KHẢO NGHIỆM VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT CHẾ PHẨM SINH HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ


KHẢO NGHIỆM VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
SẢN XUẤT CHẾ PHẨM SINH HỌC

Chuyên ngành: Cơ Khí Nông Lâm

Giáo viên hướng dẫn:
TS. NGUYỄN VĂN HÙNG
TS. LÊ ĐÌNH ĐÔN

Sinh viên thực hiện:
VÕ VĂN CHIẾN
TRẦN NGỌC VŨ

Tp.Hồ Chí Minh
Tháng 8 năm 2007
1


MINITRY OF EDUCATION AND TRANINING
NONG LAM UNIVERSITY
FACULTY OF ENGINEERING & TECHNOLOGY


TESTING AND DESIGNING BIOPRODUCT
PROCESSING SYSTEM

Speciality: Agricultural Engineering

Supervisor:
Dr. NGUYEN VAN HUNG
Dr. LE ĐINH ĐON

Student:
VO VAN CHIEN
TRAN NGOC VU

Ho Chi Minh, city
August 2007

2


LỜI CẢM TẠ
Đầu tiên con xin gửi đến ba mẹ lòng biết ơn vô hạn vì đã tảo tần nuôi dưỡng con
ăn học.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường đại học Nông Lâm TP. HCM, quý
thầy cô Khoa Cơ Khí Công Nghệ đã dạy dỗ, truyền thụ kiến thức cho em trong thời gian
học tập tại Trường.
Xin gửi đến thầy TS Nguyễn Văn Hùng và TS Lê Đình Đôn lòng biết ơn chân
thành và sâu sắc nhất vì đã hướng dẫn và giúp đỡ em về nhiều mặt trong quá trình thực
hiện đề tài này.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các anh, chị Bộ Môn Công Nghệ Sinh và
các bạn bè đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đề tài.

3

TÓM TẮT
Đề tài đã tập trung khảo nghiệm hệ thống sản xuất phẩm sinh học hiện có 50lít/mẻ
của bộ môn công nghệ sinh học của tác giả Nguyễn Văn Hùng và Lê Đình Đôn.
Từ đó làm cơ sở thiết kế thiết bị chính trong hệ thống là máy khuấy lên men vi sinh
500lít/mẻ.
Kết quả khảo nghiệm hệ thống 50lít/mẻ cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, thu
được các thành phẩm đạt yêu cầu đã đề ra.
Quá trình thiết kế máy máy khuấy lên men 500lít/mẻ dựa trên cơ sở đã có. Có các
thông số chính sau:
Thông số kỹ thuật
500 lít/mẻ

- Năng suất
Kích thước thùng khuấy
+ Chiều cao thùng khuấy
+ Đường kính trục khuấy
+ Đường kính cánh khuấy
+ Chiều cao cánh khuấy
+ Khoảng cách giữa 2 cánh khuấy

1450 mm
50 mm
450 mm
70 mm
500 mm

-

Số cánh khuấy

2

-

Số vòng quay

5 vòng/s

-

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

TS. NGUYỄN VĂN HÙNG

TRẦN NGỌC VŨ

TS. LÊ ĐÌNH ĐÔN

VÕ VĂN CHIẾN

4


SUMMARY
The thesis focused on testing and designing the bioproduct processing system 50
litres/ batch. At the department of bioproduct technology of Dr. Nguyen Van Hung and
Le Đinh Đon.

Thus desinging the main components of the bioproduct processing system 500
litres per batch.
The result of testing anh designing that the system operates stable, getting the
finished products that metting given requirements.
The desinged processing stirring machine to 500 litres per batch has the following
parameters:
Technic Parameters
500 litre/batch

- Capacity
Demension
+ Champer hight
+ Diameter of stirring axis
+ Diameter of stirring wing
+ Stirring wing hight
+ The distance between two stirring wings

1450 mm
50 mm
450 mm
70 mm
500 mm

-

Number of stirring wings

2

-

Speed of stirring vane

5 rpm

-

Supervisor:

Students:

Dr. NGUYEN VAN HUNG

TRAN NGOC VU

Dr. LE ĐINH ĐON

VO VAN CHIEN

5


MỤC LỤC
TRANG
Trang tựa................................................................................................................i
Cảm tạ ....................................................................................................................ii
Tóm tắt ...................................................................................................................iii
Mục lục ..................................................................................................................iv
Danh sách các hình ................................................................................................v
Chương 1. MỞ ĐẦU............................................................................................1

1.1. Đặt vấn đề ...............................................................................................1
1.2. Mục đích luận văn ..................................................................................2
Chương 2. TRA CỨU TÀI LIỆU VÀ SÁCH PHỤC VỤ ĐỀ TÀI ..................3
2.1. Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................3
2.2. Máy khuấy ..............................................................................................3
2.2.1. Đại cương về khuấy..........................................................................3
2.2.2. Tính công suất khuấy .......................................................................8
2.2.3. Thời gian khuấy ................................................................................11
2.3. Lò hơi......................................................................................................14
2.3.1. Giới thiệu về lò hơi ..........................................................................14
2.3.2. Nguyên lý làm việc ..........................................................................14
2.3.3. Cấu tạo và phân loại lò hơi ..................................................................14
2.3.4. Phạm vi sử dụng ..............................................................................15
2.3.5. Đặc điểm của lò hơi .........................................................................15
2.3.6. Lò hơi ống nước ..............................................................................15

