thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp chóp

Đồ án môn quá trình thiết bị Thiết kế hệ thống hấp thụ để làm sạch khí Họ và tên: Lớp : Các số liệu ban đầu : Thiết bị hấp thụ loại tháp chóp. Hỗn hợp tách: H 2 S -không khí. Lu lợng khí thải vào tháp là: 11.000 Nm 3 /h Nồng độ H 2 S trong dòng khí vào theo % thể tích là: 2% Hiệu xuất hấp thụ: 85% Dung môi hấp thụ là H 2 O Nhiệt độ và áp xuất hấp thụ,lợng dung môi mô phỏng theo một số điều kiện. Các phần thuyết minh và tính toán: I. Mở đầu II. Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ 1. Cân bằng vật liệu 2. Đờng kính 3. Thiết kế đĩa chóp 4. Chiều cao 5. Trở lực 6. Các chi tiết của tháp III. Tính toán quạt hoặc máy nén khí IV. Tính toán hệ thống bơm dung môi V. Tính và chọn cơ khí VI. Kết luận Vẽ sơ đồ dây chuyền hệ thống hấp thụ: khổ A4. Vẽ bản vẽ chi tiết(vẽ lắp)tháp hấp thụ: khổ A1. Giáo viên hớng dẫn 1 Mục lục i. mở đầu 3 ii. tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ 9 1. Thiết lập phơng trình cân bằng vật liệu9 2. Tính đờng kính11 3. Thiết kế đĩa chóp 13 4. Tính chiều cao của tháp18 5. Tính trở lực của tháp.22 6. Bảng mô phỏng 24 iii. Thiết kế thiết bị phụ 24 1. Bơm chất lỏng.24 2. Thùng cao vị28 3. Máy nén khí 29 iv. tính và chọn cơ khí 33 1. Chọn vật liệu33 2. Tính chiều dày thân tháp33 3. Tính chiều dày nắp và đáy thiết bị.36 4. Chọn mặt bích 36 5. Chọn chân đỡ 37 V. kết luận41 vi. tài liệu tham khảo.42 2 i. mở đầu Ô nhiễm môi trờng : vấn đề chung mang tính toàn cầu và cấp bách. ở hầu hết các quốc gia, chính phủ đã đầu t rất nhiều,cả về vốn và công nghệ cho việc xử lí các chất gây ô nhiễm môi trờng. Các nớc càng phát triển, khoa học công nghệ tiên tiến thì ô nhiễm môi trờng càng trở lên nghiêm trọng. ở Việt Nam,tuy nền công nghiệp cha phát triển mạnh mẽ nhng do nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan , làm cho môi trờng nớc ta ngày càng ô nhiễm . Việc chặt phá rừng cũng nh hoạt động của các nhà máy đã thải ra môi tr- ờng rất nhiều chất gây ô nhiễm. Cũng nh nhiều nớc khác trên thế giới hiện nay, vấn đề xử lí các chất gây ô nhiễm ở nớc ta đang gặp nhiều khó khăn . Nguyên nhân của ô nhiễm môi trờng là do các chất thải từ nhà máy, khu công nghiệp và các hoạt động khác. Một trong những chất khí gây ô nhiễm môi trờng là H 2 S). Khí Sunfurơ là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1ppm. Sunfurơ là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lu huỳnh(các nhà máy nhiệt điện thờng là nguồn phát sinh ra nhiều Sunfurơ trong khí thải). Ngoài ra còn kể đến quá trình tinh chế dầu mỏ, luyện kim, sản suất axit Sunfuric , tinh luyện quặng đồng, kẽm, chì, thiếc sản xuất xi măng và giao thông vận tải cũng là những nơi phát sinh ra nhiều khí Sunfurơ. Tác động của khí Sunfurơ tới môi trờng có thể kể ra ở đây nh: - SO 2 làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng - Ma axit làm đất và nớc bị ô nhiễm bởi SO 2 và SO 3 trong khí quyển Không khí bị ô nhiễm do SO 2 và SO 3 có thể làm bạc màu các tácphẩm nghệ thuật, ăn mòn kim loại và làm giảm bền của các vật liệu vô cơ, hữu cơ . Vậy mục đích thu hồi và sử lí để làm giảm thiểu tác hại của nó đối với môi trờng và con ngời. Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng . Khí đợc hút gọi kà chất bị hấp thụ,chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi(hay chât hấp thụ), khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ. Bản chất của quá trình hấp thụ: khí hoà tan vào trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp 2 cấu tử: ( =2,k = 2,c = 2-2+2 = 2 thành phần và 2 pha. Hệ thống nh vậy theo định luật pha2) đợc gọi nh hỗn hợp lỏng có 2 thành phần. Cân bằng pha đợc xác định bởi P,T,C.Nếu T = const thì độ hoà tan phụ thuộc vào P theo định luật Henrry: Y CB = m.x +Với khí lí tởng, m = const quan hệ y CB = f(x) là đờng thẳng. + Với khí thực, m phụ thuộc vào đờng cân bằng là đờng cong. Hệ số cân bằng m = P ; : hệ số Henrry, có thứ nguyên của P. P: áp suất [ ] at . *Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình hấp thụ: -ảnh hởng của lợng dung môi:Theo phơng trình chuyển khối, lợng khí bị hấp thụ đợc tính theo công thức sau: 3 G = k Y .F. tb Y y a a 1 a 2 a 3 a 4 b x y c o x đ yuu Trong điều kiện nhất định ,G là lợng không đổi và có thể coi hệ số chuyển khối k Y cũng không đổi. Do đó, bề mặt tiếp xúc pha F chỉ đợc thay đổi tơng ứng với sự thay đổi tb Y sao cho F. tb Y là không đổi . Từ đồ thị suy ra khi X đ ,Y đ ,Y c cố định thì nồng độ cuối của dung môi đợc quyết định theo động lực trung bình tb Y , tức là điểm cuối của đờng làm việc AB(điểm này chỉ đợc dịch chuyển từ A 4 A ). Đờng làm việc BA 4 cắt đờng cân bằng, lúc này tb Y là nhỏ nhất. Đờng AB gần song song với trục tung, nên tb Y là lớn nhất. Vì F. tb Y không đổi ứng với BA 4 có F lớn nhất, ứng với BA có F bé nhất. Tơng tự tại A 4 có X c lớn nhất, tại A có X c bé nhất. Dựa vào phơng trình nồng độ làm việc Y = A.x + B với: A = tang = tr x G G ; B = Y c - tr x G G Suy ra ứng với BA 4 có A 4 = tr x G G bé nhất(lợng dung môi tối thiểu), còn ứng với BA thì A = tr x G G là lớn nhất nên lợng dung môi còn là lớn nhất do G tr không đổi. 4 Do đó nếu chọn lợng dung môi ít nhất, ta thu đợc X c lớn nhng thiết bị phải rất lớn(vô cùng cao). Trái lại, nếu chọn lợng dung môi lớn nhất, thì thiết bị bé nhng dung dịch thu đ- ợc lại quá loãng vì X c bé. Do đó, khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật. *ảnh hởng của T và P lên quá trình hấp thụ: Nhiệt độ T và áp suất P là những yếu tố ảnh hởng quan trọng lên quá trình hấp thụ , mà chủ yếu ảnh hởng lên trạng thái cân bằng và động lực quá trình. Từ phơng trình Henrry ta thấy, khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henrry tăng đờng cân băng dịch chuyển về trục tung. x o y x o y a b t 3 t 2 t 1 a b p 4 p 3 p 2 p 1 p 3 p 2 p 1 t 3 t 2 t 1 Nếu đờng làm việc AB không đổi tb Y giảm, do đó cờng độ chuyển khối giảm theo.Nếu cứ tiếp tục tăng nhiệt độ,ví dụ đến t s thì không những tb Y giảm mà ngay cả quá trình không thực hiện đợc(vì đờng cân bằng và đờng làm việc cắt nhau,nên không thể đạt đợc nồng độ cuối X c ). Đó là ảnh hởng xấu của tăng nhiệt độ . Tuy nhiên, khi T tăng thì độ nhớt của dung môi giảm nên vận tốc khí tăng, cờng độ chuyển khối cũng tăng theo. Trong trờng hợp tăng áp suất , ta thấy hệ số cân bằng m = P giảm đờng cân bằng dịch chuyển về phía trục hoành tb Y tăng lên ,quá trình chuyển khối tốt hơn.Nhng P tăng T tăng gây ảnh hởng xấu đến quá trình hấp thụ. Mặt khác, P tăng gây khó