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
Phân riêng hệ lỏng không đồng nhất Khái niệm
Hệ lỏng không đồng nhất
-Huyền phù: Rắn – Lỏng
-Nhũ tương: Lỏng – Lỏng, thường là hệ không bền vững, muốn duy
trì hệ cần thêm chất trợ nhũ, để phá nhũ cần thêm chất keo tụ.
-Hệ bọt: Khí – Lỏng, hệ không bền, để tăng độ bền thêm vào hệ chất hoạt động bề mặt.
Phân riêng hệ lỏng không đồng nhất Khái niệm
Phân loại huyền phù: 0,1 0,5 100 d (μm) Dung dịch keo Chất lỏng đục Huyền phù mịn Huyền phù thô
Các phương pháp phân riêng huyền phù: - Lắng (gạn) - Lọc - Ly tâm
Phân riêng hệ lỏng không đồng nhất Lắng gạn
Thông số đặc trưng của huyền phù
- Khối lượng riêng của huyền phù (kg/m3, kg/l)
- Nồng độ huyền phù: lượng hạt rắn trong một lít huyền phù, kg/l
- Tỉ lệ giữa lượng hạt rắn và lượng nước trong : lượng hạt rắn trong một lít nước trong, g/l
(nồng độ tương đối của hạt rắn trong huyền phù) - Thể tích hạt rắn: - Thể tích lỏng:       h l  1 1 h l    1  l r r l       r l r l
- Lượng lỏng có trong huyền phù - Lượng huyền phù R R  L    ,kg L R l l L  ,l  HP  ,l
HP  L  R, kg r   r h
- Độ nhớt huyền phù μ < μ : gh    1  5 , 4 l  r 
Lắng dưới tác dụng của trọng lực
1. Lắng dưới tác dụng của trọng lực: là quá trình tách hạt rắn trong huyền phù nhờ trọng lực của hạt.
- Dưới tác dụng của trọng lực:
+ Hạt rắn trong huyền phù sẽ lắng xuống đáy bể tạo thành lớp bã
+ Nước trong theo gờ chảy tràn ra ngoài
- Lắng có chi phí rẻ hơn lọc (1/5)
- Bể lắng cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích, hiệu suất tách thấp
- Thường dùng để tách sơ bộ trước khi dùng phương pháp lọc hay ly tâm
- Vận tốc lắng phụ thuộc: + kích thước + khối lượng riêng + hình dáng hạt
+ lực tương hỗ giữa các hạt + nồng độ huyền phù
+ lực hút hoặc lực đẩy
Lắng dưới tác dụng của trọng lực
Các giai đoạn của quá trình lắng (Fitch)
Sự lắng của một hạt đơn chiếc:
Khi huyền phù quá loãng, các
hạt lắng riêng lẻ. Vận tốc lắng G = W + A
tính cho từng hạt độc lập
Khi lắng các hạt hình cầu, ρ, d = const, quá trình lắng mô tả theo phương trình cân bằng động lượng:
𝝏(ρ𝒘) = −𝑫𝒊𝒗(ρw 𝝏𝝉
ow) + Div(𝛝𝒈𝒓𝒂𝒅ρ.w)+ gradP
Giản ước theo các điều kiện biên: quá trình liên tục, không phụ thuộc thời gian,
khi lắng, huyền phù đứng yên (w = 0), bỏ qua đối lưu: c
f – đại lượng đặc trưng cho kích thước hạt
f = diện tích bề mặt/thể tích hạt (m2/m3) f.γ. Δw = gradP
γ – hệ số cấp động lượng
w – vận tốc lắng của huyền phù s gradP = d(ρ.g.z)/dz = ρg
f.γ. w = (ρ – ρ ).g s r l Δw = w -w s c
Sự lắng của một hạt đơn chiếc: Hạt cầu: f = 6/d 𝝆 − 𝝆 . 𝒈 𝒘 = 𝒓 𝒍
Hệ số cấp động lượng: 𝒔 𝒇. 𝜸 𝝓 4 dg   𝜸 = 𝒘 𝝆 . 𝒘𝒔 r l 
Vận tốc lắng chung: w  𝟖 𝒍 s 3   w l
𝜙𝑤 = f(Re) : trở lực
Đưa về phương trình chuẩn số:
Ar = 3/4. 𝝓𝒘. Re2
Vận tốc lắng tính qua chuẩn số Re: Re  w  s dl
Vận tốc lắng cho các hạt không phải hình cầu:  w  Re  6 m s 3 k   d  d V , 1 243 td k   td l r
Lắng dưới tác dụng của lực ly tâm
