Đang tải... (xem toàn văn)
môn học “Quá trình và thiết bị cơ học” là môn học giành cho sinh viên chuyên ngành công nghệ hoá học ,thưc phẩm ,sinh học …Trong các quá trình vận chuyển, quá trình khuấy trộn, lọc, lắng ly tâm đều có những ứng dụng rất quan trong trong cuộc sống đặc biệt là quá trình lọc và quá trình khuấy trộn các chất. quá trình lọc và khuấy trộn được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống đặc biệt là những sinh viên nghành hoá và nghành công nghệ
Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG I. TRÍCH YẾU 1. Mục đích Khảo sát giản đồ chuẩn số công suất khuấy với nhiều hệ thống có hình dạng khác nhau. 2. Phương pháp − Ta thực hiện khuấy 2 chất lỏng là dầu và nhớt bằng các cánh khuấy turbine (C T2 , C T3 ) và chân vòt (C P2 ) ở các vận tốc khác nhau ứng với hai chế độ: có và không có tấm chặn. − Đo các giá trò lực ma sát (khi cánh khuấy quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy và làm cho động cơ quay trên ổ bi) ứng với từng trường hợp thí nghiệm. − Tính toán các giá trò công suất của động cơ, chuẩn số Re và chuẩn số công suất khuấy N p ứng với từng trường hợp, từ đó xây dựng các giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho các trường hợp thí nghiệm. 3. Kết quả thí nghiệm Bảng 1: Kết quả thí nghiệm với nhớt. Bảng 2: Kết quả thí nghiệm với dầu. Chế độ khuấy N(v/ph) F(lbf) C T2 Có tấm chặn 50 0,068 400 0,079 700 0,148 900 0,183 1100 0,21 Không tấm chặn 50 0,07 400 0,078 700 0,113 900 0,138 1100 0,156 Trang 1 Chế độ khuấy N(v/ph) F(lbf) C T2 C T3 C P2 Có tấm chặn 200 0,085 0,074 0,078 400 0,098 0,095 0,084 600 0,142 0,106 0,102 800 0,195 0,128 0,110 1000 0,222 0,152 0,123 Không tấm chặn 200 0,079 0,077 0,078 400 0,088 0,086 0,081 600 0,122 0,109 0,095 800 0,166 0,118 0,108 1000 0,189 0,128 0,111 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG II. LÝ THUYẾT TN 1. Khái niệm cơ bản: − Khuấy là quá trình cung cấp năng lượng để tạo ra một dòng chảy thích hợp trong thiết bò nhằm làm giảm sự không đồng nhất trong chất lỏng. Đó là sự chênh lệch về nồng độ, độ nhớt, nhiệt độ ở những điểm khác nhau trong lòng chất lỏng. Người ta có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí (dùng cánh khuấy), bằng khí nén (sục khí) hoặc bằng tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng. Trong cách khuấy trộn bằng cơ khí, một vài loại cánh khuấy thường được dùng là: nhỏ quay vòng số khidùng Được ghép neomỏ U), (chữ neomỏ Loại chéặt thanh có chèo máivà thanh, 2 chèo mái Loại bảnchèo mái loại tấm, Loại + + + lớn. quay vòng số khidùng Được turbine Loại vòt chân Loại + + Phạm vi ứng dụng của hai loại mái chèo được sử dụng trong bài thí nghiệm là: + Loại cánh khuấy turbine: Loại này dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao (µ = 5.10 5 cP), để điều chế huyền phù mòn, để hòa tan nhanh chất rắn hoặc để khuấy trộn chất lỏng đã lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 80%. + Loại cánh khuấy chân vòt: Dùng để điều chế huyền phù, nhũ tương. Loại cánh khuấy này dùng không thích hợp với chất lỏng có độ nhớt cao hoặc khuấy trộn hỗn hợp, trong đó pha rắn có khối lượng riêng lớn. − Trong các hệ thống khuấy, một số yếu tố được