Xem mẫu
- Chương I
Các quá trình cơ học ứng dụng trong công nghệ môi trường
1. Quá trình lắng dưới tác dụng của trọng lực
1.1 Nguyên tắc lắng dưới tác dụng của trọng lực
- Nguyên tắc chung: Vật thể có khối lượng riêng đủ lớn dưới tác dụng c ủa tr ọng l ực xảy ra
quá trình lắng. Vận tốc lắng (u) được xác định qua mối tương quan gi ữa vận tốc r ơi (w) và
trở lực của môi trường (S).
Vận tốc quá trình lắng
Vận tốc rơi của vật trong môi trường không khí được tính theo công thức:
w = g.τ , m/s
Với w: vận tốc rơi của vật, m/s
g: gia tốc trọng trường, m/s2
t: thời gian rơi, s
Đối với những hạt có kích thước nhỏ hơn 100µm thì trở lực của môi trường tăng
dần cho đến khi vật thể có vận tốc rơi không đổi (tức là khi trọng lực của vật cân bằng
với trở lực của môi trường). Lúc này, vật thể có vận tốc rơi đúng bằng vận tốc lắng.
(Tại sao chỉ đối với những hạt có kích thước nhỏ hơn 100μm thì trở lực môi
trường sẽ tăng dần cho đến khi vật có vận tốc r ơi không đ ổi? Vì giá tr ị tr ọng l ực c ủa
hạt trong môi trường không thay đổi theo thời gian trong khi tr ở lực tác d ụng lên h ạt l ại
tăng dần theo vận tốc lắng. Nếu hạt có d quá lớn thì th ời gian r ơi c ủa h ạt s ẽ nhanh và
giá trị trọng lực ban đầu sẽ lớn, giá trị trở lực sẽ không kịp cân b ằng v ới giá tr ị tr ọng
lực và do vậy sẽ không có quá trình lắng xảy ra)
Lưu ý: có sự khác biệt giữa vận tốc rơi và vận tốc lắng. Vận tốc r ơi thay đ ổi theo
thời gian rơi vì có sự tác động của trở lực môi trường (trở lực môi tr ường tăng d ần). V ận
tốc lắng chỉ là trường hợp cụ thể của vận tốc rơi khi trọng lực cân b ằng v ới tr ở l ực môi
trường. Vận tốc rơi luôn thay đổi giá trị theo thời gian, còn giá tr ị vận tốc l ắng không
đổi theo thời gian.
Trọng lực của hạt hình cầu lơ lửng trong môi trường: (Đoạn này cụ thể xem trong vở ghi
nhé)
πd3
(ρ p − ρ )g , N
Ks =
6
πd 3
Với : thể tích của hạt có dạng hình cầu, m3
6
ρp, ρ: khối lượng riêng của hạt và của môi trường, kg/m3
g: Gia tốc trọng trường, m/s2
Trở lực của môi trường được xác định theo định luật Newton:
π d 2 u2
S =ξ ρ ,N
4 2
1
- πd 2
Với : tiết diện của hạt theo chiều chuyển động, m2
4
d: đường kính của hạt, m
ρ: khối lượng riêng của pha liên tục (môi trường), kg/m 3
ξ : hệ số trở lực
u: vận tốc lắng, m/s
Vận tốc lắng được xác định khi trọng lực cân bằng với trở lực của môi trường: S=K s
π d 2 u2 π d 3
ξ ρ2 = (ρ p − ρ ) g
4 2 6
4 gd ( ρ p − ρ )
u= , m/s
3 ρξ
Hệ số trở lực ξ phụ thuộc vào khối lượng riêng của pha liên tục (ρ), vận tốc chuyển động
(u), đường kính hạt (d) và độ nhớt của môi trường (µ) được thể hiện qua Hệ số Reynolds:
ρ ud
Re =
µ
Giá trị của ξ giảm khi hệ số Re tăng. Đối với Re
- Quá trình lắng Mô tả Ứng dụng
Lắng hạt riêng lẻ - Đề cập đến quá trình lắng bởi trọng lực - Xử lý hạt cát trong môi
trong dung dịch có hàm lượng chất rắn thấp trường lỏng (bể lắng cát).
(discrete particle
với điều kiện trường gia tốc ổn định. - Xử lý bụi trong môi trường
settling)
- Các hạt được lắng theo các thực thể riêng không khí (buồng lắng bụi)
biệt và không có sự tương tác đáng k ể đối - Các quá trình lắng tuân thủ
với các hạt bên cạnh. theo định luật Stokes
Lắng tạo bông - Đề cập đến quá trình lắng trong dung dịch - Loại bỏ một phần TSS trong
mà trong quá trình lắng các hạt rắn kết hợp nước thải tại bể lắng sơ cấp.
(Flocculent settling)
hoặc đông tụ lại với nhau. - Loại bỏ các bông cặn trong
- Thông qua quá trình đông tụ này, các hạt bể lắng.
luôn gia tăng về khối lượng trong quá trình - Giảm một phần BOD và P.
lắng và làm thay đổi vận tốc lắng. - Có thể diễn ra trong bể lắng
- Quá trình này có thể có sự bổ sung chất trợ sơ cấp.
lắng (polymer) để thúc đẩy vận tốc lắng.
- Một phần chất trợ lắng có thể được tuần
hoàn lại quá trình lắng.
Lắng cản trở - Đề cập đến dung dịch có hàm lượng rắn Diễn ra trong bể lắng thứ cấp
trung bình trong đó lực tương tác giữa các hạt sử dụng trong quá trình xử lý
(Hindered settling)
hay là lắng vùng có ảnh hưởng cản trở đến quá trình lắng của sinh học (bể lắng thứ cấp của
các hạt xung quanh. quá trình sinh học hiếu khí
- Các hạt có xu hướng duy trì ở vị trí cố định Aerotank).
đối với nhau. Khối lượng của hạt ổn định ở
một giá trị cụ thể.
