Tính toán và thiết kế trong khuấy trộn cơ khí

2.1.2.Hệ thống xử lý nước Hệ thống xử lý nước thường bao gồm các công trình mà tại đó nước được xử lý bằng các phương pháp cơ học, hóa học, sinh học để loại bỏ các chất rắn, các chất hữ

MỤC LỤC

DANH MỤC VIẾT TẮT

[1] BOD: Nhu cầu oxy sinh hóa

[2] COD: Lượng oxy cần thiết để oxy hóa các hợp chất hóa học trong nước

[2] ISO: International Organization for Standardization ( Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế)

[3] DO: Lượng oxy hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp các sinh vật nước[4] VSV: Vi Sinh Vật

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH

Danh mục bảng biểu:

Bảng 1: Thông số thiết kế cánh khuấy giải phóng sự phân tầng gần

Bảng 2: Thông số thiết kế các loại cánh khuấy tốc độ cao

Danh mục hình ảnh:

Hình 1: Sơ đồ ví dụ về hệ thống xử lý nước thải (ngành xi mạ)

Hình 2: Máy khấy trộn cơ khí

Hình 3: Sơ đồ bể trộn dùng cánh khuấy cơ khí

Hình 4: Cánh khuấy turbine và sơ đồ tạo ra dòng chảy trong thiết bị khuấy turbine.Hình 5: Các dạng cánh khuấy turbine

Hình 6: Sơ đồ tạo ra dòng chảy trong thiết bị khuấy chân vịt và các loại cánh khuấy chân vịt

Hình 7: Bể khuấy trộn dùng cánh khuấy chân vịt

Hình 8: Bộ phận khuấy cánh

Hình 9: Cánh khuấy mỏ neo

Hình 10: Máy khuấy trộn chìm HOMA.

Hình 11: Máy khuấy trộn cơ khí kết hợp với cấp khí bề mặt

Hình 12: Bể phản ứng tạo bông cặn cơ khí

Hình 13: Bể keo tụ nhiều ngăn dùng phương pháp khuấy trộn cơ khí

Hình 14: bể keo tụ 3 ngăn

Hình 15: a) Bể trộn cơ khí; b) Các loại cánh khuấy

Hình 16: hình vẽ thiết kế bể trộn dùng máy trộn cơ khí

Hình 17: bố trí máy khuấy trộn

1.1. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

1.1.1.Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu ở đây là về khuấy trôn cơ khí Tìm hiểu về khuấy trôn

cơ khí, các loại máy khuấy trộn cũng như các công trình dùng khuấy trộn cơ khí Tìm hiêủ về cách tính toán và thiết kế khuấy trộn cơ khí

1.1.2.Phương pháp nghiên cứu

Thu thập, nghiên cứu tài liệu từ các bài giảng, giáo trình, sách, các trang thông tin điện tử với các lĩnh vực và nội dung liên quan đến thiết bị khuấy trộn cơ khí cũng như các công trình liên quan

Phân tích tổng hợp dữ liêu từ các kiến thức thu thập được

Chọn lọc, thực hiện chuyên đề sát với yêu cầu của giảng viên

1.2. Mục đích nghiên cứu

Hiểu sâu hơn về các quy trình công nghệ môi trường nói chung và khuấy trôn cơ khí nói riêng Hiểu rõ hơn về khuấy trộn cơ khí, mục đích áp dụng của khuấy trộn cơ khí và hiểu về cách thiết kế một công trình khuấy trộn cơ khí

2. GIỚI THIỆU

2.1. Tìm hiểu về quy trình xử lý nước thải

2.1.1.Định nghĩa nước thải và các phương pháp xử lý

Định nghĩa:

Hiến chương Châu Âu đã định nghĩa nước ô nhiễm như sau: “Ô nhiễm nước

là sự biến đổi nói chung do con người đối với chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước và gây nguy hiểm với con người, cho công nghiệp, nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật nuôi và các loài hoang dã”

Theo tiêu chuẩn Việt Nam 5980-1995 và ISO 6107/1-1980 Nước thải là nước đã được thải ra sau khi đã sử dụng hoặc được tạo ra trong một quá trình công nghệ và không có giá trị trực tiếp đối với quá trình đó

Các phương pháp xử lý thường được áp dụng:

+ Phương pháp xử lý hoá - lý:

Thực chất của phương pháp xử lý hoá - lý là đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại, không gây

ô nhiễm môi trường Ví dụ phương pháp trung hoà nước thải chứa Axít, Bazơ, phương pháp Ôxy hoá

