Câu 1(3): Trình bày chế độ thủy động và trở lực đối với hạt khi nó chuyển động trong môi trường lỏng.

Sự chuyển động của hạt, bọt, giọt trong môi trường lỏng là vấn đề rất lớn trong các quá trình công nghệ. Ở đó người ta phải giải quyết rất nhiều việc từ việc tạo ra các hạt, bọt, giọt có kích thước và mật độ nào đó cho đến sự chuyển động của chúng trong môi trường. Rồi các quá trình truyền nhiệt, truyền chất và thực hiện các phản ứng hóa học và sinh hóa. Các quá trình đó đều phụ thuộc vào sự tạo ra và tính chất của chuyển động của các phân tử đó trong môi trường.

1/ Sự chảy của chất lỏng bao quanh vật hình trụ và hình cầu:

Xét vật hình trụ:

uA = uD = 0  PA = PD = Pmax

uB = uC = umax

Chất lỏng không nhớt (lý tưởng  = 0) nên không có lực cản

 Gradubề mặt = 0.

Áp suất thủy tĩnh: tại A & D là lớn nhất. Tại B, C: động năng lớn nhất  áp suất thủy tĩnh là nhỏ nhất.

- Chất lỏng thực (  0): Sự phân bố áp suất ở nửa phía trước của mặt trụ cũng giống như đối với trường hợp chất lỏng không nhớt, nhưng khác là gần sát bề mặt hình thành lớp biên có độ dày tăng dần khi khoảng cách thay đổi từ A  B và A  C; áp suất giảm dần từ A  B và A  C,  vận tốc chất lỏng tăng dần theo hướng từ A  B và A  C. Như vậy chiều dày lớp biên theo hướng từ A  B và A  C sẽ mỏng dần đi. Ở phía sau của trụ, P tăng dần theo hướng từ B  D và C  D tương ứng u giảm dần và chiều dày lớp biên tăng dần. Khi đi từ B(C)  D: trong lớp biên xuất hiện lực áp suất thủy tĩnh, F đủ lớn sẽ giữ chất lỏng lại và sau đó khi áp suất thủy tĩnh lớn hơn  F đẩy chất lỏng theo chiều ngược lại. Hiện tượng này xảy ra trong lòng của lớp biên.

- Dòng chảy ngược sẽ tồn tại ở vùng lớp biên tách khỏi bề mặt. Hiện tượng tách lớp giới hạn tạo ra dòng chảy ngược làm tăng lực cản (tiêu tốn năng lượng của dòng chảy). Sự tách lớp giới hạn chỉ xảy ra khi u của dòng chảy vượt quá 1 giới hạn nào đó. Khi đó dòng chảy bao thường chảy rối, những xung nối truyền năng lượng cho lớp biên mạnh hơn. Cũng do hiện tượng đó, đến gần điểm D dòng chảy ngược sẽ làm chậm dần, đến D thì chấm dứt. Điều đó sẽ làm cho trở lực với hạt cầu khi dòng chảy rối rất mạnh sẽ giảm đi.

- Để xác định chế độ chất lỏng chảy bao hình trụ, hình cầu dùng biểu thức:

Re' = ; d: đường kính của hạt

+ Re' > 20: Bắt đầu có hiện tượng tách lớp giới hạn ra khỏi bề mặt ở phía sau mặt trụ hoặc cầu. Tăng hiện tượng xoáy ở phía sau.

+ 100< Re' < 200: thì sự bất ổn định ở phía sau dẫn đến sự tạo xoáy.

2/ Trở lực đối với chuyển động của hạt trong môi trường lỏng:

- Phương trình Nanil - Stock: Khi chất lỏng chảy tầng thì lực ma sát:

FC = 3..d.u

u: tốc độ dòng chất lỏng

d: đường kính mặt trụ hoặc cầu.

Phần ma sát thực sự: = 2..d.u. Còn lại lực cản là do nguyên nhân khác.

Lực cản đơn vị = Lực cản/(Tiết diện lớn nhất  phương chuyển động)

R = =  Lực cản đơn vị (N/m2)

Chuyển R về dạng không thứ nguyên:

Hệ số cản (hệ số trở lực) = hoặc CD = = 2 .

= = 12.(Re')-1

CD = 24.(Re')-1

Trong điều kiện chảy tầng, trở lực ma sát tỷ lệ nghịch với Re':

FC = ..u2 = CD..

Thực tế CD, biến thiên theo chế độ chảy các vùng như sau:

Vùng 1 (chảy tầng): 10-4 < Re < 0,2

= 12.(Re')-1

Vùng 2 (quá độ): Re' = 0,2  2000

Thể hiện trở lực 1 phần do tính nhớt, 1 phần không do tính nhớt.

= 12.(Re')-1 + 0,22

Vùng 3 (rối): Re' = 2000  2.105

Chế độ rối tăng (chất lỏng ở vùng Newton  trở lực được tính theo công thức Newton)  = 0,22.

Vùng 4: Khi Re'  2.105 thì lớp biên ở phía sau của hạt chuyển hoàn toàn thành chảy rối và được tách ra khỏi bề mặt. Hệ số trở lực = 0,05.

Câu 2: Trình bày về sự lắng các hạt không cầu.

Các hạt có hình dạng không cầu thì khi rơi trong môi trường có những điểm rất khác so với hạt không cầu. Các hạt cầu có tính đối xứng, khác hẳn với các hạt không cầu. Các hạt không cầu có tính định hướng phụ thuộc vào chế độ chảy (chế độ lắng khi rơi). Nếu như vậy cần phải xác định thiết diện cản đối với hạt rơi để có cơ sở tính trở lực

Trong quá trình lắng của hạt không cầu được chia làm 4 vùng.

* Khi lắng ở chế độ chảy tầng:

Hệ số trở lực có thể tính:

: Trở lực

d : đường kính của hình tròn tiết diện bằng tiết diện cản lớn nhất

Trong điều kiện này các hạt rơi có hình trụ sẽ rơi sao cho mặt trụ có chiều dày h song song với phương rơi, hạt hình kim cũng vậy  tiết diện cản đối với hạt là nhỏ nhất.

* Khi hạt rơi với tốc độ lớn hơn (hạt nặng hoặc không nặng lắm nhưng có  lớn)  lắng không ổn định. Trong quá trình lắng tiết diện hướng vào phương rơi có thể thay đổi (thay đổi sự định hướng)  không còn đúng như CT trên  thông thường trở lực lớn hơn FC tính theo CT trên.

* Hạt có kích thước lớn, lắng nhanh (trong chế độ rối)  luôn hướng đến trạng thái có mặt lớn nhất vuông góc với phương rơi  trở lực rất lớn  hạt lắng chậm lại. Hệ số trở lực phụ thuộc vào hình dạng của vật.

VD: Với hạt cầu hay hạt hình thoi

Còn trở lực phụ thuộc vào hình dạng và kích thước tương đối của hạt, chủ yếu là các kích thước chi phối mặt vuông góc phương rơi.

VD: Tấm mỏng:

* Tốc độ lắng:

Do đặc điểm của các hạt không hình cầu, khi rơi phụ thuộc nhiều vào hình dạng và kích thước  Khi tính tốc độ lắng phải căn cứ vào tiết diện  với phương rơi để xác định kích thước hình học d' của hạt nhờ đó tính được chuẩn số Archimed, sau đó dùng các biểu thức quan hệ tính được Re'.

Dựa vào các công thức tính u lắng đối với hạt cầu  tính diện tích cản, thể tích và trọng lượng của hạt.

VD: Khi tính được d'  Scản =

 Vhạt = kd3; K = (hạt cầu)

- Khi 1 hạt dẹt diện tích mặt đối diện với phương rơi là 60 mm2, độ dày là 1mm, tốc độ tính toán & lý thuyết chênh nhau khoảng 0,304 m/s và 0,302 m/s.

- Khi hạt hình cầu có diện tích 600 mm2  tốc độ tính toán & lý thuyết là 0,304 m/s & 0,42 m/s.

Câu 4: Trình bày về sự chảy của lớp chất lỏng qua lớp vật liệu xốp. (Khái niệm, phương trình tính tốc độ dòng).

Trong quá trình tự nhiên và kĩ thuật, chúng ta gặp vô số các hiện tượng dòng chảy qua lớp hạt hay lớp xốp. Từ những quá trình chảy của chất lỏng sạch, các huyền phù đến quá trình thấm nước mưa và các chất độc ... trên mặt đất. Bài toán thấm có ý nghĩa rộng lớn trong cuộc sống. Ở đây chúng ta chỉ xét sự chảy của các chất lỏng sạch.

1/ Vài đặc trưng của lớp hạt:

* Độ xốp

Xét lớp hạt gồm n hạt cầu đồng nhất có đường kính dh.

Vh =

V0 = Vlớp =

Thể tích tự do: Vtd = V0 - Vh

= e : Độ xốp

e = = 1 -

* Đường kính tương đương:

dtđ = = (4.Thiết diện tự do)/(Chu vi thấm ướt của dòng chảy)

Giả sử tốc độ dòng chảy bên ngoài lớp là uc, bên trong lớp là u.

 = f.u (a)

Vtđ=f.H, V= 

= e =

Thay (b) vào (a) ta có: u =

Quan niệm chu vi thấm ướt là chu vi của hình trụ bằng tổng bề mặt tự do của các hạt (bề mặt hạt tiếp xúc với chất lỏng). Đối với hạt cầu đó là tổng bề mặt cầu trừ đi tổng các điểm tì lên nhau (có thể bỏ qua các điểm tì đó).

 Bề mặt tự do: S = n. = =

Thay vào biểu thức (*)  dtđ = (hạt cầu)

Với hạt không cầu cho kết quả khác.

Tổng quát: dtđ =  (: hệ số hình dạng)

* Bề mặt riêng của khối hạt cầu với giả thiết diện tích các điểm tì không đáng kể.

a1 = m2/m3 (hạt riêng)

akhối = a1(1-e) = (1-e)

(VD: Khối hạt hình cầu: Độ xốp = 948 m2/m3)

2/ Các phương trình về dòng chảy qua lớp xốp

a/ Định luật Darcy và hệ số thấm

Năm 1930 làm thí nghiệm: cho chảy qua lớp cát

uc = = K.

Sau này: uc = B. phụ thuộc vào tính chất bề mặt hạt, cấu trúc hạt

K: hệ số tỷ lệ nghịch với độ nhớt

l: chiều dày lớp

B: chỉ số phụ thuộc cấu trúc của lớp được gọi là hệ số thấm hay độ thấm, được xác định = thực nghiệm

b/ Phương trình Kozeny - Carmany (Câu 8):

Kozeny quan niệm chảy tan qua lớp xốp là qua mao quản và lớp hạt cầu đồng nhất, dựa trên việc tính trở lực của lớp hạt  tính được tốc độ chảy qua.

U1 = (a)

dm: đường kính tương đương mao quản

l: chiều dài mao quản

K': hệ số

U1: tốc độ thật của chất lỏng trong lớp hạt.

Gọi thiết diện của lớp hạt f =

 e.f.U1 = UC.f

dm = =

SB: diện tích của mặt, SB = (1-e).S (S: diện tích 1 hạt cầu)

Nếu lớp hạt gồm những hạt cầu

dm =

l = .H : độ quanh co

H: chiều cao của lớp hạt

 UC = (2) (Phương trình Kozeny)

K'' = K'.

K'': hệ số Kozeny

K'' = K0.2

K0: đặc trưng hình dạng thiết diện của pore.

Tròn: K0= 5

Vuông K0 = 2,65

K'' = 4,8  0,3

 Thực nghiệm lấy K'' = 5

Phương trình có hạn chế: nghiên cứu trên lớp hạt hình cầu, đường kính không đổi.

So phương trình Kozeny với định luật Darcy ta có biểu thức của hệ số thấm:

B =  Ảnh hưởng của cấu trúc chủ yếu là độ xốp trung bình của hạt lên độ thấm B.

Câu 5: Đặc điểm chuyển động của giọt và bọt trong môi trường (lỏng & khí) và trở lực đối với chúng.

