Báo cáo thực hành thiết bị: Cột chiêm

Mục đích thí nghiệm - Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng lên độ giảm áp suất của dòng khí trong tháp đệm.. - Khảo sát sự biến đổi của thừa số ma sát fck, fcư trong t

BÀI 9: CỘT CHÊM

1 Tóm tắt:

Tháp đệm được sử dụng trong công nghiệp để thực hiện quá trình hấp thụ, chưng cất, trích ly … vì cấu tạo đơn giản, trở lực trong tháp không lớn lắm tuy nhiên để tăng hiệu suất của quá trình Người ta thường chia tháp tháp đệm ra thành nhiều đoạn và đặt thêm bộ phận phân phối lỏng cho mỗi đoạn tháp

Trong tháp đệm pha lỏng chảy từ trên xuống và phân phối đều trên bề mặt đệm, pha khí đi từ dưới lên Quá trình truyền khối trong tháp đệm không những phụ thuộc và quá trình khuếch tán mà còn chịu ảnh hưởng của chế độ thủy động trong tháp

2 Giới thiệu

Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Vật đệm được đổ đầy trong tháp một cách ngẫu nhiên hay xếp thứ tự

Vật đệm sử dụng gồm nhiều loại khá nhau, với các loại vật liệu khác nhau, nhưng phải có diện tích bề mặt riêng (m2/m3 ) lớn, ngoài ra độ rỗng hay thể tích tự do (m3/m3) lớn để giảm trở lực khí Vật liệu phải có khối lượng riêng nhỏ và bền hóa học

Tháp đệm được sử dụng trong công nghiệp để thực hiện các quá trình hấp thụ, chưng cất, trích ly,…vì cấu tạo đơn giản, trở lực trong tháp không lớn lắm Tuy nhiên để tẳng hiệu suất quá trình, người ta chia tháp đệm ra thành nhiều đoạn và đặt thêm bộ phận phân phối lỏng cho mỗi đoạn tháp

Trong tháp đệm, pha lỏng chảy từ trên xuống và phân bố dều trên bề mặt đệm, phja khí đi từ dưới lên Quá trình truyền khối trong tháp đệm không những phụ thuộc vào quá trình hếch tán mà còn chịu ảnh hưởng của chế độ thủy động trong tháp

2.1 Mục đích thí nghiệm

- Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng lên độ giảm áp suất của dòng khí trong tháp đệm.

- Khảo sát sự biến đổi của thừa số ma sát fck, fcư trong tháp từ đó so sánh độ tổn thất áp suất dòng khí trong tháp giữa thực nghiệm và lý thuyết.\

- Xác định vùng gia trọng vùng gia trọng của tháp đệm khi vận hành tháp đệm

- Xây dụng giản đồ điểm lụt của tháp đệm

2.2 Cơ sở lý thuyết

2.2.1 Chế độ làm việc của tháp đệm

Tùy thuộc vào vận tốc dòng khí mà chế độ thủy động trong tháp đệm có thể xảu ra

4 chế độ thủy lực sau : chế độ dòng, quá độ, xoáy và sủi bọt Trong ba chế độ dòng, quá

độ và xoáy thì pha khí là pha liên tục chiếm tất cả không gian trong tháp còn pha lỏng là pha phân tán chảy thành màng theo bề mặt đệm, nên còn gọi là chế độ màng

Ở chế độ màng, nếu tiếp tụ tăng lưu lượng dòng khí thì xảy ra hiện tượng đảo pha (điểm C ) pha lỏng lầ pha liên tục chiếm toàn bộ không gian tháp và pha khí phân tán vào trong pha lỏng nên có hiện tượng sủi bọt Chế độ làm việc này gọi tắt là chế độ sủi bọt (nhũ ương) Nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí thì chất lỏng sẽ theo pha khí bắn ra khỏi tháp Hiện tường này gọi là hiện tượng ngập lụt Theo thực nghiệm, quá trình truyền khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, song song thực tế tháp đệm được vận hành trong chế độ xoáy gần điểm đảo pha để quá trình làm việc dễ kiểm soát, an toàn

