Đồ án tính toán và thiết kế trong khuấy trộn cơ khí

MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT [1] BOD: Nhu cầu oxy sinh hóa [2] COD: Lượng oxy cần thiết để oxy hóa hợp chất hóa học nước [2] ISO: International Organization for Standardization ( Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế) [3] DO: Lượng oxy hòa tan nước cần thiết cho hô hấp sinh vật nước [4] VSV: Vi Sinh Vật DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH ẢNH Danh mục bảng biểu: Bảng 1: Thơng số thiết kế cánh khuấy giải phóng phân tầng gần Bảng 2: Thông số thiết kế loại cánh khuấy tốc độ cao Danh mục hình ảnh: Hình 1: Sơ đồ ví dụ hệ thống xử lý nước thải (ngành xi mạ) Hình 2: Máy khấy trộn khí Hình 3: Sơ đồ bể trộn dùng cánh khuấy khí Hình 4: Cánh khuấy turbine sơ đồ tạo dịng chảy thiết bị khuấy turbine Hình 5: Các dạng cánh khuấy turbine Hình 6: Sơ đồ tạo dòng chảy thiết bị khuấy chân vịt 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 khí kết hợp với cấp khí bề mặt Hình 12: Bể phản ứng tạo bơng cặn khí Hình 13: Bể keo tụ nhiều ngăn dùng phương pháp khuấy trộn khí Hình 14: bể keo tụ ngăn Hình 15: a) Bể trộn khí; b) Các loại cánh khuấy Hình 16: hình vẽ thiết kế bể trộn dùng máy trộn khí Hình 17: bố trí máy khuấy trộn TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đối tượng phương pháp nghiên cứu 1.1.1.Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu khuấy trơn khí Tìm hiểu khuấy trơn khí, loại máy khuấy trộn cơng trình dùng khuấy trộn khí Tìm hiêủ cách tính tốn thiết kế khuấy trộn khí 1.1.2.Phương pháp nghiên cứu Thu thập, nghiên cứu tài liệu từ giảng, giáo trình, sách, trang thơng tin điện tử với lĩnh vực nội dung liên quan đến thiết bị khuấy trộn khí cơng trình liên quan Phân tích tổng hợp liêu từ kiến thức thu thập Chọn lọc, thực chuyên đề sát với yêu cầu giảng viên 1.2 Mục đích nghiên cứu Hiểu sâu quy trình cơng nghệ mơi trường nói chung khuấy trơn khí nói riêng Hiểu rõ khuấy trộn khí, mục đích áp dụng khuấy trộn khí hiểu cách thiết kế cơng trình khuấy trộn khí GIỚI THIỆU 2.1 Tìm hiểu quy trình xử lý nước thải 2.1.1.Định nghĩa nước thải phương pháp xử lý Định nghĩa: Hiến chương Châu Âu định nghĩa nước nhiễm sau: “Ơ nhiễm nước biến đổi nói chung người chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước gây nguy hiểm với người, cho công nghiệp, nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật ni loài hoang dã” Theo tiêu chuẩn Việt Nam 5980-1995 ISO 6107/1-1980 Nước thải nước thải sau sử dụng tạo q trình cơng nghệ khơng có giá trị trực tiếp q trình Các phương pháp xử lý thường áp dụng: + Xử lý học: Phương pháp xử lý học sử dụng nhằm mục đích tách chất khơng hồ tan phần chất dạng keo khỏi nước thải Phương pháp xử lý học loại bỏ đến 60% tạp chất khơng hồ tan nước thải sinh hoạt giảm BOD (nhu cầu Ôxy sinh hố) đến 20% Thơng thường, xử lý học giai đoạn xử lý sơ trước cho trình xử lý sinh học + Phương pháp xử lý hoá - lý: Thực chất phương pháp xử lý hoá - lý đưa vào nước thải chất phản ứng để gây tác động với tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành chất khác dạng cặn chất hoà tan không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường Ví dụ phương pháp trung hồ nước thải chứa