- Thiết bị theo phương pháp này dùng để tách các hạt sương và mù (axit, dầu) đến các hạt vài micron với mức tách trên 90% , cả đến hơn 99%.
CHƯƠNG 5: PHÂN RIÊNG HỆ LỎNG KHÔNG ĐỒNG NHẤT
5.1.Hệ lỏng không đồng nhất và các phương pháp phân riêng. 5.1.1. Hệ lỏng không đồng nhất:
Trong tự nhiên, đời sống và sản xuất có vô số các hệ lỏng không đồng nhất. Đó là các hệ có pha lỏng là pha liên tục; còn pha phân tán có thể là khí (hơi), lỏng và rắn.
Pha phân tán là khí, gọi là hệ bọt, thường thấy trong các thiết bị hấp thụ, rửa khí hay nhiều quá trình gia công chất lỏng có chứa các chất dễ tạo bọt. Trong nhiều trường hợp, các khối bọt đó cần được xử lý để đảm bảo tốc độ và chất lượng của quá trình chính, đảm bảo hiệu suất thu hồi.
Pha phân tán là chất lỏng không tan lẫn, gọi là nhũ tương. Các nhũ tương chứa các hạt có kích thước rất nhỏ (d≤0,4÷0,5μm) lại có chất bảo vệ thì rất bền, khó bị phân ly. Độ bền của nhũ tương còn phụ thuộc nồng độ pha phân tán. Ở nồng độ lớn, các hạt nhỏ dễ chập thành các hạt lớn và khi nồng độ tăng đủ lớn xảy ra hiện tượng đảo pha nghĩa là pha lien tục lúc này bị chia cắt thành các hạt, không liên tục nữa, còn các hạt của pha phân tán chập lại thành pha liên tục. Điều này rất có ý nghĩa trong quá trình phân ly nhũ tương. Hệ nhũ tương thường gặp trong nhiều quá trình sản xuất khai thác chế biến dầu
mỏ, tổng hợp hữu cơ, khai thác chế biến dầu thực vật, tinh dầu, dược liệu và dược phẩm, mỹ phẩm…đến việc xử lý nước thải.
Thường gặp nhất là hệ chứa pha phân tán rắn, gọi là huyền phù. Các huyền phù mà kích thước hạt rắn dh>100 μm được gọi là huyền phù thô; d= 0,5÷100μm - huyền phù mịn; d =0,1÷0,5μm - nước đục. Khi d<0,1μm, bề mặt riêng của hạt rất lớn, rất nhiều trường hợp chúng lại có cấu trúc keo. Những hạt cỡ 1μm trở xuống luôn tham gia chuyển động hỗn loạn, lại thêm tương tác bề mặt nên rất khó tách bằng cơ năng thuần tuý. Khi đó cần kết hợp các biện pháp như siêu âm, thêm chất đông tụ…mà thực chất là kết hợp các hạt nhỏ thành hạt lớn hơn. Trong kĩ thuật cũng gặp nhiều hệ gồm baromet pha được tạo ra trong quá trình chế biến, ngay cả trong quá trình tách.
5.1.2. Phân loại các phương pháp:
Hệ bọt sinh ra trong các quá trình bốc hơi, cô đặc, tiếp xúc giữa khí và lỏng đôi khi choán đầy không gian phân ly, dễ bị cuốn theo dòng khí qua các thiết bị khác. Để đập bọt thường dùng 2 cách: tác động cơ khí (ví dụ của chong chóng quay) hoặc phun một lượng nhỏ chất có sức căng bề mặt lớn vào khối bọt. Đối với huyền phù nhũ tương, phương pháp tách là lắng và lọc. Các nhũ tương và huyền phù thô có thể lắng nhờ trọng lực. Các nhũ tương với kích thước hạt nhỏ, nước đục cùng các huyền phù khó phân ly cần được tách trên các máy ly tâm với động lực đủ lớn. Các huyền phù với nồng độ đủ lớn thường dùng lọc (lọc thường, lọc ly tâm). Pha rắn được tách ra dưới dạng lớp bã ở phía trên vách lọc. Các huyền phù loãng và hạt nhỏ thường được lọc qua lớp vật liệu xốp. Pha phân tán được giữ lại trong long lớp xốp.