2.2.2 Mối quan hệ giữa độ giảm áp với lưu lượng dòng khí trong tháp

được biểu diễn theo mối quan hệ với lưu lượng dòng khí như sau (với n=1,8÷2):

lgn.lg – lgZ (9.1) Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trông bị thu nhỏ lại và dòng khí bị di chuyển khó khắn hơn vì một phần thể tích tự do bị chất lỏng chiếm cứ Trong giai đoạn đầu (dưới điểm A), lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp là không đổi theo tốc độ khí mặc dầu lượng chất lỏng này tăng theo năng suất pha lỏng Trong vùng giữa A và B, lượng chất lỏng bị giữ lại tăng nhanh theo tốc độ khí, ác lỗ trống trong tháp nhỏ dần và độ giảm

áp của pha khí tăng nhanh Vùng này gọi là vùng gia trọng, điểm B gọi là điểm gia trọng

2.2.3 Độ giảm áp khi cột khô (P ck )

Zhavoronkov đề nghị một hệ thức đưa ra một hệ thức liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm khô với vận tốc khối lượng của dòng khí qua cột

Pck = fck (9.2)

= (9.3)

= (9.4) Trong đó : P : Độ giảm áp khi cột khô, Pa

fck : Hệ số ma sát cột khô : Vận tốc khối lượng của dòng khí qua tháp,

G : lưu lượng dòng khí vào tháp,

Z : Chiều cao của lớp đệm, m

: Khối lượng riêng cảu không khí,

: Tiết diện ngang của ống chứa đệm, m2

: Đường kính tương đương của đệm, m

: Độ rỗng hay độ xốp của đệm,

: Diện tích bề mặt riêng của đêm,

Hệ số ma sát khi cột khô fck là hàm số theo chuẩn Renoyld với các loại đệm khác nhau xác định theo các công thức thực nghiệm

Với đệm vòng xếp ngẫu nhiên, hệ số ma sát khi cột khô fck được xác định như sau

- Ở chế độ chảy xoáy, khi Rey >40 :

fck (9.5)

- Ở chế độ dòng, khi Rey <40:

fck (9.6)

Với chuẩn số Reynold được xác định như sau :

Rey = (9.7) Với là độ nhớt động lực học của dòng khí,

2.2.4 Độ giảm áp khi cột ướt (P cư )

Đối với đệm ướt, do ảnh hưởng của dòng lỏng lên bề mặt đệm, làm bề mặt tự do, làm tăng vận tộc dòng khí, nên trở lực cũng tăng lên nghĩa là độ giảm áp của cột ướt khi cột ướt cũng tăng lên Do vậy lưu lượng dòng lỏng càng lớn thì độ giảm áp càng cao Sự liên hệ giữa độ giảm của dòng khí khi cột khô (Pck) và khi cột ướt (Pcư) có thể viết như sau :

(9.8)

Do đó có thể dự kiến

(9.9) Với tùy thuộc vào vận tốc khối lượng của dòng lỏng

Đối với đệm vòng sứ :

- Đường kính < 300mm thì

(9.10)

- Đường kính >300mm thì

(9.11) Với :

(9.12)

b = (9.13)

(9.14)

(9.15) Trong đó : b: Hệ số do ảnh hưởng của lỏng lên đệm

g: Gia tốc trọng trường,

: Vận tốc khối lượng của dòng lỏng qua tháp,

L: Lưu lượng dòng lỏng vào tháp,

: Khối lượng riêng của nước,

: Độ nhớt động lực học của nước,

2.2.5 Điểm lụt của cột chêm

Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng không chảy xuống được, tạo nên một cột chất lỏng trong tháp, các dòng chảy không còn đều đặn, độ giảm áp của pha khí dao động mạnh Hiện tượng này gây bất lợi cho sự hoạt động của tháp, do vậy cần tránh khi vận hành tháp đệm Theo Zhavoronkov hiện tượng ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số vô thứ nguyên sau có mối liên hệ với nhau:

0,2 2

f a

k 2

L

L G



 

 (9.17)

3

G.10 60.F.



