Download docx - TGL - Báo cáo

TN Quá trình và Thiết bị Thời gian lưu

MỤC LỤC

I. TRÍCH YẾU......................................................................................2

1. Mục đích thí nghiệm.........................................................................2

2. Kết quả thí nghiệm...........................................................................2

II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM............................................................2

1. Các khái niệm cơ bản.......................................................................2

2. Các phương pháp nghiên cứu thời gian lưu......................................4

3. Hàm phân bố thời gian lưu của mô hình dãy hộp.............................6

III. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM.................................................................8

IV. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM.....................................................8

V. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM................................................................8

VI. BÀN LUẬN....................................................................................13

VII. PHỤ LỤC.......................................................................................15

1. Các giá trị tính toán cho hệ 1 bình..................................................15



VIII. TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................17

1


I. TRÍCH YẾU

1. Mục đích thí nghiệm

- Khảo sát thời gian lưu của hệ thống bình khuấy trộn mắc nối tiếp mô hình dãy hộp.

- Xác định hàm phân bố thời gian lưu thực và so sánh với hàm phân bố thời gian lưu lý

thuyết.

2. Kết quả thí nghiệm

- Độ hấp thu cực đại (cho 1 bình):

- Đường kính bình khuấy:

- Chiều cao mực nước trong bình:

- Lưu lượng nước chảy vào bình:

Bảng 1: Kết quả thô

HệMộtBình

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,002 0,005 0,006 0,009 0,001 0,001 0,001 0,001 0,000 0,000

11 12 13 14 150,000 0,000 0,000 0,000 0,000

HệHaiBình

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,000 0,000 0,001 0,002 0,001 0,003 0,003 0,00 0,004 0,005

11 12 13 14 15 16 17 18 19 200,004 0,004 0,004 0,004 0,003 0,002 0,003 0,002 0,004 0,002

21 22 23 24 250,001 0,001 0,000 0,000 0,000

HệBa

Bình

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,000 0,001 0,001 0,002 0,002 0,002 0,003 0,003 0,002 0,003

11 12 13 14 15 16 17 18 19 200,003 0,003 0,002 0,001 0,002 0,004 0,003 0,002 0,001 0,001

21 22 23 24 25 26 27 28 29 300,001 0,003 0,002 0,001 0,002 0,000 0,001 0,002 0,001 0,001

31 32 33 34 350,000 0,000 0,000 0,000 0,000

II. LÝ THUYẾT THÍ NGHIỆM1. Các khái niệm cơ bản- Trong hệ thống thiết bị, những phần tử lưu chất khác nhau sẽ đi theo những con đường

khác nhau. Dựa trên hàm phân bố thời gian lưu xác định được, ta có thể đánh giá tương

2


quan về dòng trong thiết bị, các nhược điểm sinh ra khi thiết kế như vùng tù, dòng chảy

tắt... và tìm cách khắc phục nhờ đánh giá này.

- Nghiên cứu thời gian lưu là phương pháp cần thiết để so sánh thiết bị dựa trên dòng vật

liệu từ đó có thể cải tiến, lập mô hình tối ưu.

- Cũng dựa trên hàm phân bổ thời gian lưu ta có thể vận hành tối ưu và qua đó thiết lập

được các thông số, phương pháp điều khiển cũng như tối ưu hóa quá trình trong thiết bị.

- Thời gian lưu của một phần tử trong hệ là thời gian phần tử đó lưu lại ở trong bình phản

ứng, hay trong thiết bị bất kỳ cần khảo sát. Thời gian lưu của của một thiết bị là một đại

lượng xác suất. Như vậy tất cả thời gian lưu đều dao động xung quanh thời gian lưu trung

bình, do đó xác định thời gian lưu trung bình đặc biệt có ý nghĩa.

(1)

Trong đó là thời gian lưu của phần tử bất kỳ i.

- Với định nghĩa hàm phân bố thời gian lưu , ta có:

Hay

- Với các hàm điểm, ta có:

K là các khoảng chia bằng nhau

- Thời gian lưu trong bình thể tích:

Với: thể tích lưu chất trong bình, lít.

3


lưu lượng của dòng vào thiết bị, lít/giây.

- Nếu chất chỉ thị không đạt tương quan lý tưởng thì phương trình trên không thoả mãn

(nếu có thể chất chỉ thị bí hấp phụ vào thành bình hoặc các chi tiết hấp phụ).

2. Các phương pháp nghiên cứu thời gian lưu

- Nghiên cứu thời gian lưu có thể tiến hành theo các phương pháp:

1) Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) ra khỏi thiết bị, xác định hàm

F(t) hoặc F().

2) Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) vẫn còn lưu lại trong thiết bị,

hàm I(t) hoặc I().

3) Xác định thành phần của các cấu tử ở thời điểm t (hoặc ) đang trong quá trình thóat ra

khỏi thiết bị, hàm f(t) hoặc f().

- Để khảo sát khả năng hoạt động của một thiết phản ứng thực tế ta thường dùng phương

pháp kích thích – đáp ứng (phương pháp đánh dấu). Các dạng kích thích đầu vào và đáp

ứng đầu ra được trình bày trên hình 1

Tín hiệu vào Tín hiệu ra (Kích thích) Bình (Đáp ứng)

Tín hiệu vào bất kỳ

Ra

Thời gianTín hiệu vào tuần hoàn

Ra

4

Nồn

g đ

ộ ch

ất c

hỉ t

hị

Nồn

g đ

ộ ch

ất c

hỉ t

hị


Thời gian

Tín hiệu bậc

Ra

Thời gian Tín hiệu xung

Ra

Thời gian

Hình 1: Các dạng tín hiệu thường dùng

- Như vậy các phần tử đánh dấu phải có đặc điểm là không được ảnh hưởng và khác biệt

với các phần tử tạo nên tương quan trong hệ.

- Các loại chất chỉ thị đối với môi trường lỏng có thể là dung dịch màu, các chất phóng xạ,

các đồng vị phóng xạ ổn định, các hạt rắn phát sáng... Các chất chỉ thị thích hợp với tính

chất của các phần tử trong hệ phải có khối lượng riêng, độ nhớt, hệ số khuếch tán thích

hợp.

- Khi có các chỉ thị thích hợp, ta có thể để nó vào hệ theo hai kiểu tín hiệu là: tín hiệu ngẫu

nhiên (Stochas) và tín hiệu xác định (Determinis). Loại tín hiệu xác định có thể chia làm

hai loại là tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn.

- Để khảo sát các thiết bị, người ta sử dụng tín hiệu xác định không tuần hoàn. Loại tín

hiệu này có thể tạo ra nhờ:

1) Đánh dấu bằng va chạm.

2) Đánh dấu bằng cho nhập vào liên tục một lượng xác định.

3) Đánh dấu bằng cho nhập chiếm chỗ toàn bộ trong hệ.

5

Nồn

g đ

ộ ch

ất c

hỉ t

hị

Nồn

g đ

ộ ch

ất c

hỉ t

hị


- Vì tiện lợi trong sử dụng và sự đồng dạng của tín hiệu kích thích có dạng bậc hoặc dạng

xung. Trong thí ngiệm, ta sử dụng loại đánh dấu bằng va chạm. Loại đánh dấu này chính

là sự thực hiện ở điều kiện kỹ thuật hàm Dirac (hàm động lượng Dirac), hay còn gọi là

hàm Delta.

- Loại đánh dấu này thường thích hợp với chất màu

3. Hàm phân bố thời gian lưu của mô hình dãy hộp

- Đa số các thiết bị thực lại thường có hàm phân bố là của mô hình dãy hộp.

- Trong một bình phản ứng được coi là lý tưởng với kiểu đánh dấu va chạm phải thỏa mãn:

thể tích VR trong bình là hằng số theo thời gian, trong bình có sự khuấy trộn hoàn toàn

một thành phần trong hệ một cách đồng nhất ở mọi vị trí thuộc thể tích VR. Như vậy,

trong bình có sự đột biến của dòng vào.

- Thời gian lưu trung bình thể tích:

- Khi nối các bình lý tưởng lại, ta được mô hình dãy hộp

- Hàm phân bố có dạng tổng quát

- Khi , ta có mô hình khuấy trộn lý tưởng. Con khi , ta lại có mô hình đẩy lý

tưởng.

- Giả sử ban đầu không có chất chỉ thị trong dòng lưu chất vào bình, sau đó tác động tín

hiệu xung vào bằng các cho một lượng chất chỉ thị nhất định vào dòng lưu chất trong

khoảng thời gian rất ngắn.

- Đường cong biểu diễn nồng độ theo thời gian thu gọn của chất chỉ thị trong dòng ra ứng

với tín hiệu kích thích dạng xung tại đầu vào gọi là đường cong C. Nồng độ ban đầu của

chất chỉ thị là Co. Với diện tích bên dưới đường cong bằng 1, ta có:

6


- Thời gian thu gọn vô thứ nguyên:

- Với t là thời gian phần tử lưu chất bất kỳ đi qua thiết bị.

