Thiết kế hệ thống hấp thụ loại chóp H2S

Đồ án quá trình thiết bị đồ án 1. Thiết kế hệ thống hấp thụ khí H2S. Nội dung đồ án đầy đủ các phần yêu cầu. Phần lý thuyết + tính toán trình bày minh bạch, rõ ràng. Các phần thuyết minh và tính toán: I.Mở đầu; II.Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ; III.Tính toán quạt (máy nén khí); IV.Tính toán hệ thống bơm dung môi; V.Tính và chọn cơ khí; VI.Kết luận

Đồ án môn quá trình thiết bịThiết kế hệ thống hấp thụ để làm sạch khí

Họ và tên:

Lớp :

Các số liệu ban đầu :

Thiết bị hấp thụ loại tháp chóp

Hỗn hợp tách: H2S-không khí

Lu lợng khí thải vào tháp là: 11.000 Nm3/h

Nồng độ H2S trong dòng khí vào theo % thể tích là: 2%

Hiệu xuất hấp thụ: 85%

Dung môi hấp thụ là H2O

Nhiệt độ và áp xuất hấp thụ,lợng dung môi mô phỏng theo một số điều kiện.Các phần thuyết minh và tính toán:

6 Các chi tiết của tháp

III Tính toán quạt hoặc máy nén khí

IV Tính toán hệ thống bơm dung môi

V Tính và chọn cơ khí

VI Kết luận

Vẽ sơ đồ dây chuyền hệ thống hấp thụ: khổ A4

Vẽ bản vẽ chi tiết(vẽ lắp)tháp hấp thụ: khổ A1

Giáo viên hớng dẫn

Mục lục

i mở đầu……… 3

ii tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ……… 9

1 Thiết lập phơng trình cân bằng vật liệu………9

2 Tính đờng kính………11

3 Thiết kế đĩa chóp……… 13

4 Tính chiều cao của tháp………18

5 Tính trở lực của tháp……….22

6 Bảng mô phỏng……… 24

iii Thiết kế thiết bị phụ……… 24

1 Bơm chất lỏng……… 24

2 Thùng cao vị……… 28

3 Máy nén khí……… 29

iv tính và chọn cơ khí……… 33

1 Chọn vật liệu……… 33

2 Tính chiều dày thân tháp………33

3 Tính chiều dày nắp và đáy thiết bị……… 36

4 Chọn mặt bích……… 36

5 Chọn chân đỡ……… 37

V kết luận………41

vi tài liệu tham khảo……….42

i mở đầu

Ô nhiễm môi trờng : vấn đề chung mang tính toàn cầu và cấp bách ở hầu hết các quốc gia, chính phủ đã đầu t rất nhiều,cả về vốn và công nghệ cho việc xử lí các chất gây ô nhiễm môi trờng Các nớc càng phát triển, khoa học công nghệ tiên tiến thì ô nhiễm môi trờng càng trở lên nghiêm trọng ở Việt Nam,tuy nền công nghiệp cha phát triển mạnh

mẽ nhng do nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan , làm cho môi trờng nớc ta ngày càng ô nhiễm Việc chặt phá rừng cũng nh hoạt động của các nhà máy đã thải ra môi tr-ờng rất nhiều chất gây ô nhiễm Cũng nh nhiều nớc khác trên thế giới hiện nay, vấn đề xử

lí các chất gây ô nhiễm ở nớc ta đang gặp nhiều khó khăn Nguyên nhân của ô nhiễm môi trờng là do các chất thải từ nhà máy, khu công nghiệp và các hoạt động khác Một trong những chất khí gây ô nhiễm môi trờng là H2S)

Khí Sunfurơ là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1ppm Sunfurơ là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lu huỳnh(các nhà máy nhiệt điện thờng là nguồn phát sinh ra nhiều Sunfurơ trong khí thải) Ngoài ra còn kể đến quá trình tinh chế dầu mỏ, luyện kim, sản suất axit Sunfuric , tinh luyện quặng đồng, kẽm, chì, thiếc…sản xuất xi măng và giao thông vận tải cũng là những nơi phát sinh ra nhiều khí Sunfurơ Tác động của khí Sunfurơ tới môi trờng có thể kể ra ở

đây nh:

- SO2 làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng

- Ma axit làm đất và nớc bị ô nhiễm bởi SO2 và SO3 trong khí quyển

• Không khí bị ô nhiễm do SO2 và SO3 có thể làm bạc màu các tácphẩm nghệ thuật,

ăn mòn kim loại và làm giảm bền của các vật liệu vô cơ, hữu cơ… Vậy mục đích thu hồi và sử lí để làm giảm thiểu tác hại của nó đối với môi trờng và con ngời.Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng Khí đợc hút gọi kà chất bị hấp thụ,chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi(hay chât hấp thụ), khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ

Bản chất của quá trình hấp thụ: khí hoà tan vào trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp 2 cấu tử: (

Φ=2,k = 2,c = 2-2+2 = 2 thành phần và 2 pha Hệ thống nh vậy theo định luật pha2) đợc gọi nh hỗn hợp lỏng có 2 thành phần Cân bằng pha đợc xác định bởi P,T,C.Nếu T = const thì độ hoà tan phụ thuộc vào P theo định luật Henrry:

YCB = m.x

+Với khí lí tởng, m = const →quan hệ yCB = f(x) là đờng thẳng

+ Với khí thực, m phụ thuộc vào đờng cân bằng là đờng cong

*Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình hấp thụ:

-ảnh hởng của lợng dung môi:Theo phơng trình chuyển khối, lợng khí bị hấp thụ đợc tính

theo công thức sau:

sao cho F.∆Y tb là không đổi

Từ đồ thị suy ra khi Xđ,Yđ,Yccố định thì nồng độ cuối của dung môi đợc quyết định theo động lực trung bình ∆Y tb, tức là điểm cuối của đờng làm việc AB(điểm này chỉ đợc dịch chuyển từ A→A4) Đờng làm việc BA4 cắt đờng cân bằng, lúc này ∆Y tb là nhỏ nhất Đờng AB gần song song với trục tung, nên∆Y tb là lớn nhất

Vì F ∆Y tb không đổi →ứng với BA4 có F lớn nhất, ứng với BA có F bé nhất Tơng

tự tại A4 có Xc lớn nhất, tại A có Xc bé nhất

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

Do đó nếu chọn lợng dung môi ít nhất, ta thu đợc Xc lớn nhng thiết bị phải rất lớn(vô cùng cao) Trái lại, nếu chọn lợng dung môi lớn nhất, thì thiết bị bé nhng dung dịch thu đ-

ợc lại quá loãng vì Xc bé Do đó, khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh

tế, kỹ thuật

*ảnh hởng của T và P lên quá trình hấp thụ:

Nhiệt độ T và áp suất P là những yếu tố ảnh hởng quan trọng lên quá trình hấp thụ , mà chủ yếu ảnh hởng lên trạng thái cân bằng và động lực quá trình

Từ phơng trình Henrry ta thấy, khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henrry tăng→đờng cân băng dịch chuyển về trục tung

x o

y

x o

đạt đợc nồng độ cuối Xc) Đó là ảnh hởng xấu của tăng nhiệt độ Tuy nhiên, khi T tăng thì độ nhớt của dung môi giảm nên vận tốc khí tăng, cờng độ chuyển khối cũng tăng theo Trong trờng hợp tăng áp suất , ta thấy hệ số cân bằng m =

P

ψ giảm → đờng cân bằng dịch chuyển về phía trục hoành → ∆Y tb tăng lên ,quá trình chuyển khối tốt hơn.Nhng P tăng → T tăng ⇒gây ảnh hởng xấu đến quá trình hấp thụ Mặt khác, P tăng gây khó khăn về mặt thiết bị ⇒quá trình hấp thụ chỉ đợc thực hiện ở P cao đối với những khí khó hoà tan

Ví dụ: Hấp thụ CO2 bằng H2O tiến hành ở 17at; thu hồi CO ở 12at…

*Các loại tháp hấp thụ:

- Thiết bị loại bề mặt:đơn giản , bề mặt tiếp xúc pha bé→chỉ dùng khi chất khí dễ hoà tan trong lỏng

- Thiết bị loại màng: thiết bị loại ống, loại tấm

- Thiết bị loại phun: không phù hợp với khí khó hoà tan

- Thiết bị loại đệm: bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu xuất cao nhng khó làm ớt đều đệm

- Thiết bị loại đĩa(tháp đĩa) gồm:

+Tháp đĩa có ống chảy truyền: đĩa chóp , đĩa lỗ(lới), đĩa Suppáp, đĩa sóng chữ S

+Tháp đĩa không có ống chảy truyền

→Xét tháp hấp thụ SO2 trong không khí bằng H2O với tháp chóp

- Tháp đĩa chóp là tháp gồm nhiều đĩa, trên đĩa có nhiều chóp Trên đĩa có lắp ống chảy truyền để vận chuyển chất lỏng từ đĩa này sang đĩa khác Số ống chảy truyền phụ thuộc vào kích thớc của tháp và lu lợng chất lỏng, ống chảy truyền đợc bố chí theo nhiều cách Khí đi từ dới lên qua ống hơi vào chóp, qua khe chóp để tiếp xúc với chất lỏng trên đĩa Chóp có cấu tạo dạng tròn hoặc dạng khác Thân tháp có rãnh tròn , chữ nhật hoặc tam giác để khí đi qua Hình dáng của rãnh trên chóp không ảnh hởng mấy đến quá trình chuyển khối Chóp đợc lắp vào đĩa bằng nhiều cách

Hiệu quả của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí Nếu vận tốc khí bé thì khả năng sục khí kém, nhng nếu vận tốc khí quá lớn sẽ làm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo khí Hiện tợng bắn chất lỏng tất nhiên còn phụ thuộc vào yếu tố khác nh khoảng cách giữa các đĩa, khoảng cách giữa các chóp, khối lợng riêngcấu tạo và kích thớc của chóp và ống chảy chuyền

*Thuyết minh dây chuyền:

- Hỗn hợp khí cần xử lí SO2 và không khí đợc máy nén khí 2 đa vào ở đáy tháp, trên ờng ống có nắp van điều tiết lu lợng khí và gắn vào ống trớc khi đi vào tháp một đông hồ

đ-đo lu lợng chất lỏng vào tháp 14

- Nớc từ bể 4 đợc bơm li tâm 3 đa lên thùng cao vị 8, trên đờng ống có van an toàn 7

.N-ớc từ thùng cao vị 8 đi vào tháp với lu lợng thích hợp, qua một đồng hồ đo lu lợng n.N-ớc vào tháp 9, tới từ trên xuống dới theo chiều cao tháp hấp thụ 1

- Khí SO2 sau khi đợc xử lí đi lên nắp tháp và ra ngoài lỗ nắp

- Nớc 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 đến hệ thống này.

*số liệu thiết kế:

Tháp chóp: hỗn hợp SO2 - không khí

Lu lợng hỗn hợp khí thải vào tháp:12.000 Nm3/h

Nồng độ cấu tử bị hấp thụ vào tháp : 3% mol/mol

Hiệu suất hấp thụ 95%

Dung môi hấp thụ: H2O

Nhiệt độ làm việc: 300C

áp suất làm việc : 6 at

Sơ đồ hệ thống hấp thụ

10 8

6 HÖ thèng nh¶ hÊp thô

13 HÖ thèng ph©n phèi chÊt láng14.§ång hå ®o lu lîng khÝ vµo th¸p

7 Van an toµn 15.Van ®iÒu tiÕt khÝ vµo th¸p

8 Thïng cao vÞ 16.Van nh¶ s¶n phÈm hÊp thô

ii.tÝnh to¸n thiÕt kÕ hÖ thèng hÊp thô

1 thiÕt lËp ph¬ng tr×nh c©n b»ng vËt liÖu.

Th¸p lµm viÖc ë T = 30 0C hay T = 303 0K

0 6 (II_138)

m = 8,2472

(với ψSO230o C là hằng số Henrry của SO2 ở nhiệt độ 300C)

*Chuyển sang nồng độ phần mol tơng đối ta có

Phơng trình đờng cân bằng

Ycb = ( m) X

X m

1 1

.

− +

x − + Yc - d

tr

x X G

2472 , 8

−

Gtr = GY.

d Y

+ 1

1

= GY.(1-yđ) Vậy Gtr = (1-Yđ).GY = 535,7143.(1-0,03)

Y

.1

−+

Xcmax = 8,2472+07,03092,2472,0,03092

Xcmax = 3,65.10-3 (Kmol/Kmol dm)

Do đó Gxmin = Gtr

d c

c d

X X

Y Y

10 5464 , 1 03092 , 0

G

Y = .X

643 , 519

6848 , 6270

-Y c : nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (Kmol/Kmol khí trơ) -G Y : Lợng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h)

-G X : Lợng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h)

-G tr : Lợng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h)

-β: Lợng dung môi/Lợng dung môi tối thiểu

2 tính đờng kính của tháp

*Công thức D =

tb tb

V

ω

π.3600

.4

(m) (II_181) Trong đó: + Vtb: Lợng khí trung bình đi trong tháp (m3/h)

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

10 6233 , 1

P M

4 , 22

273

ρ

.

