Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

Phần lớn cácnhà máy, xí nghiệp hoạt động bằng các dây chuyền công nghệ kiểu cũ, chưa được trang bị các hệ thống xử lý bụi và khí độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng không

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

I Giới thiệu về khí SO 2 2

II Giới thiệu về phương pháp hấp thụ Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền 3

III Sơ đồ công nghệ : 4

A TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ 5

I Phương trình cân bằng vật chất 5

II Tính đường kính, chiều cao, trở lực của tháp hấp thụ : 7

III Tính toán mô phỏng : 18

B TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THÁP 19

I Vật liệu chế tạo 19

II Chiều dày thân thiết bị 20

III Đáy và nắp thiết bị 22

IV Mặt bích 24

V Chân đỡ 28

C THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ PHỤ 31

I Bơm 31

II Quạt 35

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm không khí do khí thải từ các hoạt động sản xuất công nghiệp là vấn đề mới được quan tâm trong những năm gần đây và đang trở nên rất đáng lo ngại Phần lớn cácnhà máy, xí nghiệp hoạt động bằng các dây chuyền công nghệ kiểu cũ, chưa được trang

bị các hệ thống xử lý bụi và khí độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng không khí xung quanh

Từ đó đặt ra vấn đề phải thiết kế các hệ thống xử lý khí thải của các nhà máy trước khi thải ra môi trường Đồ án môn học “Quá trình thiết bị trong công nghệ môi trường” sẽ giải quyết bài toán xử lý khí SO2 – một loại khí thải độc hại trong công nghiệp, bằng phương pháp hấp thụ

I

Giới thiệu về khí SO 2

Tên thông thường : Lưu huỳnh Dioxit ( Anhidrit Sunfuro)

Công thức hóa học : SO2

Phân tử gam : 64,054 g mol-1

Là một chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1ppm[1-73]Điểm nóng chảy : -72,4°C (200.75°K)

Điểm sôi : -10°C (263°K)

Độ hòa tan trong nước : 9,4g/100ml (ở 25°C)

SO2 là một ôxit axit, tan trong nước tạo thành dung dịch axit yếu H2SO3

SO2 + H2O > H2SO3SO2 là chất khử khi tác dụng một chất oxi hóa mạnh

SO2 + 2KMnO4 + 2H2O > K2SO4 + 2MnSO4 + 2 H2SO4SO2 là chất oxi hóa khi tác dụng với chất khử mạnh hơn

SO2 + 2H2S -> 3S + 2H2O

SO2 là một chất khí gây ô nhiễm khá điển hình Nó sinh ra chủ yếu từ quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh, ngoài ra còn có các quá trình tinh chế dầu mỏ, luyện kim, tinh luyện quặng đồng, sản xuất xi măng và giao thông vận tải Nó là một trong những chất gây ra mưa axit ăn mòn các công trình, phá hoại cây cối, biến đất đai thành vùng hoang mạc Khí SO2 gây bệnh cho người như viêm phổi, mắt, da

Quá trình hấp thụ được chia thành 2 loại :

 Hấp thụ vật lý : là quá trình thuận nghịch bao gồm hấp thụ và nhả hấp thụ

 Hấp thụ hóa học : là quá trình không thuận nghịch

Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào dung môi hấp thụ nên việc lựa chọn dung môi là rất quan trọng Nước(H2O) là dung môi được chọn để giải quyết bài toán hấp thụ SO2 trong hỗn hợp khí thải đặt ra trong bài toán này

2 Giới thiệu về tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền :

Tháp đĩa là loại tháp được ứng dụng nhiều trong công nghệ hóa chất và thực phẩm Tháp đĩa được phân thành nhiều loại theo kết cấu của đĩa và sự vận chuyển của chất lỏng qua lỗ đĩa hoặc theo ống chảy chuyền giữa các đĩa

Loại tháp được sử dụng trong đồ án này là tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền Tháp hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có lỗ tròn hoặc rãnh Chất lỏng chảy từ trên xuống qua các ống chảy chuyền, khí đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc rãnh đĩa

Tổng tiết diện của lỗ hoặc rãnh chiếm từ 8÷15% tiết diện tháp

Chú thích : 1 Thùng chứa khí; 2 Quạt thổi khí; 3 Bể chứa nước; 4 Bơm; 5 Tháp

hấp thụ SO2; 6 Van tiêu chuẩn; 7 Bể chứa dung dịch sau hấp thụ

Thuyết minh công nghệ :

Hỗn hợp khí cần xử lý SO2 – không khí được quạt thổi khí đưa vào đáy tháp, trênđường dẫn khí vào tháp có lắp van an toàn, van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng phùhợp yêu cầu

Nước từ bể chứa được bơm ly tâm bơm lên trên đỉnh tháp Trên đường ống dẫn lỏng cóvan điều chỉnh như ống dẫn khí.

