5. Nội dung luận văn
4.9.3 Tính tốn bồn lọc cát áp lực
Diện tích và chiều cao bể lọc áp lực
Chọn số lượng bồn lọc là: 3 bồn
Nên lưu lượng nước vào mỗi bể là Q = 1000 m3/ngày.đêm = 41,67 m3 /h Diện tích bề mặt lọc:
Trong đĩ:
- Q : lưu lượng nước vào bồn lọc. Q = 41,67 m3 /h.
- v : vận tốc lọc. Chọn vận tốc lọc: v = 15 m/h (quy phạm v = 4 ÷ 20 m/h)
Trang 74 Đường kính bồn lọc Chọn đường kính bồn lọc: D = 2 m Diện tích bề mặt bể lọc áp lực: Vận tốc lọc nước của bể lọc
v = 13,3 m/h thỏa điều kiện. Chiều cao bể lọc:
H = hd + hvl + he Trong đĩ:
- hd : Chiều cao lớp đỡ, lấy theo bảng 4.10. Chọn sỏi đỡ đường kính d = 2 ÷ 5 mm hd = 0,15 m.
- hvl : chiều dày lớp vật liệu lọc, lấy theo bảng 4.4
Độ nở tương đối của lớp vật liệu lọc e = 0,3 = 30% (theo bảng 4.11) Chọn đường kính lớp hiệu dụng lớp vật liệu lọc là d = 0,8 mm.
hvl = 1,3 m.
- he : khoảng cách từ lớp vật liệu lọc đến phểu thu nước rửa lọc
Theo điều 6.119/51 TCXD 33-2006, khoảng cách từ lớp vật liệu lọc đến phễu thu nước lọc: H = 0,15 + 1,3 + 0,69 = 2,14 (m) Chọn chiều cao bể là: H = 2,2 m.
Trang 75
Bảng 4.10 Cỡ hạt và chiều dày của lớp đỡ
Cỡ hạt của lớp đỡ (mm) Chiều dày của lớp đỡ (mm)
40 - 20 Mặt trên của lớp này cao bằng mặt trên của ống phân phối nhưng phải cao hơn lỗ phân phối ít nhất 100mm
20 - 10 100 - 150 10 - 5 100 - 150 5 - 2 50 - 100 (Nguồn: Bảng 6.12 TCXDVN 33 : 2006) Bảng 4.11 Đặc trƣng của lớp vật liệu lọc. Kiểu bể lọc Đặc trƣng của lớp vật liệu lọc Tốc độ lọc ở chế độ làm việc bình thƣờng Vtb (m/h) Tốc độ lọc làm việc ở chế độ tăng cƣờng Vtc (m/h) Đƣờng kính nhỏ nhất (mm) Đƣờng kính lớn nhất (mm) Đƣờng kính hiệu dụng d10 (mm) Hệ số khơng đồng nhất K Chiều dày của lớp vật liệu lọc (mm) Bể lọc nhanh một lớp; vật liệu lọc là cát thạch anh 0,5 1,25 0,6 -6,65 1,5-1,7 700-800 5-6 6-7,5 0,7 1,6 0,75-0,8 1,3-1,5 1300-1500 6-8 7-9,5 0,8 2 0,9-1,0 1,2-1,4 1800-2000 8-10 10-12 Bể lọc nhanh cĩ 2 lớp vật liệu lọc 0,5 1,2 0,6-0,65 1,5-1,7 Cát thạch anh 700-800 7-10 8,5-12 0,8 1,8 0,9-1,1 1,5-1,7 Than antraxit 400-500 (Nguồn: Bảng 6.11 TCXDVN 33 : 2006)
Trang 76
Bảng 4.12 Độ nở tƣơng đối của vật liệu lọc.
