THIẾT kế hệ THỐNG hấp THỤ THÁP đệm SO2

Vì vậy , đồ án môn học với nhiệm vụ thiết kế tháp đệm hấp thu SO2 là một trong những phương án ghóp phần vào việc xử lý khí thải ô nhiễm.. Tính toán các điều kiện ban đầu Theo bài hỗn hợ

Mục Lục

L i m đ u ờ ở ầ 3

.4

THI T K Ế Ế ĐỒ ÁN MÔN H C Ọ 4

tài thi t k Đề ế ế 4

Các s li u ban đ u và tính toán ố ệ ầ 4

Ph n I Tính toán thi t k tháp đ m ầ ế ế ệ 4

I Tính toán các đi u ki n ban đ u ề ệ ầ 4

Xây d ng đ ng cân b ng và đ ng làm vi c ự ườ ằ ườ ệ 6

th đ ng cân b ng và đ ng làm vi c trên cùng m t h tr c Đồ ị ườ ằ ườ ệ ộ ệ ụ 8

t a đ ọ ộ 8

.8

II Tính các thông s c a tháp ố ủ 9

1 Tính đ ng kính tháp đ m ườ ệ 9

Ki m tra đi u ki n thi t k ể ề ệ ế ế 15

Ki m tra theo m t đ t i ể ậ ộ ướ 15

2 Tính chi u cao tháp đ m ề ệ 16

* Tính h1 16

PH N 2: TÍNH TOÁN CÁC THI T B PH Ầ Ế Ị Ụ 24

I Các thông s đ c tr ng c a b m ố ặ ư ủ ơ 24

H s tr l c c c b : ệ ố ở ự ụ ộ 26

Xác đ nh t n th t áp su t do tr l c gây ra trên đ ng ng đ y: ị ổ ấ ấ ở ự ườ ố ẩ 27

Công su t c a b m: ấ ủ ơ 29

II Máy nén khí 30

1 Công c a máy nén ly tâm ủ 30

35

2 Công su t máy nén ấ 35

4 Công su t c a đ ng c đi n ấ ủ ộ ơ ệ 36

PH N III TÍNH TOÁN C KHÍ Ầ Ơ 36

I Chi u dày thân tháp ề 36

II Chi u dày n p và đáy thi t b ề ắ ế ị 39

1 Chi u dày c a n p thi t b ề ủ ắ ế ị 40

2 Chi u dày c a đáy thi t b ề ủ ế ị 41

III Đườ ng kính c a ng d n khí và l ng ủ ố ẫ ỏ 42

1 Đườ ng kính ng d n vào và d n khí ra ố ẫ ẫ 42

2 Đườ ng kính ng d n l ng vào và ra ố ẫ ỏ 42

IV Bích ghép thân, n p, đáy ắ 43

1 Bích n i n p và đáy v i thân thi t b ố ắ ớ ế ị 43

2 Bích n i ng d n l ng v i thân thi t b ố ố ẫ ỏ ớ ế ị 44

3 Bích n i ng h i v i thân thi t b ố ố ơ ớ ế ị 44

V K t c u đ tháp ế ấ ỡ 44

1 Kh i l ng thân thi t b ố ượ ế ị 44

2 Kh i l ng c a đáy và n p tháp: ố ượ ủ ắ 45

3 Kh i l ng c a đ m ố ượ ủ ệ 45

4 Kh i l ng bích ố ượ 46

VI B ph n phân ph i l ng ộ ậ ố ỏ 47

K T LU N Ế Ậ 49

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả 50

đã lên đến mức báo động

SO2 là một trong những chất ô nhiễm không khí được sản sinh nhiều trong các nghành sản xuất công nghiệp và sinh hoạt Việc xử lý

SO2 có nhiều phương pháp khác nhau Phương pháp nào được áp dụng

để xử lý tùy thuộc vào hiệu quả và tính kinh tế của phương pháp Vì vậy , đồ án môn học với nhiệm vụ thiết kế tháp đệm hấp thu SO2 là một

trong những phương án ghóp phần vào việc xử lý khí thải ô nhiễm.

Trong đồ án này sẽ đi khảo sát một phương án: Xử lý SO 2 bằng phương pháp hấp thụ với dung môi là nước.

