đồ án thiết kế tháp hấp thụ loại tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền để hấp thụ so2 từ không khí bằng dung môi là nước

đồ án thiết kế tháp hấp thụ loại tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền để hấp thụ so2 từ không khí bằng dung môi là nước

LỜI MỞ ĐẦU

Ô nhiễm môi trường vấn đề chung mang tính toàn cầu cấp bách Ở hầuhết các quốc gia, chính phủ đã đầu tư rất nhiều , cả về vốn và công nghệ choviệc xử lý chất gây ô nhiễm môi trường Các nước càng phát triển, khoa họccông nghệ tiên tiến thì ô nhiễm môi trường càng trở nên nghiêm trọng Ở ViệtNam, tuy nền công nghiệp chưa phát triển mạnh mẽ nhưng do nhiều nguyênnhân chủ quan và khách quan, làm cho môi trường nước ta ngày càng ô nhiễm.Việc chặt phá rừng cũng như hoạt động của các nhà máy đã thải ra môi trườngrất nhiều chất gây ô nhiễm Cũng như nhiều nước khác trên thế giới hiện nay,vấn đề xử lý các chất gây ô nhiễm ở nước ta đang gặp nhiều khó khăn Nguyênnhân của ô nhiễm môi trường là do các chất thải từ nhà máy, khu công nghiệp vàcác hoạt động khác Một trong những khí gây ô nhiễm môi trường là SO2

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổnghợp trong quá trình học tập của các kỹ sư hoá tương lai Môn học giúp sinhviên giải quyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: yêu cầu công nghệ, kết cấu, giáthành của một thiết bị trong sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây là bước đầutiên để sinh viên vận dụng những kiến thức đã học của nhiều môn học vào giảiquyết những vấn đề kỹ thuật thực tế một cách tổng hợp

Dưới đây em xin trình bày đồ án thiết kế tháp thấp thụ loại tháp đĩa lỗ cốống chảy truyền để hấp thụ SO2 từ không khí bằng dung môi là nước

I TỒNG QUAN

Lưu huỳnh điôxit(hay còn gọi là anhiđrit sunfurơ) là một hợp chất hóahọc với công thức SO2 Chất khí này là sản phẩm chính của sự đốt cháy hợp chấtlưu huỳnh và nó là một mối lo môi trường đáng kể SO2 thường được mô tả là

"mùi hôi của lưu huỳnh bị đốt cháy" Lưu huỳnh điôxit là một khí vô cơ khôngmàu, nặng hơn không khí Nó có khả năng làm vẩn đục nước vôi trong, làm mấtmàu dung dịch Brôm và làm mất màu cánh hoa hồng (2 tính chất sau được ứngdụng để nhận biết SO2 và phân biệt nó với CO2)

cây cối, biến đất đai thành vùng hoang mạc Khí SO2 gây bệnh chongười như viêm phổi, mắt, da.

- Ứng dụng.

 Sản xuất axit sunfuric (Ứng dụng quan trọng nhất)

 Tẩy trắng giấy, bột giấy, tẩy màu dung dịch đường

Bản chất quá trình hấp thụ: Khí hòa tan vào trong lỏng sẽ tạo thành hỗnhợp 2 cấu tử: ( Φ =2,k = 2,c = 2-2+2 = 2 thành phần 2 pha Hệ thống như vậytheo định luật 2 pha) được gọi là hỗn hợp lỏng có 2 thành phần Cân bằng pha

được xác định bởi P,T,C Nếu T =const thì độ hòa tan phụ thuộc vào địnhluật Henry.

Ycb = m.x

Với :

+ Với khí lí tưởng, m= const -> quan hệ ycb = f(x) là đường thẳng

+ Với khí thực, m phụ thuộc vào đường cân bằng là đường cong

Hệ số cân bằng m =

ψ P

ᴪ : Hệ số Henry, có thứ nguyên của P

P: Áp suốt [at]

