấy rằng khi:

n=1 phổ của hàm đáp ứng là phổ của bình khuấy lý tưởng

n → ∞ phổ của hàm đáp ứng là phổ của bình ống lý tưởng

Hình: Phổ đáp ứng của mô hình bình khuấy lý tưởng hoạt động liên tục – CMFR

2.5 Xác định nồng độ bằng cách đo mật độ quang

Tỉ số C /C0 hoàn toàn có thể thay bằng tỷ số D/ D0 nên ta chỉ cần đo mật độ quang thay cho việc đo nồng độ Cơ sở là định luật Lambert – Beer:

Trong đó: ε: Hệ số hấp thu (mol cm l )

b: chiều dày cuvert chứa mẫu (cm )

C: Nồng độ mẫu (mol l )

k: Hệ số tỉ lệ T: độ truyền suốt (% )

- Khảo sát mối liên hệ giữa nồng độ chất màu và độ truyền suốt

- Phân biệt và tính toán được thời gian lưu trung bình lý thuyết và thời gian lưu trung bình thực tế

- Khảo sát được sự phân bố thời gian lưu trong hệ thống thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục: Một thiết bị khuấy trộn, 2 thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp

- Giải thích được sự khác biệt của thời gian lưu thực tế và lý thuyết của một thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục, 2 thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp

4.1 Mô Hình thí nghiệm

Hình: Mô Hình thí nghiệm

4.2 Trang bị và hóa chất

- Máy đo quang

- Cốc đựng mẫu

- Ống đong

4.3 Tiến hành thí nghiệm

4.3.1 Kiểm tra, vệ sinh hệ thống thiết bị

- Bơm nước vào bình chứa 1, bật bơm 2 để bơm nước lên bình 3( nước trong bình 3 được bơm đầy còn bình 1 thì chiếm khoảng 2/3 dung tích của bình)

- Mở van cho nước chảy vào bình khấy 1, khi đầy bình 1 tiếp tục bơm sang bình 2, tương tự với bình 3

- Mở cánh khuấy và kiểm tra sự hoạt động của các thiết bị

- Kiểm tra xong Tắt hết các thiết bị khóa van dẫn nước xuống bình khuấy

1, đồng thời tháo hết nước trong bình khuấy 1, 2, 3 Sau đó khóa van và tiến hành thí nghiệm

4.3.2 Thí nghiệm 1: Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 1 bình khuấy hoạt động liên tục.

Bước 1: Xác định D0

Cho nước vào đầy bình 1 ( mực nước trong bình được giữ cố định tại vạch h

= 100mm, d = 120mm), cho cánh khuấy hoạt động Dùng xylanh hút 2,5ml mực xanh cho vào phía trên của bình khuấy, cho cánh khuấy hoạt động trong khoảng vài phút, sau đó lấy mẫu để xác định D0 (đo nhiều mẫu để loại bỏ sai số trong quá trình đo)

Bước 2: Khảo sát phân bố thời gian lưu

- Thiết lập hệ thống bình khuấy ở trạng thái hoạt động ổn định

- Dùng xylanh hút 2,5ml mực xanh cho vào phía trên của bình khuấy tương ứng thời gian t = 0

- Ứng với mỗi khoảng thời gian cố định (30s), tiến hành lấy mẫu xác định độ truyền suốt (T%)

- Kết thúc lấy mẫu khi nước trong bình hết màu (xanh) và độ truyền suốt T gần bằng 100%

4.3.3 Thí nghiệm 2: Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 2 bình khuấy mắc

nối tiếp hoạt động liên tục.

- Thiết lập hệ thống bình khuấy 1 và bình khuấy 2 ở trạng thái hoạt động ổn

định

- Dùng xylanh hút 2,5ml mực xanh cho vào phía trên của bình khuấy 1 tương

ứng thời gian t = 0

- Ứng với mỗi khoảng thời gian cố định (30s), tiến hành lấy mẫu ở bình 2 và

xác định độ truyền suốt (T%)

- Kết thúc lấy mẫu khi nước trong cả 2 bình hết màu (xanh) và độ truyền suốt T

gần bằng 100%

Bảng: xác định D 0

Thông số T0(%) (1) T0(%) (2) T0(%) (3) D0

D0=2−lg(%T0)=2−lg(72,1)=0.142

T0=71,1+73,1+72,1

Bảng: Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 1 bình khuấy hoạt động liên tục

STT τ ( s) T i(%) STT τ ( s) T i(%) STT τ ( s) T i(%)

Bảng: Xác định D0

Thông số T0(%) (1) T0(%) (2) T0(%) (3) D0

D0=2−lg(%T0)=2−lg(78,6)=0.105

T0=78,8+78,1+78,9

Bảng: Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 2 bình khuấy mắc nối tiếp hoạt động

liên tục.

