Đồ án Tính toán và thiết kế máy khuấy trộn và định lượng nha

ó cùng khoảng cách đến nguồn nhiệt thì nhiệt độ sẽ bằng nhau. Do vậy trong vật liệu sẽ hình thành trường nhiệt độ trong đó lớp ngoài cùng có nhiệt độ cao nhất, ở trung tâm thì nhiệt độ thấp nhất. Tốc độ thay đổi nhiệt độ phụ thuộc vào sự truyền nhiệt trong khối vật liệu sự truyền nhiệt trong vật liệu có thể thực hiện bằng nhiều cách phụ thuộc vào trạng thái của chúng. Nếu vật liệu là chất lỏng thì nhiệt được truyền vào trung tâm chủ yếu bằng đối lưu. Nếu là chất dắn thì nhiệt truyền bằng dẫn nhiệt. Khi vật liệu ở thể bán chất lỏng (sệt) thì nhiệt truyền bằng cả đối lưu và dẫn nhiệt. * Sự biến đổi trạng thái vật liệu Khi đun nóng vật liệu có thể biến đổi về trạng thái tồn tại – chuyển pha phần lớn các chất rắn mà nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ của môi trường thì trong quát trình đun nóng trạng thái của chúng có thể chuyển sang pha lỏng hoặc bán chất lỏng (mỡ, bơ…). Tuy nhiên có nhiều loại vật liệu dạng rắn, do nhiệt độ đun nóng không đủ cao hoặc do đặc tính lý hoá của chúng mà trong thời gian đun nóng không sảy ra hiện tượng chuyển pha (thịt, cá, rau, qủa…) * Sự thay đổi thể tích Thể tích của vật liệu có thể tăng lên khi đun nóng DV = V – V0 > 0. Trong trường hợp đó thể tích của vật liệu bằng V = V0 + bt + DVkhí Trong đó: V: Thể tích khí đun b: Hệ số nở khối T: Nhiệt độ đun nóng DVkhí: Chênh lệch thể tích chất khí trong vật liệu Tuy nhiên có nhiều trường hợp khi đun nóng thể tích vật liệu sẽ giảm đi. Đó là hiện tượng sảy ra khi đun nóng các loại nguyên liệu có cấu trúc xốp, có chứa nhiều khí trong gian bào (như rau, quả….) Sự biến đổi khối lượng Sự biến đổi khối lượng có thể biểu diễn bằng biểu thức sau M = m0 = at – nbh = yht Trong đó: m: Khối lượng vật liệu m0: Khối lượng vật liệu trước khi đun a : Hệ số biến đổi khối lượng nbh: Khối lượng bốc hơi yht: Khối lượng hoà tan vào môi trường * Sự biến đổi màu sắc Màu sắc biến đổi do nhiều nguyên nhân. Một trong những nguyên nhân vật lý dẫn đến biến màu là do thay đổi khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng của vật liệu do tác động của nhiệt độ cao. II.1.2.2. Biến đổi hoá lí, hoá học * Các chỉ tiêu hoá lý của vật liệu như độ nhớt, độ hoà tan….cũng dễ bị thay đổi do nhiệt độ cao. Cụ thể, độ hoà tan tăng, độ nhớt giảm ( hoặc tăng)… Đối với các phản ứng hoá học như thuỷ phân, trung hoà, polime hoá, ôxi hoá…thì nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng. * Kết quả sự xúc tiến các phản ứng hoá học là sự biến đổi các thành phần hoá học trong vật liệu. Một số chất được tạo thành có thể làm tăng chất lượng sản phẩm (pectin, chất thơm, chất màu…)nhưng nhiều trường hợp làm giảm hàm lượng của các chất có ích, tạo thành một số chất gây ảnh hưởng xấu đến mùi vị, mầu của sản phẩm. Đây là nhược điểm chủ yếu của quá trình nấu. II.1.2.3. Biến đổi sinh hoá và sinh lý. * Quá trình đun nóng có ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi hoạt độ của các enzim và sự hoạt động của các vi sinh vật. Ta biết rằng enzim và vi sinh vật có khoảng nhiệt độ hoạt động tối thích. Ví dụ enzim amilaza hoạt động mạnh ở nhiệt độ 60 á700C, vi sinh vật hoạt