Một số quá trình thường gặp ở giai đoạn tinh chế
1. Lắng
Chương 15
Một số quá trình thường gặp
Lắng huyền phù lμ quá trình tách hạt rắn trong huyền phù nhờ trọng lực của hạt. Thường huyền phù thô thì dễ lắng, dưới tác dụng của trọng lực, hạt rắn trong huyền phù sẽ lắng xuống đáy tạo thμnh lớp bã, phần nước trong ở trên sẽ được tách ra bằng cách gạn hoặc cho chảy ra bằng cách hút xi phông hoặc cho chảy trμn qua gờ ra ngoμi.
Khi huyền phù quá loãng các hạt rắn sẽ lắng riêng lẻ vμ không ảnh hưởng lẫn nhau, khi đó ta sẽ có quá trình lắng đơn chiếc.
1.2. Sự lắng của một hạt riêng lẻ (lắng đơn chiếc) 1.2.1. Tốc độ lắng
Để đơn giản ta xét hệ huyền phù thô, hạt rắn có khả năng lắng dưới tác dụng của lực trọng trường. Giả thiết hạt rắn sẽ lắng trong môi trường lỏng tĩnh, hạt rắn có dạng hình cầu, kích thước vμ khối lượng không đổi trong quá trình lắng.
Ta biết một hạt rắn sẽ lắng được trong huyền phù do lực trọng trường khi khối lượng riêng của hạt lớn hơn khối lượng riêng của huyền phù.
Xét các lực tác dụng vμo hạt rắn khi lắng, ta có sơ đồ:
P : Trọng lực của hạt S1 : Lực ma sát S2 : Lực đẩy Acsimet
R : Lực cản của môi trường lỏng.
Hình 15.1. Sơ đồ lắng trong môi trường lỏng
Ta có: R = S1 + S2
ư Nếu R > P, lực cản lớn hơn trọng lực, hạt rắn sẽ lơ lửng trong pha lỏng.
ư Nếu P > R, trọng lực lớn hơn lực cản, hạt rắn sẽ chuyển động xuống phía dưới có gia tốc a với lực P - R. Theo định luật Newton: P - R = m.a Trong đó: m: khối lượng hạt rắn
a: gia tốc chuyển động của hạt rắn.
Khi sức cản chất lỏng tăng lên thì hiệu số P - R giảm xuống, do đó gia tốc a cũng bị giảm. Sau khi lắng một thời gian thì lực P vμ R trở nên bằng nhau, do đó: a = 0. Tại thời điểm mμ hạt rắn bắt đầu chuyển động với tốc độ không đổi thì tốc độ đó gọi lμ tốc độ lắng, ký hiệu lμ w
Như vậy, điều kiện để xảy ra quá trình lắng lμ: P ≥ R. Lúc đầu, trong một khoảng thời gian rất ngắn, hạt rắn sẽ có chuyển động chậm dần đều, rồi sau đó sẽ lắng với tốc độ không đổi lμ tốc độ lắng w0.
ư Nếu P = R = S1 + S2
Theo định luật Stockes, khi hạt rắn rơi xuống dưới tác dụng của lực hút trong chất lỏng hoặc khí thì lực ma sát S1 tỷ lệ với tốc độ lắng, nghĩa lμ:
S1 = 3πd w0 μ , [N]
Trong đó: d: đường kính của hạt rắn, m W: tốc độ lắng, m/s
μ: độ nhớt động lực của môi trường, Ns/m2 Lực đẩy Archimedes S2 sẽ lμ: S2 = Vρ2 g, [N].
Trong đó: V : thể tích của các hạt rắn, m3
S2 : khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3
Lực hút P chính lμ trọng lượng của các hạt rắn: P = Vρ1g, [N]
Trong đó: ρ1 : khối lượng riêng của hạt rắn, kg/m3 V : thể tích của hạt rắn, m3
Ta coi hạt rắn lμ hình cầu, do đó: V = 3 ,
[ ]
36d m Π
Thay các giá trị của S1, S2, ρ vμo công thức P = S1 + S2, ta có:
Vρ1g = 3πdw0μ + Vρ2g ⇒ Vg(ρ1 - ρ2) = 3πdw0μ.
Thay giá trị của V vμo công thức trên ta có phương trình:
(
ρ ưρ)
= π ω μ π0 2
1 3
d 6 3
g d
( )
μ ρ ư
= ρ
ω 18
g d2 1 2
0 , [m/s]
Như vậy, tốc độ lắng của các hạt rắn có dạng hình cầu với kích thước bé trong môi trường lỏng tĩnh tỷ lệ với bình phương đường kính của nó vμ hiệu số tỷ trọng của hạt rắn với môi trường vμ tỷ lệ nghịch với độ nhớt của môi trường.
