Đồ án thiết xử lý SO2 bằng nước tháp hấp thụ

Đây là đồ án thiết kế của kỹ sư năm 3 theo chương trình kỹ sư của Viện Khoa Học Và Công Nghệ Môi Trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Bản đầy đủ. các bạn có thể liên hệ mình để lấy bản mô phỏng để chạy số liệu ra kết quả nhằm hỗ trợ cho việc tính toán dễ dàng hơn qua địa chỉ email: thuydunglim28gmail.com hoặc faccebook: https:www.facebook.commission28

I II III IV V VI VII Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2 Các số liệu ban đầu: Hỗn hợp khí cần tách: SO2 khơng khí Dung mơi: nước Lưu lượng khí vào tháp: 15000 m3/h Nồng độ SO2: yđ = 0,09( mol/mol) Hiệu suất yêu cầu: 70% Nhiệt độ áp suất lượng dung môi: mô theo số điều kiện Loại thiêt bị: Tháp đệm Các phần thuyết minh tính tốn: Mở đầu Tính tốn thiết kế tháp hấp thụ (đường kính, chiều cao, trở lực) Tính tốn thiết bị phụ - Tính bơm - Tính máy nén khí Tính tốn khí Kết luận Các vẽ: Bản vẽ sơ đồ dây chuyền khổ A3 A4 Bản vẽ tháp hấp thụ khổ A1 Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Lan Phương Ngày giao nhiệm vụ: Ngày tháng năm 2010 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày tháng năm 2020 Chủ nhiệm khoa (Họ tên chữ kí) Đánh giá kết - Điểm thiết kế - Điểm bảo vệ - Điểm tổng hợp Giáo viên hướng dẫn (Họ tên chữ kí) Ngày tháng năm 2020 Cán bảo vệ (Họ tên chữ kí) PHẦN MỞ ĐẦU Vấn đề xử lý chất nhiễm khơng khí nhận quan tâm toàn nhân loại nói chung Việt Nam nói riêng Với mục đích việc thực đồ án mơn học thực cần thiết, trình làm đồ án em hiểu phương pháp, cách tính tốn, lựa chọn thiết bị có khả ứng dụng vào thực tiễn để xử lý chất thải gây nhiễm Sau 15 tuần tìm hiểu, tính tốn nhận hướng dẫn nhiệt tình thầy cô Viện, hạn chế tài liệu kinh nghiệm tính tốn, nên khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận ý kiến thầy để đồ án sau có kết tốt Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Sinh viên thực Trần Văn Quốc An PHẦN NỘI DUNG PHẦN 1: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HẤP THỤ I Giới thiệu chung Sơ lược khí SO2 Trong số chất gây nhiễm khơng khí SO2 chất gây ô nhiễm điển hình Sulfuro sản phẩm chủ yếu trình đốt cháy nguyên, nhiên liệu có chứa S Các nhà máy điện thường nguồn phát sinh nhiều SO2 khí thải, ngồi cịn phải kể đến q trình tinh chế dầu mỏ, luyện kim, tinh luyện quặng đồng, sản xuất ximang giao thông vận tải nơi phát sinh nhiều khí SO2 Khí SO2 chất khí khơng màu, có mùi hăng cay nồng độ khí ppm Khí SO2 khí tương đối nặng nên thường gần mặt đất ngang tầm sinh hoạt người, cịn có khả hịa tan nước nên dễ gây phản ứng với quan hô hấp người động vật Khi hàm lượng thấp, SO2 làm sưng niêm mạc, nồng độ cao> 0,5 mg/m3, SO2 gây tức thở, ho, viêm loét đường hô hấp SO2 làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc trồng Mưa axit có nguồn gốc từ khí SO2 làm thay đổi pH đất, nước, hủy hoại cơng trình kiến trúc, ăn mịn kim loại Ngồi nhiễm SO2 cịn liên quan đến tượng mù quang hóa Chính tác động tiêu cực mà việc giảm tải lượng nồng độ phát thải SO2 vào môi trường vấn đề quan tâm Phương pháp xử lý SO2 Khí SO2 thường xử lý phương pháp hấp thụ, tác nhân sử dụng để hấp thụ thường sữa vôi, sữa vôi kết hợp với MgSO4 dung dịch kiềm Trong phạm vi đồ án này, với nhiệm vụ giao hấp thụ khí SO2 nước Đây phương pháp hấp thụ vật lý nên hiệu suất hấp thụ khơng cao Do ta phải chọn điều kiện làm việc tháp hấp thụ nhiệt độ thấp áp suất cao để nâng cao hiệu suất hấp thụ Tháp đệm Tháp đệm sử dụng rộng rãi cơng nghiệp hóa chất đặc điểm dễ thiết kế, gia cơng, chế tạo vận