Phân riêng hệ lỏng không đồng nhất | Bài giảng môn quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

PHÂN RIÊNG
HỆ LỎNG KHÔNG ĐỒNG NHẤT
(Phân riêng bằng cơ học)
Bộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm
Trường Đại học Bách khoa Hà nội Lọc huyền phù Khái niệm
Mục đích: Tách hỗn hợp rắn- lỏng thành nước trong và bã nhờ vách ngăn (Huyền
phù khó tách, có nồng độ cao, d hạt bé) Quá trình lọc:
1. Tạo bã và sản xuất nước trong 2. Rửa bã sơ bộ 3. Rửa bã triệt để
4. Tách bã khỏi vách ngăn 5. Làm sạch vách ngăn
Động lực của quá trình là chênh lệch áp suất:
•Lọc áp suất thủy tĩnh •Lọc áp lực •Lọc chân không Lọc huyền phù
Các loại vách xốp (vách lọc – vật liệu lọc):
1. Lớp hạt: Đổ lộn xộn trong TB, trên lưới đỡ hạt và được giữ lại bằng vải lọc, kích
thước các hạt tăng dần từ dưới lên, tạo ra các mao quản ngoằn ngoèo, hạt rắn được
giữ lại trong các mao quản. Hạt có dh < dmq cũng được giữ lại do tính chất bắc cầu
(hình dạng các hạt và mao quản khác nhau). Vật liệu lọc loại này không thể tái sinh được.
2. Vải lọc: bông, len, kim loại: kích thước mao quản khác nhau, độ chịu ăn mòn
hóa học, chịu nhiệt độ cao khác nhau, độ bền cơ học kém.
3. Gốm sứ xốp: mao quản có kích thước nhỏ, có độ ngoằn ngoèo cao, tách triệt để.
Chịu được ăn mòn hóa học, nhiệt độ cao. Khó chế tạo, giá thành cao, trở lực lớn,
khoảng làm việc nhỏ vì phải xen kẽ tái sinh vách lọc. Lọc huyền phù Bã lọc:
+ Không nén ép được: bã thường có cấu trúc tinh thể, kích thước mao quản không thay đổi
khi ΔP thay đổi, lượng nước còn lại trong bã không phụ thuộc vào ΔP.
+ Nén ép được: tăng ΔP thì kích thước mao quản của bã giảm, lượng nước trong bã giảm.
Chất trợ lọc : sử dụng với huyền phù khó lọc + Tăng kích thước hạt
+ Tăng hoạt tính của bề mặt lọc
+ Thường sử dụng các chất trợ lọc có độ xốp lớn: hydro-silicat, than hoạt tính (kết hợp lọc – hấp phụ màu, mùi). Lọc huyền phù Tốc độ lọc:
Lượng nước trong lọc được trong một đơn vị thời gian, tính trên 1m2 bề mặt lọc: 𝒅𝑽 𝑚3 𝑪 = , [ 𝑭. 𝒅𝝉 𝑚2. 𝑠 ]
Vận tốc nước trong đi qua vách lọc: h  w  k z  k: hằng số lọc
h: chiều cao thủy tĩnh của chất lỏng tại chiều cao z của vách ngăn w: vận tốc lọc [m/s] Lọc huyền phù
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc Huyền phù:
Nồng độ, kích cỡ bề mặt, dạng, tính
ỳ, độ phân tán, nhiệt độ , độ nhớt, tính điện ly,… Vách lọc
Thể tích mao quản, độ lớn mao quản, trở lực dòng
Chênh lệch áp suất
Áp suất 2 phía vách lọc, vận tốc
