Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Trường Đại học Bách khoa
Khoa Kỹ thuật Hóa học
BỘ MÔN QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ

Phúc trình Thí nghiệm
Quá trình & Thiết bò

Bài:

CỘT CHÊM


I. Nội dung cơ bản:
1.

Mục đích:
Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng
cách xác đònh:
-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  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 ).

II. Lý thuyết căn bản:
1. Độ giảm áp của dòng khí
Độ giảm áp
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

(1)
Với n = 1,8 – 2,0
Khi có dòng lỏng chảy ngược chiều, các khoảng trống giữa những vật chêm bò thu hẹp
lại. Dòng khí do đó di chuyển khó khăn hơn vì một phần thể tích tự do giữa các vật
chêm bò 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 trò số tới hạn của vận tốc khí, lúc đó độ
giảm áp của dòng khí tăng vọt lên. Điểm ứng với trò số tới hạn của vận tốc khí này
được gọi là điểm gia trọng. Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí quá trò số tới hạn này, ảnh
hưởng cản trở hỗ tương giữa dòng lỏng và dòng khí rất lớn,
tăng mau chóng không
theo phương trình (1) nữa. Dòng lỏng lúc này chảy xuống cũng khó khăn, cột ở điểm
lụt.
Đường biểu diễn log(
) (độ giảm áp suất của dòng khí qua một đơn vò chiều cao
của phần chêm trong cột) dự kiến như trình bày trên hình 1.


log(

L3

)

L2

C


A

L1

B

L=0

logG
Hình 1: Ảnh hưởng của G và L đối với độ giảm áp của cột

2. Hệ số ma sát fck theo Rec khi cột khô:
Chilton và Colburn đề nghò một hê thức liên hệ giữa độ giảm áp của dòng khí qua cột
chêm khô với vận tốc khối lượng của dòng khí qua cột.

, N/m2
Z: chiều cao phần chêm, m
G: vận tốc khối lượng dòng khí dựa trên một đơn vò tiết diện cột, kg/s.m2.
Dh: kích thước đặc trưng của vât chêm, m
ρg: khối lượng riêng của pha khí, kg/m3
h: hệ số hiệu chỉnh dùng cho vật chêm rỗng.
w: 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 trò số sau cho vòng
Raschig:
h = 0,35
w= 1
Tuy nhiên, Zhavoronkov đề nghò một hệ thức khác chính xác hơn vì đã đưa được trò số
độ xốp của cột chêm vào hệ thức:



, N/m2
Với

: độ xốp của vật chêm.
De = 4 /a : đường kính tương đương của vật chêm, m
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:
Rec =

=

: độ nhớt của dòng khí, kg/ms.
Zhavoronkoz đã xác đònh được dòng khí chuyển từ chế độ chảy tầng sang chế độ chảy
rối ứng với trò số Rec = 50. Trong vùng chảy rối, 50 < Rec < 7000 với cột chêm ngẫu
nhiên. Ta được:

fck =
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.
3. Độ giảm áp
khi cột ướt
Sự liên hệ giữa độ giảm áp cột khô và độ giảm áp cột ướt có thể được biểu diễn như
sau:

Do đó có thể dự kiến fcu = .fck
Với : hệ số phụ thuộc vào mức độ xối tưới của dòng lỏng L, kg/m2s.
Leva đề nghò ảnh hưởng của L lên  như sau
 = 10L

hay log = L
Giá trò  tùy thuộc vào loại, kích thước, cách thức sắp xếp vật chêm ( xếp ngẫu nhiên
hay theo thứ tự ) và độ lớn lưu lượng lỏng L. Thí dụ với vật chêm là vòng sứ Raschig
12,7 mm, chêm ngẫu nhiên, độ xốp = 0,586; giá trò của L từ 0,39 đến 11,7 kg/m2s
và cột hoạt động trong vùng dưới điểm gia trọng.
= 0,084
Một số tài liệu còn biểu diễn sự phụ thuộc giữa tỉ số

A=3

√

(

)

Khi A < 0,3 cho vật chêm bằng sứ có d < 30 mm, ta có:

với hệ số xối tưới như sau:


ReL =
4. Điểm lụt của cột chêm
Khi cột chêm bò ngập lụt, chất lỏng chiếm toàn bộ khoảng trống trong phần chêm, các
dòng chảy bò xáo trộn mãnh liệt, hiện tượng này rất bất lợi cho sự hoạt động của cột
chêm. Gọi giá trò của GL tương ứng với trạng thái này là GL*.