khăn về mặt thiết bị quá trình hấp thụ chỉ đợc thực hiện ở P cao đối với những khí khó hoà tan. 5 Ví dụ: Hấp thụ CO 2 bằng H 2 O tiến hành ở 17at; thu hồi CO ở 12at *Các loại tháp hấp thụ: - Thiết bị loại bề mặt:đơn giản , bề mặt tiếp xúc pha bé chỉ dùng khi chất khí dễ hoà tan trong lỏng. - Thiết bị loại màng: thiết bị loại ống, loại tấm. - Thiết bị loại phun: không phù hợp với khí khó hoà tan. - Thiết bị loại đệm: bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu xuất cao nhng khó làm ớt đều đệm. - Thiết bị loại đĩa(tháp đĩa) gồm: +Tháp đĩa có ống chảy truyền: đĩa chóp , đĩa lỗ(lới), đĩa Suppáp, đĩa sóng chữ S. +Tháp đĩa không có ống chảy truyền. Xét tháp hấp thụ SO 2 trong không khí bằng H 2 O với tháp chóp. - Tháp đĩa chóp là tháp gồm nhiều đĩa, trên đĩa có nhiều chóp. Trên đĩa có lắp ống chảy truyền để vận chuyển chất lỏng từ đĩa này sang đĩa khác. Số ống chảy truyền phụ thuộc vào kích thớc của tháp và lu lợng chất lỏng, ống chảy truyền đợc bố chí theo nhiều cách. Khí đi từ dới lên qua ống hơi vào chóp, qua khe chóp để tiếp xúc với chất lỏng trên đĩa. Chóp có cấu tạo dạng tròn hoặc dạng khác. Thân tháp có rãnh tròn , chữ nhật hoặc tam giác để khí đi qua. Hình dáng của rãnh trên chóp không ảnh hởng mấy đến quá trình chuyển khối. Chóp đợc lắp vào đĩa bằng nhiều cách. Hiệu quả của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí. Nếu vận tốc khí bé thì khả năng sục khí kém, nhng nếu vận tốc khí quá lớn sẽ làm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo khí. Hiện tợng bắn chất lỏng tất nhiên còn phụ thuộc vào yếu tố khác nh khoảng cách giữa các đĩa, khoảng cách giữa các chóp, khối lợng riêngcấu tạo và kích thớc của chóp và ống chảy chuyền. *Thuyết minh dây chuyền: - Hỗn hợp khí cần xử lí SO 2 và không khí đợc máy nén khí 2 đa vào ở đáy tháp, trên đ- ờng ống có nắp van điều tiết lu lợng khí và gắn vào ống trớc khi đi vào tháp một đông hồ đo lu lợng chất lỏng vào tháp 14 - Nớc từ bể 4 đợc bơm li tâm 3 đa lên thùng cao vị 8, trên đờng ống có van an toàn 7 .N- ớc từ thùng cao vị 8 đi vào tháp với lu lợng thích hợp, qua một đồng hồ đo lu lợng nớc vào tháp 9, tới từ trên xuống dới theo chiều cao tháp hấp thụ 1. - Khí SO 2 sau khi đợc xử lí đi lên nắp tháp và ra ngoài lỗ nắp. 6 - Nớc hấp thụ SO 2 đi qua lỗ đáy, qua Van nhả sản phẩm hấp thụ 16 đến hệ thống nhả hấp thụ 6.Tuy nhiên trong khuôn khổ đồ án ta không tính đến hệ thống này. *số liệu thiết kế: Tháp chóp: hỗn hợp SO 2 - không khí Lu lợng hỗn hợp khí thải vào tháp:12.000 Nm 3 /h. Nồng độ cấu tử bị hấp thụ vào tháp : 3% mol/mol. Hiệu suất hấp thụ 95%. Dung môi hấp thụ: H 2 O Nhiệt độ làm việc: 30 0 C áp suất làm việc : 6 at Sơ đồ hệ thống hấp thụ 7 10 8 9 7 4 5 2 6 1 3 11 14 16 12 13 15 CHú THíCH: 1. Tháp hấp thụ 9.Đồng hồ đo lu lợng nớc vào 2. Máy nén khí 10. Van tự động 3.Bơm chất lỏng 11.Van lu lợng nớc khi bơm 4.Bể chứa nớc 12.Van lu lợng khí sản phẩm đỉnh 5.Thùng chứa khí 6. Hệ thống nhả hấp thụ 13. Hệ thống phân phối chất lỏng 14.