Thí nghiệm quá trình và thiết bị

CỘT CHÊM

BÀI 2: CỘT CHÊM
1. Mục đích thí nghiệm
Khảo sát đặc tính động lực học lưu chất và khả năng hoạt động của cột chêm bằng
cách xác định:
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 σ 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).
2. Cơ sở lý thuyết
2.1 Khái niệm quá trình hấp thụ (hấp thu)
Quá trình hấp thu là quá trình cho một hỗn hợp khí tiếp xúc với dung môi lỏng
nhằm mục đích hòa tan chọn lọc một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một
dung dịch các cấu tử trong chất lỏng, pha khí sau hấp thu gọi là khí sạch, pha lỏng sau
hấp thu gọi là dung dịch sau hấp thu.
Vậy quá trình hấp thu là quá trình truyền vận cấu tử vật chất từ pha khí vào pha
lỏng. nếu quá trình xảy ra theo chiều ngược lại, nghĩa là truyền vận cấu tử từ pha lỏng
sang pha khí, ta có quá trình nhả hấp thu.
Mục đích của quá trình hấp thu là hòa tan chọn lọc một số cấu tử.
2.2 Ứng dụng của quá trình hấp thu
− Công nghệ thực phẩm
− Công nghệ hóa học
− Công nghệ sinh hoc
− Kỹ thuật môi trường
− Ngành công nghiệp dầu khí

2.3 Phương pháp lựa chọn dung môi hấp thu
Khi lựa chọn dung môi cho quá trình hấp thu người ta dựa vào các tính chất sau:
 Độ hòa tan chọn lọc
Đây là những tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chất chỉ hòa tan tốt cấu tử
cần tách ra khỏi hỗn hợp mà không hòa tan các cấu tử còn lại hoặc hòa tan không đáng
kể. Tổng quát, dung môi và dung chất có bản chất tương tự nhau thì cho độ hòa tan tốt.
Dung môi và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tăng độ bền hòa tan lên rất
nhiều, nhưng nếu dung môi được thu hồi để dùng lại thì phản ứng phải có tính hoàn
nguyên.
 Độ bay hơi tương đối
Dung môi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau quá trình hấp thu sẽ bão hòa hơi
dung môi do đó dung môi bị mất.
 Tính ăn mòn của dung môi
Dung môi nên có tính ăn mòn thấp để vật liệu chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền.
 Chi phí
Dung môi dễ tìm và rẻ tiền để sự thất thoát không tốn kém nhiều.
 Độ nhớt
Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điều kiện ngập lụt
trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt.
 Các tính chất khác

-1-


Thí nghiệm quá trình và thiết bị

CỘT CHÊM

Dung môi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệt khi hoàn nguyên dung môi,
nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị, không tạo kết tủa,

không độc.
Trong thực tế, không một dung môi nào trong một lúc đáp ứng được tất cả các
tính chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thực hiện quá trình
hấp thu. Dù sao tính chất thứ nhất cũng không thể thiếu được trong bất cứ trường hợp
nào.
2.4 Phương pháp hấp thu: Có 2 phương pháp hấp thu nghịch dòng và hấp thu xuôi
dòng ở đây ta chỉ xét hấp thu nghịch dòng.
 Hấp thu nghịch dòng
Pha khí là hỗn hợp khí G vào chứa nhiều chất:
Trong đó
− Các chất trơ Gtr (không hấp thu vào lỏng)
− Chất hấp thu vào lỏng gọi là cấu tử A
Pha lỏng:
− Lượng dung môi gọi là L
− Cấu tử A đã có sẵn trong pha lỏng L
− Lượng dung môi trơ là Ltr là lượng dung môi tổng cộng L trừ đi cấu tử A.
2.5 Một số định nghĩa
Phần mol của cẩu tử i là số mol (suất lượng mol) của cẩu tử i chia cho tổng số mol
hỗn hợp (suất lượng mol hỗn hợp).
Phần khối lượng của cấu tử i là khối lượng (suất lượng khối lượng) của cấu tử i
chia cho tổng khối lượng hỗn hợp (suất lượng khối lượng hỗn hợp)
Tỉ số mol của cấu tử i là số mol (suất lượng mol) của cấu tử i chia cho tổng số
mol (suất lượng mol) trừ đi số mol (suất lượng mol) của i.
Các đơn vị:
− Suất lượng mol: mol/h; (kmol/h.m2); (mol/h.m2).
− Suất lượng khối lượng: kg/h; (kg/h.m2); (g/h.m2).
− Phần mol và tỉ số mol không có đơn vị.
2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thu
Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố có ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp
thu. Chúng ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình.

