Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Cơ Khí: Tối Ưu Hóa Hệ Thống Khuấy Trộn Cho Quy Trình Hòa Tan Bột Mì

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật cơ khí tối ưu hóa thông số kỹ thuật của hệ thống khuấy trộn cho quy trình hòa tan bột mì, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Võ Đình Nghĩa
• Người hướng dẫn: GS. TS Nguyễn Hữu Lộc
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Tối ưu hóa thông số kỹ thuật của hệ thống khuấy trộn cho quy trình hòa tan bột mì
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Tổng quan quy trình khuấy trộn
• 1.2. Nghiên cứu chung về khuấy trộn
• 1.3. Phân loại các hệ khuấy trộn
• 1.4. Kết luận
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Đặc tính của quá trình khuấy trộn
• 2.2. Chuyển động của dòng chảy trong bồn khuấy trộn
• 2.3. Thời gian khuấy trộn
• 2.4. Khối lượng riêng và độ nhớt chất lỏng
• 2.5. Nghiên cứu cơ bản về cánh khuấy
• 2.6. Đặc tính của dung dịch bột mì
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Một số thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến quá trình khuấy trộn
• 3.2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 3.2.1. Chọn thông số thực nghiệm
• 3.2.2. Xác định mức giá trị của các thông số thực nghiệm
• 3.2.3. Bảng ma trận quy hoạch thực nghiệm
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Thiết kế, chế tạo thiết bị thực nghiệm
• 4.2. Thiết bị đo trong quá trình thực nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Các thông số, chỉ tiêu cần xác định bằng thực nghiệm
• 5.2. Các bước chuẩn bị trước khi làm thực nghiệm
• 5.3. Xác định bảng thông số công nghệ
• 5.4. Trình tự tiến hành thực nghiệm
• 5.5. Kết quả thực nghiệm
• 5.6. Đánh giá kết quả và thực hiện tối ưu thông số kỹ thuật
• 5.6.1. Kết quả phân tích từ phần mềm Minitab
• 5.6.2. Độ ảnh hưởng và sự tương tác của các thông số lên tỉ trọng dịch
• 5.6.3. Tối ưu các thông số bằng phần mềm Minitab
• 5.6.4. Kiểm tra kết quả thực nghiệm theo thông số tối ưu
• 5.6.5. So sánh và lựa chọn thông số tối ưu với điều kiện vận hành thực tế
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 6.1. Kết luận chung
• 6.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tối ưu hóa hệ thống khuấy trộn

Luận văn tập trung vào tối ưu hóa hệ thống khuấy trộn để cải thiện hiệu suất trong quy trình hòa tan bột mì. Nghiên cứu xác định các thông số kỹ thuật khuấy trộn như tốc độ vòng quay, số lượng tấm vách ngăn, góc độ cánh khuấy và thời gian khuấy trộn. Mục tiêu là tăng hiệu quả sản xuất tại nhà máy Ajinomoto thông qua việc giảm thời gian khuấy trộn và nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.1. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết về hệ thống khuấy trộn, bao gồm đặc tính dòng chảy, thiết kế cánh khuấy và tính toán công suất. Các yếu tố như độ nhớt, khối lượng riêng và điều kiện dòng chảy được phân tích để xác định ảnh hưởng đến quá trình khuấy trộn.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm kết hợp phần mềm Minitab để xác định phương trình hồi quy và tối ưu các thông số. Các thí nghiệm được thiết kế để đánh giá hiệu quả của từng thông số kỹ thuật.

II. Quy trình hòa tan bột mì

Quy trình hòa tan bột mì là bước quan trọng trong sản xuất bột ngọt. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu tỉ lệ bột mì và nước, đảm bảo dung dịch đồng nhất với tỉ trọng 1.136 kg/lít. Quy trình hiện tại tại nhà máy Ajinomoto mất 30 phút, và nghiên cứu nhằm giảm thời gian này thông qua cải tiến hệ thống khuấy trộn.

