Thiết kế chế tạo hệ thống xử lý nước cấp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU KHOA CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT VÀ NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP Chuyên ngành: Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: ThS Trần Thái Sơn Sinh viên thực hiện: Dương Chí Tuấn - 16032377 Trịnh Minh Hiếu - 16031416 Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng năm 2020 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG BÁO CÁO v DANH MỤC BẢNG TRONG BÁO CÁO viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG BÁO CÁO ix LỜI CẢM ƠN x NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN xi LỜI MỞ ĐẦU xii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình cấp nước sinh hoạt Việt Nam 1.2 Tổng quan ngành xử lý nước Việt Nam 1.2 Mục đích chọn đề tài 1.3 Mục tiêu đề tài 1.4 Giới hạn đề tài 1.5 Các ứng dụng đề tài 1.6 Ý nghĩa đề tài CHƯƠNG PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý 2.2 Đề xuất sơ đồ khối điều khiển 2.3 Phương án thiết kế 10 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 3.1 Bộ lọc đĩa 12 3.1.1 Cấu tạo lọc đĩa 12 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 13 i 3.1.3 Thông số kỹ thuật 15 3.1.4 Ưu điểm 15 3.2 Quá trình siêu lọc 16 3.2.1 Cấu tạo màng siêu lọc 16 3.2.2 Nguyên lý hoạt động 17 3.3.3 Các chế độ lọc 19 3.2.4 Ưu điểm 24 3.3 Quá trình lọc thẩm thấu ngược 26 3.3.1 Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược 26 3.3.2 Nguyên lý hoạt động 27 3.3.3 Ưu điểm lọc thẩm thấu ngược 28 3.4 PLC Mitsubishi FX2N – 48MT 29 3.4.1 Tổng quan PLC 29 3.4.2 PLC FX2N-48MT hãng mitsubishi 32 3.5 Mô đun FX2N – 4AD 36 3.5.1 Cấu tạo mô đun FX2N – 4AD 36 3.5.2 Kết nối với PLC 37 3.6 HMI INVT 39 3.6.1 Tổng quan HMI 39 3.6.2 Nguyên lý hoạt động 40 3.7 Van điện từ 41 3.7.1 Giới thiệu 41 3.7.2 Cấu tạo van điện từ 42 3.7.3 Nguyên lý hoạt động 42 ii 3.8 Cảm biến áp suất 43 3.8.1 Giới thiệu chung 43 3.8.2 Cấu tạo 43 3.9 Động bước 45 3.9.1 Giới thiệu chung 45 3.9.2 Cấu tạo động bước 46 3.10 Công tắc điện phao nước 46 3.10.1 Giới thiệu chung 46 3.10.2 Cấu tạo công tắc điện phao nước 47 CHƯƠNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG 48 4.1 Thiết kế hệ thống lọc 48 4.1.1 Tính tốn thiết kế lọc thẩm thấu ngược 48 4.1.2 Lựa chọn thiết kế màng siêu lọc 51 4.1.3 Kiểm nghiệm thiết kế hệ thống bằng phần mềm WAVE hãng Dupont 53 4.1.4 Thiết kế mô hình 3D hệ thống xứ lý nước cấp 57 4.1.5 Bản vẽ 2D hệ thống xử lý nước cấp 59 4.2 Thiết kế hệ thống điện lập trình 60 4.2.1 Thiết kế hệ thống điện 60 4.2.2 Lập trình điều khiển hệ thống 65 4.3 Thiết kế van áp suất 68 4.4 Thực mơ hình, mô hệ thống 69 4.5 Quy trình vận hành 71 4.4.1 Điều khiển tự động 72 4.4.2 Điều khiển bằng tay 74 iii CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 77 5.1 Kết đề tài 77 5.2 Sản phẩm đề tài 77 5.3 Tính hiệu đề tài 78 5.4 Hướng phát triển đề tài 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Tài liệu truyền thống 79 Tài liệu điện tử 79 PHỤ LỤC KẾT QUẢ XÉT NGHIỆM MẪU NƯỚC SINH HOẠT Ở BẾN TRE 80 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 