Nghiên cứu phát triển thiết bị tách dầu ra khỏi nước bằng phương pháp ly tâm - Luận án Tiến sĩ Nguyễn Việt Đức

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM HỌ VÀ TÊN NGHIÊN CỨU SINH NGUYỄN VIỆT ĐỨC TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN TIẾN SĨ: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ TÁCH DẦU RA KHỎI NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP LY TÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHÒNG - 2021 BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM HỌ VÀ TÊN NGHIÊN CỨU SINH NGUYỄN VIỆT ĐỨC TÊN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN TIẾN SĨ: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THIẾT BỊ TÁCH DẦU RA KHỎI NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP LY TÂM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC; MÃ SÓ: 9520116. CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC, BẢO TRÌ TÀU THỦY Người hướng dẫn khoa học: 1. Nguyễn Hồng Phúc 2.TS Trần Hồng Hà HẢI PHÒNG - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi tôi là Nguyễn Việt Đức, tác giả của luận án tiến sĩ “Nghiên cứu phát triển thiết bị tách dầu ra khỏi nước bằng phương pháp ly tâm”. Bằng danh dự của mình, tôi xin cam đoan đây là công tình nghiên cứu của riêng tôi, không có phần nội dung nào được sao chép một cách bất hợp pháp từ công trình nghiên cứu của tác giả khác.

Kết quả nghiên cứu, nguồn số liệu trích dẫn, tài liệu tham khảo nêu trong luận án hoàn toàn chính xác và trung thực. Hải Phòng, ngày 04 tháng 07 năm 2021 Tác giả Nguyễn Việt Đức i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn cơ sở đào tạo đã cho phép tôi thực hiện luận án này. Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được rất nhiều ý kiến góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ về các công tác tổ chức của tập thể cán bộ hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các bạn đồng nghiệp. Tôi xin được gửi tới họ lời cám ơn sâu sắc.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy hướng dẫn của tôi, đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Nhân đây tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ, động viên tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận án này. Tác giả Nguyễn Việt Đức ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Lời cám ơn ii Mục lục iii Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu vii Danh mục các bảng xi Danh mục các hình xiii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6 1.

Một số nguồn gây ra lẫn dầu vào trong nước 6 1. Ô nhiễm biển do khai thác tàu chở dầu 6 1. Ô nhiễm biển từ các chất thải dàn khoan dầu, khí trên biển 7 1. Ô nhiễm biển do bơm xả nước dằn tàu ra biển 7 1.

Dầu lẫn vào trong nước tại các cơ sở sản xuất trên bờ 7 1. Một số giải pháp tách dầu ra khỏi hỗn hợp dầu nước 8 1. Xử lý dầu nhờ chất phân tán 8 1. Xử lý dầu bằng phương pháp từ tính 9 1.

Xử lý dầu bằng vật liệu hấp phụ dầu 10 1. Xử lý dầu bằng vải lọc 11 1. Xử lý dầu bằng phương pháp lắng đọng tự nhiên 13 1. Xử lý dầu bằng phương pháp ly tâm 16 1.

So sánh các giải pháp tách dầu ra khỏi hỗn hợp dầu nước 17 1. Tình hình nghiên cứu trong nước và nước ngoài 20 1. Nghiên cứu thiết bị tách dầu nước ly tâm hình nón 20 iii 1. Nghiên cứu thiết bị tách dầu nước sử dụng ống tạo xoáy 20 1.

Nghiên cứu thiết bị tách dầu nước sử dụng cánh tạo xoáy đặt cố định 22 1. Nghiên cứu thiết bị tách dầu nước sử dụng cánh tạo xoáy chuyển động quay 30 1. Hướng nghiên cứu của luận án 34 1. Kết luận chương 1 38 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ NGHIÊN CỨU 39 2. Mô hình nghiên cứu thiết bị tách dầu 39 2. Cơ sở xác định các kích thước thủy lực cơ bản của thiết bị tách dầu 41 2. Xác định đường kính ống quay 41 2.