động mạnh ở nhiệt độ 370C á 400C. Nếu tăng dần nhiệt độ môi trường cao hơn nhiệt độ tối thích (top)thì hoạt động của enzim và vi sinh vật sẽ giảm dần đến bị vô hoạt hoá (bị tiêu diệt) hoàn toàn ở nhiệt độ đủ cao. * Như vậy qúa trình tăng nhiệt đi qua 2 vùng nhiệt độ có tác dụng khác nhau lên enzim và vi sinh vật. Vùng thứ nhất là vùng từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ tối thích. Tại vùng này nhiệt độ càng tăng hoạt động enzim và vi sinh vật càng tăng. Vùng thứ hai là vùng nhiệt độ tối thích đến nhiệt độ ngừng hẳn hoạt động của enzim và vi sinh vật. Như vậy tốc độ tăng nhiệt độ khi đun nóng rau quả (khoai tây, lê, táo…) nếu thời gian tăng nhiệt độ đun nóng càng chậm bao nhiêu thì sản phẩm càng bị đen bấy nhiêu. Đó là do enzim poliphenolxidaza hoạt động mạnh và lâu trước khi bị tiêu diệt. * Không phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt độ, cuối cùng enzim và vi sinh vật vẫn bị ức chế và đến tiêu diệt hoàn toà. * Nhiệt độ cao cũng sẽ làm tác dụng của các chất độc được tạo thành trong sản phẩm trước khi đun nóng, đỡ nguy hiểm cho người tiêu thụ II.1.2.4. Biến đổi cấu trúc tế bào Dưới tác dụng của nhiệt độ cao chất nguyên sinh trong tế bào bị đông tụ, màng tế bào bị phá huỷ làm mất tính bán thẩm thấu, không khí và hơi nước trong gian bào bị thoát ra ngoài làm cho cấu trúc toàn khối trở nên trật, mềm. II.1.2.5. Biến đổi cảm quan * Thay đổi màu sắc: Đun nóng dẫn tới thay đổi màu sắc do nhiều nguyên nhân khác nhau. Nhiều khi nhờ đun nóng mà màu sắc tốt lên hoặc giữ được màu tự nhiên ban đầu đó là trường hợp chần rau quả. Trong trường hợp này chần làm mất hoạt tính của các enzim phân huỷ hoặc tạo chất màu (Poliphenolozxidaza, clorophilaza…) Đun nóng có thể làm cho màu của các sản phẩm đã sunphít hoá trở lại bình thường sau khi bị mất màu do tác dụng của H2SO3 Ngược lại qúa trình đun nóng có thể làm thay đổi màu tự nhiên của sản phẩm đó là hiện tượng tạo màu hồng trong nước chanh, cam, chuối…hoặc là tạo màu nâu, sẫm màu trong các loại sản phẩm như bột cà chua, bột ớt…. * Thay đổi mùi vị Nhiệt độ đun nóng có thể dẫn đến sự thay đổi mùi vị theo hai chiều hướng khác nhau tuỳ theo vật liệu. Đối với các sản phẩm mà trước khi đun nóng có chứa các chất gây mùi, vị không thích hợp (vị đắng trong măng, vị ngái trong đậu nành, mùi ôi trong thịt cá….) đun nóng sẽ làm cho sản phẩm mất mùi vị đó làm cho chất lượng sản phẩm tốt lên. Còn đối với những sản phẩm có mùi vị tự nhiên tốt thì sau khi đun sẽ bị ít nhiều mất đi mùi vị do các chất thơm hoặc các chất gây vị tốt bị bốc hơi hoặc bị phân hủy II.1.3. Nguồn nhiệt và các phương pháp đun nóng Đun nóng là một quá trình rất phổ biến trong công nghiệp hoá chất và thực phẩm, nó có tác dụng làm tăng tốc độ của một số qúa trình phản ứng hoá học, ngoài ra đun nóng còn là phương tiện cần thiết để thực hiện các quá trình khác như trưng cất, cô đặc, sấy khô…. II.1.3.1. Nguồn nhiệt * Nhiệt năng dùng để đun nóng có thể tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau và từ nhiều nguồn nhiệt khác nhau. Có khi người ta sử dụng nguồn nhiệt ngay từ nguồn nhiệt trực tiếp như khí lò dòng điện, có khi dùng chất tải nhiệt trung gian ( chất này lấy nhiệt từ nguồn nhiệt rồi truyền nhiệt cho vật liệu cần đun nóng) như hơi nước, nước quá nhiệt, dầu khoáng các chất hữu cơ có nhiệt độ sôi cao và hơi của nó, các muối vô cơ nóng chảy hoặc hỗn hợp của nó và một số kim loại hoặc hợp kim ở trạng thái lỏng. * Ngoài ra người ta còn sử dụng nhiệt của khí thải hoặc chất lỏng thải có nhiệt độ cao. * Mỗi chất tải nhiệt đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định, do đó, tuỳ trường hợp cụ thể mà ta chọn lựa cho thích hợp, khi lựa chọn cần chú ý các điều kiện quan trọng sau: - Nhiệt độ đun nóng và khả năng điều chỉnh nhiệt độ - áp suất hơi bão hoà và độ bền do ảnh hưởng của nhiệt độ - Độ độc và tính hoạt động hoá học - Độ an toàn khi đun nóng ( Không cháy nổ…) Rẻ và rễ tìm II.1.3.2. Các phương pháp đun nóng II.1.3.2.1. Đun nóng bằng hơi nước bão hoà Phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hoà được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học. Những ưu điểm * hệ số cấp nhiệt lớn (a ằ 10000 á 15000w/m2 độ) do đó bề mặt truyền nhỏ, nghĩa là kích thước thiết bị gọn hơn các thiết bị đun nóng bằng chất tải nhiệt khác. * Lượng nhiệt cung cấp lớn (tính theo đơn vị chất tải nhiệt) vì đó là nhiệt lượng toả ra khi ngưng tụ hơi. * Đun nóng được đồng đều vì hơi ngưng tụ trên toàn bộo bề mặt truyền nhiệt ở nhiệt độ không đổi. * Dễ điều chỉnh nhiệt độ đun nóng bằng cách điều chỉnh áp suất của hơi * Vận chuyển xa được dễ dàng theo đường ống. Nhược điểm chính của hơi nước là: không thể đun nóng ở nhiệt độ cao, vì nếu nhiệt độ hơi càng tăng thì áp suất hơi bão hoà càng tăng, ẩn nhiệt bay hơi cũng giảm. Do đó khi tăng nhiệt độ thì thiết bị sẽ phức tạp thêm, hiệu suất sử dụng nhiệt cũng giảm. Vì vậy phương pháp đun nóng bằng hơi nước bão hoà chỉ sử dụng tốt nhất trong trường hợp đun nóng không quá 1800 II.1.3.2.1.1. Phương pháp đun nóng bằng hơi nước trực tiếp * Phương pháp truyền nhiệt đơn giản nhất là đun nóng bằng hơi nước trực tiếp, tức là cho hơi nước sục thẳng vào chất lỏng cần đun nóng. Hơi nước ngưng tụ và cấp ẩn nhiệt cho chất lỏng, nước ngưng tụ lại trộn lẫn với chất lỏng. * Thiết bị đơn giản nhất để đun nóng bằng hơi nước trực tiếp là thiết bị loại sục, gồm có một bể chứa chất lỏng cần đun nóng và một ống hơi trên ống dẫn hơi có đặt các van để tạo thêm qúa trình làm việc tốt. Van ngược chiều dùng để ngăn chặn không cho chất lỏng đi ngược trở lại trong trường hợp mà áp suất trong ống hơi thấp hơn áp suất khí quyển. Trước khi bắt đầu đun nóng, người ta mở van phụ để tháo hết nước ngưng đang tích tụ trong ống dẫn hơi. *Khi cần thiết vừa đun nóng vừa khuấy trộn chất lỏng thì dùng thiết bị đun nóng loại sủi bọt trong thiết bị này hơi từ ống dẫn hơi vào được đi qua những ống phun hình xoắn ốc, vòng tròn hoặc một số ống thẳng song song có những lỗ nhỏ đặt nằm dưới đáy bể chứa chất lỏng. Nhờ bố trí như thế nên hơi nước được phun đều trong bể có tác dụng khuấy trộn. * Loại thiết bị sủi bọt và loại sục làm việc có nhiều tiếng động. Để tránh tiếng động, người ta dùng thiết bị đun nóng không tiếng động. Loại này có lắp thêm một cái loa ở đầu ống dẫn hơi. Khi làm việc, hơi phun ra khỏi đầu ống dẫn hơi với tốc độ rất