Loại vật liệu lọc và bể lọc
Độ nở tƣơng đối của vật liệu
lọc (%) Cƣờng độ rửa bể lọc (l/s-m2) Thời gian rửa bể lọc (phút) Bể lọc nhanh 1 lớp vật liệu lọc: d=0,5÷1,25(deff=0,6÷0,65) d=0,7÷1,6(deff=0,75÷0,8) d=0,8÷2,0(deff=0,9÷1,1) Bể lọc nhanh 2 lớp vật liệu lọc 45 30 25 50 12÷14 14÷16 16÷18 14÷16 6÷5 7÷6 (Nguồn: Bảng 6.13 TCXDVN 33 : 2006) Tính tốn chu kỳ lọc
Khi lọc nước qua lớp vật liệu lọc, nước chảy qua các khe rỗng, cặn bám vào bề mặt hạt, dần dần thu hẹp kích thước của các khe rỗng làm cho vận tốc nước qua các khe rỗng tăng lên, kéo theo các hạt cặn đã bám dính từ trước đi xuống lớp hạt nằm dưới, cứ như thế đến cuối chu kỳ lọc cặn cĩ thể bị kéo ra ngồi làm xấu chất lượng nước lọc. Do đĩ, sau một thời gian vận hành bể lọc, phải tiến hành rửa bể lọc
Phương pháp rửa lọc: rửa ngược bằng nước thuần túy Thời gian rửa: t = 5 ÷ 6 phút
Tính tốn sơ bộ thời gian của chu kỳ lọc theo khả năng chứa cặn của lớp vật liệu lọc
Vận tốc lọc của bể lọc v = 13,3 m/h.
Theo bảng 4.13, thể tích cặn chiếm chỗ trong các lỗ trống là 1/6 ÷ 1/5. Chọn 1/5.
Bảng 4.13 Thể tích cặn chiếm chỗ trong các lỗ trống.
Vận tốc lọc(m/giờ) Thể tích cặn chiếm chỗ trong lỗ rỗng
< 5 5.5÷ 7,5 ≥ 8 1/3 1/4 1/6÷1/5
(Nguồn: Tính tốn thiết kế các cơng trình trong hệ thống cấp nước sạch - Trịnh Xuân Lai) Vật liệu lọc là cát thạch anh (gĩc cạnh) cĩ đường kính d = 0,8 mm nên dựa vào bảng 4.14 ta cĩ độ rỗng e = 0,53.
Trang 77 Bảng 4.14 Đặc tính của lớp vật liệu lọc. Vật liệu lọc Hình dạng Hệ số hình học () Tỉ trọng tƣơng đối Độ rỗng (e),% Đƣờng kính,mm Cát thạch anh Trịn Gĩc cạnh 0,82 0,73 2,65 2,65 42 53 0,4÷1,0 0,4÷1,0 Cát Ottawa Cầu 0,95 2,65 40 0,4÷1,0 Anthracite nghiền Gĩc cạnh 0,126 1,5÷ 1,75 55 0,4÷1,4
(Nguồn: SECTION IV/ Physical _ Chemical Treatment Processes) Dựa vào bảng 4.15 ta cĩ độ ẩm của cặn là 94% ⇒Trọng lượng cặn là 6%
Bảng 4.15 Độ ẩm cặn cĩ trong nƣớc
Loại cặn Độ ẩm (%)
Cặn nước hồ chứa nhiều chất hữu cơ nhẹ Cặn nước sơng độ đục cao
Cặn sắt,vơi làm mềm nước
98 96 94
(Nguồn: Tính tốn thiết kế các cơng trình trong hệ thống cấp nước sạch - Trịnh Xuân Lai) Thể tích chứa cặn của lớp cát lọc:
Lượng cặn mà 1m3
cát lọc cĩ thể giữ lại (trọng lượng cặn chiếm 6%)
Lưu lượng nước qua bể lọc: Q = 41,67 m3 /h Lượng cặn mà lớp cát lọc giữ lại được trong 1h:
Trong đĩ:
- Q : lưu lượng nước chảy qua bể lọc. Q = 41,67 m3 /h.
- C : hàm lượng cặn của nước trước khi vào bồn lọc. C = 5 mg/l = 5 g/m3 . m = 5 x 41,67 = 208,35 g/h = 208,35 kg/h.
Trang 78 Chu kỳ lọc của bồn lọc
Vậy chu kỳ lọc của bồn là 4 ngày. Nếu quá thời gian trên thì nước sau lọc khơng đạt chất lượng. Thực tế chu kỳ lọc do chịu nhiều yếu tố khác nhau nên phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của người vận hành nên cĩ thế thời gian lọc cĩ thể khác so với tính tốn.
