tính toán thiết kế tháp đệm

PHÂN 1: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP ĐỆMI... y tb :Phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp, kmol SO2/kmol hh... TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP: 1... Tính chiều cao của tháp.. -hđv: chiều cao của

PHÂN 1: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP ĐỆM

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU

* Chuyển nồng độ thể tích sang nồng độ phần mol tương đối:

• Yđ _ nồng độ ban đầu của cấu tử khí cần hấp thụ trong hỗn hợp khí, ( kmol/ kmol khí trơ )

Yđ =

d

d y

y



10 75 , 0 1

10 75 , 0





 = 7,5566.10-3 ( kmol SO2/kmol kk )

Y đ = 7,5566.10 -3 (kmol SO2/kmol kk)

• Y c _ nồng độ của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí,

( kmol/ kmol khí trơ )

Theo TCVN, nồng độ SO2 trong khói thải cho phép = 1500 mg/m3

yc =

4 , 22 1 64

10

= 22 , 4

64

10

= 0,525.10-3(kmol SO2/kmol h2 khí)

yc = 0,525.10 -3 (kmol SO2/kmol h2 khí)

Yc=

c

c y

y



3

10 525 , 0 1

10 525 , 0





 = 5,2527.10 -4 (kmol SO2/kmol kk)

Y c = 5,2527.10 -4 (kmol SO2/kmol kk)

1 Phương trình đường cân bằng:

Y = 1 (1mX m)X



 (kmol SO2/ kmol không khí) [II-140]

X = m Y Y m



 1 ) ( (*) (kmol SO2/ kmol H2O) Với m =

P



là hằng số cân bằng pha hay hệ số phân bố, đại lượng không

có thứ nguyên

 : hệ số Henry ( mmHg )

P : áp suất chung của hỗn hợp khí , P = 5 at

Tra bảng IX.1 có : [II-139]

SO2= 0,0364.106 (mm Hg )

=> m =

735 5

10 0364 ,

= 9,9047

* Phương trình đường cân bằng :

Y= 19,99047,9047X X

 ( kmol SO2/ kmol không khí)

X= 8,9047 9,9047



Y

Y

( kmol SO2/ kmol H2O)

2 Phương trình đường làm việc của tháp:

Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một

tiết diện bất kỳ tới phần trên của thiết bị:

Gtr(Y - Yc) = Gx(X - Xđ) II 140

Trong đó:

Xđ : nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi,

( kmol/kmol dung môi )

Yc: nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí,

( kmol/kmol khí trơ )

Gx : lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ, kmol

Gtr : lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ, kmol/h

Từ phương trình trên ta rút ra :

Y =

tr

x G

G

X + Yc -

tr

x G

G

Xđ

 Xđ = 0 ( kmol SO2/ kmol H2O)

 Yđ = 7,5566.10-3 (kmol SO2/ kmol không khí)

 Yc = 5,2527.10-4(kmol SO2/ kmol không khí)

 Tính Gtrơ

) ( )

(

) (

2 2

2

2

vao SO yd

tro yd

vao SO vao SO

yd tro vao SO

y G

G G

y G

G G G





















Gyđ (ở đktc)=

4 , 22

yd V

= 1000022,4 (kmol/h)

Gtrơ = .( 1 0 , 75 10 )

4 , 22

 = 443,07 (kmol/h)

G trơ = 443,07 (kmol/h)

 Tính lmin

lmin =

d c

c d X X

Y Y





max

- Yc = 5,2527.10-4 (kmol SO2/ kmol không khí)

- Yd = 7,5566.10-3 (kmol SO2/ kmol không khí)

- Xcmax

Vì lỏng và hơi trong tháp đi ngược chiều nhau nên nồng độ cấu

tử bị hấp thụ của pha lỏng sẽ đạt giá tri cực đại tại đầu ra của pha lỏng, với giả thiết nồng độ tại đầu ra này đạt đến độ cân bằng :

Xcmax = Xđcb =

9047 , 9 10 5566 , 7 9047 , 8

10 5566 , 7 5026

, 5 5026 ,

3







d

d Y Y

= 7,5778.10-4 ( kmol SO2/ kmol H2O )

lmin =

)

