Bể phản ứng cơ khí

Chương 5: TÍNH TOÁN CÁC HẠ MỤC TRONG DÂY CHUYỀN XỬ LÝ NƯỚC 5.1. TRẠM BƠM NƯỚC THÔ HÒA PHÚ

5.2. TRẠM XỬ LÝ NHÀ MÁY NƯỚC TÂN HIỆP

5.2.3. Bể phản ứng cơ khí

5.2.3.1. Công suất thiết kế:

- Công suất nước thô thiết kế của nhà máy xử lý 315.000 m3/ngđ.

- Chia làm 2 đơn nguyên:

- Công suất thiết kế 1 đơn nguyên: Qđơn nguyên = 315.000/2 = 157.500 m3/ngđ = 6.562,5 m3/h 1,823 m3/s.

- Chọn 6 bể phản ứng:

Công suất thiết kế 1 bể: Qbể =157.500/6 = 26.250 m3/ngđ = 1093,75 m3/h 0,304 m3/s.

5.2.3.2. Chức năng:

Tạo bông cặn cho bể lắng 5.2.3.3. Kích thước công trình:

 Thể tích bể

W ể Q ể t 60

1093,75 20

60 364,58 m Trong đó :

t: Thời gian lưu nước lại trong bể. Lấy t = 20 phút ( Theo sách “ Xử Lý Nước Cấp, TS. Nguyễn Ngọc Dung”, t = 15 ÷ 30 phút).

Chọn 1 bể phản ứng có 3 ngăn. Kích thước 1 ngăn là: B x H = 4,2m x 4,2m.

 Tiếp diện ngang của 1 ngăn:

f ă H B 4,2 4,2 17,64 m

 Chiều dài 1 ngăn:

W n f

364,58

3 17,64 6,9m Trong đó:

n: Số ngăn phản ứng trong 1 bể Chọn chiều cao bảo vệ hbv = 0,5 m

Vậy kích thước 1 ngăn là: x b x h = 7m x 4,2m x 4,7m Kích thước 1 bể là: L x B x H = 21m x 4,2m x 4,7m 5.2.3.4. Tính toán vách ngăn hướng dòng

Các ngăn được ngăn cách với nhau bằng các vách ngăn hướng dòng theo phương thẳng đứng.

Một bể có 3 ngăn phản ứng, do đó có 3 vách ngăn hướng dòng làm bằng betong có đục lỗ và dày 0,1 m.

Theo giáo trình “ Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiêp”. Quy định đường kính lỗ trên mỗi vách hướng dóng dòng từ 0,1 ÷ 0,15 m, bố trí đều theo chiều cao và tốc độ nước chảy qua các lỗ của mỗi vách hướng dòng là 0,2 ÷ 0,36 m/s.

 Kích thước vách hướng dòng: 1, 2

- Chiều dài bằng chiều rộng bể: lvách = B = 4,2m - Bề dày: bvách = 0,1 m

- Chiều cao bằng chiều cao bể: hvách = H = 4,2 m

- Kích thước toàn vách: lvách x bvách x hvách = 4,2m x 0,1m x 4,2m a. Vách hướng dòng thứ nhất.

- Chọn đường kính lỗ: d1 = 0,15 m - Tốc độ chảy qua lỗ: v1 = 0,36 m/s

 Diện tích lỗ cần thiết:

fỗ Q ể v

1093,75

0,36 3600 0,84 m

 Tổng số lỗ trên vách ngăn 1:

fỗ 4

0,84 4

3,14 0,15 47,6 ỗ

 Bố trí lỗ:

- Số lỗ bố trí theo chiều rộng là 7 cột.