Nếu nhiệt độ tăng thì giá trị hệ số của định luật Henry tăng, đường cân bằng sẽ chuyển
dịch về trục tung, động lực truyền khối sẽ giảm. Nếu tăng nhiệt độ lên một giới hạn nào
đó thì không những động lực truyền khố giảm mà ngay cả quá trình cũng không thực hiện
được. Mặt khác khi nhiệt độ tăng cao cũng ảnh hưởng tốt vì độ nhớt của dung môi giảm
(có lợi đối với trường hợp trở lực khếch tán chủ yếu nằm trong pha lỏng).
Thiết bị hấp thu
Trong công nghiệp, thực tế sản xuất người ta có thể dùng nhiều loại thiết bị khác
nhau để thực hiện quá trình hấp thu. Tuy nhiên, yêu cầu cơ bản của thiết bị vẫn là diện
tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn để tăng hiệu suất của quá trình hấp thu. Bài thí nghiệm
này ta xét loại tháp hấp thu là tháp đệm (cột chiêm).

3. Sơ đồ thiết bị

-2-


Thí nghiệm quá trình và thiết bị
I-Máy thổi khí
II-Lưu lượng kế dòng khí
III-Cột chêm
IV-Bồn chứa
V-Bơm
VI- Lưu lượng kế dòng lỏng
D-lớp đệm vòng sứ Raschig

CỘT CHÊM

1,2-Van điều chỉnh lưu lượng dòng khí
3-Van xả nước đọng trong ống khí
4,6-Van điều chỉnh lưu lượng dòng lỏng

5-Van tạo cột lỏng ngăn khí
7-Van điều chỉnh mức nước trong cột chêm
8-Van xả nhanh khi lụt cột chêm
9-Van xả đáy bồn chứa

4. Kết quả thí nghiệm
4.1 Từ thí nghiệm ta có bảng số liệu
Khí (l/p)
Lỏng (l/p)
0

0.3

0.5

0.7

1.1

1.5

2.0

2.5

3

4.2

5.5


7.0

9.0

12.5

19.0

21.0

4

5.4

8.5

11.5

14.0

19.0

24.0

5

6.2

13.5


20.2

25.0

27.5

6

6.5

16.5

21.0

28.5

7
11.0
26.0
4.2 Tính toán kết quả
• Ta đổi đơn vị L/phút → m3/s

32.0

-3-


Thí nghiệm quá trình và thiết bị


CỘT CHÊM

−3

10
(m3/s)
60
60.10 −3 3
Tương tự:
60 L/phút =
(m /s) = 0.001
60
Bảng số liệu sau khi xử lý:
Khí(m3/s)
L(m3/s)
0.000000
0.0030 0.0050 0.0070
0.0110
0.000050
0.0420 0.0550 0.0700
0.0900
0.000067
0.0540 0.0850 0.1150
0.1400
0.000083
0.0620 0.1350 0.2020
0.2500
0.000100
0.0650 0.1650 0.2100
0.2850

0.000117
0.1100 0.2600 0.3200
• Tính G
ρkk = 1,095 (kg/m3), µ = 0.000018606 (kg/m.s)
V .ρ kk
G=
S
2
π .d .ε
Trong đó:
S=
4
4G
Re =
• Tính Re:
a.µ
3,8
• Tính fCK
fCK =
Re 0, 2
Làm tương tự ta có bảng xử lý số liệu cột khô:
1 L/phút =

V(m3/s)

H (m)

G,
kg/s.m2


Pck
(N/m2)

∆pck
Z

0.0150
0.1250
0.1900
0.2750

0.0200
0.1900
0.2400

logG

Re

fck

105.8764
141.1685
176.4606
211.7527
247.0448
282.3370
317.6291

14.9118

13.9798
12.5259
13.6691
13.6945
13.9798
13.8072

0.0010 0.0030 0.2569
29.3020
58.6040
-0.5902
0.0013 0.0050 0.3425
48.8366
97.6733
-0.4653
0.0017 0.0070 0.4282
68.3713 136.7426 -0.3684
0.0020 0.0110 0.5138 107.4406 214.8812 -0.2892
0.0023 0.0150 0.5994 146.5099 293.0199 -0.2223
0.0027 0.0200 0.6851 195.3466 390.6931 -0.1643
0.0030 0.0250 0.7707 244.1832 488.3664 -0.1131
• Tính toán cho bảng cột ướt
Từ bảng số liệu của cột ướt ta tính cho hàng đầu tiên trong bảng
 Tính G
Cột ướt đang vận hành ở nhiệt độ 30oC hay 303 K (độ Kelvin)
Ở đó ρCƯ = 995.68 (kg/m3); µ=1,8638.10-5 (kg/m.s)
V .ρ CU
G=
S


