QUÁ TRÌNH PHÂN TÁCH BẰNG CƠ HỌC

QUÁ TRÌNH LẮNG Tốc độ lắng trong trường hợp nồng độ của các hạt rắn trong lưu thể cao Khi nồng độ các hạt rắn cao:  Có sự tương tác giữa các hạt trong qua trình lắng - Nếu kích thước

CHƯƠNG 7 QUÁ TRÌNH PHÂN TÁCH BẰNG CƠ HỌC

ρp : khối lượng riêng của hạt rắn

ρf : khối lượng riêng của huyền phù

QUÁ TRÌNH LẮNG

Hình 7.1 Ảnh hưởng của chuẩn số Reynolds tới hệ số trở lực Cd

ψ : đại diện cho mức độ cầu của hạt rắn

QUÁ TRÌNH LẮNG

Tốc độ lắng trong trường hợp nồng độ của các hạt rắn trong lưu thể cao

Khi nồng độ các hạt rắn cao:

 Có sự tương tác giữa các hạt trong qua trình lắng

- Nếu kích thước hạt nhỏ (6-10 μm) : tốc độ tương đương với tốc độ

được tính theo định luật Stock Với kích thước hạt = trung bình của

kích thước hạt lớn nhất và hạt nhỏ nhất

- Nếu hạt có kích thước lớn: Hình thành các khu vực lắng

khác nhau

- Vận tốc dòng khí ngang đi vào thấp

- Lắng được thích hợp cho các hạt bụi có kích thước lớn hơn 50 μm

Hình 7.2 Buồng lắng

Cửa tháo bụi (5)

Khi đi vào cyclone, không khí chuyển động tròn theo

thân trụ

Nhờ lực ly tâm, các hạt bụi chuyển động tách ra khỏi

dòng khí theo hướng bán kính và sau đó tập hợp lại

trên thành thiết bị

Đến cuối ống (2), một phần khí qua ống (4) đi ra

ngoài, một phần chuyển động tiếp xuống phần phễu

(3) tạo thành dòng để đi lên ống (4) đi ra

Bụi chuyển động dọc theo thành của thân (1) và (2),

sau đó tập trung ở cửa (5) và được tháo ra ngoài

Hình 7.3 Sơ đồ nguyên lý

hoạt động của cyclone

THIẾT BỊ LẮNG

Dịch lọc, nước trong

Hình 7.5 Nguyên lý quá trình lọc

+ Áp lực trên bề mặt vách ngăn, hoặc

+ Áp suất chân không phía dưới vách ngăn

Dựa vào động lực, phân loại gồm:

+ Lọc dưới áp suất thủy tĩnh (lọc trọng lực)

+ Lọc dưới áp lực

+ Lọc chân không

Động lực của quá trình lọc

QUÁ TRÌNH LỌC

Tốc độ lọc

Lưu thể (lỏng, khí) có chứa các phần tử rắn đi qua vật liệu lọc, các phần

tử rắn bị giữ lại trên lớp vật liệu lọc

 Giảm diện tích để lưu thể đi qua  Tăng trở lực đối với dòng lưu thể

Tốc độ lọc phụ thuộc vào các yếu tố:

+ Áp suất giảm qua vật liệu lọc

+ Diện tích bề mặt lọc

+ Độ nhớt của dịch lọc

+ Trở lực của lớp bã tạo thành do các phần tử rắn lưu lại trên vật liệu lọc + Trở lực của vật liệu lọc

QUÁ TRÌNH LỌC

Độ dày của lớp bã lọc Lc:

𝐿𝑐 = 𝑆𝑉

𝐴

S : hàm lượng chất rắn có trong lưu thể ban đầu

V : thể tích đi qua lớp vải lọc với tiết diện A

Phương trình (7.9): Tính toán sự giảm áp suất cần thiết để đạt được một lưu

lượng mong muốn cho quá trình lọc

Hoặc để dự đoán hiệu suất của các thiết bị lọc ở quy mô lớn dựa trên các số liệu từ quy mô thực nghiệm (pilot)

+ 𝜇𝑟𝐿 𝑑𝑉

𝑉 0

= 𝐴∆𝑃 𝑑𝑡

𝑡 0

𝜇𝑟𝐿

∆𝑃

(7.12)

V/A

y = ax + b

Phương trình (7.12): Tính toán lưu lượng của quá trình lọc theo thời

gian khi áp suất không đổi

Hoặc để dự đoán hiệu suất của các thiết bị lọc

ở quy mô lớn dựa trên các số liệu từ quy mô

thực nghiệm (pilot)