- và được xác định theo (1)

(2)

Hay (3)

Hình 2: Đường cong C biểu diễn đáp ứng tại dòng ra cho tín hiệu xung tại đầu vào

III. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

- Ống nghiệm

7


- Thì kế

- Pipet

- Phẩm màu

- Máy đo độ truyền suốt (hấp thụ) ánh sáng.

IV. PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Tiến hành theo trình tự sau

- Mở van cho nước lên thùng cao vị cho đến khi có nước trong ống chảy tràn.

- Mở khóa cho nước chảy qua lưu lượng kế vào hệ thống bình khuấy và chỉnh lưu lượng

dòng chảy.

- Hệ một bình: khi hệ thống ổn định, cho phẩm màu vào bình 1. Bấm thì kế (đồng thời với

thời gian cho màu vào thiết bị), lấy gốc thời gian. Dùng ống nghiệm lấy mẫu theo thời

gian, sau đó đem mẫu đi so màu.

- Hệ hai, ba bình: làm giống như hệ một bình, cho phẩm màu vào bình 1 và lấy mẫu ở bình

cuối cùng (từ ống thông nhau cuối cùng).

V. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Bảng 2: Số liệu tính toán cho Hệ 1 bình

t (phút) DThực tế Lý thuyết

ti.Di E E

1 0,002 0,002 0,267 0,200 0,325 0,72272 0,005 0,010 0,535 0,500 0,650 0,52223 0,006 0,018 0,802 0,600 0,974 0,37744 0,009 0,036 1,069 0,900 1,299 0,27275 0,001 0,005 1,337 0,100 1,624 0,19716 0,001 0,006 1,604 0,100 1,949 0,14247 0,001 0,007 1,871 0,100 2,274 0,10298 0,001 0,008 2,139 0,100 2,598 0,07449 0,001 0,009 2,406 0,100 2,923 0,053810 0,000 0,000 2,673 0,000 3,248 0,038811 0,000 0,000 2,941 0,000 3,573 0,028112 0,000 0,000 3,208 0,000 3,898 0,020313 0,000 0,000 3,475 0,000 4,222 0,014714 0,000 0,000 3,743 0,000 4,547 0,0106

8


15 0,000 0,000 4,010 0,000 4,872 0,0077

Các số liệu cần cho tính toán

(phút)

(m3/phút)

(m3)

(phút)

Hình 3: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ cho trường hợp lý thuyết và thực nghiệm hệ 1 bình

9

000 001 002 003 004 005 006.00000

.10000

.20000

.30000

.40000

.50000

.60000

.70000

.80000

.90000

1.00000Lý thuyết

Thực nghiệm


Bảng 3: Số liệu tính toán cho Hệ 2 bình


ti.Di E E

1 0,000 0,000 0,080 0,000 0,162 0,46952 0,000 0,000 0,160 0,000 0,325 0,67853 0,001 0,003 0,240 0,200 0,487 0,73554 0,002 0,008 0,320 0,400 0,650 0,70875 0,001 0,005 0,400 0,200 0,812 0,64026 0,003 0,018 0,480 0,600 0,974 0,55527 0,003 0,021 0,560 0,600 1,137 0,46818 0,002 0,016 0,640 0,400 1,299 0,38669 0,004 0,036 0,720 0,800 1,462 0,314310 0,005 0,050 0,800 1,000 1,624 0,252411 0,004 0,044 0,880 0,800 1,786 0,200612 0,004 0,048 0,960 0,800 1,949 0,158213 0,004 0,052 1,040 0,800 2,111 0,123814 0,004 0,056 1,120 0,800 2,274 0,096415 0,003 0,045 1,200 0,600 2,436 0,074616 0,002 0,032 1,280 0,400 2,598 0,057517 0,003 0,051 1,360 0,600 2,761 0,044218 0,002 0,036 1,440 0,400 2,923 0,033819 0,004 0,076 1,520 0,800 3,086 0,025820 0,003 0,060 1,600 0,600 3,248 0,019621 0,001 0,021 1,680 0,200 3,410 0,014922 0,001 0,022 1,760 0,200 3,573 0,011323 0,000 0,000 1,840 0,000 3,735 0,008524 0,000 0,000 1,920 0,000 3,898 0,006425 0,000 0,000 2,000 0,000 4,060 0,0048


(phút)

(m3/phút)

(m3)

(phút)

10



Bảng 4: Số liệu tính toán cho hệ 3 bình


ti.Di E E

1 0,000 0,000 0,068 0,000 0,108 0,1142 0,001 0,002 0,136 0,300 0,217 0,3313 0,001 0,003 0,205 0,300 0,325 0,5384 0,002 0,008 0,273 0,600 0,433 0,6915 0,002 0,010 0,341 0,600 0,541 0,7806 0,002 0,012 0,409 0,600 0,650 0,8117 0,003 0,021 0,478 0,900 0,758 0,7988 0,003 0,024 0,546 0,900 0,866 0,7539 0,002 0,018 0,614 0,600 0,974 0,68910 0,003 0,030 0,682 0,900 1,083 0,615

