Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa quá trình làm việc của thiết bị lắng răng cào trong công nghiệp tuyển khoáng

..

LÊ HẢI KIÊN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ HẢI KIÊN

CHUYÊN NGÀNH KỸ
THUẬT HÓA HỌC

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH HĨA Q
TRÌNH LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ LẮNG RĂNG CÀO TRONG
CƠNG NGHIỆP TUYỂN KHỐNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUN NGÀNH KỸ THUẬT HĨA HỌC

KHỐ 2015A
Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LÊ HẢI KIÊN

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH HĨA Q TRÌNH LÀM

VIỆC CỦA THIẾT BỊ LẮNG RĂNG CÀO TRONG CƠNG NGHIỆP
TUYỂN KHỐNG
Chun ngành : Kỹ thuật Hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Nguyễn Đặng Bình Thành
2. TS. Nguyễn Trung Dũng

Hà Nội – Năm 2017


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2
DANH SÁCH CÁC BẢNG .......................................................................................3
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................6
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ............................................................7
1.1. Tổng quan về thiết bị lắng răng cào.................................................................7
1.1.1. Giới thiệu ..................................................................................................7
1.1.2. Các vùng làm việc trong thiết bị lắng kiểu răng cào ................................9
1.1.3. Các biến điều khiển của quá trình lắng trong thiết bị lắng răng cào ......11
1.2. Các phương pháp thiết kế thiết bị lắng răng cào ...........................................12
1.2.1. Phương pháp Mishler .............................................................................12

1.2.2. Phương pháp Coe và Clevenger .............................................................13
1.2.3. Phương pháp thiết kế dựa vào lý thuyết lắng của Kynch .......................16
1.2.4. Phương pháp của Talmage và Fitch .......................................................18
1.2.5. Phương pháp của Oltmann .....................................................................19
1.2.6. Phương pháp của Wilhelm và Naide ......................................................20
1.3. Mơ hình hóa q trình và thiết bị lắng ...........................................................22
1.3.1. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................22
1.3.2. Các phương trình cơ bản của q trình lắng...........................................24
1.3.3. Mơ hình tốn học q trình lắng gián đoạn ............................................27
1.3.4. Mơ hình tốn học q trình lắng liên tục................................................28
LÊ HẢI KIÊN


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

1.3.5. Mơ hình tốn học quá trình lắng liên tục và ổn định ..............................29
1.4. Lựa chọn đối tượng ........................................................................................31
1.4.1. Công nghiệp tuyển than ..........................................................................31
1.4.2. Công nghiệp tuyển đồng .........................................................................32
1.5. Kết luận ..........................................................................................................33
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM – KẾT QUẢ .......................................................34
2.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm .................................................................34
2.2. Kết quả thực nghiệm mẫu nước thải của nhà máy tuyển than I ....................37
2.2.1. Xác định các thông số đặc trưng của hàm vận tốc lắng Vesilind ...........38
2.2.2. Xác định các thông số đặc trưng của hàm mật độ thông lượng rắn .......41
2.2.3. Xác định các thông số đặc trưng của hàm ứng suất nén ép pha rắn .......44
2.2.4. Kết luận...................................................................................................46
2.3. Kết quả thực nghiệm của mẫu nước thải của tuyển than II ...........................46
2.3.1. Xác định các thông số đặc trưng của hàm vận tốc lắng Vesilind ...........48
2.3.2. Xác định các thông số đặc trưng của hàm mật độ thông lượng rắn .......51

2.3.3. Xác định các thông số đặc trưng của hàm ứng suất nén ép pha rắn .......54
2.3.4. Kết luận...................................................................................................55
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HĨA THIẾT BỊ LẮNG ....................56
3.1. Cơ sở lý thuyết ...............................................................................................56
3.1.1. Quá trình lắng gián đoạn ........................................................................57
3.1.2. Quá trình lắng làm việc liên tục, ổn định ...............................................57

LÊ HẢI KIÊN


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

3.2. Mơ hình hóa thiết bị lắng nhà máy tuyển than I – Công ty tuyển than Cửa
Ơng........................................................................................................................58
3.2.1. Các thơng số của thiết bị lắng nhà máy tuyển than I ..............................58
3.2.2. Mơ hình hóa q trình lắng gián đoạn ....................................................59
3.2.3. Mơ hình hóa q trình thiết bị lắng làm việc liên tục, ổn định ..............61
3.2. Mơ hình hóa thiết bị lắng nhà máy tuyển than II – Cơng ty tuyển than Cửa
Ơng........................................................................................................................65
3.3. Mơ hình hóa thiết bị lắng tuyển đồng ............................................................69
3.4. Phương pháp thiết kế thiết bị lắng răng cào ..................................................72
3.4.1. Sơ đồ thuật toán thiết kế thiết bị lắng răng cào ......................................72
3.4.2. Thiết kể thiết bị lắng tuyển than I – Công ty tuyển than Cửa Ông ........73
3.5. Kết luận ..........................................................................................................74
KẾT LUẬN ..............................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................77
PHỤ LỤC .................................................................................................................79

LÊ HẢI KIÊN

Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và nội dung này chưa từng được công bố trong
bất kì cơng trình nghiên cứu nào trước đó.