Khí SO2 sau khi được xử lý đi lên nắp tháp và ra ngoài qua cửa thoát khí ở nắp

Nước hấp thụ SO2 đi qua cửa tháo lỏng ở đáy tháp rồi được đưa đến hệ thống nhả hấpthụ

Ta có lượng hỗn hợp khí đi vào tháp hấp thụ được tính như sau :

Gy = Gtrơ + GSO2 = Gtrơ + Gtrơ.Yđ

Mà Gy = 15000 Nm3/h → Gy = 1500024,5 = 612,2449 (kmol/h)

→ Gtrơ = 1+Y đ G y = 612,24491+0,1 = 556,5863(kmol/h)

 Lượng SO2 bị hấp thụ vào pha lỏng :

GSO2 = ŋ Yđ Gtrơ = 0,85 0,1 556,5863 = 47,3098(kmol/h)

 Nồng độ SO2 trong pha khí tại đỉnh tháp :

Yc = (1 – ŋ).Yđ = (1 – 0,85) 0,1 = 0,015 (kmol/kmol khí trơ)

 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp hấp thụ :

Gtrơ Yđ + Gx Xđ = Gtrơ Yc + Gx Xc

↔ Gtrơ (Yđ – Yc) = Gx (Xc – Xđ)

→ y* = m.x = 40,78951 x = 40,7895.x

Y* = 1+(1−m) X mX = 1+(1−40,7895) X 40,7895 X = 1−39,7895 X 40,7895 X

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

Đồ thị đường cân bằng Y*=f(X)

Nồng độ SO2 trong pha lỏng X Nồng độ SO2 cân bằng trong pha khí Y*

- Nồng độ tối đa SO2 trong pha lỏng :

Xcmax khi B≡B0 Tại B0 ta có : Y* c=Yđ=0,1 kmol/kmol khí trơ

Gmin = Gtrơ tgαmin = 556,6863 38,6364 = 21508,3546(kmol/h)

- Lượng dung môi thực tế thường lớn hơn Gmin 20%

→ Gx = 1,2 Gmin = 1,2 21508,3546 = 25810,0255 (kmol/h)

 Phương trình đường làm việc :

- Nồng độ cấu tử hấp thụ trong pha lỏng khi ra khỏi tháp :

Xc = G SO 2

G X = 25810,025547,3098 = 0,0018 (kmol SO2/kmol H2O)

- Phương trình đường làm việc :

Nồng độ SO2 trong pha lỏng Nồng độ SO2 trong pha khí

�tb : Tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp, m/s

 Lượng khí trung bình đi trong tháp hấp thụ V tb :

- Lưu lượng thể tích khí đi vào tháp :

Vvào = G y M tb

❑tb

Mtb : khối lượng mol trung bình pha khí, kmol/kg

�tb : khối lượng riêng trung bình pha khí

= G y .22.4 T P P T 0

0

= 612,2449.22,4 1.273(273+25).1 = 14970,1727 (m3/h)

- Lưu lượng thể tích khí đi ra khỏi tháp :

Vra = Vtrơ + VSO2 còn lại

 Tốc độ khí trung bình đi trong tháp :

Đối với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền làm việc đều đặn, công thức tính tốc độ hơi(khí) trung bình đi trong tháp như sau :

�xtb : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m 3

�tb1, �tb2 : khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m3

atb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng

Khối lượng riêng hỗn hợp pha lỏng ở đầu vào :

A

Bh

π 3600 D2 = 4.14393,0209

π 3600 22 = 1,2733(m/s)

 Thiết kế sơ bộ đĩa

- Đường kính trong của tháp : D = 2,0 m

- Diện tích tiết diện ngang của đĩa : F =  D2

4 = 3,14 m2

- Diện tích phần chảy chuyền lỏng chiếm 15% diện tích đĩa

→ Diện tích dành cho chảy chuyền : Fch = 0,15.F = 0,15.3,14 = 0,471 m2Đường kính ống chảy chuyền chọn là d = 0,2 m

