Bài giảng Quá trình thiết bị công nghệ hóa học: Chương 4

PHÂN%RIÊNG% HỆ%LỎNG%KHÔNG%ĐỒNG%NHẤT (Phân%riêng%bằng%cơ%học)

Giảng&viên:&Nguyễn&Minh&Tân& Bộ&môn&QT7TB&CN&Hóa&học&&&Thực&phẩm Trường&Đại&học&Bách&khoa&Hà&nội

Lọc

Khái niệm -Tách hỗn hợp rắn- lỏng thành nước trong và bã nhờ vách ngăn -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 -Bước 2 – 5: lọc gián đoạn -Bước 1 – 5; lọc liên tục -Động lực của quá trình là chênh lệch áp suất:

•Lọc áp suất thủy tĩnh •Lọc áp lực •Lọc chân không

Lọc

Bản chất vật lý của quá trình lọc

kw =

h ! z !

k: hằng số lọc h: chiều cao thủy tĩnh của chất lỏng tại chiều cao z của vách ngăn w: vận tốc lọc

Lọc

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

Các$yếu$tố$ảnh$hưởng$đến$quá$trình$lọc

Ảnh hưởng của lớp bã

Lọc 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

Các$yếu$tố$ảnh$hưởng$đến$quá$trình$lọc

•Ảnh hưởng của nồng độ huyền phù

Lọc

Các$yếu$tố$ảnh$hưởng$đến$quá$trình$lọc

•Ảnh hưởng của nhiệt độ

Lọc

Phương'trình'Hagen'– Poiseuiller'và'D(cid:1)arcy

Lớp bã tạo bảo tập hợp hạt, hình thành các mao quản song song với nhau theo hướng dòng chảy Nước trong chảy dòng qua lớp bã

2 # 4

d p $ ! 32 H µ

p d $ ! 32 H µ

2d ! 32

n =

4 " 2 d

Pt Hagen-Poiseuiller

V: thể tích nước trong đi qua lớp bã trong thời gian ! F: bề mặt tiết diện của lớp bã n: số lượng mao quản tính theo một đơn vị diện tích ε : 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 k: hằng số lọc

Pt D(cid:1)arcy

kV =

V p " k = H F µ!

pF !" H µ

Lọc

Phương'trình'lọc'chung

Lượng bã thu được bằng lượng rắn có trong huyền phù: )

( #1

r: quan hệ giữa lượng bã và lượng nước trong huyền phù

2 kF

kV =

dV d #

) ( 1 p $% "! r Vr !µ

HF r !!" rV pF !" H µ

Pt D(cid:1)arcy

0p! : tổn thất áp suất qua lớp bã

trở lực lớp bã:

1 )!" ( rk 1 $

const

Thay giá trị trở lực lớp bã vào pt D(cid:1)arcy và lấy tích phân với p =! 0

2 F p $ # r !µ" :

Lọc

Phương'trình'lọc'chung

d #

2 HC H p "

( 1

)( 1

]!"! ) #

Tich phân biến đổi từ phương trình cân bằng vật liệu:

[ " r

µ jk "

)

( 2

Với

( 2

)

d #

) ( HHdHH td p "

Lấy tích phân với

Thay với const

const

p =!

V td =

const

p =!

td =

Coi trở lực của vách ngăn tương đương với trở lực của một lớp bã có bề dày Htđ ứng với lượng nước trong đi qua là Vtđ +

!µ"r 2

CV = )

)

( VC V

( HC H

tđ

.2 + p !

