CHƯƠNG 12 MÁY LY TÂM KHÁI NIỆM Quá trình phân ly dựa vào lực ly tâm để phân riêng hỗn hợp thành pha riêng biệt gọi trình ly tâm Công cụ để thực trình gọi máy ly tâm Như hai chương 10 11 nói rõ nguyên lý lắng ly tâm lọc ly tâm Hai trình khác cấu tạo rotor mà Nghĩa vách thành máy lọc ly tâm tạo vô số lỗ nhỏ đường kính từ vài đến milimét, máy lắng ly tâm không tạo lỗ Trường lực ly tâm đánh giá yếu tố ly tâm Xem công thức (10 – 27) K lt = ω2 R (2πn )2  R + R  =   g g   R = − β R ; m H β = h ; hệ số chứa đầy; % Ht (12 -1) Hh, Ht: chiều cao chứa huyền phù rotor; m Hình (H12.1) mô tả nguyên tắc rotor máy ly tâm • Áp suất ly tâm: luc ly tam m h ω2 R N = ; m2 A A m h = ρ h Vh : khối lượng huyền phù; kg ∆P = ρh: Khối lượng riêng huyền phù; kg/m3 172 (12 – 2) Vh: Thể tích huyền phù; m3 A = π.D1.H t : Diện tích bề mặt phân riêng; m2 ∆P = Vậy ρ h Vh ω2 R N g ; m2 2πR1.H t g (12 – 3) = Áp suất thủy tĩnh Klt Rõ ràng áp suất ly tâm lớn Klt lần áp suất thuỷ tĩnh • Áp suất lọc ly tâm thường tính theo: ( ) ∆P = ρ h n 20 R 12 − R 02 ; N m2 (12 – 4) • Vận tốc lắng môi trường ly tâm xác định theo - Lắng vùng Stock: Re = Ar K lt 18  Ar  1, - Vùng độ Alen: Re =  K lt   13,9   Ar K lt   0,33  - Vùng rối Newton – Rittinger: Re =  - Từ suy v ly tam = - 2 Re µ = v ℓ K lt d.ρ (12 – 5) Xét mối quan hệ vận tốc ly tâm, thời gian ly tâm suất máy ly tâm sau: o Vận tốc ly tâm v ly tam max = o Thời gian ly tâm t ly tam = d (ρ r − ρ) ω2 R m g ; s 18µ g 18µ ω d (ρ r − ρ) 2 ln R1 ;s R0 (12 – 6) (12 – 7) Muốn suất cao vận tốc lắng phải lớn thời gian phải nhanh, - Kích thước pha rắn lớn tốt - Hiệu khối lượng riêng (ρr - ρ) lớn tốt - Số vòng quay cao tốt - Bán kính thùng quay (rotor) lớn tốt - Độ nhớt nhỏ tốt PHÂN LOẠI VÀ TÊN GỌI MÁY LY TÂM 173 - Có nhiều cách phân loại sau: Theo trình phân ly: máy lắng ly tâm, máy lọc ly tâm Theo phương thức làm việc: máy ly tâm gián đoạn, liên tục Theo chế tháo bã: máy ly tâm tháo bã tay, máy ly tâm tháo bã dao, máy ly tâm tháo bã piston, máy ly tâm tháo bã vít tải Theo kết cấu: máy ly tâm ba chân, máy ly tâm treo, máy ly tâm đứng, máy ly tâm nằm ngang Theo yếu tố ly tâm • Khi Klt < 3000: máy ly tâm thường • Khi Klt > 3000: máy ly tâm siêu tốc MÁY LY TÂM THƯỜNG Là hệ số Klt < 3000 ta thường gặp sản xuất đời sống máy giặt, máy ly tâm đường kết tinh v.v 3.1 Máy ly tâm ba chân tháo bã thủ công (bằng tay) Hình (H12.2) mô tả máy ly tâm ba chân tháo bã thủ công tay, loại phổ biến nhất, sử dụng rộng rãi hầu hết xí nghiệp Trục nối với động trực tiếp dây curoa Khi động quay rotor quay theo trình phân ly xảy Toàn máy ly tâm định vị ba chân nên gọi máy ly tâm ba chân Còn bã lấy phương pháp thủ công, thường tay, nên gọi máy ly tâm ba chân tháo bã tay 3.2 Máy ly tâm treo Hình (H12.3) mô tả máy ly tâm treo, loại có trục truyền động phía trên, phía gắn với rotor Nhập liệu từ trên, bã