82 PHỤ LỤC BẢN VẼ 2D BỐ TRÍ THIẾT BỊ 87 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG BÁO CÁO Hình 1.1 Sơ đồ xử lý nước Nhà máy xử lý nước BOO Thủ Đức Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước cấp Hình 2.2 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống Hình 3.1 Bộ lọc đĩa 12 Hình Hoạt động lọc đĩa 13 Hình 3.Rửa ngược lọc đĩa 14 Hình Quy trình xử lý nước qua lọc đĩa 14 Hình Kích thước lọc đĩa 15 Hình Màng siêu lọc tập hợp ống PVDF 16 Hình Nguyên lý màng siêu lọc 17 Hình Sơ đồ chế độ lọc 19 Hình Quá trình xử lý nước qua màng siêu lọc 19 Hình 10 Quá trình rửa khí 20 Hình 11 Quá trình xả áp suất sau rửa khí 21 Hình 12.Quá trình rửa ngược phía 21 Hình 13.Quá trình rửa ngược phía 22 Hình 14 Quá trình rửa xuôi 22 Hình 15 Quá trình rửa CEB phía 23 Hình 16 Quá trình rửa CEB phía 23 Hình 17 Chế độ rửa định kỳ chổ CIP 24 Hình 18 Sidney Loeb mơ hình màng áp suất thẩm thấu chậm 26 Hình 19 Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược 27 Hình 20 Thẩm thấu thấm rthấu ngược 27 Hình 21 Cấu trúc PLC 31 Hình 22 PLC Mitsubishi FX2N - 48MT - 001 32 Hình 23 Sơ đồ chân PLC FX2N – 48MT 33 Hình 24 Sơ đồ nối source dây thiết bị ngoại vi PLC 36 Hình 25 Mô đun FX2N – 4AD 36 v Hình 26 Màn hình HMI VT-070 39 Hình 27 Van điện từ 41 Hình 28 Cấu tạo van điện từ 42 Hình 29 Cảm biến áp suất 43 Hình 30 Cảm biến áp suất dạng áp điện trở (dạng màng) 44 Hình 31 Cảm biến áp suất kiểu tụ 45 Hình 32 Động bước 46 Hình Quy trình xử lý nước cấp từ nguồn nước mặt 48 Hình Phần mềm WAVE 54 Hình Cài đặt thông số nguồn nước cấp 55 Hình 4 Cài đặt thông số màng UF 55 Hình Cài đặt thông số màng lọc RO 56 Hình Kết thiết kế UF bằng phần mềm WAVE 56 Hình Kết thiết kế RO từ phần mềm WAVE 57 Hình Phần mềm INVENTOR thiết kế 3D 58 Hình Mô hình 3D hệ thống nhìn từ phía trước 58 Hình 10 Phần mềm vẽ 2D AutoCAD 59 Hình 11 Phần mềm thiết kế tủ điện EPLAN 61 Hình 12 Sơ đồ khối điều khiển truyền động 62 Hình 13 Mạch truyền động 63 Hình 14 Mạch điều khiển 64 Hình 15 Phần mềm GX Developer 65 Hình 16 Lưu đồ chọn chế độ hoạt động 65 Hình 17 Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động 66 Hình 18 Phần mềm VT Designer 67 Hình 19 Thiết kế hình khởi động HMI 67 Hình 20 Sơ đồ truyền động van áp suất 68 Hình 21 Bộ van áp suất 68 vi Hình 22 Hàn khung mô hình 69 Hình 23 Lập trình nạp vào PLC 69 Hình 24 Lắp đặt tủ điện 70 Hình 25 Lập trình nạp cho hình HMI 70 Hình 26 Màn hình cài đặt hệ thống 73 Hình 27 Màn hình chế độ tự động - Automatic 73 Hình 28 Màn hình chế độ điều khiển bàng tay – Manual 74 Hình 29 Kết nối thiết bị để rửa hóa chất định kỳ 76 Hình Mô hình thử nghiệm hệ thống 77 vii DANH MỤC BẢNG TRONG BÁO CÁO Bảng 1 Tiêu chuẫn cấp nước theo đầu người theo TCXDVN 33:2006 Bảng So sánh nguồn nước QCVN 02:2009/BYT Bảng Ưu điểm lọc đĩa 15 Bảng Ưu điểm PLC 30 Bảng 3 Đặc tính kỹ thuật PLC FX2N 33 Bảng Các thiết bị sử dụng 60 Bảng Trạng thái thiết bị quy trình 71 Bảng Thời gian hoạt động trình 72 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG BÁO CÁO AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều UL UltraFiltation Siêu lọc RO Reverse Osmosis Thẩm