Cƣờng độ rửa ngƣợc:
Chọn cường độ rửa ngược vrửa ngược =8 l/s.m = 28,8 m/h. Lưu lượng nước rửa lọc:
Hệ thống phân phối và thu nƣớc
Nước được dẫn vào bể bằng ống dẫn nước rồi được phân phối đều trên bề mặt bể lọc bằng phễu. Nước sau lọc được thu bằng hệ thống sàn chụp lọc rồi được dẫn ra khỏi bể bằng ống dẫn nước.
Nước rửa lọc được dẫn vào bể bằng ống dẫn nước rồi được phân phối đều vào bể qua hệ thống sàn chụp lọc sau đĩ tràn vào phễu thu nước và được dẫn ra ngồi bằng ống dẫn nước.
Ống dẫn nƣớc
Đường kính ống dẫn nước vào bồn lọc:
Trong đĩ:
- Q : lưu lượng nước vào bồn lọc. Q = 41,67 m3 /h.
- v : vận tốc nước chảy trong ống (quy phạm 0,8 ÷ 1,2 m/s). Chọn v = 1 m/s.
Trang 79 Kiểm tra lại vận tốc
Ống dẫn nƣớc sau khi lọc
Chọn vận tốc nữa chảy trong ống: v = 1 m/s. (theo quy phạm 1 ÷ 1,5 m/s) Tương tự ta chọn ống dẫn nước khi lọc là ống uPVC cĩ D = 125 mm
Ống dẫn nƣớc rửa lọc
Đường kính ống:
Trong đĩ:
- Q : lưu lượng nước rửa lọc. Q = 90,4 m3 /h.
- v : vận tốc nước chảy trong ống (quy phạm 1,5 ÷ 2 m/s). Chọn v = 2 m/s.
Ta chọn đường kính ống dẫn nước rửa lọc là ống uPVC cĩ D = 125 mm. Kiểm tra lại vận tốc
Hệ thống phân phối nƣớc
Sử dụng phễu phân phối nước và thu nước rửa lọc. Vật liệu: thép khơng gỉ.
Hình dạng: hình nĩn cụt.
Đầu nĩn gắn manchon nhật cĩ ren để gắn ống dẫn nước vào. Chọn phễu cĩ kích thước:
Đường kính đáy nhỏ = đường kính ống dẫn nước vào lọc D = 125 mm. Đường kính đáy lớn: 270 mm.
Trang 80
Hệ thống sàn chụp lọc
Thu nước lọc bằng chụp lọc.
Số chụp lọc trong bồn: Theo 6.112 TCXDVN 33:2006, số chụp lọc lấy khơng dưới 35 ÷ 50 cái cho 1m2 diện tích cơng tác của bể lọc. Chọn số chụp lọc trên 1m2 bể là 40 cái. Khoảng cách giữa các chụp lọc nằm trong khoảng từ 140 ÷ 180 mm.
Số chụp lọc trong bồn: Trong đĩ: - F : diện tích bề mặt bồn lọc. F = 3,14 m2 . Ta chọn N = 126 cái. Sàn gắn chụp lọc: Vật liệu: thép khơng gỉ dạng tấm. Đường kính: 2 m. Trên sàn cĩ đục 126 lỗ để gắn chụp lọc Lưu lượng nước rửa lọc qua mỗi chụp lọc:
Trong đĩ:
- Qr : lưu lượng nước rửa lọc Qr = 90,4 m3/h.
- N : số chụp lọc
Hệ thống rửa ngƣợc
Lưu lượng nước rửa ngược: Qr = 90,4 m3/h = 0,025 m3/s.
Cường độ rửa bề mặt: Qs = 0,061 x F = 0,061 x 3,14 = 0,19 m3/phút = 11,5 m3/h
Lƣợng nƣớc dùng cho rửa lọc:
Chọn thời gian rửa lọc là 6 phút, lượng nước rửa lọc được tính như sau:
Ban đầu, rửa bề mặt với lưu lượng Qs = 0,19 m3/phút trong thời gian 2 phút, thể tích nước rửa bề mặt: Vs = 0,19 x 2 = 0,38 m3.
