Thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp đệm, tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5 atm và nhiệt độ 30 độ c, dung môi hấp thụ là h20

Thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp đệm, tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5 atm và nhiệt độ 30 độ c, dung môi hấp thụ là h20 Đồ án Thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp đệm, tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5 atm và nhiệt độ 30 độ C, dung môi hấp thụ là H20 gồm các nội dung sau: tính toán thiết kế tháp đệm, tính toán các thiết bị phụ và tính toán cơ khí.Đồ án Thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp đệm, tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5 atm và nhiệt độ 30 độ C, dung môi hấp thụ là H20 gồm các nội dung sau: tính toán thiết kế tháp đệm, tính toán các thiết bị phụ và tính toán cơ khí.Đồ án Thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp đệm, tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5 atm và nhiệt độ 30 độ C, dung môi hấp thụ là H20 gồm các nội dung sau: tính toán thiết kế tháp đệm, tính toán các thiết bị phụ và tính toán cơ khí.Đồ án Thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp đệm, tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5 atm và nhiệt độ 30 độ C, dung môi hấp thụ là H20 gồm các nội dung sau: tính toán thiết kế tháp đệm, tính toán các thiết bị phụ và tính toán cơ khí.

THIET KE DO AN MON HOC

Dé tai thiét ké

Thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp đệm Tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5

atm và nhiệt độ 30°C Dung môi hắp thụ là H,O

Các sô liệu ban đầu và tính toán

Lưu lượng khí thải vào tháp (Nm”/h) :9 000

Nông độ khí thải vào tháp (% thể tích) :3,0

Nông độ cuối của dung môi (% trọng lượng) id

Hiệu suất quá trình hấp thụ (%) : 80

Phan I Tinh toan thiét ké thap đệm

I Tính toán các điều kiện ban đầu

Theo bài hỗn hợp đầu vào là hỗn hợp khí nên nồng độ phần thể tích chính là

nông độ phần mol

(Amol so

¿0,03

Chuyển nồng độ thể tích sang nồng độ phần mol tương đối

= Nồng độ đầu của SO; trong pha khí:

37 0,03093 (kmol SO2/kmol khi tro)

Nồng độ cuối của SO; trong pha khí:

Y,

n= y “=0,8> Yạ- Y.=0,8VYạ =>0,2Y¿= Y¿

=Y: = 0,2.0,03093 = 6,186.10” (kmol SOz/kmol khí trơ)

y.: nồng độ phần mol của khí cần hấp thụ trong hỗn hợp

—*2_ = 6,186.10 > y; =6,148.10” (kmol SOz/ kmol hỗn hợp khí)

Lượng SO; được hấp thụ:

csO2 = Gy yid.(= 401, 786 0,03.0,8 = 9, 64 (kmol (SO 2|/h)

Nông độ đầu của SO; trong nước : Xa = 0

Nông độ cuối của SO; trong nước : Theo bài ra x'¿=l % khối lượng

= Nông độ phần mol của SO; trong dung môi :

'

My Myo 64" 18 SƠ, HO ( kmol SOz/kmol H;O)

Nồng độ phần mol tương đối của SO› trong dung môi

-4

yas 7,044.10 705.10"

l-x, 1-7,044.10

( kmol SO;/kmol H;O)

I Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc

e©_ Phương trình đường cân bằng có dạng

Voi m= > hằng số cân bằng pha

ự : Hệ số Henry (mmHg)

P : Áp suất chung của hỗn hợp khí P=5atm , T=30°C

Tra bảng IX.1( Số tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất — tập 2), ta có

= 3 s70y 19,579 ( kmol SO2/kmol H;O)

e Phuong trinh dudng lam viéc

Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bắt kỳ tới phần trên của thiết bị

GuỆY — Yc) = Gx(X — Xa)

Trong đó :

Xa: nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi

(kmol SOz/kmol H;O)

Y,: nồng độ cuối của cầu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí

(kmol/kmol khí trơ)