quan tâm là: • Chọn cánh khuấy • Thời gian khuấy • Công suất tiêu tốn • Số vòng quay • Độ lớn của bề mặt truyền nhiệt. Trong bài thí nghiệm này ta sẽ xem xét về yếu tố công suất khuấy và tiên đoán công suất khuấy cho một hệ thống nhất đònh. 2. Phân tích thứ nguyên: Công suất khuấy phụ thuộc vào tốc độ, tính chất của môi trường và đặc tính hình học của thiết bò, tức là: • Vận tốc cánh khuấy (v/ s). • Đặc tính của chất lỏng: độ nhớt µ (Pa.s), khối lượng riêng ρ (kg/m 3 ). • Độ cao của chất lỏng trong bình chứa H (m). • Đường kính cánh khuấy d (m). • Đường kính bình khuấy D và cấu trúc bình khuấy (loại cánh khuấy, hình dáng bình chứa, số tấm chặn,…) Như vậy, ta có quan hệ : P = f (N, d, µ, ρ, D, H, Z, các kích thước hình học khác) Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập các phương trình chuẩn số tính công suất khuấy dưới dạng : Trang 2 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG ρ 53 dN P = f * , ,,, . , 22 D H D Z D d g dNNd µ ρ hay là: P = f (Re K , Fr k , , Eu k …) Trong đó: • N P = ρ 53 dN P : chuẩn số công suất, có ý nghóa của một thừa số ma sát. Nó phụ thuộc vào chế độ thủy động lực học trong thiết bò. • Re = µ ρ 2 Nd : chuẩn số Reynolds của cánh khuấy, tỷ số giữa lực ly tâm và lực ma sát. Nó đặc trưng cho chế độ chảy của lưu chất trong bình khuấy. • Fr = g dN . 2 : chuẩn số Froude, tỷ số giữa lực ly tâm và lực trọng trường, đặc trưng cho sự hình thành xoáy phễu. • D d , D Z , D H ,… các thừa số hình dạng của hệ thống. Giữa các hệ thống thỏa mãn điều kiện đồng dạng hình học, các thừa số hình dạng bằng nhau, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của chúng. Vì thế: N P = f * (Re, Fr,…) (*) 3. Giản đồ công suất: Trong mỗi chế độ chảy (dòng, quá độ, chảy xoáy có xuất hiện xoáy phễu và không có suất hiện xoáy phễu), ta có công thức tính công suất khuấy riêng. Ở đây ta chỉ xét đến trường hợp chảy xoáy. Công thức tổng quát để xác đònh công suất khuấy trộn: P = N P .N 3 .d 5 .ρ (W) Trong đó N P phụ thuộc vào hai chuẩn số Re và Fr. Ta có 3 cách để xác đònh chuẩn số công suất khuấy: • Xác đònh chuẩn số công suất theo giải tích. • Xác đònh chuẩn số công suất theo đồ thò. • Xác đònh chuẩn số công suất theo phương trình chuẩn số. Việc xác đònh chuẩn số công suất bằng giải tích đến nay vẫn còn là một vấn đề khó khăn. Vì thế, người ta dùng thực nghiệm để xây dựng quan hệ giữa 3 chuẩn số nói trên. Thông thường, người ta giữ cố đònh một trong hai thông số ở một giá trò nào đó (giả sử là Re ở Re 1 ), làm thí nghiệm với các giá trò Fr 1, Fr 2 ,… để được các N P tương ứng. Sau đó sẽ thay đổi nó đến các giá trò khác (chẳng hạn Re 2 , Re 3,… ) và ø cứ lặp lại quy trình. Ta có thể dùng một mặt phẳng 3 chiều Re – Fr - N P để mô tả phương trình (*) Trang 3 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG Từ giản đồ 3 chiều , ta có thể quy về giản đồ 2 chiều để sử dụng. Tuy nhiên người ta nhận thấy, đối với đa số hệ thống thực, Fr không phải là yếu tố ảnh hưởng quyết đònh lên N P . Ví dụ như chuẩn số Fr thường chỉ được tính đến khi mặt thoáng chất lỏng không còn ở dạng phẳng do ảnh hưởng của tốc độ quay. Do đó ta vẽ đồ thò quan hệ giữa N P và Re, bỏ qua ảnh hưởng của Fr. Đồ thò