- Diện tích thực của đĩa : Ft = F – Fch = 3,14 – 0,471 = 2,669 m2

- Chiều dài ngưỡng chảy tràn Lc :

Gọi no là góc chắn ở tâm bởi Lc

Ta có :

F AOB = 2 S ∆ OAH=2.(1

2 OH AH) ¿2.(1

Fch= Fquạt -F AOB = F 360α −¿ F

2 π sinα Hay: 0,15.F = F 360α - 2 π F sinα

Suy ra : Lc = D sin(no/2) = 2 sin(44º6”/2)= 1,392 (m)

- Chọn chiều cao ngưỡng chảy tràn hc = 50 mm

- Đường kính lỗ dlỗ : Đối với chất lỏng sạch, đường kính lỗ từ 2÷6 mm[2-180]Chọn đường kính lỗ dlỗ = 4 mm = 0,004 m

- Tổng diện tích sơ bộ lỗ chiếm 10% diện tích mâm :

2

.0,1=25000lỗ D

 - Hệ số trở lực, Chọn đĩa có tiết diện tự do của lỗ bằng 10%  = 1.82

ytb – khối lượng riêng trung bình của pha hơi, ytb = 1,26845 kg/m 3

-  : sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa ,N/m2

 Trở lực thủy tĩnh do đĩa tạo ra :

Khối lượng phân tử trung bình hốn hợp lỏng: M xtb

Mtb = xtb.MSO2 + (1 – xtb).MH2O = 0,0009.64,06+(1-0,0009).18 = 18,0415 kg/kmol

Lưu lượng khối lượng pha lỏng:

Gxmtb = G xtb M xtb = 25810,0255.18,0415 = 465651,5751 kg/h  129,3477 kg/s

- Lc – Chiều dài ống chảy tràn , Lc = 0,4669m

- m – Hệ số lưu lượng qua ống chảy tràn

Với L G xmtb

c ρ tb = 0,4669 997,9483465651,5751 = 999,3766 5m3 /m.h thì m = 10000

- x : Khối lượng riêng của lỏng, x = 997,9483 kg/m 3

- K : tỷ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt (Khi tính toán chấp nhận K = 0.5)

) 164]

[3-β x = 33,7 10

−4 ∆ Px 1,95 ω y−0,41 = 33,7 10

= 0,0419 (kmol/m2.s)

 Tính số đơn vị chuyển khối :

Do đường cân bằng có dạng đường thẳng, do đó ta có thể xác định myT theo công thức

myT = Ky f¿Gy [3-173]

Với: t – nhiệt độ làm việc của tháp, t=25oC

Po, P áp suất ở điều liện 0oC và áp suất làm việc

Đối với tháp đĩa có ống chảy chuyền, f =F - m.fch=3,14 – 1.0,0314 = 3,1086 m2

Chiều cao khoảng phân ly : h1 = Hđ - hc

Trong đó khoảng cách giữa các đĩa Hđ

Chọn đĩa làm bằng thép với đường kính tháp D = 2 m Tra bảng IX.4a[3-169] ta được Hđ =

0,5

Chiều cao cửa tràn hc = 50mm = 0,05m

→ h1 = 0,45 m

Kk = 80/ Ψ – hệ số phụ thuộc kết cấu của đĩa

Chọn � = 0,85 với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền → Kk = 80/0,85 = 94,1176

0,0002 0,0242727 0,00822334 0,023447548 0,000825188 0,016049395 0,007462892 0,008586503 0,016511385 0,0004 0,0335455 0,01657968 0,032409281 0,001136192 0,016965793 0,007889013 0,00907678 0,025604912 0,0006 0,0428182 0,02507227 0,041371013 0,001447195 0,01774594 0,008251778 0,009494162 0,034771233 0,0008 0,052091 0,03370447 0,050332745 0,001758199 0,018386477 0,008549624 0,009836853 0,044012346 0,001 0,0613637 0,04247975 0,059294477 0,002069203 0,018883932 0,008780939 0,010102993 0,05332991 0,0012 0,0706364 0,0514017 0,06825621 0,002380206 0,019234719 0,008944053 0,010290666 0,06272594 0,0014 0,0799092 0,06047402 0,077217942 0,00269121 0,019435128 0,009037242 0,010397886 0,072202524 0,0016 0,0891819 0,06970056 0,086179674 0,003313218 0,019481327 0,009058724 0,010424087 0,082071031 0,0018 0,0984547 0,07908527 0,095141406 0,003364535 0,01936935 0,009006693 0,010362657 0,091456578

