Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ LẮNG

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ LẮNG

Tải bản đầy đủ - 0trang

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



(3.3)



q t   0



(3.4)



3.1.1. Quá trình lắng gián đoạn

Đối với quá trình lắng gián đoạn, bài toán cân bằng vật chất sẽ được giải qua

phương trình vi phân riêng phần với các điều kiện ban đầu. Khi đó hàm lượng pha

rắn phụ thuộc vào thời gian và chiều cao của thiết bị lắng đang xem xét. Ta có:

  vS C 

C

 2C



D 2

t

z

z



Trong đó:

C là hàm lượng pha rắn theo thời gian t và độ cao z

vs là hàm vận tốc lắng theo chiều cao (đã xác định từ thực nghiệm quá



trình lắng gián đoạn)

D là hệ số khuếch tán – Trong thực tế hệ số khuếch tán nhỏ và có thể



bỏ qua

Khi đó, điều kiện biên để giải bài tốn phương trình vi phân riêng phần:

C



z



z

:

v

C



D

0

s



z



 z  z : v C  D C

L

s



z



Điều kiện biên tại thời điểm t  0 thì C  t  0   C0

3.1.2. Quá trình lắng làm việc liên tục, ổn định

Đối với quá trình lắng làm việc liên tục, ổn định, Bustos và cộng sự (1999) đã

thiết lập công thức cho điều kiện ổn định. Công thức vi phân mô tả sự thay đổi hàm

lượng pha rắn theo chiều cao của thiết bị trong vùng lắng nén ép:

dz

 g

 '

 q   D   fbk   

d

 e   fbk  

LÊ HẢI KIÊN



57



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



Trong đó:

 là hàm lượng pha rắn, ln nằm trong khoảng hàm lượng pha rắn



tới hạn và hàm lượng pha rắn cuối. Nghĩa là:

c    D

q là vận tốc thể tích trung bình – phụ thuộc vào thời gian.



Khi thiết bị làm việc ở chế độ ổn định, ta ln có:

q



fF t   



fF



D



QF  t  F  t 

S







F t 



s S



Trong đó:

Q f  t  – Năng suất thiết bị theo thể tích



 f  t  – Hàm lượng pha rắn ban đầu (phụ thuộc vào thời gian)

S – Diện tích bề mặt của thiết bị lắng

 – Độ chênh khối lượng riêng giữa pha rắn và pha lỏng



Bằng việc giải phương trình vi phân trên, ta sẽ xác định được chiều cao làm

việc của phần lắng nén ép. Thông thường, nếu gọi L là chiều cao thiết bị, thì chiều

cao phần lắng nén ép nên không quá:

zc  0, 2L



3.2. Mô hình hóa thiết bị lắng nhà máy tuyển than I – Cơng ty tuyển

than Cửa Ơng

3.2.1. Các thơng số của thiết bị lắng nhà máy tuyển than I

Bảng 3.1 cho biết các thông số làm việc thực tế của thiết bị lắng nhà máy tuyển

than I – Công ty tuyển than Cửa Ơng.



LÊ HẢI KIÊN



58



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



Bảng 3.1: Thông số thực tế của thiết bị lắng nhà máy tuyển than I



Chiều cao



Chiều cao



Năng suất



Hàm lƣợng



Hàm lƣợng



thiết bị (m)



thiết bị

(m)



cửa chảy

tràn (m)



xử lý

(m3/h)



pha rắn vào

(g/l)



pha rắn ra

(g/l)



10,69



4,7



4,47



150



90 – 125



250 – 350



Đƣờng kính



Bảng 3.2: Thơng số kích thước hạt rắn vào thiết bị



Tỷ lệ thu hoạch các cấp hạt (% P)



Sản phẩm



- 0,074 mm



0,074 - 0,1 mm



0,1 - 0,5 mm



0,5 - 1 mm + 1 mm



Vào thiết bị



70,65



9,80



16,4



1,73



1,42



Sp tràn



100



0



0



0



0



SP cặn



63,24



6,41



24,46



3,17



2,72



3.2.2. Mơ hình hóa q trình lắng gián đoạn

Bảng 3.3 cho các thơng số đặc trưng của q trình lắng của mẫu nước thải nhà

máy tuyển than I được xác định từ thực nghiệm lắng gián đoạn.

Bảng 3.3: Số liệu đầu cho các thí nghiệm lắng gián đoạn của mẫu nước thải nhà máy

tuyển than I



Thí nghiệm



k



n



0



D



1



1,791



21,851



0,099



0,25



2



2,179



23,146



0,092



0,25



3



1,837



21,852



0,096



0,25



4



1,836



21,956



0,097



0,25



Trung bình



1,911



22,201



0,096



0,25



Từ phương trình vận tốc lắng và các số liệu đầu vào, luận văn sử dụng phần

mềm Matlab để giải phương trình vi phân riêng phần. Thuật tốn có thể tham khảo

trong phần Phụ lục 4. Các kết quả mô phỏng được biểu diễn trên hình 3.1 và 3.2.

Hình 3.1 mơ tả trực quan về hàm lượng pha rắn thay đổi theo chiều cao z và

thời gian trong quá trình lắng gián đoạn.

