Báo cáo thực hành thiết bị: Thời gian lưu

1


1 THỜI GIAN LƯU
1.

TÓM TẮT
Báo cáo thí nghiệm thời gian lưu là khái quát lại bài thí nghiệm với mục đính

là khảo sát được sự phân bố thời gian lưu trong hệ thống thiết bị khuấy trộn hoạt
động liên tục bao gồm một thiết bị và 2 thiết bị, phân biệt và tính toán được thời
gian hưu trung bình lý thuyết và thực tế của thiết bị, đồng thời so sánh sự khác
nhau giữa các giá trị lý thuyết và thực tế, giữa các thiết bị 1 thiết bị khuấy trộn và
2 thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp hoạt động liên tục. Từ đó lựa chon được thiết bị
phù hợp cho quá trình sản xuất để đạt năng xuất cao nhất và đồng thời có những
so sánh về khả năng đáp ứng của mô hình, thiết bị lý thuyết với mô hình, thiết bị
thực tế để đưa ra được những đề xuất thay đổi thiết bị để phù hợp với quá trình
sản xuất. Thông qua phương pháp đánh dấu bằng va chạm (xung) giúp ta theo
dõi được sự lưu lại của các phần tử xác định trong hệ dòng chảy, các phần tử này
phải có đặc điểm không được ảnh hưởng và khác biệt với các phần tử tạo nên
tương quan trong hệ (ở đây là mực màu và nước).
2.

GIỚI THIỆU

2.1. Cơ sở lý thuyết
Thời gian lưu là thời gian trung bình của một phần tử lưu lại trong thiết bị.
những phần tử lưu chất khác nhau sẽ đi những quãng đường khác nhau trong
thiết bị và mất những khoảng thời gian khác nhau. Thời gian lưu biểu thị là thời
gian để nồng độ cấu tử có sự thay đổi đáng kể trong một phân tố thể tích
Khái niệm thời gian lưu được sử dụng rộng rãi trong các môn học về khoa

học, kỹ thuật và y học. Mỗi môn học định nghĩa thời gian lưu theo những khoảng
cách khác nhau cho những ứng dụng khác nhau tuy nhiên công thức toán học
chung của thời gian lưu có thể biểu diễn như sau:
(12.1)
Khi sử dụng công thức tính toán thời gian lưu, một số giả định cần thiết nhằm
giảm tính phức tạp của hệ thống. Những giả định bao gồm: 1) Dòng vào và dòng
ra cố định, 2) thể tích hệ thống không thay đổi, 3) nhiệt độ không thay đổi, 4)
Phân tán của chất đó đồng nhất trong thiết bị, 5) không có hiện tượng phân hủy
2


chất (phân hủy hóa học) hoặc các phần tử hấp thụ trên bề mặt cản trở dòng chảy.
Nếu sự phân hủy hóa học diễn ra, thời gian lưu sẽ nhỏ hơn so với thực tế vì chất
xác định đã bị biến đổi hóa học và mất đi trước khi thoát ra khỏi hệ thống theo
cách tự nhiên
Thời gian lưu thu gọn là một biến số không thứ nguyên được định nghĩa như
sau:
(12.2)
Với:

V: Thể tích của hệ bình phản ứng
v: lưu lượng của dòng lưu chất vào thiết bị phản ứng
t: thời gian phân tố lưu chất đi qua thiết bị
: thời gian lưu trung bình
: thời gian thể tích

2.2. Ứng dụng thời gian lưu trong sản xuất
Trong lĩnh vực môi trường, thời gian lưu được ứng dụng cho xử lý nước và
nước thải. Nó đặc trưng cho thời gian nước lưu lại trong 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) và bể tạo bông,
lắng (flocculation tank)
Trong trường hợp này, thông số quan trọng là thời gian lưu chất lưu lại trong
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 trong thiết bị
Trong công thức này, thời gian lưu được xác định là thời gian thay đổi nồng

độ của tác chất trong hệ thống và phụ thuộc vào tốc độ dòng, thể tích thiết bị,
Nồng độ ban đầu của tác chất, lượng hóa chất thêm vào cho quá trình xử lý và
tốc độ phản ứng diễn ra. Công thức này đặc biệt có ý nghĩa đối với thiết bị hòa
tan nhanh (flash mixer) trong quá trình xử lý nước nhằm xác định nếu có quá ít
hay quá nhiều hóa chất đưa vào hệ thống ban đầu.
Hàm phân bố thời gian lưu (Residence time distribution – RTD) của một thiết
bị phản ứng là hàm mô tả thời gian của 1 cấu tử có thể lưu trú lại trong thiết bị
phản ứng. Người kỹ sư hóa sử dụng RTD để mô tả quá trình khuấy trộn, dòng
chảy trong thiết bị và so sánh điều kiện của thiết bị thực và thiết bị lý tưởng. Điều
3


này quan trọng không chỉ cho việc xử lý các sự cố trong thiết bị mà còn giúp dự
đoán hiệu suất của phản ứng trong quá trình tính toán thiết kế thiết bị.
Đồ thị biễu diễn mối quan hệ giữa mật độ cấu tử và thời gian lưu tương ứng
gọi là phổ phân bố thời gian lưu.

