Báo cáo thực hành thiết bị: Cột chiêm

BÀI 9: CỘT CHÊM Tóm tắt: Tháp đệm sử dụng cơng nghiệp để thực q trình hấp thụ, chưng cất, trích ly … cấu tạo đơn giản, trở lực tháp không lớn nhiên để tăng hiệu suất trình Người ta thường chia tháp tháp đệm thành nhiều đoạn đặt thêm phận phân phối lỏng cho đoạn tháp Trong tháp đệm pha lỏng chảy từ xuống phân phối bề mặt đệm, pha khí từ lên Quá trình truyền khối tháp đệm khơng phụ thuộc q trình khuếch tán mà chịu ảnh hưởng chế độ thủy động tháp Giới thiệu Tháp đệm tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với mặt bích hay hàn Vật đệm đổ đầy tháp cách ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Vật đệm sử dụng gồm nhiều loại nhau, với loại vật liệu khác nhau, phải có diện tích bề mặt riêng (m2/m3 ) lớn, độ rỗng hay thể tích tự (m3/m3) lớn để giảm trở lực khí Vật liệu phải có khối lượng riêng nhỏ bền hóa học Tháp đệm sử dụng cơng nghiệp để thực q trình hấp thụ, chưng cất, trích ly,…vì cấu tạo đơn giản, trở lực tháp không lớn Tuy nhiên để tẳng hiệu suất trình, người ta chia tháp đệm thành nhiều đoạn đặt thêm phận phân phối lỏng cho đoạn tháp Trong tháp đệm, pha lỏng chảy từ xuống phân bố dều bề mặt đệm, phja khí từ lên Q trình truyền khối tháp đệm phụ thuộc vào trình hếch tán mà chịu ảnh hưởng chế độ thủy động tháp 2.1 Mục đích thí nghiệm - Khảo sát ảnh hưởng lưu lượng dòng khí dòng lỏng lên độ giảm áp suất dòng khí tháp đệm - Khảo sát biến đổi thừa số ma sát fck, fcư tháp từ so sánh độ tổn thất áp suất dòng khí tháp thực nghiệm lý thuyết.\ - Xác định vùng gia trọng vùng gia trọng tháp đệm vận hành tháp đệm - Xây dụng giản đồ điểm lụt tháp đệm 2.2 Cơ sở lý thuyết 2.2.1 Chế độ làm việc tháp đệm Tùy thuộc vào vận tốc dòng khí mà chế độ thủy động tháp đệm xảu chế độ thủy lực sau : chế độ dòng, độ, xốy sủi bọt Trong ba chế độ dòng, q độ xốy pha khí pha liên tục chiếm tất khơng gian tháp pha lỏng pha phân tán chảy thành màng theo bề mặt đệm, nên gọi chế độ màng Ở chế độ màng, tiếp tụ tăng lưu lượng dòng khí xảy tượng đảo pha (điểm C ) pha lỏng lầ pha liên tục chiếm tồn khơng gian tháp pha khí phân tán vào pha lỏng nên có tượng sủi bọt Chế độ làm việc gọi tắt chế độ sủi bọt (nhũ ương) Nếu tiếp tục tăng lưu lượng dòng khí chất lỏng theo pha khí bắn khỏi tháp Hiện tường gọi tượng ngập lụt Theo thực nghiệm, trình truyền khối chế độ sủi bọt tốt nhất, song song thực tế tháp đệm vận hành chế độ xoáy gần điểm đảo pha để q trình làm việc dễ kiểm sốt, an toàn 2.2.2 Mối quan hệ độ giảm áp với lưu lượng dòng khí tháp Để khảo sát chế độ thủy động tháp đệm, người ta tiến hành khảo sát tổn thất áp suất dòng khí cột khơ (trong tháp đệm có pha khí mà khơng có pha lỏng) Khi lưu lượng dòng khí tháp tăng dần độ giẩm áp ( Pck ) tăng theo, gia tăng biểu diễn theo mối quan hệ với lưu lượng dòng khí sau (với n=1,8÷2): lgn.lg – lgZ (9.1) Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, khoảng trơng bị thu nhỏ lại dòng khí bị di chuyển khó khắn phần thể tích tự bị chất lỏng chiếm Trong giai đoạn đầu (dưới điểm A), lượng chất lỏng bị giữ lại tháp khơng đổi theo tốc độ khí lượng chất lỏng tăng theo suất pha lỏng