hành đơn giản Tháp đệm sử dụng trình hấp thụ, chưng luyện, hấp phụ số q trình khác Tháp có dạng hình trụ, có chứa đệm, tùy vào mục đích thiết kế mà đệm xếp hay đổ lộn xộn Thông thường lớp đệm thường xếp, khoảng từ lớp trở đi, đệm đổ lộn xộn Tháp đệm có ưu điểm sau: - Cấu tạo đơn giản - Bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao - Trở lực tháp không lớn - Giới hạn làm việc tương đối rộng Tuy nhiên, tháp có nhược điểm khó thấm ướt đệm làm giảm khả hấp thụ II.Thiết kế đồ án môn học Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí thải áp dụng cơng nghiệp Các số liệu ban đầu - Hỗn hợp khí cần tách: SO2 khơng khí - Dung mơi: nước - Lưu lượng khí vào tháp: 15000 m3/h - Nồng độ SO2: yđ = 0,09( mol/mol) - Hiệu suất yêu cầu: η = 70% - Nhiệt độ áp suất lượng dung môi: mô theo số điều kiện - Loại thiêt bị: Tháp đệm Phương pháp hấp thụ xử lý SO2 Sơ đồ hệ thống Bể chứa dung môi Bơm chất lỏng Tháp hấp thụ Máy nén khí Van an tồn Thuyết minh dây chuyền - Hỗn hợp khí cần xử lý chứa SO2 khơng khí máy nén khí đưa vào từ phía đáy tháp Nước từ bể chứa bơm li tâm đưa vào tháp hấp thụ, đường ống có van điều chỉnh lưu lượng đồng hồ đo lưu lượng Nước bơm vào tháp với lưu lượng thích hợp, tưới từ xuống theo chiều cao tháp hấp thụ - Hỗn hợp khí sau qua lớp đệm xảy trình hấp thụ lên đỉnh tháp ngồi theo đường ống khí Khí sau khỏi tháp có nồng độ khí SO2 giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ tháp hấp thụ - Nước sau hấp thụ SO2 xuống đáy tháp theo đường ống thoát chất lỏng Nước sau hấp thụ nồng độ SO2 cao xử lý tái sử dụng Gọi: Gy: lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp (kmol/h) Gx: lưu lượng nước vào tháp (kmol/h) Gtrơ: lưu lượng khí trơ (kmol/h) Yđ: nồng độ phần mol tương đối SO2 khí vào tháp (kmol SO2/kmol kk) Yc: nồng độ phần mol tương đối SO2 khí khỏi tháp (kmol SO2/kmol kk) Xđ: nồng độ phần mol tương đối SO2 nước vào tháp (kmol SO2/kmol dm) Xc: nồng độ phần mol tương đối SO2 nước khỏi tháp (kmol SO2/kmol dm) Theo đề bài: yđ=0,09 (mol/mol)  Yđ = = = 0,0989 (kmol SO2/kmol kk) Biết hiệu suất hấp thụ là: η=70% Do Yc=Yđ.(1-η)=0,0989.(1-0.7)=0,02967 (kmol SO2/kmol kk) yc == = 0,0288 (kmol/kmol) ytb = = = 0,0594 Dung môi ban đầu nước  Xđ = Giả sử điểu kiện làm việc tháp là: T = 25oC  T=298K P = 3atm = 2280mmHg P = 3atm = 3,0978at Ta coi hỗn hợp khí lý tưởng Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có: Gy = n = = = 613,848 (kmol/h)(áp suất thường)  Gtrơ = = = 558,602 (kmol/h) Thiết lập phương trình đường cân bằng: Theo định luật Henry ta có: ycb = mx  Ycb = (II-140) Ta có m = Ở 25oC với khí SO2 ψ = 0,031.106 mmHG (II-139)  m = = 13,6  Ycb = Thiết lập phương trình đường làm việc: Phương trình cân vật liệu cho thiết bị: Gtrơ.Y + Gx.Xđ = Gtrơ Yc + Gx.X → Gtrơ.(Y - Yc) = Gx.(X - Xđ) Do Xđ = nên pt trở thành: Gtrơ.(Y - Yc) = Gx.X  Phương trình dường cân vật liệu: Y = X + Yc (IX.7-II-140) Giả thiết Xc= Xcbc lượng dung mơi tối thiểu cần để hấp thụ là: Gxmin = Gtrơ (IX.11-II-141) Từ phương trình đường cân Ycb =  Xcb = Yđ = 0,0989 (kmol SO2/kmol kk)  Xcbc = = 6,662.10-3 (kmol SO2/kmol nước)  Gxmin = 558,602× = 5804,87 (kmol/h) Lượng dung môi cần thiết để hấp thụ: Gx = β.Gxmin Thơng thường β = 1,2 ÷ 1,5 Chọn β = 1,2  Gx = 1,2 5804,87 = 6965,84 (kmol/h)  = = 12,47  Y = 12,47.X + 0,02967  Khi Yđ = 0,0989 Xc = = = 5,552.10-3 (kmol SO2/kmol nước)  xc = = 5,521.10-3 (kmol/kmol)  Xtb = = = 2,7605.10-3 (kmol/kmol) X Y Ycb 0,02967 0,0007 0,03840 0,00960 0,0015 0,04838 0,02079 0,00276 0,06409 0,03889 0,0035 0,07332 0,04980 0,0045 0,08579 0,06488 0,005521 0,09852 0,08070 0,006662 0,09891 Vẽ đồ thị đường làm việc: Đồ thị đường cân bằng, đường làm việc 0.12 0.1 Y 0.08 f(x) = 14.81x - R² = Đường làm việc Linear (Đường làm việc) Đường cân Linear (Đường cân bằng) 0.06 0.04 0.02 0 f(x) = R² = 0 0 0.01 0.01 0.01 X II,1 Tính đường kính tháp: Tính khối lượng riêng:  Đối với pha lỏng: Áp dụng cơng thức: = + (I.2 - I-5) Trong đó: - : Khối lượng riêng trung bình hỗn hợp lỏng, kg/m3 - : Phần khối lượng SO2 pha lỏng - : Khối lượng riêng SO2 H2O 25oC, kg/m3 - Tra bảng I.5 25oC có: ρH2O = 997,08 (kg/m3) - Tra bảng I.2 25oC có: ρSO2 (20oC) = 1383 (kg/m3) ρSO2 (40oC) = 1327 (kg/m3) Dùng phương pháp nội suy => SO2 (25oC) = 1369 (kg/m3) - Tính : Áp dụng cơng thức: = Trong đó: - : Phần khối lượng trung bình SO2 hỗn hợp - : Nồng độ phần mol trung bình SO2 pha lỏng (kmol SO2/kmol H2O) = 2,7605.10-3 (kmol SO2/kmol H2O)  = = 9,746.10-3 - Tính khối lượng phân tử hỗn hợp lỏng Mx: Mx = xtb.+ (1–xtb) = = 18,4 Làm tròn Mx = 18  Đối với pha khí: - Tính My Áp dụng công thức: My = ytb.+ (1 - ytb).Mkk Trong đó: My: Phân tử lượng trung bình hỗn hợp khí (kg/kmol) , Mkk : Khối lượng phân tử SO2 khơng khí (kg/kmol) ytb: Phần mol trung bình SO2 hỗn hợp (kmol SO2/kmol hỗn hợp khí)  My = 0,0594.64 + (1 – 0,0594).29 = 31,079 (kg/kmol) - Tính ρytb = (kết hợp I.3 I.4 I-5) = = 3,813 (kg/m3) - Tính ρxtb: = +  ρxtb = = = 999,727 (kg/m3) Lượng khí trung bình tháp: Vytb = (m3/h) (II-183) Với: Vđ: Lưu lượng hỗn hợp đầu điều kiện làm việc (m3/h) Vc: Lưu lượng khí thải khỏi tháp (m3/h): Vc = Vtr (1 +) Vđ = = = 5003,35 (m3/h) Với : Khối lượng mol phân tử trung bình hỗn hợp khí (kg/kmol) : Khối lượng riêng trung bình pha khí (kg/m3) Tương tự: Vtr = = = 4553,05 (m3/h)  (m3/h)  Vytb = 4845,745 (m3/h) Độ nhớt µx, µy: Đối với pha lỏng: Áp dụng cơng thức: lgµx = xtb lg+ (1 - xtb) lg (I.12 - I-84) Trong đó: : độ nhớt SO2 H2O 25oC, Ns/m2 Tra bảng I-101-(91) sổ tay I: (20oC) = 0,304.10-3 Ns/m2 (30oC) = 0,279.10-3 Ns/m2  (25oC) = 0,2915.10-3 Ns/m2 Tương tự tra bảng I-102-(94) sổ tay I: (25oC) = 0,8937.10-3 Ns/m2 xtb: Nồng độ phần mol trung bình SO2 pha lỏng (kmol SO2/kmol H2O) xtb = 1,84.10-3 (kmol SO2/kmol H2O)  lgµx = 2,7605.10-3lg(0,2915.10-3)+(1-2,7605.10-3)lg(0,8937.10-3) = -3,0502  µx = 8,909.10-4 Ns/m2 Đối với pha khí: Áp dụng cơng thức: = + (I.18 - I-85) Trong , , : độ nhớt trung bình pha khí, SO2 khơng khí điều kiện làm việc 25oC, Ns/m2 , , : khối lượng phân tử pha khí, SO2 khơng khí điều kiện làm việc 25oC P = 3atm Tra đồ thị I-35.117 ta có : (25oC)=0,0125.10-3, Ns/m2 (25oC)=0,018.10-3, Ns/m2  = = = 1,708.10-5 (Ns/m2) Tính vận tốc đảo pha: Áp dụng công thức: Y = 1,2.e-4X (II-187) Với Y = X= : tốc độ đảo pha, m/s Vđ: thể tích tự đệm, m3/m3 : bề mặt riêng đệm, m2/m3 Tháp hấp thụ SO2 mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasiga đổ lộn xộn: đệm sứ kích thước 25×25×3.0 (Bảng IX.8-(193)) 3 Vđ = 0,75 m /m = 195 m2/m3 g: gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2 Gx, Gy lượng lỏng lượng trung bình (kg/s) Gx = =  Gx = = 6987,09 (kmol/h)  Gx = 16780,39×18 = 125767,62 (kg/h)  Gx = = 34,93 (kg/s) Gy = = =  Gy = 592,599 (kmol/h)  Gy = 592,599×31,079 = 18417,4 (kg/h)  Gy = = 5,116 (kg/s)  X = = = 0,806 Từ phương trình Y ta có: ωs = = = 0,52 m/s Thơng thường: ωtb = (0,8÷0,9).ωs Chọn ωtb = 0,85.