Đồ án tháp chóp hấp ThụSO2 KK

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:

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 trienr, 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

và các 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 hấp thụ loại tháp chóp đểhấp thụ SO2 từ không khí bằng dung môi là nước

A TỒNG QUAN1.Tổng quan của SO 2

Lưu huỳnh điôxit(hay còn gọi là anhiđrit sunfurơ) là một hợp chất hóa học với công thức SO2 Chất khí này là sản phẩm chính của sự đốt cháy hợp chất lưu 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 không màu, nặng hơn không khí Nó có khả năng làm vẩn đục nước vôi trong, làm mất màu dung dịch Brôm và làm mất màu cánh hoa hồng (2 tính chất sau được ứng dụng để nhận biết SO2 và phân biệt nó với CO2)

- 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 hỗn hợp 2 cấu tử: ( Φ =2,k = 2,c = 2-2+2 = 2 thành phần 2 pha Hệ thống như vậy theo 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 định luật Henry

Ycb = m.xVới :

+ 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, lượng khí bị hấp thụ được tính theo công thức sau:

Ytb là lớn nhất

Dựa vào phương trình nồng độ làm việc Y = A.x + B với:

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, thì thiết bị bé nhưng dung dịch thu được lại quá loãng vì Xc bé Do đó, khi chọn điều 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 quá trình hấp thụ,mà chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực quá trình

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

x o

y

x o

Nếu đường làm việc AB không đổi -> ∆ytb giảm, do đó cường độ chuyển khối giảm 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 làm việc cắt nhau, nên không thể đạt được nồng độ cuối Xc Đó là ảnh hưởng sấu của tăng nhiệt độ Tuy nhiên, khi T tăng thì độ nhớt của dung môi giảm nên vậntốc khí 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, quá trình chuyển khối tốt hơn Nhưng P tăng -> T tăng=> gây ảnh hưởng xấu đến quá trình hấp thụ Mặt khác P tăng gây khó khăn về mặt thiết bị=> quá trình hấp thụ 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

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

+ Tháp đĩa không có ống chảy truyền

Hiệu suốt của quá trình hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí Nếu vận tốc khí bé thì khả năng sục khí kém, nhưng nếu vận tốc khí quá lớn sẽ làm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo khí Hiện tượng bắn chất lỏng tất nhiên còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như: khoảng cách giữa các đĩa, khoảng cách

giũa các đĩa, khoảng cách giữa các chop, khối lượng riêng cấu tạo và kích thướccủa chop và ống chảy truyền.

cao tháp 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

hệ thống nhả hấp thụ 6 Tuy nhiên trong khuôn khổ đồ án ta không tính đế hệ thống này

2.2.Sơ đồ dây truyền sản xuất

10 8

3.Bơm chất lỏng 11 Van lưu lượng nước

4 Bể chứa nước 12 Van lưu lượng khí sản phẩm đỉnh5.Thùng chứa khí 16 Van nhả sản phẩm hấp thụ

+ Sản phẩm đáy: aW = 0,045 phần khối lượng.

- Tháp làm việc ở áp suất khí quyển 760mmhg

- Hấp thụ ở 30oC

- Dung môi là H2O

Phần 1: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ.

1.1.Tính cân bằng vật liệu.

Nồng độ phần mol SO2 trong pha khí:

- Ban đầu: Yđ =1−0,050,05 = 0,052(kmol SO2/kmol không khí)

- Phương trình đường cân bằng có dạng :

ycb = 1+ m X m X

Có m = P φ

Trong đó :

φ : Hế số Henry (mmHg)

P : Áp suất chung của hỗn hợp khí

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

φ(30oC) = 0,0364.106 (mmHg)

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

1.2 Đường kính của tháp.

D = √ 4.V tb

π 3600 ω ytb (XI.89)

Trong đó :

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

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

1.2.1.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:

 ρxtb =

1 2,158.10−31360.47 +

1−2,158.10−3995,1

= 995,68(kg/m3)

Khối lượng phân tử của hỗn hợp lỏng:

Mx = xtb.MSO2 + (1-xtb).MH2O

= 0,608.10-3.64 + (1-0,608.10-3).18 = 18,03+ Đối với pha khí:

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 ρ M ytb

ytb = 60,3719 30,2251,216 = 1500,6 (m3/h)

Vđ = G tr M ytb

ρ ytb = 57,38 30,2251,216 = 1426.2 (m3/h)Lại có : Vc = Vtr (1+ Yc) = 1426,2 (1+ 5,002.10-4) = 1426,91 (m3/h)

 Vtb = V đ+V c

2 = 1500,6+1426,912 = 1463,755 (m3/h)

1.2.3.Tốc độ khí đi trong tháp.