11

.00000 .50000 1.00000 1.50000 2.00000 2.50000 3.00000 3.50000 4.00000 4.50000.00000

.20000

.40000

.60000

.80000

1.00000

1.20000Lý thuyết

Thực nghiệm


11 0,003 0,033 0,751 0,900 1,191 0,53812 0,003 0,036 0,819 0,900 1,299 0,46213 0,002 0,026 0,887 0,600 1,407 0,39214 0,001 0,014 0,955 0,300 1,516 0,32915 0,002 0,030 1,024 0,600 1,624 0,27316 0,004 0,064 1,092 1,200 1,732 0,22417 0,003 0,051 1,160 0,900 1,841 0,18318 0,002 0,036 1,228 0,600 1,949 0,14819 0,001 0,019 1,297 0,300 2,057 0,11920 0,001 0,020 1,365 0,300 2,165 0,09621 0,001 0,021 1,433 0,300 2,274 0,07622 0,003 0,066 1,501 0,900 2,382 0,06023 0,002 0,046 1,569 0,600 2,490 0,04824 0,001 0,024 1,638 0,300 2,598 0,03825 0,002 0,050 1,706 0,600 2,707 0,02926 0,000 0,000 1,774 0,000 2,815 0,02327 0,001 0,027 1,842 0,300 2,923 0,01828 0,002 0,056 1,911 0,600 3,032 0,01429 0,001 0,029 1,979 0,300 3,140 0,01130 0,001 0,030 2,047 0,300 3,248 0,00831 0,000 0,000 2,115 0,000 3,356 0,00632 0,000 0,000 2,184 0,000 3,465 0,00533 0,000 0,000 2,252 0,000 3,573 0,00434 0,000 0,000 2,320 0,000 3,681 0,00335 0,000 0,000 2,388 0,000 3,789 0,002


(phút)

(m3/phút)

(m3)

(phút)

12



VI. BÀN LUẬN

Câu 1: So sánh giữa hàm phân bố thời gian lưu lý thuyết và thực nghiệm

- Hệ 1 bình: dựa vào đồ thị ta thấy hàm thời gian lưu lý thuyết và thực nghiệm không

giống nhau. Đa phần các giá trị E lý thuyết đều lớn hơn so với E thực nghiệm. Nhìn vào

các giá trị của đồ thị ta thấy thời gian lưu trong bình trên thực tế nhỏ hơn so với tính toán

theo lý thuyết nên nhiều khả năng sẽ tạo ra các vùng tù, cánh khuấy không tác động tới

được.

- Hệ 2 bình: dựa vào đồ thị ta thấy hàm thời gian lưu lý thuyết và thực nghiệm tương đối

giống nhau khi các giá trị cùng tăng đến một điểm nhất định rồi giảm xuống nhưng độ

tăng lại không đều và tăng giảm không theo một quy luật nào cả. Các giá trị E thực

nghiệm hầu hết đều lớn hơn E lý thuyết. Các giá trị thu gọn đều nhanh hơn so với tính

toán nên có khả năng sẽ xuất hiện các vùng tù trong hệ thống

- Hệ 3 bình: dựa vào đồ thị ta thấy hàm thời gian lưu lý thuyết và thực nghiệm không

giống nhau. Các giá trị E thực nghiệm tăng giảm tuần hoàn.

13

.00000 .50000 1.00000 1.50000 2.00000 2.50000 3.00000 3.50000 4.00000.00000

.20000

.40000

.60000

.80000

1.00000

1.20000

1.40000Lý thuyết

Thực nghiệm


Câu 2: Các hiện tượng của quá trình và thiết bị phát sinh sự mất ổn định

- Do tạo nên vùng tù trong thiết bị. Nguyên nhân của vùng tù là do tốc độ của cánh khuấy

quá chậm nên có những vùng không khuấy tới.

- Do sự tuần hoàn của lưu chất. Nguyên nhân của sự tuần hoàn là do lưu chất phân bố

không đều trong dung dịch. Điều đó có thể là do đặc điểm của bản thân lưu chất hoặc

cũng là do tốc độ khuấy quá chậm.

- Để khắc phục các hiện tượng trên, ta có thể tăng cường tốc độ khuấy để khuấy đều và

khuấy được toàn bộ dung dịch.