dòng qua vách lọc, cấu tạo và trợ
lực của lớp bã, dòng chuyển động của chất lỏng Lọc huyền phù
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc
Ảnh hưởng của lớp bã Lọc huyền phù
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc
•Ảnh hưởng của kích thước hạt rắn
•Ảnh hưởng của bề mặt dạng hạt và tính ỳ của hạt
•Ảnh hưởng của dòng chảy
•Ảnh hưởng của áp suất Lọc huyền phù
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc
•Ảnh hưởng của nồng độ huyền phù Lọc huyền phù
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc
•Ảnh hưởng của nhiệt độ Lọc huyền phù
Phương trình Hagen – Poiseuiller và D’arcy
Lớp bã tạo bởi tập hợp hạt, hình thành các mao quản song song với nhau theo hướng dòng chảy
Nước trong chảy dòng qua lớp bã d  2 d 2 p   d 2 p   Pt Hagen-Poiseuiller V  Fn  F 4 32 H  32 H 
V: thể tích nước trong đi qua lớp bã trong thời gian  2
F: bề mặt tiết diện của lớp bã  4 d
n: số lượng mao quản tính theo một đơn vị diện tích n   k   2 d ε 32
: độ xốp của lớp bã d: đường kính mao quản
Δp: hiệu số áp suất hai bên vách lọc
H: chiều dài mao quản ( chiều cao lớp bã)
μ: độ nhớt của nước trong Pt D’arcy k: hằng số lọc V p  pF   q   k V  k F H  H  Lọc huyền phù
Phương trình lọc chung - Căn cứ:
+ Kích thước bã, vách lọc tương đối bé, bã không chịu nén ép
+ Mao quản có độ ngoằn ngoèo cao.
lỏng đi trong mao quản theo chế độ chảy dòng Re < 2 Tỷ lệ thuận với ΔP C Tỷ lệ nghịch với μ
Tỷ lệ nghịch với trở lực của vách lọc R và lớp bã R v b - Ký hiệu:
V: thể tích nước trong đi qua lớp bã trong thời gian , m3 V : thể tích lớp bã, m3 b
F: diện tích bề mặt lọc, m2
r , r : trở lực riêng của vách lọc và lớp bã (tính trên 1m chiều dày của vách lọc và bã) v b
R , R : trở lực của vách lọc và lớp bã v b :
h , h : chiểu dày vách lọc và lớp bã. v b Lọc huyền phù
Phương trình lọc chung
- Phương trình vi phân biểu diễn cho quá trình lọc (từ thực nghiệm): ∆𝑷 𝒅𝑽 𝑪 = = μ . (𝑹𝒗 + 𝑹𝒃) 𝑭. 𝒅𝝉
- Biến đổi phương trình: 𝑽 𝑽 𝒃ã Đặt: 𝒙 = 𝒃 = = V. x F. h = V. x 𝒐 V b o 𝑽 𝑽 𝒏ướ𝒄 𝒍ọ𝒄 b o R = r . h b b b
R = r . x . V/F = f(V) b b o
+ Ý nghĩa của r : Nếu R = 0 thì C = ΔP/(μ.R ), khi đó R = ΔP/(μ.C) b v b b
R = ΔP/(μ.C): là trở lực của lớp bã khi dòng chảy chuyển động qua có vận tốc 1m/s b
khi độ nhớt của dòng là 1Ns/m2
+ Trở lực của vách R : R = r . h = r . h . x . V v v v v b tđ = rb o tđ/F
htđ : chiều cao tương đương của lớp bã có trở lực bằng đúng trở lực của vách. :
Vtđ : lượng nước lọc nhận được khi lớp bã có chiều cao htđ. Lọc huyền phù