2 VV + tđ 2 pF !

Với

Lọc

Phương'trình'lọc'chung

)

( VC V

2 VV tđ

2 VV + tđ 2 pF !

2 pF " C V

V F

2 VV tđ 2 F

p " C V

Hoặc

+ 2

!KCV =

2 V F

VF =

V F

Phương trình lọc chung

C : đặc trưng thủy lực của vách ngăn (m3/m2) K : đặc trưng tính chất của bã lọc (m2/s)

Phương'trình'lọc'chung

+ 2

!KCV =

2 V F

VF =

Phương trình lọc chung

V F

C : đặc trưng thủy lực của vách ngăn (m3/m2) K : đặc trưng tính chất của bã lọc (m2/s)

Ví dụ 1: Tính thời gian lọc để có được m lít nước trong theo 1 m2 bề mặt lọc. Qua thực nghiệm trên máy lọc thu được a lít nước trong mất t1 phút và b lít mất t2 phút theo 1 m2 bề mặt lọc. Cho m = 20 lít, a = 1 lít , t1 = 2,55 phút , b = 3 lít , t2 = 14,5 phút.

Phương'trình'lọc'chung

+ 2

!KCV =

2 V F

VF =

Phương trình lọc chung

V F

C : đặc trưng thủy lực của vách ngăn (m3/m2) K : đặc trưng tính chất của bã lọc (m2/s)

Ví dụ 1: Tính thời gian lọc để có được m lít nước trong theo 1 m2 bề mặt lọc. Qua thực nghiệm trên máy lọc thu được a lít nước trong mất t1 phút và b lít mất t2 phút theo 1 m2 bề mặt lọc. Cho m = 20 lít, a = 1 lít , t1 = 2,55 phút , b = 3 lít , t2 = 14,5 phút.

Thay số:

12 + 2. 1. C = K. 2,55 32 + 2. 3. C = K. 14,5 Vtđ = 0,36 (l/m2), K = 0,764 (l2/m4ph)

Giải được: Thay Vtđ , k vào phương trình tính được thời gian:

202 + 2. 20. 0,36 = 0,764 . !

Tính được:

! = (202 + 2. 20. 0,36) / 0,764 = 542,4 phút " 9,04 (h)

Phương'trình'lọc'chung

+ 2

!KCV =

2 V F

VF =

Phương trình lọc chung

V F

C : đặc trưng thủy lực của vách ngăn (m3/m2) K : đặc trưng tính chất của bã lọc (m2/s)

Ví dụ 2: Dùng máy lọc khung bản để lọc huyền phù trong t giờ đạt được lượng nước trong a m3. Tiến hành thí nghiệm ở cùng điều kiện (cùng áp suất và chiều dày lớp bã) thấy K = 20,7.10-4 m2/h, C = 1,45.10-3 m3/m2.

Tính bề mặt lọc. Cho t = 2 h, a = 4 m3

Phương'trình'lọc'chung

+ 2

!KCV =

2 V F

VF =

Phương trình lọc chung

V F

C : đặc trưng thủy lực của vách ngăn (m3/m2) K : đặc trưng tính chất của bã lọc (m2/s)

Ví dụ 2: Dùng máy lọc khung bản để lọc huyền phù trong t giờ đạt được lượng nước trong a m3. Tiến hành thí nghiệm ở cùng điều kiện (cùng áp suất và chiều dày lớp bã) thấy K = 20,7.10-4 m2/h, C = 1,45.10-3 m3/m2.

Tính bề mặt lọc. Cho t = 2 h, a = 4 m3

2 + 2. VF. 1,45. 10-3 = 20,7. 10-4. 2

F = v/VF

VF và Hoặc :

2 + 2. VF. FC = K. F2. !

VF 42 + 2. 4. F. 1,45. 10-3 = 20,7. 10-4. 2. F2

Tính được:

F = 63,4 m2.

Phương'trình'lọc'chung

+ 2

!KCV =

2 V F

VF =

Phương trình lọc chung

V F

C : đặc trưng thủy lực của vách ngăn (m3/m2) K : đặc trưng tính chất của bã lọc (m2/s)

Ví dụ 3: Máy lọc chân không thùng quay có bề mặt lọc chiếm 35 % bề mặt thùng, làm việc liên tục ở độ chân không 600 mmHg dùng để lọc huyền phù. Tính bề mặt lọc của thùng, nếu biết máy lọc làm việc sau 32 s có K = 13,22 l2/m4.s và Vtđ = 6 l/m2; Năng suất tính theo nước trong 1,94 l/s. Cho khối lượng riêng của huyền phù ! = 1120 , của nước trong 1000 kg/m3.