Đồng hồ đo lu lợng khí vào tháp 7. Van an toàn 15.Van điều tiết khí vào tháp 8. Thùng cao vị 16.Van nhả sản phẩm hấp thụ ii.tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ 1. thiết lập phơng trình cân bằng vật liệu. Tháp làm việc ở T = 30 0 C hay T = 303 0 K 8 P = 6 at hay P = 4413 mmHg = 5,8 atm. Theo định luật Henrry Y cb = m.x Trong đó m = P C o SO 30 2 = 4413 10.0364,0 6 (II_138) m = 8,2472 (với C o SO 30 2 là hằng số Henrry của SO 2 ở nhiệt độ 30 0 C) *Chuyển sang nồng độ phần mol tơng đối ta có Phơng trình đờng cân bằng Y cb = ( ) Xm Xm .11 . + Ta có nồng độ SO 2 trong dòng khí vào theo % thể tích là 3% y đ = 0,03 Y đ = y y d d 1 = 03,01 03,0 = 0,03092 (Kmol/Kmol khí trơ) Hiệu xuất hấp thụ = 95% Mà = d cd Y YY Y c = ( ) 1 .Y đ = ( ) 95,01 .0,03092 Y c = 1,5464.10 -3 (Kmol/Kmol khí trơ) *Phơng trình cân bằng vật liệu cho một đoạn thiết bị G trơ . ( ) c YY = G x . ( ) d XX Y = ( ) XX G G d tr x . + Y c - d tr x X G G . G Y = 12000 Nm 3 /h ta đổi ra G Y = 4,22 12000 = 535,7143 (kmol/h) 9 Y cb = X X .2472,71 .2472,8 G tr = G Y . d Y + 1 1 = G Y .(1-y đ ) Vậy G tr = (1-Y đ ).G Y = 535,7143.(1-0,03) G tr = 519,643 ( hKmol ) G x = min . x G Chọn = 1,5 G xmin :lợng dung môi tối thiểu đạt đợc khi: X c = X cmax = ( ) d d Ymm Y .1 + X cmax = 03092,0,2472,72472,8 03092,0 + X cmax = 3,65.10 -3 (Kmol/Kmol dm) Do đó G xmin = G tr . dc cd XX YY max G xmin = 519,643. 3 3 10.65,3 10.5464,103092,0 G xmin = 4180,4565 (Kmol/h) G x = 1,5.G xmin = 1,5.4180,4565 G x = 6270,6848 (Kmol/h) Phơng trình đờng làm việc Y = X G G tr X . + Y c - d tr X X G G . Y = X. 643,519 6848,6270 + 1,5464.1 `*Một số kí hiệu trong các công thức đã dùng -X đ : nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi (Kmol/Kmol dm) -X c : nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi (Kmol/Kmol dm) -Y đ : nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (Kmol/Kmol khí trơ) 10 Y = 12,0673.X + 1,5464.10 -3 [...]... nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (Kmol/Kmol khí trơ) -GY: Lợng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h) -GX: Lợng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h) -Gtr: Lợng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h) - : Lợng dung môi/Lợng dung môi tối thiểu 2 tính đờng kính của tháp *Công thức 4.Vtb .3600.tb D= (m) (II_181) + Vtb: Lợng khí trung bình đi trong tháp (m3/h) Trong đó: + ... với cách chọn h = 0,4 (m) 3 thiết kế đĩa chóp Chọn chóp có đờng kính ống hơi dh = 75 mm = 0,075 m Số chóp phân bố trên đĩa sao cho tổng diện tích ông hơi chiếm 10% diện tích đĩa Số chóp n = 0,1 D2d dh2 (II _236) Dd : đờng kính đĩa,Dd = D = 1,2 (m) dh : đờng kính ống hơi,chọn là 0, 05 (m).Chiều dày ống hơi chọn = 0,0035(m) 1, 22 Số chóp n = 0,1 = 58 chóp 0, 052 Đờng kính chóp dch = d 2 h + ( d h +... thì trở lực tháp nhỏ,chiều cao giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế nhng nồng độ cuối của dung dịch thấp(dung dịch loãng) -ở cùng một áp suất,1lợng dung môi khi tăng nhiệt độ thì trở lực và chiều cao tháp cũng giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế nhng nồng độ cuối của dung dịch cũng giảm(dung dịch loãng) -ở cùng 1 nhiệt độ,1 lợng dung môi khi tăng áp suất tăng lên thì trở lực tháp giảm do... đoạn tháp đợc cuốn từ thép tấm và hàn hồ quang theo kiểu giáp nối 2 bên có hệ số bền của mối hàn: = 0,95 [II-362] - Chiều dày của thân tháp đợc tính theo [II-360] S= Dt P +C 2[ ] P ( m) Dt - Đờng kính trong của tháp Dt = 1,2m C - Hệ số bổ xung [II-363] C = C 