Hà Nội, ngày 3 tháng 4 năm 2017
Học viên

Lê Hải Kiên

LÊ HẢI KIÊN

1


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành luận văn thạc sĩ của mình, bên cạnh sự nỗ lực của bản
thân là sự quan tâm của các thầy cô giáo; sự động viên và ủng hộ của gia đình, bạn
bè trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện đề tài.
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Đặng Bình Thành và TS.
Nguyễn Trung Dũng, những người đã dạy dỗ, hướng dẫn tận tình và sâu sắc qua
từng buổi thí nghiệm cũng như những buổi thảo luận về nội dung, phương pháp
trong nghiên cứu khoa học và thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô ở Bộ mơn Máy và Thiết Bị Cơng
Nghiệp Hóa Chất – Dầu Khí, Viện Kỹ Thuật Hóa Học, Đại Học Bách Khoa Hà Nội

và các cán bộ tại Công ty tuyển than Cửa Ơng ... đã dạy dỗ và giúp đỡ tơi trong suốt
thời gian học tập và làm luận văn.
Tôi cũng xin bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình và bạn bè, những người đã không
ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian
học tập và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên Phịng thí nghiệm Máy
và thiết bị cơng nghiệp hóa chất đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học
tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 3 tháng 4 năm 2017
Học viên

Lê Hải Kiên

LÊ HẢI KIÊN

2


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các thông số của thiết bị lắng răng cào nhà máy tuyển than I ...........32
Bảng 2.1: Thời gian tương ứng chiều cao lắng của nước thải tuyển than I .........37
Bảng 2.2: Hàm lượng pha rắn k và vận tốc lắng vs của tuyển than I.................39
Bảng 2.3: Các thông số đặc trưng k và n của mẫu nước thải tuyển than I...........41
Bảng 2.4: Mật độ thông lượng pha rắn của mẫu nước thải tuyển than I ............42
Bảng 2.5: Các thông số đặc trưng u∞ và c của mẫu nước thải tuyển than I .........43

Bảng 2.6: Các thông số đặc trưng α và β của mẫu nước thải tuyển than I ..........45
Bảng 2.7: Thời gian tương ứng chiều cao lắng của nước thải tuyển than II ........47
Bảng 2.8: Hàm lượng pha rắn k và vận tốc lắng vs của tuyển than II ...............49
Bảng 2.9: Các thông số đặc trưng k và n của mẫu nước thải tuyển than II .........51
Bảng 2.10: Mật độ thông lượng pha rắn của mẫu nước thải tuyển than II ..........52
Bảng 2.11: Các thông số đặc trưng u∞ và c của mẫu nước thải tuyển than II .....54
Bảng 2.12: Các thông số đặc trưng α và β của mẫu nước thải tuyển than II .......55
Bảng 3.1: Thông số thực tế của thiết bị lắng nhà máy tuyển than I .....................59
Bảng 3.2: Thơng số kích thước hạt rắn vào thiết bị .............................................59
Bảng 3.3: Số liệu đầu cho các thí nghiệm lắng gián đoạn của tuyển than I ........59
Bảng 3.4: Số liệu về tính chất của nước thải và thiết bị lắng của tuyển than I ....63
Bảng 3.5: Các thông số cho hàm fbk và hàm σe của nước thải tuyển than I .........63
Bảng 3.6: Số liệu đầu cho các thí nghiệm lắng gián đoạn của tuyển than II .......66
Bảng 3.7: Các thông số cho hàm fbk và hàm σe của nước thải tuyển than II .......68
Bảng 3.8: Số liệu về tính chất của nước thải trong cơng nghiệp tuyển đồng ......69
Bảng 3.9: Các thông số cho hàm fbk và hàm σe của mẫu nước thải tuyển đồng ..70
Bảng 3.10: Số liệu thiết kế thiết bị lắng của nhà máy tuyển than Cửa Ông II .....73
Bảng 3.11: So sánh kết quả thiết kế với thiết kế thực tế của Công ty .................73
LÊ HẢI KIÊN

3


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Cấu tạo của thiết bị lắng kiểu răng cào ..................................................8
Hình 1.2: Sơ đồ 4 vùng làm việc trong thiết bị lắng răng cào ...............................9
Hình 1.3: Hàm lượng pha rắn theo vùng làm việc .................................................9
Hình 1.4: Các tham số trong thiết bị lắng răng cào .............................................11