Vận tốc lắng của một hạt cầu trong nước tại 10 độ C
Vận tốc lắng của một khối hạt
Khi nồng độ huyền phù tăng, các hạt không lắng riêng lẻ mà cản trở
lẫn nhau, lắng theo khối (lắng tập thể)
Phương trình động lượng giản ước: 𝝆 − 𝝆 𝒓 𝒉
f.γ. w = (ρ – ρ ).g = (ρ – ρ ).𝜺.g Độ xốp: 𝜺 = s r h r l 𝝆 − 𝝆 𝒓 𝒍
Vận tốc lắng không phụ thuộc vào dạng hạt:    f : bề mặt riêng, m2/m3 r g 2 w l  
γ phụ thuộc vào nồng độ của huyền phù f Với hạt dạng cầu:   2 1    33 , 8 f 2  2
d    g r l  4 06 , 0  4 w    ws 3001   2 12 Đường cong lắng a- lớp bã dày
- đường 1: huyền phù loãng hơn
- đường 2: huyền phù đậm đặc hơn a- lớp bã dày b- lớp bã mỏng
Vận tốc lắng của khối hạt phải tính đến sự giảm tốc độ lắng, thể hiện qua hệ số K w  w K K  1 s    r l K  1   h h  𝝆 − 𝝆 𝝆 − 𝝆 𝜺 = 𝒓 𝒉 𝜺 = 𝒉 𝒍 = 𝟏 − 𝜺 𝝆 − 𝝆 𝒓 𝒍 𝒓 𝒍 𝝆 − 𝝆 𝒓 𝒍
Lắng dưới tác dụng của trọng lực
Kích thước cơ bản của thiết bị lắng
Các vùng nồng độ trong bể lắng liên tục
Lắng dưới tác dụng của trọng lực
Kích thước cơ bản của thiết bị lắng
Đường làm việc: quan hệ giữa lượng hạt rắn – nồng độ huyền phù Nồng độ Nồng độ bã huyền phù
Lắng dưới tác dụng của trọng lực
Kích thước cơ bản của thiết bị lắng
Lắng dưới tác dụng của trọng lực
Kích thước cơ bản của thiết bị lắng
- Chiều cao lắng H = f(τ).
- Khi bắt đầu vào vùng nén bã, xuất hiện điểm gãy
- Cần chọn chiều lắng H phù hợp:
+ H tăng: đảm bảo lắng triệt để, chiều cao thiết bị tăng, giá thành tăng.
+ H giảm: cần đảm bảo không để nước trong kéo theo hạt rắn ra ngoài.
Lắng dưới tác dụng của trọng lực
Kích thước cơ bản của thiết bị lắng
Khi hạt lắng, nước trong sẽ dâng lên, w = u < w dâng s
Lắng dưới tác dụng của trọng lực Trợ lắng
-Quá trình lắng không thực hiện được với huyền phù loãng, có kích thước hạt rắn bé
- Sự kết khối của các hạt rắn có tác dụng tốt với quá trình lắng
- Sự kết khối các hạt nhỏ được tăng cường nhờ tác dụng của khuyấy trộn cơ (vận tốc
giới hạn là 0, 18 – 0,36 m/s)
- Để tránh sự tách khối, cần có sự kết hợp của sự tạo khối với quá trình lắng để đảm
bảo các khối tạo ra lắng hết xuống đáy Chất trợ lắng
- Là các chất hoạt động bề mặt hoặc các chất làm thay đổi pH của huyền phù: Các
chất điện phân: axit, bazơ, muối…(sữa vôi, sô đa, nhôm, sunfat, sắt, clorua sắt,..)
- Các loại sợi nhân tạo và tự nhiên như: sợi bông, xenlullô, tơ nhân tạo.
- Phương pháp này tiêu tốn thêm hóa chất.
Lắng dưới tác dụng của trọng lực Rửa bã
- Rửa bã để tách toàn bộ phần chất lỏng (chất tan) còn lại trong bã. (Kết hợp lắng + rửa bã).
- Là hệ thống các bể lắng mắc nối tiếp nhau: bã ở bể đầu tiên được đưa vào bể thứ
2, ở đây cho thêm nước rửa vào để rửa bã.
- Qua rửa, bã được làm loãng đến nống độ xấp xỉ nồng độ huyền phù lúc vào bể đầu tiên
- Sau 3 -4 lần rửa, bã được làm sạch đến 97 -98%. Cần quan tâm đến chỉ tiêu Kinh
tế - Kỹ thuật. (> 6 bể: không kinh tế)
- Để tiết kiệm nước, dùng nguyên lý rửa ngược chiều
Lắng dưới tác dụng của trọng lực
Sơ đồ rửa bã song song