Tài liệu Tiểu luận môn công nghệ xử lý khí thải và tiếng ồn thiết bị lọc bụi phun nước bằng ống venturi

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC – KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ************** MÔN: CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ THẢI VÀ TIẾNG ỒN Đề tài: Thiết bị lọc bụi phun nước bằng ống venturi GVHD: TRẦN ĐỨC THẢO Thành viên nhóm: Vòng Công Thàn (2009120174) Huỳnh Ngọc Tuấn (2009120142 Lê Đăng Huy (2009120 I. Giới thiệu: Thiết bị lọc bụi venturi là một loại thiết bị lọc bụi ướt gồm hai bộ phận chính: ống venturi và bộ phận tách lỏng hình trụ. Ống venturi thường có dạng hình trụ thắt eo ở giữ và ở khu vực thoắt eo có bố trí ống phun chất lỏng ( thường là nước ). Ống venturi có thể đặt ngang hay hay thẳng đứng và cửa ra của ống đặt theo phương tiếp tuyến so với phần tách lỏng hình trụ, thường ở phía dưới để dòng khí – sương từ ống venturi phun vào với vận tốc lớn tạo dòng chuyển động xoáy từ dưới lên nhờ đó hình thành lực ly tâm kết hợp với trọng lực tách pha lỏng hòa tan bụi ra khỏi dòng khí. 1. Cấu tạo và nguên lý hoạt động:  Cấu tạo: gồm hai bộ phận chính là ống venturi và bộ phận tách lỏng. Ống venturi nối theo phương tiếp tuyến vào thân bộ phận tách lỏng ở phần dưới.  Cấu tạo ống venturi: tùy theo thiết kế và cấu tạo của thiết bị, ống venturi có thể đặt theo phương ngang hay thẳng đứng. o Ống thường có dạng hình trụ với tiết diện tròn hoặc hình chữ nhật, cấu tạo gồm phần ống thu hẹp, cổ thoắt eo và phần ống khuếch tán. Ở phần giữa, cổ ống có cấu tạo thoắt eo để tạo tốc độ dòng khí bụi có giá trị cực đại. Tại vị trí cổ thoắt eo có bố trí ống phun chất lỏng ( thường là nước ) và đầu phun có dạng mỏ phun đặc biệt. Ống khuếch tán (ống loe) trong đó dòng khí giảm tốc độ và xảy ra sự kết tụ các hạt bụi cùng với các giọt nước. Phần cổ ống venturi có nhiệm vụ tạo ra sự xáo trộn khí đảm bảo ống làm việc hiệu quả. o Theo quan điểm khí động, các thông số cấu tạo tối ưu của ống venturi được xác định như sau: Ống thu hẹp: - Đường kính miệng vào D1 (m) - Góc thu hẹp α1 = 25 – 28o - Chiều dài: l1 = (D1 – D2)/2tg(α1/2) Cổ ống: - Đường kính D2 (m) - Chiều dài l2 = 0,15D2 (m) Ống loa : - Đường kính miệng ra D3 (m) - Góc loe α2 = 6 – 10o - Chiều dài l3 = (D3 – D2)/2tg(α2/2)  Cấu tạo bộ phận thu giọt lỏng: Để tách giọt nước có thể lựa chọn nhiều thiết bị tách giọt nước có kết cấu khác nhau tích hợp với thiết bị Venturi, tuy nhiên người ta thường lựa chọn thiết bị cyclone. Cấu tạo của cyclone loại này gần giống với cyclone lọc bụi khô gồm thân hình trụ và phần đáy hình nón nhưng bị rút ngắn lại là nơi thu nước và cặn. Ở đáy thiết bị có ống xả nước và cặn co lắp van để duy trì một lượng nước nhất định ở đáy thiết bị.  Nguyên lý hoạt động: Thiết bị lọc bụi venturi là thiết bị thu bụi ẩm hiệu quả. Đặc điểm cấu trúc chung của các thiết bị này là có ống biến bụi trong đó xảy ra quá trình đập nhỏ và xé mịn giọt nước bởi dòng khí bụi chuyển động với vận tốc lớn từ 40 m/s đến 150 m/s và phía sau có đặt bộ phận thu giọt. Dòng khí đi vào ống venturi với vận tốc lớn, qua chỗ thoắt eo thu nhỏ tiết diện, vận tốc sẽ đạt đến cực đại. Tại đây, nước được phun đều trong khu vực này với vận tốc ban đầu rất nhỏ so với dòng khí. Dòng khí với vận tốc lớn sẽ đập vỡ, xé mịn các giọt nước và kéo nước theo với vận tốc tăng dần. Giữa nước và khí sẽ hình thành vận tốc tương đối cộng với chuyển động rối tạo nên sự va đập quán tính thấm ướt các hat bụi trong dòng khí và kết tụ các hạt bụi lại với nhau cùng với giọt nước. Do đó, các giọt nước-bụi sẽ tăng kích thước và sẽ được tách ra trong bộ phận tách lỏng. 2. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị: Để xây lý thuyết ta đưa ra một số giả thuyết để đơn giản hoá quá trình tính toán.  Các kí hiệu: v’k: vận tốc dòng khí chỗ thoắt eo của ống venturi, m/s vk, vn: vận tốc khí và vận tốc giọt nước ở mặt cắt bất kì trong ống venturi, m/s dn: đường kính giọt nước được tính theo công thức sau: Đối với hệ thống nước – không khí ở nhiệt độ và áp suất bình thường và vận tốc phun nước tương đối thấp, công thức trên được đơn giản thành: , Pa.s : đường kính hạt bụi, m Lk: lưu lượng khí đi qua ống venturi, m3/s Ln: lưu lượng nước phun, m3/s k, n: khối lượng đơn vị của khí và nước, kg/m3  Hệ số sức cản cục bộ đối với chuyển động những giọt nước ở chỗ thoắt của ống venturi được xác định theo công thức: với:  Xác định tổn thất áp suất trong ống venturi : Tổn thất áp suất trong ống venturi được xác định theo công Calvert như sau: Với là vận tốc ở cuối chiều dài l của ống venturi và được xác định theo công thức : Với Thay vào công thức tính ta được: Nếu ống venturi tương đối có chiều dài tương đối lớn thì tiến tới bằng 0,5 và tiến tới nên ta có : Tổn thấp áp suất trong ống venturi được xác định theo công thức nghiện của Hesketh H.E như sau: Trong đó: : tổn thất áp suất, mm : khối lượng đơn vị của không khí, kg/m3 : vận tốc khí chỗ thoắt của ống của ống venturi, m/s : tiết diện ngang của ống thoắt, m2 : tỷ lệ nước – khí, m3/m3  Xác định hiệu quả lọc của thiết bị: Hiệu quả của thiết bị lọc bụi venturi được xác định theo lý thuyết tương tự như đối với buồng phun khử bụi. Công thức thực nghiệm xác định hệ số lọt K của thiết bị: Với: Các công thức nghiệm xác định hệ số lọt lưới do Calvert đưa ra có dạng sau: Trong đó: : khối lượng đơn vị của bụi, kg/m3 : hệ số thực có giá trị từ 0,1 đến 0,4 : tổn thất áp suất trong ống venturi xác định theo công lý thuyết, Pa : hệ số nhớt động lực của khí, Pa.s : hệ số hiệu chỉnh Cunningham, xác định như sau: Công thức xác định định xác hệ số loạt lưới của Hesketh H.E bằng thực nghiệm: Trong đó: : tổn thất áp suất xác định bằng công thực nghiệm, mmH2O : lần lượt là nồng độ bụi cỡ hạt ≤ 5 μm ở trước và sau thiết bị lọc venturi. II. Phân loại ống ventui:  Thiết bị venturi đưa nước tưới phun qua mỏ phun ở tâm (.h 2.2a). Trong thiết bị kiểu này sự cấp nước vào để tưới phun được thực hiện bởi các mỏ phun đặt trước ống trước ống thu hẹp hoặc đặt tực tiếp ngay trrong nó. Áp suất ở trước các mỏ phun thường khoảng từ 0,2 đến 0,3 MPa. Chủ yếu sử dụng các mỏ phun ly tâm.  Thiết bị venturi tưới phun biên (h. 2.2b) được sử dụng khi tưới phun dịch thể qua ống thu hẹp hoặc ống trụ.  