Axít, Bazơ, phương pháp Ơxy hố Phương pháp hố lý giải pháp cuối giai đoạn xử lý sơ cho giai đoạn + Phương pháp xử lý sinh học: Phương pháp thường dùng để loại chất phân tán nhỏ, keo hữu hồ tan (đơi vơ cơ) khỏi nước thải Nguyên lí phương pháp dựa vào hoạt động sống vi sinh vật có khả phân huỷ, bẻ gẫy đại phân tử hữu thành chất đơn giản hơn, đồng thời chúng sử dụng chất có nước thải làm nguồn dinh dưỡng Cacbon, Nitơ, Phôtpho, Kali Quá trình xử lý sinh học điều kiện nhân tạo đạt mức hồn tồn (xử lý sinh học hồn tồn) với BOD giảm tới 90-95% khơng hoàn toàn với BOD giảm tới 40-80% Phương pháp sinh học phương pháp triệt để nhất, tạo sản phẩm thân thiện với thiên nhiên biến đổi chất có hại trở thành hữu ích Ngày nay, phương pháp sinh học 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 cơng trình mà nước xử lý phương pháp học, hóa học, sinh học để loại bỏ chất rắn, chất hữu chất dinh dưỡng có nước Nước tiến hành làm 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), có thêm cơng đoạn xử lý đặc biệt khác Hình 1: Sơ đồ ví dụ hệ thống xử lý nước thải (ngành xi mạ) 2.2 Quá trình khuấy trộn quy trình xử lý nước 2.2.1.Định nghĩa khuấy trộn Trộn thường gọi khuấy nhanh, xáo trộn ban đầu Các mục đích việc trộn nhanh chóng để cung cấp phân tán đồng chất kết tủa hóa học khắp nước chảy đến Máy trộn cung cấp nhanh chóng xáo trộn hồn tồn pha trộn gần tức thời suốt toàn bể Kết là, khối lượng nước đến đánh sắc Một máy trộn hoạt động theo cách gọi bể phản ứng dung dịch bể ln pha trộn ngược với dịng chảy đến Khuấy trộn hoạt động quan trọng nhiều giai đoạn khác trình xử lý nước thải nhằm: - Trộn lẫn hoàn toàn chất với chất khác Khuấy trộn trì chất rắn lơ lửng trạng thái lơ lửng Khuấy trộn giọt chất lỏng trạng thái lơ lửng Tạo cặn Trao đổi nhiệt Thường q trình khuấy trộn cịn tạo hiệu phụ việc cung cấp thêm oxy hịa tan cho q 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: thời gian 30s trở xuống nhằm trộn hóa chất vào nước - Khuấy liên tục: để giữ hạt chất rắn, lỏng bể trạng thái lơ lửng 2.2.2.Vai trị q trình khuấy trộn Trong trình xử lý nước, trình xử lý diễn nhanh hơn, số phương pháp xử lý, người ta thường cho thêm hóa chất, dung dich vào nước thải để trình diễn nhanh So với lượng nước xử lý, lượng hóa chất sử dụng thường chiếm tỉ lệ nhỏ, khoảng vài chục phần triệu Mặt khác phản ứng chúng lại xảy nhanh sau tiếp xúc với nước Vì cần phải khuấy trộn để phân phối nhanh hóa chất sau cho chúng vào nước, nhằm đạt hiệu xử lý cao 2.2.3.Vị trí trình khuấy trộn Trong trình xử lý, tùy theo phương pháp mà trình khuấy trộn đặt vị trí khác nhau, ví dụ: với phương pháp hóa hoc, q trình khuấy trộn diễn bể trung hịa để khấy trộn hóa chất nhằm trung hòa chất giúp đạt pH cần thiết, phương pháp Hóa - Lý, q trình keo tụ tạo bơng, để q trình keo tụ diễn nhanh hơn, ngồi chất keo tụ q trình khuấy quan trọng, ảnh hưởng lớn đến trình keo tụ 2.2.4.Các loại thiết bị khấy trộn Có ba loai thiết bị trộn là: + Trộn thủy lực: Nhờ thay đổi hướng chuyển động vân tốc dịng nước + Trộn khí: Nhờ cánh khuấy trộn (thường hay sử dụng) + Trộn khí nén: Đưa vào ống khuếch tán mặt nước 2.3 Tìm hiểu khuấy trộn khí 2.3.1.