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

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 SO2

II Các số liệu ban đầu:

- Hỗn hợp khí cần tách: SO2 trong không khí

- Dung môi: nước

- Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m3/h

- Nồng độ SO2: yđ = 0,028( mol/mol)

- Hiệu suất yêu cầu: = 84%

- Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện

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 cácthầy 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

trong khí thải, ngoài ra còn phải kể đến các quá trình tinh chế dầu mỏ, luyệnkim, tinh luyện quặng đồng, sản xuất ximang và giao thông vận tải cũng lànhững nơi phát sinh nhiều khí SO2

Khí SO2 là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khíquyển là 1 ppm Khí SO2 là khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất ngangtầm sinh hoạt của con người, nó còn có khả năng hòa tan trong nước nên dễ gâyphản ứng với cơ quan hô hấp của người và động vật Khi hàm lượng thấp, SO2

làm sưng niêm mạc, khi nồng độ cao> 0,5 mg/m3, SO2 sẽ gây tức thở, ho, viêmloét đường hô hấp

SO2 làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng Mưa axit có nguồngốc từ khí SO2 làm thay đổi pH của đất, nước, hủy hoại các công trình kiến trúc,

ăn mòn kim loại Ngoài ra ô nhiễm SO2 còn liên quan đến hiện tượng mù quanghóa

Chính vì những tác động tiêu cực trên mà việc giảm tải lượng cũng như nồng

độ phát thải SO2 vào môi trường là vấn đề rất được quan tâm

2 Phương pháp xử lý SO2

Khí SO2 thường được xử lý bằng phương pháp hấp thụ, tác nhân sử dụng đểhấp thụ thường là sữa vôi, sữa vôi kết hợp với MgSO4 hoặc dung dịch kiềm Trong phạm vi đồ án này, với nhiệm vụ được giao là hấp thụ khí SO2 bằng nước.Đây là phương pháp hấp thụ vật lý nên hiệu suất hấp thụ không cao Do đó taphải chọn điều kiện làm việc của tháp hấp thụ ở nhiệt độ thấp và áp suất cao đểnâng cao hiệu suất hấp thụ

3 Tháp đệm

Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất vì đặc điểm dễthiết kế, gia công, chế tạo và vận hành đơn giản Tháp đệm được sử dụng trongcác quá trình hấp thụ, chưng luyện, hấp phụ và một số quá trình khác Tháp códạng hình trụ, trong có chứa đệm, tùy vào mục đích thiết kế mà đệm có thể đượcxếp 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 hấpthụ

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: SO2 trong không khí

- Dung môi: nước

- Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m3/h

- Nồng độ SO2: yđ = 0,028( mol/mol)

- Hiệu suất yêu cầu: = 84%

- Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện

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 SO2 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 hấpthụ, 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 đỉnhtháp và ra ngoài theo đường ống thoát khí Khí sau khi ra khỏi tháp có nồng độ khí SO2 giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ

- Nước sau khi hấp thụ SO2 đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài theo đường ống thoát chất lỏng Nước sau khi hấp thụ nếu nồng độ SO2 cao sẽ được

xử lý và tái sử dụng

Gọi:

Gy: lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp( kmol/h)

Gx: lưu lượng nước vào tháp( kmol/h)

Gtrơ: lưu lượng khí trơ( kmol/h)

Yđ: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong khí đi vào tháp ( kmol SO2/kmol kk)

Yc: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong khí đi ra khỏi tháp ( kmol

Giả sử điều kiện làm việc của tháp là T =250C→T =298K

G

Y 

  = 994,44( kmol/h)

 Thiết lập phương trình đường cân bằng:

Theo định luật Henry ta có: ycb = mx

 Thiết lập phương trình đường làm việc:

Phương trình cân bằng vật liệu cho thiết bị:

Đồ thị đường cân bằng, đường làm việc

1 Tính khối lượng riêng:

 Đối với pha lỏng:

Áp dụng công thức:

O H

SO SO

SO xtb

a a

2 2

 xtb: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3

2

SO

a Phần khối lượng của SO2 trong pha lỏng

 SO2 , H2O: Khối lượng riêng của SO2 và H2O ở 250C, kg/m3

- Tra bảng I.5 ở 250C có: H2O= 997,08 (kg/m3)

- Tra bảng I.2 ở 250C có: SO2(200C) = 1383 (kg/m3)

SO2(400C) = 1327(kg/m3)Dùng phương pháp nội suy => SO2(250C) = 1369 (kg/m3)

M x a

xtb: Nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha lỏng, (kmol

 My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí, (kg/kmol)