thấu ngược TCXDVN Tiêu chuẫn xây dựng Việt Nam QCVN Quy chuẫn Việt Nam BYT Bộ Y Tế PLC Programmable Logical Controller Chương trình điều khiển tự động có lập trình HMI Human Machine Interface thiết bị giao tiếp người điều hành máy móc thiết bị 2D Two Dimension chiều 3D Three Dimension chiều LAD Ladder Ngôn ngữ lập trình kiểu đồ họa A/D Analog/Digital Chuyển đối tín hiệu tương tự/tín hiệu số CPU Central Processing Unit Đơn vị điều khiển trung tâm RAM Random Access Memory Bộ nhớ lưu trữ tạm thời ROM Read Only Memory Bộ nhớ chỉ đọc EPROM Erasable Programmable Read Bộ nhớ chỉ đọc chương trình Only Memory xóa I/O Input/Output Ngõ vào/Ngõ TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hòa tan PVDF Poly Vinylidene Fluoride CEB Chemically Enhanced Backwash Rửa ngược bằng hóa chất CIP Clean in place Chế độ rửa định kỳ ix Hình 26 Màn hình cài đặt hệ thống Hình 27 Màn hình chế độ tự động - Automatic 73 4.4.2 Điều khiển bằng tay Việc điều khiển bằng tay yêu cầu người sử dụng phải có đầy đủ hiểu biết hệ thống điều khiển theo đúng quy trình không sẽ gây hỏng hệ thống Hình 28 Màn hình chế độ điều khiển bàng tay – Manual Một chu trình lọc UF phải đảm bảo theo đúng thứ tự Lọc UF ➔ Rửa khí ➔ Rửa ngược ➔ Rửa xuôi để màng hoạt động với công sức độ bền tốt 4.4.2.1 Lọc UF Tắt tất thiết bị hệ thống, sau đó bật thiết bị theo đúng thứ tự sau: Van ➔ Van ➔ Van ➔ Van ➔ Bơm cấp 4.4.2.2 Rửa khí UF Tắt tất thiết bị hệ thống, sau đó bật thiết bị theo đúng thứ tự sau: − Bật van ➔ Bật van − Sau 10 – 40 s tắt van ➔ Bật van 74 4.4.2.3 Rửa ngược UF Tắt tất thiết bị hệ thống, sau đó bật thiết bị theo đúng thứ tự sau: − Bật van ➔ Bật van 10 ➔ Bật bơm rửa − Sau 20 – 60 s tắt van ➔ Bật van 4.4.2.4 Rửa xuôi UF Tắt tất thiết bị hệ thống, sau đó bật thiết bị theo đúng thứ tự sau: Van ➔ Van ➔ Van ➔ Van ➔ Bơm cấp 4.4.2.5 Rửa ngược lọc đĩa Hoạt động chỉ thực hệ thống tiến hành bước lọc UF Để rửa ngược đĩa lọc ta mở Van sau đó tắt Van Tương tự, để rửa ngược đĩa lọc ta mở Van sau đó tắt Van 4.4.2.6 Lọc RO Quá trình lọc RO sử dụng để lọc nước uống theo Quy chuẫn 01 Bộ Y tế Để tiến hành lọc RO, cần mở hết cỡ van áp suất để xả bỏ hết áp lực đường ống Sau đó bấm bật bơm Hệ thống sẽ tự động điều chỉnh van áp suất đạt đúng yêu cầu màng lọc RO Quá trình lọc RO yêu cầu nghiêm ngặt áp suất Nếu áp cao giới hạn chịu đựng màng lọc sẽ gây biến dạng, hư hại màng lọc RO Vậy nên cần theo dõi áp suất có thể điều chỉnh bằng tay thấy áp suất vượt cao 4.2.2.7 Rửa hóa chất định kỳ CIP Vì trình lọc bằng màng UF thời gian dài sẽ dễ bị chất bẩn, vi sinh bám vào màng gây tắt nghẽn màng nên cần vệ sinh màng định kỳ – tháng/lần bằng hóa chất Sử dụng bồn riêng để pha hóa chất vệ sinh kết nối vào đầu thải màng lọc UF bằng bơm riêng Hóa chất có thể tuần hoàn lại vào bồn để tiết kiệm hóa chất vệ sinh màng 75 Hóa chất vệ sinh màng Dung dịch HCl 0,02% Hình 29 Kết nối thiết bị để rửa hóa chất định kỳ 76 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 5.1 Kết đề tài Hình Mô hình thử nghiệm hệ thống Sau thời gian thực đề tài, nhóm chúng đã thu kết sau: − Thực mô hình để chạy thử nghiệm hệ thống xử lý nước với