ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Họ và tên: Vũ Kỳ Anh Mssv: 20122878Lớp: Kỹ thuật môi trường K57

 Lượng dung môi tiêu tốn: Gx = 1,2Gxmin

 Tháp làm việc ở điều kiện t = 25oC, p = 1.5at

2 Nội dung thiết kế:

 Xác định chiều dày của thiết bị.

 Tính toán và lựa chọn kết cấu lắp đặt thiết bị

Giáo viên hướng dẫnHoàng Thị Thu Hương

1

MỤC LỤC

1 Cửa vào, cửa ra thiết bị2 Bơm chất lỏng

3 Máy nén khí

192025

I.MỞ ĐẦU: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THIẾT BỊ:

ễ nhiễm mụi trường đang là vấn đề mang tớnh toàn cầu và cấp bỏch Ở hầu hết cỏc quốc gia,chớnh phủ đó đầu tư rất nhiều, cả về vốn và cụng nghệ cho việc xử lý cỏc chất gõy ụ nhiễm mụitrường Cỏc quốc gia càng phỏt triển, khoa học cụng nghệ càng tiờn tiến thỡ ụ nhiễm mụitrường càng trở nờn nghiờm trọng.

Ở Việt Nam, tuy nền cụng nghiệp chưa phỏt triển mạnh mẽ, nhưng do nhiều nguyờn nhõn chủquan và khỏch quan, mụi trường nước ta ngày càng bị ụ nhiễm Việc chặt phỏ rừng cũng nhưhoạt động của cỏc nhà mỏy đó thải ra moi trường rất nhiều chất gõy ụ nhiễm Cũng như nhiềunước khỏc trờn thế giới hiện nay, vấn đề xử lý cỏc chất gõy ụ nhiễm ở nước ta đang gặp nhiềukhú khăn Nguyờn nhõn của ụ nhiễm mụi trường là do cỏc chất thải từ nhà mỏy, khu cụngnghiệp và cỏc hoạt động khỏc Một trong những chất khớ gõy ụ nhiễm mụi trường là HCl.

Khí HCl là một khớ axit cú nhiều trong cỏc nhà mỏy sản xuất húa chất như sản xuất chất tẩyrửa, bột giặt hay cỏc nhà mỏy gia cụng bề mặt kim loại HCl thường bốc khúi trắng

- HCl gõy hại cho thực vật, gõy tổn hại khi tiếp xỳc: hụ hấp, ăn uống, qua da cho độngvật.

Bản chất của quá trình hấp thụ: khí hoà tan vào trong lỏng sẽ tạo thànhhỗn hợp 2 cấu tử: (=2,k = 2,c = 2-2+2 = 2 thành phần và 2 pha Hệthống nh vậy theo định luật pha2) đợc gọi nh hỗn hợp lỏng có 2 thànhphần Cân bằng pha đợc xác định bởi P,T,C.Nếu T = const thì độ hoàtan 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.Hệ số cân bằng m = P;

 : hệ số Henrry, có thứ nguyên của P.3

P: áp suất  at

*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:

Trong điều kiện nhất định ,G là lợng không đổi và có thể coi hệ sốchuyển khối kY cũng không đổi Do đó, bề mặt tiếp xúc pha F chỉ đợcthay đổi tơng ứng với sự thay đổi  sao cho F.Ytb  là không đổi Ytb

Từ đồ thị suy ra khi Xđ,Yđ,Yccố định thì nồng độ cuối của dung môiđợc quyết định theo động lực trung bình  , tức là điểm cuối của đ-Ytb

ờng làm việc AB(điểm này chỉ đợc dịch chuyển từ A A4) Đờng làmviệc BA4 cắt đờng cân bằng, lúc này  là nhỏ nhất Đờng AB gần songYtb

song với trục tung, nên là lớn nhất.Ytb

Vì F  không đổi Ytb  ứng với BA4 có F lớn nhất, ứng với BA có F bénhất 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:A = tang =

; B = Yc -

trxGG

Suy ra ứng với BA4 có A4 =

bé nhất(lợng dung môi tối thiểu), còn ứng

với BA thì A =

là lớn nhất nên lợng dung môi còn là lớn nhất do Gtr

không đổi.

