TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI GS. TSKH NGUYÊN MINH TUYỂN QUA TRINH VA THIET BI KHUAY TRON TRONG CONG NGHE HU’ VIEN HQC NHA TRANG : EBOOKBKMT.COM THU VIEN DH NHA TRANG 2 g527T 1000022413 TÀI LIỆU KỸ THUẬT MIỄN PHÍ tas NHA XUAT BAN XAY DUNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI GS. TSKH NGUYEN MINH TUYEN QUA TRINH VA THIET BI KHUAY TRON TRONG CONG NGHE EBOOKBKMT.COM TAI LIEU KY THUAT MIEN PHI TRƯỜNG ĐẠI HỌC NH TRANG ' mmassxzsszszxssasamamm. am [_ THƯ Viện 40022413 NHA XUAT BAN XAY DUNG HA NOI - 2006 LỜI NÓI ĐẦU Các thiết bị khuấy trộn là những thiết bị dùng năng lượng cơ học của cơ cấu khuấy trộn để làm đông đêu các hỗn hợp đông thể hoặc dị thể, để tăng cường các quá trình chuyển nhiệt, chuyển khối uà phản ứng hoá học, đồng thời tạo ra các hệ nhũ tương, huyền phù uà hệ bọt.
Do đó các thiết bị khuấy trộn góp phần quan trọng uào uiệc tăng năng suất của các hệ thống máy uè thiết bị công nghệ. Ngoài ra, các thiết bị khuấy trộn còn có uai trò quyết định trong uiệc sản xuất ra các sản phẩm có chất lượng đông đêu, phù hợp uới tiêu chuẩn bš thuật uà tạo ra các sản phẩm có chất lượng đặc biệt (thí dụ không có máy khuấy không thể sản xuất được thuỷ tính quang học). Chính uì thế mà các thiết bị khuấy trộn được dùng nhiều trong công nghệ hoá học, công nghệ môi trường, công nghệ thực phẩm, công nghệ dược phẩm, công nghệ luyện kim, công nghệ uật liệu xây dựng, công nghệ chế biến nông lâm hỏi sản, công nghệ khai thác mỏ va nhiều ngành công nghệ khac. Để sử dụng tốt nhất khả năng làm uiệc của các thiết bị khuấy trộn đang hoạt động trong công nghệ uà thiết bế được những mẫu máy làm viée ơn toàn có hết cấu hợp ly, thích hợp uới từng hoàn cảnh cụ thể cần nắm được nguyên lý làm uiệc, hết cấu, các phương phúp tính toán thuỷ động lực học, tính công suốt, tính toán công nghệ, tính toán cơ khí cũng như các nguyên tắc lắp đặt, uận hành, bảo dưỡng các máy uà thiết bị khuấy trộn.
Với mục đích trao đổi uà cung cấp những kiến thức cơ bản uề các uấn đề trên chúng tôi biên soạn cuốn sách này. Sách có nội dụng phù hợp uới các kỹ sử, cán bộ kỹ thuật công tác tại các công ty, nhà máy, xí nghiệp, các uiện nghiên cứu uà thiết kế thuộc các ngành công nghệ có liên quan tới quá trinh va thiét bị khuấy trộn. Đồng thời sách còn có thể làm tài liệu tham khảo cho các thầy giáo, sinh uiên các chuyên ngành thuộc các ngành công nghệ: uật liệu xây dựng, luyện bim, khai thúc mỏ, hoá chất, dược phẩm, môi trường. Do khuôn bhổ cuốn sách có hạn, nên trong quó trình biên soạn va trình bày không tránh khỏi các thiếu sói.
Chúng tôi mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc. Tác giả Chương Ï PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ VÀ MÔ TẢ QUÁ TRÌNH KHUẤY TRỘN là công Quá trình khuấy hệ lỏng là quá trình rất thường gặp trong công nghiệp (nhất công nghiệp hóa chất và những ngành công nghiệp tương tự: công nghiệp thực phẩm, công nghiệp nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu xây dựng, công nghiệp hóa dược, hiện trong nhẹ.) và trong đời sống hàng ngày. Quá trình khuấy có thể được thực tháp các ống có dòng chất lỏng chảy qua, trong các bơm vận chuyển, trên đĩa của các học đưa tinh luyện, v. cũng như trong các thiết bị khuấy hoạt động nhờ năng lượng cơ vào qua cơ cấu khuấy hoặc nhờ năng lượng của dòng khí nén.