Ta có đồ thị đường cong động học như sau :

Từ đồ thị ta có 11 bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc Đây là số đĩa thực

 Hđ : khoảng cách giữa các đĩa

Chọn đĩa làm bằng thép với đường kính tháp D = 2,0 m Tra bảng IX.4a[3-169] tađược Hđ = 0,5 m

  : bề dày của đĩa Chọn  = 0,005m

 0,8 ÷ 1 : Khoảng cách cho phép giữa đỉnh và đáy thiết bị

Gx =  Gxmin , Với  = (1.2  2)

Chọn một số giá trị  và tính toán lại đường kính và chiều cao ứng với lượng dung môi

Gx = .Gxmin với các bước tương tự như trên Ta lập được bảng sau:

Tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính của tháp hấp thụ thường lớn hơn 3,dựa vào bảng

mô phỏng áp suất ta chọn P = 1at, D = 2m, H = 6,4 m

Như vậy, khi tăng lượng dung môi, giữ nguyên áp suất và nhiệt độ thì :

- Đường kính tháp không thay đổi

- Chiều cao tháp giảm

- Trở lực tháp tăng

Ta có các giá trị :

- Lưu lượng dung môi vào tháp : 25810,0255 kmol/h

- Khối lượng riêng trung bình chất lỏng : 997,9483 kg/m3

B TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THÁP

I.

Vật liệu chế tạo

Các yếu tố cần xem xét để lựa chọn vật liệu chế tạo :

- Môi trường làm việc : Anhidrit Sunfuro SO2

- Nhiệt độ làm việc : nhiệt độ thường

- Áp suất làm việc : áp suất thường

- Tính kinh tế

- Tính thông dụng

Theo bảng XII.24[34-325] ta chọn vật liệu chế tạo là CT3

II.

Chiều dày thân thiết bị

Thân tháp hình trụ, được chế tạo bằng cách cuốn tấm vật liệu với kích thước đã định sau đó hàn ghép nối Chọn phương pháp hàn hồ quang tay

Ứng suất cho phép của thép CT3 khi kéo: [σ K]=σ k t

Chọn giá trị  = 146,1538.106 là giá trị bé hơn trong hai giá trị này để tính toán tiếp.

Thân hình trụ chịu áp suất trong:

Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong p được xác định theo công thứcsau

 C – số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày,m

 P – Áp suất trong thiết bị, N/m2 Trong môi trường là hỗn hợp hơi khí – lỏng thì áp suất làm việc bằng tổng áp suất pmt hơi (khí) và áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng

Áp suất môi trường làm việc: pmt = 1at = 105 N/m2

Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng:

P l=g ρ l H l ,N/m2

 H1– chiều cao cột chất lỏng

 l – Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3

 g – Gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2Chọn điều kiện áp suất lớn nhất sao cho tháp làm việc ở điều kiện nguy hiểm nhất mà vẫn an toàn: Hl = 6,4 m

Suy ra bề dày của thân thiết bị

 S = D t p

2[σ]φ +C = 2.1,6266 10

5

2.146,1538 106.0,95 + C = 0,0012 + C (m)Với C là hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn và dung sai bề dày:

Bề dày thân thiết bị: S = 1,2 + 1,4 = 2,6 (mm)

Chọn chiều dày thiết bị S = 3 mm

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

Áp suất thử tính toán Po được xác định theo công thức:

Chọn lại S = 4 mm Tính lại như trên ta có σ = 106,6783 N/m2 thỏa mãn Vậy S = 4mm

bỏ đại lượng p trong công thức tính S

Vậy chiều dày nắp :

S = 3,8.D t p

[ơ k] k φ h .

D t 2h b + C ,m

S = 2.1,6266 10

5

3,8.[146,1538.106].0,85 0,95.

22.0,5 + C = 0,0015 +C (m)

Do S – C = 1,5 mm < 10 mm nên phải tăng đại lượng bổ sung C thêm 2mm

Thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn 1,2σc = 240 106

1 Bích nối nắp với đáy và thân :

Chọn bích liền bằng thép kiểu IV, do tháp làm việc ở áp suất thường

Tra bảng XIII.27[3-423] ta được các thông số sau:

P y 10-6

N/m2

D t (ĐKtrong)

Tháp có chiều cao khá lớn 6,4m với 11 đĩa do đó ta phải sử dụng thêm bích nối thân thiết bị.

