Chuong 10 co luu chat

135 CHƯƠNG 10 LẮNG Lắng là phương pháp phân riêng hệ không đồng nhất gồm các pha rắn, lỏng, khí tham gia trong hệ bằng phương pháp cơ học.. Do đó tùy thuộc vào nồng độ và kích thước th

135

CHƯƠNG 10

LẮNG

Lắng là phương pháp phân riêng hệ không đồng nhất (gồm các pha rắn, lỏng, khí) tham gia trong hệ bằng phương pháp cơ học

Ví dụ trong xí nghiệp chế biến thức ăn gia súc, sau khi quá trình nghiền và trộn sẽ có một lượng bụi bay vào không khí tạo thành hệ khí không đồng nhất, nếu bụi trộn với lỏng tạo thành hệ lỏng không đồng nhất v.v

Do đó tùy thuộc vào nồng độ và kích thước tham gia trong hệ mà phân loại và gọi tên

hệ như sau:

• Huyền phù:

Là hệ không đồng nhất gồm các hạt pha rắn lơ lửng trong môi trường pha lỏng

Pha rắn gọi là pha phân tán, pha lỏng gọi là pha liên tục Tùy theo kích thước pha rắn

mà chia huyền phù làm ba loại:

o Huyền phù mịn: khi d > 1mm

o Huyền phù mảnh: khi 0,1< d < 1 mm

o Huyền phù keo: khi d < 0,1mm Nói chung huyền phù là hệ dễ phân riêng và thường gặp trong các sản phNm ngành hóa chất, thực phNm và môi trường

• Nhũ tương

Là hệ không đồng nhất gồm hai pha lỏng – lỏng trộn vào nhau nhưng không hòa tan vào nhau Loại này thuộc hệ khó phân riêng, thường gặp trong các sản phNm sinh học, sữa và dầu ăn

• Hệ bọt

Là hệ không đồng nhất gồm pha khí lơ lửng trong môi trường pha lỏng

• Hệ bụi

Là hệ không đồng nhất gồm các hạt rắn lơ lửng trong môi trường pha khí

• Hệ sương mù

Là hệ không đồng nhất gồm các hạt lỏng lơ lửng trong môi trường pha khí

Ngày nay có hai phương pháp phân riêng là bằng phương pháp hóa học và phương pháp cơ học, trong đó phân riêng bằng phương pháp cơ học là được sử dụng nhiều và hiệu quả nhất mà không gây ảnh hưởng đến môi trường sống

1.1 Cân bằng vật chất cho quá trình lắng

Có thể cân bằng theo khối lượng (kg) hoặc theo thể tích (m3)

136

Ký hiệu

Gh: Khối lượng huyền phù; kg

G0: khối lượng pha phân tán; kg

Gℓ: khối lượng pha liên tục; kg

Gb: khối lượng bã (cặn) sau khi lắng; kg

G: khối lượng nước sạch sau khi lắng; kg

yh; y; yb: nồng độ khối lượng pha phân tán trong huyền phù, trong nước sạch, trong bã; %

Viết phương trình cân bằng:

0

h b

C©n b»ng theo pha ph©n t¸n: G y G y Gy







ℓ

(10 – 1)

Từ đây rút ra:

Nếu biết khối lượng huyền phù Gh













−

−

=

y y

y y G G

b

h b

Nếu biết khối lượng của nước sạch G













−

−

=

h b

b h

y y

y y G

Nếu quá trình lắng đạt lý tưởng, tức là hiệu suất phân riêng đạt 100% thì y = 0 và lúc

đó













−

=

b

h h

y

y 1 G

Hoặc theo thể tích nước sạch:

3 h h

b G ;m y

y 1 1 G











− ρ

= ρ

Khối lượng riêng huyền phù được tính theo:

3 r

h

m kg

; x 1 x 1

ρ

− + ρ

=

Với x: nồng độ pha phân tán trong huyền phù; %

Độ Nm của bã sau khi lắng:

