KHUẤY CHẤT LỎNG

* Mục đích :
- Tạo ra hỗn hợp không đồng nhất tương đối đồng đều từ các thể tích lỏng, khí
rắn có tính chất thành phần khác nhau : dung dịch, nhũ tương, huyền phù…
- Tăng cường hiệu quả của quá trình công nghệ : trao đổi nhiệt, chuyển khối
và các quá trình hóa học

* Phương pháp :

Bơm tuần hòan
Sục khí

Có 4 phương pháp chủ yếu

Cơ khí (dùng cánh khuấy)
Đồng hóa


PHƯƠNG PHÁP
1) Bơm tuần hoàn :
- Khả năng lưu chuyển V lớn (>5 m3)
- Phức tạp về thiết bị
- Khả năng đồng đều phụ thuộc số lần tuần hoàn
- Cải tiến : bổ sung đoạn ống khuấy trộn


2) Sục khí :
- Không có hiện tượng ăn mòn
- Không sử dụng cho dung dịch dễ bay hơi và độc hại
- Phù hợp với các diện tích cần xử lý lớn

Clip mô tả phương pháp sục khí
tại 1 bể aerotank


3) Cơ khí (dùng cánh khuấy)
- Dùng với thể tích V nhỏ ( < 5m3)
- Thích hợp dùng nhiều bình khuấy nhỏ


4) Đồng hóa :
- Tạo hỗn hợp đồng nhất từ những thành phần khó hòa trộn vào nhau
- Nguyên tắc : tạo sự giảm áp suất đột ngột bằng cách đẩy chất lỏng qua
những khe hẹp (áp suất giảm từ 152 kg/cm2 xuống còn 2-3kg/cm2).
Bơm áp
suất cao

Vùng chứa
chất lỏng

Khe giảm áp


Hỗn hợp dầu
và nước

Hệ nhũ
tương

Quá trình đồng hóa

* Các chỉ tiêu cơ bản để đánh giá quá trình khuấy :
- Mức độ khuấy trộn : sự phân bổ tương hỗ của hai hoặc nhiều chất
sau khi khuấy
- Loại cánh khuấy, thời gian khuấy
Số vòng quay n của cánh khuấy
- Cường độ khuấy trộn :

Vận tốc vòng v ở đầu cánh khuấy
Công suất khuấy trộn
Chuẩn số Rek đặc trưng cho quá trình khuấy

- Hiệu quả khuấy trộn : thiết bị được xem là hiệu quả khi nó đạt yêu
cầu công nghệ đề ra với hao phí năng lượng là tối thiểu


THIẾT BỊ KHUẤY CƠ HỌC

* Các bộ phận của thiết bị khuấy :
- Cơ cấu khuấy (cánh khuấy)
- Trục khuấy
- Cơ cấu truyền động
- Động cơ


Cơ cấu khuấy nhanh : tuabin, đĩa, …
I. Cơ cấu khuấy :

Cơ cấu khuấy chậm : mỏ neo, khung,…

Nhìn chung, cơ cấu khuấy nhanh thường được được dùng để khuấy trộn
chất lỏng có độ nhót thấp và cơ cấu khuấy chậm thường được dùng cho
chất lỏng có độ nhớt cao.


* Các loại cánh khuấy :
1) Mái chèo :
- Dùng với thùng khuấy có kích thước lớn
- Không thích hợp với chất lỏng có bề dày lớn
- Lực ma sát lớn , không thích hợp với dung
dịch có độ nhớt cao ( > 1cP ở 20 ºC)


2) Chân vịt :
- Cánh cong, hàn nghiên và chuyển động theo phương dọc trục
- Thuận tiện với lớp chất lỏng dày
- Thích hợp đối với chất lỏng có độ nhớt cao


3) Tuốc bin
- Chi phí năng lượng cao
- Cùng lúc tạo được 2 dòng chảy khác nhau


- Tuabin kín : có cấu tạo như tuabin hở nhưng có thêm vòng định hướng
bên ngoài giúp tăng chuyển động theo hướng kính


* Ảnh hưởng của các dòng chuyển động lên hiệu quả khuấy trộn :
- Dòng chuyển động theo phương chiều trục (lên xuống) thích hợp cho

quá trình hòa tan của chất rắn
- Dòng chuyển động theo phương bán kính (qua lại) thích hợp cho quá
trình hòa trộn khí – lỏng hoặc lỏng – lỏng


