Đồ án tính toán và thiết kế tháp hấp thu mâm chóp để hấp thu so2

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quátrình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai.. Hấp thu là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí

LỜI CẢM ƠN

Đề tài của em là: “Hấp thu mâm chóp” Đây là một đề tài không dễ mà cũngkhông khó Ngoài việc tìm thêm tài liệu, sự hỗ trợ từ giáo viên hướng dẫn là cũng làmột điều cần thiết để em hoàn thành đồ án này

Và sau một thời gian tính toán với sự giúp đỡ của thầy hướng dẫn, em đã hoànthành bản báo cáo đồ án này Tuy nhiên, do em chưa có nhiều kinh nghiệm tính toán vàkiến thức chuyên sâu về máy, thiết bị, nên những sai sót trong tính toán là điều khôngthể tránh khỏi Em rất mong nhận được những ý kiến của thầy để đồ án sau của em cóthể tốt hơn

Em xin cảm thư viện trường đã tạo điều kiện cho em có được tài liệu tham khảo,cảm ơn thầy Nguyễn Hữu Trung đã giúp đỡ tận tình em hoàn thành đồ án, cùng thầyTiến cũng đã giúp em giải đáp một số thắc mắc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả: Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014

Giáo viên hướng dẫn

(Ký ghi họ và tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2014

Giáo viên phản biện

(Ký ghi họ và tên)

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 3

1 Tổng quan về khí SO2 và xử lí 3

1.1 Tổng quan về SO2 3

1.2 Phương pháp xử lí SO2 3

2 Tổng quan về hấp thu và hấp thu mâm chóp 3

2.1 Hấp thu 3

2.2 Thiết bị mâm chóp (đĩa chóp) 3

3 Khảo sát, lựa chọn dung môi 3

4 Sơ đồ quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình 3

CHƯƠNG II: CÂN BẰNG CHẤT VẬT 3

1 Các thông số ban đầu 3

2 Tính toán 3

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ CHÍNH 3

1 Đường kính tháp 3

2 Tính chiều cao thân tháp 3

3 Thiết kế đĩa chóp 3

4 Tính và lựa chọn kết cấu thiết bị chính 3

4.1 Tính chiều dày thân tháp 3

4.2 Tính chiều dày đáy, nắp thiết bị 3

5 Chọn mặt bích 3

5.1 Mặt bích nối nắp với thân 3

5.2 Bích để nối các ống dẫn 3

5.2.1 Đường kính ống dẫn khí vào 3

5.2.2 Ống dẫn khí ra 3

5.2.3 Ống dẫn dòng lỏng vào 3

5.2.4 Ống dẫn dòng lỏng ra 3

6 Chọn chân đỡ 3

6.1 Chọn chân đỡ: 3

6.2 Chọn tai treo : 3

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ PHỤ 3

1 Bơm 3

2 Quạt 3

KẾT LUẬN: 3

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 3

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Số liệu kích thước mặt bích nối thân, nắp 3

Bảng 2: Số liệu kích thước mặt bích để nối các ống dẫn 3

Bảng 3: Số liệu kích thước của chân đỡ 3

Bảng 4: Số liệu kích thước tai treo thiết bị 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Sơ đồ quá trình hấp thu 3

Hình 2: Vẽ số mâm lý thuyết 3

Hình 3: Bố trí chóp minh họa, và đĩa phân phối 3

Hình 4:Mặt bích để nối nắp với thân 3

Hình 5: Bích nối các ống dẫn 3

Hình 6 : Chân đỡ thiết bị 3

Hình 7: Tai treo thiết bị 3

LỜI MỞ ĐẦU

Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và cùng với nó là nhu cầu ngày càng cao về

độ tinh khiết của các sản phẩm Vì thế, các phương pháp nâng cao độ tinh khiết luônluôn được cải tiến và đổi mới để ngày càng hoàn thiện hơn, như là: cô đặc, hấp thụ,chưng cất, trích ly,… Tùy theo đặc tính yêu cầu của sản phẩm mà ta có sự lựa chọnphương pháp phù hợp Đối với hệ SO2- không khí là 2 cấu tử tan lẫn hoàn toàn, ta dùngphương pháp hấp thu để làm sạch khí

Đồ án môn học Quá trình và Thiết bị là một môn học mang tính tổng hợp trong quátrình học tập của các kỹ sư Công nghệ Hóa học tương lai Môn học giúp sinh viên giảiquyết nhiệm vụ tính toán cụ thể về: quy trình công nghê, kết cấu, của một thiết bị trongsản xuất hóa chất - thực phẩm Đây là bước đầu tiên để sinh viên vận dụng nhữngkiến thức đã học của nhiều môn học vào giải quyết những vấn đề kỹ thuật thực tế mộtcách tổng hợp

SO2 là chất khí không màu, mùi kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan trongnước, khi hòa tan trong nước tạo thành dung dịch Sunfuro, SO2 có nhiệt độ nóng chảy

và nhiệt độ sôi ở Nguyên tử S trong phân tử SO2 có cặp electron hóatrị tự do, linh động và ở trạng thái oxy hóa trung gian (+4) nên SO2 có thể tham giaphản ứng theo nhiều kiểu khác nhau

