Báo cáo chuyên đề: Tìm hiểu các công trình đơn vị trong khuấy trộn thủy lực

Mụctiêu của quá trình trộn là đưa các phần tử hóa chất vào trạng thái phân tán đều trongmôi trường nước khi phản ứng xảy ra, đồng thời tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhất giữachúng với các p

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):

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):

MỤC LỤC

A KẾ HOẠCH THỰC HIỆN 4

1 LỜI MỞ ĐẦU 4

2 MỤC TIÊU 4

3 NỘI DUNG 4

4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 6

1.2 KHUẤY TRỘN 7

1.2.1 Định nghĩa 7

1.2.2 Phân loại 8

1.3 KHUẤY TRỘN THỦY LỰC 9

1.3.1 Giới thiệu 9

1.3.2 Gradient tốc độ 9

1.3.3 Sự tiêu tán năng lượng trong trộn thủy lực 10

1.3.4 Một số công trình khuấy trộn thủy lực 10

1.3.4.1 Bước nhảy thủy lực 10

1.3.4.2 Ống Venturi 11

1.3.4.3 Kênh hẹp Parshall (Parshall flume) 12

1.3.4.4 Khuấy trộn tĩnh 13

CHƯƠNG 2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC (HYDRAULIC JUMP)15 2.1 NĂNG LƯỢNG CỤ THỂ (specific energy) 15

2.1.1 Năng lượng cụ thể 15

2.1.2 Độ sâu tới hạn và vận tốc tới hạn 16

2.2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC 18

2.2.1 Giới thiệu 18

2.2.2 Ứng dụng 19

2.2.3 Phân loại 19

2.2.4 Tính toán trong bước nhảy thủy lực 21

2.2.4.1 Nước dâng trong bước nhảy thủy lực 21

2.2.4.2 Năng lượng mất đi do bước nhảy thủy lực 23

2.2.4.3 Chiều dài bước nhảy 23

2.2.4.4 Thể tích và thời gian lưu giữ 24

2.2.4.5 Bài tập ứng dụng 24

CHƯƠNG 3 MÁY TRỘN TĨNH (static mixers) 26

3.1 GIỚI THIỆU 26

3.2 HOẠT ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI 27

3.2.1 Hoạt động cơ bản nhất của máy trộn.[15] 27

3.2.2 Phân loại máy trộn 27

3.3 ỨNG DỤNG[10] 28

3.3.1 Ứng dụng máy trộn tĩnh trong xử lý hóa học, vật lý của nước 28

3.3.2 Ứng dụng trộn phèn trong keo tụ tạo bông 29

3.3.3 Hòa trộn chất lỏng có độ nhớt cao và hoạt hóa tối ưu quá trình kết bông (Sơ đồ 3) 30

3.3.4 Kiểm soát hoặc trung hòa pH 31

3.3.5 Hòa trộn chất khử trùng 33

3.4 TÍNH TOÁN TRONG MÁY TRỘN TĨNH 34

3.4.1 Quy trình thử nghiệm 34

3.4.2 Kết quả của thực nghiệm và tính toán các thông số của máy trộn tĩnh 35

3.4.2.1 Hệ số ma sát 35

3.4.2.2 Các yếu tố pha trộn và hệ số Reynolds 36

3.5 THIẾT KẾ MÁY TRỘN TĨNH CƠ BẢN 37

3.5.1.1 Giới thiệu máy trộn SMV 37

3.5.1.2 Cấu tạo và hoạt động 39

3.5.1.3 Đặc điểm của máy trộn SMV 40

3.5.2 Dòng máy trộn FMX 41

3.5.2.1 Tính số Reynolds 41

3.5.2.2 Lựa chọn thiết bị dựa trên số Reynolds 41

3.5.2.3 Xác định sự sụt giảm áp lực 42

CHƯƠNG 4: KHUẤY TRỘN WEIRS 45

4.1 GIỚI THIỆU VỀ WEIRS 45

4.2 PHÂN LOẠI WEIR(21) 47

4.2.1 Kiểu hình vuông 47

4.2.2 Kiểu weirs kết hợp 48

4.2.3 Cipolletti weir 48

4.2.4 weir tam giác 48

4.3 NĂNG LƯỢNG TRỘN CỦA WEIR 49

4.4 VÍ DỤ TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 50

4.4.1 Ví dụ 50

4.4.2 Thiết kế đầu vào của bể (21) 51

4.5 MỘT SỐ ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA TRỘN WEIR 51

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

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 ngàycàng đầy đủ, tiện nghi hơn Tuy nhiên, mặt trái của phát triển này là ô nhiễm môitrường ngày một tăng cao, trong đó, ô nhiễm nước là một vấn đề lớn, gây nhiều hậuquả nghiêm trọng Việc xử lý cả nước thải và nước cấp sử dụng với các mục đích khácnhau là điều cần thiết và mang tính tất yếu, trong đó trộn đóng vai trò quan trọng Mụctiêu của quá trình trộn là đưa các phần tử hóa chất vào trạng thái phân tán đều trongmôi trường nước khi phản ứng xảy ra, đồng thời tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhất giữachúng với các phần tử tham gia phản ứng, việc này được thực hiện bằng cách khuấytrộn để tạo ra các dòng chảy rối trong nước Hiệu quả của quá trình trộn phụ thuộc vàocường độ và thời gian khuấy trộn Cường độ khuấy trộn phụ thuộc trực tiếp vào nănglượng tiêu hao để tạo ra dòng chảy rối Thời gian khuấy trộn hiệu quả được tính chođến lúc hóa chất đã phân tán đều vào nước và đủ để hình thành các nhân keo tụ, nhưngquá lâu làm ảnh hưởng đến các phản ứng tiếp theo Thời gian khuấy trộn phụ thuộc rấtnhiều vào loại hóa chất cần trộn

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

 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

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 Lýthuyết 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 trongkhoảng 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 viếtcủa 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 bẳngvan, bước nhảy thủy lực

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

Năm 1961, Skeat nhận ra chất hóa học nên được phân phối một cách nhanh chóng vàcân bằng xuyên suốt các khối nước được xử lý Đó là một thực tiễn, thông thường đểđưa chất hóa học vào một điểm hỗn loạn cao với thời gian trộn 30 – 60s Một đầu phunnhỏ giọt có độ sâu 0.23 – 0.46m được đề nghị cho phương pháp đập nước hoặc trongkênh Về bể trộn, ông ấy đề nghị 3 -6 kw/m3/s Những thiết kế bể có thể thực hiện đượcbao 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 sửdụng như những từ gần đồng nghĩa Khuấy trộn là việc cho vào hai hoặc nhiều các phakhuếch 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 nàybằng một loại cánh khuấy Cát, sỏi và xi măng được dùng trong việc chế tạo bê tông cóthể 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, tạobông và khử trùng Ngoài ra, khuấy trộn cũng yêu cầu những chất hóa học dạng rắnhòa tan được (vôi), đến việc hòa tan nhũ tương polyme, hòa tan polyme rắn, hóa tanchất 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 baogồm 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 vìnhững cái máy móc dụng cụ được đặt dưới sàn, trong đường ống, trong những buồngchứa, 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 vànước 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 Khuấytrộn thủy lực lợi dụng dòng chảy của nước để tạo sự rung động

cơ khí

Khuấy trộn bằng khíKhuấy trộn

Bộ khuếch tánkhông 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 sửdụng Khuấy trộn thủy lực dùng năng lượng của một dòng chảy chất lỏng để tạo ra sứcmạnh cần thiết cho sự trộn Chất lỏng này đã phải được cung cấp năng lượng trước khiđạt đến điểm khuấy trộn thủy lực xảy ra Việc cần thực hiện ở điểm khuấy trộn đơngiản 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 vàonhững 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 dòngchảy (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]

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 kỳquá trình thủy lực nào, năng lượng bị tiêu tan thông qua sự ma sát () Vì thế, nănglượng 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 khốilượng riêng  là khối lượng trên một đơn vị thời gian Nếu tích này nhân với thì kếtquả là năng lượng, vì thế:

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 từtrạng thái chảy nhanh sang trạng thái chảy tĩnh một cách đột ngột, đi kèm với nó là sựxáo trộn đáng kể và tiêu hao năng lượng Tại điểm xảy ra bước nhảy thủy lực, do quátrình xáo trộn tăng nhanh nên việc khuấy trộn các vật liệu trong dòng chảy đồng đềutheo chiều ngang lẫn chiều dọc Levy và Ellms (1927) đã dùng bước nhảy thủy lực đểtrộn phèn với nước thô trong quá trình xử lý nước Họ thấy rằng, bước nhảy thủy lực làmột 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 dốctrượt Trong đó, trạng thái nước chảy nhanh và chảy tĩnh sẽ được hình thành, tươngứng 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 trongmột chất lỏng chảy dọc theo một đường dẫn là giống nhau ở hai điểm bất kỳ trong conđường đó Công thức đơn giản của dòng chảy không nén (chất lỏng chuyển động vớinhững thay đổi không đáng kể trong tỷ trọng) là:

chảy của chất lỏng, bằng cách thắt lại trong một ống hình dạng hình nón Trong khônggian giới hạn, các chất lỏng phải tăng vận tốc của nó đồng áp lực của nó giảm sẽ tạo ramột chân không một phần Khi chất lỏng rời khỏi thắt, áp suất của nó tăng trở lại vớimức 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 sựkhuấy 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 thựchiện việc khuấy trộn nhanh Sự khác biệt chỉ là hình dạng hình học của nó với thiết bịbước nhảy thủy lực Nó được chỉnh sửa theo hình dạng ống venturi Ờ phía đầu là mộtphần hội tụ với một tầng cấp, ở giữa là một nút thắt với một sàn dốc xuống, và phíacuối một phân kỳ với sàn dốc đi lên.Quá trình khuấy trộn hiệu quả xảy ra khi bướcnhảy 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 ốngvới mục tiêu thao tác dòng chất lỏng để phân chia, tái kết hợp, tăng tốc / giảm tốc, hoặchình thức phân chia lớp khi đi qua máy trộn Do những những thay đổi trong dòngchảy chất lỏng, thành phần hỗn hợp được đưa vào tiếp xúc với nhau Do đó, máy trộntĩnh được sử dụng không chỉ sử dụng cho các yêu cầu pha trộn đúng mà còn trong quátrình phản ứng Thiết kế khác nhau, thường bao gồm các tấm vách ngăn hoặc vị trítrong 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 hầuhết các trường hợp, trộn hiệu quả chỉ xảy ra đầy đủ khi chiều dài thực tế của ống Chènmột máy trộn tĩnh tăng tốc đáng kể trộn nội tuyến hoặc phản ứng Kỹ thuật này về cơbản là mong muốn bất cứ nơi nào một hoạt động liên tục, không tốn kém và nhanhchóng được yêu cầu Vì không có bộ phận chuyển động trong máy trộn tĩnh, nó là cơbản 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 haybuộc phải thông qua máy trộn sử dụng máy bơm bên ngoài, tổn thất áp suất là mộttrong những hậu quả của trộn tĩnh và đôi khi là yếu tố hạn chế trong việc lựa chọn máytrộn

Các máy trộn tĩnh tốt nhất là một trong đó cung cấp chất lượng trộn mong muốn ở sựsụt giảm áp suất thấp nhất, cho chi phí lắp đặt thấp nhất và phù hợp trong không gian

có sẵn Lý tưởng nhất, nó sẽ là hữu ích để kiểm tra khả năng pha trộn của mỗi loại khácnhau có sẵn với các vật liệu thực tế để được xử lý Tuy nhiên, trong một ý nghĩa thiếtthực, đó là không thể Nó là cần thiết phải dựa vào các khuyến nghị và các tài liệu củacác nhà cung cấp máy trộn khác nhau

Hình 1.7: Các thiết bị trộn tĩnh được thiết kế sẵn

CHƯƠNG 2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC (HYDRAULIC JUMP)

2.1 NĂNG LƯỢNG CỤ THỂ (specific energy)

Ngoài ra năng lượng cụ thể được hiểu là:

Năng lượng tĩnh (thế năng)

: năng lượng tĩnh (thế năng)

Động năng

Hình 2.2: Đồ thị biểu diễn năng lượng cụ thể

2.1.2 Độ sâu tới hạn và vận tốc tới hạn

Ở biểu đồ hình (Biểu đồ năng lượng cụ thể), ta có thể thấy năng lượng cụ thể thấp nhấttại điểm C Độ sâu của dòng nước trong kênh, tương ứng với năng lượng cụ thể nhỏnhất (điểm C) được gọi là độ sâu tới hạn Độ sâu này có thể được tìm thấy bằng cáchđạo hàm công thức năng lượng cụ thể với kết quả bằng 0

Thay thế , ta có:

Với

q là lượng xả trên một đơn vị chiều rộng

Vì dòng chảy là tới hạn, nên chỉ số c được thêm vào, do đó:

Với hc: độ sâu tới hạn

Nếu độ sâu của nước nhỏ hơn độ sâu tới hạn, dòng chảy được gọi là siêu tới hạn

2.2 BƯỚC NHẢY THỦY LỰC

2.2.1 Giới thiệu

Chúng ta có thể thấy đồ thị năng lượng cụ thể (hình 2.2), có 2 vị trí h1 và h2 Độ sâu h1

nhỏ hơn độ sâu tới hạn, và độ sâu h2 cao hơn độ sâu tới hạn

Như đã biết, khi độ sâu nước nhỏ hơn độ sâu tới hạn, dòng chảy được gọi là dòng chảyyên tĩnh hoặc dòng chảy chưa tới hạn Nhưng khi độ sâu cao hơn độ sâu tới hạn, dòngchảy được gọi là dòng chảy nhanh hay dòng chảy siêu tới hạn Việc chuyển đổi từ dòngchảy nhanh thành dòng chảy yên tĩnh xảy ra khi có một “Bước nhảy thủy lực” đượcthực hiện

Hình 2.3: Cấu tạo bước nhảy thủy lực

Các đặc điểm sau đây có liên quan đến quá trình chuyển đổi từ dòngchảy nhanh sang dòng chảy tĩnh:

Tại nơi bước nhảy thủy lực xảy ra, rất nhiều năng lượng của dòng chảy tiêu tán (chủyếu chuyển thành năng lượng nhiệt) Ngoài ra, trong bước nhảy thủy lực, nước chảyvới độ sâu lớn hơn, do đó vận tốc cũng thấp hơn

Sinh ra sự hỗn loạn với tốc độ dòng và áp lực đáng kể

Sự rung động do áp lực lẫn tốc độ và hình thành những con sóng ở hạlưu sau bước nhảy

Phát sinh âm thanh và tiêu hao năng lượng là kết quả của sự hỗnloạn

Nâng cao mực nước hạ lưu trong các kênh thủy lợi

Hoạt động như một thiết bị trộn cho việc bổ sung và pha trộn hóa chất trong côngnghiệp, nhà máy nước và xử lý nước thải

Hình 2.4: Thiết bị trộn Bước nhảy thủy lực[8]

2.2.3 Phân loại

Ảnh hưởng của trọng lực lên dòng chảy được đại diện bởi một tỷ lệ của lực quán tính với trọng lực Tỷ lệ này được tính bằng số Froude, được định nghĩa như sau:

Với V vận tốc dòng chảy (m/s)

L chiều dài đặc trưng (m)

g gia tốc trọng trường (m/s2)

Tại vị trí dòng chảy tới hạn, số Froude = 1, với L = h, hoặc

Khi độ sâu của dòng chảy lớn hơn độ sâu tới hạn, vận tốc dòng chảy nhỏ hơn vận tốctới hạn cho việc thải được đưa ra, và lúc này trường hợp, số Froude nhỏ hơn 1, do đó,dòng chảy là chưa tới hạn Khi chiều sâu dòng chảy nhỏ hơn độ sâu quan trọng, hoặc

số Froude là lớn hơn 1, dòng chảy là siêu tới hạn.Bước nhảy thủy lực có thể xảy ra theonhiều hình thức khác nhau, dựa về số Froude của dòng siêu tới hạn thượng nguồn củadòng chảy, nhiều loại có thể phân biệt

Bảng 2.1: Bảng phân loại các bước nhảy thủy lực

Froude Kiểu bước

nhảy

1 – 3 Lượn sóng

Bề mặt nước chothấy sự uốn lượn

Các hạt lăn tănnhỏ xuất hiện trên

bề mặt của bướcnhảy

Vận tốc xuyên suốtkhá đồng đều và

sự mất năng lượngthấp

6 – 20 Dao động

Dao động phản lực

từ ở dưới lên đến

bề mặt của bướcnhảy không có chukỳ

Mỗi dao động tạo

bề mặt lõm chõm.Bước nhảy thựchiện khó khănnhưng hiệu quả vìnăng lượng tiêuhao có thể lên đến

Phạm vi của số Froude được đưa ra trong bảng 2.1 cho các bước nhảy thủy lực khácnhau là không rõ ràng, có thể chồng chéo lên nhau với một mức độ nhất định tùy thuộcvào điều kiện thực tế

2.2.4 Tính toán trong bước nhảy thủy lực

2.2.4.1 Nước dâng trong bước nhảy thủy lực

Xem xét hai phần, về phía thượng nguồn và hạ lưu của một bước nhảy, như thể hiện trong hình

Hình 2.5 Nước dâng trong bước nhảy thủy lựcVới

1-1: phần ở phía thượng nguồn của nhảy thủy lực

2-2: phần ở phía hạ lưu của nhảy thủy lực

h1, h2: độ sâu dòng chảy

V1, V2: tốc độ dòng chảy

q: lưu lượng không đổi trên mỗi đơn vị chiều rộng

Với Q = tổng lưu lượng, w = chiều rộng bước nhảy thủy lực

Với ñ = ãg khối lượng riêng của nước

Tương tự, lực F2 của mặt cắt 2-2:

Xét các lực theo phương ngang, không tính đến ma sát (vì h2 lớn hơn h1) nên:

Ngoài ra ta cũng có công thức

F = khối lượng dòng nước trên mỗi giây x sự thay đổi vận tốc

Giải phương trình bậc 2 cho h2 ta được :

Chỉ lấy dấu “+” và thay thế q=h1V1, t a có mối liên hệ giữa h2 với h1 là

Độ sâu của bước nhảy thủy lực hay chiều cao sóng đứng sẽ là: h2 - h1

2.2.4.2 Năng lượng mất đi do bước nhảy thủy lực.

Phương trình cân bằng năng lượng giữa mặt cắt 1 và mặt cắt 2 theo công thức sau:

2.2.4.3 Chiều dài bước nhảy

Hình 2.6: Chiều dài bước nhảy thủy lực

Chiều dài bước nhảy thủy lực là khoảng cách giữa hai mặt cắt ướt trước và sau bướcnhảy Chiều dài bước nhảy không thể xác định dễ dàng bằng cách lý thuyết, và nó đượcnghiên cứu bằng thực nghiệm của các nhà khoa học

Dưới đây là các công thức tính toán thực nghiệm của một số nhà khoa học

Công thức Pavoloski (1940), nếu Fr1 >10:

L j = 2,5 (1,9h 2 – h 1 )

Nếu 3 < Fr < 400, ta có thể sử dụng công thức của Ivadian (1995):

2.2.4.4 Thể tích và thời gian lưu giữ

Với chiều dài L thì thể tích của bước nhảy thủy lực sẽ là:

Thời gian lưu trữ t sẽ là:

2.2.4.5 Bài tập ứng dụng

Một khuấy trộn bước nhảy thủy lực như hình dưới đây được sử dụng để trộn phèntrong quá trình xử lý nước Chiều cao dưới cùng của cửa đến đáy của kênh là 5cm Lưulượng dòng chảy đi vào khuấy trộn là 0,048 m3/s và chiều rộng của kênh là 10 cm.a/ Tính năng lượng trộn trong bước nhảy

Ta có:

Chiều cao nước sau bước nhảy:

Vận tốc nước sau bước nhảy

q = h1.V1 = h2.V2

Giả sử, nhiệt độ của nước là 25oC, thì ñw = 997 kg/m3, vì thế

Năng lượng trộn trong bước nhảy:

b/ Xác định năng lượng sinh ra có phù hợp với yêu cầu khuấy trộn hiệu quả hay không

Vì Fr1 > 10, áp dụng công thức Pavoloski, chiều dài bước nhảy thủy lực:

Lj = 2,5 (1,9h2 – h1) = 2,5.(1,9.0,94 – 0,05) = 4,34 (m)

Thể tích của bước nhảy thủy lực:

Gradient tốc độ của bước nhảy thủy lực là:

Thời gian khuấy trộn là

So sánh với bảng, ứng với thời gian khuấy t = 4,38s, gradient tốc độ nằm trong khoảng

4000 - 1500 s-1 Gradient tốc độ của bước nhảy thủy lực là 3104,55 s-1 na82mg trongkhoảng cho phép  Đây là khuấy trộn hiệu quả [4][7]

CHƯƠNG 3 MÁY TRỘN TĨNH (static mixers)

3.1 GIỚI THIỆU.

Trộn là một quá trình quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp Nó thường được thựchiện bằng cách sử dụng một trong hai tàu khuấy động cơ hoặc máy trộn tĩnh Máy trộntĩnh bao gồm một loạt các vật liệu cố định và cứng nhắc cũng như các yếu tố pha trộnđược cài đặt trong đường ống, ống dẫn hoặc ống truyền Mục đích của chèn là để phânphối lại chất lỏng trong một hướng ngang với hướng của dòng chảy chính, cả hai tiếptuyến và xuyên tâm Máy trộn tĩnh tìm thấy ứng dụng trong nhiều quy trình như phatrộn của chất lỏng có thể trộn cả trong lớp chất lỏng và dòng chảy hỗn loạn, pha trộn vàphân tán của chất lỏng không ổn định bằng cách giúp đỡ để tạo ra một mặt phân cách,pha trộn rắn, truyền nhiệt và đồng nhất khối lượng [9]

Những quá trình này phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp hóa chất và sản xuất hóachất nông nghiệp sản, chế biến ngũ cốc, chế biến thực phẩm, chế biến khoáng sản, hóadầu và lọc dầu, dược phẩm và mỹ phẩm, polyme, nhựa, dệt may, sơn, nhựa và chất kếtdính, giấy và vột giấy, nước và xử lý nước thải.[9]

Việc sử dụng máy trộn tĩnh liên tục trong quá trình trộn là một lựa chọn phù hợp, cóthể tương tự như trộn thông thường và đôi khi hiệu suất tốt hơn có thể đạt được với chiphí thấp Khi chúng không có bộ phận chuyển động, máy trộn tĩnh thường có mức tiêuthụ năng lượng thấp hơn, yêu cầu không gian nhỏ hơn, chi phí thấp và thiết bị yêu cầubảo dưỡng giảm so với máy khuấy trộn cơ học Chúng cung cấp một tỷ lệ kiểm soátcao hơn và khả năng mở rộng của hệ thống pha loãng hàng loạt và có thể cung cấpđồng nhất nguồn nước với thời gian lưu tối thiểu Máy cũng cung cấp trộn tốt ở nơi có

tỷ lệ biến dạng cao cục bộ trong khi đó một khuấy cơ khí có thể làm hỏng các vật liệunhạy cảm Máy trộn tĩnh cũng đi kèm với tính năng tự làm sạch Máy trộn tĩnh dùngnhiều và dùng một lần cũng được cung cấp

Nhiều thiế kế máy trộn tĩnh đã được đưa ra Thakur et al đã báo cáo sự có mặt củakhoảng 2000 bằng sáng chế Mỹ và hơn 8000 bài báo mô tả máy trộn tĩnh và các ứngdụng của máy. Hơn 30 mô hình đã thực hiện và ứng dụng của máy vào các ngành côngnghiệp khác nhau cũng như thương mại.[9]

Năng lượng cho trộn có sẵn trong các hình thức áp lực Cho dù vật liệu là trọng lực

một trong những hậu quả của việc trộn tĩnh và đôi khi là yếu tố hạn chế trong việc lựachọn máy trộn.[13]

3.2 HOẠT ĐỘNG VÀ PHÂN LOẠI

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

Hình 3.1: Hướng dòng chảy chính của chất lỏng

Hình 3.2: Cánh hướng tăng dòng chảy rối[16]

3.2.2 Phân loại máy trộn.

Có một số loại máy trộn động để lựa chọn tùy thuộc vào ứng dụng đặc trưng củachúng. Một số thiết kế điển hình bao gồm các tấm, vách ngăn, các yếu tố xoắn hoặclưới hình học vị trí ở góc chính xác để hướng dòng chảy và làm tăng tính xáo trộntrong dòng nước. Những thiết bị khác bao gồm các ống dẫn rời rạc hoặc phân đoạn xếpchồng với nhau để tạo thành một máy trộn hoàn toàn. Hình dáng cũng khác nhau - máytrộn tĩnh thường có mặt cắt ngang hình tròn nhưng hình dạng khác cũng có (vuông, chữnhật, vv) cho các yêu cầu cụ thể

Khi được thiết kế với kích thước đúng, máy trộn tĩnh cung cấp trộn liên tục tốt trongcác ứng dụng đơn hoặc đa giai đoạn với kết quả lặp lại. Hiệu suất trộn này có thể được

dự đoán dựa trên tốc độ dòng chảy, độ nhớt, mật độ, tỷ lệ phần trăm của các thànhphần hỗn hợp và kích thước đường ống

Hãy tưởng tượng hai dòng chảy riêng biệt gồm phần A và phần B, dẫn vào một máytrộn tĩnh, mỗi dòng chiếm một khu vực riêng biệt như nhìn từ mặt cắt ngang củaống. Khi vật liệu di chuyển qua từng phần tử trộn, các khu vực bị chiếm đóng bởi mỗithành phần ngày càng trở nên xen kẽ hơn. Tỷ lệ phần A và phần B vẫn như nhau ở tất

cả đoạn ống (1: 1), nhưng mỗi thành phần trở nên phân bố đồng đều trong suốt đoạnống

Trong những năm qua, các nhà cung cấp máy trộn tĩnh đã phát triển các mô hình vàcông thức riêng cho kích thước của họ

Một số mẫu thiết kế được bán trên thị trường tùy thuộc vào các quy trình cụ thể, ví dụnhư xử lý nước thải, nhựa đùn hoặc lọc hóa dầu.  Các mô hình khác linh hoạt hơn trongcác ứng dụng cụ thể, thiết kế chắc chắn có thể xử lý chất rắn, lỏng-lỏng, khí-lỏng vàthậm chí chảy tự do yêu cầu trộn rắn rắn.[13]

3.3 ỨNG DỤNG[10]

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

Khả năng ứng dụng trong nước, nước thải và xử lý bùn kéo dài trên một phạm vi rộng.Một số ví dụ dưới đây được lấy trực tiếp từ thực hành thực tế được giải thích

Sơ đồ cho thấy một loạt các ứng dụng có thể cho máy trộn tĩnh trong điều trị hóa chấtvật lý của nước Cũng có thể được ứng dụng tương tự trong nhà máy xử lý trang bị vớimột giai đoạn sinh học