Tinh toan thiết kế hệ thống hấp thụ khi SO2

Với mục đích đó việc thực hiện đồ án môn học thực sự cần thiết, trong quá trình làm đồ án em đã hiểu được những phương pháp, cách tính toán, lựa chọn thiết bị có khả năng ứng dụng vào th

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIEN KHOA HQC VA CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

000

DO AN MON HOC CAC QUA TRINH CO BAN TRONG CONG NGHE MOI TRUONG

Dé bai:

Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO;

GVHD: TS Vũ Đức Thảo SVTH: Mai Thị Hiền

Lớp: Kỹ thuật môi trường K52

SHSV: 20071073

Hà Nội, tháng 12/2010

NHIEM VỤ THIET KE DO AN MON HOC

Ho va tén Sinh vién: Mai Thi Hién

Lớp: Kỹ thuật môi trường

Khóa: 52

I Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO;

II Các số liệu ban đầu:

- Hỗn hợp khí cần tách: SO; trong không khí

- Dung môi: nước

- Lưu lượng khí vào tháp: 25000 mỶ/h

- Nong d6 SO;: yạ= 0,028( mol/mol)

- Hiệu suất yêu cầu: rị= 84%

- Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện

V Giáo viên hướng dẫn: TS Vũ Đức Thảo

VỊ Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 6 tháng 9 năm 2010

VI Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

( Họ tên và chữ kí)

-_ Điểm tổng hợp

PHÀN MỚ ĐẦU

Vấn đề xử lý các chất ô nhiễm không khí đã và đang nhận được sự quan tâm

của toàn nhân loại nói chung và của Việt Nam nói riêng Với mục đích đó việc thực hiện đồ án môn học thực sự cần thiết, trong quá trình làm đồ án em đã hiểu

được những phương pháp, cách tính toán, lựa chọn thiết bị có khả năng ứng dụng vào thực tiễn đề có thể xử lý các chất thải gây ô nhiễm

Sau 15 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các

thầy cô trong Viện, nhưng do hạn chế về tài liệu và kinh nghiệm tính toán, nên

không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được ý kiến của các thầy

cô đề đồ án sau có kết quả tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 3 thang 12 nam 2010

Sinh viên thực hiện

Mai Thị Hiền

PHAN NOI DUNG

I.Giới thiệu chung

1 Sơ lược về khí SO›

Trong số những chất gây ô nhiễm không khí thì SO¿ là một chất gây ô nhiễm

khá điển hình Sulfuro là sản phâm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nguyên, nhiên liệu có chứa S Các nhà máy điện thường là nguồn phát sinh ra nhiều SO¿ trong khí thải, ngoài ra còn phải kế đến các quá trình tinh chế đầu mỏ, luyện kim, tỉnh luyện quặng đồng, sản xuất ximang và giao thông vận tải cũng là những nơi phát sinh nhiều khí SO;

Khí 5O; là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí

quyền la 1 ppm Khi SO, 1a khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt dat ngang tâm sinh hoạt của con người, nó còn có khả năng hòa tan trong nước nên dễ gây phản ứng với cơ quan hô hap của người và động vật Khi hàm lượng thấp, SO; làm sưng niêm mạc, khi nồng độ cao> 0,5 mg/mỶ, SO; sẽ gây tức thở, ho, viêm loét đường hô hấp

SO; làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng Mưa axit có nguồn

gốc từ khí SO, lam thay déi pH cua đất, nước, hủy hoại các công trình kiến trúc,

ăn mòn kim loại Ngoài ra ô nhiễm SO; còn liên quan đến hiện tượng mù quang hóa

Chính vì những tác động tiêu cực trên mà việc giảm tải lượng cũng như nồng d6 phat thai SO, vào môi trường là vẫn dé rất được quan tâm

2 Phương pháp xử lý SO;

Khí SO¿ thường được xử lý bằng phương pháp hấp thụ, tác nhân sử dụng để

hấp thụ thường là sữa vôi, sữa vôi kết hợp với MgSO¿ hoặc dung dịch kiềm

Trong phạm vi đồ án này, với nhiệm vụ được giao là hấp thụ khí SOz bằng nước Đây là phương pháp hấp thụ vật lý nên hiệu suất hấp thụ không cao Do