G,: lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h)

Gy: lweng khí trơ đi vào thiết bị hấp thu (kmol/h)

Từ phương trình cân bằng vật liệu ta có:

- Nông độ cuôi của câu tử cân hâp thụ trong dung môi:

G G (%,-Y)= ¡tu —Y,)=2,84.10” (kmol SOz/kmol H;O) 1 _

- Lưu lượng dung môi đi vao thiét bi Gy:

Gy = LGuo =8,7 389,73 = 3390,65 (kmol/h)

- Phương trình đường làm việc cho một đoạn tháp bắt kỳ:

Gw(Y - Y¿)=G,(X - Xu)

=> Y=EAX+Y=1LX+Y,

tro

= Phương trình đường làm việc: Y = 8,7.X + 6,186.10 ”

HI.Tính các thông số của tháp

1 Tính dường kính tháp đệm

a Tỉnh khối lượng riêng trung bình (tr 183)

e_ Đối với pha lỏng

1 Aso, + 1- Aso,

Áp dụng công thức:

/Ø„, : khôi lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m’

a„, : Phần khối lugng trung binh cla SO trong hén hop

Po,» Pu,0° khối lượng riéng ca SO, va H,O 6 30°C, kg/m?

Tra bảng: I.5 và I.2 ( Số tay quá trình và thiết bị-Tập 1) tai 30°C

Pu,0 = 995.68 (kg/m”)

Øso, (20°C)=1383(kg/m’), Pso, (40°C)=1327 (kg/m)

Nội suy > Pso, (30°C)= 1355 (kg/m)

Phần khối lượng trung bình của SO, trong pha long

T: Nhiệt độ làm việc của tháp T= 273+30=303 °K

Po: Ap suất ở đktc Pạ=l atm.

P: Áp suất làm việc của tháp P= 5atm

- Xp: phần mol trung bình của SO¿ trong hỗn hợp lỏng,

x, = 1,42.10” (kmol SOs/kmol H;O)

- ze,„/„„„: độ nhớt của SO; và HạO 6 30°C, Ns/m’

Tra bảng I.102 ( Số tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất — Tập 1, Tr )

- My> so,» Mx: 49 nhét trung bình của pha khí, của SO› và của không khí

- Vựụ: lượng khí trung bình đi trong tháp, m’/h

- Oyy: tốc độ khí trung binh di trong thap, m/s

* Tính lưu lượng thể tích khí và lỏng trung bình đi trong tháp:

Ứ„= Gra My (m3/h)

yth

Trong đó:

-_ G„p: lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol⁄h

- Mye: khối lượng phân tử trung bình của khí trong tháp, kg/kmol

Pye? khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp, kg/m”

G +ŒG

Y wp = 0,0186 (kmol SOz/kmol khi tro)

- Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp Gyụ:

=> Gy = 389,73 (1 + 0,0186) = 396,98 (kmol/h)

Lượng hoi trung binh trong thap(kmol/h):

Vạ: thể tích tự do của đệm, mỶ/mỶ

O;: bé mat riéng cua dém, m/mỶ

Tháp hấp thụ SO› mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasig đỗ lộn xôn:

đệm băng sứ kích thước 30x30x3,5

Vạ= 0,76 m”/mỶ

ơ,= 165 m”mỶ

G,, Gy: lugng long va lượng hoi trung binh (kg/s)

n

Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, xong thực

tế tháp đệm chí làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng nữa sẽ rất khó bảo đảm quá

U,¡=0,158.165=26,07 ,m /mˆ.h

`" `

U,, 26,07

= Đệm tham wot tot

2 Tinh chiều cao tháp đệm

Áp dụng công thức xác định chiều cao của lớp đệm:

Hạ= my.hy „m

Trong đó:

my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi (khí)

hy, : chiều cao của một đơn vị chuyển khối

* Tính chiễu cao của một đơn vị chuyển khối

a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm Đệm vòng a= 0,1 23

Rey : chuẩn số Reynold cho pha hơi

Pry: chuẩn số Prandt cho pha hơi

W: Hệ sô thâm ướt của đệm

Py = Pye = 5,96(kg /m?*) 0;: bé mat riêng của đệm, ở,=165 (mm)

„, :độ nhớt trung bình của pha khí, (Ns/m”)

Ø,: khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m”)

D, : hệ số khuếch tán của pha khí, m”⁄s

Hso, › „ : thê tích mol của SOa, khéng khi (cm*/mol)

2 1⁄3

h, = 2s6{ | Re?” Pr (m)

Py

Trong do:

H,: dQ nhot trung binh của pha lỏng, Ns/mF

ø,: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng,kg/m”

Pew! khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/mỶ

D, : hệ số khuếch tán trong pha lỏng, m”/s

10° — + =

D”=————*— (m°/s)

AB] Myo (Use + Uno °

Trong do:

DỈ” : hệ số khuếch tán của dung dịch lỏng 6 20°C (m7/s)

My,,, ÄÍ,„.„: khối lượng mol của SO;, HạO (kg/kmol)

M xo, = 64 (kg/kmol)

M,„= 18 (kg/kmol)

A, B: hệ số liên hợp

Với các chất khí tan trong nước A = 1

Với dung môi là nước B = 4,7

/4„„: độ nhớt của nước ở 20C, /„ø= TCp = 10° Ns/s Uso, Uno ° thể tích mol của SO;, H;O (cm”/mol)

/4„„: độ nhớt của nước ở 20C, Myo = lop = 10° Ns/s

ø: khối lượng riêng của nước ở 20C

*Tính m hệ số góc của đường cân băng

Dựa vào bảng số liệu => = 9,83

= Chiếu cao của một đơn vị chuyên khối

Y : thanh phan mol cân bằng của hơi

Ta xác định số đơn vị chuyển khối theo phương pháp tích phân đồ thị Việc tính

và đường Y¿ = 0,03093 (kmol SO,/kmol khéng khí)

Y¿ =6,186.10 (kmol SOz/kmol không khí)

Bảng số liệu cho đồ thị tích phân

Dién tich mién gidi han cua duong cong ta dugc: S = 5,5 Diện tắch hình

thang cong chắnh bằng số đơn vị chuyên khối là my =5,5

= Chiều cao của lớp đệm: H = m,.haƯ=5,5.0,27=1,485 m

Quy chuẩn H=l,5

Đây thực chất là chiều cao lớp đệm Chiều cao của tháp ngoài chiều cao của

lớp đệm còn tắnh đến chiều cao từ mặt trên của đệm đến dSinh tháp và từ mặt dýới

đệm tới đáy tháp

Áp dụng công thức:

Hinap = Haam + Haam- nip Đ Háệm- đáy

AP,: Tôn thất đệm khô

AP,: Tên thất đệm ướt

Tháp hấp thụ đạt hiệu suất cao nhất khi vận tốc của khí bằng vận tốc điểm

đảo pha

=> Trở lực của tháp đệm đối với hệ khí - lỏng tại điểm đảo pha có thể xác định

được bằng công thức sau:

G 0,405 0,225 0,045

AP.=(+K)AP, =AP,|li+al | JSC |

Trong đó:

AP,: tôn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc

độ của khí đi qua đệm khô (N/m”)

* Ton that áp suất của đệm khô tính theo công thức:

° Pp, : khối lượng riêng trung bình cúa hỗn hợp khí trong tháp, kg/m”

e 4, : độ nhớt trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (Ns/m?)

e H : chiều cao lớp đệm, H= I,5 (m)

e 4y : vận tốc khí trung bình đi trong tháp @,= 0,7 (m/s)

° pp, : khối lượng riêng trung bình cúa hỗn hợp khí trong tháp, kg/m”

se /„ : độ nhớt trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (Ns/m”)

PHAN 2: TINH TOAN CAC THIET BI PHU

I Các thông số đặc trưng cia bom

Áp suất mặt thoáng P;= 9,81 107 Nin?