- Bề mặt rắn - lỏng hình thành phía trên khối
lắng.
Lắng nén ép - Đề cập đến quá trình lắng trong đó các hạt Thường diễn ra ở lớp dưới
rắn ở một giá trị nồng độ tương đối lớn để của thiết bị lắng (bể lắng sơ
(Compression
tạo thành một cấu trúc và quá trình lắng tiếp cấp hay thiết bị làm đặc bùn).
settling)
theo chỉ diển ra bởi sự nén ép của lớp cấu
trúc này.
- Quá trình nén diễn ra nhờ khối lượng của
hạt rắn đã được tạo ra ổn định trong cấu trúc
thông qua quá trình lắng từ dung dịch nổi trên
bề mặt.
Bảng 1: Phân loại các quá trình lắng
3
- Hình 1: Các quá trình lắng
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng
Từ công thức tính vận tốc lắng:
4 gd ( p p − p)
u= , m/s
3 pξ
Vận tốc lắng phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Đường kính hạt d: đường kính hạt càng lớn thì vận t ốc l ắng càng nhanh, quá trình l ắng s ẽ
diễn ra nhanh hơn.
- Độ chênh lệch khối lượng riêng giữa 2 pha (liên tục và phân tán): quá trình l ắng là m ột
hàm số của sự chênh lệch khối lượng riêng của 2 pha liên tục và phân tán.
- Hệ số trở lực: hệ số trở lực tỷ lệ nghịch với vận tốc lắng. Hệ số tr ở l ực ph ụ thu ộc vào
khối lượng riêng của pha liên tục, vận tốc chuyển động, đ ường kính h ạt và đ ộ nh ớt c ủa
môi trường.
- Hệ số lắng (thông qua các thông số vận tốc lắng (u) và độ nhớt của môi trường (µ)
1.4 Giới thiệu về buồng lắng bụi
4
- a) Cấu tạo buồng lắng bụi
Hình 2: Các loại buồng lắng bụi
a – Buồng lắng đơn giản b – Buồng lắng vách ngăn c – Buồng lắng tầng
2 – Bồn chứa 3 – Vách ngăn 4 – Các tầng
1 – Thân
Bụi chuyển động theo hai dòng: Chuyển động theo dòng khí và chuyển đ ộng do
trọng lực.
Hình 3: Các lực tác dụng lên hạt bụi trong buồng lắng
b) Nguyên tắc hoạt động buồng lắng bụi
Khi dòng bụi chuyển động ngang có sự biến đổi đột ngột về ti ết diện thì vận t ốc
dòng khí sẽ giảm đột ngột. Các hạt bụi trong dòng khí d ưới tác d ụng c ủa tr ọng l ực l ắng
xuống và tách khỏi dòng khí
c) Các công thức tính toán buồng lắng bụi
Để tính toán thiết kế cũng như tính toán hiệu suất của buồng lắng b ụi, chúng ta
chấp nhận một số giả thiết như sau:
- Buồng lắng có cấu tạo hình hộp, nằm ngang với chiều dài L, chi ều cao H và chi ều r ộng b,
lưu lượng khí vào là V.
5
- - Vận tốc khí mang bụi trên toàn bộ tiết diện ngang của buồng lắng là như nhau.
- Hạt bụi chuyển động ngang theo dòng khí có vận tốc bằng vận tốc dòng khí.
- Hạt bụi rơi dưới tác dụng của trọng lực theo phương thẳng đ ứng khi ch ạm đáy thì đ ược
xem là bị giữ lại trong buồng lắng.
Thời gian lưu của hạt bụi tính bằng công thức:
- Thời gian lưu của hạt bụi tính theo phương thẳng đứng:
H
T1 = , (giây), trong đó H là chiều cao buồng lắng (m) và vl là vận tốc lắng (m/s)
vl
- Thời gian lưu của hạt bụi tính theo phương ngang:
L
T2 = , (giây), trong đó L là chiều dài buồng lắng (m) và v k là vận tốc dòng khí
vk
(m/s)
Muốn lắng được hạt bụi trong phòng thì thời gian lưu theo phương thẳng đ ứng phải
nhỏ hơn hoặc bằng thời gian lưu của hạt theo phương ngang:
H .v k
HL
T= < → vl =
vl v k L
Trong đó:
- L là chiều dài phòng lắng, m
- vk là vận tốc dòng khí đi trong thiết bị, m/s
- vl là vận tốc lắng của bụi, m/s
- H là chiều cao của phòng lắng, m
Quan tâm đến bụi lắng tuân theo định luật Stock:
g.( ρ b − ρ k ).d 2
vl =
18µ
ρ b , ρ k : là khối lượng riêng của bụi và khí (kg/m3).
µ : là độ nhớt của hỗn hợp khí, Pa.s/m2 (hoặc N.s/m2)
d: là đường kính hạt bụi, m
g: gia tốc trọng trường, m/s2
g .ρ b .d 2
do: ρb ≥ ρ k → vl =
18µ
Từ các công thức trên ta có thể tính đường kính hạt bụi trong phòng lắng:
18.µ .vk .H
d= (3)
g .( ρ b − ρ k ).L
Gọi b là chiều rộng phòng lắng: Ta có:
V
vk = m/s (trong đó V là lưu lượng khí (m3/s)
H .b
6
- 18.µ .V
Thay vào công thức vl ở trên ta có d =
L.b.g .( ρ b − ρ k )
18.µ .V
Trong đó có: L.b=S là tiết diện ngang của phòng lắng → d =
*
S .g.( ρ b − ρ k )
Chú ý:
- Những hạt có đường kính lớn hơn (hoặc bằng) d * sẽ lắng trong phòng lắng với điều kiện
bụi vào tại độ cao H của phòng.
- Với bụi vào tại độ cao (h) nhỏ hơn H của phòng sẽ lắng với d nhỏ hơn d*
18.µ .V h
d= .