Hình 1.5: Cân bằng vật chất theo phương pháp của Mishler ..............................12
Hình 1.6: Cân bằng vật chất theo phương pháp của Coe và Clevenger ..............14
Hình 1.7: Phân tích đường cong lắng gián đoạn ..................................................16
Hình 1.8: Phương pháp thiết kế dựa trên lý thuyết gián đoạn Kynch .................18
Hình 1.9: Phương pháp thiết kế của Talmage và Fitch........................................18
Hình 1.10: Sự phụ thuộc của vận tốc lắng vào nồng độ đối với mẫu nước thải
nhà máy tuyển than, theo Wilheim và Naide (1979) ............................................21
Hình 1.11: Dự đoán đường cong UA cho một thiết bị lắng răng cào lý tưởng xử
lý nước thải nhà máy tuyển than, theo Wilhelm và Naide ...................................21
Hình 1.12: Hình minh họa giản đồ của một thiết bị lắng răng cào: .....................24
Hình 1.13: Hàm mật độ thông lượng pha rắn fbk   , Becker (1982)..................27
Hình 1.14: Hàm ứng suất rắn hiệu dụng  e   , Becker (1982) ..........................27
Hình 1.15: Hàm mật độ thông lượng liên tục cho một giá trị q và ba giá trị fF ...30
Hình 1.16: Biên dạng nồng độ đối cho một giá trị q và ba giá trị fF....................30
Hình 1.17: Sơ cơng nghệ xử lý nước thải trong cơng nghiệp tuyển đồng ...........33
Hình 2.1: Q trình thực nghiệm lắng gián đoạn ................................................36
Hình 2.2: Đồ thị lắng gián đoạn ...........................................................................36
Hình 2.3: Đồ thị lắng gián đoạn của mẫu nước thải nhà máy tuyển than I .........38
Hình 2.4: Đồ thị mô tả quan hệ giữa vs và k của nước thải tuyển than I ...........40
Hình 2.5: Đồ thị xác định hai thông số đặc trưng hàm fbk của tuyển than I ........43

LÊ HẢI KIÊN

4


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

Hình 2.6: Mối quan hệ giữa  e và  của mẫu nước thải tuyển than I ................45
Hình 2.7: Đồ thị lắng gián đoạn của mẫu nước thải nhà máy Tuyển than II......48

Hình 2.8: Đồ thị mô tả quan hệ giữa vs và k của nước thải tuyển than II .........50
Hình 2.9: Đồ thị xác định hai thông số đặc trưng hàm fbk của tuyển than II .......53
Hình 2.10: Mối quan hệ giữa  e và  của mẫu nước thải tuyển than II ............54
Hình 3.1: Sự thay đổi hàm lượng pha rắn theo t và z của tuyển than I ...............60
Hình 3.2: Sự thay đổi hàm lượng pha rắn của mẫu nước thải nhà máy tuyển than
I tại các thời điểm khác nhau ................................................................................61
Hình 3.3: Đồ thị mô tả chiều cao lắng nén ép zc của mẫu nước thải nhà máy
tuyển than I khi năng suất lắng thay đổi ...............................................................64
Hình 3.4: Đồ thị mơ tả chiều cao lắng nén ép zc của mẫu nước thải nhà máy
tuyển than I với năng suất Q = 200 m3/h và CD thay đổi ......................................65
Hình 3.5: Sự thay đổi hàm lượng pha rắn của mẫu nước thải nhà máy tuyển than
II theo thời gian t và chiều cao z ...........................................................................66
Hình 3.6: Sự thay đổi hàm lượng pha rắn của mẫu nước thải nhà máy tuyển than
II tại các thời điểm khác nhau ...............................................................................67
Hình 3.7: Chiều cao zc của nước thải tuyển than II khi năng suất là 150 m3/h...68
Hình 3.8: Chiều cao lắng nén ép zc của mẫu nước thải nhà máy tuyển than II khi
năng suất là 200 m3/h ............................................................................................69
Hình 3.9: Đồ thị mơ tả chiều cao lắng nén ép zc của mẫu nước thải nhà máy
tuyển đồng khi năng suất lắng thay đổi ................................................................70
Hình 3.10: Chiều cao lắng nén ép khi lưu lượng Q = 40000 m3/h với hàm lượng
pha rắn cuối thay đổi .............................................................................................71