 M SO2 , M KK: Khối lượng phân tử của SO2 và không khí, (kg/kmol)

 ytb: Phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp

Vc: Lưu lượng khí thải đi ra khỏi tháp (m3 / h): Vc = Vtr * (1 + Y c )(II.183)

với: Mytb: Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg / kmol)

Đối với pha lỏng:

Áp dung công thức: lg x x tb lg SO2  (1  x tb) lg  H O2 I-84

Tra bảng I-102 sổ tay I: H O2 (250C)= 0,8937.10-3Ns/m2

xtb: Nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha lỏng, (kmol SO2/kmol H2O)

SO tb y

2





Trong đó  y, SO2 , kk: độ nhớt trung bình của pha khí, của SO2 và của không khí

ở điều kiện làm việc 250C, Ns/m2

M M y, SO2 ,M kk: khối lượng phân tử của pha khí, của SO2 và của khôngkhí ở điều kiện làm việc 250C và P=1atm

0,0125.10 0,018.10

y y

.

G X

ytb x

195*1, 209

1,005.10

X

d xtb s

V d

→ thỏa mãn điều kiện

Kiểm tra theo mật độ tưới U =

f

L f

II.2 Tính toán chiều cao tháp:

Chiều cao tháp được xác định theo phương pháp số đơn vị chuyển khối:

H = hdv.my (m)

Trong đó: H: chiều cao tháp, m

hdv: chiều cao một đơn vị chuyển khối, m

my: số đơn vị chuyển khối

Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối:

hdv = h1 + 2

'. y

x

m G h

G (m) Trong đó: h1: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha khí

h2: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha lỏng

m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y*=f(X) với mặt phẳng ngang

2 3 / 1 kk 3 / 1 SO

5 , 1 4

M

1 M

1 )

v v ( P

T 10 0043 , 0

2 2







(m2/s) Trong đó: T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối T=298K

P: áp suất làm việc P=1atm

v SO2: thể tích mol của SO2, v SO2=44,8 cm3/mol

v kk: thể tích mol của không khí, v kk=29,9 cm3/mol

Rex là chuẩn số Renoyd đối với pha lỏng: Re 0,04 x

A: hệ số, đối với chất khí tan trong nước A=1

B: hệ số, dung môi là nước B=4,7

hdv = 0,119 + 41,697 8,305 0,795

210, 2304



 =1,428 m

Xác định số đơn vị chuyển khối:

Dựa vào giá trị Xcbc= 6.868*10-4 (kmol SO2/kmol nước)

0 4,608*10-3 0 4,608*10-3 2170,0001 8,835*10-3 4,095*10-3 4,74*10-3 210,970,0002 0,013 8,223*10-3 4,777*10-3 209,3360,0003 0,0173 0,0124 4,9*10-3 204,080,0004 0,0215 0,0166 4,9*10-3 204,08

0,0005723 0,0288 0,0239 4,9*10-3 204,08

0,0006868 0,0336 0,0288 4,8*10-3 208,33Công thức tính số đơn vị chuyển khối:

=> Trở lực của tháp đệm đối với hệ khí-lỏng dưới điểm đảo pha có thể xác địnhđược bằng công thức sau:

 Pu: tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằngtốc 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)

 x, y: khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m3)

.

2 3

' 2 ' y y

d

d t

y

td K

V

H d

2 3

'

y y d

Bảng mô phỏng ở 1 số điều kiện: đính kèm

Dựa vào bảng mô phỏng kèm theo ta có các nhận 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 hiệusuất hấp thụ và để đạt được yêu cầu phải tăng thêm kích thước thiết bị, tăngđường 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 Nhưngnếu áp suất tăng thì chi phí kinh tế cũng tăng theo như là phải lắp đặt thêm máynén, chi phí năng lượng tăng do công suất hoạt động của máy tăng rất mạnh

Theo dây chuyền công nghệ trong bài ta chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang.I.1 Nguyên tắc làm việc của bơm ly tâm

