Tính toán thiết bị: bồn lọc cát áp lực

GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 51 CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN THIẾT BỊ Do trong cơng nghệ xử lý cĩ sử dụng quá trình lọc thẩm thấu ngược nên để cĩ được nước thành phẩm với lưu lượng 4m3/h thì cơng suất xử lý của các thiết bị đi trước phải cĩ cơng suất lớn hơn tùy thuộc vào tỷ lệ nước sạch của lọc thẩm thấu ngược. Ở đây ta chọn tỷ lệ nước sạch là 60% do đĩ cơng suất của các cơng trình trước RO phải cĩ cơng suất là 7m3/h. 4.1. BỒN LỌC CÁT ÁP LỰC  Vật liệu: Thép khơng gỉ.  Vật liệu lọc:  Cát thạch anh (gĩc cạnh): đường kính hiệu quả d = 0,55mm  Chiều dày lớp VLL: hvl = 1,1m  Sỏi đỡ: đường kính d = 2 – 4 mm, dày hđ = 0,2m  Thu nước lọc và phân phối nước rửa lọc bằng chụp lọc  cĩ lớp sỏi đỡ với cỡ hạt từ 2 – 4mm, dày 0,15 – 0,2m (TCXDVN 33 – 2006).  Vận tốc lọc: v = 8 – 20 m/h Bảng 4.1 Đặc tính vật liệu lọc Vật liệu lọc Hình dạng Hệ số hình học ( ) Tỉ trọng tương đối Độ rỗng (e), % Đường kính mm Cát thạch anh Trịn Gĩc cạnh 0,82 0,73 2,65 2,65 42 53 0,4 – 1,0 0,4 – 1,0 Cát Ottawa Cầu 0,95 2,65 40 0,4 – 1,0 Anthracite nghiền Gĩc cạnh 0,72 1,5 – 1,75 55 0,4 – 1,4 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 52 (Nguồn: SECTION IV/Physical – Chemical Treatment Processes) 4.1.1. KÍCH THƯỚC BỒN LỌC CÁT ÁP LỰC Lưu lượng nước vào bồn lọc: Q = 7 m3/h Chọn vận tốc lọc: v = 15 m/h Diện tích bề mặt bể lọc: 46,0 15 7  v QAS m² Đường kính bồn lọc: 76,046,04 4   xxAD S m Chọn đường kính bể: D = 0,8m Thử lại Diện tích bề mặt bồn lọc áp lực: 50,0 4 8,0 4 22  xxDAS  m² Vận tốc lọc của bồn lọc: 14 5,0 7  SA Qv m/h Chiều cao bồn lọc: H = hđ + hvl + hn +hbv Trong đĩ: H : Chiều cao tổng cộng bể lọc, m hđ : Chiều cao lớp sỏi đỡ, hđ = 0,2m hvl : Chiều cao lớp cát lọc, hvl = 1,1m hbv : Chiều cao bảo vệ, hbv = 0,25m hn : khoảng cách từ bề mặt lớp VLL đến phễu phân phối nước, m GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 53 Theo Điều 6.119 – TCXDVN 33 – 2006 “ Cấp nước – Mạng lưới đường ống và cơng trình – Tiêu chuẩn thiết kế”: hn = hvl.ee + 0,3 Trong đĩ: ee : Độ nở tương đối vật liệu lọc khi rửa ngược, ee = 0,45 (Bảng 4.2) hn = 1,10,45 +0,3 = 0,8m Vậy: H = 0,2 + 1,1 + 0,8 + 0,25 = 2,35 m Ta chọn chiều cao của bồn là H= 2, 5 m Bảng 4.2 Độ nở tương đối của vật liệu lọc Loại vật liệu lọc và bể lọc Hệ số khơng đồng nhất (K) Độ nở tương đối của VLL, (ee, %) Bể lọc nhanh 1 lớp VLL  d = 0,5 – 1,25 (dhiệu quả = 0,6 – 0,65)  d = 0,7 – 1,60 (dhiệu quả = 0,75 – 0,8)  d = 0,8 – 2,0 (dhiệu quả = 0,9 – 1,1) 1,5 – 1,7 1,3 – 1,5 1,2 – 1,4 45 30 25 Bể lọc nhanh 2 lớp VLL 50 (Nguồn: TCXDVN 33 – 2006 – Bảng 6.11 và Bảng 6.13) GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 54 4.1.2. RỬA LỌC  Khi lọc nước qua lớp vật liệu hạt, nước chảy qua các khe rỗng, cặn bám vào bề mặt hạt, dần dần thu hẹp kích thước của các khe rỗng làm cho vận tốc nước qua các khe rỗng tăng lên, kéo theo các hạt cặn đã bám dính từ trước đi xuống lớp hạt nằm dưới, cứ như thế đến cuối chu kỳ lọc cặn cĩ thể bị kéo ra ngồi làm xấu chất lượng nước lọc.  Do đĩ, sau một thời gian vận hành bể lọc, phải tiến hành rửa bể lọc khi bể lọc đạt tới tổn thất giới hạn hgh 6 – 8m  Phương pháp rửa lọc: Rửa ngược bằng nước thuần túy.  Thời gian rửa: t = 5 – 6 phút a. Tính tốn sơ bộ thời gian của chu kỳ lọc theo khả năng chứa cặn của lớp vật liệu lọc  Nước thủy cục: Hàm lượng cặn C = 5 mg/l (Xem như là cặn vơi làm mềm nước) Độ ẩm cặn = 94% (Bảng 4.3) Trọng lượng cặn = 6% Bảng 4.3 Thể tích cặn chiếm chổ trong lỗ rỗng hạt VLL Vận tốc lọc (m/h) Thể tích cặn chiếm chổ trong lỗ rỗng < 5 5,5 – 7,5  8 1/3 1/4 1/6 – 1/5 ( Nguồn: Trịnh Xuân Lai, Cấp nước – Tập 2) Bảng 4.4 Độ đặc của cặn Loại cặn Độ ẩm (%) Cặn nước hồ chứa nhiều chất hữu cơ nhẹ Cặn nước sơng độ đục cao 98 96 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 55 Cặn sắt, vơi làm mềm nước 94 ( Nguồn: Trịnh Xuân Lai, Cấp nước – Tập 2)  Lọc qua bể lọc cát:  dhiệu quả = 0,55mm  Chiều dày lớp cát h = 1,1m  Độ rỗng e = 53% (Bảng 4.1)  Tốc độ lọc: v = 14 m/hThể tích chứa cặn trong khe rỗng VLL = 1/5(Bảng 4.3) Thể tích chứa cặn của lớp cát lọc: ³0586,01,1 4 8,053,0 5 1 2 mxxxxV      Lượng cặn mà 1 m3 cát lọc cĩ thể giữ lại (Trọng lượng cặn chiếm 6%): kgmxmkgG 516,3³0586,0³/60   Lưu lượng nước qua bể lọc: Q = 7 m3/h Lượng cặn mà lớp cát lọc phải giữ lại được trong 1h: hkghghmxmgCxQm /035,0/35/³7³/5  Chu kỳ lọc: ngàygchấtlượn 19,446,100035,0 516,3  h m GT Nếu lọc quá thời gian này, chất lượng nước sẽ khơng đạt. Do đĩ, thời gian đạt tới tổn thất giới hạn Ttổn thất giới hạn Tchất lượng Ttổn thất giới hạn4 ngày b. Tính tốn tổn thất áp lực qua bể lọc Tổn thất áp lực giới hạn khi vận hành bể lọc được tính theo cơng thức: Hvh = Hs + Hb + Hcb Với: GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 56 Hs : Tổn thất áp lực khi qua lớp cát sạch Hb : Tổn thất áp lực giới hạn khi lớp cát lọc bẩn và cần phải rửa lọc, theo TCXD 33 – 1985, tổn thất này lấy từ 6 – 8m, ta chọn Hb = 6m Hcb : Tổn thất áp lực cục bộ khi nước chảy trong ống, ta chọn Hcb = 1m Để tính tổn thất áp lực qua lớp cát sạch, ta sử dụng cơng thức của Rose (Rose, 1945) Hs = 2 4 1,067 1 d L vC d g     Với:  : Hệ số hình dạng của vật liệu lọc, cát lọc thường lấy  = 0,85 Cd : Hệ số cản  : Độ rỗng của vật liệu lọc, như trên ta cĩ  = 0,4 