-4-

0.0250
0.2100


Thí nghiệm quá trình và thiết bị
 Tính δ: δ =

CỘT CHÊM

∆ΡCU
∆ΡCK

Tính fCƯ = δ.fCK
Làm tương tự ta có bảng xử lý số liệu của các cột ướt như sau:
CỘT ƯỚT L = 3
G
Pcư
H(m)
Pcư/Z
logG
Re
kg/s.m2
(N/m2)
0.0420 233.5915 410.2278
820.4556 2.3685 105.8764
0.0550 311.4554 537.2031
1074.4061 2.4934 141.1685
0.0700 389.3192 683.7130

1367.4260 2.5903 176.4606
0.0900 467.1831 879.0596
1758.1191 2.6695 211.7527
0.1250 545.0469 1220.9161 2441.8321 2.7364 247.0448
0.1900 622.9107 1855.7924 3711.5848 2.7944 282.3370
0.2100 700.7746 2051.1390 4102.2780 2.8456 317.6291

fcư

σ

Logσ

208.7651
153.7779
125.2591
111.8385
114.1209
132.8082
115.9806

14.0000
11.0000
10.0000
8.1818
8.3333
9.5000
8.4000

1.1461

1.0414
1.0000
0.9128
0.9208
0.9777
0.9243

CỘT ƯỚT L = 4
0.0540

G,
kg/s.m2
233.5915

Pcư
(N/m2)
527.4357

0.0850

311.4554

830.2229

0.115
0
0.140
0
0.190
0

0.2400

389.3192

1123.2428

467.1831

1367.4260

545.0469

1855.7924

622.9107

2344.1588

H(m)

Pcư/Z

logG

Re

fcư

σ


1054.8715 2.3685

105.876 268.412 18.000
4
3
0
1660.4458 2.4934 141.168 237.656 17.000
5
7
0
2246.4855 2.5903 176.460 205.7828 16.428
6
6
2734.8520 2.6695 211.7527 173.970 12.7273
9
3711.5848 2.736 247.0448 173.463 12.666
4
7
7
4688.3177 2.7944 282.3370 167.757 12.0000
7

Logσ
1.2553
1.2304
1.2156
1.1047
1.1027
1.0792


CỘT ƯỚT L = 5
H(m)

G,
kg/s.m2

Pcư
(N/m2)

0.0620 233.5915

605.5744

311.455
4
389.319
2
467.183
1

1318.589
3
1973.000
3
2441.832
1
2686.015
3

0.1350

0.2020
0.2500

0.2750 545.0469

Pcư/Z

logG

1211.1487 2.3685
2637.1787 2.4934
3946.0007 2.5903

Re

fcư

σ

Logσ

105.876
4
141.168
5
176.460
6

308.177
1


20.666
7

1.3153

377.4548 27.0000

1.4314

4883.6642 2.6695 211.7527

361.461
9
310.662
4

5372.0307 2.7364 247.0448 251.0659

-5-

28.8571 1.4603
22.7273 1.3565
18.333
3

1.2632


Thí nghiệm quá trình và thiết bị


CỘT CHÊM

CỘT ƯỚT L = 6
H(m)

G,
kg/s.m2

Pcư
(N/m2)

0.0650 233.5915

634.8764

311.455
4
389.319
2
467.183
1

1611.609
2
2051.139
0
2783.688
6


0.1650
0.2100
0.2850

Pcư/Z

logG

1269.7527 2.3685
3223.2184 2.4934
4102.2780 2.5903

Re

fcư

105.876
4
141.168
5
176.460
6

323.088
9
461.333
7

σ


Logσ

21.6667 1.3358
33.0000

1.5185

375.7772 30.0000

1.4771

5567.3772 2.6695 211.7527 354.1551 25.9091 1.4135
CỘT ƯỚT L = 7

H(m)

G,
kg/s.m2

0.1100 233.5915
0.2600
0.3200

311.455
4
389.319
2

Pcư
(N/m2)