Ap suat lam viéc P= 5 atm=5x1,013.10°=5,065.10° N/m?”

Gia tốc trọng trường g=9,81 m/s”

P¡: áp suất bề mặt nước không gian hút

P›: áp suất không gian đây

p: khối lượng riêng của nước

Py: áp suất trong ống hút lúc vào bơm

P;: áp suất của chất lỏng trong ống đây lúc ra khỏi bơm

H¡, Hạ: chiều cao ống hút và ống đây

Finn, Ha? ton thất áp suất do trở lực gây ra trong ống hút và ống đây

œ;: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đẩy

œ¡”: vận tốc nước khi vào bơm

œ;”: vận tôc nước khi ra khỏi bơm

Trong d6: AP, = AP, + AP, + AP

AP,: áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống

Đường wong kính ống hút: đ, = — — ong hut: @, 0,785xø,

Trong đó: V là lưu lượng thé tích chất lỏng đi trong Ống, m’/s

y — Ga Mino _ 3390,65x18 = = = 0,017(m’/s)

Pu,0-3600 3600x997

Theo bang II.2(I-370) chat lỏng trong ống hút của bơm có œạ=0,8-2,0 (m/s) Chọn

đụ = 1,5 (m/s) —d, = ng =0,12(m)

Tra bảng I-34 (I-441) sự phụ thuộc chiều cao hút của bơm ly tâm vào nhiệt

độ Ở nhiệt độ làm việc T=30°C thì chiều cao hút của bơm ở khoảng 4m thì đảm

bảo không xảy ra hiện tượng xâm thực Tuy nhiên để loại trừ khả năng dao động trong bơm nên giảm chiều cao hút khoảng Iz1,5m so với giá trị trong bảng Vậy chọn chiều cao hút là 2,5 m

= Ap lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là:

Dòng ở chê độ chảy xoáy nên hệ sô ma sát được tính như sau

Teen (SE A | gang

Chọn chiều đài ống đây là Hạ=12m

= Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là:

Công suất của bơm:

Công suất yêu cầu trên trục bơm:

Áp dụng công thức: w = O.g-Hp (kW) 0° 1-439

Trong đó:p: khối lượng riêng của nước, kg/m”

N: hiéu suat cua bom, kW

H: áp suất toàn phần của bơm tính bằng mặt cắt cột chất lỏng bơm

rị: hiệu suất của bơm

1 =7] 0.74 i

Với ;„: hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp và do chất lỏng rò từ các chỗ hở của bơm

?;„ : hiệu suất thủy lực

7, : hiệu suất cơ khí

Hiệu suất toàn phần phụ thuộc vào loại bơm và năng suất Khi thay đôi chế độ làm

việc của bơm thì hiệu suất cũng thay đôi

Vay cong suat yéu cau trén truc bom: N =

Công suất động cơ điện N„¿.(KW)