Trang 81 Quá trình rửa ngược bắt đầu ở phút thứ 3 và kéo dài đến hết phút thứ 6, thể tích nước rửa: Vr = 1,5 x 4 = 6 m3.
Vậy lượng nước cho 1 lần rửa 1 bồn lọc là: V = Vs + Vr = 0,216 + 3,36 = 3,576 m3
Tính cơ khí
Bồn lọc làm việc ở áp suất trong Plv = 50 mH2O.
Chọn vật liệu làm bồn lọc là thép CT3. Các thơng số của thép:
- Ứng suất cho phép: = 146 N/mm2.
- Tốc độ gỉ: 0,1 mm/năm.
- Hệ số hiệu chỉnh: = 1.
- Hệ số bền mối hàn: h = 0,95.
Xác định chiều dày thân bồn lọc Áp suất tính tốn trong bồn lọc:
Trong đĩ:
- Plv : áp suất làm việc (N/mm2). Plv = 50 mH2O = 0,5 N/mm2.
- Pl : áp suất thủy tĩnh (N/mm2).
- h: chiều cao của bồn lọc. h = 2,2 m.
- : khối lượng riêng của nước. = 103kg/m3.
Xét : h P Trong đĩ:
- : ứng suất cho phép của thép CT3 (N/mm2
). = 146 N/mm2. - P: áp suất tính tốn (N/mm2 ). P = 0,52 N/mm2. - h: hệ số bền mối hàn. h = 0,95.
Trang 82
Do đĩ chiều dày thân thiết bị đƣợc xác định theo cơng thức sau:
Trong đĩ:
- Dt : đường kính trong của bồn lọc (mm). Dt = 2000 mm.
- : ứng suất cho phép của thép CT3 (N/mm2
). = 146 N/mm2.
- h : hệ số bền mối hàn. h = 0,95.
Chiều dày thực thân thiết bị:
Trong đĩ:
- C : hệ số bổ sung bề dày thiết bị. .
- Ca : hệ số chịu sự ăn mịn của mơi trường. Ca = 1 mm.
- Cb : hệ số kể đến bào mịn cơ học. Cb = 0.
- Cc : hệ số sai số do cấu tạo lắp đặt. Cc = 0.
- Co : hệ số làm trịn số. Co = 2,5 mm.
Chọn S1 = 8 mm.
Kiểm tra điều kiện bền:
Kiểm tra điều kiện áp suất:
Trong đĩ:
- : ứng suất cho phép của thép CT3 (N/mm2
). = 146 N/mm2.
- h : hệ số bền mối hàn. h = 0,95.
- S1: chiều dày thực thân thiết bị. S1 = 8 mm.
Trang 83
- Dt : đường kính trong của bồn lọc (mm). Dt = 1500 mm.
Vậy thân bồn lọc cĩ bề dày S1 = 8 mm thỏa mãn điều kiện bền và áp suất làm việc.
Xác định chiều dày đáy và nắp thân bồn lọc
Chọn đáy và nắp cho bồn lọc là đáy và nắp elip tiêu chuẩn được hàn liền với thân, cĩ Rt = Dt = 2000 mm. Tính tốn áp suất: Xét : h P Trong đĩ:
- : ứng suất cho phép của thép CT3 (N/mm2
). = 146 N/mm2. - P: áp suất tính tốn (N/mm2 ). P = 0,52 N/mm2. - h: hệ số bền mối hàn. h = 0,95.
Do đĩ chiều dày tính tốn đáy và nắp thiết bị bồn lọc đƣợc tính theo cơng thức nhƣ sau:
Trong đĩ:
- Dt : đường kính trong của thiết bị (mm). Dt = 2 m.
- P: áp suất làm việc của bồn lọc. P = 0,52 N/mm2
- : ứng suất cho phép của thép CT3 (N/mm2
). = 146 N/mm2.
- h : hệ số bền mối hàn. h = 0,95.
- : tra bảng XIII.10 Sổ tay Quá Trình và Thiết Bị Cơng Nghệ Hĩa Chất tập 2, trang 382. ht = 500 mm = 0,5 m.