Trong khuôn khổ của cuốn sách này chúng ta chỉ xét tới loại thiết bị khuấy cơ học với cơ cấu khuấy - còn gọi tắt là máy khuấy. Quá trình khuấy cơ học được sử dụng nhằm mục đích: _ 1) Tạo ra các hệ đồng nhất từ các thể tích lỏng và lỏng, khí, rắn có tính chất thành phần khác nhau: dung dịch, nhũ tương, huyền phù, hệ bọt v. 2) Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt. 3) Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyền khối và quá trình hoá học.
Ba loại quá trình điển hình này thực hiện với các hệ đồng thể và dị thể khác nhau như hệ lỏng - lông, lỏng - rắn , lỏng - khí trong các loại hình thiết bị rất đa dạng như thiết bị nhũ phản ứng (thiết bị sunfô hoá, nitro hoá v.), thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị tạo tương và tạo huyền phù. CÁC CHỈ TIÊU CO BAN ĐỂ ĐÁNH GIÁ QUÁ TRÌNH KHUẤY 1. Mức độ khuấy cả hệ. Mức độ khuấy là sự phân bố tương hỗ của hai hoặc nhiều chất sau khi khuấy và cũng có thể Mức độ khuấy trộn chính là một loại chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả khuấy được sử dụng để đánh giá cường độ khuấy.
sở phân tích Có thể dùng nhiều công thức khác nhau để tính mức độ khuấy Ï trên cơ Hixơn và Tenny là các mẫu thử lấy từ thể tích được khuấy, trong số đó công thức của thông dụng hơn cả: Me > [= (1-1) n Trong đó: n - số mẫu thử, X, - nồng độ mẫu thử lần ¡; Nồng độ mẫu lần thứ ¡ xác định theo công thức: Xi _. Hoac: X; = 19) gu D> ©, (1-2b) 1-@, lo ° Trong đó: ®,, ®, - phần thể tích của cấu tử ¡ trong mẫu thử và trong toàn bộ thiết bị. Đối với các chất lỏng tan lẫn hoàn toàn, mức độ khuấy có thể được xác định theo công thức của Hobler và Strek: AS J= AS max (1-3) Trong đó: AS, AS„„„ - lượng tăng entropi của chất lỏng được khuấy sau thời gian khuấy + và sau khi khuấy hoàn toàn t = 0. Dạng cụ thể của hàm (1-3) đối với cơ cấu khuấy tuabin được thiết lập nhờ khuấy thực nghiệm hai thể tích một chất lỏng có nhiệt độ khác nhau: I=I-e*t (1-4) Trong đó: t - thời gian khuấy; k - hệ số phụ thuộc vào chuẩn số Reynolds và là đại lượng để đo cường độ khuấy (k càng lớn thời gian khuấy càng nhỏ).
Cường độ khuấy trộn Người ta thường dùng một trong các đại lượng dưới đây để biểu thị cường độ khuấy trộn: 1. Số vòng quay n của cánh khuấy. Vận tốc vòng v của đầu cánh khuấy. Chuan sé Reynolds: Re, = nO dic trưng cho quá trình khuấy (d - đường v kính cánh khuấy; v - độ nhớt động học của môi trường khuấy trộn).
6 suất chi phi để khuấy trộn một đơn vị 4. Công suất khuấy trộn riêng, nghĩa là công N= ~ (N - công suất khuấy trộn, kW; thé tich N, = ~ hotc mot don vi khdéi luong p trường khudy tron, kg/m’). V - lưu lượng khuấy trộn m'/s; p - khối lượng riêng của môi mà ứng dụng chỉ tiêu nào là tuỳ Bốn chỉ tiêu trên không phải là chỉ tiêu vạn nẵng nhất cho cường độ khuấy trộn chính trường hợp cụ thể. Nhưng chỉ tiêu thể hiện đúng đắn ¬ và XS so đã và đang nghiên cứu đề ae a.
vi thoi gian - hoặc I. Người ta đã và là mức độ khuấy trộn trong don 1 1 kết quả chưa nhiều. tìm cách xác định dạng hàm biểu diễn nó, nhưng tới nay 1. Hiệu quả khuấy trộn lượng tiêu hao để đạt được hiệu Hiệu quả khuấy trộn được xác định bằng lượng năng trộn làm việc có hiệu quả lớn hơn nếu ứng công nghệ cần thiết.