1/ Xét các quá trình bọt chuyển động trong môi trường lỏng, giọt chuyển động trong môi trường lỏng hoặc khí. Nhìn chung bọt và giọt chuyển động trong môi trường có những điểm khác so với hạt rắn. Cụ thể, khi bọt nhỏ đường kính bọt giọt < 0,2 mm thì bọt và giọt thực tế có dạng hình cầu và chuyển động của chất lỏng bên trong bọt và giọt không ảnh hưởng đáng kể nên tính chất chuyển động giống hệt như hạt rắn, lực cản của môi trường trên bề mặt có thể tính theo biểu thức Stock:

F = 3...d.U (chảy tầng)

Khi đường kính lớn hơn, bọt bắt đầu có biến dạng.

* Khi db > 2 mm thì hạt có dạng ovan nên quỹ đạo chuyển động của giọt phụ thuộc chuyển động và tính chất của môi trường. VD: Khi bọt khí nổi lên trong H2O.

* Khi vật nổi lên & Re' < 10, về cơ bản vẫn tuân theo định luật Stock. Nhưng khi Re' tiếp tục tăng lên, quỹ đạo chuyển động là đường cong vòng vèo.

Các bọt và giọt lớn trong quá trình chuyển động đều bị biến dạng vì khi chuyển động nổi lên thì nó chịu 3 lực cơ bản:

+ Lực áp suất thủy tĩnh (ngược hướng chuyển động) làm xẹp bọt.

+ Lực ma sát ngược chiều chuyển động kéo bọt dài ra.

+ Lực căng bề mặt có khuynh hướng kéo bọt co lại.

Sự cân bằng của các lực đó cùng với lực căng bề mặt tạo nên sự biến dạng, cùng với sự biến dạng đó còn là sự thay đổi hướng chuyển động.

Kết quả làm cho bọt lớn có d > 2mm có hình elipsolid (Fms chiếm ưu thế).

* Khi db > 10 mm các bọt dẹt, hình thấu kính (lực áp suất thủy tĩnh chiếm ưu thế). Khi db lớn, Re' > 1000 (chảy rối) bọt có dạng hình nón.

Các bọt càng lớn hình dạng và quỹ đạo của nó càng không ổn định. Nó dễ dàng vỡ ra thành các bọt nhỏ hơn hoặc chập các bọt lại trong quá trình tương tác, làm thay đổi bề mặt riêng, tốc độ lắng xuống hoặc nổi lên  trạng thái bọt phụ thuộc vào kích thước bọt.

2. Trở lực đối với bọt và giọt khi chuyển động trong môi trường.

Trở lực đối với bọt và giọt khác so với trở lực đối với hạt rắn, là do chuyển động nội tại trong bọt. giọt, chuyển động đó làm thay đổi gradien vận tốc. Mức độ giảm của quy định trở lực đối với bọt, giọt.

Khi các bọt có db < 0,2 mm, trong bọt không có đối lưu  lực cản trong bọt, giọt bằng lực cản của các hạt rắn.

FC = CD.S. CD = 24.Re'-1

Khi các bọt có db > 0,2 mm sự tuần hoàn của chất khí hoặc lỏng trong bọt, giọt là đáng kể. Điều đó làm thay đổi gradien vận tốc trên bề mặt tiếp xúc pha nên làm giảm trở lực. Nhờ đó mà vận tốc lắng (rơi) của bọt (giọt) trong môi trường chủ yếu là lớn lên.

Vận tốc của bọt và giọt: U= U0.Q

Trong đó:

: độ nhớt của môi trường.

h: độ nhớt chất lỏng hay khí nằm trong bọt và giọt.

Khi lớn thì Q  1. vậy hạt rơi trong môi trường khí  vận tốc phụ thuộc khí.

Khi nhỏ thì Q  1,5  Uhạt > 1,5Utính theo công thức

Chuyển động có gia tốc trong thiết bị làm sạch (xyclon, máy li tâm, trường lọc điện)

Vận tốc chuyển động của hạt trong môi trường liên quan đến quá trình truyền chất và truyền nhiệt trong môi trường đó.

Câu 6: Trình bày các chế độ thủy động lực trong tháp đệm và trở lực đối với dòng khí. Về việc xác định tốc độ giới hạn, tốc độ làm việc.

1/ Chế độ thủy động lực và trở lực đối với dòng khí trong tháp đệm:

- Ở tháp đệm khô: Trở lực cũng tương tự như lớp hạt rắn khác. Nhưng nó không phù hợp hoàn toàn với công thức tính trở lực đã nêu đối với lớp hạt.

Ở chế độ chảy tầng:

P = . . (Trong thực nghiệm (P) ~ u1,8)

Các công thức tính trở lực lớp đệm phụ thuộc vào chuẩn số Re.

Khi chế độ chảy tầng kết thúc trong điều kiện ReK < 15  40.

Khi ReK = 2000  6000  chế độ chảy rối bắt đầu.

Trong tháp đệm làm việc chủ yếu ở ReK = 40  2000

Rekhí =

Khi Re < 40 thì

Re > 40 thì

- Khi có pha lỏng (tháp đệm ướt): Nhìn chung chất lỏng sẽ làm giảm thiết diện của dòng khí và làm thay đổi tính chất của trở lực  Trở lực phụ thuộc Rekhí và Relỏng.

Relỏng =

u: mật độ tưới, m3/m2

a: Bề mặt riêng của đệm.

u = m3/m2s

Do ảnh hưởng của dòng chất lỏng thấm ướt bề mặt đệm làm giảm bề mặt tự do, tăng vận tốc khí  Trở lực tăng lên. Mật độ tưới càng lớn, trở lực càng tăng.

Xét đồ thị của quan hệ lg(-P) - lguC.

AB: chế độ màng.

Đến điểm B lực cản của chất lỏng với dòng khí đủ lớn  hãm chất lỏng lại. Điểm B là điểm hãm. Điểm B làm chất lỏng tích tụ lại làm tăng chiều dày màng chất lỏng  tăng chuyển động tương đối của pha khí và pha lỏng, làm cho trở lực tăng nhanh. BC: chế độ quá độ. Đến điểm C: chất lỏng tích lại rất lớn  pha liên tục, khí bị phân tán thành bọt  có hiện tượng đảo pha; điểm C được gọi là điểm đảo pha.

CD: chế độ nhũ tương, bọt gần như không phụ thuộc bề mặt đệm.

Khí đi lên làm rối loạn pha lỏng đi xuống (chất lỏng bị cuốn bởi dòng khí đi lên)  đến điểm D (điểm sặc).

Cần xác định điểm C là chủ yếu.

Sau điểm đảo pha V thì P ~ un (n = 2,5 và có thể đến 45 tùy theo từng loại đệm).

Trong trường hợp tháp đệm có chất lỏng

(-P)ướt = (-P)khô.

 =

C =

exp - 0,175

uc: tốc độ làm việc tính trên toàn tiết diện

uD: tốc độ đảo pha

2/ Tốc độ giới hạn của tháp đệm

Trong tháp đệm, người ta rất quan tâm đến vùng CD. Trong thực tế C, D rất gần nhau & rất khó phân biệt  có nhiều công trình nghiên cứu nhằm xác định điều kiện làm việc tốt nhất của tháp đệm về mặt động lực học.

Sherwood xây dựng quan hệ:

L: lưu lượng lỏng

G: lưu lượng khí

nước ở 200C.

SB = a bề mặt riêng của đệm (m2/m2)

g: gia tốc trọng trường

uk: tốc độ giới hạn (tốc độ ở điểm đảo pha).

* Chọn tốc độ là trong khoảng BC. Tháp đệm làm việc trong màng.

Rekhí = 1002000: Bắt đầu từ chế độ quá độ cho đến chế độ rối, chế độ rối tương đối thấp.

Câu 7: Khái niệm phân tán? Ảnh hưởng của chế độ thủy động đối với sự phân tán chất khí khi dòng mang chất đó chảy qua lớp đệm xốp.

1/ Khái niệm phân tán:

Khi dòng chảy qua lớp vật liệu hạt, nếu nồng độ của 1 chất tan ở các điểm trong lớp hạt khác nhau thì chất tan sẽ phân tán, truyền đi nhờ khuếch tán phân tử, khuếch tán đối lưu, phân tán  nhờ năng lượng cơ học của dòng chảy thực chất là đối lưu (do dòng chảy có hướng của dòng chất lỏng)  Sự phân tán có thể có ngay trong dòng chảy 1 pha trong các ống vì trong đó vận tốc tại các điểm khác nhau là khác nhau.

Một điểm có thể hợp lại từ nhiều hướng sau đó lại tán ra các hướng khác nhau, sự hợp và phân tán có vai trò quan trọng trong việc truyền chất từ nơi này đến nơi khác.

D: được phân ra thành:+ phân tán hướng trục DL

+ phân tán hướng kính DR

2/ Ảnh hưởng của chế độ thủy động đối với sự phân tán chất khí khi dòng mang chất đó chảy qua lớp đệm xốp:

Phân tán hướng kính và hướng trục

Để khảo sát thực nghiệm người ta khảo sát chuẩn số Pe với chuẩn số Re.

Pe =

Trong môi trường khí mà chuyển động chậm Re' < 1  Pe = K.Re'

 = K'' = 0,7 (theo thực nghiệm)

 Hệ số phân tán dọc trong chảy bao quanh  hệ số phân tán phân tử.

Khi Re' > 10 (rối)

DL = .UC. .Hệ số phân tán dọc tỷ lệ với UC, có vai trò lớn về giá trị trong việc phân tán chất.

+ Phân tán hướng kính DR cũng có 1 số tính chất như phân tán hướng trục

Trong chảy tầng DR = 0,7DL

Trong chảy rối DR << DL; = 5

* Trong môi trường lỏng:

Dòng đối lưu có ý nghĩa lớn trong việc khuếch tán chấn, hệ số phân tán phụ thuộc vào dòng chảy. Giá trị Pe gần như không đổi  DL (hệ số phân tán hướng trục trong lòng pha lỏng tỷ lệ với UC). Hệ số khuếch tán trong pha khí thường nhỏ hơn trong pha lỏng. Đánh giá cấu trúc hiệu suất của thiết bị  xét hệ số phân tán.

Câu 9: Trình bày nguyên tắc tạo lớp lỏng giả, lỏng giả riêng biệt, lỏng giả tổ hợp trong hệ lỏng - rắn? Vật liệu nào thuận lợi cho sự lỏng giả?

1. Nguyên tắc tạo lớp lỏng giả.

Cho 1 dòng chất lỏng chảy vào một lớp hạt.

+ Khi vận tốc dòng chảy lỏng còn nhỏ hạt đứng yên. Khi vận tốc đủ lớn, hạt bắt đầu nhúc nhích nên hạt bắt đầu có động năng và giải phóng hạt ra khỏi tương tác giữa các hạt nên tốn năng lượng bổ sung để chuyển sang trạng thái chuyển động.

+ Khi hạt chuyển sang trạng thái chuyển động có một lớp hạt chuyển động hỗn loạn giống như phân tử chất lỏng chuyển động nhiệt nên được gọi là lớp lỏng giả hay lớp hạt được lỏng hóa.

+ Khi vận tốc chất lỏng còn nhỏ nhìn chung sự phân bố hạt trong lớp là đồng đều. Nguời ta xem như lớp lỏng giả là một pha đồng nhất. Lớp lỏng giả như vậy được gọi là lớp lỏng giả đơn dạng hay lớp lỏng giả riêng biệt. Lớp lỏng giả riêng biệt là đặc điểm quan trọng nhất của lớp lỏng giả trong hệ lỏng - rắn.

+ Với hệ khí - rắn: Thổi dòng khí lên 1 lớp hạt. Khi tăng vận tốc đến một mức nào đấy phân bố hạt sẽ không đều nên xuất hiện vùng mật độ hạt thưa, ở đó tập trung chủ yếu là khí giống pha bọt, phần còn lại vẫn là pha liên tục (hạt dày đồng đều). Lớp tổng hợp như vậy gọi là lớp lỏng giả tổ hợp.