Do đó nếu chọn lợng dung môi ít nhất, ta thu đợc Xc lớn nhng thiết bịphải rất lớn(vô cùng cao) Trái lại, nếu chọn lợng dung môi lớn nhất, thìthiết bị bé nhng dung dịch thu đợc lại quá loãng vì Xc bé Do đó, khichọn 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 quátrình hấp thụ , mà chủ yếu ảnh hởng lên trạng thái cân bằng và độnglực quá trình.

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

p3p2p1t3 t2 t1

 Nếu đờng làm việc AB không đổi   giảm, do đó cờng độYtb

chuyển khối giảm theo.Nếu cứ tiếp tục tăng nhiệt độ,ví dụ đến ts thìkhông những  giảm mà ngay cả quá trình không thực hiện đợc(vìYtb

đờng cân bằng và đờng làm việc cắt nhau,nên không thể đạt đợc nồngđộ cuối Xc) Đó là ảnh hởng xấu của tăng nhiệt độ Tuy nhiên, khi T tăng

5

thì độ nhớt của dung môi giảm nên vận tốc khí tăng, cờng độ chuyểnkhối cũng tăng theo.

Trong trờng hợp tăng áp suất , ta thấy hệ số cân bằng m =

 giảm 

đờng cân bằng dịch chuyển về phía trục hoành   tăng lên ,quáYtb

trình chuyển khối tốt hơn.Nhng P tăng  T tăng  gây ảnh hởng xấuđến 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 khóhoà 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 HCl trong không khí bằng H2O với tháp chóp.

- Tháp đĩa chóp là tháp gồm nhiều đĩa, trên đĩa có nhiều chóp Trênđĩa có lắp ống chảy truyền để vận chuyển chất lỏng từ đĩa này sangđĩa khác Số ống chảy truyền phụ thuộc vào kích thớc của tháp và lu lợngchất lỏng, ống chảy truyền đợc bố chí theo nhiều cách Khí đi từ dới lênqua 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 , chữnhật hoặc tam giác để khí đi qua Hình dáng của rãnh trên chóp khôngảnh hởng mấy đến quá trình chuyển khối Chóp đợc lắp vào đĩa bằngnhiều cách.

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

*Thuyết minh dây chuyền:

- Hỗn hợp khí cần xử lí HCl và không khí đợc quạt khớ đa vào ở đáy tháp.- Nớc từ bể đợc bơm li tâm đa vào tháp với lu lợng thích hợp, qua mộtđồng hồ đo lu lợng nớc vào tháp, tới từ trên xuống dới theo chiều cao tháphấp thụ

- Khí HCl sau khi đợc xử lí đi lên nắp tháp và ra ngoài lỗ nắp.- Nớc hấp thụ HCl đi qua lỗ đáy đi ra ngoài một bể chứa.

II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ:

Gy: lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ (kmol / h)Gx: lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (kmol / h)Gtr: lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol / h)

: lượng dung môi / lượng dung môi tối thiểu.

1 Điều kiện làm việc của tháp:

T (0C) = 25 (0C) = 298 (0K)P = 1.5 (at) = 1104 (mmHg)

Nồng độ khí thải vào tháp (phần thể tích): yđ = 25*10-3 ( kmol/kmol )Hiệu suất hấp thụ: η = 96 (%)

Gtr = Gy * = 535,7* = 522.34 (kmol / h).

2 Thiết lập phương trình đường cân bằng:

Theo định luật Henry: ycb = m * x (II)

Tính theo nồng độ phần mol tương đối: Ycb = (II)

với m = hằng số cân bằng pha hay hệ số phân bố (II)

Tra bảng IX.1 (II.139) ta có: = 0.00215*106 (mmHg) ( II )

Y*= (kmol HCl / kmol khí trơ)

3 Thiết lập phương trình đường làm việc:

Phương trình cân bằng vật liệu cho 1 đoạn thiết bị:Gtr * (Y – Yc) = Gx * (X – Xđ)(II)

do Xđ = 0:

Y = * X + Yc - * Xđ = * X + Yc (phương trình đường làm việc)Lượng dung môi tiêu tốn tối thiểu cần thiết để hấp thụ khi giả thiết nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, tức là Xc = X*, như sau:

X* = = 0.01297(kmol / kmol dung môi)

Gxmin = 522.34 * = 990.67(kmol / h)Lượng dung môi thực tế: Gx = 1.2 * Gxmin

: Khối lượng riêng trung bình của pha khí ( Kg/m3)

a/ Lượng khí trung bình đi trong tháp:

Gytb = (Kmol / h) (II )

= => V=V0

Vtb = 22.4 * Gytb * ( m3/h )

: Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg / m3)h: khoảng cách giữa các đĩa (m), chọn theo đường kính thápvới D = >1.8 (m), chọn h = 0.5 (m)

[ ]: Hệ số tính đến sức căng bề mặt: Chọn [ ] = 1.

+ Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng( ):

Ta có: theo phương trình đường làm việc: Y=2.27 * X + 1.001*10-3

xc = = = 0.0107 (kmol / kmol)

xtb = = = 5.34*10-3 (kmol / kmol)

Mxtb = xtb * MHCl + (1 – xtb) * MH2O = 5.34*10-3*36.5 + (1 –5.34*10-3) * 18 = 18.1 (kg / kmol)

Phần khối lượng trung bình của cấu tử HCl:

Ở 25 (0C): = 997.08 (kg / m3) (I)11

Khi HCl bị hấp thụ H2O thể tích dung dịch thay đổi không đáng kể: 1m3 dung dịch sẽ có khối lượng là:

Fa = = 3.03 (m2) Diện tích ống chảy chuyền

Fch =

với: Gxtb: Lượng lỏng trung bình đi trong tháp (kmol/ h)

: Tốc độ lỏng trung bình đi trong tháp (m / s) chọn bằng (0.2 m/s): Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng ( Kg/m3)

Gxđ=1188 (kmol/h)

Gxc= ( 1+ Xc)*Gxđ = ( 1+ 0.0108)*1188 =1200.83 ( Kmol/h)

Gxtb = = 1194.42 ( Kmol/h ) Fch = = 29.8*10-3(m2)

Đường kính ống chảy chuyền: chọn 2 ống chảy chuyền: dch= = 0.14(m)

Diện tích mặt cắt ngang của tháp là : F = 3.03+ 29.8*10-3 = 3.06 ( m2)Đường kính tháp : 1.97 ( m )

= sin8

D = = 0.5 (m2)

Squạt = * dia360 S

Stràn = Squạt – SOAB = 0.785 – 0.5 = 0.285(m2)Diện tích phần đĩa chứa chóp:

Flv = F– 2 * Stràn = - 2*0.285 = 2.57 (m2)Thiết kế chóp: Chọn loại chóp tròn: (II.236)

+ Đường kính ống hơi: chọn dh = 100 (mm) = 0.1 (m)+ Số chóp phân bố trên đĩa:

n = = = 32 chọn số chóp là n= 32 (chóp)+ Đường kính chóp: dch =

13

g 

với  = yVdnhy

 = 2

+ Số lượng khe hở của mỗi chóp: i =

với: c: khoảng cách giữa các khe chọn: c = 4 (mm) = 4*10-3 (m)a: chiều rộng khe chóp chọn a = 5 (mm) = 5*10-3 (m)

với V: thể tích chất lỏng chảy qua (m3 / h)

V =

cc

l2 =35 (mm) = 0.035 (m)

tmin = 0.144 + 2 * 0.002 + 0.035= 0.183 (m)+ Đường kính tương đương của khe chóp:

dtđ = 24**(aa* = bb) = 0.0081(m)+ Chiều dày của đĩa:  = 0.005(m)

+ Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất.=t1 chọn c=0.004(m) l1=0.075(m)

(m) (II)

Tính hb:hc = 0.064(m)

thay số vào phương trình ta có: hb =

 =

= = 35.53(N / m2)với:  : Sức căng bề mặt của nước (N / m2)

dtd: đường kính tương đương của khe rãnh chóp (m)

 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thuỷ tĩnh): (II)