L : Chiều cao lớp cát lọc d :Đường kính tương đương của hạt vật liệu lọc, ở đây d = 0,55 mm v :Vận tốc lọc của bồn lọc Hệ số cản Cd được tính theo cơng thức sau đây: Cd = 24 3 0,34 R RN N   Với NR là số Reynol: NR = d v    Với  là độ nhớt của nước ở nhiệt độ làm việc (250C), 60,893.10   04,2 10.893,03600 1410.55,085,0 6 3    x xxN R Như vậy hệ số cản tính được là: GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 57 21,1434,0 04,2 3 04,2 24 dC Tổn thất áp lực qua lớp cát sạch tính được là: m x xxxx g vx d LxxxCH dS 8,181,93600 14 10.55,0 1,1 4,0 121,14 85,0 067,11067,1 2 2 34 2 4   Như vậy tổn thất áp lực giới hạn để vận hành bồn lọc là: Hvh = Hs + Hb + Hcb = 1,8 + 6 + 1 = 8,8 m Khi tổn thất áp lực trong bể lọc đạt đến 8,8 m thì ta sẽ tiến hành rửa ngược để đưa bể lọc về trạng thái hoạt động tốt nhất. c. Cường độ rửa ngược Quan hệ giữa số Reynold và Số Galileo: Remf =   1/ 2233,7 0,0408 33,7Ga     (*) Trong đĩ: Hệ số Reynold: Remf = 90 mfd    Số Galileo:  390 2sd gGa      d90 = d10.K1,67 = 0,5510 3 1,51,67 = 1,083.10 3 m Với: d10 :Đường kính hiệu quả của VLL, d10 = 0,55 mm K : Hệ số khơng đồng nhất, K = 1,5 (Bảng 4.2) mf : Vận tốc nước nhỏ nhất làm lớp cát chuyển động, m/s  : Khối lượng riêng của nước,   10 3 kg/m3 s : Khối lượng riêng của hạt VLL, s  2650 kg/m3 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 58  :Độ nhớt của nước, 310  kg/m.s Re 3 3 3 10 1,083 10 1083 10 mf mf               33 3 23 1,083 10 10 2650 1000 9,81 20.560,72 10 Ga        Thay Re và Ga vào (*), ta được: 1083 mf    1/ 2233,7 0,0408 20.560,72 33,7     1083 mf  10,736 mf  9,91.10 3 m/s 9,91 l/s.m2 mf  35,7 m/h Cường độ rửa ngược: vb = 1,3 3 31,3 9,91 10 12,9.10 / 13mf m s       l/s.m2 = 46,8 m/h d. Lưu lượng nước rửa lọc hmslsmxxxvxDAxvQ bbb /³4,23/5,6/³10.5,610.9,124 8,0 4 33 22   4.1.3. HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VÀ THU NƯỚC LỌC  Nước được dẫn vào bể bằng ống dẫn nước rồi được phân phối đều trên bề mặt bể lọc bằng phễu. Nước sau lọc được thu bằng hệ thống sàn chụp lọc rồi được dẫn ra khỏi bể bằng ống dẫn nước.  Nước rửa lọc được dẫn vào bể bằng ống dẫn nước rồi được phân phối đều vào bể qua hệ thống sàn chụp lọc, sau đĩ tràn vào phễu thu nước và được dẫn ra ngồi bằng ống dẫn nước. a. Ống dẫn nước vào và ra  Lưu lượng nước vào và ra khỏi bể: Q = 7 m3/h GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 59  Chọn ống dẫn nước vào lọc là ống inox  49 ( d = 49 mm = 0,049 m) Vận tốc nước chảy trong ống: sm xx x xD xQv /03,1 049,03600 744 22   (Thỏa Bảng 4.5) b. Ống dẫn nước rửa lọc  Lưu lượng nước rửa lọc: Qb = 6,5.10 3 m3/s  Chọn ống dẫn nước rửa vào và thốt nước rửa là ống inox 49 (d= 49mm = 0,049m) Vận tốc nước chảy trong ống: sm x x xd xQ v bb /45,3049,0 10.5,644 2 3 2    (thỏa Bảng 4.5) Bảng 4.5 Vận tốc nước chảy trong ống Ống Vận tốc (m/s) Dẫn nước vào lọc Dẫn nước lọc ra Dẫn nước rửa lọc vào Thốt nước rửa lọc 0,6 – 1,8 0,9 – 1,8 2,4 – 3,7 3,6 – 4,8 ( Nguồn: SECTION IV/ Physical – Chemical Treatment Processes) c. Phễu:  Vật liệu: Thép khơng gỉ.  Hình dạng: Hình nĩn cụt. Đầu nĩn gắn manchon nhựa cĩ ren để gắn ống dẫn nước vào.  Chọn phễu cĩ kích thước:  Đường kính đáy nhỏ = đường kính ống dẫn nước vào = 49 mm GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 60  Đường kính đáy lớn = 250 mm  Chiều cao phễu: 150 mm d. Hệ thống sàn chụp lọc  Sàn gắn chụp lọc:  Vật liệu: Thép khơng gỉ dạng tấm.  Đường kính: 0,8 m  Dày: 6 mm  Trên sàn cĩ đục 20 lỗ  25 để gắn chụp lọc.  Chụp lọc:  Số lượng chụp lọc35 – 50 cái cho 1 m2 diện tích cơng tác bể. ( Điều 6.112 TCXDVN 33 – 2006)  Chọn số lượng chụp lọc trên 1 m2 bể là: 40 cái Số chụp lọc trong bồn: N = 40diện tích bề mặt bồn lọc = cái20 4 8,040 2 xx Chọn: N = 20 cái.  Lưu lượng nước rửa lọc: Qb = 6,5 l/s.  Lưu lượng nước rửa lọc qua mỗi chụp lọc: sl N Qq b /325,0 20 5,6  4.1.4. TÍNH BƠM  Bơm dẫn nước vào Hb = hơ + hL +hgh Trong đĩ: GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 61 Hb Cột áp bơm, m hơ Tổn thất áp lực trên đường ống dẫn từ bể chứa đến bể lọc bao gồm tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ, m hL Tổn thất áp lực ban đầu, m hgh Tổn thất áp lực giới hạn của bể lọc, hgh = 6 – 8 m (TCXD 33 – 2006), chọn hgh = 6 m  Tổn thất áp lực trên đường ống hơ = hd +hcb Trong đĩ: hd : Tổn thất dọc đường trong đường ống, m hcb : Tổn thất cục bộ trong đường ống, m  Tổn thất dọc đường trong đường ống Cơng thức Darcy: hd = 2 2 L v D g    Trong đĩ: L : chiều dài ống, L = 10 m D : Đường kính ống, D = 0,049 m g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 v : Vận tốc nước trong ống, v  1 m/s  : Hệ số tổn thất, tra giản đồ Moody (PHỤ LỤC 7) , Ref D       , Re = v D   Với:  : Độ nhám tuyệt đối GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 62  : Độ nhớt động học của nước,  10 6 m/s 4 6 10.9,410 049,01Re  x Giản đồ Moody   = 0,025 Vậy: m x hd 260,081,92 1. 049,0 10.025,0 2   Tổn thất cục bộ hcb = 2 2 v g  Trong đĩ:  : Hệ số tổn thất cục bộ, phụ thuộc loại tổn thất và thường được xác định bằng thực nghiệm v : Vận tốc nước chảy trong ống, v  1 m/s Chọn: Tổn thất cục bộ tổng cộng qua tất cả các van, co, cút trên đường ống dẫn nước vào là hcb = 1 m. Vậy: hơ = 0,260 + 1 = 1,260 m  Tổn thất áp lực ban đầu ( Tổn thất qua lớp cát sạch) Pt Carman – Kozeny: hL = 2 3 1 . svL ef d e g              Trong đĩ: hL : Tổn thất áp lực qua lớp cát sạch, m L : Chiều cao lớp vật liệu lọc, L = hvl = 1,1 m  : Hệ số hình học,   0,73 ( Bảng 4.1) d : Đường kính hiệu quả hạt vật liệu lọc, d = 0,55 mm = 0,55.10 3 m GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 63 e : Độ rỗng, e = 53% (Bảng 4.1) sv : Tốc độ vào lọc ( Tốc độ lọc) 14 5,0 7  S S A Qv m/h = 3,889.10-3 m/s f : Hệ số ma sát Hệ số ma sát là một hàm theo số Reynold, theo Ergun (1952): f = 1150 Re e k  Re sv d  Trong đĩ:  : Khối lượng riêng của nước, 310  kg/m3  : Độ nhớt của nước, 310  N.s/m2 = 10 3 kg/m.s k = const = 1,75 (Ergun, 1952)  56,1 10 10.56,0.73,0.10.889,3.10...Re 3 333      dvS  71,5275,1 56,1 53,01150 Re 1.150  kef Vậy:   37,0 81,9 10.889,3 53,0 53,01 10.55,073,0 1,171,52 23 23            x hL  Cột áp bơm: Hb = 1,312 +0,37 + 6 = 7,682 m Chọn: Hb = 8m Cơng suất bơm: kWHgQN 191.0 8,0.10 8.81,9.10. 3600 7 .10 ... 3 3 3    GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 64 Với:  : Hiệu suất chung của bơm,   0,72 – 0,93 Chọn   0,8 Chọn bơm cĩ đặc tính:  Lưu lượng: Q = 7 m3/h  Cột áp: H = 8 m  Cơng suất: N = 0,2 kW  Bơm rửa lọc Áp lực bơm rửa lọc: Hr = hơ +hLe +hđ +hchụp +hgh Trong đĩ: Hr : Cột áp bơm rửa lọc, m hơ : Tổn thất áp lực trên đường ống dẫn nước bao gồm tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ, m hLe : Tổn thất áp lực qua lớp VLL khi rửa lọc, m hđ : Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ, m hchụp : Tổn thất qua chụp lọc, m hgh : Tổn thất áp lực giới hạn, hgh = 6 m  Tổn thất áp lực trên đường ống hơ = hd +hcb Trong đĩ: hd : Tổn thất dọc đường trong đường ống, m hcb : Tổn thất cục bộ trong đường ống, m  Tổn thất dọc đường trong đường ống Cơng thức Darcy: GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 65 hd = 2 2 L v D g   Trong đĩ: L : Chiều dài ống, L = 10 m D : Đường kính ống, D = 0,049 m g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 v : Vận tốc nước trong ống, v  3,45 m/s  : Hệ số tổn thất, tra giản đồ Moody (Phụ lục 7) , Ref D       , Re vD  Với:  : Độ nhám tuyệt đối  : Độ nhớt động học của nước, 610  m/s2 56 10.69,110 049,045,3Re   xvxD Giản đồ Moody   = 0,019 Vậy: m x hd 352,281,92 45,3. 049,0 10.019,0 2   Tổn thất cục bộ hcb = 2 2 v g  Trong đĩ:  : Hệ số tổn thất cục bộ, phụ thuộc loại tổn thất và thường được xác định bằng thực nghiệm v : Vận tốc nước chảy trong ống, v  3,45 m/s Chọn: Tổn thất cục bộ tổng cộng qua tất cả các van, co, cút trên đường ống dẫn nước rửa lọc vào là hcb = 1 m GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 66 Vậy: Tổn thất áp lực trên đường ống hơ = 2,352 + 1 = 3,252 m  Tổn thất áp lực qua lớp VLL khi rửa lọc hLe = (1 )s e L      Trong đĩ: s : Khối lượng riêng của VLL, 2650s  kg/m3  : Khối lượng riêng của nước, 1000  kg/m3 e : Độ rỗng lớp VLL, e = 0,53 L : Chiều cao lớp VLL, L = hvl = 1,1 m  hLe =  2650 1000 1 0,53 1,1 0,8531000      m  Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ hđ = 0,061hvb Trong đĩ: h : Chiều dày lớp sỏi đỡ, h = 0,2 m vb : Vận tốc rửa ngược, vb = 46,8 m3/m2.h  hđ = 0,0610,246,8 = 0,57 m  Tổn thất áp lực qua hệ thống phân phối bằng chụp lọc Tổn thất áp lực trong hệ thống phân phối rửa lọc bằng sàn chụp lọc theo TCXDVN 33 – 2006 – Điều 6.112: hchụp = 2 22g   Trong đĩ:  : Vận tốc chuyển động của nước qua khe hở của chụp lọc,  1,5 m/s GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 67  : Hệ số lưu lượng của chụp lọc, chụp lọc khe hở  = 0,5 hchụp = 2 2 1,5 0, 459 2 9,81 0,5   m Cột áp bơm: Hr = 3,252 + 0,853 + 0,57 + 0,459 + 6 = 11,134 m Chọn: Hr = 12 m. Cơng suất bơm 3 3 3 18 10 9,81 12 0,74 10 3600 10 0,8 Q gHN        kW Với: : Hiệu suất chung của bơm,   0,72 – 0,93 Chọn  = 0,8 Chọn bơm cĩ đặc tính:  Lưu lượng: Q = 18 m3/h  Cột áp: H = 12 m  Cơng suất: N = 0,74 kW 4.1.5. TÍNH CƠ KHÍ a. Tính chiều dày thân Áp suất làm việc trong bồn lọc: Ptt = Pmt + Pl Trong đĩ: Pmt : Áp suất pha khí trong thiết bị (chính là áp suất của bơm nước thơ),Pmt = 4 at = 0,4053 (N/mm2) Pl : Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị Pl = g 69,81 1000 2,5 10 0,0245l H       ( N/mm2) GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 68  Ptt = 0,4053 + 0,0245 = 0,43 ( N/mm2) Chiều dày thân Xét:   146 0,9 305,58 0,43httP      >25    146 là ứng suất cho phép của thép khơng gỉ Nên cơng thức tính bề dày tối thiểu thân thiết bị:   mmxx x xx xPDS h ttt 3,1 9,01462 43,0800 2 '   Chọn hệ số bổ sung để quy trịn kích thước: C = Ca + Cb + Cc + C0 Ca = 1 mm: Hệ số bổ sung do ăn mịn hĩa học Cb = 0,3 mm: Hệ số bổ sung do bào mịn cơ học Cc = 0 mm C0 = 0,5 mm  Bề dày thực của thân thiết bị là: ' 1, 2 1,8 3S S C     mm Kiểm tra điều kiện bền: 1,00025,0 800 13  t a D CS Như vậy bề dày thiết bị = 3 mm là thỏa mãn Áp suất cho phép trong thân thiết bị khi bề dày S = 3 mm:     tt at ah PmmNxxx CSD CSP    2/65,0 )13(800 )13(9,0.1462 )( ).(..2  Vậy: Thân bồn lọc cĩ bề dày S = 3 mm thỏa mãn điều kiện bền và áp suất làm việc GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 69 b. Tính đáy nắp Ta chọn đáy nắp hình elip tiêu chuẩn ( Rt = Dt = 800 mm) Chiều dày của đáy, nắp bồn lọc cĩ thể chọn bằng hoặc lớn hơn chiều dày của thân bồn. Theo bảng XIII.11 trang 384 Sổ tay quá trình và thiết bị tập 2 ta chọn đáy, nắp elip với bề dày 3 m tương ứng với Dt = 800 mm Kiểm tra: 1,00025,0 800 13  t a D CS ( thỏa)  Áp suất cho phép ứng với bề dày S = 3 mm:     tt at ah PmmNxxx CSD CSP    2/65,0 )13(800 )13(9,0.1462 )( ).