6


2.4. Máy lọc nước .......................................................................................16
2.4.1 Khái niệm chung ............................................................................16
2.4.2. Phạm vi ứng dụng .........................................................................16
2.4.3. Các bộ phận trong máy lọc ...........................................................17
2.4.4. Các thông số đánh giá chất lượng máy lọc nước ..........................17
2.4.5. Chọn máy lọc nước thích hợp .......................................................17
2.4.6. Tia cực tím (UV)...........................................................................18
2.5. Máy nén khí .........................................................................................18
2.5.1. Định nghĩa ....................................................................................18
2.5.2. Phạm vi ứng dụng của máy nén khí trong công nghiệp ...............18
2.5.3. Phân loại .......................................................................................19

2.5.4. Các thông số cơ bản của máy nén.................................................19
2.5.5. Chọn máy nén thích hợp ...............................................................20
2.5.6. Máy nén khí Pittông......................................................................21
2.6. Máy lọc không khí ...............................................................................23
2.6.1. Khái niệm......................................................................................23
2.6.2. Tuyệt trùng không khí ..................................................................23
2.6.3. Các loại vật liệu lọc ......................................................................25
2.6.4. Phân loại các bộ lọc để làm sạch không khí .................................25
Chương 3. PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC TIỆN ...............27
3.1. Phương pháp ........................................................................................27
3.1.1. Nghiên cứu lý thuyết.....................................................................27
3.1.2. Phương pháp thiết kế ....................................................................27
3.1.3. Phương pháp khảo nghiệm ...........................................................27
3.1.4. Phương pháp sử lý số liệu .............................................................28
3.2. Phương tiện ..........................................................................................29
3.2.1. Vật liệu..........................................................................................29
3.2.2. Thiết bị ..........................................................................................29

-7-


Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................30
4.1. Khảo nghiệm hệ thống lên men 50 lít/mẻ............................................30
4.1.1. Mô tả hệ thống ..............................................................................30
4.1.2. Khảo nghiệm ở chế độ không tải ..................................................30
4.1.3. Khảo nghiệm ở chế độ có tải ........................................................33
4.1.4. Các lưu ý trong quá trình khảo nghiệm .......................................36
4.1.5. Qui trình khảo nghiệm .................................................................37
4.1.6 Kết quả quá trình lên men...............................................................37
4.1.6.1. Mẽ 1 - Ngày 18/07/2007 .......................................................37

4.1.6.2. Mẽ 2 - Ngày 24/07/2007 .......................................................40
4.1.6.3. Mẽ 3 - Ngày 30/07/2007 .......................................................43
4.1.6.4 Mẽ 4 - Ngày 06/08/2007 ........................................................46
4.2. Thiết kế hệ thống lên men 500 lít/mẻ ..................................................50
4.2.1. Lựa chọn mô hình hệ thống ..........................................................50
4.2.2. Thiết kế máy khuấy lên men vi sinh 500 lít/mẻ ..........................51
4.2.3. Các thông số ban đầu để thiết kế máy khuấy ...............................51
4.2.4. Thông số cơ bản của hệ khuấy......................................................52
4.2.5. Xác định thông số phận bố tốc độ ψ1............................................55
4.2.6. Tính công suất khuấy ....................................................................55
4.2.7. Thời gian khuấy ............................................................................58
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ............................................................60
5.1. Kết luận ................................................................................................60
5.2. Đề nghị .................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
TẬP BẢN VẼ

-8-


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ cấu tạo thiết bị khuấy.
Hình 2.2: Sơ đồ mô tả hệ khuấy.
Hình 2.3: Xác định hệ số Kp theo hàm phụ thuộc Kp = f(P).
Hình 2.4: Sự phụ thuộc η = f(τ.n) trong thiết bị có ống tuần hoàn trung
tâm.
Hình 2.5: Nồi hơi.
Hình 2.6: Sơ đồ máy lọc nước
Hình 2.7: Máy nén khí.

Hình 2.8: Nguyên lý làm việc của máy nén khí.
Hình 2.9: Máy lọc không khí.
Hình 4.1: Sơ đồ sản xuất chế phẩm sinh học.
Hình 4.2: Máy khuấy.
Hình 4.3: Cánh khuấy.
Hình 4.4: Lực tác dụng lên cánh khuấy.