;%

G

G 1 G

G G U

b

0 b

0 b

137

1.2 Tính vận tốc lắng trọng lực

Các công thức tính vận tốc lắng giống hoàn toàn như công thức tính vận tốc cân bằng

đã học (xem mục 2 – chương 9)

( )

s m

; C

dg 3

4

= v

r

r

ρ

ρ -ρ

Về ý nghĩa và nội dung của công thức (9 – 3) và (10 – 7) là hoàn toàn giống nhau, phương pháp tính Cr là hệ số trở lực là giống nhau và các phương pháp tính vận tốc cũng giống nhau, nên không cần thiết phải nhắc lại nữa

Tuy vậy khi tính vận tốc lắng vℓ cần chú ý:

- Ở vùng chảy tầng, khi Re < 0,2 gọi là vùng Stock tính theo:

Hệ huyền phù: ( )

s m

; 18

g d

=

2 µ

ρ

-ρ

18

g d v

k r 2 υρ

ρ

=

- Khi kích thước hạt d < 100µm, ta có thể dùng hai công thức (10 – 8a) hoặc (10 – 8b) để

tính vℓ

Sau khi tính xong vℓ, phải thử lại Re xem có thỏa vùng Stock không Nếu thỏa thì coi

như xong bài toán, nếu không thỏa thì phải chọn các phương pháp đã học ở chương 9, trên

cơ sở dựa vào chuNn số Re là chính 











ρ

µ

= ;m s

d

Re

Và vận tốc lắng thực tính theo vthuc =(0,25÷0,5)vℓ; m s (10 – 9)

2.1 Thiết bị lắng hệ khí:

2.1.1 Buồng lắng bụi

Buồng lắng bụi có chiều dài L (m), cao

H (m) và rộng B (m) Gọi vận tốc dòng bụ

vào buồng lắng là vd (m/s), vận tốc lắng là vℓ

(m/s), tổng hợp hai vận tốc này thành vận tốc

tuyệt đối v theo phương dòng chảy đi hết

đoạn đường L thì đồng thời rơi hết độ cao H

Kết quả là các hạt lắng xuống diện tích LxB

(m2), hình (H10.1) còn không khí sạch thoát

ra ngoài

138

Thời gian lưu:

d

luu

v

L

=

Thời gian lắng:

ℓ v

H

lang =

Điều kiện để hạt lắng hết thì τlưu≥ τlắng⇔

ℓ v

H v

L

d

≥

Suy ra:

d

v

v L

• Tính năng suất buồng lắng

s m

; v )

LxB (

v A V

3 s

ℓ

ℓ

=

=

(10 – 13)

Với A: diện tích buồng lắng; m2

vℓ: vận tốc lắng; m/s

Nhận xét: Năng suất lắng không phụ thuộc chiều cao thiết bị, do đó khi thiết kế nên chọn H sao cho dễ thao tác, dễ vệ sinh công nghiệp

• Năng suất V(m3/s) này còn phụ thuộc điều kiện làm việc của dòng hỗn hợp, ví dụ:

- Nếu nhiệt độ là tk (0C) thì phải quy đổi theo công thức sau:

tc

k

273 3600

t 273

- Nếu dòng có áp suất P và nhiệt độ tk thì phải quy đổi theo:

tc

k

P 293 3600

g t 273

Ởđây tk: nhiệt độ làm việc; 0C

P: áp suất dòng hỗn hợp; N/cm2

Vtc: thể tích dòng khí tiêu chuNn; m3 293: hệ số quy đổi

• Tính diện tích buồng lắng:

2

s ; m v

V A ℓ

2.1.2 Thiết bị lắng nhiều ngăn (tầng)

Để tiết kiệm mặt bằng phân xưởng sản xuất và tăng năng suất lắng của thiết bị, người

ta chế tạo thiết bị nhiều tầng như sau – xem hình (H10.2)

Hỗn hợp vào thiết bị 3 ở cửa 1 dưới tác dụng của trọng lực, bụi lắng trên tấm 4, bụ

tháo ra theo định kỳ tại cửa 5 Còn khí sạch thoát ra theo 6 ra ngoài Van 2 cửa đểđiều chỉnh dòng hỗn hợp