Xác định chiều dài ống quay 42 2. Xác định số vòng quay của ống quay 43 2. Xác định số vòng quay đặc trưng 43 2. Xác định tỷ số đường kính bầu 44 2.

Xác định số vòng quay cho phép của ống quay 46 2. Xác định số cánh 46 2. Xác định bước cánh 47 2. Xác định chiều dài cánh 47 2.

Ống thu dầu bẩn 48 2. Xác định biên dạng cánh 48 2. Xác định biên dạng bầu 49 2. Xây dựng chương trình tính toán một số thông số thủy lực cơ bản 54 2.

Cơ sở lý thuyết tính toán mô phỏng số 57 iv 2. Một số phương pháp tính toán mô phỏng số 57 2. Cơ sở toán học của kỹ thuật mô phỏng số 59 2. Mô phỏng số quá trình tách dầu trong ống quay ly tâm 64 2.

Kết luận chương 2 67 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA VÒNG QUAY, ĐƯỜNG KÍNH BẦU, SỐ CÁNH, GÓC ĐẶT CÁNH ĐẾN QUÁ TRÌNH TÁCH DẦU BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 68 3. Kết quả tính toán kích thước ống quay, biên dạng bầu và cánh 68 3. Thông số cho trước 68 3.

Kết quả tính toán thông số thủy lực và lựa chọn thiết bị 68 3. Tính toán, kết quả và đánh giá ảnh hưởng của vòng quay, đường kính bầu, số cánh, góc đặt cánh và tỷ lệ dầu nước tại đầu vào thiết bị đến quá trình tách dầu bằng mô phỏng số 73 3. Mục đích tính toán mô phỏng số 73 3. Tiêu chí đánh giá thiết bị tách dầu bằng mô phỏng số 73 3.

Tạo biên dạng ống quay, bầu và cánh 75 3. Mô phỏng quá trình tách dầu nước bằng phần mềm Fluent - Ansys 76 3. Kết quả tính toán mô phỏng số ảnh hưởng của vòng quay, đường kính bầu, số cánh, góc đặt cánh và tỷ lệ dầu nước tại đầu vào thiết bị đến quá trình tách dầu 78 3. Đánh giá kết quả tính toán mô phỏng số ảnh hưởng của vòng quay, đường kính bầu, số cánh, góc đặt cánh và tỷ lệ dầu nước tại đầu vào thiết bị đến quá trình tách dầu 86 3.

Kết luận chương 3 86 v CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 88 4. Giới thiệu hệ thống thiết bị thử nghiệm 88 4. Sơ đồ lắp đặt thiết bị thử nghiệm 88 4.

Thiết bị tham gia thử nghiệm 88 4. Mục tiêu và phạm vi thử nghiệm 94 4. Mục tiêu thử nghiệm 94 4. Phạm vi thử nghiệm 94 4.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thử nghiệm 95 4. Xây dựng quy trình thử nghiệm 95 4. Tổng hợp kết quả thử nghiệm 96 4. Đánh giá thiết bị tách dầu ra khỏi nước bằng phương pháp ly tâm 97 4.

So sánh kết quả tính toán mô phỏng và kết quả thử nghiệm 97 4. Đánh giá thiết bị tách dầu 98 4. Xây dựng quy trình tháo lắp thiết bị tách dầu 98 4. Kết luận chương 4 98 KẾT LUẬN 100 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHỤ LỤC 1.

TẠO BIÊN DẠNG CÁNH PHỤ LỤC 2. MIỀN KHÔNG GIAN TÍNH TOÁN, CHIA LƯỚI VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN PHỤ LỤC 3. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM ANSYS FLUENT vi PHỤ LỤC 4. BẢN VẼ THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHỤ LỤC 5.