lớn, do đó áp suất tĩnh học trong loa giảm xuống chất lỏng bên ngoài loa ập vào các lỗ cạnh của loa, vừa pha trộn với luồng hơi phun ra vừa làm tắt tiếng động. * Phương pháp đun nóng bằng hơi nước trực tiếp nói chung là rất đơn giản nhưng có nhược điểm là đưa thêm một lượng lớn nước ngưng tụ vào trong chất lỏng cần đun nóng. Do đó phương pháp này chỉ dùng trong trường hợp cho phép pha loãng chất lỏng và không có phản ứng xẩy ra giữa chất lỏng và nước. Thường người ta chỉ dùng để đun nóng nước và các dung dịch nước. * Để xác định lượng hơi tiêu hao trong quá trình đun nóng người ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt lượng: D = c2Dt2c + G2c2t2c + tQm Từ đó rút ra lượng hơi cần thiết Trong đó: G2 – lượng chất lỏng cần đun nóng (kg) C2 – Nhiệt dung riêng của chất lỏng (j/kgđộ) T2đ, t2c – nhiệt độ đầu và cuối của chất lỏng (0C) l - nhiệt lượng riêng của hơi nứơc (j/kg) Qm – tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh (w) t - thời gian đun nóng (s) II.1.3.2.1.2. Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp * Nếu như chất lỏng cần đun nóng không được phép trộn lẫn với nước không được phép pha loãng….thì không thể dùng phương pháp đun nóng trực tiếp mà phải dùng phương pháp đun nóng bằng hơi nước gián tiếp, tức là giữ hơi và chất lỏng có một tường ngăn cách nhiệt từ hơi chuyển qua tường để cấp cho chất lỏng. * Đun nóng bằng hơi nước gián tiếp được thực hiện trong nhiều loại thiết bị có cấu tạo khác nhau như: thiết bị có vỏ bọc ngoài loại ống xoắn, loại ống chùm…hơi nước sau khi cáp nhiệt cho chất lỏng qua tường thì ngưng tụ lại thành nước ngưng chảy ra khỏi thiết bị qua một đường ống riêng. Thường người ta dùng hơi nước bão hoà để đun nóng vì nó có hệ số cấp nhiệt lớn và nhiệt ngưng tụ cao. Dùng hơi nước quá nhiệt không lợi vì hệ số cấp nhiệt thấp và lượng nhiệt quá nhiệt không lớn lắm. * Trong trường hợp trao đổi nhiệt này chiều dày của lưu thể không ảnh hưởng tới quá trình trong khi làm việc, thường người ta cho hơi vào trong thiết bị từ phía trên để nước ngưng có thể chảy xuống dế dàn. * Cũng giống như trường hợp đun nóng bằng hơi nước trực tiếp, lượng hơi nước tiêu hao để đun nóng gián tiếp xác định dựa vào phương trình cân bằng nhiệt lượng. Trong đó: q - nhiệt độ của nước ngưng C – nhiệt dung riêng của nước ngưng tụ II.2. Thiết bị trao đổi nhiệt Các thiết bị dùng để thực hiện quá trình truyền nhiệt gọi là thiết bị trao đổi nhiệt, các thiết bị này có hình dạng và cấu tạo khác nhau tuỳ thuộc vào phương pháp và điều kiện tiến hành qúa trình. Theo phương pháp làm việc người ta chia thiết bị trao đổi nhiệt ra làm ba loại: 1. Loại gián tiếp: Nhiệt truyền từ chất tải nhiệt này tới chất tải nhiệt khác qua bề mặt phân cách (bề mặt truyền nhiệt). 