LÊ HẢI KIÊN

5


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển cơng nghiệp nhanh chóng mang lại nhiều lợi ích, nhưng bên cạnh
đó nó cũng gây ra nhiều tác hại làm ảnh hưởng xấu đến môi trường và đe dọa đến
sức khỏe con người, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước.
Việc khan hiếm nguồn nước ngọt đã và đang gây ra hậu quả hết sức nghiêm
trọng đến môi trường, hệ sinh thái, các lồi sinh vật, trong đó có con người.
Do đó, xử lý nước thải là một vấn đề hết sức quan trọng, nhằm làm giảm được
ảnh hưởng của nước thải đối với môi trường, tiết kiệm đáng kể nước sản xuất và thu
hồi quặng đi có giá trị kinh tế cao. Một trong những thiết bị quan trọng trong dây
chuyền xử lý nước thải là thiết bị lắng răng cào. Thiết bị có tác dụng lắng sơ bộ
trong quá trình xử lý nước thải.
Tuy nhiên, việc thiết kế, điều khiển và vận hành thiết bị lắng vẫn gặp phải nhiều
sự cố không mong muốn khiến nước thải, nước thải không được xử lý đúng tiêu
chuẩn yêu cầu, gây ô nhiễm mơi trường, thất thốt tài ngun. Do đó, đề tài
“Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng
răng cào trong công nghiệp tuyển khoáng” là cần thiết.
Luận văn này gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết
Chương 2: Thực nghiệm – Kết quả
Chương 3: Thiết kế và mơ hình hóa thiết bị lắng
Chương 4: Kết luận

LÊ HẢI KIÊN

6


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về thiết bị lắng răng cào

1.1.1. Giới thiệu
Ngày nay, sự phát triển của nền công nghiệp trên toàn thế giới làm tăng nhu cầu
về nước, đặc biệt đối với một số ngành sản xuất như chế biến thực phẩm, dầu mỏ,
giấy, luyện kim, hóa chất..., chỉ 5 ngành sản xuất này đã tiêu thụ ngót 90% tổng
lượng nước sử dụng cho công nghiệp.
Lượng nước thải sau các q trình sản xuất cơng nghiệp đổ ra sơng hồ chứa đầy
những chất gây ô nhiễm, gây ảnh hưởng lớn đến môi trường và sức khỏe của con
người.
Hiện nay đã có nhiều phương pháp xử lý nước thải. Tuy nhiên phương pháp sử
dụng quá trình lắng vẫn được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp và đạt hiệu quả
cao.
Trong công nghiệp, phương pháp lắng trọng lực cho giá thành xử lý rẻ hơn các
phương pháp khác, tuy nhiên thiết bị lắng cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích. Vì vậy
phương pháp này thường được sử dụng để tách sơ bộ trước khi dùng phương pháp
lọc hay ly tâm.
Cơ chế làm việc của thiết bị lắng răng cào là lắng dưới tác dụng của trọng lực.
Quá trình được tiến hành trong thiết bị dạng hình trụ. Huyền phù được cấp từ trên
đỉnh và tại điểm giữa của thiết bị được chia làm 2 đường ra: một phần bùn tháo ra ở
đáy côn và một phần lỏng chảy tràn xung quanh thiết bị. Đáy của thiết bị được thiết
kế với góc nghiêng nhỏ sao cho vật liệu có thể lắng và trượt vào trong tâm của hình
cơn với sự trợ giúp của những cách gạt kiểu răng cào. Bùn lắng xuống đáy được
răng cào đưa vào tâm rồi theo ống tháo ra ngoài (Hình 1.1). Mục đích của q trình
này có thể là sản phẩm đáy (huyền phù đậm đặc) hoặc thu hồi chất lỏng trong huyền
phù.

LÊ HẢI KIÊN

7

Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

Hình 1.1: Cấu tạo của thiết bị lắng kiểu răng cào

Ưu điểm của thiết bị lắng răng cào
- Có thiết bị gạt bùn nên đáy thiết bị có độ dốc (5 – 8%) nhỏ hơn so với thiết bị
lắng đứng.
- Chiều cao công tác nhỏ (1,5 – 3,5m) thích hợp xây dựng ở khu vực có mực
nước ngầm cao.
- Khi xả bùn vẫn làm việc bình thường, tháo bùn liên tục và dễ dàng.
- Tốn ít diện tích đất và có thể vừa làm vừa xả bùn.
- Năng suất cao hơn.
- Góc tạo thành chữ V giúp bùn bùn dễ thốt ra ngồi.
Nhược điểm của thiết bị lắng răng cào
- Đường kính lớn nên hiệu quả lắng bùn kém
- Nước trong chỉ có thể thu vào bằng hệ thống máng xung quanh thiết bị nên
thu nước khơng đều.
- Hệ thống gạt bùn có cấu tạo phức tạp và làm việc trong điều kiện ẩm ướt nên
nhanh bị hư hỏng.
- Cấu tạo phức tạp.
- Chi phí năng lượng cao.
- Vận hành đòi hỏi kinh nghiệm, chi phí cao.
LÊ HẢI KIÊN

8


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

- Thời gian bảo trì máy móc thiết bị phức tạp.