N

Diy Nac

Nae=

V6i: 7, = 0,85: hiéu suất truyền động

77„ =0,9: hiệu suất động cơ điện

II May nén khi

Tháp làm việc ở điều kiện P=5atm, T=30°C

Ta chọn máy nén ly tâm

Máy nén ly tâm là một loại máy nén và đây khí nhờ tác dụng của lực ly tâm

do bánh guồng sinh ra Dùng máy nén ly tâm khi áp suất đẩy từ 2-10 at Độ nén

của máy ly tâm nhỏ nên máy có nhiều cấp thường từ 3-7 cấp

Độ nén trong một cấp từ 1,2-1,5 khi tốc độ vòng nhỏ hơn 200m⁄5

Đường kính bánh guông từ 700-1400 mm Cánh guông có thê cong ra hoặc hướng tâm

Các điều kiện của khí đầu vào T=25”C, P=latm

1 Công của máy nén ly tâm

Áp dụng công thức

ml

Ly =RT.——| l2] +1 (J/kg) m-| ,

Trong dé: Pa, Pg: áp suất trước và sau khi nén, at

T¡: nhiệt độ đầu của khí, K

Ap dụng phương trình becnulli cho mat cắt 1-1 va mat cat A-A chon mat cat 1-1

làm chuẩn

Do ống nằm ngang nên ZA=0

Chọn vận tốc khí trong bê chứa tĩnh: ø,=0

Phương trình becnulli cho mặt cắt 2-2 và B-B Chọn mặt cắt B-B làm chuẩn

e© P¡=P,: áp suất khí quyên, P¡ = 9,81.10! (N/m?”)

© P;: áp suất cudi éng day, N/m’

P, =P -AP,

P, =P, + AP,

e© Za : chiều cao ống đây

e _ o:Khối lượng riêng của hỗn hợp khí thải ở điều kiện đầu vào của khí

M,Ty _ 29,64x273

—"—= 22,4xT, 22,4x303 =1,2(ke /m (kg/m)

p=

© Hin, Dna: tro luc trén đường éng hút và ống đây

Xác định áp suất trước khi nén:

Đ,=h-Ah,

Trong đó:

e© P¡: áp suất khí quyển

® AP,=AP,+AP, +AP, (như bơm ly tâm)

2

ap, =P |l+A.J 2 d, xe

* Đường kính Ống húi

Chọn van ¡ chiềuTheo ILl6 [1-399] ta cO dy =0,17 m => =1,5+19

nội suy & =1,78

—trở lực cục bộ của ống hút £= ễ +ế, =0,5+1,78= 2,28

Chọn chiều dài ống đây Hạ =Lạ =5 (m)

vậy trở lực trong ông day:

1,4-1| | 91202,2

mà] Let

Ly = RI l2) ” +1 |=280,5x303x—°' (2) " “ = 786207, 7(J / kg)

1

2 Công suất máy nén

*Công suất ly thuyết

_ ia

Nia —

Trong đó:

© Nia: cong suất hiệu dụng, kW

e© „: hiệu suất cơ khí của máy nén Đối với máy nén ly tâm ;„=0,96+ 0,98

e ø: hệ số dự trữ công suất thường lấy bằng I,I+1,15.Chọn ø =1,15

e 7, :hiéu suat truyén dong ( 0,96+ 0,99 ) +7, = 0,98

e ;;„ :hiệu suất động cơ điện ;„ =0,95

N= B Nm 2115x2821 _

Te Nac 0, 98x 0, 95

Như vậy ta chọn động cơ điện có công suất 5000 kW

=4719,8(W)

PHAN III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

I Chiều dày thân tháp

Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyên, dùng để hấp thụ khí S0;, thân tháp

hình trụ, được chế tạo bằng cách uốn tấm vật liệu với kích thước đã định sẵn, han ghép mối, tháp được đặt thăng đứng

Chọn thân tháp làm bằng vật liệu X18H10T.( Bang XII.24-325) (C < 0,1%,

Cr khoảng 18%, Ni khoáng 10%, T¡ không quá 1 — 1,5%)

Chọn thép không gi, bền nhiệt và chịu nhiệt

Thông số giới hạn bền kéo và giới hạn bền chảy của thép loại X18HI0T:

C : hé sé bé xung do 4n mon, bao mon va dung sai vé chiéu day, m

[ZE ]: ứng suất cho phép của loại thép X18H10T

P: áp suất trong thiét bi, N/m”

P: áp suất trong thiết bị ứng với sự chênh lệch áp suất lớn nhất bên trong và bên

Px: khéi lượng riêng của nước, kg/m?

g: gia téc trong truéng, g= 9,81 m/s”

H: chiều cao cột chất long, H= 3,5 m