Phương pháp hoá lý có thể là giải pháp cuối cùng hoặc là giai đoạn xử lý sơ

bộ cho giai đoạn tiếp theo

+ Phương pháp xử lý sinh học:

Phương pháp này thường dùng để loại các chất phân tán nhỏ, keo và hữu cơ hoà tan (đôi khi cả vô cơ) khỏi nước thải Nguyên lí của phương pháp là dựa vào hoạt động sống của các vi sinh vật có khả năng phân huỷ, bẻ gẫy các đại phân tử hữu cơ thành các chất đơn giản hơn, đồng thời chúng cũng sử dụng các chất có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng như Cacbon, Nitơ,

Phôtpho, Kali

Quá trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo có thể đạt mức hoàn toàn (xử lý sinh học hoàn toàn) với BOD giảm tới 90-95% và không hoàn toàn với BOD giảm tới 40-80%

Phương pháp sinh học là phương pháp triệt để nhất, nó tạo ra những sản phẩm thân thiện với thiên nhiên hoặc biến đổi những chất có hại trở thành hữu ích Ngày nay, phương pháp sinh học đã và đang được nghiên cứu, áp dụng để xử lý ô nhiễm môi trường

2.1.2.Hệ thống xử lý nước

Hệ thống xử lý nước thường bao gồm các công trình mà tại đó nước được

xử lý bằng các phương pháp cơ học, hóa học, sinh học để loại bỏ các chất rắn, các chất hữu cơ và đôi khi cả chất dinh dưỡng có trong nước Nước được tiến hành làm sạch theo trình tự tăng mức độ xử lý từ xử lý sơ bộ, xử lý sơ cấp (bậc một), thứ cấp (bậc hai), triệt để (bậc ba), và có thêm các công đoạn

xử lý đặc biệt khác

Hình 1: Sơ đồ ví dụ về hệ thống xử lý nước thải (ngành xi mạ).

2.2. Quá trình khuấy trộn trong quy trình xử lý nước

2.2.1.Định nghĩa về khuấy trộn

Trộn thường được gọi khuấy nhanh, hoặc xáo trộn ban đầu Các mục đích của việc trộn nhanh chóng là để cung cấp một phân tán đồng đều của chất kết tủa hóa học trên khắp nước chảy đến

Máy trộn cung cấp nhanh chóng sự xáo trộn hoàn toàn bằng pha trộn gần như tức thời trong suốt toàn bộ bể Kết quả là, một khối lượng nước đến ngay lập tức đánh mất bản sắc của nó Một máy trộn hoạt động theo cách này cũng được gọi là một bể phản ứng bởi vì dung dịch bể luôn pha trộn ngược với dòng chảy đến

Khuấy trộn là một hoạt động quan trọng trong nhiều giai đoạn khác nhau của quá trình xử lý nước thải nhằm:

- Trộn lẫn hoàn toàn chất này với chất khác

- Khuấy trộn duy trì các chất rắn lơ lửng ở trạng thái lơ lửng

- Khuấy trộn các giọt chất lỏng ở trạng thái lơ lửng

- Tạo bông cặn

- Trao đổi nhiệt

Thường quá trình khuấy trộn còn tạo ra được hiệu quả phụ đó là việc cung cấp thêm oxy hòa tan cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí.Trong xử lý nước thải, người ta thường sử dụng hai kiểu khuấy trộn:

- Khuấy trộn nhanh, liên tục: trong thời gian 30s trở xuống nhằm trộn các hóa chất vào nước

- Khuấy liên tục: để giữ các hạt chất rắn, lỏng trong bể ở trạng thái lơ lửng

2.2.2.Vai trò của quá trình khuấy trộn

Trong quá trình xử lý nước, để cho các quá trình xử lý diễn ra nhanh hơn, ở một số phương pháp xử lý, người ta thường cho thêm hóa chất, dung dich vào nước thải để các quá trình diễn ra nhanh hơn So với lượng nước xử lý, lượng hóa chất sử dụng thường chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, khoảng vài chục phần triệu Mặt khác phản ứng của chúng lại xảy ra rất nhanh ngay sau khi tiếp xúc với nước Vì vậy cần phải khuấy trộn để phân phối nhanh và đều hóa chất ngay sau khi cho chúng vào nước, nhằm đạt được hiệu quả xử lý cao nhất