Như vậy số mặt bích phải dùng là 5 bích

2 Bích nối ống dẫn và các bộ phận của thiết bị :

Chọn bích liền bằng kim loại đen

 Ống dẫn khí :

Lưu lượng khí đi vào tháp ở điều kiện nhiệt độ và áp suất làm việc: 14970,1727 m3/h.Vận tốc khí ra khỏi tháp – tra bảng II.2[4-370]- Tốc độ trung bình của chất lỏng và khí chuyển động trong ống dẫn Khí vào ở áp suất thường nên chỉ dùng quạt Chọn vận tốckhí vào  yv = 15 m/s

Đường kính ống dẫn khí ra:

Dyv = √ V y, v

0,785 3600.yv = √ 14970,1727

0,785.3600 15 = 0,3532 (m)Quy chuẩn: Dyv = 350 mm

Do lưu lượng khí ra tháp không khác nhiều với lưu lượng khí vào tháp nên ta chọn đường kính ống dẫn hơi ra bằng đường kính ống dẫn hơi vào: Dyr = 350 mm

Chọn kiểu bích liền bằng kim loại đen Tra bảng XIII.26[3-416]

Kích thước bề mặt đệm lót lấy bảng XIII.30[3-432]:

Đường kính ống:

Dx,v = √ V x ,v

0,785 3600 xv = √ 465,9410

0,785 3600.1 = 0,287 (m)Quy chuẩn: Dx,v = 0,3 m.Tra bảng XIII.26[3-415]

25 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551

Kích thước bề mặt đệm lót lấy bảng XIII.30[3-432] :

Đường kính ống:

Dx,r = √ V x, v

0,785 3600 xr = √ 467,0578

0,785 3600.1 = 0,4065 (m)Quy chuẩn: Dx,r = 0,4 (m) Tra bảng XIII.26[3-416]

Kích thước bề mặt đệm lót lấy bảng XIII.30[3-432] :

1 Tính khối lượng của tháp :

 Khối lượng thân tháp: Khối lượng riêng của thép CT3 – Tra bảng XII.7[3-313] ta được:  t = 7,85.10 3 kg/m3

 Khối lượng đáy và nắp tháp:

Tra bảng XIII.11[3-384] Với tháp có đường kính trong 2000 mm, chiều dày đáy S = 10

mm, chiều cao gờ 40 mm, khối lượng đáy (nắp) là 364 kg

Đường kính ngoài của bích: 485 mmChiều cao: h = 22mm

2 Chân đỡ và tai treo :

 Chân đỡ : sử dụng loại chân đỡ thiết bị thẳng đứng Chọn kiểu chân đỡ số I

(XIII.21[3-436]) là kiểu chân nguyên

Trọng lượng mỗi chân đỡ(tai treo) phải chịu : 264160,735/4 = 66040,18375 (N)Tra bảng XIII.35[3-437] ta có :

G.10-4,N

đỡ q.10-6, N/m2

0

260 370

lượn

g 1 tai treo, kg

Tra bảng XIII.37[3-439] Tấm lót tai treo bằng thép :

Tải trọng cho phép trên

một tai treo G.10-4,N

Chiều dày tối thiểu của thành thiết bị khi không có lót

Chiều dày tối thiểu của thiết bị khi có lót S

0

320 8

C THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ PHỤ

I.

Bơm

1 Năng suất của bơm

Năng suất của bơm ly tâm phụ thuộc vào tốc độ tương đối của chất lỏng trong rãnh củaguồng, vào bề dày và đường kính của guồng

Tra bảng II.36[4-444] Bơm chất lỏng thường Chọn bơm loại B – bơm ly tâm một cấp thẳng đứng để bơm nước nguội, trung tính, sạch

Năng suất

m3/h

Áp suất toàn phần, m

Số vòng quay, vòng/ph

Nhiệt

độ, °C

Chiều cao hút,m

Vỏ ngoài

Bánh guồng

Trục

(55-58).103 29-90 250-750 <35 10-12 Thép

Cacbon

Thép 25Л

Thép 402

Sơ đồ mạng ống như hình vẽ :