Phương'trình'lọc'chung

Ví dụ 3: Máy lọc chân không thùng quay có bề mặt lọc chiếm 35 % bề mặt thùng, làm việc liên tục ở độ chân không 600 mmHg dùng để lọc huyền phù. Tính bề mặt lọc của thùng, nếu biết máy lọc làm việc sau 32 s có K = 13,22 l2/m4.s và Vtđ = 6 l/m2; Năng suất tính theo nước trong 1,94 l/s. Cho khối lượng riêng của huyền phù ! = 1120 , của nước trong 1000 kg/m3.

Tính lượng nước trong theo CT: VF

2 + 2. VF. C = K. "

VF

2 + 2. VF. 6 = 13,22. 32

V = 0,48 (l/m2. s) Bề mặt lọc của thùng:

F

(34,11

)

=

!

=

!

=

v V

1 35,0

94,1 48,0

1 35,0

Lọc

Năng%suất%lọc Lọc gián đoạn bao gồm cac công đoạn : lọc, rửa bã, sấy bã, tháo bã, làm sạch và thay vải lọc. Phải giảm thời gian chết tức là các công đoạn đóng mở van, làm sạch phải đạt thời gian ngắn nhất

Lọc gián đoạn

$## t

22 pF "# t j µ!

2 # t pj µ" !

Đặt điều kiện đạo hàm bằng 0 để có Vmax

2 pF $

Lọc với áp suất không đổi:

$## t

"# jQ

max µ!

2 # t pj µ" !

max

Đặt điều kiện đạo hàm bằng 0 để có Vmax

Va: thể tích nước trong thu được trong thời gian !a !: thời gian lọc của một chu kỳ !t: thời gian mở máy, làm sạch máy V: thể tích nước trong thu được sau một chu trình lọc (trong thời gian !) Q: Vận tốc lọc,

Q =

dV !d

Lọc năng suất không đổi:

Lọc

Năng%suất%lọc

- Có thể xác định năng suất lọc dựa trên điều kiện làm việc thực tế : khảo sát sự phụ thuộc giữa thời gian với trở lực và năng suất lọc - Quan hệ phụ thuộc giữa áp suất và năng suất dễ dàng xác định bằng cách đo áp suất và thể tích bể lọc - Theo Tiller :

pp "

)

( 1 jm " Qj $µ

dp s p #

m : tỉ số giữa lượng bã ướt và lượng bã khô p : áp suất làm việc pi : áp suất ở bề mặt phân giới giữa bã và vách ngăn ps : tổn thất áp suất trong lớp bã g ; gia tốc tọng trường

p "

Q =

trở lực riêng trung bình của lớp bã

dV !d

dp s p #

p "

)

dV d &

( 1 # j %µ

quan hệ V=f(!) có dạng parabol với quá trình lọc áp suất thay đổi và có dạng đường thẳng với áp suất không đổi

sdp $ P

Hoặc

p #

dV d %

j $µ ( 1 !

)

dp & P

Năng suất lọc tính theo điều kiện làm việc

Các bước tính năng suất: - xác định quan hệ p-V - xác định áp suất pi, ps - tính được Q

Lọc

Năng%suất%lọc

Năng suất lọc được tính trên cơ sở đo khả năng thẩm thấu trung bình của nước lọc trước khi hình thành lớp bã

Quá trình thẩm thấu không tính đến trở lực của vách ngăn:

2 Hw 0 !"=# hd .2

w0: vận tốc dòng đị trong mao quản H: bề dày lớp bã dh : đường kính thủy lực Hệ số ma sát được tính theo chế độ chảy (Re)

w: vận tốc dòng chảy qua

w =

V !F

u : chu vi thấm ướt của hạt rắn S : bề mặt riêng của hạt rắn

w 0

4 F 0 u

w !