2.2.3.Vị trí của quá trình khuấy trộn

Trong quá trình xử lý, tùy theo từng phương pháp mà quá trình khuấy trộn được đặt ở nhưng vị trí khác nhau, ví dụ: với phương pháp hóa hoc, quá trình khuấy trộn diễn ra tại bể trung hòa để khấy trộn hóa chất nhằm trung hòa các chất giúp đạt pH cần thiết, còn đối với phương pháp Hóa - Lý, trong quá trình keo tụ tạo bông, để quá trình keo tụ diễn ra nhanh hơn, ngoài các chất keo tụ quá trình khuấy cũng rất quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến quá trình keo tụ

2.2.4.Các loại thiết bị khấy trộn chính

2.3. Tìm hiểu về khuấy trộn cơ khí

2.3.1.Định nghĩa và khái quát về khuấy trộn cơ khí

Khuấy trộn cơ khí là sử dụng các loại cánh khuấy để trộn đều các loại chất lỏng vào nhau với cường độ và công suất theo tùy chọn của người sủ dụng từ

đó làm tăng năng suất của quá trình khuấy giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình trộn

Máy trộn cơ khí nói chung là loại thiết bịcánh quạt hoặc chèo Hơn một bộ

cánh quạt hoặc cánhchèo có thể được cung cấp trên một trục Stator (vách

ngăn gần cánh quạt của máy trộn hoặc trên vách của bể) có thể được

cung cấp để tối đa hóa chuyển giao năng lượng cho các chất lỏng và để giảm thiểu vận tốc còn lại tại đầu ra) Máy trộn cơ khí thường được xây dựng với một trục thẳng đứng điều khiển bởi một bộ giảm tốc độ và động cơ điện Loại cánh quạt máy trộn có thể được bố trí để chỉ đạo dòng nước chảy theo nhiều hướng

Máy trộn cơ khí thường không được cung cấp với các thiết bị biến tốc độ Nếu để điều chỉnh đầu vào năng lượng là cần thiết, họ có thể đạt được bằng cách thay đổi cánh quạt hoặc lưỡi mái chèo hoặc bằng máy móc điều chỉnh tốc độ trục

Cánh khuấy có thể được cấu tạo theo nhiều dạng khác nhau phù hợp với nhiều mục đích trộn khác nhau

Cánh quạt hoặc loại mái chèo trong bể dành riêng là phổ biến nhất được sử dụng hệ thống kết hợp nhanh chóng trong các nhà máy xử lý nước

Khuấy trộn cơ khí có cường độ khuấy cao gradient vận tốc thường 1000/s, nên thời gian khuấy ngắn, từ 3 đến 30 giây

800-2.3.2.Đăc điểm hoạt động

Khấy trộn cơ khí dùng năng lượng của cánh khấy chuyển động trong nước tại ra sự xáo trộn dòng chảy Năng lượng của cánh khuấy phụ thuộc vào đường kính bản cánh và tốc độ chuyển động của cánh

Điều chỉnh tốc độ quay của cánh sẽ điều chỉnh được năng lượng tiêu hao và cường độ khuấy

Khuấy trộn nhằm tăng khả năng phân tán lượng hóa chất được đưa vào nguồn nước cần xử lý Đặc điểm của phương pháp khuấy trộn kiểu cơ khí là:Động cơ khuấy có công suất P = 0.2 – 11KW

Năng lượng cánh khuấy tạo ra dòng chảy rối Cánh khuấy được cấu tạo theo nhiều kiểu khác nhau tùy thuộc vào mục đích khuấy trộn

Ưu điểm của phương pháp khuấy trộn kiểu cơ khí:

- Thời gian khuấy trộn ngắn

- Có thể điều chỉnh được cường độ khuấy trộn theo ý muốn

- Thiết bị được lắp đặt gọn gàng, hoạt động hiệu quả, dễ vận hành

Hình 2: Máy khấy trộn cơ khí

2.3.3.So sánh khuấy trộn cơ khí với các loại khấy trộn khác

Lựu chọn hình thức khuấy trộn nào cho quá trình xử lý cũng tùy theo

ưu, nhược điểm của từng hình thức cũng như điều kiện thực tế mà chọn.2.3.3.1. So sánh với khuấy trộn thủy lực

+ Ưu điểm so với khuấy trộn thủy lực:

- Có thể điều chỉnh tốc độ khuấy trộn theo ý muốn

- Thời gian khuấy trộn ngắn Dung tích bể nhỏ Tiết kiệm diện tích xây dựngGiảm giá thành xây dựng