MỘT SỐ THIẾT BỊ CHẾ TẠO VÀ LẮP GHÉP vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt Giải thích Computational Fluid Dynamics: Tính toán động lực học chất CFD lưu động DWT Deadweight tonnage - Trọng tải toàn phần International Maritime Organization - Tổ chức Hàng hải quốc IMO tế The National Advisory Committee for Aeronautics NACA (Ủy ban tư vấn Quốc gia Hàng không Hoa Kỳ) Ký hiệu a0÷a4 Các hệ số được xác định bằng thực nghiệm A Hệ số dự trữ b1 và b2 Hệ số xác định bằng thử nghiệm c Chiều dài dây cung, mm Số vòng quay làm việc đặc trưng; Hệ số xác định bằng thử C nghiệm cv Nhiệt dung riêng đẳng tích, kJ/kg độ cp nhiệt dung riêng đẳng áp, kJ/kg độ dd, d1 Đường kính giọt dầu, m; µm d Đường kính ống thu dầu bẩn; Đường kính dòng dầu tách ra, m d Tỷ số đường kính bầu D Đường kính cánh, m Db Đường kính bầu, m Dô Đường kính ống quay, m e Năng lượng tổng trên một đơn vị thể tích; kJ/m3 vii Chữ viết tắt Giải thích Fô Diện tích tiết diện ống quay, m2 H Cột áp, mH2O hp Mã lực k Suất dẫn phân tử kH Hệ số cột áp kQ Hệ số lưu lượng Khoảng cách từ dòng dầu có đường kính d ra tới mép ngoài L ống quay, m Lô Chiều dài ống, m Máy đo tốc độ Doppler laser hai thành phần, theo thời gian và LDV không gian (L/T)tb Độ mau của lưới profin ở tiết diện trung bình n Số vòng quay làm việc, vòng/phút ns Số vòng quay đặc trưng n Số vòng quay cho phép, vòng/phút  n Véc tơ pháp tuyến O.D Out diameter - Đường kính ngoài ống, m p Áp suất, Pa P1÷ P4 Đa thức bậc ba Hermite ppm Per part million, phần triệu Q Sản lượng của thiết bị, m3/s Q1÷Q6 Đa thức bậc 5 Hermite ReD Tri số Reynolds Bán kính xuyên tâm quay của giọt dầu (khoảng cách từ trục rd quay đến vị trí giọt dầu), mm viii Chữ viết tắt Giải thích Rin Bán kính bầu tại đầu vào, m Rtb Bán kính ở tiết diện trung bình, m s Hoành độ của một điểm trên đường nhân, mm Hoành độ của điểm thuộc đường biên ở phía dưới đường nhân, s1(s) mm s(s) Độ dày của cánh trên đường nhân, mm Hoành độ của điểm thuộc đường biên ở phía trên đường nhân, su(s) mm Sw Góc xoắn, độ t Bước cánh, m T Khoảng thời gian, s; Nhiệt độ, oC td Nhiệt độ của dầu, oC  t Véc tơ tiếp tuyến ui Vận tốc, m/s V0 Vận tốc chảy dọc ống, m/s vg Vận tốc lắng đọng của hạt tạp chất trong trường trọng lực, m/s vr Vận tốc giọt dầu chuyển động đi vào trục quay, m/s vt Vận tốc tiếp tuyến, m/s vz Vận tốc chảy dọc ống, m/s x Trục x y Trục theo phương đứng y1(s) Tung độ của điểm thuộc đường biên bên dưới đường nhân, mm y(s) Tung độ của một điểm trên đường nhân, mm Tung độ của điểm thuộc đường biên ở phía trên đường nhân, yu(s) mm ix Chữ viết tắt Giải thích Z Trục dọc ống quay; Số cánh Phần trăm dầu trong nước tại lối vào thiết bị, ppm; hệ số α khuếch tán nhiệt. β Góc đặt cánh, độ δ Bề dày của profil, mm max Chiều dày lớn nhất của cánh, mm µd Độ nhớt động lực của dầu, Pa.s w Độ nhớt động lực của nước, Pa.