-9-


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Việt Nam là nước nông nghiệp, hơn 70% dân số làm nông nghiệp và có
bờ biển dài trên 500 km, có nhiều hệ thống sông và kênh rạch. Vì vậy trong
những năm qua, nông nghiệp và thủy hải sản là một trong các ngành chiếm ưu
thế của nền kinh tế nước ta. Đặc biệt trong những năm gần đây, Nhà nước có chủ
trương thúc đẩy việc thay đổi cơ cấu cây trồng đầu tư mạnh cho công tác nghiên
cứu và phát triển các loại thuốc phòng trừ bệnh hại cây trồng nhằm tăng năng
suất cây trồng và chi phí để mang lại lợi nhuận cho bà con là vấn đề thiết yếu cần
phải thực thi.
Hiện nay để giúp bà con vừa tạo được sản phẩm có năng suất cao và chất
lượng sản phẩm an toàn đối với người tiêu dùng ít gây độc hại thì bà con phải
đầu tư chi phí rất cao cho việc mua chế phẩm sinh học trong phòng trừ bệnh
ngoại nhập.
Trước tình hình trên, Nhà nước ta đã có những chủ trương, chính sách
khuyến khích các thành phần kinh tế trong việc đầu tư nghiên cứu và phát triển
các loại thuốc phòng trừ dịch bệnh gây hại cho cây trồng nói chung và cây lúa
nói riêng, đặc biệt là việc sản xuất các loại chế phẩm sinh học nhằm thay thế dần
các sản phẩm nhập ngoại, giảm thiểu chi phí sản xuất, tiết kiệm cho ngân sách,

tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao, an toàn cho người tiêu dùng và cho
xuất khẩu.

- 10 -


Trên tinh thần đó, được sự chấp thuận của Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí
Trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh và sự hướng dẫn của các
thầy: Tiến sĩ Nguyễn Văn Hùng và Tiến sĩ Lê Đình Đôn, chúng em tiến hành
thực hiện đề tài: “ KHẢO NGHIỆM V À THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN
XUẤT CHẾ PHẨM SINH HỌC”
Vì phạm vi đề tài tương đối rộng và là công nghệ mới so với hiểu biết của
chúng em, cộng với kiến thức có giới hạn nhất định nên khó tránh khỏi những
thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô trong
khoa và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn và được ứng dụng trong thực
tế.
1.2. Mục đích luận văn
Mục đích luận văn nhằm khảo nghiệm hệ thống sản xuất chế phẩm sinh
học 50 lít/mẻ và thiết kế máy khuấy chế phẩm sinh học 500 lít/mẻ. Nhằm đáp
ứng nhu cầu trong phòng trừ bệnh hại cây trồng.
Do điều kiện về thời gian thực hiện đề tài có hạn, nên đề tài chỉ nghiên
cứu các vấn đề sau:
- Lựa chọn mô hình hệ thống, cụ thể bao gồm các máy sau: Máy nén
khí, máy bơm nước, máy khuấy, nồi hơi, máy lọc nước, máy lọc không
khí, bể chứa nước.
- Khảo nghiệm hệ thống sản xuất chế phẩm sinh học 50 lít/mẻ để phân
tích ưu, nhược điểm của hệ thống.

-

Thiết kế máy khuấy 500 lít/mẻ.

- 11 -


Chương 2
TRA CỨU TÀI LIỆU VÀ SÁCH PHỤC VỤ ĐỀ TÀI
2.1. Sơ đồ khối hệ thống
NGUỒN
NƯỚC

MÁY BƠM
NƯỚC

Nước
máy

MÁY LỌC
NƯỚC

NỒI
HƠI

MÁY
NÉN

Khử
trùng
Nước
sạch

BỒN CHỨA
NƯỚC

MÁY
KHUẤY

Không
khí sạch

MÁY LỌC
KHÔNG KHÍ

VI KHUẨN
GỐC
THÀNH PHẨM
LỎNG
2.2. Máy khuấy
2.2.1. Đại cương về khuấy
Trong kỹ nghệ sản xuất hóa chất thường phải thực hiện các quá trình liên
quan đến môi trường chất lỏng, với sự phân bố tương đối đồng đều về vật chất và
nhiệt độ. Các yêu cầu đó có thể đáp ứng được nhờ sự khuấy trộn môi trường chất
lỏng.
Phương pháp khuấy cơ học được thực hiện bằng các cách khuấy khác
nhau để đạt được các mục đích sau đây:
-

Thực kiện các quá trình thủy cơ: tạo nhũ tương, huyền phù, hòa tan,
đồng hóa.

-

Thực hiện quá trình trao đổi nhiệt: sự kết tinh, trích li, hấp thụ và điện
phân.

-

Thực hiện quá trình nhiệt: cô đặc dung dịch, đun nóng và làm nguội.

-

Thực hiện các phản ứng hóa học.
- 12 -


-

Thực hiện các phản ứng sinh học.

