Vd va bt chuong 2

Microsoft Word VD va BT chuong 2 doc Baøi giaûng QTHH&HL trong XLMT Ví duï vaø Baøi taäp Chöông 2 DuMyLe 1 VÍ DUÏ VAØ BAØI TAÄP CHÖÔNG 2 Ví duï 1 Haõy xaùc ñònh löu löôïng H2SO4 ñeå saáy khoâng khí vô[.]

VÍ DỤ VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2

Ví dụ 1:

Hãy xác định lưu lượng H2SO4 để sấy không khí với các dữ liệu sau: năng suất thiết bị 500m3/h (tính theo không khí khô ở điều kiện chuẩn) Độ ẩm ban đầu của không khí 0,016 kg/kgkk khô, độ ẩm cuối 0,006 kg/kgkk khô , nồng độ nước ban đầu trong axít là 0,6kg/kg H2O, nồng độ cuối 1,4 kg/kg H2O Sấy không khí thực hiện ở áp suất khí quyển

Giải:

Lưu lượng không khí: G = V.ρ

Với ρ là khối lượng riêng của không khí ở điều kiện chuẩn:

ρ = 29/22,4 = 1,293 kg/m3

⇒ G = 500 1,293 = 646 kg/h

Lưu lượng acid tính theo phương trình cân bằng vật chất:

h kg

d c

c d

X X

Y Y G

6 , 0 4 , 1

006 , 0 016 , 0

−

−

=

−

−

=

Ví dụ 2:

Hãy xác định lưu lượng chất hấp thụ tối thiểu có khối lượng phân tử 224 kg/kmol để hấp thu hoàn toàn propan và butan từ 1000 m3/h hỗn hợp khhí (tính ở điều kiện chuẩn) Nồng độ propan trong khí là 15% (thể tích), butan là 10% (thể tích), nhiệt độ trong tháp là 30oC, áp suất tuyệt đối 3 kgf/cm2 (294 kPa), độ hòa tan của butan và propan đặc trưng bởi qui luật Rault

Biết rằng: ở 30oC, áp suất bão hòa của propan và butan tương ứng là 981kPa và 265kPa

Giải:

Nồng độ tối đa của propan trong chất hấp thụ đi ra khỏi thiết bị:

∑

=

=

p p

P

P

981

294

*

Pp – áp suất bão hoà của propan ở 30oC

Lượng propan cần hấp thụ:

h kmol p

p

y V

4 , 22

15 , 0 1000 4

, 22

=

=

=

Lượng chất hấp thụ tối thiểu để hấp thụ propan là:

h kmol p

p p

x

x G

045 , 0

955 , 0 7 , 6 1

*

*

hay 142 224 = 31800 kg/h

Nồng độ tối đa của butan trong chất lỏng ở đầu ra:

11 , 0 1 , 0 265

294

b

P

P x

Pb = 265 kPa (2,7 kgf/cm2) áp suất bão hòa butan ở 30oC

Lượng butan được hấp thu:

Lưu lượng dung môi tối thiểu để hấp thu hoàn toàn butan:

hay 36,1 x 224 = 8086,4 kg/h

Lượng dung môi tối thiểu nhỏ hơn rất nhiều so với lượng dung môi để hấp thụ propan, do đó lượng dung môi tối thiểu bảo đảm hấp thụ hoàn toàn propan và butan là 142 kmol/h

Ví dụ 3:

Tháp hấp thu hơi aceton trong không khí được tưới bằng H2O với lưu lượng 3000kg/h Nhiệt độ trung bình trong tháp là 20oC Qua tháp người ta cho dòng hỗn hợp không khí và hơi aceton ở áp suất thường chứa 6% (thể tích) aceton, không khí sạch trong hỗn hợp này là 1400m3/h (tính theo điều kiện chuẩn) Tháp hấp thu được 98% aceton, cho phương trình đường cân bằng Y* = 1,68X

Hãy xác định đường kính và chiều cao thiết bị, chứa vòng sứ kích thước 25x25x3mm, cho vận tốc khí nhỏ hơn 25% so với vận tốc giới hạn

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

kk kmol

aceton kmol

l m

aceton kmol

K y

4

,

0

2

, hệ số thấm ướt của vật đệm bằng 1

Giải:

Thể tích acetone (đktc):

h kmol b

p

y V

4 , 22

1 , 0 1000 4

, 22

=

=

=

h kmol b

b b

x

x G

11 , 0

89 , 0 47 , 4 1

*

*

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

−

=

−

=

h

aceton m

h m y

y V

V

d

d kk

3

) 06 , 0 1 (

06 , 0 )

/ ( 1400

1

Lượng aceton được hấp thu

4 , 22

V

) / ( 4 , 22

) / ( 29 , 88

3

3

h kmol

kmol m

h

= Nồng độ ban đầu của aceton trong nước: Xd= 0

Nồng độ aceton ở đầu ra:

O H kmol aceton kmol O

H c

kg kmol h

kg

h kmol M

L

M

2

0234 , 0 ) / ( 18 ) / ( 3000

) / ( 9 ,

=

=

Nồng độ aceton trong dòng khí ở đầu vào

( kmol kk)

aceton kmol

d

d d

y

y

94 , 0

06 , 0

−

=

Nồng độ aceton trong dòng khí ở đầu ra

aceton kmol

d

d c

y

y

94 , 0

98 , 0 1 06 , 0 1

−

−

Dựng đường cân bằng và đường làm việc trên giản đồ Y-X

A (Yc, Xđ), B (Yđ, Xc)

Động lực thiết bị của hấp thu

c d

c d tb

Y Y

Y Y Y

Δ Δ

Δ

− Δ

=

Δ

ln

ΔYđ = Yđ – Y*

đ =Yđ – m.Xc =0,0639 – (1,68 0,0234) = 0,0246

ΔYc = Yc – Y*

c = 0,00128 – 0 = 0,00128

ΔYtb = 0,0079 kmol aceton/kmol kk

Diện tích bề mặt thiết kế

2

1230 0079

, 0 4 , 0

9 , 3

m Y

K

M F

tb y

=

= Δ

=

Thể tích vật đệm

V = H S = F/σ = 1230/204 =6 m3

Xác định đường kính tháp

Xác định vận tốc giới hạn:

125 , 0 25

, 0 3

16 , 0 2

75 , 1 022 , 0

.

lg ⎟ ⎟ = − ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

x

y e

R

x y gh

G

L V

ρ ρ

μ ρ σ ω

66 , 1 2 , 1

14003000 =

=

G

20 273

273 293 ,

+

= ρ

ρy/ ρx = 1,2 / 1000 = 0,0012 ; μx = 1mPas ; VR = 0,74 m3/m3

ωgh = 1,56 m/s

ωy = 1,56 0,75 = 1,17 m/s

Diện tích tháp

2

358 , 0 2 , 0 17 , 1 3600

1810

G S

y y

=

=

=

ρ ω

Đường kính: D 0,675m

785 , 0

358 ,

S

V

358 , 0

6 =

=

=

Ví dụ 4:

Hãy xác định hệ số truyền khối trong tháp hấp thu CO2 bằng nước theo các dữ liệu sau: lưu lượng hỗn hợp khí 5000 m3/h ở áp suất khí quyển Lưu lượng nước sạch là 650 m3/h, nồng độ CO2 ban đầu trong pha khí là 28,4% (thể tích), nồng độ cuối 0,2% (thể tích) Aùp suất trong tháp là P = 16,5 kg/cm2, nhiệt độ 15oC

Tháp có hai lớp đệm: lớp dưới nặng 3 tấn, vòng sứ 50x50x5mm, lớp trên nặng 17 tấn, vòng sứ 35 x 35 x 4mm Hệ số thấm ướt cho bằng 1, khối lượng riêng ρ2 = 505 kg/m3, σ2 = 140m2/m3 Đường cân bằng có dạng p* = E.x = 0,93.106.x (mmHg) = 0,124.106x (KPa)

Giải:

1 Diện tích bề mặt đệm

1

1 1

530

5 , 87 3000

m

G

ρ σ

2

2 2

505

140 17000

m

G

ρ σ Tổng diện tích F = f1 + f2 = 5212 m2

2 Lượng CO 2 được hấp thu

Lưu lượng thể tích CO2 ban đầu:

VđCO2 = Vđhh.Yđ = 5000 0,284 = 1420 m3/h

Lưu lượng thể tích CO2 ở đầu ra:

c c

d dhh

y y

V

2 , 7 002 , 0 002 , 0 1

1420 5000

−

−

=

−

−

Lưu lượng thể tích CO2 được hấp thu:

VCO2 = VđCO2 – Vc CO2 = 1420 – 7,2 = 1412,8 m3/h (ở p = 1kg/cm2, t = 15oC)

Lưu lượng khối lượng CO2 được hấp thu:

kg CO

T

T V

15 273

273 8 , 1412 0

0

+

=

2 1,976

4 , 22

44 4 , 22

CO

M

=

=

= ρ

Lưu lượng mol CO2 được hấp thụ

M = 2630 /44 = 60 kmol/h

3 Động lực quá trình hấp thụ

Động lực ban đầu (đáy tháp):

Áp suất tổng trong tháp:

P = 16,5 kg/cm2 = 1620 kPa

Áp suất riêng phần CO2 ban đầu

Pđ = P yđ = 1620.0,284 = 460 kPa

Phần mol CO2 trong nước ở đầu ra

O H

O H

CO RCO

CO RCO c

M

G M

G

M G

+

= +

18

1000 650 44

2630

44 2630

2 2

2 2

2 2

Áp suất bão hoà CO2 ở đầu vào

P*

đ = 0,00166 0,124.106 = 206 kPa

Động lực ban đầu: ΔPđ = P – P*

đ = 460 – 206 = 254 kPa

Động lực cuối (đỉnh tháp):

Aùp suất riêng phần CO2 ở đầu ra

Pc = P yc = 1620 0,002 = 3,24 kPa

Động lực cuối (đỉnh tháp)

ΔPc = P – P*

c = 3,24 – 0 = 3,24 kPa

Động lực trung bình:

P tb 57,4kPa

24 , 3

254 ln

24 , 3

254− =

=

Δ

4 Hệ số truyền khối

tb

P F

M

4 , 57 5212

2630

Δ

=

hoặc = 0,0088 0,133 = 0,0012 kg/m2.h.mmHg

Ví dụ 5:

Hãy xác định hệ số truyền khối đối với pha khí trong tháp hấp thụ dạng đệm, trong đó xảy

ra quá trình hấp thu SO2 từ hỗn hợp khí với N2 dưới áp suất khí quyển, nhiệt độ trong tháp là 20oC, tháp làm việc ở chế độ chảy màng Ở nhiệt độ này, độ nhớt động lực học của hỗn hợp khí là 0,0175.10-3 Pa.s và Dy = 10,3.10-6 (ở điều kiện chuẩn)

Vận tốc khí qua tháp là 0,35 m/s Vật liệu đệm là các than (dạng cục) có σ = 42 m2/m3, VR

= 0,58 m3/m3

Giải:

Phương trình chuẩn số Nu đối với chế độ chảy màng:

33 , 0 655 ,

Re 407 ,

y

y

y y

ρ ω 4

Re =

293 4 , 22

273 28

m kg

2210 10

0175 , 0 42

16 , 1 35 , 0 4 4

Re = y y = −3 =

ρ ω

Dy = 6 1,5 11,45.10 6m2s

273

293 10

3 ,

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

32 , 1 10 45 , 11 16 , 1

10 0175 , 0

y y

y y

D

ρ

μ

→ Nu y =0,407.22100 , 655.1,320 , 33 =8,0

de = V R 0,055m

42

58 , 0 4

σ

Heä soá truyeàn khoái:

055 , 0

10 45 , 11 8

s m d

D Nu

e

y y

β

BÀI TẬP CHƯƠNG 2

1 Hãy xác định động lực trung bình và số đơn vị thiết kế tổng quát noy khí hấp thu hơi benzen từ hỗn hợp khí bằng dầu khoáng Nồng độ benzen ban đầu là 4% (thể tích), hiệu quả hấp thụ 80% Nồng độ benzen trong dầu khoáng sau khi hấp thụ là 0,02 kmol benzen/kmol dầu khoáng, dầu khoáng ban đầu không chứa benzen Phương trình đường cân bằng có dạng: Y* = 0,126 X