- k: hệ số khơng thứ nguyên. Do đáy và nắp cĩ lỗ nhưng được tăng cứng nên k = 1.
Trang 84
Chiều dày đáy và nắp thiết bị
Trong đĩ:
- C : hệ số bổ sung bề dày thiết bị. .
- Ca : hệ số chịu sự ăn mịn của mơi trường. Ca = 1 mm.
- Cb : hệ số kể đến bào mịn cơ học. Cb = 0.
- Cc : hệ số sai số do cấu tạo lắp đặt. Cc = 0.
- Co : hệ số làm trịn số. Co = 2,5 mm.
Chọn S2 = 8 mm. Kiểm tra điều kiện bền:
Kiểm tra điều kiện áp suất:
Trong đĩ:
- : ứng suất cho phép của thép CT3 (N/mm2
). = 146 N/mm2.
- h : hệ số bền mối hàn. h = 0,95.
- S2: chiều dày thực thân thiết bị. S2 = 10 mm.
- Ca : hệ số chịu sự ăn mịn của mơi trường. Ca = 1 mm.
- Dt : đường kính trong của bồn lọc (mm). Dt = 2000 mm.
Vậy đáy và nắp bồn lọc cĩ bề dày S2 = 8 mm thỏa mãn điều kiện bền và áp suất làm việc.
Trang 85
Tính chân đỡ
Để chọn chân đỡ thích hợp, trước tiên ta phải tính tải trọng của tồn bồn lọc. Chọn vật liệu làm chân đỡ là thép CT3 ( = 7,85 x 103 kg/m3).
Khối lƣợng thân:
Trong đĩ:
- Dn: đường kính ngồi của bồn lọc. Dn = 2000 + (10 x 2) = 2020 mm. - Dt: đường kính trong của bồn lọc. Dt = 2 m.
- H: chiều cao của bồn lọc. H = 2,2 m. - : khối lượng riêng của thép CT3.
Khối lƣợng đáy và nắp:
Tra bảng XIII.11 trang 373 Sổ tay quá trình và thiết bị (Tập 2). - Mđ = 364 kg.
- Mn = 364 kg.
Khối lƣợng lớp nƣớc trong bồn lọc:
Trong đĩ:
- Dt: đường kính trong của bồn lọc. Dt = 2 m. - n: khối lượng riêng của nước. n = 103 kg/m3. - hn: chiều cao lớp nước trong bồn lọc. hn = 1,95 m.
Khối lƣợng lớp cát lọc:
Trong đĩ:
Trang 86
- c: khối lượng riêng của cát. cát = 2650 kg/m3.
- hc : chiều cao lớp cát. hc = 1,3 m.
Khối lƣợng lớp sỏi đỡ:
Trong đĩ:
- Dt: đường kính trong của bồn lọc, Dt = 2 m.
- s: khối lượng riêng của sỏi, sỏi = 2650kg/m3.
- hs: chiều cao lớp sỏi, hsỏi = 0,15 m.
Tổng khối lƣợng của bồn lọc: sỏi than cát nước n đ T M M M M M M M M Trong đĩ:
- MT: khối lượng thân bồn lọc. MT = 1090 kg.
- Mđ: khối lượng đáy bồn lọc. Mđ = 364 kg.
- Mn : khối lượng nắp bồn lọc. Mn = 364 kg.
- Mnước: khối lượng lớp nước trong bồn lọc. Mnước = 6123 kg.
- Mcát: khối lượng lớp cát lọc. Mcát = 10822,78 kg.
- Msỏi : khối lượng lớp sỏi đỡ. Msỏi = 1248,15 kg.
Trọng lƣợng của tồn bồn lọc:
Trong đĩ:
- M: tổng khối lượng của bồn lọc. M = 20012 kg.
- g: gia tốc trọng trường. g = 9,81m/s2 .
Trang 87
Xác định chân đỡ
Chọn bồn lọc cĩ 4 chân đỡ.
Như vậy tải trọng lên 1 chân đỡ sẽ là:
Theo bảng XIII.35 trang 437 Sổ tay quá trình thiết bị và hĩa chất (Tập 2) ta chọn chân đỡ ứng với tải trọng 6 x 104
N.
Bảng 4.16 Các thơng số về chân đỡ