• Năng suất

139

(LxB).n.v ; m s

Với n: số ượng tầng

• Tính vận tốc lắng

( LxB ) n ; m s V

s m

; v L

h v

s

d l

=

=

• Các thông số chính và thông số chọn của thiết bị lắng nhiều ngăn

o vd: vận tốc dòng hỗn hợp chọn (1,5 ÷ 3) m/s

o A: tính diện tích lắng; m2

o B: chiều rộng (tính từ ; m

L

A

o L: chọn chiều dài (2 ÷ 4)m

o H: chiều cao thiết bị tính (H = (h + δ).n ;m)

o δ: bề dày vật liệu làm tấm (chọn từ (0,2 ÷ 0,1)m

o h: chiều cao các ngăn lắng (tính hoặc chọn); m

2.2 Thiết bị lắng hệ lỏng

Từ công thức (10 – 7), ta thấy

Nếu ρr > ρ: lắng chìm

Nếu ρr < ρ: lắng nổi

2.2.1 Thùng lắng

Là thiết bị lắng trọng lực gặp nhiều nhất trong công nghiệp và trong đời sống Thiết

bị gồm một thùng hình khối lập phương hoặc hình trụ đáy thiết bị có thể có dạng hình nón,chóp hay đáy bằng Hình (H10.3) là thùng lắng đáy bằng, loại này lắng gián đoạn

từng mẻ, khi nhiều bã thì được tháo phía dưới đáy thùng theo định kỳ

140

• Thể tích thùng lắng

β

= V tℓ

Trong đó Vs: năng suất m3/s

tℓ: thời gian lắng; s

β: hệ số chứa đầy; %

• Nếu thùng lắng hình trụđường kính D

π

• Nếu thùng là khối lập phương

B = L

A

• Chiều cao thùng

H = H1 + H2 ;m (10 – 21b)

• Đáy thùng là nón, chiều cao nón là

A

D K A

V H

3 2 t

• Đáy thùng là hình chóp, chiều cao chóp là

B K A

V

Ởđây: H1: chiều cao thân; m

A: diện tích bề mặt lắng; m2

L, B: chiều dài, rộng của thùng; m

K2: Hệ số cấu tạo đáy

K2 = 0 – đáy bằng

K2 = 0,131tanα - đáy nón

K2 = 0,168tanα - đáy chóp

141

2.2.2 Thiết bị lắng tấm nghiêng

Nguyên lý: Dòng huyền phù vào theo cửa 1 Dưới tác dụng của trọng lực bã lắng trên

tấm 3 nước sạch chảy tràn ra máng 4 và tháo theo 5 Bã lấy ra theo định kỳ ở đáy Hình (H10.4) mô tả thiết bị tấm nghiêng Tăng bề mặt lắng thì năng suất sẽ tăng lên

Gọi h là khoảng cách giữa hai tấm nghiêng thì:

• Thân trụ

3

2 s

D m

V 173 , 0











• Thân lập phương

3

2 s

B m

V 37 , 0











Với

n h

46 , 0









 µ

µ

=

ℓ

(10 – 26) n: hệ số thực nghiệm

µh: độ nhớt động lực huyền phù; s

m

N

2

µl: độ nhớt động lực nước sạch; s

m

N

2

2.2.3 Thiết bị lắng hình nón

Hình (H10.5) mô tả thiết bị lắng hình nón

142

Nguyên lý: Dòng huyền phù vào thiết bị 2 qua cửa 1, dưới tác dụng của trọng lực, bã

lắng trên bề mặt nón 3 Nước sạch vào ống tâm 4 để thoát ra theo cửa 6, còn bã rơi xuống

đáy thoát ra theo 5 Khoảng cách giữa hai nón tính theo công thức (10 – 24), (10 – 25) và (10 – 26)