559 , 29 643 ,

xtb

tb xtb

tb a

a

ρρ

−+ (II_183)

Víi atb =

xtb

SO tb

64 10 2137 ,

1 −3

xtb

tb xtb

tb a

a

ρρ

−+ =

68 , 995

10 302 , 4 1 1355

10 302 , 4

817 , 996 8959 , 6 4 , 0 065 , 0

h

d d

1, 20,1

+

2

4

Trong đó: + a: chiều rộng khe chóp chọn trong khoảng 2ữ7 (mm) →chọn a = 5 (mm) Hay a = 5.10-3 (m)

+ b: chiều cao khe chóp tính theo công thức:

b =

x

y y

gρ

ρωξ

V

h

y

3600

.4

2

π = 3600 0 , 1 2

4

Vy = o y

o

G P

P T

T

4

,

8 , 5

1 273

303 4 ,

→ ωy = 2

2 , 1 1 , 0 3600

78 , 2219 4

π = 5,452 (m/s).

ξ lấy trong khoảng 1,5ữ2 → chọn ξ = 2

⇒b = ( )

817 , 996 81

,

9

8959 , 6 452

Ctr = l +

360

) (

8,

xtb

3600

4

ωρ

G

ρ = 996 , 817

295 , 6278

= 6,298 (m3/h)

Thể tích lớp chất lỏng trên đĩa VCL = D .h x

4 2

π = .0,04

4

2 , 1 2

π = 0,0452(m3/h)Vì hx chọn ở trên = 0,04 (m)

→Thể tích chất lỏng chảy qua là:

2528 , 6

tmin = 0,104 (m) quy chuẩn tmin = 0,11(m)

• F: phần bề mặt có gắn chóp (nghĩa là trừ 2 phần diện tích đĩa để ống chảy chuyền ) (m2)

x R

2

2

π =

4

2 , 1 2

π = 1,131 (m2)

→ F = Sđ - 2.S1 = 1,131 – 2.0,085 = 0,961 (m2)

• ∆: Chiều cao của lớp chất lỏng trên ống chảy chuyền

x x x

c

F

f h h f h f

F h h

ρ

ρρ

ρ

−

∆+

(m) (II_185)Thay lần lợt các giá trị vừa tính đợc ở trên ta có

β

β +1

1

(II_162)

Trong đó: + m: hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào to,P,nồng độ các pha

+ βy: hệ số cấp khối pha khí (Kmol/m2.s) (∆y= 1)

+ βx: hệ số cấp khối pha lỏng (Kmol/m2.s) (∆x= 1)

m

Kmol

.

Kmol

.

∆ = ∆Pđ - ∆Pk:Sức cản thuỷ lực của lớp chất lỏng trên đĩa

∆Pđ : Sức cản thuỷ lực chung của đĩa (N/m2)

1 1σ

2

1

σσ

σ

σ+

10 06 , 16

4

−

− = 7,191 (N/m2)

*∆P t: Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (N/m2)

t P

. b r

b

h h g

m

Kmol

2

m

Kmol

2

- Số đơn vị chuyển khối

T y

m =

y

y G

f

K .

(II_173)Với tháp chóp thì:

f: diện tích làm việc của đĩa (m2) tính theo công thức:

Với A thuộc đờng cân bằng

C thuộc đờng làm việc

Ta có YC – YB = BC =

y C

AC

=

y

A C C

δ:chiều dày của đĩa (m) chọn δ = 2.10-3 (m)

Hđ : khoảng cách giữa các đĩa (m) =0,4 (m) theo trên

Thay vào ta có

H = 6.(0,4 + 2.10-3) + 0,9

H = 3,312 (m) Quy chuẩn H = 3,3 (m)

o

yωρ

2 = 4,212 (N/m2)VËy ∆P® = 7,191 + 667,4 + 4,212 = 678,803 (N/m2)

(m)

H(m)

∆P(N/m2)

Nhận xét:

-ở cùng một áp suất và nhiệt độ,khi lợng dung môi tăng lên thì trở lực tháp nhỏ,chiều cao giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế nhng nồng độ cuối của dung dịch thấp(dung dịch loãng)

-ở cùng một áp suất,1lợng dung môi khi tăng nhiệt độ thì trở lực và chiều cao tháp cũng giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế nhng nồng độ cuối của dung dịch cũng giảm(dung dịch loãng)