1.1.2. Các vùng làm việc trong thiết bị lắng kiểu răng cào
Theo Col và Clevenger [8], thiết bị lắng kiểu răng cào làm việc liên tục có thể
chia làm 4 vùng (Hình 1.2) và các hàm lượng pha rắn tương ứng với mỗi vùng
(Hình 1.3).
Trong hình:
L là hàm lượng pha rắn trong dịng nạp liệu

C là hàm lượng pha rắn tới hạn
D là hàm lượng pha rắn trong dịng tháo đáy

Hình 1.2: Sơ đồ 4 vùng làm việc trong thiết

Hình 1.3: Hàm lượng pha rắn theo vùng

bị lắng răng cào

làm việc

- Vùng I: Vùng nước trong. Vùng này ở trên cùng, dòng lỏng sạch phân tách từ
huyền phù và thu hồi tại cửa chảy tràn. Khi dịng nạp liệu chứa nhiều hạt rất nhỏ thì
vùng I đục nên ta cần phải thêm các chất trợ lắng. Chiều cao vùng I thường duy trì ở
độ cao từ 0,5 ÷ 1 (m).
- Vùng II: Vùng lắng bị cản trở. Vùng này có hàm lượng hạt rắn và vận tốc lắng
không đổi. Vùng này hàm lượng hạt rắn nằm giữa hàm lượng hạt rắn trong dòng
nạp liệu L và hàm lượng hạt rắn của quá trình lắng mà có sự cản trở lớn nhất C .
Trong q trình làm việc, hàm lượng pha rắn của vùng II phụ thuộc vào tốc độ của
dòng nạp liệu hơn là hàm lượng pha rắn. Hàm lượng pha rắn của vùng II là nhỏ nếu
LÊ HẢI KIÊN

9

Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

như tốc độ dòng nạp liệu là thấp và nó sẽ tăng lên cùng với sự tăng của tốc độ dòng
nạp liệu, đến khi đạt được giá trị lớn nhất mà hạt rắn lắng tại tốc độ lớn nhất trong
vùng này. Nếu tốc độ dòng nạp liệu lớn hơn giá trị lớn nhất này thì hàm lượng pha
rắn của vùng II tiếp tục được nâng lên và khi đó vùng II sẽ khơng thể lắng được
nhưng sẽ lắng trong vùng I. Như vậy, nếu như hàm lượng pha rắn đạt đến hàm
lượng pha rắn lớn nhất ở vùng II, thì khi đó năng suất lắng của vùng II sẽ lớn nhất.
- Vùng III: gọi là vùng chuyển tiếp từ quá trình lắng cản trở đến q trình lắng
nén ép. Tuy nhiên vùng này rất khó xác định.
- Vùng IV: là vùng lắng nén ép. Vùng này chứa lớp bùn. Áp suất ở bên trên tạo
ra một vùng có sự thay đổi nồng độ. Hàm lượng pha rắn của sản phẩm đáy chính là
hàm lượng pha rắn tại đáy của vùng nén ép.
Chiều cao của mỗi vùng trong thiết bị lắng kiểu răng cào phụ thuộc vào đặc
trưng lắng của bùn.
Coe và Clevenger định nghĩa về năng suất chuyển q của mỗi vùng như là
lượng rắn đi qua trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian [8].
Vận tốc lắng phụ thuộc vào hàm lượng pha rắn trong huyền phù và do đó nó
cũng là năng suất chuyển.
Ở trạng thái làm việc ổn định và khơng có chất rắn đi trong dịng chảy tràn thì
dịng pha rắn đi qua các vùng là như nhau. Vì vậy, các vùng này với năng suất
chuyển nhỏ hơn sẽ cho năng suất lớn hơn.
Một thiết bị lắng kiểu răng cào làm việc quá tải nếu như các hạt rắn đi vào thiết
bị là quá tải. Theo Dixon, có 3 trường hợp làm cho thiết bị lắng kiểu răng cào quá
tải [10]:
1. Khi dòng nạp liệu chứa nhiều hạt rắn nhỏ và không thể lắng được.
2. Khi tốc độ dòng nạp liệu vượt quá năng suất lắng của vùng.
3. Khi tốc độ dòng nạp liệu lớn hơn tốc độ tháo bùn. Trong trường hợp này thì các

hạt rắn sẽ tích lũy trong thiết bị kiểu răng cào và bị đẩy lên vùng I.

