1 THỜI GIAN LƯU TÓM TẮT Báo cáo thí nghiệm thời gian lưu khái quát lại thí nghiệm với mục đính khảo sát phân bố thời gian lưu hệ thống thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục bao gồm thiết bị thiết bị, phân biệt tính tốn thời gian hưu trung bình lý thuyết thực tế thiết bị, đồng thời so sánh khác giá trị lý thuyết thực tế, thiết bị thiết bị khuấy trộn thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp hoạt động liên tục Từ lựa chon thiết bị phù hợp cho trình sản xuất để đạt xuất cao đồng thời có so sánh khả đáp ứng mơ hình, thiết bị lý thuyết với mơ hình, thiết bị thực tế để đưa đề xuất thay đổi thiết bị để phù hợp với q trình sản xuất Thơng qua phương pháp đánh dấu va chạm (xung) giúp ta theo dõi lưu lại phần tử xác định hệ dòng chảy, phần tử phải có đặc điểm khơng ảnh hưởng khác biệt với phần tử tạo nên tương quan hệ (ở mực màu nước) GIỚI THIỆU 2.1 Cơ sở lý thuyết Thời gian lưu thời gian trung bình phần tử lưu lại thiết bị phần tử lưu chất khác quãng đường khác thiết bị khoảng thời gian khác Thời gian lưu biểu thị thời gian để nồng độ cấu tử có thay đổi đáng kể phân tố thể tích Khái niệm thời gian lưu sử dụng rộng rãi môn học khoa học, kỹ thuật y học Mỗi môn học định nghĩa thời gian lưu theo khoảng cách khác cho ứng dụng khác nhiên cơng thức tốn học chung thời gian lưu biểu diễn sau: (12.1) Khi sử dụng cơng thức tính tốn thời gian lưu, số giả định cần thiết nhằm giảm tính phức tạp hệ thống Những giả định bao gồm: 1) Dòng vào dòng cố định, 2) thể tích hệ thống khơng thay đổi, 3) nhiệt độ khơng thay đổi, 4) Phân tán chất đồng thiết bị, 5) khơng có tượng phân hủy chất (phân hủy hóa học) phần tử hấp thụ bề mặt cản trở dòng chảy Nếu phân hủy hóa học diễn ra, thời gian lưu nhỏ so với thực tế chất xác định bị biến đổi hóa học trước thoát khỏi hệ thống theo cách tự nhiên Thời gian lưu thu gọn biến số không thứ nguyên định nghĩa sau: (12.2) Với: V: Thể tích hệ bình phản ứng v: lưu lượng dòng lưu chất vào thiết bị phản ứng t: thời gian phân tố lưu chất qua thiết bị : thời gian lưu trung bình : thời gian thể tích 2.2 Ứng dụng thời gian lưu sản xuất Trong lĩnh vực môi trường, thời gian lưu ứng dụng cho xử lý nước nước thải Nó đặc trưng cho thời gian nước lưu lại thiết bị phản ứng khuấy gián đoạn (batch reactor), thiết bị dạng ống (plug flow reactor), thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục (Completely mixed flow reactor – CMFR) bể tạo bông, lắng (flocculation tank) Trong trường hợp này, thông số quan trọng thời gian lưu chất lưu lại thiết bị có đủ để tham gia phản ứng (12.3) Trong đó: C: Nồng độ : Nồng độ ban đầu k: Hằng số vận tốc phản ứng : Thời gian lưu thiết bị Trong công thức này, thời gian lưu xác định thời gian thay đổi nồng độ tác chất hệ thống phụ thuộc vào tốc độ dòng, thể tích thiết bị, Nồng độ ban đầu tác chất, lượng hóa chất thêm vào cho trình xử lý tốc độ phản ứng diễn Công thức đặc biệt có ý nghĩa thiết bị hòa tan nhanh (flash mixer) trình xử lý nước nhằm xác định có q hay q nhiều hóa chất đưa vào hệ thống ban đầu Hàm phân bố thời gian lưu (Residence time distribution – RTD) thiết bị phản ứng hàm mô tả thời gian cấu tử lưu trú lại thiết bị phản ứng Người kỹ sư