TỔNG QUAN

Khái quát: Nhiều nghiên cứu báo cáo rằng hình học phi tuyến có thể tạo ra vùng sản sinh nhiễu loạn dài hơn và cường độ nhiễu loạn cao hơn so với hình học thông thường. Cánh khuấy đồng dạng dựa trên đường cong Hibert được giới thiệu để tăng cường quá trình trộn chất lỏng trong công việc này.

Phương pháp: Hiệu suất trộn của cánh khuấy tuabin Rushton (RT) và cánh khuấy đồng dạng được đánh giá bằng cách sử dụng các phân tích thực nghiệm và động lực học chất lỏng tính toán (CFD) bằng phương pháp mô phỏng dòng xoáy tách rời (DES). Các đặc tính trộn hỗn loạn, thời gian trộn, mức tiêu thụ điện năng, cấu trúc dòng xoáy, cường độ nhiễu loạn, tốc độ tiêu tán động năng hỗn loạn và phân bố cường độ vận tốc đã được nghiên cứu.

Phát hiện quan trọng: Kết quả cho thấy cánh khuấy đồng dạng có thể tăng hiệu quả số mũ Lyapunov (LLE) và entropy đa cấp (MSE) lớn nhất của hệ thống trộn, rút ngắn thời gian trộn chất lỏng và giảm số lượng trộn (η) so với cánh khuấy RT trong điều kiện không đổi tiêu thụ điện năng, và một sự cải tiến là đạt được trong việc trộn hiệu quả với việc tăng số lần lặp tự tương tự của cánh khuấy đồng dạng.

Trong khi đó, mức giảm công suất (Np) là 34,6% với cánh khuấy đồng dạng 1 và 51,9% với cánh khuấy đồng dạng 2 đã đạt được trong phạm vi rộng Re (Reynolds number) so với cánh khuấy RT. Hai vùng tuần hoàn lớn và các xoáy kéo dễ dàng hình thành ở phía hút của cánh khuấy hình chữ nhật, có thể bị phá hủy và phân hủy thành các vùng nhỏ hơn thông qua các dòng phản lực được tạo ra bởi cấu trúc lõm-lồi của cánh khuấy đồng dạng. Ngoài ra, cánh khuấy đồng dạng có thể cải thiện tính đồng nhất của cường độ nhiễu loạn chất lỏng, tăng cường tốc độ tiêu tán động năng hỗn loạn và tăng khả năng tuần hoàn dọc trục trong bồn khuấy, và ngày càng tăng với số lần lặp tự tương tự.

GIỚI THIỆU

Thiết bị khuấy trộn phản ứng cơ học là một trong những thiết bị vận hành phổ biến nhất trong hóa học, thủy luyện kim, dược phẩm, lên men sinh học, chế biến thực phẩm, xử lý nước thải và nhiều ứng dụng khác. Vai trò của thiết bị khuấy trộn phản ứng cơ học là cung cấp năng lượng cần thiết cho chất lỏng thông qua cánh khuấy, làm cho chất lỏng tạo thành trường dòng chảy thích hợp và tăng cường quá trình trộn, truyền khối và phản ứng hóa học.

Hiệu suất trộn của chất lỏng có liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của cấu trúc trường dòng chất lỏng, do đó, bị ảnh hưởng bởi cấu trúc và các thông số vận hành của thiết bị khuấy trộn phản ứng. Vì vậy, việc thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc của thiết bị khuấy trộn phản ứng và nghiên cứu đặc điểm cấu trúc của trường dòng chảy có ý nghĩa lý thuyết và giá trị thực tiễn quan trọng. Rất nhiều nghiên cứu về hiệu suất trộn trong bể khuấy đã được tiến hành trong vài thập kỷ qua. Nhiều phương pháp tăng cường quá trình trộn chất lỏng đã xuất hiện, chẳng hạn như khuấy lệch tâm, khuấy tốc độ thay đổi, khuấy tịnh tiến , khuấy tia , v.v. Những phương pháp này có thể tạo ra động lực học chất lỏng xáo trộn bằng cách thay đổi chế độ chuyển động của máy khuấy, phá hủy tính tuần hoàn và tính đối xứng của trường dòng chảy, đồng thời cải thiện khả năng trộn chất lỏng hiệu quả. Tuy nhiên, các phương pháp này có yêu cầu cao về thiết bị truyền động của thiết bị trộn và tiêu thụ năng lượng cao trong quá trình trộn. Trong khi đó, hầu hết các cánh khuấy được sử dụng trong các phương pháp tăng cường có xu hướng hình thành các dòng xoáy lớn ở bên ngoài cạnh và mặt sau của cánh khuấy là nguồn tiêu tán năng lượng chính và dẫn đến tốc độ sử dụng năng lượng của khuấy thấp và tính đồng nhất kém của dòng chảy rối. Vùng chết tương đối ổn định vẫn tồn tại trong trường dòng chảy, trạng thái trộn chất lỏng chưa đạt mức tối đa.