- Khoảng cách giữa các cột lỗ: 4,2m/ 7cột 1 0,525 m - Số lỗ bố trí theo chiều cao là 7 hàng

- Khoảng cách giữa các hàng là: 4,2m/ 7 hàng 1 0,525 m Vậy số lỗ cần thiết được thiết kế trên vách ngăn thứ 1 là: 7 x 7 = 49 lỗ

 Tổn thất áp lực nước khi qua lỗ

2 1,05 0,36

2 9,81 0,007 Trong đó:

: Hệ số tổn thất cục bộ, đối với miệng vào à 0,05, miệng ra 1, nên

∑ 1,05.( Theo giáo trình “ Nguyễn Cảnh Cầm (2005), Các bảng tính thủy lực,NXB xây dựng, HN”.

b. Vách hướng dòng thứ 2 - Chọn đường kính lỗ d2 = 0,15 m - Tốc độ chảy qua lỗ: v2 = 0,28 m/s

 Diện tích lỗ cần thiết:

fỗ Q ể v

1093,75

0,28 3600 1,09 m

 Tổng số lỗ trên vách ngăn 2:

fỗ 4

1,09 4

3,14 0,15 61,713 ỗ

 Bố trí lỗ:

- Số lỗ bố trí theo chiều rộng là 8 cột

- Khoảng cách giữa các cột lỗ: 4,2m/ 8cột 1 0,467 m - Số lỗ bố trí theo chiều cao là 8 hàng

- Khoảng cách giữa các hàng là: 4,2m / 8 hàng 1 0,467 m Vậy số lỗ cần thiết được thiết kế trên vách ngăn thứ 2 là: 8 x 8 = 64 lỗ.

 Tổn thất áp lực nước khi qua lỗ

h ξ v

2 g 1,05 0,28

2 9,81 0,004 m c. Vách hướng dòng thứ 3( tường tràn giữa bể phản ứng và bể lắng) - Vách hướng dòng thứ 3 không đục lỗ

- Vách hướng dòng thứ 3 đặt cách mặt nước 1,2 m

 Tốc độ nước chảy qua vách thứ 3 v3 = 0,05 m/s

(Theo mục 6.83, TCXDVN 33:2006, quy định nước từ bể phản ứng sang bể lắng phải chảy qua tường tràn ngăn giữa bể phản ứng và bể lắng, với tốc độ nước tràn không quá 0,05 m/s).

 Tổn thất áp lực qua vách hướng dòng thứ 3

h ξ v

2 g 1,05 0,05

2 9,81 0,000134 m

5.2.3.5. Xác định khoảng cách từ tường tràn đến hệ thống lắng lớp mỏng - Tổn thất áp lực qua tường tràn: ht = h3 = 0,000134m

- Độ ngập tường tràn như giả định ờ trên: H = 1,2 m

 Thử lại lưu lượng theo công thức

Q m B 2 g H (m3/s) ( Cho đến khi đạt được Q= 0,304 m3/s) Trong đó:

B: Khoảng cách từ tường tràn đến hệ thống lắng lớp mỏng, chọn B = 2,4 m m0: Hệ số lưu lượng. Tính theo công thức sau

m 1 0,2 h

P h

H 0,402 0,054 H P Trong đó:

hn = H - ht = 1,2 - 0,000134 = 1,199866 m 1,2 m P2 = Hpư – hn = 4,2 – 1,2 = 3 m

m 1 0,2 1,2 3

0,000134

1,2 0,402 0,054 1,2

3 0,022 Kiểm tra lại Q

Q 0,022 2,4 2 9,81 1,2 0,307 m s⁄ 0,304 m s⁄

Vậy với vách hướng dòng thứ 3 đặt cách mặt nước 1,2 m và B khoảng cách giữa hệ thống lắng lớp mỏng và vách hướng dòng của bể phản ứng chọn là 2,4 m là đạt.

5.2.3.6. Xác định kích thước guồng khuấy

Cấu tạo guồng khuấy gồm trục quay và 4 bản cánh khuấy đặt đối xứng qua trục, toàn bộ được đặt theo phương thẳng đứng và được làm bằng thép không rỉ.