 

 (9.18)

Trong đó: ω: vận tốc của dòng khí trong tháp đệm, m/s

μL: độ nhớt động lực học của dòng chất lỏng khác nước, kg/m.s

 



L n��c

1:

nếu chất lỏng là nước

Hình 9.3 Điểm lụt của tháp đệm theo quan hệ π1 và π2

Do sự liên hệ giữa π1 và π2 trên giản đồ log – log sẽ xác định một biểu độ lụt của tháp đệ, vùng giới hạn hoạt động của tháp đệm ở dưới đường này

3 Mô hình thí nghiệm

Sơ đồ hệ thống

Mô hình tháp đệm (cột chêm ) khảo sát chế độ hoạt động ở áp suất khí quyển

- Cột đệm làm bằng thủy tinh đường kính trong bằng 80mm

- Vật liệu đệm bằng vòng Rashing đường kính 8mm : bề mặt riêng 360 m3/m2, độ xốp 0,67, khối lượng riêng xốp 800 kg/m3

- Lưu lượng dòng khí vào đáy tháp đệm được đo bằng Rotamet với lưu lượng 29,85

207 lít/phút

- Lưu lượng dòng lỏng vào đáy tháp đệm được đo bằng Rotamet với lưu lượng 1,68 lít/phút

- Áp kế chữ U dòng chất lỏng là nước để đo độ tổn thất áp suất của dòng khí trong tháp đệm

4 Tiến hành thí nghiệm

Chuẩn bị

- Van xả đáy bồn lỏng (V L1) phải được đóng hoàn toàn

- Mở van nguồn nước, cấp nước vào bồn lỏng khoảng 2/3 bồn

- Mở hoàn toàn van lỏng hoàn lưu (V L2)

- Mở hoàn toàn van điều chỉnh mực nước trong bộ phần phân phối khí (V L4)

- Khóa van xả nước trong bộ phận phân phố khí (V L5)

- Mở hoàn toàn van khí hoàn lưu (V K1)

5 Các lưu ý

- Đảm bảo duy trì mực chất lỏng trong ống phân phối khí đạt 2/3 ống, trong suốt quá trình thí nghiệm cột khô hay cột ướt

- Trước khi tiến hành thí nghiệm, phải kiểm tra mực chất lỏng trong hai nhánh áp

kế chữ U bằng nhau

- Khi tiến hành thí nghiệm, luôn cho quạt thổi khí hoạt động trước và bơm cấp lỏng hoạt động sau

- Khi kết thúc thí nghiệm, cho bơm cấp lỏng ngừng trước và quạt thổi khí ngừng sau

- Khi đo lưu lượng dòng khí, giá trị đọc được trên lưu lượng kế phải nhân với 28,09 để đổi đơn vị đo được ra lít/phút.

- Điều chỉnh lưu lượng dòng khí hay lỏng đạt được giá trị yêu cầu, có thể kết hợp

cả 2 van điều chỉnh lưu lượng và van an toàn Nhất thiết không được khóa hoàn toàn van hoàn lưu

- Khi làm thí nghiệm cột ướt, các giá trị lỏng lớn hơn 6,4 lít/phút có thể xảy ra hiện tượng ngập lụt

- Khi kết thúc thí nghiệm:

 Tắt bơm lỏng, mở hoàn toàn van lỏng hoàn lưu

 Tắt quạt khí, mở hoàn toàn van khí hoàn lưu

- Đợi cho chất lỏng trong ống thoát hết, xả hết nước trong bồn chứa lỏng

6 Kết quả và xử lý số liệu:

6.1 Khảo sát với cột khô

Bảng 9-1: Số liệu thu được từ khảo sát cột khô

STT

Bảng 9-2: số liệu thu được khi tính toán theo lí thuyết với cột khô

P ck

Lí thuyết(Pa )