Hình 1: Sơ đồ thiết bị thí nghiệm ứng dụng mô hình cánh khuấy mới đồng dạng 

Hình 2: Cấu trúc hình dạng cánh khuấy (a) Rushton tuabin (b) cánh khấy đồng dạng 1 (c) cánh khuấy đồng dạng 2

Tuy nhiên, có sự đồng thuận chung rằng cánh khuấy là bộ phận cốt lõi của thiết bị trộn, và đặc tính của dòng chất lỏng  và thiết kế và tối ưu hóa cấu trúc cánh khuấy vẫn là phương pháp cơ bản và được sử dụng rộng rãi nhất để tăng cường quá trình trộn chất lỏng và nâng cao hiệu quả trộn. SENA đề xuất một cánh khuấy cứng-linh hoạt dựa trên phản ứng sinh học, không chỉ có tác động cắt của cánh khuấy cứng, nhưng cũng có chuyển động nâng đa dạng của cơ thể linh hoạt. Thông qua tương tác ghép dòng cứng-linh hoạt của cánh khuấy cứng-linh hoạt, năng lượng có thể được truyền đến vùng xa của trường dòng chảy dưới dạng "sóng" từ cánh khuấy, do đó cải thiện tốc độ sử dụng năng lượng. SENA cũng đã đề xuất một loại bánh công tác cứng-linh hoạt được đục lỗ trong quá trình trộn chất lỏng phi Newton, và nhận thấy rằng bánh công tác cứng-linh hoạt được đục lỗ có thể tạo ra một loạt dòng phản lực, giảm kích thước xoáy kéo theo và tăng cường cường độ hỗn loạn của chất lỏng, có thể rút ngắn thời gian trộn và cải thiện hiệu quả trộn chất lỏng. SENA đã giới thiệu hai hình dạng hình học của các cánh khuấy được thiết kế mới, đó là cánh khuấy hình chữ V và cánh khuấy hình chữ U, nhận thấy rằng số công suất (Np) có thể giảm lần lượt là 21 và 48% đối với cánh khuấy hình chữ V và cánh khuấy hình chữ U- hình dạng cánh khuấy so với tuabin Rushton. Các cánh khuấy dạng lưỡi có rãnh chữ V và U được đề xuất cũng như nghiên cứu mức tiêu thụ điện năng và các dòng xoáy gây ra bởi những cải tiến đáng kể về kiểu chữ V và U trong quá trình trộn phần lớn phụ thuộc vào cấu trúc và các thông số vận hành của cánh khuấy.

Vì vậy, việc thiết kế và tối ưu hóa kết cấu cánh khuấy có ý nghĩa hơn giá trị đáng kể cho quá trình trộn chất lỏng. Theo một số lượng lớn các nghiên cứu tài liệu, có thể thấy rằng các cánh quạt có hình dạng rãnh và cánh khuấy 4PBT thông qua mô phỏng dòng xoáy tách rời (DES), nhận thấy rằng mức tiêu thụ điện năng giảm 6% với mẫu có rãnh chữ U và 4% với mẫu mới có rãnh chữ V được so sánh với cánh khuấy 4PBT và mô hình V tạo ra số lượng vệt cao hơn tạo dòng xoáy ở vùng lân cận cánh quạt hơn các tuabin khác.

