Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị công nghệ bài 2 cột chêm

TỔNG LIÊN ĐỒN LAO ĐỘNG VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC THẮNG
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ
BÀI 2: CỘT CHÊM


NĂM HỌC 2018 - 2019

I: Trích yếu
I.1. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột
chêm bằng cách xác định:
a) Ảnh hưởng của vận tốc dịng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm
áp) khi đi qua cột.
b) Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô f ck theo chuẩn số Reynolds (Re)
của dịng khí và suy ra các hệ thức thực nghiệm.
c) Sự biến đổi của thừa số σ liên hệ giữa độ giảm áp của dịng khí qua
cột khơ và qua cột ướt theo vận tốc dòng lỏng.
d) Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia
trọng).
I.2. Cơ sở lý thuyết
+ Độ giảm áp của dịng khí:
Độ giảm áp Pck của dịng khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng
G của dịng khí qua cột khơ (khơng có lỏng chảy ngược chiều). Khi
dịng 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 lũy thừa
từ 1,8 đến 2,0 của vận tốc dịng khí.
Pck = αGGn (1)

Với n=1,8 -2,0
Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trống giữa những vật
chêm bị thu hẹp lại. Dịng khí do đó di chuyển khó khăn hơn vì một
phần thể tích tự do giữa các vật chêm bị lượng chất lỏng chiếm cứ. Khi


tăng vận tốc dịng khí lên, ảnh hưởng cản trở của dòng lỏng tăng lên đều
đặn cho đến một trị số tới hạn của vận tốc khí, lúc đó độ giảm áp của
dịng 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 dịng khí q trị số
tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỗ tương giữa dịng lỏng và dịng khí rất
lớn, Pc tăng mau chóng khơng theo phương trình (1) nữa. Dịng lỏng lúc
này chảy xuống cũng khó khăn, cột chêm ở điểm lụt.
+ Hệ số ma sát fck theo Rec khi cột khơ:
Trở lực cột khơ:
Trong đó
h- chiều cao lớp đệm, m
w0 - vận tốc pha khí
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 của dịng chảy qua lớp hạt, phụ thuộc vào Rek
Khi chuyển động màng (Rek <40): fck
Khi chuyển động xoáy (Rek >40): fck

40
= Rek

16
0,2

= Rek

+ Độ giảm áp Pcư khi cột ướt:
Sự liên hệ giữa độ giảm áp cột khô Pck và cột ướt Pcư có thể biểu diễn
như sau:
Pcư = σPck
Do đó có thể dự kiến fcư =σ.fck
Với σ: hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, kg/m2.s


Leva đề nghị ảnh hưởng của L lên σ như sau:
σ = 10 ΩLL
hay log σ= ΩLL
Giá trị σ phụ 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.
+ 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 G L 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 liên hệ nhất định với nhau cho mỗi cột.
1 =

Và

(

f ck .a v 2 G
) . .td 0,2

3

2g L

2 =

L
G

G
L

Với:
fck: hệ số ma sát cột khô.
v: vận tốc dài của dịng khí ngay trước khi vào cột, m/s.
 td :

td 

l
nuoc

độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước.
, nếu chất lỏng
là nước thì td =1. Do đó sự liên hệ giữa 1 ,  2 trên giản đồ log 1 -log  2 sẽ
xác định một giản đồ lụt của cột chêm, phần giới hạn hoạt động của cột
chêm dưới đường này.
II: Thiết bị và phương pháp thí nghiệm

II.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm:

Chú thích:
I- Máy thổi khí
II-Lưu lượng kế dịng khí
III-Cột chêm
IV-Bồn chứa
V-Bơm
VI-Lưu lượng kế dịng lỏng
1,2- Van điều chỉnh lưu lượng
3-Van xả nước đọng trong ống khí
4,6- Van điều chỉnh lưu lượng dịng khí


5- Van tạo cột chất lỏng ngăn khí
7- Van điều chỉnh mức nước trong cột chêm
8- Van xả nhanh khi lụt cột chêm
9- Van xả đáy bồn chứa
D- Lớp đệm vịng sứ Raschig
II.2. Phương pháp thực hành thí nghiệm trong thực tế:
a) Khóa lại tất cả các van lỏng (từ 4 đến 8).
b) Mở van 2 và khóa van 1, 3.
c) Cho quạt chạy trong 5 phút để thổi hết ẩm trong cột. Tắt quạt.
d) Mở van 4 và 7. Sau đó cho bơm chạy.
e) Mở van 5 và từ từ khóa van 4 để chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang
bằng với ống ống định mức g (3/4 chiều cao đáy cột). Tắt bơm và khóa
van 5.
f) Đo độ giảm áp của cột khơ:
 Khóa tất cả các van lỏng lại. Mở van 1 cịn van 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
chữ U theo mmH2O. Đo xong tắt quạt, nghỉ 5 phút.
g) Đo độ giảm áp khi 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 điều
chỉnh lưu lượng lỏng. Nếu 6 đã mở tối đa mà phao vẫn khơng lên
thì dùng van 4 để tăng lưu 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 lưu
lượng khí đến điểm lụt thì thơi.