ωs  ωtb = 0,9×0,52 = 0,442 m/s Tính đường kính tháp: Đường kính tháp: (II-181) Cơng thức: D = = = 1,969m  Quy tròn D = 2m Kiểm tra: + Ta có   Thỏa mãn điều kiện Kiểm tra theo mật độ tưới (m3/m2h) Với V1 lưu lượng thể tích chất lỏng, m3/h f: tiết diện tháp, m2 f = = = 3,14 m2  giá trị mật độ tưới tối thiểu Mật độ tưới tới hạn (m3/m2h) (II.177) Trong đó: b: số (chọn b = 0,158)  (m3/m3h) Vậy  Đệm thấm ướt tốt II, Tính tốn chiều cao tháp: Chiều cao tháp xác định theo phương pháp số đơn vị chuyển khối: H= hdv.my (m) (II-175) Trong đó: H: chiều cao tháp, m hdv: chiều cao đơn vị chuyển khối, m my: số đơn vị chuyển khối Xác định chiều cao đơn vị chuyển khối: hdv = (m) (II-177) Trong đó: h1: chiều cao đơn vị chuyển khối ứng với pha khí h2: chiều cao đơn vị chuyển khối ứng với pha lỏng m’: giá trị trung bình tg góc nghiêng đường cân Y*=f(X) với mặt phẳng ngang Tính h1 h2: h1 = (m) (II-177) Trong đó: a : hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a=0,123 (II-177) ψ: hệ số thấm ướt đệm, nên ψ = Rey: chuẩn số Renoyd pha khí Rey = (II-178)  Rey = Pry: chuẩn số Pran: Pry = (II-178) Dy = (m /s) (II-127) Trong đó: T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối T = 298K P: áp suất làm việc P = 2atm : thể tích mol SO2, = 44,8 (cm3/mol) : thể tích mol khơng khí, = 29,9 (cm3/mol)  Dy = (m2/s) Vậy Pry =  m (II-177) Trong đó: Gx = 16780,39×18 = 125767,62 (kg/h)  Gx = = 34,93 (kg/s) Rex chuẩn số Renoyd pha lỏng: Rex = (II-178) Prx chuẩn số Pran pha lỏng: Prx = (II-165) Dx: hệ số khuếch tán SO2 vào nước nhiệt độ 25oC Dx = D20[1+b(t-20)] (m2/s) (II-134) Trong đó: D20: hệ số khuếch tán SO2 vào nước nhiệt độ 20oC D20 = (m2/s) (II-133) A: hệ số, chất khí tan nước A=1 B: hệ số, dung môi nước B=4,7 (II-134) o : thể tích mol SO2 20 C, = 44,8 cm /mol (II-127) o : thể tích mol H2O 20 C, = 18,9 cm /mol (II-127) o -3 : độ nhớt nước 20 C, = 1,005×10 Ns/m = 1,005 cP (bảng I.102-94)  D20 = (m2/s) b= (II-135) : khối lượng riêng nước 20oC, = 998,23 kg/m3 (bảng I.5-11) b=  Dx = 1,466.10-9.[1+0,02.(25-20)] = 1,6126.10-9 (m2/s)  Prx =  h2 = Tính m’: Từ phương trình cân ta có: m’ = 14,815 Gy = 592,599×31,079 = 18417,4 (kg/h)  Gy = = 5,116 (kg/s) Vậy ta xác định chiều cao đơn vị chuyển khối: hdv = m Xác định số đơn vị chuyển khối: Dựa vào giá trị Xcbc = = 4,433.10-3 (kmol SO2/kmol nước) X Y Ycb Y-Ycb 1/(Y-Ycb) 0,02967 0,02967 33,70408 0,0007 0,03840 0,00960 0,0288 34,72222 0,0015 0,04838 0,02079 0,02759 36,24502 0,00276 0,06409 0,03889 0,0252 39,68254 0,0035 0,07332 0,04980 0,02352 42,51701 0,0045 0,08579 0,06488 0,02091 47,82401 0,005521 0,09852 0,08070 0,01782 56,11672 0,006 0,10449 0,08827 0,01622 61,65228 0,006662 0,11275 0,09891 0,01384 72,25434 ω2’(hay ωr): vận tốc nước khỏi bơm Thực tế: ω2 = ω2’  Xác định tổn thất áp suất trở lực gây đường ống hút bơm Trong đó: ΔPd: áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khỏi ống ΔPm: áp suất để khắc phục trở lực ma sát chảy ổn định ống thẳng ΔPc: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục * Đường kính ống hút: Trong đó: V lưu lượng thể tích chất lỏng ống, m3/s (m3/s) Theo bảng II.2 (I-370) chất lỏng ống hút bơm có ωv = 0,8-2,0 (m/s) Chọn ωv = 1,5 (m/s)  (m) Quy chuẩn dv = 0,172m  (m/s) Chuẩn số Re chất lỏng ống hút Dịng chế độ chảy xốy nên hệ số ma sát tính sau (I-380) Trong đó: Δ: độ nhám tương đối, xác định theo công thức: ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống thép không hàn  ε = 0,07.10-3   Hệ só trở lực cục bộ: Chất lỏng vào ống thẳng, đầu ống hút có lắp lưới chắn đan kim loại Với Chọn (Bảng II.16 - I-(382,384))  trở lực ống có lắp lưới chắn đan kim loại Trên ống hút lắp van chiều Theo (I-399)  Chọn  Tra bảng II-34 (I-441) phụ thuộc chiều cao hút