Hình 3: Cấu trúc cấu tạo của cánh khuấy (a) Rushton tuabin (b) cánh khấy đồng dạng 1 (c) cánh khuấy đồng dạng 2

HỆ THỐNG VẬT LÝ

Sơ đồ bồn khuấy được trình bày trên hình 1. Các thí nghiệm được thực hiện trong bồn khuấy hình trụ đáy phẳng có đường kính trong T = 0,48 m. Có 4 vách ngăn cách đều nhau trong bể khuấy có chiều rộng w = T/10. Mức cao của chất lỏng là H = T. Khoảng hở cánh khuấy khỏi đáy bể (C) bằng T/3. Ba loại cánh khuấy có đường kính D = 0,204 m được nghiên cứu trong thí nghiệm là cánh khuấy tuabin Rushton (RT), cánh khuấy đồng dạng 1 và cánh khuấy đồng dạng  2 (Hình 2). Hình dạng cấu trúc chính của các cánh khuấy này (cụ thể là cấu trúc trong hộp chấm trong Hình 3) dựa trên đường cong Hibert. Nguyên tắc cơ bản thu được cấu trúc chính của cánh khuấy tự tương tự như sau: Đầu tiên, một hình vuông được chia trung bình thành bốn hình vuông nhỏ. Sau đó, tâm của các ô vuông được kết nối lần lượt bắt đầu từ hướng Tây Bắc đến Đông Bắc, Đông Nam và Tây Nam. Các ô vuông nhỏ thu được được chia liên tục theo công thức miêu tả phía trên. Cuối cùng, cấu trúc lõm-lồi thu được bằng cách nối tâm của các hình vuông được chia từ đầu đến cuối và thích hợp lật. Kích thước tổng thể của cấu trúc chính của cánh khuấy đồng dạng lưỡi dao không thay đổi và chiều dài cạnh của hình vuông nhỏ ở lần lặp tự tương tự hiện tại là 1/(2n-1) chiều dài cạnh của nhỏ hình vuông trong cấu trúc ban đầu. n đại diện cho tổng số nhỏ các ô vuông trong một hàng hoặc cột trong biểu đồ lặp tự tương tự cuối cùng. Ví dụ: L1 = 0,042 m, L2 = 1/3L1 = 0,014 m, L3 = 1/7L1 = 0,006 m. Kích thước tổng thể của kết cấu không chính của các cánh khuấy này cũng không thay đổi, LA = 0,042 m, LB = 0,006 m.

Trong thí nghiệm, nước máy (ρL = 1000 kg⋅m− 3) được sử dụng làm môi trường làm việc. Một mô-men xoắn đầu dò (Model: HX-90D) được sử dụng để đo công suất cánh khuấy sự tiêu thụ. Thời gian trộn của quá trình trộn chất lỏng trong bể khuấy được đo bằng máy đo độ dẫn điện (Model: CD-5000). Trong quá trình Để đo thời gian trộn chất lỏng, thêm 200 mL dung dịch KCl (250 g/L) vào thùng khuấy ở vị trí P1 và máy đo độ dẫn điện được đặt ở vị trí P2 (z/H = 0,05) để đo. Việc đo thời gian trộn áp dụng quy tắc 95%, nghĩa là khi chất đánh dấu nồng độ chất điện phân đạt 95–105% nồng độ ổn định cuối cùng, được coi là thời gian trộn của quá trình trộn chất lỏng.

Hình 4: Vùng tuần hoàn phía sau cánh quạt ở Re = 16,9 × 104 (a) Rushton tuabin (b) cánh khấy đồng dạng 1 (c) cánh khuấy đồng dạng 2

Hình 5: Độ lớn vận tốc chuẩn hóa trong mặt phẳng cánh quạt ở Re = 16,9 × 104  (a) Rushton tuabin (b) cánh khấy đồng dạng 1 (c) cánh khuấy đồng dạng 2

Hình 6: Minh họa ba chiều của tâm xoáy kéo theo (a) Rushton tuabin (b) cánh khấy đồng dạng 1 (c) cánh khuấy đồng dạng 2

Hình 7: Tốc độ tiêu tán động năng hỗn loạn trong vùng cánh khuấy ở Pv = 345,6 W (a) Rushton tuabin (b) cánh khấy đồng dạng 1 (c) cánh khuấy đồng dạng 2