- Thiết bị theo phương pháp này dùng để tách các hạt sương và mù (axit, dầu) đến các hạt vài micron với mức tách trên 90% , cả đến hơn 99%.
CHƯƠNG 6: KHUẤY TRỘN CHẤT LỎNG
Chương 6: Khuấy trộn chất lỏng
6.1. Đại cương:
6.1.1. Mục đích và yêu cầu:
Mục đích thường gặp của quá trình khuấy trộn là phân tán đều (vật chất, năng lượng) trong không gian. Nhờ khuấy và trộn tạo nên dòng chuyển động chất lỏng, qua đó tăng cường các quá trình truyền nhiệt và khuếch tán vật chất. Đối với các hệ không đồng nhất, khuấy trộn cung cấp năng lượng cơ học, làm lơ lửng các hạt có kích thước và khối lượng riêng khác nhau, phân tán đều chúng trong không gian, làm vỡ các chùm hạt, các
giọt và hạt lớn, nghĩa là làm tăng độ phân tán. Quá trình này rất có ý nghĩa trong việc tạo ra các phối liệu (dưới dạng huyền phù, nhũ tương hay hỗn hợp rắn) trước khi gia công. Sự khuấy trộn trong nhiều trường hợp đã góp phần quan trọng thay đổi tính chất hoá lý của vật liệu chẳng hạn trong các quá trình nhào bột mỳ với nước để làm bánh, nhào đất sét với nước để làm đồ gốm.
Mục đích của các quá trình dùng khuấy trộn sẽ qui định yêu cầu về nó, và những yêu cầu được lượng hoá qua một tham số nào đó. Ví dụ trong quá trình dùng khuấy để làm đều nồng độ của cấu tử phân tán trong môi trường lỏng. Giả dụ khi phân tán đều hàm lượng cấu tử đó là x0 kg/m3. Trong quá trình khuấy, khi chưa đều, có thể căn cứ vào giá trị của các mẫu lấy đồng thời ở các vị trí khác nhau trong khối chất lỏng được khuấy để đánh giá độ đồng đều. Giá trị nồng độ ở các mẫu càng gần nhau thì hỗn hợp càng gần đồng đèu. Độ chênh lệch nồng độ cực đại giữa hai mẫu nào đó (ở cùng thời điểm) lớn cũng biểu thị sự không đều.
Độ đồng đều tự nó chưa nói lên hiệu quả hay chất lượng của quá trình khuấy, mà cần gắn độ đồng đều với thời gian khuấy và tiêu hao năng lượng.
Để đánh giá chất lượng các cơ cấu khuấy trong các thiết bị có thể dùng hai đại lượng: cường độ tác dụng và hiệu quả trong quá trình công nghệ cụ thể. Trong đó cường độ tác dụng của máy khuấy được xác định bởi thời gian để đạt được yêu cầu công nghệ đã cho. Trong các quá trình có thời gian nhất định thì cường độ tác dụng xác định bằng tốc độ quay của máy khuấy.
Còn hiệu quả của quá trình khuấy được tính bằng tiêu hao năng lượng để đạt được kết quả đã dự tính.
6.1.2. Phân loại:
Có nhiều tiêu chuẩn để phân loại quá trình khuấy trộn, như theo mục đích của quá trình, theo cấu trúc của máy khuấy hoặc dạng thiết bị trộn. Ở đây phân loại theo tính chất các pha tham gia, quá trình khuấy trộn, bao gồm:
- Khuấy chất lỏng một pha: thường gặp trong quá trình trộn hai chất lỏng tan lẫn nhưng độ nhớt khác nhau, hoặc trong quá trình khuấy để tăng cường truyền nhiệt và chuyển chất. Có thể dùng máy khuấy hoặc bơm tuần hoàn.
- Trộn hai chất lỏng không tan lẫn để phân tán chất lỏng này trong chất kia dưới dạng hạt nhỏ chuyển động như trong trích ly hoặc tạo thành các nhũ tương bền.
- Trộn khí - lỏng: phân tán khí dưới dạng bọt trong lòng pha lỏng. Thường gặp trong nhiều quá trình hoá học và sinh học, ở đó diễn ra quá trình trao đổi chất và phản ứng hoá học và hoá sinh. Trong trường hợp này pha khí đóng vai công cụ khuấy trộn.