+ Hạn chế so với khuấy trộn thủy lực:

- Người vận hành phải có trình độ nhất định để vận hành máy móc khuấy trộn

- Được áp dụng với trạm xử lý có công suất vừa và lớn, mức độ

cơ giới hóa và tự động hóa cao

2.3.3.2. So sánh với khuấy trộn bằng khí nén

+ Ưu điểm so với khuấy trộn khí nén:

- Thời gian thi công nhanh, dễ bảo trì, khuấy trộn bằng khí nén tuy chi phí đầu tư thấp hơn so với khuấy trộn cơ khí nhưng ngược lại thi công lâu và khó bảo trì, bảo dưỡng

+ Hạn chế so với khuấy trộn khí nén:

- Khuấy trộn dùng khí nén ưu điểm hơn ở chỗ không cho VSV yếm khí phát triển, thuận lợi cho việc xử lý sau này.

- Khuấy trộn khí nén, trong quá trình sục khí giúp giảm một phần

ô nhiễm, đỡ gánh năng cho công trình sinh học phía sau Tăng hàm lượng oxy hòa tan (DO), tạo điều kiện tốt cho xử lý sinh học

3. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG

3.1. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của khuấy trộn cơ khí là dùng năng lượng cách khuấy

để tạo ra dòng chảy rối

Hình 3: Sơ đồ bể trộn dùng cánh khuấy cơ khí

3.2. Các kiểu cánh khuấy trộn chính

3.2.1.Cánh khuấy turbine

Cánh khuấy turbine khi hoạt động thường tạo ra dòng chảy lưỡng tâm nghĩa

là chuyển đường từ cách khuấy vào tâm Để đảm bảo cho chất lỏng chảy hướng tâm cần tạo ra lực ly tâm lớn hơn lực chảy vòng của chất lỏng Độ lớn lực ly tâm phụ thuộc vào đường kính cánh khuấy và số vòng quay của nó Loại này thường dùng để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt cao tới 80Ns/m2

Hình 4: Cánh khuấy turbine và sơ đồ tạo ra dòng chảy trong thiết bị khuấy turbine

Bộ phận khuấy turbine thường được cấu tạo bởi một hay nhiều tuabin quay trên trục thẳng đứng Mỗi turbine thường có 4 đến 16 cánh Tùy theo tính chất của hỗn hợp lỏng (chủ yếu là độ nhớt) và mục đích khuấy trộn mà turbine ở dạng hở hay dạng kín và cách turbine có thể thẳng, nghiêng hay cong

- Loại turbine thẳng sẽ tạo dòng chảy tiếp tuyến và hướng tâm trong đó chất lỏng được hút vào tâm và đẩy ra theo chu vi của cánh, loại này vừa có tác dụng trộn vừa làm đồng nhất chất lỏng

- Loại turbine cánh nghiêng sẽ tạo nên dòng chảy hướng tâm và hướng trục sẽ làm tăng khả năng khuấy trộn và hòa tan vật rắn trong chất lỏng

- Loại turbine cánh cong sẽ tạo ra dòng chảy tiếp tuyến và hướng tâm khi khuấy trộn, mặt lõm của cánh hướng về phía chiều quay, nhờ đó đã giảm được hiện tượng trượt tương đối của chất lỏng với cánh, đồng thời tạo điều kiện cho cánh quét chất lỏng được tốt hơn Loại turbine cánh cong kín dùng để quét chất lỏng

có độ nhớt cao

Hình 5: Các dạng cánh khuấy turbinea) Turbine cánh thẳng

b) Turbine cánh nghiêngc) Turbine cánh cong hởd) Turbine cánh cong kín

Ưu điểm, nhược điểm của cánh khuấy turbine

+ Ưu diểm:

- Bộ phận khuấy turbine tạo ra lực ly tâm lớn nên làm tăng khả năng va đập giữa nguyên liệu và máy khuấy nên các thành phần của hỗn hợp dễ di chuyển vào nhau hơn

Dạng cánh như thế đảm bảo tạo ra dòng chảy hướng trục rất lớn và rút ngắn được thời gian khuấy trộn Trường hợp nối hai tầng chân vịt nguòi ta bố trí sao cho sức hút và đẩy của hai chân vịt thực hiện theo một hướng tạo nên khả năng khuấy trộn mãnh liệt hoặc hai chân vịt hút đẩy theo hai hướng ngược nhau để khuấy trộn nhanh chất lỏng

Hình 6: Sơ đồ tạo ra dòng chảy trong thiết bị khuấy chân vịt và các loại cánh khuấy chân vịt.