- Ngoài ta còn có các hiện tượng phát sinh sự mất ổn định khác như:

Sự thay đổi vận tốc và phương chuyển động của lưu chất do hình dáng bề mặt thiết bị

(bình phản ứng, cánh khuấy, đường ống...) tạo thành các vùng không mong muốn như

vùng xoáy, vùng chết, vùng chảy qua..., các vùng này có thể tồn tại trong một khoảng

thời gian ngắn hay kéo dài làm ảnh hưởng đến kết quả đo.

Vận tốc quay của cánh khuấy không ổn định theo thời gian (do motor, trục khuấy...).

Sự hấp thụ chất chỉ thị của thiết bị (đặc biệt là đường ống) làm nồng độ của chất chỉ thị

giảm theo thời gian.

Nhiệt độ môi trường trong quá trình thí nghiệm biến đổi làm thay đổi tương quan giữa

các phần tử lưu chất có trong hệ (thay đổi độ nhớt, tỷ trọng, vận tốc...), thay đổi các tính

chất của lưu chất chuyển động trong đường ống và thiết bị.

Câu 3: Đánh giá sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

a. Sai số thiết bị

- Máy đo độ truyền suốt của ánh sáng: nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sai số bài thí nghiệm

Do cuvet chứa mẫu đo và mẫu kiểm chứng không sạch. Các chất bẩn bám trên nó cũng

hấp thụ ánh sáng nên ảnh hưởng đến kết quả đo.

Do máy đo quá nhạy nên chỉ cần một chút vết bẩn trên cuvet đã ảnh hưởng rất lớn đến

kết quả. Tùy vào cách đặt cuvet trong máy đo mật độ quang mà ta sẽ thu được những kết

quả khác nhau, vì có các vết bẩn khác nhau tại các vị trí khác nhau trên bề mặt cuvet.

Vì máy đo cũng cũ nên có phần sai sót

Do điện áp cung cấp cho máy không được ổn định lắm

- Cánh khuấy

Quay không đều ở các bình, vận tốc không đều do điện áp

14


Quay chậm làm cho độ không đồng đều tăng lên

- Đường ống

Do trở lực của ống và van không giống nhau, nên việc điều chỉnh lưu lượng vào và ra

bằng nhau ở mỗi bình rất khó khăn. Sự khó khăn này càng tăng lên đối với hệ nhiều bình.

Thực tế thí nghiệm cho thấy không thể giữ nguyên thể tích lưu chất trong mỗi bình so với

ban đầu trong suốt thời gian thí nghiệm (mặc dù hệ đã hoạt động khá ổn định trước khi

cho chất chỉ thị). Trong suốt quá trình thí nghiệm ta phải luôn điều chỉnh các van sao cho

thể tích lưu chất trong mỗi bình là không đổi, nên sẽ ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ

thống.

b. Sai số thao tác

- Do xác định thời gian lấy mẫu

- Do lau chùi cuvet chưa thật sạch, cuvet chưa hoàn toàn khô khi đưa vào máy. Do điều

kiện thí nghiệm không có dụng cụ làm khô cuvet cũng như số lượng cuvet đủ để thay thế.

c. Sai số do hoạt động của hệ thống

- Do có sự suất hiện của vùng tù

- Do cánh khuấy hoạt động không ổn định

d. Sai số đối với thời điểm ban đầu và dạng của tín hiệu xung

- Ta không thể xác lập được dạng thức đúng của hàm động lượng DIRAC do không thể

khống chế thời gian cho chất chỉ thị bằng 0 (thực tế thí nghiệm cho chất chỉ thị bằng pipet

mất khoảng 5s), thời gian này là khá lớn và do đó gây nên khác biệt giữa đường cong

thực nghiệm và lý thuyết (được xây dựng từ hàm động lượng DIRAC).

VII. PHỤ LỤC

1. Các giá trị tính toán cho hệ 1 bình

- Thực tế

Độ hấp thụ cực đại

Thời gian lưu trung bình

Thời gian thu gọn

15


Độ đo sự phân bố thời gian lưu

- Lý thuyết

Lưu lượng nước chảy vào bình (l/phút) (m3/phút)

Thể tích 1 bình khuấy

Thời gian lưu lý thuyết (phút)




- Thực tế





- Lý thuyết





16




- Thực tế





- Lý thuyết






VIII. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Vũ Bá Minh, “Quá trình và Thiết bị trong Công Nghệ Hóa Học & Thực phẩm – Tập 4:

Kỹ thuật phản ứng”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2004, 380tr.

[2]. Nguyễn Thị Thu Vân, “Phân tích định lượng”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia

Tp.HCM, 2004, 540tr.

17