lấy liên tục phía rotor Ưu 174 điểm loại làm việc liên tục nên suất cao, dùng nhiều xí nghiệp sản xuất đường kết tinh 3.3 Máy ly tâm tháo bã dao Loại rotor thường nằm ngang Hình (H12.4) mô tả máy ly tâm tháo bã dao Nhập liệu theo đường số 7, vào rotor xảy trình phân ly, nước lọc chảy xuyên qua rotor tập trung vỏ lấy tập trung theo ống Còn bã dao liên tục cạo lấy Loại suất lớn, vệ sinh công nghiệp dễ, ứng dụng nhiều xí nghiệp sản xuất hóa chất Tính suất theo lượng huyền phù 175 Q = 2πR H t v lt η; Trong 3.4 m3 s (12 – 8) R0: bán kính lớp mặt thoáng huyền phù; m Ht: chiều dài (chiều cao) rotor; m vlt: vận tốc lắng ly tâm, dẫn η = (0,4 ÷ 0,5): hiệu suất ly tâm Máy ly tâm tháo bã piston Xem hình (H12 – 5) mô tả máy ly tâm tháo bã tự động chế piston Nguyên lý hoạt động: Nhập liệu theo ống 10, rotor quay trình phân ly xảy ra, nước lọc theo liên tục thoát ra, bã bị cần gạt đNy bã liên tục đNy theo số 9, toàn chi tiết liên quan đến rotor quay nhờ nối với động theo số Còn piston hoạt động nhờ có chế điều chỉnh thủy lực sau: tăng áp (b) hạ áp (d) piston chuyển động, hệ chuyển động hướng sang phải đNy bã ngoài, tăng áp (c) hạ áp (a) cần đNy bã chuyển động chiều ngược lại Đây loại máy lọc đại, hoạt động liên tục, suất lớn Năng suất tính theo công thức sau biến đổi: m3 Q = 25,3.H t R 02 v ℓ n η.K ' ; h Trong Ht: chiều dài rotor; m R0: bán kính mặt thoáng huyền phù rotor; m vℓ: vận tốc lắng trọng lực, dẫn; m/s n: số vòng quay rotor; vòng/phút η = (0,4 ÷ 0,5): hiệu suất ly tâm K’: hiệu suất tính theo thời gian lọc 176 (12 – 9) 3.5 Tính công suất máy ly tâm thường Tính toán công suất máy ly tâm thường, ta chọn giá trị lớn ba giá trị sau: - Công suất mở máy: N M = N R + N1 + N ; kW (12 – 10) - Công suất nhập liệu: N nl = N h + N1 + N ; kW (12 – 11) - Công suất tháo bã: N tb = N b + N1 + N ; kW (12 – 12) Trong cụ thể là: m R v 2R ; kW: công suất tiêu hao để quay rotor NR = 2000.t Với mR: khối lượng rotor; kg vr = 2πnR; v/s : vận tốc vòng rotor R: bán kính rotor; m t: thời gian khởi động máy; s (12 – 13) Vh.ρ.v 2r K Nh = ; kW : công suất cung cấp cho huyền phù quay (12 – 14) 2000 Với Với Vh: lượng huyền phù nhập vào rotor; m3/s ρh: khối lượng riêng huyền phù; kg/m3 vr: vận tốc vòng rotor; dẫn; v/s K = (1,1 ÷ 1,2): hệ số thực nghiệm 14.ω3 H t R 12 ρ k N1 = ; kW 10 (Nl: công suất thắng lực ma sát rotor không khí) ω: vận tốc góc rotor, dẫn Ht: chiều dài rotor; m R1: bán kính rotor; m ρk: khối lượng riêng không khí; kg/m3 N2 = f ΣM.ω.g ; kW : công suất thắng ma sát ổ bi 1000 f = (0,01 ÷ 0,1) hệ số ma sát học ổ bi ΣM: Tổng khối lượng gồm rotor vật liệu; kg ω: vận tốc góc rotor, dẫn Với công suất tiêu hao để tháo bã phụ thuộc vào cấu tạo máy ly tâm • Công suất tính cho máy ly tâm tháo bã dao 2π.Fc ℓ.R1 (R1 − R b ); kW N bdao = 1000.t b (12 – 15) (12 – 16) Với: Với Fc: lực cạo bã riêng; N/m2 177 (12 – 17) ℓ: chiều dài dao cạo bã; m R1: bán kính rotor; m Rb: bán kính lớp bã; m tb: thời gian cạo bã; s • Công suất cho máy ly tâm cạo bã piston Nb = Với Vb ρ b ω2 R 1.f S.