Như vậy, khuấy môi trường lỏng trong đó pha liên tục là một chất lỏng,
còn pha phân tán có thể là: pha lỏng, pha rắn hoặc pha khí.
Khuấy chất lỏng là cung cấp năng lượng để tạo một dòng chảy thích hợp
trong thiết bị nhằm đáp ứng các yêu cầu như mục tiêu đã nói trên.
Quá trình khuấy có thể thực hiện trong thiết bị gián đoạn hoặc thiết bị liên
tục theo yêu cầu của một công nghệ sản xuất cụ thể. Điều kiện của môi trường
khuấy trộn được xác định bởi nhiệt độ, áp suất và nồng độ pha phân tán. Do vậy
thiết bị khuấy có thể thực hiện dạng kín hoặc dạng hở.
Thiết bị khuấy thường được chế tạo dạng trụ thẳng đứng, tuy nhiên cũng
có trường hợp áp dụng thiết bị khuấy nằm ngang.
2.2.1.1. Nguyên tắc cấu tạo thiết bị khuấy

7
6
5
4

8
3

9
2

10

1

12
11
14

13

Hình 2.1. Sơ đồ cấu tạo thiết bị khuấy.
Một cách tổng quát thiết bi khuấy gồm có các bộ phận chủ yếu sau: thùng
khuấy 1 hình trụ với các đáy tròn hoặc nón, phía trên đậy nắp 3 ghép với thân
bằng bích 2 (hình 2.1), theo đường tâm của thùng lắp trục khuấy 10 với cách
khuấy 11. Trục khuấy xuyên qua nắp và được bít kín bởi hộp đệm 4. Truyền
chuyển động cho trục khuấy từ động cơ 7 qua hộp giảm tốc 6 để tạo tốc độ thích
hợp cho máy khuấy. Tháo và lắp trục khuấy thông qua khớp nối 5. Thùng khuấy
được gắn tai đỡ 12, nhờ bu lông lắp vào chân đỡ 13, thực hiện nạp liệu qua các
cửa 8 trên nắp thiết bị còn tháo sản phẩm qua đường 14 dưới đáy. Trên nắp và

thân thiết bị có khi người ta bố trí cửa sửa chữa và cửa quan sát.
- 13 -


2.2.1.2. Các dạng cánh khuấy
Khuấy là quá trình tạo sự chuyển động của khối chất lỏng trong thiết bị
nhờ các cánh khuấy. Về kết cấu cánh khuấy có nhiều dạng, nhiều kiểu khác nhau.
Tuy nhiên theo quan điểm về tốc độ quay người ta chia các cánh khuấy thành 2
nhóm chính: nhóm cánh khuấy tốc độ nhanh và nhóm cánh khuấy tốc độ chậm.
Sự phân chia này mang tính tương đối bởi nhiều loại cánh khuấy có thể dùng ở
cả hai tốc độ là nhanh và chậm như: cánh khuấy mái chèo, cánh khuấy vít xoắn.
Khái niệm về cánh khuấy tốc độ chậm là ở chổ, khi khuấy môi trường độ nhớt
lớn, ưu việt hơn cả nên sử dụng tốc độ chậm chứ bản thân cấu tạo cánh khuấy
không hề thể hiện tính nhanh hay chậm.
- Nhóm cánh khuấy tốc độ nhanh bao gồm: bản 2 cánh (mái chèo), bản 6
cánh, cánh khuấy lồng, bản 3 cánh, chân vịt (chong chóng), tua bin kín, tua bin
hở, cánh khuấy vít.
- Nhóm cánh khuấy tốc độ chậm gồm: mỏ neo, cánh khuấy khung, cánh
khuấy vít, cánh khuấy băng và cánh khuấy băng có cào.
Về kết cấu cánh khuấy có 2 bộ phận chính: moay-ơ ở giữa có lỗ và rãnh
then để lắp vào trục, các cánh dính vào moay-ơ.
2.2.1.3. Các thông số cơ bản của hệ khuấy
- Kích thước hình học của cánh khuấy:
dk: đường kính cánh khuấy.

bc: chiều rộng cánh.

dm: đường kính moay-ơ.

lc: chiều dài cánh.

do: đường kính cổ trục.

α: góc nghiêng cánh.

h: chiều cao cánh khuấy.

zc: số cánh.

hc: chiều cao cánh.
- Bậc tự do của hệ thống: là số các đại lượng đặc trưng của quá trình khuấy được
xác định theo quan hệ:
J = G B + GC + G H

(2 -1)

Trong đó:
GB: bậc tự do hệ cấu tử: GB = K + 2 – φ

(2 -2)

GC: bậc tự do công nghệ:
GC = 2φ(K + 2) + (φ – 1) (K + 2) + φ(R + 2) - GB
- 14 -

(2 -3)


GH: bậc tự do kích thước hình học: GH = LH + PH

(2 -4)

K: số cấu tử tham gia trong hệ
φ: số pha tham gia trong hệ.
R: số các phản ứng hóa học độc lập.
LH: số các đại lượng hình học mô tả.
PH: số các phương trình liên kết các đại lượng hình học.
- Các đại lượng hình học mô tả:
Đường kính thiết bị D = 2R

Khoảng cách từ cánh khuấy đến đáy

Đường kính cánh khuấy:dk = 2rk

thiết bị h2.