hóa sử dụng RTD để mơ tả q trình khuấy trộn, dòng chảy thiết bị so sánh điều kiện thiết bị thực thiết bị lý tưởng Điều quan trọng không cho việc xử lý cố thiết bị mà giúp dự đốn hiệu suất phản ứng q trình tính tốn thiết kế thiết bị Đồ thị biễu diễn mối quan hệ mật độ cấu tử thời gian lưu tương ứng gọi phổ phân bố thời gian lưu Hình: Phổ phân bố thời gian lưu Trong đó: E: Độ đo phân bố thời gian lưu bình tất phân tố E.: Phần lưu chất có thời gian lưu từ đến (12.4) Phần lưu chất có thời gian lưu nhỏ (12.5) Phần lưu chất có thời gian lưu lơn (12.6) Khái niệm đưa Macllin Weber vào năm 1935, ứng dụng phổ biến P.V Danckwerts phân tích tầm quan trọng năm 1953 2.3 Phương pháp xác định hàm phân bố thời gian lưu Để khảo sát khả hoạt động thiết bị phản ứng thực tế hàm phân bố trên, ta phải biết cách xác định hàm số Phương pháp thực nghiệm thường dùng trường hợp phương pháp kích thích - đáp ứng Các dạng tín hiệu kích thích đầu vào đáp ứng đầu trình bày hình Vì tiện lợi sử dụng đồng dạng tín hiệu đáp ứng đầu với hàm phân bố nên thường dùng tín hiệu kích thích có dạng bậc dạng xung Hình: Mơ tả phương pháp Kích thích – Đáp ứng Để đo thời gian lưu, mà thời gian phần tử xác định lưu lại hệ dòng chảy, người ta phải phân biệt với phần tử khác cách đánh dấu Các phần tử đánh dấu phải có dấu hiệu đặc điểm không ảnh hưởng khác biệt với phần tử tạo nên tương quan hệ Các loại chất thị đánh dấu môi trường là: Dung dịch màu, chất phóng xạ, chất đồng vị phóng xạ ổn định, hạt rắn phát sáng Hình: Các dạng tín hiệu Kích thích – Đáp ứng thường dùng 2.4 Dạng thiết bị phản ứng Bình khuấy lý tưởng hoạt động liên tục – CMFR: Bình khuấy lý tưởng có tính chất q trình khuấy trộn hồn tồn hỗn hợp phản ứng đồng tất phần thiết bị giống với dòng Điều có ý nghĩa phân bố thể tích phương trình liên quan lấy thể tích V tồn thiết bị phản ứng Mơ hình dãy hộp: Khi nối bình khuấy CMFR lại với ta có mơ hình dãy hộp Tổng qt, với mơ hình dãy hộp n bình mắc nối tiếp, ta có hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết sau: (12.7) Vẽ hàm tương ứng với theo giá trị khác nhau, ta có đồ thị hình Ta thấy khi: phổ hàm đáp ứng phổ bình khuấy lý tưởng phổ hàm đáp ứng phổ bình ống lý tưởng Hình: Phổ đáp ứng mơ hình bình khuấy lý tưởng hoạt động liên tục – CMFR 2.5 Xác định nồng độ cách đo mật độ quang Tỉ số hồn tồn thay tỷ số nên ta cần đo mật độ quang thay cho việc đo nồng độ Cơ sở định luật Lambert – Beer: (12.8) Trong đó: - : Hệ số hấp thu b: chiều dày cuvert chứa mẫu C: Nồng độ mẫu k: Hệ số tỉ lệ T: độ truyền suốt MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Khảo sát mối liên hệ nồng độ chất màu độ truyền suốt Phân biệt tính tốn thời gian lưu trung bình lý thuyết thời gian lưu trung bình thực tế - Khảo sát phân bố thời gian lưu hệ thống thiết bị khuấy trộn - hoạt động liên tục: Một thiết bị khuấy trộn, thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp Giải thích khác biệt thời gian lưu thực tế lý thuyết thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục, thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp THỰC NGHIỆM 4.1 Mơ Hình thí nghiệm Hình: Mơ Hình thí nghiệm 4.2 Trang bị hóa chất - Máy đo quang Cốc đựng mẫu Ống đong 4.3 Tiến