Tháp màng dạng tấm phẳng

Tháp màng dạng tấm phẳng

 Các tấm đệm đặt ở dạng thẳng đứng được làm từ những vật liệu khác nhau (kim loại, nhựa, vải căng treo trên khung...) đặt trong thân h.nh trụ. Để đảm bảo thấm ướt đều chất lỏng từ cả 2 phía tấm đệm ta dùng dụng cụ phân phối đặc biệt có cấu tạo răng cưa.

1.7.4.3. Tháp màng dạng ống khi lỏng và khí đi cùng chiều

 Cũng có cấu tạo từ các ống cố định trên 2 vỉ, khí đi qua thân gồm các ống phân phối tương ứng đặt đồng trục với ống tạo màng. Chất lỏng đi vào ống tạo màng qua khe giữa 2 ống. Khi tốc độ khí lớn sẽ kéo theo chất lỏng từ dưới lên chuyển động dưới dạng màng theo thành ống tạo màng. Khi cần tách nhiệt có thể cho tác nhân lạnh đi vào khoảng không gian giữa vỏ và ống. Để nâng cao hiệu suất người ta dùng thiết bị nhiều bậc giống nhau.

 Thủy động lực trong thiết bị dạng màng:

- Khi Re < 300 – chảy màng , bề mặt pha nhẵn trơn. - Khi 300 < Re < 1600 – chảy màng bắt đầu có gợn sóng. - Khi Re > 1600 – chảy rối.

 Khi có dòng khí chuyển động ngược chiều sẽ ảnh hưởng lớn đến chế độ chảy của màng. Khi đó, do lực ma sát giữa khí và lỏng sẽ có cản trở mạnh của d.ng khí làm bề dày màng tăng lên, trở lực dòng khí tăng. Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí sẽ dẫn đến cân bằng giữa trọng lực của màng lỏng và lực ma sát và dẫn đến chế độ sặc (nhiều khi pha khí chỉ 3-6m/s đ. xảy ra sặc). Khi tốc độ vượt qua tốc độ sặc sẽ làm kéo chất lỏng theo pha khí ra ngoài.

1.7.4.4Ưu và nhược điểm của tháp màng Ưu điểm:

- Trở lực theo pha khí nhỏ.

- Có thể biết được bề mặt tiếp xúc pha (trong trường hợp chất lỏng chảy thành màng).

- Có thể thực hiện trao đổi nhiệt.

Nhược điểm:

- Cấu tạo phức tạp, khi vận hành dễ bị sặc.

Ứng dụng:

- Trong phòng thí nghiệm.

- Trong trường hợp có năng suất thấp.

- Trong những hệ thống cần trở lực thấp (hệ thống hút chân không,...).

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ SO2 LÒ ĐỐ RÁC Y TẾ

2.1 Đề tài đồ án

Thiết kế tháp hấp thụ khí SO2 trong lò đốt rác y tế. Nồng độ SO2 là 750 mg/m3, công suất Q = 500 m3/h

2.2Các số liệu ban đầu

 Hỗn hợp khí cần tách: SO2 trong khí thải của lò đốt rác y tế  Lưu lượng khí vào tháp: 500 m3/h

 Nồng độ SO2 đầu vào: Cđ = 750 ( mg/m3)

 Nồng độ SO2 đầu ra: Cc = 300 (mg/m3) ( Theo QCVN 02:2012/BTNMT – Quy

chuẩn kỹ thuật quốc gia về lò đố chất thải rắn y tê)

2.3 Lựa chọn sơ đồ công nghệ

Chọn phương pháp xử lý SO2: hấp thụ bằng H2O. Vì tính chất nước sau hấp thụ không có cặn ( nước sau hấp thụ là H2SO3) nên chọn tháp hấp thụ bằng tháp đệm. SO2 là chất khí khó hấp thụ ở nhiệt độ cao (>60oC), do đó phải giải nhiệt khí thải trước khi cho vào tháp hấp thụ.