Chiều cao thiết bị HT

Đồng dạng hình học: GD =

Chiều cao mực chất lỏng H

D
.
dk

Độ nhúng sâu cánh khuấy h1.
- Cường độ khuấy:
Cường độ khuấy được thể hiện bởi chế độ thủy động lực trong thiết bị đặc
trưng bởi các đại lượng:

+ Chuẩn số Reynold (được gọi là chuẩn số Reynold ly tâm).
Rek =

nd k2 nd k2




(2 -5)

 ,   khối lượng riêng và độ nhớt tuyệt đối của môi trường chất lỏng.
  độ nhớt tương đối, m2/s.

n: số vòng quay của cánh khuấy,

1
.
s

+ Tốc độ tiếp tuyến ở đầu cánh khuấy:
vt = nd k m/s

(2 -6)

+ Công suất khuấy trộn:
N = KN  n3dk5
KN – chuẩn số công suất khuấy (không thứ nguyên).

- 15 -

(2 -7)


h1

H

h2

HT

dk
D

Hình 2.2. Sơ đồ mô tả hệ khuấy.
+ Công suất khuấy riêng (công suất thể tích):


N
, w/m3 ,(w/kg)
V

(2 -8)

V: thể tích (hoặc khối lượng chất lỏng) trong thiết bị m3 hoặc (kg).
+ Công suất của động cơ khuấy:
Nđ = Kđ

N



(2 -9)

 : hiệu suất sử dụng.

Kđ: hệ số dự trữ công suất.
Biểu diễn hệ khuấy:
- Mức độ khuấy trộn: đánh giá sự phân bố vật chất hay nhiệt độ trong môi
trường khuấy (bằng cách đo hoặc thử mẫu).
+ Với trường nhiệt độ:
t
t
1 
ttb
ttb

(2 -10)

+ Với trường vật chất:
C
C
1 
Ctb
Ctb
t,C: nhiệt độ và nồng độ cục bộ trong thiết bị.
ttb, Ctb: nhiệt độ và nồng độ trung bình cho trước.
- 16 -

(2 -11)

Δt, ΔC: chênh lệch nhiệt độ hay nồng độ.
t C
: nồng độ không đồng nhất giữa trường nhiệt độ và trường nồng
,
t tb Ctb

độ.
t
t tb

,

C
: mức độ đồng nhất của trường nhiệt độ và trường nồng độ.
Ctb

Mức độ khuấy phụ thuộc vào cánh khuấy, đặc trưng kích thước và đồng
dạng hình học và phụ thuộc vào chế độ thủy động lực. Cho nên mỗi loại cánh
khuấy đều thể hiện những đặc tính riêng và phạm vi ứng dụng chúng được hướng
dẫn như trong bảng 2. Đối với nhóm cánh khuấy tốc độ chậm thường sử dụng
khuấy trong chế độ chảy tầng với độ nhớt môi trường tương đối cao. Trong phụ
lục 1 giới thiệu vài loại cánh khuấy với giới hạn điều kiện khuấy.
2.2.2 Tính công suất khuấy
Công suất khuấy phụ thuộc vào tốc độ và tính chất của môi trường và đặc
tính sinh học của thiết bị:
N = f(n, g, µ, ρ, D, H, dk, b, h,…)

(2 -12)

Bằng phương pháp phân tích thứ nguyên, người ta thiết lập các phương
trình chuẩn số tính công suất khuấy dưới dạng:
N = f(Rek , Frk , Gak , Wek , Pek , Euk ,…)

(2 -13)

Công suất khuấy được tính theo công thức tổng quát
N = KNρ n 3 d k5

(2 -14)

KN: chuẩn số công suất khuấy, nó phụ thuộc vào chế độ thủy động
lực trong thiết bị, KN = f(Rek, Frk, Gak, Wek, Pek, Euk,…)
Tuy nhiên bằng thực nghiệm ta nhận thấy KN = f(Rek).
2.2.2.1. Xác định chuẩn số công suất theo giải tích
2.2.1.1.1. Thiết bị thành trơn
- Trường hợp tổng quát chuẩn số có công suất đươc tính theo công thức:
KN = 4ξkK1

(2 -15)

ξk: hệ số trở lực cánh khuấy xem phụ lục 1.
K1:hệ số không thứ nguyên, liên quan đến trường tốc độ, được biểu diễn:
K1 = f(ψ1, ψ2)
- 17 -


- Với cánh khuấy: mái chèo, bản 3 hoặc 6 cánh, vít, tua bin kín, tua bin hở,
hệ số K1 được tính theo công thức:

K1 = 0,1 ψ12 + 0,22 ψ1ψ2 + 0,125 ψ22

(2 -16)

- Với cánh khuấy lồng:
K1 = (ψ1 + ψ2)2

(2 -17)

- Trường hợp tổng quát, đối với nhóm cánh khuấy tốc độ nhanh có thể tìm
K1 trên đồ thị hình 2.3. Trước tiên tìm ψ1 rồi xác định K1.
2.2.2.1.2. Thiết bị có tấm chặn
Chuẩn số công suất tính theo công thức:
KN = 4ξkZkKp

(2 -18)

Zk: số cánh khuấy lắp trên trục.
Kp: hệ số không thứ nguyên, Kp = f(P).
Trong đó, thông số P được tính:
P = 2GDZnhnξk-1Zk-1D-1 lnD(D + 2Bn)

(2 -19)

Zn: số tấm chặn.
hn: chiều cao tấm chặn.
Bn: chiều rộng tấm chặn.
Người ta dựng đồ thị hàm phụ thuộc Kp = f(P). Trên (Hình 2.3), biểu diễn
sự phụ thuộc này. Trước hết xác định thông số P rồi theo đồ thị (Hình 2.3) tìm hệ
số Kp, và cuối cùng tính chuẩn số KN.