1 + C2 + C3 C1- hệ số bổ sung do ăn mòn với thép CT3: C1 = 0,05mm/năm Chọn t.g = 20 (năm) C2- hệ số bổ xung do bào mòn hạt rắn C2 = 0 C3 - hệ. .. dung dịch cũng giảm(dung dịch loãng) -ở cùng 1 nhiệt độ,1 lợng dung môi khi tăng áp suất tăng lên thì trở lực tháp giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế; đồng thời nồng độ cuối của dung dịch Xc cũng tăng lên do đó tháp làm việc hiệu quả III .Thiết kế thiết bị phụ 1 Bơm chất lỏng Công thức yêu cầu trên trục bơm Q. g H 1000 N= (kW) (I_532) Trong đó: Q: năng suất bơm (m3/s) : Khối lợng riêng của... 408 0,961.498, 408 ( 0,102 0, 04 ) 0, 2232.498, 408 + 0,961.498, 408 4 hb = 0,1575 (m) tính chiều cao của tháp 4.1 .Hệ số chuyển khối 1 1 m Ky = + y (II_162) x Trong đó: + m: hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào to,P,nồng độ các pha + y : hệ số cấp khối pha khí (Kmol/m2.s) y ( = 1) x + x : hệ số cấp khối pha lỏng (Kmol/m2.s) ( = 1) Tính y , x theo các công thức: y = 4,47.10 Kmol Kmol 2 m s Kmol... 2 ch ) 2 (m) ch : Chiều dày chóp, thờng trong khoảng 2 ữ 3 (mm) Ta chọn ch = 2 (mm) = 2.10-3 (m) dch = 0, 052 + ( 0, 05 + 2.2.10 3 ) 2 = 0,07 (m) Chiều cao chóp phía trên ống hơi h2 = 0,25dch = 0,25.0,07 13 (II_236) h2 = 0,0175 (m) Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp S = 0ữ25 (mm) Chọn S = 20(mm) = 2.10-2 (m) Khe chóp hình chữ nhật dtd :Đờng kính tơng đơng của khe chóp hình chữ nhật tính theo... chặt bằng bulong cùng với bích 35 20 D Db D1 D0 h db Dt 5 chọn chân đỡ Khối lợng toàn tháp * Khối lợng thân tháp: Mthân = Vthân.CT3 Vthân: thể tích thân vỏ tháp (m3) CT3: khối lợng riêng của thép CT3(kg/m3) Có CT3 = 7850 (kg/m3) Vthân = D 2 n D 2t H thõn 4 Dn: đờng kính ngoài của tháp (m) Dt: đờng kính trong của tháp (m) Hthân: chiều cao thân tính từ đĩa trên cùng đến đĩa dới cùng,bằng 3,3 (m) Dt... suất động cơ điện lấy c = 0,9 Nđc = 1,58 = 2,07 (kW) 0,9.0,85 26 Thờng động cơ điện đợc chọn có công suất dự trữ với hệ số dự trữ công suất = 1,5 Vậy động cơ cần mắc cho bơm của hệ thống là: Nđcchọn = .Nđc = 1,5.2,07 = 3,105(kW) 2 Thùng cao vị - Đờng kính ống dẫn từ thùng cao vị vào tháp đợc xác định theo công thức: d= Trong đó : V 0,785. (I_448) : vận tốc trung bình của dung môi H2O (m/s) V: lu lợng... với hệ số dự trữ công suất = 1,5 Vậy động cơ cần mắc cho máy nén của hệ thống là: Nđcchọn = .Nđc = 1,5.187,31 = 280,974 (kW) - Đờng kính ống đẩy d= Trong đó : V 0,785. (I_448) : vận tốc trung bình của hỗn hợp khí (m/s) V: lu lợng thể tích khí (m3/s) Chọn = 25 (m/s) d= 0,4943 0,785.25 = 0,1587 (m) Quy chuẩn d = 0,16 (m) Thay trở lại ta có V = 0,785.d 2 = 0,4943 = 24,297(m/s) 0,785.0,16 2 Do đó kết . trình thiết bị Thiết kế hệ thống hấp thụ để làm sạch khí Họ và tên: Lớp : Các số liệu ban đầu : Thiết bị hấp thụ loại tháp chóp. Hỗn hợp tách: H 2 S -không khí. Lu lợng khí thải vào tháp. khí VI. Kết luận Vẽ sơ đồ dây chuyền hệ thống hấp thụ: khổ A4. Vẽ bản vẽ chi tiết(vẽ lắp )tháp hấp thụ: khổ A1. Giáo viên hớng dẫn 1 Mục lục i. mở đầu 3 ii. tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ. hấp thụ 13. Hệ thống phân phối chất lỏng 14.Đồng hồ đo lu lợng khí vào tháp 7. Van an toàn 15.Van điều tiết khí vào tháp 8. Thùng cao vị 16.Van nhả sản phẩm hấp thụ ii.tính toán thiết kế hệ thống