Thiết bị venturi phun theo màng (h.2.2c). Khi sử dụng nước tuần hoàn không sạch để phun trong ống thì có khả năng gây lắng kết trên thành của ống thu hẹp và ống loe, để tránh điều này người ta sử dụng màng phun dịch thể. Sự cấp dịch thể có thể qua các mỏ phun hoặc cấp theo biên  Các thiết bị venturi đưa dịch thể đến bằng năng lượng của dòng khí (h. 2.2d): còn được gọi là thiết bị venturi không cần mỏ phun. III. Thiết bị cấp nước cho ống venturi: Phương pháp đưa nước vào các thiết bị thu bụi ẩm đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc phân bố năng lượng cần thiết để thực hiện quả trình thu bụi. Trong thiết bị venturi, việc cấp nước chỉ chiếm một phần năng thứ cấp thì chỉ sử dụng các mỏ phun áp suất thấp và yêu cầu phải tạo được tưới phun đồng đều theo toàn bộ tiết diện của thiết bị, hầu hết năng dùng cho dòng khí . Khi dòng khí chuyển động với vận tốc lớn thì động năng dòng khí có thể hút nước vào ống venturi. Tuy nhiên, để cấp nước ổn định cho ống venturi và tạo được kích thước giọt nước thích hợp trong ống venturi trong trường hợp chiều cao hút nước quá lớn người ta thường dùng bơm tạo dược một áp suất cần thiết để đưa nước vào ống venturi. Các mỏ phun áp lực thấp chỉ có nhiệm vụ đưa nước vào tưới phun đều ở trước hoặc trong vùng thoắt eo, còn nhiệm vụ đập và xé mịn các giọt nước do dòng khí trong ống venturi đảm nhận. Do đó, quá trình này không tiêu tốn quá nhiều năng lượng. IV. Phân loại mỏ phun: Mỏ phun được sử dụng trong các thiết bị lọc bụi kiểu ướt được chia làm 2 nhóm chính: • Mỏ phun cơ học • Mỏ phun khí nén  Mỏ phun cơ học: Mỏ phun cơ học được sử dụng rộng rãi hơn và có các dạng sau:  Mỏ phun tia Loại mỏ phun tia cho luồng phun thô và kích thước giọt nước lớn.  Mỏ phun tia - va đập: Loại mỏ phun tia-va đập cho luồng phun thô và kích thước giọt nước lớn.  Mỏ phun va đập phía ngoài:  Mỏ phun ly tâm: Loại mỏ phun ly tâm cho luồng phun đồng đều và kích thước giọt n ư ớ c n h ỏ .  Mỏ phun tia - ly tâm:  Sự phân bố luồng phun chỉ phụ thuộc cấu tạo mỏ phun và khoảng cách từ mỏ phun, do đó hình dạng luồng phun do mỏ phun quy định.  Kích thước giọt nước phun phụ thuộc vào một số yếu tố sau: Tính chất vật lý của khí và chất lỏng Loại và kích thước hình học của mỏ phun Vận tốc dòng chảy và một số yếu tố khác.  Mỏ phun khí nén: Trong các mỏ phun khí nén dòng nước bị đập nhỏ bởi động năng của dòng khí hoặc hơi có vận tốc lớn. Còn nước được đưa vào mỏ phun dưới áp suất nhỏthường không lớn hơn 4.105N/m2, hoặc được cuốn vào dưới sức hút của dòng khí. Với cùng một năng suất khi sử dụng các mỏ phun khí nén sẽ tiêu tốn năng lượng lớn hơn khi sử dụng các mỏ phun cơ học. VI. Lựa chọn thiết bị tách giọt lỏng:  Việc xác định được thiết bị tách giọt lỏng tích hợp sau thiết bị Venturi sao cho đảm bảo được tính đồng bộ và hiệu quả của toàn bộ cụm thiết bị.  Việc lựa chọn thiết bị tách giọt nước phải căn cứ vào kích thước của giọt nước. Khi vận tốc khí qua phần trụ ống Venturi càng cao thì quá trình đập nhỏ giọt nước thành các giọt nhỏ hơn diễn ra càng mạnh, dẫn đến dòng khí ra khỏi thiết bị Venturi mang theo các giọt nước có kích thước càng nhỏ. Ví dụ vận tốc khí qua cổ ống Venturi là 120m/s, các giọt nước có kích thước trung bình khoảng 50µm.  