P ck

thực nghiệm (cmH 2 O)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

G (l/phút)

Hình 9-1: đồ thị biểu thị tương quan sự thay đổi giữa áp suất của dòng khí và

lưu lượng dòng khí theo lí thuyết

 Nhận xét: khi tăng lưu lượng dòng khí trong tháp thì độ giảm áp tăng theo gần như tuyến tính

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0

2 4 6 8 10 12 14

Gk (l/phút)

Hình 9-2 :đồ thị biểu thị tương quan giữa tổn thất áp suất của dòng khí với lưu

lượng dòng khí theo thực nghiệm

 Nhận xét: Độ giảm áp tăng theo những vùng rõ rệt như trong giản đồ lý thuyết đã

đề cập Từ đồ thị ta thấy, lúc đầu khi G còn nhỏ thì chậm, sau đó khi G đủ lớn thì bắt dầu tăng nhanh Vùng sau vùng gia trọng (AB) thì giá trị P tăng lên rất nhanh

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Hình 9-3: đồ thị biểu diễn tương quan độ giảm áp của dòng khí và lưu lượng

dòng khí thực nghiệm và lí thuyết 6.2 Khảo sát với cột ướt

Bảng 9-3: số liệu thu được khi khảo sát với cột ướt

1 1 0.2 6 6.2 6.3 4

Bảng 9-4: số liệu thu được khi tính toán theo lí thuyết ở cột ướt

lí thuyết

1 2 9.8631 136.306 0.3994 0.4011 4.6547 5.9871 215.615

4

2 2.5 12.329 170.383 0.3736 0.4551 6.1823 5.7258 206.193

1

3 3 14.795 204.459 0.3537 0.5047 8.2289 5.5208 183.666

1

4 3.5 17.26 238.536 0.3377 0.5507 11.029 5.3531 146.664

6

5 4 19.726 272.612 0.3244 0.594 14.947 5.2121 95.8028

0 5 10 15 20 25

L1 L2 L3 L4 L5

L

Hình 9-4: đồ thị thể hiện tương quan giữa lưu lượng dòng lỏng và tổn thất áp suất

dòng khí trong tháp theo thực nghiệm

 Nhận xét:

- Khi lưu lượng dòng lỏng vào tháp tăng thì độ giảm áp càng tăng , càng gần với điểm lụt

- Với lưu lượng lỏng vào tháp nhỏ (2.4; 3.2; 4 (l/phút)) sự phụ thuộc gần như tuyến tính, nhưng khi L lớn P tăng 1 cách đột ngột, xảy ra hiện tượng ngập lụt nhanh hơn

- Nếu lưu lượng dòng lưu chất càng lớn thì hệ số ma sát f giữa hai pha càng tăng Tuy nhiên trong thực nghiệm trên thì ta lại thấy điều ngược lại tức là khi lưu lượng tăng lên thì trở lực lại giảm dần, kết quả này thu được do ảnh hưởng của sai số, thao tác trong quá trình thí nghiệm

0 0.3 0.48 0.6 0.7 0.78 -0.5

0 0.5 1 1.5 2

2 2.5 3 3.5 4

log G

Hình 9-5: ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí và dòng lỏng đến độ giảm áp của

dòng lỏng trong tháp đệm

 Nhận xét: Log(P/Z) và log không hoàn toàn phụ thuộc tuyến tính với nhau giống như lý thuyết đã nhận định Tuy nhiên , nó cũng gần như được chia thành hai vùng

rõ rệt: vùng dưới vùng gia trọng và vùng trên vùng gia trọng ·Ở vùng dưới thì P tăng chậm khi log tăng nên các điểm thu được gần như cùng nằm trên một đường thẳng ·Ở vùng trên vùng gia trọng thì P tăng nhanh, đột ngột khi log tăng nên đoạn thẳng rất dốc; nếu tăng lưu lượng khí lên cao nữa sẽ tiến đến điểm lụt