Sơ đồ công nghệ:

Ống khói

Tháp hấp thụ ( Tháp đệm) Máy nén khí

Bể chứa dung môi Bơm dung môi

K

hí

sa

2.4Thuyết minh sơ đồ công nghệ

- Hỗn hợp khí cần xử lý chứa SO2 và không khí được máy nén khí đưa vào từ phía dưới đáy tháp. Nước từ bể chứa được bơm li tâm đưa vào tháp hấp thụ, trên đường ống có van điều chỉnh lưu lượng và đồng hồ đo lưu lượng. Nước được bơm vào tháp với lưu lượng thích hợp, tưới từ trên xuống dưới theo chiều cao tháp hấp thụ

- Hỗn hợp khí sau khi đi qua lớp đệm xảy ra quá trình hấp thụ sẽ đi lên đỉnh tháp và ra ngoài theo đường ống thoát khí. Khí sau khi ra khỏi tháp có nồng độ khí SO2 giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ

- Nước sau khi hấp thụ SO2 đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài theo đường ống thoát chất lỏng. Nước sau khi hấp thụ nếu nồng độ SO2 cao sẽ được xử lý và tái sử dụng.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ

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 của SO2 trong khí đi vào tháp ( kmol SO2/kmol kk)

Yc: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong khí đi ra khỏi tháp ( kmol SO2/kmol kk)

dm)

Xc: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong nước đi ra khỏi tháp( kmol SO2/kmol dm). Giả sử Xc = 1% khối lượng.

Giả sử điều kiện làm việc của tháp là T = 300C → T = 303 oK P = 1 atm = 760mmHg P = 1 atm = 1,0326 at

3.1 Tìm Yđ và Yc trong pha khí

- Nồng độ pha khí vào tháp:

- Nồng độ pha khí ra khỏi tháp:

- Nồng độ mol tương đối trung bình:

- Nồng độ phần mol trung bình:

- Suất lượng của khí trơ:

Ta coi hỗn hợp khí là lý tưởng. Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có:

Chọn hiệu suất xử lý của tháp là:η = 0,8 Nồng độ đầu của SO2 trong nước: Xđ = 0

Nồng độ cuối của SO2 trong nước: X’c = 1% khối lượng. - Nồng độ phần mol trong dung môi:

- Nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong nước:

3.2 Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc

Với hằng số cân bằng pha Ψ: Hệ số Henry (mmHg)

P: Áp suất chung của hỗn hợp khí P = 1atm; T = 30oC

Tra bảng IX.1 (Sổ tay quá trình công nghệ hóa chất, tập 2), ta có: ΨSO2 (30oC) = 0,0364.106 (mmHg)

- Phương trình cân bằng:

- Phương trình đường làm việc:

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 – Xd) Trong đó:

Xd : Nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi (kmol SO2/kmol H2O).

Yc : Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (kmol/kmol khí trơ).

Gx : Lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h). Gtr : Lưu lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h) Từ phương trình cân bằng vật liệu ta có :

- Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi : - Lượng dung môi tiêu tốn thực tế :

- Lưu lượng dung môi đi vào thiết bị:

- Phương trình làm việc của một đoạn tháp bất kỳ : Gtr(Y – Yc) – Gx(X – Xd)

• Đối với pha lỏng Áp dụng công thức : Trong đó:

ρxcb: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3. αSO2: Phần khối lượng riêng trung bình của SO2trong hỗn hợp. ρSO2, ρH2O: khối lượng riêng của SO2 và H2O ở 30oC, kg/m3. Tra bảng I.5 và I.2 (Sổ tay quá trình và thiết bị - Tập 1) ta có : ρH2O = 995,68 kg/m3.

ρSO2 (20oC) = 1383 kg/m3 ; ρSO2 (40oC) = 1327 kg/m3 Nội suy ta được :

ρSO2 (30oC) = 1355 kg/m3

- Phần khối lượng trung bình của SO2 trong pha lỏng :

Với xtb là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử cần hấp thụ trong pha lỏng.

Vậy khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng :

• Đối với pha khí Áp dụng công thức:

- Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí trong tháp :

Trong đó:

ρytb : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp. My : Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí.

To : Nhiệt độ ở đktc. To = 273oK.

T : Nhiệt độ làm việc của tháp. T = 303oK. Po : Áp suất ở đktc. Po = 1atm.

P : Áp suất làm việc của tháp. P = 1atm. Vậy :

3.4 Tính độ nhớt µx, µy

• Đối với pha lỏng µx Áp dụng công thức: Trong đó:

xtb: Phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp lỏng. xtb= 0,00155 kmolSO2/kmol H2O

µSO2, µH2O : Độ nhớt của SO2 và H2 ở 30oC, Ns/m2.

Tra bảng I.102 (Số tay quá trình công nghệ hóa chất – Tập 1) Ta có:

µH2O (30oC) = 0,8.10-3 Ns/m2.

Tra bảng I.101 (Số tay quá trình công nghệ hóa chất – Tập 1) Ta có:

µSO2 (30oC) = 0,279.10-3 Ns/m2 Vậy:

⇒ µx = 7,94.10-4 Ns/m2

• Đối với pha khí µy Áp dụng công thức:

Trong đó :

µy, µSO2, µkk: Độ nhớt trung bình của pha khí, của SO2 và của không khí ở 30oC, Ns/m2.

