Phúc trình thí nghiệm quá trình và thiết bị bài cột chêm

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Trường Đại học Bách Khoa
Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu khí
BỘ MÔN MÁY & THIẾT BỊ

Phúc trình Thí nghiệm
Quá trình & Thiết bị

Bài:
CỘT CHÊM

CBHD: Thầy Trần Lê Hải
Sinh viên: Nguyễn Thị Thủy
MSSV: 1413899
Nhóm, lớp: 3.7 – A03 – HC14HD
Ngày TN: 06/09/2016

Năm học: 2016 - 2017

1


Mục lục
Mục lục............................................................................................................................................2

I. TRÍCH YẾU:
1.1. 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:
• Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) khi đi qua cột.
• Sự biến đổi của hệ số ma sát cột khô fck theo chuẩn số Reynolds (Re) của dòng khí và suy
ra các hệ thức thực nghiệm.

• Sự biến đổi của thừa số σ liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột khô và qua cột ướt
theo vận tốc dòng lỏng.
• Giản đồ giới hạn khả năng hoạt động của cột (giản đồ ngập lụt và gia trọng).
1.2. Phương pháp thí nghiệm:
Cho dòng khí với các lưu lượng khác nhau qua cột có chứa các vật chêm bằng sứ. Lần lượt khảo
sát độ giảm áp khi chỉ có dòng khí chuyển động qua cột (cột khô) và khi có dòng khí chuyển
động qua cột kết hợp với dòng lỏng chảy từ trên xuống với lưu lượng khác nhau (cột ướt).
1.3. Kết quả thí nghiệm:
G(%)

L=0(ga/phút)

L=0,2

L=0,4

L=0,6

L=0,8

L=1,0

L=1,2

L=1,4

L=1,6

∆Pck
(mmH2O)

∆P

∆P

∆P

∆P

∆P

∆P

∆P

∆P

2


10

4

4

4

4

5

4

4

4

5

20
30
40
50
60
70
80
90
100

7
15
28
27
37
50
65
78
95

7
15
22
33
45
61
80
109
149

8
15
25
32
55
85
125
165
229

10
15
29
42
65
112
170
235

8

19
32
54
115
180

9
22
36
70
143

9
24
50
120

15
33
83

19
38

II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM:
2.1. Độ giảm áp của dòng khí:
Độ giảm áp ∆Pck của dòng khí qua cột phụ thuộc vào vận tốc khối lượng G của dòng khí qua cột
khô (không có dòng chảy ngược chiều). Khi dòng 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 dòng khí.

∆Pck = αGn với n = 1,8 – 2,0.
(1)
Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trống giữa những vật chêm bị thu hẹp lại. Dòng
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 dòng khí lên, ảnh hưởng cản trở của dòng lỏng tăng lên đều đặn
cho đến một trí số tới hạn của vận tốc khí, lúc đó độ giảm áp của dòng 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 dòng khí quá trị số tới hạn này, ảnh hưởng cản trở hỗ tương giữa dòng
lỏng và dòng khí rất lớn, ∆Pc tăng mau chóng không theo phương trình (1) nữa. Dòng lỏng lúc
này chảy xuống cũng khó khăn, cột chêm ở điểm lụt.

3


Đường biểu diễn log(∆Pc/Z) (độ giảm áp suất của dòng khí qua một đơn vị chiều cao của phần
chêm trong cột) dự kiến như trình bày trên hình 1

2.2. Hệ số ma sát fCK theo ReC khi cột khô:
Chilton và Colburn đề nghị một hệ thức liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm khô
với vận tốc khối lượng của dòng khí qua cột.

∆Pck = 2f ck

G 2Z
γ h γ w , N/m2
ρg D h

Z: chiều cao phần chêm, m.
G: vận tốc khối lượng dòng khí dựa trên một đơn vị tiết diện cột, kg/s.m2.
Dh: kích thước đặc trưng của vật chêm, m.