* Lõm xoáy :
- Lực ly tâm đẩy chất lỏng và tạo lõm xoáy, bọt khí bị hút vào trong
+ Bọt khí va đập vào cánh khuấy,
+ Tạo sự phân lớp

n.d k2 .ρ
Re k =
µ

n : tốc độ quay của cánh khuấy
dk : đường kính cánh khuấy
( Nếu Re > 300 có thể sinh ra lõm xoáy )
Hiện tượng lõm xoáy làm mất mát năng lượng của hệ, làm giảm hiệu
suất hoạt động và gây ra sự va đập thủy lực có hại cho thiết bị


* Các phương pháp tránh lõm xoáy :
a) Đặt tấm chặn :
- Khả năng phá lõm xoáy là 100%
- Công suất tiêu thụ lớn
b) Đặt lệch tâm cánh khuấy :
- Xem thành bình là tấm chặn
- Hệ phân bố không đều (chỉ phù hợp với V < 5m3)
c) Đặt ống tuần hoàn :
- Hạn chế phạm vi tác dụng của lõm xoáy

- Tạo dòng tuần hoàn


* Xác định bán kính tác dụng của cánh khuấy :
Công thức thực nghiệm :

747.N
R = 0,15.a.
0,0211.µ
N : công suất khuấy trộn (kW)
µ : độ nhớt dung dịch khuấy (cP)
Hệ số a theo cánh khuấy và vị trí

Lọai cánh khuấy

Vị trí cánh khuấy
Đúng tâm

Lệch tâm

Chân vịt

0,5

0,15

Tuốc bin

0,2

0,3


II. Trục khuấy :
- Là bộ phận truyền chuyển động trực tiếp cho cơ cấu khuấy
Trục đặc : thường làm bằng thép cacbon
- Có 2 loại :

Trục rỗng : thường làm bằng kim loại quý

- Trục rỗng thường sử dụng trong môi trường có tính ăn mòn mạnh
- Độ bền uốn và xoắn của 2 loại trục là tương đương nhau


III. Bộ truyền động :
Truyền động đai
- Có 2 loại :

Truyền động bánh răng

- Truyền động đai : số vòng quay cánh khuấy nhỏ (500-1000 rpm), tỉ số
truyền < 10 và hiệu suất truyền động khoảng 0,92 – 0,98
- Truyền động bánh răng : cơ cấu gọn nhưng độ ồn lớn, số vòng quay
cánh khuấy lớn, tỉ số truyền đa dạng (4 - 72)


IV. Động cơ :
- Động cơ điện : kết cấu đơn giản, chi phí vận hành thấp, việc thay đổi
số vòng quay phức tạp, thích hợp với công suất nhỏ và trung bình
- Động cơ thủy lực/khí : cơ cấu truyền động đơn giản, chỉnh số vòng

quay dễ dàng , chi phí vận hành lớn, thường được sử dụng trong môi
trường dễ cháy nổ


Các bước thiết kế hệ thống khuấy
* Xác định thông số hình học của bình khuấy :
Ho / H ≈ 60 – 70%
dk : đường kính cánh khuấy
(dk = 1/2 - 1/3 D)

dk

Ho H
h

h : khoảng cách từ cánh khuấy tới đáy
(h = 1/4 – 1/5 Ho)

D

* Chọn lọai cánh khuấy :
- Phụ thuộc vào thùng khuấy, lọai dung dịch cần khuấy, yêu cầu khuấy


* Tính số vòng quay n của cánh khuấy : (có 2 phương pháp)
a) Theo công thức :

n=

20.vTH

dk

(rps)

vTH : vận tốc thích hợp ở đầu cánh khuấy (m/s)
Lọai cánh

µ (Pa.s)

vTH (m/s)

Mái chèo

0,001 – 0,5
0,5 – 3

3 -2
1,2 – 1

Chân vịt

0,001 – 0,1
0,1 – 0,4

16 – 10
10 – 3,8

Turbin hở

0,001 – 5

5 -15
15 – 25

12 – 7,5
7,5 – 5,2
5,2 – 3,5

Turbin kín

0,001 – 5
5 – 15
15 – 25
25 – 40

10 – 7
7–5
5 – 3,5
3,5 – 2,5


b) Theo mô hình :

Mô hình

nM .d M2 .ρ
Re k =
µ
Rek < 20

20 ≤ Rek ≤ 7.10^4

Rek ≥ 7.10^4

Thực tế

nTT

= f (nM)

nTT= nM

d M 6 / 11
nTT = nM .( )
dTT

dM 2 / 3
nTT = nM .( )
dTT


* Xác định thời gian khuấy :

τ . n = Kτ (const)

thời gian khuấy

số vòng quay

a) Theo kinh nghiệm :

Kτ = Cτ . (D/d)^2
Cτ

Lọai cánh khuấy
Mái chèo
Chân vịt
Turbin hở
Turbin kín

Không có tấm chặn

Có tấm chặn

35
17
90
65

9,9
10
6,2
5,1