Tra đồ thị I-35 (Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1) ta có: µSO2 = 0,0125.103 Ns/m2

µkk = 0,019.103 Ns/m2

My, MSO2, Mkk: Khối lượng phân tử của pha khí của SO2 và của không khí.

Trong đó:

Gytb: Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h.

Mytb: Khối lượng phân tử trung bình của khí trong tháp, kg/kmol. ρytb: Khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp, kg/m3.

Lượng hơi trung bình trong tháp: - Lượng lỏng trung bình trong tháp:

- Lượng lỏng trung bình trong tháp:

- Vận tốc của khí trong tháp ωytb, m/s

Trong đó:

ωs: Tốc độ đảo pha, m/s

Vd: Thể tích tự do của đệm, m3/m3. σd: bề mặt riêng của đệm, m2/m3.

Tháp hấp thụ SO2 mang tính axit nên ta chọn vòng đệm Rasig đổ lộn xộn:

Vd = 0,76 m3/m3. σd = 165 m2/m3.

Gx, Gy: Lượng lỏng của lượng hơi trung bình (kg/s)

Gx = 276561,5 kg/h = 76.82 kg/s; Gy = 730,9985 kg/h = 0,2 kg/s g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2.

µx, µn: Độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC.

µn (20oC) = 1,005.10-3 Ns/m2; µx = 7,988.10-4 Ns/m2

ρxtb, ρytb: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí ρx = ρxtb = 997 kg/m3; ρy = ρytb = 1,46 kg/m3.

Từ phương trình Y ta có:

Theo thực nghiệm thì quá trình truyền khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất , song thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng nữa sẽ rất khó bảo đảm quá trình ổn định. Vỉ vậy, tốc độ thích hợpthe o phương pháp này thường khoảng: ωy= 0,8 ÷ 0,9 ωs

Chọn ωy =0,85 ωs = 0,85 . 0,025 = 0,02125 m/s

3.5 Đường kính tháp

Kiểm tra điều kiện thiêt kê

Đệm trên là phù hợp

Kiểm tra theo mật độ tưới

- Mật độ tưới thực tế: Trong đó:

Vx: Lưu lượng thể tích của chất lỏng m3/h. Vx = 277,39 m3/h. Ft: Diện tích mặt cắt tháp

Vậy:

- Mật độ tưới thích hợp: Trong đó:

B = 0,158 m3/m.h; σd: Bề mặt riêng của đệm σd = 165 m2/m3

Vậy:

3.6 Tính chiều cao tháp đệm

Áp dụng công thức xác định chiều cao của lớp đệm: Trong đó:

my: Số đơn vị chuyển khối theo nồng độ trong pha hơi (khí) hy: Chiều cao của một đơn vị chuyển khối.

- Tính chiều cao của một đơn vị chuyền khối Áp dụng công thức:

Trong đó:

h1,h2: Chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng. Gx, Gy: Lưu lượng trung bình của pha lỏng, pha khí (kg/h). m: Hệ số hóc của đường cong cân bằng.

 Tính h1

Trong đó:

Vd: Thể tích tự do của đệm, Vd = 0,76 m3/m3.

a: Hệ số phụ thuộc vào dạng đệm; a = 0,123 (Đệm vòng). Rey: Chuẩn số Reynold cho pha hơi.

Pry: Chuẩn số Prandt cho pha hơi.

σd: Bề mặt riêng của đệm, σd = 165 m2/m2. Ψ: Hệ số thấm ướt của đệm.

Ta có:

Trong đó:

Dy: Hệ số khuếch tán của pha khí (kg/m3)

T: Nhiệt độ, T = 303oK. P = 1atm = 0,163at

MSO2, Mkk: Khối lượng mol của SO2, không khí (kg/kmol) uSO2, ukk: Thể tích mol của SO2, không khí (cm3/mol) Tra bảng VIII. 2- II (tr 127). uSO2 = 44,8 cm3/mol; ukk = 29,9

cm3/mol

 Tính Ψ

Ψ phụ thuộc vào tỳ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tướih tích hợp.

Ta có: ⇒ Ψ =1

 Tính h2 chiều cao của một đơn vị chuyển khối trong pha lỏng

Trong đó:

µx: Độ nhớt trung bình của pha lỏng, Ns/m2.

ρx: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3. Ta có:

Trong đó:

Dx: hệ số khuếch tán trong pha lỏng, m2/s.

