b) Nhược điểm của đồ án (thuyết minh, bản vẽ,…):
4.1.6. Tính chân đở
Để chọn chân đở thích hợp, trước tiên ta cần phải tính tải trọng của toàn bồn lọc. chọn vật liệu làm chân đở là thép CT3 (p=7.85 x 103 kg/m3)
Khối lượng thân:
Mt =π 4× (Dn 2− Dt2) × H × ρ =3.14 4 × (1.512 2− 1.52) × 2.5 × 7.85 × 103 = 556.82kg Trong đó: Dn: Đường kính ngoài bồn lọc = 1512mm Dt: đường kính trong bồn lọc = 1500mm
ρ: khối lượng riêng của thép = 7.85 x 103 kg/m3
Khối lượng đáy-nắp:
Ta có: Mđ-n = 123kg ( theo Bảng XIII.11) [8]
Khối lượng lớp nước trong bồn lọc
Mnước = V nướcx ρnước = 1.77 × 2.5 × 997 = 4411.73 (Kg)
Trong đó
ρnước: là khối lượng riêng của nước = 997 kg/m3
Khối lượng lớp cát lọc:
Mcát= Vcát× ρcát = Ftt× hcát× ρcát = 1.77 × 0.8 × 2600 = 3681.6 (kg)
Trong đó:
Dt: đường kính trong của bồn lọc. Dt=1.5m hcát: chiều cao lớp cát, hcát=0.8m
Khối lượng lớp than anthractice:
Mthan = Vthan× ρthan = Ftt× hthan× ρthan = 1.77 × 0.4 × 1500
= 1062 (kg)
Trong đó:
hthan: chiều cao lớp than, hthan=0.4m
ρthan= khối lượng riêng của than, ρthan=1500kg/m3 [9]
Khối lượng lớp sỏi đở:
Msỏi = Vsỏi× ρsỏi = Ftt× hsỏi× ρsỏi= 1.77 × 0.1 × 2600 = 460.2(kg)
Trong đó:
hsỏi: chiều cao lớp sỏi, hsỏi=0.1m
ρsỏi= khối lượng riêng của sỏi, ρthan=2600kg/m3 [9]
Tổng khối lượng bồn lọc:
𝑀 = 𝑀𝑡 + 𝑀đ−𝑛+ 𝑀𝑛ướ𝑐 + 𝑀𝑐á𝑡 + 𝑀𝑡ℎ𝑎𝑛 + 𝑀𝑠ỏ𝑖
= 556.82 + 2 × 123 + 4411.73 + 3681.6 + 1062 + 460.2 = 10418.35 (𝑘𝑔)
- Trọng lượng của toàn bồn lọc:
Xác định chân đở :
- Chọn bồn lọc có 4 chân đỡ
- Tải trọng lên 1 chân đở:
P
4=
102204
4 = 25055N = 2.5 × 10
4N
Chọn chân đở với tải trọng 2.5 x 104 N
L B B1 B2 H h s l d
250 180 215 290 350 185 16 90 27
Bảng 4.1. 9: Bảng thiết kế chân đở bồn lọc áp lực ( nguồn bảng XIII.35) [8]
Cửa thăm
Bố trí mỗi bồn lọc 2 cửa thăm như sau:
- Cửa thăm đặt tại thân bồn lọc
• Đường kính 400mm
• Tâm cửa thăm đặt cách đáy bồn lọc 1500mm
• Đường kính vành ngoài 560mm - Cửa thăm đặt tại đỉnh bồn
4.2. Cột lọc than hoạt tính
Lưu lượng nước vào: Q= 50m3/h
- Vật liệu: Thép không ghỉ, than hoạt tính dạng hạt (GAC)
- Khối lượng riêng than GAC, ρGAC = 450 kg/m3
- Nước thủy cục cho qua lớp GAC ( lớp tiếp xúc) cố định trong cột hấp phụ. Dòng chảy nước qua lớp GAC trong cột có thể được nén bằng trọng lực hướng từ trên xuống trong cột đơn.
