BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CUỐI KỲ MÔN QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TÌM HIỂU CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ TRONG KHUẤY TRỘN THỦY LỰC

Mục tiêu của quá trình trộn là đưa các phần tử hóa chất vào trạng thái phân tán đều trong môi trường nước khi phản ứng xảy ra, đồng thời tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhất giữa chúng với cá

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG



BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CUỐI KỲ MÔN QUÁ TRÌNH

CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TÌM HIỂU CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ TRONG KHUẤY TRỘN THỦY LỰC

Nhóm sinh viên thực hiện (nhóm 1):

NGUYỄN BÌNH: 91101008

VƯƠNG THỊ BÍCH: 91202002

HUỲNH CÔNG CHÁNH : 91202075

Giảng viên hướng dẫn: T.S PHẠM ANH ĐỨC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2014

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BẢO HỘ LAO ĐỘNG



BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ CUỐI KỲ MÔN QUÁ TRÌNH

CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG TÌM HIỂU CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ TRONG KHUẤY TRỘN THỦY LỰC

Nhóm sinh viên thực hiện (nhóm 1):

NGUYỄN BÌNH: 91101008

VƯƠNG THỊ BÍCH 91202002

HUỲNH CÔNG CHÁNH : 91202075

Giảng viên hướng dẫn: T.S PHẠM ANH ĐỨC

MỤC LỤC

A KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 6

1 LỜI MỞ ĐẦU 6

2 MỤC TIÊU 6

3 NỘI DUNG 6

4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 7

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 7

1.2 KHUẤY TRỘN 8

1.2.1 Định nghĩa 8

1.2.2 Phân loại 9

1.3 KHUẤY TRỘN THỦY LỰC 10

1.3.1 Giới thiệu 10

1.3.2 Gradient tốc độ 10

1.3.3 Sự tiêu tán năng lượng trong trộn thủy lực 11

1.3.4 Một số công trình khuấy trộn thủy lực 11

1.3.4.1 Bước nhảy thủy lực 11

1.3.4.2 Ống Venturi 12

1.3.4.3 Kênh hẹp Parshall (Parshall flume) 13

1.3.4.4 Khuấy trộn tĩnh 14

CHƯƠNG 2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC (HYDRAULIC JUMP) 16 2.1 NĂNG LƯỢNG CỤ THỂ (specific energy) 16