1

Hình 2: Giản đồ lụt của cột chêm


2

Zhavoronkov kết luận rằng trạng thái ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số sau có sự liên
hệ nhất đònh với nhau cho mỗi cột.
1 = (

)

và

2 =

Với

fck: hệ số ma sát cột khô.
: vận tốc dài của dòng khí ngay trước khi vào cột, m/s

√


td:

độ nhớt tương đối của chất lỏng so với nước.

td*

=

, nếu chất lỏng


là nước thì td = 1.
Do đó sự liên hệ giữa 1, 2 nên giản đồ log1 - log2 sẽ xác đònh một giản đồ lụt
của cột chêm, phần giới hạn hoạt động của cột chêm ở dưới đường này.

III. Dụng cụ- Thiết bi và Phương pháp thí nghiệm
1. Thiết bò thí nghiệm:
Thiết bò thí nghiệm gồm có:
1) Cột thủy tinh, bên trong là các vòng sứ Raschig xếp chêm ngẫu nhiên.
2) Hệ thống cấp khí gồm:
 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%.
3) Hệ thống cấp nước gồm:
 Thùng chứa nước bằng nhựa N.
 Bơm chất lỏng BL.
 Lưu lượng kế lỏng F1 có độ chia từ 0 đến 1,6.
2. Các số liệu liên quan đến cột chêm
Cột thủy tinh:
 Đường kính d = 0,09 m
 Chiều cao H = 0,805 m
 Chiều cao phần chêm Z = 0,42 m.
Vật chêm xếp ngẫu nhiên, vòng Raschig đường kính 12,7 mm, bề mặt riêng a = 370 –
380 m2/m3, độ xốp = 0,586.
Đường kính ống thép ở đáy cột D = 0,09 m.
3. Phương pháp thí nghiệm:
1) Khóa lại tất cả các 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 chỉnh mức lỏng ở đáy cột ngang bằng với ống
đònh mức g. Tắt bơm và khóa van 3.
6) Đo độ giảm áp ở 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 chỉnh lưu lượng khí vào cột.


Ứng với mỗi giá trò lưu lượng khí đã chọn ta đọc
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 đònh, ta chỉnh lưu
lượng khí và đọc độ giảm áp
giống như
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 lỏng ở đáy cột luôn
ổn đònh 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 thì 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 suất để nước tràn vào ống dẫn khí thì mở van xả nước ở phía bảng.



IV. Kết quả thí nghiệm
Cột khô
G , kg/s.m2

G (%)
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100

0,087
0,175
0,262
0,349
0,436
0,524
0,611
0,698
0,786
0,873

DPck

DPck (N/m2) DPck/Z, (N/m2)/m fck

3
7
17,5
20
26
36
46
62
78
93

29,43
68,67
171,68
196,20
255,06
353,16
451,26
608,22
765,18
912,33

70,071
163,500
408,750
467,143
607,286
840,857
1074,429
1448,143

1821,857
2172,214

Reck
11,499
6,708
7,453
4,791
3,986
3,833
3,598
3,713
3,691
3,565

50,32735
100,6547
150,982
201,3094
251,6367
301,9641
352,2914
402,6188
452,9461
503,2735

log(DPck/Z) logG
1,846
2,214
2,611

2,669
2,783
2,925
3,031
3,161
3,261
3,337

-1,059
-0,758
-0,582
-0,457
-0,360
-0,281
-0,214
-0,156
-0,105
-0,059

log(fck)
1,061
0,827
0,872
0,680
0,601
0,584
0,556
0,570
0,567
0,552



L = 0,2
DPcu DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m

G (%)