LÊ HẢI KIÊN



59



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



Hình 3.1: Sự thay đổi hàm lượng pha rắn theo thời gian t và chiều cao z của mẫu nước

thải nhà máy tuyển than I



Mơ hình cho biết hàm lượng pha rắn ra khỏi thiết bị lắng D = 22 %. Kết quả

này được so sánh với các kết quả thực nghiệm trong chương 2 là D = 25 %.

Hình 3.2 mơ tả sự thay đổi hàm lượng pha rắn tại các thời điểm khác nhau trong

q trình mơ phỏng lắng gián đoạn. Tại thời điểm t  0 , quá trình lắng với vận tốc

và hàm lượng pha rắn không đổi. Trong khoảng thời gian từ 0 đến 5h quá trình lắng

diễn ra ở chế độ lắng tự do (đồ thị là một đường thẳng tuyến tính mơ tả mối quan hệ

giữa hàm lượng pha rắn với thời gian và chiều cao). Từ 5h đến 10h quá trình lắng

diễn ra ở chế độ lắng nén ép. Còn từ 10h đến 15h q trình lắng đồng thời diễn ra ở

chế độ lắng nén ép và lắng tới hạn.



LÊ HẢI KIÊN



60



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



Hình 3.2: Sự thay đổi hàm lượng pha rắn của mẫu nước thải nhà máy tuyển than I tại các

thời điểm khác nhau



Tại thời điểm ban đầu, các hạt rắn lắng khơng chịu bất kỳ cản trở nào và chưa

có sự tích tụ các hạt rắn. Khi thời gian tăng lên, sự tích tụ các hạt rắn tăng dần lên.

Tại thời điểm 5 h, chiều cao phần lắng nén ép zc  0,8 m; tại thời điểm 10h, chiều

cao phần lắng nén ép zc  1 m; và tại thời điểm 15 h, chiều cao phần lắng nén ép

zc  1,5 m. Rõ ràng, khi thời gian khảo sát càng tăng lên thì lớp bùn trong quá trình



lắng gián đoạn cũng sẽ tăng lên.

3.2.3. Mơ hình hóa q trình thiết bị lắng làm việc liên tục, ổn định

Khi quá trình lắng trong thiết bị lắng làm việc ổn định, ta tính tốn xác định

chiều cao zc – chiều cao vùng lắng nén ép. Khi đó, zc được tính tốn dựa vào công

thức sau:

dz

 g

 '

 q   D   fbk   

d

 e   fbk  

LÊ HẢI KIÊN



61



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



Trong đó:



z là chiều cao thiết bị lắng

 là hàm lượng pha rắn

 là chênh lệch khối lượng riêng giữa pha rắn và pha lỏng

2



g  9,81 m/s , là gia tốc trọng trường



 e là hàm ứng suất rắn hiệu dụng (được xác định từ thực nghiệm)

fbk   là hàm thông lượng pha rắn

q là vận tốc thể tích trung bình



Tại điều kiện ổn định, q là hằng số và được xác định từ điều kiện làm việc của

thiết bị lắng với năng suất cho trước.

q



fF



D



Trong đó: f F là trọng lượng dòng pha rắn trong dòng cấp và được xác định theo

Concha et al., 1996:

fF t   



QF  t  F  t 

S







F t 



S S



Trong đó:

QF  t  là lưu lượng vào theo thể tích theo thời gian t (m3/h)



F  t  là hàm lượng pha rắn ban đầu theo thời gian t (%)

S là diện tích bề mặt ngang của thiết bị (m2)

F  t  là lưu lượng vào theo khối lượng (tấn/h)



 s là thể tích pha rắn (kg/m3)



Từ các số liệu thực tế của nước thải và thiết bị lắng của nhà máy tuyển than I –

Công ty tuyển than Cửa Ơng (Bảng 3.4), ta tính tốn được các thơng số đưa vào mơ

hình (Bảng 3.5). Với chiều cao zc đã chọn, trong phần mơ hình hóa q trình ổn

định, năng suất của thiết bị lắng q sẽ được thay đổi để tìm được năng suất q lớn

nhất ứng với zc .

LÊ HẢI KIÊN



62



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



Bảng 3.4: Số liệu về tính chất của nước thải và thiết bị lắng của nhà máy tuyển than I

3

QF (m /h)



D (m)



H (m)



D (%)



F (%)



C (%)



 s (kg/m3)



1 (kg/m3)



150



10,69



4.47



32



9



12



1300



1000



Bảng 3.5: Các thông số cho hàm thông lượng fbk và hàm ứng suất nén ép hiệu dụng σe của

mẫu nước thải nhà máy tuyển than I



fbk    u 1   / max 



 e     e



c



u (m/s)



c



max



  Pa 







-8.10-5



4,355



0,4



2,05



14,69



Theo bảng 3.4, chiều cao cửa chảy tràn của thiết bị lắng H = 4,47 m. Như vậy,

chiều cao vùng lắng nén ép thường được tính tốn bằng:

zc  0, 2  4, 47  0,89 (m)



Cũng theo bảng 3.4, hàm lượng pha rắn vào  f thay đổi từ 9 đến 12,5% và hàm

lượng pha rắn ra thay đổi trong khoảng 25 đến 32%. Ta sẽ mô phỏng dựa trên các

điều kiện trên nhằm đánh giá khả năng làm việc ổn định của thiết bị lắng khi các

thơng số thay đổi.