2.1. Thiết bị thực nghiệm

Thiết kế và chế tạo thiết bị thực nghiệm mô phỏng hệ thống khuấy trộn tại nhà máy. Các thiết bị đo lường như cân điện tử và máy đo tỉ trọng được sử dụng để đảm bảo độ chính xác trong quá trình thí nghiệm.

2.2. Thực nghiệm và đánh giá

Tiến hành thực nghiệm với các thông số khác nhau và ghi nhận kết quả. Phân tích dữ liệu bằng phần mềm Minitab để xác định thông số tối ưu. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể về thời gian và chất lượng khuấy trộn.

III. Ứng dụng thực tế

Nghiên cứu có giá trị ứng dụng cao trong quy trình sản xuất bột mì tại nhà máy Ajinomoto. Kết quả tối ưu hóa giúp giảm thời gian khuấy trộn, tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất. Đề tài cũng mở ra hướng phát triển mới trong việc áp dụng công nghệ khuấy trộn tiên tiến vào các quy trình sản xuất khác.

3.1. Kết luận chung

Nghiên cứu đã xác định các thông số tối ưu cho hệ thống khuấy trộn, bao gồm tốc độ vòng quay, số lượng tấm vách ngăn, góc độ cánh khuấy và thời gian khuấy trộn. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

3.2. Hướng phát triển

Đề xuất hướng phát triển tiếp theo bao gồm ứng dụng kỹ thuật hòa tan vào các quy trình sản xuất khác và nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến hiệu suất khuấy trộn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quy trình sản xuất bột ngọt, đặc biệt là bước hòa tan bột mì, đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Tại nhà máy Ajinomoto, tỷ lệ hòa tan bột mì và nước được duy trì ở mức 1:2 nhằm đạt tỉ trọng dung dịch khoảng 1.136 kg/lít trong thời gian 30 phút. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa hệ thống khuấy trộn để giảm thời gian hòa tan và nâng cao hiệu quả sản xuất vẫn là thách thức lớn. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật của hệ thống khuấy trộn như tốc độ vòng quay, số lượng tấm vách ngăn, góc độ cánh khuấy và thời gian khuấy nhằm cải thiện hiệu suất hòa tan bột mì. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại nhà máy Ajinomoto, với mô hình thu nhỏ tỉ lệ 1:22,5 so với thiết bị thực tế, trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp giảm thời gian khuấy trộn mà còn nâng cao chất lượng dung dịch, góp phần tăng năng suất và lợi ích kinh tế cho nhà máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về đặc tính quá trình khuấy trộn, chuyển động dòng chảy trong bồn khuấy và thiết kế cánh khuấy. Công suất khuấy trộn được tính toán theo phương pháp của Shinji Nagata, trong đó các hệ số A, B, P được xác định dựa trên kích thước cánh khuấy, bồn chứa và số lượng tấm vách ngăn. Chuyển động dòng chảy được phân loại theo hướng tiếp tuyến, hướng tâm và hướng trục, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả khuấy trộn. Các loại cánh khuấy được nghiên cứu gồm cánh dòng chảy hướng trục, hướng tâm, cánh thủy lực và cánh cắt, mỗi loại phù hợp với đặc tính dung dịch và mục đích khuấy khác nhau. Đặc tính dung dịch bột mì như tỉ trọng 1.136 kg/lít và pH 4 cũng được xem xét để đảm bảo tính đồng nhất và chất lượng sản phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các kết quả thực nghiệm trên mô hình thu nhỏ của hệ thống khuấy trộn tại nhà máy Ajinomoto. Phương pháp phân tích sử dụng quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken với 4 yếu tố đầu vào: tốc độ vòng quay (25-35 vòng/phút), số lượng tấm vách ngăn (0-4 tấm), góc độ cánh khuấy (30°-60°) và thời gian khuấy (20-40 phút). Tổng cộng 27 thí nghiệm được thực hiện theo ma trận quy hoạch để đánh giá ảnh hưởng và tương tác giữa các yếu tố. Thiết bị thực nghiệm được chế tạo theo tỉ lệ 1:22,5 so với thiết bị thực tế, bao gồm bồn khuấy có đáy nghiêng, cánh khuấy mái chèo với 4 tầng cánh và hệ thống điều khiển tốc độ bằng biến tần. Dữ liệu thu thập gồm tỉ trọng dung dịch bột mì sau khuấy, được đo bằng thiết bị DA-840 của KEM. Quá trình phân tích sử dụng phần mềm Minitab để xây dựng mô hình hồi quy và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay: Tăng tốc độ từ 25 lên 35 vòng/phút làm tăng tỉ trọng dung dịch lên khoảng 3.5%, cho thấy sự đồng nhất dung dịch được cải thiện rõ rệt nhờ dòng chảy mạnh hơn.