2.2.4 Thiết bị lắng kiểu hố ga

Hình (H10.6) mô tả thiết bị lắng kiểu hố ga, thường gặp nhiều trong các xí nghiệp, các công trình dân dụng, loại này dễ thiết kế, dễ lắp đặt, giá thành thấp mà hiệu quả phân riêng khá cao Bên trong hố ga có thể có một ngăn hoặc nhiều ngăn, dòng nhập liệu lần lượt chảy qua từng ngăn, bã lắng xuống đáy ngăn được tháo ra theo định kỳ Ứng dụng để xử lý nước

thải là hiệu quả nhất

143

2.2.5 Thiết bị lắng kiểu răng cào bã

Hình (H10.7) mô tả thiết bị lắng kiểu răng cào bã Đây là loại thiết bị làm việc theo nguyên lý liên tục, được dùng nhiều trong công nghệ xử lý nước thải

Nguyên lý: Nhập liệu liên tục vào thiết bị, dưới tác dụng của trọng lực, bã lắng xuống

đáy và được cào 6 đNy bã liên tục ra ngoài theo 5 Còn nước sạch chảy tràn ra máng chứa 3

và tháo liên tục theo 2, chi tiết cào bã 6 quay được nhờ cơ cấu quay số 1

2.2.6 Các thiết bị lắng tuyển nổi

Trường hợp khi ρr < ρ gọi là lắng nổi, hay lắng tuyển nổi Quá trình lắng tuyển nổ được thực hiện nhờ thổi không khí tạo thành bọt nhỏ ẫn vào trong hỗn hợp, các bọt khí này dính lên các hạt lơ lững lắng kém và nổi lên trên mặt nước, khi nổi lên như vậy các bọt khí

tạo thành bông hạt đủ lớn, kết bè thành bã và được gạt ra ngoài

Ứng dụng quá trình lắng tuyển nổi trong xử lý nước thải, thu hồi khoáng sản quý v.v… Trong công nghệ xử lý nước thải quá trình tuyển nổ được đưa vào giai đoạn (bậc I) là

xử lý sơ bộ, bể tuyển nổi có thể thay cho bể lắng, trong dây chuyền công nghệ nó đứng sau

bể lắng, hoặc có thểứng dụng vào giai đoạn xử lý cơ bản (bậc II) hay xử lý triệt để (bậc III) Sau đây giới thiệu bốn thiết bị tuyển nổi bằng hoà tan không khí

• Thiết bị tuyển nổi cấp khí bằng phương pháp cơ học

Nguyên lý: nước thải cấp vào buồng số 1, khí cấp theo đường 2 Vào đây bọt khí bám trên bề mặt chất bNn lôi cuốn lên trên thành lớp bã, còn nước sạch sau xử lý đưa về bể chứa,

xem hình (H10 8)

144

• Thiết bị tuyển nổi cấp khí bằng đầu khuếch tán

Nguyên lý: nước thải cấp vào buồng 1, không khí qua các đầu khuếch tán 2, bã được lôi cuốn lên trên và tập trung trong rãnh gom bã 3, nước sạch thu theo số 4, xem hình (H10 9) Loại này có ưu điểm là khí cấp đều

• Thiết bị tuyển nổi cấp khí qua lớp vật ngăn

145

Nguyên lý: nước thải cấp vào buồng 1, không khí qua lớp vật ngăn 2, trên vật ngăn tạo nhiều lỗ nhỏ như màng lọc để phân đều khí, chất bNn bị bọt khí lôi cuốn lên và tập trung ở

rãnh gom bã 4 được cơ cấu gạt bã 3 gạt ra ngoài, còn nước sạch về bể chứa, xem hình (H10 10)

• Thiết bị tuyển nổi theo phương pháp cấp hỗn hợp theo phương bán kính

Nguyên lý: Hỗn hợp cấp vào theo phương bán kính, bã lôi cuốn lên trên được cánh gạt

3 cào ra theo ống 5 Còn bã chìm dưới được cào 6 cào liên tục ra theo ống 4 Nước sau khi

xử lý thoát ra theo ống 1, thiết bị tuyển nổi này còn có tên gọi là giếng Đốc – mun, giếng