(ρy ωy)tb = 0,065.φ.[σ].√h ρ ytb ρ xtb(kg/m3.s) (IX.105)

σ1 , σ2: sức căng bề mặt của SO2 và của không khí.

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

ρ H 2O = 998(kg.m3/s): khối lượng riêng của nước ở20oC

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)

Rey = ω y h ρ ytb

μ ytb

Trong đó :

ω y: Tốc độ khí tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s)

ρytb : Khối lượng riêng trung bình của pha khí

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

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

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

Dx : Hệ số kuyechs tán trung bình trong pa lỏng (m2/s)

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

Dx : Hệ số khuếch tán của hỗn hợp

Mxtb : Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp lỏng

=1,566.1022,4 −5 (0,79.49365,97 +11000) = 0,035

1.3.5.Hệ số chuyển khối- đường cong động học.- số đĩa thực tế.

- Hê số chuyển khối

βy = 0,035: Hệ số cấp khối pha khí

βx = 0,014: Hệ số cấp khối pha lỏng

1 1

- Tính đường ống chảy truyền:

dc = √ 4 G tbx

3600 π ρ x ω c Z(m) (II.236)Trong đó:

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 :

Gxtb = 74,917+4585,112 18,03 = 42010,14341 (kg/h)

 dc = √ 4 G tbx

3600 π ρ x ω c Z= √3600.3,14 995,68 0,2 14.42010,14341 = 0,273 (m) Quy chuẩn: dc = 0,28m

- Tính số đơn vị chuyển khối:

F : Diện tích cắt ngang của mặt tháp (m2)

n : Số ống hơi trên mỗi đĩa:

n =0,1 D

2

d h2 = 0,1 1

0,057 2 = 30,7 (II.236)Quy chuẩn : n= 34 ống (34 chóp/ 1đĩa)

m : Số ống chảy truyền trên mỗi đĩa, chọn m=1

6 50.00000 0.00028 0.00117 1.00117 0.00300

0.009710.0004 0.025 0.0195 0.00050 55.5555

6 0.00025 0.00105 1.00105 0.00549

0.019510.0006 0.0372 0.0296 0.00073 58.4615

4 0.00024 0.00100 1.00100 0.00759

0.029610.0008 0.0495 0.0398

0.0009

6 60.62500 0.00023 0.00096 1.00096 0.00969

0.038910.001 0.0617 0.0502 0.00118 63.8888

9 0.00022 0.00091 1.00091 0.01149

0.050210.0014

- Vẽ đường cong cân bằng : ycb = f(x)

- Vẽ đường làm việc

- Dựng cỏc đường thẳng vuụng gúc với OX, cỏc đường này cắt đường làm việc tại A1 , A2 , A3 ,… , A8

Và cắt đường cõn bằng ycb = f(x) tại C1,C2,….,C8.Từ đú xỏc định được

BC theo cụng thức : BC = C y

AC

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 đĩa thực tế của thỏp

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

Phần 2 :TRỞ LỰC CỦA THÁP

Trở lực của tháp chóp tính theo công thức:

∆P = Ntt.∆Pđ (N/m2) (IX.135:II_192)Trong đó :

hr : Chiều cao của khe chóp (m)

- hc : Chiều cao đoạn chảy truyền nhô lên trên đĩa:

- hx : Chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bột trên đĩa hx< (S+ b)

chọn hx = S + b2(S khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp S = 0÷ 25mm, chọn S = 15mm)

- b : Chiều cao khe chóp

Gx : Lưu lượng lỏng, Gx = 4585,11(kmol/h) = 8253,98(kg/h)

l : Chiều dài của chảy tràn (m)

hb = (h c+∆−h x) ( F−f ) ρ x+h x ρ b f +(h ch−h x) f ρ b

(41+59−22,5) 10−3.0,1708 ¿ 995,68+22,5 10 −3.398,272.0,1708+(80−22,5) 10−3 398,2722 ¿

398,272.0,662 = 0,164m = 164mm

σ1 , σ2: sức căng bề mặt của SO2 và của không khí

Phần 3: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ3.1.Tính chóp và kích thước cơ bản của chóp.