ρg: khối lượng riêng của pha khí, kg/m3.
γh: hệ số điều chỉnh dùng cho vật chêm rỗng.
γw: hệ số hiệu chỉnh ảnh hưởng của thành cột lên độ xốp của cột chêm.
Sherwood tổng hợp kết quả của một số nghiên cứu và đưa ra trị số sau cho vòng sứ Raschig:
γh = 0,35
γw = 1
Tuy nhiên, Zhavoronkov đề nghị một hệ thức khác chính xác hơn vì đã đưa được trị số độ xốp
của cột chêm vào hệ thức:
2f ck G 2 Z
∆Pck = 2
, N/m2
ε ρG D e
Với:
ε: độ xốp của vật chêm.
4ε
De =
: đường kính tương đương của vật chêm, m.
a
a: diện tích bề mặt riêng của vật chêm, m2/m3.
Hệ số ma sát fck là hàm số theo chuẩn số vô thứ nguyên Rec, với Rec được tính theo công thức
sau:
4


Re c =

GD e 4G
=
εµ
aµ

µ: độ nhớt của dòng khí, kg/ms.
Zhavoronkov đã xác định được khi dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy rối
ứng với trị số Rec = 50. Trong vùng chảy rối, 50 < Rec < 7000 với cột chêm ngẫu nhiên. Ta được:
3,8
f ck =
Re c0, 2
Tuy nhiên, các hệ thức tổng quát trên không được chính xác lắm vì không xem xét được toàn bộ
ảnh hưởng của hình dạng vật chêm.
2.3. 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 = σfck
Với σ: hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, kg/m2s.
Leva đề nghị ảnh hưởng của L lên σ như sau:
σ = 10ΩL
hay
logσ = ΩL
Giá trị σ tùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm (xếp ngẫu nhiên hay theo thứ
tự) và độ lớn của lưu lượng dòng lỏng L. Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig 12,7mm, chêm
ngẫu nhiên, độ xốp ε = 0,586; giá trị của L từ 0,39 đến 11,7 kg/m2s và cột hoạt động trong vùng
dưới điểm gia trọng.
Ω = 0,084
Một số tài liệu còn biểu diễn sự phụ thuộc giữa tỉ số

∆p cö
với hệ số xối tưới như sau:
∆p ck

 GL  q



2
 Fρ L  2 gε
Khi A< 0,3 cho vật chêm bằng sứ có d < 30mm, ta có:
∆p cö
1
=
∆p ck
(1 − A ) 3
4G L
Re L =
Faµ L
2.4. 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 GL
tương ứng với trạng thái này là GL*.
A = 33

1,75
Re L

5


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.
 f ck a  v 2 ρG 0,2
Π1 =  3 
µtñ

 ε  2g ρ L

L ρG
G ρL
Với fck: hệ số ma sát cột khô.
v: vận tốc dài của dòng khí ngay trước khi vào cột, m/s.
và

Π2 =

µtđ: độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước, µtñ =

µl
, nếu chất lỏng là nước thì
µ nöôùc

µtđ = 1.
Do đó sự liên hệ ∏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.
III. DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM:
3.1. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm:
Gồm có:
• Cột thủy tinh, bên trong là các vòng sứ Raschig xếp chêm ngẫu nhiên.
• Hệ thống cấp khí gồm có:
• Bơm (quạt) thổi khí BK.
• Ống dẫn khí.
• Áp kế sai biệt chữ U.
• Lưu lượng kế khí F có độ chia từ 8 đến 100%.
• Hệ thống cấp nước gồm:
• Thùng chứa nước bằng nhựa N.