S .g .( ρ b − ρ k ) H
Nhận xét:
- Từ (7), ta thấy nếu tiết diện ngang S tăng thì d* giảm có nghĩa là nếu S đáy của buồng lắng
càng lớn thì bụi tách được càng nhỏ (tách được loại bụi nhỏ hơn).
- Từ (3), nếu h giảm và L tăng thì d tách được càng nh ỏ (mu ốn tách nhi ều b ụi có kích th ước
nhỏ thì giảm h và tăng L). Muốn giảm h ta đặt liên tiếp nhi ều sàn n ằm ngang có c ơ c ấu
quay để tách bụi nhưng không thể để h quá nhỏ ( vì còn ảnh hưởng đến lưu lượng khí thải
cần xử lý V; đường kính bụi cần tách; chiều cao buồng lắng và vận tốc khí).
- Nếu V tăng (vận tốc khí vk cũng tăng) thì d* tăng -> hiệu suất tách bụi sẽ giảm, nên thường
lấy vk < 3m/s (max).
d. Phương trình quỹ đạo của hạt bụi
- Thành phần vận tốc ngang của bụi (theo trục x):
dx V V
.τ (5): Toạ độ của hạt bụi theo phương x
= vk = →x=
dτ H .b H .b
sau khoảng thời gian t
- Thành phần vận tốc rơi thẳng đứng (theo trục y, tuân theo định luật stock):
Pb.g .d 2 Pb.g .d 2
dy
.τ (6): toạ độ của hạt bụi
= −v gh = − → y = y0 −
dτ 18.µ 18.µ
theo phương y sau khoảng thời gian t
(trong đó y0 là độ cao ban đầu của hạt bụi đi vào buồng lắng)
Kết hợp hai phương trình (5) và (6) ta có phương trình quỹ đạo của hạt bụi trong buồng
lắng:
Pb.g .d 2 H .b
y = y0 − . .x (7)
18.µ V
Nhận xét:
7
- - Quỹ đạo của hạt bụi là đường thẳng xuống dốc.
- Ứng với kích thước của buồng lắng cho trước (H.b = const) thì đ ộ d ốc qu ỹ đ ạo c ủa h ạt
càng lớn (hạt rơi nhanh) khi đường kính hạt d và khối lượng đơn v ị Pb càng l ớn và l ưu
lượng khí cần lọc V và độ nhớt của môi trường µ càng bé.
Hình 4: Quỹ đạo chuyển động của hạt bụi trong buồng lắng
Rõ ràng là với hạt bụi có đường kính d này n ếu khi đi vào bu ồng l ắng t ại v ị trí ban
đầu của nó ở độ cao bằng hoặc thấp hơn h thì mới có thể bị gi ữ lại trong bu ồng l ắng. Còn
các hạt cùng cỡ nằm ở độ cao lớn hơn độ cao h sẽ thoát đ ược ra ngoài (đ ường qu ỹ đ ạo
vượt xa hơn điểm N) mỗi đường kính hạt bụi sẽ tương ứng với một độ cao nhất định.
Từ phương trình quỹ đạo:
Pb.g .d 2 H .b
y = y0 − . .x
18.µ V
để cho hạt bụi bị lắng (hạt bụi chạm đáy buồng lắng), nghĩa là y = 0 và quãng đ ường di
chuyển ngang x = L (chiều dài buồng lắng), ta sẽ có chiều cao h là:
1 Pb.g L.H .b 2
h = y0 = . . .d (8)
18 µ V
Từ công thức (8) chúng ta có thể tính được: với một bu ồng l ắng b ụi cho tr ước, đ ể
một hạt bụi có đường kính d có thể lắng được trong buồng lắng thì đ ộ cao vào c ủa nó ph ải
nhỏ hơn hoặc bằng h (y0).
Cũng từ (8), khi cho h = H (độ cao vào tối đa của hạt bụi) và d = dmin, thì:
18.µ .V
L.b = (9)
2
Pb.g.d min
8
- đây là công thức giúp chúng ta giải được bài toán ngược trong thiết k ế, tính toán kích th ước
của buồng lắng bụi để đáp ứng các điều kiện lọc bụi cho tr ước {c ấp h ạt b ụi l ọc đ ược và
các điều kiện thải cho trước như V (m3/h), Pb (kg/m3), µ (Pa.s/m2)
Giá trị độ cao H của buồng lắng có thể lựa chọn bất kỳ (có th ể ch ứng minh đi ều
này). Tuy nhiên cần nhận độ cao H sao cho vận tốc c ủa dòng khí v k trong buồng lắng tương
đối thấp để quá trình lằng không bị phá vỡ bởi vận tốc dòng khí.
Thông thường vận tốc dòng khí tối đa là 3m/s, tuy nhiên được áp dụng phổ biến nhất
là vận tốc dòng khí vk ở khoảng 0,3m/s.
e) Ưu điểm của buồng lắng bụi.
- Cấu tạo đơn giản, đầu tư thấp
- Có thể xây bằng vật liệu rẻ tiền (gạch, xi măng), thép
- Giá thành bảo quản và sửa chữa thấp
- Tổn thất áp suất thấp, không tốn điện năng hoạt động
- Có thể làm việc ở những điều kiện nhiệt độ, áp suất khác nhau (300-5000C)
f) Nhược điểm của buồng lắng bụi.
- Cồng kềnh, chiếm nhiều không gian
- Chỉ tách được bụi có kích thước tương đối lớn ( d > 10µm nếu hỗn hợp khí có độ
nhớt nhỏ và bụi có đường kính d > 40µm nếu hỗn hợp khí có độ nhớt lớn).
g) Ứng dụng của buồng lắng bụi.
Dùng tách sơ bộ bụi có kích thước lớn trước khi vào thiết bị tách b ụi b ậc cao ( làm
giảm tải lượng). Đặt ở nhiều nơi ngay cả khi trên đường ống (làm rộng thêm nơi lắp đặt).