mô tả đó gọi là giản đồ công suất khuấy. Ta có ví dụ về giản đồ công suất khuấy như hình. 4. Tiên đoán công suất cho các hệ thống thực: Khi cần thiết xây dựng một hệ thống khuấy trộn công nghiệp, người ta thường tạo những mô hình mẫu nhỏ rồi xây dựng giản đồ công suất cho các hệ thống này. Mô hình mẫu phải đồng dạng với các mô hình thực tế và do đó, ta có thể dùng chung giản đồ công suất của mô hình nhỏ cho mô hình lớn. Từ đó, ta có thể tiên đoán công suất khuấy trộn cần thiết. Trang 4 Baùo caùo thí nghieäm: KHUAÁY CHAÁT LOÛNG Trang 5 Baùo caùo thí nghieäm: KHUAÁY CHAÁT LOÛNG Trang 6 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG III. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 1. Thiết bò thí nghiệm: − 2 bình chứa dầu và nhớt. − 2 cánh khuấy turbine C T2 (lớn), C T3 và 1 cánh khuấy chân vòt C P2 . − 1 trục gắn cánh khuấy. − 1 bộ tấm chặn 4 tấm. − 1 động cơ ¼ mã lực có thể thay đổi được vận tốc từ 0 đến 1200 vòng/phút (rpm) bằng hộp số. Động cơ được đặt trên ổ bi. − 1 lực kế lò xo có thang đo từ 0 đến 2 lbf. − 1 vận tốc kế có 3 thang đo hoạt động theo nguyên tắc điện từ (0 – 300 rpm, 0 – 600 rpm, 0 – 1200 rpm). 2. Phương pháp thí nghiệm: 2.1. Phương pháp đo: 2.1.1. Công suất khuấy: Khi cánh khuấy quay, lực ma sát truyền lên cánh khuấy và làm cho động cơ quay trên ổ bi. Ta gắn lò xo lực kế vào động cơ để hãm nó lại, đọc số đo trên lực kế. Số đo này chính là độ lớn của lực ma sát F giữa chất lỏng và cánh khuấy. Công sinh ra khi điểm đặt lò xo chuyển động tương đối một khoảng ds: dA = Fds Khi chuyển động trọn một vòng: ∫ π π== r rFFdsA 2 0 2 với r là khoảng cách từ vò trí gắn lò xo đến trục động cơ. Trong hệ thống thí nghiệm này, r = 5 inch. Công suất của động cơ: T A P = với N T 1 = là thời gian động cơ quay hết một vòng. Như vậy: P = 2πFrN 2.1.2. Vận tốc khuấy N Đọc trên vận tốc kế theo đơn vò vòng/phút (rpm). 2.2. Nội dung thí nghiệm Thí nghiệm được thực hiện với hai chất lỏng là nhớt và dầu. Đối với nhớt tiến hành lần lượt với cả ba cánh khuấy, với dầu chỉ dùng cánh khuấy CT 2 . Ứng với mỗi cánh khuấy phải đo hai chế độ: có và không có tấm chặn. Vận tốc khuấy thay đổi từ 100 đến 1100 vòng/phút. Với nhớt có thể chọn vận tốc 200, 400, 600, 800 và 1000. Với dầu nên để 50, 400, 700, 900 và 1100. Chú ý: − Không nên chạy máy quá 1100 vòng/phút, máy sẽ rung, nguy hiểm. − Khi đọc vận tốc luôn thử để ở thang đo 0 – 1200 rpm trước. Nếu thấy chưa đủ chính xác thì mới giảm xuống thang đo nhỏ hơn. Tránh để kim chỉ nhảy quá mức tối đa của thang đo. Trang 7 0 2 4 6 8 10 12 14 0 200 400 600 800 1000 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG − Mỗi khi bật tắt động cơ hay thay đổi vận tốc khuấy, phải dùng tay giữ động cơ để cho lực ban đầu không làm động cơ xoay mạnh sẽ gây va chạm và làm hư máy. − Khi tháo lắp cánh khuấy, trục… không để rơi xuống bình làm vỡ bình. − Trước khi dùng lực kế phải chỉnh về 0 khi động cơ không quay. − Khi quay hộp số để điều chỉnh vận tốc, phải tháo rời lò xo khỏi động cơ. IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng 3: Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T2 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Có tấm chặn 200 3,333 