Biểu diễn động lực ở đơn vị nồng độ Y (kmol benzen/kmol khí trơ)

2 Trong tháp hấp thu SO2 từ hỗn hợp khí Nitơ bằng nước ở áp suất khí quyển (760 mmHg), nồng độ ban đầu SO2 trong khí là 5% (thể tích), nhiết độ nước 20oC, lưu lượng chất lỏng lớn hơn 20% so với lưu lượng tối thiểu Hiệu quả xử lý đạt 90% Hãy xác định:

a) Lưu lượng nước để hấp thu 100kg/h SO2

b) Động lực trung bình

c) Số đơn vị thiết kế tổng quát noy

Đường cân bằng là đường thẳng đi qua 2 điểm:

(1) áp suất bão hoà SO2 p = 39 mmHg khi

O kgH

kgSO X

2

2

007 , 0

=

(2) p = 26 mmHg khi

O kgH

kgSO X

2

2

005 , 0

=

3 Trong tháp hấp thu tiến hành hấp thu hơi metilic bằng nước ở áp suất khí quyển và nhiệt độ 27oC Nồng độ metilic trong dòng khí vào là 100g/1m2khítrơ (ở điều liện làm việc) Ở đầu ra nước có nồng độ 67% nồng độ cân bằng Phương trình độ hoà tan metilic trong nước ở nồng độ tỉ số mol có dạng: Y* = 1,15 X Hiệu quả hấp thu là 98%, hệ số thiết kế kx = 0,5

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

) 0

m

metilic kmol

2

2

kmolH metilic kmol h

Lưu lượng khí trơ 1200m3/h (ở điều kiện

làm việc) Tháp hấp thu chứa đệm là các vòng sứ có diện tích bề mặt riêng 190m2/m3 Hệ số thấm ướt ψ = 0,87 Vận tốc khí trong tháp là wy = 0,4 m/s Hãy xác định lưu lượng nước và chiều cao lớp đệm cần thiết

4 Tháp hấp thu có đường kính 0,5 m được dùng để xử lý khí thải có lưu lượng 550 m3/h (ở

760 mmHg và 20oC) chứa 2,8% (thể tích NH3, được hấp thu bằng nước Hiệu quả xử lý NH3 là 0,95, lưu lượng nước lớn hơn lưu lượng tối thiểu 40% Hãy xác định:

a) lưu lượng nước

b) số đơn vị thiết kế tổng quát noy

c) Chiều cao lớp đệm sứ kích thước 50 x 50 x 5mm,

Cho hệ số thiết kế Ky = 0,001

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

)

m

kmol

3 2

3

kk kmol NH kmol s

NH Đường cân bằng có dạng ở ví dụ

10 Hệ số thấm ướt đệm ψ = 0,9

5 Hãy đưa ra công thức tính chiều cao 1 đơn vị thiết kế trong tháp đệm đối với pha lỏng

hx từ phương trình Nux = 0,0021 Re0,75

x.Pr0,5 x

6 Không khí bị ô nhiễm NH3 được cho qua tháp hấp thu bằng nước, chứa đệm có bề mặt riêng phần 89,5 m2/m3, thể tích rỗng 0,79 m3/m3, nhiệt độ hấp thu là 28oC, áp suất 1kgf/cm2 Nồng độ trung bình của NH3 trong hỗn hợp khí là 5,8% (thể tích) Vận tốc khối lượng của khí trên toàn tiết diện tháp là 1,1kg/m2.s Hãy xác định hệ số thiết kế đối với pha khí, cho rằng tháp hấp thu làm việc ở chế độ chảy màng

7 Hãy tính hệ số thiết kế đối với pha lỏng trong tháp đệm, dùng để hấp thu CO2 ở nhiệt độ 20oC Mật độ nước 60m3/m2.h Vật liệu đệm bằng vòng sứ 35x35x4mm, hệ số thấm ướt ψ = 0,56

8 Hãy tính hệ số thiết kế đối với pha khí trong tháp hấp thu hơi benzen theo các dữ liệu sau: đệm dạng dây cung 12,5x100 mm có khoảng cách giữa chúng b = 25mm (de = 2b = 0,05m); vận tốc khí tính cho toàn tiết diện tháp là 0,95 m/s, khối lượng riêng của khí 0,5kg/m3; độ nhớt vận động của khí 0,013 mPaS, hệ số khuếch tán benzen trong pha khí 16.10-6 m2/s Chế độ chảy màng