STT τ ( s) T i(%) STT τ ( s) T i(%) STT τ ( s) T i(%)

5.1 TÍNH TOÁN MẪU VÀ SỐ LIỆU

5.1.1 Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 1 bình khuấy hoạt động liên tục

 Tính toán mẫu:

D i=2−lg(%T )=2−lg(74,6 )=0.127

- Thực nghiệm:

D i T i=0.127 × 74,6=9,49

´

τ TN=∑D i T i

96,4 1,13=85,283(s )

θ TN= τ

´

τ TN=

30

85,283=0,35

D0)TN

=0.127

0.142=0.896

- Lý thuyết:

τ¿=π × dθ2× h ×1000

4 × Q

60

=3.14 ×0.122×0.11×1000

4 × 0.33

60

=226.08(s )

θ¿=τ

´

τ¿=

30

226,08=0,13

D0)¿

= n n

(n−1) ! × θ i n−1 × e−n ×θi

= 11

(1−1) ! × θ i1−1× e−1 ×θi=e−θi=e−0.13=0.876

 Bảng số liệu

STT τ (s) T i(%) D i D i T i θ TN ( D i

D0)TN

θ¿ (D i

D0)¿

0.35 1.06 1.76 2.46 3.17 3.87 4.57 5.28 5.98 6.68 7.39 8.09

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

𝜽_𝑻 𝑵

Biểu đồ mối quan hệ giữa θ TN và ( D i

D0)TN

0.00 0.27 0.53 0.80 1.06 1.33 1.59 1.86 2.12 2.39 2.65 2.92 3.18

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200

𝜽_𝑳 𝑻

Biểu đồ mối quan hệ giữa θ¿ và (D i

D0)¿

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

θ_TNTN θ_TNLT

Biểu đồ so sánh sự phân bố thời gian lưu thực tế và lý thuyết trong 1 bình khuấy

hoạt động liên tục

5.2 Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 2 bình khuấy mắc nối tiếp hoạt động liên tục.

 Tính toán mẫu:

D O 2 bình=D o

2 =

0.105

2 =0.0525

D i=2−lg(%T )=2−lg(79,2)=0.1

- Thực nghiệm:

D i T i=0.1 ×79,2=8,02

∑D i=1,39

∑D i T i=122,21

´

τ TN=∑D i T i

122,21 1,39 =87,92(s)

θ TN= τ

´

τ TN=

30

87,92=0.34

D0)TN

= 0.1

0.0525=1,93

- Lý thuyết:

´

τ¿=2× π × dθ2× h ×1000

4 × Q

60

=2× 3.14 ×0.122×0.11×1000

4 ×0.33

60

=452,16(s)

θ¿=τ

´

τ =

30

452,16=0.07

(D i

D0)¿

= n n

(n−1) ! × θ i n−1 × e−n ×θi

= 22

(2−1) ! ×θ i2−1× e−2 ×θi

=4 ×θ i1× e−2 × θi=4 × 0.07 ×e−2 × 0.07=0.23

 Bảng số liệu

ST

T τ (s) T i(%) D i D i T i θ TN (D i

D0)TN

θ¿ (D i

D0)¿

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

𝜽_𝑻 𝑵

Biểu đồ mối quan hệ giữa θ TN và ( D i

D0)TN

0.070.20 0.330.460.600.730.861.001.131.261.391.531.661.791.922.062.19

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80

𝜽_𝑳 𝑻

Biểu đồ mối quan hệ giữa θ¿ và (D i

D0)¿

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00

θ_TNTN θ_TNLT

𝜽 _

Biểu đồ so sánh sự phân bố thời gian lưu thực tế và lý thuyết trong 2 bình khuấy

mắc nối tiếp hoạt động liên tục

6 Nhận xét và bàn luận

 So sánh θ TN và θ¿ trong hệ một bình và nhiều bình

Dựa trên kết quả tính toán ta có thể đưa ra kết luận như sau

- Ta thấy ở hệ 1 bình và 2 bình khuấy liên tục thì θ TN luôn lớn hơn θ¿

- Khi ta so sánh ở cùng thời điểm thì ta thấy θ TN ở hệ khuấy trộn 2 bình hoạt động liên tục có giá trị nhỏ hơn so với ở hệ 1 bình, điều đó chứng tỏ rằng hệ khuấy trộn 2 bình mắc nối tiếp làm việc liên tục làm việc có hiệu quả hơn