2(*

Nt: số đĩa thực tế

 Tính hệ số cấp khối:

hệ số cấp khối pha lỏng: = (IX.38-II.104)

với: : tốc độ khí tính cho toàn bộ tiết diện ngang của tháp: = 1.16(m/s): sức cản thuỷ lực của lớp chất lỏng trên đĩa:

= - = = 35.53+ 433.11 = 468.64 (N / m2) (II)

 Tính hệ số phân bố m: m = (II)với: X đã biết

Y = 2.27 * X +1.001*10-3(phương trình đường làm việc)Ycb = (phương trình đường cân bằng)

Xcb = (suy ra từ phương trình đường cân bằng)

Hệ số chuyển khối: Ky = (II)

 Số đơn vị chuyển khối của đĩa:

17

mY,298 = (II)

f = F – (fh * n + m * Str) (II)

f = -( *32 + 2 * 0.285) = 2.32 (m2) Cy =

 Vẽ đường cong phụ xác định số đĩa: (II)

Dựng A1C1, A2C2 … song song trục tung (Ai thuộc đường làm việc, Ci thuộc đường cân bằng), tìm điểm Bi với: BiCi =

Gọi Y’: tung độ điểm Bi (với X tương ứng) ta có:Y’ = Ycb + =

0.0108 0.02552 0.02128 1.9947 0.198327 3.09202 0.02282 0.012926 22.0216

Ta có số đĩa thực tế: Nt = 11 (đĩa)

H = 11* (0.5 + 5*10-3) + 1 = 6.555(m)Quy chuẩn H = 7 (m)

Trở lực toàn tháp:

 = 11 *2862.6 =31488.6 (N / m2)

III THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ:

1 Xác định kích thước các cửa vào ra của tháp

Với là tốc độ khí đi trong ống ( 8-15 (m/s) )

+ sử dụng trong phạm vi áp suất từ trung bình trở xuống và năng suất từ trung bình trởlên.

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG BƠM:

Công suất toàn phần của bơm: N = (kW) (I)

Trong đó: Q: Năng suất bơm (m3 / s)

: khối lượng riêng của chất lỏng: = 997.08 (kg / m3)g: gia tốc trọng trường (m / s2)

H: áp suất toàn phần của bơm (m): hiệu suất của bơm.

Chọn: Chiều cao hút: Hh = 0.5 (m)Chiều cao đẩy: Hđ = 7.5 (m)Chiều dài ống hút: Lh = 6 (m)Chiều dài ống đẩy: Lđ = 9 (m)

21 P1

Bể chứa nước

P2’Van

điều chỉnh

Van điều chỉnh

Tháp hấp thụ

8 m

0.5m

a/ Năng suất của bơm:

= (I)

Re: chuẩn số Reynold: Re = = = 102709 > 4,000 (chế độ chảy xoáy)

: độ nhám tương đối: = (I)

: độ nhám tuyệt đối: chọn = 0.06 0.1 (mm) (đối với ống mới không hàn) (I.381) chọn = 0.09 (mm) = 0.09 * 10-3 (m)

: hệ số trở lực cục bộ: = (bảng II.)Chọn: ống thép tráng kẽm: = 0,5

2 van tiêu chuẩn: = 4.92 khuỷu 450: = 0,41

Lưới đan kim loại ở đầu ống hút: = 1.58

= + 2 + 2 + = 0.5 + 2 * 4.9+ 2 * 0.41+ 1.58= 12.7 = = 6331.5 (N / m2)

+ : áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh:

23

Nđc= (I)

: hiệu suất truyền động cơ, chọn = 0.85: hiệu suất động cơ điện, chọn = 0.9 Nđc = = 2.3 (kW)

Thông thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán (lượng dự trữ dựa vào khả năng quá tải):

= * Nđc = 2 * 2.3 = 4.6(kW) (I): hệ số dự trữ công suất = 2 (I)

Vậy ta chọn bơm có công suất: 5 (kW).

