3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị
BÀI 5: CỘT CHÊM 1.Cơ sở lý thuyết
1.Cơ sở lý thuyết
Độ giảm áp của dòng khí:
Độ giảm áp ∆Pck của dòng khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G của dòng khí qua cột khô (không có dòng chảy ngược chiều). khi dòng khí chuyển động trong các khoảng trống giữa các vật chêm. Tăng dần vận tốc thì độ giảm áp cũng tăng theo. Sự gia tăng này theo luỹ thừa từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dòng khí.
∆Pck= α.Gn Với n= 1,8 -2,0
Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trống giữa những vật chêm bị thu hẹp lại. Dòng khí do đó di chuyển khó khăn hơn vì một phần thể tích tự do giữa các vật chêm bị lượng chất lỏng chiếm chỗ. Khi tăng vận tốc dòng khí lên, ảnh hưởng cản trở của dòng lỏng tăng đều đặn cho đến một trị số tới hạn của vận tốc khí, lúc đó độ giảm áp của dòng khí tăng vọt lên. Điểm ứng với trị số tới hạn của vận tốc khí này được gọi là điểm gia trọng. Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí quá trị số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỡ tương giữa dòng lỏng và dòng khí rất lớn, ∆Pc tăng mau chóng không theo phương trình trên nữa. Dòng lỏng lúc này chảy xuống cũng khó khăn, cột ở điểm lụt.
Đường biểu diễn log(∆Pc/Z) (độ giảm áp suất của dòng khí qua một đơn vị chiều cao của phần chêm trong cột) dự kiến như trình bày trên.
Hệ số ma sát fck theo Rec khi cột khô Trở lực tháp khô:
Trong đó:
: chiều cao lớp đệm, [m] wo: vận tốc pha khí, [m/s] a: bề mặt riêng, [m2/m3]
ε: độ xốp, [m3/m3]
ρk: khối lượng riêng của không khí, [kg/m3]
Fck: hệ số ma sát cảu dòng chảy qua lớp hạt, phụ thuộc vào Rek. Khi Rek < 40:
Khi Rek > 40:
Độ giảm áp ∆Pcư khi cột ướt
Liên hệ giữa độ giảm áp cột khô ∆Pck và cột ướt ∆Pcư có thể biểu diễn như sau:
Do đó có thể dự kiến
Với σ: hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, [kg/m2s] Leva đề nghị ảnh hưởng cảu L lên σ như sau:
Hay
Giá trị σ tuỳ thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm (xếp ngẫu nhiên hay theo thứ tự) và độ lớn của lưu lượng lỏng L. Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig 12,7mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp ε = 0,586; giá trị L từ 0,39 đné 11,7 kg/m2s và cột hoạt động trong vùng dưới điểm gia trọng.
Ω= 0,084
Một số tài liệu còn biểu diễn sự phụ thuộc giữa tỉ số với hệ số xối tưới như sau:
Điểm lụt của cột chêm
Khi cột chêm bị ngập lụt, chất lỏng chiếm toàn bộ khoảng trống trong phần chêm, các dòng chảy bị xáo trộn mãnh liệt, hiện tượng này rất bất lợi cho sự hoạt động của cột chêm. Gọi giá trị của GL tương ứng với trạng thái này là GL.
Zhavoronkov kết luận rằng trạng thái ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số sau có sự lien hệ nhất định với nhau cho mỗi cột.
Và
Với :
fck: hệ số ma sát cột khô
v: vận tốc dài của dòng khí ngay trước khi vào cột, m/s
µtd: độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước. , nếu chất lỏng là nước thì µtd= 1. Do đó sự liên hệ giữa Π1,Π2 trên giản đồ logΠ1- logΠ2 sẽ xác định một giản đồ lụt của cột chêm, phần giới hạn hoạt động cảu cột chêm ở dưới đường này.
2.Giới thiệu thiết bị 2.1.Mô tả thiết bị
Thiết bị cột chêm tại phòng thí nghiệm
I - Máy thổi khí 1, 2 - Van điều chỉnh lưu lượng dòng khí II - Lưu lượng kế dòng khí 3 - Van xả nước đọng trong ống khí III - Cột chêm 4, 6 - Van điều chỉnh lưu lượng dòng lỏng IV - Bồn chứa 5 - Van tạo cột lỏng ngăn khí
V - Bơm 7 - Van điều chỉnh mức nước cột chêm VI - Lưu lượng kế dòng lỏng 8 - Van xả nhanh khi lụt cột chêm D - Lớp đệm vòng sứ Raschig 9 - Van xả đáy bồn chứa
2.2.Tiến hành thí nghiệm Bước 1: Khởi động thiết bị
- Khóa lại tất cả các van lỏng (từ 4 – 8). - Mở van 2, khóa van 1, 3.
- Cho quạt chạy trong 5 phút để thổi hết ẩm trong cột. Tắt quạt. - Mở van 4, 7. Sau đó cho bơm chạy.
