Nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị xử lý, tái sử dụng chất thải rắn trong dây chuyền sản xuất tấm lợp Fibro xi măng

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị xử lý, tái sử dụng
chất thải rắn trong dây chuyền sản xuất tấm lợp Fibro xi măng”.


CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS. TRẦN VĂN TÂN









9029



Hà Nội, 12-2011

BỘ CÔNG THƯƠNG
TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC VÀ MÁY NÔNG NGHIỆP
VIỆN CÔNG NGHỆ





BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị xử lý, tái sử dụng chất
thải rắn trong dây chuyền sản xuất tấm lợp Fibro xi măng”.

Thực hiện theo Hợp đồng đặt hàng sản xuất và cung cấp dịch vụ
sự nghiệp công nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ
số 126.11.RD/HĐ-KHCN ngày 06/4/2011 giữa Bộ Công Thương
và Viện Công nghệ

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS. TRẦN VĂN TÂN

Các thành viên tham gia:
1. Hoàng Việt Quang Kỹ sư cơ khí
2. Tống Văn Cường Kỹ sư điện
3. Phạm Việt Thắng Kỹ sư cơ khí
4. Ngô Trung Dũng Kỹ sư cơ khí
5. Đào Trung Hiếu Kỹ sư cơ khí
6. Nguyễn Thị Thoa Cao đẳng





Hà Nội, 12-2011

1
MỤC LỤC
Tóm tắt nhiệm vụ 3
Mở đầu 4

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ
1. Phân tích, lựa chọn công nghệ xử lý chất thải rắn trong dây chuyền sản xuất
tấm lợp Fibro xi măng 5
1.1 Vấn đề giảm thiểu chất thải rắn dạng ẩm ướt 5
1.2 Xử lý – tái sử dụng chất thải rắn dạng ẩm 7
1.3 Lựa chọn thiết bị tái chế chất thả
i rắn dạng ẩm 8

1.4 Xử lý chất thải rắn dạng đóng rắn của dây chuyền sản xuất tấm lợp 9
2. Phân tích, lựa chọn, tính toán thiết kế máy, nghiền búa và máy khuấy trộn
để tái chế chất thải 10
2.1. Máy nghiền búa 10
2.2. Máy khuấy 15
2.2.1. Thủy lực học khuấy trộn hỗn hợp không đồng nhất 15
2.2.2.Điều kiện hình thành huyền phù trong máy khuấy 16
2.2.3. Công suất tiêu thụ cho khuấ
y trộn chất lỏng 18

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN


Phần 1: Tính toán máy nghiền búa 24
1. Chọn sơ đồ nguyên lý làm việc của máy 24
2.Tính toán và chọn công suất động cơ 27
2.1.Công suất nghiền 27
2.2.Chọn động cơ 28
3.Tính toán động học máy nghiền búa 28
3.1.Kích thước cơ bản của tang mang búa 28
3.2.Kích thước búa 29
3.3.Số vòng quay của rôto 32
3.4.Tính khối lượng búa cần thiết để sinh ra được công đập vật liệu 33

2
3.5.Xác định số hàng búa 34
Phần 2: Tính toán máy khuấy Turbo 35
2.1 Tính tốc độ trục khuấy 35
2.2 Công suất tiêu thụ cho khuấy trộn chất lỏng 36
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 38

Kết luận và kiến nghị 39
Tài liệu tham khảo 40


Phụ lục 41

3
TÓM TẮT NHIỆM VỤ
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị xử lý, tái sử
dụng chất thải rắn trong dây chuyền sản xuất tấm lợp Fibro xi măng.
Đề tài khảo sát nghiên cứu về chất thải rắn của một số nhà máy và tình hình sử
lý chất thải rắn của một số nước phát triển. Từ đó có biện pháp nghiên cứu, phân
tích và lựa chọn công nghệ cho phù hợp v
ới tình hình thực tế và công nghệ sản xuất
trong dây chuyền hiện có của nước ta.
Khảo sát số lượng chất thải rắn và các thành phần, tính chất cơ lý của chất thải
từ đó lựa chọ được công nghệ và thiết bị xử lý, tái sử dụng chất thải rắn cho phù
hợp. Sau khi phân tích, lựa chọn công nghệ ta chọn được các thiết bị phục vụ cho
việc sử lý và tái s
ử dụng chất thải rắn trong dây chuyền.
Đề tài thành công là một bước quan trọng trong việc hoàn thiện các thiết bị của
dây chuyền khi xuất khẩu dây chuyền ra nước ngoài. Vì vấn đề môi trường ở nước
ngoài cực khì khắt khe. Do đó đây là thiết bị không thể thiếu được trong dây
chuyền xuất khẩu ra nước ngoài.