Sau đây trình bày về các quá trình đó. 5.2.Lắng nhờ trọng lực
Trong các thiết bị lắng huyền phù và nhũ tương, một số trường hợp đã chú ý dùng lực quán tính để tăng hiệu quả phân tách. Tuy nhiên chủ yếu vẫn nhờ trọng lực.
5.2.1. Quá trình lắng huyền phù:
Khác với lắng tự do (của một hạt), sự lắng huyền phù là quá trình lắng đồng thời của nhiều hạt, các hạt lại khác nhau về kích thước (và do đó khác nhau khối lượng). Sự lắng của mỗi hạt chịu ảnh hưởng của các hạt gần nó. Các hạt lớn lắng nhanh hơn các hạt nhỏ, qua huyền phù của các hạt nhỏ, chịu tác động của các tính chất của huyền phù (độ nhớt, khối lượng riêng) chứ không phải chỉ của chất lỏng. Dòng hạt lắng xuống sinh ra dòng
chất lỏng bị thay thế chảy ngược lên làm tốc độ lắng thực nhỏ hơn. Gradien vận tốc trong lớp chất lỏng sát bề mặt hạt tăng lên do sự biến đổi diện tích và dạng của không gian chảy. Mặt khác các hạt to hơn (lắng nhanh hơn) có khuynh hướng kéo các hạt nhỏ hơn theo nó. Và trong các huyền phù đặc các hạt gần nhau có thể đông tụ trong dung môi đã bị ion hoá thành hạt lớn hơn.
Đối với các hạt nhỏ, để tính tốc độ lắng, năm 1926 Robinson C.S đề nghị công thức tương tự công thức của định luật Stokes (4.4a) trong đó khối lượng riêng và độ nhớt của chất lỏng thay bằng của huyền phù ρc và μc.
2h h d ( ) W=K 18 h c c g ρ ρ µ − (5.1) Trong đó K là hằng số đối với dạng hạt nhất định.
Steinour H.H (1944) nghiên cứu sự lắng các hạt nhỏ cùng dạng, tính được tốc độ tương đối của hạt so với chất lỏng:
2h h d ( ) U= ( ) 18 h c g f e ρ ρ µ − (5.2)
Trong đó e là phần thể tích của chất lỏng trong huyền phù.
Nhưng: 1-e W U= W+W e = e (5.3) Còn lực nổi: ρc =ρh−{ρh(1− +e) ρ.e} =ρ ρ ρ( h− ) (5.4) Thay (5.4), (5.3) vào (5.2) được biểu thức tính vận tốc lắng:
2 2 2 2 2 h 0 d ( ) W= . ( ) W . . ( ) 18 h g e f e e f e ρ ρ µ − = (5.5)
Thực nghiệm lắng bột báng (Tapioca) trong đầu Steinour tìm được: f(e) = 10-1,82(1-e) (5.6)
Năm 1916, Coe và Clevenger nghiên cứu quá trình lắng phân ly các huyền phù trong ngành luyện kim, thấy rằng sau một thời gian (kể từ lúc đổ vào) trong thiết bị hình thành các vùng rõ rệt.
Đối với huyền phù (mịn) mà miền phân bố kích thước hạt hẹp hình thành 4 vùng (hình 5.1): nước trong (1), huyền phù với nồng độ bằng nồng độ đầu (2), huyền phù có nồng độ tăng dần theo hướng trên xuống (3), và dưới cùng là lớp bã (4). Tốc độ phân tách được đặc trưng bởi tốc độ dịch chuyển mặt phân cách 1 - 2, sẽ không đổi cho đến khi mặt này đến vị trí tương ứng đỉnh của vùng (3). Sau đó tốc độ phân tách giảm đến giá trị giới hạn khi vùng (2) và (3) biến mất.