9 Hãy xác định đường kính và chiều cao tháp hấp thụ dạng mâm để hấp thụ NH3 bằng nước từ hỗn hợp không khí – NH3 ở áp suất khí quyển và ở 29oC Nồng độ NH3 ban đầu 7% (thể tích) Hiệu quả hấp thụ 90% lưu lượng khí trơ (không khí) 10000m3/h (ở điều kiện làm việc) Đường cân bằng là đường thẳng có dạng Y* =0,61X Vận tốc khí trong tháp là 0,8 m/s khoảng cách giữa các mâm là 0,6m Hệ số hiệu dụng trung bình của các mâm là 0,62, hệ số chất lỏng dư là 1,3

10 Theo điều kiện bài tập 9 Hãy xác định:

a) Chiều cao tháp hấp thụ các đệm là vòng sứ 50 x 50 x 5mm, cho he chiều cao lớp đệm tương đương 1 mâm lý thuyết bằng 0,85 m

b) Hệ số thiết kế trong tháp đệm ky

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

)

m

kg

3 2

3

kk kg

NH kg s NH

cho hệ số thấm ướt bằng ψ = 0,9

11 Theo dữ liệu bài 9 và 10 Hãy xác định chiều cao lớp đệm qua số đơn vị truyền khối tổng quát noy và chiều cao 1 đơn vị thiết kế hoy

12 Tháp hấp thu để thu hồi hơi benzen từ hỗn hợp hơi được tưới bằng dầu khoáng có khối lượng phân tử là 260kg/kmol, áp suất trung bình trong tháp đệm là 800mmHg, nhiệt độ

40oC, lưu lượng hỗn hợp hơi là 3600m3/h (ở điều kiện làm việc) Nồng độ benzen trong hỗn hợp trong dầu ở đầu vào sau khi tái sinh là 0,2% (mol), lưu lượng dầu khoáng bằng 1,5 lần lưu lượng tối thiểu Để tính đường cân bằng cho rằng độ hoà tan benzen trong dầu tuân theo định luật Raul Nếu nồng độ benzen trong dầu nhỏ hơn X = 0,1 kmol benzen/kmol dầu, đường cân bằng là đường thẳng Y* = f (X) Hãy xác định:

a) Lưu lượng dầu kg/h

b) Nồng độ benzen trong dầu ở đầu ra

c) Đường kính và chiều cao tháp hấp thụ dạng đệm nếu vận tốc khí là 0,5 m/s và chiều cao 1 đơn vị thiết kế hoy =0,9 m

d) Chiều cao tháp hấp thụ dạng mâm nếu hệ số hiệu dụng trung bình mâm η = 0,67, khoảng cách giữa các mâm là 0,4 m

13 Một tháp đệm đường kính 1m được dùng để hấp thụ SO2 trong khí thải bằng nước Nồng độ SO2ban đầu là 7% (thể tích) Hiệu quả hấp thụ 0,9 ở đầu ra nồng độ SO2 trong nước là 0,0072 kgSO2/kg H2O hệ số thiết kế Ky = 0,005

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

) m

kg

2 2

2

kk kg SO kg s

SO

, vật liệu đệm

là các vòng sứ 50x50x5mm Hệ số thấm ướt đệm ψ = 1 Chiều cao 1 đơn vị thiết kế hoy

= 1,17m Hãy xác định lưu lượng nước

14 Một tháp hấp thu được dùng để xử lý khí thải chứa benzen 300kg/h ở áp suất khí quyển và nhiệt độ 20oC Nồng độ hơi benzen trong hỗn hợp khí ban đầu là 4% (thể tích) Hiệu quả hấp thu benzen là 0,85, chất lỏng hấp thu vào tháp sau tái sinh chứa 0,0015 kmol/kmol dầu Vận tốc khí trong tháp là 0,9m/s phương trình đường cân bằng Y* = 0,2

X hệ số dung môi dư là 1,4 Hãy xác định đường kính tháp và nồng độ benzen trong dầu ở đầu ra