2. Số lượng tấm vách ngăn: Việc sử dụng 4 tấm vách ngăn thay vì không có vách ngăn giúp tăng tỉ trọng dung dịch lên đến 5.2%, nhờ giảm dòng xoáy và tăng cường phân tán chất lỏng.

3. Góc độ cánh khuấy: Góc 45° cho hiệu quả tối ưu với tỉ trọng dung dịch cao hơn 4.8% so với góc 30°, trong khi góc 60° không cải thiện đáng kể và tiêu tốn công suất lớn hơn.

4. Thời gian khuấy trộn: Thời gian 30 phút được xác định là phù hợp, giảm thời gian xuống 20 phút làm giảm tỉ trọng dung dịch khoảng 6%, trong khi kéo dài lên 40 phút không mang lại lợi ích đáng kể.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy sự tương tác phức tạp giữa các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến hiệu quả khuấy trộn. Tốc độ vòng quay cao hơn tạo ra dòng chảy mạnh, giúp phân tán bột mì nhanh hơn, phù hợp với nghiên cứu trước đây về dòng chảy hỗn loạn trong bồn khuấy. Số lượng tấm vách ngăn đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế dòng xoáy không mong muốn, từ đó tăng hiệu quả khuấy trộn. Góc độ cánh khuấy 45° cân bằng giữa công suất tiêu thụ và hiệu quả khuấy, phù hợp với thiết kế hiện tại của nhà máy. Thời gian khuấy 30 phút là kết quả cân đối giữa hiệu quả và chi phí vận hành, phù hợp với thực tế sản xuất. Biểu đồ tương tác giữa các yếu tố có thể minh họa rõ ràng sự ảnh hưởng và tương tác này, giúp nhà máy dễ dàng điều chỉnh thông số vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Điều chỉnh tốc độ vòng quay lên 35 vòng/phút: Mục tiêu tăng tỉ trọng dung dịch lên ít nhất 3%, thực hiện trong vòng 3 tháng, do bộ phận vận hành nhà máy đảm nhiệm.

2. Lắp đặt 4 tấm vách ngăn trong bồn khuấy: Tăng hiệu quả phân tán chất lỏng, giảm dòng xoáy, hoàn thành trong 2 tháng, do phòng kỹ thuật và bảo trì thực hiện.

3. Sử dụng cánh khuấy với góc 45°: Giữ nguyên thiết kế hiện tại để tối ưu công suất và hiệu quả, áp dụng ngay trong quá trình vận hành.

4. Giữ thời gian khuấy trộn ở mức 30 phút: Đảm bảo chất lượng dung dịch và tiết kiệm chi phí, theo dõi và đánh giá định kỳ hàng quý.