Chú ý:
a) 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 thốt về bình chứa.
b) Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng trước, mở tối đa van 8 sau đó tắt quạt.
c) Nếu sơ suất để nước tràn vào ống dẫn khí thì mở van xả nước ở phía
bảng.
III: Số liệu và xử lý số liệu
Kết quả đo và tính tốn trình bày theo các bảng sau:
a. Kết quả đo được:
Bảng 1:
Độ giảm áp P (mmH2O)
Khí
(l/p)
Lỏng(l/p)
0
3
4

5
6
7

60

80

100

120

140

160

180

0.3
7.1
7.5
8.2
10.4
19.8

0.4
7.5
7.8
26

0.5
8.6
9.4

0.8
9.6

1.1
10.3

1.5

2.1

b. Kết quả tính tốn:
Bảng 2: Các trị số kết quả khi cột khô L=0
G, kg/s.m²

Pck/Z,
(N/m²)/m

0,183
0,244

5,886
7,848

fck
6,23
4

5,88

Reck
111,34
6
148,46


0,305

9,81

0,366

15,696

0,427

21,582

0,488

29,43

0,549

41,202

6
5,62

9
5,42
7
5,26
2
5,12
4
5,00
5

1
185,57
7
222,69
2
259,80
8
296,92
3
334,03
8

Ví dụ:
Pck/Z = (0,3 x 9,81)/0,5 =5,886 (N/m²)/m
Với Z=0,5 (m) là chiều cao phần chêm
Ví dụ: Khi wk =60 (L/p)
Diện tích cột chêm: S=

d 2 x
4

=

0, 092 x
4

=6, 36.10-3 (m2)

Khối lượng riêng của khí ρk =1,165 (g/l) =1,165 (kg/m3)
=>Vận tốc khối lượng của dịng khí trên một đơn vị diện tích cột:
G=

 k xwk
S

=

1,165 x0, 001
6,36.10  3 =0,183

kg/s.m2

Ví dụ: Khi G =0,183 kg/m.s
μ = μo

273  C T 3/ 2
(
)
T  C 273 =

Rek =

4G
a k

=

17,3.10

4 x 0,183
349,5 x1,881.10 5

-6

(273  124)
273  30 3/2
(
)
x (273  30  124) 273
=1,881.10-5 (Pa.s)

=111, 346 (Rek >40 suy ra chuyển động xoáy)


fck=

16
Rek 0,2

=

16
111,3460,2

= 6,234

Tương tự cho Recư
Bảng 3: Các trị số kết quả trường hợp cột ướt L=3 l/p
G, kg/m2.s
0,183
0,244
0,305
0,366
0,427

Pcư/Z,
(N/m²)/m
26,752
35,669
44,586
71,338
98,09

fcư= σ fck

Recư

28,335
26,752
25,584

24,666
23,916

111,891
111,891
111,891
111,891
111,891

Ví dụ: Khi fck =6,234
ΩL =0,084

Lưu lượng dịng lỏng trên một đơn vị diện tích cột
kg/m2.s

5.10  5 x996
2
0, 09
.
4
L=
=7,828

σ = 10ΩLL =10(0,084x7,828) = 4,545 kg/m2.s
fcư = σ fck =4,545 x 6,234 = 28,335 kg/m2.s
Bảng 4: Các trị số kết quả trường hợp cột ướt L=4 l/p
G, kg/m2.s

Pcư/Z, (N/m²)/ fcư= σ fck
m

Recư


0,183
0,244
0,305

44,309
59,079
73,849

46,933
44,309
42,375

149,183
149,183
149,183

Bảng 5: Các trị số kết quả trường hợp cột ướt L=5 l/p
G, kg/m2.s
0,183
0,244

Pcư/Z, (N/m²)/ fcư= σ fck
m
73,41
77,753
97,88

73,412

Recư
186,486
186,486

Bảng 6: Các trị số kết quả khi cột lụt
G*, kg/m2.s

L/G*

1

2

Ví dụ:
f ck .a v 2 G
f ck .a v 2 G
0,2
( 3 ) . .td
( 3 ) . .1
2g L
1 = 
=  2g L

2 =

L
G

G
L

=

Bảng 7: Các kết quả, hệ thức thực nghiệm
Mối liên hệ
Log Pck/Z theo log G
Pcư/Z theo G