 Tổng diện tích bản cánh khuấy lấy bằng 15% diện tích mặt cắt ngang bể ( theo giáo trình “ Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiêp”), quy định từ 15

÷ 20 %.

f f 15 100

17,64 15

100 2,65 m

 Diện tích một bản cánh là f ∑ f

4

2,65

4 0,663 m

 Chiều dài cánh: Lấy là c = ( bngăn - 0,4 x 2) = 4,2 – 0,8 = 3,4 m, Trong đó:

0,4 : Khoảng cách giữa thành bể (theo giáo trính “ Nguyễn Ngọc Dung, Xử lý nước cấp”, quy định đường kính guồng tính đến mép cánh khuấy ngoài cùng lấy nhỏ hơn bề rộng hoặc chiều sâu bể 0,2 ÷ 0,4 m.), với 2 đầu cánh khuấy.

 Chiều rộng bản cánh

r f l

0,663

3,4 0,195 m

Vậy mỗi bản cánh khuấy có kích thước : c x = 3,4 m x 0,195 m Bản cánh đặt ở khoảng cách tính từ mép ngoài đến tâm trục quay

R h 2 0,2

2

4,2 2 0,2

2 1,9 m

R2 = 1,2 (m)

Khoảng cách giữa mỗi bản cánh là 0,408 m

5.2.3.7. Tính toán tốc độ khuấy trộn của guồng khuấy

Chọn tốc độ quay của guồng khấy ( theo giáo trình “ Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiêp”, quy định tốc độ quay guồng khuất từ 3÷5 vòng/phút và lấy giá trị lớn cho buồng đầu, giảm dần ở buồng sau).

- Ở guồng đầu: n1 =5 vòng/phút - Buồng giữa: n2 = 4 vòng/phút - Buồng cuối: n3 = 3 vòng/phút

Kiểm tra lại các chỉ tiêu khuấy trộn cơ bản.

a. Ở buồng phản ứng đầu tiên

 Tốc độ chuyển động của các bản cánh khuấy so với nước (được tính theo công thức 5.10, giáo trình “ Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiêp”).

V 2 π R n

60 m s⁄

Trong đó:

R: Bán kính chuyển động của cánh khuấy, tính từ mép ngoài cùa cánh đến tâm trục quay; R =1,9 m.

n1: Số vòng quay trong 1 phút (vòng/phút); n1 = 5 vòng/phút.

Khi cánh khuấy chuyển động trong nước, nước sẽ bị cuốn theo với tốc độ bằng 1/4 tốc độ của cánh khuấy. Như vậy tốc độ chuyển động tương đối của cánh khuấy so với nước là.

V 0,75 2 π R n

60 0,75 2 3,14 1,9 5

60 0,74 m s⁄

(Vẫn nằm trong quy phạm 0,25 ÷0,75 m/s) Trong đó:

Vn1: Tốc độ chuyển động của nước do cánh khuấy tạo ra (m/s)

 Công suất cần thiết để quay cách khuấy ( theo công thức 5.12, giáo trình “ Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiêp”).

N1 = 51 x C x ∑ x V3n1 = 51 x 1,9 x 2,65 x 0,743 = 104,055 (W) Trong đó:

C: hệ số sức cản của nước, phụ thuộc vào tỷ lệ giữa chiều dài l và chiều rộng b của bản cánh khuấy.

Khi: l/b = 5 ; C = 1,2 l/b = 20 ; C = 1,5 l/b >20 ; C = 1,9

Ta có: l/b = 3,9/0,175 = 22,29 >21 Vậy C =1,9

∑ : Tổng diện tích của bản cánh (m2); ∑ =2,65 m3

 Năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn 1 m3 nước.

Z N

W ă

N L B H

104,055

7 4,2 4,2 0,843 W m⁄

 Giá trị Gradient vận tốc, được xác định theo công thức 2.7 giáo trình “ Nguyễn Ngọc Dung, Xử lý nước cấp”.

G 10 Z

à 10 0,843

0,0092 95,7 l s⁄

(Theo quy phạm giá trị Gradient vận tốc thích hợp ở buồng đấu G = 80 ÷100 l/s) Trong đó:

: Độ nhớt động học cùa nước (kGm2/s); ở 250C, = 0,0092 kGm2/s

 Trong thực tế người ta dùng chỉ số P để đặc trưng cho trạng thái tối ưu này.

