Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Tải bản đầy đủ - 0trang

Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng



Hình 1.1: Cấu tạo của thiết bị lắng kiểu răng cào



Ưu điểm của thiết bị lắng răng cào

- Có thiết bị gạt bùn nên đáy thiết bị có độ dốc (5 – 8%) nhỏ hơn so với thiết bị

lắng đứng.

- Chiều cao công tác nhỏ (1,5 – 3,5m) thích hợp xây dựng ở khu vực có mực

nước ngầm cao.

- Khi xả bùn vẫn làm việc bình thường, tháo bùn liên tục và dễ dàng.

- Tốn ít diện tích đất và có thể vừa làm vừa xả bùn.

- Năng suất cao hơn.

- Góc tạo thành chữ V giúp bùn bùn dễ thốt ra ngồi.

Nhược điểm của thiết bị lắng răng cào

- Đường kính lớn nên hiệu quả lắng bùn kém

- Nước trong chỉ có thể thu vào bằng hệ thống máng xung quanh thiết bị nên

thu nước khơng đều.

- Hệ thống gạt bùn có cấu tạo phức tạp và làm việc trong điều kiện ẩm ướt nên

nhanh bị hư hỏng.

- Cấu tạo phức tạp.

- Chi phí năng lượng cao.

- Vận hành đòi hỏi kinh nghiệm, chi phí cao.

LÊ HẢI KIÊN



8



Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng



- Thời gian bảo trì máy móc thiết bị phức tạp.

1.1.2. Các vùng làm việc trong thiết bị lắng kiểu răng cào

Theo Col và Clevenger [8], thiết bị lắng kiểu răng cào làm việc liên tục có thể

chia làm 4 vùng (Hình 1.2) và các hàm lượng pha rắn tương ứng với mỗi vùng

(Hình 1.3).

Trong hình:

L là hàm lượng pha rắn trong dòng nạp liệu



C là hàm lượng pha rắn tới hạn

D là hàm lượng pha rắn trong dòng tháo đáy



Hình 1.2: Sơ đồ 4 vùng làm việc trong thiết



Hình 1.3: Hàm lượng pha rắn theo vùng



bị lắng răng cào



làm việc



- Vùng I: Vùng nước trong. Vùng này ở trên cùng, dòng lỏng sạch phân tách từ

huyền phù và thu hồi tại cửa chảy tràn. Khi dòng nạp liệu chứa nhiều hạt rất nhỏ thì

vùng I đục nên ta cần phải thêm các chất trợ lắng. Chiều cao vùng I thường duy trì ở

độ cao từ 0,5 ÷ 1 (m).

- Vùng II: Vùng lắng bị cản trở. Vùng này có hàm lượng hạt rắn và vận tốc lắng

không đổi. Vùng này hàm lượng hạt rắn nằm giữa hàm lượng hạt rắn trong dòng

nạp liệu L và hàm lượng hạt rắn của quá trình lắng mà có sự cản trở lớn nhất C .

Trong quá trình làm việc, hàm lượng pha rắn của vùng II phụ thuộc vào tốc độ của

dòng nạp liệu hơn là hàm lượng pha rắn. Hàm lượng pha rắn của vùng II là nhỏ nếu

LÊ HẢI KIÊN



9



Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng



như tốc độ dòng nạp liệu là thấp và nó sẽ tăng lên cùng với sự tăng của tốc độ dòng

nạp liệu, đến khi đạt được giá trị lớn nhất mà hạt rắn lắng tại tốc độ lớn nhất trong

vùng này. Nếu tốc độ dòng nạp liệu lớn hơn giá trị lớn nhất này thì hàm lượng pha

rắn của vùng II tiếp tục được nâng lên và khi đó vùng II sẽ khơng thể lắng được

nhưng sẽ lắng trong vùng I. Như vậy, nếu như hàm lượng pha rắn đạt đến hàm

lượng pha rắn lớn nhất ở vùng II, thì khi đó năng suất lắng của vùng II sẽ lớn nhất.

- Vùng III: gọi là vùng chuyển tiếp từ quá trình lắng cản trở đến quá trình lắng

nén ép. Tuy nhiên vùng này rất khó xác định.