4
MỞ ĐẦU

Việt Nam hiện nay có trên 50 dây chuyền sản xuất tấm lợp theo công nghệ
Hatschek. Việc sản xuất tấm lợp theo công nghệ trên kéo theo lượng chất thải rắn
không nhỏ thải ra từ dây chuyền sản xuất. Khối lượng chất thải rắn của các dây
chuyền sản xuất tấm lợp bằng khoảng 3÷5% vật liệu đầu vào dưới hai dạng: ẩm ướt
và khô. Trong đó, chất thải rắn d
ạng ẩm là cặn lắng thu hồi ở bể lắng nước thải từ
côn nước đục chiếm khoảng 3÷4% và chất thải rắn dạng khô đó là các mảnh vụn
tấm vỡ đã đông kết (đóng rắn) chiếm khoảng 1÷2%.
Không những chất thải làm ảnh hưởng đến môi trường mà nó còn gây thiệt
hại về mặt kinh tế do tổn thất nguyên vật liệu. Đây là lượ
ng chất thải lớn mà hầu
hết các nhà máy sản xuất tấm lợp đang tìm cách xử lý.

5
CHƯƠNG I
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ

1. Phân tích, lựa chọn công nghệ xử lý chất thải rắn trong dây chuyền sản xuất
tấm lợp Fibro xi măng.
Hiện nay, hầu hết ở các nhà máy sản xuất tấm lợp ở nước ta chất thải rắn của
dây chuyền sản xuất sau khi thu gom được vận chuyển đến bãi rác thành phố, thị
trấn để chôn lấp. Hầu hết các cơ sở sản xuất tấm lợ
p chưa có biện pháp và đầu tư
xử lý chất thải rắn. Điều này không những gây thiệt hại về mặt kinh tế mà còn gây

áp lực cho việc xử lý chất thải rắn nói chung cho xã hội, bảo vệ môi trường.
Năm 2000, Nhật Bản bắt đầu áp dụng khái niệm mới về xây dựng một “Xã
hội tuần hoàn vật chất hợp lý” hay còn gọi là 3R (Reduction, Reuse, Recycling)
trong việc xử lý chất thải (gi
ảm thiểu tái sử dụng, tái chế).
Với đặc thù công nghệ sản xuất tấm lợp hiện nay ở nước ta, hiện nay việc
giảm chất thải và sử dụng nó là bài toán cần giải quan trọng nhất.
Như đã phân tích ở trên, chất thải rắn của dây chuyền sản xuất tấm lợp tồn
tại hai dạng: dạng ẩm ướt thu hồi từ quá trình lắng nước thả
i, từ côn nước đục hệ
thống nước tuần hoàn và dạng đóng rắn, đó là phế liệu tấm vỡ do không đảm bảo
chất lượng sản phẩm. Bởi vậy, để giải quyết bài toán này trước hết phải cải tiến,
hiện đại hóa công nghệ sản phẩm nhằm giảm thiểu chất thải tận dụng chung song
vẫn đảm bảo chất lượng s
ản phẩm.
1.1 Vấn đề giảm thiểu chất thải rắn dạng ẩm ướt.
Việc tạo hình sản phẩm tấm lợp diễn ra trên dàn xeo. Trong nhiều năm qua
Viện Công nghệ đã hoàn thiện thiết kế dàn xeo nhằm tăng năng xuất và hiệu suất
xeo. Với thiết kế luôn cải tiến cùng với việc tăng hiệu suất xeo, chất thải rắn giảm
đế
n mức tối thiểu.
Mặt khác, để giảm đáng kể chất thải rắn dạng ẩm ướt song vẫn không giảm
chất lượng sản phẩm tấm lợp thì các dạng hạt rắn của lượng xi măng còn lại trong
nước tràn từ bể xeo phải nhanh chóng đưa trở lại để tham gia quá trình công nghệ.
Để giải quyết vấn đề này việc thu gom nước từ dàn xeo được tách thành hai dòng.
Thứ nh
ất: nước tràn từ bể xeo chứa (15-20g/l) hạt rắn được thu gom riêng và đưa
ngay trở lại chu trình công nghệ (phục vụ pha loãng liệu), phần sử dụng không hết

6

mới đưa về côn nước. Dòng nước thứ hai là nước rửa băng lưới và nước từ hệ chân
không với lượng cặn chất rắn nhỏ (1-2g/l) được thu gom và bơm trả về côn nước.

Sơ đồ nước tuần hoàn

Phần bể nước thu gom, lắng dưới chân côn nước cần phải cải tiến lại để
thuận lợi cho việc thu gom chất thải rắn dạng ẩm ướt.