Như vậy thiết bị khuấy phí năng lượng ít hơn. Hiệu quả khuấy nó đạt được yêu cầu công nghệ đã đề ra với hao và tính hoàn thiện của thiết bị khuấy trộn, trộn là chỉ tiêu cơ bản để đánh giá sự làm việc trạng thái làm việc tối ưu và kích thước tối đồng thời là chỉ tiêu chủ yếu dùng khi chọn ưu của máy khuấy trộn. biết phương trình xác định công Tuy nhiên để tính toán hiệu quả khuấy trộn, cần phải chuyển khối ở trong các loại thiết bị suất chỉ phí cho khuấy trộn, cho cấp nhiệt và cho qua việc thiết lập các mô hình vật khuấy trộn. Vấn để này được giải quyết chủ yếu thông cho các quá trình đã nêu trên.
lý hoặc mô hình toán học mô tả các quan hệ đặc trưng NG L2. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN MÔ TẢ CÁC QUÁ TRÌNH TRO THIẾT BỊ KHUẤY TRỘN đồng đều các hệ, tăng cường quá Mục đích của quá trình khuấy trộn chính là làm nắm vững được bản chất thiết bị và trình trao đổi nhiệt và trao đổi khối trong thiết bị. Để cần phải lập được các mô hình toán để điều khiển thiết bị hoạt động theo hướng tối ưu chuyển động lượng (thuỷ động), học của các quá trình xảy ra trong thiết bị: quá trình khối lượng (trong đó có chuyển cấu quá trình chuyển năng lượng (chuyển nhiệt), chuyển bố lần đầu năm 1936 dưới dạng các tử). Những mô tả này đã được Damkoehler công phương trình bảo toàn dòng như sau: dẫn + Biến đổi gây ra do Biến đổi gây ra do dòng đối lưu + Biển đổi gây ra do dòng dòng cấp + Nguôn + Biến đổi tại chỗ = 0.
Biểu thức toán học tương ứng là: or (1-5) div(Tyv) - div (SgradIy) + eoAT'y + Gy + > 0 Đối với dòng khối lượng có dạng: div (pv) - div (D;gradp) + (k,@Ap + G„ + >ô =0 (1-5a) Với dòng cấu tử:. aC; div (C,v) - div (D;gradC,) + (k,;@AC;) + vir + 2 =0 (I-5b) Với dòng nhiệt: ot div (pC, Tv) - div [agrad(pC,T)] + oe. oA (pC,T) + vrAH + _ a(pC,T) =0(I1-5c) p p Ir Với dòng động lượng: div(pv„v)~ div[vgrad(pv)]+ *@A(pv)+ gradp + ố(pv) at =0 I-5d p (1-5d) Phương trình (1-5d) chính là phương trình Navier - Stock. Trong các phương trình trên: Ty - mật độ vật chất; p - mật độ khối lượng hoặc khối lượng riêng: C, - nồng độ của cấu tử ¡; õ - hệ số dẫn; Dạ - hệ số dẫn khối; D, - hệ số dẫn cấu tử ¡; a - hệ số dẫn nhiệt độ; v.- độ nhớt động học, k., k,¡ - hệ số cấp khối lượng và hệ số Cấp cấu tir i; œ - hệ số cấp nhiệt; y - hệ số cấp động lượng; vj - hé số tỉ lượng phản ứng: r - tốc độ phản ứng; AH - nhiệt phản ứng; p - ấp suất trong hệ; + - thời gian; C,- nhiệt dung riêng: T - nhiệt độ trong hệ; v - vận tốc vật chất qua hệ; œ - bề mặt chuyển pha riêng; G - lượng biến đổi do nguồn; G„ - lượng biến đổi do nguồn khối lượng.
Nghiệm chung của hệ phương trình bảo toàn (1-5) cho tới nay vẫn chưa có. Nhưng trong thực tế thường chỉ tồn tại hai hoặc ba số hạng nên có thể tìm được lời giải trong những trường hợp này mặc dù cách giải khá phức tạp.