Định nghĩa khái quát khuấy trộn khí Khuấy trộn khí sử dụng loại cánh khuấy để trộn loại chất lỏng vào với cường độ công suất theo tùy chọn người sủ dụng từ làm tăng suất trình khuấy giúp tiết kiệm thời gian trình trộn Máy trộn khí nói chung loại thiết bịcánh quạt chèo Hơn cánh quạt cánhchèo cung cấp trục Stator (vách ngăn gần cánh quạt máy trộn vách bể) cung cấp để tối đa hóa chuyển giao lượng cho chất lỏng để giảm thiểu vận tốc lại đầu ra) Máy trộn khí thường xây dựng với trục thẳng đứng điều khiển giảm tốc độ động điện Loại cánh quạt máy trộn bố trí để đạo dịng nước chảy theo nhiều hướng Máy trộn khí thường không cung cấp với thiết bị biến tốc độ Nếu để điều chỉnh đầu vào lượng cần thiết, họ đạt cách thay đổi cánh quạt lưỡi mái chèo máy móc điều chỉnh tốc độ trục Cánh khuấy cấu tạo theo nhiều dạng khác phù hợp với nhiều mục đích trộn khác Cánh quạt loại mái chèo bể dành riêng phổ biến sử dụng hệ thống kết hợp nhanh chóng nhà máy xử lý nước Khuấy trộn khí có cường độ khuấy cao gradient vận tốc thường 8001000/s, nên thời gian khuấy ngắn, từ đến 30 giây 2.3.2.Đăc điểm hoạt động Khấy trộn khí dùng lượng cánh khấy chuyển động nước xáo trộn dòng chảy Năng lượng cánh khuấy phụ thuộc vào đường kính cánh tốc độ chuyển động cánh Điều chỉnh tốc độ quay cánh điều chỉnh lượng tiêu hao cường độ khuấy Khuấy trộn nhằm tăng khả phân tán lượng hóa chất đưa vào nguồn nước cần xử lý Đặc điểm phương pháp khuấy trộn kiểu khí là: Động khuấy có cơng suất P = 0.2 – 11KW Năng lượng cánh khuấy tạo dòng chảy rối Cánh khuấy cấu tạo theo nhiều kiểu khác tùy thuộc vào mục đích khuấy trộn Ưu điểm phương pháp khuấy trộn kiểu khí: - Thời gian khuấy trộn ngắn - Có thể điều chỉnh cường độ khuấy trộn theo ý muốn - Thiết bị lắp đặt gọn gàng, hoạt động hiệu quả, dễ vận hành Hình 2: Máy khấy trộn khí 2.3.3.So sánh khuấy trộn khí với loại khấy trộn khác Lựu chọn hình thức khuấy trộn cho trình xử lý tùy theo ưu, nhược điểm hình thức 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 định để vận hành máy móc khuấy trộn - Được áp dụng với trạm xử lý có cơng suất vừa lớn, mức độ giới hóa tự động hóa cao 2.3.3.2 So sánh với khuấy trộn khí nén + Ưu điểm so với khuấy trộn khí nén: - Thời gian thi cơng nhanh, dễ bảo trì, khuấy trộn khí nén chi phí đầu tư thấp so với khuấy trộn khí ngược lại thi cơng lâu khó bảo trì, bảo dưỡng - + Hạn chế so với khuấy trộn khí nén: - Khuấy trộn dùng khí nén ưu điểm chỗ khơng cho VSV yếm khí phát triển, thuận lợi cho việc xử lý sau - Khuấy trộn khí nén, q trình sục khí giúp giảm phần nhiễm, đỡ gánh cho cơng trình sinh học phía sau Tăng hàm lượng oxy hịa tan (DO), tạo điều kiện tốt cho xử lý sinh học ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG 3.1 Nguyên lý hoạt động 10 Điều kiện quản lý vận hành phức tạp + Áp dụng: cho nhà máy nước cơng suất lớn, có mức độ giới hóa cao sản xuất 4.2 Bể keo tụ nhiều ngăn dùng phương pháp khuấy trộn khí 4.2.1.Nguyên lý Tương tự tạo bông, keo tụ dùng lượng cánh khuấy chuyển động nước để tạo xáo trộn dịng chảy Hình 13: Bể keo tụ nhiều ngăn dùng phương pháp khuấy trộn khí Q trình keo tụ hình thành - Khuấy khí - Khuấy động thủy lực Keo tụ phụ thuộc vào: - Sự tương tác dàng tốc độ mà theo hạt nhỏ tổng hợp thành hạt lớn -Số lượng va chạm hạt Hoặc nói cách khác phụ thuộc