7

Hệ thống bể thu gom lắng gồm một dãy bể. Nước thải từ côn nước đục được
dẫn đến bể lắng cấp 1 gồm 4 bể nhỏ. Tại đây chất thải rắn trong nước căn bản được
lắng. Tiếp tục nước tràn từ bể lắng cấp 1 được dẫn tới bể lắng cấp 2 gồm 2 bể. Tại
đây nướ
c được làm sạch cơ bản và được dẫn về bể chứa 3 để sử dụng cân bằng
nước công nghệ tuần hoàn
Với cách bổ trí dãy bể và sử dụng các van chặn trên các đường máng dẫn, ta
có thể dễ dàng thu hồi chất thải rắn dạng ẩm ướt và không phải chờ đến khi dừng
dây chuyền.
1.2. Xử lý – tái sử dụng chất thải rắn dạng ẩm
Thành phần ch
ất thải rắn dạng ẩm ướt thu hồi từ bể lắng gồm chủ yếu là các
hạt xi măng thủy hóa và lẫn các sợi nhỏ PVA hoặc Amiăng (theo công nghệ cũ).
Để tái sử dụng chất thải dạng ẩm ướt này trước hết phải nghiền sơ bộ, sau đó đánh
tơi trong máy khuấy trộn turbo trong môi trường nước. Hỗn hợp liệu tái sử dụng
đượ
c khuấy trộn đồng đều và định lượng thể tích để cấp vào máy khuấy phân phối
hoặc khuấy hòa liệu.

8

Sơ đồ tái chế chất thải dạng ẩm
1.3 Lựa chọn thiết bị tái chế chất thải rắn dạng ẩm
Như ta đã phân tích ở trên việc tái chế chất thải rắn dạng ẩm thu hồi từ bể
lắng dưới chân côn nước đục được tiến hành qua hai công đoạn nghiền sơ bộ và
đánh tơi.
Hai công đoạn này có thể tiến hành trên máy nghiề
n - khuấy dạng rôto hoặc
tách riêng từng công đoạn kế tiếp trên hai thiết bị độc lập nghiền và khuấy trộn
dạng turbo.
a. Máy nghiền - khuấy dạng rôto:

Máy nghiền khuấy dạng rôto được dùng để chuẩn bị bùn trong công đoạn
chuẩn bị liệu của công nghệ sản xuất xi măng theo công nghệ ướt. Ta có thể sử

9
dụng nguyên lý hoạt động của thiết bị này để tái chế chất thải dạng ẩm ướt của dây
chuyền sản xuất tấm lợp.
Thiết bị chính dạng nghiền - khuấy bao gồm: trục rô to, búa đập và lồng
khuấy - nghiền. Phần gắn búa đập được bố trí ở giữa và tâm máy được chia thành 3
khoang bởi lưới quay gắn liền với rôto. Khoang giữa là khoang nghiền sơ bộ và hai
khoang hai bên là khoang nghi
ền - khuấy. Nước cung cấp cho máy lấy từ ống gom
và điều chỉnh lượng nước bằng van chặn.
b. Máy nghiền sơ bộ và máy khuấy:
Hai công đoạn nghiền sơ bộ và khuấy trộn được thực hiện kế tiếp trên hai
thiết bị riêng biệt.
- Máy nghiền sơ bộ: dạng máy nghiền búa.
- Máy khuấy: dạng máy khuấy turbo.
Việc tách thành hai thiết bị tuy có thể chiếm di

ện tích mặt bằng lớn song ưu
điểm chính là để chế tạo, bảo trì thuận lợi. Đây là phương án đề tài lựa chọn.
c. Sơ đồ nguyên lý


1.4 Xử lý chất thải rắn dạng đóng rắn của dây chuyền sản xuất tấm lợp
Hiện nay chất thải đóng rắn gồm các mảnh vụn vỡ của tấm lợp được thu gom
và chuyên ch
ở về bãi rác thành phố, thị trấn để chôn lấp. Hầu hết các dây chuyền
sản xuất hiện nay không sử dụng được chất thải này.
Về tương lai để xử lý triệt để phế thải này có thể tái chế nó để làm nguyên
liệu cho làm gạch lát, vách ngăn.
Để đạt được mục tiêu này mảnh vụn, tấm vỡ tấm lợp được:
− Nghiền thô: bằng máy nghiền làm hoặc nghi
ền búa.
+ Sấy (hoặc phơi khô).
+ Nghiền mịn bằng máy nghiền bi.
Hai công đoạn sấy và nghiền mịn thường kết hợp với nhau để giảm năng
lượng nghiền.
Chất thải
rắn
Dạng ẩm
ướt
Nghiền sơ
bộ bằng
máy nghiền
búa
Đánh+ khuấy
bằng máy
khuấy Turbo