Hình 5: Lắp đặt buồng lắng bụi trên đường ống
2. Quá trình lắng dưới tác dụng của lực ly tâm
2.1 Nguyên tắc của quá trình ly tâm
9
- Để tăng quá trình lắng của hạt trong môi trường phân tán, người ta th ường ứng d ụng
quá trình ly tâm trong đó sử dụng lực ly tâm để tách pha phân tán ra khỏi pha liên tục.
Khi cho một vật chuyển động xoáy trong môt thân hình tr ụ, sự chuyển đ ộng xoáy
này sẽ gây ra một lực ly tâm tác động lên vật làm v ật có xu h ướng chuy ển đ ộng theo h ướng
ly tâm và tách dần ra khỏi chuyển động chính của môi tr ường liên t ục ch ứa nó. B ằng cách
bố trí các bộ phận thu giữ, chúng ta có thể tách vật chuyển động này ra khỏi dòng liên tục.
2.2 Quá trình ly tâm trong thiết bị cyclone kiểu nằm ngang
Thiết bị ly tâm kiểu nằm ngang có cấu tạo khá đơn giản. Thi ết b ị bao gồm ống tr ụ
bên ngoài, bên trong có lõi hình trụ hai đầu bịt tròn và thon đ ể đ ảm bảo ch ảy b ọc t ốt. Không
khí được cánh hướng dòng chuyển động xoáy. Lực ly tâm sản sinh t ừ dòng chuy ển đ ộng
xoáy tác dụng lên các hạt bụi và đẩy chúng ra xa lõi hình tr ụ r ồi ch ạm vào thành hình ống
bao và thoát ra qua khe hình vành khăn để rơi vào nơi tập trung bụi.
Sơ đồ đơn giản mô phỏng quá trình như hình sau:
Hình:
Các kích thước:
- r1: bán kính lõi hình trụ, m
- r2: bán kính ống bao hình trụ bên ngoài, m
- l: chiều dài làm việc của thiết bị, m
- Q: lưu lượng thể tích của dòng khí, m3/s
- μ: hệ số nhớt động lực của khí ở nhiệt độ t và áp suất khí quyển, Pa.s/m2 (hay N.s/m2)
- n: vận tốc quay của khí trong thiết bị, vòng/s
Xét hạt bụi có đường kính d nằm ở vị trí P trên mặt c ắt, tức là nằm trên tr ục y c ủa h ệ tr ục
xOy với tọa độ P(0,y).
Chuyển động của hạt bụi trong thiết bị bao gồm 2 thành phần vận t ốc: v ận t ốc theo quán
tính của dòng khí đẩy dọc theo trục x đúng bằng v ận t ốc dòng khí và v ận t ốc theo h ướng ly
tâm (trực giao với trục x) do chuyển động xoáy gây ra.
Vận tốc theo trục x được xác định:
Q
vx = , m/s
π (r2 − r12 )
2
Quỹ đạo của hạt bụi sau thời gian t:
Q
dx
vx = =
dt π (r2 − r12 )
2
Từ hai phương trình trên, chúng ta có vị trí tọa độ theo trục x của hạt bụi sau thời gian t là:
Q
x= t
π (r2 − r12 )
2
2.3 Quá trình ly tâm trong thiết bị cyclone kiểu đứng
10
- a) Một số điều kiện giản ước khi tính hiệu quả thu bụi trong cyclone
- Không tính đến sự ảnh hưởng của dòng xoáy c ủa khí, đó là m ột trong nh ững nguyên nhân
gây phá vỡ sự lắng bụi bình thường của các hạt.
- Thừa nhận các hạt có khối cầu không thay đổi kích th ước, không b ị k ết dính trong quá
trình lắng.
- Các hạt bụi chuyển động đến tường không bị cuốn vào dòng khí.
- Không tính đến ảnh hưởng của côn phễu.
- Các hạt bụi được phân bố đều theo tiết diện ngang ống dẫn vào buồng cyclone.
b) Một số nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất lọc bụi trong cyclone
Do quá trình lọc bụi trong cyclone xảy ra phức t ạp nên không th ể tính toán k ết c ấu
và hiệu quả thu bụi trong cyclone trên cơ sở lý thuyết vì c ơ sở lý thuyết không lo ại tr ừ các
điều kiện giản ước nên kết quả tính toán được không trùng với kết quả nhận đ ược trong
thực tế.
Khi dùng công thức để tính buồng cyclone, nghĩa là xét đến sự chuyển đ ộng c ủa h ạt
bụi theo hướng ly tâm (đến tường cyclone) khi có sự cân bằng v ề l ực ly tâm tác d ụng lên
hạt bụi và trở lực môi trường hạt bụi chuyển động. Sau khi hai lực này cân b ằng nhau, h ạt
sẽ chuyển động đến tường theo quán tính với tốc độ ωp=const.
Giá trị lực ly tâm làm hạt chuyển động đến tường trong dòng khí chuyển đ ộng xoáy
được biểu thị theo công thức:
mω 2
PR =
R
ω: tốc độ dòng khí trong cyclone được thừa nhận bằng t ốc đ ộ khí vào ống
Trong đó:
dẫn khí và tốc độ hạt bụi có trong dòng khí, m/s.
R: khoảng cách từ tâm xoáy của dòng (trục cyclone) đến hạt, m.
m: khối lượng hạt bụi, kg.
