Đồ án quá trình và thiết bị môi trường

Đồ án quá trình và thiết bị môi trường
LỜI MỞ ĐẦU
Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm được xây dựng
trên cơ sở khoa học tự nhiên và kĩ thuật. Đặc biệt của lĩnh vực này là nghiên cứu
những quy luật hoạt động cuả các quá trình để định ra cơ cấu thiết bị, nhằm thích
ứng với các quá trình sản xuất. Vì vậy, hiểu sâu về quá trình và thiết bị sẽ giúp cho
các kĩ sư có khả năng tính toán, thiết kế thiết bị, khả năng vận hành cải tiến hoặc đề
xuất những thiết bị thích ứng nhất cho một công nghệ cụ thể, với năng suất và hiệu
quả cao.
Qua nghiên cứu các quá trình được thực hiện trong thiết bị của công nghệ sản
xuất các sản phẩm hóa học sẽ tạo điều kiện cải tiến quá trình cũ, cải tiến thiết bị
nhằm đổi mới công nghệ để tăng nhanh sản lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm.
Mặc khác, nghiên cứu các quá trình công nghệ cùng nhằm tiến hành cơ giới hóa và tự
động hóa các quá trình, áp dụng kĩ thuật sản xuất mới, nhằm giảm mức sử dụng
nguyên vật liệu, năng lượng để đạt hiệu quả kinh tế cao.
Nhờ vào quá trình thiết bị ta có thể thực hiện tính toán để chế tạo, cải tiến
những chiếc máy bơm để tạo được năng suất, hiệu quả cao phù hợp với những ngành
nghề để bơm có hiệu quả và tiết kiệm nguồn nước nhất. Vì vậy, chúng ta cần phải
nắm vững những kiến thức để đáp ứng và phục vụ cho quá trình học và thực hành.

1


Đồ án quá trình và thiết bị môi trường
PHẦN I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Bơm là một thiết bị dùng để chuyển chất lỏng hoặc khí từ nơi áp suất thấp hơn
tới nơi áp suất cao hơn. Bơm khí thông thường được gọi là máy nén khí, ngoại trừ
các thiết bị áp suất thấp, như trong thông gió và điều hòa không khí,thiết bị được
gọi là quạt.
A. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA BƠM
1. Năng suất của bơm (Q m3/s hoặc m3/h).

- Năng suất được tính bằng thể tích chất lỏng được bơm trong một đơn vị time.
Q = v/t.
Chú thích Q: năng suất của bơm
V: thể tích
t: thời gian
2. Công suất của bơm
2.1 Công suất hữu ích: là năng suất mà bơm tiêu tốn để tăng áp suất cho chất lỏng
bằng tích số giữa áp suất toàn phần ∆p và lưu lượng của dòng chất lỏng qua bơm.
Nhi = p.g.Q.H
Chú thích p: áp suất
g: gia tốc
Q: năng suất
H: hiệu suất
2.2 Công suất trên trục của bơm: là phần nằng lượng tiêu tốn cho ma sát ở trục gây
ra.
Ntr = Nhi/nb = p.g.H.Q/nb
Chú thích Nhi: công suất hữu ích
nb:
2.3 Công suất của động cơ:
Nđc = Ntr/Ntr.nđc = Nhi/ntr.nđc.nb = Nhi/n
Chú thích Ntr: công suất trên trục
nđc:
ntr:
n: số vòng quay của bơm
3. Áp suất toàn phần H(m): là đặc trưng cho năng lượng riêng của bơm truyền cho
một đơn vị trọng lượng chất lỏng.
2


Đồ án quá trình và thiết bị môi trường

+ Phụ E vào độ nhớt và khối lượng riêng của chất lỏng
H = P/p.g = Pđ- Ph/p.g + h +W22-W12/ᵪg
Chú thích Pđ:
Ph:
h: chiều cao
W2:
W1:
4. Chiều cao hút của bơm h
h = 0,019.(Q.n2)213/H (m)
với:
Q: năng suất của bơm
n: số vòng quay của bơm
H: áp suất toàn phần của bơm
B. MỘT SỐ LOẠI BƠM
I. Bơm pittông (piston)
1. Khái niệm
Bơm piston là một trong số các
loại bơm thể tích, trong đó sự chuyển
dịch chất lỏng được thực hiện bằng
cách đẩy chất lỏng ra khỏi khoang công
tác bằng các bộ phận nén ép. Khoang
công tác của máy bơm thể tích là một
không gian giới hạn nối thông với cửa
vào tới cửa ra của máy bơm. Bộ phận
nén ép là cơ cấu làm việc của máy bơm,
thực hiện đẩy chất lỏng từ khoang công
tác ra khỏi máy bơm (piston trụ, piston,
màng rung).
2. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc
2.1 Sơ đồ cấu tạo của bơm pittông

