Lọc chất lỏng Dịch chapter 7 Chemical Engineering vol.2

Việc tách chất rắn ra khỏi huyền phù bằng vật liệu xốp hoặc màng chắn có lỗ để giữ chất rắn và cho phép lỏng chảy qua gọi là Lọc. Trong phòng Thí nghiệm, quá trình lọc được thực hiện bằng phương pháp phễu Buchner: chất lỏng được hút qua lớp hạt mỏng sử dụng nguồn hút chân không. Đơn giản hơn, chỉ cần đổ huyền phù vào giấy lọc đặt trên một phễu nón. Trong công nghiệp, khó khăn gặp phải là cơ khí hóa để xử lý lượng rất lớn huyền phù và bã rắn. Một lớp bã rắn dày hình thành nên để đạt được hiệu suất lỏng qua bã rắn cao cần áp suất lọc cao hơn và diên tích lọc lớn. Cơ chế của quá trình lọc điển hình được mình hoạ trong hình 7.1, bao gồm : vách ngăn (ở đây là một miếng vải), giá đỡ, lớp chất rắn – bã lọc đã hình thành.

7.1 GIỚI THIỆU

Việc tách chất rắn ra khỏi huyền phù bằng vật liệu xốp hoặc màng chắn có lỗ để giữ chất rắn và cho phép lỏng chảy qua gọi là Lọc

Trong phòng Thí nghiệm, quá trình lọc được thực hiện bằng phương pháp phễu Buchner: chất lỏng được hút qua lớp hạt mỏng sử dụng nguồn hút chân không Đơn giản hơn, chỉ cần đổ huyền phù vào giấy lọc đặt trên một phễu nón Trong công nghiệp, khó khăn gặp phải là cơ khí hóa để xử lý lượng rất lớn huyền phù và bã rắn Một lớp bã rắn dày hình thành nên để đạt được hiệu suất lỏng qua bã rắn cao cần áp suất lọc cao hơn và diên tích lọc lớn Cơ chế của quá trình lọc điển hình được mình hoạ trong hình 7.1, bao gồm : vách ngăn (ở đây là một miếng vải), giá đỡ, lớp chất rắn – bã lọc đã hình thành

Thể tích huyền phù cần xử lý có thể từ lượng cực lớn để xử lý quặng và lọc nước trong ngông nghiệp khai thác mỏ đến lượng khá nhỏ trong công nghiệp tính chế hóa chất Các yếu tố chính được cân nhắc khi lựa chọn thiết bị và điều kiện hoạt động là :

- Các tính chất của chất lỏng, đặc biệt là độ nhớt, khối lượng riêng và tính ăn mòn

- Bản chất của hạt rắn: kích thước và hình dạng hạt, phân bố kích thước

- Nồng độ chất rắn lơ lửng

- Số lượng huyền phù cần xử lý

- Sản phẩm có giá trị là chất rắn, lỏng hay cả hai

- Khi nào cần rửa bã lọc

- Khi nào cần gia nhiệt

- Khi nào các hình thức tiền xử lý là hữu ích

Về cơ bản lọc là một phương pháp cơ học và ít

đòi hỏi năng lượng Năng suất lọc phụ thuộc các

yếu tố quan trọng sau:

- Độ giảm áp lực

- Diện tích bề mặt lọc

- Độ nhớ huyền phù

- Trở lực lớp bã

- Trở lực môi trường lọc

Có 2 phương thức lọc cơ bản :

- Lọc bề mặt : các hạt rắn lắng trên bề mặt của vách ngăn xốp

- Lọc sâu: hạt rắn chui vào sâu trong lỗ mao quản Phổ biến khi loại bỏ hạt mịn trong huyền phù loãng mà không yêu cầu thu hồi bã

Hình 7.1 Quá trình lọc chất lỏng

7.2 Lý thuyết lọc

7.2.1 Giới thiệu

Trong quá trình lọc, đường dẫn chất lỏng hẹp dần do tăng chiều dày Bởi vậy, nếu

áp suất lọc là hằng số, lưu lượng dòng chất lỏng giảm dần

Ở bất kì thời điểm nào, lưu lượng của dòng lọc có thể tính theo phương trình:

Trong đó : V - thể tích của dòng lọc chảy qua trong thời gian t

A - tổng diện tích mặt cắt của bã lọc

uc - vận tốc bề mặt của dòng lọc

l - bề dày bã

S - bề mặt riêng của hạt

E - khoảng trống giữa các hạt trong bã

µ - độ nhớt của dòng

ΔP - chênh lệch áp suất

Bã lọc có thể chia làm 2 dạng: không chịu nén và chịu nén Với bã không chịu nén, độ cản trở dòng với lượng thể tích nhất định của bã không bị ảnh hưởng bởi chênh lệch áp suất dọc theo bã hay bởi tốc độ lắng đọng của vật liệu Với bã chịu nén, tăng chênh lệch áp suất hay lưu lượng dòng gây ra sự hình thành bã đặc hơn với trở lực cao hơn Với bã không chịu nén, e trong phương trình (7.1) có thể được coi như hằng số

Bởi vậy:

Ở đây:

Phương trình (7.2) là phương trình lọc cơ bản và r là trở lực riêng phần, phụ thuộc

e và S Với bã không nén ép, r là hằng số, mặc dù nó phụ thuộc bản chất của hạt, và lực tương tác giữa các hạt r có thứ nguyên của L-2 và có đơn vị m-2 trong hệ SI

7.2.2 Mối quan hệ giữa bề dày bã và thể tích lọc

Lượng rắn trong bã = (1-e)Alρ S , ở đây ρ S là khối lượng vật chất rắn

Lượng lỏng trong bã lọc = eAlρ, ở đây ρ là khối lượng của nước lọc

Với υ là thể tích của bã được lắng đọng trên 1 đơn vị thể tích nước lọc thì:

- Với quá trình lọc ở lưu lượng không đổi:

- Với quá trình lọc ở chênh lệch áp suất không đổi:

Lọc ở áp suất không đổi thường được sử dụng trong thực tế, sự chênh lệch áp suất thường được xây dựng dần dần tới giá trị tối ưu Giá trị đặc trưng của trở lực riêng phần r của bã lọc được lấy từ nghiên cứu thực nghiệm

7.2.3 Dòng chất lỏng thông qua vải

Thường người ta tổ hợp trở lực của vải cộng gộp với các lớp hạt đầu tiên và giả

định rằng chúng tương đương với trở lực của bã dày L hình thành do sự lắng đọng của

giai đoạn sau đó Trở lực của dòng thông qua tổ hợp bã và vải lúc này có thể xét tới

7.2.4 Dòng nước lọc thông qua tổ hợp vải và bã

- ∆P là độ giảm áp dọc theo tổ hợp bã và vải, thì:

Đối với giai đoạn lưu lượng lọc không đổi:

Đối với áp suất lọc không đổi sau đó:

7.2.5 Bã lọc chịu nén ép

Thường có thể diễn tả khoảng trống giữa các hạt ez ở độ sâu z là hàm của sự chênh lệch giữa áp suất tại bề mặt tự do của bã P1 và áp suất Pz tại độ sâu đó, tức là ez là hàm của (P1 – P2)

Với bã chịu nén ép, phương trình 7.1 được viết thành:

ez - hàm của độ sâu z từ bề mặt bã

Sự gia tăng bề dày bã dz được tính như sau:

Tại bất kì thời điểm t nào, dV/dt xấp xỉ không đổi trong suốt bã, trừ khi tốc độ của

sự thay đổi sự lưu giữ chất lỏng trong bã có thể so sánh tốc độ lọc dV/dt, ví dụ trường hợp với bã chịu nén cao và bùn đậm đặc, và bởi vậy:

rz - hàm của chênh lệch áp suất (P1 – Pz)

Hình 7.2 : Dòng lỏng qua bã bị nén ép

ở đây r’ không phụ thuộc Pz và

Ở đây là trở lực trung bình, xác định bởi:

7.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc

7.3.1 Vách ngăn

Công dụng của vách ngăn thường là hỗ trợ cho lớp bã lọc tạo thành lớp vách lọc chung (bao gồm vách ngăn và bã)

Vật liệu lọc phải bền cơ học, chống ăn mòn và có trở lực nhỏ Vải dệt được sử dụng phổ biến, tuy nhiên vật liệu dạng hạt và chất rắn xốp thích hợp với các dung dịch có tính ăn mòn hơn Một đặc trưng quan trọng trong việc lựa chọn vải dệt là khả năng loại

bỏ bã lọc, đây là yếu tố quan trọng để vận hành các thiết bị tự động hóa

7.3.2 Sự bít kín vách lọc

Giả thiết có một ranh giới rõ ràng giữa bã lọc và vải lọc Giai đoạn đầu để tạo bã rất quan trọng do nó ảnh hưởng đến trở lực và hiệu quả sử dụng vải lọc