LÊ HẢI KIÊN

10


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

1.1.3. Các biến điều khiển của quá trình lắng trong thiết bị lắng kiểu răng
cào
Hình 1.4 chỉ ra các kiểu mơ tả q trình và các biến điều khiển của thiết bị lắng
kiểu răng cào.
Tham số điều khiển

Tham số

Tham số

đầu vào

đầu ra

Tham số điều khiển
Hình 1.4: Các tham số trong thiết bị lắng răng cào

Trong hình:
- Tham số đầu vào:
F là lưu lượng (theo khối lượng) của pha rắn trong dòng nạp liệu
F là hàm lượng pha rắn trong dòng nạp liệu

- Tham số điều khiển:
QD là lưu lượng thể tích nước thải trong dịng tháo đáy
q fe là lưu lượng theo khối lượng của chất trợ lắng

F3  x  là phân bố kích thước hạt trong dòng nạp liệu

h là độ cao của vùng lắng
zc là độ cao của vùng nén ép

- Tham số đầu ra:
QD là lưu lượng thể tích nước thải trong dòng tháo đáy

D là lưu lượng (theo khối lượng) của pha rắn trong dòng tháo đáy
LÊ HẢI KIÊN

11


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

D hàm lượng pha rắn trong dòng tháo đáy

c là độ cao của vùng nước trong (vùng I)

1.2. Các phƣơng pháp thiết kế thiết bị lắng răng cào
Có nhiều phương pháp khác nhau để tính toán thiết kế thiết bị lắng răng cào.
Trong phần này, một vài phương pháp từ đơn giản đến phức tạp hơn sẽ được xem
xét.
1.2.1. Phƣơng pháp Mishler

Đây là phương pháp đơn giản dự đoán năng suất của một thiết bị khuấy răng
cào được phát triển bởi Misher (năm 1912) [14].
Xem xét thiết bị làm việc ở trạng thái ổn định (Hình 1.5).
Trong hình:
F, O, D lần lượt là lưu lượng (theo khối lượng) trong dòng nạp liệu,
dòng chảy tràn và dịng tháo đáy
DF là độ pha lỗng trong dịng nạp liệu và dịng tháo đáy

Hình 1.5: Cân bằng vật chất theo phương pháp của Mishler

Phương trình cân bằng vật chất của thiết bị lắng:
Cân bằng vật chất cho pha rắn:

FD

Cân bằng vật chất cho pha lỏng: F .DF  D.DD  O

LÊ HẢI KIÊN

(1.1)
(1.2)

12


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

“Định nghĩa: Độ pha loãng là tỷ số khối lượng của nước/khối lượng pha rắn
trong dịng”.
Lưu lượng theo thể tích của dịng chất lỏng tràn:

Q0 

F  DF  DD 

f

(1.3)

Trong đó:  f là khối lượng riêng của nước (kg/m3),  f  1000 (kg/m3)
Theo Mishler thì tốc độ của pha lỏng trên một đơn vị diện tích Q0 / S phải bằng
tốc độ hình thành lớp nước trong các thí nghiệm về lắng gián đoạn với cùng hàm
lượng pha rắn. Do đó, tốc độ này chính bằng tốc độ giảm của bề mặt phân chia
huyền phù trong thí nghiệm lắng gián đoạn.
Gọi  I  DF  là tốc độ dòng lắng của pha rắn, thì:
 I  DF  

Q0 F  DF  DD 

S
f

(1.4)

Và khi đó diện tích lắng u cầu là:
S

F  DF  DD ) 

 f  I  DF 

(1.5)

Trong đó:
S là diện tích lắng kiểu răng cào (m2)
F là khối lượng của pha rắn trong dịng nạp liệu (tấn)

DF , DD là độ pha lỗng trong dòng nạp liệu và trong dòng tháo đáy

 I  DF  là tốc độ bề mặt phân chia H2O / huyền phù trong thí nghiệm

gián đoạn tại độ pha loãng DF (ft/min)
1.2.2. Phƣơng pháp Coe và Clevenger
Phương pháp Mishler cho rằng độ pha lỗng trong dịng cấp DF bằng với độ
pha loãng trong thiết bị lắng. Tuy nhiên, điều này khơng đúng nên phương pháp
Mishler tính tốn thiết kế cho kết quả khơng chính xác.

LÊ HẢI KIÊN

13


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

Phương pháp Coe và Clevenger giả sử vùng II của thiết bị có nồng độ pha lỗng
là Dk  Dk  DF  có năng suất chuyển là nhỏ nhất [8]. Vì vậy, độ pha lỗng của vùng
này là khơng biết trước, nên phải giả thiết để tính tốn cân bằng vật chất với độ pha
lỗng Dk khác nhau (Hình 1.6).