Khoảng không gian giữa piston và các van được gọi là khoang (buồng) làm việc
của máy bơm. Thể tích của buồng làm việc thay đổi tùy theo vị trí của piston trong
quá trình chuyển động. Trong quá trình làm việc, piston chuyển động tịnh tiến qua lại
trong xi lanh. Những điểm tận cùng bên phải và tận cùng bên trái của piston được gọi
là điểm chết phải và điểm chết trái của piston.
3


Đồ án quá trình và thiết bị môi trường
2.2 Nguyên lý làm việc của bơm piston
Xét trên hình vẽ 1.1, khi piston di chuyển từ vị trí B2 đến vị trí B1, thể tích
buồng làm việc sẽ tăng dần, áp suất P trong đó giảm đi và nhỏ hơn áp suất trên mặt
thoáng của bình chứa chất lỏng Pa (P < Pa). Do đó chất lỏng từ bể chứa sẽ dâng lên
đi vào ống hút, đi qua van hút vào khoang làm việc của bơm, trong lúc này van đẩy
của bơm vẫn đang ở trạng thái đóng. Khi piston chuyển động từ vị trí B2 đến B1 thì
máy bơm thực hiện quá trình hút và lúc piston dừng lại tại vị trí B1 thì quá trình hút
sẽ kết thúc. Sau đó pison đổi chuyển động và đi ngược từ B1 đến B2. Thể tích buồng
làm việc giảm dần, áp suất chất lỏng tăng lên, van hút đóng lại và van đẩy mở ra.
Chất lỏng được ép lên van đẩy và đi theo ống đẩy ra ngoài. Quá trình này gọi là quá
trình đẩy. Quá trình hút và đẩy của bơm được xen kẽ nhau. Một quá trình hút và đẩy
kế tiếp nhau được gọi là một chu kỳ làm việc của máy bơm piston.
3. Phân loại
3.1 Bơm nhúng chìm
Các van đẩy được bố trí ngay trên pittông. Khi pittông chuyển động lên phía
trên, chất lỏng từ bể chứa qua van hút vào xi lanh, đồng thời khối chất lỏng nằm trên
pittông được đẩy vào ống đẩy. Khi pittông chuyển động xuống phía dưới, van hút
đóng và van đẩy mở, chất lỏng từ dưới đi lên.
3.2 Bơm màng
Trong bơm
xilanh tách rời

màng đàn hồi,
bơm các loại
mạnh,
vì
xúc rời môi
hộp van và

màng, pittông và
khỏi van bằng 1
bơm này dùng để
bơm dung dịch ăn mòn
pittông và xilanh không tiếp
trường ăn mòn, còn van,
màng được bảo vệ bằng lớp
vật
Hình 1.3 Bơm màng
Hình 1.2 Bơm nhúng chìm
liệu
chống ăn mòn.
3.3 Bơm tác dụng kép
Có tác dụng như hai loại bơm đơn kết hợp lại với nhau, có 1 xilanh và bồn van.
Trong bơm tác dụng kép, sau một vòng quay của trục pittông chuyển động tới và lui
một lần, thì bơm hút và đẩy được hai lần
Khi pittông chuyển động về phía phải, chất lỏng được hút vào luồng xilanh bên
trái qua van hút 1, đồng thời đẩy chất lỏng chứa trong xilanh bên phải qua van đẩy 4
vào ống đẩy. Khi pittông chuyển động về trái, chất lỏng được hút vào buồng xilanh
4


Đồ án quá trình và thiết bị môi trường

qua van hút 2 và đồng thời đẩy chất lỏng chứa trong xilanh bên trái qua van đẩy 3
vào ống đẩy.
Hình 1.4 Bơm tác dụng kép
3.4 Bơm vi sai
Được cấu tạo gồm 2 buồng A và B
nối với nhau bằng 1 xilanh. Buồng A có
chứa 2 van gồm van hút 1 và van đẩy 2
còn buồng B không có van. Khi pittông
chuyển động sang phải chất lỏng được hút
vào buồng A qua van 1 còn chất lỏng ở
buồng B được đẩy vào ống đẩy, khi
pittông chuyển về bên trái van hút đóng
lại và van đẩy mở ra, chất lỏng chuyển từ
buồng A sang buồng B một lượng chất lỏng
Hình 1.5 Bơm vi sai
vào ống đẩy vì thể tích buồng A lớn hơn
buồng B. Như vậy, sau một vòng quay của trục bơm hút vào 1 lần và đẩy ra 2 lần.
3.5 Bơm tác dụng ba: gồm 3 bơm tác dụng đơn ghép lại với nhau tạo thành một bộ có
chung một ống đẩy và một ống hút. Tay quay của ba bơm được lắp trên cùng một
trục nhưng lệch nhau 1200. Nhờ cách lắp như vậy nên chất lỏng được đưa vào ống
đẩy đều đặn nhờ sự phân bố lực trên bề mặt vòng quay của trục được đều đặn nên
bánh đà của bơm không cần kích thước lớn.
4. Năng suất của bơm pittông
● Bơm tác dụng đơn:
Qt = n0.Q = n0.60.F.S.n , m3/h
● Bơm tác dụng kép:
Qt = n0.60.n(2t-F).s , m3/h
● Bơm vi sai:
Qt = F = 2.f
II. Bơm ly tâm

Bơm ly tâm là loại máy thủy lực
cánh dẫn, nhờ bánh công tác (cánh
quạt) cơ năng của máy chuyển sang
năng lượng thủy động của dòng ra, cụ
thể đó là tích số của 4 thông số: lưu
lượng (Q), cột áp (H), trọng lượng
riêng của chất lỏng (ρ) và gia tốc trọng
lực nơi đặt máy (g).
1. Cấu tạo
5

Hình 1.6 Bơm ly tâm


Đồ án quá trình và thiết bị môi trường
Bánh công tác 1 trên có các cánh dẫn, trục cánh quạt liên kết với động cơ.
Buồng xoắn ốc 2, ống hút 3 có gắn van một chiều 5 và ống lọc 6, van tiết lưu ở cuối
ống đẩy 4.
2. Nguyên lý hoạt động
Bánh guồng được đặt trong thân bơm và quay với vận tốc lớn. Chất lỏng theo
ống hút vào tâm guồng theo phương thẳng đứng rồi vào rãnh giữa các guồng và
chuyển động với guồng. Dưới tác dụng của lực ly tâm, áp suất của chất lỏng tăng lên
và văng ra khỏi guồng vào thân bơm rồi vào ống đẩy 4 theo phương tiếp tuyến. Khi
đó ở bánh guồng tạo nên áp suất thấp nhờ áp lực mặt khoáng bể chứa chất lỏng dẫn
lên trong ống hút vào bơm. Khi guồng quay chất lỏng được hút và đẩy liên tục, do đó
chất lỏng chuyển động rất đều đặn đầu ống hút có lưới lọc 5 ngăn không cho rác và
vật rắn đi vào. Trên ống hút có van 1 chiều để tránh chất lỏng khỏi bất ngờ đổ dồn về
bơm gây ra va đập thủy lực có thể làm hỏng cánh guồng và động cơ điện do bơm bất
ngờ dừng lại. Trên ống đẩy còn lắp thêm 1 van chắn để điều chỉnh lưu lượng.
3. Các loại bơm khác

3.1 Bơm hướng trục: loại bơm này được
này được sử dụng rộng rãi, trong thủy
lợi vì có năng suất tương đối cao và áp
suất nhỏ.
Trong thân bơm chất lỏng chuyển
động dọc theo trục nhờ chong chóng
quay, khi ra khỏi chong chóng, bộ phận
hương chất lỏng được chuyển từ chuyển
động quay sang chuyển động thẳng theo
trục. Bơm hướng trục có ưu điểm là trở
lực nhỏ cần tạo đơn giản, nên được sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp để bơm
tuần hoàn dung dịch trong hệ thống cô đặc.

Hình 1.7 Bơm hướng trục

Năng suất: 0,10 - 2,5 m3/s
Áp suất: 4 - 6 m, H = 90%
3.2 Bơm sục khí
Khi nén qua ống đẩy 2 vào ống 1
làm cho chất lỏng ở ống 1 sục khí tạo
thành hỗn hợp lỏng khí, khí có Phh < P1,
nên hỗn hợp này dâng lên qua nắp 4 đổ
vào bể chứa. Bơm hỗn hợp khí, lỏng 3
Hình 1.8 Bơm sục khí
6


Đồ án quá trình và thiết bị môi trường
phải đặt cao hơn của hút chất lỏng ở ống 1 khoảng 1 - 1,5m để giữ cho khí nén không

bị phụt ra ngoài.
3.3 Bơm xoáy lốc
Nó làm việc giống bơm ly tâm, tức nhờ lực ly tâm mà chất lỏng được hút vào
các hóc của cánh guồng rồi đưa ra ống đẩy.
3.4 Bơm tia
Hình 1.10 Bơm tia

