Thiết bị trộn tĩnh (Static Mixer) là một thiết bị dùng để trộn các dòng chất lỏng, khí hoặc bột trong các hệ thống công nghiệp mà không cần sử dụng các bộ phận chuyển động. Dưới đây là các bước cơ bản để thiết kế một thiết bị trộn tĩnh:
1. Xác định yêu cầu hệ thống
Mục đích trộn: Để hòa tan, phân tán, trộn đều hai hoặc nhiều dòng chất.
Loại chất cần trộn: Chất lỏng – chất lỏng, khí – khí, chất lỏng – khí, hoặc rắn – lỏng.
Tính chất vật lý:
Độ nhớt
Khối lượng riêng
Nhiệt độ
Tốc độ dòng chảy
Tỉ lệ pha trộn: Xác định lưu lượng và tỷ lệ của từng dòng chất.
Mức độ đồng nhất yêu cầu: Thông số này ảnh hưởng đến thiết kế bề mặt cánh trộn.
2. Chọn loại thiết bị trộn tĩnh
Có nhiều loại cấu hình khác nhau của thiết bị trộn tĩnh. Một số loại phổ biến:
Dạng xoắn (Helical): Các cánh trộn hình xoắn ốc, phù hợp với chất lỏng nhớt.
Dạng lưới (Mesh): Gồm các lớp lưới đặt xen kẽ, phù hợp cho dòng chảy nhanh.
Dạng bản mỏng (Flat Plate): Phù hợp cho hệ thống đòi hỏi ít tổn thất áp suất.
Dạng hình chóp (Conical): Thường được sử dụng trong các ứng dụng trộn mạnh.
3. Tính toán thiết kế
3.1. Kích thước ống dẫn
Đường kính ống (D): Dựa trên lưu lượng dòng chảy và vận tốc mong muốn.
Trong đó:
QQQ: Lưu lượng dòng chảy (m³/s)
vvv: Vận tốc dòng chảy (m/s)
3.2. Số cánh trộn (N)
Số lượng cánh trộn phụ thuộc vào độ nhớt, tốc độ dòng chảy, và mức độ đồng nhất cần đạt.
Tính Reynolds để phân loại dòng chảy:
Trong đó:
ρ\rhoρ: Khối lượng riêng (kg/m³)
μ\muμ: Độ nhớt (Pa.s)
3.3. Tổn thất áp suất
Dùng công thức
Trong đó:
fff: Hệ số ma sát (phụ thuộc vào cánh trộn)
LLL: Chiều dài ống chứa cánh trộn (m)
3.4. Độ đồng nhất
Đánh giá mức độ đồng nhất qua chỉ số
Trong đó:
σ\sigmaσ: Độ lệch chuẩn của nồng độ
μ\muμ: Nồng độ trung bình
4. Vật liệu chế tạo
Chất lỏng ăn mòn: Thép không gỉ, nhựa PTFE, hoặc hợp kim chống ăn mòn.
Chất lỏng thông thường: Thép carbon hoặc PVC.
Chất lỏng nhiệt độ cao: Hợp kim chịu nhiệt như Inconel.
5. Lắp đặt và vận hành
Hướng dòng chảy: Đảm bảo cánh trộn được lắp đặt chính xác để tạo lực xoáy.
Vị trí: Lắp đặt ở vị trí có đủ áp suất dòng chảy.
Bảo trì: Thiết kế dễ tháo lắp để vệ sinh nếu chất lỏng có độ bám dính cao.
Tính toán thiết kế
1. Dữ liệu đầu vào
Trước tiên, bạn cần thu thập đầy đủ dữ liệu về hệ thống:
Lưu lượng dòng chảy (Q): m³/s
Đường kính ống dẫn dự kiến (D): m
Tính chất dòng chảy:
Khối lượng riêng (ρ\rhoρ): kg/m³
Độ nhớt (μ\muμ): Pa.s
Vận tốc dòng chảy (vvv): m/s
Mức độ đồng nhất yêu cầu: Ví dụ CoV (Coefficient of Variation).
Loại chất lỏng/gas: Để chọn vật liệu phù hợp.
Áp suất làm việc và tổn thất áp suất tối đa (ΔP\Delta PΔP) cho phép.