Để lμm tăng tốc độ lắng của hạt rắn, ta cũng có thể lμm giảm độ nhớt của môi trường chất lỏng bằng cách đun nóng đều huyền phù theo tất cả chiều cao của thiết bị lắng. Vì khi đun nóng đều huyền phù sẽ không tạo ra dòng chất lỏng đối lưu lμm cản trở sự lắng của hạt rắn.
1.2.2. Năng suất thiết bị lắng
Đưa huyền phù vμo một bể lắng, cho đứng yên. Sau một thời gian, dưới tác dụng của trọng lực các hạt rắn sẽ lắng xuống dưới đáy tạo thμnh lớp bã, còn chất lỏng trong được lấy ra ngoμi ở phía trên.
Hình 15.2. Sơ đồ quá trình lắng
Tốc độ lắng lμ w0, tức lμ sau một đơn vị thời gian lắng τl thì hạt rắn sẽ đi được một quãng đường lμ h, ta có: h = w0τl, [m].
Thể tích của lượng lỏng trong thu được trong một đơn vị thời gian lμ:
l l 0 l 0
F V hF
τ τ
= ω
= τ , [m3/h]
⇒ Vo = w0F, [m3/h]
Từ công thức trên ta thấy rằng: Năng suất của bể lắng tỷ lệ với diện tích lắng vμ tốc độ lắng mμ không phụ thuộc vμo chiều cao của bể lắng. Như vậy bể lắng có năng suất cao lμ bể lắng có diện tích lắng lớn. Tuy nhiên chiều cao lắng cũng phải đủ lớn để ngăn ngừa không cho bã bị nước trong kéo theo ra ngoμi.
1.3. Sự lắng của khối hạt (lắng tập thể)
Khi nồng độ huyền phù tăng thì sự lắng của các hạt không còn tự do nữa mμ có sự cản trở lẫn nhau, gọi lμ sự lắng của khối hạt. Quá trình lắng của khối hạt trong bể lắng xảy ra phức tạp hơn quá trình lắng của hạt đơn chiếc khi huyền phù còn loãng. Đối với huyền phù đậm đặc, lớp các hạt lắng tạo với lớp nước trong một bề mặt phân cách. Vận tốc lắng ở bề mặt phân cách biểu thị cho vận tốc lắng của khối hạt w. Vận tốc lắng phụ thuộc vμo sự tác động tương hỗ giữa các hạt, tính chất vật lý của hạt rắn vμ lỏng. Kích thước vμ hình dạng hạt cũng ảnh hưởng đến quá trình lắng.
Chiều cao lắng phụ thuộc vμo nồng độ huyền phù vμ thời gian lắng. Mối quan hệ nμy được biểu thị bằng đồ thị gọi lμ đồ thị đường cong lắng. Trên đồ thị a) đường cong 2 tương ứng với huyền phù đậm đặc hơn, có độ nghiêng ít hơn so với đường cong 1. Điều nμy lμ do có ảnh hưởng của sự va chạm giữa các hạt vμ lớp bã ở đáy bể lắng.
τl: thời gian lắng, h F: bề mặt lắng, m2
h: chiều cao của lớp chất lỏng trong, m w0: tốc độ lắng của hạt, m/s
V0: năng suất bể lắng, là lượng nước trong thu được trong một đơn vị thời gian, m3/h.
Hình 15.3. Đường cong lắng a) Lớp bã dày, b) Lớp bã mỏng.
Quá trình lắng xảy ra trong bể lắng có hình thμnh các khu vực khác nhau. Nghiên cứu mối quan hệ giữa chiều cao lắng vμ thời gian lắng, người ta xây dựng được đường cong H = f(t) tương ứng với các khu vực trong bể lắng.
Hình 15.4. Nghiên cứu sự lắng cho lớp bã dày
1. Vùng nước trong, 2. Vùng huyền phù, 3. Vùng nén, 4. Vùng bã rắn.
Nói chung phương pháp lắng đơn giản, thiết bị rẻ tiền, dễ thực hiện. Tuy nhiên có những trường hợp như huyền phù loãng, các hạt rắn có kích thước nhỏ hoặc các hạt nhẹ lơ lửng không thể lắng được hoặc rất khó lắng thì khi đó người ta phải tách các hạt rắn ra khỏi pha lỏng bằng phương pháp lọc. Hơn nữa dùng phương pháp lọc thì có thể tách một cách nhanh hơn vμ triệt để hơn so với phương pháp lắng.