III. CÁC LOẠI BƠM THỂ TÍCH KHÁC
Hình 1.9 Bơm xoáy lốc

1. Bơm cánh trượt: Không có van, không
có bầu khí, làm việc ổn định ít hư hỏng, có thể vận chuyển được chất lỏng nhớt; loại
quay trên này có thể dùng bơm dầu
và các chất lỏng có áp suất cao.
2. Bơm răng khía: Hút và bơm chất
lỏng nhờ 2 bánh xe răng khía ngược
Hình 1.11 Bơm cánh trượt
chiều nhau được đặt trong vỏ bơm,
một bánh dẫn động nhờ có động cơ
nối qua hộp dẫn động. Khi 2 bánh
răng tách rời nhau ở gốc α phía ống
hút có độ chân không chất lỏng tràn vào khi răng khép kín áp suất tăng chất lỏng

được đẩy ra ở hóc b theo ống đẩy Hình
ra ngoài.
1.12 Bơm răng khía

7

Đồ án quá trình và thiết bị môi trường
PHẦN II: TÍNH TOÁN SỐ LIỆU
Tính toán và lựa chọn bơm để đưa nước mưa lên độ cao 4m với lưu lượng 9m3/h.
Lưu lượng : 9m3/h
Đường kính ống hút : 100 mm
Đường kính ống đẩy: 86 mm
Chiều cao: 4m
Áp suất khí quyển: 760 mm Hg
Chân không kế : 7,75 mm Hg
Áp kế trên ống đẩy bơm : 0,0237 bar
Khối lượng riêng của nước : 998 kg/m3
Độ nhớt động lực học : = 1.005 x 10-3
VH2O 1.5m/s
ống hút có 1 khúc cong 900, van
ống hút có 1 khúc cong 900, van
BÀI LÀM
1. Vận tốc nước trong ống đẩy:

Vh=

9
= 0.43m / s
3600(π / 4)( 0.086) 2

Vận tốc nước trong ông hút:

Vđ=

9
= 0.3m / s

3600(π / 4)(0.1) 2

2. Tính tổn thất ma sát trong ống đẩy:
xác định chế độ chảy:

Red =

Vdp 0.43* 0.086 * 998
=
= 36722
µ
1.005 *10 −3

Do 104 < Re = 36722 <106 → chế độ chảy rối
Tính tổn thất ma sát trong ống hút:
Xác định chế độ chảy:

Reh=
8

Vdp 0.3 * 0.1 * 998
=
= 29791
µ
1.005 * 10 −3


Đồ án quá trình và thiết bị môi trường
Do 104 < Re = 29791 <106 → chế độ chảy rối
Độ nhám ống dẫn:

(bảng phụ lục 17, p34 bơm quạt máy nén Bùi Trung Thành )

•

d ∆/∆ =

86
= 430µm
0 .2

Độ nhám tương đối của ống hút:

•

d ∆/∆ =

100
= 500µm
0.2

Hệ số ma sát ống đẩy:

ε
0.15 *10 −3 0.25
λd = 0.111 * ( ) 0.25 = 0.111 * (
) = 0.023
d
0.086

Hệ số ma sát ống hút :

ε
0.15 *10 −3 0.25
λh = 0.111 * ( ) 0.25 = 0.111 * (
) = 0.21
d
0.1
Trog đó : 0.15*10-3 ( phần 2.8 p 91 sách thiết bị thủy lực )
d : đường kính ống
3. Trở lực do cút 900 ống hút: có = 0.11(hệ số trở lực của ống p97 sách thiết bị thủy
lực).
Áp dụng công thức số 4 trang 12 sổ tay máy bơn ta có :
V2
0. 3 2
∃
= 0.11 *
= 5.04 *10 −4 m
2g
2 * 9.81
hcb=
Trở lực do cút 900 ống đẩy

∃

V2
0.432
= 0.11 *
= 1.036 *10 −3 m
2g
2 * 9.81

hcb=
∑cb= 5.04 * 10 - 4 + 1.036 * 10 - 3 = 1.5 * 10 - 3
4. Áp suất trong ống đẩy ống hút
Pđ= pdư + pa = 0.02337 + 0.98 = 1.00337 bar = 10.22 m H2O
Ph= pck - pa = 760 - 7.75 = 752.25 mm Hg= 9.89 m H2O
9


Đồ án quá trình và thiết bị môi trường
(áp dụng công thức sách Quá trình và thiết bị thủy lực )
5. Áp suất toàn phần cho bơm
Ρ  pd − ph
Wđ 2 − Wh 2 

 * hhh
+ hm +
p*g  p*g
2g

H=

↔H=

 10.22 − 9.89
0.432 − 0.3 2 

*4
+ 1.2 * 10 −3 +
2 * 9.81 

 998 * 9.81

= 4.0063

6. Công suất hữu ích
Nhi=Q*p*g*H = 9/3600 * 998 * 9.81 * 4.0063 = 98.05 W
Công suất bơm: với

Ndc =

Nhi 98.05
=
= 163.42W
η
0 .6

→ chọn bơm nước sạch : bơm ly tâm Eta R 125 - 500/2
với số vòng : n = 1450 v/p

10