Bơm
theo
định
lượng

10
Bột nghiền từ chất thải rắn hòa trộn với xi măng poóclăng (15÷20%), độ ẩm
(10÷12%) để làm nguyên liệu sản xuất vách ngăn, gạch lát theo công nghệ ép bán
khô.
Đây là vấn đề không nằm trong nội dung nghiên cứu của đề tài này. Nhưng
đây là đề xuất để trong tương lai giải quyết triệt để chất thải rắn của dây chuyền sản
xuất tấm lợp.
2. Phân tích, l
ựa chọn, tính toán thiết kế máy, nghiền búa và máy khuấy trộn
Turbo để tái chế chất thải.
2.1. Máy nghiền búa:
Máy nghiền búa được sử dụng để nghiền thô các vật liệu xây dựng, chế biến
khoáng sản v.v… ưu điểm chính của máy nghiền búa là hiệu quả nghiền và chi phí
năng lượng nghiền thấp. máy nghiền búa được thiết kế chế tạo gồm nhiều kiểu loại.
Sơ đồ
các dạng kết cấu máy nghiền búa được trình bày trong bảng 1
máy nghiền búa một rôto, một chiều quay thường dùng để nghiền thô các vật liệu
mềm và có tính mài mòn thấp như than đá, than nâu, đá phiến, muối mỏ, thạch cao,
đá vôi và các vật liệu khác có độ bền nén dưới 1000 kg/cm
2
và ẩm nếu trong
khoang nghiền không lắp ghi sàng. khi sử dụng ghi sàng máy nghiền búa có thể
nghiền thô vật liệu có độ ẩm cao (ví dụ như nghiền than nâu, than bùn có độ ẩm
đến 50%)
Chất thải ẩm, ướt của dây chuyền tấm lợp chủ yếu gồm các hạt xi măng đã

thủy hóa và sợi cùng một số tạp chất rắn dạng xi măng đông kết. Bởi vậy để nghiền
thô chất thải rắn dạng ẩm ướt của dây chuyền sản xuất tấm lợp ta chọn loại máy
nghiền búa một rôto, một chiều quay có lắp ghi sàng trong buồng nghiền.
a. Xác định các thông số cơ bản của máy nghiền búa:
Các thông số cơ bản của máy nghiền búa bao gồm: năng suất, đường kính,
chiều dài và tốc độ quay của rôto, kích thước búa nghiền, kích thước max của cục
vật liệ
u nghiền, mức độ nghiền.
− Năng suất máy nghiền búa phụ thuộc vào nhiều thông số như: tính chất cơ
lý của vật liệu nghiền, kích thước và tốc độ quay của rôto, số lượng, khối lượng và
hình dạng búa nghiền, yêu cầu kích thước hạt sản phẩm.
Để xác định sơ bộ năng suất máy nghiền búa ta có thể tính theo công thức
sau (tltk 1):

11
a) Với D
p
> L
p

nLDQ
pp
100
2
0
=
[m
3
/h]
b) Với D

p
< L
p

nLDQ
pp
100
2
0
= [m
3
/h]
Trong đó: D
p
- Đường kính rôto : m
L
p


- Chiều dài rôto: m
n - Tốc độ rôto: vòng/ph
− Công suất truyền động (TLTK 1)
Công suất động cơ dẫn động máy nghiền búa
Trong đó:
N
đp
- Công suất để nghiền vật liệu.

η
- Hiệu suất truyền động.

Công suất để nghiền liệu:
N
đp
= N
1
+ N
2

Trong đó:
N
1
- Công suất để tạo năng lượng va đập búa với cục vật liệu
nghiền có trọng lượng G.
N
2
- Công suất tiêu hao nghiền bằng mài mòn trên ghi lưới
trong buồng nghiền liệu được nghiền khi chuyển động
xuyên qua ghi lưới.


102.60

1
1
nzA
N
y
′
= [kW]
Trong đó:

z - Số lượng búa trên rôto
n - Tốc độ rôto : vòng/ph
A′
y1
: Năng lượng tiêu hao trên một quả búa


12

)(2
'
01
011
1
mM
mMV
A
y
y
+
=
′
[Kg.m]
V′y
1
- Tốc độ búa nghiền tại điểm va đập với cục liệu: m/s
M
1
- Khối lượng búa nghiền qui dẫn đến điểm va đập:
m

sKg
2
.