Trong vùng A B, lượng chất lỏng bị giữ lại tăng nhanh theo tốc độ khí, ác lỗ trống tháp nhỏ dần độ giảm áp pha khí tăng nhanh Vùng gọi vùng gia trọng, điểm B gọi điểm gia trọng 2.2.3 Độ giảm áp cột khô (Pck) Zhavoronkov đề nghị hệ thức đưa hệ thức liên hệ độ giảm áp dòng khí qua cột chêm khơ với vận tốc khối lượng dòng khí qua cột Pck = fck = = (9.2) (9.3) (9.4) Trong : Pck : Độ giảm áp cột khô, Pa fck : Hệ số ma sát cột khô : Vận tốc khối lượng dòng khí qua tháp, G : lưu lượng dòng khí vào tháp, Z : Chiều cao lớp đệm, m : Khối lượng riêng cảu khơng khí, : Tiết diện ngang ống chứa đệm, m2 : Đường kính tương đương đệm, m : Độ rỗng hay độ xốp đệm, : Diện tích bề mặt riêng đêm, Hệ số ma sát cột khô f ck hàm số theo chuẩn Renoyld với loại đệm khác xác định theo công thức thực nghiệm Với đệm vòng xếp ngẫu nhiên, hệ số ma sát cột khô fck xác định sau - Ở chế độ chảy xoáy, Rey >40 : fck (9.5) - Ở chế độ dòng, Rey 300mm (9.11) Với : (9.12) b= (9.13) (9.14) (9.15) Trong : b: Hệ số ảnh hưởng lỏng lên đệm g: Gia tốc trọng trường, : Vận tốc khối lượng dòng lỏng qua tháp, L: Lưu lượng dòng lỏng vào tháp, : Khối lượng riêng nước, : Độ nhớt động lực học nước, 2.2.5 Điểm lụt cột chêm Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng không chảy xuống được, tạo nên cột chất lỏng tháp, dòng chảy khơng đặn, độ giảm áp pha khí dao động mạnh Hiện tượng gây bất lợi cho hoạt động tháp, cần tránh vận hành tháp đệm Theo Zhavoronkov tượng ngập lụt xảy hai nhóm số vơ thứ nguyên sau có mối liên hệ với nhau: 0,2 fck a 2 k �L � 1  �  2g n��c �n��c � � 2  L k G L (9.16) (9.17) G.103  60.F. (9.18) Trong đó: ω: vận tốc dòng khí tháp đệm, m/s μL: độ nhớt động lực học dòng chất lỏng khác nước, kg/m.s L  1: n��c chất lỏng nước Hình 9.3 Điểm lụt tháp đệm theo quan hệ π1 π2 Do liên hệ π1 π2 giản đồ log – log xác định biểu độ lụt tháp đệ, vùng giới hạn hoạt động tháp đệm đường Mơ hình thí nghiệm Sơ đồ hệ thống Mơ hình tháp đệm (cột chêm ) khảo sát chế độ hoạt động áp suất khí - Cột đệm làm thủy tinh đường kính 80mm - Vật liệu đệm 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 đo Rotamet với lưu lượng 29,85 207 lít/phút - Lưu lượng dòng lỏng vào đáy tháp đệm đo Rotamet với lưu lượng 1,68 lít/phút - Áp kế chữ U dòng chất lỏng nước để đo độ tổn thất áp suất dòng khí tháp đệm Tiến hành thí nghiệm Chuẩn bị - Van xả đáy bồn lỏng (VL1) phải đóng hồn tồn - Mở van nguồn nước, cấp nước vào bồn lỏng khoảng 2/3 bồn - Mở hoàn toàn van lỏng hoàn lưu (VL2) - Mở hoàn toàn van điều chỉnh mực nước phần phân phối khí (VL4) - Khóa van xả nước phận phân phố khí (VL5) - Mở hồn tồn van khí hồn lưu (VK1) 5 Các lưu ý - Đảm bảo trì mực chất lỏng ống phân phối khí đạt 2/3 ống, suốt trình thí nghiệm cột khơ hay cột ướt - Trước tiến hành thí nghiệm, phải kiểm tra mực chất lỏng hai nhánh áp kế chữ U - Khi tiến hành thí nghiệm, ln cho quạt thổi khí hoạt động trước bơm cấp lỏng hoạt động sau - Khi kết thúc thí nghiệm, cho bơm cấp lỏng ngừng trước quạt thổi khí ngừng sau - Khi đo lưu lượng dòng khí, giá trị đọc lưu lượng kế phải nhân với 28,09 để đổi đơn vị đo lít/phút - Điều chỉnh lưu lượng dòng khí