bơm ly tâm vào nhiệt độ Ở nhiệt độ làm việc T=25oC chiều cao hút bơm khoảng 4,5m đảm bảo không xảy tượng xâm thực Tuy nhiên để loại trừ khả dao động bơm nên giảm chiều cao hút khoảng 1÷1,5m so với giá trị bảng Vậy chọn chiều cao hút 3,5m  Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là: (N/m2)  (m) Xác định tổn thất áp suất trở lực gây đường ống đẩy: * Đường kính ống đẩy Theo bảng II.2 (I-370) vận tốc chất lỏng ống đẩy bơm là: ωr = 1,5 – 2,5 m/s Chọn ωr = 2,0 m/s  (m) Quy chuẩn dr = 15cm Vận tốc ống đẩy là: (m/s) Chuẩn số Re chất lỏng ống đẩy: Dòng chế độ chảy xốy nên hệ số ma sát tính sau: (I-380) Trong đó: Δ: độ nhám tương đối, xác định theo công thức: ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống thép không hàn  ε = 0,07.10-3   Theo bảng II.16 (I-393), thành nhẵn Re>2.105 bỏ qua tổn thất ma sát Góc ϴ = 90o  A = Chọn  B = 0,15  C = 1,45  Hệ số trở lực cục toàn ống đẩy: Chọn chiều dài đẩy hr = 12m  Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là: (N/m2)  (m)  (m) P1 = 98100 – ΔPv = 98100 – 5038,98 = 93061,02 (N/m2) P2 = ΔPr + P = 11308,4 + 303975 = 315283,4 (N/m2) Vậy áp suất tồn phần bơm: (m) Cơng suất máy bơm: Công suất yêu cầu trục bơm: Áp dụng cơng thức: (kW) (I-439) Trong đó: ρ: khối lượng riêng nước, kg/m3 N: hiệu suất bơm, kW Q: suất bơm; , m3/s  (m3/s) g: gia tốc trọng trường (m/s2) H: áp suất tồn phần bơm tính mặt cắt cột chất lỏng bơm η: hiệu suất bơm; η = η0.ηtl.ηtk (I-439) Với η0: hiệu suất thể tích tính đến hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp chất lỏng rò từ chỗ hở bơm ηtl: hiệu suất thủy lực ηtk: hiệu suất khí Hiệu suất tồn phần phụ thuộc vào loại bơm suất Khi thay đổi chế độ làm việc bơm hiệu suất thay đổi η0 = 0,85 ÷ 0,96 Chọn η0 = 0,95 Đối với bơm ly tâm: ηtl = 0,8 ÷ 0,85 Chọn ηtl = 0,85 ηtk = 0,92 ÷ 0,96 Chọn ηtk = 0,95  η = 0,95 × 0,85 × 0,95 = 0,767 Vậy cơng suất u cầu trục bơm: (kW) Công suất động điện Ndc(kW): Với: ηtr = 0,85: hiệu suất truyền động ηcd = 0,95: hiệu suất động điện (kW) Thông thường động điện chọn có cơng suất lớn so với cơng suất tính tốn 1,15 lần  (kW) Chọn công suất động điện 26 kW II Máy nén khí: Tháp làm việc điều kiện P = 3atm, T = 25oC Máy nén ly tâm loại máy nén đẩy khí nhờ tác dụng lực ly tâm bánh guồng sinh Dùng máy nén ly tâm áp suất đẩy từ 2-10 at Độ nén máy ly tâm nhỏ nên máy có nhiều cấp thường từ 3-7 cấp Độ nén cấp từ 1,2-1,5 tốc độ vòng nhỏ 200m/s Đường kính bánh guồng từ 700-1400 mm Cánh gng cong hướng tâm Các điều kiện khí đầu vào T = 25oC, P = 1atm II.1 Công máy nén ly tâm Áp dụng công thức: (J/kg) (I-465) Trong đó: PA, PB: áp suất trước sau nén, at T1: nhiệt độ đầu khí, K T1=25+273=298K m: số đa biến, m=1,2÷1,62 Chọn m=1,4 R: số khí, Áp dụng phương trình becnulli cho mặt cắt 1-1 A-A Chọn mặt cắt 1-1 làm chuẩn Do ống nằm ngang nên ZA = Chọn vận tốc khí bể chứa tĩnh: ω1 =  Phương trình becnulli cho mặt cắt 2-2 2’-2’ Chọn mặt cắt 2’-2’ làm chuẩn Vận tốc khí ống đẩy: ωB = ω2  Với: P1 = Pa: áp suất khí quyển, P1 = 9,81.104 (N/m2) P2: áp suất cuối ống đẩy, N/m2 PA = P1 - ΔPh PB = P2 + ΔPd ZB : chiều cao ống đẩy ρ :Khối lượng riêng hỗn hợp khí thải điều kiện đầu vào khí ρ = 1,271 kg/m3 hmh, hmd : trở lực đường ống hút ống đẩy Xác định áp suất trước nén: PA = P1 - ΔPh Trong đó: P1: áp suất khí (như bơm ly tâm)  * Đường kính ống hút: V lưu lượng thể tích dầu vào khí thải, m3/s (m3/s) Khí ống dẫn P > 1at ω = 15 ÷ 25 m/s (I-370) Chọn vận tốc hút ωh = 25 m/s (m) Chuẩn số Reynol  Dịng chế độ chảy xốy nên hệ số ma sát tính sau (I-380) Trong