Sau 15 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của cô giáo hướng dẫn và các thầy cô bộ môn nhưng do chưa có nhiều kinh nghiệm tính toán, nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được ý kiến của các thầy, cô để đồ án sau có kết quả tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Nồng độ cuối của dung môi (% trọng lượng) : 1

Hiệu suất quá trình hấp thụ (%) : 80

Phần I Tính toán thiết kế tháp 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 nồng độ phần mol

⇒ yd=0,03

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

d

d d

y

y Y

0,03 0,03093

1 0,03

d

− (kmol SO2/kmol khí trơ)

Nồng độ cuối của SO2 trong pha khí:

8,0

⇒Yc = 0,2.0,03093 = 6,186.10-3 (kmol SO2/kmol khí trơ)

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

36,186.101

Nồng độ đầu của SO2 trong nước :

Nồng độ cuối của SO2 trong nước : Theo bài ra x’c=1 % khối lượng

⇒Nồng độ phần mol của SO2 trong dung môi :

( kmol SO2/kmol H2O)

Nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong dung môi

4

4 4

7,044.10

7,05.10

1 1 7,044.10

c c

c

x X

Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc

1 (1 )

mX Y

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

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

Y

=

+ ( kmol SO2/kmol H2O)

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

Gx, Xd

Yc

Xc

Gy, Yd

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

Gtr:: lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h)

Từ phương trình cân bằng vật liệu ta có:

- Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi:

0,03093 6,186.10

8,72,84.10

- Lưu lượng dung môi đi vào thiết bị Gx:

II Tính các thông số của tháp

1 Tính đường kính tháp đệm.

a Tính khối lượng riêng trung bình (tr 183)

• Đối với pha lỏng

SO2,ρ 2

ρ : khối lượng riêng của SO2 và H2O ở 30°C, kg/m3

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

ytb

ρ : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp

My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí

SO tb

Áp dụng công thức:

KK

KK tb

SO

SO tb

y

M

µ µ

µ

)

1(

- Vytb: lượng khí trung bình đi trong tháp, m3/h

- ωytb: tốc độ khí trung bình đi trong tháp, m/s

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

ytb

ytb ytb tb

M G V

ρ

.

Trong đó:

- Gytb : lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h

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

Ytb = 0,0186 (kmol SO2/kmol khí trơ)

- Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp Gytb:

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

396,98.29,64

1974, 245,96

G G

,

bihapthu xtb xd

3

.

G X

G

ρ ρ

Tháp hấp thụ SO2 mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasig đổ lộn xộn: đệm bằng sứ kích thước 30×30×3,5.

( 0C

n

µ = 1,005.10-3 (Ns/m2)

) 30

ytb x

y xtb

G X

G

ρρ

165.5,96

1,005.10

X

d xtb s

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

tế tháp đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng nữa sẽ rất khó bảo đảm quá trình ổn định Vì vậy

Tốc độ thích hợp tính theo phương pháp này thường bằng khoảng:

4.1974, 24

0,992( )3600.3,14.0,71

ytb ytb

V

m s D

t t

t h

U

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 chiều cao của một đơn vị chuyển khối

h1, h2 : chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng (m)

Gx, Gy: lưu lượng trung bình của pha lỏng, pha khí (kg/h)

m: hệ số góc của đường cong cân bằng

* Tính h 1

Áp dụng công thức:

1 Re Pr ,

Rey : chuẩn số Reynold cho pha hơi

Pry : chuẩn số Prandt cho pha hơi

d y

ω ρ

δ µ

=Trong đó:

y

ω : vận tốc khí đi trong tháp (m/s)

ρ : khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m3)

Dy : hệ số khuếch tán của pha khí, m2/s

1,78.10

5,96 2, 22.10

y y

Ψ: phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp

aψ δ

* Tính h 2 chiều cao của một đơn vị chuyển khối trong pha lỏng

1/3 2

x xtb

D

µρ

=

Trong đó:

xtb

ρ : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3

Dx : hệ số khuếch tán trong pha lỏng, m2/s

11

10

2 2 3 / 1 3 / 1

6 20

2 2

2

2

u u

AB

M M

D

O H SO O H

O H SO

Với các chất khí tan trong nước A = 1

Với dung môi là nước B = 4,7

3 / 1 3

/ 1

6

)9,188

,44(17

,

4

18

164

110

−

−

=+

1 2 , 0

=

b

4 9

1, 469.10 1 0, 02.(30 20) 1,763.107,988.10

0,25 0,5 2

*Tính m hệ số góc của đường cân bằng

Dựa vào bảng số liệu => m= 9,83

hdv = 0,223+ 9,83.11766, 487276155, 6437 1,1 =0,27 m

*Tính số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha khí

d Y y

cb Yc

dY m

Y Y

=

−

Y : thành phần làm việc của hơi

Ycb : thành phần mol cân bằng của hơi

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

tích phân đó có thể dựa voà việc vận dụng đồ thị

cb

Y

1 trong hệ toạ độ

và đường Yd = 0,03093 (kmol SO2/kmol không khí)

Yc = 6,186.10-3 (kmol SO2/kmol không khí)

Bảng số liệu cho đồ thị tích phân

0.007926 0.001919093 166.4750201 0.285473423

0.009666 0.003844794 171.7857029 0.2942868290.011406 0.005777137 177.6557791 0.3040140890.013146 0.007716158 184.1674056 0.3147861710.014886 0.009661889 191.4201415 0.3267611660.016626 0.011614368 199.5357837 0.3401316550.018366 0.013573627 208.664911 0.3551346040.020106 0.015539704 218.995887 0.3720648940.021846 0.017512634 230.7674693 0.39129412