Hình: Phổ phân bố thời gian lưu
Trong đó:

E: Độ đo sự phân bố thời gian lưu trong bình của tất cả các phân tố
E.: Phần lưu chất có thời gian lưu từ đến
(12.4)

Phần lưu chất có thời gian lưu nhỏ hơn là
(12.5)
Phần lưu chất có thời gian lưu lơn hơn là
(12.6)
Khái niệm này được đưa ra bởi Macllin và Weber vào năm 1935, nhưng chỉ
được ứng dụng phổ biến khi P.V. Danckwerts phân tích tầm quan trọng của nó
trong năm 1953.
2.3. Phương pháp xác định hàm phân bố thời gian lưu
Để khảo sát khả năng hoạt động của một thiết bị phản ứng thực tế bằng hàm
phân bố trên, ta phải biết cách xác định hàm số này. Phương pháp thực nghiệm
thường dùng trong trường hợp này là phương pháp kích thích - đáp ứng.
Các dạng tín hiệu kích thích đầu vào và đáp ứng tại đầu ra được trình bày ở
trên hình. Vì tiện lợi trong sử dụng và sự đồng dạng của tín hiệu đáp ứng tại đầu
ra với hàm phân bố nên thường dùng tín hiệu kích thích có dạng bậc hoặc dạng
xung

4


Hình: Mô tả phương pháp Kích thích – Đáp ứng
Để đo thời gian lưu, mà trong thời gian đó một phần tử xác định lưu lại trong
hệ dòng chảy, người ta phải phân biệt nó với các phần tử khác bằng cách đánh
dấu. Các phần tử đánh dấu phải có dấu hiệu đặc điểm là không ảnh hưởng và

khác biệt với các phần tử tạo nên tương quan trong hệ. Các loại chất chỉ thị đánh
dấu đối với môi trường và có thể là: Dung dịch màu, các chất phóng xạ, các chất
đồng vị phóng xạ ổn định, các 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 là quá trình khuấy trộn hoàn toàn do đó hỗn hợp phản ứng đồng nhất trong
tất cả các phần của thiết bị và giống với dòng ra. Điều này có ý nghĩa là phân bố
thể tích trong các phương trình liên quan có thể được lấy là thể tích V của toàn
thiết bị phản ứng.
Mô hình dãy hộp: Khi nối các bình khuấy CMFR lại với nhau ta có mô hình
5


dãy hộp. Tổng quát, với mô hình dãy hộp n bình mắc nối tiếp, ta có hàm phân bố
thời gian lưu lý thuyết như sau:
(12.7)
Vẽ hàm tương ứng với theo các giá trị khác nhau, ta có đồ thị như hình. Ta
thấy rằng khi:
phổ của hàm đáp ứng là phổ của bình khuấy lý tưởng.
phổ của hàm đáp ứng là phổ của bình ống lý tưởng.

Hình: Phổ đáp ứng của mô hình bình khuấy lý tưởng hoạt động liên tục – CMFR
2.5. Xác định nồng độ bằng cách đo mật độ quang
Tỉ số hoàn toàn có thể thay bằng tỷ số nên ta chỉ cần đo mật độ quang thay
cho việc đo nồng độ. Cơ sở là định luật Lambert – Beer:
(12.8)
Trong đó:

3.
-

: 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 giữa nồng độ chất màu và độ truyền suốt.
Phân biệt và tính toán được thời gian lưu trung bình lý thuyết và thời gian lưu
trung bình thực tế.
6


-

Khảo sát được sự phân bố thời gian lưu trong hệ thống thiết bị khuấy trộn

-

hoạt động liên tục: Một thiết bị khuấy trộn, 2 thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp.
Giải thích được sự khác biệt của thời gian lưu thực tế và lý thuyết của một
thiết bị khuấy trộn hoạt động liên tục, 2 thiết bị khuấy trộn mắc nối tiếp.

4.

THỰC NGHIỆM

4.1. Mô Hình thí nghiệm

Hình: Mô Hình thí nghiệm
4.2. Trang bị và 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 2 để bơm nước lên bình 3( nước
trong bình 3 được bơm đầy còn bình 1 thì chiếm khoảng 2/3 dung tích của

-

bình)
Mở van cho nước chảy vào bình khấy 1, khi đầy bình 1 tiếp tục bơm sang

-

bình 2, tương tự với bình 3.
Mở cánh khuấy và kiểm tra sự hoạt động của các thiết bị.
7


-

Kiểm tra xong. Tắt hết các thiết bị khóa van dẫn nước xuống bình khuấy
1, đồng thời tháo hết nước trong bình khuấy 1, 2, 3. Sau đó khóa van và
tiến hành thí nghiệm.