- Trộn rắn - lỏng: nhằm tạo ra các hỗn hợp rắn lỏng phân tán đều trong nhau như các huyền phù; các vật liệu composite trong đó các hạt rắn phân tán đều trong chất lỏng có độ nhớt lớn. Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình chuyển chất như hoà tan, kết tinh.
- Trộn khí - rắn - lỏng: Gặp trong nhiều quá trình sinh học và hoá học công nghiệp như là quá trình có phản ứng hoá học giữa khí với lỏng với sự tham gia của xúc tác rắn.
- Trộn các pha rắn: tạo nên các hỗn hợp đều từ các vật liệu thành phần. Chất lỏng sản phẩm, trong rất nhiều trường hợp, phụ thuộc đáng kể vào chính chất lượng của quá trình cơ học này (như việc tạo ra các phối liệu trong gia công thực phẩm, đồ gốm, xi măng…).
Trên phương diện tìm hiểu một quá trình cơ bản thường gặp dưới đây xét quá trình khuấy trộn cơ khí đối với chất lỏng là chính.
6.2. Cơ chế và thời gian trộn: 6.2.1. Cơ chế
Trong các thiết bị dùng khuấy trộn, người ta cố gắng tạo nên sự đồng đều tối đa về thuỷ động lực. Tuy nhiên điều đó khó có thể đạt được. Thường thấy khi trộn các chất có độ nhớt tương đối nhỏ ở vùng sát mái khuấy dòng có các xoáy lớn kích thước cỡ đường kính mái khuấy. Chúng giữ phần chính động năng của dòng, tác dụng với phần chất lỏng chuyển động chậm hơn ở phía ngoài, phân tán thành nhiều xoáy hơn với kích thước nhỏ hơn và tần số cao hơn. Sự lan truyền cứ tiếp tục theo chiều hướng đó, phân tán động năng cho vô vàn các vi xoáy nhỏ tý, đến tận cùng thành năng lượng nhiệt của chuyển động phân tử. Sự làm đều (san bằng nồng độ) vi mô cuối cùng do khuếch tán phân tử. Quá trình này có tốc độ rất nhỏ.
Đối với chất lỏng có độ nhớt lớn (cả chất lỏng Newton và phi Newton), nội lực bị triệt tiêu nhanh, nên mặc dù ở sát mái khuấy quay, chất lỏng có tốc độ khá lớn nhưng ngoài
sự phân tán do mái khuấy đẩy đi chủ yếu chỉ gây sự chảy trượt tương đối giữa những lớp chất lỏng chảy gần đó theo kiểu của chế độ chảy dòng; do đó biến dạng các phần tử lỏng (dài ra hơn, mỏng hơn), tăng độ phân tán chúng vào các phần tử lân cận. Và cuối cùng, sự đồng nhất đạt được cũng nhờ khuếch tán phân tử.
6.2.2. Thời gian trộn:
Thời gian trộn được hiểu là khoảng thời gian cần thiết để tạo ra một hỗn hợp đồng đều hay một sản phẩm có chất lượng cho trước.
Chẳng hạn, trong trường hợp phân tán một chất tan A vào một chất lỏng, có thể xác định thời gian trộn qua phương sai của các giá trị nồng độ đo tại n điểm khác nhau trong môi trường được khuấy. Giả dụ, khi đồng nhất dung dịch có nồng độ Cα, còn nồng độ tại thời điểm t đo được ở điểm i là Cit, phương sai của phép đo ở thời điểm t (của nồng độ) được hiểu là:
Thì thời gian trộn tương ứng với thời điểm (hình 6.1).
Là một tham số quan trọng đánh giá sự hợp lý về cấu trúc và hiệu quả năng lượng của quá trình trộn. Giá trị của phụ thuộc tính chất vật lý chất lỏng, kích thước hình học của mái khuấy và thùng, số vòng quay của máy khuấy và cả loại mái khuấy.
Để thuận tiện cho việc chuyển qui mô khi thiết kế, người ta đưa ra đại lượng thời gian trộn không thứ nguyên
n: số vòng quay, l/s
Quan hệ giữa và các tham số khác được biểu thị dưới dạng không thứ nguyên Hay
chuẩn số Re trong khuấy chuẩn số Froud trong khuấy
là tỷ số các kích thước hình học của hệ.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng quan hệ (6.3a) phụ thuộc khá nhiều vào tương quan của kích thước hình học. Còn trong một hệ xác định thì gần như không đổi trong miền có chế độ dòng và chế độ rối. Điều đó được thể hiện trên hình 6.2.