2. Loại đệm: Quá trình trao đổi nhiệt thực hiện trên cùng một bề mặt của chất rắn và tiến hành theo hai giai đoạn nối tiếp nhau. Đầu tiên cho chất tải nhiệt nóng tiếp xúc với bề mặt vật rắn (đệm), vật rắn sẽ được đun nóng lên đến một nhiệt độ cần thiết, khi đó ngừng cung cấp chất tải nhiệt nóng, cho chất tải nhiệt lạnh vào, vật rắn sẽ truyền nhiệt cho chất tải nhiệt lạnh. 3. Loại trực tiếp ( Hỗn hợp): Hai chất tải nhiệt tiếp xúc với nhau (xem phần ngưng tụ trực tiếp) . III. Quá trình khuấy III.1. Mục đích và phạm vi ứng dụng Những máy để khuấy trộn sản phẩm thực phẩm lỏng được dùng trong sản xuất bánh kẹo, bánh mì, mì ống, rượu vang, vitamin, làm bia rượu và những lĩnh vực sản xuất sản phẩm thực phẩm khác, để thực hiện các quá trình công nghệ sau đây: 1. Chuẩn bị dung dịch 2. Chuẩn bị nhũ tương và huyền phù 3. Tăng nhanh các quá trình nhiệt và sinh hoá 4. Gia công sản phẩm với mục đích để cho chúng có một một đặc quánh nhất định. III. 2. Cơ sở của sự khuấy chất lỏng III.2.1. ứng dụng của sự khuấy chất lỏng Các cơ cấu khuấy trộn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học công nghiệp thực phẩm và nhiều ngành công nghiệp khác. Nhằm các mục đích sau: * Tạo ra một dung dịch đồng nhất khi hỗn hợp một chất lỏng dễ hoà tan trong một chất lỏng khác. * Tạo ra nhũ tương khi hỗn hợp một chất lỏng không hoà tan trong một chất lỏng khác. * Làm tăng nhanh phản ứng hoá học giữa hai pha lỏng, hoặc pha lỏng với pha khí thực chất là tăng bề mặt tiếp xúc pha. * Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt từ thành vào sản phẩm hoặc ngược lại. * Tăng nhanh qúa trình hoà tan khi hoà tan vật thể rắn không hoà tan. * Người ta có thể khuấy trộn chất lỏng bằng cơ khí, bằng khí nén, bằng tiết lưu hay bằng tuần hoàn chất lỏng. 4III.2.2. Cơ sở của quá trình khuấy chất lỏng III.2.2.1. Sự chuyển động của chất lỏng trong thiết bị khuấy Khi cơ cấu khuấy đặt trong thiết bị được chuyển động thì làm cho chất lỏng trong thiết bị cũng được chuyển động theo. Sự chuyển động của chất lỏng ở trong thiết bị sinh ra do cơ cấu khuấy thường có 3 dòng như sau: * Dòng chảy tiếp tuyến: chất lỏng được chảy thành vòng tròn đồng tâm với trục quay, dòng này thường sinh ra do các cơ cấu khuấy kiểu mái chèo, khung, mỏ neo. * Dòng chảy hướng kính: chất lỏng được chảy thành vòng tròn đồng tâm với trục quay Hướng từ tâm ra thành thiết bị, dòng này thường sinh ra do cơ cấu khuấy kiểu tuyếc bin. * Dòng chảy hướng trục: Chất lỏng được chảy thành dòng hương song song với trục quay, dòng này thường được sinh ra do cơ cấu khuấy kiểu chong chóng, mái chèo cánh nghiêng..... III. 2.2.2. Sự phân bố vận tốc của chất lỏng trong thiết bị Khi cơ cấu khuấy chuẩn động thì chất lỏng trong thiết bị chuyển động theo. Vận tốc chất lỏng thay đổi theo khoảng cách từ điểm xét tới trục quay. Qua khảo sát người ta thấy rằng nếu không kể tốn thất thì vận tốc của chất lỏng trong khoảng từ 0 đ RK sẽ tăng dần bằng v = wr Trong đó: w - là vận tốc góc r – bán kính của điểm khảo sát Còn trong khoảng Rk đ RT thì vận tốc giảm dần theo đường hypecbol Vr = const = vRK Như vậy v = Trong đó: Rk – bán kính cánh khuấy RT – bán kính thành thiết bị Nhưng thực tế do chất lỏng nhớt nên vận tốc của nó giảm xuống nhanh hơn. Độ giảm này càng nhanh khi độ nhớt của chất lỏng ngày càng cao. Qua thực nghiệm người ta thấy rằng phạm vi tác dụng của cơ cấu khuấy được biểu diễn như sau: R0 = a.0,15 Trong đó: R0: Bán kính tác dụng của cơ cấu khuấy (m) N: Công suất tiêu hao của cơ cấu khuấy (kw) m: Độ nhớt động lực của môi trường được khuấy (cp) a : Hệ số phụ thuộc vào kiểu cơ cấu khuấy III.2.2.3. Chế