Để tách giọt nước có thể lựa chọn nhiều thiết bị tách giọt nước có kết cấu khác nhau:  Thiết bị cyclone  Thiết bị phân ly dạng chân quỳ   Thiết bị phân tách dạng buồng  Thiết bị phân ly có bộ phận quay  Thiết bị sủi bọt, tháp rỗng, tháp đệm Trong trường hợp lưu lượng nước tưới lớn, cũng như lượng khí qua thiết bị Venturi không ổn định người ta thường sử dụng 2 cấp thiết bị tách giọt nước:    Đối với cấp lọc thô thường sử dụng thiết bị tách giọt dạng buồng và chân quỳ Đối với cấp lọc tinh - sử dụng thiết bị cyclon Quá trình diễn ra trong thiết bị tách lỏng cyclone: dòng khí mang theo các giọt nước từ ống venturi được thổi vào cyclone từ phía dưới theo phương tiếp tuyến sẽ tạo chuyển động sấy đi lên. Các giọt nước có hòa tan bụi có trọng lượng riêng lớn hơn sẽ văng ra thành, bắt dính với lớp nước trên thành và chảy dọc theo thành thiết bị thu cặn ở đấy thiết bị. Việc tạo chuyển động xoáy đi từ dưới lên sẽ có nhiều ưu thế và hiệu quả hơn trong giữ được lớp nước trên thành thiết giúp bắt dính bụi và các giọt nước, mặt khác các giọt nước và bụi văng ra thành với chiều đi lên trong khi lớp nước chảy xuống sẽ làm tăng lực va đập và bắt dính, làm tăng hiệu quả xử lý. VI. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vật lý diễn ra trong ống venturi: Đường kính trung bình của giọt nước trong ống venturi phụ thuộc vào các các yếu sau:  Áp suất cấp nước càng cao thì đường kính trung bình của giọt nước ở miệng ra của vòi phun càng nhỏ và ngược lại.  Đường kính trung bình của giọt nước tỷ lệ nghịch với vận tốc dòng khí trong ống venturi:  Nhiệt độ vào ống venturi không được vượt quá 250oC. Nếu nhiệt độ khí vượt quá nhiệt độ trên thì phải làm nguội trước để tránh sự bốc hơi nước trong ống. Nhận xét chung: • Hiệu suất của thiết bị lọc bụi tỷ lệ nghịch với đường kính trung bình giọt nứơc, do đó hiệu suất của thiết bị sẽ tăng khi áp suất cấp nước tăng, vận tốc dòng khí trong ống venturi tăng. • Vận tốc của giọt nước và hạt bụi sẽ tăng dần khi vào ống thu hẹp, đạt giá trị cao nhất ở trong ống trụ sau đó sẽ giảm dần ở trong ống khuếch tán. Trong quá trình di chuyển vận tốc giảm dần trong ống khuếch tán sẽ xảy ra quá trình kết tụ giữa hạt bụi và giọt nước. VII. Ưu nhượt điểm của thiết bị venturi: 1. Ưu điểm:  Đây là thiết bị lọc bụi ướt hiệu cac, có thể đạt 100% đối với có kích thước trên 5 m, đối với kích thước hạt 0,1-100μm loại bỏ các hạt bụi, hiệu quả khử bụi của 80-99%  Lượng nước tiêu tốn ít hơn so với các thiết bị lọc bụi ướt khác, tỷ lệ chất lỏng khí trong phạm vi của 0.3-1.5L/m3.  Thích hợp cho xử lý khí thải có nhiệt độ không quá cao thường dưới 250oC, có khả năng làm mát dòng khí thải sau xử lý  Có khả năng khử một số khí độc có ái lực với nước theo cơ chế hoà tan hay hấy thụ hoá học 2. Nhượt điểm:  Chi phí vận hành cao cho quá trình đưa khí thải với vận tốc lớn qua ống venturi, phạm vi tổn thất áp suất 1.0-9.0kPa  Chỉ áp dụng cho khí cần xử lý có nồng độ bụi nhỏ, khi nồng độ quá cao có thể bám dính làm tắt nghẹn thiết bị, mặt khác do tính che chắn các hạt bụi bên trong có thể ko được thắm ướt  Thường phải kết hợp với các thiết bị lọc bụi sơ bộ phía trước để dòng khí vào thiết bị đạt yêu cầu về nồng độ bụi có thể xử lý hiệu quả  Ít được áp dụng trong xử lý khí thải, chỉ áp dụng cho xử lý bụi đối khí dùng trong các quá trình công nghệ với yêu cầu rất cao. Tài liệu tham khảo: 1. Ô nhiễm không khí và xử lí khí thải – GSTS Trần Ngọc Trấn 2. http://elib.dostquangtri.gov.vn/thuvien/Upload/Detai_Src/6907. pdf 3. http://vi.swewe.net/word_show.htm/?319403_1&Venturi_m%C 3%A1y_l%E1%BB%8Dc