Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2

Vấn đề xử lý các chất ô nhiễm không khí đã và đang nhận được sự quan tâm của toàn nhân loại nói chung và của Việt Nam nói riêng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG ______________________OOO_____________________ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Đề bài: Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO 2 GVHD: TS. Vũ Đức Thảo SVTH: Mai Thị Hiền Lớp: Kỹ thuật môi trường K52 SHSV: 20071073 Hà Nội, tháng 12/2010 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ và tên Sinh viên: Mai Thị Hiền Lớp: Kỹ thuật môi trường Khóa: 52 I. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO 2 II. Các số liệu ban đầu: - Hỗn hợp khí cần tách: SO 2 trong không khí - Dung môi: nước - Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m 3 /h - Nồng độ SO 2 : y đ = 0,028( mol/mol) - Hiệu suất yêu cầu: η= 84% - Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện - Loại thiêt bị: Tháp đệm III. Các phần thuyết minh và tính toán: 1. Mở đầu 2. Tính toán thiết kế tháp hấp thụ (đường kính, chiều cao, trở lực) 3. Tính toán thiết bị phụ - Tính bơm - Tính máy nén khí 4. Tính toán cơ khí 5. Kết luận IV. Các bản vẽ: 1. Bản vẽ sơ đồ dây chuyền khổ A3 hoặc A4 2. Bản vẽ tháp hấp thụ khổ A1 V. Giáo viên hướng dẫn: TS. Vũ Đức Thảo VI. Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 6 tháng 9 năm 2010 VII. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày tháng năm 2010 Giáo viên hướng dẫn Chủ nhiệm khoa ( Họ tên và chữ kí) ( Họ tên và chữ kí) Đánh giá kết quả Ngày tháng năm 2010 - Điểm thiết kế Cán bộ bảo vệ - Điểm bảo vệ ( Họ tên và chữ kí) - Điểm tổng hợp PHẦN MỞ ĐẦU Vấn đề xử lý các chất ô nhiễm không khí đã và đang nhận được sự quan tâm của toàn nhân loại nói chung và của Việt Nam nói riêng. Với mục đích đó việc thực hiện đồ án môn học thực sự cần thiết, trong quá trình làm đồ án em đã hiểu được những phương pháp, cách tính toán, lựa chọn thiết bị có khả năng ứng dụng vào thực tiễn để có thể xử lý các chất thải gây ô nhiễm Sau 15 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô trong Viện, nhưng do hạn chế về tài liệu và 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! Hà Nội, ngày 3 tháng 12 năm 2010 Sinh viên thực hiện Mai Thị Hiền PHẦN NỘI DUNG I.Giới thiệu chung 1. Sơ lược về khí SO 2 Trong số những chất gây ô nhiễm không khí thì SO 2 là một chất gây ô nhiễm khá điển hình. Sulfuro là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nguyên, nhiên liệu có chứa S. Các nhà máy điện thường là nguồn phát sinh ra nhiều SO 2 trong khí thải, ngoài ra còn phải kể đến các quá trình tinh chế dầu mỏ, luyện kim, tinh luyện quặng đồng, sản xuất ximang và giao thông vận tải cũng là những nơi phát sinh nhiều khí SO 2 Khí SO 2 là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1 ppm. Khí SO 2 là khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất ngang tầm sinh hoạt của con người, nó còn có khả năng hòa tan trong nước nên dễ gây phản ứng với cơ quan hô hấp của người và động vật. Khi hàm lượng thấp, SO 2 làm sưng niêm mạc, khi nồng độ cao> 0,5 mg/m 3 , SO 2 sẽ gây tức thở, ho, viêm loét đường hô hấp SO 2 làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng. Mưa axit có nguồn gốc từ khí SO 2 làm thay đổi pH của đất, nước, hủy hoại các công trình kiến trúc, ăn mòn kim loại. Ngoài ra ô nhiễm SO 2 còn liên quan đến hiện tượng mù quang hóa Chính vì những tác động tiêu cực trên mà việc giảm tải lượng cũng như nồng độ phát thải SO 2 vào môi trường là vấn đề rất được quan tâm 2. Phương pháp xử lý SO 2 Khí SO 2 thường được xử lý bằng phương pháp hấp thụ, tác nhân sử dụng để hấp thụ thường là sữa vôi, sữa vôi kết hợp với MgSO 4 hoặc dung dịch kiềm . Trong phạm vi đồ án này, với nhiệm vụ được giao là hấp thụ khí SO 2 bằng nước. Đây là phương pháp hấp thụ vật lý nên hiệu suất hấp thụ không cao. Do đó ta phải chọn điều kiện làm việc của tháp hấp thụ ở nhiệt độ thấp và áp suất cao để nâng cao hiệu suất hấp thụ 3. Tháp đệm Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất vì đặc điểm dễ thiết kế, gia công, chế tạo và vận hành đơn giản. Tháp đệm được sử dụng trong các quá trình hấp thụ, chưng luyện, hấp phụ và một số quá trình khác. Tháp có dạng hình trụ, trong có chứa đệm, tùy vào mục đích thiết kế mà đệm có thể được xếp hay đổ lộn xộn. Thông thường lớp đệm dưới thường được sắp xếp, khoảng từ lớp 3 trở đi, đệm được đổ lộn xộn Tháp đệm có những ưu điểm sau: - Cấu tạo đơn giản - Bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao - Trở lực trong tháp không quá lớn - Giới hạn làm việc tương đối rộng Tuy nhiên, tháp có nhược điểm là khó thấm ướt đều đệm làm giảm khả năng hấp thụ . II.Thiết kế đồ án môn học 1. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí thải áp dụng trong công nghiệp 2. Các số liệu ban đầu - Hỗn hợp khí cần tách: SO 2 trong không khí - Dung môi: nước - Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m 3 /h - Nồng độ SO 2 : y đ = 0,028( mol/mol) - Hiệu suất yêu cầu: η= 84% - Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện - Loại thiêt bị: Tháp đệm 3. Phương pháp hấp thụ xử lý SO 2 Sơ đồ của hệ thống 2 1 3 4 5 1. Bể chứa dung môi 2. Bơm chất lỏng 3. Tháp hấp thụ 4. Máy nén khí 5. Van an toàn Thuyết minh dây chuyền: - Hỗn hợp khí cần xử lý chứa SO 2 và không khí được máy nén khí đưa vào từ phía dưới đáy tháp. Nước từ bể chứa được bơm li tâm đưa vào tháp hấp thụ, trên đường ống có van điều chỉnh lưu lượng và đồng hồ đo lưu lượng. Nước được bơm vào tháp với lưu lượng thích hợp, tưới từ trên xuống dưới theo chiều cao tháp hấp thụ - Hỗn hợp khí sau khi đi qua lớp đệm xảy ra quá trình hấp thụ sẽ đi lên đỉnh tháp và ra ngoài theo đường ống thoát khí. Khí sau khi ra khỏi tháp có nồng độ khí SO 2 giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ - Nước sau khi hấp thụ SO 2 đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài theo đường ống thoát chất lỏng. Nước sau khi hấp thụ nếu nồng độ SO 2 cao sẽ được xử lý và tái sử dụng. Gọi: G y : lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp( kmol/h) G x : lưu lượng nước vào tháp( kmol/h) G trơ : lưu lượng khí trơ( kmol/h) Y đ : nồng độ phần mol tương đối của SO 2 trong khí