- Mở van 5 và từ từ khóa van 4 để chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định mức. Tắt bơm và khóa van 5.
Bước 2: Đo độ giảm áp của cột khô
- Khoa tất cả các van lỏng lại, mở van 1 còn 2 vẫn đóng. Cho quạt chạy rồi từ từ mở van 2 để chỉnh lưu lượng khí vào cột.
- Ứng với mỗi giá trị lưu lượng khí đã chọn ta đọc Pck trên áp kế U theo mmH2O. Đo xong tắt quạt, nghỉ 5 phút.
Bước 3: Đo độ giảm áp của cột ướt
- Mở quạt và điều chỉnh lưu lượng khí qua cột khoảng 15 – 20%.
- Mở van 4 và cho bơm chạy. Dùng van 6 tại lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng. Nếu 6 đã mở tối đa mà phao vẫn không lên thì dùng van 4 để tăng lượng lỏng. - Ứng với lưu lượng lỏng đã chọn cố định, ta chỉnh lưu lượng khí và đọc độ giảm áp
Pcư giống như Pck trước đó. Chú ý là tăng lượng khí đến điểm lụt thì thôi. Chú ý:
- Trong quá trình đo độ giảm áp của cột ướt, cần canh giữ mức lỏng ở đáy cột luôn ổn định ở ¾ chiều cao đáy bằng cách chỉnh van 7. Nếu cần, tăng cường van 8, để nước trong cột thoát về bình chứa.
- Khí tắt máy phải tắt bơm lỏng trước, mở tối đa van 8 sau đó tắt quạt.
3.Tính toán kết quả
Số liệu từ phòng thí nghiệm: Cột thủy tinh:
Đường kính d=0,09 m Chiều cao H= 0,805 m
Chiều cao phần chêm Z= 0,6 m
Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kinh 16 mm, bề mặt riêng a= 350 m2/m3, độ xốp = 0,67
Xử lí số liệu:
Tính toán và vẽ đồ thị cột khô tại L =0
− Trước tiên phải đổi V về m3/s:
(các số còn lại tính tương tự) − Tính G:
Cột khô đang vận hành ở nhiệt độ 50, ở đó ρkk=1,1(kg/m3) và S=0,00459225(m2)
(các số còn lại tính tương tự) − Tính ∆Pck:
∆Pck1 = (số lớn-số nhỏ).98,1 (N/m2) (các số liệu còn lại tính tương tự) Với 1cmH2O = 98,1 N/m2
− Tính chuẩn số Reck
(các số còn lại tính tương tự)
− Tính fck
(các số liệu còn lại tinh tương tự).
Xử lí số liệu cột khô V (m3/s) G ∆PCK (N/m2) ∆PCK/Z Log (∆PCK/Z ) Log G Re fCK logfCK logRe 9,43. 0,023 19,62 27,25 1,43 -1,64 162,94 1,37 0,13 2,21 0,00037 0,088 78,48 109 2,04 -1,05 623,43 1,05 0,02 2,79 8,49. 0,2 176,58 245,25 2,39 -0,7 1416,88 0,89 -0,05 3,15 0,0015 0,36 313,92 436 2,64 -0,44 2550,38 0,79 -0,1 3.41 2,68. 0,64 559,17 776,63 2,89 -0,19 4534,003 0,7 -0,15 3.66 Với Z = 0,72 (m)
− Vẽ đồ thị cột khô tại Log(∆Pck/Z) dựa theo LogG
Tính toán và vẽ đồ thị cột ướt tại L = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
− Tính khối lượng không khí G:
Cột ướt đang vận hành ở nhiệt độ 30oC ở đó ρcư=1,117(kg/m3); µ=1,85.10-5 (kg/m.s) ; S=0,0046(m2)
(tính toán tương tự cột khô)
− Tính ∆Pcư: 1cmH2O = 98,1 N/m2
∆Pcư=(P1 – P2).98,1 (N/m2) (tính toán tương tự cột khô) − Tính chuẩn số Recư :
Với α = 24,656 (m2/m3) ; µ = 1,85.10-5 (kg/m.s) (tính toán tương tự cột khô)
− Tính δ :
;
⇒
(tính riêng cho từng L) − Tính fcư:
fcư = δ.fck
Ví dụ δ= 3 và fck1= 1,37
⇒ fcư=3.1,37= 4,11 (các số còn lại tính tương tự)
Xử lí số liệu của cột ướt L = 3
V(m3/s) G LogG ∆Pcư
(N/m2) ∆Pcư/Z
Log (∆Pcư
/Z)