Kp
0.5
1

0.4
0.2

2
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
2

4

6 8 0.1

2

4

6

8 1

2

4

6

8

10

2

4

`
Hình 2.3. Xác định hệ số Kp theo hàm phụ thuộc Kp = f(P)
1. Cánh khuấy khung, cánh khuấy lồng, 2. Cánh khuấy và tua bin.
- 18 -

p


- Ảnh hưởng của sự hòa trộn:
Cần lưu ý, khi tính công suất phải lấy giá trị khối lượng riêng ρ và độ nhớt μ
của hỗn hợp trong thiết bị. Điều đó có nghĩa là công suất khuấy của quá trình hòa
trộn hỗn hợp lớn hơn, do sự tăng của khối lượng riêng và độ nhớt.
- Ảnh hưởng của pha khí:
Khi có pha khí tham gia vào quá trình khuấy chất lỏng, chế độ thủy động
trong thiết bị trở nên phức tạp, do sự tồn tại của các bọt khí. Trong kỹ thuật, ở
vùng chảy rối, người ta xác định được chuẩn số công suất khuấy theo cách gần
đúng:
KNg = M.KN

(2 -20)

KNg: chuẩn số công suất khuấy có pha khí tham gia.
M: thông số giảm công suất.
KN: chuẩn số công suất không có pha khí tham gia.
M = CAmKG1KG2
A=[

(2 -21)

Qg  n 0,21.nd 0,5 H 0,4
K .[
]
]

D

(2 -22)

Qg: lưu lượng khí tham gia vào quá trình khuấy.
ρ, σ: khối lượng riêng và sức căng bề mặt của chất lỏng.
KG1, KG2 A, C, m: các hệ số xem phụ lục 3.
2.2.2.2. Xác định chuẩn số công suất theo phương trình chuẩn số
Trong các tài liệu, phương trình chuẩn số để xác định các công suất KN có
rất nhiều. Tuy nhiên trong ứng dụng cần chọn phương trình phù hợp với hoàn
cảnh cụ thể. Ở đây xin đề cập phương trình tiêu biểu, dùng để tính toán nhanh
trong kỹ thuật:
- Đối với nhóm cánh khuấy tốc độ nhanh:
KN = CReKm

(2 -23)

C, m: các hệ số được cho trong phụ lục 4.
H: chiều cao mực chất lỏng trong thiết bị.
H2: khoảng cách từ cánh khuấy đến đáy thiết bị.
- Đối với nhóm cánh khuấy tốc độ chậm:
KN = C’ReKm’

(2 -24)
- 19 -


C’, m’: các hệ số được xác định bằng thực nghiệm cho các trường hợp cụ thể.
+ Thực tế cho thấy m’=(-0,9  1,0), vì vậy trong tính toán có thể lấy m’= -1,0.
+ Giá trị C’, phụ thuộc vào kích thước hình học cánh khuấy; chiều cao H1,
chiều rộng cánh bc; đường kính trục do; bước xoắn t…
Phân tích các số liệu thực nghiệm với các điều kiện cụ thể, người ta khái
quát được các công thức tính KN hoặc N, cho cánh khuấy tốc độ chậm:
 H1  2 3
n d K
 dK 

- Cánh khuấy băng: N = 340μ 

 H1  2 3
n d K
 dK 

- Cánh khuấy vít: N = 70 μ 

(2 -25)
(2 -26)

- Cánh khuấy vít có ống tuần hoàn trung tâm:
 H1  2 3
n d K
 dK 

N = 240μ 

(2 -27)

Trong vùng chảy rối và quá độ:
 H 1   0,33
 Re K
dK 

- Cánh khuấy băng: KN = 7 

 H 1   0,33
 Re K
dK 

(2 -28)

- Cánh khuấy vít: KN = 4 

(2 -29)

- Mỏ neo (chảy tầng ): KN = 245. Re K1

(2 -30)

2.2.3. Thời gian khuấy
2.2.3.1. Thiết bị thành trơn
Đồng hóa là quá trình phân tán pha rắn hoặc pha lỏng vào pha lỏng khác.
Trong thiết bị thành trơn (với H > D), dưới tác dụng của cánh khuấy khối chất
lỏng phân ra hai vùng (I, II) theo bán kính rm. Sự hòa tan diễn tiến theo sự khuếch
tán, công việc tương đối phức tạp.
Trong kỹ thuật có thể tính thời gian khuấy theo phương pháp gần đúng,
với công thức kinh nghiệm:
    o exp(2,25  1,845)

(2 -25)

  : thời gian khuấy để đạt độ đồng nhất  cho trước.
 o : thời gian khuấy đạt mức độ đồng nhất  = 0,87.