(..2  Vậy bề dày của đáy và nắp là S = 3 mm 4.2. CỘT LỌC THAN HOẠT TÍNH  Vật liệu: Thép khơng gỉ  Lưu lượng nước vào: Q = 7 m3/h Bảng 4.6 Thơng số thiết kế cột lọc than GAC Thơng số Đơn vị Giá trị Khối lượng riêng GAC, GAC Vận tốc vào, fv Thời gian tiếp xúc, EBCT kg/m3 m/h phút 350 – 550 5 – 15 5 - 30 (Nguồn: Meftcaf & Eddy, Wastewater Engineering Treatment and Reuse) GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 70 Bảng 4.7 Đặc điểm kỹ thuật của GAC Thơng số Đơn vị Giá trị Lớp than dày Hệ số giãn nở lớp VLL Tổng diện tích bề mặt Khối lượng đổ đống Khối lượng riêng ẩm ( trong nước) Đường kính hiệu quả Hệ số khơng đồng nhất ( UC) Đường kính hạt cĩ nghĩa Số Iodine Chỉ số ma sát Độ tro Độ ẩm m m2/g kg/m3 kg/m3 mm mm % % 0,8 – 1,2 10 – 50% 700 – 1300 400 – 440 1300 – 1500 0,8 – 0,9 1,9 1,5 – 1,7 850 70 8 4 - 6 (Nguồn: Meftcaf & Eddy, Wastewater Engineering Treatment and Reuse) 4.2.1. KÍCH THƯỚC CỘT LỌC Chọn:  Vận tốc vào: fv = 15 m/h ( Bảng 4.6)  EBCT = 5 phút = 1/12 h (Bảng 4.6) Thể tích GAC trong cột: Vb = QEBCT = 71/12 = 0,583 m3 Diện tích bề mặt cột lọc: GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 71 ²47,0 15 7 m v QA f b  Đường kính cột lọc: mxxAD b 77,047,04.4   Chọn D = 0,8 m Diện tích bề mặt cột lọc: ²503,0 4 8,0 4 22 mxDAb   Vận tốc nước vào cột lọc: )/155(/14 503,0 7 hmhm A Qv b f  Chiều cao cột lọc: H = hđ + hGAC + hn + hbv Trong đĩ: H : Chiều cao tổng cộng bể lọc, m hđ : Chiều cao lớp sỏi đỡ, hđ = 0,15 m hbv : Chiều cao bảo vệ, hbv = 0,2 m hGAC : Chiều cao lớp than, m m A Vh b b GAC 2,1503,0 583,0  hn : Khoảng cách từ bề mặt lớp than đến phễu thu nước rửa, m Theo Điều 6.119 – TCXDVN 33 – 2006 “Cấp nước – Mạng lưới đường ống và cơng trình – Tiêu chuẩn thiết kế”: hn = hVLee + 0,3 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 72 Với: ee: Độ giãn nở của lớp than khi rửa ngược, ee = 50% = 0,5 hn = 1,20,5 + 0,3 = 0,9 m Vậy: H = 0,15 + 1,2 + 0,9 + 0,2 = 2,45 m  2,5 m 4.2.2. TÍNH CƠ KHÍ a. Chiều dày thân Để đơn giản ta chọn bồn lọc than hoạt tính với bề dày thân bằng bề dày của bồn lọc cát áp lực ( vì thực tế áp suất bồn lọc than nhỏ hơn bồn lọc cát). Kiểm tra điều kiện bền: 1,0025,0 800 13  t a D CS Như vậy bề dày thiết bị = 3 mm là thỏa mãn Chọn vật liệu chế tạo thiết bị là thép khơng gỉ X18H10T ( C< 0,1%, Crơm khoảng 18%, niken khoảng 10%, titan khoảng 1-1,5%). Tra bảng XII.4 và XII.7- sổ tay tập 2 ta cĩ các tính chất của vật liệu như sau  Giới hạn bền chảy: c =220.106 N/m2  Giới hạn bền khéo: k =550.106 N/m2  Độ giãn nở tương đối: =38%  Chiều dài tấm thép: 4-25mm  Hệ số dẫn nhiệt:  =16,3 W/m.độ  Khối lượng riêng:  =7,9.103 kg/m3 Chọn cơng nghệ gia cơng là hàn bằng hồ quang điện, hàn giáp mối hai bên. Theo bảng XIII.2 và XIII.8- Sổ tay tập hai, ta cĩ các thơng số gia cơng như sau:  Hệ số điều chỉnh: η=1  Hệ số an tồn bền kéo: nk=2,6  Hệ số an tồn bền chảy: nc=1,5  Hệ số an tồn bền lâu: nbl=1,5  Hệ số an tồn mối hàn: φh=0,90 Ứng suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bền( bảng XIII.4 – Sổ tay tập hai) GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 73   6 6 2550.10. .1 211,54.10 / 2,6 k k k N m      6 6 2220.10. .1 146,67.10 / 1,5 c k c N m    Ta lấy giá trị bé hơn trong hai ứng suất ở trên làm ứng suất cho phép tiêu chuẩn:[σ]=146.106 N/m2 Áp suất thủy tĩnh: ²/245255,281,91000.. mmNxxHgPt   Áp lực cột lọc: Chọn bơm BK là bơm xốy lốc một cấp nằm ngang để bơm nước sạch, khơng chứa tạp chất rắn nên áp lực là 4 bar (tính theo II.36-Sổ tay tập 1) 4 24 9,81.10 392400 /mtP N m   Áp suất làm việc trong thiết bị Ptt = Pt + Pmt = 24525 + 392400 = 416925 N/m² = 0,417 N/mm² Áp suất cho phép trong thân thiết bị khi bề dày S = 3 mm:     ²/65,0 )13(800 )13(9,01462 )( )(2 mmNxxx CSD CSxxxP at ah     > Ptt (=0,417) Vậy: Thân bồn lọc than hoạt tính cĩ bề dày S = 3 mm thỏa mãn điều kiện bền và áp suất làm việc b. Tính đáy nắp Ta chọn đáy nắp hình elip tiêu chuẩn (Dt = 800 mm) Chiều dày của đáy, nắp bồn lọc than cĩ thể chọn bằng hoặc lớn hơn chiều dày của thân bồn. Theo bảng XIII.11 trang 384 Sổ tay quá trình và thiết bị tập 2 ta chọn đáy, nắp elip với bề dày 3mm tương ứng với Dt = 800 mm Kiểm tra: 1,0025,0 800 13  t a D CS (thỏa) Áp suất cho phép ứng với bề dày S = 3 mm:     ²/65,0 )13(800 )13(9,01462 )( )(2 mmNxxx CSD CSxxxP at ah     > Ptt (=0,417) GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 74 Vậy bề dày của đáy và nắp của bồn lọc than hoạt tính là S = 3mm 4.2.3. THỜI GIAN HOẠT ĐỘNG CỦA THAN (THỜI GIAN THAY LỚP THAN MỚI) GACmt Q CUR   Trong đĩ: t : Thời gian hoạt động của than, h mGAC : Khối lượng than trong cột lọc, kg Q : Lưu lượng nước vào, Q = 7 m3/h CUR : Lượng than hoạt tính cần để xử lý 1 m3 nước, kg/m3 nước đã xử lý  Khối lượng than trong cột lọc mGAC = Vb x GAC = 0,583 x 450 = 262,35 kg Trong đĩ: Vb : Thể tích lớp than, Vb = 0,583 m3 GAC : Khối lượng riêng của GAC, GAC  450 kg/m3 ( Bảng 4.6)  Lượng than cần để xử lý 1 m3 nước CUR = 1 GAC sp m V Q t   Trong đĩ: Vsp : Lượng nước mà 1kg than xử lý được, m3/kg Vsp = 50 – 200 m3/kg ( Nguồn: Meftcaf & Eddy, Wastewater Engineering Treatment and Reuse) Chọn: Vsp = 50 CUR = 1 1 0,02 50spV   kg/m3 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 75 Vậy: h x t 1874 02,07 35,262  = 78,08 ngày 2,6 tháng Vậy sau khi sử dụng 78 ngày nên hồn nguyên than hoặc thay than mới để đảm bảo cột lọc than vẫn cịn hoạt động tốt trong dây chuyền xử lý 4.2.4. RỬA NGƯỢC  Sau một thời gian vận hành bể lọc, phải tiến hành rửa bể lọc (nhằm tránh tăng tổn thất áp lực) khi bể lọc đạt tới tổn thất giới hạn hgh6 – 8 m.  