m
0
- Khối lượng cục vật liệu có trọng lượng G =
zn
Q
60
[Kg]
Trong đó:
Q – Năng suất máy nghiền kg/h
n – Tốc độ rôto vòng/ph
z – Số lượng búa trên rôto
102.60
.
'
1
2
nA
N
y
= [kW]
Trong đó n – Số vòng quay rôto vòng/ph
a′
n
- Công tiêu hao cho nghiền liệu bằng mài liệu xuyên qua ghi
lưới.
a′

n
= p′
c
.f
0
.z
τ

z - Số lượng búa trên rôto

τ
- Quãng đường dịch chuyển liệu xuyên qua ghi lưới
f
0
- Hệ số ma sát liệu - ghi lưới (bằng thép)
Đối với than đá f
0
= 0,4
Than antraxit f = 0,29
Đá vôi f = 0,51
Than cốc f = 0,47
Than nâu f = 0,58
Than cám f = 0,32
p′
c
- Lực ly tâm của liệu (bị va đập và vỡ)
n
p
c
R

Vm
P
'
'.
'
2
0
=
Trong đó: m
0
- Khối lượng cục vật liệu có trọng lượng G:
m
sKg
2
.


13
v′
p
- Tốc độ li tâm của cục liệu vỡ: m/s = 60/ 2 nR
n
′
π

r′
n
- Khoảng cách từ trục rôto đến tâm cục vật liệu

2

'
2
'
2
D
D
R
p
n
−=
d
p
- Đường kính rôto theo kích thước bao của búa khi rôto quay [m]
d′
p
- Kích thước cục liệu có trọng lượng G [m]

3
0
2
'
γ
G
D =

γ
0
- Trọng lượng riêng của liều đã đập nhỏ Kg/m
3

Theo TLTK 1 có thể tính công suất cần thiết của động cơ máy nghiền búa theo
công thức kinh nghiệm :
N = 7,5 D.L (
60
n
)
N = 0,15 D
2
.L.n
N = (0,1 – 0,15) Q.i
Trong đó:
N - Công suất động cơ kW
D - Đường kính rôto m
L - Chiều dài rôto m
n - Tốc độ rôto vòng/phút
Q - Năng suất máy nghiền búa Tấn/h
i - Mức độ nghiền
*Một số chú ý khi tính toán, thiết kế máy nghiền búa để nghiền thô chất thải
ẩm ướt của dây chuyền tấm lợp.
Vì điều kiện nghiền ướt nên kết cấu ổ đỡ phải cải tiến, đặc biệt là vòng bít làm
kín và
ổ bi phải bảo đảm chịu tải và tránh xâm thực của nước và liệu nghiền.
Vì khi ướt chất thải ở dạng như than bùn, không có hình thành các cục liệu song
trong chất thải vẫn lẫn các cục liệu đã đóng rắn khi vệ sinh côn nước đục. Bởi vậy

14
khi nghiền thô có thể coi mức độ nghiền i có giá trị bằng 10 ÷ 20 (nghiền từ cục
liệu trung bình từ 10mm ÷ 20mm đến kích thước trung bình 1mm)
Với việc sử dụng vòng làm kín dạng dây amiăng phấn chì nên hiệu suất truyền
động sẽ giảm bởi vậy nên lưu ý khi tính toán chọn công suất động cơ.

Sơ đồ hoạt động của máy nghiền kiểu búa











15

2.2 Máy khuấy Turbo
2.2.1 Thủy lực học khuấy trộn hỗn hợp không đồng nhất

Sơ đồ hoạt động của máy khuấy Turbo
Quá trình khuấy hệ lỏng là quá trình rất thường gặp trong các ngành công
nghiệp và đời sống. Quá trình khuấy có thể thực hiện được trong các ống có dòng
chất lỏng chảy qua, trong các bơm vận chuyển… cũng như trong các thiết bị khuấy
hoạt động bằng năng lượng cơ học, đưa vào qua cơ cấu khuấy hoặc nhờ năng lượng
c
ủa dòng khí nén.
Quá trình khuấy cơ học được sử dụng nhằm mục đích:
− Tạo ra hệ không đồng nhất từ các thể tích lỏng, khí, rắn có tính chất thành
phần khác nhau.
− Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt.

− Tăng cường quá trình trao đổi chất bao gồm quá trình chuyển khối và quá
trình hóa học.
Phụ thuộc vào pha vật chất nào là pha tán xạ ta có thể chia hệ chất lỏng không đồng
nhất thành:

16
a) Huyền phù: Hạt rắn ở trạng thái lơ lửng trong chất lỏng.
b) Nhũ tương: Các giọt chất lỏng của một chất chuyển vào chất lỏng thứ hai
trong trạng thái lơ lửng và trộn đều với nhau.
c) Hỗn hợp chất lỏng – khí, trong đó trong điều kiện xác định được gọi là bọt.
Bọt khí xuyên qua chất lỏng.
d) Hệ h
ỗn hợp: Trong đó đồng thời xảy ra hiện tượng tạo nhũ tương và huyền
phù, nhũ tương và bọt….
Các hệ chất lỏng như điểm a và b trong một số trường hợp có thể coi là chất
lỏng phi Newton. Khi thiết kế máy khuấy để khuấy trộn hệ không đồng nhất ta
phải kiểm tra điều kiện hình thành hệ hai pha, tính toán công suất khuấy cũng
như đi
ều kiện khác như trao đổi nhiệt, quá trình chuyển khối.
Máy khuấy trộn trong công tác xử lý chất thải rắn dạng ẩm ướt của đề tài có
nhiệm vụ tạo huyền để tái sử dụng. Bởi vậy trong một loạt vấn đề liên quan đến
thủy lực học của quá trình khuấy trộn ta chỉ phân tích và xem xét đến điều kiện
hình thành huyền phù và công suất tiêu hao cho khuấy.
2.2.2.Điều ki
ện hình thành huyền phù trong máy khuấy
Việc tạo thành huyền phù (Hạt rắn lơ lửng trong chất lỏng) trong máy khuấy
có thể xảy ra ở một tốc độ tương ứng nào đó của chất lỏng. Nếu tốc độ chất lỏng
thấp hơn giá trị đó, hạt rắn sẽ lắng xuống đáy thiết bị và tạo lớp lắng ở đáy.
Rất nhiề
u tác giả cho rằng để đạt được trạng thái đó – trạng thái huyền phù,

có liên quan đến hoặc tiêu hao công suất khuấy trên đơn vị khối lượng của chất
lỏng hoặc giá trị min của chuẩn số Reynolds, hoặc giá trị vòng quay min của cơ cấu
khuấy.
Theo TLTK 2, các tác giả Hobler.T và Zablocki.P đã tiến hành thí nghiệm và
tìm ra công thức xác định số vòng quay nhỏ nhất của máy khuấy để có thể tạo
huyền phù
7,009,2
19,01,017,06,025,0
0
.

c
cs
d
DhxdK
n
γ
ηγ
∆
=
[vòng/s]

17
Trong đó:
+ K – Hằng số tính toán
K = C.g
0,45

+ g = 9,81 m/s
2

– Gia tốc trọng trường.
+ c = 4,629 đối với khuấy tuốc bin
+ c = 10,325 đối với khuấy kiểu chân vịt
Như vậy đối với cơ cấu khuấy tuốc bin
K = c. g
0,45
= 4,629.9,81
0,45
= 12,9
Đối với cơ cấu khuấy chân vít
K = c. g
0,45
= 10,325.9,81
0,45
=28,8
+ d
s
- Đường kính hạt rắn (m)
+
∆
γ
- Hiệu khối lượng chất rắn và lỏng

∆
γ
= γ
s
- γ
c
(Kg/m

3
)
+ γ
s
- Khối lượng riêng chất rắn (Kg/m
3
)
+ γ
c
- Khối lượng riêng chất lỏng (Kg/m
3
)
+ n
c
- Độ nhớt chất lỏng Pa.s (Kg/m.s)
X – Tỉ số giữa khối lượng chất rắn và chất lỏng =
mc
ms
trong thùng khuấy
h – Khoảng cách từ cánh khuấy đến đáy thùng (m)
H – Chiều cao thùng khuấy [m]
d – Đường kính cánh khuấy [m]
D – Đường kính thùng khuấy (m)
– Xác định độ nhớt động lực của hỗn hợp lỏng không đồng nhất
Độ nhớt của huyền phù theo TLTK 2 các tác giả Frisch H.L và Simha R cho
rằng độ nhớt của huyền phù phụ thuộc vào dạng, kích thước, khối lượng hạt, sự
phân bố hạt theo kích thước, tính đàn hồi và bi
ến dạng của nó cũng như các yếu tố
nhiệt động học của hỗn hợp và nồng độ…

18
Độ nhớt của huyền phù có nồng độ thể tích của pha hạt α ≤ 1 có thể xác định
theo công thức
n = n
c
(1+1,25α)
Trong đó: n
c
: Nồng độ của chất lỏng.
2.2.3 Công suất tiêu thụ cho khuấy trộn chất lỏng:
Công suất khuấy trộn N là năng lượng tiêu thụ để khuấy trộn chất lỏng tạo dòng
xoáy trong chất lỏng và cuối cùng năng lượng này biến thành nhiệt năng.
Công suất dẫn động cơ máy khuấy tính theo công suất

dp
S
nn
N
N
.
=
[w] (1)
Trong đó: n
p
- Hiệu suất truyền động cơ khí.
n
d
- Hiệu suất của bộ làm kín (Vòng bít nếu có khi thiết kế bộ
truyền động).
Khi chọn động cơ theo công suất khuấy trộn tính toán ta chọn động cơ có công

suất gần nhất theo Katalog và có giá trị lớn hơn giá trị tính toán.