- 20 -


2
 2rm   2  2rm
 G D  
 d k  
 dk

 o = 2,04V 






2


Q 1GD4


(2 -32)

2.2.3.2. Thiết bị có ống tuần hoàn trung tâm
Trường hợp thiết bị có lắp ống tuần hoàn trung tâm thì khối chất lỏng
phân ra 4 vùng (I, II, III, IV) thời gian lưu của chất lỏng trong thiết bị tăng lên.
Thời gian đồng hóa trong thiết bị này có thể xác định theo đồ thị (Hình 2.4).
Bằng cách giải hệ phương trình khuếch tán và sự kiểm chứng bởi các số liệu thực
nghiệm, người ta tìm được sự phụ thuộc η = f(τ.n), rồi dựng đồ thị, cho trước
mức độ đồng nhất η, trên (hình 2.4) tìm được (τ.n), rồi tính ra thời gian khuấy:
Τ=

 .n 
n

(2 -33)


0.9
0.7
0.5
0.3

150

200

250

300

350

400

450

500



Hình 2.4. Sự phụ thuộc η = f(τ.n) trong thiết bị có ống tuần hoàn trung tâm.
2.2.3.3. Thiết bị có tấm chặn
Các bề mặt cản làm thay đổi cấu trúc của dòng chảy trong thiết bị, tốc độ
chuyển động của chất lỏng theo phương dọc trục là chủ yếu, mà giá trị trung bình
của nó được xác định theo công thức:
Dk = 0,1.vtb.D (m2/s)

(2 -34)

Dk : hệ số khuếch tán, m2/s.
D: đường kính thiết bị, m.
Vtb: vận tốc dọc trục trung bình, m2/s.

- 21 -


Thời gian khuấy cần thiết để đạt mức độ đồng nhất η cho trước, được tính:
 H 2  D2
Dk


   Fo 





(2 -35)

H: chiều cao mức chất lỏng trong thiết bị, m.
Fo: chuẩn số Furiê.
Fo = 0,43 ln (1 – η)

(2 -36)

2.2.3.4. Hàm phân bố thời gian khuấy
Thời gian khuấy tỉ lệ nghịch với tốc độ quay của cánh khuấy. Người ta
xem rằng: τ.n = const
Hằng số của điều kiện này kí hiệu Cτ và gọi là hàm phân bố thời gian
khuấy. Một cách tổng quát người ta biểu diển:
Cτ =

 .n
G D2

= const

(2 -37)

Giá trị Cτ được xác định bằng thực nghiệm cho từng loại cánh khuấy.
Từ đây ta tính được thời gian khuấy cần thiết:


C r . G D2

(2 -38)

n

Trong tài liệu có thể tìm gặp nhiều phương trình thực nghiệm của hàm
phân bố thời gian khuấy dưới dạng:
Cτ = f(Rek)

(2 -39)

Thời gian lưu của pha phân tán trong thiết bị được tính:
p 

V  Ctb 
C 

   1  tb 

Vs  C 
 C 

(2 -40)
3

V: thể tích chất lỏng trong thiết bị, m .
vs: năng suất thiết bị (lưu lượng thể tích), m3/s.
τ1: thời gian lưu của pha liên tục, s.
Trong thời gian khuấy τ ≥ τ1, phần trăm pha phân tán lưu lại trong thiết bị có thể
tính:
 / 1

C
1
 1  
Ctb
e

(2 -42)

e: cơ số của logarit tự nhiên.
- 22 -


2.3. Lò hơi
2.3.1Giới thiệu về lò hơi
Lò hơi là một thiết bị giúp đưa nhiệt của quá trình đốt cháy cho nước cho
đến khi nước được đun nóng hoặc thành hơi. Nước nóng hoặc hơi dưới tác động
của áp suất sẽ truyền nhiệt sang một quy trình. Nước là tác nhân trung gian rẻ