Dưới tác dụng của lực ly tâm, các hạt bụi sẽ chuyển động theo ph ương h ướng tâm
(từ trục cyclone) đến tường bao với vận tốc ωp, khi đó, trở lực của môi trường được xác
định thoe công thức:
P = 3πω p dµ
Khi dòng khí bắt đầu vào buồng cyclone, lực ly tâm P R có giá trị lớn so với trở lực
môi trường P vì ban đầu tốc độ hạt theo hướng tâm là bằng không. Nhưng theo mức độ tăng
của tốc độ đó chỉ qua vài phần trăm giây lực ly tâm sẽ cân bằng v ới tr ở l ực. T ừ th ời đi ểm
đó các hạt bụi sẽ chuyển động theo hướng tâm với tốc độ không đổi, khi đó có sự cân bằng:
mω 2
= 3πω p dµ
R
Thay khối lượng của hạt bụi:
11
- πd 3
ρ , kg
m=
6
Do đó:
d 2ω 2 ρ
ωp = (1)
18 Rµ
d: đường kính hạt bụi, m.
Trong đó:
ρ : khối lượng riêng của hạt bụi, kg/m3
μ: hệ số nhớt môi trường khí, N.s/m2.
Những hạt bụi nằm sát ống trụ trong sẽ chuyển động với quãng đường xa nhất bằng
(R2-R1), trong đó R2 là bán kính của cyclone còn R1 là bán kính của ống trụ trong dẫn khí ra
(bỏ qua chiều dày của tường ống).
Thời gian để hạt chuyển động qua quãng đường trên được xác định theo công thức:
R 2 − R1
τ= (2)
ωp
Thay giá trị R=(R1+R2)/2 vào phương trình (1) xác định được ωp và thay thế giá trị đó
vào phương trình (2) ta có:
9µ ( R 2 − R12 )
R 2 − R1 ( R 2 − R1 )18( R 2 + R1 ) 2
τ= µ=
= (3)
ωp d 2 ω 2 ρ .2 d 2ω 2 ρ
Từ phương trình (3) ta xác định được kích thước hạt bụi nhỏ nhất chuyển động v ới
quãng đường (R2-R1) trong khoảng thời gian τ:
9 µ ( R 2 − R12 ) 9µ ( R 2 − R12 ) 9µ ( R 2 − R1 )
2 2
d min = = = (4)
2.π .R.n.ρ .ω π .nρ .ω
ρω 2 .τ
n: số vòng dòng khí chuyển động được trong cyclone (thường được tính bằng 2)
Dựa vào công thức (4) chúng ta có thể rút ra được một số nhân tố ảnh hưởng đ ến
hiệu quả thu bụi của cyclone:
- Khi tăng tốc độ ω sẽ cải thiện mức độ làm sạch khí trong cyclone. Tuy nhiên, khi t ốc đ ộ
khí quá lớn hiệu suất thu bụi tăng chậm lại. Nếu t ốc đ ộ khí đạt t ới h ạn nào đó, do ph ụ
thuộc vào cấu tạo cyclone và độ phân tán hạt bụi, hiệu suất thu bụi sẽ gi ảm do phát sinh
dòng khí xoáy cản trở các hạt bụi lắng. Tốc độ khí cho phép để lắng b ụi có hi ệu qu ả trong
khoảng 20 – 25m/s nhưng không nhỏ hơn 15m/s.
- Các hạt có kích thước lắng nhanh hơn. Tăng khối lượng riêng của b ụi р, t ốc đ ộ thu b ụi
tăng.
- Thừa số ( R 2 − R12 ) trong các công thức trên có thể biểu thị bằng tích số (R 2+R1).(R2-R1),
2
do vậy khi giảm hiệu số (R2-R1), chiều dài quãng đường di chuyển của hạt bụi gi ảm, vì
vậy hạt bụi dễ lắng. Tuy nhiên, nếu (R 2-R1) quá nhỏ sẽ gây ra hiện tượng tắc ống dẫn.
Điều này cần chú ý khi nồng độ bụi có giá trị lớn. N ếu (R 2-R1) không đổi nhưng tăng giá trị
tuyệt đối R2 và R1 sẽ làm tăng tổng số (R2+R1) làm cho tốc độ lắng bụi giảm. Vì vậy, tăng
12
- đường kính cyclone sẽ làm giảm hiệu quả thu bụi. Để quá trình thu bụi đạt hiệu quả cao thì
kích thước đường kính cyclone phải nhỏ.
- Hệ số nhớt của khí μ tăng lên khi tăng nhiệt độ làm giảm hiệu quả thu bụi trong cyclone.
3. Các quá trình lọc ứng dụng trong công nghệ môi trường
Nêu 5 ví dụng ứng dụng quá trình lọc trong đời sống hằng ngày?
3.1 Nguyên tắc của quá trình lọc
Màng lọc loại bỏ các hạt vật chất từ dòng khí mang nó khi các h ạt này va ch ạm và
sau đó được bắt giữ trên hoặc trong vật liệu lọc. Thời gian lọc tăng lên thì độ dày các hạt
vật chất lắng đọng tại vật liệu lọc cũng tăng lên và chúng sẽ đóng vai trò như m ột ph ần
của vật liệu lọc đối với những hạt bụi đến sau. Khi lượng bụi lắng đ ọng quá nhi ều, làm
tăng áp suất cần thiết để đẩy dòng khi đi qua vật li ệu l ọc thì màng l ọc c ần đ ược thay th ế
hay làm sạch.
Vật liệu lọc rất đa dạng: dạng sợi (vải), dạng hạt (cát), dạng tấm (l ưới ch ắn)….có
nguồn gốc từ tự nhiên hay nhân tạo, có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau.
Lý thuyết quá trình lọc các hạt aerosol từ dòng khí có liên quan đ ến quá trình rây đ ể
loại bỏ các hạt rắn. Quá trình loại bỏ hạt rắn bởi màng lọc thông qua 3 c ơ ch ế chính (hình
sau):
Hình 6: Các cơ chế chính trong quá trình lọc
* Thu bắt trực tiếp (direct interception): diễn ra khi dòng khí mang b ụi đi qua trong
phạm vi ½ đường kính vật liệu lọc, không quan tâm đến đường kính hạt, khối lượng hay
tính chất, nó sẽ bị thu giữ nếu dòng khí đi đủ gần vật liệu lọc.