Nhìn chung khi Uc tăng lớp giãn rộng ra, gradient áp suất (p) sẽ có thay đổi.

Điểm A: Bắt đầu quá trình lỏng hóa.

Đoạn AB: cần 1 năng lượng để chuyển hạt từ trạng thái tĩnh sang động.

p.S = mh.g 

Khi có quá trình ngược lại, giảm dần Uc thì tại điểm C trở lực đi theo đường thẳng đến điểm A và khi giảm vận tốc xuống dưới A thì đứng yên. Nếu làm ngược lại ngay thì quá trình theo OACD.

Việc lỏng hóa lớp hạt trong kỹ thuật thường phức tạp là do kích thước của lớp hạt. Các hạt nhỏ thường có tương tác mạnh với nhau, mức độ tương tác phụ thuộc vào nhiều yếu tố (độ ẩm, bề mặt của hạt,...). Khi các hạt dính vào nhau khí vượt qua lớp hạt tạo rãnh mà không tạo lớp lỏng hóa được.

2. Vật liệu thuận lợi cho việc lỏng hóa:

Những vật liệu ở dạng hạt, có kích thước và khối lượng đồng đều, có bề mặt trơn và khô thì dễ lỏng hóa.

Câu 10: Trình bày về hệ lỏng - rắn.

1/ Sự dãn lớp (đơn dạng)

- Khi uc>umf (tốc độ lỏng hóa tối thiểu), lớp lỏng giả bắt đầu xuất hiện. Khi tăng uc (tốc độ tính trên toàn tiết diện), người ta nhận thấy uc và utrượt (tốc độ tương đương giữa chất lỏng và hạt; phụ thuộc vào độ giãn của lớp hạt) đặc trưng bởi độ lớn của phần rỗng e.

= en = (1-c)n

ui: tốc độ tương đương giữa hạt với dòng chất lỏng

c: nồng độ thể tích của pha rắn

n = 2,4  4,8, phụ thuộc vào chế độ chảy bao quanh hạt và được tính theo

dt: đường kính của thùng

ui: có thể xác định qua tốc độ lắng.

Đối với 1 lớp nhất định u không đổi trong suốt quá trình giản lớp đối với hạt cầu thép, d = 4,4 mm được lỏng hóa bằng nước.

Trong quá trình tốc độ tăng dần. e biến đổi theo biểu thức (1), n = const đặc trưng cho sự giãn đều. Đây là tính chất rất quan trọng của lớp lỏng hóa riêng biệt tức là trong quá trình tăng tốc độ, các hạt phân bố đều trong khối lỏng - rắn.

Từ tính chất này suy ra quan hệ:

= = en

 Tính được n trong điều kiện nghiên cứu tốc độ lắng.

Thực tế n cũng biến đổi theo Ar, cũng được xác định bởi thực nghiệm.

(1): Lỏng hóa ở chế độ chảy tầng.

(2): Lỏng hóa ở chế độ chảy rối.

Hệ lỏng-rắn trong quá trình giãn lớp vẫn bảo toàn tính đơn dạng.

2/ Lớp lỏng hóa không đơn dạng

Nghiên cứu thực tế trong nhiều trường hợp người ta thấy hệ lỏng - rắn trong nhiều trường hợp cũng đã xuất hiện những không gian mà mật độ hạt thưa (bọt). Nó chỉ xuất hiện trong hệ chứa các hạt nặng (kim loại) như tungsteng, chì.

= en

Chiều cao lớp càng lớn thì đường cong càng ra xa đường (1). Hiện tượng cong cũng xuất hiện khi có các hạt nhỏ ( hạt lớn) đường cong là do độ rỗng trung bình của lớp hạt nhỏ đi. Điều đó được giải thích với những hạt dày, trong lớp có thể tạo thành các kênh, ở đó chất lỏng chảy tập trung qua đó nhiều, theo qui luật: nơi nào trở lực nhỏ thì chất lỏng chảy qua đó nhiều. Đã có nhiều mô hình để tính toán phần rỗng tạo kênh hay phần thiết diện tự do các kênh chiếm.

3/ Sự tách riêng trong lớp hạt nhiều cỡ

Trong thực tế gặp nhiều trường hợp phải lỏng hóa các hạt không cùng cỡ. Sau khi lỏng hóa, dần dần hình thành phân lớp theo qui luật ở gần đáy (lưới phân phối) tập trung các hạt có kích thước lớn, độ rỗng e nhỏ nhất. Ở trên là phân lớp bao gồm các tập hợp hạt nhỏ dần, độ rỗng e tăng dần. Nếu phân bố hạt theo kích thước không liên tục (các nhóm hạt khác xa nhau về kích thước) thì các phân lớp ấy là tách biệt. Quá trình tách bọt là hậu quả của quá trình tuần hoàn.

Sự phân lớp hạn chế quá trình trộn lẫn. Khi tốc độ uc > 2umf  Quá trình phân lớp dễ xảy ra hiện tượng trộn của các lớp bị hạn chế. Như vậy khi phân bố hạt theo kích thước khá liên tục. Sự hình thành các phân lớp không rõ ràng, đồng thời sự khuấy trộn giữa các hạt có kích thước lớn và nhỏ sẽ tốt hơn. Điều đó làm cho lớp lỏng giả có độ rỗng ít biến đổi hơn.

4/ Sự trộn lẫn lỏng - rắn:

Như trên đã nói, trong lớp lỏng giả luôn có sự chồng chéo lên nhau. Sự tuần hoàn đó gây ra hiện tượng khuấy trộn dòng tức là sự biến thiên nồng độ do các dòng cơ học. Nhận thấy sự khuấy trộn dòng trong lớp lỏng giả quan trọng hơn hướng kính.

Ví dụ: Trong lớp lỏng giả, hệ số khuấy trộn dòng: D = 10-3  10-4 >Dkhí = 10-5  10-6, Dlỏng = 10-9  10-10 (m/s)

Trong lớp lỏng giả hiệu quả về mặt truyền chất khá đáng kể. Bản chất của sự khuấy trộn đối với pha lỏng là do sự chuyển động hỗn loạn của hạt phân tán trong lớp lỏng giả. Các hạt này không chuyển động với tốc độ như nhau của tốc độ toàn phương của nó có phân bố nhất định.

Điều đó chứng tỏ những quá trình truyền chất, truyền nhiệt cũng gắn liền với sự phân bố đó.

Câu 11: Trình bày về hệ khí - rắn.

1/ Vài đặc trưng của lớp:

Trong hệ lỏng giả khí - rắn: R >> K. Vì vậy quá trình tạo bọt diễn ra khá sớm. Tuy vậy thời điểm xuất hiện tạo bọt tùy thuộc vào kích thước, hình dạng,  và tính chất bề mặt của hạt.

Nếu gọi umb là vận tốc của dòng khí tương ứng với điểm ban đầu của quá trình tạo bọt; umf: vận tốc bắt đầu tạo rối thì > 1 và phụ thuộc miền tương đối rộng.

Với những hệ tốt cho quá trình tầng sôi = 2,8  3. Khi xuất hiện bọt thì  en

a/ Ảnh hưởng của vật liệu hạt

- Là ảnh hưởng quan trọng nhất vì nó quyết định khả năng lỏng hóa bằng khí.

Các hạt cầu và có dạng cầu dễ được lỏng hóa nhất, các hạt tương đối nhỏ và nhẹ dễ lỏng hóa hơn hạt to & nặng. Nhưng các hạt rất nhỏ có bề mặt dễ kết dính thì rất khó lỏng hóa. Muốn lỏng hóa được phải có các lực bổ sung.

- Có thể phân loại vật liệu theo tính chất lỏng hóa như sau:

+ Mức độ dãn lớp của lớp đơn dạng

+ Khi có bọt tốc độ của bọt so với tốc độ chất khí đi trong các khe giữa các hạt.

+ Mức độ tương tác. kết dính giữa các hạt được đưa ra thành 4 nhóm:

. Nhóm A: dh = 30  100 m và tương đối nhẹ (h < 1400 kg/m3).  Dễ lỏng hóa tạo ra lớp đơn dạng nằm trong miền dài (trên toàn khoảng của uc). Ví dụ: Phần lớn hạt tham gia xúc tác quá trình cracking.

. Nhóm B: dh = 100  800 m và tương đối nặng (h > 1600 kg/m3).  Tạo bọt rất sớm. Khi umb > umf  lập tức tạo bọt.

Tốc độ của bọt > tốc độ của khí và khe. Trường hợp này thường gặp khi vật liệu là cát.

Đây là nhóm hay gặp nhất: quá trình lỏng hóa các quặng tuyển nổi.

. Nhóm C: Hạt rất nhỏ, d < 20 m. Loại này dính nhẹ, rất khó lỏng hóa và dễ tạo rãnh, điển hình: bột silicagel  thích hợp với tầng sôi. Thường gặp trong các quá trình sinh tổng hợp, làm sạch, làm bột siêu mịn.

. Nhóm D: gồm các hạt lớn : d > 1 mm và nặng ( > 2000 kg/m3).

Đặc điểm: dễ tạo bọt, các bọt lớn có ubọt < ukhí  thích hợp với vòi rồng.

có khối lượng riêng lớn

VD: hạt quặng.

b/ Tác động của áp suất

- Khi lỏng hóa ở áp suất cao, K lớn lên, miền đơn dạng rộng ra, tăng lên, quá trình tạo ra lớp lỏng giả kéo dài theo u. Vì vậy trong quá trình thực tế khi áp suất tăng, lưu lượng V thay đổi (thường thì V không thay đổi). Lúc đó thiết diện của thiết bị sẽ nhỏ đi mà thời gian lưu không đổi  V không đổi  chiều cao lớp tăng lên.

- Khi nghiên cứu trong khoảng 1  16 , các loại hạt khác nhau nằm trong miền 0,3  1 mm để xem xét ảnh hưởng của P ta thấy umf nhỏ đi khi P tăng. Hạt có kích thước càng lớn, ảnh hưởng càng mạnh. Vì vậy trong tương quan như vậy ảnh hưởng đến sự tăng  khí là không đáng kể.

c/ Lớp nhọn

- Khi lớp hạt gồm hạt có kích thước phân bố rộng, để quá trình lỏng hóa tất nhiên sẽ có sự phân ly kích thước nếu như dùng lớp hình trụ. Nếu dùng lớp nhọn có thiết diện nhỏ nhất ở đáy, khi đó các hạt nhỏ có thể được đưa lên phía trên.

Khí đi từ dưới lên trên, P giảm dần do vượt qua trở lực, thiết diện ở trên rộng ra  P giảm làm cho uc ít biến đổi. Sự mở rộng tiết diện đến 1 lúc nào đó sẽ góp phần làm giảm sự tách hạt theo kích thước. Nếu h = 4000 kg/m3; P = 2 bar; h = 5m  P = 1 bar

d/ Vật cản trong lớp lỏng giả:

- Trong các thiết bị lỏng hóa, có thể có các chi tiết cản (nằm chắn ở trên lớp hạt) làm ảnh hưởng đến quá trình lỏng hóa và tính chất lớp lỏng giả. Các bề mặt chắn ngang  khử lỏng hóa. Các hạt bị va đập do mất năng lượng (Wđ) và rơi xuống. Hiện tượng các vật chắn ngang làm giảm hệ số truyền nhiệt giữa các hạt.

e/ Ảnh hưởng của tác động lay động

- Đối với nhiều hệ rắn khi lỏng hóa người ta có thể bổ sung các tác động cơ học khác.

VD: quá trình khuấy. Các máy khuấy này hạt chất lỏng lên khi quay, giúp cho quá trình lỏng hóa được dễ dàng, làm giảm umf. Đặc biệt quá trình này dễ dàng và đều hơn khi các hạt tương tác với nhau mạnh. Những tác động như vật kéo dài miền lỏng hóa đơn dạng, làm cho lớp lỏng giả đồng nhất trong miền dài hơn: = 2,8  18.