đó ta phải chọn điều kiện làm việc của tháp hấp thụ ở nhiệt độ thấp và áp suất

cao đề nâng cao hiệu suất hấp thụ

3 Tháp đệm

Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất vì đặc điểm dễ thiết kế, gia công, chế tạo và vận hành đơn giản Tháp đệm được sử dụng trong

các quá trình hấp thụ, chưng luyện, hấp phụ và một số quá trình khác Tháp có

dạng hình trụ, trong có chứa đệm, tùy vào mục đích thiết kế mà đệm có thể được

xếp hay đồ lộn xộn Thông thường lớp đệm dưới thường được sắp xếp, khoảng

từ lớp 3 trở đi, đệm được đồ lộn xộn

Tháp đệm có những ưu điểm sau:

- C4u tao don giản

- Bé mit tiép xtc pha lớn, hiệu suất cao

- Tro luc trong thap không quá lớn

-_ Giới hạn làm việc tương đối rộng

Tuy nhiên, tháp có nhược điểm là khó thấm ướt đều đệm làm giảm kha nang hap

thụ

IIL.Thiết kế đồ án môn học

1 Đầu đề thiết kế:

Thiết kế hệ thống hấp thụ khí thải áp dụng trong công nghiệp

2 Các số liệu ban đầu

- Hỗn hợp khí cần tách: SO; trong không khí

- Dung môi: nước

- Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m”/h

- Nông độ SO;: yg= 0,028( mol/mol)

- Hiệu suất yêu cầu: rị= 84%

- Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện

- Loại thiêt bị: Tháp đệm

3 Phương pháp hap thu xir ly SO

1 Bề chứa dung môi

2 Bơm chất lỏng

3 — Tháp hấp thụ

4 Máy nén khí

5 Van an toàn

Thuyết minh dây chuyền:

- _ Hỗn hợp khí cần xử lý chứa SO; và không khí được máy nén khí đưa vào

từ phía dưới đáy tháp Nước từ bề 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

- H6n hop khi 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 SO; giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ của

G;: lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp( kmol/h)

G,: lưu lượng nước vào tháp( kmol/h)

G„„: lưu lượng khí trơ( kmol/h)

Ya: nồng độ phần mol tương đối của SO; trong khí đi vào tháp ( kmol SOz/kmol

Biết hiệu suất hap thy 1a: n= 84%

Do đó: Y¿ = Ya( I-n) =0,0288.( 1-0,84)= 4,608.10 (kmol SO2/kmol kk)

3

Y _4,608%107 _4 587.103 (kmol/kmol)

> y= €

— I+Y, 1+4,608x10°

„+, _ 0,028+4,587x10)

Dung mdi ban đầu là nước > Xa=0

Giả sử điều kiện làm việc của tháp là T =25°C—>T =298K

P =latm = 760mmHg P=l atm = 1,0326 at

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

> Thiét lap phương trình đường cân bằng:

Theo định luật Henry ta có: ye,= mx

> Thiét lap phương trình đường làm việc:

Phương trình cân bằng vật liệu cho thiết bị:

Giro Y + Gy Xa = Giro Yo + Gy X

— Gu(Y- Y¿) = Gx X- Xa)

Do Xd = 0 nén pt tro thanh: Gyo.( Y- Yc) = Gx X

'Ya = 0.0288(kmol SOz/kmol kk)

—Xw.= 0.0268 =6,868.10' (kmol SO2/kmol nước)

40,79 + 39,79 x 0,0288

0,0288—4,608x10 ` 6,868 x 107

Lượng dung môi cần thiết dé hap thu : G, = B G.min

Thong thường B = 1,2+1,5 Chon B = 1,2

1 Tính khối lượng riêng:

s* Đối với pha lỏng:

1 Aso, + I— Aso,

Pub — Pso, Pro

Áp dụng công thức:

Trong đó:

© Py! Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/mỶ

© aso, : Phần khối lượng của SO; trong pha lỏng

® Ø„,./2„„: Khối lượng riêng của SO; và HạO ở 25°C, kg/m’

© dso, : Phần khối lượng trung bình của SO, trong hỗn hợp

xụ: Nồng độ phần mol trung bình của SO; trong pha long, (kmol SOz/kmol HạO)

xu = 2.86.10' (kmol SOz/kmol H;O)

se M;: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí, (kg/kmol)

© My $O, 3 My: Khối lượng phân tử của SO; và không khí, (kg/kmol)

© yw: Phan mol trung bình của SO; trong hon hop

với: _ Vạ: Lưu lượng hỗn hợp đầu ở điều kiện làm việc (mỶ/ h)

Vạ: Lưu lượng khí thải đi ra khỏi tháp (mỶ /h): Vy= Vụ * (1 + Y,) (11.183)

_ GxM,, _ 1023,08x29,5705 = 25023,15 m*/h

Va

với: Mu: Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg / kmol)

Pr? Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg / mì)

Đối với pha lỏng:

Áp dung công thức: Ig/, = x, x18 Uso, + (1%) x18 Myo 1-84

Trong do:

Hạo, so độ nhớt của SO; và HạO ở 25°C, Ns/m2

Tra bang I-101 s6 tay I: sz, (20°C)= 0,304.10° Ns/m?