L(l/p)
0
3
4
5

Kết quả thực nghiệm
y=0,5369x -1,0979
y=292,37x-33,886
y=242,13x-0,001
y=405.15x


Log fck theo Rec

0

Log fcư theo Rec

3

4
5
G=0,183 kg/m2.s
G=0,244 kg/m2.s
G=0,305 kg/m2.s

Log σ theo L tại

Đồ

y=1E-12x2-8E07x+0,8752
y=0,0078x
y=0,011x
y=0,0101x+1E-16
y=0,0839x + 0,0011
y=0,0839x + 0,0011
y=0,0839x + 0,0011

thị




IV: Nhận xét đánh giá và bàn luận kết quả thí nghiệm
1) Ảnh hưởng của G lên độ giảm áp khi cột khô và cột ướt
Như đã nhắc đến trong phần cơ sở lý thuyết ở trên, độ giảm áp của dịng
khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G của dịng khí. Khi vận
tốc dịng khí tăng dần thì độ giảm áp cũng tăng theo. Đối với cột khơ khi
chỉ có lưu lượng khí thì Pck/Z tăng theo lũy thừa (tuyến tính) theo G.
Cịn khi có dịng lỏng chảy ngược chiều, khi vận tốc dịng khí tăng lên

thì độ giảm áp cũng tăng vọt theo. Tăng vọt ở đây nghĩa là ban đầu dịng
lỏng chưa có chỉ có khí thổi vào cột nhưng khi có lỏng chảy ngược
chiều, độ giảm áp cũng tăng nhưng không tăng theo qn tính như một
đường thẳng mà tăng “vọt” sau đó khi sự tăng lưu lượng dòng lỏng ổn
định dần rồi thì độ giảm áp mới từ từ ổn định theo. Cho đến khi mà dịng
lỏng chảy khó khăn và cột ở điểm lụt.
2) Mục đích và cách sử dụng giản đồ f theo Re
Giản đồ f theo Re dùng để biểu diễn sự phụ thuộc hệ số ma sát của dòng
chảy vào lưu lượng của các dòng lưu chất. Khi mà lưu lượng dịng tăng
thì hệ số ma sát càng nhỏ và ngược lại. Nên ta thấy rằng khi chỉ có dịng
khí qua cột chêm thì fck vẫn lớn và nhỏ dần theo khi lưu lượng dịng khí
tăng dần. Cũng như vậy đối với fcư, lúc này có 2 dịng lưu chất chảy
ngược chiều nhanh và được tăng dần lưu lượng nên f cư hầu như rất bé và
nhỏ dần.
Mục đích của giản đồ f theo Re là xác định lưu lượng dòng sao cho hợp
lý để hệ số ma sát nhỏ, hiệu suất truyền khối cao và tránh cột ngập lụt.
Cách sử dụng giản đồ f theo Re: giả sử khi ta biết 1 trong 2 giá trị f hoặc
Re thì ta có thể gióng 1 đường thẳng song song với trục hoành hoặc trục
tung,đường thẳng này sẽ cắt giản đồ tại một điểm.Và tại giao điểm đó ta
lại kẻ tiếp một đường thẳng song song với trục tung hoặc trục hoành.Giá


trị của trục tung hoặc trục hồnh chính là giá trị ứng với giá trị mà chúng
ta đã có ban đầu.
3) Sự liên hệ giữa các đối tượng khảo sát có theo như dự đốn khơng?
Nếu khơng giải thích lý do.
Dựa trên kết quả thực nghiệm là các phương trình đường và mối liên hệ
giữa các đại lượng, thông số với nhau, ta có thể xem như các đối tượng
khảo sát liên hệ nhau gần như theo dự đốn. Nói là gần như là bởi trong
q trình thực hành thí nghiệm khó có thể đạt được độ chính xác tuyệt

đối như theo lý thuyết mà còn phụ thuộc vào các yếu tố khách quan và
chủ quan bên ngồi. Những thơng số ta thu nhận được chắc chắn sẽ có
sai lệch và sẽ ảnh hưởng đến lý thuyết cần chứng minh nhưng không
nhiều.
Log Pck/Z theo log G là một đường thẳng tuyến tính. Vận tốc dịng khí
đi vào cột khơ tăng dần theo độ giảm áp của của cột trên một đơn vị diện
tích.
Pcư/Z theo G tại các giá trị tương ứng của dịng lỏng L có xu hướng tăng
dần theo lưu lượng lỏng. Ban đầu khi L=3 l/p, dòng lỏng tăng một cách
đột ngột do L ban đầu bằng 0 nên đồ thị tăng biến động theo do đó độ
giảm áp trên một đơn vị diện tích cột chưa kịp ổn định theo lưu lượng
dòng lỏng L. Nhưng khi tăng L từ 3 l/p dần lên 4 l/p rồi 5 l/p, lưu lượng
lỏng tăng đều hơn nên đường thẳng càng trở nên tuyến tính dẫn đến Pcư/
Z tăng dần một cách ổn định hơn.



Tài liệu tham khảo
[1]. GS,TSKH Nguyễn Bin và tập thể, Sổ tay Q trình và Thiết bị cơng
nghệ hóa chất, Tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật Hà Nội.
[2]. Giáo trình Bộ mơn thí nghiệm q trình và thiết bị cơng nghệ.
[3]. Bảng tra cứu q trình cơ học truyền nhiệt và truyền khối, Nhà xuất
bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh năm 2015.