vào: - Đặc điểm hạt - G (nếu G q cao, hạt lớn khơng hình thành) - GT (cho dấu hiệu số lượng va chạm hạt.) Hạt nhỏ yêu cầu giá trị G thấp ( 21, C = 1,9 F-tổngdiện tích cánh (m 2) v- tốc độ chuyển động tương đối cánh khuấy so với nước, (m/s) Năng lượng tiêu hao phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ chuyển động cánh khuấy Tiết diện có phụ thuộc khơng đáng kể Tốc độ chuyển động cánh khuấy điều chỉnh cách thay đổi số vịng quay bán kính quay cánh khuấy Trong thực tế, việc giảm cường đô khuấy trộn buồng phản ứng thường thực cách giảm dần số vòng quay cánh khuấy Khi bể có nhiều buồng phản ứng kế tiếp, chênh lệch gradien tốc độ buồng nhỏ nên dùng biện pháp thay đổi kích thước bán kính quay cánh khuấy Đồng thời chất lượng nước thay đổi guồng khuấy có tốc độ quay khác nhau, tương ứng với cường độ khuấy chọn Bộ phận truyền động gồm động điện, bánh trục vít dây xích Có thể dùng hay nhiều động cho guồng Cấu tạo bể phải đảm bảo điều kiện phân phối nước vào ngăn cách ly bể để sửa chữa Nước từ bể phản ứng dẫn mương ống sang bể lắng, vận tốc từ 0,15 – 0,3 m/s 5.4 Ví dụ tính tốn thiết kế bể keo tụ dùng phương pháp khuấy trộn khí Một dịng ngang, trục ngang, bể keo tụ có cánh khấy thiết kế bể 25.000m3 / ngày, vận tốc dốc trung bình 26,7 / giây (ở 10 ° C), thời gian lưu 45 phút.Giá trị GT phải từ 50.000 đến 100.000.Giảm dần cung cấp, 26 ba ngăn Các giá trị G xác định với xét nghiệm phịng thí nghiệm cho ba ngăn G1 = 50 / giây, G2 = 20 / giây, G3 = 10 / giây Cung cấp cho giá trị trung bình G =26,7 / giây.Các ngăn được phân cách rãnh, hang rào vách ngăn gỗ, đáy bể cấp Các bể nên có chiều rộng 1,5 m để tiếp giáp với lắng bể xác định: Giá trị GT Các kích thước bể Công suất truyền tới ngăn Giải pháp: Giá trị GT = (26,7 / giây) (45 phút) (60 giây / phút) = 72.100 Mà giá trị GT từ 50.000 đến 100.000 đồng, thời gian lưu giữ thỏa đáng Khối lượng thể tích, V = (dịng chảy) x (thời gian bị giam giữ) = (25.000 m3 / d) (45 phút) (hr / 60 min)/24 = 781 m3 Mặt nghiêng diện tích = (khối lượng thể tích/ chiều rộng) = (781 m3 / 15 m) = 52,1 m2 Giả sử ngăn vuông mặt nghiêng, x chiều rộng chiều sâu ngăn Vì vậy, (3x) (x) = 52,1 x2 = 17.37x = 4.17 m 3x = (4,17) = 12.51m Sau đó, chiều rộng = chiều sâu = 4.17 m chiều dài = 12,51 m khối lượng = (4.17) (12,51) (15,0) = 783 m3 The Power, P = µG2V (at 10° C, µ = 0.00131 N-s/m2) P (ngăn thứ nhất) = (0.00131 N-s/m2)(502/s2)(783 m3/3) = 855 N-m/s = 855 J/s = 855 W P (ngăn thứ hai) = (0.00131)(202)(783/3) = 137 W P (ngăn thứ 3) = (0.00131)(102)(783/3) = 34.2 W 5.5 Thiết kế, bố trí thiết bị trộn khí Để đạt hiệu khuấy trộn cao nhất, máy khuấy đặt vào bể khuấy trộn phải tính tốn kích thước vị trí cho đạt hiệu khuấy trộn cao 27 Hình 16: hình vẽ thiết kế bể trộn dùng máy trộn khí Tùy theo đặc điểm cấu tạo bể khuấy khộn kích thước bể khuấy trôn Các máy khuấy trộn điều chỉnh đặt vị trí khác bể khuấy trộn để đạt hiệu khuấy trộn cao Hình 17: bố trí máy khuấy trộn A: Đặt trung tâm bể trộn B: Bố trí hai bên cánh bể trộn C: Bố trí bể trộn 5.6 Thiết kế cánh khuấy khí Dưới thông số thiết kế số cánh khuấy trộn thường sử dụng 5.6.1.Thiết kế cánh khuấy giải phóng phân tầng gần 28 ST T CÁCH BỐ TRÍ THIẾT KẾ CÁNH KHUẤY TÊN T/d THAM SỐ HÌNH HỌC hv /d= 0,8 h/ d=0,12 h2/d= 0,055 Thiết bị khuấy dạng neo 1,11 Thiết bị khuấy dạng xoắn ốc Hv /d= 1,5 s/d= D’/d= 1,1 H’/D’=1,15 Thiết bị khuấy băng xoắn 1,05 Hv/d=1 s/d= h/d= 0,1 Cánh khuấy dạng h/d= 29 Cánh khuấy nhiều giai đoạn h/d= 0,2 hv/d= 1,65 α= 450 β= 450 c/T= 0,02 H2/d= 0,175 Bảng 1: Thông số thiết kế cánh khuấy giải phóng phân tầng gần 5.6.2.Thiết kế loại cánh khuấy tốc độ cao ST T BỐ TRÍ THIẾT KẾ CÁNH QUẠT TÊN T/d THAM SỐ HÌNH HỌC 30 Cánh khuấy tuabin đĩa 3÷4 Cánh 3÷4 khuấy tuabin cánh mở h/d= 0,2 cánh Cánh khuấy turbine cánh phẳng đầu vng với góc nghiêng 450 h/d= 0,2 α=450 3÷4 h/d= 0,2 l/d= 0,25 d1/d= 0,75 cánh 31 Cánh khuấy turbine cánh nghiêng với góc 450 3÷4 h/d= 0,2 α=450 Cánh khuấy chân vịt ba cánh 3÷4 s/d= h/d= 0,22 R/d= 0,4 R1/R= 0,16 Bảng 2: Thông số thiết kế loại cánh khuấy tốc độ cao TỔNG KẾT 32 -Với tìm hiểu nhóm cơng trình liên quan tới khuấy trộn khí, nhóm nhận thấy việc sử dụng cánh khuấy để xáo trộn lọai hóa chất vào nước thải cần thiết góp phần việc rút ngắn thời gian hòa trộn làm tăng hiệu suất trộn -Khuấy trộn khí sử dụng phổ biến lắp đặt gọn gang, hoạt động hiệu quả, dễ vận hành điểu chỉnh hiệu suất theo ý muốn Khuấy trộn khí có điểm vượt trội so với khuấy trộn thủy lực khuấy trộn khí nén - Ngồi ra, khuấy trộn khí cịn tiết kiệm chi phí tiết kiệm khoảng khơng gian xậy dựng từ giảm giá thành… - Qua chuyên đề này, việc tìm hiểu tham khảo nhiều tài liệu nước giúp cho việc học nghiên cứu trở nên đơn giản hơn, tạo tiền đề cho môn học sau TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 Tài liệu Tiếng Việt [1] Phạm Anh Đức “Bài giảng môn trình cơng nghệ mơi trường” Đại học Tơn Đức Thắng [2] Nguyễn Thị Thu Thủy “Xử lý nước cấp sinh hoạt công nghiệp” Nhà xuất khoa học kĩ thuật [3] Trịnh Xuân Lai.“Xử Lý nước cấp cho sinh hoạt công nghiệp” Nhà xuất xây dựng, 2003 [4] Nguyễn Ngọc Dung “Xử lý nước cấp” Nhà xuất xây dựng Hà Nội, 1999 Tài liệu Tiếng Anh [1] Mc Graw “Water treatment plant design” Hill Inc, Second Edition [2] Susumu Kawwamura “Integrated design of water treatment” [3] E.Roberts Alley “Water Quality Control” [4] Agitation and mixing of fluids [5] D.S.Dickey “Mechanical of mixing equipment” [6] American Water Works Association “Water Quality and Treatment” [7] Amirtharajah, A., M M Clark, and R R Trussel (eds.) 1991,“Mixing in Coagulation and Flocculation” [8] AWWA Research Foundation Report Denver, Colo.: American Water Works Association, 1994.“Selection and Design of Mixing Processes for Coagulation”, [9] Kawamura, Susumu 1991 “Integrated Design of Water Treatment Facilities” 34 ... khuấy trộn A: Đặt trung tâm bể trộn B: Bố trí hai bên cánh bể trộn C: Bố trí bể trộn 5.6 Thiết kế cánh khuấy khí Dưới thông số thiết kế số cánh khuấy trộn thường sử dụng 5.6.1 .Thiết kế cánh khuấy. .. nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu khuấy trơn khí Tìm hiểu khuấy trơn khí, loại máy khuấy trộn cơng trình dùng khuấy trộn khí Tìm hiêủ cách tính tốn thiết kế khuấy trộn khí 1.1.2.Phương pháp nghiên... a) Bể trộn khí; b) Các loại cánh khuấy Nước nguồn vào Cấp dung dịch phèn Nước sau trộn 5.2 Thiết kế bể khuấy trộn khí nhiều bể kết hợp Nhiều nhà máy xử lý thiết kế kết hợp hai nhiều bể kết hợp