0,085 0,378 1,006 181,463 12,408 400 6,667 0,098 0,436 2,320 362,926 3,577 600 10,000 0,142 0,632 5,042 544,390 2,303 800 13,333 0,195 0,868 9,232 725,853 1,779 1000 16,667 0,222 0,988 13,139 907,316 1,296 Không có tấm chặn 200 3,333 0,079 0,352 0,935 181,463 11,532 400 6,667 0,088 0,392 2,083 362,926 3,212 600 10,000 0,122 0,543 4,332 544,390 1,979 800 13,333 0,166 0,739 7,859 725,853 1,515 1000 16,667 0,189 0,841 11,185 907,316 1,104 Hình 5 : Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T2 Trang 8 Re N p Có tấm chặn Không có tấm chặn Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG Bảng 4: Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T3 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Có tấm chặn 200 3.333 0.074 0.329 0.876 126.016 26.880 400 6.667 0.095 0.423 2.249 252.032 8.627 600 10.000 0.106 0.472 3.764 378.048 4.278 800 13.333 0.128 0.570 6.060 504.065 2.906 1000 16.667 0.152 0.676 8.996 630.081 2.209 Không có tấm chặn 200 3.333 0.077 0.343 0.911 126.016 27.970 400 6.667 0.086 0.383 2.036 252.032 7.810 600 10.000 0.109 0.485 3.871 378.048 4.399 800 13.333 0.118 0.525 5.587 504.065 2.679 1000 16.667 0.128 0.570 7.575 630.081 1.860 0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 500 600 700 Hình 6 : Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C T3 Trang 9 N p Re Có tấm chặn Không có tấm chặn Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG Bảng 5: Kết quả tính cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C P2 Chế độ khuấy N(v/ph) N(v/s) F(lbf) F(N) P(W) Re N p Có tấm chặn 200 3,333 0,078 0,347 0,923 181,463 11,387 400 6,667 0,084 0,374 1,989 362,926 3,066 600 10,000 0,102 0,454 3,622 544,390 1,654 800 13,333 0,11 0,490 5,208 725,853 1,004 1000 16,667 0,123 0,547 7,279 907,316 0,718 Không có tấm chặn 200 3,333 0,078 0,347 0,923 181,463 11,387 400 6,667 0,081 0,360 1,918 362,926 2,956 600 10,000 0,095 0,423 3,373 544,390 1,541 800 13,333 0,108 0,481 5,113 725,853 0,985 1000 16,667 0,111 0,494 6,569 907,316 0,648 0 3 6 9 12 15 0 200 400 600 800 1000 Hình 7 : Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy C P2 Trang 10 Re Có tấm chặn Không có tấm chặn [...]... đến quá trình khuấy Từ phễu khí có thể xâm nhập vào môi trường lỏng làm giảm hiệu quả của quá trình khuấy (ta xét khuấy chất lỏng) , đồng thời cánh khuấy chòu tác dụng của lực phụ làm tăng công suất khuấy Ngoài ra các chất lỏng đem khuấy thường có tính chất vật lý khác nhau (độ nhớt, khối lượng riêng), nên dưới tác dụng của trường lực ly tâm có thể xuất hiện khả năng phân ly (phân lớp) của các chất lỏng, ... cánh khuấy trong phòng thí nghiệm và trong bồn 50m3 Từ tiêu chuẩn trên ta chọn được đường kính cánh khuấy d’ = 1,22 (m) Như vậy, quá trình khuấy nhớt trong bồn thể tích 50m 3 là đồng dạng với quá trình trong phòng thí nghiệm ta đã tiến hành Quá trình khuấy trong bình chứa 50m3, ta chọn 5 giá trò vận tốc khuấy như sau: Trang 12 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG Bảng 7: Kết quả tính cho trường hợp khuấy. .. cánh khuấy theo thứ tự là: Ở vận tốc khuấy nhỏ (200 rpm): CT2 > CP2 >CT3 Ở vận tốc khuấy lớn (>200 rpm): CT2 > CT3 > CP2 Bởi vì: • Với cùng vận tốc khuấy, lực