G, kg/s.m2

10
20
30
40
50
60
70
80
90

0,087
0,175
0,262
0,349
0,436
0,524
0,611
0,698
0,786

2

7
14
23
33
46
62
95
135

19,62
68,67
137,34
225,63
323,73
451,26
608,22
931,95
1324,35

100

0,873

170

1667,7



fcu=.fck


Recu

log(fcu)

log()

logG

46,714
163,500
327,000
537,214
770,786
1074,429
1448,143
2218,929
3153,214

0,667
1,000
0,800
1,150
1,269
1,278
1,348
1,532
1,731

7,666

6,708
5,963
5,510
5,060
4,898
4,850
5,690
6,388

50,327
100,655
150,982
201,309
251,637
301,964
352,291
402,619
452,946

0,885
0,827
0,775
0,741
0,704
0,690
0,686
0,755
0,805

-0,176

0,000
-0,097
0,061
0,104
0,106
0,130
0,185
0,238

-1,059
-0,758
-0,582
-0,457
-0,360
-0,281
-0,214
-0,156
-0,105

3970,714

1,828

6,516

503,273

0,814

0,262


-0,059

L = 0,4

G (%)

G, kg/s.m2

DPcu

DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m 

log(fcu) log()

fcu=.fck Recu

logG

10

0,087

3

29,43

70,071

1,000


11,499

50,327

1,061

0 -1,05905

20

0,175

9

88,29

210,214

1,286

8,624

100,655

0,936 0,109144 -0,75802

30
40
50

60
70

0,262
0,349
0,436
0,524
0,611

15
27
53
73
104

147,15
264,87
519,93
716,13
1020,24

350,357
630,643
1237,929
1705,071
2429,143

0,857
1,350
2,038

2,028
2,261

6,388
6,468
8,126
7,773
8,135

150,982
201,309
251,637
301,964
352,291

0,805
0,811
0,910
0,891
0,910

-0,06695
0,130334
0,309303
0,30702
0,354276

-0,58193
-0,45699
-0,36008

-0,2809
-0,21395


L = 0,6

G (%)

G, kg/s.m2
10
20
30
40
50
60
70

DPcu

0,087
0,175
0,262
0,349
0,436
0,524
0,611

DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m 
3
9

18
27
42
70
146

29,43
88,29
176,58
264,87
412,02
686,7
1432,26

70,071
210,214
420,429
630,643
981,000
1635,000
3410,143

fcu=.fck Recu
1,000
1,286
1,029
1,350
1,615
1,944
3,174


11,499
8,624
7,666
6,468
6,440
7,453
11,421

50,327
100,655
150,982
201,309
251,637
301,964
352,291

log(fcu) log()
1,061
0,936
0,885
0,811
0,809
0,872
1,058

0,000
0,109
0,012
0,130

0,208
0,289
0,502

logG
-1,059
-0,758
-0,582
-0,457
-0,360
-0,281
-0,214

L = 0,8

G, kg/s.m2 DPcu

G (%)
10
20
30
40
50
55
L=1

0,087
0,175
0,262
0,349

0,436
0,480

DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m 
3
10
21
53
80
101

29,43
98,1
206,01
519,93
784,8
990,81

70,071
233,571
490,500
1237,929
1868,571
2359,071

1,000
1,429
1,200
2,650
3,077

2,806

fcu=.fck Recu

log(fcu) log()

11,499
9,583
8,944
12,697
12,266
10,754

1,061
0,981
0,952
1,104
1,089
1,032

50,327
100,655
150,982
201,309
251,637
276,800

0,000
0,155
0,079

0,423
0,488
0,448

logG
-1,059
-0,758
-0,582
-0,457
-0,360
-0,319


G (%)

G, kg/s.m2

10
20
30
35
40
45
50

0,087
0,175
0,262
0,306
0,349

0,393
0,436

DPcu
4
19
38
53
65
89
121

DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m 
39,24
186,39
372,78
519,93
637,65
873,09
1187,01

93,429
443,786
887,571
1237,929
1518,214
2078,786
2826,214

fcu=.fck Recu

1,333
2,714
2,171
2,650
2,500
2,472
2,630

15,332
18,207
16,184
12,697
9,966
9,476
9,465

50,327
100,655
150,982
176,146
201,309
226,473
251,637



fcu=.fck

Recu


1,667
2,286
2,571
3,050
3,231

19,165
15,332
19,165
14,613
12,879

50,327
100,655
150,982
176,146
196,277

log(fcu) log()
1,186
1,260
1,209
1,104
0,999
0,977
0,976

logG

0,125

0,434
0,337
0,423
0,398
0,393
0,420

-1,059
-0,758
-0,582
-0,515
-0,457
-0,406
-0,360

log(fcu) log()

logG

1,283
1,186
1,283
1,165
1,110

-1,059
-0,758
-0,582
-0,515
-0,468


L = 1,2

G (%)

