Bài giảng môn học công nghệ môi trường

Ycb = f CM2 Như vậy: Nếu CM2 > Xcb thì vật chất đi từ φ2 sang φ1 Nếu CM1 > Ycb thì vật chất đi từ φ1 sang φ2 1.4 Quy tắc pha Sự tồn tại của một pha hay sự cân bằng pha trong hệ thống ch

Chương I Cơ sở khoa học của công nghệ môi trường

Yêu cầu về chương học:

- Cung cấp cho sinh viên những khái niệm cơ bản về các quá trình vật lý, hoá học được ứng dụng trong Công nghệ môi trường Đây được xem như là cơ sở khoa học phục vụ cho môn học “Xử lý chất thải”

- Sinh viên sau khi học chương I phải nắm được bản chất của các quá trình cơ bản như: Chuyển khối và khả năng ứng dụng các quá trình này trong công nghệ môi trường

1 Pha và cân bằng pha

1.1 Khái niệm pha

- Một hệ thống mà phổ biến nhất ta thường gặp là dung dịch Trong hệ đó, có thể có một chất hoặc nhiều chất tạo nên Người ta hệ đó là hệ một (hai, ba ) hoặc nhiều cấu tử

Ví dụ: dung dịch NaCl là hệ hai cấu tử trong đó có H2O và NaCl

được gọi là hệ đa cấu tử

- Một hệ một hay nhiều cấu tử có thể tồn tại trong tự nhiên ở dạng đồng nhất (hoà tan đều

vào nhau), có thể hệ đó tồn tại phần lớn ở dạng lỏng và một phần khác ở dạng chất rắn, chất hơi Khi xem xét hệ đó người ta là hệ một pha, hai pha

Ví dụ 1: Nước cất sạch - là một pha nếu hoàn toàn ở trạng thái lỏng (như nhiệt độ

100C, áp suất khí quyển và đậy kín bình) Đây chỉ là ví dụ vì thực tế rất khó tạo ra điều kiện này

Ví dụ 2: một viên gạch, một tấm kính… được sản xuất đồng đều về thành phần của nó- đó là một pha rắn

Với ví dụ 2 trên đây, nếu quá trình tạo nguyên liệu không đều, nung không đều…viên gạch sẽ có một phần chính là gạch; một phần nhỏ nào đó bị trộn nhiều CaO Một phần thứ ba

có thành phần như khối gạch chủ yếu nhưng bị lửa nung quá cháy Một hệ như vậy gọi là hệ nhiều pha (mặc dù đều là chất rắn - nhưng lượng % cấu tử khác nhau, không đảm bảo về tính

đồng nhất về thành phần cấu tử trong toàn hệ)

Do đó: để phân biệt các pha, cần chú ý đến “thể” mà nó tồn tại đồng thời trong một

“thể” tồn tại đó, cần xem xét sự đồng nhất về các cấu tử

Cần phân biệt giữa các khái niệm về “thể” và “pha” Khái niệm về thể nói đến trạng thái tồn tại của vật chất, chủ yếu là các thể rắn, lỏng và khí Tuy nhiên, khi xét đến khái niệm pha, chúng ta cần xem xét đến sự đồng nhất của các vật chất có trong pha

Để xác định được số pha có trong hệ, chúng ta cần xem xét đến 2 yếu tố:

- Thể tồn tại Nếu là hệ một cấu tử thì số pha có thể có là 3 pha (rắn, lỏng, khí) Lúc này không cần xét đến tính đồng nhất của hệ (tất yếu hệ đạt tính đồng nhất)

- Sự đồng nhất cảu các pha Đối với hệ đa cấu tử, ngoài việc xem xét đến thể tồn tại của cấu tử, chúng ta cần xét đến tính đồng nhất của các cấu tử

1.3 Cân bằng pha

Xét một hệ 2 pha, ký hiệu là φ1 và φ2 tiếp xúc nhau

pha φ1 là CM1 còn trong pha φ2 thì CM2=0

- Trong quá trình tiếp xúc, cấu tử M sẽ dịch chuyển từ pha φ1 sang pha φ2 (theo nguyên lý 2 của nhiệt động học cho một quá trình tự diễn) Vì quá trình truyền chất là thuận nghịch nên khi trong pha φ2 có cấu tử M thì lập tức có quá trình di chuyển ngược trở lại với tốc độ nhỏ hơn nhiều

- Như vậy, nồng độ CM trong pha φ1 dần dần giảm xuống, nồng độ cấu tử M ở pha φ2 dần dần tăng lên từ nồng độ CM2=0

- Quá trình di chuyển vật chất đó thực hiện cho đến khi đạt được cân bằng động nghĩa là vận

tốc thuận và vận tốc nghịch bằng nhau Đến một thời điểm nào đó, cấu tử M không chuyển từ pha φ1 sang pha φ2 nữa, lúc đó nồng độ cấu tử M trong pha φ2 là Xcb Còn cấu tử M ở pha φ1giảm dần từ C M1 xuống lại là Ycb

Trạng thái mà hệ đ∙ thiết lập trên dây được gọi là trạng thái “ cân bằng pha”

Cần nhớ rằng:

+ Tuỳ theo hệ, tuỳ theo các pha có trong hệ mà các giá trị Xcb và Ycb có thể bằng nhau

và có thể không bằng nhau Tại trạng thái “cân bằng pha”, giá trị Xcb là nồng độ lớn nhất mà pha φ2 có khả năng lưu giữ được (chứa được) tại điều kiện bên ngoài đó

+ Nếu thay đổi điều kiện bên ngoài này, giá trị Xcb thay đổi theo

+ Trạng thái cân bằng pha là trạng thái động, chịu ảnh hưởng bên ngoài do đó, một hệ

đang được xem xét có thể tồn tại ở nhiều trạng thái cân bằng

trong pha φ2 (ký hiệu là Xcb ) có liên hệ :

Xcb=f(CM)

Tổng quát: Xét nồng độ cả hai pha cân bằng với CM1: nồng độ tại φ1 và CM2 là nồng độ tại pha φ2 thì:

Xcb = f (CM1)

Ycb = f (CM2) Như vậy: Nếu CM2 > Xcb thì vật chất đi từ φ2 sang φ1

Nếu CM1 > Ycb thì vật chất đi từ φ1 sang φ2

1.4 Quy tắc pha

Sự tồn tại của một pha hay sự cân bằng pha trong hệ thống chỉ có thể thực hiện được

ở những điều kiện xác định (điều kiện bên trong và điều kiện bên ngoài), nếu ta thay đổi những điều kiện xác định đó thì cân bằng sẽ bị phá hủy, nghĩa là sẽ thay đổi số pha trong hệ Như mục (1.3) đã biết: khi thay đổi điều kiện, cân bằng pha sẽ thay đổi Điều này có nghĩa là thành phần pha, hoặc số lượng các pha sẽ thay đổi

Quy tắc pha là một nguyên tắc cho phép xác định: Muốn thay đổi bao nhiêu yếu tố

mà cân bằng pha không bị thay đổi

Xét các trường hợp thông thường nhất:

a) Hệ một cấu tử: Ví dụ nước hoàn toàn sạch, có thể tồn tại ba pha (R - L - K), số cấu

tử có trong hệ k=1, vậy thì:

C = k – φ + 2 = 1 – 3 + 2 = 0

Kết quả C = 0 cho thấy không có độ tự do (C = 0) cho cân bằng pha Nếu thay đổi

nhiệt độ hoặc áp suất hoặc cả hai thì cân bằng sẽ thay đổi Nếu thay đổi một bậc tự do (C = 1

- nhiệt độ hoặc áp suất) thì có thể tính được số pha φ là:

C = k – φ + 2 = 1 = 1 – φ + 2 => φ = 2 tức là hệ sẽ chuyển sang hệ hai pha (hoặc R - L, hoặc L - K, hoặc R - K tùy theo điều kiện)

P H

r = T dP

dT ∆V (2) Trong đó:

r: là nhiệt chuyển pha (nhiệt bốc hơi, hóa lỏng, thăng hoa) J/K.mol

T: Nhiệt độ chuyển pha (nhiệt độ Kjelvin - 0K)

Vh - Thể tích của 1 mol hơi (m3/K.mol)

VL - Thể tích của 1 mol lỏng (m3/K.mol) + Khi áp suất không quá lớn, Vh lại >> VL thì có thể bỏ qua VL nên:

Trong biểu thức (4) R là hằng số khí lý tưởng và bằng 8310 J/K.mol.độ

+ Khi nhiệt độ ở khoảng không lớn lắm, có thể coi T = const và

lnP = r / RT +c (5)

Trong công thức (5) giá trị c là hằng số tích phân

b) Hệ hai cấu tử: Hệ hai cấu tử hai pha thì:

C = 2 – 2 +2 = 2 Như vậy, hệ có độ tự do bằng 2 Nghĩa là: Trong kiểu hệ thống này, có thể đồng thời thay đổi cả nhiệt độ, cả áp suất cũng không làm thay đổi số lượng pha

Trong thực tế nghiên cứu, thực nghiệm, công nghệ, sản xuất: với các hệ kiểu nêu trên, thường người ta coi một yếu tố (nhiệt độ hoặc áp suất) là không đổi, do đó yếu tố còn lại sẽ

phụ thuộc vào thành phần pha ví dụ: p = const thì nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến thành phần pha của hệ

1.5 Định luật cân bằng pha

a) Định luật Hăngri (Hanre):

“Với một dung dịch lý tưởng, áp suất riêng phần (p i ) của khí trên bề mặt chất lỏng tỷ lệ với nồng độ phần mol riêng (x i ) của nó trong chất lỏng đó (trong dung dịch đó)”

pi = ψ.xi trong đó ψ là hệ số hăngri (thứ nguyên của áp suất)

Nếu nồng độ cân bằng của cấu tử là ycb thì:

pi = ycb p, trong đó p là áp suất của toàn bộ hệ Hoặc: ycb = m.xi, trong đó m là hằng số cân bằng (và m = ψ/p)

(Kết quả này là do 2 biểu thức pi nêu trên => ψxi = ycb.p => cb x i

p

Điều kiện áp dụng:

Định luật chỉ đúng cho dung dịch lý tưởng (không lực tương tác giữa các vật chất tan)

=> do đó gần đúng cho dung dịch loãng Chất khí

+ Đường thẳng: đúng là khí hoặc dung dịch vô cùng loãng

+ Đường cong: là đường không phải dung dịch lý tưởng

b) Định luật Raun:

‘Tại một nhiệt độ, áp suất riêng phần của cấu tử i trên dung dịch bằng áp suất hơi b∙o

hoà của cấu tử nhân với nồng độ phần mol của cấu tử đó”

+ Với hệ một cấu tử:

Pi = Pbh x xi

Pi = áp suất riêng của cấu tử i trong dung dịch

Pbh = áp suất hơi bão hoà của cấu tử i

Xi = Nồng độ của cấu tử i (tính theo mol)

+ Phát triển định luật với hệ 2 cấu tử ta có: P = P1 + P2

Nồng độ

y = mx

y = f(x)

2 Khuyếch tán

Khi có hai pha tiếp xúc nhau (cả ở trạng thái tĩnh, trạng thái động), trên lớp tiếp xúc

sẽ xuất hiện lớp màng giữa 2 pha đó

Quá trình di chuyển vật chất trong và qua lớp màng đó được gọi là “khuếch tán” Quá trình khuếch tán được thực hiện nhờ chuyển động Brown, tương hỗ phân tử…

Phần vật chất ở pha 1, pha 2 xa lớp màng được gọi là nhân pha Nhân pha luôn có

quá trình xáo trộn vật chất, do đó sự khuếch tán xảy ra mạnh mẽ hơn sự khuếch tán ở lớp màng

2.1 Khuyếch tán phân tử (Molecular diffusion)

Chúng ta đã biết rằng trong một hệ nếu nồng độ chất tan là đồng nhất tại mọi điểm thì quá trình biến đổi sẽ không xảy ra Tuy nhiên, nếu nồng độ của các chất ta mà không đồng nhất trong hệ thì sẽ xảy ra quá trình khuyếch tán phân tử, vật chất sẽ di chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Tốc độ di chuyển và hướng di chuyển của chất tan phụ thuộc vào mức độ chênh lệch nồng độ này

Là sự khuếch tán xảy ra trong lớp màng hoặc trong cả quá trình xảy ra ở nhân với

điều kiện hai pha đứng yên Năng lượng gây ra khuếch tán phân tử là gradien nồng độ theo

một hướng x nào đó - nghĩa là sự biến đổi nồng độ trên một đơn vị đường đi (theo hướng x cho trước) Khuyếch tán, là sự dịch chuyển vật chất ở mức độ phân tử để đi đến trạng thái cân bằng của chất trong pha đó

Khuyếch tán phân tử liên quan đến việc chuyển động của các phân tử riêng rẽ qua dòng vật chất nhờ năng lượng nhiệt của chúng Xem xét ví dụ sau:

Một chiếc hộp được chia làm 2 phần, I và II (hình) và ngăn cách với nhau bởi vách ngăn P Phần I được đổ đầy 100kg nước (H20) và phần II được đổ 100kg ethanol (C2H60) Các chất này có tỷ trọng khác nhau Nhẹ nhàng loại bỏ màng P, lúc này quá trình khuyếch tán sẽ xảy ra Phân bố vật chất sau thời gian khuyếch tán như sau:

Hình 1: Phân bố vật chất sau khuyếch tán

Ví dụ: Tốc độ bay hơi của nước tại nhiệt độ 25 0 C vào môi trường chân không vào

khoảng 3,3 kg/s trên mỗi một m 2 bề mặt nước

Vận tốc khuếch tán (dG/F.dt): Được tính bằng lượng vật chất đi qua một đơn vị bề

mặt trong một đơn vị thời gian Định luật Fick cho biết:

( 7 )

ở đây: F: Bề mặt vuông góc với lớp khuếch tán

D: Hệ số tỷ lệ = là hệ số khuếch tán Hệ số khuyếch tán này phụ thuộc vào nhiệt độ,

áp suất, nồng độ, môi trường và trạng thái của các vật chất khác

Dấu âm(-) cho thấy C giảm dần theo hướng đó

t : Thời gian

Giải phương trình (7), ta được lượng vật chất khuếch tán:

t dx

dc F D

kg m

m kg

dG

ư

=

2.2 Khuyếch tán đối lưu

Khác với khuếch tán phân tử, ở đây nghiên cứu sự khuếch tán vật chất trong môi

trường động Sự chuyển động của các pha sẽ là phức tạp hơn khuếch tán ở trạng thái tĩnh

Quá trình khuếch tán ở đây bao gồm:

- Khuếch tán phân tử

- Khuếch tán vật chất nhờ chuyển động dòng

Xét một thể tích nguyên tố (thể tích một đơn vị nhỏ): dV có các cạnh dx, dy, dz, và đưa vào

hệ toạ độ x,y,z

Theo khuếch tán phân tử (phần 2.1): Lượng vật chất đi qua các bề mặt của thể tích

nguyên tố, sẽ được biểu diễn qua bề mặt dx, dy và dz Chúng ta sẽ xét lượng vật chất di

chuyển qua mỗi bề mặt này

Đối với bề mặt dydz (vật chất di chuyển theo hướng trục x):

τ

dydzd x

c D

c D x dG x

c D dx x G x G x

∂

∂

= +

c D

c D

z

2

2 2

2 2

2

τ

dxdydzd z

c y

c x

c D z dG y dG x dG

∂

∂ +

∂

∂

= +

+

Hay: dG = D ∇ 2 C (chia hai vế cho l−ợng dxdydzdt) (13 ) (Cần chú ý: dx, dy, dz không phải là vi phân của x,y,z mà là giá trị vi phân của các cạnh.)

L−ợng vật chất khuếch tán do tác động của dòng chuyển động:

Giả sử dòng vật chất có nồng độ C dòng vật chất có tốc độ di chuyển W Sau khoảng thời

gian d τ , l−ợng vật chất đi vào thể tích nguyên tố là: + Qua bề mặt dydz (theo trục x):

τ

cdydzd x

W

Gx = ( 14 ) + L−ợng vật chất qua bề mặt đối diện là:

τ

x

c W cdydzd

W dG G

x x x dx

∂+

=+

=

+

)(

W x

G dx x G x

c W dG

x

x x

x

∂

∂+

c W dG

y

y

y y

∂

∂+

c W dGz

z

z z

∂

∂+

W W

dxdydzdt W

W W

c

dG

z

c z y

c y x

c x z

z y

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

=

∂+

∂

∂

z

z y

W W

dG

z

c z y

c y x

∂

∂+

∂

∂

dxdydzdt W

dG

z

c y

c x

∂

∂+

∂

∂

Lượng vật chất tính theo quá trình khuếch tán phân tử và quá trình dòng chảy bằng nhau, do

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

2 2 2

2 2 2

z y x z

y x

c c c D c c c

Người ta thường biểu diễn phương trình này ở dạng hàm vectơ:

* WgradC = D ∇ 2 C, cho quá trình ổn định, hoặc

2.3 Động lực học của quá trình khuyếch tán

- Quá trình khuếch tán xảy ra (sự di chuyển vật chất) là nhờ nồng độ khác nhau giữa trạng thái cân bằng (nồng độ cân bằng) và trạng thái công tác (nồng độ công tác)

- Độ chênh lệch năng lượng (hiệu số nồng độ) giữa trạng thái công tác và trạng thái cân bằng chính là: “động lực của quá trình khuếch tán” (và còn gọi là “động lực của quá trình truyền chất” Động lực này có thể tính theo nồng độ ở pha y hay pha x (Φy hoặc Φx)

Nếu tính theo nồng độ trong pha y (Φy) thì:

∆y = y* - y hay ∆y = y - y* tức: y = | y* - y|

Theo nồng độ chất trong pha x (Φ x) thì:

∆x = x* -x hay ∆x = x - x*

Trong đó, ký hiệu có dấu (*) là nồng độ ở trạng thái cân bằng, không có dấu là ở trạng thái công tác

Ghi chú:

+ Giá trị động lực trong suốt quá trình truyền chất sẽ thay đổi liên tục, do đó phải lấy giá trị động lực trung bình của suốt quá trình

+ Vất chất sẽ đi vào pha nào có nồng độ công tác thấp hơn nồng độ cân bằng

+ Việc xác định, tính toán định lượng động lực truyền chất (hoặc động lực khuếch tán) không được nghiên cứu ở đây

3 Truyền chất (chuyển khối xuyên pha)

ở phần trước chúng ta chỉ nghiên cứu quá trình chyển khối xảy ra trong một pha Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, qúa trình chuyển khối lại xảy ra giữa các pha (chuyển khối xuyên pha) Chúng ta biết rằng tốc độ chuyển khối trong một pha thì phụ thuộc nhiều vào mức độ chênh lệch nồng độ trong chính pha đó, tương tự như thế, mức độ chênh lệch nồng

độ giữa các pha (chuyển khối xuyên pha) cũng quyết định tốc độ chuyển khối Ngay khi trạng thái cân bằng được thiết lập thì độ chênh lệch nồng độ, và do vậy tốc độ chuyển khối sẽ bằng không Vì lý do đó, để mô tả được các trạng tháI khác nhau đó, chúng ta cần nghiên cứu cả hai quá trình cân bằng và quá trình chuyển khối

3.1 Trạng thái cân bằng

dung dịch (nước) Giả thiết rằng khối lượng nước là không đối trong quá trình chuyển khối

và toàn bộ quá trình này diễn ra trong một hệ thống ổn định về giá trị nhiệt độ và áp suất Vì

NH3 được hấp thụ vào nước rất tốt (quá trình hoà tan gần như hoàn toàn) Các phân tử NH3 sẽ

di chuyển từ pha khí vào pha lỏng xuyên qua lớp màng phân chia pha Một lượng phân tử

trình này diễn ra cho đến khi vận tốc khuyếch tán đi vào bằng vận tốc đi ra Đồng thời, trong quá trình này, thông qua cơ chế của quá trình khuyếch tán, nồng độ chất tan trong toàn bộ mỗi pha sẽ trở thành đồng nhất (bằng nhau tại mỗi vị trí trong pha) Lúc này, hệ thiết lập nên

lập với nồng độ cân bằng và nồng độ trong mỗi pha cao hơn so với trạng thái trước

Hình: Phân bố cân bằng của chất tan NH3 giữa hai pha khí – lỏng ở điều kiện nhiệt độ nhất

định

Đường cong trên không thể hiện tất cả các nồng độ cân bằng trong hệ Ví dụ, một phần nước

sẽ bay hơi vào pha khí hoặc một số phần tử trong pha khí cũng khuyếch tán vào pha lỏng

3.2 Phân loại các quá trình truyền chất

Trong công nghiệp hoá học hoặc nhiều quá trình sản xuất dựa trên sự tiếp xúc trực tiếp giữa các pha và sự di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác Tuỳ theo đặc trưng của

sự di chuyển vật chất và tính chất của hai pha, có thể phân loại thành các quá trình truyền chất sau đây:

- Hấp thụ: là quá trình hút khí hoặc hơi bằng chất lỏng, trong đó vật chất di chuyển từ pha

khí sang pha lỏng Ví dụ như quá trình hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch kiềm

- Chưng: Là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt trong đó vật chất di

chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại

- Hấp phụ: là quá trình hút khí hoặc hơi bằng các chất rắn, xốp, trong đó vật chất di chuyển

từ pha khí (hoặc hơi) vào pha rắn

- Trích ly: Là quá trình tách chất hoà tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất lỏng

khác

- Kết tinh: Là quá trình tách chất rắn trong dung dịch, trong đó vật chất di chuyển từ pha lỏng

sang pha rắn

- Sấy khô: Là quá trình tách nước ra khỏi vật ẩm, trong đó vật chất (hơi nước) đi từ pha rắn

hay pha lỏng vào pha khí

- Hoà tan: Trong quá trình này, vật chất di chuyển từ pha rắn sang pha lỏng

+ Động lực của truyền chất chính là độ chênh lệch về năng lượng (mà ở hệ lỏng hoặc

hệ lỏng - hơi) thường là yếu tố chênh lệch về nồng độ, nó có thể xảy ra do tính chất của hệ cũng có thể do cưỡng bức từ bên ngoài (bơm, nén v.v )

+ Trở lực của quá trình truyền chất thường do khuếch tán ngược lại, do ma sát của dòng với dòng hoặc với thiết bị

Giả sử xét Φy và Φx thì:

Quá trình truyền chất từ pha y vào pha x, nồng độ y và x ở giữa dòng coi như không

Φx nồng độ giảm từ xbg (nồng độ biên giới) về x Khi truyền chất, trở lực trong 2 màng được

ký hiệu là Ry và Rx

Do đó: Theo định luật Fick

+ Tốc độ khuếch tán chất phân bố qua màng Φy là:

y

bg

R

y y dFd

Công thức (20) và (21) được gọi là phương trình cấp chất qua màng Φy , Φx

3.4 Thứ nguyên và ý nghĩa vật lý của hệ số cấp chất

Trong kỹ thuật, việc truyền chất thường xảy ra với lượng lớn

Nếu lượng vật chất G tính bằng (Kg), bề mặt tiếp xúc F tính bằng (m2); thời gian dτ tính bằng giờ (h) và sử dụng ký hiệu:

Kg

h m

Kg

2

Do phương pháp biểu diễn nồng độ khác nhau nên chưa có thứ nguyên nồng độ Giả

sử nồng độ tính theo Kg/m3 thì thứ nguyên của (22) và (23) có dạng:

Kg h m

Kg

/

( )

m y y dFd

(y y*)

dF d

mdG

bg X

X Y

k

m =+

ββ

Kx = hệ số truyền chất khi tính theo nồng độ ở pha Φ x

∆ ytb = Động lực trung bình tính theo Φy

∆ xtb = Động lực trung bình tính theo Φ x

Các phương trình (29) và (30) là các phương trình truyền chất

ý nghĩa của phương trình truyền chất:

+ Có thể tính được lượng vật chất (G) truyền qua lớp tiếp xúc khi biết được diện tích

bề mặt tiếp xúc (F) trong khoảng thời gian τ Các giá trị kX (kY) và ∆xtb (∆ytb), là hệ số truyền chất, và động lực của quá trình truyền chất theo các pha có thể tính toán hoặc xác định bằng thực nghiệm

+ Với một hệ thường xuyên nghiên cứu tại một cơ sở (ví dụ: Hệ nước thải trong nhà

(kY) và ∆xtb (∆ytb), có thể tính được giá trị F cần thiết theo yêu cầu của giá trị và ngược lại

Chương II Nguyên lý và công nghệ xử lý khí thải

- Sau khi học xong chương này, yêu cầu sinh viên nắm vững bản chất công nghệ các quá trình xử lý môi trường không khí nói chung Hướng giải quyết về một vấn đề môi trường cụ thể sẽ diễn ra trong thực tế, cung cấp kỹ năng lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp

I Chất thải khí

1 Khái niệm về chất thải khí

Chất thải khí là các chất trong khí quyển sinh ra từ hoạt động của con người hoặc các

quá trình tự nhiên có nồng độ đủ lớn và thời gian đủ lâu ảnh hưởng đến sự thoải mái, dễ

chịu, sức khoẻ hoặc lợi ích của con người và môi trường Cần lưu ý rằng: ngay trong bản

thân môi trường không khí có thể đã tồn tại sẵn có các chất khí này do các nguyên nhân tự nhiên hay nhân tạo nhưng chưa đạt nồng độ đủ lớn để gây ra ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và con người, lúc này môi trường được xem là chưa bị ô nhiễm

Các chất ô nhiễm không khí chủ yếu là oxit cacbon, oxit lưu huỳnh, oxit nitơ, hydrocacbon và bụi công nghiệp

2 Các chất thải dạng khí ảnh hưởng đến chất lượng không khí và khí quyển

Không khí bao gồm khoảng 78% thể tích là khí N2, 21% thể tích là khí O2, 1- 4% thể tích là hơi nước, 0,03% thể tích là khí CO2, phần còn lại là các khí trơ như Xe, He, H2…

* Theo tính đặc trưng về thành phần hoá học, người ta phân loại các chất thải dạng khí như sau:

- Các chất khí có khả năng tạo axit: như SO2, NOx

- Các chất tích tụ không có tính suy giảm: Bụi (TSP, PMx) hoặc các hợp chất hoá học trong bụi

- Các chất độc tính cao: Hợp chất hữu cơ trong bụi, hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs)

VOCs…)

* Theo tính đặc trưng về loại chất ô nhiễm, các chất ô nhiễm không khí có thể được phân thành các nhóm chất cơ bản sau:

- Lưu huỳnh oxit (SO x ): Các oxit lưu huỳnh bao gồm SO2 và SO3 trong quá trình cháy, trong

có quá trình ôxy hoá SO2 thành SO3 nhưng với điều kiện nhiệt độ cao Khí SO2 là khí không màu có mùi hắc khó chịu và rất độc, đặc biệt là đối với các cơ quan hô hấp

- Các ôxit của nitơ (NO x ): NOx tức thời (sinh ra do phản ứng giữa oxy và nitơ trong không khí dưới xúc tác của các hydrocarbon, do đó khi nhiệt độ cháy tăng cao thì NOx tức thời sinh

trong điều kiện nhiệt độ cao, từ khoảng nhiệt độ trên 200 độ thì quá trình hình thành NOx do nhiệt tăng cao), và NOx do nhiên liệu

- Cacbon ôxit (CO) và hydrocarbon (HC): Đây là các sản phẩm cháy không hoàn toàn (do

các điều kiện cháy không đảm bảo, thiếu ôxy hoặc do tiếp xúc kém giữa không khí và nhiên liệu)

3 Vận chuyển khí

Vận chuyển khí là quá trình các chất khí đi từ vị trí A sang vị trí B nào đó do một tác

động bên ngoài Năng lượng tác động có thể là cơ học, chênh lệch áp suất…Quá trình vận

chuyển là quá trình định hướng theo một chiều nào đó (có thể theo mục đích hoặc không)

Thông thường vận chuyển khí diễn ra trong công nghệ được tiến hành ở một hệ thống đường

ống, hoặc trong ống của thiết bị (ví dụ như các quá trình thông gió, thu gom khí…).Vận chuyển khí nhờ thiết bị cô lập (bình khí, bom khí…) đôi khi cũng được xem xét

Những loại khí chính thường được chia làm hai nguồn gốc:

Thứ nhất : Các khí có nguồn gốc tự nhiên - khí phát ra từ hoạt động núi lửa, do cháy

rừng, do bay lên từ đại dương, do bão cát, do thực vật phát tán, VSV thải ra, do bức xạ, do nguồn gốc từ vũ trụ

Thứ hai : Các khí ô nhiễm do hoạt động sản xuất như: đốt nhiên liệu hoá thạch (than đá, xăng, dầu FO ), công nghiệp xi măng và vật liệu xây dựng, công nghiệp gang thép

và luyện kim, công nghiệp hoá chất, nhuộm, hoá dầu, từ nguồn khác như Nông nghiệp, chăn nuôi, ruộng lúa nước …

Khái niệm vận chuyển khí, phải đánh giá được cả về “hướng đi” cả về “khối lượng” của khí được vận chuyển Ngoài ra, trong vận chuyển khí cũng cần phải xác định được nguồn

gốc về “động lực”của quá trình vận chuyển đó (nguồn gốc động lực là tự nhiên hay nhân tạo,

có hay không có chủ đích) Động lực này có thể do gió, do lực nén

Quá trình vận chuyển khí có thể có bản chất là quá trình khuếch tán, có thể do quá trình hấp phụ, hoặc hấp thụ

Phương trình vận chuyển khí thực chất chính là phương trình khuếch tán chất đã nghiên cứu trên phần đầu Phương trình có dạng :

C D WgradC

∂ ∂ τ

Phương trình này được sử dụng trong việc tính toán lượng vật chất vận chuyển trong hệ thống, cũng dùng để tính lượng vật chất trong công nghệ môi trường khi dự báo lượng chất chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn hoặc từ trạng thái khí sang trạng thái

4 Phát tán khí

Dưới tác dụng của gió tự nhiên khi 1 nguồn thải phát ra từ 1 nguồn điểm cao sẽ bị cuốn theo chiều của gió thổi, chất ô nhiễm sẽ dần dần bị rộng ra như hình loa và gọi là vệt khói

Bụi nặng: rơi chân nguồn

Bụi khí, nhẹ: phát tán, vệt hình loa dần dần loãng ra và xấp xỉ nồng độ môi trường xung quanh Nếu góc mở của vết khói không thay đổi thì diện tích vết khói sẽ tăng theo bình phương khoảng cách và nồng độ ô nhiễm sẽ giảm đi theo bình phương khoảng cách Thực tế, tại sát mặt đất tới 1 khoảng cách x nào đó thì nồng độ ô nhiễm sẽ tăng dần và đạt tới cực đại

II Công nghệ xử lý chất thải khí

1 Phân loại nguồn ô nhiễm khí liên quan đến công nghệ xử lý

Các chất ô nhiễm trong không khí có thể được chia thành 02 loại bao gồm: Các chất ô

việc phân loại công nghệ xử lý nhìn chung cũng có thể chia làm 02 hướng chính bao gồm hai phần chủ yếu là xử lý các aerosol và xử lý phân tử ô nhiễm

Để xử lý các Aerosol (bụi, khói, sương) người ta sử dụng phương pháp khô, ướt và tĩnh điện Trong thiết bị khô, bụi được lắng bởi trọng lực, lực quán tính và lực ly tâm hoặc

được lọc qua vách ngăn xốp Trong thiết bị ướt có sự tiếp xúc giữa khí bụi và nước, nhờ đó bụi được lắng trên các giọt lỏng, trên bề mặt bọt khí hay trên các màng chất lỏng Trong lọc bụi tĩnh điện các aerosol được tích điện và lắng trên điện cực

Để xử lý khí và hơi chất độc hại, người ta ứng dụng các phương pháp: hấp thụ (vật lý

và hoá học), hấp phụ, xúc tác, nhiệt độ và ngưng tụ

Công nghệ xử lý khí ô nhiễm có thể được xem như là một quá trình sản xuất trong đó nguyên liệu đầu vào là các khí ô nhiễm và sản phẩm của quá trình là không khí sạch và chất

ô nhiễm được thu ở dạng thành phẩm có thể ứng dụng trực tiếp làm nguyên liệu cho một quá trình công nghệ khác hoặc được chuyển sang dạng không độc

Hiệu quả của quá trình xử lý hay thiết bị xử lý được đánh giá trên hai phương diện:

* Hiệu quả xử lý đạt điều kiện thải theo các tiêu chuẩn môi trường được áp dụng Về phương

diện này người ta không quan tâm đến tải lượng ô nhiễm mà quá trình (hoặc thiết bị) xử lý

đạt được mà chỉ quan tâm đến việc khí sau khi xử lý có đạt được điều kiện thải hay không

* Hiệu quả đánh giá dựa trên tải lượng chất ô nhiễm xử lý được Hiệu quả này được đánh giá

bằng hiệu suất xử lý của quá trình (hay thiết bị), là lượng chất thải xử lý được so với tổng lượng chất thải ở đầu vào, đơn vị tính là % Việc đánh giá hiệu quả này không xác định được khí sau khi xử lý có đủ điều kiện thải hay không

Hiệu suất xử lý:

v v

r r v v v v

b

C V

C V C V C v

m

2 Các kỹ thuật, công nghệ bảo vệ môi trường không khí

Có 3 phương pháp bảo vệ môi trường khí quyển cần được thực hiện đồng thời là:

i) Giảm thiểu chất thải nhờ hoàn thiện công nghệ, máy móc thiết bị và tận dụng chất thải:

Hoàn thiện các quá trình công nghệ, đảm bảo độ kín tuyệt đối cho các thiết bị, ứng dụng phương pháp vận chuyển vật liệu trong ống dẫn khí bằng khí nén Phương hướng hiệu quả nhất để giảm chất thải là thiết lập các quá trình công nghệ không hoặc ít chất thải

Chất ô nhiễm sinh ra chủ yếu trong các dây chuyền công nghệ sản xuất, do kỹ thuật,

do ngưng tụ, bay hơi, khuyếch tán, do gia công nguyên liệu (đập nghiền sàng), do vận chuyển nguyên liệu sản phẩm và do sự cố (như mất điện )

Ví dụ: Trong quá trình sản xuất H2SO4 từ SO2

- Trong kỹ thuật cũ: tiếp xúc đơn: SO2 + O2 -> SO3

ii) Xử lý khí thải: Cho đến nay, phương hướng cơ bản để giải quyết chất thải ô nhiễm vẫn là

nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ, thiết bị làm sạch khí Kết quả của việc xử lý là phải thu đuợc khí đạt tiêu chuẩn chất lượng môi trường và các chất độc hại phải được xử lý triệt để Chất ô nhiễm đã tách khỏi dòng khí di chuyển thành dạng khác (lỏng hay rắn) dễ kiểm soát hơn, tránh lan truyền trong môi trường

iii) Phát tán khí thải vào môi trường thông qua hệ thống các ống khói cao: Chất ô nhiễm sau

khi đã được giảm lượng phát thải đạt đến mức độ cho phép thải thì cần được phát tán tốt để

đảm bảo chất lượng không khí ở sát mặt đất không bị ô nhiễm Trong phương pháp này, lượng chất phát thải không giảm mà chỉ là được pha loãng trong không khí nhằm tránh gây tác hại cho con người và môi trường xung quanh Động lực của quá trình là do chuyển động của dòng chất thải với dòng không khí trong khí quyển, do sự chênh lệch nhiệt độ và sự chênh lệch nồng độ chất ô nhiễm trong dòng thải với không khí xung quanh

Câu hỏi: Theo bạn, việc phát tán khí thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn môi trường vào khí quyển có phải là giải pháp tối ưu hay không, vì sao?

- Một trong các chức năng của môi trường là nơi chứa đựng chất thải (hay còn gọi là khả năng nền của môi trường), nó có khả năng xử lý các chất ô nhiễm ở một nồng độ nhất

định

- Việc xử lý các chất ô nhiễm đến mức độ bằng không (không còn chất ô nhiễm) chắc chắn không phải là phương án khả thi cả về mặt công nghệ và mặt kinh tế, ngay cả khi yếu tố công nghệ cho phép thì chi phí cho việc xử lý sẽ là rất lớn

- Vì những lý do trên mà giải pháp phát tán chất ô nhiễm vào môi trường được chấp nhận cho đến ngày nay, vấn đề ở đây là nồng độ thải phải nằm trong khả năng nền (hay khả năng xử lý, chịu tải) của môi trường

III Công nghệ xử lý các Aerosol

Để xử lý các aerosol (bụi, khói, sương) người ta sử dụng phương pháp khô, ướt và tĩnh

lọc qua vách ngăn xốp Trong thiết bị ướt có sự tiếp xúc giữa khí bụi và nước, nhờ đó bụi

được lắng trên các giọt lỏng, trên bề mặt bọt khí hay trên các màng chất lỏng Trong lọc bụi tĩnh điện các aerosol được tích điện và lắng trên điện cực

Nguyên tắc chung: Tách ra khỏi dòng khí bằng phương pháp cơ học (lực trọng trường, quán tính, ly tâm), tích điện hoặc hoà tan Thiết bị tách bụi cơ học khỏi dòng khí -> đánh giá thiết

vào

v v

r r v v v v

b

C V

C V C V C

v

m

r v

C

C C

C C

Các thông số cần biết khi lựa chọn thiết bị xử lý bụi: Việc lựa chọn phương pháp và thiết bị

xử lý phụ thuộc vào nhiều thông số khác nhau để bảo đảm hiệu quả cũng như tính an toàn trong quá trình xử lý, các thông số bao gồm:

- Phương thức làm việc của nguồn sinh khí (liên tục hoặc gián đoạn)

- Yêu cầu về sản phẩm sau xử lý (mức độ sạch, kích thước hạt xử lý được)

Hình: Các loại buồng lắng bụi

a – Buồng lắng đơn giản b – Buồng lắng vách ngăn c – Buồng lắng tầng

1 – Thân 2 – Bồn chứa 3 – Vách ngăn 4 – Các tầng

Bụi chuyển động theo hai dòng: Chuyển động theo dòng khí và chuyển động do trọng lực

Hình 2: Hướng chuyển động của hạt bụi trong buồng lắng

Để tính toán thiết kế cũng như tính toán hiệu suất của buồng lắng bụi, chúng ta chấp nhận một số giả thiết như sau:

- Buồng lắng có cấu tạo hình hộp, nằm ngang với chiều dài L, chiều cao H và chiều rộng b, lưu lượng khí vào là V

- 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 đứng khi chạm đáy thì

được xem là bị giữ lại trong buồng lắng

Thời gian lưu của hạt bụi tính bằng công thức: Thời gian lưu lớn nhất = H/vl

Muốn lắng được hạt bụi trong phòng thì thời gian lưu lớn nhất này phải nhỏ hơn thời gian khí đi trong phòng

Thời gian lưu (T) =

H

- H là chiều cao của phòng lắng

Quan tâm đến bụi lắng tuân theo định luật Stock:

à

ρρ

d2

k b

k

18ρρ

ρρ

à

ư

=

18

Trong đó có: L.b=S là tiết diện ngang của phòng lắng →

g S

V d

ρρ

à

ư

=

18

*

Chú ý:

kiện bụi vào tại độ cao H của phòng

h g

S

V d

k b

18ρρ

à

ư

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 nhỏ (muốn tách nhiều bụi có kích thước nhỏ thì giảm h và tăng L) Muốn giảm h ta đặt liên tiếp nhiều sàn nằm ngang

có cơ cấu 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)

2 Phương trình quỹ đạo của hạt bụi

- Thành phần vận tốc ngang của bụi (theo trục x):

τ

V x b H

V v d

dx

sau khoảng thời gian t

- Thành phần vận tốc rơi thẳng đứng (theo trục y, tuân theo định luật stock):

τàà

d

dy

ư

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:

x V

b H d g Pb y

.18

2

Nhận xét:

- Quỹ đạo của hạt bụi là đường thẳng xuống dốc

- ứng với kích thước của buồng lắng cho trước (H.b = const) thì độ dốc quỹ đạo của hạt càng lớn (hạt rơi nhanh) khi đường kính hạt d và khối lượng đơn vị Pb càng lớn và lưu lượng khí cần lọc V và độ nhớt của môi trường à càng bé

Hình 3: Quỹ đạo chuyển động của hạt bụi trong buồng lắng

Rõ ràng là với hạt bụi có đường kính d này nếu khi đi vào buồng lắng tại vị trí ban

đầu của nó ở độ cao bằng hoặc thấp hơn h thì mới có thể bị giữ lại trong buồng lắng Còn các hạt cùng cỡ nằm ở độ cao lớn hơn độ cao h sẽ thoát được ra ngoài (đường quỹ đạo vượt xa hơn điểm N)  mỗi đường kính hạt bụi sẽ tương ứng với một độ cao nhất định

Từ phương trình quỹ đạo:

x V

b H d g Pb y

.18

2

1

d V

b H L g Pb y

Cũng từ (8), khi cho h = H (độ cao vào tối đa của hạt bụi) và d = dmin, thì:

2 min

18

d g Pb

V b

(9)

đây là công thức giúp chúng ta giải được bài toán ngược trong thiết kế, tính toán kích thước của buồng lắng bụi để đáp ứng các điều kiện lọc bụi cho trước {cấp hạt bụi lọc được và các

điều kiện thải cho trước như V (m3/h), Pb (kg/m3), à (Pa.s)}

Vd (bài toán ngược): Cần xác định kích thước buồng lắng bụi để lọc toàn bộ cỡ hạt có d ≥ 50àm có trong khói thải của lò nung Cho biết:

273

273(387

387

0 0

t t

C C

t

++

Thay các trị số đã biết, ta có:

2 2

6

6

2,26)10.50.(

981.1000.3600

5000.10.72,25.18

Nếu chọn L = 10m thì b = 2,6m ~ 3m

Giá trị độ cao H của buồng lắng có thể lựa chọn bất kỳ (có thể chứng minh điều này)

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

b) ưu điểm

- 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)

c) Nhược điểm

- Cồng kềnh, chiếm nhiều không gian

nhớt nhỏ và bụi có đường kính d > 40àm nếu hỗn hợp khí có độ nhớt lớn)

d) ứng dụng

Dùng tách sơ bộ bụi có kích thước lớn trước khi vào thiết bị tách bụi bậc cao (làm

giảm tải lượng) Đặt ở nhiều nơi ngay cả khi trên đường ống (làm rộng thêm nơi lắp đặt)

Hình 4: Lắp đặt buồng lắng bụi trên đường ống

3 Biện pháp nâng cao hiệu quả của buồng lắng

Hiệu quả lọc của buồng lắng đối với cỡ hạt có đường kính d là:

%100

) ( )

Từ (10), muốn nâng cao hiệu quả lọc đối với một cỡ hạt nào đó thì:

- h(d) phải tăng trong khi H = const

- Giữ h(d) không đổi và giảm chiều cao H với điều kiện đảm bảo năng suất lọc, tức là lưu lượng khí cần lọc không đổi

Ta có thể thay đổi hiệu suất lọc theo cách thứ 2 Tăng thêm số lớp lọc bằng cách chia

độ cao H thành các lớp có độ cao thành phần là Hi với số lần chia là n lần thì hiệu quả lọc sẽ tăng lên n lần tương ứng

4 Các dạng khác nhau của buồng lắng bụi

- Buồng lắng bụi nhiều ngăn

- Buồng lắng bụi có tấm chắn

2 Công nghệ xử lý bụi bằng Xyclone (lọc bụi dòng khí xoáy)

2.1 Nguyên tắc/nguyên lý hoạt động

Là thiết bị phổ biến để tách bụi (thô) Không

khí mang bụi đi vào thiết bị theo ống 1 nối theo

phương tiếp tuyến với thân hình trụ đứng 2 Phần

dưới của thân hình trụ có phễu 3 và dưới cùng là ống

xả bụi 4

Bên trong thân hình trụ có ống thoát khí sạch

5 lắp cùng trục đứng với thân hình trụ

Nhờ ống dẫn 1 lắp theo phương tiếp tuyến,

không khí sẽ có chuyển động xoáy ốc bên trong thân

hình trụ của xyclone và khi chạm vào ống đáy hình

phễu, dòng không khí bị dội ngược trở lên nhưng vẫn

giữ dược chuyển động xoáy ốc rồi theo ống 5 thoát

ra ngoài

Trong dòng chuyển động xoáy ốc, các hạt bụi

chịu tác dụng của lực ly tâm làm cho chúng có xu

hướng tiến dần về phía thành ống của thân hình trụ

rồi chạm vào đó, mất động năng và rơi xuống đáy

phễu

Trên ống xả 4 lắp các van 6 để xả bụi vào

thùng chứa

2.2 Đặc điểm cấu tạo

Từ 1 kích thước xác định (đường kính thân) có mối liên hệ với các kích thước khác

Hình 7: Mối quan hệ kích thước của các thành phần cyclone

2.3 Tính đường kính bụi có thể tách

Với các giả thiết:

- Các hạt bụi không ảnh hưởng tới dòng chuyển động

- Trong phần hình trụ, các hạt bụi phân bố đều và chuyển động cùng tốc độ

- Tốc độ khí đạt cực đại theo trục cyclon cố định

- Tốc độ theo bán kính (tốc độ ly tâm) không thay đổi

- Định luật Stock phù hợp với mọi đường kính

- Các hạt đều là hình cầu

a) Một số điều kiện giản ước khi tính hiệu quả thu bụi trong cyclone:

- Không tính đến sự ảnh hưởng của dòng xoáy của khí, đó là một trong những nguyên nhân gây phá vỡ sự lắng bụi bình thường của các hạt

- Thừa nhận các hạt có khối cầu không thay đổi kích thước, không bị kết 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 tạp nên không thể tính toán kết cấu và hiệu quả thu bụi trong cyclone trên cơ sở lý thuyết vì cơ sở lý thuyết không loại trừ các điều kiện giản ước nên kết quả tính toán được không trùng với kết quả nhận được trong thực tế

Khi dùng công thức để tính buồng cyclone, nghĩa là xét đến sự chuyển động của hạt bụi theo hướng ly tâm (đến tường cyclone) khi có sự cân bằng về lực ly tâm tác dụng lên hạt bụi và trở lực môi trường hạt bụi chuyển động Sau khi hai lực này cân bằng nhau, hạt sẽ chuyển động đến tường theo quán tính với tốc độ ùp=const

Giá trị lực ly tâm làm hạt chuyển động đến tường trong dòng khí chuyển động xoáy

à

πω d

P=3 p

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 với trở lực Từ thời điểm đó các hạt bụi sẽ chuyển động theo hướng tâm với tốc độ không đổi, khi đó có sự cân bằng:

àπω

ω

d R

Trong đó: d: đường kính hạt bụi, m

ρ: khối lượng riêng của hạt bụi, kg/m3

à: 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:

p

R R

ààρ

ωω

2 2 2

2

1 2 1 2 1

2

)(

18)(

d

R R d

R R R R R R

p

ư

=+

àω

ρπ

àτ

ρω

à

)(

9

2

)(

9

)(

1

2 2 2

2 1

2 2 min

n

R R n

R

R R R

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 đến hiệu quả thu bụi của cyclone:

- Khi tăng tốc độ ω sẽ cải thiện mức độ làm sạch khí trong cyclone Tuy nhiên, khi tốc độ khí quá lớn hiệu suất thu bụi tăng chậm lại Nếu tốc độ khí đạt tới hạn nào đó, do phụ thuộc vào cấu tạo cyclone và độ phân tán hạt bụi, hiệu suất thu bụi sẽ giảm do phát sinh dòng khí xoáy cản trở các hạt bụi lắng Tốc độ khí cho phép để lắng bụi có hiệu quả trong khoảng

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 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 # tăng lên khi tăng nhiệt độ làm giảm hiệu quả thu bụi trong cyclone

2.4 Tính tổn thất áp suất (∆P):

Trong đó:

- v là tốc độ thực tế trong cyclon

- ρ(k) là khối lượng riêng hỗn hợp khí và bụi

- ξ là hệ số cản trở thủy lực của cyclon (thông số kỹ thuật thiết bị)

Hiệu suất tách bụi của cyclon

Đường kính hạt d (àm) Cyclon thường (%) Cyclon bậc cao D<0,25m (%)

50-80 80-95 95-99

>99

2.5 Kết cấu xả bụi của cyclone

Thông thường ở đáy phễu cyclone có áp suất âm (áp suất tương đối) do đó, khi mở van 6 không khí bên ngoài sẽ bị hút vào cyclone từ dưới lên trên và có thể làm cho bụi đã lắng đọng ở đáy phễu bay ngược lên và theo không khí thoát ra ngoài qua ống 5 làm mất tác dụng của việc lọc bụi Vì lý do đó, yêu cầu đầu xả bụi phải đảm bảo hệ thống kín để không khí không thoát ra ngoài theo đầu xả bụi này

Dưới đây là một số cơ cấu của đầu xả bụi trong cyclone

Hình 8: Các cơ cấu xả bụi của cyclone

- Dễ bị bào mòn bởi dòng khí bụi

- Hiệu suất thấp với bụi có d < 5àm

2.7 Lựa chọn cyclone

Yêu cầu đặt ra đối với việc tính toán thiết kế hoặc lựa chọn cyclone là phải đáp ứng

được các thông số kỹ thuật sau đây:

- Lưu lượng không khí cần lọc

- Hiệu quả lọc

- Tổn thấp áp suất

- Diện tích, không gian chiếm chỗ, giá thành thiết bị

Mối quan hệ phức tạp của các thông số trên cùng với một số lượng lớn các số liệu thiết kế khác làm cho việc tính toán lựa chọn tối ưu xyclone thêm phức tạp và khó khăn Thông thường người ta luôn luôn ưu tiên lựa chọn loại cyclone có lưu lượng phù hợp đồng thời có hiệu quả lọc cao và tổn thất áp suất bé

2.8 Cyclone chùm

Khi lưu lượng khí lớn, người ta ứng dụng phối hợp các cyclone Điều này cho phép xử

lý một khối lượng khí lớn mà không tăng đường kính cyclone do đó ảnh hưởng tích cực đến hiệu quả xử lý Trong sơ đồ nhóm cyclone, khí nhiễm bụi đi vào chung một ống rồi sau đó

được phân phối cho các xyclone thành phần Trường hợp này các xyclone đứng thành phần này được lắp song song với nhau trong một thiết bị hoàn chỉnh (còn gọi là cyclone chùm) Số lượng các cyclone con trong cyclone chùm có thể lên đến hàng trăm chiếc, tuỳ theo năng suất của thiết bị

Hiệu quả lọc của cyclone chùm cũng bằng hiệu quả lọc của các cyclone con riêng biệt Đường kính cyclone càng bé thì sức ly tâm càng lớn và do đó hiệu quả lọc càng cao, về mặt tổn thất áp suất cũng tương tự như các cyclone thành phần (do lắp song song)

Hình 9: Cyclone chùm

1 - ống vào 2 – Buồng chứa khí sạch 3 – Vành khuyếch tán 4 – Cyclone thành phần

5 – Thùng chứa 6 – Cửa ngăn bụi

2.9 Cyclone tổ hợp

Cyclone tổ hợp là liên kết của một số lớn các cyclone nhỏ vào cùng một nhóm Giảm

đường kính cyclone thành phần với mục đích tăng hiệu quả làm sạch khí Các cyclone thành phần trong nhóm có đường kính 100, 200 hoặc 250mm Vận tốc tối ưu trong cyclone thành phần nằm trong khoảng 3,5 – 4,5 m/s Các cyclone thành phần được lắp nối tiếp với nhau

Hình 10: Cyclone tổ hợp

Khi hai cyclone cùng loại lắp với nhau thì hiệu quả lọc của hệ thống có cao hơn so với hiệu quả lọc của từng cyclone làm việc riêng rẽ, tuy nhiên sự tăng hiệu quả lọc ấy không nhiều trong lúc sức cản thì tăng gấp đôi so với một cyclone

Sự tăng hiệu quả lọc của hệ thống 2 cyclone lắp nối tiếp đáng xem xét là hiệu quả lọc theo từng cỡ hạt chứ không phải là hiệu quả lọc tổng cộng vì khi lực tách bụi trong 2 cyclone hoàn toàn như nhau thì cyclone thứ 2 không thể tách được cỡ bụi có kích thước nhỏ hơn so với cyclone thứ nhất

- Đường kính bụi > đường kính lỗ xốp thì các hạt bụi được giữ lại trên bề mặt màng

lọc như quá trình sàng thông thường (hay còn gọi là quá trình rây)

- Đường kính bụi < đường kính lỗ xốp, bụi sẽ được giữ lại trong thể tích của vật liệu

lọc tạo thành 1 môi trường lọc mới đối với những hạt bụi đến sau (quá trình lọc)

Chú ý: Tuỳ theo mức độ tách bụi của các hạt bụi mà khả năng khí đi qua lớp vật liệu lọc mới

tạo thành từ bụi sẽ bị biến đổi, bị giảm và cần thiết phải đào thải, phá vỡ lớp bụi lắng mới tạo thành Do đó ta phải tái sinh vật liệu lọc theo chu kỳ

Quá trình lọc xảy ra trong lưới lọc bụi có thể được chia thành 02 giai đoạn Giai đoạn

đầu xảy ra quá trình giữ bụi trong lớp lưới sạch, lúc này có thể xem rằng sự thay đổi cấu trúc của lớp lưới lọc do bụi bám và các nguyên nhân khác là không đáng kể Giai đoạn này được xem như là giai đoạn ổn định Hiệu quả lọc và sức cản khí động của giai đoạn này được xem như không thay đổi theo thời gian và được xác định bởi cấu trúc của lớp vật liệu lọc, tính chất của bụi và chế độ chuyển động của dòng khí

Giai đoạn hai của quá trình lọc được gọi là giai đoạn không ổn định do có sự thay đổi cấu trúc của lớp lưới lọc bởi nhiều hạt bụi bị giữ lại trong đó, ảnh hưởng của độ ẩm hoặc bởi các nguyên nhân khác làm cho sức cản khí động và hiệu quả lọc của lưới lọc thay đổi rõ rệt

Quá trình bắt giữ bụi trong lưới lọc diễn ra trên cơ sở những hiện tượng sau đây: khi dòng khí mang bụi đi qua lưới lọc, các hạt bụi tiếp cận với các sợi của vật liệu lọc và tại đó xảy ra các tác động tương hỗ giữa hạt bụi và vật liệu lọc Các tác động tương hỗ này phụ thuộc vào kích thước tương đối và vận tốc của hạt bụi, loại vật liệu lọc cũng như sự có mặt của các lực tĩnh điện, lực trọng trường hoặc lực nhiệt

b) Phân loại (gồm 03 loại)

* Lọc tinh: tách bụi có d <1àm

- Hàm lượng bụi trong khí thấp <1mg/m3

- Tốc độ khí đi trong thiết bị thấp <1m/s

- Vật liệu lọc sử dụng từ 6 tháng đến 5 năm thì được thay mới bằng màng lọc mới

- Sử dụng trong các quá trình xử lý như dược phẩm, các nhà máy chế tạo thiết bị bán dẫn hoặc lọc khí sạch trong các phòng thí nghiệm…

* Lọc bụi thường (phổ biến)

- Thường sử dụng đối với khí có kích thước >1àm, hàm lượng <50mg/m3, vận tốc khí <10m/s (thường 2,5-3 m/s) và tập hợp bụi có kích thước khác nhau và thường phải có công cụ rũ bụi

(lắc, rung, thổi ngược dòng hoặc dùng xung điện) vật liệu lọc có thể bằng vải, xơ sợi, lọc dầu, hạt

- Tuỳ thuộc vào tính chất của bụi mà màng lọc có thể được tái sử dụng hay không

* Lọc công nghiệp: 3 loại ( lọc bụi có kích thước lớn) nồng độ bụi >50mg/m3, có tái sinh

• Lọc túi vải : (lọc tay áo - đường kính túi nhỏ) Vật liệu lọc làm bằng vật liệu có khả

năng đan, dệt thành túi ống Ban đầu bụi lắng trên bề mặt lớp vải tạo lớp lọc mới bằng bụi, sau đó mới bắt đầu lọc ặ η lọc bụi cao Khi lớp bụi dày ặ tái sinh lớp vải lọc Thường sử dụng công cụ rũ bụi, bụi sẽ long ra nhưng vẫn còn lớp bụi giữa màng vải

để bảo đảm hiệu suất tách bụi cao Thiết bị làm việc gián đoạn Để làm việc liên tục

ặ bộ lọc nhiều túi (bộ lọc này thay nhau lọc và tái sinh lọc)

• Lọc bằng xơ sợi: Vật liệu lọc thô hơn, phân bố để xơ sợi trên bề mặt lọc dưới dạng

các tấm phẳng mỏng Nhược điểm của thiết bị không tái sinh vật liệu lọc

Hình 11: Màng lọc bụi bằng xơ sợi

• Lọc dạng hạt: Thiết bị gồm nhiều hạt hình cầu hoặc hình dạng khác xếp thành đống

sử dụng để lọc khí như cát, xỉ, phoi bào, than Giá thành thiết bị rẻ, vật liệu dễ kiếm,

có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, môi trường độc hại, chịu được những va đập lớn

và biến đổi đột nhột nhiệt độ Nhược điểm là hiệu suất không lớn đối với bụi nhỏ

Hình 13: Thiết bị lọc tay áo

- Vật liệu lọc là vải bông, len, vải tổng hợp, sợi thủy tinh

- Đường kính túi vải <600mm, thường ở dạng 127 - 300mm

- Chiều dài túi lớn nhất đảm bảo tỷ lệ L/d=30/1 (16/1-20/1)

- Khí đi từ trên xuống hoặc từ dưới lên

- Số lượng túi 8-15 túi/bộ (cá biệt 100 túi/bộ)

- Chiều: Bụi từ dưới lên làm hạn chế chiều dài túi và khó lấy bụi khi rung lắc; Bụi từ

trên xuống chiều dài túi lớn hơn, nhưng nguy hiểm dễ rách vì phần trên túi rất nặng và cơ cấu

căng túi phức tạp

- Nồng độ bụi còn lại sau vải lọc khoảng 10 – 50mg/m3

- Lưu lượng khí dùng để tái sinh vật liệu lọc:1,5-1,8 m3/m2/phút

Tải lượng khí Len bông Vải tổng hợp Vải thuỷ tinh

Các yêu cầu đối với vải lọc:

- Khả năng chứa bụi cao và ngay sau khi phục hồi bảo đảm hiệu quả lọc cao

- Giữ được khả năng cho khí xuyên qua tối ưu

- Độ bền cơ học cao khi nhiệt độ cao và môi trường ăn mòn

Hình 14: Các cách phân bố dòng khí đi qua lớp vải lọc

* Lọc xơ sợi

Thành phần lọc của thiết bị lọc dạng này gồm một hoặc nhiều lớp, trong đó các sợi vải được phân bố đồng nhất Trong thiết bị lọc sợi bụi được thu hồi và tích tụ theo chiều dày của lớp lọc Vật liệu lọc là các sợi tự nhiên hoặc nhân tạo có đường kính từ 0,01 đến 100 micromet Chiều dày của lớp lọc có thể từ vài phần ngàn mét cho đến 2 mét

Vật liệu xơ sợi dùng làm lưới lọc có rất nhiều loại khác nhau Đối với lưới lọc làm việc trong điều kiện bình thường người ta có thể dùng các loại sợi hoặc cactong từ hỗn hợp của amiang và xenlulozo, len, bông vải hoặc sợi tổng hợp Đối với lưới lọc ở nhiệt độ cao, vật liệu được dùng phổ biến nhất để chế tạo lưới lọc là bông thuỷ tinh, sợi bông thạch anh, sợi bazan, sợi than chì, sợi kim loại …giới hạn nhiệt độ cho phép đối với loại vật liệu này nằm trong khoảng 400 – 10000C

Ngoài ra, vật liệu sợi làm lưới lọc cần phải có tính bền vững đối với hoá chất, không

bị phá huỷ bởi các loại hơi hoặc bụi axit, kiềm và các dung môi hữu cơ

- Lọc đệm (hạt vật liệu rời): trong dạng màng lọc này, các thành phần lọc (hạt,

than cốc…việc chọn vật liệu phụ thuộc nhiệt độ, tính ăn mòn của khí Các thông số bao gồm:

bằng phương pháp tưới nước hoặc rung ngay trong thiết bị

Hình 15: Thiết bị lọc bụi với lớp hạt vật liệu rời chuyển động

- Lọc lớp hạt cứng: Trong lưới lọc dạng này các hạt liên kết với nhau nhờ thiêu kết,

dập hoặc dán và tạo thành hệ thống cứng không chuyển động Đó là sứ xốp, kim loại xốp, nhựa xốp Lớp lọc loại này bền chặt, chống ăn mòn và chịu tải lớn Chúng được ứng dụng để lọc khí nén Nhược điểm của lưới lọc dạng này là giá cao, trở lực lớn, khó phục hồi Phục hồi

có thể được thực hiện bằng 4 phương pháp sau: i) thổi khí theo chiều ngược lại, ii) cho dung dịch lỏng đi qua theo chiều ngược lại, iii) cho hơi nóng qua theo chiều ngược lại, iv) gõ hoặc rung lưới lọc

* Tái sinh vật liệu lọc:

9 Thổi không khí theo hướng ngược với dòng khí ban đầu

9 Sử dụng dung dịch lỏng chảy theo hướng ngược

9 Dùng hơi nóng đi qua đốt cháy hỗn hợp bụi

9 Sử dụng công cụ rung lắc

d) ưu điểm

- Khả năng tách bụi kích thước nhỏ (<1àm)

- Có thể làm việc với nhiều loại bụi khác nhau

- Thiết bị gọn nhẹ, tốn ít diện tích

- Dễ điều khiển vận hành

- Hiệu suất tách bụi cao

e) Nhược điểm

- Không thích hợp với khí bụi có độ ẩm cao ặ bết (ví dụ như nước ta)

- Tách bụi phụ thuộc vào nhiều tính chất của vật liệu lọc và nếu tái sinh không tốt sẽ gây tắc bụi từng bộ phận

- Giá thành vật liệu lọc cao nếu muốn đạt hiệu suất cao (trường hợp khí bụi có tính chất đặc biệt như ăn mòn, nhiệt độ cao, tỷ lệ bụi có đường kính nhỏ cao)

f) Phạm vi ứng dụng

- Läc bôi kh«ng khÝ xung quanh (läc tinh)

- Läc bôi c«ng nghiÖp cã ®−êng kÝnh nhá (nhµ m¸y xi m¨ng, nhiÖt ®iÖn, gèm sø, thùc phÈm, b¸n dÉn)

4 Công nghệ xử lý bụi bằng phương pháp tĩnh điện (ESP - Electrostatical Preciptator)

a) Nguyên tắc

Trong thiết bị lọc điện dòng khí được xử lí bụi nhờ tác dụng của lực điện Các hạt bụi

được tích điện và dưới tác dụng của trường điện chúng chuyển động đến gần và lắng trên các bản điện cực Sự tích điện diễn ra trong trường phóng điện quầng sáng, theo hai cơ chế: dưới tác dụng của điện trường (các hạt bị bắn phá bởi các ion chuyển động theo hướng điện trường) và bởi sự khuếch tán của các ion Cơ chế thứ nhất chiếm ưu thế khi kích thước hạt lớn hơn 0,5àm, cơ chế thứ hai - hạt nhỏ hơn 0,2àm Đối với các hạt đường kính 0,2-0,5àm cả hai cơ chế đều hiệu quả Trường lực được tạo ra bởi hai điện cực Một điện cực - cực âm - quầng sáng để tích điện cho các hạt là các dây dẫn mảnh được bố trí ở một khoảng cách nhất định

Điện cực thứ hai - cực lắng, có bề mặt rộng hơn Hình dạng của chúng rất đa dạng: dạng phẳng hoặc dạng lưới tấm, dạng gợn sóng, dạng trụ, dạng lòng máng Các yêu cầu cơ bản đối với các điện cực lắng là bền cơ học, cứng và có khả năng tách bụi khi rung, lắc

Trên hình giới thiệu sơ đồ thiết bị lọc điện khô

Hình 16: Thiết bị lọc bụi tĩnh điện dạng ống

1 - Điện cực lắng 2 - điện cực quầng sáng 3 – khung 4 – bộ phận giũ bụi 5- cách điện

Khí đi vào thiết bị lọc từ phía dưới qua hệ thống điện cực được làm sạch và được đuổi

ra từ phần trên của thiết bị Thiết bị được trang bị cơ cấu rung để làm sạch bụi trên điện cực Thiết bị lọc điện khi thu hồi hạt có kích thước 0,5àm đạt hiệu suất 99% và hiệu suất giảm khi vận tốc dòng khí tăng

Trong công nghiệp, người ta còn sử dụng thiết bị lọc điện ướt, trong đó việc làm sạch các điện cực được thực hiện bằng cách tưới qua vòi phun Thiết bị lọc điện ướt được ứng dụng để thu hồi bụi, sương các axit khác nhau

Hiệu quả của thiết bị lọc điện phụ thuộc tính chất của bụi và khí, vận tốc và tính đồng

đều phân phối dòng bụi trong tiết diện thiết bị Hiệu thế càng cao và vận tốc khí càng thấp, hiệu quả thu hồi bụi càng cao

Thiết bị lọc điện xử lí thể tích khí lớn khỏi các hạt bụi kích thước từ 0,01 đến 100àm

cho xử lí 100m khí khoảng (0,36-1,8)x10J Bụi có độ dẫn điện càng cao thì hiệu quả thu hồi chúng trong thiết bị lọc điện càng lớn Thành phần khí và bụi ảnh hưởng đến độ dẫn của nó

trăm ngàn hay vài phần trăm trong khí cũng làm tăng đáng kể độ dẫn điện của bụi Nếu vận tốc khí trong thiết bị lọc điện tăng thì hiệu quả xử lí giảm và ngoài ra còn tăng khả năng lôi cuốn bụi theo dòng khí

b) Nguyên lý hoạt động

Khí thải qua hệ thống 2 điện cực Điện cực nối đất là điện cực lắng vì bụi được lắng chủ yếu trên điện cực này Điện cực 2 là điện cực quầng, điện cực này được cung cấp bởi dòng điện 1 chiều có điện thế cao tạo ra cường độ điện trường lớn và sự ion hoá mãnh liệt thành 1 quầng sáng bao phủ xung quanh điện cực này Các ion khí được tạo ra ở vùng này dưới tác dụng của lực điện trường sẽ chuyển động về phía điện cực trái dấu Sự chuyển dịch này tạo dòng điện

Bụi đi qua không gian giữa 2 điện cực, các ion bám dính vào bề mặt bụi và bụi mang

điện chuyển động về điện cực trái dấu lắng lại trên bề mặt điện cực lắng Tuỳ theo mật độ lắng trên bề mặt điện cực lắng mà định kỳ rung lắc hoặc xối nước

Quá trình xử lý bụi bằng phương pháp tĩnh điện bao gồm bốn bước:

i) Tích điện cho bụi:

Bụi đi qua điện trường sẽ giữ số ion trên bề mặt càng nhiều thì điện tích của bụi càng lớn hình thành 1 điện trường ngược với điện trường cơ bản ban đầu Vì vậy vận tốc chuyển

động của các ion tiếp theo sẽ giảm, nghĩa là giảm khả năng tích điện ion trên bề mặt bụi

Khi cường độ điện trường bằng cường độ điện trường trên điện cực -> các ion không bám vào bụi nữa -> bụi đạt điện tích tới hạn

* Với bụi có d>0,15àm thì q= 3π.(ε/ε+2).ε0.d2.E0

Trong đó:

- q là điện tích hạt bụi (c)

không gian bình thường ε=1,0006; với môi trường chất rắn ε =6-8)

- ε0 là khoảng cách tự do giữa các điện tử trong trường đó; ε0 =8,85.10-2c/v.m

- d là đường kính trung bình của hạt bụi

- E0 là cường độ điện trường giữa 2 điện cực

* Với hạt bụi có d<0,15àm ta có:

q = n.e = 2.108.e.r

Trong đó:

- n là số lượng điện tích nguyên tố hạt bụi tích được

- e là điện tích của hạt bụi tích được

- r đường kính hạt

ii) Chuyển động của bụi trong điện trường

Hạt bụi chịu tác dụng của nhiều lực khác nhau: lực điện trường; trọng trường; lực cản