P 2

Máy nén

ThápP ra(25oC,1.5 at)P vào

Thùng chứa khí25oC ,1at

2’

N = (kW) (I.446)

Trong đó: Q: năng suất của máy nén (kg / s)

L: công nén 1 (kg) khí từ áp suất p1 đến áp suất p2 theo quá trình nén đẳng nhiệt (J / kg)

L = Lđn = (J / kg) (I.465)với: Lđn: công nén đằng nhiệt (J / kg)

v1: thể tích riêng của khí trước khi nén (m3 / kg)

Đường kính ống dẫn khí: d = (m) (I.369)V: lưu lượng thể tích hỗn hợp khí trên đường ống (m3 / s)Vy =

T: nhiệt độ của khí ở điều kiện làm việc: T = 298 (0K)

p: áp suất của khí ở điều kiện làm việc: ph = 1 (atm) = 736 (mmHg)pđ = 1.5 (atm) = 1104 (mmHg)(Vy)h = = 3.64 (m3 / s)

(tại áp suất 1.5 (atm) nhận thấy giá trị độ nhớt thay đổi không đáng kể)

Reh = = = 448859 > 4,000 Chất lỏng ở chế độ chảy xoáy.

*> : độ nhám tuyệt đối

Chọn ống hút và ống đẩy làm bằng thép mới, theo bảng II.15 (I.381) ta có:Ống thép dẫn khí nén: = 0.8 (mm) = 8 * 10-4 (m)

Giá trị chuẩn số Reynold khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám: (I.379)

29

: áp suất để khắc phục trở lực trên đường ống đẩy: =

(Hms)đ =

với: Lđ: chiều dài ống đẩy, chọn Lđ = 10 (m)dh: đường kính ống đẩy, dđ = 0.35 (m)

: hệ số ma sát trên đường ống đẩy:

*> Ređ: chuẩn số Reynold xác định theo công thức:Ređ =

= 2.88 * 10-5 (N.s / m2) (coi không đổi trong suốt đường ống dẫn khí) Ređ = = = 320684.2 > 10,000

Trên ống đẩy có 1 khuỷu ghép 900 do 2 khuỷu 450 tạo thànhDo Ređ = 211,701 > 200,000 nên theo N029 (I.494) ta có ξ = 0.32

( Pcb)đ = = = 76.16 (N / m2)

(Hcb)đ = = = 6.5 (m) Hmđ = 80.2 + 6.5 = 86.7(m)

p2=pr + Hđ* * g + Hmđ*g* =147150 + + 16.7*9.81*1.19148174 (N / m2)

L = Lđn = = 97,281 * 0.84 * ln = 34384.8 (J / kg)

Năng suất máy nén: Q = = = 4.28 (kg / s)

Công suất của máy nén:N = = = 147 (kW)

b/ Công thực tế của máy nén có làm sạch khí:

: hiệu suất cơ khí của máy nén

Đối với máy nén ly tâm, = 0.96 0.98 chọn = 0.96 Nhd = = 220 (kW).

31

d/ Công suất của động cơ điện:

: hệ số dự trữ công suất, = 1.1 1.5 chọn = 1.2: hiệu suất truyền động, = 0.96 0.99 chọn = 0.96

: hiệu suất động cơ điện chọn = 0.95

Vậy chọn máy nén có công suất: 300 (kW).

IV TÍNH TOÁN CƠ KHÍ:1 Chọn vật liệu:

Với đặc tính là 1 khí có tính axit ăn mòn mạnh nên chọn vật liệu chống ăn mòn.Chọn thép X18H10T

Đặc tính kỹ thuật của thép X18H10T: (II)

- Có giới hạn bền khi kéo: = 540* 106 (N / m2)- Có giới hạn khi chảy: = 220 * 106 (N / m2)

- Khối lượng riêng: = 7900 (kg / m3)

2 Tính chiều dày thân tháp:

- Thân tháp hình trụ cao 4.5 (m), đường kính trong 0.8(m) được bố trí gồm nhiều đoạn ghép lại với nhau bằng bích nối.

Mỗi đoạn tháp được cuốn từ thép tấm và hàn hồ quang theo kiểu giáp nối 2 bên, có hệ số bền của mối hàn: = 0.95 (II)

- Chiều dày của thân tháp:

+ Dt: đường kính trong của tháp: Dt = 2 (m)