- Vùng IV: là vùng lắng nén ép. Vùng này chứa lớp bùn. Áp suất ở bên trên tạo

ra một vùng có sự thay đổi nồng độ. Hàm lượng pha rắn của sản phẩm đáy chính là

hàm lượng pha rắn tại đáy của vùng nén ép.

Chiều cao của mỗi vùng trong thiết bị lắng kiểu răng cào phụ thuộc vào đặc

trưng lắng của bùn.

Coe và Clevenger định nghĩa về năng suất chuyển q của mỗi vùng như là

lượng rắn đi qua trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian [8].

Vận tốc lắng phụ thuộc vào hàm lượng pha rắn trong huyền phù và do đó nó

cũng là năng suất chuyển.

Ở trạng thái làm việc ổn định và không có chất rắn đi trong dòng chảy tràn thì

dòng pha rắn đi qua các vùng là như nhau. Vì vậy, các vùng này với năng suất

chuyển nhỏ hơn sẽ cho năng suất lớn hơn.

Một thiết bị lắng kiểu răng cào làm việc quá tải nếu như các hạt rắn đi vào thiết

bị là quá tải. Theo Dixon, có 3 trường hợp làm cho thiết bị lắng kiểu răng cào quá

tải [10]:

1. Khi dòng nạp liệu chứa nhiều hạt rắn nhỏ và khơng thể lắng được.

2. Khi tốc độ dòng nạp liệu vượt quá năng suất lắng của vùng.

3. Khi tốc độ dòng nạp liệu lớn hơn tốc độ tháo bùn. Trong trường hợp này thì các

hạt rắn sẽ tích lũy trong thiết bị kiểu răng cào và bị đẩy lên vùng I.



LÊ HẢI KIÊN



10



Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng



1.1.3. Các biến điều khiển của quá trình lắng trong thiết bị lắng kiểu răng

cào

Hình 1.4 chỉ ra các kiểu mơ tả quá trình và các biến điều khiển của thiết bị lắng

kiểu răng cào.

Tham số điều khiển



Tham số



Tham số



đầu vào



đầu ra



Tham số điều khiển

Hình 1.4: Các tham số trong thiết bị lắng răng cào



Trong hình:

- Tham số đầu vào:

F là lưu lượng (theo khối lượng) của pha rắn trong dòng nạp liệu

F là hàm lượng pha rắn trong dòng nạp liệu



- Tham số điều khiển:

QD là lưu lượng thể tích nước thải trong dòng tháo đáy

q fe là lưu lượng theo khối lượng của chất trợ lắng



F3  x  là phân bố kích thước hạt trong dòng nạp liệu



h là độ cao của vùng lắng

zc là độ cao của vùng nén ép



- Tham số đầu ra:

QD là lưu lượng thể tích nước thải trong dòng tháo đáy



D là lưu lượng (theo khối lượng) của pha rắn trong dòng tháo đáy

LÊ HẢI KIÊN



11



Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng



D hàm lượng pha rắn trong dòng tháo đáy



c là độ cao của vùng nước trong (vùng I)



1.2. Các phƣơng pháp thiết kế thiết bị lắng răng cào

Có nhiều phương pháp khác nhau để tính tốn thiết kế thiết bị lắng răng cào.

Trong phần này, một vài phương pháp từ đơn giản đến phức tạp hơn sẽ được xem

xét.

1.2.1. Phƣơng pháp Mishler

Đây là phương pháp đơn giản dự đoán năng suất của một thiết bị khuấy răng

cào được phát triển bởi Misher (năm 1912) [14].

Xem xét thiết bị làm việc ở trạng thái ổn định (Hình 1.5).

Trong hình:

F, O, D lần lượt là lưu lượng (theo khối lượng) trong dòng nạp liệu,

dòng chảy tràn và dòng tháo đáy

DF là độ pha lỗng trong dòng nạp liệu và dòng tháo đáy



Hình 1.5: Cân bằng vật chất theo phương pháp của Mishler



Phương trình cân bằng vật chất của thiết bị lắng:

Cân bằng vật chất cho pha rắn:



FD



Cân bằng vật chất cho pha lỏng: F .DF  D.DD  O



LÊ HẢI KIÊN



(1.1)

(1.2)



12



Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng



“Định nghĩa: Độ pha loãng là tỷ số khối lượng của nước/khối lượng pha rắn

trong dòng”.