Phương trình lọc chung
- Phương trình vi phân biểu diễn cho quá trình lọc: ∆𝑷 ∆𝑷 𝒅𝑽 = = μ . (𝑹𝒗 + 𝑹𝒃)
μ . (𝒓 . 𝒉𝒕𝒅 + 𝒓 . 𝒉𝒃) 𝑭. 𝒅𝝉 𝒃 𝒃 𝒅𝑽 ∆𝑷. 𝑭 ∆𝑷. 𝑭𝟐 = 𝑽 + 𝑽𝒕𝒅 𝒅𝑽 = 𝒅𝝉 𝑭. 𝒅𝝉 μ . 𝒙 . 𝒓 (𝑽 + 𝑽) μ . 𝒙 . 𝒓 𝒐 𝒃 𝒐 𝒃 𝒕𝒅 ∆𝑷. 𝑭𝟐 Đặt: 𝑲′ =
(V + V ) . dV = K’. dτ μ . 𝒙 . 𝒓 td 𝒐 𝒃
Tích phân 2 vế của phương trình: (ΔP = const), lọc dưới áp suất không đổi
V2 + 2. V. V = 2. K’. τ td Lọc huyền phù
Phương trình lọc chung Vtđ, K: hằng số lọc
V2 + 2. V. V = K. τ td
xác định từ thực nghiệm
Phương pháp xác định Vtđ, K (hằng số lọc): ∆𝝉 𝟐
Vi phân 2 vế của phương trình lọc: =
. 𝑽 + 𝑽𝒕𝒅 = 𝒇(𝑽) ∆𝑽 𝑲
Tiến hành thí nghiệm lọc dưới áp suất không đổi: ∆𝝉 V 0 V V V 1 2 n ∆𝑽 τ 0 τ τ τ 1 2 n 𝟐 𝒕𝒈𝜶 = 𝑲 𝑩 𝟐. 𝑽𝒕𝒅 𝑩 = 𝑲 𝜶 𝑽 ∆𝑽 ∆𝑽 ∆𝑽 Lọc huyền phù
Thiết bị lọc huyền phù - Máy lọc
Phân loại theo áp suất làm việc: - Áp suất thường - Áp suất cao - Áp suất chân không
Phân loại theo phương thức làm việc: - Liên tục - Gián đoạn - Bán liên tục
Máy lọc làm việc gián đoạn
1. Bể lọc có lớp đệm: cát, sỏi, bể hở
Dung tích lớn, bằng bê tông
- Vách lọc dày, có nhiều lớp: nhỏ trên, to dưới
- Lớp chất lỏng bên trên vách lọc 1- 1,5m - Vận tốc: 0,1m/h
- Bề dày vách lọc: 3m , hạt 0,5 – 3mm vận tốc 5m/h
Máy lọc làm việc gián đoạn
Bể lọc có lớp đệm: cát, sỏi, bể kín
Cấu tạo giống bể hở, làm việc với áp suất dư, vận tốc 10 -12,2m/h
- Năng suất lọc được tính theo lượng nước
trong qua vận tốc dòng chảy và độ xốp của vách lọc
Máy lọc làm việc gián đoạn
2. Thiết bị lọc áp lực - Thùng lọc tấm hút chân không: Cấu tạo:
2. Thiết bị lọc áp lực - Thùng lọc tấm hút chân không: Cấu tạo:
- Bề mặt lọc (khung lọc 1) là các tấm kim loại, có đục lỗ được hàn thành hộp chữ nhật, bên
ngoài phủ vải lọc, bên trong được hút chân không.
- Các tấm lọc được hàn trên khung 1, treo trên con chạy, có thể điều chỉnh lên xuống, sang phải sang trái.
- Hệ thống gồm 3 thùng: thùng lọc, thùng rửa bã, thùng tháo bã.
Nguyên lý làm việc:
- Khung lọc được nhúng lần lượt vào từng thùng 2, 3, 4.
- Thùng 2: chứa huyền phù, khung lọc được hút chân không, thực hiện quá trình lọc, nước
trong thu được chứa trong khung, theo ống dẫn ra ngoài. Bã nằm lại trên bề mặt lọc.
- Khung được di chuyển sang thùng 3: chứa nước rửa, tiến hành rửa bã.
- Khung được đưa sang thùng 4, ngừng hút chân không, bã tự rơi xuống, thổi khí nén từ trong
khung ra làm thông thoáng bề mặt lọc.
- Quá trình lọc, rửa bã và di chuyển khung từ thùng 2 sang thùng 4 phải được hút chân không
để tránh rơi bã ra ngoài.