đó: Δ: độ nhám tương đối, xác định theo công thức: ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống thép không hàn  ε = 0,07.10-3   * Hệ số trở lực cục ống hút: Trong đó: : hệ số trở lực ống thẳng, đoạn ống thẳng có dầu lồi phía trước có : hệ số trở lực van Chọn van chiều, Theo II.16 (I-399) ta có dh = 0,266m  Chọn  Trở lực cục ống hút Chọn chiều dài ống hút Hh = Lh = 5m  (N/m2)  (m)  (N/m2) * Xác định áp suất sau nén: Áp dụng công thức: PB = P2 + ρ.g.Ld Trong đó: P2: áp suất cuối ống đẩy P2 = ΔPh + ΔPd +P * Đường kính ống đẩy: Theo II.2 (I-370) vận tốc khí ống đẩy máy nén ωd = 15 ÷ 25 m/s Chọn ωd = 20 m/s  (mb Chuẩn số Reynol  Dịng chế độ chảy xốy nên hệ số ma sát tính sau (I-380) Trong đó: Δ: độ nhám tương đối, xác định theo công thức: ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống thép không hàn  ε = 0,07.10-3   * Hệ số trở lực cục ống hút: Trong đó: : hệ số trở lực ống thẳng, đoạn ống thẳng có đầu lồi phía trước có : hệ số trở lực van, chọn van chiều Theo II.16 (I-399) ta có dd = 0,3m có : hệ số trở lực cục đường ống cong, o Góc ϴ = 90  A = Chọn  B = 0,15  C = 1,45   Hệ số trở lực cục đường ống đẩy Chọn chiều dài ống đẩy Hd = Ld = 5m  Trở lực ống đẩy: (N/m2) Tổn thất áp suất đường ống đẩy: (m)  Áp suất cuối đường ống đẩy: P2 = ΔPh + ΔPd +P = 4630,07 + 4805,02 + 303975 = 313410,09 (N/m2)  Áp suất sau nén: (N/m2) Thay số liệu vào cơng thức tính cơng máy nén ta có: = 115285,7476 (J/kg) II.2 Công suất máy nén * Công suất lý thuyết: (kW) (I-466) Trong đó: G: cơng suất máy nén, (kg/s) (kg/s) L: cơng nén kg khí  (kW) Công suất thực tế máy nén: (kW) (I-466) Trong đó: Ndn: cơng suất đẳng nhiệt, kW Ndn = 610,899 kW ηdn: hiệu suất đẳng nhiệt thường băng 0,65 ÷ 0,75 Chọn ηdn = 0,7  (kW) Công suất trục máy nén: Trong đó: Nhd: cơng suất hiệu dụng, kW ηck: hiệu suất khí máy nén Đối với máy nén ly tâm ηck = 0,96 ÷ 0,98 Chọn ηck = 0,97  (kW) II.3 Công suất động điện: (I-466) Trong đó: β: hệ số dự trữ cơng suất thường lấy 1,1 ÷ 1,15.Chọn β = 1,15 ηtr :hiệu suất truyền động (0,96 ÷ 0,99) → ηtr = 0,98 ηdc : hiệu suất động điện ηdc = 0,95  (kW) Như ta chọn động điện có cơng suất 1111 kW PHẦN III: TÍNH TỐN CƠ KHÍ I Chiều dày thân tháp Thiết bị làm việc áp suất khí quyển, dùng để hấp thụ khí SO2, thân tháp hình trụ, chế tạo cách uốn vật liệu với kích thước định sẵn, hàn ghép mối, tháp đặt thẳng đứng ► Chọn thân tháp làm vật liệu X18H10T (C < 0,1%, Cr khoảng 18%, Ni khoảng 10%, Ti không – 1,5%) ► Chọn thép không gỉ, bền nhiệt chịu nhiệt ► Thông số giới hạn bền kéo giới hạn bền chảy thép loại X18H10T: σk = 550.106 (N/m2) (XII.4-II-(310)) σc = 220.10 (N/m ) (XII.4-II-(310)) Độ giãn tương đối: δ = 38% (XII.4-II-(310)) Độ nhớt va đập: ak = 2.10 (J/m ) (XII.4-II-(310)) Chiều dày thân tháp hình trụ, làm việc với áp suất bên xác định cơng thức: ,m (XIII.8-II-(360)) Trong đó:  Dt: đường kính tháp, m  φ: hệ số bền thành thân trụ dọc theo phương dọc, với thân hay có lỗ gia cố hồn tồn φ = φh = 0,95 (Bảng XIII.8-II-(362))  C: hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn dung sai chiều dày, m  [σk]: ứng suất cho phép loại thép X18H10T,  P: Áp suất thiết bị, N/m2 P: Áp suất thiết bị ứng với chênh lệch áp suất lớn bên bên tháp, N/m2 P = Pmt + Ptt Trong đó:  Pmt: áp suất làm việc, Pmt = 3×1,01325.105 = 303975 N/m2  Ptt: áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng Ptt = ρx.g.H N/m2 (II-360) Với  ρx: khối lượng riêng nước kg/m3  g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2  H: chiều cao cột chất lỏng, Ht = 