Lưu lượng theo thể tích của dòng chất lỏng tràn:

Q0 



F  DF  DD 



f



(1.3)



Trong đó:  f là khối lượng riêng của nước (kg/m3),  f  1000 (kg/m3)

Theo Mishler thì tốc độ của pha lỏng trên một đơn vị diện tích Q0 / S phải bằng

tốc độ hình thành lớp nước trong các thí nghiệm về lắng gián đoạn với cùng hàm

lượng pha rắn. Do đó, tốc độ này chính bằng tốc độ giảm của bề mặt phân chia

huyền phù trong thí nghiệm lắng gián đoạn.

Gọi  I  DF  là tốc độ dòng lắng của pha rắn, thì:

 I  DF  



Q0 F  DF  DD 



S

f



(1.4)



Và khi đó diện tích lắng yêu cầu là:

S



F  DF  DD ) 



 f  I  DF 



(1.5)



Trong đó:

S là diện tích lắng kiểu răng cào (m2)

F là khối lượng của pha rắn trong dòng nạp liệu (tấn)



DF , DD là độ pha lỗng trong dòng nạp liệu và trong dòng tháo đáy



 I  DF  là tốc độ bề mặt phân chia H2O / huyền phù trong thí nghiệm



gián đoạn tại độ pha loãng DF (ft/min)

1.2.2. Phƣơng pháp Coe và Clevenger

Phương pháp Mishler cho rằng độ pha loãng trong dòng cấp DF bằng với độ

pha lỗng trong thiết bị lắng. Tuy nhiên, điều này không đúng nên phương pháp

Mishler tính tốn thiết kế cho kết quả khơng chính xác.



LÊ HẢI KIÊN



13



Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa quá trình làm việc của thiết bị lắng



Phương pháp Coe và Clevenger giả sử vùng II của thiết bị có nồng độ pha loãng

là Dk  Dk  DF  có năng suất chuyển là nhỏ nhất [8]. Vì vậy, độ pha lỗng của vùng

này là khơng biết trước, nên phải giả thiết để tính tốn cân bằng vật chất với độ pha

lỗng Dk khác nhau (Hình 1.6).



Hình 1.6: Cân bằng vật chất theo phương pháp của Coe và Clevenger



Lưu lượng thể tích của nước được đo từ vùng có độ pha lỗng DK cho đến khi

huyền phù có độ pha loãng DD :

QF 



F  DF  DD 



f



(1.6)



Vận tốc của nước trong với huyền phù có độ pha loãng DK .

 I  Dk  



Qk

S



(1.7)



Năng suất chuyển của thiết bị với độ pha loãng DK của vùng II:

 f  I  Dk 

F



S F  DF  DD 



(1.7’)



Năng suất chuyển pha rắn nhỏ nhất:



 I  DK  



F

min    min 62,35



DK  DD 

 S  Dk 







(1.8)



với: F  lb / h  ;  f  lb / ft 3  ; S  ft 2  ;  I  ft / h  .



LÊ HẢI KIÊN



14



Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng



Phương pháp này cũng phải tiến hành thực nghiệm lắng gián đoạn để xác định

tốc độ lắng ban đầu của huyền phù với hàm lượng pha rắn trong khoảng dòng nạp

liệu DF và tốc độ lắng lớn nhất DD tại hàm lượng pha rắn tới hạn. Áp dụng cơng

thức (1.8) để tính được năng suất lắng pha rắn F / S .

Định nghĩa AU 0 là diện tích đơn vị cơ sở như là nghịch đảo năng suất của pha

rắn nhỏ nhất:



  D  DD  



AU 0  max  k



Dk

  f  I  Dk  







(1.9)



Với DC là độ pha loãng tới hạn.

Taggart, Dahlstrom và Fitch ( sử dụng  f  62, 4  lb / ft 3  ;  I  ft / h  thì AU 0

( ft 2 /tấn /ngày) [9] [19].