Đối với huyền phù mà kích thước hạt phân bố trong một miền rất rộng thì trong quá trình phân tách chỉ tồn tại vùng 1, 3 và 4, tức là dưới vùng nước trong (1) là vùng có nồng độ thay đổi (tăng dần) từ trên xuống dưới (3). Do đó tốc độ phân tách, đặc trưng bởi tốc độ dịch chuyển mặt phân cách 1 – 3, sẽ giảm liên tục đến giá trị giới hạn tương ứng với thời điểm vùng 3 biến mất, cũng là lúc quá trình phân tách kết thúc.
Càng xuống phía dưới tốc độ phân tách cành nhỏ là do hai nguyên nhân: nồng độ huyền phù (và do đó …) tăng lên, đồng thời dòng chảy ngược của chất lỏng cũng tăng do tiết diện hẹp lại. Điều đó cũng đã được phản ảnh qua biểu thức (5.5).
Một đại lượng được xem là đặc trưng đầy đủ hơn cho khả năng phân tách là cường độ phân tách lắng ψ, chính là khối lượng hạt lắng qua một đơn vị tiết diện vuông góc với phương lắng trong một đơn vị thời gian (kg/ m2s). Đối với hạt cùng kích thước thì cường độ tại tiết diện có nồng độ C.
ψ = W.C (5.7) C (kg/m3)
Nhìn chung độ lớn ψ phụ thuộc không những vào tính chất, nồng độ, kích thước và phân bố kích thước hạt rắn của huyền phù, mà còn phụ thuộc cả vào cấu trúc thiết bị và phương thức làm việc của thiết bị. Trong trường hợp thiết bị làm việc liên tục ψ còn phải bao gồm cả dòng bã được hút ra ở đáy.
ψ = W.C + WbCb (5.8)
5.2.2. Thiết bị lắng: a) Loại chóp:
Thiết bị gồm thân hình trụ có đáy hình côn. Trong phần thân trụ đặt nhiều tầng chop. Góc nghiêng của chóp đủ lớn sao cho các hạt rắn lắng đến bề mặt trên của chóp thì tự trượt theo mặt chóp ra phía biên đề lắng xuống đáy. Nguyên tắc làm việc như sau: huyền phù đưa từ cửa phía trên, đi vào không gian giữa các tầng chóp từ phía biên của trụ hướng vào tâm. Quá trình lắng diễn ra ở không gian đó. Nước trong qua cửa chảy tràn ở đỉnh của mỗi tầng chóp vào ống góp ở trung tâm để ra ngoài. Bã lắng trượt theo sàn chóp biên, tiếp tục lắng xuống đáy thiết bị.
Thiết bị này làm việc theo phương thức bán liên tục. Nước trong có thể được lấy ra liên tục. Bã được hút ra định kỳ nhờ xiphông hay bơm. Nhờ các tầng chóp, bề mặt lắng tăng lên, năng suất riêng thể tích của thiết bị tăng lên nhiều.
b) Loại phễu:
Phần chính là buồng lắng mà đáy côn với góc ở đáy α =600 cao hơn nhiều so với phần hình trụ ở phía trên. Bộ phận cấp liệu được ở trục thiết bị. Huyền phù đặt ở thùng 3, trên qua miệng ống được phao 4 khử các xung động trước khi đi vào không gian lắng. Nước trong qua cửa tràn ra máng 2. Bã tụ ở đáy được khí nén đẩy qua ống 5 ra ngoài. Thiết bị làm việc liên tục. Nhờ phần côn lớn mà bã thu được khá đặc. Tuy nhiên để đạt điều đó, chiều cao thiết bị (phần côn) phải lớn.
c) Loại hình trụ có cào bã:
Loại này được dùng nhiều trong công nghiệp và xử lý huyền phù nước thải vì có khả năng đạt mức độ phân riêng khá cao, nhất là có thể cô đặc bã (đến độ khô trên 50%), lại có cấu trúc tương đối đơn giản.