Phương pháp rửa lọc: Rửa ngược bằng nước thuần túy.  Thời gian rửa: t = 5 – 6 phút.  Cường độ rửa ngược: bv = 30 – 35 m/h ( Nguồn: www.clackcorp.com). Chọn: bv = 30 m/h = 8,33.10 3 m/s Lưu lượng nước rửa ngược: hmslsmxxvxDAxvQ bbb /³12,15/2,4/³10.2,410.33,84 8,0 4 33 22   4.2.5. HỆ THỐNG PHÂN PHỐI  Chọn ống dẫn nước và nước rửa: Ống inox  49.  Phễu phân phối nước và thu nước rửa lọc:  Đường kính đáy nhỏ = đường kính ống dẫn nước vào = 49 mm  Đường kính đáy lớn = 250 mm  Chiều cao phễu: 150 mm  Chụp lọc:  Số lượng chụp lọc 25 – 50 cái/m2  Diện tích bồn than S = 0,503 m2  chọn N = 20 cái  Lưu lượng nước qua một chụp lọc: GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 76 sl N Qq b /21,0 20 2,4   Sàn gắn chụp lọc:  Vật liệu: Thép khơng gỉ dạng tấm.  Đường kính: 0,8 m ; Dày: 6 mm.  Trên sàn cĩ đục 20 lỗ  25 để gắn chụp lọc. 4.2.6. TỔN THẤT ÁP LỰC KHI RỬA NGƯỢC Hr = hơ +hLe + hđ + hchụp + hgh Trong đĩ: Hr : Tổng tổn thất áp lực khi rửa ngược, m hơ : Tổn thất áp lực trên đường ống dẫn nước bao gồm tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ, m hLe : Tổn thất áp lực qua lớp VLL khi rửa lọc, m hđ : Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ, m hchụp : Tổn thất qua chụp lọc, m hgh : Tổn thất áp lực giới hạn, hgh = 6 m  Tổn thất áp lực trên đường ống hơ = hd + hcb Trong đĩ: hd : Tổn thất dọc đường trong đường ống, m hcb : Tổn thất cục bộ trong đường ống, m  Tổn thất dọc đường trong đường ống Cơng thức Darcy: GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 77 hd = 2 2 L v D g    Trong đĩ: L : Chiều dài ống, L = 10 m D : Đường kính ống, D = 0,049 m g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 v : Vận tốc nước chảy trong ống sm x x xd xQ v b /23,2 049,0 10.2,444 2 3 2     : Hệ số tổn thất, tra giản đồ Moody (PHỤ LỤC 7) , Ref D       , Re vD  Với:  : Độ nhám tuyệt đối v : Độ nhớt động học của nước, 610v  m/s2 46 10.93,1010 049,023,2Re  x Giản đồ Moody   = 0,02 Vậy: m x hd 035,181,92 23,2. 049,0 10.02,0 2   Tổn thất cục bộ hcb = 2 2 v g  Trong đĩ:  : Hệ số tổn thất cục bộ, phụ thuộc loại tổn thất và thường được xác định bằng thực nghiệm v : Vận tốc nước chảy trong ống, = 3,45 m/s GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 78 Chọn: Tổn thất cục bộ tổng cộng qua tất cả các van, co ,cút trên đường ống dẫn nước rửa lọc vào là hcb = 1 m Vậy: Tổn thất áp lực trên đường ống hơ = 1,035 + 1 = 2,035 m  Tổn thất áp lực qua lớp than Bảng 5.10: Đường kính trung bình của lớp than Phần trăm trọng lực của hạt vật liệu d1(mm) d2(mm) Dtb(mm) Than 5-20 20-40 40-60 60-80 80-95 0,72 1,00 1,18 1,27 1,53 1,00 1,18 1,27 1,53 1,81 0,85 1,09 1,22 1,39 1,66 Cát 5-20 20-40 40-60 60-80 80-95 0,51 0,61 0,68 0,74 0,82 0,61 0,68 0,74 0,82 0,93 0,56 0,64 0,71 0,74 0,87 Theo kết quả của bảng 5.1 của cát than cĩ độ cầu là 0,72 111,2 10 10.85,0.72,0.10.45,3.10...Re 3 333      dvS 73,3375,1 111,2 55,01150 Re 1.150  kef Bảng 5.11: Kết quả GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 79 Phần trăm trọng lượng của hạt vật liệu Đường kính trung bình Re fi f i i x d ( với xi=0,2) . ifi i xf d 5-20 20-40 40-60 60-80 80-95 0,85 1,09 1,22 1,39 1,66 2,111 2,707 3,030 3,453 4,123 33.73 26,69 24,03 21,30 18,12 0,235 0,183 0,164 0,144 0,120 7,927 4,884 3,941 3,067 2,174 Tổng :21,993              m d xfh g v e eh i i fiLe 110,010.993,21.1,1.81,9.72,0 10.45,3. 55,0 55,01.. . .1 3 23 3 2 3  Suy ra, tổn thất áp lực qua lớp than là: hle=0,110m Vận tốc rửa ngược: v = 30 m/h = 10,23 gpm/ft2  hLe = 0,55 psi = 0,39 m  Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ hđ = 0,061hvb Trong đĩ: h : Chiều dày lớp sỏi đỡ, h = 0,15 m vb : Vận tốc rửa ngược, vb = 30 m/h  hđ = 0,0610,1530 = 0,2745 m  Tổn thất áp lực qua hệ thống phân phối bằng chụp lọc Tổn thất áp lực trong hệ thống phân phối rửa lọc bằng sàn chụp lọc theo Điều 6.112 – TCXDVN 33 – 2006: hchụp  2 22 v g GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 80 Trong đĩ: v : Vận tốc chuyển động của nước qua khe hở của chụp lọc, v 1,5 m/s  : Hệ số lưu lượng của chụp lọc, chụp lọc khe hở 0,5  hchụp  2 2 1,5 0, 459 2 9,81 0,5   m  Hr = 2,035 + 0,39 + 0,2745 + 0,459 + 6 = 9,2 m 4.3. CỘT TRAO ĐỔI ION Bảng 4.8 Thơng số kỹ thuật nhựa Dowex HCR-S ( PHỤ LỤC 8) Tính chất hĩa học và vật lý Ion trao đổi Nhĩm chức Tỷ trọng, g/l Kích thước hạt (qua sàng), mesh Dung lượng trao đổi, dạng Na+  Thể tích ẩm, eq/l  Khối lượng khơ, kg/ft3 Na+ H+ 820 300 – 500 m 2.0 43,7 Điều kiện làm việc tiêu chuẩn STT Nội dung Chỉ số 1 Nhiệt độ làm việc lớn nhất 1200C 2 pH 0 - 14 3 Chiều cao của lớp nhựa 800 mm (2,6 ft) GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 81 4 Làm mềm 50 – 50 m/h 2 – 20 gpm/ft2 5 Rửa ngược (xem bảng 01 của catalogue) 6 Số lõi lọc 3 – 6 cái 7 Hồn nguyên 8 – 12 % NaCl ( Nguồn:  Vật liệu làm cột trao đổi: Thép khơng gỉ  Lưu lượng: Q = 7 m3/h  Vật liệu đỡ nhựa trao đổi: Sỏi với đường kính 5 – 10 mm  Độ cứng cần trao đổi: C = 50 mg/l CaCO3 ³/1/150 50 meqlmeq   Thời gian làm việc của 1 chu kỳ: 40 giờ.  