Thông số Kí hiệu Đơn vị Giá trị Lưu lượng lọc V m3/h 50 - 400 Thể tích than Vb m3 10 - 50 Diện tích mặt cắt ngang Ab m2 5 - 30
Đường kính D m 1.8 - 4
Độ rỗng m3/m3 0.38 - 0.42
Khối lượng riêng của than kg/m3 350 - 550
Tốc độ lọc Vf m/h 5 - 15
Thời gian tiếp xúc hiệu quả t phút 2 - 10 Thời gian tiếp xúc qua lớp vật liệu lọc EBCT phút 5 - 30
Thời gian vận hành t ngày 100 - 600 Lượng nước xử lí được Vsp m3/kg 50 - 200
Thông số Đơn vị Giá trị Tổng diện tích bề mặt m2/g 700 - 1300 Khối lượng đổ đống kg/m3 400 - 440 Khối lượng riêng ẩm( trong nước) kg/m3 1300 - 1500 Đường kính hiệu quả mm 0.8 - 0.9 Hệ số không đồng nhất ≤1.9 Đường kính hạt có nghĩa mm 1.5 - 1.7 Số Iodine ≥850 Chỉ số ma sát ≥70 Độ tro % ≤8 Độ ẩm % ≤4 - 6
Độ giãn nở của than % 50
Bảng 4.2. 2: Đặc tính của GAC (Nguồn: Trang 239 ) [7]
Chọn vận tốc lọc chế độ làm việc bình thường là 12.5m/h
Lưu lượng nước đầu vào Q = 50m3/h
Chọn thời gian tiếp xúc (EBTC) t= 6 phút = 0.1h
4.2.1. Tính toán kích thước cột lọc: - Thể tích GAC trong cột: - Thể tích GAC trong cột:
Trong đó:
Q1: Lưu lượng nước đầu vào bồn lọc (m3) V : Vận tốc làm việc bình thường là 12.5m/h
- Đường kính cột lọc: chọn 2 bồn than hoạt tính
D = √4 × 4 2 π = 1.6 (m) Ta chọn đường kính cột lọc là 1.6 m - Chiều cao cột lọc: H = hđ + hGAC + hn + hbv = 0.125 + 1.25 + 0.5 + 0.925 = 2.8m Trong đó:
H : chiều cao tổng cộng bể lọc than, m
hđ : chiều cao lớp sỏi đỡ (0.125 m )
hGAC : chiều cao lớp than, m
hGAC = vb
F =
2.5
2 = 1.25 (m)
hbv: Chiều cao bảo vệ. 0.5m
hn: : khoảng cách từ bề mặt lớp than đến phễu thu nước rửa, m
hn = hvll × e + 0.3 = 1.25 × 0.5 + 0.3 = 0.925 (m)
e là độ giãn nở của GAC = 50% = 0.5 (điều 6.119) [6]
4.2.2. Chu kì lọc
T = mGAC
Q × CUR
Trong đó:
mGAC : khối lượng than trong cột lọc, kg (chọn ρt = 450 kg/m3)
mGAC = Vb × ρt = 2.5 × 450 = 1125 kg
CUR: lượng than hoạt tính cần để xử lý 1m3 nước, kg/m3:
CUR = 1 Vsp = 1 125 = 0.008 Trong đó: Vsp nằm trong khoảng 50 – 200 m3/kg (Chọn Vsp =125m3 /kg) [10] T = 1125 25 × 0.008= 5625 h = 351 ngày ≈ 1 năm
Vậy sau khi sử dụng 1 năm, ta nên hoàn nguyên than hoặc thay mới để đảm bảo cột lọc than còn hoạt động tốt trong hệ thống xử lý.
4.2.3. Tính cơ khí cột lọc than hoạt tính.
- Áp suất tính toán trong bồn lọc Ptt = Pvl+ Pl = 0.6 × 106+ 0.027 × 106 = 0.87 × 106 N m2 Trong đó: Plv: áp suất làm việc, Pvl = 0.6 × 106N/m2 Pl: Áp suất thủy tỉnh, N/m2 Pl = p x g x h = 997 × 9.81 × 2.8 = 0.027 × 106N/𝑚2 Trong đó:
p là khối lượng riêng của nước, p= 997kg/m3
h là chiều cao của bồn lọc, h = 2.5m
g là gia tốc trọng trường, g = 9.81m/s2
- Ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền:
[σ] = σk nk× ɳ = 380 × 106 2.6 = 146 × 10 6N/m3 [σ] = σc nc× ɳ = 240 × 106 1.5 = 240 × 10 6N/m3 Trong đó: ɳ là hệ số điều chỉnh. ɳ=1 (bảng XIII.2) [8]
nk : hệ số an toàn theo giới hạn kéo ( bảng XIII.3 ) [8]
Chọn giá trị bé hơn trong 2 kết quả vừa tính để tính tiếp. Chọn [σ] = 146N/m3 Xét: [σ] P × φh = 146 × 106 0.87 × 106× 0.95 = 159.43 > 25 Trong đó:
[σ] : là ứng xuất cho phép của théo CT3, [σ]=146N/m3
P : áp suất tính toán, P = 0.87 × 106 N/m2
φh: hệ số mối hàn, φh= 0.95(Bảng XIII.8 ) [8]
- Chiều dày thân thiết bị được xác định theo công thức:
St = Dt× P
2 × [σ] × φh=
1600 × 0.87 × 106
2 × 146 × 106× 0.95= 5mm
Trong đó:
[σ] : là ứng xuất cho phép của théo CT3, [σ]=146N/m3
φh: hệ số mối hàn, φh= 0.95(Bảng XIII.8) [8]
- Chiều dày thân thiết bị:
S = St+ C = 5 + 1.8 = 6.8 mm
Trong đó :
C: hệ số bổ sung chiều dày thiết bị.