độ thuỷ đông chất lỏng trong khi khuấy * Theo cơ cấu khuấy làm việc thì chất lỏng trong thiết bị cũng chuyển động theo, tốc độ chuyển động của chất lỏng thì phụ thuộc và tốc độ chuyển động của cơ cấu khuấy. * Đặc trưng cho chế độ chảy của chất lỏng trong thiết bị là chuẩn số Rey – nôn khuấy. ReK = Trong đó: P: khối lượng riêng của chất lỏng được khuấy (Kg/m3) n: số vòng quay của cơ cấu khuấy trong một giây (v/s) m: Độ nhớt động lực của chất lỏng được khuấy (Ns/m2) DK: Đường kính của cơ cấu khuấy (m) * Chế độ chảy của chất lỏng trong thiết bị cũng được chia thành 3 miền và ứng với giá trị của ReK là: Chế độ dòng: 0 Ê ReK Ê 10 10 Ê ReK Ê 103 103 Ê ReK Ê 107 III.2.2.4. Sự tạo thành huyền phù * Quá trình tạo ra huyền phù là sự phân tán các hạt rắn không hoà tan vào một chất lỏng như cơ cấu khuấy. Khi cơ cấu khuấy chuyển động sẽ làm cho chất lỏng trong thiết bị chuyển động theo và kéo theo các hạt rắn cùng chuyển động. Muốn cho các hạt rắn không lắng xuống được thì vận tốc của cơ cấu khuấy phải đạt tới một giá trị xác định. Vận tốc này gọi là tốc độ tới hạn nó phụ thuộc vào tính chất của môi trường và các thông số hình học của cơ cấu khuấy. * Qua các công trình nghiên cứu bằng thực nghiệm và các tính thứ nguyên. Người ta đưa ra phương trình đặc trưng cho trạng thái đồng đều của huyền phù như sau: Trong đó: n: Số vòng quay trong một giây D: Đường kính thiết bị (m) DK: Đường kính cơ cấu khuấy (m) dh: Đường kính hạt rắn (m) c: Nồng độ phắn trong trong huyền phù % ệ: Độ nhớt động học của chất lỏng m2/s r1: Khối lượng riêng chất lỏng kg/m3 D: rr - r1: Hiệu số khối lượng riêng kg/m3 Đại lượng I = K được xác định bằng đồ thị I = f III.2.2.5. Sự tạo thành nhũ tương * Quá trình tạo thành nhũ tương là sự làm phân tán một chất lỏng không tan lẫn vào một chất lỏng khác nhờ cơ cấu khuấy. Khi cơ cấu khuấy chuyển động sẽ tạo thành các dòng chảy và chia cắt pha phân tán thành những dọt nhỏ phân bố đều trong tòan bộ nhũ tương làm cho bề mặt phân chia giữa hai pha tăng lên. Độ lớn của bề mặt phân chia này phụ thuộc vào tính chất của môi trường và các thông số hình học của cơ cấu khuấy. * Qua các công trình nghiên cứu bằng phân tích thứ nguyên và thực nghiệm người ta đưa ra phương trình đặc trưng cho quan hệ giữa bề mặt phân chia và các thông số như sau: S.dK = C.ReK0,1WeK0,5( Trong đó: S: Bề mặt tiếp xúc pha riêng (m2/m3) DK: đường kính cơ cấu khuấy (m) Vf: thể tích pha phân tán (m3) VC: Thể tích pha liên tục (m3). C: hằng số phụ thuộc kiểu cơ cấu khuấy: Tuyến bin 6 cánh thẳng C = 25,9 Chong chóng C = 13,85 Mái chèo 2 cánh đứng C = 18,65 Mái chèo 2 cánh nghiêng C = 13,65 WeK : Chuẩn số vê be khuấy WeK = Pc: khối lượng riêng của pha liên tục (kg/m3) s : Sức căng bề mặt giữa 2 pha (H/m) III.3. Các phương pháp khuấy trộn III.3.1. Khuấy trộn bằng cơ khí III.3.1.1. Khái niệm * Khuấy trộn bằng cơ khí nghĩa là dùng cánh khuấy * Cánh khuấy có nhiều loại: * Cánh khuấy mái chèo: Để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt nhỏ. Thường dùng để hoà tan chất rắn, có khối lượng riêng không lớn lắm. * Cánh khuấy chân vịt (chong chóng): Dùng để điều chế dung dịch huyền phù, nhũ tương. Không thể dùng cánh khuấy chân vịt để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao hoặc khuấy chất lỏng trong đó có các hạt rắn có khối lượng riêng lớn. * Cánh khuấy tuyếc bin: Dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao đến 5.105cp, để điều chế huyền phù mịn, để hoà tan các chất rắn nhanh hoặc để khuấy động các hạt rắn đã lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 60%. * Cánh khuấy đặc biệt: dùng trong trường hợp không thể dùng được cánh khuấy mái chèo, chong chóng, tuyếc bin. Thường dùng để khuấy bùn nhão hoặc chất lỏng có độ nhớt rất cao. * Đặc trưng của quá trình khuấy trộn là cường độ khuấy và năng lượng tiêu hao. * Cường độ khuấy trộn là chất lượng của kết quả khuấy theo thời gian. Cường độ khuấy trộn phụ thuộc vào nhiều yếu tố và cho đến nay vẫn chưa có phương pháp tính toán nào có thể tin cậy để xác định cường độ khuấy trộn. * Pờrăngnốpski và Nicôlaiep cường độ khuấy trộn có thể xác định bằng năng lượng tiêu hao của một đơn vị chất lỏng khuấy trộn trong một đơn vị thời gian. * Cường độ khuấy trộn được đặc trưng bởi chế độ chuyển động của chất lỏng nghĩa là đặc trưng bởi chuẩn số Re. * Nếu ứng dụng khuấy trộn để tạo thành huyền phù thì hiệu suất khuấy được đặc trưng bởi sự phân bố đồng đều của các pha. * Hình mô tả cánh khuấy chưa làm việc, các hạt còn nằm ở dưới đáy thiết bị tạo thành một lớp có bề dày không đổi. III.3.1.2. Công suất khuấy trộn III.3.1.2.1. Công suất làm việc * Khi máy làm việc thì năng lượng tiêu hao dùng để khắc phục ma sát của cánh khuấy với môi trường. * Theo Niutơn một vật thể chuyển động tới môi trường thì ma sát có thể tính theo công thức sau: S = Trong đó: x: hệ số cản (ma sát) phụ thuộc vào chế độ chuyển động của môi trường F: Diện tích tiết diện hình chiếu của vật chuyển động lên mặt phẳng thẳng góc với phương của tốc độ chuyển động (m2) W: tốc độ chuyển động của vật thể trong môi trường (m/s) r1: Khối lượng riêng của môi trường (kg/m3) * Nếu lấy một nguyên tố diện tích dF của cánh khuấy mà xét hình ta thấy dF = hdx. * Công suất làm việc để khắc phục trở lực môi trường của nguyên tố thể tích cánh khuấy bằng: dNp = wdS (W) Cánh khuấy có 2 mái chèo thì: dS = xhr1w2dx Và w = 2 pnx (m/s) n – số vòng quay trong 1 giây (vng/s) Thay giá trị của dS và w vào phương trình ta có dNP = (2pnx)3xr1dx Lấy tích phân của x từ 0 đến r ta có: NP = x(2p)3n3hr1 (w) (*) Ta thay r = và h = a.d A – tỷ số của chiều cao và đường kính mái chèo. Phương trình (*) có dạng: NP = Kxr1n3d3 Trong đó: K = 3,87a đặt Kx = xM xM = Trong đó: n – số vòng quay của cánh khuấy (vng/ph) r1 – Khối lượng riêng của môi trường (kg/m3) d - đường kính cánh khuấy (m) NP – công suất làm việc (W) xM – hằng số tim bằng thực nghiệm, nó phụ thuộc vào hình dạng cánh khuấy, thùng khuấy, chuẩn số ReM xM = f(ReM) Trong đó: ReM chuẩn số reynôn của trường hợp khuấy ReM = n – số vòng quay của cánh khuấy (vng/ph) d - đường kính cánh khuấy (m) m - độ nhớt của chất lỏng (Ns/m2) Do đó ta có: xM Hay xM = A và m là hằng số xác định bằng thực nghiệm * Trên hình 6.4 (sách cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học tập 1 trang 196) biểu diễn mối quan hệ xM và ReM về khuấy trộn của các loại cánh