A,B: Hệ số liên hợp.

Với các chất khí tan trong nước A=1 Với dung môi là nước B =4,7

µH2O: Độ nhớt của nước ở 20oC, µH2O = 1cp = 10-3Ns/s uSO2, uH2O: Thể tích mol của SO2, H2O ( cm3/mol) uSO2 = 44,8 cm3/mol; uH2O = 18,9 cm3/mol

Trong đó:

ρ: Khới lượng riêng của nước ở 20oC Tra bảng ta được: ρ = 998,23 (kg/m3)

Dụa vào bảng số liệu, m = 9,83

⇒ Chiều cao của một đơn vị chuyển khối

 Tính số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha khí

Y: Thành phần làm việc của hơi. Ycb: Thành phần mol cân bằng của hơi.

Ta xác định số đơn vị chuyển khối theo phương pháp phân tích đồ thị. Việc tính tích phân đó có thể dựa vào việc vận dụng đồ thị trong hệ tọa độ – Y. Giá trị của tích phân bằng diện tích hình thang cong giới hạn bởi đồ thị và đường Yd = 0,0003 kmol SO2/kmol không khí; Yc = 0,00012 kmolSO2/kmolkhông khí.

Diệnt ích miền giới hạn đường cong ta được S = 5,5; diện tích hình thang cong chính là số đơn vị chuyển khối my =5,5

⇒ Chiều cao lớp đệm:

3.7 Tính toán chiều dày thân tháp

Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển, dùng để hấpth ụ khí SO2, thân tháp hình trụ, được chế tạo bằng cách uốn các tâm vật liệu với kích thước định sẵn, hàn ghép mối, tháp được đặt thẳng đứng.

Chọn thân làm bằng vật liệu X18H10T (Bảng XII.24-325) Chọn thép không gỉ, bền và chịu nhiệt.

Thông số giới hạn bền kéo và giới hạn bền chảy của thép loại X18H10T: σk = 550.106 N/m2

σc = 220.106 N/m2

Độ giãn nở tương đối: δ =38% Độ nhớt va đập: ak = 2.106 J/m2

Chiều dày thân tháp hình trụ, làm việc với áp suất bên trong được tính theo công thức:

Trong đó:

Dt: Đường kính trong của tháp, m

φ: Hệ số bền của thành thân trụ theo phương dọc, với thân hay có lỗ gia cố hoàn toàn thì φ = φh đối với mối hàn đặc. Với hàn tay bằng hồ quang điện, thép không gỉ ta có φ = φh = 0,95.

C: Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m

[σk]: ứng suất cho phép của loại thép X18H10T. P: Áp suất trong thiết bị, N/m2

Trong đó:

Pmt: Áp suất làm việc, Pmt = 1,013.105 N/m2 Ptt: Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng

Với ρx: Khối lượng riêng của nước, kg/m3

 Tính C

C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Đại lượng C được xác định theo công thức:

Trong đó:

C1: Hệ số bổ sung do ăn mòn. Đối với vật liệu là thép X18H10T có độ bền 0,05 – 0,1 mm/năm thì lấy C1 = 1 mm.

C2: Đại lượng bổ sung do hao mòn tính trong các trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động trong thiết bị. Bài toàn đặt ra là hấp thụ SO2 nên có thể bỏ qua.

C3: Đại lượng bổ sung do dung sai chiều dày. Chọn C3 = 0,5 mm Vậy C = 1,5 mm.

 Tính [σk]

Theo bảng XIII – 4, ta có thể chọn giá trị nhỏ nhất, tính theo công thức sau:

Theo giới hạn bền kéo thì ta có: ή: Hệ số hiệu chỉnh, ή = 1

σk =550.106 N/m2

ήk: Hệ số an toàn bền, ήk = 2,6

Theo giới hạn bền bền chảy: Σc =220.106 N/m2

Ήc: Hệ số an toàn bền, ήk = 1,5

Lấy giá trị bé hơn trong hai giá trị vừa tính được. Chọn bề dày thân tháp là S = 4mm

3.8 Tính toán chiều dày nắp và thiết bị

Nắp và đáy cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị, được chế tạo với cùng loại vật liệu của thân tháp. Thiết bị đặt thẳng đứng.

Áp suất trong là P = 130641,71 > 0,7.105 N/m2 người ta thường dủng nắp elip có gờ.

- Chiều dày nắp thiết bị được tính theo công thức: Trong đó:

P: Áp suất trong của thiết bị.

hb: Chiều cao phần lồi của đáy và nắp, hb =0,25.Dt = 0,25 . 1 = 0,25 m.