* Thu bắt quán tính (inertial impaction): diễn ra khi hạt bụi đi qua vật li ệu lọc ở
khoảng cách xa hơn, tuy nhiên lực quán tính của hạt làm cho nó có xu h ướng chuy ển đ ộng
thẳng tách ra khỏi dòng khí mang nó và điều này giúp nó v ẫn va ch ạm v ới v ật li ệu l ọc và b ị
thu giữ.
13
- * Thu bắt do lực hút tĩnh điện (electrostatic attraction): diễn ra khi c ả hạt b ụi và v ật
liệu lọc đều trải qua quá trình tích điện, thắng được l ực quán tính r ồi sau đó đ ược gi ữ l ại
bởi vật liệu lọc thay vì thoát ra ngoài cùng dòng khí.
Lọc được xem là quá trình quan trọng trong quá trình xử lý n ước th ải và n ước c ấp.
Đây là quá trình loại bỏ các hạt rắn lơ lửng có trong nước bằng cách cho dòng n ước đi qua
các loại vật liệu lọc. Vật liệu lọc có thể là cát, than, diatomit, khoáng ilmenite ho ặc các lo ại
vật liệu sợi dệt.
Lọc cát đã được sử dụng từ lâu và cho đến nay vẫn tỏ ra là m ột bi ện pháp xử lý có
hiệu quả cao. Đây là biện pháp xử lý hiệu quả các bông cặn chứa các vi sinh vật như tảo, vi
khuẩn, virut. Quá trình lọc thông thường diễn ra sau các quá trình xử lý s ơ b ộ nh ư đông t ụ,
keo tụ, lắng. Tuy nhiên, quá trình lọc có thể được sử d ụng tr ực ti ếp đ ối v ới nh ững ngu ồn
nước có độ sạch nhất định. Quá trình lọc hai lớp (cát, than ho ạt tính) cho hiệu qu ả xử lý cao
hơn so với quá trình lọc một lớp và được sử dụng phổ bi ến hơn. Tất c ả các lo ại màng l ọc
cần được làm sạch sau một chu kỳ hoạt động nhất định dựa vào độ giảm áp suất trong quá
trình lọc.
Màng lọc có thể đươc phân loại dựa vào tải trọng lọc cho phép (allowing loading
rate). Tải trọng lọc là lưu lượng của vật li ệu cần lọc (khí, l ỏng) trên m ột đ ơn v ị di ện tích
bề mặt vật liệu lọc và được xác định bằng:
Q
V = , m3/m2.ngày
A
Trong đó
V: tải trọng lọc, m3/m2.ngày
Q: lưu lượng cần lọc, m3/ngày
A: diện tích vật liệu lọc, m2
Dựa vào tốc độ lọc này, người ta có thể phân chia thành: lọc cát chậm, l ọc cát nhanh
và lọc cát tốc độ cao. Đối với mỗi loại vật liệu lọc đ ều có các tiêu chí thi ết k ế c ơ b ản nh ư:
tải trọng lọc, kích thước hiệu quả, hệ số đồng nhất, yêu cầu chiều sâu tối thiểu và quá trình
rửa lọc. Tải trọng lọc đối với quá trình lọc cát nhanh vào khoảng 120m 3/m2.ngày. Với lọc
cát tốc độ cao thì giá trị này có thể gấp từ 4 đến 5 lần.
Ví dụ: Một thành phố lắp đặt một hệ lọc cát nhanh phía sau của thiết bị lắng. Tải trọng lọc
thiết kế là 160m3/m2.ngày. Công suất thiết kế của trạm là 0,35m 3/s. Diện tích của mỗi đơn
nguyên lọc tối đa là 50m2. Tính số lượng, kích thước của các lớp lọc và tính toán tải trọng
lọc trong các trường hợp này.
Tính tổng diện tích bề mặt cần thiết:
Q 0,35m 3 / s.(86.400s / d )
A= = = 189m 2
3 2
v 160m / m .d
Tính số lượng màng lọc:
189
n= = 3,78
50
14
- Lựa chọn 04 màng lọc
Diện tích bề mặt cho mỗi màng lọc là:
189
a= = 47,25m 2
4
Lựa chọn loại màng lọc có kích thước 7 x 7 (m)
Vận tốc lọc thực tế của thiết bị là:
Q 0,35m 3 / s.(86.400 s / d )
v= = = 154,3m 3 / m 2 .d
A 4 x7 mx7m
* Kích thước vật liệu lọc
Trước khi lựa chọn vật liệu lọc, cần tiến hành phân tích phân bố hạt của vật liệu lọc.
Động học của quá trình lọc
* Độ giảm áp suất
Màng lọc lớp cố định sử dụng các hạt vật liệu có đường kính t ừ 0,5 – 1mm v ới t ải
trọng lọc hay vận tốc lọc từ 4,9 – 12,2 m/h. Khi nước sạch chảy qua l ớp v ật li ệu s ạch, đ ộ
giảm áp suất có thể được xác định bằng công thức sau (phương trình Kozeny):
h kµ (1 − ε ) 2 A 2
= ( )v
gρε 3
L V
Trong đó:
h: Độ giảm áp suất trong màng lọc có độ dày L, m
k: Hệ số Kozeny, bằng 6
g: Gia tốc trọng trường, 9,81m/s2
µ: Độ nhớt tuyệt đối của nước, N.s/m2
ρ : Khối lượng riêng của nước, kg/m3
ε : Độ rỗng của vật liệu lọc, vô thứ nguyên
A
: Tỷ số của diện tích bề mặt hạt lọc trên m ột đơn vị thể tích, =6/d v ới h ạt hình
V
6
đối với hạt bất kỳ (ψ là hệ số hình dạng hạt)
cầu, =
ψd
v: vận tốc lọc, m/s
Ví dụ: Một vật liệu lọc kép bao gồm 0,3m hạt anthracite có kích thước hạt 2,0mm
được đặt trên một lớp cát có độ dày 0,6m với kích thước hạt 0,7mm. Vận tốc lọc là 9,78m/h.