5. Áp dụng phần mềm Minitab để theo dõi và tối ưu liên tục: Đào tạo nhân viên kỹ thuật sử dụng phần mềm để phân tích dữ liệu thực tế, nâng cao hiệu quả vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành nhà máy sản xuất bột ngọt: Nắm bắt các thông số kỹ thuật tối ưu để cải thiện quy trình hòa tan bột mì, giảm thời gian và chi phí sản xuất.

2. Nhà thiết kế và chế tạo thiết bị khuấy trộn: Áp dụng các kết quả nghiên cứu về thiết kế cánh khuấy, tấm vách ngăn và công suất để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu thực tế.

3. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và công nghệ thực phẩm: Tham khảo phương pháp quy hoạch thực nghiệm và mô hình hóa để áp dụng cho các nghiên cứu tương tự.

4. Quản lý sản xuất và chất lượng: Sử dụng kết quả để xây dựng tiêu chuẩn vận hành, đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng nhất và nâng cao năng suất.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần tối ưu hóa hệ thống khuấy trộn trong quy trình hòa tan bột mì?
   Việc tối ưu giúp giảm thời gian hòa tan, nâng cao chất lượng dung dịch và tiết kiệm năng lượng, từ đó tăng năng suất và lợi ích kinh tế cho nhà máy.

2. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken có ưu điểm gì?
   Phương pháp này giảm số lượng thí nghiệm cần thiết, đồng thời đánh giá được ảnh hưởng và tương tác giữa nhiều yếu tố một cách hiệu quả và chính xác.

3. Làm thế nào để xác định góc độ cánh khuấy tối ưu?
   Thông qua thực nghiệm với các góc 30°, 45°, 60° và phân tích kết quả tỉ trọng dung dịch, góc 45° được xác định là tối ưu cân bằng giữa hiệu quả và công suất tiêu thụ.

4. Số lượng tấm vách ngăn ảnh hưởng như thế nào đến quá trình khuấy trộn?
   Tấm vách ngăn giúp giảm dòng xoáy không mong muốn, tăng sự phân tán và đồng nhất của dung dịch, từ đó cải thiện hiệu quả khuấy trộn.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các nhà máy khác không?
   Kết quả có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các nhà máy có quy trình và thiết bị tương tự, giúp tối ưu hóa hiệu suất khuấy trộn trong sản xuất thực phẩm và hóa chất.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xác định được các thông số kỹ thuật tối ưu cho hệ thống khuấy trộn bột mì tại nhà máy Ajinomoto, bao gồm tốc độ vòng quay 35 vòng/phút, 4 tấm vách ngăn, góc cánh khuấy 45° và thời gian khuấy 30 phút.
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box-Behnken kết hợp phần mềm Minitab giúp xây dựng mô hình hồi quy chính xác và tối ưu hóa hiệu quả khuấy trộn.
• Kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt về tỉ trọng dung dịch, đồng thời giảm thời gian hòa tan và tiết kiệm năng lượng.
• Thiết bị thực nghiệm được chế tạo theo tỉ lệ thu nhỏ 1:22,5 đảm bảo tính khả thi và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.
• Đề xuất áp dụng các giải pháp tối ưu trong vòng 3-4 tháng tới nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời khuyến khích đào tạo nhân viên sử dụng phần mềm phân tích để duy trì và cải tiến liên tục.

Hãy bắt đầu áp dụng các giải pháp tối ưu này để nâng cao hiệu quả sản xuất và giữ vững vị thế cạnh tranh trên thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG GVHD: GS. NGUYỄN HỮU LỘC 1.4 Kết luận Hệ thống khuấy trộn là một hệ thống sản xuất thường được sử dụng ở các ngành công nghiệp đặc biệt là ngành công nghiệp thực phẩm nói chung cũng như tại công ty Ajinomoto. Mục tiêu đề tài sẽ hướng đến nghiên cứu cơ sở lý thuyết của công nghệ khuấy trộn thông qua việc thực nghiệm kết hợp phương pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ưu thông số kỹ thuật nhằm tăng cường hiệu quả khuấy trộn của hệ thống khuấy trộn tinh bột mì đang hoạt động tại nhà máy Ajinomoto. Đề tài này được lựa chọn dựa trên nhu cầu thực tế và có tính ứng dụng cao.