Thiết bị gồm phần chính hình trụ, đường kính từ vài mét đến vài trăm mét (tuỳ theo năng suất). Các thiết bị nhỏ có thể làm việc gián đoạn có đáy hình hơi côn.
Phần lớn loại này thể hiện tính ưu việt khi làm việc liên tục. Thiết bị làm việc liên tục có đáy bằng hoặc hơi côn, huyền phù được cấp vào phần trục của thiết bị ở độ sâu 0,3 – 1m so với mặt thoáng chất lỏng. Bã được cào vun dần vào tâm. Loại thiết bị nhỏ, cào quay với tốc độ 0,02 vòng/s nhờ trục ở giữa. Loại đường kính rất lớn thì bộ phận truyền
động và cào được chuyển động nhờ một môtơ chạy trên đường ray tròn. Tốc độ quay rất nhỏ (cỡ 2.10-3 vòng/s).
Các thiết bị lớn có thể đạt tới 3000 tấn/ ngày hoặc hơn.
Để tiết kiệm mặt bằng, đồng thời tăng mức cô đặc bã và độ sạch của bã, các thiết bị lắng nhiều tầng đã ra đời, cấu tạo theo nguyên tắc các tầng chồng lên nhau.
Hệ thống cào bã được truyền động chung từ một trục thẳng đứng ở tâm. Huyền phù được cặp từ phía trên (tầng trên cùng). Bã lắng xuống sàn của mỗi tầng được cào dồn về phía tâm rơi vào hộp bã. Nếu bã được rửa thì sẽ được nước sạch (ở tầng dưới cùng) hoặc nước trong của tầng dưới hoà loãng, rồi tiếp tục quá trình lắng ở tầng dưới. Nước trong được lấy ra từ đỉnh của mỗi tầng.
Trong thực tế, do đặc điểm của loại huyền phù hoặc do cần kết hợp với quá trình khác, như quá trình đông tụ chẳng hạn, các thiết bị lắng còn nhiều loại khác nữa, mà hầu hết là các thiết bị làm việc bán liên tục. Mức độ tách, tức là độ trong của dòng trên và độ đặc của dòng dưới phụ thuộc không những vào cấu trúc thiết bị, mà quan trọng hơn là ở kỹ thuật vận hành, kể cả các biện pháp bổ trợ.
Nói chung lắng bằng trọng lực trong nhiều trường hợp không đạt được độ phân tách cao song tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp, nên tỏ ra rất đắc dụng khi năng suất lớn và khi huyền phù rất loãng.
5.3.Lọc.
5.3.1.Khái niệm:
Lọc là quá trình phân tách hệ dị thể chứa pha rắn bằng cách cho chất lỏng chảy qua vách xốp để giữ pha rắn lại. Quá trình này có ứng dụng rộng rãi trong đời sống, trong sản xuất và trong nghiên cứu. Đối với huyền phù có nồng độ đủ lớn, quá trình lọc tạo ra lớp bã trên bề mặt vách. Nó có thể cho sản phẩm (bã) có độ khô lớn hơn nhiều so với lắng, lại có thể đạt độ tinh lớn hơn nhờ quá trình rửa bã rất dễ dàng. Đối với các huyền phù có nồng độ rất thấp, như nước ngầm mới khai thác, các dịch (như bia, rượu vang…) chứa các hạt rất nhỏ, lọc qua các lớp vách xốp dày, sẽ được nước lọc với độ trong rất cao. Quá trình lọc này có đặc điểm là không tạo ra lớp bã riêng mà các hạt rắn bị giữ lại trong lòng lớp xốp, gọi là lọc không tạo bã hay lọc lớp sâu. Trong chương này chủ yếu đề cập cơ sở của quá trình lọc tạo bã.