Sự bịt kín mao quản của vách lọc là một quá trình phức tạp Một phần do tính chất phức tạp của cấu trúc bề mặt các vật liệu lọc, mặt khác do chuyển động của chất lỏng không xác định Xét trường hợp lý tưởng trong đó huyền phù phân bố vào các lỗ mao quan được lọc bởi vải lọc theo một phân bố lỗ thông thường Trước hết, người ta giải thiết một hạt riêng lẻ tự bịt kín lối vào một mao quan duy nhất, sau đó theo tiến trình lọc, mao quản dần bị chặn và giá trị tức thời của trở lực bã phụ thuộc vào lượng rắn lắng đọng

Thực tế, có nhiều hơn 1 hạt rắn vào 1 mao quản, trở lực trong mao quản tăng cho đến khi nó hoàn toàn bị bít kín Tuy nhiên có nhiều mao quản không bao giờ bị kín hoàn toàn và trở lực tương đối của lớp bã thấp sẽ tạo lối vượt qua phần các mao quản bị bịt

Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến xu hướng bít kín mao quản là nồng độ hạt rắn Nồng độ càng lớn, khoảng cách trung bình giữa các hạt càng nhỏ, xu hướng các hạt rắn sắp xếp hợp lý hướng tới việc mao quản mở Ngược lại, nồng độ huyền phù nhỏ, các hạt có xu hướng phân phối đều trên bề mặt bộ lọc và bắc cầu Kết quả là huyền phù với nồng độ cao tạo bã có trở lực thấp hơn so với huyền phù loãng

7.3.3 Ảnh hưởng của sự lắng tới quá trình lọc

Huyền phù có nồng độ cao, các hạt rắn càng gần nhau và tốc độ lắng nhanh hơn, các hạt rắn sắp xếp một cách lộn xộn trên bề mặt vách ngăn tạo thành các mao quản cho phép nước trong đi qua dễ dàng hơn

Huyền phù loãng, hạt lớn lắng nhanh hơn tạo lớp bã sơ bộ có trở lực thấp Các hạt mịn nhỏ bịt kín mao quản lớp bã làm tăng trở lực lọc nhanh chóng

7.3.4 Sự cản trở tạo bã trong quá trình lọc

Trong quá trình lọc, trở lực lớp bã tăng dần mà áp suất lọc không đổi dẫn đến hiệu suất lọc giảm Nếu giảm sự tạo bã thì độ dày bã giảm và tốc độ dòng chảy tăng

Thực tế, đôi khi có thể dùng dao cạo để giới hạn độ dày bã giữa vật liệu lọc và lưỡi dao Nước trong chảy qua bã với lưu lượng gần như không đổi và chất rắn được giữ lại trong huyền phù nên nồng độ rắn tăng; ranh giới giữa bùn – bã không rõ ràng và trở lực tăng làm giảm lưu lượng nước trong

Bằng cách này, hiệu quả lọc của bộ lọc thông thường có thể thu được cao hơn Ngoài ra, lưỡi dao cạo có tác dụng phá cấu trúc bác cầu của bã, lớp bã khô và xốp hơn Nếu dao cạo ở dạng lưỡi xoay, hiệu quả khác nhau tuỳ theo tốc độ của dao :

- Tốc độ thấp : bã được cạo sạch và lại hình thành cho tới lượt cạo tiếp theo

- Tốc độ cao: bã có độ dày không đổi

Hình 7.3 : Thể tích nước trong thu được trên một đơn vị mặt cắt ngang của bộ lọc theo thời gian ở nhiều tốc độ khuấy

Phương trình CBVL cho chất rắn:

Trong đó :

dV/dt – tốc độ dòng chảy của huyền phù và tốc độ nước trong ra khỏi vách lọc (1 − e0) – Phần thể tích rắn trong huyền phù ban đầu

(1 – eV) – Phần thể tích rắn trong bể chứa tại thời điểm t

V – Thể tích nước trong

Với tốc độ lọc dV/dt không đổi, phần các chất rắn bị giữ (1-eV) tăng tuyến tính theo thời gian, đến khi đạt giá trị giới hạn mà trở lực dòng chảy của chất lỏng trong bùn

là đáng kể, tốc độ lọc giảm nhanh chóng tới giá trị gần “0”