8,8  Ptt = ρx.g.H = 997,08×9,81×8,8 = 86075,92 (N/m2)  P = Pmt + Ptt = 303975 + 86075,92 = 390050,92 (N/m2) + Tính C: C phụ thuộc vào độ ăn mịn, độ bào mòn dung sai chiều dày Đại lượng C xác định theo công thức: C = C1 + C2 + C3 ,m (II-363) Trong đó:  C1: hệ số bổ sung ăn mòn, Đối với vật liệu thép X18H10T có độ bền 0,05  0,1mm/năm lấy C1 = 1mm  C2: đại lượng bổ sung hao mòn, C2 =  C3: đại lượng bổ sung dung sai chiều dày + Tính [σk]: Theo bảng XIII-4, ta chọn giá trị nhỏ nhất, tính theo cơng thức sau: [σk] = Theo giới hạn bền kéo ta có:  η: hệ số hiệu chỉnh, η =  σk = 550.106 (N/m2)  nk: hệ số an toàn bền, nk = 2,6 (II-356)  [σk] = Theo giới hạn bền chảy: [σc] = Trong đó:  η: hệ số hiệu chỉnh, η =  σc = 220.106 (N/m2)  nc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy, nc = 1,5 (II-356)  [σc] = Ta lấy giá trị bé hai giá trị vừa tính được: [σk] = 146,667.106 (N/m2) Do  Bề dày thân tháp tính theo cơng thức sau: S = = 2,8.10-3 + C ,m C = C1 + C2 + C3 = + + 0,12 = 1,12 mm (chọn C3 theo bảng XIII.9-II-(364))  S = 2,8 + 1,12 = 3,92 mm Quy tròn S = 4mm: Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử: σ= , N/m2 (XIII.26-II-(365)) Trong đó:  P0: áp suất thử, xác định theo công thức P0 = Pth + Ptt Pth: áp suất thủy lực (lấy theo bảng XIII.5 – II-358) Chọn Pth = 1,5P = 1,5×390050,92 = 585076,38 (N/m2) Ptt: Áp suất thủy tĩnh, Ptt = 86075,92 (N/m2)  P0 = 585076,38 + 86075,92 = 671152,3 (N/m2) Vậy σ = (N/m2) Ta có : (N/m2) Như không thỏa mãn Chọn chiều dày thân tháp S = mm σ = (N/m2) Thỏa mãn điều kiện Vậy S = 5mm II Chiều dày nắp đáy thiết bị: Nắp đáy phận quan trọng thiết bị, chế tạo loại vật liệu với thân thiết bị thép X18H10T Thiết bị đặt thẳng đứng Áp suất P = 390050,92 > 0,7.105 N/m2 người ta thường dùng nắp elip có gờ Áp suất tính tốn P = 390050,92 N/m2 Chiều dày nắp đáy thiết bị xác định theo cơng thức: S= (XIII.47-II-(385)) Trong đó: P : áp suất thiết bị hb : chiều cao phần lồi đáy nắp , hb = 0,25Dt = 0,25×2 = 0,5 m [σk] : ứng suất cho phép thiết bị , [σk] = 146,667.106(N/m2) φh : hệ số bền mối hàn hướng tâm, với mối hàn tay hồ quang điện, vật liệu thép cacbon không gỉ chọn φh = 0,95  C: đại lượng bổ sung, Cn = 1,12 ( mm )  k : hệ số khơng thứ ngun, chọn k = Vì:  Bề dày nắp đáy dược tính theo cơng thức:     S =  S = ,m Xét thấy S = 0,003 + C < 10mm  tăng thêm 2mm so với giá trị C  C = 1,12 + = 3,12mm  S = 2,947 + 3,12 = 6,067 Quy tròn S = 7mm Kiểm tra ứng suất đáy thiết bị theo áp suất thử: σ= Ta có: (N/m2) σ = (N/m2)  Không thỏa mãn điều kiện Chọn S = 8mm  σ = (N/m2)  Thỏa mãn diều kiện Vậy S = 8mm III Đường kính ống dẫn: a Đường kính ống dẫn khí: Áp dụng cơng thức: (II.36 - I-369) Trong đó:  V: lưu lượng thể tích khí ống, m3/s (m3/s)  ω: tốc độ trung bình khí ống, m/s P = 3atm, ωk = 15÷25 m/s Ta chọn ωk = 25m/s  d: đường kính ống dẫn khí, m  Thay vào cơng thức tính đường kính ống dẫn khí ta có: (m) Quy chuẩn dk = 270mm  (m/s) b Đường kính ống dẫn chất lỏng: Áp dụng cơng thức: (I-369) Trong đó:  V: lưu lượng thể tích khí ống, m3/s (m3/s) Theo bảng II.2 (I-370) vận tốc chất lỏng ống đẩy bơm ωl = 1,5 – 2,5 m/s Chọn ωl = 2,0 m/s  (m) Quy chuẩn dl = 150mm  (m/s) IV Mặt bích: a Bích nối thiết bị: Để nối thiết bị (thân, nắp đáy) ta dùng bích liền kiểu I (hình 8.2) chế tạo thép CT3 Ghi chú: D - Đường kính ngồi bích Db - Đường kính vịng bu lơng Dl - Đường kính bích Dn - Đường kính quy ước bích Dy - Đường kính ống H - Chiều dày bích db - Đường kính bu lơng Hình 8.2 Bích liền kiểu I Với đường kính tháp Dt = 2000mm áp suất tính