Giả thiết rằng hệ số hình dạng hạt là ψ =0,75 và độ rỗng trong cả hai trường hợp là 0,40.
µ
Tính tổng độ giảm áp suất của vật liệu lọc ở 150C, biết tỷ số =1,131.10-6 m2.s
ρ
Giải:
a) Tính độ giảm áp suất qua lớp lọc anthracite. Sử dụng phương trình Kozeny:
15
- h kµ (1 − ε ) 2 A 2
= ( )v
gρε 3
L V
Với:
k=6
g=9,81 (m/s2)
µ
= v = 1,131.10 −6 m 2 .s tại nhiệt độ 150C
ρ
ω = 0,40
A 6 8 8
= ==
V 0,75d d 0,002
v = 9,78 (m/h) = 0,00272 (m/s)
L = 0,3 (m)
Từ đó ta có:
2
1,131.10 −6 (1 − 0,4) 2 8
h1 = 6 x x0,00272 x 0,3 = 0,0508 (m)
x
x
0,4 3
9,81 0,002
b) Tính độ giảm áp suất qua lớp lọc cát:
Các thông số khác giống như bảng trên, ngoại trừ các giá trị k = 5, d = 0,0007m, L = 0,6m
Ta có:
2
1,131.10 −6 (1 − 0,4) 2 8
h2 = 5 x x0,00272 x0,6 = 0,6918 (m)
x
x
0,4 3
9,81 0,0007
c) Tổng độ giảm áp suất của cả 2 lớp lọc là:
h = h1 + h2 = 0,0508 + 0,6918 = 0,743 (m)
3.2 Quá trình lọc nước
Lọc được xem là quá trình quan trọng trong quá trình xử lý n ước th ải và n ước c ấp.
Đây là quá trình loại bỏ các hạt rắn lơ lửng có trong nước bằng cách cho dòng n ước đi qua
các loại vật liệu lọc. Vật liệu lọc có thể là cát, than, diatomit, khoáng ilmenite ho ặc các lo ại
vật liệu sợi dệt.
Lọc cát đã được sử dụng từ lâu và cho đến nay vẫn tỏ ra là m ột bi ện pháp xử lý có
hiệu quả cao. Đây là biện pháp xử lý hiệu quả các bông cặn chứa các vi sinh vật như tảo, vi
khuẩn, virut. Quá trình lọc thông thường diễn ra sau các quá trình xử lý s ơ b ộ nh ư đông t ụ,
keo tụ, lắng. Tuy nhiên, quá trình lọc có thể được sử d ụng tr ực ti ếp đ ối v ới nh ững ngu ồn
nước có độ sạch nhất định. Quá trình lọc hai lớp (cát, than ho ạt tính) cho hiệu qu ả xử lý cao
hơn so với quá trình lọc một lớp và được sử dụng phổ bi ến hơn. Tất c ả các lo ại màng l ọc
cần được làm sạch sau một chu kỳ hoạt động nhất định dựa vào độ giảm áp suất trong quá
trình lọc.
16
- Màng lọc có thể đươc phân loại dựa vào tải trọng lọc cho phép (allowing loading
rate). Tải trọng lọc là lưu lượng của vật li ệu cần lọc (khí, l ỏng) trên m ột đ ơn v ị di ện tích
bề mặt vật liệu lọc và được xác định bằng:
Q
V = , m3/m2.ngày
A
Trong đó
V: tải trọng lọc, m3/m2.ngày
Q: lưu lượng cần lọc, m3/ngày
A: diện tích vật liệu lọc, m2
Dựa vào tốc độ lọc này, người ta có thể phân chia thành: lọc cát chậm, l ọc cát nhanh
và lọc cát tốc độ cao. Đối với mỗi loại vật liệu lọc đ ều có các tiêu chí thi ết k ế c ơ b ản nh ư:
tải trọng lọc, kích thước hiệu quả, hệ số đồng nhất, yêu cầu chiều sâu tối thiểu và quá trình
rửa lọc. Tải trọng lọc đối với quá trình lọc cát nhanh vào khoảng 120m 3/m2.ngày. Với lọc
cát tốc độ cao thì giá trị này có thể gấp từ 4 đến 5 lần.
* Kích thước vật liệu lọc
Kích thước hạt là đặc tính cơ bản nhất của vật liệu lọc ảnh hưởng đ ến quá trình
lọc. Kích thước hạt ảnh hưởng đến độ giảm áp suất đối với cả màng l ọc sạch và màng l ọc
trong quá trình vận hành.
Nếu vật liệu lọc có hạt càng nhỏ thì áp lực sử dụng để tạo ra quá trình l ọc càng l ớn
để khắc phục trở lực ma sát trong quá trình lọc. Ngược lại, n ếu kích th ước h ạt quá l ớn s ẽ
có nhiều vật chất ô nhiễm dạng hạt có kích thước nhỏ sẽ lọt qua màng lọc.