khuấy khác nhau. Các loại cánh khuấy này ở trong thiết bị có đường kính D, chiều cao mức chất lỏng H, chiều rộng cánh khuấy b, đường kính cánh khuấy d được xác định (). Nếu cánh khuấy chân vịt thì có tỷ lệ bước xoắn và đường kính cánh khuấy s/d. * Theo hình 6.4 ta có thể xác định được hệ số xM rồi thay vào phương trình ta tính được công suất làm việc của máy khuấy. * Những giá trị của xM xác định bằng đồ thị hình 6.4 chỉ đúng cho các loại cánh khuấy đồng dạng với các cánh khuấy đã tiến hành thực nghiệm biểu diễn ở hình. * Nếu cánh khuấy không đồng dạng với cánh khuấy đã tiến hành thí nghiệm thì năng lượng tiêu hao sẽ thay đổi. Trong trường hợp này ta phải nhân hệ số điều chỉnh: Trong đó: là tỷ lệ của mô hình khuyâý. b,c – chiều rộng và chiều dài của cánh khuấy l – chiều rộng của tấm ngăn n – số tấm ngăn Trị số của các chỉ số có trong bảng sau: Loại cánh khuấy a h K m p r n Loại c k mái chèo không tấm ngăn 1,1 0,6 0,3 Loại c/vịt và tuyếc bin không có tấm ngăn 0,93 0,6 1,5 Loại chân vịt có tấm ngăn 0 0 1,7 0,3 0,4 Loại tuyếc bin có tấm ngăn 0 0 1,5 0,3 0,4 III.3.1.2.2. Công suất mở máy * Khi mở máy năng lượng tiêu hao dùng để khắc phục lực ỳ của chất lỏng từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động và để khắc phục lực ma sát của chất lỏng với cánh khuấy. Nếu ta gọi NY – công suất tiêu tốn để khắc phục lực ỳ Ns – công suất tiêu tốn để khắc phục lực ma sát Thì công suất mở máy NM bằng NM = NY + NS * Công suất dùng để thắng lực ma sát là công suất làm việc của máy NS = NP = Kxr1n3d5 (w) * Công suất tiêu hao để khắc phục lực ỳ của chất lỏng có thể tính theo công thức NY = Kr1n3d5 Trong đó: K = 3,87a; a = * Vậy công thức mở máy: NM = NY + NS = Kr1n3d5 + xMrn3d5 NM = (K + xM) rn3d5 (w) Mặt khác công suất mở máy có thể biểu diễn qua công suất làm việc NM = NP III.3.2. Khuấy trộn bằng khí nén. * Khuấy bằng khí nén dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt thấp, khí nén thường là không khí được nén qua lỗ tạo thành những bọt nhỏ, ống này đặt ở tận đáy thiết bị. Không khí chui qua lỗ tạo thành những bọt nhỏ, rồi qua lớp chất lỏng làm cho chất lỏng bị khuấy. Để khuấy được đều người ta làm đường ống khí thành vòng, hoặc xoắn ốc, đôi khi làm một dãy ống thẳng đặt song song nhau. * Khi thiết bị khuấy bằng khí nén cần phải tính áp suất của khí, áp suất này cần để khắc phục trở lực cục bộ, trở lực do chất lỏng trong thiết bị và để tạo áp suất trong ống. áp suất này có thể tính theo công thức. P = Hr1g + rkk + Trong đó: H – chiều cao cột chất lỏng trong thiết bị (m) r1, rkk – khối lượng riêng của chất lỏng và của không khí (kg/m3) W – tốc độ không khí trong ống (thường là 20 á 40 m/s) wx - tổng hệ số trở lực ma sát và trở lực cục bộ * Trong trường hợp chiều dài đường ống dẫn khí không biết thì có thể coi mất mát áp suất trên đường ống bằng 20% trở lực của cột chất lỏng và áp suất có thể tính theo công thức: P = 1,2Hr1g+P0 Lượng không khí tiêu hao xác định theo công thức thực nghiệm V = Kfp (m3/h) Trong đó: f – bề mặt chất lỏng yên lặng trong thiết bị trước khi khuấy (m2) P0 - áp suất không khí (N/m2) k – hệ số thực nghiệm k = 2,4 á 6,0 III.4. Cấu tạo và phạm vi ứng dụng của các l