hay lỏng đạt giá trị u cầu, kết hợp van điều chỉnh lưu lượng van an tồn Nhất thiết khơng khóa hồn tồn van hồn lưu - Khi làm thí nghiệm cột ướt, giá trị lỏng lớn 6,4 lít/phút xảy tượng ngập lụt - Khi kết thúc thí nghiệm:  Tắt bơm lỏng, mở hồn tồn van lỏng hồn lưu  Tắt quạt khí, mở hồn tồn van khí hồn lưu - Đợi cho chất lỏng ống thoát hết, xả bồn chứa lỏng Kết xử lý số liệu: 6.1 Khảo sát với cột khô Bảng 9-1: Số liệu thu từ khảo sát cột khô STT () (cmO) STT () (cmO) 83.33 66.667 50 33.33 16.67 10 Bảng 9-2: số liệu thu tính tốn theo lí thuyết với cột khơ STT G (l/phút) 100 83.33 66.667 50 33.33 16.67 Pck Lí thuyết(Pa ) 46.3219 33.3523 22.3196 13.2983 6.4096 1.8407 fck () 0.5791 0.4825 0.386 0.2895 0.193 0.0965 0.1516 0.1263 0.101 0.0758 0.0505 0.0253 23.3349 24.2023 25.3069 26.8057 29.07 33.3927 Pck thực nghiệm (cmH2O) 13 10 50 45 40 P ck (Pa) 35 30 25 20 15 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 G (l/phút) Hình 9-1: đồ thị biểu thị tương quan thay đổi áp suất dòng khí lưu lượng dòng khí theo lí thuyết  Nhận xét: tăng lưu lượng dòng khí tháp độ giảm áp tăng theo gần tuyến tính 14 12 P (Pa) 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Gk (l/phút) Hình 9-2 :đồ thị biểu thị tương quan tổn thất áp suất dòng khí với lưu lượng dòng khí theo thực nghiệm  Nhận xét: Độ giảm áp tăng theo vùng rõ rệt giản đồ lý thuyết đề cập Từ đồ thị ta thấy, lúc đầu G nhỏ chậm, sau G đủ lớn bắt dầu tăng nhanh Vùng sau vùng gia trọng (AB) giá trị P tăng lên nhanh 50 45 40 35 30 25 20 15 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Hình 9-3: đồ thị biểu diễn tương quan độ giảm áp dòng khí lưu lượng dòng khí thực nghiệm lí thuyết 6.2 Khảo sát với cột ướt Bảng 9-3: số liệu thu khảo sát với cột ướt STT G () L (l/phút) 2.5 3.5 1 0.2 6.2 6.3 2 0.3 6.1 6.4 6.5 3 0.4 6.2 7.4 9.8 7.3 4 11.3 13 16 10.4 5 7.6 13.2 17.5 21.5 21.3 6 10.5 15.8 22.5 Bảng 9-4: số liệu thu tính tốn theo lí thuyết cột ướt STT L Rex b A 9.8631 136.306 0.3994 0.4011 4.6547 5.9871 2.5 12.329 170.383 0.3736 0.4551 6.1823 5.7258 3 14.795 204.459 0.3537 0.5047 8.2289 5.5208 3.5 17.26 238.536 0.3377 0.5507 11.029 5.3531 19.726 272.612 0.3244 0.594 14.947 5.2121 Pcư lí thuyết 215.615 206.193 183.666 146.664 95.8028 25 ∆�(Pa) 20 15 10 5 L L1 L2 L3 L4 L5 Hình 9-4: đồ thị thể tương quan lưu lượng dòng lỏng tổn thất áp suất dòng khí tháp theo thực nghiệm  Nhận xét: - Khi lưu lượng dòng lỏng vào tháp tăng độ giảm áp tăng , gần với điểm lụt - Với lưu lượng lỏng vào tháp nhỏ (2.4; 3.2; (l/phút)) phụ thuộc gần tuyến tính, L lớn P tăng cách đột ngột, xảy tượng ngập lụt nhanh - Nếu lưu lượng dòng lưu chất lớn hệ số ma sát f hai pha tăng Tuy nhiên thực nghiệm ta lại thấy điều ngược lại tức lưu lượng tăng lên trở lực lại giảm dần, kết thu ảnh hưởng sai số, thao tác q trình thí nghiệm log(P/Z) 1.5 2.5 3.5 0.5 0 0.3 0.48 0.6 0.7 0.78 -0.5 log G Hình 9-5: ảnh hưởng lưu lượng dòng khí dòng lỏng đến độ giảm áp dòng lỏng tháp đệm  Nhận xét: Log(P/Z) log khơng hồn tồn phụ thuộc tuyến tính với giống lý thuyết nhận định Tuy nhiên , gần chia thành hai vùng rõ rệt: vùng vùng gia trọng vùng vùng gia trọng ·Ở vùng P tăng chậm log tăng nên điểm thu gần nằm đường thẳng ·Ở vùng vùng gia trọng P tăng nhanh, đột ngột log tăng nên đoạn thẳng dốc; tăng lưu lượng khí lên cao tiến đến điểm lụt - Ở đồ thị cho thấy vùng gia trọng nằm vùng ( 28.09 - 56.18 lít/phút ) lưu lượng dòng khí Khi lưu lượng dòng lỏng tăng gần với điểm lụt nhanh - Khi tăng lưu lượng lỏng lên 7.2 lit/phut tháp bị ngập lụt nhanh nên khơng có vùng gia trọng điểm gia trọng xác định nhỏ 56.18 lit/phut lưu lượng dòng khí 10 3.1 -0.2 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 3.45 3.5 3.55 3.6 log 2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 -1.4 -1.6 log 1 Hình 9-6: điểm lụt tháp đệm theo quan hệ  1và  Từ giản đồ điểm lụt cho thấy đường giới hạn hoạt động gần đường thẳng điểm lụt tăng dần tăng lưu lượng lỏng khí -Vùng đường thẳng vùng ngập lụt -Vùng vùng cho phép tháp hoạt động ứng với giá trị khác Tính mẫu 7.1 Cột khơ G ( ) = 100 - Vận tốc khối lượng dòng khí qua tháp là: = = = 0.578( ) - Đường kính tương đương đệm là: De = = = (m) - Giá trị Chuẩn số Reynold là: = 341.42 - Hệ số âm sát cột khô Rey > 40 là: = = 4.982 - Độ giảm áp lí thuyết cột khơ: = = 46.15 ( Pa) - Độ giảm áp thực nghiệm cột khô : x 9.81 = 19.62 (Pa) 7.2 Cột ướt Với G = 16.67 (l/phút) L = (l/phút) Vận tốc khối lượng dòng lỏng qua tháp : = = 9.86 ( ) -Giá trị chuẩn số Reynold : = = 136.26 11 -Hệ số ảnh hưởng lỏng lên đệm là: b = = = 0.399 - Hệ số: A = = = 0.4 - Đệm ta dùng có đường kính mm = = 4.63 - Độ giảm áp dòng khí theo lí thyết cột ướt: = 46.15x 4.63 = 213.657 - Tính tốn điểm lụt cột chêm: + Vận tốc dòng khí tháp đệm: = = 0.082 = = 0.584 = Kết luận: Ảnh hưởng dòng khí dòng lỏng lên độ giảm áp cột: - Khi vận tốc chuyển động dòng khí tăng dần cột độ giảm áp tăng - Khi tăng lưu lượng dòng lỏng chảy ngược chiều cột khoảng trống nhỏ lại, dòng khí chuyển động khó khăn độ giảm áp dòng khí cột tăng nhanh, sau xảy tượng ngập lụt - Các yếu tố ảnh hưởng đến độ giảm áp khí cột khơ cột ướt Đối với cột khô - Vận tốc dòng khí ảnh hưởng tới độ giảm áp - Chiều cao vật chêm, kích thược đặc trưng vật chêm, đường kính tương đương Đối với cột ướt: - Lưu lượng dòng khí - Chế độ dòng chảy - Lưu lượng dòng chảy - Trong q trình làm thí nghiệm có nhiều sai số Những nguyên nhân dẫn đến sai số do: + Lưu lượng dòng lỏng khơng ổn định + Lưu lượng dòng khí khơng ổn định + Xử lý số liệu sai sót + Xảy trạng thái ngập lụt làm cho nước xâm nhập vào ống đo độ chênh áp làm ảnh hưởng đến kết + Khi khảo sát cột khô cột trạng thái chưa khơ hồn tồn 12 ... khí đạt 2/3 ống, suốt q trình thí nghiệm cột khơ hay cột ướt - Trước tiến hành thí nghiệm, phải kiểm tra mực chất lỏng hai nhánh áp kế chữ U - Khi tiến hành thí nghiệm, ln cho quạt thổi khí hoạt... cột khô Rey > 40 là: = = 4.982 - Độ giảm áp lí thuyết cột khô: = = 46.15 ( Pa) - Độ giảm áp thực nghiệm cột khô : x 9.81 = 19.62 (Pa) 7.2 Cột ướt Với G = 16.67 (l/phút) L = (l/phút) Vận tốc khối... độ giảm áp khí cột khơ cột ướt Đối với cột khơ - Vận tốc dòng khí ảnh hưởng tới độ giảm áp - Chiều cao vật chêm, kích thược đặc trưng vật chêm, đường kính tương đương Đối với cột ướt: - Lưu lượng