2.2.3.1 Dẫn suất phương trình chuẩn số đồng dạng để tính công suất tiêu thụ
cho khuấy trộn:
Trường hợp các thiết bị khuấy động dạng hình họ
c:
Để chứng minh công thức dạng tổng quát xác định công suất khuấy ta sử dụng
phương pháp phân tích thứ nguyên. Trong các kết quả nghiên cứu thí nghiệm cho
thấy công suất khuấy N ảnh hưởng bởi các thông số sau:
1. Các thông số vật lý:
a) Tỉ trọng chất lỏng γ[Kg/m
3
]
b) Độ nhớt chất lỏng n[Pa.s]
2. Các thông số động học và động lực:
a) Số vòng quay của cơ cấu khuấy n [vòng/s]
b) Gia tốc trọng trường g[m
2
/s]

19
3. Các thông số hình học của cơ cấu khuấy và thùng khuấy
a) Đường kính cánh khuấy d, [m]
b) Đường kính thùng khuấy D, [m]
c) Chiều cao chất lỏng trong thùng H, [m]
Ngoài ra còn một loạt các thông số hình học khác có thể tính đến khi phân tích thứ
nguyên như kích thước và dạng cánh khuấy, số cánh khuấy, dạng thùng khuấy,
dạng gôm và số lượng gân trong thùng, dạng đáy thùng khuấy v.v…
Như vậy ở dạng chung, công suất khuấy sẽ là hàm của các thông số trên
N = f(n, γ, n, g, d, D…) (2)

Nế
u phân tích thứ nguyên cho trường hợp trong đó thiết bị khuấy thuộc nhóm hình
học của các thiết bị đồng dạng thì chỉ cần một trong các thông số hình học ví dụ
như d đường kính cánh khuấy là đủ. Khi đó công thức (2) có dạng:
N = f(n, γ, n, d, d…) (3)
Theo nguyên tắc của phương pháp phân tích thứ nguyên, phương trình trên có thể
biểu thị bằng phương trình mũ (Hàm số mũ)
N = c.n
a
. γ
b
.n
c
.g
e
.d (4)
Nếu công suất tính bằng W = Jun/s = N.m/s ta có:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣

⎡
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
3
2
2
.
.

S
mKg
S
m
S
mKg
S
xmN

Ta có:

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣

⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
S
S
mKg 1.
3
2

Sau khi rút gọn phương trình trên có dạng:
[Kg]
1
.[m]
2
.[s]
3
= [Kg]
b+c
.[m]
-3b-c+e+f
.[s]
-a-c-2e
Phương trình (4) là phương trình đồng nhất về thứ nguyên bởi vậy chỉ số mũ tương
ứng của nó phải bằng nhau.
-Chỉ số mũ với (Kg)

1 = b+c

20
- Với chỉ số mũ với (m) (mét)
2 = -3b-c+e+f
- Với chỉ số mũ với (s) (giây)
-3 = -a-c-2e
Trong hệ 3 phương trình trên có 5 ẩn số, bởi vậy cần phải cho trước 2 chỉ số. Ví dụ
ẩn số c và e biết trước. Sau khi giải hệ 3 phương trình trên ta có:
a = 3-2e-c
b = 1-c
f = 5-2c-e
Thay các giá trị a,b,f vào phương trình 4 ta có:
N = c.n
3-2e-c
.γ
1-c
.g
e
.d
5-2c-e
(6)
Phương trình (6) có thể biến đổi thành phương trình dưới dạng không thứ nguyên.

γ
.3.3 dn
N
= C
ec
g

dndn
−−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
22
.

η
γ

Bằng phương pháp trên ta có các chuẩn số không thứ nguyên – chuẩn số đồng
dạng
R
e
=
η

γ

2
dn
Chuẩn số Reynolds khuấy
F
r
=
g
dn .
2
Chuẩn số Frud khuấy
E
n
=
γ

53
dn
N
Chuẩn số Euler khuấy hay gọi là hệ số công suất
Như vậy đối với các nhóm khuấy hoàn toàn đồng dạng hình học như nhau thì

BA
u
FrcE .Re.= (8)
Các hệ số C, A, B xác định bằng thực nghiệm
c) Ảnh hưởng của các chuẩn số lên quá trình khuấy trộn và chế độ khuấy trộn
Các dạng của phân bố vận tốc cũng có thể cho ta biết cường độ và chế độ khuấy
trộn, nhưng việc xác định chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Trong thực tế, để