• Bơm chất lỏng BL.
• Lưu lượng kế lỏng Fl có độ chia từ 0,2 dến 3,5 galon/ph
6


3.2. Phương pháp thí nghiệm:
1) Khóa lại tất cả van lỏng (từ 1 đến 4).
2) Mở van 5 và khóa van 6.
3) Cho quạt chạy trong 5 phút để thổi hết ẩm trong cột. Tắt quạt.
4) Mở van 1 và 2, sau đó cho bơm chạy.
5) Mở van 3 và từ từ khóa van 1 để điều chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống định
mức g. Tắt bơm và khóa van 3.
6) Đo độ giảm áp của cột khô:
• Khóa tất cả các van lỏng lại. Mở van 6 còn van 5 vẫn đóng. Cho quạt chạy rồi từ
từ mở van 5 để chỉnh lưu lượng khí vào cột.
• Ứng với mỗi giá trị lưu lượng khí đã chọn ta đọc ∆Pck trên áp kế U theo mmH2O.
Đo xong tắt quạt, nghỉ 5 phút.
7) Đo độ giảm áp khi cột ướt:
• Mở quạt và điều chỉnh lưu lượng khí qua cột khoảng 15 – 20%.
• Mở van 1 và cho bơm chạy. Dùng van VL tại lưu lượng kế để chỉnh lưu lượng lỏng
(lưu lượng kế lỏng có vạch chia 0,1; 0,2; …;1,6). Nếu VL đã mở tối đa mà phao
vẫn không lên thì dùng van 1 để tăng lượng lỏng.
• Ứng với lưu lượng lỏng đã chọn (ví dụ: 0,1; 0,2…) cố định, ta chỉnh lưu lượng khí
và đọc độ giảm áp ∆Pcư giống như ∆Pck trước đó. Chú ý là tăng lượng khí đến điểm
lụt thì thôi.
Chú ý:
• Trong quá trình đo độ giảm áp của cột ướt cần canh giữ mức long ở đáy cột luôn
ổn định ở ¾ chiều cao đáy bằng cách chỉnh van 4. Nếu cần, tăng cường van 2 để
nước trong cột thoát về bình chứa (van 2 dùng để xả nhanh khi giảm lưu lượng
khí).

• Khi tắt máy phải tắt bơm lỏng BL trước, mở tối đa van 4 sau đó tắt quạt BK.
• Nếu sơ xuất để nước tràn vào ống dẫn khí thì mở van xả nước ở phía bảng.
IV. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM:
4.1. Kết quả tính toán:
Bảng 1: Kết quả tính toán cho cột khô
G
(%)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

G
kg/s.m2
0.0841
0.1682
0.2523
0.3364
0.4205
0.5046
0.5887
0.6728
0.7569
0.8410

∆Pck
(mmH2O)
4
7
15
28
27
37
50
65
78
95

∆Pck
(N/m2)
39.24
68.67
147.15
274.68
264.87
362.97
490.50
637.65
765.18
931.95

∆Pck/Z
(N/m3)
93.429

163.500
350.357
654.000
630.643
864.214
1167.857
1518.214
1821.857
2218.929

fck

Reck

logG

log∆Pck/Z

15.7024
6.8698
6.5427
6.8698
4.2396
4.0346
4.0057
3.9869
3.7802
3.7293

46.4683

92.9365
139.4048
185.8731
232.3414
278.8096
325.2779
371.7462
418.2145
464.6827

-1.075
-0.774
-0.598
-0.473
-0.376
-0.297
-0.230
-0.172
-0.121
-0.075

1.970
2.214
2.545
2.816
2.800
2.937
3.067
3.181
3.261

3.346
7


Bảng 2: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L = 0, 2
G (%)

G,kg/s.m2

∆Pcư
(mmH2O)

∆Pcư
(N/m2)

∆Pcư/Z
(N/m3)

fcư

Recư

σ

10

0.08

4

39.24

93.43

15.70

34.50

1.00

20

0.17

7

68.67

163.50

6.87

34.50

1.00

30

0.25

15

147.15

350.36

6.54

34.50

1.00

40

0.34

22

215.82

513.86

5.40

34.50

0.79

50

0.42

33

323.73

770.79

5.18

34.50

1.22

60

0.50

45

441.45

1051.07

4.91

34.50

1.22

70

0.59

61

598.41

1424.79

4.89

34.50

1.22

80

0.67

80

784.80

1868.57

4.91

34.50

1.23

90

0.76

109

1069.29

2545.93

5.28

34.50

1.40

100

0.84

149

1461.69

3480.21

5.85

34.50

1.57

Bảng 3: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L = 0, 4

G (%)

G,kg/s.m2

∆Pcư
(mmH2O)

∆Pcư
(N/m2)

