Phương pháp tuần hoàn chất lỏng bằng khí

Văn bằng Sở hữu trí tuệ: “Phương pháp tuần hoàn chất lỏng bằng khí” của nhóm tác giả Trần Mạnh Hải, Nguyễn Hoài Châu,Cao Thế Hà,Vũ Ngọc Duy thuộc Viện KHCN Năng lượng và Môi trường.

Quá trình khí kéo nước (airlift) được sử dụng để vận chuyển chất lỏng hoặc hỗn hợp chất lỏng. Quá trình airlift đã được ứng dụng trong một số lĩnh vực công nghiệp (dầu khí, hóa dầu). Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản, dễ chế tạo, dễ vận hành và bảo trì đơn giản, đặc biệt là khả năng chống tắc nghẽn, bơm rất đáng tin cậy và rất ít bị mài mòn do chất lỏng không tiếp xúc với bất kỳ yếu tố cơ học nào. Do đó, quá trình này ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau.

Hiện nay, hầu hết các quá trình airlift sử dụng khí nén (có hoặc không có tuần hoàn khí) và trong một số trường hợp đặc biệt sử dụng khí tự sinh (chẳng hạn, với xử lý yếm khí nước thải thì khí tự sinh là khí biogas), khi đó quá trình được gọi là gaslift. Các công bố về vấn đề này gồm một số mô hình thực nghiệm (sử dụng không khí) mô phỏng ảnh hưởng của chế độ dòng chảy của hỗn hợp khí-lỏng trong ống, ảnh hưởng của mức ngập nước trong chất lỏng và cơ cấu tách pha, thu khí (với trường hợp sử dụng khí biogas).

Sáng chế đề cập đến phương pháp xác định và/hoặc điều chỉnh lượng lượng chất lỏng được kéo lên (lượng chất lỏng cần tuần hoàn) bởi mỗi lượng khí trong ống dẫn chất lỏng lên thẳng đứng phụ thuộc vào các yếu tố: (i) lưu lượng khí Q_K, (ii) chiều sâu ngập trong chất lỏng H₁ của ống, (iii) chiều cao dâng chất lỏng H₂, (iv) khối lượng riêng của chất lỏng ρ, (v) độ nhớt của chất lỏng µ, và (vi) tiết diện ống S ở điều kiện áp suất khí quyển P_a.

Mô hình toán để tính toán lượng nước được kéo lên tùy thuộc vào các yếu tố nêu trên như sau:

Q_N = K.Q_K                                                      (1)

trong đó K được xác định theo phương trình (2):

trong các phương trình (1) và (2):

trong đó H₁ và H₂ phải thỏa mãn đồng thời các điều kiện sau:

H₂ nằm trong khoảng từ 0,1 đến 0,5 m;

H₁ ≥ 1,85 m;

≥ một giá trị nằm trong khoảng từ 3,7 đến 18,5; và  phải đảm bảo đạt tối thiểu 0,053 m/s (191 m/h).

Sáng chế này đưa ra được mô hình tính toán để việc xác định lượng dung dịch được kéo lên (được vận chuyển) bởi mỗi lượng khí trong ống dẫn chất lỏng lên thẳng đứng, mô hình này đề cập đến đẩy đủ các yếu tố của quá trình: (i) lưu lượng khí Q_K, (ii) chiều sâu ngập trong chất lỏng H₁ của ống, (iii) chiều cao dâng chất lỏng H₂, (iv) khối lượng riêng của chất lỏng ρ, (v) độ nhớt của chất lỏng µ, và (vi) tiết diện ống S ở điều kiện áp suất khí quyển P_a.

Điểm đặc biệt tin cậy là mô hình được xây dựng dựa vào định luật bảo toàn năng lượng để biểu diễn mối quan hệ giữa lượng nước được khí kéo lên phụ thuộc vào: (i) Tiết diện S của ống lên T₁; (ii) chiều sâu ngập nước H₁; (iii) chiều cao xả nước (phần phía trên mức nước) H₂; (iv) độ nhớt của dung dịch µ; (v) khối lượng riêng của dung dịch ρ ở áp suất khí quyển P_a, hàm K=f(H₁, H₂, d₁, µ, ρ).

Trong lĩnh vực môi trường, tuần hoàn nước là một quá trình rất phổ biến trong các hệ thống xử lý nước thài. Hiện nay, hầu hết sử dụng bơm điện, do đó, việc chuyển đổi sang sử dụng bơm airlift sẽ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí năng lượng do bơm có hiệu suất cao nếu chiều sâu ngập nước đủ lớn (Hình 1). Đặc biệt, với các quá trình phân hủy yếm khí, khí sinh ra từ quá trình này (khí biogas) hay còn gọi là khí nội sinh có thể được sử dụng trực tiếp để tuần hoàn nước (Hình 2) mà không cần phải cấp khí từ bên ngoài, khi đó, năng lượng tiết kiệm được sẽ tăng lên hơn nữa.