Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 16 BÀI 3. THÁP ĐỆM I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: - Khảo sát đặc tính động lư ïc học lư u chất và khả năng hoạt động của tháp đệm bằng cách xác đònh: - Ảnh hư ởng của vận tốc khí và lỏng lên độ giảm áp suất của dòng khí qua cột. - Sư ï biến đổi của hệ số ma sát f ck trong cột theo chuẩn số Reynolds Re c của dòng khí và suy ra các hệ thư ùc thư ïc nghiệm. - Sư ï biến đổi của thư øa số liên hệ giư õa độ giảm áp của dòng khí khi cột khô và khi cột ư ớt với vận tốc dòng lỏng. II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM: 1. Cấu tạo: Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Vật đệm đư ợc đổ đầy trong tháp theo một trong hai phư ơng pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thư ù tư ï. Vật đệm sư û dụng gồm nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một trong số các vật loại sau:  Vòng Raschig: hình trụ rỗng bằng sư ù, kim loại hoặc như ïa.  Vật đệm hình yên ngư ïa  Vật đệm vòng xoắn Yêu cầu chung của các loại vật đệm là phải có diện tích bề mặt riêng lớn (m 2 /m 3 tầng đệm), ngoài ra độ rỗng (hay thể tích tư ï do, m 3 /m 3 tầng đệm) lớn để giảm trở lư ïc pha khí. Vật liệu chế tạo phải có khối lư ợng riêng nhỏ và bền hóa học 2. Sự chuyển động của lưu chất qua tháp đệm: Khi chất lỏng chuển động tư ø trên xuống và pha khí chuyển động tư ø dư ới có thể xảy ra 4 chế độ thủy lư ïc sau: chế độ màng, chế độ treo, chế độ nhũ tư ơng và chế độ kéo theo. Trong ba chế độ chảy màng, treo và nhũ tư ơng thì pha khí là pha liên tục chiếm tất cả không gian còn lại trong tháp còn chất lỏng chảy theo bề mặt đệm và là pha phân tán. chế độ kéo theo (hay chế độ sủi bọt thì pha lỏng chiếm toàn bộ thể tích tư ï do và như vậy pha lỏng là pha liên tục còn pha khí là pha phân tán. Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 17 Độ giảm áp khi cột khô: Độ giảm áp P c của dòng khí qua tháp đệm phụ thuộc vào vận tốc khối lư ợng G của khí khi cột khô (không có dòng lỏng chảy ngư ợc chiều). Khi dòng khí chuyển động trong các khoảng trống giư õa các vật đệm tăng dần vận tốc thì độ giảm áp cũng tăng theo, sư ï gia tăng này theo lũy thư øa tư ø 1,8 đến 2 của vận tốc dòng khí:  P c ~ G n (Với n = 1,8  2) (1) Nếu chia hai vếphư ơng trình (1) cho chiều cao cột đệm Z và lấy logarit hai vế ta đư ợc: lg P c /Z = nlgG – lgZ Đây là phư ơng trình đư ờng thẳng có hệ số góc n Độ giảm áp khi cột ướt: Khi có dòng lỏng chảy ngư ợc chiều, các khoảng trống bò thu nhỏ lại và dòng khí di chuyển khó khăn hơn vì một phần thể tích tư ï do bò lư ợng chất lỏng chiếm cư ù. Trong giai đoạn đầu (dư ới điểm A), lư ợng chất lỏng bò giư õ lại trong tháp là không đổi theo tốc độ khí mặc dầu lư ợng chất lỏng này tăng theo suất lư ợng pha lỏng. Trong vùng giư õa A và B, lư ợng chất lỏng bò giư õ lại trong tháp tăng nhanh theo tốc độ khí, các chổ 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. Tại B, nếu tiếp tục tăng tốc độ pha khí (ư ùng với một suất lư ợng pha lỏng không đổi) thì sẽ có hiện tư ợng pha khí sủi bọt qua lớp chất lỏng tại bề mặt lớp vật đệm và tạo ra sư ï đảo pha tư ø pha khí (liên tục) – pha lỏng (phân tán) thành pha khí (phân tán) – pha lỏng (liên tục) . Lúc đó hiện tư ợng pha khí lôi cuốn chất lỏng tăng mạnh và tháp ở trạng thái ngập lụt, độ giảm áp của pha khí tăng rất nhanh. Điểm bắt