Hình 1.6: Cân bằng vật chất theo phương pháp của Coe và Clevenger

Lưu lượng thể tích của nước được đo từ vùng có độ pha lỗng DK cho đến khi
huyền phù có độ pha lỗng DD :
QF 

F  DF  DD 

f

(1.6)

Vận tốc của nước trong với huyền phù có độ pha lỗng DK .
 I  Dk  

Qk
S

(1.7)

Năng suất chuyển của thiết bị với độ pha loãng DK của vùng II:
 f  I  Dk 
F

S F  DF  DD 

(1.7’)

Năng suất chuyển pha rắn nhỏ nhất:

 I  DK  


F
min    min 62,35

DK  DD 
 S  Dk 



(1.8)

với: F  lb / h  ;  f  lb / ft 3  ; S  ft 2  ;  I  ft / h  .

LÊ HẢI KIÊN

14


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

Phương pháp này cũng phải tiến hành thực nghiệm lắng gián đoạn để xác định
tốc độ lắng ban đầu của huyền phù với hàm lượng pha rắn trong khoảng dòng nạp
liệu DF và tốc độ lắng lớn nhất DD tại hàm lượng pha rắn tới hạn. Áp dụng cơng
thức (1.8) để tính được năng suất lắng pha rắn F / S .
Định nghĩa AU 0 là diện tích đơn vị cơ sở như là nghịch đảo năng suất của pha
rắn nhỏ nhất:

  D  DD  

AU 0  max  k


Dk
  f  I  Dk  



(1.9)

Với DC là độ pha loãng tới hạn.
Taggart, Dahlstrom và Fitch ( sử dụng  f  62, 4  lb / ft 3  ;  I  ft / h  thì AU 0
( ft 2 /tấn /ngày) [9] [19].

 Dk  DD  

AU 0  max 1.33

Dk
 f  I  Dk  



(1.10)

Gọi 0 là phần thể tích pha rắn, khi đó ta có:
D

 f 1   
 s

(1.11)

Với  S là khối lượng riêng của pha rắn.
Khi đó:

1

AU 0  max 
k

  S  I k 

 1 1 

    ; F  k  c 
 k D  


(1.12)

Trong đó:
 I k  là tốc độ lắng đầu của huyền phù có hàm lượng pha rắn k .

D là hàm lương pha rắn trong dịng tháo đáy

Cơng thức (1.12) cho ta được diện tích đơn vị của thiết bị lắng răng cào trên cơ
sở thực nghiệm.

LÊ HẢI KIÊN

15

Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

Nếu S  g / cm3  ;  I  cm / s  ; AU 0  m2 / TPD  ; TPD  tấn/24h thì:

1

AU 0  max 1,574 103
k
 S  I k 



 1 1 

    ; F  k  c 
 k D  


(1.13)

1.2.3. Phƣơng pháp thiết kế dựa vào lý thuyết lắng của Kynch
Phương pháp này được thiết lập bởi lý thuyết lắng của Kynch năm 1952, được
cho là phương pháp nhanh và chính xác hơn khi thiết kế thiết bị lắng kiểu răng cào
[13].
Giả thiết
- Kích thước hạt rắn là nhỏ so với thiết bị và có kích thước, hình dạng, khối
lượng riêng là như nhau;
- Hỗn hợp pha lỏng rắn không bị nén ép;
- Khơng có sự trao đổi chất giữa 2 pha;

- Vận tốc lắng tại bất kì điểm nào trong thiết bị chỉ là hàm số của hàm lượng
pha rắn tại điểm đó.
Phân tích đường cong lắng gián đoạn
Ta sử dụng lý thuyết lắng gián đoạn của Kynch và đường thẳng đặc trưng cho
hàm lượng pha rắn k (Hình 1.7).
Chiều cao lắng z

Thời gian lắng t
Hình 1.7: Phân tích đường cong lắng gián đoạn
LÊ HẢI KIÊN

16


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

Thực nghiệm xác định được đường cong lắng gián đoạn. Hàm lượng pha rắn
ban đầu 0 đã biết, biết được chiều cao lắng ban đầu L sẽ xác định được các thông
số cho tương ứng với bất kỳ một hàm lượng pha rắn k nào từ đồ thị.
Để xác định được k và  I k  một đường tiếp tuyến được vẽ tại một điểm
P  zk , tk  bất kỳ trên đường cong lắng gián đoạn, đường thẳng này cắt trục tung tại
Z , cắt trục hồnh tại T . Khi đó:

k  0

L
;
Z

(1.14)

 I k   vS k   

Z
T

(1.15)

Từ công thức (1.14), ta xác định được hàm lượng pha rắn trong dòng tháo đáy:
D  0

L
ZD

(1.16)

Thay thế phương trình (1.14), (1.15) và (1.16) vào phương trình (1.12) của Coe
và Clevenger, ta được:
AU 0 

1

 S0 L

max

T  Z  ZD 

k

Z

(1.17)

Trong đó:
 S là khối lượng riêng của pha rắn.
Z D là giao điểm đường tiếp tuyến tại điểm P  zD , tD  với trục hoành