Re LogRe fcư Log fcư
9,43. 0,023 -1,64 58,86 81,75 1,91 201,69 2,3 4,11 0,61 0,00037 0,088 -1,05 147,15 204,37 2,31 771,7 2,89 1,97 0,29 8,49. 0,2 -0,7 304,11 422,37 2,63 1753,86 3,24 1,53 0,19 0,0015 0,36 -0,44 588,6 817,5 2,91 3156,95 3,5 1,48 0,17 2,68. 0,64 -0,19 833,85 1158,12 3,06 5612,36 3,75 1,04 0,02
Xử lí số liệu của cột ướt L = 4
V(m3/s) G LogG ∆Pcư
(N/m2) ∆Pcư/Z
Log (∆Pcư/ Z)
Re LogRe fcư Log fcư
9,43. 0,023 -1,64 156,96 218 2,34 201,69 2,3 10,96 1,04 0,00037 0,088 -1,05 245,25 340,63 2,53 771,7 2,89 3,28 0,52 8,49. 0,2 -0,7 333,54 463,25 2,66 1753,86 3,24 1,68 0,23 0,0015 0,36 -0,44 637,65 885,63 2,94 3156,95 3,5 1,6 0,21 2,68. 0,64 -0,19 951,57 1271,63 3,1 5612,36 3,75 1,19 0,08
Xử lí số liệu của cột ướt L = 5
V(m3/s) G LogG ∆Pcư
(N/m2) ∆Pcư/Z
Log (∆Pcư/ Z)
Re LogRe fcư Log fcư
9,43. 0,023 -1,64 117,72 163,5 2,21 201,69 2,3 8,22 0,91 0,00037 0,088 -1,05 137,34 190,75 2,28 771,7 2,89 1,84 0,26 8,49. 0,2 -0,7 500,31 694,88 2,84 1753,86 3,24 2,52 0,4 0,0015 0,36 -0,44 667,08 926,5 2,97 3156,95 3,5 1,68 0,22 2,68. 0,64 -0,19 1353,78 1880,25 3,27 5612,36 3,75 1,69 0,23
Xử lí số liệu của cột ướt L = 6
G (N/m2) (∆Pcư /Z) Re 9,43. 0,023 -1,64 137,34 190,75 2,28 201,69 2,3 9,59 0,98 0,00037 0,088 -1,05 196,2 272,5 2,44 771,7 2,89 2,63 0,42 8,49. 0,2 -0,7 647,46 899,25 2,95 1753,86 3,24 3,26 0,51 0,0015 0,36 -0,44 2393,64 3324,5 3,52 3156,95 3,5 6,02 0,78 2,68. 0,64 -0,19 2668,32 3706 3,57 5612,36 3,75 3,34 0,52
Xử lí số liệu của cột ướt L = 7
V(m3/s) G LogG ∆Pcư
(N/m2) ∆Pcư/Z
Log (∆Pcư
/Z)
Re LogRe fcư Log fcư
9,43. 0,023 -1,64 147,15 204,38 2,31 201,69 2,3 10,28 1,01 0,00037 0,088 -1,05 225,63 313,38 2,5 771,7 2,89 3,38 0,53 8,49. 0,2 -0,7 647,46 899,25 2,95 1753,86 3,24 3,26 0,51 0,0015 0,36 -0,44 1412,64 1962 3,29 3156,95 3,5 3,56 0,55 2,68. 0,64 -0,19 2668,32 3706 3,57 5612,36 3,75 3,34 0,52
Xử lí số liệu của cột ướt L = 8
V(m3/s) G LogG ∆Pcư
(N/m2) ∆Pcư/Z
Log (∆Pcư/ Z)
Re LogRe fcư Log fcư
9,43. 0,023 -1,64 137,34 190,75 2,28 201,69 2,3 9,59 0,98 0,00037 0,088 -1,05 402,21 558,63 2,75 771,7 2,89 5,38 0,73 8,49. 0,2 -0,7 696,51 967,38 2,99 1753,86 3,24 3,51 0,55 0,0015 0,36 -0,44 1451,88 2016,5 3,3 3156,95 3,5 3,65 0,56 2,68. 0,64 -0,19 2305,35 3201,88 3,51 5612,36 3,75 2,89 0,46
V(m3/s) G Log G ∆Pcư
(N/m2) ∆Pcư/Z
Log (∆Pc ư/Z)
Re Log Re fcư Log fcư
9,43. 0,023 -1,64 137,34 190,75 2,28 201,69 2,3 9,59 0,98 0,00037 0,088 -1,05 323,73 449,63 2,65 771,7 2,89 4,33 0,64 8,49. 0,2 -0,7 843,66 1171,75 3,07 1753,86 3,24 4,25 0,63 0,0015 0,36 -0,44 1697,13 2732,13 3,44 3156,95 3,5 4,27 0,63 2,68. 0,64 -0,19 3109.77 4319,13 3,64 5612,36 3,75 5,41 0,73 Biểu đồ ∆Pcư/Z theo G và L
Log fck theo Rec
Log fcư theo Rec
4.Nhận xét:
Kết quả thí nghiệm có sai số.
Nguyên nhân:
Thao tác các van còn lúng túng, chưa chuẩn xác Đọc kết quả đo còn chậm.
Biện pháp khắc phục:
Thao tác thực hành nhịp nhàng, nhanh và chính xác. Nắm rõ các thao tác trước khi thí nghiệm.