tốn p = 390050,92 (N/m2), tra bảng XIII.27 (II-423) ta có thơng số bích sau: py.10-6 Kích thước nối N/m2 Dt 0,4 2000 D Db DI 2170 mm 2100 2060 Bu lông D0 db z 2015 M30 48 h mm 50 Kích thước cho bề mặt đệm bít kín dùng cho loại bích trên: (Bảng XIII.31 - II-433) ρy.10-6, N/m2 0,1÷1,6 Dt 2000 D2 mm 2054 D4 2030 b Bích nối đường ống với lỗ đáy nắp: ta dùng kiểu bích tự thép Tra bảng XIII.28 – II-428 Kiểu bích ρy.10-6 N/m2 0,25 – 0,6 Dy D0 270 279 h mm 20 hl Db 18 - c Bích nối ống dẫn với phận khác thiết bị Chọn bích liển kim loại đen, kiểu I Tra bảng XIII.26 – II-414 Ứng với ống có đường kính Dy = 150mm ta có thơng số sau: Ống ρy.10-6 N/m2 0,4 Dy 150 Dn 159 V Chân đỡ, vỏ đỡ, tai treo: Kiểu bích D 300 Dσ 250 D1 218 Bu lông db M22 h z mm 30 Thông thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bề mặt mà phải có tai treo hay chân đỡ, vỏ đỡ để đỡ thiết bị để thiết bị ổn định vận hành Muốn chọn chân đỡ, vỏ đỡ hay tai treo thích hợp ta phải tính trọng tải tháp Trọng tải tháp: Ptháp = Pthân + Pđáy,nắp + Pchất lỏng + Pbích + Pđệm (N)  Khối lượng thân thiết bị: Trong đó: Mth: khối lượng thân thiết bị, kg Dn, Dt: đường kính ngồi thiết bị, m H: chiều cao tháp, m ρ: khối lượng riêng thép, ρ = 7,9.103 kg/m3  (kg)  Khối lượng đáy nắp tháp - Độ dày nắp: S= 8mm; Dt=2000mm  Tra bảng XIII.11 (II-384) ta có chiều cao gờ h = 25 mm Mnắp = 283 kg - Độ dày đáy: S=8mm; Dt=2000 mm  Tra bảng XIII.11(II-384) ta có chiều cao gờ h = 25 mm Mnắp = 283 kg Vậy Mnắp- đáy = 566 (kg)  Khối lượng đệm Đệm đệm vòng Rasig đổ lộn xộn: đệm sứ kích thước 25×25×3.0 Tra bảng thơng số kỹ thuật IX.8 (II-193) ρđệm = 600 kg/m3 (Kg)  Khối lượng chất lỏng: Trong đó: ρ: khối lượng riêng chất lỏng 25oC D: đường kính tháp, m H: chiều cao tháp trước bị nước choán hết, m Vậy: ( kg)  Khối lượng bích  Bích nối thân thiết bị: Áp dụng cơng thức: Trong đó: ρthép: khối lượng riêng thép làm bích (CT3), ρthép = 7,85.103(kg/m3) Db: đường kính vịng bulong, Db= 2100 mm = 2,1 m DI: đường kính bích, DI= 2060 mm= 2,06 m h: chiều dài bích, h = 50mm = 0,05m  (kg)  ( kg)  Bích nối ống dẫn: (kg)  Bích nối đường ống với lỗ đáy nắp (kg) (đọc thích trang II-429 để lấy số liệu Mb3) Do Mb = Mb1+Mb2+Mb3 = 153,888+6,07+20,69 = 180,648 (kg) Trọng tải tháp: Khối lượng tồn tháp Mtt = Mđệm + Mbích + Mchất lỏng + Mthân + Mnắp,đáy =11875,22 + 180,648 + 27551,314 + 2189,5 + 566 = 42362,682 (kg )  Trọng tải tháp: P = Mtt × g = 42362,682 × 9,81 = 415577,9 (N ) Ta sử dụng vỏ đỡ với kích thước trình bày vẽ Vật liệu vỏ đỡ thép CT3 Những điều kiện cần ý chế tạo: - Đảm bảo đường hàn ngắn tốt - Chỉ hàn giáp má - Bố trí đường hàn dọc - Bố trí mối hàn vị trí dễ quan sát - Không khoan lỗ qua mối hàn PHẦN KẾT LUẬN Trên toàn phần thiết kế hệ thống tháp đệm hấp thụ cấu tử SO2 với dung môi nước, q trình tính tốn dài có nhiều cơng thức phức tạp phải làm tròn số tra số liệu từ tài liệu tham khảo nên thiết kế không tránh khỏi sai sót tính tốn Tuy nhiên thiết kế giúp em hệ thống lại toàn kiến thức học từ mơn Các q trình I,II,III,những mơn sở ngành mơi trường hóa Đồng thời qua việc thiết kế giúp em có nhìn hồn chỉnh sơ đồ hệ thống xử lý khí thải TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuông, KS Hồ Lê Viên - Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa tập 1- NXB KHKT Hà Nội TS Trần Xoa, PGS.TS Nguyễn Trọng Khuông, TS Phạm Xuân Toản - Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa tập 2- NXB KHKT Hà Nội GS.TSKH Nguyễn Bin- Cơ sở q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 4- NXB KHKT Hà Nội