G, kg/s.m2

10
20
30
35
39

0,087
0,175
0,262
0,306
0,340

DPcu DPcu (N/m2) DPcu/Z, (N/m2)/m

L, gppm L, kg/s.m2
0,400
3,951
0,600
5,927
0,800
7,903
1,000
9,878

1,200
11,854
1,400
13,830
1,600
15,805

V. Ñoà thò

5
16
45
61
84

49,05
156,96
441,45
598,41
824,04

116,786
373,714
1051,071
1424,786
1962,000

G*, % G*, Kg/s.m2
0,700
0,611

0,700
0,611
0,500
0,437
0,500
0,437
0,400
0,349
0,300
0,262
0,200
0,175

L/G*
6,463
9,695
18,097
22,622
33,932
52,784
90,486

1
0,110
0,110
0,062
0,062
0,048
0,027
0,017


2
0,221
0,332
0,619
0,774
1,161
1,806
3,095

0,222
0,359
0,410
0,484
0,509
log( 1 )
-0,9586073
-0,9586073
-1,2076083
-1,2076083
-1,3187588
-1,5686362
-1,7695511

log( 2 )
-0,65561
-0,47886
-0,20831
-0,11126
0,064832

0,256718
0,490661





VI. Bàn luận:
1.
Ảnh hưởng của G lên độ giảm áp khi cột khô và khi cột ướt:
_Khi cột khô: theo thí nghiệm thì khi G tăng, DP của tăng theo, đồ thì Log(DP/Z) theo
Log(G) có dạng đường thẳng.
_Khi cột ướt: Ban đầu, khi giá trò G còn nhỏ, G và DP tăng chậm, có dạng gần như
đường thẳng. Nhưng khi G tăng đến một giá trò gọi là điểm gia trọng thì DP xu hướng
tăng mạnh và đột ngột, không tuân theo phương trình DPck = DGn, khi đó cột ở trạng
thái lụt, và đồ thò lúc này có dạng đường cong. Tuy nhiên ở mức L=0,2, cột chêm
không hoạt động ở trạng thái lụt, do đó đồ thò chỉ hơi tăng nhẹ so với lý thuyết.
2.
Mục đích và cách sử dụng giản đồ f theo Re
_Mục đích của giản đồ f theo Re: dùng để xác đònh sư biến đổi của hệ số ma sát theo
chuẩn số Re của dòng khí. Giản đồ sẽ giúp ta chọn lưu lượng khí hợp lý nhất khi vận
hành để giảm lực ma sát trong cột.
_Cách sử dụng giản đồ:
Khi biết được giá trò f: từ giá trò đã biết trên trục tung, ta gióng đường thẳng song song
với trục hoành, cắt đường đồ thò tại một điểm, từ điểm đó ta vẽ đường vuông góc với
trục hoành, cắt trục hoành tại một điểm, thì điểm đó chính là giá trò Re cần tìm.
Chúng ta cũng làm tương tự khi biết giá trò của Re, nhưng thay trục hoành ở trên bằng
trục tung, ta cũng sẽ tìm được một điểm, điểm đó chính là f cần tìm.

VII. Phụ lục







Tính fck theo công thức:

Với : độ xốp của vật chêm, = 0,586.
De = 4 / a: đường kính tương đương của vật chêm, m.
a = 370-380 m2/m3 :diện tích bề mặt riêng của vật chêm.
Tính fcư bằng công thức:
fcư = . fck
Tính  bằng công thức:
DPcư = . DPck
Tính Reck bằng công thức:

Với : độ nhớt của dòng khí, kg/ms

 Lưu lượng khí: G(kg/s.m2) =


ρk: khối lượng riêng dòng khí ỡ 300C, tra số liệu ρk = 1,165 kg/m3.
F: tiết diện cột chêm: F=

 Lưu lượng lỏng: L(kg/s.m2) =
 Tính 1 = (
Tính 2 =

)


√

VIII. Tài liệu tham khảo
[1].Tập thể CBGD bộ môn Máy – Thiết bò, Thí nghiệm Quá trình – Thiết bò, Đại học
Bách Khoa Tp.HCM.
[2]. GS.TSKH.Nguyễn Bin,Giáo trình truyền khối, Đại học Bách khoa Hà Nội.
[3].Vũ Bá Minh, Truyền khối, Đại học Bách Khoa, Tp.HCM.