tiền và hữu dụng giúp truyền nhiệt sang một quy trình. Khi nước được chuyển
thành hơi, thể tích sẽ tăng lên khoảng 1.600 lần, tạo ra một lực mạnh như là
thuốc súng. Vì vậy lò hơi là thiết bị phải được vận hành với tinh thần cẩn trọng
cao độ.
2.3.2. Nguyên lý làm việc
Khi dòng điện chạy qua vật dẫn có điện trở R (vật rắn hay chất lỏng), nó
sẽ toả ra nhiệt lượng trong vật thể theo định luật Joule-Lence. Năng lượng nhiệt
này sẽ đốt nóng bản thân vật dẫn hoặc gián tiếp đốt nóng các vật nung xếp gần
đó.
Những thiết bị nung làm việc theo nguyên tắc này được gọi là lò điện trở.
Dây dẫn hoặc vật nung có dòng điện chạy qua gọi dây điện trở hoặc dây nung.
2.3.3. Cấu tạo và phân loại lò hơi
2.3.3.1. Cấu tạo: Hệ thống lò hơi bao gồm: một hệ thống nước cấp, hệ thống hơi
và hệ thống nhiên liệu. Hệ thống nước cấp: cấp nước cho lò hơi và tự động điều
chỉnh nhằm đáp ứng nhu cầu hơi. Sử dụng nhiều van nên cần bảo trì và sửa chữa.
Hệ thống hơi thu gom và kiểm soát hơi do lò hơi sản xuất ra. Một hệ thống
đường ống dẫn hơi tới vị trí cần sử dụng. Qua hệ thống này, áp suất hơi được
điều chỉnh bằng các van và kiểm tra bằng máy đo áp suất hơi. Hệ thống nhiên
liệu bao gồm tất cả các thiết bị được sử dụng để tạo ra nhiệt cần thiết. Các thiết bị
cần dùng trong hệ thống nhiên liệu phụ thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng trong
hệ thống nhiên liệu.
2.3.3.2. Phân loại: Giới thiệu các loại lò hơi khác nhau: lò hơi ống lửa, lò hơi
ống nước, lò hơi trọn bộ, lò hơi buồng lửa tầng sôi, lò hơi buồng lửa tầng sôi
không khí, lò hơi buồng lửa tầng sôi điều áp, lò hơi buồng lửa tầng sôi tuần hoàn,
lò hơi đốt lò, lò hơi sử dụng nhiên liệu phun, lò hơi sử dụng nhiên liệu thải và
thiết bị gia nhiệt.
- 23 -


2.3.4. Phạm vi sử dụng

Các lò điện trở thường có nhiệt độ đạt tới 12000C (khi dây điện trở bằng
kim loại) 13500C (khi dùng thanh nung cacborun). Lò điện trở được sử dụng
rộng rãi trong ngành công nghiệp, cũng như trong dân dụng.
2.3.5. Đặc điểm của lò điện trở
-

Có khả năng tạo được nhiệt độ cao do nhiệt năng được tập trung trong

một thể tích nhỏ.
-

Do nhiệt năng tập trung, nhiệt độ cao nên lò có tốc độ nung lớn và

năng suất cao.
-

Đảm bảo nung đều, nung chính xác, dễ hiệu chỉnh và khống chế chế độ

nhiệt và chế độ nhiệt độ.
-

Lò đảm bảo được độ kín, có khả năng nung trong chân không hoặc

trong môi trường có khí bảo vệ, vì vậy độ cháy hao kim loại nhỏ.
-

Có khả năng cơ khí hoá tự động hoá.

-

Đảm bảo điều kiện vệ sinh: không có bụi, không có khói, tiết kiệm

diện tích.
2.3.6. Lò hơi ống nước
Ở lò hơi ống nước, nước cấp qua các ống đi vào tang lò hơi. Nước được
đun nóng bằng khí cháy và chuyển thành hơi ở khu vực đọng hơi trên tang lò hơi.
Lò hơi dạng này được lựa chọn khi nhu cầu hơi cao đối với nhà máy phát điện.
Phần lớn các thiết kế lò hơi ống nước hiện đại có công suất nằm trong
khoảng 4.500 – 120.000 kg/giờ hơi, ở áp suất rất cao. Rất nhiều lò hơi dạng này
nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” nếu nhà máy sử dụng dầu hoặc ga làm
nhiên liệu. Hiện cũng có loại thiết kế lò hơi ống nước sử dụng nhiên liệu rắn
nhưng với loại này, thiết kế trọn gói không thông dụng bằng.
Lò hơi ống nước có các đặc điểm sau: Sự thông gió cưỡng bức, cảm ứng,
và cân bằng sẽ giúp nâng cao hiệu suất cháy. Yêu cầu chất lượng nước cao và
cần phải có hệ thống xử lý nước. Phù hợp với công suất nhiệt cao.

- 24 -


Hình 2.5. Lò hơi
1. Chân đế; 2. Van xả đáy 3. Thân nồi 4. Công tắc áp suất; 5. Ống thủy; 6. Áp
kế; 7. Van xả khí; 8. Bộ béc đốt; 9. Van hơi chính; 10. Van an toàn; 11. Tủ điện
điều khiển; 12. Chuông báo; 13. Bơm cấp nước; 14. Van một chiều; 15. Van cấp
nước; 16. Bass cẩu; 17. Ống khói; 18. Điện cực điều khiển.
2.4. Máy lọc nước
2.4.1. Khái niệm chung
Lọc là một quá trình làm sạch nước thông qua lớp vật liệu lọc nhằm tách
các hạt cặn lơ lửng, các hạt keo tụ và ngay cả vi sinh vật trong nước. Kết quả là
sau quá trình lọc, nước sẽ có được chất lượng tốt hơn cả về mặt vật lý, hoá học,
sinh học.

2.4.2. Phạm vi ứng dụng
Máy lọc nước được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong
sinh hoạt hằng ngày. Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà có các cấp bậc lọc khác nhau.
Trong sinh hoạt cung cấp nước để sinh hoạt hằng ngày, ăn uống, các hoạt
động giải trí…Trong công nghiệp phục vụ cho sản xuất: sử dụng trong lò hơi,
máy khuấy, sản xuất thực phẩm đồ hộp…Hầu hết mọi ngành công nghiệp đều sử
- 25 -