7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: GS. NGUYỄN HỮU LỘC CHƯƠNG 2.1 Đặc tính của quá trình khuấy trộn Trong công nghệ khuấy trộn hóa chất, nguyên liệu được chuyển động trong điều kiện có tác dụng của cánh trộn, về mặt cấu trúc vật lý có thể xem như quá trình khuấy chất rắn - lỏng, rắn - khí, hoặc lỏng – lỏng. Để cơ cấu khuấy có thể quay ở tốc độ mong muốn, ta cần cung cấp năng lượng để khắc phục các trở lực của dung dịch. Các nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm cho thấy công suất cung cấp cho cơ cấu khuấy phụ thuộc chủ yếu vào:  Loại cơ cấu khuấy;  Vận tốc quay của cơ cấu khuấy;  Các tính chất lưu biến của dung dịch;  Các đặc điểm hình học của bồn chứa.

Một số nghiên cứu cho thấy: Công suất là một trong những yếu tố quyết định trong việc lựa chọn cánh khuấy. Công suất cũng liên quan đến một số nhóm điều kiện cũng như các thông số hình học khác để đạt được hiệu quả kinh tế giữa khả năng khuấy trộn và công suất tiêu thụ điện. Lựa chọn cánh khuấy phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như độ góc độ của cánh khuấy, số lượng tấm vách ngăn, kích thước bồn khuấy trộn. Đề tài nghiên cứu này sẽ tham khảo phương pháp tính toán công suất khuấy trộn dựa theo tác giả Shinji Nagata [11].

Tác giá có đưa ra các hệ số tính toán của chính mình dựa trên nghiên cứu và thực nghiệm để bổ trợ cho việc tính toán công suất thiết bị như sau: 𝑏 𝐷 + Hệ số A của Nagata: 𝐴 = 14 + × 670 × − 0. × + Hệ số B của Nagata: 𝐵 = 10 (2.2) + Hệ số P của Nagata: P = 1.3) 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: GS. NGUYỄN HỮU LỘC Trong đó ta có: + Db: Đường kính của cánh khuấy, m. + Dt: Đường kính của bồn khuấy trộn, m.

+ beq: Độ rộng cánh tương đương, m; × × Với: beq = b: chiều rộng cánh khuấy m: số lượng cánh khuấy của một tầng cánh khuấy k: số lượng tầng cánh khuấy Với các hệ số trên là hệ số thực nghiệm tính toán của nhà khoa học Shinji Nagata đã thực nghiệm nhằm hỗ trợ tính toán cho công suất khuấy trộn với loại cánh khuấy mái chèo (Paddle type) và có thể mở rộng sang tính toán cho các loại cánh khuấy khác. Theo tài liệu Nagata Mixing Principles [11] thì việc tính toán công suất khuấy sẽ thực hiện theo các bước như sau: Xác định hệ số Critical Reynolds Number (RC). Trong trường nếu như hệ thống khuấy sử dụng góc cánh khuấy khác 90 độ thì hệ số Critical Reynolds Number (Rth) lúc này được xác định như sau: Rth = 10 ×[ ( )] × 𝑅𝑐 (2.5) Khi xác định được hệ số Critical Reynolds Number theo điều kiện cánh khuấy thì tiếp theo ta có hệ số công suất tối đa ở điều kiện có vách ngăn với chiều rộng lớn nhất được xác định như sau:. Chiều rộng lớn nhất để đạt đến công suất tối đa là: Bbmax = 𝐷 (2.6) Với: nb là số lượng tấm vách ngăn trên thân bồn khuấy trộn 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: GS.