∆Pcư/Z
(N/m3)

fcư

Recư

σ

10

0.08

4

39.24

93.43

15.70

216.75

1.00

20

0.17

8

78.48

186.86

7.85

216.75

1.14

30

0.25

15

147.15

350.36

6.54

216.75

1.00

40

0.34

25

245.25

583.93

6.13

216.75

0.89

50

0.42

32

313.92

747.43

5.02

216.75

1.19

60

0.50

55

539.55

1284.64

6.00

216.75

1.49

70

0.59

85

833.85

1985.36

6.81

216.75

1.70

80

0.67

125

1226.25

2919.64

7.67

216.75

1.92

90

0.76

165

1618.65

3853.93

8.00

216.75

2.12
8


100

0.84

229

2246.49

5348.79

8.99

216.75

2.41

Bảng 4: Tính toán cho cột ướt tại L = 0, 6
G (%)

G,kg/s.m2

∆Pcư
(mmH2O)

∆Pcư
(N/m2)

∆Pcư/Z
(N/m3)

fcư

Recư

σ

10

0.08

4

39.24

93.43

15.70

325.13

1.00

20

0.17

10

98.10

233.57

9.81

325.13

1.43

30

0.25

15

147.15

350.36

6.54

325.13

1.00

40

0.34

29

284.49

677.36

7.12

325.13

1.04

50

0.42

42

412.02

981.00

6.59

325.13

1.56

60

0.50

65

637.65

1518.21

7.09

325.13

1.76

70

0.59

112

1098.72

2616.00

8.97

325.13

2.24

80

0.67

170

1667.70

3970.71

10.43

325.13

2.62

90

0.76

235

2305.35

5488.93

11.39

325.13

3.01

Bảng 5: Tính toán cho cột ướt tại L = 0,8
G (%)

G,kg/s.m2

∆Pcư
(mmH2O)

∆Pcư

(N/m2)

∆Pcư/Z
(N/m3)

fcư

Recư

σ

10

0.08

5

49.05

116.79

19.63

433.51

1.25

20

0.17

8

78.48

186.86

7.85

433.51

1.14

30

0.25

19

186.39

443.79

8.29

433.51

1.27

40

0.34

32

313.92

747.43

7.85

433.51

1.14

50

0.42

54

529.74

1261.29

8.48

433.51

2.00

60

0.50

115

1128.15

2686.07

12.54

433.51

3.11

70

0.59

180

1765.80

4204.29

14.42

433.51

3.60
9


Bảng 6: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L = 1, 0
G (%)

G,kg/s.m2

∆Pcư
(mmH2O)

∆Pcư
(N/m2)

∆Pcư/Z
(N/m3)

fcư

Recư

σ

10

0.08

4

39.24

93.43

15.70

541.88

1.00

20

0.17

9

88.29

210.21

8.83

541.88

1.29

30

0.25

22

215.82

513.86

9.60

541.88

1.47

40

0.34

36

353.16

840.86

8.83

541.88

1.29

50

0.42

70

686.70

1635.00

10.99

541.88

2.59

60

0.50

143

1402.83

3340.07

15.59

541.88

3.86

Bảng 7: Kết quả tính toán cho cột ướt tại L = 1, 2
G (%)

G,kg/s.m2

∆Pcư
(mmH2O)

∆Pcư
(N/m2)

∆Pcư/Z
(N/m3)

fcư

Recư

σ

10

0.08

4

39.24

93.43

15.70

650.26

1.00

20

0.17

9

88.29

210.21

8.83

650.26

1.29

30

0.25

24

235.44

560.57

10.47

650.26

1.60

40

0.34

50

490.50

1167.86

12.27

650.26

1.79

50

0.42

120

1177.20

2802.86

18.84

650.26

4.44

Bảng 8: Kết quả tính toán cột ướt tại L = 1, 4
G (%)

G,kg/s.m2

∆Pcư
(mmH2O)

∆Pcư
(N/m2)