đầu vùng ngập lụt thư ờng đư ợc xác đònh bằng sư ï thay đổi hệ số góc của đư ờng biểu diễn. Trong thư ïc tế tháp thư ờng đư ợc vận hành trong vùng gia trọng, gần điểm ngập lụt. Sư ï phụ thuộc giư õa cư ờng độ chuyển khối và vận tốc khí A- Điểm hãm B- Điểm treo C- Điểm đảo pha D- Điểm sặc OA- Chế độ màng AB- Chế độ treo BC-Chế độ nhũ tư ơng CD- Chế độ kéo theo W y 0 B C D A Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 18 Hình 1: Ảnh hư ởng của G và L đối với độ giảm áp P c của pha khí trong tháp đệm ngẫu nhiên. III. THỪA SỐ MA SÁT F CK THEO RE C KHI CỘT KHÔ: Shilton và Colburn đư a ra một hệ thư ùc liên hệ giư õa độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm khô với vận tốc khối lư ợng của dòng khí qua cột: P ck = 2f ck G 2  G Z D p  p  w , N m 2 (2) Trong đó: Z: chiều cao phần chêm, m. G: vận tốc khối lư ợng dòng khí qua cột, Kg/m 2 .s. D p : kích thư ớc đặc trư ng của vật chêm, m.  p : hệ số điều chỉnh dùng cho vật chêm rỗng (như vòng sư ù, Raschig ) thay vì các vật chêm đặc.  w : hệ số điều chỉnh ảnh hư ởng của thành cột lên độ xốp của tầng chêm. Sherwood tổng hợp kết quả của một số nghiên cư ùu và đư a ra trò số sau cho vòng sư ù 12,7mm:  p = 0,35  w = 1,0 Tuy nhiên Zhavoronkov đề nghò một hệ thư ùc khác khá đúng hơn vì đã đư a đư ợc trò số độ xốp của tầng chêm vào hệ thư ùc: P ck = 2f ck G 2  G Z D e (3) Trong đó: D e : đư ờng kính tư ơng đư ơng của vật chêm, m D e = 4/a : độ rỗng hay độ xốp (không thư ù nguyên). a: diện tích bề mặt riêng của vật chêm, m 2 /m 3 . Thư øa số ma sát f ck là hàm số theo chuẩn số Re với Re đư ợc đònh nghóa: Re c = G  D e  = 4G a  (4) Trong đó:  - độ nhớt của dòng khí, Kg/m.s. B L = 0 L 1 L 2 L 3 A logG log(P c /Z) Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 19 Zhavoronkov đã xác đònh đư ợc khi dòng khí chuyển tư ø chế độ chảy tầng sang chảy rối ư ùng với trò số Re c = 50. Trong vùng chảy rối 50 < Re < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên thì 0,2 Re 3,8 ck f  Trong vùng chảy dòng Re < 50 thì hệ số ma sát có thể tính theo công thư ùc: Re 140 ck f  Tuy nhiên các hệ thư ùc tổng quát trên không đư ợc chính xác lắm vì không kể đư ợc toàn bộ ảnh hư ởng của hình dạng vật chêm. IV. ĐỘ GIẢM ÁP P CƯ KHI CỘT ƯỚT: Sư ï liên hệ giư õa độ giảm áp khôP ck và ư ớt P cư có thể viết như sau: P cư =  P ck (6) Do đó có thể dư ïkiến: f cư =  f ck (7) Với  tùy thuộc vào vận tốc khối lư ợng của dòng lỏng L (Kg/m 2 s). Leva đề nghò ảnh hư ởng của L lên  như sau:  = 10 L (8) hay log = L (9) Với  tùy thuộc loại, kích thư ớc, cách thư ùc đặt vật chêm và mư ùc độ của L. Thí dụ với vật chêm vòng Raschig 12,7mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp  = 0,586, L tư ø 0,39 đến 11,7 Kg/m 2 .s và trong vùng dư ới điểm gia trọng:  = 0,84. V. ĐIỂM LỤT CỦA CỘT CHÊM: Khi cột chêm lụt, gọi trò số G tư ơng ư ùng với điểm này là G*, các dòng chảy không còn đều đặn, áp suất dao động mạnh; hiện tư ợng này bất lợi cho sư ï hoạt động của cột. Zhavoronkov kết luận rằng điểm lụt xảy khi có một sư ï liên hệ nhất đònh giư õa hai nhóm số sau (riêng cho mỗi cột):  1 = f ck .a  3 v 2 2g  G  L () 0,2 (10)  2 = L G  G  L (11) Trong đó f ck : đư ợc tính tư ø hệ thư ùc liên lạc với Re c . v: vận tốc dài của khí ngay trư ớc khi vào cột chêm.  1 : độ nhớt tư ơng đối của chất lỏng so với nư ớc  1 =  lỏng /  nư ớc = 1 nếu chất lỏng là nư ớc. Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 20 Do đó sư ï liên hệ giư õa  1 và 2 trên giản đồ log - log sẽ xác đònh một biểu đồ lụt của cột, phân đònh giới hạn hoạt động của cột ở dư ới đư ờng này. Hình 2: Biểu đồ lụt của cột chêm VI. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM: Trư ớc khi thí nghiệm, mở hoàn toàn hai van V K1 và van V L2 , các van còn lại đều đóng. Mở bơm lỏng B L đồng thời mở van V L3 để cho nư ớc vào 2/3 ống chỉ mư ïc chất lỏng bằng cách điều chỉnh van V L4 . Bậc bơm khí B K , mở tư ø tư ø van V K2 và đóng tư ø tư ø van V K1 để tăng lư ợng khí vào tháp nhằm thổi hết lư ợng nư ớc còn đọng trong các khe của vật đệm. Sau khoảng thời gian 5 phút, mở van V K1 và đóng van V K2 chuẩn bò làm thí nghiệm khi cột khô. Đo độ giảm áp khi cột khô: Mở dần van V K2 để tăng lư ợng khí qua cột. Đọc 6 giá tròP ck trên áp kế chư õ U theo cm cột nư ớc ư ùng với 6 trò số G ở điều kiện ổn đònh sau đó Đóng lại van V K2 lại. Đo độ giảm áp của dòng khí khi cột ư ớt: Bậc bơm lỏng B L , điều chỉnh van V L3 để giư õ lư u lư ợng lỏng không đổi qua lư u lư ợng kế vào cột. Mở van tháo V L4 và V L5 nếu cần sao cho vẫn duy trì mư ïc nư ớc trong ống chỉ mư ïc chất lỏng là 2/3. Tăng dần lư u lư ợng khí G và đọc P cư theo cm cột nư ớc tại áp kế chư õ U tư ơng tư ï như làm thí nghiệm cột khô. Lặp lại 5 giá trò khác nhau của L. Tắt bơm B L trư ớc rồi tắt bơm B k sau để tránh nư ớc tràn vào đư ờng ống dẫn khí. VII. PHÚC TRÌNH: 1. Kết qủa: Ghi lại các kết quả đo và tính toán trình bày theo các bảng sau: G, kg/s.m 2 P ck /Z , N/m 2 /m f ck Re ck log 2 log 1 Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 21 kg/s.m 2 P ck /Z , N/m 2 /m f cư Re cư 2. Đồ thò: 1. log(P ck /Z) theo logG và log(P cư /Z) theo logG 2. logf ck theo logRe 3. log theo L (tại vài trò số của G dư ới điểm gia trọng) 3. Bàn luận: nh hư ởng của G lên độ giảm áp khi cột khô và khi cột ư ớt Mục đích và cách sư û dụng giản đồ f theo Re Sư ï liên hệ giư õa các đối tư ợng khảo sát có theo như dư ï đoán không, nếu không giải thích lý do. Nêu vài ư ùng dụng của mô hình trong thư ïc tế. VIII. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh - Truyền Khối Tập 3 – Trư ờng Đại Học Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. 2. Tài liệu thí nghiệm qt & tb trư ờng đại học kỹ. 3. Trần xoa, Nguyễn Trọng Khuôn, Hồ Lê Viên - Sổ tay quá trình và thiết bò công nghệ hóa chất – nxb khoa học và kỹ thuật Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 22 2 VL3 1 VL2 VL4 4 3 5 1- Bơm lỏng 2- Thùng chư ùa 3- Cột chư ùa nước 4- Lư u lư ợng kế lỏng 5- Cột chư ùa đệm 6- Áp kế chữ U 7- Ống chỉ mư ïc chất lỏng 8- Lư u lư ợng kế khí 9- Quạt thổi khí SƠ ĐỒ HỆ THỐNG THÁP ĐỆM 7 VL5 VK1 9 V8 8 6 . trình và thiết bò công nghệ hóa chất – nxb khoa học và kỹ thuật Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 22 2 VL3 1 VL2 VL4 4 3 5 1- Bơm lỏng 2- Thùng chư ùa 3- Cột chư ùa nước 4- Lư u. hãm B- Điểm treo C- Điểm đảo pha D- Điểm sặc OA- Chế độ màng AB- Chế độ treo BC-Chế độ nhũ tư ơng CD- Chế độ kéo theo W y 0 B C D A Khoá Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 18 Hình. Hóa Giáo trình thực hành Quá trình và thiết bò 16 BÀI 3. THÁP ĐỆM I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: - Khảo sát đặc tính động lư ïc học lư u chất và khả năng hoạt động của tháp đệm bằng cách xác đònh: - Ảnh