LÊ HẢI KIÊN

17


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

Chiều cao lắng z

Thời gian lắng t
Hình 1.8: Phương pháp thiết kế dựa trên lý thuyết gián đoạn Kynch

1.2.4. Phƣơng pháp của Talmage và Fitch
Chiều cao lắng z

Thời gian lắng t
Hình 1.9: Phương pháp thiết kế của Talmage và Fitch

Phương pháp này được đưa ra năm 1955 dựa trên lý thuyết lắng gián đoạn của
Kynch [11]. Vận tốc lắng của huyền phù tại hàm lượng pha rắn k có thể được mơ
tả bởi cơng thức:
 I k  

LÊ HẢI KIÊN

Z Z  ZD

T
tu

(1.18)

18


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

Thay công thức (1.18) này vào công thức (1.17) ta được:
AU 0 

1

 S0 L

max  tu 

(1.19)

Từ hình 1.9 ta có thể thấy rằng giá trị lớn nhất của tu đạt được khi tu trùng với
tk . Gọi giá trị này là tU :
AU 0 

tU

 S0 L

(1.20)

Phương pháp của Talmage và Fitch được tóm tắt theo 4 bước sau:
Bước 1: Thực nghiệm xác định đường cong lắng gián đoạn và thu được các giá
trị vận tốc lắng ban đầu  I bằng cách vẽ các đường tiếp tuyến tới đường cong lắng,
theo lý thuyết lắng gián đoạn của Kynch [13].
Bước 2: Xác định được chiều cao zD  0

L

D

.

Bước 3: Vẽ một đường thẳng trên đồ thị lắng song song với trục hoành và xác
định giao điểm với đường cong lắng. Điểm này xác định thời gian tU .
Bước 4: Tính tốn diện tích cơ sở theo phương trình (1.20).
Đây là phương pháp khá hữu hiệu và chính xác. Do đó, nó được phát triển để
tính tốn thiết bị lắng kiểu răng cào trong công nghiệp. Thông thường đường thẳng
này sẽ không cắt đường cong. Trong trường hợp này chúng ta sẽ xuất phát từ hàm
lượng tới hạn, vẽ đường tiếp tuyến qua điểm đó và sẽ cắt đường thẳng đó song song
với trục hoành và sẽ xác định được tU .
1.2.5. Phƣơng pháp của Oltmann
Do phương pháp Talmage và Fitch chỉ nhận được từ thiết bị có diện tích lớn
hơn so với thực nghiệm nên Fitch và Stevenson đề nghị phương pháp Oltmann năm
1976 bằng việc vẽ một đường thẳng từ điểm ( L, 0) đi qua điểm  zc , tc  và kéo dài

cắt đường thẳng  zD , 0  khi đó ta sẽ nhận được giá trị t0 và thay tu bằng t0 vào
phương trình (1.20) [12].

LÊ HẢI KIÊN

19


Nghiên cứu thực nghiệm và mơ hình hóa q trình làm việc của thiết bị lắng

1.2.6. Phƣơng pháp của Wilhelm và Naide
Giả thiết rằng vận tốc lắng của một huyền phù phụ thuộc vào hàm lượng pha
rắn theo công thức [11]:
vS    1    a b

(1.21)

Trong đó: a  LT 1  ; b được xác định bằng thực nghiệm.
Khi đó:
b 1

1  b 1 
b 1
UA 

 D
 S ab  b 

(1.22)

Phương pháp để thiết kế thiết bị theo phương pháp Wilhelm và Naide được tiến
hành như sau:
Bước 1: Tiến hành thực nghiệm lắng gián đoạn với huyền phù tại nồng độ ban
đầu giữa dòng nạp liệu và dòng xả pha rắn ban đầu biến thiên từ hàm lượng pha rắn
ban đầu là dòng nạp liệu và hàm lượng pha rắn của dòng tháo đáy và ghi lại các tốc
độ lắng ban đầu  I   .
Bước 2: Mặt khác, thực hiện một phép thử sa lắng ở nồng độ trung gian và thu
được tất cả các vận tốc lắng ban đầu bằng cách vẽ các tiếp tuyến tới đường cong
lắng, theo lý thuyết của Kynch [13].
Bước 3: Vẽ log  I    theo log   (Hình 1.10). Ước chừng đường cong bằng
cách vẽ 1 hoặc nhiều đường thẳng. Từ mỗi đường thẳng ta sẽ tính tốn được các
thơng số a và b trong phương trình (1.21) bằng đồ thị hoặc bằng hồi quy tuyến tính.
Bước 4: Sử dụng các giá trị a, b vừa nhận được để tính tốn đơn vị diện tích
theo phương trình (1.22).
Bước 5: Vẽ đường cong UA theo hàm lượng pha rắn tháo ra theo tỷ lệ logarit
(Hình 1.11)

LÊ HẢI KIÊN

20