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ

 Ảnh hưởng của lượng dung môi: Theo phương trình chuyển khối, lượngkhí bị hấp thụ được tính theo công thức sau:

sự thay đổi ∆ Ytb là nhỏ nhất Đường AB gần song song với trục tung, nên ∆ Ytb

Do đó nếu chọn lượng dung môi ít nhất, ta thu được Xc lớn nhưng thiết

bị phải rất lớn( vô cùng cao) Trái lại, nếu chọn lượng dung môi lớn nhất, thìthiết bị bé nhưng dung dịch thu được lại quá loãng vì Xc bé Do đó, khi chọnđiều kiện làm việc ta phải dựa vàochỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật

 Ảnh hưởng của T và P lên quá trình hấp thụ:

Nhiệt độ T và áp suốt P là những yếu tố ảnh hưởng quan trọng lên quátrình hấp thụ,mà chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực quátrình

Từ phương trình Henry ta thấy, khi nhiệt độ tăng -> đường cân bằng dịchchuyển về trục tung

Nếu đường làm việc AB không đổi -> ∆ytb giảm, do đó cường độ chuyển khốigiảm theo.Nếu cứ tiếp tục tăng nhiệt độ, ví dụ đến t4 thì không những ∆ytb giảm

mà ngay cả quá trình không thực hiện được (vì đường cân bằng và đường làmviệc cắt nhau, nên không thể đạt được nồng độ cuối Xc Đó là ảnh hưởng sấu củatăng nhiệt độ Tuy nhiên, khi T tăng thì độ nhớt của dung môi giảm nên vận tốckhí tăng, cường độ chuyển khối cũng tăng theo

-Trong trường hợp tăng áp suốt, ta thấy hệ số cân bằng m

=ψ π

Giảm -> đường cân bằng dịch chuyển về phía trục hoành-> ∆ytb tăng lên, quátrình chuyển khối tốt hơn Nhưng P tăng -> T tăng=> gây ảnh hưởng xấu đếnquá trình hấp thụ Mặt khác P tăng gây khó khăn về mặt thiết bị=> quá trình hấpthụ chỉ được thực hiện ở P cao đối với những khí khó hòa tan

 Các loại tháp hấp thụ:

- Thiết bị bề mặt đơn giản, bề mặt tiếp xúc pha bé -> chỉ dung khi chất khí

dễ hòa tan trong lỏng

- Thiết bị loại màng: Thiết bị loại ống, loại tấm

- Thiết bị loại phun: Không phù hợp với khí khó hòa tan

- Thiết bị loại đệm : Bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu xuất cao nhưngkhó làmướt đều đệm

x o

y

x o

p2

p1

p3 p2 p1

t 3 t 2 t 1

- Thiệt bị loại đĩa (tháp đĩa) gồm:

+ Đĩa tháp có ống chảy truyền: Đĩa chóp, đĩa lỗ, đĩa suppap, đĩa song chữs

+ Tháp đĩa không có ống chảy truyền

+ Tháp đĩa có ống chảy truyền

Hiệu suốt của quá trình hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí Nếuvận tốc khí bé thì khả năng sục khí kém, nhưng nếu vận tốc khí quá lớn sẽ làmbắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo khí Hiện tượng bắn chất lỏng tất nhiêncòn phụ thuộc vào các yếu tố khác như: khoảng cách giữa các đĩa, khoảng cáchgiữa các lỗ của đĩa, khoảng cách giữa các chóp, khối lượng riêng cấu tạo và ốngchảy truyền

1.3.Giới thiệu tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

Tháp đĩa lỗTháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền hình trụ,

bên trong có nhiều đĩa, có lỗ tròn, hoặc rảnh Chất

lỏng chảy từ trên xuống qua các ống chảy chuyền

Khi đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc rảnh đĩa Đĩa có

thể lấp cân bằng hoặc xuyên một góc với độ dóc

1/45- 1/50

+ Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sing dễ

dàng, trở lực ít hơn tháp chớp, ít tốn kim loại hơn tháp chớp

+ Nhược điểm: yêu cấu lấp đặt cao, mâm lấp phải rất phẳng

1.4.Thuyết minh sơ đồ hệ thống hấp thụ :

- Hỗn hợp khí cần sử lý SO2 và không khí được nén khí 2 vào ở đáy tháp,trên đường ống có nắp van điều tiết lưu lượng khí và gắn vào ống trước khi đivào tháp một đồng hồi lưu lượng chất lỏng vào tháp 14.