7.3.5 Lọc chéo dòng

Một phương pháp giảm trở lực khác là tuần hoàn bùn và duy trì dòng chảy với tốc

độ cao song song với bề mặt vách lọc Tốc độ tuần hoàn có thể gấp 10-20 lần tốc độ lọc Bằng phương pháp này, bã bị ngăn cản trong giai đoạn đầu của quá trình lọc Ph ương pháp này đặc biệt hữu ích khi bùn được keo tụ và trượt như chất lỏng phi Newton Trong trường hợp dung dịch loãng có chứa 1 lượng nhỏ chất rắn thường có có xu hướng bịt kít vải lọc Lọc chéo dòng được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ màng lọc

7.3.6 Xử lý sơ bộ bùn trước khi lọc

Nếu bùn loãng và các hạt rắn dễ lắng, có thể lắng huyền phù bằng bể lắng và giảm lượng vật liệu cần xử lý Theo lý thuyết, bản chất bã lọc ảnh hưởng rõ ràng đến tốc độ dòng chảy của nước trong và nói chung mong muốn các hạt hình thành trên bã lọc càng lớn càng tốt Quá trình lọc nhanh hơn là do huyền phù được thêm tác nhân keo tụ Nếu vật liệu rắn được tạo thành trong phản ứng kết tủa, kích thước hạt được kiểm soát bởi các điều kiện thực tế như thay đổi nhiệt độ, nông độ, pH…

Huyền phù được keo tụ tạo bã xốp hơn mặc dù bị nén nhiều hơn Trong nhiều trường hợp, dạng tinh thể có thể thay đổi bằng cách thêm một vật liệu chọn lọc hấp phụ trên bề mặt vật liệu đặc biệt Chất trợ lọc được sử dụng rộng rãi khi bã lọc không cho dòng chảy của nước trong đi qua Đây là những vật liệu tạo cấu trúc có độ xốp cao được thêm vào huyền phù trước khi lọc để tăng độ xốp của bã lọc Ngoài vấn đề kinh tế, cần thêm một lượng tối ưu chất trợ lọc trong mọi trường hợp Trong khi đó, sự có mặt của

chất trợ lọc làm giảm trở lực đặc trưng của bã lọcvà hình thành lớp bã dày Do đó lượng chất trợ lọc thực tế phụ thuộc bản chất vật liệu

Việc sử dụng chất trợ lọc thường được giới hạn trong các quá trình mà sản phẩm là nước trong và bã là chất thải Trong một số trường hợp, chất trợ lọc phải được tách ra dễ dàng khỏi bã lọc bằng phương pháp lý hóa Bã lọc kết hợp với chất trợ lọc thường bị nén

và do đó cần lưu ý để áp lực lọc không quá cao ảnh hưởng xấu đến hiệu quả của chất trợ lọc Kizengua là 1 chất trợ lọc thường được sử dụng có độ xốp ~ 0,85 ; ngoài ra một lượng tương đối nhỏ làm tăng độ xốp của hầu hết các loại bã lọc Độ xốp thu được nằm trong khoảng độ xốp của chất trợ lọc và của chất rắn Trong vài trường hợp, có thể giảm thời gian lọc bằng cách pha loãng huyền phù để giảm độ nhớt Điều này làm tăng lượng lớn dung dịch cần lọc và chỉ áp dụng khi giá trị của nước trong không bị ảnh hưởng bởi

sự pha loãng Tăng nhiệt độ có thể làm giảm độ nhớt của dịch lọc

7.3.7 Rửa bã lọc

Khi nước rửa có thể trộn với nước lọc và có tính chất vật lý tương tự, tốc độ rửa tại cùng một độ chênh áp bằng với tốc độ lọc Nếu độ nhớt lớn hơn thì tốc độ rửa lớn hơn

Sự tạo kênh đôi khi xảy ra, kết quả là phần lớn bã không được rửa sạch và nước rửa ưu tiên đi qua kênh và mở rộng kênh Sự tạo thành kênh không xảy ra trong quá trình lọc do các chất rắn lắng đọng đã bít kín trên kênh Kênh tạo thành rõ nhất với bã nén và có thể giảm bằng cách sử dụng độ chênh áp nhỏ hơn khi lọc

2 giai đoạn của quá trình rửa bã :

- Giai đoạn 1: nước trong được thay thế từ bã lọc bởi dung dịch rửa (loại 90% nước trong bã

- Giai đoạn 2: rửa khuếch tán, dung môi khuếch tán vào chất lỏng rửa từ các khoảng trống ít tới được

7.4 Thiết bị lọc

7.4.1 Lựa chọn thiết bị lọc

Các bộ lọc phù hợp nhất là có đầy đủ chức năng nhưng tốn ít chi phí nhất Chi phí cho thiết bị liên quan chặt chẽ đến diện tích lọc mà diện tích lọc phụ thuộc tốc độ lọc