P1 = G1 x T = 95,7 x 1200 = 114.840 ( Quy phạm P = 40.000 ÷ 200.000) Trong đó:

T: Thời gian lưu nước lại trong bể; T = 20 phút = 1200 s

 Nhận xét: Tất cả các chỉ tiêu khuấy trộn ở buồng phản ứng đầu tiên đều nằm trong phạm vi cho phép.

b. Ở buồng phản ứng thứ 2.

 Tốc độ chuyển động của các bản cánh khuấy so với nước (được tính theo công thức 5.10, giáo trình “ Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiêp”).

V 2 π R n

60 m s⁄ Trong đó:

R: Bán kính chuyển động của cánh khuấy, tính từ mép ngoài cùa cánh đến tâm trục quay; R =1,9 m

n2: Số vòng quay trong 1 phút (vòng/phút); n2 = 4 vòng/phút

Khi cánh khuấy chuyển động trong nước, nước sẽ bị cuốn theo với tốc độ bằng 1/4 tốc độ của cánh khuấy. Như vậy tốc độ chuyển động tương đối của cánh khuấy so với nước là.

0,75 2

60 0,75 2 3,14 1,9 4

60 0,5966 ⁄

(Vẫn nằm trong quy phạm 0,25 ÷0,75 m/s)

Trong đó:

Vn2: Tốc độ chuyển động của nước do cánh khuấy tạo ra (m/s).

 Công suất cần thiết để quay cách khuấy ( theo công thức 5.12, giáo trình “ Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiêp”).

N2 = 51 x C x ∑ x V3n2 = 51 x 1,9 x 2,65 x 0,59663 = 54,528 (W) Trong đó:

C: hệ số sức cản của nước, phụ thuộc vào tỷ lệ giữa chiều dài l và chiều rộng b của bản cánh khuấy.

Khi: l/b = 5 ; C = 1,2 l/b = 20 ; C = 1,5 l/b >20 ; C = 1,9

Ta có: l/b = 3,9/0,175 = 22,29 >21 Vậy C =1,9

∑ : Tổng diện tích của bản cánh (m2); ∑ =2,65 m3

 Năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn 1 m3 nước.

Z N

W ă

N L B H

54,528

7 4,2 4,2 0,441 W m⁄

 Giá trị Gradient vận tốc, được xác định theo công thức 2.7 giáo trình “ Nguyễn Ngọc Dung, Xử lý nước cấp”.

G 10 Z

à 10 0,441

0,0092 69,23 l s⁄ Trong đó:

: Độ nhớt động học cùa nước (kGm2/s); ở 250C, = 0,0092 kGm2/s

 Trong thực tế người ta dùng chỉ số P để đặc trưng cho trạng thái tối ưu này.

P2 = G2 x T = 69,23 x 1200 = 83.076 ( Quy phạm P = 40.000 ÷ 200.000) Trong đó:

T: Thời gian lưu nước lại trong bể; T = 20 phút = 1200 s

 Nhận xét: Tất cả các chỉ tiêu khuấy trộn ở buồng phản ứng thứ 2 đều nằm trong phạm vi cho phép.

c. Buồng phản ứng thứ 3

 Tốc độ chuyển động tương đối của cánh khuấy so với nước là.

V 0,75 2 π R n

60 0,75 2 3,14 1,9 3

60 0,44 m s⁄

(Vẫn nằm trong quy phạm 0,25 ÷0,75 m/s) Trong đó:

n3: Số vòng quay trong 1 phút (vòng/phút); n3 = 3 vòng/phút Vn3: Tốc độ chuyển động của nước do cánh khuấy tạo ra (m/s)

 Công suất cần thiết để quay cách khuấy

N3 = 51 x C x ∑ x V3n3 = 51 x 1,9 x 2,65 x 0,443 = 21,8(W)

 Năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn 1 m3 nước.

ă

21,8

7 4,2 4,2 0,176 ⁄

 Giá trị Gradient vận tốc.

10 10 0,176

0,0092 40 ⁄

(Theo quy phạm giá trị Gradient vận tốc thích hợp ở buồng cuối G = 30 ÷40 l/s)

 Trong thực tế người ta dùng chỉ số P để đặc trưng cho trạng thái tối ưu này.