Hsp, (30°C)= 0,279.10 Ns/m*

— tsp, (25°C) =0,2915.10°Ns/m?

Tra bảng I-102 số tay I: z„„(25°C)E 0,8937.10”Ns/mỸ

xụ: Nồng độ phần mol trung bình của SO; trong pha lỏng, (kmol SOz/kmol H;O)

Xtb = 2.86*10' (kmol SOz/kmol HạO)

Trong đó ¿¡,,„„,,„„: độ nhớt trung bình của pha khí, của SO; và của không khí

ở điều kiện làm việc 25C, Ns/m”

My, Myo, My: khối lượng phân tử của pha khí, của SO; và của không

khí ở điều kiện làm việc 25°C và P=latm

Tra đồ thị I-35 ta có : z„„ (25°C)=0,0125.10”, Ns/m”

„ (25°C)=0,018.10”, Ns/m?

o,! bé mat riéng cua dém, m?/m>

Tháp hấp thụ SO; mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasig đồ lộn xộn: đệm

bằng sứ kích thước 25x25x3.0

Vạ= 0,75 mÌ/mỶ

o, = 195 m*/m?

g: gia téc trong trường, g=9,81m/s”

G,, Gy la lugng long va lugng hoi trung binh( kg/s)

I.2 Tính toán chiều cao tháp:

Chiều cao tháp được xác định theo phương pháp số đơn vị chuyền khối:

H = hgy.my (m)

Trong đó: H: chiều cao tháp, m

hay: chiều cao một đơn vị chuyền khối, m

my: số đơn vị chuyền khối

Xác định chiều cao một đơn vị chuyền khối:

G

hay = hi + “ °b, (m)

x

Trong đó: hạ: chiều cao 1 don vi chuyền khối ứng với pha khí

hạ: chiều cao 1 đơn vị chuyên khối ứng với pha lỏng

m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y*=f(X) với mặt phẳng ngang

Tính hị và hạ:

h=— T2 xRe?”xPr?3,m

qx y x O”7 -

Trong đó: a : hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a=0,I23

ự: hệ số thắm ướt của đệm, do -Ứ >I nên ự=l

Trong đó: T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối T=298K

P: áp suất làm việc P=latm

Vso, + thể tích mol của SO¿, Vso, =44,8 cm”/mol

v„ : thể tích mol của không khí, v„ =29,9 cm”/mol

_4 15

Dy = 290216 1,0326x(44,8"> + 29,9") 64 29 298 | ++ =1,0826.10° m’/s

—>

ABA Mn, oo, ty so)” SO W,

ni SỐ, đối với chất khí tan trong nước A=l

hệ sô, dung môi là nước B=4,7

: thể tích mol của SOs ở 20C, v.„ =44,8 cm”/mol

Vso, 2 "SO,

Vino: thé tich mol cia HO & 20°C, v„„=18,9 cm”/mol

¿4„„„: độ nhớt của nước ở 20C, z„ „=1,005*10”Ì Ns/m”=1,005 cP(bang I.102-94)

Vậy ta xác định được chiều cao của một đơn vị chuyền khối:

hạy = 0,119 + 41,697 x 8,305

210,2304 x 0,795 =1,428 m

Xác định số đơn vị chuyển khối:

Dựa vào giá trị Xe;e= 6.868*107 (kmol SO2/kmol nước)

Hình thang cong 2.50E+02

Đây thực chất là chiều cao lớp đệm Chiều cao của tháp ngoài chiều cao của lớp

đệm còn tính đến chiều cao từ mặt trên của đệm đến đỉnh tháp và từ mặt dưới

đệm tới đáy tháp và khoảng cách giữa hai lớp đệm

© AP.:Tén that đệm khô

© AP,:Tén that dém wot

Thap hap thụ đạt hiệu suất cao nhất khi vận tốc của khí bằng vận tốc điểm

đảo pha

=> Trở lực của tháp đệm đối với hệ khí-lỏng dưới điểm đảo pha có thể xác định

được bằng công thức sau:

0,405 0,225 0,045

Trong do:

e AP,;: tốn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bang

tốc độ của khí đi qua đệm khô(N/m”)

e _A Py: tốn thất của đệm khô (N/m”)

e Gy, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h)

© _ø,,/2,: khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m”)

Bảng mô phỏng ở 1 số điều kiện: đính kèm

Dựa vào bảng mô phỏng kèm theo ta có các nhận xét như sau:

Ảnh hưởng khi thay đổi nhiệt độ:

Nhiệt độ tăng không có lợi cho quá trình hấp thụ Nhiệt độ táng làm giảm hiệu

suất hấp thụ và để đạt được yêu cầu phải tăng thêm kích thước thiết bị, tăng đường kính và chiều cao

Ảnh hưởng của áp suất:

Áp suất có ảnh hưởng tới hiệu suất hấp thụ, làm tăng hiệu suất hấp thụ Nhưng nếu áp suất tăng thì chi phi kinh tế cũng tăng theo như là phải lắp đặt thêm máy

nén, chỉ phí năng lượng tăng do công suất hoạt động của máy tăng rất mạnh

Từ bảng mô phỏng ta chọn P=3 atm, T=25°C—› D=2 m; H=9,2 m

— Henap= 9,2+140,5+1=11,7 m; G,a=14000 kmol/⁄h

PHAN 2: TINH TOAN CAC THIET BI PHU

Trong việc hấp thy SO2 bằng nước sử dụng tháp đệm cần có các thiết bị phụ giúp cho quá trình vận chuyền chất lỏng và cung cap | khi vao thap theo chế độ

làm việc của tháp giúp việc hấp thụ đạt được hiệu suất mong muốn.Trong các thiết bị phụ thì bơm và máy nén khí là hai thiết bị quan trọng nhất

I BOM

Trong công nghiệp, bơm ly tâm được sử đụng rộng rãi và có nhiều loại khác nhau về cấu tạo cũng như cách vận hành

Bơm ly tâm được phân loại theo nhiều cách khác nhau như theo số bậc, theo

cách đặt bơm, theo điều kiện vận chuyển của chất lỏng từ guồng ra thân bơm và

ly tâm, áp : suất của chất lỏng tăng lên và văng ra vào thân bơm, vào Ông day theo phương tiếp tuyến Khi đó ở tâm guồng tạo nên áp suất thấp Nhờ á áp lực mặt thoáng bề chứa, chất lỏng dâng lên trong ống hút vào bơm Khi guông quay chất lỏng được hút liên tục, do đó chất lỏng được chuyển động đều đặn Đầu ống hút

có lắp lưới lọc để ngăn không cho rác và vật răn theo chất lỏng vào bơm gây tắc bơm và đường ô ống Trên ống hút có van một chiều giữ cho chất lỏng trên đường ống hút khi bơm ngừng làm việc Trong ống đầy có lắp van một chiều để tránh

chất lỏng bắt ngờ dồn vào bơm gây ra va đập thủy lực làm hỏng bơm

1.2 Cac thong số đặc trưng của bơm

Áp suất mặt thoáng P\=9,81.10° N/m?

Ap suat lam viéc P= 3 atm=3x1,013.10°=303900 N/m*

Gia tốc trong trong g=9,81 m/s”

6 25°C: prrsc=997,08 kg/m?

Lnréc=0,8937.10° Ns/m?

Áp suất toàn phần của bơm H(m):

Áp dụng phương trình becnulli ta có

P¡: áp suất bề mặt nước không gian hút

P;: áp suất không gian đây

p: khối lượng riêng của nước

P,: áp suất trong ống hút lúc vào bơm

P,: ap suất của chất lỏng trong ông đây lúc ra khỏi bơm

Hy, Hạ: chiều cao ống hút và ống đây

hạm, ha: tốn thất áp suất do trở lực gây ra trong ống hút và ống đây

Binh + hmd= AP

PS

AP: Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống,

áp suất toàn phần của bơm là hiệu áp suất giữa hai giai đoạn hút và đây

œ¡: vận tốc nước ở bề chứa, œ¡=0

œ;: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đây

œ¡”: vận tốc nước khi vào bơm

@;”: vận tốc nước khi ra khỏi bơm

Trong đó: AP, = AP, +AP,„ + AP, m

AP,: ấp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống