Chuong 11 co luu chat

Ưu điểm của lọc so với lắng: - Phân riêng những hệ mà lắng không thực hiện được - Thời gian phân riêng nhanh - Độ Nm của bã sau khi lọc nhỏ - Thiết bị lọc ít chiếm diện tích so với lắng

154

CHƯƠNG 11

LỌC

Lọc là quá trình phân riêng hệ không đồng nhất nhờ vật ngăn

Ưu điểm của lọc so với lắng:

- Phân riêng những hệ mà lắng không thực hiện được

- Thời gian phân riêng nhanh

- Độ Nm của bã sau khi lọc nhỏ

- Thiết bị lọc ít chiếm diện tích so với lắng trong cùng năng suất

- Quá trình làm việc ổn định

- Vận hành đơn giản, ít sự cố

- Làm việc ở áp suất thường, áp suất dư, áp suất chân không

1 VẬT NGĂN

Vật ngăn gồm có vách ngăn và bã

1.1 Vách ngăn

Có cấu trúc dạng xốp hoặc lỗ nhỏ, chế tạo từ những vật liệu khác nhau như từ kim loại, vật liệu vô cơ, vật liệu hữu cơ

Khi chọn vật liệu làm vách ngăn phải đảm bảo các tính chất sau đây: chịu được nhiệt

độ và áp suất, chịu tính ăn mòn của môi trường làm việc, giữ lại pha phân tán mà cho pha liên tục đi qua, trở lực dòng chảy nhỏ, bền theo thời gian và dễ tìm kiếm, rẻ tiền

Vách ngăn được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như: dập, khoan, ép, dệt hoặc đan các loại sợi

1.2 Bã

Bã là yếu tố thứ hai tạo nên vật ngăn, tuỳ theo chất lượng của pha phân tán mà bã chia

ra làm hai loại là bã bị nén do áp suất và bã không bị nén do áp suất

Bã không bị nén nghĩa là bã không bị biến dạng trong thời gian lọc, với loại này năng suất lọc rất cao

Còn bã bị nén thì ngược lại theo thời gian lọc bã càng đầy lên, trở lực càng tăng lên và đến thời điểm nào đó thì quá trình lọc kết thúc

Bảng 11.1cho giá trị các hằng số và hệ số nén của một số loại bã tìm bằng thực nghiệm

155

Bảng 11.1

Huyền phù

Trở lực riêng của

bã theo thể tích

r0’ 









 2 m 1

Trở lực riêng của

bã theo khối lượng

rm’ 









 kg m

Độ nén của bã S’

Trở lực riêng của bã tính:

• Theo thể tích

' S ' 0

0 r P

• Theo khối lượng

' S ' m

m r P

Với ∆P: áp suất làm việc; 2

m N

2 ĐỘNG LỰC QUÁ TRÌNH LỌC

Là tạo độ chênh lệch áp suất ∆P giữa hai phía vật ngăn

∆P = P1 – P2;

2 m

N

(11 – 2) Tạo ∆P bằng ba phương pháp sau:

- Áp suất thuỷ tĩnh

- Áp suất dư

- Áp suất chân không

3 PHÂN LOẠI QUÁ TRÌNH LỌC

Có ba loại sau đây

- Lọc thông dụng gồm có: lọc bề mặt (hay lọc tạo bã)

- Vi lọc: lọc tách các phần tử rất bé

- Lọc phân tử gồm có: siêu lọc, thNm thấu ngược, điện thNm tách

- Tương lai gần sẽ xuất hiện thêm phương pháp lọc nano, trong giáo trình này chỉ giới thiệu phương pháp lọc bề mặt Hình (H 11.1) là nguyên lý lọc bề mặt

156

4 TÍNH VẬN TỐC LỌC

Vận tốc lọc xác định bằng lượng nước lọc thu được trên một đơn vị diện tích bề mặt lọc trong một đơn vị thời gian

dt A

dV

vℓ = ;

s m

m 2

3

(11 -3) Trong đó: V: lượng nước lọc thu được; m3

A: diện tích bề mặt lọc; m2

t: thời gian từ đầu đến khi thu được V( m3) nước lọc; s

Phương trình (11 -3) viết theo dạng phương trình vi phân thực nghiệm của Darcy

( Rb Rvn)

P dt

A

dV

+ µ

∆

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

b

R : trở lực của bã;

m 1

vn

R : trở lực của vách ngăn;

m 1

• Cân bằng vật chất cho quá trình lọc:

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 lọc; kg G: khối lượng nước sạch sau khi lọc; kg

•Theo khối lượng; kg

G G

G G G

b

0 h

+

=

+

; kg

157

Chia hai vế cho G0

G G

1 G

G

G G

1

0 0 b

h 0

+

ρ

+

=

m

1 m C

1

(11 – 6)

Lấy G = ρ.V

Ởđây

h

0 m

G

G

C = ; là tỉ số lượng bã khô trên lượng huyền phù; kg/kg (%) hay còn gọi là

nồng độ pha phân tán trong huyền phù

0

b G

G

m = là tỉ số lượng bã Nm trên lượng bã khô; kg/kg (%)

V

G

Xm = 0 ; tỉ số lượng bã khô trên thể tích nước lọc; kg/m3

m

m m

m

kg

; mC 1

C X

−

ρ

m

1 1

•Theo thể tích; m3

V V

Vh = b + ; m3 Chia hai vế cho V ta được: 1

V

V V

+











 +

=

+

=

0 b

0 h

X

1 1 V

1 X V V

V

V

X0 = b tỉ số giữa thể tích bã Nm trên thể tích nước lọc; m3/m3 (%) (11 – 9)

Hoặc tính theo:













ρ

− + ρ

−

ρ

=













ρ

− + ρ

=

1 m 1 mC 1 C

1 m 1 X X

r m m

r m 0

(11 – 10)

• Xác định trở lực của bã Rb

158

Trở lực của bã là một đại lượng phức tạp vì nó phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố, có thể

sử dụng công thức thực nghiệm sau đây:

- Tính trở lực theo thể tích

m

1

; h r

Ởđây h0: chiều dày lớp bã; ; m

A

V X

h0 = 0

r0: trở lực riêng thể tích của bã

2

m

1 : là trở lực của lớp bã tạo thành có chiều cao h0 = 1m

- Tính trở lực theo khối lượng

m

1

; g r

Ởđây gm: lượng bã khô tuyệt đối thu được trên 1m2 bề mặt lọc: m m 2

m

kg

; A

V X

rm: trở lực riêng khối lượng của bã (

kg

m

) là trở lực của lớp bã khi trên 1m2 bề mặt

lọc tạo thành 1kg pha rắn khô tuyệt đối

Cân bằng hai công thức trên ta có:

A

V X r

Rb = 0 0

A

V X r

Suy ra: r0.X0 = rmXm

Thế (11 – 3) vào (11 – 4) thì phương trình vi phân Darcy có dạng













+ µ

∆

=

vn 0

A

V X r

P Adt

dV

(11 – 14)

Ngày nay trong kỹ thuật người ta áp dụng quá trình lọc theo hai điều kiện sau đây

- Giữ áp suất lọc không đổi trong suốt thời gian làm việc gọi là lọc đẳng áp ∆P = const

- Giữ vận tốc nước lọc thu được không đổi trong suốt thời gian lọc gọi là lọc đẳng tốc

vℓ = const phương pháp đẳng tốc bị hạn chế vì dễ bị xì do áp suất cao thiết bị khó làm kín và

bã nhanh bị nén chặt, quá trình lọc không ổn định

5 PHƯƠNG TRÌNH LỌC

Đểđơn giản hoá khi thành lập phương trình lọc ta giả thiết

• Dòng chảy qua vật ngăn là dòng chảy tầng

159

• Trở lực qua vách ngăn không đổi, tức là nó không bị méo mó biến dạng

• Trở lực riêng của bã không đổi, r0 = const, tức là không bị nén

• Áp suất lọc không đổi; ∆P = const

Từ phương trình (11 – 4) ta lấy tích phân, cận thời gian từ 0 đến t, và cận thể tích từ 0

đến V, sẽ có phương trình lọc

t X r

A P 2

= V X r

A R 2 + V

0 0

2 0

0

vn 2

µ

∆

(11 – 15)

Về phương pháp tính năng suất lọc, từ phương trình (11 – 15) có hai phương pháp tính sau:

a) Tính theo lượng nước lọc riêng, q

Đặt

A

V

q = ; 3 2

m m

Kt Cq 2

Ởđây:

s

m

; X r

P 2 K

m

m

; X r

R C

2

0 0

2 3

0 0 vn

µ

∆

=

=

C và K là những hằng số lọc đặc trưng cho trở lực của vật ngăn Hai hệ số này thường được xác định bằng thực nghiệm theo trình tự như sau:

Dụng cụ thí nghiệm gồm:

• Thì kế đo thời gian

• Một bình đo dung tích khoảng (3 ÷ 5) lít hoặc lớn hơn

• Một hệ thống thiết bị lọc hoàn chỉnh

Từ phương trình (11 – 16) lấy đạo hàm hai vế theo q và t

Kt Cq 2

( q 2C)dq Kdt

Kdt Cdq 2 qdq 2

= +

= +

C K

2 q K

2 dq

dt

+

Tiến hành thí nghiệm đo thể tích và thời gian lọc

Khi có: V1(ℓ) sẽ có t1 (s)

V2(ℓ) sẽ có t2(s)

V3(ℓ) sẽ có t3(s)

160

A

V q

; A

V q

; A

V

q1 = 1 2 = 2 3 = 3

Lấy q2− q1= dq1 tương tự t2 − t1= dt1

q3− q2 = dq2 tương tự t3 − t2 = dt2

q4 − q3 = dq3 tương tự t4 − t3 = dt3

dq

dt

; dq

dt

; dq

dt

; dq

dt

4

4 3

3 2

2 1

1 chia tỉ lệ xích, rồi dựng các giá trị này theo phương trình (11 – 17) trên giản đồ hình (H11 – 2)

Đoạn

K

C 2

OA = tính được

Hệ số góc

K

2 tan α = tính được Suy ra giá trị hằng số C và K

b) Tính theo phương pháp trở lực tương đương q td ; 2

3 m m

Là trở lực vách ngăn tương đương trở lực của lớp bã khi có bề dày lớp bã đạt htd

td 0 b

vn h r h

Phương trình có dạng:

2

td k t t q

Trong đó

2 3

0 0

vn 0

td td

m

m

; X r

R X

h

s

; X r P 2

R t

0 0

2 vn

µ

=

161

Nhận xét chung: khi giải theo phương trình (11 – 18) thì sẽ cho kết quả với sai số lớn,

thủ thuật để giải bài toán cũng phức tạp hơn Do vậy nên giải toán theo (11 – 16) là tốt nhất

6 XÁC ĐNNH, TÍNH TOÁN CÁC HẰNG SỐ VÀ CÁC THÔNG SỐ KHÁC

Từ hằng số

0 0

vn X r

R

C= thay các thông số X0, Xm vào sẽ có:

2 3

r m 0

m vn

m

m

; 1 m 1 C r

mC 1 R C













ρ

− + ρ ρ

−

=

s

m

; 1 m 1 C r

mC 1 P 2 X

r

P 2 K

2

r m 0

m 0

0













ρ

− + ρ ρ µ

−

∆

= µ

∆

=

Nếu thế r0X0 = rmXm xem (11 -13)

2 3

m m

m vn

m

m

; C r

mC 1 R C

ρ

−

=

s

m

; C r

mC 1 P 2

= K

2 m

m

m ρ µ

-∆

Tuỳ theo yêu cầu cụ thể mà ta có thể thay đổi hoặc chuyển vế công thức để tính các thông số cần tìm Dưới đây là tổng kết các thứ nguyên trong phương trình lọc

Đại lượng Thứ nguyên Đại lượng Thứ nguyên Đại lượng Thứ nguyên

K

s

m2

3 m

m

m 1

3 m

m

m

kg

Rb

m 1

m

1

m

kg

kg

rm

kg

m

Cm

kg

kg

m N

m

kg

3 m m

Lưu ý: giáo trình này không giới thiệu quá trình lọc đẳng tốc và tính toán bã bị nén, nhìn chung các thông số này rất phức tạp

162

7 RỬA BÃ LỌC

Sau khi lọc, đôi khi người ta cần thu hồi bã để phục vụ vào một mục đích nào đó, thì bã

đó cần được rửa sạch Rửa bã giống như một quá trình trích ly các chất hoà tan nằm lẫn trong pha rắn chuyển vào nước rửa, về tính toán nó là một quá trình phức tạp

Phương châm rửa bã là: “Làm sao tốn ít nước mà bã phải sạch, thời gian rửa phải ít, nhanh, gọn”

Có hai phương pháp rửa thông dụng như sau:

- Hoà bã vào trong nước rửa rồi đem đi lọc lại

- Cho một dòng nước rửa chạy cùng chiều hoặc ngược chiều với bã cần rửa

Nồng độ của nước rửa sẽ thay đổi do nồng độ chất hoà tan lẫn vào trong đó, mối quan

hệ giữa chúng được biểu diễn bằng công thức thực nghiệm sau:

0

h

t v K đ

c C e

Trong đó Cđ: nồng độ chất hoà tan trước khi rửa (nồng độ đầu)

v: vận tốc dòng nước rửa, chọn (0,5 ÷ 1) m/s t: thời gian rửa bã; s

h0: chiều dày lớp bã; m K: hằng số rửa bã xác định bằng thực nghiệm

Cc: nồng độ cuối của chất hòa tan sau khi rửa

8 CHẤT TRỢ LỌC

Theo quy luật nếu vật ngăn giữ bã tốt thì trở lực lọc lại tăng lên và ngược lại, do vậy khi huyền phù càng mịn thì năng suất lọc càng thấp, gặp trường hợp này thì phải áp dụng thêm kỹ thuật bổ sung là thêm các chất trợ lọc

Chất trợ lọc là một loại bột mịn, nó có nhiệm vụ tạo trên bề mặt lọc một lớp bã bổ sung, qua đó làm tăng khả năng giữ pha rắn lại đồng thời làm giảm trở lực của nước lọc chảy qua vật ngăn, làm cho nước lọc dễ dàng đi qua vật ngăn

Bột trợ lọc có nhiều loại trên thị trường như: điatomic, perolit, amiăng, xenlulô, bột than cây, mùn cưa, bột than hoạt tính v.v…

Khi chọn bột trợ lọc cần lưu ý các điểm sau đây:

• Tạo lớp bã xốp đều trên bề mặt lọc, kích thước lỗ xốp bé

• Bề mặt riêng của bột phải nhỏ, kích thước hạt đồng nhất

• Bột không bị nén hoặc độ nén ép càng nhỏ càng lý tưởng

• Không hòa tan vào trong huyền phù

163

Dùng bột trợ lọc có hai cách:

• Hòa trộn (2 ÷ 4)% bột vào huyền phù rồi đem đi lọc

• Phủ một lớp bột trợ lọc lên trên bề mặt lọc theo tỉ lệ (0,1 ÷ 0,75)

2 m

kg

bề mặt lọc tương đương bề dày lớp bột khoảng (1 ÷ 2) mm

Bảng 11.2: Giới thiệu các loại vách ngăn thông dụng

Tên loại sợi

Khối lượng riêng (kg/m3)

Nhiệt độ làm việc (0C) Tính chống ăn mòn trong môi trường làm việc Dùng

thời gian dài

Dùng thời gian ngắn

hóa

Dung môi

Trung

dùng Sợi

Sợi PVC,

Clorin

axeton

Trung bình - Tốt

Sợi bông

Trung bình

Nhìn chung dùng Steflon là tốt cho mọi môi trường làm việc

9 GIỚI THIỆU THIẾT BN LỌC BỤI

9.1 Các thiết bị lọc bụi

9.1.1 Thiết bị lọc ướt

164

Hình (H11.3) mô tả thiết bị lọc ướt, nguyên lý hoạt động như sau:

Dòng hỗn hợp bụi và không khí vào thiết bị 2 qua cửa số 1, chui qua tầng đệm 3 Mặt khác bơm 4 bơm nước xối trên tầng đệm tạo màng, màng nước này lôi cuốn bụi rơi xuống dưới đáy tạo thành bùn, còn không khí sạch theo cửa 5 thoát ra ngoài Thiết bị này có cấu tạo đơn giản, hiệu suất phân riêng cao

9.1.2 Thiết bị lọc khô

Hay còn gọi là thiết bị lọc túi vải (xem hình H11.4)

Nguyên lý hoạt động: Dòng hỗn hợp không khí và bụi đi vào thiết bị 2 qua cửa 1, chúng chui qua lớp lưới phân phối 3 vào bên trong các túi vải 4 Bụi bị giữ lại bên trong túi vải, còn không khí sạch thoát ra ngoài túi vải và tập trung ra cửa số 5 Khi đầy bụi thì thiết bị

165

ngưng hoạt động và được cơ cấu rũ bụi 6 rung, bụi rơi xuống đáy thiết bị đồng thời vít tải 7 dẫn bụi ra ngoài Thiết bị này có thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục, nếu liên tục thì các túi vải thay phiên nhau để rũ bụi

Đường kính trung bình túi vải từ 0,2 ÷ 0,4 m

Chiều dài túi vải 2 ÷ 4 m

Trở lực qua các túi vải: 1 n 2

m

N

; v A

P=

∆ Với A1 = (0,025 ÷ 0,035) là hệ số thực nghiệm

n = (1,25 ÷ 1,35) chỉ số mũ

m

N

; 10 ).