C = 𝐶1+ 𝐶2+ 𝐶3 = 1 + 0 + 0.8 = 1.8 (mm)
Trong đó :
C1 : hệ số chịu sự ăn mòn của môi trường, C1 = 1mm
C2: Hệ số kể đến bào mòn cơ học, C2 = 0
C3: Hệ số dung sai theo chiều dày. C3= 0.8mm
Chọn thép dày 7 mm
- Kiểm tra điều kiện bền:
[P] =2 × [σ] × (St− C1) Dt + (St− C1) = 2 × 146 × 0.95 × (7 − 1) × 10−6 1.6 + (7 − 1) × 10−6 = 1.04 × 106 N m2 > Ptt= 0.87 × 106 N m2.
Vậy thân bồn lọc có bề dày S = 7mm thỏa mãn điều kiện bền và áp suất làm việc
4.2.4. Xác định chiều dày đáy và nắp thân bồn lọc (trang 385) [8]
- Chọn đáy và nắp bồn lọc là đáy và nắp hình elip theo tiêu chuẩn hàn liền thân, có Rt = Dt = 1.6m
Trong đó:
[σ] : là ứng xuất cho phép của théo CT3, [σ]=146N/m3
P : áp suất tính toán, P=0.87 × 106 N/m2
φh: hệ số mối hàn, φh= 0.95(Bảng XIII.8) [8]
- Chiều dày nắp và đáy thiết bị được xác định theo công thức:
S2 = Dt × P 3.8 × [σ] × k × φh× Dt 2 × ht = 1600 × 0.87 × 106 3.8 × 146 × 106× 1 × 0.95× 1600 2 × 40 = 5.2mm Trong đó:
[σ] : là ứng xuất cho phép của théo CT3, [σ]=146 × 106N/m3
φh: hệ số mối hàn, φh= 0.95(Bảng XIII.8 ) [8]
Dt: đường kính bồn lọc, Dt =1.6m= 1600mm
K: hệ số thứ nguyên. Do nắp thiết bị và đáy được tăng cứng nên K=1
- Chiều dày đáy và nắp thiết bị:
Sn−đ = S2+ C = 5.2 + 1.8 = 7 mm
Trong đó :
C3: Hệ số dung sai theo chiều dày. C3= 0.8mm
Chọn thép dày 6 mm - Kiểm tra điều kiện bền:
S − C1
Dt =
7 − 1
1600 = 3.75 × 10
−3 < 0.1
- Kiểm tra điều kiện áp suất:
[P] =2 × [σ] × (St − C0) Dt+ (St − C0) = 2 × 146 × 106× 0.95 × (7 − 1) × 10−3 1.6 + (7 − 1) × 10−3 = 1.04 × 106 N m2 > Ptt= 0.87 × 106 N m2.