- Nước từ bể 4 được bơm li tâm 3 lên thùng cao vị 8, trên đường ống có van

an toàn 1 Nước từ thùng cao vị 8 đi vào tháp với lưu lượng thích hợp, qua mộtđồng hồ đo lưu lượng nước vào tháp 9, tới từ trên xuống dưới theo chiều caotháp hấp thụ 1

- Khí SO2 sau khi được sử lý đi lên nắp tháp và ra ngoài lỗ nắp

- Nước hấp thụ SO2 đi qua lỗ đáy, qua van nhả sản phẩm hấp thụ 16 đến hệthống nhả hấp thụ 6 Tuy nhiên trong khuôn khổ đồ án ta không tính đế hệ thốngnày

1.5 Sơ đồ dây chuyền hấp thụ

Chú thích :

1.Tháp hấp thụ 9 Đồng hồ đo lưu lượn nước

2 Máy nén khí 10 van tự động

3.Bơm chất lỏng 11 Van lưu lượng nước

4 Bể chứa nước 12 Van lưu lượng khí sản phẩm đỉnh

5.Thùng chứa khí 16 Van nhả sản phẩm hấp thụ

6.Hệ thống nhả hấp thụ 13.Hệ thống phân phối chất lỏng

7.Van an toàn 14 Đồng hồ đo lưu lượng khí vào tháp

8.Thùng cao vị 15 Van điều tiết vào tháp

10 8

- Cuối : Yc

= 5.10−41−5 10 −4 =

5,002.10-4(kmol SO2/kmol không khí)Lưu lượng khí đi vào tháp:

0,07(mol/mol)

- Cuối : yc

= Y c 1+Y c=

5,002.10−4

1+5,002 10−4= 4,999.10-4(mol/mol)

Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc:

- Phương trình đường cân bằng có dạng :

Trong đó :

φ : Hế số Henry (mmHg)

P : Áp suốt chung của hỗn hợp khí

Tra bảng IX.1 sổ tay hóa công tập 2-139 ta có

- phương trình đường làm việc

Lượng dung môi thực tế lấy từ 1,2 lượng dung môi tối thiểu:

Gđ , Gc – lượng hỗn hợp khí ban đầu :

Lđ , Lc - lượng dung dịch đầu và cuối

tđ , tc – nhiệt độ khí ban đầu và cuối , o C

Tđ , Tc – nhiệt đọ dung dịch đầu và cuối , o C

Iđ , Ic – entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối , kj/kg

Q0 – nhiệt mất mát , kj/h

Phương trình cân bằng nhiệt lượng có dạng :

GđIđ + LđCđTđ + Qs = GcIc + LcCcTc + Q0Với Qs – nhiệt lượng phát sinh do hấp thụ khí , kj/h

Để đơn giản hóa vấn đề tính toán , ta có thể giả thiết như sau :

- Nhiệt độ mất mát ra môi trường không đáng kể , Q0 = 0

- Nhiệt độ của hỗn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịchvào tháp : tc = tđ = 300C

- Tỷ nhiệt của dung dịch không đỏi trong xuốt quá trình hấp thụ :

∆Pt = ρb.g.hb (N/m2)

Trong đó:

g = 9,81(m2/s)

ρb : Khối lượng của cột bọtρb = (0,4÷0,6)ρx

hb : Chiều cao lớp bọt trên đĩa (m)

hb =4.dtđ.(

ω02g.d tđ ) 0,2

0.00483

1.0011

0.00971

1.0010

0.01951

1.0010

0.02961

0.0009 6

60.6250

0.0009 6

1.0009

0.03891

1.0009

0.05021

Mà : AC = ycb - y

- Xỏc định Cy theo cụng thức : Cy =e my

- Vẽ đường cong phụ đi qua cỏc điểm Bi (i=1ữ)

- Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc , số bậc là số đĩathực tế của thỏp

Xác định đờng cong phụ bằng cách tìm đoạn BC theo công thức

III TÍNH CÁC KÍCH THƯỚC CƠ

Vtb : Lượng khí trung bình đi trong tháp (m3/h)

ωytb : Tốc độ khí trung bình đi trong tháp (m/s)

3.1.1.Tính khối lượng riêng trung bình.