đi vào tháp ( kmol SO 2 /kmol kk) Y c : nồng độ phần mol tương đối của SO 2 trong khí đi ra khỏi tháp ( kmol SO 2 /kmol kk) Xđ: nồng độ phần mol tương đối của SO 2 trong nước đi vào tháp( kmol SO 2 /kmol dm) Xc: nồng độ phần mol tương đối của SO 2 trong nước đi ra khỏi tháp( kmol SO 2 /kmol dm) Theo đề bài: y đ = 0,028 (mol/mol) → Y đ = 0,028 1 1 0,028 d d y y = − − = 0,0288 (kmol SO 2 /kmol kk) Biết hiệu suất hấp thụ là: η= 84% Do đó: Y c = Y đ ( 1-η) =0,0288.( 1-0,84)= 4,608.10 -3 (kmol SO2/kmol kk) → y c = 3 3 4,608 10 1 1 4,608 10 c c Y Y − − × = + + × =4,587.10 -3 (kmol/kmol) → y tb = 2 d c y y+ = 3 0,028 4,587 10 2 − + × = 0,0163 kmol/kmol Dung môi ban đầu là nước → X đ = 0 Giả sử điều kiện làm việc của tháp là T =25 0 C→T =298K P =1atm = 760mmHg P=1 atm = 1,0326 at Ta coi hỗn hợp khí là lý tưởng. Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có: G y = n = 1 25000 0,082 298 PV RT × = × = 1023,08( kmol/h) → G trơ = 1023,08 1 1 0,0288 y d G Y = + + = 994,44( kmol/h)  Thiết lập phương trình đường cân bằng: Theo định luật Henry ta có: y cb = mx → Y cb = 1 (1 ) mX m X+ − Ta có m= P ψ Ở 25 0 C với khí SO 2 thì ψ =0,031.10 6 mmHg → m = 6 0,031.10 760 = 40,79 → Y cb = 40,79 1 39,79 X X−  Thiết lập phương trình đường làm việc: Phương trình cân bằng vật liệu cho thiết bị: G trơ . Y + G x . X đ = G trơ . Y c + G x . X → G trơ ( Y- Y c ) = G x ( X- X đ ) Do Xđ = 0 nên pt trở thành: G trơ .( Y- Y c ) = G x . X → Y= x tro G G .X+Y c Giả thiết X c = X cbc thì lượng dung môi tối thiểu cần để hấp thụ là: G x min = G tro . d c cbc d Y Y X X − − Từ phương trình đường cân bằng Y cb = 1 (1 ) mX m X+ − → X cb = (1 ) Y m m Y− − Y đ = 0.0288(kmol SO 2 /kmol kk) → X cbc = 0,0288 40,79 39,79 0,0288+ × =6,868.10 -4 (kmol SO2/kmol nước) → G x min = 994,44. 3 4 0,0288 4,608 10 6,868 10 − − − × × = 35028,38 kmol/h Lượng dung môi cần thiết để hấp thụ : G x = β. G x min Thông thường β = 1,2÷1,5. Chọn β = 1,2 → G x = 1,2.35028,38 = 42034,056 kmol/h → x tro G G = 42034,056 994,44 =42,269 → Y = 42,269X+ 4,608.10 -3 G x , X d Y c X c G y , Y d → khi Y d = 0.0288 thì X c = 3 4,608 10 42,269 d Y − − × = 3 0,0288 4,608 10 42,269 − − × = 5,723.10 -4 (kmol SO 2 /kmol H 2 O) → x c = 1 c c X X+ = 5,72.10 -4 ( kmol/kmol) → x tb = 2 d c x x+ = 4 0 5,72 10 2 − + × =2,86.10 -4 ( kmol/kmol) X Y Ycb 0 4,608.10 -3 0 0,0001 8,835.10 -3 4,095.10 -3 0,0002 0,013 8,223.10 -3 0,0003 0,0173 0,0124 0,0004 0,0215 0,0166 0,0005 0,0257 0,021 0,0005723 0,0288 0,0239 0,0006868 0,0288 Vẽ đồ thị đường cân bằng và đường làm việc II.1 Tính đường kính tháp: 1. Tính khối lượng riêng:  Đối với pha lỏng: Áp dụng công thức: OH SO SO SO xtb aa 2 2 2 2 1 1 ρρρ − += Trong đó: • xtb ρ : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m 3 . • : 2 SO a Phần khối lượng của SO 2 trong pha lỏng • OHSO 22 , ρρ : Khối lượng riêng của SO 2 và H 2 O ở 25 0 C, kg/m 3 . - Tra bảng I.5 ở 25 0 C có: OH 2 ρ = 997,08 (kg/m 3 ) - Tra bảng I.2 ở 25 0 C có: 2 SO ρ (20 0 C) = 1383 (kg/m 3 ) 2 SO ρ (40 0 C) = 1327(kg/m 3 ) Dùng phương pháp nội suy => 2 SO ρ (25 0 C) = 1369 (kg/m 3 ) - Tính : 2 SO a Áp dụng công thức 2 2 2 2 . . (1 ) SO tb SO SO tb H O tb M x a M x M x = + − Trong đó • : 2 SO a Phần khối lượng trung bình của SO 2 trong hỗn hợp. x tb : Nồng độ phần mol trung bình của SO 2 trong pha lỏng, (kmol SO 2 /kmol H 2 O) x tb = 2,86.10 -4 (kmol SO 2 /kmol H 2 O) → 2 SO a = 4 4 4 64 2,86.10 64 2,86.10 (1 2,86.10 ) 18 − − − × × + − × = 1,016.10 -3 - Tính khối lượng phân tử của hỗn hợp lỏng M x x M = x tb . 2 SO M +(1–x tb ). OH M 2 = 2,86.10 -4 ×64+(1-2,86.10 -4 )×18 =18,013156 Làm tròn M x =18  Đối với pha khí: - Tính M y Áp dụng công thức: M y = y tb . 2 SO M + (1 - y tb ). KK M Trong đó: • M y : Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí, (kg/kmol) • 2 SO M , KK M : Khối lượng phân tử của SO 2 và không khí, (kg/kmol) • y tb : Phần mol trung bình của SO 2 trong hỗn hợp (kmol SO 2 /kmol hỗn hợp khí) → M y = 0,0163×64 + (1-0,0163)×29 = 29,5705 - Tính ytb ρ = 2 [ (1 ) ] 273 22,4 tb SO tb kk y M y M T × + − × × × = [0,0163 64 (1 0,0163) 29] 273 22,4 298 × + − × × × → ytb ρ = 1,209 kg/m 3 - Tính xtb ρ : 2 2 2 2 1 1 SO SO xtb SO H O a a ρ ρ ρ − = + → 2 2 2 2 3 3 1 1 997,36 1 1,016.10 1 1,016.10 1369 997,08 xtb SO SO SO H O a a ρ ρ ρ − − = = = − − + + (kg/m 3 ) 2. Lượng khí trung bình đi trong tháp: V ytb = 2 cd VV + (m 3 / h) (II.183) với: V đ : Lưu lượng hỗn hợp đầu ở điều kiện làm việc (m 3 / h) V c : Lưu lượng khí thải đi ra khỏi tháp (m 3 / h): V c = V tr * (1 + c Y ) (II.183) V đ = y ytb ytb G M ρ × = 1023,08 29,5705 25023,15 1,209 × = m 3 /h với: M ytb : Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg / kmol) ytb ρ : Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg / m 3 ) Tương tự: V tr = tr ytb ytb G M ρ × = 994,44 29,5705 24322,65 1,209 × = m 3 /h → V c = V tr ×(1+ c Y ) = 24322,65×(1+4,608.10 -3 )=24434,73 m 3 /h → V ytb = 24728,94 m 3 /h 3. Độ nhớt , x y µ µ : Đối với pha lỏng: Áp dung công thức: 2 2 lg lg (1 ) lg x tb SO tb H O x x µ µ µ = × + − × I-84 Trong đó: OHSO 22 , µµ : độ nhớt của SO 2 và H 2 O ở 25 0 C, Ns/m2 Tra bảng I-101 sổ tay I: 2 SO µ (20 0 C)= 0,304.10 -3 Ns/m 2 2 SO µ (30 0 C)= 0,279.10 -3 Ns/m 2 [...]... Htháp= 9,2+1+0,5+1=11,7 m; Gxđ=14000 kmol/h PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ Trong việc hấp thụ SO2 bằng nước sử dụng tháp đệm cần có các thiết bị phụ giúp cho quá trình vận chuyển chất lỏng và cung cấp khí vào tháp theo chế độ làm việc của tháp giúp việc hấp thụ đạt được hiệu suất mong muốn.Trong các thiết bị phụ thì bơm và máy nén khí là hai thiết bị quan trọng nhất I BƠM Trong công nghiệp, bơm... số Pran đối với pha lỏng: Prx = ρ × D x x Dx: hệ số khuếch tán của SO2 vào nước ở nhiệt độ 250C Dt = D20[1+b(t-20)] (m2/s) Trong đó: D20: hệ số khuếch tán của SO2 vào nước ở 200C 10−6 D20= AB µ (v1/3 + v1/3 ) 2 H 2O SO2 H 2O 1 1 2 + M SO2 M H 2O (m /s) A: hệ số, đối với chất khí tan trong nước A=1 B: hệ số, dung môi là nước B=4,7 vSO : thể tích mol của SO2 ở 200C, vSO =44,8 cm3/mol vH O : thể tích... xét như sau: Ảnh hưởng khi thay đổi nhiệt độ: Nhiệt độ tăng không có lợi cho quá trình hấp thụ Nhiệt độ tăng làm giảm hiệu suất hấp thụ và để đạt được yêu