2.1.1 Năng lượng cụ thể 16

2.1.2 Độ sâu tới hạn và vận tốc tới hạn 17

2.1.3 Các loại dòng chảy 18

2.2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC 19

2.2.1 Giới thiệu 19

2.2.2 Ứng dụng 20

2.2.3 Phân loại 20

2.2.4 Tính toán trong bước nhảy thủy lực 22

2.2.4.1 Nước dâng trong bước nhảy thủy lực 22

2.2.4.2 Năng lượng mất đi do bước nhảy thủy lực 24

2.2.4.3 Chiều dài bước nhảy 24

2.2.4.4 Thể tích và thời gian lưu giữ 25

2.2.4.5 Bài tập ứng dụng 25

CHƯƠNG 3 MÁY TRỘN TĨNH (static mixers) 27

3.1 GIỚI THIỆU 27

3.2 HOẠT ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI 28

3.2.1 Hoạt động cơ bản nhất của máy trộn.[15] 28

3.2.2 Phân loại máy trộn 28

3.3 ỨNG DỤNG[10] 29

3.3.1 Ứng dụng máy trộn tĩnh trong xử lý hóa học, vật lý của nước 29

3.3.2 Ứng dụng trộn phèn trong keo tụ tạo bông 30

3.3.3 Hòa trộn chất lỏng có độ nhớt cao và hoạt hóa tối ưu quá trình kết bông (Sơ đồ 3) 31

3.3.4 Kiểm soát hoặc trung hòa pH 32

3.3.5 Hòa trộn chất khử trùng 34

3.4 TÍNH TOÁN TRONG MÁY TRỘN TĨNH 35

3.4.1 Quy trình thử nghiệm 35

3.4.2 Kết quả của thực nghiệm và tính toán các thông số của máy trộn tĩnh 36

3.4.2.1 Hệ số ma sát 36

3.4.2.2 Các yếu tố pha trộn và hệ số Reynolds 37

3.5 THIẾT KẾ MÁY TRỘN TĨNH CƠ BẢN 38

3.5.1 Máy trộn SMV 38

3.5.1.1 Giới thiệu máy trộn SMV 38

3.5.1.2 Cấu tạo và hoạt động 40

3.5.1.3 Đặc điểm của máy trộn SMV 41

3.5.2 Dòng máy trộn FMX 42

3.5.2.1 Tính số Reynolds 42

3.5.2.2 Lựa chọn thiết bị dựa trên số Reynolds 42

3.5.2.3 Xác định sự sụt giảm áp lực 43

CHƯƠNG 4: KHUẤY TRỘN WEIRS 46

4.1 GIỚI THIỆU VỀ WEIRS 46

4.2 PHÂN LOẠI WEIR(21) 48

4.2.1 Kiểu hình vuông 48

4.2.2 Kiểu weirs kết hợp 49

4.2.3 Cipolletti weir 49

4.2.4 weir tam giác 49

4.3 NĂNG LƯỢNG TRỘN CỦA WEIR 50

4.4 VÍ DỤ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 51

4.4.1 Ví dụ 51

4.4.2 Thiết kế đầu vào của bể (21) 52

4.5 MỘT SỐ ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA TRỘN WEIR 52

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

A KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

1 LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật, đời sống con người ngày càng đầy đủ, tiện nghi hơn Tuy nhiên, mặt trái của phát triển này là ô nhiễm môi trường ngày một tăng cao, trong đó, ô nhiễm nước là một vấn đề lớn, gây nhiều hậu quả nghiêm trọng Việc xử lý cả nước thải và nước cấp sử dụng với các mục đích khác nhau là điều cần thiết và mang tính tất yếu, trong đó trộn đóng vai trò quan trọng Mục tiêu của quá trình trộn là đưa các phần tử hóa chất vào trạng thái phân tán đều trong môi trường nước khi phản ứng xảy ra, đồng thời tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhất giữa chúng với các phần tử tham gia phản ứng, việc này được thực hiện bằng cách khuấy trộn để tạo ra các dòng chảy rối trong nước Hiệu quả của quá trình trộn phụ thuộc vào cường độ và thời gian khuấy trộn Cường độ khuấy trộn phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng tiêu hao để tạo ra dòng chảy rối Thời gian khuấy trộn hiệu quả được tính cho đến lúc hóa chất đã phân tán đều vào nước và đủ để hình thành các nhân keo tụ, nhưng quá lâu làm ảnh hưởng đến các phản ứng tiếp theo Thời gian khuấy trộn phụ thuộc rất nhiều vào loại hóa chất cần trộn

Theo nguyên lý cấu tạo và vận hành, các quá trình trộn được chia thành trộn thủy lực, trộn cơ khí và trộn bằng dòng tia áp lực

2 MỤC TIÊU

 Xác định vai trò cũng như vị trí của công trình trộn trong sơ đồ xử lý nước

 Hiểu rõ hơn về sự phân chia khuấy trộn theo các phương pháp khác nhau

 Tìm hiểu rõ quy trình hoạt động của một số loại công trình khuấy trộn cụ thể

3 NỘI DUNG

 TỔNG QUAN VỀ KHUẤY TRỘN THỦY LỰC

 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC

 MÁY TRỘN TĨNH

 WEIRS

 KẾT LUẬN

4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

 Tìm trên mạng internet các hình ảnh, biểu đồ minh họa

 Thu thập thông tin, dữ liệu từ các bài báo, tạp chí nước ngoài

 Sử dụng phép tổng hợp, thống kê, phân tích , liệt kê, so sánh cơ bản…

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Khuấy trộn là một ứng dụng thực nghiệm kể từ những ngày đầu của xử lý nước Lý thuyết của nó được đề cập từ khoảng thập niên 1940 với công trình của Cam và Stein (1943)