Dung lượng trao đổi của nhựa Dowex HCR-S = 2 eq/l ( Bảng 4.8) Lượng nước qua một chu kỳ: 7 m3/h40 h = 280 m3 Tổng dung lượng cần trao đổi: 1 eq/m3280 m3 = 280 eq Thể tích nhựa cần thiết: BV 2 280 huaraodoicuandungluongt doiongcantraotongdunglu =140( l nhựa) 4.3.1. KÍCH THƯỚC CỘT TRAO ĐỔI ION Vận tốc nước qua lớp nhựa: v  5 – 60 m/h GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 82 Chọn: v  25 m/h Diện tích bề mặt cột lọc: ²28,0 25 7 m v QA  Đường kính cột trao đổi: mxxAD 6,028,044   Chọn: D = 0,6 m Diện tích bề mặt cột trao đổi: ²28,0 4 6,0 4 22 mxxDA   Vận tốc nước qua lớp nhựa: hm x x xD Qv /8,24 6,0 744 22   Chiều cao lớp nhựa ( < 0,8 m) m A BVh 5,0 28,0 14,0 nhua Chọn: hnhựa = 0,6 m Độ giãn nở lớp nhựa = 70% ( Tra Fig.1.Backwash Expansion Data ở 250C – PHỤ LỤC 8) Chiều cao bảo vệ: hbv a hnhựa 100% x 0,6 = 0,6 m Với: a > ( 10 – 15%) Độ giản nở lớp nhựa Chọn hbv = 0,6 m Chiều cao cột trao đổi: H = hđ + hnhựa + hbv GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 83 Trong đĩ: H : Chiều cao tổng cộng bể lọc, m hđ : Chiều cao lớp sỏi đỡ, hđ = 0,2 m hbv : Chiều cao bảo vệ, hbv = 0,6 m hnhựa : Chiều cao lớp nhựa, hnhựa = 0,6 m Vậy: H = 0,2 + 0,6 + 0,6 = 1,4 m 4.3.2. HỒN NGUYÊN NHỰA Chu kỳ làm việc là 40h, khi hết chu kỳ làm việc nhựa mất khả năng trao đổi. Do đĩ cần hồn nguyên nhựa để phục hồi khả năng trao đổi của nhựa chuẩn bị cho chu kỳ làm việc sau. a. Lượng dung dịch hồn nguyên Chọn: Dung dịch hồn nguyên: dd NaCl 10% (Bảng 4.8) Lượng NaCl hồn nguyên = 200 g/l Tổng dung lượng trao đổi của muối: 200 3, 42 58,5NaCl luongNaCl M   eq/l nhựa Lượng NaCl hồn nguyên: 3,42 kg g kgnhuaxlx eq gx nhual eq 28 1000 1.1405,58 .  Giả sử tỉ trọng dd NaCl = 1 kg/l Thể tích dd NaCl 10%: l x VNaCl 2801,01 28  Vận tốc hồn nguyên = 1 – 10 m/h ( đủ chậm để tạo đủ thời gian tiếp xúc) Chọn: Vận tốc hồn nguyên = 3 m/h GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 84 Thời gian hồn nguyên: 20333,0 28,0./3 /10.280 2 33   h mhm hmlt phút b. Hệ thống phân phối dung dịch hồn nguyên Chọn:  Bồn pha dung dịch hồn nguyên: Bồn nhựa V = 300 l.  Ống dẫn dd hồn nguyên: Ống inox 27.  Bơm hĩa chất: hmhm h lmlQ /³8,0/³84,0 333,0 /10.280 33   4.3.3. LƯỢNG NƯỚC RỬA a. Rửa ngược  Lượng nước rửa ngược = 4BV = 4x140l = 560 l (Bảng 4.8)  Vận tốc rửa ngược = 10 gpm/ft2 = 29,33 m/h (Tra Fig.2. Backwash Expansion ở 250C – PHỤ LỤC 8) Thời gian rửa ngược: 4068,0 28,0./33,29 /10.560 2 33   h mhm lmltng phút Sau khi hồn nguyên cần rửa chậm – rửa nhanh để đẩy hồn tồn dung dịch hồn nguyên ra khỏi lớp nhựa, đồng thời đẩy những muối kết tủa cĩ thể cĩ trong lớp nhựa ra ngồi, tránh ảnh hưởng đến chu kỳ vận hành sau. b. Rửa chậm  Lượng nước rửa chậm = 4BV = 4140 l = 560 l  Thời gian rửa chậm 30 phút = 0,5 h  Vận tốc rửa chậm: v = 1 – 15 m/h Vận tốc rửa châm: GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 85 hm mh lmlvch /428,0.5,0 /10.560 2 33   c. Rửa nhanh  Lượng nước rửa nhanh  5BV= 5140 l = 700 l  Thời gian rửa nhanh 30 phút = 0,5 h  Vận tốc rửa nhanh: v = 5 – 60 m/h Vận tốc rửa nhanh: hm mh lmlvnh /528,0.5,0 /10.700 2 33   4.3.4. HỆ THỐNG PHÂN PHỐI  Chọn ống dẫn nước và nước rửa: Ống inox 42  Phễu phân phối nước và thu nước rửa lọc:  Đường kính đáy nhỏ = đường kính ống dẫn nước vào = 42 mm  Đường kính đáy lớn = 200 mm  Chiều cao phễu: 150 mm  Sàn gắn chụp lọc:  Vật liệu: Thép khơng gỉ dạng tấm.  Đường kính: 0,6 m; Dày: 5 mm  Trên sàn cĩ đục 12 lỗ 25 để gắn chụp lọc.  Chụp lọc: Chọn số lượng chụp lọc trên 1 m2 bể là: 40 cái Số chụp lọc trong cột trao đổi: N 40  diện tích bề mặt cột trao đổi = 34,11 4 6,0.40 2 x cái GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 86 Chọn: N = 12 cái. 4.3.5. TỔN THẤT ÁP LỰC KHI RỬA NGƯỢC Hr = hơ + hLe + hđ +hchụp + hgh Trong đĩ: Hr : Tổn thất áp lực khi rửa ngược, m hơ : Tổn thất áp lực trên đường ống dẫn nước bao gồm tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ, m hLe : Tổn thất áp lực qua lớp nhựa, m hđ : Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ, m hchụp: Tổn thất áp lực qua chụp lọc, m hgh : Tổn thất áp lực giới hạn, hgh = 6 m  Tổn thất áp lực trên đường ống hơ = hd + hcb Trong đĩ: hd : Tổn thất dọc đường trong đường ống, m hcb : Tổn thất cục bộ trong đường ống, m  Tổn thất dọc đường trong đường ống Cơng thức Darcy: hd 2 2 L v D g   Trong đĩ: L : Chiều dài ống, L = 10 m D : Đường kính ống, D = 0,042 m g : Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 87 v : Vận tốc nước trong ống, 155,1 042,0 10.3,244 2 3 2   x x xd xQ v b  m/s phl ph lQb /1404 560  = 2,3.10-3 m³/s = 8,28 m³/h  : Hệ số tổn thất, tra giản đồ Moody (PHỤ LỤC 7) , Ref D       , Re vD  Với:  : Độ nhám tuyệt đối v : Độ nhớt động học của nước, 610v  m/s2 46 1,155 0,042Re 4,85.10 10   Giản đồ Moody  = 0,0215 Vậy: hd 210 1,1550,0215 0,35 0,042 2 9,81     m  Tổn thất cục bộ hcb 2 2 v g  Trong đĩ:  : Hệ số tổn thất cục bộ, phụ thuộc loại tổn thất và thường được xác định bằng thực nghiệm v : Vận tốc nước chảy trong ống, v  3,45 m/s Chọn: Tổn thất cục bộ tổng cộng qua tất cả các van, co, cút trên đường ống dẫn nước rửa lọc vào là hcb = 1 m Vậy: Tổn thất áp lực trên đường ống hơ = 0,35 + 1 = 1,35 m GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 88  Tổn thất áp lực qua lớp nhựa Vận tốc nước: v = 24,8 m/h  hLe = 0,2 psi = 0,141 m ( Tra Fig.2.Pressure Drop Data – PHỤ LỤC 8)  Tổn thất áp lực qua lớp sỏi đỡ hđ = 0,061hvb Trong đĩ: h : Chiều dày lớp sỏi đỡ, h = 0,2 m vb : Vận tốc rửa ngược, vb = 29,33 m/h  hđ = 0,061 0, 2 29,33 0,358   m  Tổn thất áp lực qua hệ thống phân phối bằng chụp lọc Tổn thất áp lực trong hệ thống phân phối rửa lọc bằng sàn chụp lọc theo Điều 6.112 – TCXDVN 33 – 2006: hchụp 2 22 v g Trong đĩ: v : Vận tốc chuyển động của nước qua khe hở của chụp lọc, 1,5v  m/s  : Hệ số lưu lượng của chụp lọc, chụp lọc khe hở 0,5  hchụp= 2 2 1,5 0, 459 2 9,81 0,5   m  Tổn thất áp lực khi rửa ngược: Hr = 1,35 + 0,141 + 0,358 + 0,459 = 2,31 m GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 89 4.3.6. TÍNH CƠ KHÍ Vì cột trao đổi ion chịu áp lực nhỏ hơn bồn lọc cát và đường kính bồn lọc cũng nhỏ hơn bồn lọc cát nên để đơn giản ta chọn bề dày của thân và đáy nắp của cột bằng bề dày của các thành phần tương ứng của bồn lọc cát. 4.4. LỌC THẨM THẤU NGƯỢC RO 4.4.1. TÍNH TỐN MÀNG a. Số lượng màng: Theo hướng dẫn lựa chọn màng OSMONIC của hãng GE: Nước uống đĩng chai Nguồn: TDS < 5000ppm Số màng (elements): n > 2 Áp suất vận hành thấp (low pressure), tiết kiệm năng lượng  Chọn màng: OSMONIC - AG4040FF Bảng 4.10 Thơng số kỹ thuật màng OSMONIC - AG4040FF ( PHỤ LỤC 9 ) Thơng số Đơn vị Giá trị Loại màng Đường kính Chiều dài Diện tích bề mặt hoạt động Lưu lượng vào lớn nhất Lưu lượng dịng thấm Tỉ lệ thải muối Nhiệt độ vận hành lớn nhất mm ( inches) mm ( inches) m2 m3/h m3/h % 0C Polyamide 99 ( 3,88’’) 1016 ( 40’’) 7,9 3,6 0,3458 99,2 50 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 90 pH vận hành pH dung dịch rửa Áp suất vận hành lớn nhất Tổn thất áp lực lớn nhất Recovery psig (bar) psig (bar) % 4 – 11 2 – 11,5 600 ( 41,37) 20 (1,38) 15 (Nguồn: Trade mark of The OSMONIC) Tỉ lệ nước sạch (% dịng thấm) cho tồn hệ thống: Rc = 50 – 75% Chọn % dịng thấm cho cả hệ thống: Rc = 60% Lưu lượng dịng thấm qua hệ thống: Q = 7 m3/hx 60% = 4 m3/h Số lượng màng (element) cần thiết: q Qn  Trong đĩ: Q : Lưu lượng dịng thấm qua tồn hệ thống RO, Q = 4 m3/h q : Cường độ dịng thấm qua 1 màng Nguồn nước thủy cục làm mềm ( Softened Municipal): q = 0,3458 m3/h elements hm hmn 11 /³3458,0 /³4  Chọn n = 12 màng. b. Bố trí – lắp đặt màng Lắp 12 vessels trong hệ thống với:  2 hàng song song  6 vessels nối tiếp trong 1 hàng. GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 91  1 element trong 1 vessel. 4.4.2. TÍNH TỐN BỂ TRỘN HĨA CHẤT RỬA MÀNG Chúng ta cần rửa màng khi:  Tổn thất áp lực tăng lên 10 – 15%  Dịng thấm giảm 10 – 15% so với ban đầu  Tỉ lệ thải muối giảm, cĩ nghĩa là hàm lượng TDS trong nước đầu ra tăng ( khoảng 5 % so với ban đầu) Bể trộn nên được làm bằng Polypropylen hoặc FRP ( fiberglass – reinforced plastic). Ống dẫn hĩa chất nên làm bằng PVC hoặc Nylon reinforced flexhose. Quá trình rửa nên được duy trì ở nhiệt độ ấm.Cách thành cơng để xác định thể tích bể chứa là tổng thể tích rỗng của các vỏ màng ( pressure vessels) theo tính tốn và thể tích của các đường ống dẫn nước tuần hồn.  Thể tích vessels: V1 = Số vesselsThể tích của 1 vessel = )( 2 xlxrnx  = )016,10508,0(12 2 xxx  = 0,0988 m3 Trong đĩ: n : Số vessels, n = 12. r : Bán kính vessels, r = 2’’ = 0,0508 m. l : Chiều dài vesses, l = 40’’ = 1,016 m.  Thể tích đường ống dẫn: Chọn đường ống dẫn hĩa chất cĩ:  d = 34 mm r = 0,017 m.  l = 50 m. V2 = 2 20,017 50 0,0454r l       m3. GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 92 Thể tích hĩa chất rửa màng: V = V1 + V2 = 0,0988 + 0,0454 = 0,144 m3 Vậy Thể tích bồn chứa hĩa chất = 1,25V = 1,250,144 0,180 m³ = 180 l. Chọn 3 bồn pha hĩa chất 180 l:  1 bồn pha dd NaOH 0,1%  1 bồn pha dd HCl 0,2%  1 bồn pha dd H2O2 0,2% 4.5. LỌC TINH 4.5.1. Lõi lọc 5 m Nước trước khi đi vào hệ thống lọc thẩm thấu ngược cần được qua hệ thống lọc tinh để loại bỏ triệt để cặn lơ lửng gây nguy cơ tắc nghẽn màng RO, hầu hết các hãng sản xuất màng RO thường đề nghị nước cần được đi qua cột lọc tinh với kích thước khoảng 5 m hoặc nhỏ hơn để đảm bảo cho quá trình hoạt động của màng. Chọn lõi lọc EPICTM C SERIES của hãng PUROLATOR Bảng 4.11 Thơng số thiết kế lõi lọc 5 m ( PHỤ LỤC 10) Thơng số Đơn vị Giá trị Vật liệu Kích thước lỗ rỗng Đường kính Chiều dài Nhiệt độ vận hành tối đa Áp suất tối đa ( ở 240C) Lưu lượng dịng vào m cm ( inches) cm ( inches) 0C ( 0F) psi (bar) 500l/h/10” Polypropylen 5 6,4 (2,5’’) 76,2 (30’’) 82 (180) 60 (4,14) 1,5 m³/h GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 93 Hiệu quả lọc 90 ( Nguồn: Purolator Advanced Filtration) Lưu lượng nước vào: Q = 7 m3/h. Lưu lượng nước qua 1 lõi lọc: q = 8,3 l/p ( Bảng 4.11) Số lượng lõi lọc cần thiết: 66,4 5,1 /³7  hm q Qn lõi. Chọn: n = 5 lõi. Tổn thất áp lực ban đầu: H = hống + hlõi Trong đĩ: hống : Tổn thất áp lực trên đường ống, lấy hống = 1 m hlõi : Tổn thất áp lực qua lõi lọc, Tra “ Flow Rate vs Intial Clean Pressure Drop” (PHỤ LỤC 9) Lưu lượng qua một lõi lọc: 3,23 5 60/1³/1000/³7  phxmlhxmn l/p  Tổn thất áp lực qua một lõi = 0,96 bar = 0,96m. hlõi = 0,96 m5 lõi = 4,8 m Vậy: H = 1 + 4,8 = 5,8 m. 4.5.2. Lõi lọc 0,2 m ( Thiết bị lọc vi sinh) Thiết bị lọc vi sinh với kích thước lỗ rỗng rất nhỏ cĩ nhiệm vụ lọc bỏ xác vi sinh trong nước sau khi đã khử trùng bằng Ozone Chọn lõi lọc WN Series của hãng US.FILTER R GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 94 Bảng 4.12 Thơng số thiết kế lõi lọc 0,2 m ( PHỤ LỤC 11) Thơng số Đơn vị Giá trị Vật liệu Kích thước lỗ rỗng Đường kính Chiều dài Nhiệt độ vận hành tối đa ( ở 20 psid) Áp suất tối đa ( ở 200C) Lưu lượng dịng vào (/10’’ chiều dài) Hiệu quả lọc m cm ( inches) m ( inches) 0C ( 0F) Psi (bar) Lpm ( gpm) % Polysulfone 0,2 6,6 ( 2,6’’) 25,4 (10’’) 95 (203) 80 (5,5) 11,3 (2,2) 100 ( Nguồn: www.appliedmembranes.com) Lưu lượng nước vào: Q = 4 m3/h. Lưu lượng nước qua 1 lõi lọc: q = 11,3 l/p ( Bảng 4.12) Số lượng lõi lọc cần thiết: 899,5 /3,11 60/1³/1000/³4  pl phxmlhxm q Qn lõi Chọn: n = 6 lõi. Tổn thất áp lực ban đầu: H = hống + hlõi Trong đĩ: hống : Tổn thất áp lực trên đường ống, lấy hống = 1 m hlõi : Tổn thất áp lực qua các lõi lọc, Tra “ Flow Rate vs Intial Clean Pressure Drop” ( PHỤ LỤC 11) Lưu lượng qua một lõi lọc: q = 16,6 l/p GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 95 Tổn thất áp lực qua 1 lõi = 0,068 bar = 0,68 m. hlõi = 0,68 m6 lõi = 4,08 m Vậy: H = 1 + 4,08 = 5,08 m. 4.6. THIẾT BỊ TIỆT TRÙNG 4.6.1. Ozone Nước sau khi ra khỏi hệ thống lọc thẩm thấu ngược sẽ được đưa qua hệ thống khử trùng bằng Ozone, tuy về nguyên tắc màng lọc RO cĩ khả năng giữ lại tất cả các loại vi khuẩn lẫn virus nhưng do màng lọc RO vận hành trong thời gian dài thì lượng vi sinh bị giữ lại tại màng sẽ phát triển tạo thành lớp màng vi sinh, lớp màng này khơng những làm tắc nghẽn, tăng tổn thất áp lực mà cịn làm cho màng bị nhiễm khuẩn khiến cho nước đầu ra cĩ khả năng nhiễm 1 lượng nhỏ vi sinh, để đảm bảo chất lượng nước ta cần khử trùng nước. Thiết bị tiệt trùng bằng Ozone bao gồm: Máy chuẩn bị khơng khí (Air Preparation): khơng khí sạch khi qua máy sẽ được sấy khơ, loại trừ độ ẩm, tránh hiện tượng ăn mịn điện cực. Cĩ 2 loại: Air Dryer hoặc Oxygen Genegation. Máy tạo Ozone (Ozone generator): Chuyển hĩa khơng khí thành O3. Ozone injector: Hịa trộn Ozone vào nước, tạo điều kiện cho Ozone tiếp xúc với nước để tiêu diệt vi khuẩn. Bồn tiếp xúc Ozone. Bảng 4.14 Hướng dẫn chọn thiết bị Ozone Lưu lượng (gpm) Ozone Generator Air dryer Ozone Injector 1 – 2 5 10 OZ – 1PCS OZ – 2PCS OZ – 4PC10 OZ – HD20 OZ – HD20 OZ – HD20 OZ – IN584 OZ – IN584 OZ – IN684 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 96 20 25 30 60 90 OZ – 8PC20 OZ – 1BTU OZ – 2BTU OZ – 4BTU OZ – 6BTU OZ – HD20 OZ – HD20 OZ – HD20 OZ – HD20 OZ – HD20 OZ – IN878 OZ – IN1078 OZ – IN1583A OZ – IN2081 OZ – IN4090 (Nguồn: www.appliedmembranes.com) Lưu lượng nước cần xử lý: Q = 4 m3/h = 17,61 gpm.  Chọn: Ozone Generator : OZ – 8PC20. Air Preparation ( Air Dryer) : OZ – HD20. Ozone Injector : OZ – IN878. Bảng 4.15 Đặc tính máy OZ – 8PC20 Thơng số Đơn vị Giá trị Lưu lượng cần xử lý Cường độ Ozone Đèn báo hoạt động gpm g/h 20 0,76 cĩ ( Nguồn: www.appliedmembranes.com) Bảng 4.16 Đặc tính máy OZ – HD20 Thơng số Đơn vị Giá trị Lưu lượng khơng khí Điện năng Nhiệt độ ngưng ft3/h VA 0F 0,5 – 40 50 ( 90 max) -60 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 97 Kích thước W H D Khối lượng inches inches inches lbs 10 12 4 15 ( Nguồn: www.appliedmembranes.com) Liều lượng Ozone đưa vào nước: 2,0 /³4 /76,0  hm hgC g/m3 = 0,2 mg/l ( 0,2 – 0,5 mg/l) (Nguồn: Trịnh Xuân Lai – Nước cấp Tập 2). Bảng 4.17 Thơng số thiết kế Bồn tiếp xúc Ozone Thơng số Đơn vị Giá trị Vật liệu Liều lượng Ozone Lưu lượng cần xử lý Thời gian tiếp xúc Thể tích Kích thước Đường kính Chiều cao mg/l m3/h phút m3 m m Inox 0,2 4 5 0,25 0,5 1,3 4.6.2 UV Trước khi vào cơng đoạn đĩng chai nước tinh được đưa qua thiết bị tiệt trùng bằng UV nhằm tiêu diệt hồn tồn vi sinh cĩ thể cịn sĩt lại hoặc cĩ thể phát sinh trong quá trình lưu trữ ở bồn chứa, đảm bào độ an tồn và tinh khiết cho sản phẩm GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 98 Lưu lượng cần xử lý: Q = 4 m3/h Chọn đèn hiệu SC – 600/2 của hãng Sterilight do Cơng ty Apollo cung cấp. Bảng 4.18 Đặc tính đèn SC – 600/2 Lưu lượng m3/h 1,8 Kích thước Dài Đường kính Bộ điều khiển mm mm mm 780 89 241 81 64  Đường kính ống vào/ra inches 1’’MNPT Trọng lượng kg 8,6 Nguồn điện Điện áp V 100 – 240 Hz 50 - 60 Điện năng đèn W 73 Cơng suất đèn W 65 Nhiệt độ làm việc 0C 2 – 40 Áp suất làm việc lớn nhất bar (psi) 8,62 (125) Chuơng báo Cĩ Vật liệu SUS 304 Kiểu đèn S600RL-HO GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 99 Hiển thị thời gian hoạt động của đèn Cĩ Hiển thị thời gian làm việc của thiết bị cĩ ( Nguồn: www.apollo.net.vn) Để đảm bảo quá trình vận hành được thuận tiện và liên tục, khi vận hành ta cần lắp 2 đèn hoạt động luân phiên, thay nhau sau mỗi ngày làm việc. 4.7. BỒN CHỨA  Bồn chứa nước: Tập trung nước thủy cục để tạo sự ổn định cho khâu xử lý nước.  Bồn chứa nước mềm: Ổn định nước sau quá trình trao đổi ion, tiện cho việc vận hành, kiểm tra và theo dõi hệ thống.  Bồn chứa nước tinh: Chuẩn bị nước trước khi vào cơng đoạn thành phẩm (đĩng chai), tạo sự ổn định cho khâu sản xuất. Bảng 4.19 Thơng số thiết kế các bồn chứa Thơng số Đơn vị Bồn chứa nước Bồn chứa nước mềm Bồn chứa nước tinh Vật liệu inox Thời gian lưu nước Lưu lượng Thể tích Kích thước h m³/h m³ 0,6 7 4 9,4 7 3 1 4 4 GVHD: TS. Đặng Viết Hùng Chương 4: Tính tốn cơng trình đơn vị SVTH: Trần Huỳnh Kim Loan Trang 100 Đường kính Chiều cao m m 1,4 2,8 1,2 2,5 1,4 2,8