chuong 5 Lắng, quá trình thiết bị cơ học

1. HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT

Huyền phù

Nhũ tương

Rắn + lỏng

Lỏng + lỏng

Bột mì + Nước

Bọt
Khí + lỏng

Bụi
Rắn + khí

Sương
Lỏng + khí

Dầu + Nước

 Hệ không đồng nhất là hỗn hợp 2 pha: pha phân tán và pha liên tục


1. HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT (tt)
- Huyền phù là hệ lỏng không đồng nhất, gồm các hạt rắn phân tán trong môi
trường lỏng.Theo kích thước hạt rắn trong lỏng mà huyền phù có thể được
chia thành:

+ huyền phù thô có đường kính hạt d >= 100 µm
+ huyền phù mịn có đường kính hạt d = 5 – 100 μm
+ huyền phù mảnh có đường kính hạt d = 0,1 - 5 μm
+ huyền phù keo có đường kính d <= 0,1 µm
- Nhũ tương là hệ lỏng không đồng nhất, gồm hai chất lỏng trộn lẫn nhưng

không tan vào nhau. Rất dễ bị phân tầng dưới tác dụng của trọng lực, nó chỉ
bền khi đường kính hạt rất nhỏ khoảng từ 0,4 – 0,5 µm.


1. HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT (tt)
- Bọt là hệ lỏng không đồng nhất, pha phân tán là khí.
-Bụi là hệ khí không đồng nhất, trong đó môi trường phân tán
là khí, pha phân tán là các hạt rắn (dh =5÷50µm).
• Nếu đường kính tương đương của các hạt rắn nhỏ (dtd=0,01
÷ 5 µm) – gọi là khói.

- Sương là hệ khí không đồng nhất, môi trường phân tán là
khí, pha phân tán là chất lỏng (dtd = 0,001 ÷ 5 µm)


1. HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT (tt)
 Phân ly hệ không đồng nhất: tách một hỗn hợp gồm nhiều các
cấu tử khác nhau thành những cấu tử riêng biệt nhằm mục đích:
• Tách các sản phẩm cần thiết từ một hỗn hợp được sản xuất ở công
đoạn trước

• Tăng độ đậm đặc của sản phẩm, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình
sản xuất tiếp theo được dễ dàng

• Tách bớt lượng ẩm không cần thiết trong sản phẩm,
• Làm sạch, tăng thêm chất lượng sản phẩm
• Thu hồi sản phẩm cần thiết
• Đảm bảo điều kiện vệ sinh nơi làm việc….


2. QUÁ TRÌNH LẮNG
 Là phương pháp phân riêng dựa vào sự khác nhau về khối
lượng riêng và kích thước của hai pha dưới tác dụng của các
trường lực.
• Trường trọng lực
• Trường lực ly tâm

• Trường tĩnh điện
Trong quá trình lắng thu được pha liên tục dưới dạng nước
trong (pha lỏng) hoặc khí sạch (pha khí) và pha phân tán dưới
dạng cặn lắng.


2. QUÁ TRÌNH LẮNG
* Đặc điểm chung của thiết bị lắng:
• Giá thành thấp
• Thiết bị cồng cềnh, chiếm nhiều diện tích
• Dùng tách sơ bộ trước khi lọc hay ly tâm


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
* Nguyên lý của quá trình lắng: lắng hệ huyền phù

A – hạt có khối lượng riêng lớn

B – hạt có khối lượng riêng nhỏ


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
* Cấu tạo của thiết bị lắng:
Huyền phù

Nước trong

H
Cặn lắng
B
L

* Diện tích bề mặt lắng:

F0  B.L(m2 )


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
* Thời gian lưu – khoảng thời gian mà dòng hỗn hợp đi hết chiều dài
của không gian lắng:

l 

L
(s )
vd

* Thời gian lắng – khoảng thời gian mà các hạt của pha phân tán hạt rơi
hết độ cao H của không gian lắng:

o 

H
(s )
vo

v0 – vận tốc lắng của các phần tử pha phân tán (m/s)
 Để thiết bị lắng thực hiện quá trình phân riêng được tốt thì điều kiện
cần thiết:

Hay:

l  o
o
HL
d


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
 Năng suất của thiết bị lắng Vs:

Vs  F .vd  F0 . o ( m 3 / s )
Hay:
•F –

Vs  B.H .vd  B.L.vo

diện tích phần tiết diện ngang vuông góc với phương

chuyển động của dòng hỗn hợp (m2)

( 273  tk ) *Vtc 3
Vs 
(m / s)
3600 * 273
• Vtc– thể tích của khí ở điều kiện tiêu chuẩn (m3/h)
• tk – nhiệt độ của khí ở điều kiện làm việc (oC)


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
* Cân bằng vật chất cho thiết bị lắng
Huyền phù

Nước trong

Ghp, yh

Gl, yl

H
Cặn lắng
B

Gc, yc
L

•Ghp, - khối lượng của huyền phù (dòng vào), (kg)

•yhp, yc, yl – nồng độ pha

•Gl – khối lượng của pha liên tục (kg)

rắn trong huyền phù, cặn

•Gc – khối lượng của pha phân tán (kg)

lắng và nước trong (%)


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
* Phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị lắng:
Gh  Gc  Gl
Gh . yh  Gl . yl  Gc . yc
Gh .(1  yh )  Gl .(1  yl )  Gc .(1  yc )

* Hiệu suất của quá trình lắng:

y h  yl
yl

 1
yh
yh

* Khối lượng riêng của huyền phù:

1

 hp



yhp

r



1  yhp

o

• ρr ,ρo – khối lượng riêng của pha rắn và pha lỏng trong huyền phù (kg/m3)
• yhp – phần khối lượng của pha rắn trong huyền phù (%)


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
 Xác định vận tốc lắng của hạt rắn:
 Lắng tự do của hạt rắn hình cầu
 Lắng tự do của hạt rắn không phải hình cầu


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
 Các chuẩn số thông dụng trong tính toán vận tốc lắng :
- Chuẩn số Reynolds::

0 .d h 0 .d h . 0

Re 



d h3.(  h   0 ). 0 . g

- Chuẩn số Acsimet:

Ar 

- Chuẩn số Liasenco:

v03. 02
Ly 
 .(  h   0 ). g

2

• µ – độ nhớt tuyệt đối của môi trường (N.s/m2), (Pa.s)
• ϑ – độ nhớt tương đối của môi trường (m2/s)
• g – gia tốc trọng trường g=9,81 (m/s2)


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
I. Lắng tự do của hạt rắn hình cầu
 Theo định luật Newton: phương trình cân bằng lực:

vo2
 r .g.Vh  o .g.Vh  CD . Ah .o .
2

 vo 

2 g  r  o Vh
(
)
CD  o
Ah

• Do đó:  o 

4.d . g.(  r  o )
(m / s )
3.CD .o

Công thức Newton

• CD – hệ số ma sát

•

Hạt hình cầu:

Vh  ( / 6)d 3

Vh ( / 6)d 3 2


 d
2
Ah  ( / 4)d 2

Ah ( / 4)d
3


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
* Hệ số số ma sát (CD):
- Chế độ lắng dòng: Re < 0,2

24
CD 
Re

d 2 . g.(  r   o )
o 
(m / s)
18.
Công thức Stokes

- Chế độ quá độ: 0,2 < Re < 500

18,5
CD 
Re0,6

- Chế độ rối: 500 < Re <150000

CD  0,44


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC

I. Lắng tự do của hạt rắn hình cầu
a) Khi Ar < 3,6 hay Ly < 0,0022 hay 0,0001 < Re < 0,2 :
Re = Ar/18 = 0,056.Ar
b) Trong giới hạn 3,6 < Ar < 100 hay 0,0022 < Ly < 0,64 hay 0,2 <
Re < 4 ta sử dụng các công thức thực nghiệm :

Re  0,0593. Ar

0 , 92

Re  4,97.Ly 0,523
4

Ly  2,085.10 . Ar

1, 76


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
I. Lắng tự do của hạt rắn hình cầu
c) Khi 100 < Ar < 84000 hay 0,64 < Ly < 1500 hay 4 < Re <500:

Re  0,152. Ar 0, 715
Re  5,18.Ly 0, 625
Ly  3,55.103. Ar1,145
d) Khi Ar > 84000 hay Ly > 1500 hay Re > 500:

Re  1,74. Ar 0 , 5
Re  0,33.Ly
Ly  5,27. Ar 0 , 5

A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
I. Lắng tự do của hạt rắn hình cầu
e) Công thức Todec :

Ar
Re 
18  0,61. Ar
Công thức Todec có thể áp dụng được cho tất cả chế độ chảy bao
quanh hạt rắn hình cầu đơn chiếc. Công thức này cho giá trị rất
chính xác trong vùng 3,6 < Ar < 100


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
II. Lắng tự do của hạt rắn không phải hình cầu
Tốc độ lắng tự do của hạt rắn không phải hình cầu luôn nhỏ hơn tốc độ
lắng của hạt rắn hình cầu.
1. Cách xác định tốc độ lắng theo đường kính hạt
- Xác định đường kính tương đương của hạt:

d td  1,24.3

m

h

(m)

m - khối lượng của hạt (kg)

- Tính Ar theo đường kính tương đương
- Dùng đồ thị xác định chuẩn số Ly


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
II. Lắng tự do của hạt rắn không phải hình cầu

 .(  h   0 ). g
0  1.3 Ly.
 02
Hệ số hình dạng φ1 với các lọai hạt khác nhau :
Hình dạng hạt

Ar

hình cầu

hình tròn

có góc
cạnh

hình kim

hình bản

15000

1

0,805

0,68

0,61

0,45

20000

1

0,8

0,678

0,595

0,441

40000

1

0,79

0,672

0,59

0,443

100000

1

0,755

0,65

0,564

0,429

200000

1

0,753

0,647

0,562

0,408

400000

1

0,74

0,635

0,56

0,392


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
II. Lắng tự do của hạt rắn không phải hình cầu
2. Xác định đường kính hạt theo tốc độ lắng
-Tính chuẩn số Ly,

- Dùng đồ thị xác định Ar cho hạt hình cầu
- Đường kính tương đương của hạt:

d td
•

Ar.02
  2 .3
(  h   0 ). 0 .g

φ2 - Hệ số hình dạng hạt


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC
II. Lắng tự do của hạt rắn không phải hình cầu
Hệ số hình dạng φ2 với các lọai hạt khác nhau :

Hình dạng hạt

Ly
hình cầu

hình tròn

có góc cạnh

hình kim

hình bản

13

1

-

-

-

2,09

130

1

1,21

1,495

1,865

2,92

260

1

1,34

1,64

2,03

3,34

580

1

1,44

1,7

2,18

3,68

2600

1

1,61

1,96

2,5

-

5000

1

1,76

-

-

-


A. LẮNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TRỌNG LỰC

log Ly –log Ar

log Re –log Ar