 Dk  DD  



AU 0  max 1.33



Dk

 f  I  Dk  







(1.10)



Gọi 0 là phần thể tích pha rắn, khi đó ta có:

D



 f 1   

 s



(1.11)



Với  S là khối lượng riêng của pha rắn.

Khi đó:



1



AU 0  max 

k



  S  I k 



 1 1 



    ; F  k  c 

 k D  





(1.12)



Trong đó:

 I k  là tốc độ lắng đầu của huyền phù có hàm lượng pha rắn k .



D là hàm lương pha rắn trong dòng tháo đáy



Cơng thức (1.12) cho ta được diện tích đơn vị của thiết bị lắng răng cào trên cơ

sở thực nghiệm.



LÊ HẢI KIÊN



15



Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa quá trình làm việc của thiết bị lắng



Nếu S  g / cm3  ;  I  cm / s  ; AU 0  m2 / TPD  ; TPD  tấn/24h thì:



1



AU 0  max 1,574 103

k

 S  I k 







 1 1 



    ; F  k  c 

 k D  





(1.13)



1.2.3. Phƣơng pháp thiết kế dựa vào lý thuyết lắng của Kynch

Phương pháp này được thiết lập bởi lý thuyết lắng của Kynch năm 1952, được

cho là phương pháp nhanh và chính xác hơn khi thiết kế thiết bị lắng kiểu răng cào

[13].

Giả thiết

- Kích thước hạt rắn là nhỏ so với thiết bị và có kích thước, hình dạng, khối

lượng riêng là như nhau;

- Hỗn hợp pha lỏng rắn khơng bị nén ép;

- Khơng có sự trao đổi chất giữa 2 pha;

- Vận tốc lắng tại bất kì điểm nào trong thiết bị chỉ là hàm số của hàm lượng

pha rắn tại điểm đó.

Phân tích đường cong lắng gián đoạn

Ta sử dụng lý thuyết lắng gián đoạn của Kynch và đường thẳng đặc trưng cho

hàm lượng pha rắn k (Hình 1.7).

Chiều cao lắng z



Thời gian lắng t

Hình 1.7: Phân tích đường cong lắng gián đoạn

LÊ HẢI KIÊN



16



Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng



Thực nghiệm xác định được đường cong lắng gián đoạn. Hàm lượng pha rắn

ban đầu 0 đã biết, biết được chiều cao lắng ban đầu L sẽ xác định được các thông

số cho tương ứng với bất kỳ một hàm lượng pha rắn k nào từ đồ thị.

Để xác định được k và  I k  một đường tiếp tuyến được vẽ tại một điểm

P  zk , tk  bất kỳ trên đường cong lắng gián đoạn, đường thẳng này cắt trục tung tại

Z , cắt trục hồnh tại T . Khi đó:



k  0



L

;

Z



(1.14)



 I k   vS k   



Z

T



(1.15)



Từ công thức (1.14), ta xác định được hàm lượng pha rắn trong dòng tháo đáy:

D  0



L

ZD



(1.16)



Thay thế phương trình (1.14), (1.15) và (1.16) vào phương trình (1.12) của Coe

và Clevenger, ta được:

AU 0 



1



 S0 L



max



T  Z  ZD 



k



Z



(1.17)



Trong đó:

 S là khối lượng riêng của pha rắn.

Z D là giao điểm đường tiếp tuyến tại điểm P  zD , tD  với trục hoành



LÊ HẢI KIÊN



17



Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng



Chiều cao lắng z



Thời gian lắng t

Hình 1.8: Phương pháp thiết kế dựa trên lý thuyết gián đoạn Kynch



1.2.4. Phƣơng pháp của Talmage và Fitch

Chiều cao lắng z



Thời gian lắng t

Hình 1.9: Phương pháp thiết kế của Talmage và Fitch



Phương pháp này được đưa ra năm 1955 dựa trên lý thuyết lắng gián đoạn của

Kynch [11]. Vận tốc lắng của huyền phù tại hàm lượng pha rắn k có thể được mơ

tả bởi cơng thức:

 I k  



LÊ HẢI KIÊN



Z Z  ZD



T

tu



(1.18)



18



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×