Hình 3.3 mơ tả chiều cao lắng nén ép zc với năng suất lắng khác nhau. Trên

thực tế, nhà máy làm việc tại năng suất Q  150 m3/h. Khi đó, chiều cao zc  0,69

m. Chiều cao này nhỏ hơn chiều cao cho phép zc  0,89 m. Rõ ràng, với năng suất

này hệ thống thiết bị làm việc của nhà máy là ổn định và làm việc tốt. Tiếp tục tăng

năng suất xử lý của thiết bị với Q lần lượt bằng 170, 180, 190, 200 m3/h thì chiều

cao lắng nén ép zc tương ứng tăng lên và bằng 0,82 m; 0,88 m; 0,94 m và 1,01 m.

Việc xác định được độ cao zc như đã tính tốn, ta hồn tồn xác định được các điểm

làm việc ổn định với năng suất cao hơn và đến 180 m3/h. Nếu tiếp tục tăng năng

suất lên nữa thì hệ thống sẽ khơng làm việc được.



LÊ HẢI KIÊN



63



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



Hình 3.3: Đồ thị mơ tả chiều cao lắng nén ép zc của mẫu nước thải nhà máy tuyển than I

khi năng suất lắng thay đổi



Ngược lại, trong trường hợp muốn tăng năng suất xử lý của thiết bị lắng thì cần

phải giảm hàm lượng pha rắn đi ra. Hình 3.4 mơ tả sự thay đổi hàm lượng pha rắn

ra khi năng suất xử lý của thiết bị được giữ bằng Q  200 m3/h.



LÊ HẢI KIÊN



64



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



Hình 3.4: Đồ thị mô tả chiều cao lắng nén ép zc của mẫu nước thải nhà máy tuyển than I

với năng suất Q = 200 m3/h và CD thay đổi



Theo Hình 3.4 để đạt được năng suất lắng Q  200 m3/h thì hàm lượng pha rắn

ra phải giảm từ 0,32 xuống 0.3 với chiều cao lắng zc = 0,83 m < 0,89 m.



3.2. Mơ hình hóa thiết bị lắng nhà máy tuyển than II – Cơng ty tuyển

than Cửa Ơng

Bảng 3.6 cho các số liệu của các hàm số đặc trưng cho quá trình lắng được xác

định từ thực nghiệm lắng gián đoạn.



LÊ HẢI KIÊN



65



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



Bảng 3.6: Số liệu đầu cho các thí nghiệm lắng gián đoạn của mẫu nước thải nhà máy

tuyển than II



Thí nghiệm



k



n



0



D



1

2

3

4

Trung bình



2,344

2,479

2,691

4,106

2,905



21,163

21,406

21,926

23,398

21,943



0,1224

0,1326

0,1275

0,1225

0,1262



0,25

0,25

0,25

0,25

0,25



Các kết quả thu được bằng mơ hình hóa trên cơ sở phần mềm Matlab được mơ

tả trong hình 3.5 và 3.6.



Hình 3.5: Sự thay đổi hàm lượng pha rắn của mẫu nước thải nhà máy tuyển than II theo

thời gian t và chiều cao z



Hình 3.5 cho thấy hàm lượng pha rắn ra của thiết bị lắng nhà máy tuyển than II

là 28 – 29 %. So với thực nghiệm thì hàm lượng pha rắn ra bằng 27%. So với mẫu

nước thải nhà máy tuyển than I thì khả năng lắng của mẫu nước thải nhà máy tuyển

than II kém hơn.



LÊ HẢI KIÊN



66



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



Hình 3.6: Sự thay đổi hàm lượng pha rắn của mẫu nước thải nhà máy tuyển than II tại các

thời điểm khác nhau



Hình 3.6 mô tả sự thay đổi hàm lượng pha rắn tại các thời điểm khác nhau trong

q trình mơ phỏng lắng gián đoạn của mẫu nước thải nhà máy tuyển than II. Ở đây

thì sau 15h quá trình lắng mới bắt đầu tiệm cận giai đoạn lắng tới hạn. Quá trình

thực nghiệm và mơ hình hóa đều cho thấy vận tốc lắng của mẫu nước thải nhà máy

tuyển than II thấp hơn so với nhà máy tuyển than I.

Đặc điểm về biến thiên hàm lượng pha rắn dọc theo chiều cao lắng của huyền

phù nhà máy tuyển than II cũng tương tự như đối với huyền phù nhà máy tuyển

than I. Từ các kết quả thể hiện ở Hình 3.2 và Hình 3.6 thấy rằng phương trình tốn

học mơ tả q trình lắng gián đoạn sử dụng trong nghiên cứu này là hợp lý.



LÊ HẢI KIÊN



67



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ LẮNG

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×