Willcomb (1932) đã nhận định rẳng không có bất kì nhà máy nào xây dựng trong khoảng thời gian 1900 -1911 dưới giám sát của ông ấy có công đoạn khuấy trộn Những nhà máy này đưa phèn vào trước công đoạn xử lý nước thô và những trạm bơm

có lượng phèn được đưa vào khu vực bơm hút Cho tới khoảng thời gian của bài viết của ông ấy vào năm 1932, khuấy trộn nhanh là một đơn vị xử lý đã được thiết lập Những cách khuấy trộn được đề cập đến bao gồm: sục khí, thay đổi dòng chảy bẳng van, bước nhảy thủy lực

Tẩm quan trọng của việc khuấy trộn thủy lực được nhận ra bởi Hansen (1936), ông đã nhận thấy rằng việc hòa tan chất tạo bông với nước thô là cần thiết, kéo theo là quá trình tạo bông

Năm 1961, Skeat nhận ra chất hóa học nên được phân phối một cách nhanh chóng và cân bằng xuyên suốt các khối nước được xử lý Đó là một thực tiễn, thông thường để đưa chất hóa học vào một điểm hỗn loạn cao với thời gian trộn 30 – 60s Một đầu phun nhỏ giọt có độ sâu 0.23 – 0.46m được đề nghị cho phương pháp đập nước hoặc trong kênh Về bể trộn, ông ấy đề nghị 3 -6 kw/m3/s Những thiết kế bể có thể thực hiện được bao gồm một cánh quạt trong một ống đúc hình 1.1 [1]

Hình 1.1 (a) Khuấy trộn bằng cánh quạt (b) Khuấy trộn bằng đầu phun

1.2 KHUẤY TRỘN

1.2.1 Định nghĩa

Từ khuấy trộn đã tự giải thích ý nghĩa cho nó, nhiều thuật ngữ khác cũng được sử dụng như những từ gần đồng nghĩa Khuấy trộn là việc cho vào hai hoặc nhiều các pha khuếch tán vào nhau để cuối cùng tạo ra một hỗn hợp đồng nhất của các thành phần Ví

dụ, cồn ethyl với nước có thể được trộn lẫn với nhau do rung động các vật liệu này bằng một loại cánh khuấy Cát, sỏi và xi măng được dùng trong việc chế tạo bê tông có thể được trộn bằng cách bỏ chúng vào một mẻ trộn bê tông,…

Hình 1.2: Khuếch tán các pha trong khuấy trộn [2]

Trộn trong xử lý nước uống là một hoạt động rất quan trọng trong việc kết tủa, tạo bông và khử trùng Ngoài ra, khuấy trộn cũng yêu cầu những chất hóa học dạng rắn hòa tan được (vôi), đến việc hòa tan nhũ tương polyme, hòa tan polyme rắn, hóa tan chất hóa học lỏng (flo), hòa tan khí (hòa tan CO2 giảm pH)

Những đơn vị xử lý khuấy trộn được tìm thấy ở các nhà máy xử lý nước Ví dụ bao gồm trộn nhanh (còn được gọi là trộn ban đầu), tạo bông, khử trùng, bùn hoạt tính, xử

lý kị khí, hòa tan khí Thông thường, các công đoạn khuấy không thấy được bởi vì những cái máy móc dụng cụ được đặt dưới sàn, trong đường ống, trong những buồng chứa, hoặc là phía sau tường [1]

1.2.2 Phân loại

Nhìn chung, có 3 loại khuấy trộn được dùng cho việc xử lý hóa lý của nước cấp và nước thải bao gồm: khuấy trộn cơ khí, khuấy trộn bọt khí, khuấy trộn thủy lực Khuấy

trộn cơ khí là khuấy trộn dùng yếu tố chuyển động vòng tròn để ảnh hưởng đến độ

rung động Khuấy trộn bằng khí, sử dụng khí gas hoặc bọt khí để tạo rung động Khuấy