(1 − t1 ).n p S' 1000 ; kW (12-18) Vb: thể tích bã chứa rotor; m3 ρb: khối lượng riêng bã; kg/m3 ω: vận tốc góc rotor, dẫn R1: bán kính rotor; m f: hệ số ma sát bã rotor S = (0,04 ÷ 0,05): hành trình chuyển động piston;m t1: tỉ lệ thời gian hành trình có tải không tải np: vòng quay piston (chu kỳ); v/s S’ = (0,7 ÷ 1) hệ số bã bị nén MÁY LY TÂM SIÊU TỐC Khi yếu tố ly tâm Klt > 3000 gọi ly tâm siêu tốc Loại máy dùng để phân riêng hệ huyền phù siêu mịn, hệ keo hệ nhũ tương Máy hoạt động theo nguyên tắc “lắng ly tâm” Ngày máy ly tâm siêu tốc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như: - Ứng dụng để “làm trong” dầu cá công nghiệp sản xuất dược phNm - Trong công nghiệp thực phNm dùng để làm sạch, khử nước tNy trắng mỡ động vật - Trong công nghiệp sản xuất rượu bia dùng để “làm trong” sản phNm lên men vừa đủ - Dùng để tách men khỏi môi trường sau lên men công nghệ sản xuất men vi sinh - Trong công nghiệp hóa học dùng để tách enzim trình sinh hóa - Trong ngành máu huyết học dùng để tách lượng nước lẫn máu - Đặc biệt ứng dụng nhiều ngành công nghiệp chế biến sữa dùng để tách sữa bò thu hoạch thành váng sữa sữa không béo Động lực lắng môi trường siêu tốc tăng hành trình chuyển động dòng hỗn hợp rotor, qua chúng xảy va đập nhờ va đập môi trường có Klt 178 cao mà chúng hình thành hạt (gọi pha nặng) có kích thước khối lượng hạt lớn gấp (3 ÷ 5) lần kích thước ban đầu Và hạt lớn dễ phân pha Có loại máy ly tâm siêu tốc (gọi tắt máy phân ly) gồm có: máy phân ly loại ống, loại ngăn, loại đĩa, ứng dụng nhiều máy phân ly loại đĩa 4.1 Máy phân ly loại ống Hình (H12.6) mô tả nguyên lý làm việc máy phân ly loại ống Nguyên lý hoạt động: Dòng hỗn hợp nhập từ ống trung tâm vào ống phân ly, môi trường Klt cao chúng phân chia thành hai pha nặng nhẹ thoát theo hai dòng khác Gọi R1: bán kính lớn ống phân ly; m R12: bán kính bề mặt phân pha nặng, nhẹ; m R2: bán kính mặt thoáng hỗn hợp; m Tính bề mặt phân pha: ( R 12 = R 12 − (1 − y nh ) R 12 − R 22 )ρρ h nh Trong ynh: nồng độ pha nhẹ; % ρh: khối lượng riêng hỗn hợp; kg/m3 ρnh: khối lượng riêng pha nhẹ; kg/m3 179 ;m (12 – 19) 4.2 Máy phân ly loại ngăn Hình (H12.7) mô tả nguyên lý làm việc máy phân ly loại ngăn Nguyên lý hoạt động: Nhập liệu từ ống tâm, hỗn hợp chuyển động từ ngăn có R5 sang R4, R3,… đồng thời trình phân ly xảy ra, pha nặng chuyển phía thân rotor thoát theo đường dẫn pha nặng, pha nhẹ có xu hướng chuyển chiều ngược lại phía tâm theo đường dẫn pha nhẹ Số lượng ngăn không giới hạn, hình (12.7) ta thấy có năm ngăn, gọi R0 bán kính lớp mặt thoáng hỗn hợp Năng suất máy phân ly loại ngăn xác định theo: 2π.H t ω2 vl  R13 − R 32 R 33 − R 34 R 35 − R 30  m Q= + +  ; s 3g  R1 − R R − R R − R  180 (12 – 20) 4.3 Máy phân ly loại đĩa Là loại máy cho hiệu phân ly cao ba máy phân ly Lavan tìm vào cuối kỷ 19, ngày máy Lavan ứng dụng rộng rãi Hình (H12.8) mô tả máy phân ly loại đĩa Lavan Về nguyên tắc va đập môi trường Klt cao hai đĩa, kết tạo nên hai dòng, dòng pha nặng theo ống dẫn pha nặng ngoài, dòng pha nhẹ luôn chuyển vào hướng tâm theo ống dẫn Hình (H12 9a) mô tả quỹ đạo dòng hỗn hợp nhập liệu theo rãnh đĩa nón, hình (H12.9b) nhập liệu từ mép đĩa • Tính thông số máy phân ly loại đĩa - Cấu trúc đĩa, xem hình (H12.10) 181 - Khoảng cách hai đĩa theo phương đứng hđ ( Trong - ) Q tan α R13 − R 32 h d = 0,96 Z ;m R14 n Q: suất máy phân ly; m3/s Z: số đĩa rotor α: góc nghiên đĩa (45 ÷ 60)0 n: số vòng quay rotor; v/s Vận tốc dòng chảy rãnh đĩa vđ xác định theo Q vd = ;m /s 2πR h đ Z R3: bán kính từ tâm lỗ rãnh; m Z: số rãnh đĩa rotor, dẫn hđ: khoảng cách hai đĩa, dẫn; m Q: suất, dẫn; m3/s - Chế độ thủy động lực rotor v d Re = d e υ Trong đó: vđ: dẫn – xem (12 – 22) de: đường kính tương đương rãnh đĩa; m υ: độ nhớt động học hỗn hợp; m/s - Năng suất máy phân ly: (12 – 21) (12 – 22) Trong Q = K Trong ( ) π (ρ − ρ1 ) m3 Z.ω2 R13 − R 32 d 2pt tan α; 2π µ s K: hệ số khác biệt lý thuyết thực tế (0,7 ÷ 0,9) ρ2: khối lượng riêng pha nặng; kg/m3 ρ1: khối lượng riêng pha nhẹ; kg/m3 182 (12 – 23) (12 – 24) dpt: kích thước phân tử hỗn hợp; m µ: độ nhớt động lực pha nhẹ; Pa.S Hình (H12.11) biểu diễn máy phân ly Lavan loại đĩa Kết luận Muốn chọn máy lọc ly tâm hay máy phân ly phải dựa vào kích thước ban đầu pha phân tán, tham khảo bảng 12.1 Bảng 12.1 Kích thước hạt pha phân tán (mm) 10 10 10-1 10-3 10-5 10-6 Huyền phù Huyền phù trung Huyền phù Huyền phù Keo thô bình mịn siêu mịn MÁY LỌC MÁY LỌC, LẮNG MÁY PHÂN LY 183 4.4 Tính công suất máy phân ly Về tính thoe công thức (12 – 13), (12 – 14), (12 – 15) (12 – 16), khác tính tổng công suất thành phần cộng lại tức là: Nfly= NR + Nh + N1 + N2; kW (12 – 25) 184 BÀI TẬP Bài 1: Dùng máy ly tâm để lắng huyền phù hydroxit mangan nước 30 0C Đường kính bé hạt d = 3µm, ρr = 2525 kg/m3, rotor ly tâm có đường kính D1 = 800 mm, chiều cao Ht = 400mm, quay với số vòng quay n = 1200 v/p Biết chu kỳ làm việc 20 phút, thời gian phụ phút, hiệu suất ly tâm 50% đường kính vành chặn D0 = 570mm Tính suất máy ly tâm Bài giải Năng suất máy ly tâm tính theo công thức (12 – 9) m3 Q = 25,3.H t R 02 v l n η.K ' ; (1) h Vì đường kính hạt 3µm < 100 µm nên dùng công thức lắng Stock d (ρ r − ρ) (3.10 − ) (2525 − 1000 ).10 m vl = = = 0,935.10 − − 18µ s 18.0,8.10 Nước 30 0C tra TL[7] có µ = 0,8cP Tính vận tốc lắng ly tâm:  2.3,14.1200    60   (0,400 + 0,285) = 5.10 − m − v lt = v ℓ K lt = 0,935.10 10 s Kiểm tra chế độ lắng: Re = 5.10 − 3.3.10 − 6.103 0,8.10 −3 Tính hiệu suất theo thời gian hoạt động: K ' = = 1,87.10 − < 0,2 Thỏa 18 = 0,9 20 Thế vào (1): Q = 25,3.0,4.0,2852.0,935.10 − 5.1200 2.0,5.0,9 = 4,5 m3 h Đáp số: Q = 4,5 m3/h Bài Dùng máy ly tâm gián đoạn để lọc huyền phù MgCO3 nước nhiệt độ t = 30 C, biết thông số sau đây: - Đường kính rotor D1 = 0,6m, chiều cao Ht = 0,5m - Hệ số chứa đầy β = 0,5, nồng độ pha rắn Cm = 10% - ρr = 1750 kg/m3; ρnước = 1000 kg/m3; µ = 0,8 cP - Độ Nm bã Ub = 30%, độ nén bã S’ = 0,37 - Trở lực riêng bã theo thực nghiệm r’0 = 4,71.1012 m2 - Rvn = 0, trình lọc đẳng áp Tính số vòng quay n (v/p) rotor cho suất lọc đạt Q = 500 kg/h? 185 Bài giải • Xác định thông số rotor: πD12 3,14.0,6 H t = 0,5 = 0,1413 m 4 - Thể tích rotor: Vr = - Thể tích huyền phù chứa rotor: Vh = Vr β = 0,07065 m - Diện tích bề mặt lọc: A = πD1.H t = 3,14.0,6.0,5 = 0,942 m D Tính bán kính mặt thoáng huyền phù rotor: R = − β = 0,212 m • Áp dụng công thức (12 – 4) N ∆P = ρ h n 20 R12 − R 02 m2 ∆P Suy ra: n = (1) v/s ρ h 20 R12 − R 02 - ( ) ( ) • Xác định thông số công nghệ lọc ρ.C m  m −   = 0,116 ; Ở m = - X0 = = 1,43  + − Ub − mC m  ρ r ρ  - Lượng nước lọc: V = Vh 0,07065 = = 0,06328 ; m3/1mẻ huyền phù + X + 0,116 V 0,06328 m3 = = 0,0673 A 3,14.0,6.0,5 m2 Cm − Cm kg = + - Từ ⇒ ρ h = 1045 ρh ρr ρ m3 - Tính lượng huyền phù/mẻ: G h = ρ h Vh = 1045.0,07065 = 78,83 kg G 78,83 - Tính thời gian lọc: t = h = = 720s 500 Q 3600 • Từ phương trình lọc: q + 2Cq = K Rvn = ⇒ C = - q= Vậy: K = q2 2∆P 2∆P 2∆P1−S' = = = t µr0 X µ.r '0 ∆P S' X µr '0 X µ.r '0 X q 0,63 0,8.10 − 3.4,71.1012.0,116.0,0673 N = = 95791 2t 2.720 m2 • Cuối vào (1) để tính số vòng quay n: 95791 n= = 10,08 vòng/s 20.1045 0,32 − 0,212 Tính ∆P = 1− S' ( ) Đáp số: n = 604,8 vòng/phút 186 CÂU HỎI ÔN TẬP Khái niệm máy ly tâm? Phân loại tên gọi máy ly tâm? Máy ly tâm thường gì? Máy ly tâm siêu tốc gì? Cấu tạo nguyên lý máy ly tâm ba chân tháo bã thủ công? Cấu tạo nguyên lý máy ly tâm treo? Cấu tạo nguyên lý máy ly tâm tháo bã dao? Cấu tạo nguyên lý máy ly tâm tháo bã piston? Tính công suất máy ly tâm thường? Ứng dụng máy ly tâm siêu tốc? Máy phân ly? 10 Nêu cấu tạo nguyên lý máy phân ly loại ống? 11 Nêu cấu tạo nguyên lý máy phân ly loại ngăn? 12 Nêu cấu tạo nguyên lý máy phân ly loại đĩa? 13 Tính công suất máy phân ly? 187 ... máy phân ly Về tính thoe công thức (12 – 13), (12 – 14), (12 – 15) (12 – 16), khác tính tổng công suất thành phần cộng lại tức là: Nfly= NR + Nh + N1 + N2; kW (12 – 25) 184 BÀI TẬP Bài 1: Dùng máy... R1: bán kính lớn ống phân ly; m R12: bán kính bề mặt phân pha nặng, nhẹ; m R2: bán kính mặt thoáng hỗn hợp; m Tính bề mặt phân pha: ( R 12 = R 12 − (1 − y nh ) R 12 − R 22 )ρρ h nh Trong ynh: nồng... bán kính mặt thoáng huyền phù rotor: R = − β = 0, 212 m • Áp dụng công thức (12 – 4) N ∆P = ρ h n 20 R12 − R 02 m2 ∆P Suy ra: n = (1) v/s ρ h 20 R12 − R 02 - ( ) ( ) • Xác định thông số công nghệ