Năng suất lọc tính theo mô hình bã lọc

5,2

2 3 p $ !" ko ( ) 4 2 2 HS 1 # !" p

Năng suất lọc trung bình :

Dựa vào số liệu thí nghiệm : Δp, H, V, F,!... mà tính được năng suất trung bình

Lọc

Phân%bố%ẩm%đọng%lại%trong%lớp%bã

Thể tích khối hạt rắn

Thể tích lớp bã

Các mao quản của hạt

Thể tích các khoảng trống

Các khe giữa các hạt

Lỏng hấp phụ trên bề mặt hạt Wh

Lỏng bên trong hạt Wi

Lượng lỏng W

Lỏng bao quanh hạt Wz

Lỏng bên ngoài hạt Wa

Lỏng ở các khe Wk

Lượng&ẩm&còn&lại&trong&bã&lọc

a: ẩm bên trong hạt b; ẩm hấp phụ trên bề mặt hạt c: ẩm bao quanh chỗ tiếp xúc d: ẩm ở các khe hở

Phân bố ẩm khi tách trong trường gia tốc

Chiều cao mao quản trong lớp hạt : Công thức Laplace:

2 1 cos "# grz .. !

-Lượng lỏng còn lại trong bã:

Khi phân tách theo phương pháp cơ học, lượng ẩm còn lại phụ thuộc vào bản chất vật liệu, thời gian tách ẩm...

- Chiều dày bã nhỏ hơn chiều dài mao quản, phân bố ẩm không liên tục - Nếu thổi khí qua lớp bã: lượng lỏng đi theo khí phụ thuộc vào chiều cao mao quản, vận tốc dòng khí, chiều cao lớp bã, thời gian lưu và khối lượng riêng cúa khí

Các$yếu$tố$ảnh$hưởng$đến$lượng$ẩm$còn$lại$trong$bã$ lọc

Ảnh hưởng của thời gian tách ẩm

Lượng lỏng còn lại sau thời gian sấy nhỏ nhất khi hiệu số áp suất lớn nhất và chiều cao mao quản nhỏ nhất

Các$yếu$tố$ảnh$hưởng$đến$lượng$ẩm$còn$lại$trong$bã$ lọc

Ảnh hưởng của độ dày lớp bã

Sự tăng của ẩm xuất hiện theo hướng dòng chảy. theo tác dụng của trọng lực, nếu: lỏng dồn xuống phía dưới

- Với thời gian tách lỏng như nhau: nếu chiều dày bã tăng, làm tăng số lần thay đổi hướng của dòng khí, khả năng tách ẩm tốt hơn - Tăng chiều dày lớp bã, hiệu số áp suất, vận tốc dòng giảm.

Các$yếu$tố$ảnh$hưởng$đến$lượng$ẩm$còn$lại$trong$bã$ lọc

Ảnh hưởng của vận tốc dòng khí

Sự giảm ẩm đạt được khi có Δp> hs.

- Hiệu số áp suất thấp hơn áp lực mao quản; tách lỏng chỉ xảy ra nếu làm giảm thể tích khe - Sự giảm ẩm đạt được khi áp suất lớn hơn áp lực mao quản (liên quan đến vân tốc dòng khí) - Vận tốc tăng, gây ra một số vùng chết, không có dòng chảy qua

Các$yếu$tố$ảnh$hưởng$đến$lượng$ẩm$còn$lại$trong$bã$ lọc

Ảnh hưởng của khối lượng riêng của dòng khí

- Lọc áp suất dư, lượng ẩm nhỏ - Khối lượng riêng của dòng khí tăng khi có áp suất dư, làm giảm lượng lỏng trong bã

Vách%lọc

- Nhiệm vụ của vách lọc: giữ hạt rắn lại, cho lỏng đi qua - Yêu cầu: phù hợp với tính chất của lỏng, bã và các điều kiện làm việc - Lưới đan, đĩa lỗ -Vải lọc: - Các vật liệu dạng sợi: bông giấy, xenllullô - Vật liệu hạt; cát sỏi, than hoạt tính, mùn cưa, xỉ,… - Vật liệu có mao quản xốp: sứ thủy tinh, vật liệu nhân tạo - Màng lọc