trộn thủy lực lợi dụng dòng chảy của nước để tạo sự rung động

Hình 1.3: Phân loại c

Thiết bị

khuấy trộn

thủy lực

Thiết bị khuấy trộn

cơ khí

Khuấy trộn bằng khí Khuấy trộn

Ống Venturi

Parshall flume

Bước nhảy thủy lực

Khuấy trộn tĩnh

Cánh quạt trộn Turbine trộn Guồng trộn

Bộ khuếch tán không khí

1.3 KHUẤY TRỘN THỦY LỰC

1.3.1 Giới thiệu

Thiết bị khuấy trộn thủy lực là hình thức cơ bản nhất của khuấy trộn nhanh được sử dụng Khuấy trộn thủy lực dùng năng lượng của một dòng chảy chất lỏng để tạo ra sức mạnh cần thiết cho sự trộn Chất lỏng này đã phải được cung cấp năng lượng trước khi đạt đến điểm khuấy trộn thủy lực xảy ra Việc cần thực hiện ở điểm khuấy trộn đơn giản làm tiêu tan năng lượng theo giá trị G để đạt đến khuấy trộn hiệu quả

1.3.2 Gradient tốc độ

Gradient vận tốc biểu hiện của năng lượng cho mỗi đơn vị thể tích, được phát triển vào

những năm 1940 như một phương tiện để xác định hiệu suất máy trộn trong bể khuấy Trong kỹ thuật xử lý nước, gradient được xử dụng để biểu thị cường độ khuấy trộn

Gradient vận tốc G được định nghĩa bởi Camp và Stein (1943) là

=

Với

P: là năng lượng tiêu tán bởi chuyển động của chất lỏng, độ nhớt hoặc sự rối loạn dòng chảy (W)

ì: độ nhớt động học của chất lỏng (N.s/m2)

V: thể tích mà sự tiêu tán năng lượng xảy ra (m3)

Nhiều giá trị G khác nhau được dùng như là tiêu chuẩn đánh giá cho việc trộn hiệu quả Bảng 1.1 thể hiện một số giá trị tiêu chuẩn đã được tìm ra trong nghiên cứu thực tiễn t0

là thời gian lưu của chất lỏng, được cho phép trong trộn là một giá trị G thích hợp [4]

Bảng 1.1: Các chỉ tiêu giá trị G cho khuấy trộn hiệu quả

1.3.3 Sự tiêu tán năng lượng trong trộn thủy lực

Năng lượng của việc khuấy trộn chỉ đơn giản là sự tiêu tán năng lượng Ở trong bất kỳ quá trình thủy lực nào, năng lượng bị tiêu tan thông qua sự ma sát (ΔE) Vì thế, năng lượng khuấy trộn ở trong bất kì khuấy trộn thủy lực nào có thể được xác định nếu độ

ma sát của chất lỏng có thể tính toán được Tích của lưu lượng dòng chảy Q và khối lượng riêng  là khối lượng trên một đơn vị thời gian Nếu tích này nhân với ΔE thì kết quả là năng lượng, vì thế:

P = QΔE

Do đó, việc xác năng lượng của khuấy trộn của thủy lực cũng chính xác định sự mất mát của ma sát

Để việc khuấy trộn đạt hiệu quả, năng lượng lấy ra từ sự mất mát này phải làm sao để giá trị G nằm trong khoảng khuấy trộn hiệu quả Gía trị G cho việc khuấy trộn trong bảng có thể được sử dụng.[4]

1.3.4 Một số công trình khuấy trộn thủy lực

1.3.4.1 Bước nhảy thủy lực

Bước nhảy thủy lực được hình thành khi một dòng chảy trong kênh hở được chuyển từ trạng thái chảy nhanh sang trạng thái chảy tĩnh một cách đột ngột, đi kèm với nó là sự xáo trộn đáng kể và tiêu hao năng lượng Tại điểm xảy ra bước nhảy thủy lực, do quá trình xáo trộn tăng nhanh nên việc khuấy trộn các vật liệu trong dòng chảy đồng đều theo chiều ngang lẫn chiều dọc Levy và Ellms (1927) đã dùng bước nhảy thủy lực để

trộn phèn với nước thô trong quá trình xử lý nước Họ thấy rằng, bước nhảy thủy lực là một công cụ khuấy trộn hóa chất vào nước cần xử lý rất hiệu quả

Bước nhảy thủy lực có thể được hình thành bằng cách cho nước thô đi theo một dốc trượt Trong đó, trạng thái nước chảy nhanh và chảy tĩnh sẽ được hình thành, tương ứng với đó sẽ là một bước nhảy [5]