(cb

c

c d X

Y

Y 

4 3

10 5778 , 7

10 2527 , 5 10 5566 , 7









= 9,2788

l min = 9,2788

 Tính l _lượng dung môi tiêu tốn riêng:

l =

tr

x G

G

=

d c

c d X X

Y Y





=

c

c d X

Y

Y 

(1) (do Xđ= 0) [II-141]

Thông thường ta lấy l =  lmin ,= 1,31,5

Ta chọn  = 1,3

=> l = 1,39,2788 = 12,06 (kmol H2O/kmol không khí)

l = 12,06 (kmol H2O/kmol không khí)

 Tính Gx _ lượng dung môi tiêu tốn thực tế:

Gx = l.Gtrơ = 12,06 x 443,07 = 5343,42 ( kmol H2O/h )

G x = 5343,42 ( kmol H2O/ h)

* Phương trình đường làm việc:

Gtr(Y - Yc) = L(X - Xđ)  Y = c

tro

Y X G

L

 = l.X + Yc

Y = 12,06.X + 5,2527.10 -4

Do thường không đạt được nồng độ pha lỏng cuối tháp được lý

tưởng như vậy, nên thực tế nồng độ pha lỏng cuối tháp là :

( Xc, Yđ )  phương trình đường làm việc

=> Xc =

06 , 12

10 2527 ,



d Y

=

06 , 12

10 2527 , 5 10 5566 ,



= 5,8302.10-4 ( kmol/kmol )

II TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ VẬT LÝ :

1 Tính khối lượng riêng :

a.xtb, M x :

* Tính xtb :

Áp dụng công thức :

O H

SO SO

SO xtb

a a

2 2

2

1











 I 5 Trong đó:

xtb

 : khối lượng riêng của hỗn hợp lỏng , kg/m3

2

_

SO

a : phần khối lượng trung bình của SO2 trong hỗn hợp

2

SO

 ,H2O: khối lượng riêng của SO2, H2O ở 30oC, kg/m3

 Tra bảng (I.2) sổ tay 1, ở 30oC:

H2O = 995,68 (Kg/m3)

SO2(lỏng) ta xác định nhờ phương pháp nội suy tuyến tính

Ta tra bảng I-2 có : ở 200C SO2(lỏng)= 1383 (kg/m3 )

ở 400C SO2(lỏng)= 1327 (kg/m3 )

=> SO2(lỏng)=  

2

1383 1327

1355 (Kg/m3) •Tính x tb _ phần nồng độ trung bình của SO2 trong pha lỏng:

x tb=

2

c

x 

(kmol SO2/ kmol H2O) _ xđ = 0 (kmol SO2/ kmol H2O)

_ Tính Xc :

( Xc, Yđ )  phương trình đường làm việc, phương trình đường làm việc là :

Y = 7,767X + 5,253.10-4

Yđ = 7,767Xc + 5,253.10-4

=> Xc =

06 , 12

10 2527 ,



d Y

=

06 , 12

10 2527 , 5 10 5566 ,



= 5,8302.10-4 ( kmol SO2/ kmol H2O)

4

4

10 8264 , 5 1 10 8302 , 5

10 8302 , 5 1















c

c X

X

(kmol

SO2/kmolh2lỏng)

4 2 , 9142 10 4

2

10 8264 , 5









 x tb (kmol SO2/ kmol h2 lỏng)

* Tính M x :

M x = x  tb M SO2 + (1-x tb) M H O

2

M x = 2 , 9142 10  4  64 + (1-2 , 9142 10  4) 18

M x= 18,0134 (kg/kmol)

• Tính a SO2:

a SO2 =

) 1 ( 18 64

64

tb tb

tb x x

x











= 64 2,914264 182,9142(1 2,9142)











= 1,035.10-3 (kg SO2/kg h2 lỏng )

 Tính xtb:

xtb =

O H

SO SO

a

2 2

2

1







995,68

1,035x10 1

1355 1,035x10

1

3 -3

- 



xtb

 = 995,95 ( kg/m3 )

b Tính ytb,M y:

Sử dụng công thức:

M y y tb M SO  ( 1  y tb) M kk

2

Trong đó:

M y: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí

M SO2 ,M kk: KLPT của khí SO2 và của không khí

y tb :Phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp, kmol SO2/kmol hh

3 3 4 , 013 10 3

2

10 525 , 0 10 75 , 0 2















tb

y y

1 4 , 013 10  29 29 , 14 64

10 013 ,



y

 Tính ytb

Do

T R

M P V

m T R V

m j

j j















0

0

4 ,

P T

T M T

R

M







Trong đó:

ytb: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp, kg/m3

M y : Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí

T0: Nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn, T0 = 273K

T: Nhiệt độ làm việc của tháp , T = 303K

P0: áp suất ở diều kiện tiêu chuẩn, P0 = 1 atm = 760 mmHg

P: áp suất làm việc của tháp, P = 5 at = 5735 = 3675 mmHg

760

735 5 303

273 4 , 22

14 , 29











ytb

ytb= 5,6678 (kg/m 3 )

2 Tính x, y:

a Tính x

áp dụng công thức:

O H tb

SO tb

2

lg

lg         I 93 Trong đó:

O

H

SO ,  2

 :độ nhớt của SO2 và H2O ở 300C, Ns/m2

x tb: Phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp lỏng

( 30 ) 0 , 8007 10 3

2





C O

 (Ns/m2) I 94 ( 30 0 ) 0 , 279 10 3

2





C l SO

 (Ns/m2) I 91

2 , 9142 10  4



tb

x

 lg 2 , 9142 10  4 lg( 0 , 279 10  3 ) ( 1 2 , 9142 10  4 ) lg( 0 , 8007 10  3 )







x



 x = 8,0075.10 -4 (Ns/m2)

b Tính y

áp dụng công thức

kk

kk tb SO

SO tb y

M















2

2

I  94 Trong đó:

kk

SO

2 : Độ nhớt của pha khí, của SO2 và của không khí ở 300C , Ns/m2

kk NH

M , 3, : Khối lượng phân tử của pha khí, SO2 và của không khí

ở 30o C, P = 5 at , ta tra hình I-35, có:

128 , 9 10 7 ( / 2 )

SO





 I 117

kk 182 10  7 (N.s/m2 )



 [I-117]



kk

kk tb NH

SO tb

y y

M y M

y

M















3

3 3

=

7

3 3

10 182

29 ) 10 013 , 4 1 ( 107

9 , 128

64 10

013 , 4

14 , 29















 y = 112,1.10 -7 (Ns/m2)

III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP:

1 Tính đường kính tháp đệm

Sử dụng công thức

ytb tb V D

 3600

4



Trong đó:

Vytb : Lượng thể tích hơi (khí) trung bình đi trong tháp, m3/h

Vytb = 2295,024 ( m3/h ) ytb : Tốc độ hơi ( khí) trung bình đi trong tháp , m/s2

a) Tính lưu lượng thể tích khí trung bình đi trong tháp :

Vytb =

2

yc

V 

( m3/h )

• Vyđ _ lưu lượng thể tích khí trung bình khi vào tháp, ( m3/h ) :

Vyđ = .273303

735 5

760 10000

.

0

0

T

T P

P

• Vyc _ lưu lượng khí trung bình đi ra khỏi tháp ,( m3/h ) :

Yc =

tro

tro c tro

c SO

V

V V V



=> Vc = (Yc+1).Vtr

= ( 5,2527.10-4+1) 2293,561

= 2294,765 ( m3/h )

 Vytb = 2295 , 024

2

765 , 2294 283

, 2295





( m3/h )

 Vytb = 2295,024 ( m 3 /h )

* Tính lưu lượng khối lượng khí trung bình đi trong tháp :

Gy = Vytb.y = 2295,024.5,6678 ( kg/h )

Gy = 13007,73 ( kg/h )

* Tính lưu lượng khối lượng lỏng trung bình đi trong tháp :

Gx =

2

xc

G 

( kg/h )

• Gxd = 5343,42 ( kmol/h )

• Gxc = Gx.( 1 + Xc ) = 5343,42 ( 1 + 5,8302.10-4 )

= 5346,53 ( kmol/h )

=> Gx =

2

53 , 5346 42

,

= 5344,97 ( kmol/h )

=> Gx = M x 5344,97 = 18,013.5344,97

= 96278,94 ( kg/h )

b Tính vận tốc của khí đi trong tháp :

Do đặc thù của tháp đệm làm việc ổn định và đạt hiệu quả cao nhất ở vận tốc đảo pha nên ta áp dụng công thức sau để tính vận tốc hơi ( khí ) đi trong tháp :

lg

8 / 1 4

/ 1 16

, 0 3

2

.