hai chế độ điều khiển điều khiển tự động điều khiển bằng tay − Chế tạo van áp suất hoạt động với hai chế độ tự động bằng tay 5.2 Sản phẩm đề tài − 01 vẽ thiết kế mô hình hệ thống xử lý nước cấp − 01 vẽ thiết kế hệ thống điện − 01 mô hình thử nghiệm hệ thống xử lý nước cấp − 01 báo cáo tổng kết đề tài − 01 chương trình điều khiển hệ thống hoạt động tự động 77 5.3 Tính hiệu đề tài − Hệ thống đạt yêu cầu đề − Hệ thống xử lý nước cấp có thể áp dụng rộng rãi cho người dân vùng sâu, vùng xa thiếu nước sinh hoạt, đặc biệt khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long gặp khó khăn tình hình xâm nhập mặn 5.4 Hướng phát triển đề tài Hệ thống xử lý nước cấp sử dụng công nghệ lọc màng có thể dể dàng tăng công suất hoạt động tăng thêm mô đun màng lọc cho hệ thống Hệ thống có thể phát triển để xử lý cung cấp nước cho vùng biển đảo bằng cách thay đổi màng lọc RO nước lợ bằng màng lọc RO dùng cho nước mặn 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu truyền thống 1.1 Lê Hoàng Vinh, Đào Duy Khương, Võ Thị Ánh Tuyết, Trần Thi Thu Thủy, Giáo trình môn học PLC Mitsubishi, NXB Trường địa học Công Nghiệp Tp HCM, 2006 1.2 Dow Ultrafiltation Product Manual, Lenntech, tháng 2011 1.3 FX beginer’s Manual, Mitsubishi Electric, tháng 2009 1.4 Clever, M.; Jordt, F.; Knauf, R.; Räbiger, N.; Rüdebusch, M.; Hilker-Scheibel, R., Process water production from river water by ultrafiltration and reverse osmosis, Desalination, 131 (1–3): 325–336, December 2000 1.5 Crittenden, John; Trussell, Rhodes; Hand, David; Howe, Kerry and Tchobanoglous, George, Water Treatment Principles and Design, New Jersey, 2005 1.6 Weintraub; Bob, Sidney Loeb, Co-Inventor of Practical Reverse Osmosis, Bulletin of the Israel Chemical Society (8): 8–9, December 2001 1.7 Glater, The early history of reverse osmosis membrane development, Desalination 117 (1–3): 297–309, 1998 Tài liệu điện tử 2.1 Cổng thơng tin phủ: http://www.chinhphu.vn/portal/page/portal/chinhphu/noidungchuongtrinhmuctieuquocgia ?_piref135_18249_135_18248_18248.strutsAction=ViewDetailAction.do&_piref135_18 249_135_18248_18248.docid=345&_piref135_18249_135_18248_18248.substract= 2.2 Cổng thông tin điện tử công ty Dupont: https://www.dupont.com/ 2.3 Từ điển bách khóa điện tử: https://en.wikipedia.org/wiki/Membrane_technology 79 PHỤ LỤC KẾT QUẢ XÉT NGHIỆM MẪU NƯỚC SINH HOẠT Ở BẾN TRE 80 81 PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH PLC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG 82 83 84 85 86 PHỤ LỤC BẢN VẼ 2D BỐ TRÍ THIẾT BỊ 87 ... 53 4.1.4 Thiết kế mô hình 3D hệ thống xứ lý nước cấp 57 4.1.5 Bản vẽ 2D hệ thống xử lý nước cấp 59 4.2 Thiết kế hệ thống điện lập trình 60 4.2.1 Thiết kế hệ thống... đặt - Thiết kế kết cấu khí + Bản vẽ chi tiết 2D hệ thống xử lý nước cấp + Mơ hình 3D hệ thống xử lý nước cấp - Thiết kế kết nối mạch điều khiển + Sơ đồ mạch điện điều khiển, vận hành hệ thống... TRONG BÁO CÁO Hình 1.1 Sơ đồ xử lý nước Nhà máy xử lý nước BOO Thủ Đức Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý nước cấp Hình 2.2 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống Hình 3.1