21
đánh giá chế độ khuấy thủy động của một quá trình khuấy nào đó, cũng như đánh
giá hiệu quả sử dụng năng lượng người ta dùng chuẩn số đồng dạng như đã nêu
trên
− Chuẩn số Reynolds khuấy là chuẩn số đặc trưng cho chế độ thủy động của quá
trình khuấy trộn.
Căn cứ vào giá trị của chuẩn số Reynolds khuấy có thể
xác định được chế độ thủy
động của thiết bị khuấy:
a)Khi
300ReRe
1
=<
KK
đó là chế độ chảy tầng.
b)Khi
21
1000Re300Re
eKKK
R
=
<≤= đó là chế độ quá độ
c) Khi
2
Re1000Re
KK
=>
đó là chế độ chảy rối
− Chuẩn số Frud khuấy:

Chuẩn số này đặc trưng cho ảnh hưởng của sự tạo phễu lên công suất và các quá
trình công nghệ khác (hòa tan, trao đổi nhiệt, hiệu ứng bơm)
Nếu thùng khuấy có tấm chắn ngăn cản sự tạo phẫu thì chuẩn số Frud khuấy
không có ảnh hưởng gì.
− Chuẩn số công suất hay chuẩn số Euler khuấy. Chuẩn s
ố Euler mô tả quan hệ
giữa lực áp suất gây ra dòng chảy và lực áp suất động (cũng chính là trường hợp
riêng của chuẩn số mô tả quan hệ giữa nguồn và đối lưu)
d-Hiệu ứng bơm và hiệu ứng tuần hoàn
− Hiệu ứng bơm V
p
là lượng chất lỏng do cơ cấu khuấy chuyển được trong một đơn
vị thời gian và được xác định theo công thức.
+ Đối với cánh khuấy tạo ra dòng hướng kính (tuốc bin hở cơ cấu khuấy dạng
bản)
rp
wdbV
π
=

+ Đối với cánh khuấy tạo ra dòng hướng trục (chân vịt, vít tải)
zp
w
d
V .
4
2
π
=
Trong đó:

22
d - Đường kính cánh khuấy m
b - Chiều rộng cánh khuấy (m) và bằng C
b
.d

r
w - Vận tốc hướng kính trung bình
dncw
wrr

=


z
w - Vận tốc hướng trục trung bình

dnctncw
wzwzz

′
== (t là bước của cơ cấu cánh khuấy)
Thay các giá trị trên vào công thức tính hiệu ứng bơm ta có công thức tính hiệu ứng
bơm cho cơ cấu khuấy bất kỳ
3
dnCV
p
=
Hệ số C xác định bằng thực nghiệm

− Hiệu ứng tuần hoàn V
c
là tổng lượng chất lỏng tuần hoàn trong thùng khuấy
trong một đơn vị thời gian kể cả chất lỏng được kéo chuyển động trong thùng
khuấy:
pC
VkV .
=

Trong đó: k- Hệ số tỉ lệ giữa hiệu ứng tuần hoàn và hiệu ứng bơm.
Kết quả theo dõi các thí nghiệm cho các thiết bị thì hai hiệu ứng này có mối quan
hệ rất chặt chẽ kể cả thùy khuấy có gờ hoặc không có gờ thì hiệu ứng tuần hoàn V
c

có giá trị gần gấp đôi hiệu ứng bơm V
p
.
Theo kết quả nghiên cứu của Nagata Yamamo, Yo Ujihara đối với thiết bị khuấy
không có gờ trong thùng khuấy V
c
= 1,9 V
p
. Tương tự theo kết quả thí nghiệm của
Sachs và Rushton cho thùng khuấy có gờ chắn V
c
= (1,8-1,96)V
p
Như vậy để tính toán công suất tiêu thụ cho khuấy ta phải xác định chế độ thủy
động của thiết bị khuấy và chuẩn số Euler khuấy hay gọi là hệ số công suất.
Đối với cơ cấu khuấy tuốc bin, chân vịt trong trường hợp chảy tầng, công thức

tính công suất khuấy có dạng:
η

32
1
dnKN =
K
1
– Là hằng số và lấy bằng giá trị chỉ số Euler khi chuẩn số Reynolds =1

23
(
)
1
Re
1
=
=
u
EK
Từ phương trình trên ta có nhận xét: Công suất khuấy trộn chất lỏng trong trường
hợp chảy tầng không phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng mà là hàm của độ nhớt.
Trong trường hợp chảy rối công suất khuấy trộn tính theo công thức:
γ

53
2
dnKN =
Trong đó:
(

)
5
Re
2
10.3
−
==
u
EK
Như vậy trong trường hợp chảy rối công suất khuấy không phụ thuộc vào độ nhớt
mà là tỉ trọng.