* Độ giảm áp suất
Màng lọc lớp cố định sử dụng các hạt vật liệu có đường kính t ừ 0,5 – 1mm v ới t ải
trọng lọc hay vận tốc lọc từ 4,9 – 12,2 m/h. Khi nước sạch chảy qua l ớp v ật li ệu s ạch, đ ộ
giảm áp suất có thể được xác định bằng công thức sau (phương trình Kozeny):
h kµ (1 − ε ) 2 A 2
= ( )v
gρε 3
L V
Trong đó:
h: Độ giảm áp suất trong màng lọc có độ dày L, m
k: Hệ số Kozeny, bằng 5 đối vất vật liệu lọc mới.
g: Gia tốc trọng trường, 9,81m/s2
µ: Độ nhớt tuyệt đối của nước, N.s/m2
ρ : Khối lượng riêng của nước, kg/m3
ε : Độ rỗng của vật liệu lọc, vô thứ nguyên
A
: Tỷ số của diện tích bề mặt hạt lọc trên m ột đơn vị thể tích, =6/d v ới h ạt hình
V
6
đối với hạt bất kỳ (ψ là hệ số hình dạng hạt)
cầu, =
ψd
17
- v: vận tốc lọc, m/s
Quá trình lọc kết thúc khi nồng độ chất rắn lơ lửng SS trong dòng n ước sau xử lý
bắt đầu gia tăng vượt quá mực độ cho phép chấp nhận được hay khi mức đ ộ gi ảm áp su ất
quá mức diễn ra trong màng lọc. Khi đạt đến m ột trong hai đi ều ki ện này, quá trình l ọc s ẽ
đạt đến giới hạn và quá trình làm sạch sẽ bắt đầu di ễn ra đ ể lo ại b ỏ b ớt l ượng ch ất r ắn l ơ
lửng đã tích lũy trên vật liệu lọc. Quá trình làm sạch di ễn ra bằng cách cho dòng n ước ch ảy
ngược lại so với chiều diễn ra quá trình lọc. Lượng n ước làm sạch thích h ợp khi chúng t ạo
ra được trạng thái trương nở (tầng sôi) làm cho các hạt trong lớp lọc tách rời nhau.
Các vật liệu tích lũy trong lớp vật li ệu lọc sẽ đ ược lo ại b ỏ b ởi các l ực c ắt đ ược t ạo
ra bởi nước làm sạch khi chúng di chuyển qua các lớp vật liệu lọc đã bị trương nở.
Hình: Mối quan hệ giữa các thông số: hiệu quả lọc, trở lực và thời gian lọc
* Quá trình làm sạch
Quá trình lọc kết thúc khi nồng độ chất rắn lơ lửng SS trong dòng n ước sau xử lý
bắt đầu gia tăng vượt quá mực độ cho phép chấp nhận được hay khi mức đ ộ gi ảm áp su ất
quá mức diễn ra trong màng lọc. Khi đạt đến m ột trong hai đi ều ki ện này, quá trình l ọc s ẽ
đạt đến giới hạn và quá trình làm sạch sẽ bắt đầu di ễn ra đ ể lo ại b ỏ b ớt l ượng ch ất r ắn l ơ
lửng đã tích lũy trên vật liệu lọc. Quá trình làm sạch di ễn ra bằng cách cho dòng n ước ch ảy
ngược lại so với chiều diễn ra quá trình lọc. Lượng n ước làm sạch thích h ợp khi chúng t ạo
ra được trạng thái trương nở (tầng sôi) làm cho các hạt trong lớp lọc tách rời nhau.
Các vật liệu tích lũy trong lớp vật li ệu lọc sẽ đ ược lo ại b ỏ b ởi các l ực c ắt đ ược t ạo
ra bởi nước làm sạch khi chúng di chuyển qua các lớp vật liệu lọc đã bị trương nở.
18
- Hình: Cơ chế quá trình lọc (hình trên) và tái sinh vật liệu lọc backwashing (hình dưới)
3.2 Phân loại quá trình lọc
3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình lọc
3.4 Giới thiệu một số loại thiết bị lọc
19
- Chương II
Các quá trình hóa lý ứng dụng trong công nghệ môi trường
1. Quá trình đông keo tụ
1.1 Điện tích hạt ngăn cản quá trình đông tụ
Vấn đề mấu chốt trong việc đánh giá hiệu quả quá trình keo tụ và đông t ụ là hi ểu
biết về mối quan hệ tương tác giữa các hạt keo với nhau. Kích thước của các hạt gây đ ộ
đục trong nước thường giao động từ 0,01 đến 100 μm. Dung dịch với lượng hạt có kích
thước lớn thường sẽ dễ dàng được xử lý bằng quá trình lắng hay lọc. Với các h ạt có kích
thước nhỏ hơn, từ 0,1 đến 5 μm, sẽ gặp nhiều khó khăn trong xử lý, thời gian lắng rất chậm
và dễ dàng vượt qua vật liệu lọc.
Trạng thái các hạt keo trong nước bị ảnh hưởng nhiều bởi giá trị điện tích c ủa
chúng. Mỗi một hạt keo đều mang một giá trị đi ện tích và theo b ản ch ất t ự nhiên thì th ường
là điện tích âm. Điện tích này gây ra tác động đẩy đối v ới các h ạt keo khác và ngăn c ản quá
trình keo tụ và đông tụ. Kết quả là các hạt tích đi ện có xu h ướng duy trì riêng l ẻ, tách r ời và
lơ lửng trong môi trường.
Nói một cách khác, nếu giá trị điện tích này gi ảm đảng k ể ho ặc đ ược lo ại b ỏ thì các
hạt keo có thể gắn kết lại với nhau. Trước hết là hình thành nên m ột t ập h ợp nh ỏ, sau đó
tạo thành tập hợp lớn hơn và cuối cùng là tạo thành các bông cặn có th ể l ắng nhanh và l ọc
dễ dàng.
Hình: Các hạt tích điện đẩy lẫn nhau Hình: Các hạt không tích điện tự do liên kết với
nhau
1.2 Lớp điện tích kép (the double layer)
Mô hình lớp điện tích kép được sử dụng để xem xét môi trường mang đi ện tích trong
vùng phụ cận của hạt keo mang điện tích và giải thích xảy ra hiện tượng lực đẩy điện .
Trước hết, chúng ta xem xét tác động của hạt keo lên các ion d ương mà chúng ta
thường gọi là các ion trái dấu (counter-ions). Ban đầu, lực hút t ừ h ạt keo âm đ ối v ới m ột vài
ion dương để hình thành nên một lớp ion xung quanh bề mặt của hạt keo. Lớp này được gọi
là lớp ion trái dấu hay còn gọi là Stern layer.
20
nguon tai.lieu . vn