Để thực hiện quá trình cần tạo ra động lực để khắc phục trở lực của bã và vách lọc đối với dòng chảy. Chênh lệch áp suất được tạo ra là do chính trọng lượng cột huyền phù. Để tạo ra áp suất lớn hơn bơm ly tâm rất hay được dùng. Nó còn thích hợp với sự tăng dần trở lực do lớp bã dâng thêm trong quá trình lọc. Hút chân không ở phía sau của vách lọc được dùng trong nhiều quá trình lọc, nhất là lọc liên tục. Nó không những có thể tạo ra động lực ổn định mà còn ít gây biến dạng khối bã, rất có lợi đối với nhiều huyền phù khó lọc. Động lực có thể được tạo ra nhờ lực ly tâm, thường rất lớn làm quá trình lọc có những đặc điểm sẽ được xét ở phần máy ly tâm.
Có thể đo năng suất của một thiết bị lọc qua lượng huyền phù được lọc GH hoặc lượng bã được tạo thành Gb trong một đơn vị thời gian (kg/s) nhưng phổ biến hay đo bằng thể tích nước lọc trong một đơn vị thời gian V (m3/s). Còn đại lượng .
V U
Fτ =
đặc trưng cho cường độ lọc trung bình của máy lọc. Trong quá trình lọc liên tục U cũng chính là tốc độ lọc mà độ lớn phụ thuộc vào chênh lệch áp suất, tính chất và chiều dày của bã, của vách lọc, độ nhớt của nước lọc. Trong quá trình lọc gián đoạn, U còn phụ thuộc thời gian của giai đoạn lọc, và hơn nữa thời gian thực hiện các giai đoạn khác (rửa, sấy bã, tháo, lắp thiết bị, xả bã, rửa máy) của chu trình.
Tính chất của bã lọc là nhân tố quan trọng hang đầu ảnh hưởng lên năng suất lọc và việc chọn thiết bị. Trở lực của bã phụ thuộc vào nhiều nhân tố thuộc cấu trúc lớp bã như kích thưứoc hạt rắn, dạng hạt, độ xốp, dĩ nhiên cả chiều dày lớp. Dưới tác dụng của áp suất (lọc) lớp bã có thể biến dạng, làm thay đổi trở lực, bã được gọi là chịu nén. Khi trở lực lớp bã không phụ thuộc vào thay đổi áp suất, được gọi là không chịu nén. Các vật liệu tinh thể, các lớp hạt rắn vô cơ mà kích thước không nhỏ quá thuộc loại thứ hai. 5.3.2. Vách lọc:
Một nhân tố đảm bảo chất lượng của việc tách, giảm tiêu hao (năng lượng, vật liệu lọc, công) là chọn vách lọc cho phù hợp. Vách lọc cần trước hết đảm bảo đủ độ tách, bền cơ học và không bị dịch lọc ăn mòn, lại cần trở lực không lớn. Các vách lọc được dệt (từ sợi bong, sợi hoá học, kể cả các lưới kim loại) thường được dùng vì dễ ghép chặt vào thiết bị, dễ tháo bã và giặt rửa, dễ liên tục hoá và tự động hoá. Các lớp hạt hoặc tấm xốp thường dùng vì dễ ghép chặt vào thiết bị, dễ liên tục hoá và tự động hoá. Các lớp hạt hoặc tấm xốp thường dùng trong thiết bị làm việc gián đoạn.
Nhìn chung các vách lọc chỉ thực sự làm việc tốt (cho nước lọc trong) khi đã có một lớp rất mỏng trên bề mặt. Đó là do các hạt bã bịt một phần tiết diện của các mao quản lớn. Tuy nhiên trong quá trình lọc, các hạt nhỏ bị giữ lại (trên miệng các pore và trong long chúng) ngày càng nhiều, làm tăng đáng kể trở lực. Do vậy việc giặt rửa và thay định kỳ vách lọc rất có ý nghĩa. Tuy nhiên thực nghiệm chứng tỏ rằng vách lọc được chọn phù hợp sẽ có thời gian làm việc tương đối ổn định khá dài, trong thời gian đó trở lực của vách biến đổi rất ít.
5.3.3. Quá trình lọc gián đoạn: a) Giai đoạn lọc:
Nhiều thiết bị thực hiện quá trình lọc gián đoạn. Một chu trình lọc thường gồm 3 giai