Vậy đáy nắp và thân bồn lọc có bề dày S = 7mm thỏa mãn điều kiện bền và áp suất làm việc
4.2.5. Tính chân đở (trang 435) [8]
Để chọn chân đở thích hợp, trước tiên ta cần phải tính tải trọng của toàn bồn lọc. chọn vật liệu làm chân đở là thép CT3 (p=7.85 x 103 kg/m3)
Khối lượng thân:
Mt =π 4× (Dn 2− Dt2) × H × ρ =3.14 4 × (1.614 2− 1.62) × 2.8 × 7.85 × 103 = 776.77kg Trong đó: Dn: Đường kính ngoài bồn lọc = 1614mm Dt: đường kính trong bồn lọc = 1600mm
H: chiều cao bồn lọc = 2.8m
ρ: khối lượng riêng của thép = 7.85 x 103 kg/m3
Khối lượng đáy-nắp:
Ta có: Mđ-n = 137kg ( theo Bảng XIII.11) [8]
Khối lượng lớp nước trong bồn lọc
Mnước = V nướcx ρnước = 8.12 × 997 = 8095.64 (Kg)
Trong đó
ρnước: là khối lượng riêng của nước = 997 kg/m3
Khối lượng lớp than GAC:
Mthan = Vthan× ρthan= 5 × 450 = 2250 (kg)
Trong đó:
hthan: chiều cao lớp than, hthan= 2.8m
ρthan= khối lượng riêng của than, ρthan=450kg/m3[9]
Khối lượng lớp sỏi đở:
Msỏi = Vsỏi× ρsỏi = Ftt× hsỏi× ρsỏi = 4 × 0.125 × 2600 = 1300(kg)
𝑀 = 𝑀𝑡 + 𝑀đ−𝑛+ 𝑀𝑛ướ𝑐 + 𝑀𝑡ℎ𝑎𝑛 + 𝑀𝑠ỏ𝑖
= 776.77 + 2 × 137 + 8095.64 + 2250 + 1300 = 12698.4 (𝑘𝑔)
- Trọng lượng của toàn bồn lọc:
P = M x g = 12698.4 × 9.81 = 124571.3(N)
Xác định chân đở :
- Chọn bồn lọc có 5 chân đỡ
- Tải trọng lên 1 chân đở:
P
4 =
124571.3
5 = 24914.26N = 2.5 × 10
4N
Chọn chân đở với tải trọng 2.5 x 104 N
L B B1 B2 H h s l d
250 180 215 290 350 185 16 90 27
Bảng 4.2. 3: Thiết kế chân đở( nguồn bảng XIII.35 ) [8] 4.2.6. Cửa thăm
Bố trí mỗi bồn lọc 2 cửa thăm như sau:
- Cửa thăm đặt tại thân bồn lọc
• Đường kính 400mm
• Tâm cửa thăm đặt cách đáy bồn lọc 1500mm
• Đường kính vành ngoài 560mm - Cửa thăm đặt tại đỉnh bồn
• Đường kính 400mm
• Tâm cửa thăm cũng là tâm bồn
4.3. Cột trao đổi cation
4.3.1. Chọn nhựa trao đổi cation
Chọn loại nhựa trao đổi là nhựa Purolite C100 của hãng Purolite, Anh Quốc.
Ứng dụng: Nhựa trao đổi cation Purolite C100 dùng làm mềm nước công nghiệp, sử dụng như một loại chất khoáng công nghiệp khi phục hồi với axit.
Nhóm chức năng Axit sunfonic
Loại ion Na +
Tổng dung lượng trao đổi 2eq/l (43.7 kgr/ft3 )
Độ ẩm 45 – 53%
Cỡ hạt 300 - 1200 m Tỉ lệ hạt nhỏ hơn 300m 1%
Hình dạng, màu sắc Màu hổ phách, hình cầu có khoảng trống Khối lượng riêng 1.29 g/l
Hệ số đồng nhất 1.6 Khối lượng riêng vận chuyển (khối lượng đổ đống)
800 – 840 g/l (50 – 52.5 Ib/ft3 )
Độ trương nở, Na+ H + <10% Nhiệt độ giới hạn 120oC Khoảng pH làm việc 0 - 14
Dung dịch hoàn nguyên NaCl: 8-10% Lượng dung dịch hoàn nguyên 60 - 320g / l
Thời gian rửa ngược 5-20 phút Tốc độ rửa ngược 7-12 m/h
Thời gian rửa chậm Tối thiểu 30 phút Thời gian rửa nhanh Tối thiểu 30 phút
Bảng 4.3. 1: Các đặc tính kỹ thuật của nhựa Purolite C100
4.3.2. Tính toán lượng nhựa làm mềm nước
- Lưu lượng dòng nước vào: hoạt động 16 tiếng
Q1 = 800 m3 /ngày. đêm = 50 m3 /h.