NGUYỄN HỮU LỘC Công thức tính hệ số công suất khuấy trộn tôi đa NPmax như sau:. Trong đó bao gồm: H: Chiều cao mực dịch trong bồn th: góc độ cánh khuấy A, B, C: hệ số của Nagata theo công thức (2.3) Theo tác giả Nagata [11] công thức (2.7) nhằm để tìm ra hệ công suất khuấy trộn tối đa khi hệ khuấy trộn áp dụng tấm vách ngắn lớn nhất. Trong thực tế nếu như sử dụng tấm vách ngăn nhỏ hơn sẽ có hệ số công suất khuấy trộn nhỏ hơn. Hệ số công suất khuấy trộn có tấm vách ngăn không ở điều kiện lớn nhất NPB được xác định theo công thức sau: .8) Với: nb là số lượng vách ngăn trên thân bồn khuấy trộn Bb là chiều rộng vách ngăn (nhỏ hơn chiều rộng vách ngăn tối đa B bmax) Dt là đường kính của bồn khuấy trộn 0.6 Np ∞ là hệ sô công suất với Re có xu hướng về vô cùng được xác định = 𝐵 × 1.6 B và P là hệ số của Nagata [11] được xác định ở công thức (2.3) Khi đã xác định được hệ số công suất khuấy trộn ở điều kiện có tấm vách ngăn thường thì ta có thể xác định công suất yêu cầu cho quá trình khuấy trộn thông qua công thức của tác giả Nagata [11]: PB = 𝑁 𝑁 𝐷 𝜌 (2.9) NpB: Hệ số công suất công suất khuấy trộn điều kiện vách ngăn thường; PB: là công suất khuấy trộn, kw; N: Tốc độ quay của động cơ, s-1; Dt: Đường kính của cánh khuấy, m : Khối lượng riêng của dung dịch, kg/m3; 10 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: GS.

NGUYỄN HỮU LỘC 2.2 Chuyển động của dòng chảy trong bồn khuấy trộn Hướng chuyển động tiếp tuyến: Chất lỏng ở thùng chứa có chuyển động phù hợp với quỹ đạo chuyển động của cánh khuấy. Sự khuấy trộn chất lỏng dọc trục không đáng kể; khuấy trộn xảy ra vì xoáy, phát sinh theo đường viền của cánh. Chất lượng khuấy trộn không cao. Chảy tiếp tuyến là đặc tính riêngcủa máy khuấy có cánh thẳng đứng và tốc độ quay chậm, trong đó không phát sinh dòng hướng tâm do lực ly tâm tạo ra.

Hướng chuyển động hướng tâm: Chất lỏng ở trong thùng chứa được chuyển động từ cánh khuấy hướng vào tâm. Để đảm bảo cho chất lỏng chảy hướng tâm cần phải để cho lực ly tâm lớn hơn lực chảy vòng của chất lỏng. Hướng chuyển động hướng trục: Chất lỏng trong thùng chứa đi vào và ở cánh khuấy chảy ra song song với trục a b c d Hình 2.1 Hướng chuyển động của dòng chảy trong bồn khuấy trộn [9] (a) Cánh quạt hướng trục hoặc hướng tâm không có vách ngăn (b) Vị trí ngoài trung tâm làm giảm dòng xoáy. (c) Cánh quạt hướng trục có vách ngăn (d) Cánh quạt hướng tâm có vách ngăn.

11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: GS. NGUYỄN HỮU LỘC Hình 2.2 Mô phỏng ảnh hưởng của dòng lưu chất theo sự khác nhau về góc độ cánh khuấy và số lượng tầng cánh khuấy [15] Ngoài việc chuyển động bởi vị trí đặt của trục thì việc các vách ngăn tác động nhiều đến quá trình khuấy trộn cũng như đảm bảo sự pha trộn đồng nhất của chất lỏng với vật liệu. Các tấm cản trong bồn khuấy trộn không chỉ đơn thuần là các phụ kiện kỹ thuật, mà chúng còn là yếu tố quyết định đối với hiệu quả của quá trình khuấy trộn. Chúng giúp tạo ra dòng chảy đều và đồng đều, từ đó tăng cường sự pha trộn và phân tán chất lỏng trong bồn khuấy trộn.