2/ Lỏng hóa lớp từ nhiều cỡ hạt

Khi lớp hạt có chứa nhiều hạt có kích thước khác nhau có những hiện tượng đáng chú ý:

- Các hạt nhỏ trong lớp có vai trò tích cực, nó linh động sớm và sẽ truyền động năng cho các hạt lớn hơn và kết quả làm cho quá trình lỏng hóa dễ dàng hơn, diễn ra ở umf nhỏ hơn.

Tuy vậy sự có mặt của các hạt nhỏ làm hẹp miền lỏng hóa đơn dạng ( nhỏ), tức tạo pha bọt sớm hơn.

- Các hạt nhỏ trong quá trình lỏng hóa bị tung lên phía trên sẽ bị cuốn đi. Sự cuốn hạt nhỏ trong 1 thời gian cũng ảnh hưởng đến chất lượng của lớp lỏng giả.

- Các lớp lỏng giả nói trên là lỏng hóa theo chiều thẳng đứng, hạt chỉ chịu ảnh hưởng đáng kể của trọng lực, dòng khí đi bên trong tiết diện đều, lớp đó được gọi là lớp tầng sôi. Người ta có thể thực hiện quá trình lỏng hóa không đều trên các lớp vòi rồng hoặc lỏng hóa trong trường hợp ly tâm. Lúc đó có thể giải quyết tính đồng đều của lớp hạt tốt hơn.

Câu 12: Điều kiện cần để tách bụi khỏi dòng khí nhờ quán tính. Trình bày 1 thiết bị loại này và chỉ ra những nhân tố ảnh hưởng lên hiệu suất tách.

Các hạt có động lượng . Các hạt có khuynh hướng tách ra khỏi dòng chịu tác dụng của lực F1 và FC.

F1 =

FC = CD.S.

: biến thiên vận tốc

Nếu F1 > FC  hạt có thể tách ra khỏi dòng đến bề mặt & lắng do quán tính.

Tách bụi khỏi dòng khí nhờ quán tính áp dụng cho các hạt lớn. Trong quá trình bọt nổi lên, do dòng khí tạo bọt vẫn tiếp tục đối lưu, khi đổi hướng các hạt bụi lớn có khả năng tách ra khỏi dòng.

* Cơ chế lắng do quán tính:

- Lực quán tính giữ vai trò chính trong việc lắng các hạt lớn mà chủ yếu với các hạt có kích thước d > 5 m.

- Hiệu suất lắng:

Thực tế khi tốc độ khí lớn (trong thiết bị ventury), hiệu suất lắng stk có thể lớn hơn do quán tính lớn và ảnh hưởng của tốc độ và của dòng rối rất mạnh.

* Thiết bị loại có ống loe:

- Hoạt động: Dòng khí đi từ trên xuống do ống loe, tốc độ khí giảm dần

Lực quán tính bắt đầu tạo ra cho các hạt bụi ngay trong đường ống, khi ra khỏi miệng ống có sự thay đổi hướng của dòng khí  Làm cho các hạt bụi được tách ra.

- Cấu tạo:

+ Gồm có ống loe ra để khí đi vào

+ Phòng thân hình trụ, đáy hình côn.

Câu 13: Thiết bị tách bụi nhờ quán tính.

Giả sử các hạt chuyển động trong dòng khí có đường kính d, có động lượng muh. Nhưng do động lượng của các phân tử khí rất nhỏ, các phần tử khí tự động cuốn theo.

Các hạt mà có khuynh hướng tách khỏi dòng chịu tác dụng của lực F1 và FC.

: Biến thiên vận tốc.

Nếu F1>FC thì hạt có thể tách khỏi dòng đến bề mặt thực hiện lắng do quán tính.

* Các thiết bị tách bụi nhờ quán tính: Các thiết bị tách bụi nhờ lực quán tính nhiều và đa dạng, hiện nay đang được cải thiện để tách các hạt rất nhỏ.

1/ Thiết bị loại có ống loe:

- Hoạt động: Dòng khí đi từ trên xuống do ống loe, tốc độ khí giảm dần

Lực quán tính bắt đầu tạo ra cho các hạt bụi ngay trong đường ống, khi ra khỏi miệng ống có sự thay đổi hướng của dòng khí  Làm cho các hạt bụi được tách ra.

- Cấu tạo:

+ Gồm có ống loe ra để khí đi vào

+ Phòng thân hình trụ, đáy hình côn.

2/ Thiết bị tách mù axit:

Thiết bị gồm 2 phòng:

- Phòng 1: Thực chất là thiết bị hấp thụ, vòi phun nước thành giọt nhỏ hấp thụ HCl tạo thành các giọt lỏng mù axit.

- Phòng 2: Dòng khí mang mù đi vào các ống hình trụ (mặt trụ được hình thành nhờ các tấm đủ dày, khe hở là những đường zigzag, khi đi qua các khe hở đó sẽ thay đổi hướng nhiều lần. Các hạt mù được lực quán tính đưa đến dính vào bề mặt. Khí đi ra khỏi được làm sạch.

Ưu điểm: Mức làm sạch của thiết bị rất cao (99,99%), làm sạch hàng nghìn m3/h.

Nhược điểm: Trở lực lớn 30  50 mH2O.

3/ Thiết bị tách bụi có dòng khí phụ.

Khí & bụi được phun từ trên xuống với vận tốc v = 14 m/s. Dòng khí phụ được phun ngang từ vành phun không khí cắt ngang dòng khí bụi. Làm bụi bắn ra khỏi dòng, còn khí sạch được quạt hút hút lên.

Ưu điểm: Trở lực nhỏ

Nhược điểm: Khó vận hành.

Câu 14: Trình bày về thủy động lực của quá trình tạo bọt và cơ chế giữ bụi trong quá trình làm sạch khí nhờ thiết bị sủi bọt.

1/ Thuỷ động lực của quá trình tạo bọt:

+xét về tạo ra các bọt, kích thước và chuyển động của bọt.

a/ Đường kính bọt phụ thuộc vào vận tốc khí và kích thước của lỗ, có thể xác định bằng chuẩn số Re theo pha khí:

Re0 =

Trong đó: vk: vận tốc khí qua lỗ.

dlỗ: đường kính tương đương của lỗ.

Khi Re0 = 200 thì đường kính của bọt được tạo ra:

Dbọt =

Nhận thấy:

- Khi Re0 > 200, tức là Re0 tăng lên do tăng vận tốc khí thì đường kính bọt cũng tăng lên.

- Khi Re0 > 2500 thì đường kính bọt không tăng lên nữa mặc dù tăng vk lên nữa, mà tạo ra nhiều bọt hơn.

- Trong miền Re0 = 2100  104db = 0,71. (đường kính trung bình của tập hợp bọt).

b/ chuyển động của bọt:

Đối với bọt, khi tốc độ nổi ub phụ thuộc chế độ chảy quanh bọt biểu thị qua Reb:

Reb =

- khi db < 0,2 mm thì dòng chảy bao quanh bọt khi nó nổi là dòng chảy tầng  FC tuân theo định luật Stock. Sự tuần hoàn bên trong không ảnh hưởng. Lúc đó bọt nổi như một hạt cầu.

- Đối với bọt có kích thước lớn hơn:

ub =

Do quỹ đạo thật không là đường thẳng (db lớn  nổi chậm nhưng chuyển động vẫn nhanh)

- Khi db = 0,2  0,3 mm (Reb > 700): Bọt có dạng Elipxoit có trục theo hướng chuyển động, chứng tỏ trở lực trong vùng tăng lên  chuyển động xoắn vòng  nổi chậm hơn. Trong 1 miền dài 700 < Reb < 4500, tốc độ của bọt hầu như không phụ thuộc đường kính (do đường kính lớn  bọt bị vuốt dài)

Tốc độ nâng bọt theo ảnh hưởng của sức căng bề mặt:

ub = = 0,25  0,3 m/s

Khi tăng kích thước khí  tốc độ nổi không đổi

Tiếp tục tăng lưu lượng khí  kích thước bọt lớn hơn  bọt chuyển sang dạng hình nón (trong trường hợp đĩa là đĩa rãnh).

Bề mạt bọt tăng lên khi tốc độ khí tăng lên. Sự tăng tốc độ khí  bề mặt riêng bọt tăng đến cực đại

a = 0,38.

n: số lỗ trên 1 m2 bề mặt.

amax = 800 m2/ m3.

Khi đạt đến bề mặt đó, đĩa làm việc ở chế độ rối  Re > 104.

Trong thực tế: bọt có nhiều cỡ và phân bố số bọt theo kích thước thường là phân bố Logarit chuẩn.

Bề mặt riêng không những quan hệ với sức căng bề mặt, dlỗ mà còn liên quan đến phần thể tích khí ở bên trong bọt. Do đó trong thực tế bề mặt riêng còn phụ thuộc chiều cao của lớp bọt.

2/ Cơ chế giữ bụi lên bọt trong qt làm sạch khí nhờ thiết bị sủi bọt.

- Khi khí sục vào trong lỏng tạo thành bọt, bọt nổi lên. Trong lòng bọt, khí tiếp tục tạo nên sự tuần hoàn, nhất là bọt có kích thước > 0,1 mm. Sự tuần hoàn làm cho hạt bụi lắng lên bệ mặt bọt do các nguyên nhân:

+ Lực li tâm:

Flt = mh .

v = 1,5.vb.sin.

vb: Tốc độ nổi lên của bọt.

: Góc của những vị trí của hạt bụi đối với phương nằm ngang.

Hiệu quả lắng do lực li tâm khi bọt nổi lên 1 cm:

Ih = 3..vb .p .n.db với n: số hạt trong 1 cm3

p = (tốc độ lắng do trọng lực).

+ Hiệu suất lắng do quán tính:

 = . (ck: hệ số Cuninghem).

+ Hiệu suất lắng do trọng lực:

g =

Nhìn chung hạt còn lắng trong bọt nhờ khuếch tán. Cơ chế khuếch tán giữ vai trò quan trọng khi db < 0,1 mm.

Phổ biến có hạt với dh= 0,2  1 m. tốc độ nổi bọt 0,2  0,28 m/s nên hiệu suất lắng chủ yếu do quán tính và trọng lực.

Sự tách hạt bằng khuếch tán trong quá trình sủi bọt có ý nghĩa rất lớn với các hạt có kích thước nhỏ.

Câu 15: Trình bày về sự tạo giọt và cơ chế làm sạch bụi bằng cách phun chất lỏng vào khí chứa bụi. Sự bay hơi và ngưng tụ có ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất làm sạch.

1/ Thủy động lực của quá trình tạo giọt.

- Giọt có thể tạo ra nhờ vòi phun. Có thể phun bằng áp suất, đĩa ly tâm hoặc phun bằng khí động (ống Ventury).

- Kích thước của hạt giọt phụ thuộc vào dạng vòi phun, từ 1 vài mm đến 1 vài m. VD: ống Ventury tạo ra bọt có kích thước không đều, cỡ 0,1m.

- Kích thước của hạt thay đổi trong một khoảng rộng và cũng phân bố theo logarit chuẩn.

- Giọt trong không gian là tập hợp các giọt có kích thước khác nhau, tuân theo quy luật phân bố nào đó. Có 2 phân bố thường gặp:

+ Phân bố chuẩn (phân bố trụ)

+ Phân bố chuẩn logarit

- Giọt được tạo ra và rơi xuống do tác động của trọng lực. Trở lực đối với chuyển động của giọt phụ thuộc vào chuẩn số Re của khí.

Reg =

- Đối với giọt có kích thước lớn, Reg > 500: Giọt rơi trong điều kiện chảy rối Hệ số trở lực  = 0,44.

- Đối với giọt nhỏ: Reg < 500   biến thiên ở chế độ chảy tầng hoặc quá độ.

- Reg = 100  1000  có thể tính gần đúng  theo công thức:  =

Trở lực giọt tạo nên chế độ lắng (đặc biệt với giọt nhỏ) và làm các giọt bị biến dạng và vỡ ra

- Trong thực tế hệ số trở lực phụ thuộc vào tập hợp các thông số:

CD = = f(We).

Chứng tỏ khi  lớn giọt có khuynh hướng chuyển về dạng cầu: CD giảm.

Lúc đầu giọt có gia tốc, những hạt to do chuyển động có gia tốc sẽ bị vỡ thành các hạt nhỏ. Lúc đó ngoại lực gồm trọng lực và trở lực lớn hơn . Giọt có dg > 0,6  0,7 cm vỡ ra để tạo ra những giọt có kích thước nhỏ và không bị vỡ.

có vai trò rất lớn do tạo nên ngoại lực để phá vỡ giọt (dòng khí chuyển động ngược lại). Như vậy độ bền của giọt phụ thuộc vào: vận tốc khí, độ lớn của giọt và sức căng bề mặt của chất lỏng.

Những giọt lớn có tốc độ rơi lớn, thời gian lưu nhỏ nên không có lợi cho quá trình làm sạch.

- Giọt có thể vỡ ra thành nhiều giọt nhỏ, đường kính các giọt mới được tính theo công thức:

Kf: hệ số phụ thuộc tính chất chất lỏng chủ yếu là sức căng bề mặt, phụ thuộc áp suất thủy động lực do xung dòng khí gây ra đối với bề mặt giọt.

l: kích thước hình học của dòng khí.

Khi Re lớn  = 0,27.(Reg)-0,1

Sự vỡ ra của giọt làm tăng bề mặt tiếp xúc pha và có ý nghĩa trong thiết bị làm sạch kiểu ventury ( vk = 60  160 m/s, chuyển động cùng chiều với dòng phun)  các giọt do dòng khí tách ra có kích thước vài m.

2. Cơ chế lắng bụi lên giọt.

Sự lắng bụi lên giọt có thể do nhiều động lực khác nhau: có thể do điện trường, do hiện tượng kết dính, do lực tĩnh điện, do khuếch tán phân tử, do dòng rối, do lực quán tính... Trong phần lớn các quá trình do điện trường rất ít gặp. Xét 1 số động lực phổ biến để thấy rõ các nhân tố quan trọng.

- Trong điều kiện không có điện trường mạnh, cơ chế quán tính đóng vai trò rất lớn. Cơ chế này càng có giá trị khi vận tốc khí lớn.

Có thể đánh giá ảnh hưởng của cơ chế lên hiệu quả lắng qua tham số lắng mà độ lớn của nó ảnh hưởng đến cơ chế lắng.

Các tham số đó là: D (khuyếch tán), KE (điện trường), (tĩnh điện), Stk (lực quán tính), CT (trọng lực).

Khi thí nghiệm với 1 số hạt trong đk Vk= 152 m/s được kết quả:

Từ đó ta thấy:

- Các hạt có kích thước lớn thì hiệu quả lắng bằng quán tính (Stk) lớn.

- Bụi có độ âm điện bé nên có điện trường mạnh cũng chỉ gây ra ảnh hưởng rất nhỏ.

- Hiệu quả lắng do khuếch tán thường được đánh giá theo biểu thức:

G = ; G  1,33.10-4

Z': là nồng độ hạt trong dòng khí tính bằng kg/m3.

Gh: Tốc độ khối lượng hạt khuếch tán đến bề mặt.

- ảnh hưởng của dòng chảy rối lên sự lắng hạt lên giọt được đánh giá qua:

rối =

n': Nồng độ ban đầu của hạt hay số hạt trên 1 m3.

j : Dòng khuếch tán lên giọt có dạng hình cầu do ảnh hưởng của rối. (kg/m3.s)

V: Tốc độ chuyển động tương đối của dòng khí so với giọt.

rối: rất nhỏ, ~ 1,8.10-4

- Hiệu suất lắng quán tính: stk =

stk thực nghiệm cao hơn so với tính toán theo lý thuyết do được thực hiện sạch trong ống Ventury.

- Làm cho hạt bụi bị thêm hoàn toàn như hiện tượng thấm ướt lên bề mặt hạt nên làm cho hạt bị nặng thêm. Sau khi ra khỏi ống Văngturi, đi vào xyclon xuôi chiều và bụi được tách ra. Do tốc độ lớn nên ảnh hưởng do quán tính là chính.

2/ Ảnh hưởng của sự ngưng tụ và bay hơi.

- Trong quá trình làm sạch bụi sự chênh lệch nhiệt độ và độ ẩm của dòng khí đối với giọt gây ra những động lực phụ rất quan trọng làm thay đổi rất mạnh hiệu suất làm sạch.

Khi có sự chênh lệch độ ẩm và nhiệt độ có thể áp suất hơi trong pha khí > áp suất hơi trên bề mặt của giọt làm xảy ra quá trình ngưng tụ. Các phần tử cùng với các hạt rắn được khuyếch tán vào bề mặt giọt, đồng thời còn có sự khuyếch tán hơi thúc đẩy dòng hạt tạo ra hiệu ứng phụ gọi là diffusiferes:

Hiệu suất: D= .

y': Nồng độ khí không ngưng.

Ở 40 , áp suất hơi không đủ lớn, hiệu ứng ngưng tụ không ảnh hưởng đến lắng Stk, khi nhiệt độ tăng thì ảnh hưởng khá lớn.

Khi = 20 0C, khi Stk < 1: ngưng tụ khá cao.

Trong trường hợp chất lỏng nóng tưới vào khí mang bụi sẽ có sự bay hơi. Sự bay hơi từ giọt ra môi trường có hiệu quả ngược lại.

Câu 16: Trình bày cơ chế lắng bụi lên giọt (Làm sạch bằng phương pháp ướt).

Giọt có thể được tạo ra bằng cách phun cơ học, phun khí động hoặc phun bẳng các ống ventury. Kích thước bọt từ 1 vài mm đến nhỏ hơn 100 mm hoặc chỉ vài m.

Giọt trong không gian là tập hợp giọt có kích thước khác nhau, tuân theo qui luật phân bố chuẩn và phân bố logarit.

Cơ chế lắng bụi lên giọt gồm 3 cơ chế:

+ do khuếch tán

+ do quán tính

+ do trọng lực

* Cơ chế lắng do quán tính:

- Lực quán tính giữ vai trò chính trong việc lắng các hạt lớn mà chủ yếu với các hạt có kích thước d > 5 m.

- Hiệu suất lắng:

Thực tế khi tốc độ khí lớn (trong thiết bị ventury), hiệu suất lắng stk có thể lớn hơn do quán tính lớn và ảnh hưởng của tốc độ và của dòng rối rất mạnh.

* Cơ chế lắng do khuếch tán:

- Chủ yếu đối với các hạt có d < 1m.

- Hiệu suất lắng:

G: khối lượng hạt (kg/s) (số hạt lắng trên bề mặt giọt)

G = .dh.dg.z'. .

z': nồng độ hạt trong dòng khí, kg/m3

dg: đường kính giọt

dh: đường kính hạt

SC = = 106 (qui ước)

Trong khuếch tán: SC =

* Cơ chế lắng do trọng lực

- Chỉ xét khi vận tốc khí tương đối nhỏ. Trường hợp này, ảnh hưởng của dòng rối cũng rất nhỏ. Ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ giữa dòng khí và giọt rất đáng kể vì nó gây ra 2 hiện tượng:

+ Tạo gradien nhiệt độ: gradt thúc đẩy hoặc kìm hãm hạt đến được bề mặt. Khi tdòng khí > tgiọt thì gây ảnh hưởng dương nhưng cũng không đáng kể.

+ Hiệu ứng Termofores:

T =

Tk - Tl: gradien nhiệt độ ở vùng tiếp giáp

0: chiều dày của màng khí bao quanh giọt

- Nếu dòng khí mang ẩm nhiều (phơi nước> phơi trên giọt) hiện tượng ngưng tụ  làm tăng quá trình lắng của hạt lên giọt.

Hệ số khuếch tán:

D =

ph: áp suất hơi trên bề mặt.

phkhí: áp suất hơi trong dòng khí.

Ngược lại, nếu dòng khí khô sẽ có hiện tượng bay hơi  diễn ra quá trình vừa làm sạch khí, vừa làm nguội  gây ảnh hưởng âm đối với quá trình lắng hạt.

Câu 17: Trình bày về thủy động lực của quá trình tạo màng và cơ chế lắng bụi lên màng.

1/ Thủy động lực của quá trình tạo màng

Quá trình tạo màng diễn ra khi cho chất lỏng chảy qua lớp đệm

Chuẩn sổ Re của màng:

- vm: vận tốc chất lỏng trong màng

- m: chiều dày lớp màng

Khi Rem < 30 : chảy tầng

Khi 30 < Rem <400 : màng xuất hiện các sóng  các sóng đó ảnh hưởng lên quá trình giữ bụi trên màng.

Khi Rem>400: - sát thành: chảy tầng

- bên ngoài:chảy rối, màng dày ở phía bên ngoài

Vận tốc chất lỏng chảy trên màng (vm) phụ thuộc vào vị trí không gian của bề mặt):

: góc nghiêng của bề mặt so với phương thằng đứng. Biểu thức trên xuất phát từ chế độ chảy tầng.

Trong điều kiện của chế độ sóng, chiều dày của màng có thể tính:

Trong điều kiện chảy rối, phân bố vận tốc trên màng tuân theo định luật Prantdl.

2/ Cơ chế lắng bụi lên màng chất lỏng

Hạt trong dòng khí do tác động của ngoại lực bị bắn vào màng lỏng. Lúc ban đầu hạt rơi vào màng do thấm ướt không kịp làm lõm chất lỏng ở chỗ tiếp xúc làm lún sâu chất lỏng xuống 1 đoạn h, tạo nên một góc âm đối với mặt phẳng ngang được gọi là góc β

Hạt chịu tác dụng của các lực: trọng lực, lực đẩy archimet, lực sức căng bề mặt, lực quán tính F

Tổng hợp của các lực cân bằng:

Khi hạt cân bằng, F=0  hạt được giữ nguyên trạng thái

- Xuất phát từ điều kiện cân bằng như trên người ta tính được Sh.

- Nếu hạt không thấm ướt Sh càng lớn khi F càng lớn

- Vùng chìm trong chất lỏng quyết định hạt có bị giữ lại hay không.

- Đối với chất lỏng thấm ướt hoàn toàn, vùng ngập trong nước tính từ mặt thoáng chất lỏng đến đáy hạt là h'.

- m nhỏ  nguy cơ hạt có thể bị bứt ra có thể rất lớn

* Tương quan giữa lực F và động năng của hạt

Khi nhúng hạt vào trong chất lỏng thì lực đẩy hạt sinh ra công, được tính theo độ lún sâu của hạt

- H : độ lún sâu của hạt

Từ việc xác định được A  xác định đựơc năng lượng cần thiết để làm cho các hạt bắn vào lớp chất lỏng và bị giữ lại ở đó.

Nếu A lớn thắng được động năng E của hạt

E =

Điều kiện đủ: hạt phải ngập trong chất lỏng. Khi đó lực căng bề mặt và lực nhớt thắng E của hạt làm nó không bứt ra được.

Đối với hạt bị thấm ướt

Đối với hạt không thấm ướt

C: Thông số phụ thuộc hình dạng, hạt

a: cạnh của hạt

Trong trường hợp đơn giản mô hình được thiết lập a là cạnh hình lập phương. Trong thực tế muốn giữ chất lỏng thì màng phải có chiều dày đủ lớn, lực nhớt sẽ giữ hạt. Đồng thời hạt cũng cần bị thấm ướt để các hạt dính có hiệu quả

Màng chất lỏng có khả năng giữ bụi: m > 0,2  0,3 mm.

Đối với các màng nằm trên các vật chuyển động như tháp đệm thì ảnh hưởng của động năng của màng chuyển động có 2 ảnh hưởng:

+ Ảnh hưởng âm khi chiều chuyển động của màng phù hợp với chiều chuyển động của hạt bụi hướng vào màng.

+ Ảnh hưởng dương khi các hạt chuyển động ngược chiều với chuyển động của màng.

Các ảnh hưởng đó biểu hiện khi quán tính lớn.

Câu 18: Trình bày về quá trình tạo quầng trong làm sạch khí bằng điện trường. (Sự ion hóa và tạo quầng). Những nhân tố ảnh hưởng lên chế độ ion hóa và dòng quang?

1/ Nguyên tắc làm sạch bụi và mù bằng điện trường:

Để tách bụi và mù bằng điện trường người ta phải cho nhiễm điện cho hạt bụi. Điện tác dụng lên hạt bụi tỉ lệ với nhiễm điện. Điều kiện cần và đủ để làm nhiễm điện cho các hạt bụi là tạo nên mật độ điện tích đủ lớn. Điều đó được thực hiện nhờ ion hoá khí nhờ điện trường có cường độ đủ lớn.

Thực tế dùng E có cường độ không đều. (Dùng 1 điện cực dây có kích thước nhỏ với điện cực ống hoặc tấm có diện tích lớn). Khi đó cường độ E ở quanh điện cuộn dây rất lớn.

- Điện cực dây là cực âm: áp dụng cho điện thế cao  dòng quầng tương đối lớn, ứng dụng trong công nghệ làm sạch khí.

- Điện cực dây là cực dương: tạo ra quá trình ion hóa có cường độ thấp hơn chủ yếu do quá trình ion hóa thứ cấp  Dòng quầng tương đối nhỏ. Lúc đó các ion dương chuyển về cực lắng, bụi sẽ nhiễm điện tích dương.

Tuy vậy, người ta nhận thấy khi làm điện cực dây mang điện tích (+) có những đặc điểm:

+ Điện trường quanh cực dây không thể lớn.

+ Không tạo ra O3, có O2  O3 ở mức độ thấp.

Thiết bị lọc điện trường loại này dùng cho làm sạch không khí bảo vệ môi trường, chủ yếu tạo môi trường vì khí hậu siêu sạch.

Trong các thiết bị loại này điện cực quầng có màu xanh da trời và phủ tất cả cực quầng.

Trong trường hợp cực dây là cực âm, quá trình ion hoá tương tự như trên nhưng dòng điện đi từ cực nọ sang cực kia có thể lớn hơn và duy trì cường độ điện trường lớn nên quá trình ion hóa mãnh liệt hơn. Do vậy lượng O3 tạo ra lớn hơn, do vậy quầng (-) cho phép làm việc ở trong khoảng rộng, nồng độ bụi làm sạch cao hơn.

2/ Quá trình tạo quầng âm.

Quá trình ion hoá tiến hành trong công nghiệp nhờ cực quầng là cực âm. ở đó quá trình ion hoá sơ cấp:

Phân tử Ion+ + e- + h. (h: photon)

Ở thứ cấp:

Phân tử + h Ion+ + e- + h

Quá trình ở thứ cấp có cường độ lớn hơn rất nhiều lần quá trình ở sơ cấp nên làm xuất hiện các quầng sáng màu ngọc. Do cấu trúc điện cực dây không đều nên các quầng sáng chỉ xuất hiện thành từng chùm ở những vị trí nhất định.

Ngay trong vùng có E lớn, tốc độ các e lớn nên các e va chạm với các phân tử khí biến thành Ion (-). Sự di chuyển về cực lắng chủ yếu là sự di chuyển của ion (-), ion (-) có kích thước lớn hơn e hàng vạn lần nên xác suất va chạm với hạt bụi lớn hơn nhiều. Bằng chứng: Sự ion hoá do vậy phụ thuộc vào tính chất của khí (độ linh động của ion) vì bản chất của khí ảnh hưởng lên độ linh động của ion.

Trong môi trường ion hoá như thế, cường độ điện tích có thể đạt lên tới 5.103 (ion/ m3 khí). Chính sự linh động của Ion sẽ góp phần tạo dòng điện tích từ cực (-) sang cực lắng (+). Trong đó độ linh động của e là max.

Giải thích:

(1) - N2: I lớn vì N2 trơ  khả năng hấp thụ các e thấp nên dòng đi từ cực này sang cực kia là dòng các e là chính nên I tăng nhanh.

(2) - không khí: I tăng từ từ, do các e tạo ra đã bị chuyển thành các ion (-)

(3) - CH3Cl: Phân tử lớn  dòng có thể hấp thụ thành những điện tích nhưng chuyển động chậm  dòng nhỏ.

- Các ion âm có khả năng bám lên hạt bụi dễ (do kích thước lớn). Trong môi trường có các phân tử dễ nhiễm điện hơn  thuận lợi cho quá trình làm sạch.

- Dòng điện tích I trong những trường hợp có bụi phụ thuộc mật độ bụi. Khi các ion âm hoặc các e nhiễm điện cho hạt bụi, quán tính của bụi là >> so với các phân tử  hàm lượng bụi lớn làm I giảm rất nhanh. Đến lúc nào đó dòng này  0 và tắt các quầng sáng gọi là dập quầng  phải kiểm soát hàm lượng bụi.

3/ Quá trình tạo quầng dương:

Các e- chuyển động về điện cực trên 1 quãng đường rất ngắn. Các phân tử bị nhiễm điện chuyển động về cực (-) với tốc độ chậm, độ linh động nhỏ  dòng quầng nhỏ và có màu xanh lam.

4/ Những nhân tố ảnh hưởng lên cường độ ion hoá và dòng quang.

- Độ linh động của ion: góp phần tạo dòng điện tích từ cực (-) sang cực (+). Độ linh động của ion càng lớn thì cường độ ion hoá càng lớn và cường độ dòng quang càng lớn. Độ linh động của e là lớn nhất.

Câu 19: Cơ chế nhiễm điện lên hạt bụi, những nhân tố ảnh hưởng lên hiệu suất tách.

1. Trong quá trình chuyển động của ion khí về điện cực lắng nó quét một không gian do dòng khí mang bụi đi qua. Trong quá trình đó nó va chạm và tiếp xúc làm tích điện.

Có 2 cơ chế chuyển dịch gây nhiễm điện lên hạt bụi.

+ Cơ chế bỏ bom

+ Cơ chế khuếch tán.

a/ Cơ chế bỏ bom: (các hạt bụi lớn, d> 1 m có diện tích bề mặt lớn) thì các ion khí và các hạt bụi lao vào nhau do chuyển động quán tính. Cơ chế càng mạnh khi kích thước của 2 hạt càng lớn. Nó còn phụ thuộc thế của điện trường hay cường độ điện trường tại điểm va chạm, độ lớn của bề mặt, độ lưỡng cực của hạt bụi. Trên thực tế nó còn phụ thuộc vào hình dạng, khi hạt bụi nhiễm điện thì giữa hạt bụi nhiễm điện với ion khí có tương tác đẩy  sự nhiễm điện tiếp theo bằng quán tính cũng phụ thuộc mức độ tích điện của hạt bụi.

Lượng điện mà hạt bụi tích được theo cơ chế này:

Є: độ thấm điện lưỡng cực, đặc trưng cho khả năng dẫn điện trong các phần khác nhau của hạt bụi.

d: đường kính hiệu dụng của hạt bụi

: hệ số thời gian;

Ni: mật độ ion trong 1 đơn vị thể tích

Ni.e: mật độ điện tích tính theo thể tích.

Sự nhiễm điện của hạt bụi lúc đầu là nhanh, sau đó chậm hơn do các hạt nhiễm điện cùng dấu đẩy nhau  điện tích tiến đến 1 giá trị giới hạn:

: mức độ nhiễm điện giới hạn của hạt bụi

+ Khi bụi cách điện Є = 1  3Є/(Є+2) = 1

 chỉ phụ thuộc độ lớn của hạt và E

+ Khi bụi dẫn điện tốt thì 3Є/(Є+2)  3

 các hạt dẫn điện tốt thì nhiễm điện tốt.

b/ Cơ chế khuếch tán: đối với các hạt bụi rất nhỏ, d < 0,2μm. Không có hiện tượng bắn thẳng (hiện tượng bỏ bom), bụi và ion khí tiếp cận dần với nhau là nhờ khuếch tán, tuân theo định luật khuếch tán. Nó phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ ở môi trường và trên bề mặt hạt để tính mật độ các hạt mang điện trong môi trường đó. Nhờ vậy tính được lượng điện nhiễm lên hạt do khuếch tán.

Tốc độ nhiễm điện của hạt bụi phụ thuộc mật độ điện tích:

K: hằng số Boltzmann d: kích thước hạt

T: nhiệt độ tuyệt đối Ni: mật độ điện tích thể tích

N: mật độ điện tích xung quanh 1 hạt bụi ne: điện tích của hạt bụi đã có

n: số điện tử đã khuếch tán vào.

 Lượng điện do khuếch tán:

 phụ thuộc vào tính chất môi trường, khuếch tán chủ yếu là khuếch tán phân tử, phụ thuộc gradC.

Hạt bụi lớn  bề mặt lớn  cơ chế khuếch tán cũng đáng kể. Các hạt bụi bao giờ cũng nhiễm điện theo 2 cơ chế. Hạt nhỏ: chủ yếu là khuếch tán.

Trong thực hành q = ne = 105d  phương án cơ chế bỏ bom là chính.

2. Những nhân tố ảnh hưởng lên hiệu suất tách

+ Sự lắng và phóng điện của hạt lên điện cực là một trong những nhân tố quan trọng cần chú ý khi vận hành vì nó ảnh hưởng rất mạnh lên hiệu suất tách. Nó thay đổi theo những tham số của hỗn hợp khí có trong bụi.

+ Trở lực riêng của hạt mà quá nhỏ thì bụi dẫn điện rất tốt. Giá trị E lớn nên khi tích điện của bụi trong điện trường cũng lớn.

+ Ảnh hưởng của độ ẩm: Độ ẩm của bụi thường làm tăng độ dẫn điện. Tuy nhiên các bụi ra khỏi lò thường có nhiệt độ cao nên ảnh hưởng của độ ẩm lại phụ thuộc nhiệt độ.

Câu 20: Cơ chế để xác định tốc độ chuyển động của hạt bụi nhiễm điện về cực lắng và xác định chiều của hạt bụi trong điện cực ống thiết bị lọc điện.

1/ Sự chuyển động của hạt bụi về cực lắng:

Hạt bụi trong dòng được chuyển động theo 2 hướng cơ bản

+ Chuyển động theo hướng của dòng khí

+ Khi nhiễm điện chuyển động dưới tác dụng của điện trường

Hướng của điện trường không // với hướng chuyển động của dòng khí  chuyển động cắt ngang.

Xây dựng mô hình tính toán dựa trên giả thiết

+ Mật độ phân tích đều

+ Mật độ hạt bụi đều

+ Ảnh hưởng của cực dương, cực lắng, tác động của hạt bụi

Chuyển động rối của dòng khí không ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động

Fđ = q.E

FC = CD.A. ..w2.

w: vận tốc thủy động

w =

Hạt cầu nhiễm điện hoàn toàn

F =

FC = 3.d. (Tính theo định luật Stock)

w = (vận tốc thủy động của hạt)

Với hạt rất nhỏ, nhiễm điện do khuếch tán, mật độ hạt thưa

Khi lọc tinh  w =

Trong các thiết bị lọc điện siêu sạch, ứng dụng cho công nghệ vi điện tử.

2/ Chiều của hạt bụi trong điện cực ống thiết bị lọc điện: Tự tìm tòi đê !

Câu 21: Những cơ chế chủ yếu giữ bụi và hiệu suất tách bụi trong lọc khí. Ảnh hưởng của vách lọc và tốc độ khí lên sự giữ hạt.

* Cơ chế chủ yếu giữ bụi và hiệu suất tách bụi trong lọc.

Về mặt cơ học có các cơ chế sau

1/ Giữ bụi nhờ lực quán tính

Dòng khí mang bụi chảy bao một vật (sợi vải), các hạt bụi có thể chịu một lực quán tính làm cho ch/đ đến bề mặt, lực đó được biểu thị qua chuấn số Stock:

Trong đó:

- d : đường kính hạt

- C : hệ số Cunninghem

- D : đường kính của sợi (đường kính mặt giữ)

- u0 : vận tốc chuyển động của hạt

Khi nghiên cứu thực nghiệm: quá trình giữ bụi nhờ lực quán tính chỉ diễn ra khi Stk > Stgh

Stgh phụ thuộc:

+ kích thước hạt và tốc độ khí

+ kích thước sợi

Hiệu suất giữ bụi theo quán tính:

f = f.

Trong đó: F: lực quán tính tác dụng lên hạt : mômen động lượng

Khi Re> 1000 hoặc Re 0,2 thì Stgh = 0,06. Ảnh hưởng của lực quán tính là rất lớn, nghĩa là giữ bụi bằng lực quán tính có thể xảy ra với hạt nhỏ.

2/ Giữ bụi do tiếp xúc:

(khi khoảng cách giữa 2 hạt  )

Khi các hạt bụi chuyển động trên bề mặt vỏ sợi nằm trong vách lọc, tương tác giữa sợi và hạt dẫn đến hiện tượng hút các hạt bụi lên mặt sợi: gọi là sự giữ bụi do tiếp xúc

- Nếu bề mặt có dạng hình trụ: e = 1 + R - (R = )

- Nếu bề mặt có dạng hình cầu: e = (1 + R)2 -

Đối với dòng chảy nhớt bao quanh hạt, Rant đưa ra hiệu suất:

e =

 e phụ thuộc kích thước hạt, kích thước sợi. Khi kích thước hạt lớn  khi tiếp xúc bị sợi giữ lại mạnh hơn ngay cả khi Stk < Stkgh

Cơ chế tiếp xúc và cơ chế quán tính kết hợp với nhau. Khi R lớn thì hiệu quả chung của quá trình tăng lên

3/ Giữ bụi do khuếch tán

Đối với hạt rất nhỏ (d < 1µm) thì giữ bụi do quán tính và tiếp xúc là không hiệu quả vì lực quán tính rất nhỏ  bụi thườn bị cuốn theo đường dòng khi khí chảy bao quanh sợi. Mặt khác các hạt này có chuyển động tự do, chuyển động này do tác dụng của các phân tử khí.

Trong môi trường khí đứng yên, chuyển động hỗn loạn này làm các hạt có kích thước < 1 m  tham gia chuyển động nhiệt  phân bố đều trong pha khí. Một số hạt trong đó vẫn có thể đến lắng trên bề mặt và ngay trong điều kiện không chuyển động  hạt nhỏ khuếch tán đến bề mặt  khuếch tán như khuếch tán phân tử làm hạt xuyên qua được lớp khí đứng yên ở sát bề mặt.

Hệ số khuếch tán

- d: đường kính hạt

- k: hằng số Boltzmann

Thực tế còn phụ thuộc vào kích thước sợi và những nhân tố của dòng chảy đối lưu

CDC: hệ số trở lực của sợi. Công thức này áp dụng ở áp suất thấp.

* Tổng hợp 3 cơ chế : Hiệu suất lọc

* Ảnh hưởng của vách lọc:

- Khi dòng khí gặp vách lọc có sợi (sợi dệt): mật độ sợi càng dày  thiết diện tự do của dòng khí đi qua vách càng nhỏ. Sự bố trí, sắp xếp của sợi và sự tương tác của chúng lên dòng làm biến đổi pha dòng chảy bao quanh sợi, thường tương tác đó làm tăng hiệu suất do quán tính và tiếp xúc.

- Khi xem xét quá trình giữ bụi trên vách, thấy rằng không chỉ có bề mặt vách mà cả những hạt đã được giữ trước cũng có vai trò đáng kể trong việc giữ các hạt tiếp theo.

- Khi sử dụng vách lọc thấy rằng vách lọc sợi nhỏ có bề mặt riêng lớn, khoảng cách giữa các sợi rất nhỏ, tuy vậy sự giữ bụi trên vách không nhất thiết giữ trên bề mặt các sợi mà có thể được giữ trên không gian các lỗ trống. Những hạt đó làm cho thành phần hạt được giữ lại biến đổi không đều và có cực trị.

* Ảnh hưởng của tốc độ:

Khi dòng khí đi qua vách tới 1 tốc độ nào đó thường phát sinh sự tích điện trên vách và hạt  có 4 trường hợp:

- Hạt và vách đều tích điện: tương tác của hạt và sợi phụ thuộc vào dấu điện tích. Khi tích điện trái dấu  thuận lợi hút tốt (hạt tích điện là do trong quá trình gia công). Khi tích điện cùng dấu  giảm hiệu suất.

- Bề mặt vách nhiễm điện, hạt không nhiễm điện. Khi hạt đi qua không gian bề mặt vách, hạt sẽ nhiễm điện hưởng ứng trái dấu.

- Hạt nhiễm điện đi qua vách không nhiễm điện  gây nhiễm điện hưởng ứng trái dấu.

- Khi các hạt bụi mang điện cùng dấu, trong quá trình chúng đẩy nhau  ảnh hưởng âm lên quá trình cùng bị thu giữ.

Để đánh giá ảnh hưởng của những lực điện người ta dùng chỉ số KE:

KE =

FE: lực do tương tác điện sinh ra.

Ảnh hưởng của K đến  trong nhiều trường hợp là rất đáng kể. Điều này rất đáng chú ý khi chọn vách lọc. Khi chọn vách lọc phù hợp tạo ra sự nhiễm điện hưởng ứng   tăng cao, đặc biệt là khi lọc tinh.

Câu 22: Những đặc điểm của quá trình lắng huyền phù? So với lắng tự do giải thích nguyên nhân sai khác giữa lắng huyền phù và lắng tự do.

Quá trình lắng huyền phù có nhiều đặc điểm khác so với lắng tự do. Sự lắng huyền phù phụ thuộc vào nồng độ huyền phù, kích thước hạt phân tán và nồng độ của nước.

* Xét quá trình lắng huyền phù mịn:

- Cho huyền phù vào 1 bình để lắng. Sau 1 thời gian, hình thành 4 lớp:

+ Lớp nước trong (A)

+ Lớp huyền phù có nồng độ không đổi Cđ = const (B)

+ Lớp huyền phù có nồng độ thay đổi (C)

+ Lớp bã có nồng độ Cb (D)

Huyền phù có nồng độ tăng dần từ trên xuống dưới, từ Cđ  Cb

- Trong quá trình lắng nhận thấy:

Mặt 1-1, 2-2 đều lùi xuống nhưng mặt 2-2 lùi chậm hơn  Không gian vùng B hẹp hơn, mặt 3-3 hướng lên trên. Đến 1 lúc nào đó mặt 1-1 đến trùng 2-2  Vùng có nồng độ không đổi (lớp B) biến mất. Quá trình tiếp tục cho đến khi mặt 3-3 trùng mặt 2-2.

- Trong quá trình lắng có 1 vùng có nồng độ không đổi bằng nồng độ huyền phù ban đầu. Hiện tượng lắng luôn luôn giữ 1 vùng có nồng độ không đổi  chứng tỏ quá trình lắng huyền phù có những đặc điểm khác so với lắng tự do. Thực tế tốc độ lắng huyền phù < tốc độ lắng của 1 hạt.

* Nguyên nhân sai khác:

- Lắng tự do chỉ xét quá trình lắng của 1 hạt. Còn lắng huyền phù là sự lắng đồng thời của nhiều hạt. Sự ảnh hưởng giữa chuyển động của hạt này với chuyển động của hạt khác gây ra sự sai khác này.

- Quá trình lắng của nhiều hạt tạo nên dòng chảy ngược của chất lỏng thay thế, làm tiết diện tự do của dòng hẹp lại  Tốc độ chuyển động tương đối giữa chất lỏng và hạt tăng lên.

- Quĩ đạo của các hạt chuyển động chảy bao quanh 1 hạt bị méo mó. Điều đó cũng là nguyên nhân gây tăng trở lực.

- Mật độ của hạt khá lớn nên các hạt rất gần nhau. Sự chuyển động của hạt này chịu ảnh hưởng của môi trường xung quanh.

- Các hạt có khối lượng và kích thước khác nhau nên tốc độ lắng cũng khác nhau. Các hạt lớn lắng nhanh hơn sẽ thúc đẩy các hạt nhỏ. Ngược lại các hạt nhỏ kìm hãm các hạt lớn. Hiện tượng này làm tốc độ lắng của các hạt đều hơn. Trong huyền phù mịn có < 0  U lắng của các hạt xấp xỉ như nhau.

Câu 23: Vai trò của đường kính và chiều cao thiết bị lắng huyền phù (làm việc liên tục). Phương pháp tính đường kính của thiết bị lắng huyền phù bằng trọng lực dựa vào thuyết Kynch.

1/ Vai trò của đường kính và chiều cao thiết bị lắng huyền phù:

* Chiều cao của lớp huyền phù: không ảnh hưởng rõ rệt lên quá trình phân riêng, nhưng lớp huyền phù càng cao bao nhiêu thì lớp bã càng lên bấy nhiêu.

Thường các lớp huyền phù cao (chiều cao thiết bị lớn) nhằm có được bã đặc.

 Chiều cao của vùng có nồng độ lớn nằm gần lớp bã sẽ lớn hơn  ảnh hưởng đến tốc độ phân riêng, đồng thời lớp bã càng dày trong nhiều trường hợp có được độ khô của bã càng cao  không thể thiếu các bộ phận khác tác động lên.

* Đường kính thùng:

Sự lằng của các hạt ở gần thành thùng luôn chịu ảnh hưởng của thành thùng, tương tác này làm chậm quá trình lắng. Sự ảnh hưởng này lớn khi đường kính thùng nhỏ.

> 100  Ảnh hưởng này có thể bỏ qua

 Nếu có những quá trình mà có hiện tượng lắng trong các ống nhỏ (1 vài mm  1 vài cm)  cần phải xét đến ảnh hưởng này.

2/ Phương pháp tính đường kính của thiết bị lắng huyền phù bằng trọng lực dựa vào thuyết Kynch

* Vùng cô đặc:

T = Uu + Cu

T =

Trên thiết diện bất kỳ, nằm trong vùng cô đặc dòng là:

T = T + u u: của bã

Dòng do đáy kéo xuống (dòng lắng)

 = UC.C u = Uu.C

A =

* Dòng trên:

- Dòng đi ra ở phía trên

Q' = Q0(1-C0) - (Q0 - Q')(1-Cu)

Q' = Q0 (Lượng nước trong tối đa có thể thu được)

Điều kiện: tốc độ của dòng đi lên không được vượt quá tốc độ lắng của hạt.

A = = A: diện tích nhỏ nhất.

Trong thiết kế người ta nhận thấy nồng độ C ở mọi thiết diện trên đều ảnh hưởng đến quá trình  Khi tính người ta chú ý đến tỉ lượng , dòng trên và dòng dưới

 đưa ra thêm hệ số tỷ lượng:

Y = U =

Thay vào biểu thức tính A A = . Nếu cần nước trong, ta coi trọng dòng trên.

Câu 24: Trình bày lý thuyết Kynch về lắng huyền phù.

Giả thiết:

+ C không đổi trên 1 mặt nằm ngang

+ Bỏ qua ảnh hưởng của tường

+ Bỏ qua ảnh hưởng của kích thước, hình dạng & sự tổ hợp của các hạt lên quá trình phân tách

+ Tốc độ lắng của hạt chỉ phụ thuộc vào nồng độ cục bộ của hạt

+ Nồng độ của huyền phù hoặc là đồng nhất, hoặc là tăng dần từ trên xuống đáy.

+ Tốc độ lắng  0 khi nồng độ đạt đến nồng độ tới hạn (nồng độ bã)

Trên mặt nằm ngang H có nồng độ C, tốc độ lắng UC

 Dòng hạt lắng trên mặt

 = C.UC

 Tại mặt H+dH  có dòng 1

1 =  + .dH

(1 - )dt = dt

=

Trong điều kiện C = const:

 

= 0

 (*)

: tốc dộ chuyển dời của mặt C

Tốc độ biến thiên của dòng lắng qua mặt C = const theo C bằng tốc độ di chuyển của mặt đó theo thời gian UW

Trong quá trình lắng UW: tốc độ di chuyển của mặt có C = const trong môi trường lắng

* C < Cm  > 0  = UW < 0

 Mặt C dời từ trên xuống

* C> Cm  = UW > 0

 Mặt C dời từ dưới lên

 Biểu thức (*) biểu diễn sự dời của các mặt khác nhau.