hành thí nghiệm 4.3.1 Kiểm tra, vệ sinh hệ thống thiết bị - Bơm nước vào bình chứa 1, bật bơm để bơm nước lên bình 3( nước bình bơm đầy bình chiếm khoảng 2/3 dung tích - bình) Mở van cho nước chảy vào bình khấy 1, đầy bình tiếp tục bơm sang - bình 2, tương tự với bình Mở cánh khuấy kiểm tra hoạt động thiết bị - Kiểm tra xong Tắt hết thiết bị khóa van dẫn nước xuống bình khuấy 1, đồng thời tháo bình khuấy 1, 2, Sau khóa van tiến hành thí nghiệm 4.3.2 Thí nghiệm 1: Khảo sát phân bố thời gian lưu bình khuấy hoạt động liên tục Bước 1: Xác định Cho nước vào đầy bình ( mực nước bình giữ cố định vạch h = 100mm, d = 120mm), cho cánh khuấy hoạt động Dùng xylanh hút 2,5ml mực xanh cho vào phía bình khuấy, cho cánh khuấy hoạt động khoảng vài phút, sau lấy mẫu để xác định (đo nhiều mẫu để loại bỏ sai số trình đo) Bước 2: Khảo sát phân bố thời gian lưu - Thiết lập hệ thống bình khuấy trạng thái hoạt động ổn định Dùng xylanh hút 2,5ml mực xanh cho vào phía bình khuấy tương - ứng thời gian t = Ứng với khoảng thời gian cố định (30s), tiến hành lấy mẫu xác định độ - truyền suốt (T%) Kết thúc lấy mẫu nước bình hết màu (xanh) độ truyền suốt T gần 100% 4.3.3 Thí nghiệm 2: Khảo sát phân bố thời gian lưu bình khuấy mắc nối tiếp hoạt động liên tục - Thiết lập hệ thống bình khuấy bình khuấy trạng thái hoạt động ổn - định Dùng xylanh hút 2,5ml mực xanh cho vào phía bình khuấy tương - ứng thời gian t = Ứng với khoảng thời gian cố định (30s), tiến hành lấy mẫu bình - xác định độ truyền suốt (T%) Kết thúc lấy mẫu nước bình hết màu (xanh) độ truyền suốt T gần 100% KẾT QUẢ Thông số Giá trị 0,11 Q (l/phút) 0.33 0,12 Bảng: xác định D0 Thông số Giá trị (%) (1) 71,1 (%) (%) (2) 73,1 (%) (3) 72,1 Bảng: Khảo sát phân bố thời gian lưu bình khuấy hoạt động liên tục STT 10 11 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 100 74.6 77.9 79.3 83.3 83.9 85.5 86.1 86.2 88.4 89.3 STT 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 89.6 89.7 90.8 92.9 93.1 94 94.3 95.2 95.8 96 96.6 STT 23 24 25 660 690 720 97.8 99.6 99.6 Bảng: Xác định Thông số Giá trị (%) (1) 78,8 (%) (%) (2) 78,1 (%) (3) 78,9 Bảng: Khảo sát phân bố thời gian lưu bình khuấy mắc nối tiếp hoạt động liên tục STT STT STT 100 15 420 90.1 29 840 96.8 30 79.2 16 450 91.1 30 870 97.1 60 81.1 17 480 91.3 31 900 97.3 90 82.7 18 510 91.8 32 930 97.8 120 83.6 19 540 92.5 33 960 98 150 84.1 20 570 92.7 34 990 98 180 84.9 21 600 93 210 85.1 22 630 93.2 240 86.8 23 660 93.8 10 270 87 24 690 94.4 11 300 87.6 25 720 94.6 12 330 88.2 26 750 95 13 360 88.8 27 780 96 14 390 89.3 28 810 96.5 5.1 TÍNH TỐN MẪU VÀ SỐ LIỆU 5.1.1 Khảo sát phân bố thời gian lưu bình khuấy hoạt động liên tục  Tính tốn mẫu: - Thực nghiệm: - Lý thuyết:  Bảng số liệu STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 100 74.6 77.9 79.3 83.3 83.9 85.5 86.1 86.2 88.4 89.3 89.6 89.7 90.8 92.9 93.1 94 94.3 95.2 95.8 96 96.6 97.8 0.000 0.127 0.108 0.101 0.079 0.076 0.068 0.065 0.064 0.054 0.049 0.048 0.047 0.042 0.032 0.031 0.027 0.025 0.021 0.019 0.018 0.015 0.010 0.00 9.49 8.45 7.99 6.61 6.40 5.82 5.60 5.56 4.73 4.39 4.27 4.23 3.81 2.97 2.89 2.53 2.40 2.03 1.79 1.70 1.45 0.94 0.00 0.35 0.70 1.06 1.41 1.76 2.11 2.46 