2. Tính toán thiết kế
2.1. Tính đường kính ống dẫn (D)
Dựa vào lưu lượng dòng chảy QQQ và vận tốc dòng chảy mong muốn vvv:
Trong đó:
QQQ: Lưu lượng dòng chảy (m³/s)
vvv: Vận tốc dòng chảy (m/s)
2.2. Tính số Reynolds (Re)
Xác định chế độ dòng chảy (tầng/ổn định hoặc rối):
Trong đó:
ρ\rhoρ: Khối lượng riêng (kg/m³)
vvv: Vận tốc dòng chảy (m/s)
DDD: Đường kính ống dẫn (m)
μ\muμ: Độ nhớt động học (Pa.s)
Nếu Re<2000Re < 2000Re<2000: Dòng chảy tầng.
Nếu Re>4000Re > 4000Re>4000: Dòng chảy rối.
Nếu 2000≤Re≤40002000 \leq Re \leq 40002000≤Re≤4000: Dòng chuyển tiếp.
2.3. Số lượng phần tử trộn (N)
Số lượng cánh trộn phụ thuộc vào:
Loại dòng chảy:
Dòng chảy tầng cần nhiều phần tử hơn để trộn hoàn toàn.
Dòng chảy rối có thể cần ít phần tử hơn vì hiệu quả trộn tự nhiên cao.
Mức độ đồng nhất mong muốn (CoV)
Trong đó:
CoVin\text{CoV}_\text{in}CoVin: Hệ số dao động ban đầu.
CoVout\text{CoV}_\text{out}CoVout: Hệ số dao động sau trộn.
EEE: Hiệu suất trộn của mỗi phần tử trộn (phụ thuộc vào cấu hình).
2.4. Tổn thất áp suất (ΔP\Delta PΔP)
Sử dụng công thức Darcy-Weisbach để tính tổn thất áp suất qua thiết bị:
Trong đó:
fff: Hệ số ma sát của phần tử trộn (tra bảng theo loại cánh trộn).
LLL: Chiều dài tổng của thiết bị trộn (m), L=N⋅LeL = N \cdot L_eL=N⋅Le, với LeL_eLe là chiều dài mỗi phần tử trộn.
ρ\rhoρ: Khối lượng riêng (kg/m³).
vvv: Vận tốc dòng chảy (m/s).
3. Lựa chọn loại phần tử trộn
Dựa trên ứng dụng, chọn một loại phần tử trộn thích hợp:
Cánh xoắn (Helical): Dùng cho chất lỏng có độ nhớt cao.
Dạng lưới (Mesh): Dùng cho dòng chảy rối, yêu cầu trộn nhanh.
Dạng hình chóp (Conical): Tăng hiệu quả phân tán cho dòng khí hoặc chất lỏng không đồng nhất.
4. Vật liệu chế tạo
Chọn vật liệu dựa trên tính chất dòng chất:
Chất ăn mòn: Inox 316, Hastelloy, hoặc nhựa PTFE.
Chất không ăn mòn: Inox 304, thép carbon, hoặc PVC.
5. Kiểm tra kết quả
Sau khi thiết kế, đảm bảo kiểm tra:
Tổn thất áp suất (ΔP\Delta PΔP) nằm trong giới hạn cho phép.
Kích thước và số lượng cánh trộn đảm bảo đạt được mức độ đồng nhất yêu cầu.
Ví dụ Tính toán
Giả sử bạn cần thiết kế một thiết bị trộn tĩnh cho chất lỏng với các thông số:
Q=0.01 m3/sQ = 0.01 \, \text{m}^3/\text{s}Q=0.01m3/s,
v=2 m/sv = 2 \, \text{m/s}v=2m/s,
ρ=1000 kg/m3\rho = 1000 \, \text{kg/m}^3ρ=1000kg/m3,
μ=0.001 Pa.s\mu = 0.001 \, \text{Pa.s}μ=0.001Pa.s,
CoV yêu cầu: CoVout=0.01\text{CoV}_\text{out} = 0.01CoVout=0.01.
Bước 1: Tính đường kính ống dẫn
Bước 2: Tính số Reynolds
Bước 3: Tính số phần tử trộn Giả sử hiệu suất mỗi phần tử E=0.8E = 0.8E=0.8, ban đầu CoVin=0.2\text{CoV}_\text{in} = 0.2CoVin=0.2:
Bước 4: Tổn thất áp suất Giả sử mỗi phần tử dài Le=0.1 mL_e = 0.1 \, \text{m}Le=0.1m, f=0.02f = 0.02f=0.02:
Chi tiết liên hệ
Số 22/20 Đường số 13, Phường Linh Xuân, Thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
Điện thoại: 0932 913 286
Comments