75 , 1

.

.































































xtb

ytb y

x n

x xtb d

ytb d s

G

G A

V















Trong đó :

 s : tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương hay còn gọi là tốc độ đảo pha, m/s

 Vđ: Thể tích tự do của đệm

 úđ: Bề mặt riêng của đệm

Ta thiết kế thiết bị hấp thụ loại đệm, với đặc tính của đệm: Đệm vòng Rasig đổ lộn xộn, kích thước đệm: 30x30x3,5

Với các chỉ tiêu như trên, tra bảng thông số kĩ thuật (IX.8- Sổ tay II)

ta được:

Vđ = 0,76 ( m3/m3 )

d= 165 ( m2/m3 )

 A : hệ số giá trị

Với tháp hấp thụ A = 0,022

 g : gia tốc trọng trường, g = 9,81 ( m/s2 )

 Gx , Gy : lượng lỏng và lượng hơi trung bình ( kg/h )

Gx = 96278,94 ( kg/h )

Gy = 13007,73 ( kg/h )

 x, n :độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC, Ns/m2

x = 8,0075.10-4 ( Ns/m2 )

n(200C) = 1,005.10-3 (Ns/m2)

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

x = 995,95 ( kg/m3 )

y = 5,6678 ( kg/m3 )

lg

8 / 1 4

/ 1 16

, 0 3

4 3

2

95 , 995

6678 , 5 73 , 13007

94 , 96278

75 , 1 022 , 0 10

005 , 1

10 0075 , 8 95 , 995 76 , 0

.

81

,

9

6678 , 5 165

























































s



 lg( 2

s

 0,2106 ) = - 1,4907

s

 = 0,1534

 s = 0,392 ( m/s ) Tốc độ thích hợp tính theo phương pháp này thường bằng khoảng : s = ( 0,8- 0,9 )s

Ta chọn tốc độ : s = 0,9.s = 0,352 ( m/s )

 Đường kính của tháp :

352 , 0 14 , 3 3600

024 , 2295 4



Để thuận tiện cho việc thiết kế phần cơ khí, ta qui chuẩn lấy đường kính của tháp là:

D = 1,5 ( m ) = 1500 ( mm )

=> Lúc này vận tốc khí trung bình đi trong tháp là :

14 , 3 3600 5 , 1

024 , 2295 4

3600

4

2





D

V tb ytb

Vậy:

D = 1,5 ( m )

y= 0,36 ( m/s )

2 Tính chiều cao của tháp.

 Áp dụng công thức:

175 ]

Trong đó:

-my: số đơn vị chuyển khối

-hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối (m)

a Tính toán số đơn vị chuyển khối.

 

2

1

Y

y

Y Y

dY

m (*) [ II –

175 ]

Y - thành phần làm việc của hơi, phần đơn vị

Ycb- thành phần mol cân bằng của hơi, phần đơn vị

Ta xác định số đơn vị chuyển khối theo phương pháp thể tích phân

đồ thị Việc tính tích phân (*) có thể thực hiện được bằng cách dụng đồ thị

*

1

Y Y trong hệ toạ độ (1/Y-Y*) - Y Giá trị của tích phân bằng diện tích

hình thang cong giới hạn bởi đồ thị

cb

1

Y Y và đường Y2 = 75,566 10-4 và

Y1 = 5,2527 10-4.

* Phương trình đường nồng độ cân bằng:

Y X X

9047 , 8 1

9047 , 9





* Phương trình đường nồng độ làm việc:

Y = 12,06X + 5,2527 10-4

Lập bảng giá trị

X(10-4) Y (10-4) Ycb(10-4)

cb

1

Y Y (104)

- Số ô vuông: n = 10216

- Diện tích 1 ô vuông: S = 6,25.10-4

- my = n S = 10216.6,25.10-4 = 6,385

b Tính toán chiều cao của một đơn vị chuyển khối

 Ta áp dụng công thức :

1 h2

G

G m h h

x

y

177 ]

Trong đó:

h1, h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha hơi, pha lỏng (m)

Gy, Gx: lưu lượng pha hơi, pha lỏng ( kg/h )

m : tg góc nghiêng của đường cong cân bằng

h1 = 0,615 dtđ Rey0,345 Pry2/3

dtd: Đường kính tương đương của đệm (m)

Rey: chuẩn số Renold cho pha hơi.