0.023586 0.019492451 244.2868323 0.4132972420.025326 0.021479194 259.9559227 0.4386911970.027066 0.023472898 278.3110195 0.46829224

0.028806 0.025473599 300.0839164 0.5032035940.030546 0.027481335 326.2998994 0.54495392

0.030894 0.027883729 332.1960289 0.114578292 �Si=5,5

Diện tích miền giới hạn của đường cong ta được: S = 5,5 Diện tích hình thang cong chính bằng số đơn vị chuyển khối là my =5,5

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

Quy chuẩn H=1,5

Đây thực chất là chiều cao lớp đệm Chiều cao của tháp ngoài chiều cao của lớp đệm còn tính đến chiều cao từ mặt trên của đệm đến đỉnh tháp và từ mặt dưới đệm tới đáy tháp

Áp dụng công thức:

Htháp = Hđệm + Hđệm- nắp + Hđệm- đáy

• Hđệm-nắp = 1 m

∆Pu: tổn 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/m2)

.42

2 3

' 2

d

d t

y td K

V

H d

• ω y : vận tốc khí trung bình đi trong tháp ωy= 0,7 (m/s)

• ρy : khối lượng riêng trung bình cúa hỗn hợp khí trong tháp, kg/m3

• µy : độ nhớt trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (Ns/m2)

1

56,1

d

y y y y K

• ωy : vận tốc khí trung bình đi trong tháp ωy= 0,7 (m/s)

• ρy : khối lượng riêng trung bình cúa hỗn hợp khí trong tháp, kg/m3

• µy : độ nhớt trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (Ns/m2)

1,56 1,5 0,7 5,96 165 (1,78.10 )

601,5( / )0,76

2

.

2

.

2 2

1

1

mh h

v

g g

P g

g

P

+ +

) 2 (

2

.

2

.

2 2 2

2

md d

r

g g

P g

g

P

+ +

P1: áp suất bề mặt nước không gian hút

P2: áp suất không gian đẩy

ρ: khối lượng riêng của nước

Pv: áp suất trong ống hút lúc vào bơm

Pr: áp suất của chất lỏng trong ống đẩy lúc ra khỏi bơm

Hh, Hd: chiều cao ống hút và ống đẩy

hmh, hmd: tổn thất áp suất do trở lực gây ra trong ống hút và ống đẩy

ω2: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đẩy

ω1’: vận tốc nước khi vào bơm

ω2’: vận tốc nước khi ra khỏi bơm

Thực tế: ω2 = ω2’

⇒

g g

P P h H

.2

' 1 1 2 0

ω

ρ +

−++

2

h h m

ω

ξ h c

∆

c m d

2

2

2

λ ξ ω

0,017( / ).3600 3600 997

5,8 10 0,12

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

độ Ở nhiệt độ làm việc T=300C 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 1÷1,5m so với giá trị trong bảng Vậy chọn chiều cao hút là 2,5 m

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

×Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống đẩy

2 2

Chọn chiều dài ống đẩy là Hd=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: η

ρ

10

.

3

H g Q

N = (kW) I-439

Trong đó

- ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m3

- N: hiệu suất của bơm, kW

- Q: năng suất của bơm (m3/s); Q= 2

2

.3600

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

η: hiệu suất của bơm

η : hiệu suất cơ khí

Hiệu suất toàn phần phụ thuộc vào loại bơm và năng suất Khi thay đổi chế độ làm việc của bơm thì hiệu suất cũng thay đổi

Đối với bơm ly tâm:

96 , 0 92 , 0

85 , 0 8 , 0

96 , 0 85 , 0

ηdc = 0 , 9: hiệu suất động cơ điện

15,3

20( ) 0,85 0,9

Máy nén ly tâm là một loại máy nén và đẩy 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/s

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

Các điều kiện của khí đầu vào T=250C, P=1atm

1 Công của máy nén ly tâm

Áp dụng công thức

1 2 1

1

1

m m db

P m

Trong đó: PA, PB: áp suất trước và sau khi nén, at

T1: nhiệt độ đầu của khí, K

2 2

Áp dụng phương trình becnulli cho mặt cắt 1-1 và mặt cắt A-A chọn mặt cắt 1-1 làm chuẩn.

mh A A

g g

P g

g

P

+++

=

+

.2

2

2 2

g g

P g

g

P

+++

=

+

.2

2

2 2 2

h A

P P

P

P P

P

∆ +

• ZB : chiều cao ống đẩy

• ρ :Khối lượng riêng của hỗn hợp khí thải ở điều kiện đầu vào của khí

• hmh, hmd : trở lực trên đường ống hút và ống đẩy

Xác định áp suất trước khi nén:

V d

ω

785

,

0

=

• V: Lưu lượng thể tích đầu vào của khí thải

4,12 10 0,17

P2 = ∆ h + ∆ d +

Với: ∆ =  + + d 

d d

3,7.10 0,19

* Hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy

Áp dụng công thức:

3 2

1 ξ ξ ξ

1 ξ ξ

ξ

ξd = + + = 0,5+ 1,86+ 0,2175= 2,5775

Chọn chiều dài ống đẩy Hd =Ld =5 (m)

vậy trở lực trong ống đẩy:

1 1,4 1

1,4 2

P m

2 Công suất máy nén

*Công suất lý thuyết

.( W)1000

N N

N N

η

=

Trong đó:

• Nhd: công suất hiệu dụng, kW

• ηck: hiệu suất cơ khí của máy nén Đối với máy nén ly tâm ηck=0,96÷ 0,98

4 Công suất của động cơ điện

dc tr

hd dc

N N

ηη

β .

=

Trong đó:

• β : hệ số dự trữ công suất thường lấy bằng 1,1÷1,15.Chọn β=1,15

• ηtr :hiệu suất truyền động ( 0,96÷ 0,99 ) →ηtr = 0,98

• ηdc :hiệu suất động cơ điện ηdc =0,95

929, 6 1,15 1497,7( W) 0,98 0,95

hd dc

Như vậy ta chọn động cơ điện có công suất 1500 kW

PHẦN III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

I Chiều dày thân tháp

Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển, dùng để hấp thụ khí S02, thân tháp hình trụ, được chế tạo bằng cách uốn tấm vật liệu với kích thước đã định sẵn, hàn ghép mối, tháp được đặt thẳng đứng

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

Cr khoảng 18%, Ni khoảng 10%, Ti không quá 1 – 1,5%)

Chọn thép không gỉ, bền nhiệt và chịu nhiệt

Thông số giới hạn bền kéo và giới hạn bền chảy của thép loại X18H10T:

t k

Dt.: đường kính trong tháp, m

φ: hệ số bền của thành thân trụ theo phương dọc, với thân hay có lỗ gia cố hoàn toàn thì φ = φh đối với mối hàn đặc.Với hàn tay bằng hồ quang điện, thép không gỉ

ta có: φ = φh = 0,95 [Bảng XIII.8-II-362]

C : hệ số bổ xung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m

[ ]: ứng suất cho phép của loại thép X18H10T

P: áp suất trong thiết bị, N/m2.

P: áp suất trong thiết bị ứng với sự chênh lệch áp suất lớn nhất bên trong và bên ngoài tháp, N/m2

- C2: Đại lượng bổ sung do hao mòn tính trong các trường hợp nguyên liệu

có chứa các hạt rắn chuyển động trong thiết bị Bài toán đặt ra là hấp thụ

SO2 nên có thể bỏ qua C2

- C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày,

Chọn C3= 0,5mm

ή ή

c k

c

ή ή

271,3540732

3 t

6 k

1,5.102.[ ] 2.146,7.10 0,95

Quy chuẩn bề dày thân tháp S =4 mm

Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử:

Vậy

3

6 3

II Chiều dày nắp và đáy thiết bị

Nắp và đáy cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị, được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị là thép X18H10T Thiết bị đặt thẳng đứng

Áp suất trong là P = 540732 > 0,7.105 N/m2 người ta thường dùng nắp elip

có gờ

1 Chiều dày của nắp thiết bị

• P : Áp suất trong của thiết bị

• hb : chiều cao phần lồi của đáy và nắp , hb= 0,25.Dt=0,25×1=0,25 m

• [σk] : ứng suất cho phép của thiết bị , [σk] = 146, 7.106(N/m2)

• φh : hệ số bền của mối hàn hướng tâm, với mối hàn tay bằng hồ quang điện, vật liệu thép cacbon không gỉ chọn φh= 0,95

• Cn: Đại lượng bổ sung, Cn = 1,5 ( mm )

⇒ Sn = 4,4 mm Theo quy chuẩn các loại thép tấm ta lấy Sn=5 mm

Kiểm tra ứng suất của nắp thiết bị theo áp suất thử:

ϕ

−

0 2,5) 0

⇒ Công thức tính bề dày đáy được tính theo công thức:

.

3,8.[ ] 2.

⇒Thỏa mãn điều kiện Vậy Sd=5 mm

Chiều cao gờ h=25mm (Bảng XIII.11)

hb=0,25.Dt=0,25.1000=250 mm

III Đường kính của ống dẫn khí và lỏng.

1 Đường kính ống dẫn vào và dẫn khí ra.

Áp dụng công thức:

ω

785 , 0

0,555( / ) 3600 5,96.3600

y y y