ma sát tác dụng lên cánh khuấy phụ thuộc vào tiết diện vuông góc với vận tốc dài của cánh khuấy Chế độ khuấy trong nhớt Trang 14 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG Cánh khuấy kiểu turbine có bề mặt vuông góc với vận tốc dài của cánh khuấy. .. quan hệ giữa 50 công suất khuấy P và vận tốc N P( W) 40 30 20 10 0 0 500 Trang100 0 13 N ( v o ng /phu t) 150 0 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG Câu 1: Nhận xét ảnh hưởng của tấm chặn đến công suất khuấy: Trường hợp cánh khuấy CT2: o Khuấy dầu: Khi vận tốc khuấy nhỏ, công suất khuấy khi có tấm chặn nhỏ hơn không có tấm chặn Còn khi vận tốc khuấy lớn (≥400rpm) thì công suất khuấy khi có tấm chặn lớn... đồng dạng với bình khuấy nhớt trong phòng thí nghiệm Chọn cánh khuấy CT2 ở chế độ không tấm chặn trong quá trình thí nghiệm để làm chuẩn cho việc chọn loại cánh khuấy và kích thước cánh khuấy trong quá trình khuấy nhớt trong bồn 50m3 Ta cũng chọn cánh khuấy loại turbin và độ nhúng sâu của cánh khuấy vào bồn nhớt cho bồn 50m3 theo tiêu chuẩn sau: d d' = Z Z' Với d, d’: đường kính cánh khuấy trong phòng... cho kỹ sư vận hành thiết bò giản đồ công suất theo vận Trang 17 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG tốc Bởi vì người kỹ sữ vận hành thiết bò chỉ quan tâm đến công suất khuấy ứng với từng vận tốc khuấy, tức là quan tâm đến hao tổn năng lượng cho quá trình khuấy chứ không quan tâm đến chuẩn số công suất khuấy VI PHỤ LỤC • Tính công suất khuấy: P=2ΒrFN Với: r = 5 inch • Tính Re: Re = d2.N.∆/: Với: d(CT2)... 0,26m Đường kính thùng khuấy nhớt: Dtr = 24,5cm, Dng = 25,7cm • Đơn vò: 1 lbf = 4,45 N 1 inch = 0,0254m 1 v/ph = 1rpm = 1/60 v/s 1 cP = 10-3Pa.s Trang 18 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ môn Máy – Thiết bò trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, “ Giáo trình thí nghiệm quá trình – thiết bò” [2] Các tác giả, “ Sổ tay quá trình và thiết bò công nghệ hóa chất ”, Tập 1, NXB Khoa... của công suất khuấy P theo Re trong chế độ khuấy không tấm chặn, dùng cánh khuấy CT2 được cho như sau: 15 P(W) 10 5 0 -5 0 200 400 600 800 1000 Re Hình 9 : Giản đồ công suất khuấy theo Re trong trường hợp bồn nhớt 50m3 Bảng 8: Kết quả tính công suất khuấy cho trường hợp khuấy nhớt bằng cánh khuấy turbin đồng dạng với cánh khuấy CT2 Cánh Vận tốc khuấy Công suất khuấy Chế độ Vòng/s Re khuấy (vòng/phút)... nhớt bằng cánh khuấy turbin đồng dạng với cánh khuấy CT2 Cánh Vận tốc khuấy Chế độ Vòng/s Re khuấy (vòng/phút) 200 3,33 46515,6 400 6,67 93031,1 139547, 600 10,00 0 Không Turbin tấm chặn 186062, 800 13,33 0 232578, 1000 16,67 0 Vì hai quá trình khuấy là đồng dạng với nhau nên ta có thể dựa trên giản đồ công suất khuấy đã thiết lập được trong quá trình thí nghiệm để tiên đoán công suất khuấy của bồn... 1,413 1,044 0,790 200 160 Np 120 80 40 0 -40 0 400 800 1200 1600 2000 Re Hình 8 : Giản đồ chuẩn số công suất khuấy cho trường hợp khuấy dầu bằng cánh khuấy CT2 Có tấm chặn Không có tấm chặn Trang 11 Báo cáo thí nghiệm: KHUẤY CHẤT LỎNG V BÀN LUẬN Thiết kế bồn nhớt có thể tích 50m3 - Trong quá trình thí nghiệm, tiến hành đo các kích thước của bình chứa, ta được các kết quả như sau: H: 0,26 (m) D:0,245