Ưu điểm, nhược điểm của cánh khuấy chân vịt

+ Ưu điểm: Bộ phận khuấy chân vịt có thể tạo ra dòng chảy hướng trục lớn nên có thể rút ngắn thời gian khuấy trộn

+ Nhược điểm: Đòi hỏi cánh khuấy có độ bền cơ học cao

Hình 7: Bể khuấy trộn dùng cánh khuấy chân vịt

Phạm vi ứng dụng: Dùng để khuấy các hỗn hợp chất lỏng có độ nhớt thấp và dung tích bể chứa không lớn lắm.

Hình 8: Bộ phận khuấy cánh

3.2.4.Cánh khuấy dạng mỏ neo

Về cấu tạo: Cánh khuấy dạng mổ neo là một dạng của bộ phận khuấy cánh

có hình dạng phù hợp với hình dạng của thùng chứa, thường là thùng chứa hình cầu cánh khuấy mỏ neo có nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm và tính chất của chất lỏng trong thùng chứa nó Thông thường chất lượng đúc cánh khuấy bằng gang Để tránh ăn mòn kim loại trong môi

trường hoạt tính, phần lớn chúng được phủ men sứ hay chất phủ bảo vệ khác Đôi khi người ta chế tạo cánh khuấy mỏ neo bằng gốm hay vật liệu phân tử cao

Ưu điểm: có thể khuấy nhiều dạng chất lỏng có tính chất và đặc điểm khác nhau, có độ bền cơ học cao

Nhược điểm: do thường dung thùng chứa hình cầu nên khó bố trí trong phân xưởng Đòi hỏi những vật liệu có khả năng chịu được tác dụng cơ học và hóa học vì vậy giá thành cao

Phạm vi ứng dụng: dung để khấy trộn những chất lỏng có độ nhớt vượt quá 1Ns/m2

Hình 9: Cánh khuấy mỏ neo

3.3. Các loại máy khuấy trộn cơ khí thông dụng

3.3.1.Máy khuấy trộn cơ khí dạng chìm

Máy khuấy trộn chìm được ứng dụng nhiều như khuấy các hạt lắng, trộn chất lỏng và phá vỡ sự phân tầng Máy khuấy chìm được thiết kế gọn gàng, cùng với các phương pháp lắp đặt đơn giản khiến việc lắp đặt các máy này vào các

bể mới và cả các bể đã có được thực hiện hết sức dễ dàng Máy khuấy chìm không bị hạn chế về vị trí và hướng lắp đặt

Máy khuấy và máy tạo dòng đảm bảo các phân tử vẫn được phân bố đều trong nước thải và bùn, ngăn chặn việc lắng đọng trầm tích và hỗ trợ các quy trình xử lý

Máy khuấy trộn chìm là lựa chọn tối ưu cho hệ thống khuấy trộn trong các

dự án cấp nước, xử lý nước thải dân dụng và công nghiệp Hiệu suất vận hành cao và hiệu quả cao máy khuấy chìm giúp cho doanh nghiệp giảm đáng kể chi phí vận hành

Các ứng dụng tiêu biểu cho các máy khuấy trộn chìm là:

- Đồng nhất của bùn nặng hoặc chất lỏng có hạt rắn

- Loại bỏ các tác nhân gây phân tầng đóng khối

- Khuấy trộn với hiệu suất cao dùng trong bể điều hòa, bể kỵ khí, tạo sự khuấy trộn ở các góc chết trong bể sinh học Đặc biệt là quá trình khử Nitơ

Hình 10: Máy khuấy trộn chìm HOMA.

3.3.2.Máy khuấy trộn cơ khí kết hợp

Là loại máy khuấy kết hợp với một loại máy khác với mục đích làm tăng hiệu quả công việc, tiết kiệm diện tích cũng như làm giảm chi phí đầu tư cho công trình

Ví dụ: Máy khuấy trộn cấp khí bể mặt kết hợp khuấy trộn:

Mục đích của loại máy khuấy trộn cấp khí bề mặt kết hợp với khuấy trộn nhằm để tăng cường cấp khí cho Aerotank, hồ sinh học, bể cân bằng… Đây

là thiết bị trộn cơ khí kết hợp với cấp khí nén, hiệu quả làm giàu Ôxy cho nước được nâng cao do thiết bị có khả năng làm tăng điều kiện tiếp xúc giữa hai pha nước và khí