Hình 1.4: Bước nhảy thủy lực

1.3.4.2 Ống Venturi

Phương trình Bernoulli phát biểu tổng của tất cả các hình thức của năng lượng trong một chất lỏng chảy dọc theo một đường dẫn là giống nhau ở hai điểm bất kỳ trong con đường đó Công thức đơn giản của dòng chảy không nén (chất lỏng chuyển động với những thay đổi không đáng kể trong tỷ trọng) là:

V

p

ρ = const

Với

V: vận tốc dòng chảy

g: gia tốc trọng trường

h: chiều cao

p: áp suất

ρ: mật độ chất lỏng

Hệ quả của định luật này là sự thay đổi trong tốc độ và áp suất của một chất lỏng khi đi qua một nút thắt trong ống dẫn Ống Venturi là một dụng cụ dùng để tăng tốc dòng chảy của chất lỏng, bằng cách thắt lại trong một ống hình dạng hình nón Trong không gian giới hạn, các chất lỏng phải tăng vận tốc của nó đồng áp lực của nó giảm sẽ tạo ra một chân không một phần Khi chất lỏng rời khỏi thắt, áp suất của nó tăng trở lại với mức độ môi trường xung quanh hoặc đường ống

Do áp suất ở nút thắt trong đoạn ống giảm tạo ra lực hút các hóa chất cần xử lý vào

dòng nước Khi các tia nước thoát ra khỏi nút thắt ra ngoài môi trường tạo thành sự khuấy trộn.[6]

Hình 1.5: Ống Venturi

1.3.4.3 Kênh hẹp Parshall (Parshall flume)

Parshall flumes là thiết bị cũng sử dụng độ xáo trộn của bước nhảy thủy lực để thực hiện việc khuấy trộn nhanh Sự khác biệt chỉ là hình dạng hình học của nó với thiết bị bước nhảy thủy lực Nó được chỉnh sửa theo hình dạng ống venturi Ờ phía đầu là một phần hội tụ với một tầng cấp, ở giữa là một nút thắt với một sàn dốc xuống, và phía cuối một phân kỳ với sàn dốc đi lên.Quá trình khuấy trộn hiệu quả xảy ra khi bước nhảy thủy lực xuất hiện được kết hợp ở hạ lưu của kênh.[5]

Hình 1.6: Parshall Flume

1.3.4.4 Khuấy trộn tĩnh

Một máy trộn tĩnh hoặc trộn cố định là một thiết bị đưa vào một nhà ở hoặc đường ống với mục tiêu thao tác dòng chất lỏng để phân chia, tái kết hợp, tăng tốc / giảm tốc, hoặc hình thức phân chia lớp khi đi qua máy trộn Do những những thay đổi trong dòng chảy chất lỏng, thành phần hỗn hợp được đưa vào tiếp xúc với nhau Do đó, máy trộn tĩnh được sử dụng không chỉ sử dụng cho các yêu cầu pha trộn đúng mà còn trong quá trình phản ứng Thiết kế khác nhau, thường bao gồm các tấm vách ngăn hoặc vị trí trong góc chính xác để dòng chảy trực tiếp, gia tăng bất ổn và đạt được trộn

Dòng chảy trong một ống rỗng tạo ra một mức độ pha trộn xuyên tâm nhưng trong hầu hết các trường hợp, trộn hiệu quả chỉ xảy ra đầy đủ khi chiều dài thực tế của ống Chèn một máy trộn tĩnh tăng tốc đáng kể trộn nội tuyến hoặc phản ứng Kỹ thuật này về cơ bản là mong muốn bất cứ nơi nào một hoạt động liên tục, không tốn kém và nhanh chóng được yêu cầu Vì không có bộ phận chuyển động trong máy trộn tĩnh, nó là cơ bản bảo trì miễn phí và có thể được cài đặt dễ dàng như bất kỳ phần của đường ống Năng lượng cho trộn có sẵn trong các hình thức áp lực Cho dù vật liệu là trọng lực hay buộc phải thông qua máy trộn sử dụng máy bơm bên ngoài, tổn thất áp suất là một