Trong khi đó, áp suất lọc bị giới hạn bởi cấu tạo cơ khí Mặc dù lọc liên tục có năng suất cao hơn lọc gián đoạn nhưng đôi khi sử dụng lọc gián đoạn cần thiết hơn đặc biệt khi

bã lọc có trở lực lớn (do áp suất tối đa của bộ lọc liên tục thường thấp) Khi lựa chọn thiết

bị có sẵn cũng nên quan tâm khả năng cạo bã và kiểm soát chất lượng nước trong

Các loại thiết bị lọc phổ biến nhất : lọc ép, máy lọc tấm, máy lọc thùng quay Các loại thiết bị lọc đặc biệt : lọc túi, kiểu đĩa để loại bỏ rắn trong huyền phù loãng Máy lọc chân không thùng quay được sử dụng phổ biến nhất để lọc các loại huyền phù thong thường do có năng suất cao, kích thước nhỏ gọn Khi lọc ở quy mô lớn, 3 trường hợp sau không sử dụng bộ lọc chân không thùng quay:

- Trở lực bã cao → lọc ép khung bản: nồng độ rắn không cao và không cần tháo dỡ thường xuyên

- Rửa bã → lọc tấm : không tạo kênh trong quá trình rửa bã

- Nồng độ rắn rất nhỏ → lọc ly tâm

Cần thử nghiệm trên một mẫu trước khi thiết kế hệ thống lọc quy mô lớn để xác định ảnh hưởng của tính chất lý hóa của dung dịch và chất rắn trong huyền phù tới quá trình lọc Một bộ lọc chân không đơn giản với S= 0.0065m2 được sử dụng trong phòng thí nghiệm

Hình 7.5 : Thiết bị lọc trong phòng Thí nghiệm

7.4.2 Bể lọc

Quá trình lọc trong bể lọc diễn ra theo nguyên lý lọc sâu Ngày nay các bể lọc bằng hạt rắn kích thước lớn được thay thế cho bể lọc sử dụng cát có tốc độ lọc chậm trước đây Tốc độ lọc xác định theo phương trình :

Trong đó :

C – Nồng độ rắn

l – chiều sâu bể lọc

uc – lưu lượng bùn

σ – lượng rắn lắng trên 1 đơn vị thể tích của bộ lọc ở độ sâu l

7.4.3 Lọc túi :

Lọc túi hiện nay đã gần như không được sử dụng, một trong số ít thiết bị lọc túi còn lại là túi lọc Taylor trong công nghiệp đường Thiết bị gồm các túi mỏng dài gắn trên một thanh ngang và chất lỏng chảy dưới tác dụng của trọng lực nên tốc độ lọc trên một đơn vị diện tích là rất thấp, cần một không gian lớn (có thể lên tới 700m2) Thường bố trí thiết bị dự phòng để không bị gián đoạn trong quá trình vận hành và sửa chữa

7.4.4 Lọc áp lực

Máy lọc khung bản gồm 1

dãy khung và bản có cùng kích

thước xếp liền nhau có thể dịch

chuyển được trên khung nằm

ngang bằng tay quay Giữa

khung và bản có vải lọc

Trên bề mặt bản có xẻ các

rãnh thẳng đứng song song và 2

rãnh nằm ngang ở 2 đầu như

hình vẽ để tháo nước lọc, nước

rửa Khung rỗng tạo thành các

phòng chứa cặn

Hình 7.5 : Máy lọc ép khung bản

Thời gian lọc tối ưu cho 1 mẻ:

Độ dày bã tối ưu hình thành trên một bản lọc phụ thuộc trở lực bã và thời gian cho

1 mẻ Bã mỏng cho tốc độ lọc cao nên cần thiết phải thảo dỡ và làm sạch vải lọc thường xuyên Với bộ lọc ở áp suất không đổi, thời gian tháo dỡ và lắp ráp thiết bị không phụ thuộc độ dày của bã Nếu trở vách ngăn có thể bỏ qua, thời gian lọc bằng thời gian nén

ép Thực tế, thời gian lọc cần lớn hơn để thắng trợ lực lớp vải lọc, do đó trở lực bã càng thấp thì độ dày hữu ích của khung càng lớn

Rửa bã :

Hình 7.6 : Cấu tạo khung và bản

Hình 7.7: Tối ưu thời gian làm việc cho 1 mẻ lọc