P3= G3 x T = 40 x 1200 = 48.000 (Quy phạm P = 40.000 ÷ 200.000)

 Nhận xét: Tất cả các chỉ tiêu khuấy trộn ở buồng phản ứng thứ 3 đều nằm trong phạm vi cho phép.

5.2.3.8. Buồng nhận nước từ bể trộn

 Chọn thời gian lưu nước là 30 s

 Thể tích của buồng nhận nước W = Q x t = 1,823 x 30 = 54,69 m3

 Chọn kích thước của buồng tiếp nhận nước L x B x H = 5m x 2,5m x 4,4m

 Diện tích tại bề mặt của buồng nhận nước F = L x B = 5 x 2,5 = 12,5 m2

 Vận tốc tại mặt trên 1,823

12,5 0,146 ⁄

5.2.3.9. Mương phân phối nước vào 6 bể phản ứng

 Lưu lượng tại mặt cắt đầu mương Qđ ươ Q

2

1,823

2 0,9115 m s⁄ Trong đó:

2 là chia lưu lượng làm 2 phần

 Kích thước tại mặt cắt đầu mương

B x H = 2 x 1,5 = 3 m2

 Tốc độ tại mặt cắt đầu mương

đ ươ đ ươ 0,9115

3 0,304 ⁄

 Lưu lượng tại mặt cắt cuối mương

ươ ươ

3

0,9115

3 0,304 ⁄

Trong đó:

3 là chia đều lưu lượng cho 3 bể.

 Kích thước tại mặt cắt cuối mương

B x H = 0,8 x 1,5 =1,2 m2

 Tốc độ tại mặt cắt đầu mương V ươ Q ươ

B H

0,304

1,2 0,253 m s⁄

5.2.3.10. Cửa dẫn nước vào mỗi bể phản ứng

 Một bể phản ứng chọn 2 cửa dẫn nước vào.

 Lưu lượng nước vào mỗi bể

Q ể Q đơ ê 6

1,823

6 0,304 m s⁄

 Lưu lượng nước vào 1 cửa Q ử Q ể

2

0,304

2 0,152 m s⁄

 Chọn kích thước cửa

fcửa = bcửa x hcửa = 0,6 x 0,6 = 0,36 m2

 Vậy tốc độ nước qua cửa

v ử Q ử f ử

0,152

0,36 0,42 m s⁄

Bảng 5.2: Thông số thiết kế bể phản ứng cơ khí

STT Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

1 Số lượng n Bể 12

2 Mặt bằng mỗi ngăn Lngăn x Bngăn m2 7 x 4,2 3 Mặt bằng mỗi bể Lbể x Bbể m2 21 x 4,2

4

Chiều cao.

- Hưu ích - Bảo vệ - Toàn phần

H Hbv Hxd

m m m

4,2 0,5 4,7

5

Vách hướng dòng.

- Vách hướng dòng 1 Đường kính

Tổng số lỗ trên 1 vách

- Vách hướng dòng 2 Đường kính

Tổng số lỗ trên 1 vách

d1 e1

d2 e2

m lỗ

m lỗ

0,15 49

0,15 64

- Vách hướng dòng 3 không đục lỗ

6

Guồng khuấy.

- Số lượng 1 bể - Chiều dài cánh - Chiều rộng cánh - Bán kính

- Khoảng cách giữa mỗi bàn cánh

n lc

rc R1

Guồng khuấy m m m m

3 3,4 0,195

1,9 0,408

7

Buồng nhân nước từ bể trôn.

- Chiều dài - Chiều rộng

- Chiều cao xây dựng

L B Hxd

m m m

5 2,5 4,9

8

Mương phân phối nước vào 6 bể.

- Kích thước tại mặt cắt đầu mương - Kích thước tại mặt

cắt đầu mương

B x Hxd

B x Hxd

m3 m3

2 x 2 0,8 x 2

9

Cửa phân phối nước vào mỗi bể phản ứng.

- Số lượng - Kích thước cửa

N bcửa x hcửa

Cửa m2

24 0,6 x 0,6