- Đường kính ống khí của chóp: 50, 75, 100, 125 (mm) Chọn dh = 0,057(m) với chiều dầy δ=2 mm

=> Đường kính trong của tháp: dht = 0,05(m)

- Số chóp phân bố trên đĩa:

n =0,1 D

2

d h2 = 0,1 1

0,057 2 = 30,7 (II.236)Quy chuẩn : n= 34 ống (34 chóp/ 1đĩa)

- Chiều cao chóp phía trên ống dẫn khí:

- Khoảng cách từ mặt đĩa đến thân chóp S = 0÷0,25mm Chọn S =15mm

- Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp h1 = 15÷40mm

- Chiều cao khe chóp:

b = Ԑ ω y

2

ρ y

g ρ x m

ρx : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng.

ρy : Khối lượng riêng trung bình của pha khí

Ta chọn:

Chiều rộng các khe chóp a = 5mm

Khoảng cách giữa các khe c= 3÷ 4mm, chọn c = 4mm

 Số lượng khe hở mỗi chóp :

δc : bề dấy ống chảy truyền δc = 2÷4 mm, chọn δc = 2 mm

l1 : Khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy truyền, chọn l1 = 75mm

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

 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

Hệ số bền mối hàn là : ᵠh = 0,95

Chiều dầy thân tháp hình trụ :

S = D t P

2.[σ] φ P+ C (m)Trong đó:

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

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

Áp suất thử P0 được xác định theo công thức :

 = \f(, = [1+ (3−1,4 ) 10

−3

].176699,2063

2 (3−1,4 ) 10−3.0,95 = 58216767,87 (N/m2) Vậy :  = (N/m2) < σ ch

1,2 = 220.106

1,2 = 183,333.106 (N/m2)

Do đó chiều dày tháp 3mm là hợp lý

3.3.Nắp và đáy thiết bị.

Đáy và nắp thiết bị cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị và đượcchế tạo cùng loại vật liệu với thân tháp Vì tháp làm việc ở áp suất thường và thân hình trụ hàn nên ta chọn đáy và nắp thiết bị có hình elip có gờ và lắp với thiết bị bằng cách ghép bích ở tâm có trục lỗ để lấy sản phẩm đáy.

Chi tiết cấu tạo :

Dt : Đường kính trong của tháp

hb = 0,25 : Chiều cao phần lồi

h = 0,95 : Hệ số bền của mối hàn hướng tâm

Vậy : S = \f(Dt.P, \f(Dt,2.hb + C

Chiều dày nắp tháp:

S = \f(Dt.P, \f(Dt,2.hb + C = 1.1 105

3,8.132 106.0,9.0,95 2.0,251 + C

= 78,95.106 (N/m2)

Laị có : \f(, = 78,95.106 < \f(, = 132.106

1,2 =183,333.106 (N/m2)

  < \f(,

Vậy S = 4 mm đáy tháp đã thiết kế là cố thể chấp nhận được

Chiều dầy đáy tháp:

S = \f(Dt.P, \f(Dt,2.hb + C = 1.170678,5041

3,8.132 106 0,9.0,95 2.0,251 + C = 7,959.10-4 + C

Laị có : \f(, = 40821241,31< \f(, = 132.106

1,2 =183,333.106 (N/m2)

  < \f(,

Vậy S = 5 mm đỏy thỏp đó thiết kế là cố thể chấp nhận được.

KẾT LUẬN

Sau khi thiết kế thỏp hấp thụ loại thỏp chúp để hấp thụ SO2 trong hỗn hợp

SO2-không khí dùng dung môi là H2O mà em đợc nghiên cứu, tìm hiểu ta cú cỏc thụng số sau :

- Đường kớnh thỏp : Dt = 1 m

- Chiều cao thỏp : Ht = 7,236 m

LỜI CẢM ƠN

cùng với sự giúp đỡ tận tình của thầy cô giáo khoa Công nghệ hóa đặc biệt là côtrần thị thanh thảo, em đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế được giao Qua quátrình 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 thứcthực sự sâu về quá trình chưng luyện mà còn phải biết về một số lĩnh vực khácnhư: cấu tạo 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 bảnthân 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 côgiáo: trần thị thanh thảo là người đã hướng dẫn em trong quá trình làm đầu 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 tháng năm 2013