cầu phải tăng thêm kích thước thiết bị, tăng đường kính và chiều cao Ảnh hưởng của áp suất: Áp suất có ảnh hưởng tới hiệu suất hấp thụ, làm tăng hiệu suất hấp thụ Nhưng nếu áp suất tăng thì chi phí kinh tế cũng tăng theo như là phải lắp đặt thêm... suất động cơ điện ηdc =0,95 N dc = β N hd 1494,1 = 1,15 × = 1604,8( kW) ηtr η dc 0,98 × 0,95 Như vậy ta chọn động cơ điện có công suất 1600 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 S0 2, 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... độ phần mol trung bình của SO2 trong pha lỏng, (kmol SO2/ kmol H2O) xtb = 2.86*10-4 (kmol SO2/ kmol H2O) → lg µ x = 2,86.10-4×lg(0,2915.10-3)+(1-2,86.10-4)×lg(0,8937.10-3)= -3,0489 2 → µ x = 8,935.10-4 Ns/m2 Đối với pha khí: y tb M SO2 M y Áp dụng công thức: µ = y µ SO 2 + (1 − y tb ).M KK µ KK Trong đó µ y , µ SO , µkk : độ nhớt trung bình của pha khí, của SO 2 và của không khí ở điều kiện làm việc 250C,... mãn điều kiện Vậy S = 6 mm 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 = 418341,9 > 0,7.10 5 N/m2 người ta thường dùng nắp elip có gờ Áp suất tính toán P=418341,9 N/m2 Chiều dày của nắp và đáy thiết bị được xác định theo công thức: S= DP D +C... 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 dưới điểm đảo pha có thể xác định được bằng công thức sau:  G ∆Pu = (1 + K )∆Pk = ∆Pk 1 + A1  x G   y  0,405  ÷ ÷  0,225 ρ   y ÷  ρx  µ  x µ  y 0,045  ÷ ÷      [II-190] ( * ) Trong đó: • ∆ Pu: tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí. .. đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc độ của khí đi qua đệm khô(N/m2) • ∆ PK: tổn thất của đệm khô (N/m2) • Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h) • ρ , ρ : khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m3) • µ , µ : độ nhớt của lỏng và khí (Ns/m2) • A1: hệ số (ứng với điểm tốc độ làm việc bằng 0.85 tốc độ đảo pha) => A1 = 5,1 * Tổn thất áp suất của đệm khô tính theo công thức: x y x y 2 2 H ρ y ωt λ'... Đường kính ống dẫn a Đường kính ống dẫn khí Áp dụng công thức V 0,785.ω d = [I-369] Trong đó: • V: lưu lượng thể tích khí trong ống, m/s V= G y M y ρ y 3600 = 1023, 08 × 29,5705 = 2,315(m3 / s ) 3600 × 3, 63 • ω: tốc độ trung bình khí trong ống, m/s ở P = 3atm, ω = 15÷25 m/s Ta chọn ω = 25m/s • d: đường kính ống dẫn khí, m → Thay vào công thức tính đường kính ống dẫn khí ta có: dk = 2,315 = 0,34(m) 0, 785... XIII-4 ,ta có thể chọn giá trị nhỏ nhất, tính theo công thức sau: [σ k ] = σk η nk Theo giới hạn bền khi kéo thì ta có: • η: hệ số hiệu chỉnh, η =1 • σk= 540.106(N/m2) • ηk: hệ số an toàn bền, ηk= 2,6 σk 540.10 1 = 207,692.106 → [σ k ] = n η = 2, 6 k 6 σ c Theo giới hạn bền chảy: [σ k ] = n η c Trong đó: • η: hệ số hiệu chỉnh, η =1 [II- 356] • σc = 220.106 (N/m2) • ηc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy, ηc= . và tính toán: 1. Mở đầu 2. Tính toán thiết kế tháp hấp thụ (đường kính, chiều cao, trở lực) 3. Tính toán thiết bị phụ - Tính bơm - Tính máy nén khí. ướt đều đệm làm giảm khả năng hấp thụ. .. II .Thiết kế đồ án môn học 1. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí thải áp dụng trong công nghiệp