Đốc – mun có nhiều kiểu khác nhau và vì đáy bị lõm sâu nên gọi là giếng

Một vật thể có khối lượng m đứng cách tâm quay một đoạn R và chuyển động với vận tốc

gốc ω thì xuất hiện lực ly tâm Flt = m ω2R, mặt khác nó cũng chịu một lực trọng trường mg

Ta lập tỉ số

tt

lt

F

F

gọi là yếu tố ly tâm, ký hiệu Klt

g

R F

F K

2 tt

lt lt

ω

=

Nhận xét: Khi Klt tăng: hiệu suất phân riêng tăng

Klt giảm: hiệu suất phân riêng giảm

Quá trình lắng ly tâm có hai trường hợp đề cập trong giáo trình này

Khi thiết bị đứng yên còn dòng lưu chất quay bên trong thiết bị đó, gọi là thiết bị lắng cyclon

Khi thiết bị và dòng lưu chất cùng quay với vận tốc ω thì gọi là máy ly tâm (sẽ giới thiệu trong chương 12)

146

3.1 Cyclon đơn

Thường gặp thiết bị cyclon trong công nghệ xử lý môi trường, trong phân xưởng sản

xuất và chế biến thực phNm, phân bón, hoá chất Cylon tách khí bụi và cyclon tách bã trong huyền phù

3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cyclon

Hình H10.12.a là hình vẽ không gian của cyclon, hình (H10.12.b) là mặt cắt của nó Nguyên lý hoạt động: dòng hỗn hợp vào cyclon theo ống nhập liệu 1 vào đây chúng chuyển động vòng bên trong thân 2, các hạt va vào thân bị giảm động năng và rơi xuống ống tháo bã 5, còn khí (nước) sạch theo ống tâm số 3 thoát lên trên ra ngoài

3.1.2 Tính toán cyclon

- Vận tốc dòng nhập liệu vd = (20 ÷ 25) m/s

- Vận tốc vòng tiếp tuyến:

5 , 1

25 20

; m/s

- Bán kính ngoài ống tâm R1 = R0 + δ; m

- R0: bán kính trong của ống tâm; m

- δ: bề dày vật liệu làm ống tâm; m

- R2: bán kính thân; m

147

-

2

R R R

R lg 3 , 2

R R

1 2

1 2 tb

+

≈

−

= (bán kính trung bình của vòng quay của dòng hỗn hợp;

m)

- Thời gian lắng ly tâm

lt

1 2 lt

v

R R

; s

- Vận tốc lắng ly tâm: vlt = Kp vl; m/s

- Kích thước nhỏ nhất cho phép giữ lại trong cyclon khi ly tâm

1 2 min

R

n

R R 9 d

ρ

− ρ ω π

− µ

Trong đó: µ: độ nhớt động lực của pha liên tục; Pa.S

n: số lần quay của dòng hỗn hợp trong cyclon (chọn tối đa bằng 5)

s

rad

; t

n 2

lt

π

= ω

- Diện tích bề mặt lắng:

lt

s 1 1

tb

v

V H D H R 2

- Thông thường ống nhập liệu tiết diện hình chữ nhật chiều dài gấp đôi chiều rộng

- Trở lực qua cyclon :

2

v p

2 q ρ ξ

=

2

m

N

Trong đó: ξ = (60 ÷ 180) hệ số trở lực cục bộ

ρ: khối lượng riêng hỗn hợp; kg/m3

2 2

s q

R

V v

π

= ; vận tốc quy ước dòng hỗn hợp; m/s

- Chiều cao phần thân trụ

(R R ) ;m

KV

= H

2 1

2 2

1 1

Trong đó: K: hệ số dự trữ chọn 1,25

lt s

1 =V t

V (thể tích làm việc của cyclon m3)

- Chiều cao phần nón

m

; tan 2

d R











−

- Góc đỉnh 2α = 500 ÷ 700

- Bán kính ống tâm

148

0

s 1

v

V 4 2

1

Trong đó: d: đường kính ống tháo liệu; m

v0: vận tốc khí (nước) sạch trong ống tâm, chọn (4 ÷ 8) m/s

m

N 750 350

∆

• Lưu ý:

Vận tốc quy ước và vận tốc chọn tính theo:

s

m

; R

V

=

2

s q

π : vận tốc quy ước

s

m

;

p 2

=

vq'

ξ ρ

∆

: vận tốc chọn (trong đó ∆p; ξ chọn [xem ở trên] và Vs: năng suất cho từđầu; m3/h)

Nếu .100<5%

v

v v ' q

' q

q

⇒ thoả

Nếu 100>5%

v

v v ' q

' q

q

-⇒ chchọn lại ∆p; ξ và tính lặp lại

3.2 Cyclon tổ hợp

Nhằm tăng hiệu suất thu hồi bụi (bã) người ta thiết kế cyclon tổ hợp Hình (H.10.13) là cấu tạo của cyclon tổ hợp gồm nhiều cyclon đơn nhỏ gộp lại theo nguyên lý

hoạt động song song

- Lượng cyclon đơn xác định theo

ρ ξ Σ

∆

=

.

p d

V 9 , 0 Z

2 1

Ởđây: Vs: năng suất cyclon tổ hợp; m3/s

d1: ống nhập liệu cyclon đơn (ống tròn); m

Σξ: tổng trở lực cục bộ cyclon đơn, chọn (85 ÷ 95)

∆p: trở lực cyclon tổ hợp, chọn (350 ÷ 850); 2

m N

- Năng suất một cyclon đơn:

Z

V '

Vs= s ; m3/s

- Vận tốc quy ước

2 1

s q

d Z

V 4 v

π

= ; m/s

149

Trong đó Z: số lượng cyclon

Với cyclon đơn chọn vq' = ( 4 ÷ 8 )m/s

Với cyclon tổ hợp chọn vq' = ( 12 ÷ 20 ) m/s

150

Bài 1. Tính vận tốc lắng của hạt, biết d = 1mm và ρr = 2500 kg/m3 ở trong nước, có nhiệt độ t = 100C và t = 600C, biết ρ = 1000 kg/m3 Tương tự lắng trong dầu tỷ trọng 0,87 và

độ nhớt µ = 4 P

Bài giải

Theo tài liệu [7] tra ở 10 0C có độ nhớt µ = 1,3077 cP

Theo tài liệu [7] tra ở 600C có độ nhớt µ = 0,468 cP

• Tính ở 100C

Từ (9 – 4) ta có:

Ar 3

4

Re

.

2 r

3 2 r

g d

Re C 4

3 Ar

µ

ρ

− ρ ρ

=

10 1000 2500

1000 10

2 3

3 3

=

−

=

−

−

Điều kiện: 3,6 < 8875 < 84000

9 , 13

8875 9

, 13

Ar

1 4

, 1

1

=













=













=

1000 10

10 3077 , 1 6 , 100 v

3

3

=

Đáp số: vℓ = 0,131 m/s

• Tương tự thay các số liệu t = 600C, cho kết quả vℓ = 0,2 m/s

• Với dầu có tỷ trọng 0,87 tức là ρ = 870 kg/m3 và độ nhớt 4P tức là µ = 0,4Pa.S,

thế vào có kết quả

Đáp số: v dầu = 0,0022m/s Bài 2. Xác định diện tích bề mặt của một thiết bị lắng huyền phù năng suất Vs = 80 T/h Huyền phù gồm pha liên tục là nước có ρ = 1000 kg/m3, độ nhớt µ = 1cP, còn pha phân tán là một loại bột nặng có ρr= 2710 kg/m3, nồng độ pha rắn trong hỗn hợp x = 8%, và

đường kính trung bình của hạt bột nặng d = 0,11.10-3m

Bài giải

Diện tích bề mặt lắng: s;m2

v

V

= A

ℓ

Bài toán cần tìm hai đại lượng Vs và vℓ

•Đầu đề cho Vs = 80 T/h, phải đổi ra m3/s bằng cách:

hp

s

3600

80000 V

ρ













kg s

m

Mà ρh tính theo (10 – 5)