2.81 3.17 3.52 3.87 4.22 4.57 4.92 5.28 5.63 5.98 6.33 6.68 7.04 7.39 7.74 10 0.000 0.896 0.764 0.709 0.559 0.537 0.479 0.458 0.454 0.377 0.346 0.336 0.332 0.295 0.225 0.219 0.189 0.179 0.150 0.131 0.125 0.106 0.068 0.00 0.13 0.27 0.40 0.53 0.66 0.80 0.93 1.06 1.19 1.33 1.46 1.59 1.73 1.86 1.99 2.12 2.26 2.39 2.52 2.65 2.79 2.92 1.000 0.876 0.767 0.672 0.588 0.515 0.451 0.395 0.346 0.303 0.265 0.232 0.203 0.178 0.156 0.137 0.120 0.105 0.092 0.080 0.070 0.062 0.054 STT 24 25 690 720 99.6 99.6 0.002 0.002 0.17 0.17 8.09 8.44 0.012 0.012 3.05 3.18 0.047 0.041 Biểu đồ mối quan hệ Biểu đồ mối quan hệ Biểu đồ so sánh phân bố thời gian lưu thực tế lý thuyết bình khuấy hoạt động liên tục 5.2 Khảo sát phân bố thời gian lưu bình khuấy mắc nối tiếp hoạt động liên tục  Tính toán mẫu: - Thực nghiệm: - Lý thuyết:  Bảng số liệu ST T 30 60 90 120 150 180 100 79.2 81.1 82.7 83.6 84.1 84.9 0.00 0.10 0.09 0.08 0.08 0.08 0.07 0.00 8.02 7.38 6.82 6.50 6.32 6.04 0.00 0.34 0.68 1.02 1.36 1.71 2.05 11 0.00 1.93 1.73 1.57 1.48 1.43 1.35 0.00 0.07 0.13 0.20 0.27 0.33 0.40 0.00 0.23 0.41 0.53 0.62 0.68 0.72 ST T 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 85.1 86.8 87 87.6 88.2 88.8 89.3 90.1 91.1 91.3 91.8 92.5 92.7 93 93.2 93.8 94.4 94.6 95 96 96.5 96.8 97.1 97.3 97.8 98 98 0.07 0.06 0.06 0.06 0.05 0.05 0.05 0.05 0.04 0.04 0.04 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 5.96 5.34 5.26 5.04 4.81 4.58 4.39 4.08 3.69 3.61 3.41 3.13 3.05 2.93 2.85 2.61 2.36 2.28 2.12 1.70 1.49 1.37 1.24 1.16 0.94 0.86 0.86 2.39 2.73 3.07 3.41 3.75 4.09 4.44 4.78 5.12 5.46 5.80 6.14 6.48 6.82 7.17 7.51 7.85 8.19 8.53 8.87 9.21 9.55 9.90 10.24 10.58 10.92 11.26 1.33 1.17 1.15 1.10 1.04 0.98 0.94 0.86 0.77 0.75 0.71 0.64 0.63 0.60 0.58 0.53 0.48 0.46 0.42 0.34 0.29 0.27 0.24 0.23 0.18 0.17 0.17 0.46 0.53 0.60 0.66 0.73 0.80 0.86 0.93 1.00 1.06 1.13 1.19 1.26 1.33 1.39 1.46 1.53 1.59 1.66 1.73 1.79 1.86 1.92 1.99 2.06 2.12 2.19 0.73 0.73 0.72 0.70 0.68 0.65 0.61 0.58 0.54 0.51 0.47 0.44 0.41 0.37 0.34 0.32 0.29 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 0.16 0.15 0.13 0.12 0.11 Biểu đồ mối quan hệ Biểu đồ mối quan hệ Biểu đồ so sánh phân bố thời gian lưu thực tế lý thuyết bình khuấy mắc nối tiếp hoạt động liên tục Nhận xét bàn luận  So sánh hệ bình nhiều bình Dựa kết tính tốn ta đưa kết luận sau 12 - Ta thấy hệ bình bình khuấy liên tục lớn Khi ta so sánh thời điểm ta thấy hệ khuấy trộn bình hoạt động liên tục có giá trị nhỏ so với hệ bình, điều chứng tỏ hệ khuấy trộn bình mắc nối tiếp làm việc liên tục làm việc có hiệu 13 ... thời gian lưu Trong đó: E: Độ đo phân bố thời gian lưu bình tất phân tố E.: Phần lưu chất có thời gian lưu từ đến (12.4) Phần lưu chất có thời gian lưu nhỏ (12.5) Phần lưu chất có thời gian lưu. .. : thời gian lưu trung bình : thời gian thể tích 2.2 Ứng dụng thời gian lưu sản xuất Trong lĩnh vực môi trường, thời gian lưu ứng dụng cho xử lý nước nước thải Nó đặc trưng cho thời gian nước lưu. ..1 THỜI GIAN LƯU TĨM TẮT Báo cáo thí nghiệm thời gian lưu khái quát lại thí nghiệm với mục đính khảo sát phân bố thời gian lưu hệ thống thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục bao gồm thiết bị thiết