- Ở đồ thị cho thấy vùng gia trọng nằm trong vùng ( 28.09 - 56.18 lít/phút ) của lưu lượng dòng khí Khi lưu lượng dòng lỏng tăng thì càng gần với điểm lụt nhanh hơn

- Khi tăng lưu lượng lỏng lên 7.2 lit/phut thì tháp bị ngập lụt rất nhanh nên không

có vùng trên gia trọng hoặc là điểm gia trọng được xác định nhỏ hơn 56.18 lit/phut của lưu lượng dòng khí

3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 3.45 3.5 3.55 3.6

-1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

log 1

Hình 9-6: điểm lụt của tháp đệm theo quan hệ 1 và 2

Từ giản đồ điểm lụt cho thấy đường giới hạn hoạt động gần như là đường thẳng cho nên điểm lụt tăng dần khi tăng lưu lượng lỏng và khí

-Vùng ở trên đường thẳng là vùng ngập lụt

-Vùng ở dưới là vùng cho phép tháp hoạt động ứng với một giá trị khác nhau

7 Tính mẫu

7.1 Cột khô

G ( ) = 100

- Vận tốc khối lượng của dòng khí qua tháp là:

= = = 0.578( )

- Đường kính tương đương của đệm là:

De = = = (m)

- Giá trị Chuẩn số Reynold là:

= 341.42

- Hệ số âm sát cột khô khi Rey > 40 là:

= = 4.982

- Độ giảm áp lí thuyết khi cột khô:

= = 46.15 ( Pa)

- Độ giảm áp thực nghiệm khi cột khô là : 2 x 9.81 = 19.62 (Pa)

7.2 Cột ướt

Với G = 16.67 (l/phút) và L = 2 (l/phút)

Vận tốc khối lượng của dòng lỏng qua tháp :

= = 9.86 ( ) -Giá trị của chuẩn số Reynold là :

= = 136.26

-Hệ số do ảnh hưởng của lỏng lên đệm là:

b = = = 0.399

- Hệ số: A = 3 = 3 = 0.4

- Đệm ta dùng có đường kính 8 mm thì = = 4.63

- Độ giảm áp của dòng khí theo lí thyết khi cột ướt:

= 46.15x 4.63 = 213.657

- Tính toán điểm lụt của cột chêm:

+ Vận tốc của dòng khí trong tháp đệm:

= = 0.082 = = 0.584

=

8 Kết luận:

Ảnh hưởng của dòng khí và dòng lỏng lên độ giảm áp của cột:

- Khi vận tốc chuyển động dòng khí tăng dần trong cột thì độ giảm áp cũng tăng

- Khi tăng lưu lượng dòng lỏng chảy ngược chiều trong cột thì khoảng trống nhỏ lại, dòng khí chuyển động khó khăn hơn độ giảm áp của dòng khí trong cột tăng nhanh, sau

đó xảy ra hiện tượng ngập lụt

- Các yếu tố ảnh hưởng đến độ giảm áp khí cột khô và cột ướt

Đối với cột khô

- Vận tốc của dòng khí ảnh hưởng tới độ giảm áp

- Chiều cao vật chêm, kích thược đặc trưng của vật chêm, đường kính tương đương Đối với cột ướt:

- Lưu lượng dòng khí

- Chế độ dòng chảy

- Lưu lượng dòng chảy

- Trong quá trình làm thí nghiệm cũng có nhiều sai số Những

nguyên nhân có thể dẫn đến sai số là do:

+ Lưu lượng dòng lỏng không ổn định

+ Lưu lượng dòng khí không ổn định

+ Xử lý số liệu còn sai sót

+ Xảy ra trạng thái ngập lụt làm cho nước xâm nhập vào ống đo độ chênh áp làm ảnh hưởng đến kết quả

+ Khi khảo sát cột khô thì cột ở trạng thái chưa được khô hoàn toàn