QUÁ TRÌNH LỌC

Ví dụ tính toán 1:

Cần thiết kế một thiết bị lọc để lọc 4 m3 huyền phù trong 2 giờ tại áp suất

không đổi là 400 kPa

Để thực hiện thiết kế này, các điều kiện cần thiết được thiết lập trên quy mô

phòng thí nghiệm sử dụng 1 thiết bị lọc có diện tích 0,1 m2 và áp suất không

đổi là 140 kPa, thu được các dữ liệu sau:

Hãy xác định diện tích lọc cần thiết để đáp ứng được các điều kiện mong

muốn cho thiết bị lọc được thiết kế

+ Máy lọc chân không

- Theo nguyên tắc làm việc:

+ Máy lọc làm việc gián đoạn

+ Máy lọc làm việc liên tục

- Dựa vào cấu tạo

Các bước trong 1 quá trình lọc:

(1) Tạo bã và cho nước trong

(2) Rửa bã sơ bộ

(3) Rửa bã triệt để

(4) Tách bã ra khỏi vải lọc

(5) Làm sạch vải lọc

Lưu ý: Trong chu kỳ trên, bước (2) đến

bước (5) không tạo thành nước trong

Các bước trong quá trình tiến hành tại thời điểm khác nhau = Lọc gián đoạn

Các bước trên tiến hành đồng thời = Lọc liên tục

cùng kích thước, xếp xen kẽ và liền

nhau Giữa khung và bản có vải

lọc

Toàn bộ khung bản được ép chặt

giữa 1 tấm cố định và 1 tấm di

động; và tựa trên giá đỡ nhờ các

đai bên sườn Hình 7.7 Máy lọc ép khung bản

Có các lỗ để cho huyền phù và nước rửa

đi qua Hình 7.8 Cấu tạo bản lọc

Khung:

Tạo với các bản 1 phòng chứa bã

Có các lỗ ăn khớp với các lỗ của bản, tạo

thành các ống dẫn để dẫn huyền phù và

nước rửa đi qua

Hình 7.9 Nguyên lý hoạt động của máy lọc ép khung bản

Nguyên lý hoạt động:

Huyền phù đi dưới áp suất vào phía trong các khung

Dịch lọc đi qua vải lọc, chảy theo máng của bản qua các rãnh dẫn

Các phần tử rắn bị giữ lại trên vải cho đến khi khung chứa đầy bã

Bã được rửa hoặc không

Để tháo bã, khung và bản được tách ra, bã rơi xuống dưới tác

dụng của trọng lực và lực cơ học tác động vào

QUÁ TRÌNH LỌC

Thiết bị lọc áp suất

THIẾT BỊ LỌC

Máy lọc ép khung bản

QUÁ TRÌNH LỌC

Thiết bị lọc chân không

Máy lọc chân không thùng quay

Hình 7.10 Sơ đồ nguyên lý máy lọc chân không

Bên trong thùng được chia thành

các ngăn riêng biệt Mỗi ngăn có

đường ống nối với trục rỗng

QUÁ TRÌNH LỌC

Thiết bị lọc chân không

Máy lọc chân không thùng quay

THIẾT BỊ LỌC

Nguyên lý hoạt động:

Khi thùng quay, ngập trong bể huyền phù và dịch lọc chui qua vải lọc và

đi vào các rãnh bên trong thùng nhờ hút chân không Khi phần thùng

quay đó đi ra khỏi bể huyền phù, lớp bã được hút nốt phần chất lỏng

còn lại và được rửa bằng các vòi phun từ phía trên

Không khí nén được thổi vào phía dưới vải lọc để làm lỏng phần bã bám trên vải lọc Sau đó phần bã này được tách ra khỏi thùng bằng dao cạo Phần thùng quay đó lại đi vào bể huyền phù và chu trình được lặp lại

Như vậy, trong 1 vòng quay, tất cả các công việc gồm lọc, rửa, làm khô, tách bã được tiến hành lần lượt và độc lập với nhau

QUÁ TRÌNH LY TÂM

Quá trình ly tâm (Centrifugation) là quá trình phân tách các

phần tử ra khỏi lưu thể bằng cách sử dụng lực ly tâm

Thường có 2 ứng dụng của ly tâm:

+ Phân tách các chất lỏng không tan lẫn

+ Phân tách phần tử rắn ra khỏi chất lỏng hoặc không khí

u : tốc độ theo phương tiếp tuyến (m/s)

r : khoảng cách theo phương bán kính tới trung tâm quay (m)