-ở cùng 1 nhiệt độ,1 lợng dung môi khi tăng áp suất tăng lên thì trở lực tháp giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế;đồng thời nồng độ cuối của dung dịch Xc cũng tăng lên do

đó tháp làm việc hiệu quả

III.Thiết kế thiết bị phụ

1 Bơm chất lỏng

Công thức yêu cầu trên trục bơm

N = 1000ρ .η

. g H Q

(kW) (I_532)Trong đó:

H0 : chiều cao năng suất chất lỏng (m)

hm : áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên ống hút và ống đẩy

• Tính hm :

ρ (N/m2) (I_459)

ρ:khối lợng riêng của H2O ở 300C :995,68 (kg/m3)

- Đờng kính tơng đơng trong ống chất lỏng:

= 1,749.10-3 (m3/s)Chọn vận tốc trung bình dung môi trong ống ω = 0,85 (m/s)

→ dtđ =

85 , 0 785 , 0 10 749 ,

,

3

05 , 0 785 , 0

10 749 ,

λ

td d

L

(N/m2) (I_459) Với + L: chiều dài toàn bộ hệ thống ống dẫn chọn L = 5 (m)

81 ,

6 0,9

(I_464)

Re : chuẩn số Rêynol xác định theo công thức

68 , 995 05 , 0 89

ξ

(I_464)Chọn ξ = 0,1.10-3 (m)

→ ∆ =

05 , 0

0,1.10-3

= 2.10-3 (m)Vậy λ

, 55315 81 ,

5 026 ,

ξ: hệ số trở lực cục bộ của toàn bộ đờng ống ξ = ∑ξi

- Chọn ống thép tráng kẽm(mới và tốt): ξ1= 0,5

- Chọn 2 van tiêu chuẩn : ξ2= 4,1

- Hệ số trở lực khuỷu: 2 khuỷu 450 tạo thành → ξ3= 0,38

→ ξ = ξ1+ ξ2+ ξ3 = 0,5 + 2.4,1 + 2.0,38 = 9.46

Vậy ∆PC =

2

68 , 995 89 , 0 46 , 9

*∆Pt: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong,coi∆Pt = 0

*∆Pk: áp suất bổ sung cuối ống dẫn coi ∆Pk = 0

Vậy ta đợc:

∆P = 394,34 + 1025,28 + 3730,44 + 97676,21 + 0 + 0

= 102826,27 (N/m2)

→ hm = ρ∆.P g = 995 , 68 9 , 81

102826,27

= 10,52 (m)

⇒H = H o h m

g

P P

+ +

−

1 2ρ

= 5 10 , 52

81 , 9 68 , 995

10 013 , 1 10 078 ,

+ +

+ ηck:hiệu suất cơ khí tính đến masat cơ khí ở ổ bi,ổ lót trục ηck = 0,95

(I_536)Vậy η = 0,9.0,85.0,95 = 0,72675

1.3 Năng suất của bơm

Q = V = 1,749.10-3(m3/s)Thay vào trên ta có:

Nđc =

72678 ,

0 1000

37 , 67 81 , 9 68 , 995 10 749

N

η

η

ηtr:hiệu suất truyền động lấy ηtr = 0,85

ηđc:hiệu suất động cơ điện lấy ηđc = 0,9

→ Nđc = 0,91,.580,85 = 2,07 (kW)

Thờng động cơ điện đợc chọn có công suất dự trữ với hệ số dự trữ công suất β= 1,5Vậy động cơ cần mắc cho bơm của hệ thống là:

V: lu lợng thể tích dung môi (m3/s)

Chọn ω= 0,2 (m/s) chất lỏng tự chảy (I_194)

→ d =

2 , 0 785 , 0 1,749.10-3 = 0,1055 (m)Quy chuẩn d = 0,1 (m)

Thay trở lại ta có ω = 0,785V.d2 = 23

1 , 0 785 , 0

10 749 ,

-Chọn chiều cao từ tâm mặt thoáng đến tâm mặt thắt dòng là 1m

-Đối với nớc(chất lỏng ít nhớt)thì hệ số lu lợng thay đổi không đáng kể với thời gian chảy cạn bình nên có thể coi hệ số lu lợng à = const

-Khi nớc qua lỗ tròn thì à = 0,596 (I_451)

-Lu lợng chất lỏng bổ sung Vo = const, à = const

→Thời gian chảy cạn bình trong 1 giờ xác định theo :

−

o

o o

H H

H H

H g f

F

2

1 2

1

ln

.

2

2