Công cụ để thực hiện quá trình này gọi là máy ly tâm.. 174 Có nhiều cách phân loại như sau: - Theo quá trình phân ly: máy lắng ly tâm, máy lọc ly tâm - Theo phương thức làm việc: máy ly
Trang 1172
CHƯƠNG 12
MÁY LY TÂM
1 KHÁI NIỆM
Quá trình phân ly dựa vào lực ly tâm để phân riêng hỗn hợp ra thành các pha riêng biệt gọi là quá trình ly tâm Công cụ để thực hiện quá trình này gọi là máy ly tâm
Như ở hai chương 10 và 11 đã nói rõ nguyên lý của lắng ly tâm hoặc lọc ly tâm Hai quá trình này chỉ khác nhau về cấu tạo của rotor mà thôi Nghĩa là trên vách thành của máy lọc ly tâm tạo bởi vô số lỗ nhỏ đường kính từ vài đến milimét, còn máy lắng ly tâm thì không tạo lỗ Trường lực ly tâm được đánh giá bằng yếu tố ly tâm Xem công thức (10 – 27)
π
=
ω
=
2
R R g
n 2 g
R
2 2
lt m
; R 1
t
h H
H
=
β ; hệ số chứa đầy; %
Hh, Ht: chiều cao chứa huyền phù và rotor; m
Hình (H12.1) mô tả nguyên tắc của rotor máy ly tâm
• Áp suất ly tâm:
2
2 h
m
N
; A
R m A
tam ly luc
h h
h V
m = ρ : khối lượng huyền phù; kg
ρh: Khối lượng riêng huyền phù; kg/m3
Trang 2173
Vh: Thể tích huyền phù; m3
t
1 H D
A = π : Diện tích bề mặt phân riêng; m2
2 t 1
h h
m
N
; g
R g H R 2
V
π
ρ
=
= Áp suất thủy tĩnh Klt
Rõ ràng áp suất ly tâm lớn hơn Klt lần áp suất thuỷ tĩnh
• Áp suất lọc ly tâm thường tính theo:
2 0
2 1
2 h
m
N
; R R 20 n
• Vận tốc lắng trong môi trường ly tâm xác định theo
- Lắng vùng Stock: Klt
18
Ar
Re =
1 lt K 9 , 13
Ar
=
1 lt K 33 , 0
Ar
=
- Từ đó suy ra
lt tam
ly v K
d
Re
ρ
µ
- Xét mối quan hệ giữa vận tốc ly tâm, thời gian ly tâm và năng suất máy ly tâm như sau:
o Vận tốc ly tâm
s m
; g
R g 18
d v
2 r
2 max tam ly
ω µ
ρ
− ρ
o Thời gian ly tâm
R ln d
.
18 t
0
1 r
2 2 tam ly
ρ
− ρ ω
µ
Muốn năng suất cao thì vận tốc lắng phải lớn và thời gian phải nhanh, do đó
- Kích thước pha rắn càng lớn càng tốt
- Hiệu khối lượng riêng (ρr - ρ) càng lớn càng tốt
- Số vòng quay càng cao càng tốt
- Bán kính thùng quay (rotor) càng lớn càng tốt
- Độ nhớt càng nhỏ càng tốt
2 PHÂN LOẠI VÀ TÊN GỌI MÁY LY TÂM
Trang 3174
Có nhiều cách phân loại như sau:
- Theo quá trình phân ly: máy lắng ly tâm, máy lọc ly tâm
- Theo phương thức làm việc: máy ly tâm gián đoạn, liên tục
- Theo cơ chế tháo bã: máy ly tâm tháo bã bằng tay, máy ly tâm tháo bã bằng dao, máy
ly tâm tháo bã bằng piston, máy ly tâm tháo bã bằng vít tải
- Theo kết cấu: máy ly tâm ba chân, máy ly tâm treo, máy ly tâm đứng, máy ly tâm nằm ngang
- Theo yếu tố ly tâm
• Khi Klt < 3000: máy ly tâm thường
• Khi Klt > 3000: máy ly tâm siêu tốc
3 MÁY LY TÂM THƯỜNG
Là khi hệ số Klt < 3000 ta thường gặp trong sản xuất và đời sống như máy giặt, máy ly tâm đường kết tinh v.v
3.1 Máy ly tâm ba chân tháo bã thủ công (bằng tay)
Hình (H12.2) mô tả máy ly tâm ba chân tháo bã thủ công bằng tay, loại này hiện nay là phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi ở hầu hết các xí nghiệp
Trục 3 nối với động cơ trực tiếp hoặc dây curoa Khi động cơ quay thì rotor 2 quay theo và quá trình phân ly xảy ra Toàn bộ máy ly tâm định vị trên ba chân nên gọi là máy ly tâm ba chân Còn bã được lấy ra bằng phương pháp thủ công, thường là bằng tay, nên gọi là máy ly tâm ba chân tháo bã bằng tay
3.2 Máy ly tâm treo
Hình (H12.3) mô tả một máy ly tâm treo, loại này có trục truyền động ở phía trên, còn phía dưới là gắn với rotor 2 Nhập liệu từ trên, bã được lấy ra liên tục phía dưới rotor Ưu
Trang 4175
điểm loại này là làm việc liên tục nên năng suất cao, dùng nhiều trong xí nghiệp sản xuất đường kết tinh
3.3 Máy ly tâm tháo bã bằng dao
Loại này rotor thường nằm ngang Hình (H12.4) mô tả máy ly tâm tháo bã bằng dao Nhập liệu theo đường số 7, vào trong rotor 2 xảy ra quá trình phân ly, nước lọc chảy xuyên qua rotor 2 tập trung ở vỏ 1 lấy ra tập trung theo ống 5 Còn bã được dao 6 liên tục cạo ra và lấy ra ngoài Loại này năng suất lớn, vệ sinh công nghiệp dễ, ứng dụng nhiều trong các xí nghiệp sản xuất hóa chất
Tính năng suất theo lượng huyền phù
Trang 5176
s
m
; v H R 2 Q
3 lt
t
π
Trong đó R0: bán kính lớp mặt thoáng của huyền phù; m
Ht: chiều dài (chiều cao) rotor; m
vlt: vận tốc lắng ly tâm, đã dẫn
η = (0,4 ÷ 0,5): hiệu suất ly tâm
3.4 Máy ly tâm tháo bã bằng piston
Xem hình (H12 – 5) mô tả máy ly tâm tháo bã tự động bằng cơ chế piston
Nguyên lý hoạt động: Nhập liệu theo ống 10, khi rotor 6 quay thì quá trình phân ly xảy
ra, nước lọc theo 8 liên tục thoát ra, bã bị cần gạt đNy bã 7 liên tục đNy ra theo số 9, toàn bộ các chi tiết liên quan đến rotor quay được nhờ nối với động cơ theo số 1 Còn piston 4 hoạt động nhờ có cơ chế điều chỉnh thủy lực như sau: khi tăng áp (b) và hạ áp (d) thì piston chuyển động, hệ chuyển động hướng sang phải và đNy bã ra ngoài, khi tăng áp (c) và hạ áp (a) thì cần đNy bã chuyển động chiều ngược lại Đây là loại máy lọc hiện đại, hoạt động liên tục, năng suất lớn
Năng suất có thể tính theo công thức sau khi biến đổi:
h
m
; ' K n v R H 3 , 25 Q
3 2
2 0
Trong đó Ht: chiều dài rotor; m
R0: bán kính mặt thoáng huyền phù trong rotor; m
vℓ: vận tốc lắng trọng lực, đã dẫn; m/s n: số vòng quay của rotor; vòng/phút
η = (0,4 ÷ 0,5): hiệu suất ly tâm K’: hiệu suất tính theo thời gian lọc
Trang 6177
3.5 Tính công suất máy ly tâm thường
Tính toán công suất của máy ly tâm thường, ta chỉ chọn một giá trị lớn nhất trong ba giá trị sau:
- Công suất mở máy: NM = NR + N1 + N2; kW (12 – 10)
- Công suất nhập liệu: Nnl = Nh + N1 + N2; kW (12 – 11)
- Công suất tháo bã: Ntb = Nb + N1 + N2; kW (12 – 12) Trong đó cụ thể là:
t 2000
v m N
2 R R
R = ; kW: công suất tiêu hao để quay rotor (12 – 13)
Với mR: khối lượng rotor; kg
vr = 2πnR; v/s : vận tốc vòng rotor
R: bán kính rotor; m
t: thời gian khởi động máy; s
kW
; 2000
K v V N
2 r h h
ρ
= : công suất cung cấp cho huyền phù quay (12 – 14)
Với Vh: lượng huyền phù nhập vào rotor; m3/s
ρh: khối lượng riêng huyền phù; kg/m3
vr: vận tốc vòng rotor; đã dẫn; v/s
K = (1,1 ÷ 1,2): hệ số thực nghiệm
kW
; 10
R H 14 N
6 k
2 1 t 3 1
ρ ω
(Nl: công suất thắng lực ma sát giữa rotor và không khí)
Với ω: vận tốc góc của rotor, đã dẫn
Ht: chiều dài của rotor; m
R1: bán kính rotor; m
ρk: khối lượng riêng không khí; kg/m3
kW
; 1000
g M f
N2 = Σ ω
: công suất thắng ma sát của các ổ bi (12 – 16)
Với: f = (0,01 ÷ 0,1) hệ số ma sát cơ học của ổ bi
ΣM: Tổng khối lượng gồm rotor và vật liệu; kg
ω: vận tốc góc của rotor, đã dẫn
Với công suất tiêu hao để tháo bã phụ thuộc vào cấu tạo máy ly tâm
• Công suất tính cho máy ly tâm tháo bã bằng dao
(R R );kW t
1000
R F 2
b
1 c
Với Fc: lực cạo bã riêng; N/m2
Trang 7178
ℓ: chiều dài dao cạo bã; m
R1: bán kính rotor; m
Rb: bán kính trong của lớp bã; m
tb: thời gian cạo bã; s
• Công suất cho máy ly tâm cạo bã bằng piston
kW
; 1000
' S n t 1 S f R V
2 b b b
− ω
ρ
Với Vb: thể tích bã chứa trong rotor; m3
ρb: khối lượng riêng của bã; kg/m3
ω: vận tốc góc của rotor, đã dẫn
R1: bán kính rotor; m
f: hệ số ma sát giữa bã và rotor
S = (0,04 ÷ 0,05): hành trình chuyển động của piston;m
t1: tỉ lệ thời gian hành trình có tải và không tải
np: vòng quay của piston (chu kỳ); v/s
S’ = (0,7 ÷ 1) hệ số bã bị nén
4 MÁY LY TÂM SIÊU TỐC
Khi yếu tố ly tâm Klt > 3000 thì gọi là ly tâm siêu tốc
Loại máy này dùng để phân riêng hệ huyền phù siêu mịn, hệ keo và hệ nhũ tương Máy
hoạt động theo nguyên tắc “lắng ly tâm”
Ngày nay máy ly tâm siêu tốc được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như:
-Ứng dụng để “làm trong” dầu cá trong công nghiệp sản xuất dược phNm
-Trong công nghiệp thực phNm dùng để làm sạch, khử nước hoặc tNy trắng mỡ động
vật
-Trong công nghiệp sản xuất rượu bia dùng để “làm trong” sản phNm khi lên men vừa
đủ
-Dùng để tách men ra khỏi môi trường sau khi lên men trong công nghệ sản xuất men
vi sinh
-Trong công nghiệp hóa học dùng để tách enzim trong quá trình sinh hóa
-Trong ngành máu và huyết học dùng để tách lượng nước lẫn trong máu
-Đặc biệt được ứng dụng nhiều nhất trong ngành công nghiệp chế biến sữa dùng để
tách sữa bò mới thu hoạch thành váng sữa và sữa không béo
Động lực lắng trong môi trường siêu tốc là tăng hành trình chuyển động của dòng hỗn
hợp trong rotor, qua đó chúng xảy ra sự va đập và nhờ sự va đập trong môi trường có Klt rất
Trang 8179
cao này mà chúng hình thành các hạt mới (gọi là pha nặng) có kích thước và khối lượng hạt
mới lớn gấp (3 ÷ 5) lần kích thước ban đầu Và khi hạt càng lớn thì càng dễ phân pha
Có 3 loại máy ly tâm siêu tốc (gọi tắt là máy phân ly) gồm có: máy phân ly loại ống,
loại ngăn, loại đĩa, trong đó ứng dụng nhiều nhất là máy phân ly loại đĩa
4.1 Máy phân ly loại ống
Hình (H12.6) mô tả nguyên lý làm việc của máy phân ly loại ống
Nguyên lý hoạt động: Dòng hỗn hợp nhập từ ống trung tâm vào trong ống phân ly,
dưới môi trường Klt cao thì chúng sẽ phân chia ra thành hai pha nặng và nhẹ thoát ra ngoài theo hai dòng khác nhau
Gọi R1: bán kính lớn ống phân ly; m
R12: bán kính bề mặt phân pha nặng, nhẹ; m
R2: bán kính mặt thoáng hỗn hợp; m
Tính bề mặt phân pha:
R R
nh
h 2 2
2 1 nh
2 1
ρ
−
−
−
Trong đó ynh: nồng độ pha nhẹ; %
ρh: khối lượng riêng hỗn hợp; kg/m3
ρnh: khối lượng riêng pha nhẹ; kg/m3
Trang 9180
4.2 Máy phân ly loại ngăn
Hình (H12.7) mô tả nguyên lý làm việc của máy phân ly loại ngăn
Nguyên lý hoạt động: Nhập liệu từ ống tâm, hỗn hợp chuyển động từ ngăn có R5 sang
R4, R3,… đồng thời quá trình phân ly xảy ra, pha nặng chuyển ra phía thân ngoài của rotor
rồi thoát ra theo đường dẫn pha nặng, còn pha nhẹ có xu hướng chuyển chiều ngược lại về
phía tâm rồi theo đường dẫn ra pha nhẹ
Số lượng ngăn không giới hạn, hình (12.7) ta thấy có năm ngăn, gọi R0 là bán kính lớp
mặt thoáng trong cùng của hỗn hợp
Năng suất máy phân ly loại ngăn xác định theo:
s m
; R R
R R R R
R R R R
R R g
v H 2
0 5
3 0
3 5 4 3
3 4
3 3 2 1
3 2
3 1 l
2 t
−
− +
−
− +
−
− ω
π
Trang 10181
4.3 Máy phân ly loại đĩa
Là loại máy cho hiệu quả phân ly cao nhất trong ba máy phân ly trên do Lavan tìm ra vào cuối thế kỷ 19, ngày nay máy Lavan được ứng dụng rất rộng rãi Hình (H12.8) mô tả
máy phân ly loại đĩa Lavan Về nguyên tắc là do sự va đập trong môi trường Klt cao ở giữa hai đĩa, kết quả là tạo nên hai dòng, dòng pha nặng theo ống dẫn pha nặng ra ngoài, còn dòng pha nhẹ luôn luôn chuyển vào hướng tâm rồi cũng theo ống dẫn ra ngoài Hình (H12 9a) mô tả quỹ đạo dòng hỗn hợp nhập liệu theo rãnh trên đĩa nón, còn hình (H12.9b) nhập
liệu từ mép ngoài của đĩa
• Tính các thông số chính của máy phân ly loại đĩa
- Cấu trúc của một đĩa, xem hình (H12.10)
Trang 11182
- Khoảng cách giữa hai đĩa theo phương đứng hđ
m
; n
R
R R tan Z
Q 96 , 0
2 4 1
3 2
3 1 d
−
α
Trong đó Q: năng suất máy phân ly; m3/s
Z: sốđĩa trong rotor
α: góc nghiên của đĩa (45 ÷ 60)0 n: số vòng quay của rotor; v/s
- Vận tốc dòng chảy trong rãnh giữa 2 đĩa vđ xác định theo
s / m
; Z h R 2
Q v
đ
3
Trong đó R3: bán kính từ tâm lỗ rãnh; m
Z: số rãnh đĩa trong rotor, đã dẫn
hđ: khoảng cách giữa hai đĩa, đã dẫn; m Q: năng suất, đã dẫn; m3/s
- Chếđộ thủy động lực trong rotor
υ
= vd.de
Trong đó: vđ: đã dẫn – xem (12 – 22)
de: đường kính tương đương của rãnh trên đĩa; m
υ: độ nhớt động học hỗn hợp; m/s
- Năng suất máy phân ly:
; tan d R R Z 2
K Q
3 2
pt
3 2
3 1 2 1
µ
ρ
−
ρ π
π
Trong đó K: hệ số khác biệt giữa lý thuyết và thực tế (0,7 ÷ 0,9)
ρ2: khối lượng riêng pha nặng; kg/m3 ρ1: khối lượng riêng pha nhẹ; kg/m3
Trang 12183
dpt: kích thước phân tử trong hỗn hợp; m
µ: độ nhớt động lực của pha nhẹ; Pa.S Hình (H12.11) biểu diễn máy phân ly Lavan loại đĩa
Kết luận
Muốn chọn máy lọc ly tâm hay máy phân ly thì phải dựa vào kích thước ban đầu của pha phân tán, có thể tham khảo bảng 12.1
Bảng 12.1
Kích thước hạt pha phân tán (mm)
Huyền phù
thô
Huyền phù trung bình
Huyền phù mịn
Huyền phù
Trang 13184
4.4 Tính công suất máy phân ly
Về cơ bản vẫn tính thoe công thức (12 – 13), (12 – 14), (12 – 15) và (12 – 16), chỉ khác nhau là tính bằng tổng các công suất thành phần cộng lại tức là:
Nfly= NR + Nh + N1 + N2; kW (12 – 25)
Trang 14185
5 BÀI TẬP
Bài 1: Dùng máy ly tâm để lắng huyền phù hydroxit mangan trong nước ở 30 0C Đường kính bé nhất của hạt là d = 3µm, ρr = 2525 kg/m3, rotor ly tâm có đường kính D1 =
800 mm, chiều cao Ht = 400mm, quay với số vòng quay n = 1200 v/p Biết chu kỳ làm việc
là 20 phút, trong đó thời gian phụ là 2 phút, hiệu suất ly tâm 50% và đường kính vành chặn
D0 = 570mm Tính năng suất máy ly tâm đó
Bài giải
Năng suất máy ly tâm tính theo công thức (12 – 9)
h
m
; ' K n v R H 3 , 25
Q
3 2
l
2 0
Vì đường kính hạt 3µm < 100 µm nên dùng công thức lắng Stock
s
m 10 935 , 0 10
8 , 0 18
10 1000 2525
10 3 18
d
3
2 6 r
2
−
−
=
−
= µ
ρ
− ρ
=
Nước ở 30 0 C tra TL[7] có µ = 0,8cP
Tính vận tốc lắng ly tâm:
s
m 10 5 2
285 , 0 400 , 0 10
60
1200 14 , 3 2 10 935 , 0 K v
2
5 lt
=
= ℓ
10 8 , 0
10 10 3 10 5
3
3 6 3
<
=
Tính hiệu suất theo thời gian hoạt động: 0,9
20
18 '
Thế vào (1):
h
m 5 , 4 9 , 0 5 , 0 1200 10 935 , 0 285 , 0 4 , 0 3 , 25
Đáp số: Q = 4,5 m 3
/h Bài 2 Dùng máy ly tâm gián đoạn để lọc huyền phù MgCO3 trong nước ở nhiệt độ t =
30 0C, biết các thông số sau đây:
- Đường kính rotor D1 = 0,6m, chiều cao Ht = 0,5m
- Hệ số chứa đầy β = 0,5, nồng độ pha rắn Cm = 10%
- ρr = 1750 kg/m3; ρnước = 1000 kg/m3; µ = 0,8 cP
- ĐộNm của bã Ub = 30%, độ nén của bã S’ = 0,37
- Trở lực riêng của bã theo thực nghiệm r’0 = 4,71.1012
2
m 1
- Rvn = 0, quá trình lọc đẳng áp
Tính số vòng quay n (v/p) của rotor sao cho năng suất lọc đạt Q = 500 kg/h?
Trang 15186
Bài giải
• Xác định các thông số của rotor:
2 t
2 1
r 0,5 0,1413m
4
6 , 0 14 , 3 H 4
D
- Thể tích huyền phù chứa trong rotor: Vh = Vr.β=0,07065m3
- Diện tích bề mặt lọc: A=πD1.Ht =3,14.0,6.0,5=0,942m2
- Tính bán kính mặt thoáng huyền phù trong rotor: 0,212m
2
D 1
R0 = −β 1 =
• Áp dụng công thức (12 – 4)
0
2 1
2 h
m
N R R 20 n
∆
R R 20
P n
2 0
2 1
ρ
∆
• Xác định các thông số công nghệ lọc
mC 1
C X
r m
m
ρ
− + ρ
−
ρ
U 1
1 m
b
=
−
=
116 , 0 1
07065 , 0 X 1
V V
0
+
= +
-2
3
m
m 0673 , 0 5 , 0 6 , 0 14 , 3
06328 , 0 A
V
- Từ
3 h
m r
m
kg 1045 C
1 C 1
= ρ
⇒ ρ
− + ρ
= ρ
- Tính lượng huyền phù/mẻ: Gh =ρh.Vh =1045.0,07065=78,83kg
3600 500
83 , 78 Q
G
• Từ phương trình lọc: q2 +2Cq =K vì Rvn = 0 ⇒ C = 0
Vậy:
0 0
' S 1 0
' S 0 0
0
2
X ' r
P 2 X P ' r
P 2 X
r
P 2 t
q K
µ
∆
=
∆ µ
∆
= µ
∆
=
Tính
2 63
,
' S
1 0 0 2
m
N 95791 720
2
0673 , 0 116 , 0 10 71 , 4 10 8 , 0 t
2
q X ' r
• Cuối cùng thế vào (1) để tính số vòng quay n:
212 , 0 3 , 0 1045 20
95791 n
2
−
Đáp số: n = 604,8 vòng/phút