+ Đối với pha lỏng:

ρxtb: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng(kg/m3)

ρSO2 : khối lượng riêng trung bình của SO2 ở 30oC(kg/m3)

ρH2O :khối lượng riêng trung bình của H2O ở 30oC(kg/m3)

Tra bảng I.5 và I.2 sổ tay quá trình và thiết bị tập 1và nội suy:

3.1.2.Lượng khí trung bình đi trong tháp hấp thụ.

Vtb =

V đ+V C

2

Trong đó:

Vđ : lưu lượng hỗn hợp đầu ở điều kiện làm việc (m3/h)

Vc : lưu lượng hỗn hợp khí thải ra khỏi tháp (m3/h)

Vđ

=G y M ytb

ρ ytb =

80,496 30,225 1,216 =2000 ,83( m

Với đường kính thân tháp D=1m ta chọn khoảng cách giữa các đĩa

H đ = 0,3m (stt2/trang 184)

3.3.Tính chiều cao của tháp:

Được tính theo công thức sau: (theo công thức X.54/ trang 169 stt2)

3.4 Thiết kế lổ trên đĩa

Chọn : d tđ = 6 mm.

Tổng diện tích tự do của lỗ bằng 20% tiết diện lỗ  tổng diện tích lổ.

Diện tích của một lỗ trên đĩa f lỗ

1

3 +18,9

1 3

μ=1.005 cp: độ nhớt của dung môi ở 20oC

+V B

1 3

1

18=1,566 10

−5(m/s2)

μH2O : Độ nhớt của H2O ở 30oC

Tại t = 30oC theo hình I.35(I_147) ta có : μSO2 = 0,0114.10-3 (N.s/m2)

ρytb : Khối lượng riêng trung bình của pha khí

μytb : Đô nhớt trung bình của pha khí (N.s/m2)

với D =1m chọn h =1

Rey =

ω y .h ρ ytb

0,68.1.1,216 1,675.10−5 = 49365,97

- Chuẩn số Reynolt đối với pha khí:

Prx

= μ x

ρ x D x

Trong đó:

Ρx : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m3)

μx : Đô nhớt trung bình của lỏng (m2/s)

Dx : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m2/s)

Prx =

μ x

ρ x D x =

7,986.10−4995,68.1,7592.10−9= 455,926

ρx : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng trong tháp

Z : Số ống chảy truyền ( phụ thuôc vào đường kính) Chọn Z =1

ωc : Tốc đô chất lỏng chảy trong ống chảy truyền Chọn ωc = 0,2(m/s)

Gxtb : Lưu lượng trung bình pha lỏng :

3.5 Chiều dày thân tháp.

Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển khoảng chọn nhiệt độ tính toán ứngvơi nhiệt độ làm việc lớn nhất t = 300C

Đối với hỗn hợp khí SO2 – không khí ta chọn loại thép X18H10T Thânthiết bị được tạo bằng cuốn tấm vật liệu với kích thước đã chọn sau đó ghép mốihàn lại Tháp có hình trụ đặt thẳng đứng Thân thiết bị được chia làm 4 đoạn vàđược nối với nhau bằng mặt bích

Khi chế tạo thân hình trụ cần chú ý đến các điểm sau :

- Áp suất và nhiệt độ ảnh hưởng đến chiều dày vật liệu

- Chọn vật liệu phụ thuộc vào môi trường làm việc

- Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt

- Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát, mối hàn phải kín

- Không khoan lỗ qua mối hàn

=> Ứng suốt giới hạn bền chảy:

[σch] =

σ ch

n ch η=

220 1061,5 0,9=132 10

−6 (N/m2)chọn ứng suốt cho phép là ứng suốt bé nhất trong 2 ứng suốt trên

=> Ứng suốt giới hạn bền kéo :

[σ] = [σch] = 132.10-6 (N/m2)

Chọn cách chế tạo: (theo bảng X.III.8:II-362)

Dt > 700mm

Cách hàn tay bằng hồ quang điện

Hàn giáp mối hàn 2 bên

C : Hệ số bổ sung bào mòn và dung sai về chiều dày (m)

Dt : Đường kính trong của tháp (m)

 : Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc Vì tháp kín Không lỗ đụ =>  =b = 0,95

P : Áp suất trong của thiết bị (N/m2)

Pth = Pmt + P1 = Pmt + ρ.g.H1 (N/m2)

Với:

Pmt = 1at =1.105(N/m2) : Áp suất khi làm việc

P1 : Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng

- C1 : Bổ sung do ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn của môi trường

và thời gian làm việc của thiết bị Với thép X18H10T vận tốc gỉ

từ 0,05 - 0,1 (mm/năm) nên ta chọn C1 = 1(mm)=1.10-3m

- C2 : Đại lượng bổ sung do bào mòn trong trường hợp nguyên liệu

chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn trong thiết bị do

nguyên liệu vào là lỏng và hơi ta chọn C2 = 0

- C3 : Dung sai âm do chiều dày và phụ thuộc vào chiều dày tấm thép

3.6 Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước):

Áp suất thử P0 được xác định theo công thức :

Do đó chiều dày tháp 3mm là hợp lý

IV KẾT LUẬN

Sau khi thiết kế thỏp hấp thụ loại thỏp đĩa lỗ cú ống chảy chuyền để hấpthụ SO2 trong hỗn hợp SO2-không khí dùng dung môi là H2O mà em đợc nghiêncứu, tìm hiểu ta cú cỏc thụng số sau :

V LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian cố gắng tìm, đọc, tra cứu một số tài liệu tham khảo,cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy cô giáo khoa Công nghệ hóa đặc biệt là cô

Trần Thị Thanh Thảo, em đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế được giao Qua quá

trình tiến hành này, em đã rút ra được một số nhận xét sau:

- Việc thiết kế và tính toán một hệ thống hấp thụ là việc làm phức tạp, tỉ mỉ

và lâu dài Nó không những yêu cầu người thiết kế phải có những kiến thức thực

sự sâu về quá trình hấp thụ mà còn phải biết về một số lĩnh vực khác như: cấutạo các thiết bị phụ khác, các quy định trong bản vẽ kỹ thuật, …

- Các công thức tính toán không còn gò bó như những môn học khác màđược mở rộng dựa trên các giả thiết về điều kiện, chế độ làm việc của thiết bị.Bởi trong khi tính toán, người thiết kế đã tính toán đến một số ảnh hưởng củađiều kiện thực tế, nên khi đem vào hoạt động, hệ thống sẽ làm việc ổn định Không chỉ có vậy, việc thiết kế đồ án môn học quá trình thiết bị này còngiúp em củng cố thêm những kiến thức về quá trình hấp thụ nói riêng và cácquá trình khác nói chung; nâng cao kỹ năng tra cứu, tính toán, xử lý số liệu; biếtcách trình bầy theo văn phong khoa học và nhìn nhận vấn đề một cách có hệthống Việc thiết kế đồ án môn học “quá trình và thiết bị trong công nghệ hóachất và thực phẩm” là một cơ hội cho sinh viên ngành hóa nói chung và bản thân

em nói riêng làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất

Để hoàn thành nhiệm vụ thiết kế được giao, em xin chân thành cảm ơn cô

giáo Trần Thị Thanh Thảo là người đã hướng dẫn em trong quá trình làm đồ

án Mặc dù đã cố gắng để hoàn thành tốt nhiệm vụ, song do hạn chế về tài liệu,cũng như kinh nghiệm thực tế, nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót trongquá trình thiết kế Em mong được các thầy cô xem xét và chỉ dẫn thêm

Em xin chân thành cảm ơn!

Phú Thọ, ngày 10 tháng 03 năm 2013

SinhViên

Bùi Thị Lợi

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 TS Trần Xoa, PGS.TS Nguyễn Trọng Khuông, TS Phạm Xuân Toàn –

Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa tập 1- NXBKHKT Hà Nội

2 TS Trần Xoa, PGS.TS Nguyễn Trọng Khuông, TS Phạm Xuân Toàn –

Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa tập 2- NXBKHKT Hà Nội

3 GS.TSKH Nguyễn Bin – Cơ sở quá trình và thiết bị công nghệ hóa tập4- NXBKHKT Hà Nội