- Độ cứng của nguồn nước thủy cục là 350 mg/l CaCO3. - Độ cứng thực tế 350 × 1.2 = 420 mg/l CaCO3
Độ cứng trao đổi là
C = 420
50 = 8.4 meq/l CaCO3 = 8.4 eq/m
3
- Thời gian làm việc của một chu kỳ: 8 giờ
- Dung lượng trao đổi của nhựa Purolite C100: 2eq/l = 2000 eq/m3
- Lượng nước đi qua 1 chu kỳ:
Vck = Q1 × T = 50m3/h × 8h = 400 (𝑚3 )
C0: Độ cứng của nước ban đầu chưa xử lý (eq/m3 ) C: Độ cứng sau khi xử lý trao đổi ion (eq/m3 )
E = (8.4 − 0) × 400 = 3360 (eq/chu kỳ)
- Thể tích nhựa cần thiết:
BVresin= Tổng dung lượng trao đổi
Dung lượng trao đổi của nhựa=
3360
2 = 1680(lít) ≈ 1.68(m
3 )
Ta chọn 67 túi ( 1 túi = 25 lít nhựa) 4.3.3. Kích thước cột trao đổi ion.
Chọn chiều cao cột nhựa trao đổi là H = 1m, đường kính cột trao đổi:
D = √4V π. H = √ 4 × 1.68 π × 1 = 1.46 m Chọn D = 1.5m = 1500mm. Trong đó:
V:là thể tích nhựa cần thế để trao đổi (m3)
H:Chiều cao cột nhựa trao đổi ion (m)
V =Q A = Q π × D2 4 = 50 π × 1.52 4 = 28.3 m/h
Vậy v = 28.3 m/h thõa vận tốc làm việc cho phép là 25m/h ( Vận tốc nước qua cột lọc cho phép từ 12 – 45m/h) [6]
- Diện tích cột lọc: A = Q V = 50 28.3 = 1.77 m 2
Để đảm bảo cho độ giãn nở của lớp vật liệu trong cột trao đồi khi rửa nhựa cần có chiều cao bảo vệ để đảm bảo chế độ làm việc an toàn.
- Độ giãn nở của lớp vật liệu là từ 50 – 75% → Chiều cao an toàn từ 50-75%, chọn 70%
Hat = 0.7 × H + 0.3 = 0.7 × 1.0 + 0.3 = 1 (m)
- Chọn chiều cao an toàn là 1m
- Tổng chiều cao cột lọc:
Hc = H + Hđ + Hat + Hs
Trong đó:
Hs: Chiều cao lớp sỏi đỡ, Hs = 0.2m
Hat: Chiều cao lớp nước trên lớp nhựa trao đổi, Hat = 0.3m
- Vậy tổng chiều cao cột lọc:
Hc = 1 + 1 + 0.3 + 0.2 = 2.5 (m)
Trong đó:
as : Dung lượng trao đổi của nhựa, as = 2.0 eq/l
V : Thể tích của nhựa, V= 1.68m3
Đ: Đương lượng của NaCl, Đ = 58.5 g/eq
- Khối lượng riêng của NaCl 20% lấy bằng 320g/l
- Thể tích dung dịch NaCl 20% : VNaCl 20% = mNaCl 20% ƍ = 196.6 320 = 0.62m 3
- Lưu lượng hoàn nguyên từ 2 – 7BV/h (đủ chậm để tạo thời gian tiếp xúc).
Chọn lưu lượng hoàn nguyên là 2BV= 2 × 1.68 = 3.36m3/h
- Thời gian hoàn nguyên:
T =0.62
3.36× 60 = 12phút
Chọn bồn pha dung dịch có thể tích 1m3
- Ống dẫn hoàn nguyên có đường kính: chọn vận tốc chảy trong ống là 0.5m/s
D = √4 × Q
Л × V= √
4 × 3.36
Л × 0.5 × 3600= 0.05m
4.3.5. Hệ thống thu nước và phân phối nước. Ống dẫn nước vào bồn lọc: Ống dẫn nước vào bồn lọc: D = √4 × Q Л × V = √ 4 × 50 Л × 1.2 × 3600 = 0.12m Trong đó
Q-Lưu lượng nước đầu vào, Q = 50m3/h
V-Vận tốc nước chảy trong ống, V = 0.8 – 1.2 m/s( Theo điều 6.120 ) [6]
Chọn V = 1.2m/s
- Chọn ống dẫn nước đầu vào là ống thép CT3 có D =125 mm
- Kiểm tra vận tốc nước chảy trong ống dẫn nước
V = 4 × Q
Л × D2 = 4 × 50