Thiết kế của các tấm vách ngăn cần được xem xét một cách tỉ mỉ để đảm bảo rằng chúng tối ưu hóa việc khuấy trộn và phân tán chất lỏng. Điều này bao gồm việc xem xét hình dạng, kích thước, vị trí và số lượng của các tấm cản để đạt được hiệu suất tối ưu.3 Vị trí lắp đặt tấm vách ngăn trong bồn khuấy trộn 12 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: GS. NGUYỄN HỮU LỘC Đánh giá hiệu suất của các tấm vách ngăn thường được thực hiện thông qua các chỉ số như mức độ hỗn loạn của chất lỏng, thời gian cần thiết để đạt được sự pha trộn đồng nhất và hiệu suất trao đổi vật liệu. Việc đánh giá này thường đi kèm với các thử nghiệm và mô phỏng để đảm bảo rằng thiết kế và vị trí của các tấm vách ngăn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật.

Để đạt được hiệu suất tối đa, việc tối ưu hóa thiết kế của các tấm vách ngăn là cần thiết. Điều này có thể bao gồm sử dụng phần mềm mô phỏng để dự đoán dòng chảy và phân tán chất lỏng, cũng như thử nghiệm thực tế trên các mô hình thu nhỏ hoặc trong điều kiện thực tế. Sự hiệu quả của việc sử dụng các tấm vách ngăn cần được đánh giá kỹ lưỡng so với chi phí và lợi ích. Mặc dù có thể tăng chi phí ban đầu và chi phí vận hành thông qua việc tăng công suất khuấy trộn do tăng thêm lực cản lên cánh khuấy, nhưng việc sử dụng các tấm vách ngăn có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của quá trình khuấy trộn và dẫn đến tiết kiệm chi phí trong dài hạn.4 Mô phỏng dòng chảy của hệ bồn khuấy có 4 vách ngăn [14] Việc chọn số lượng tấm vách ngăn trong bồn trộn thường phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước của bồn trộn và mục đích của quá trình khuấy trộn, và các yêu cầu kỹ thuật cụ thể của ứng dụng.

Việc sử dụng 2 hoặc 4 tấm vách ngăn là phổ biến vì nó cung cấp sự phân tán và khuấy trộn đủ độ trong hầu hết các trường hợp, nhưng số lượng tấm vách ngăn có thể được điều chỉnh tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể. 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT GVHD: GS. NGUYỄN HỮU LỘC Việc sử dụng 2 hoặc 4 tấm vách ngăn có thể cung cấp sự phân tán và khuấy trộn đủ độ trong hầu hết các trường hợp. Các vách ngăn được đặt ở các vị trí chiến lược để tạo ra dòng chảy hợp lý và tối ưu hóa việc phân tán chất lỏng trong bồn trộn.

Sử dụng ít tấm vách ngăn hơn cũng có thể giúp giảm chi phí thiết kế và lắp đặt. Việc chọn số lượng tấm vách ngăn phù hợp có thể tối ưu hóa hiệu quả của quá trình khuấy trộn mà không làm tăng chi phí không cần thiết. Tuy nhiên, trong một số trường hợp cụ thể, có thể cần sử dụng nhiều hơn 4 tấm vách ngăn để đạt được hiệu suất khuấy trộn mong muốn, đặc biệt là khi bồn trộn có kích thước lớn hoặc yêu cầu điều kiện khuấy trộn cực kỳ mạnh mẽ.3 Thời gian khuấy trộn Thời gian trộn là một trong những thông số quan trọng nhất trong trộn chất rắn- lỏng vì nó cũng là thời gian cần thiết để có được một mức độ đồng nhất mong muốn trong bể trộn.