1074.406
1

Pcư/Z

logG

2148.8123 2.3685

2539.5054 5079.0108 2.4934
3125.5451 6251.0902 2.5903

Re
105.876
4
141.168
5
176.460
6

fcư

σ

Logσ

546.7658 36.6667 1.5643
726.9500 52.0000 1.7160
572.6129 45.7143 1.6601


• Tính toán cho bảng cột ngập lụt
Ta tính cho dòng đầu tiên của cột ngập lụt
 Tính chuẩn số thứ nhất π1
π1=[(fCK.a.V12.ρKK)/(ε3.2g.ρL)].µtd0,2
V
V1 =
(m/s) (vận tốc dòng khí qua cột)
S1

πd 2
(m2)
4
 Tính chuẩn số thứ 2 π2
L (m 3 / s ) ρ KK
π2 =
.
V (m 3 / s ) ρ long
Làm tương tự cho các dòng tiếp theo ta có bảng xử lý số liệu của cột ngập lụt như sau:
CỘT LỤT
*
Khí
G,
L
L/G*
fck
∏1
∏2
log∏1
log∏2
(m3/s)

kg/s.m2
934.3661
0.0027
0.6851
1363.9044 104.9546 2.6759 0.5657 0.4275 -0.2474
S1 =

-6-


Thí nghiệm quá trình và thiết bị
1167.9576
1401.5492
1635.1407

0.0023
0.0020
0.0017

0.5994
0.5138
0.4282

CỘT CHÊM

1948.4348
2727.8088
3818.9323

142.4384

166.1781
223.9032

2.7804
2.3832
2.2299

4.3 Vẽ biểu đồ
4.3.1.1 Cột khô
Đồ thị Log (∆PCK/Z) – log G

Đồ thị Log fck – Re

4.3.1.2 Cột ướt
Đồ thị Log (∆PCK/Z) – logG

-7-

0.8616
1.2564
1.8093

0.4441
0.3772
0.3483

-0.0647
0.0991
0.2575



Thí nghiệm quá trình và thiết bị

CỘT CHÊM

Đồ thị Log fcư – Re

4.3.1.3 Cột ngập lụt
Đồ thị Logπ1- Logπ2

-8-


Thí nghiệm quá trình và thiết bị

CỘT CHÊM

Đồ thị Logσ- L

 Nhận xét: quá trình thí nghiệm giúp sinh viên biết cách vận hành máy, thông qua
xử lý số liệu sẽ giúp sinh viên nhận biết được sai số lý thuyết và thực tế.
5.Bàn luận
1. Ảnh hưởng của G lên độ giảm áp P khi cột khô và cột ướt
Trong các tháp chêm, độ giảm áp pha khí chịu ảnh hưởng của suất lượng pha lỏng,
pha khí.
- Khi cột khô, dòng khí chuyển động qua các khoảng trống giữa các vật
chêm và độ giảm áp Pck tăng đều đặn theo vận tốc dòng khí G dạng lũy
thừa: Pck=

Gn


-9-


Thí nghiệm quá trình và thiết bị

CỘT CHÊM

-

Khi cột ướt: các khoảng trống giữa các vật chêm bị dòng chảy làm cho
hẹp lại nên dòng khí di chuyển khó khăn hơn. Đối với cùng một lưu lượng
của dòng lỏng ta có quan hệ của độ giảm áp Pcư và vận tốc dòng khí như
sau:
• G nhỏ, sự phụ thuộc có tính chất như trong trường hợp cột khô, tăng
đều.
• G tăng, đạt đến trị số tới hạn (ứng với điểm gia trọng của cột chêm) thì
Pcư tăng vọt.
• Tiếp tục tăng G thì sự cản trở dòng lỏng đối với dòng khí (và ngược lại)
là rất lớn, tiến gần tới điểm lụt của cột, tại đó độ giảm áp là rất lớn.
2. Mục đích và cách sử dụng giản đồ f theo Re
f là thừa số ma sát đặc trưng cho độ giảm áp của dòng khí qua cột chêm.
Dựa vào giản đồ biểu diễn Re và f:
- Xác định chuẩn số Re của dòng khí
-

h ωo2.ρ
k ⇒ độ giảm áp ∆P
2
td


Công thức: ∆P = fck d

3. Sự liên hệ giữa các đối tượng có theo như dự đoán không?
Kết quả thí nghiệm không sát hoàn toàn so với dự đoán. Do nhiều nguyên nhân:
- Các điều kiện thí nghiệm không ổn định: nhiệt độ, máy bơm
- Các công thức sử dụng trong tính toán là công thức thực nghiệm, do đó chỉ
đúng cho một giới hạn nhất định không phải cho tất cả các trường hợp.
- Điều kiện thí nghiệm không như nhau ở các lần đo.

- 10 -