Ví dụ: Quá trình lắng gián đoạn  thu được đồ thị biến thiên nồng độ theo thời gian.

- Khi t = 0  C = C0. Tại vùng đó tốc độ chuyển dời, của mặt 1-1 gần như không đổi  biểu diễn bởi đường thẳng HtB. Đường OB: biểu diễn mặt nồng độ C0 tại thời điểm đầu tiên.

- Khi mặt thoáng xuống điểm P  Khối có nồng độ C0 lắng với nồng độ không đổi là KP.

 = UW: tốc độ dời của C = C0

Đường OC: Mặt lùn thay đổi theo thời gian

Góc nghiêng  biểu thị tốc độ dời của mặt

Xét tại điểm D: có nồng độ CD.

 đường OD: biểu diễn độ dời của mặt có nồng độ CD.

Gọi góc nghiêng là UW

Thể tích các hạt đi qua mặt

V = C0(Ht - H0)

Ht: chiều cao của điểm P

Ht - H0 = t(UC+UW)

Điểm D:

CD(UCD + UW).t = C0.Ht

Ht = OA QT = t.UCD

OQ = t.UW

QT + QO = OT = t.(UCD + UW)

Ht - H0 = t(UCD+UW) = OT

Mặt khác:

Khi bắt đầu lắng: C=C0

H=Ht

 C0.Ht = CD.H0

Toàn bộ hạt trong huyền phù tính theo nồng độ C0

CD = C0.

 Từ biểu thức này tính được nồng độ tại những điểm nằm trên mặt sau (điểm B).

Khi lắng, mặt phân cách càng xuống sâu, nồng độ huyền phù càng tăng

- Khi đến TC  tốc độ lắng = 0.

CC = Cmax = C0.

 Xây dựng đường cong C = f(t) C = f(H)

 Dựa vào đó xác định được tốc độ lắng

 Xác định được dòng.

Câu 25: Chứng minh các phương trình lọc liên tục.

Trong quá trình lọc liên tục thường thể hiện qua 2 dạng chính là lọc thùng quay và lọc khung bản đều có đặc tính chung: trong quá trình lọc bề mặt lọc được đổi mới liên tục, mỗi phần tử của bề mặt lọc có thời gian lưu trong khu vực lọc giống nhau. Trong thời kỳ đó chính phần tử đó tham gia quá trình lọc gián đoạn với p = const.

Đối với mỗi phân tử chiều dày lớp bã tăng lên tỉ lệ với lượng nước lọc qua đó  Nên khi thay V = 1 quan hệ giữa l với x0 (V = f(l,x0)).  Xác định được độ tăng chiều dày của lớp bã trên mặt một phân bố khi trải qua khu vực lọc)

(a)

Đây chính là biên dạng của lớp bã. Nếu gọi tốc độ đổi mới bề mặt ở khu vực lọc f', sau khoảng thời gian t, mức bề mặt được đổi mới:

f = f'.t  t = (b)

Từ sau khoảng thời gian t  điểm ban đầu A (t=0) đến điểm B  f: biểu thị phần đổi mới sau thời gian t. Thay (b) vào (a) ta có:

(1)

h = - htđ +

Khảo sát sự thay đổi của nước lọc theo f:

V: lượng nước lọc, m3/s

Trên toàn bộ bề mặt lọc:

dV =

Tích phân 2 vế phương trình trên với r = const ta được:

V = (2)

Biểu thức (2) biểu thị năng suất lọc liên tục thùng quay, bề mặt lọc là F.

v = (m3/m2.s): Năng suất riêng phụ thuộc vào nồng độ huyền phù

F = f'.

: thời gian 1 phân tố bề mặt đi qua khu vực lọc

F: bề mặt của khu vực lọc

 V = f'.v.

v = hmax = -htđ +

Câu 26: Cơ chế lọc huyền phù và biến thiên trở lực trong đó.

Một vấn đề rất lớn trong kĩ thuật lọc là sự giảm dần năng suất lọc theo tgian, không chỉ do chiều dày lớp bã tăng mà còn do trở lực vách lọc tăng do vách lọc và mao quản luôn được bồi đắp bởi các hạt. Các hạt này tích tụ lại trong mao quản và trong lớp bã là ảnh hưởng lớn đến biến thiên trở lực

1/ Sự bịt pore

Theo cơ chế này hạt đi vào lấp kín miệng của pore đình chỉ quá trình lọc đối với pore đó.

Để xác định phương trình, xét trong điều kiện p = const.

 Tốc độ lọc phụ thuộc vào số pore (trên 1 đơn vị bề mặt, có thể dẫn chất lỏng)

Tốc độ lọc lúc đầu:

Uđ = A.N0

A = m3/s

Khi 1m3 huyền phù chứa n hạt lơ lửng trong quá trình lọc nhưng sẽ bịt kín 1 số pore nào đó. Số pore bị lbitj tỉ lệ với lưu lượng nước lọc đã đi qua vách.

q: lượng nước lọc đã đi qua vách

U = A.(N0 - nq) = Uđ - K'q (K' = A.n)

 làm trở lực thay đổi

Gọi R là trở lực của vách lọc

Tốc độ tỷ lệ bậc 2 với trở lực  tăng rất nhanh.

2/ Sự bịt đầu pore

Theo cơ chế này các hạt tích lũy trên thành pore làm hẹp dần thiết diện chảy của dòng → bán kính mao quản hẹp lại từ r  rt

Tốc độ lọc ban đầu

= B.N0.

Gọi lượng bã đã để lại trên thành mao quản nếu nồng độ huyền phù là x0

 x0.dq = -N0.2.r.l.dr

dr: độ giảm kích thước bán kính dòng do việc điền đầy dần bã/

 q =

Thay vào ta được

Biến thiên trở lực:

3/ Cơ chế lọc trung gian

Là cơ chế trung gian giữa bịt đầu pore và việc tạo bã, sự tạo vòm cũng là một kiểu bịt dần tiết diện của pore. Nó chống sự xâm nhập tiếp các hạt vào trong lòng pore. Quá trình lọc làm giảm bớt tiết diện miệng pore nhưng đồng thời nó cản các hạt khác không chui sâu vào pore.

 Trở lực riêng tăng chậm

Biến thiên trở lực trong quá trình lọc chậm hơn do bã không đi sâu vào trong pore.

Cơ chế tạo vòm tham gia tích cực vào quá trình lọc.

4/ Tổng hợp:

Trong thực tế, quá trình lọc huyền phù là kết hợp nhiều cơ chế

Tốc độ lọc là:

(RV: trở lực của vách)

Khi kết hợp các quá trình lại  tốc độ lọc dần theo hệ số không đổi (trở lực của quá trình gồm trở lực bã và vách)  thực tế không có.

Trong các quá trình lọc:

n = 0  2 tùy thuộc vào cơ chế. Cơ chế bịt kín pore gây khó khăn nhất.

Nếu cơ chế này mạnh  tốc độ tăng, trở lực rất lớn. Nếu cơ chế tạo vòm sớm và mạnh  quá trình lọc có trở lực tăng chậm hơn

Dựa vào đó xác định các biện pháp tăng cường quá trình lọc.

Câu 27: Một số biện pháp thực hành trong lọc.

Quá trình lọc có thể tiến hành theo các cách:

(1)- Lọc theo điều kiện p = const: tốc độ lọc giảm dần, nếu quá trình lọc kéo dài, trở lực vách lọc tăng  tốc độ lọc giảm và rất bé ở giai đoạn cuối. Muốn đảm bảo thì kích thước phải lớn.

(2)Lọc với tốc độ lọc không đổi w = const: Thay đổi áp suất lọc đối với cả hệ. Bằng cách duy trì áp suất trong hệ thống cấp đủ lớn. Áp suất ở thiết bị tăng dần bằng cách mở dần van để áp suất ở 1 thiết bị lọc cụ thể tương ứng với trạng thái làm việc.

Nhược điểm: - hệ thống van nhiều  đầu tư lớn

- duy trì áp suất lớn  chi phí lớn

Ưu điểm: Tốc độ lọc đều. Tuy nhiên cũng gây khó khăn trong quá trình lọc.

(3)Lọc với tốc độ giảm có điều chỉnh: hay sử dụng

Sau giai đoạn đầu có W lớn, người ta tăng P, đến nửa cuối quá trình lọc, trở lực lớn  điều chỉnh P không lợi  duy trì P  W giảm.

Lọc với tốc độ không đổi giữ vai trò quan trọng.

Sự biến thiên áp suất: tùy theo tính chất của vách lọc và cách xử lý huyền phù trước khi lọc.

Câu 28: Những nhân tố ảnh hưởng lên quá trình lắng huyền phù trong thiết bị lắng.

* Chiều cao của lớp huyền phù: không ảnh hưởng rõ rệt lên quá trình phân riêng, nhưng lớp huyền phù càng cao bao nhiêu thì lớp bã càng lên bấy nhiêu.

Thường các lớp huyền phù cao (chiều cao thiết bị lớn) nhằm có được bã đặc.

 Chiều cao của vùng có nồng độ lớn nằm gần lớp bã sẽ lớn hơn  ảnh hưởng đến tốc độ phân riêng, đồng thời lớp bã càng dày trong nhiều trường hợp có được độ khô của bã càng cao  không thể thiếu các bộ phận khác tác động lên.

* Đường kính thùng:

Sự lằng của các hạt ở gần thành thùng luôn chịu ảnh hưởng của thành thùng, tương tác này làm chậm quá trình lắng. Sự ảnh hưởng này lớn khi đường kính thùng nhỏ.

> 100  Ảnh hưởng này có thể bỏ qua

 Nếu có những quá trình mà có hiện tượng lắng trong các ống nhỏ (1 vài mm  1 vài cm)  cần phải xét đến ảnh hưởng này.

* Nồng độ huyền phù:

Có nhiều ảnh hưởng khác nhau lên quá trình lắng.

- Trường hợp đơn giản nhất: huyền phù không tương tác với pha lỏng:

Tăng nồng độ huyền phù  làm giảm tốc độ phân ly  tăng chiều dày của lớp bụi.

- Xét dòng hạt lắng đi qua 1 đơn vị tiết diện:

Tốc độ lắng hạt qua tiết diện UC

 Dòng hạt đi qua tiết diện:  = C.UC

Nếu huyền phù có nồng độ thay đổi   thay đổi.

 phụ thuộc phi tuyến tính vào nồng độ.

- Xét sự kết tầng của bã

Khi bã lắng xuống  mật độ các hạt dày  giảm tốc độ lắng của hạt & gây khó khăn cho việc thoát nước của bã. Sự thoát nước của bã phụ thuộc thời gian hạt đến được lớp bã.

 Các hạt dưới cùng chịu lực nén lớn nhất. Các hạt phía trên giảm đi. Sự nén này cùng với các quá trình hóa lý khác làm giảm chiều dày của bã  gọi là sự nén bã.

H: chiều dày của lớp bã chặt nhất

H: chiều dày của lớp bã ở thời điểm t

b: hằng số đối với mỗi loại huyền phù.

Huyền phù khó thoát nước  b rất nhỏ.

* Ảnh hưởng của hình dạng thùng:

Hình dạng thùng cũng như các vật nằm trong thùng có những ảnh hưởng khác nhau lên sự lắng.

Để tăng cường độ phân riêng người ta thường đặt thêm các tấm nghiêng trong không gian lắng. Các tấm nghiêng có góc nghiêng > góc rơi tự do.

A. = A.C.UC

A'.' = A'.C'.

'.A' = .A  ' =

+ C < Cm  C' > C  ' >   chất lỏng bên trên nặng hơn chất lỏng bên dưới  gây ra hiện tượng đối lưu.

+ C > Cm  C' < C  ' <   không có hiện tượng đối lưu. Các dòng đối lưu phụ có thể làm quá trình phân riêng chậm lại và không đạt được yêu cầu.

 Có hay không có dòng đối lưu là do nồng độ của huyền phù ở lân cận đáy vật.