4 , 0 05 , 0 (

Số túi vải xác định:

ℓ D

A n π

Trong đó A: diện tích bề mặt lọc; m2

D: đường kính trung bình túi vải; m l: chiều dài (cao) túi vải; m

Thiết bị này ứng dụng nhiều trong các xí nghiệp xay xát, chế biến thực phNm, các xí nghiệp sản xuất bột hóa chất, xí nghiệp sản xuất ximăng

9.2 Thiết bị lọc hệ lỏng không đồng nhất (huyền phù)

9.2.1 Thiết bị lọc khung bản - Lọc ép

Nguyên lý hoạt động: Bơm 2 nhập liệu vào khung 5, áp suất làm việc được chỉnh bằng van hoàn lưu 3, nước lọc thoát ra theo bản 5’ ra vòi 9 rồi tập trung dưới máng chứa nước lọc

8 Khung bản được ép chặt nhờ cơ cấu ép 6 có thể ép bằng tay hoặc máy ép thủy lực Toàn

bộ thiết bị được định vị trên bốn chân 7 Nếu không cần rửa bã thì van (b) luôn luôn đóng, nếu bã sau khi lọc cần phải rửa thì đóng van (a) và mở van (b)

166

Sau mỗi chu kỳ lọc thì tháo khung bản ra và mang vải lọc giặt sạch Loại thiết bị lọc khung bản này cho phép lọc tốt các loại huyền phù nhưng không lọc được nhũ tương vì hiệu suất thấp

Hình H11 6a mô tả cấu trúc khung bản và hình H11 6b mô tả sự lắp ghép giữa khung bản và vải lọc

Trên mặt bản tạo các ô vuông, kích thước cỡ (1 x 1) cm gọi là hình hạt lựu, nước lọc theo rãnh hình hạt lựu đó sẽ thoát ra theo đường số 9 xem hình (H11.5) hoặc (H11.6a) và (H11.6b) Thiết bị này chỉ làm việc gián đoạn

a a n 2

A

=

Ở đây A: diện tích bề mặt lọc; m2

a: cạnh của khung bản; m

h: hình (H11.6a) bề dày khung bản; m Chọn bề dày từ (10 ÷ 40) mm

2: là hai phía bản

Gọi n là số lượng khung, thì số lượng bản là (n + 1), vì hai đầu là hai bản

167

9.2.2 Máy lọc chân không thùng quay

Là loại máy lọc làm việc liên tục Huyền phù nhập vào liên tục, bã và nước lọc lấy ra liên tục

Nguyên lý hoạt động (xem hình H11 7): Huyền phù chứa trong bể 1, thùng quay số 2 nhúng chìm một góc ϕ trong bể huyền phù đó Thùng quay cấu trúc hình trụ đường kính khoảng (1 ÷2) m, chiều dài (1,5 ÷ 4) m, trên thân thùng người ta tạo rất nhiều lỗ nhỏ kích thước lỗ từ (2 ÷5) mm Bên trong không gian thùng tạo thành các ngăn để hút chân không số

7, thường là từ (12 ÷24) ngăn, ứng với mỗi ngăn sẽ có một đường hút chân không, khi phần thùng ngập vào trong bể huyền phù thì nước lọc chui qua lỗ lọc trên thân thùng sẽ vào ngăn chân không và theo đường hút chân không số 6 về bể chứa

Đến công đoạn cần rửa bã ứng với góc quay của thùng ϕr, nước rửa từ vòi 3 sẽ thực hiện khâu rửa sạch bã, kế đến là vùng sấy khô bã góc ϕs, cuối cùng là vùng cạo bã ứng với góc ϕcb, bã liên tục lấy ra nhờ dao cạo bã 4 Tại vùng sấy bã là ngưng hút chân không, thay vào đó là dòng khí nóng Để tránh sự phân lớp của huyền phù dùng cánh trộn 5

Máy lọc chân không thùng quay có ưu điểm lớn là năng suất lọc rất cao, dễ vận hành tự động theo chương trình cài đặt sẵn, nhược điểm là không phân riêng được nhũ tương, giá thành cao

Ngoài ra có một số máy lọc khác như máy lọc chân không băng tải, thiết bị lọc ống v.v trong phạm vi giáo trình này không cho phép giới thiệu hết được