QUÁ TRÌNH LY TÂM

𝐹𝑐 = 𝑚

𝑔𝑐

𝑢2𝑟

Nếu diễn đạt theo số vòng quay trên phút:

QUÁ TRÌNH LY TÂM

Hình 7.11 Phân tách lưu thể có khối lượng riêng

khác nhau bằng ly tâm

Nếu 1 lưu thể chứa các phần tử có

khối lượng riêng khác nhau được

đưa vào trong 1 bát quay  các

phần tử có khối lượng riêng lớn hơn

sẽ dịch chuyển về phía thành bát do

lực ly tâm tác dụng lên lớn hơn; các

phần tử có khối lượng riêng nhỏ hơn

hướng về phía bên trong bát (Hình

7.11)

 Nguyên lý được sử dụng để phân tách những thực phẩm lỏng có

chứa các phần tử có khối lượng riêng khác nhau

Lực ly tâm

QUÁ TRÌNH LY TÂM

Tốc độ phân tách

Trong đó:

u: tốc độ phân tách (m/s)

D: đường kính của các hạt trong pha nặng hơn (m)

N : tốc độ quay của thùng ly tâm tính bằng vòng/phút

ρp , ρs: khối lượng riêng của hai pha (kg/m3)

r : khoảng cách từ phần tử tới trục quay (m)

𝑢𝑐 = 𝐷

2𝑁2𝑟(𝜌𝑝 − 𝜌𝑠)

1640𝜇

QUÁ TRÌNH LY TÂM

Phân tách lỏng – lỏng

Trong phân tách lỏng-lỏng, độ dày của các lớp được xác định bằng

khối lượng riêng của 2 chất lỏng, sự khác nhau về áp suất ngang qua các lớp chất lỏng và tốc độ quay

Vùng trung lập = vùng ranh giới giữa 2 chất lỏng tại tốc độ ly tâm nhất định tại đó áp suất của 2 chất lỏng cân bằng nhau

Vùng có bán kính rn

 Dùng để xác định vị trí ống nạp liệu và ống dẫn sản phẩm

QUÁ TRÌNH LY TÂM

Ví dụ tính toán 2:

Các hạt rắn trong một huyền phù được phân tách bằng ly tâm Các hạt rắn có đường kính 100 μm, khối lượng riêng là 800 kg/m3 Chất lỏng là nước, có khối lượng riêng là 993 kg/m3 Độ nhớt của nước là 5,95.10-4 Ns/m2 Bán kính phân tách là 7,5 cm Nếu tốc độ phân tách cần đạt 0,03 m/s, hãy xác định tốc độ quay cần thiết của thiết bị ly tâm

Ví dụ tính toán 3:

Hãy xác định vị trí đặt ống vào và ra của 1 thiết bị ly tâm tách cream ra khỏi sữa nguyên kem Khối lượng riêng của sữa gầy là 1025 kg/m3, của cream là 865 kg/m3 Ống ra của cream có bán kính 2,5 cm và của sữa gầy là 5 cm

Khi thùng quay, chất lỏng chui qua rổ ra phía

ngoài thùng, bã rắn được giữ lại trong rổ Sau

đó, thùng quay chậm lại và bã rắn được tháo

ra

Dung tích của thiết bị có thể lên tới 90 000 lít/h

QUÁ TRÌNH LY TÂM

Hình 7.13 Máy ly tâm loại đĩa

Thiết bị ly tâm loại đĩa

Phân tách hệ lỏng – lỏng

Cấu tạo:

Gồm 1 chồng các đĩa hình côn bằng kim

loại xếp cách nhau 0,5 – 1,27 mm trong 1

thùng quay có đường kính 0,2 – 1,2 m

Trên các đĩa có các lỗ khớp nhau tạo thành

1 kênh dẫn cho chất lỏng chuyển động

Hỗn hợp lỏng – lỏng đi vào ống nạp liệu và

đi vào các đĩa thành các lớp mỏng

Nhờ lực ly tâm, chất lỏng nặng hơn trượt

theo đĩa xuống dưới, tập trung ở phía

thành thùng Chất lỏng nhẹ hơn chuyển

động theo hướng ngược lại, tập trung về

phía trục của thùng

THIÊT BỊ LY TÂM

Thùng quay với vận tốc khoảng 25 vòng/phút và quay nhanh

hơn vít tải bên trong

 chất rắn được vận chuyển về phía đầu của thùng

Chất lỏng đi về phía cuối (phần rộng hơn) của thùng

Phân tách hệ lỏng – rắn