4.3.2. Thí nghiệm 1: Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 1 bình khuấy hoạt
động liên tục.
Bước 1: Xác định
Cho nước vào đầy bình 1 ( mực nước trong bình được giữ cố định tại vạch h
= 100mm, d = 120mm), cho cánh khuấy hoạt động. Dùng xylanh hút 2,5ml mực
xanh cho vào phía trên của bình khuấy, cho cánh khuấy hoạt động trong khoảng
vài phút, sau đó lấy mẫu để xác định (đo nhiều mẫu để loại bỏ sai số trong quá
trình đo).
Bước 2: Khảo sát phân bố thời gian lưu
-

Thiết lập hệ thống bình khuấy ở trạng thái hoạt động ổn định
Dùng xylanh hút 2,5ml mực xanh cho vào phía trên của bình khuấy tương

-

ứng thời gian t = 0.
Ứng với mỗi khoảng thời gian cố định (30s), tiến hành lấy mẫu xác định độ

-

truyền suốt (T%)
Kết thúc lấy mẫu khi nước trong bình hết màu (xanh) và độ truyền suốt T gần
bằng 100%.

4.3.3. Thí nghiệm 2: Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 2 bình khuấy mắc
nối tiếp hoạt động liên tục.
-

Thiết lập hệ thống bình khuấy 1 và bình khuấy 2 ở trạng thái hoạt động ổn

-

định
Dùng xylanh hút 2,5ml mực xanh cho vào phía trên của bình khuấy 1 tương

-

ứng thời gian t = 0.
Ứng với mỗi khoảng thời gian cố định (30s), tiến hành lấy mẫu ở bình 2 và

-

xác định độ truyền suốt (T%)
Kết thúc lấy mẫu khi nước trong cả 2 bình hết màu (xanh) và độ truyền suốt T
gần bằng 100%.

5.

KẾT QUẢ

Thông số
Giá trị

0,11

Q (l/phút)
0.33

0,12
Bảng: xác định D0
8


Thông số
Giá trị

(%) (1)
71,1
(%)

(%) (2)
73,1

(%) (3)
72,1

Bảng: Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 1 bình khuấy hoạt động liên tục
STT
1
2
3
4
5
6

7
8
9
10
11

0
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 trong 2 bình khuấy mắc nối tiếp hoạt động
liên tục.
STT

STT

STT

1

0

100

15

420

90.1

29

840

96.8

2

30

79.2

16

450

91.1

30

870

97.1

3

60

81.1

17

480

91.3

31

900

97.3

4

90

82.7

18

510

91.8

32

930

97.8

5

120

83.6

19

540

92.5

33

960

98

6

150

84.1

20

570

92.7

34

990

98

7

180

84.9

21

600

93

8

210

85.1

22

630

93.2

9

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

9


5.1. TÍNH TOÁN MẪU VÀ SỐ LIỆU
5.1.1. Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 1 bình khuấy hoạt động liên tục
 Tính toán mẫu:
-

Thực nghiệm:

-

Lý thuyết:

 Bảng số liệu
STT
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23

0
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 giữa và

Biểu đồ mối quan hệ giữa và
Biểu đồ so sánh sự phân bố thời gian lưu thực tế và lý thuyết trong 1 bình khuấy
hoạt động liên tục
5.2. Khảo sát phân bố thời gian lưu trong 2 bình khuấy mắc nối tiếp hoạt
động liên tục.
 Tính toán mẫu:

-

Thực nghiệm:

-

Lý thuyết:

 Bảng số liệu
ST
T
1
2
3
4
5
6
7

0
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
8
9
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 giữa và
Biểu đồ mối quan hệ giữa và
Biểu đồ so sánh sự phân bố thời gian lưu thực tế và lý thuyết trong 2 bình khuấy
mắc nối tiếp hoạt động liên tục
6.

Nhận xét và bàn luận

 So sánh và trong hệ một bình và nhiều bình
Dựa trên kết quả tính toán ta có thể đưa ra kết luận như sau
12


-

Ta thấy ở hệ 1 bình và 2 bình khuấy liên tục thì luôn lớn hơn .
Khi ta so sánh ở cùng thời điểm thì ta thấy ở hệ khuấy trộn 2 bình hoạt động
liên tục có giá trị nhỏ hơn so với ở hệ 1 bình, điều đó chứng tỏ rằng hệ khuấy
trộn 2 bình mắc nối tiếp làm việc liên tục làm việc có hiệu quả hơn.

13