Chất%trợ%lọc

-Tạo điều kiện tốt cho quá trình lọc huyền phù khó lọc

Máy$lọc$làm$việc$gián$đoạn

Bể lọc có lớp đệm: cát, sỏi

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

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

Gián doạn hoặc liên tục - Áp suất làm việc: 4- 5kp/cm2 - Khung lọc làm bằng: gỗ, kim loại, hợp kim nhôm, thủy tinh, composite

Thiết bị lọc áp lực - Máy lọc khung bản

Máy$lọc$làm$việc$gián$đoạn

Thiết bị lọc áp lực - Máy lọc khung bản

Máy$lọc$làm$việc$gián$đoạn

Ưu điểm: - Bề mặt lọc/đvị diện tích sx lớn - Dễ dàng kiểm tra quá trình làm việc-

Thiết bị lọc áp lực - Máy lọc khung bản

Nhược điểm: - Tháo tác thủ công - Vải lọc dễ rách

Máy$lọc$làm$việc$gián$đoạn

Thiết bị lọc áp lực - Máy lọc tấm

Nhược điểm: - Giá thành thiết bị cao - Khó kiểm tra, khó thay vải lọc

Ưu điểm: - Tốn ít nước rửa - Vải lọc ít bị hao mòn

Máy$lọc$làm$việc$gián$đoạn

Thiết bị lọc áp lực - Máy lọc ống

Ưu điểm: - Cấu tạo gọn gàng - Làm việc ổn định - Rửa và sấy bã đơn giản - Lọc được các hóa chất ăn mòn - Có thể tự động hóa

Nhược điểm: - Lỗ mao quản dễ bị tắc - Khó kiểm tra

Máy$lọc$làm$việc$liên$tục

Máy lọc chân không thùng quay

Máy$lọc$làm$việc$liên$tục

Máy lọc chân không thùng quay

Khu vực I: - Các ống nối được hút chân không. - Nước lọc hút qua vải lọc vào ngăn rồi được đưa ra ngoài - Bã bám trên bề mặt vải lọc

Khu vực II: - Tiếp tục hút chân không để tách phần nước lọc còn lại trong bã (sấy bã lần 1)

Khu vực IV: - Tiếp tục hút chân không để tách hết nược rửa còn lại trong bã (sấy bã lần 2)

Khu vực VI: - Thổi không khí nén để tách nốt các hạt bã còn bám trên vải lọc

Khu vực III: - Nước rửa phun vào lớp bã - Vẫn được hút chân không -> nước rửa được hút vào các ngăn rồi đơợc đưa ra mọt đường khác với đường nước lọc Khu vực V: - Thổi không khí nén vào các ngăn để làm tơi bã + cạo bã

Máy$lọc$làm$việc$liên$tục

Máy lọc chân không thùng quay

- Bề mặt lọc: 1 – 40 m2 - Vận tốc quay: 0.1 – 0.3 v/ph - Ưu điểm: Lọc được nhiều loại dung dịch Thao tác dễ dàng

Nhược điểm: - Bề măt lọc nhỏ - Giá thành cao - Rửa bã, sấy bã không hoàn toàn - Làm việc với nhiệt độ cao bị giảm năng suất do độ chân không giảm

Máy$lọc$làm$việc$liên$tục

Máy lọc chân không băng tải

Máy$lọc$làm$việc$liên$tục

Máy lọc băng tải

- Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản Không có đầu phân phối Nước lọc và nước rửa riêng biệt Rửa sạch bã, sấy bã triệt để Lọc được huyền phù khó lọc Hướng chuyển động của nước lọc và hướng lắng trùng nhau nên tạo điều kiện tốt cho qt lọc

Nhược điểm: - Bề măt lọc nhỏ - Hiệu quả sử dụng bề mặt lọc thấp - Diện tích đặt máy lớn - Băng tải dễ bị bào mòn - Không dùng được cho các huyền phù có thể ăn mòn cao su