Pry : chuẩn số Pran cho pha hơi

•







d td

V

165

76 , 0 4

= 0,018 (m )

•

y d

y y

W



 .

4

Re 

d: bề mặt riêng của đệm , d= 165 (m2/m3)

y: độ nhớt hỗn hợp pha khí , y= 112,1.10-7 (Ns/m2)

3600

4

4

t

y t

y y

y

D

G D

G F

G W









Gy : lưu lượng khí trong tháp ( kg/h )

F : tiết diện trong của tháp (m2)

Dt: điều kiện trong của tháp (m)

5 , 1 14 , 3 3600

73 , 13007 4

3600

4

2





t

y y

D

G

=> Rey  7 

10 1 , 112 165

406 , 2 4

4424,02

•

y y

y y

D

.

Pr





 [ II –

178 ]

y: độ nhớt hỗn hợp khí (Ns2

m )

y: khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg/m3)

Dy : hệ số khuyếch tán trong pha khí ( m2/s )

•

























2 2

2 2

2 2

1 1

.

10 3 , 4

2 3 / 1 3 / 1

5 , 1 7 /

k SO

k SO

K SO y

M M

u u

P

T D

127 ]

u SO2, u k2: thể tích mol của SO2, không khí (cm3/mol)

T: nhiệt độ (K), T = 303K

P: áp suất (at), P = 5at

MSO2, MK2: khối lượng mol của SO2, không khí ( kg/kmol )

uSO2 = 44,8cm3/mol

uK2 = 29,9 cm3/mol

=>



















29

1 64

1 9

, 29 8

, 44 5

303 10 3 , 4

2 3 / 1 3

/ 1

5 , 1 7

y

= 0,191 10-5 (m2/s)

7

10 191 , 0 6678 , 5

10 1 , 112





1

4.0,75

195

= 0,321 (m)

* Tính h 2 :

0 , 25 0 , 5

3 / 1 2

2

.

x

x g



















x

 : Độ nhớt của pha lỏng ,x = 8,0075 ( Ns/m2 )

x

 : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, x = 995,95 ( kg/m3 ) g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 ( m/s2 )

•

x d

x y

W



4

Re 

x = 165 (m2/m3)

x

 = 8,0075 (Ns/m2)

Wx:

3600

4

D

G F

G

x





D: đường kính trong của tháp (m)

F: tiết diện tháp (m2)

Gx: lưu lượng lỏng , Gx = 96278,94 ( kg/s )

=> Wx = 3600 3 , 14 1 , 5 2

94 , 96278 4

= 15,14 ( kg/m2s )

=> 165 8 , 0075 10 4

14 , 15 4

•

x d

x x D

.

Pr







x: độ nhớt pha lỏng ( Ns/m2 )

x:khối lượng riêng pha lỏng ( kg/m3 )

Dx: hệ số khuyếch tán trong pha lỏng ( m2/s )

•

 1/3 1/3 2

6 20

2 2

2

2 2

.

.

1 1

10

O H SO

O H

O H SO

x

u u

B A

M M

D











[ II –

133 ]

Dx20 : hệ số khuyếch tán của dung dịch lỏng ở 20oC ( m/s2 )

MSO2, MH2O: khối lượng mol của SO2, H2O ( kg/kmol )

MSO2 = 64 ( kg/kmol ), MH2O = 18 ( kg/kmol ).

A, B: hệ số liên hợp

A = 1, B = 4,7

O

H2

 : độ nhớt của nước ở 200C , H2O = 1 (cp)

uSO2, uH2O: thể tích mol của SO2, H2O ( cm3/mol )

uSO2 = 44,8 (cm3/mol ), uH2O = 18,9 ( cm3/mol )

=>

 1/3 1/32

6 20

9 , 18 8

, 44 1 7 , 4

18

1 64

1 10









x

• D x30 D x201 b.t 20  ( m2/s )

0,32.







b

: độ nhớt của nước ở 200C ,  = 1 (cp)

: khối lượng riêng của nước ở 200C

Ta tra bảng I-5 có  = 998,23( kg/m3 ) [ I – 11 ]

=> 3

23 , 998

1 2 , 0



=> 30 1 , 469 10 9 1 0 , 02 30 20 





x

= 1,7628.10-9 ( m2/s )