Nguyên tắc hoạt động: Bơm ly tâm làm việc theo nguyên tắc ly tâm Chất lỏng được hút và đẩy cũng như nhận thêm năng lượng là nhờ tác dụng của lực ly tâm khi cánh guồng quay Bộ phận chính của bơm là cánh guồng trên có gắn những cánh có hình dạng nhất định, bánh guồng được đặt trong thân bơm và quay với tốc độ lớn Chất lỏng theo ống hút vào tâm guồng theo phương thẳng góc rồi vào rãnh giữa các guồng và cùng chuyển động với guồng Dưới tác dụng của lực

ly tâm, áp suất của chất lỏng tăng lên và văng ra vào thân bơm, vào ống đẩy theophương tiếp tuyến Khi đó ở tâm guồng tạo nên áp suất thấp Nhờ áp lực mặt thoáng bể chứa, chất lỏng dâng lên trong ống hút vào bơm Khi guồng quay chấtlỏng được hút liên tục, do đó chất lỏng được chuyển động đều đặn Đầu ống hút

có lắp lưới lọc để ngăn không cho rác và vật rắn theo chất lỏng vào bơm gây tắc bơm và đường ống Trên ống hút có van một chiều giữ cho chất lỏng trên đườngống hút khi bơm ngừng làm việc Trong ống đẩy có lắp van một chiều để tránh chất lỏng bất ngờ dồn vào bơm gây ra va đập thủy lực làm hỏng bơm

I.2 Các thông số đặc trưng của bơm

2

’

Mặt cắt 1-1 và 1’-1’:

) 1 (

2

2

.

2 2

1

1

mh h v

g g

P g

2

2

.

2 2 2 2

md d r

g g

P g

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

hmh + hmd= .P g

P

 : Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống,

áp suất toàn phần của bơm là hiệu áp suất giữa hai giai đoạn hút và đẩy

ω1: vận tốc nước ở bể chứa, ω1=0

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’

→H H h m P g P g

2

' 1 1 2 0

2

h h m

d

L



2





Trong đó: V là lưu lượng thể tích chất lỏng đi trong ống, m3/s

2

2

0,07( / ) 3600 3600 997,08

0,785 1,5

h

Quy chuẩn dh=0.244m→ 2

2 2

ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn

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=250C thì chiều cao hút của bơm ở khoảng 4,5m thì đảmbảo không xảy ra hiện tượng xâm thực Tuy nhiên để loại trừ khả năng dao độngtrong bơm nên giảm chiều cao hút khoảng 1÷1,5m so với giá trị trong bảng Vậychọn chiều cao hút là 3,5m

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

Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống đẩy:

2 2

ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn

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: 10. .3..

H g Q

N  (kW) I-439Trong 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

θ

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

η) =0,0288.( 1-0,84)= 4,608.10: hiệu suất của bơm

 : 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

Với: tr  0 , 85: hiệu suất truyền động

 dc 0,95: hiệu suất động cơ điện

35,5

44( ) 0,85 0,95

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

II Công của máy nén ly tâm

Áp dụng công thức

1 2 1

1

1

m m db

P m

T1: nhiệt độ đầu của khí, K

g g

2

.

2 2

g g

P g

2

.

2 2 2 2

h A

P P

P

P P

 ZB : chiều cao ống đẩy

  :Khối lượng riêng của hỗn hợp khí thải ở điều kiện đầu vào của khí

= 3.63 kg/m3

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

Xác định áp suất trước khi nén:

2 2

 P1 : áp suất khí quyển



c m d

V d

 785 ,

Chọn vận tốc hút ωh = 25m/s

2,315

0,34( ) 0,785 25

h

Chuẩn số Reynol

Chọn van 1 chiều.Theo II.16 [I-399] ta có dh =0,34 m =>  1 2,1 2,5 chọn1  2 , 5

→  0,0142

* Hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy

Áp dụng công thức:

3 2

1  



d    = 0,5+ 2,5+ 0,2175= 3,2175

Chọn chiều dài ống đẩy Hd =Ld =5 (m)

vậy trở lực trong ống đẩy:

P m

II.2 Công suất của máy nén

*Công suất lý thuyết

( W) 1000

N N

N N





Trong đó:

 Nhd: công suất hiệu dụng,kw

 ck: hiệu suất cơ khí của máy nén Đối với máy nén ly tâm ck=0,96÷0,98 Chọn ck= 0,97

hd dc

N N







 [I-466]

Trong đó:

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

 tr :hiệu suất truyền động ( 0,96÷ 0,99 ) →tr = 0,98

 dc :hiệu suất động cơ điện dc =0,95

1494,1

hd dc

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 S02, thân tháp hìnhtrụ, được chế tạo bằng cách uốn tấm vật liệu với kích thước đã định sẵn, hànghép mối, tháp được đặt thẳng đứng

 Chọn thân tháp làm bằng vật liệu X18H10T( 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:

 Dt.: đường kính trong tháp, m

 φ: hệ số bền của thành thân trụ theo phương dọc, với thân hay có lỗ gia cốhoàn 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 sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m

 [σk]: 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 benngoài tháp, N/m2