∆Pcư/Z
(N/m3)

fcư

Recư

σ

10

0.08

4

39.24

93.43

15.70

758.63

1.00

20

0.17

15

147.15

350.36

14.72

758.63

2.14
10


30

0.25

33

323.73

770.79

14.39

758.63

2.20

40

0.34

83

814.23

1938.64

20.36

758.63

2.96

Bảng 9: Kết quả tính toán cột ướt tại L=1,6
G (%)

G,kg/s.m2

∆Pcư
(mmH2O)

∆Pcư
(N/m2)

∆Pcư/Z
(N/m3)

fcư

Recư

σ

10

0.08

5

49.05

116.79

19.63

867.01

1.25

20

0.17

19

186.39

443.79

18.65

867.01

2.71

30

0.25

38

372.78

887.57

16.57

867.01

2.53

Bảng 10: Các trị số khi cột lụt

L
G*
(ga/ph) (%)

L
(kg/s)

G*
L/G*
(kg/m.s2)

0.4

100

0.6

90

0.8

70

1.0

60

0.030
1
0.0452
0.060
3
0.0753

1.2

50

0.0904 0.4205

1.4

40

0.1054 0.3364

1.6

30

0.1205 0.2523

v
(m/s)

Π1

Π2

logΠ1

logΠ2

0.8410

0.03582 0.7493

0.2275

0.00120

-0.6429

-2.9195

0.7569

0.05970 0.6743

0.1868

0.00201

-0.7286

-2.6976

0.5887

0.10235 0.5245

0.1198

0.00344

-0.9217

-2.4636

0.5046

0.14925
0.2149

3
0.3134
3
0.4776
1

0.4496

0.0886

0.00502

-1.0525

-2.2997

0.3746

0.0647

0.00722

-1.1893

-2.1413

0.2997

0.0671

0.01053

-1.1735

-1.9775

0.2248

0.0359

0.01605

-1.4446

-1.7945

Bảng 11: Các kết quả hệ thức thực nghiệm
Mối liên hệ
Pck/Z theo G tại L = 0,0
Pcư/Z theo G tại L = 0,2

Kết quả thực nghiệm
y = 2426.6x2 + 518.83x + 47.493
y = 6179x2 - 1554x + 262.38
11


Pcư/Z theo G tại L = 0,4
Pcư/Z theo G tại L = 0,6
Pcư/Z theo G tại L = 0,8

Pcư/Z theo G tại L = 1,0
Pcư/Z theo G tại L = 1,2
Pcư/Z theo G tại L = 1,4
Pcư/Z theo G tại L = 1,6

y = 11582x2 - 4189.8x + 519.31
y = 16075x2 - 5956.1x + 674.02
y = 22722x2 - 7610.8x + 724.07
y = 25002x2 - 7641.2x + 672.69
y = 33257x2 - 9200.4x + 700.71
y = 32196x2 - 6457x + 437.95
y = 8255.3x2 + 1805.2x - 93.429

Mối liên hệ

Kết quả thực nghiệm

Log fck theo Log Re ck ở L = 0, 0

y = -0.5924x + 2.1033

Log fcư theo Log Re ck ở L = 0, 2

y = -0.4071x + 1.7314

Log fcư theo Log Re ck ở L = 0, 4

y = -0.2103x + 1.3632

Log fcư theo Log Re ck ở L = 0, 6

y = -0.1479x + 1.2882

Log fcư theo Log Re ck ở L = 0,8

y = -0.1354x + 1.3239

Log fcư theo Log Reck ở L = 1, 0

y = -0.0562x + 1.1712

Log fcư theo Log Reck ở L = 1, 2

y = 0.0668x + 0.9661

Log fcư theo Log Reck ở L = 1, 4

y = 0.1235x + 0.9592

Log fcư theo Log Reck ở L =1,6

y = -0.1453x + 1.5409

Mối liên hệ
Log σ theo L tại G = 10%
Log σ theo L tại G = 20%
Log σ theo L tại G = 30%

Kết quả thực nghiệm
y = 0.0346x - 0.0069

y = 0.2568x - 0.0744
y = 0.3103x - 0.1269

4.2. Đò thị:

12


13


14


15


16


17


18


19


20

21


22


23


24


V. BÀN LUẬN:
25