Trong môi trường không khí SO2 dễ bị oxi hóa và biến SO3 trong khí quyển, SO3 tácdụng với nước trong môi trường ẩm và biến thành axit hoặc muối Sunfat Chúng sẽnhanh chóng tách khỏi khí quyển và gây ô nhiễm môi trường đất và nước SO2 làmthiệt hại mùa màng, nhiễm độc cây trồng Mưa axit có nguồn gốc từ SO2 làm thay đổi

pH của đất, nước, hủy hoại các công trình kiến trúc, ăn mòn kim loại

 Chính vì những tác động tiêu cực trên mà việc giảm tải lượng cũng như nồng độ

SO2 phát thải SO2 vào môi trường đang là vẫn đề rất được quan tâm

1.2 Phương pháp xử lí SO 2

SO2 được xử lí bằng phương pháp các phương pháp khác nhau trong đó hấp thu làchủ yếu, để hấp thu SO2 ta có thể dùng nước, dung dịch hoặc huyền phù của muối kimloại kiềm, kiềm thổ

Hấp thu bằng nước:

dụng lưu lượng dung môi lớn

2 Tổng quan về hấp thu và hấp thu mâm chóp.

2.1 Hấp thu

Trong quá trình sản xuất hóa học thường chúng ta thu được hỗn hợp nhiều cấu tư,muốn tiếp tục gia công, chế biến chúng thì chúng ta phải tách chúng ra thành từng cấu

tử Có nhiều phương pháp để tách hỗn hợp khí ra thành các cấu tử riêng biệt, trong đóhấp thu là phương pháp rất quan trọng để: Thu hồi cấu tử quý, làm sạch khí, tạo hỗnhợp thành cấu tử riêng biệt hay tạo sản phẩm cuối cùng Trong đó làm sạch khí là vấn

đề được đề cấp đến trong nhiệm vụ đồ án này

Hấp thu là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thu, chấtlỏng dùng để hút gọi là dung môi, khí không bị hút gọi là khí trơ

2.2 Thiết bị mâm chóp (đĩa chóp)

Trong sản xuất người ta dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiên quá trìnhhấp thu, với yêu cầu chung là bề mặt tiếp xúc pha lớn Các loại thiết bị thường dùngnhư: Thiết bị loại bề mặt, loại màng, loại đệm, loại đĩa, loại thiết bị phun Trong đó,thiết bị loại tháp mâm (đĩa) là loại thiết bị được giới thiệu trong nhiệm vụ đồ án này.Tháp đĩa được ứng dụng rất nhiều trong kĩ thuật hóa học Trong tháp đĩa khí hơiphân tán qua các lớp chất lỏng chuyển động chậm từ trên xuống dưới, sự tiếp xúc riêngbiệt trên các đĩa (Người ta thường chọn tháp làm việc ở chế độ chảy dòng hoặc sủibọt) Trong tháp đĩa người ta phân ra thành tháp đĩa chóp, tháp đĩa lưới… Trong đồ ánlần này tháp đĩa chóp được chọn để hấp thu, vì tháp đĩa chóp có ưu điểm là: Hiệu suấttruyền khối cao, ổn định, ít tiêu hao năng lượng hơn nên số mâm ít hơn, nhưng bêncạnh đó cũng có nhược điểm là chế tạo phức tạp, trở lực lớn

3 Khảo sát, lựa chọn dung môi

Quá trình hấp thu thực hiện được tốt hay xấu phần lớn do tính chất của dung môiquyết định Một dung môi tốt cần có những đặc điểm sau đây:

1 Có tính hòa tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hòa tan tốt cấu tử cần phân tách vàkhông hòa tan các cấu tử còn lại hoặc chỉ hòa tan không đáng kể Đây là tínhchất chủ yếu của dung môi

2 Độ nhớt dung môi bé, chất lỏng chuyển động dễ dàng và trở lực nhỏ, làmcho hệ số truyền khối lớn

3 Nhiệt dung riêng bé, ít tốn nhiệt khi hoàn nguyên dung môi

4 Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của chất hòa tan, như vậy dễ tách cấu

tử ra khỏi dung môi

5 Nhiệt độ đóng rắn thấp, tránh hiện tượng đóng rắn làm tắt thiết bị

6 Không tạo kết tủa, khi hòa tan tránh tắt thiết bị và thu hồi cấu tử đơn giảnhơn.

7 Ít bay hơi mất mát ít

8 Không độc với người, không ăn mòn thiết bị

Trong thực tế thì không có dung môi nào đạt được tất cả các tính chất trên, khichọn dung môi phải dựa vào điều kiện cụ thể mà quan trọng nhất là tính hòa tanchọn lọc

Sau khi suy đi, tính lại, đối chiếu các điều kiện thì nước là dung môi phù hợp,thỏa đáng và phù hợp với nhiều điều nhất cho hấp thu SO2 trong đồ án này,nước cũng là dung môi có sẳn và dễ kiếm

4 Sơ đồ quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình

Hình 1: Sơ đồ quá trình hấp thu

CHÚ THÍCH:

 Thuyết minh quy trình

Nước từ bồn chứa nước 1 qua van được bơm 2 bơm lên bồn cao vị 4 được duy trì ởmột lượng không đổi thông qua sự điều chỉnh lưu lượng ở van (nếu đầy nước quá thìnước sẽ chảy theo ống chảy tràn 5 xuống lại bồn chứa nước 1) Sau đó nước từ thùngcao vị chảy theo ống xuống lưu lượng kế 6 để kiểm soát lượng nước thông qua điềuchỉnh van, sau đó vào tháp hấp thu 7

Hỗn hợp khí chứa SO2 12 cần hấp thu sẽ được máy quạt khí 9 quạt vào ống đến lưulượng kế 10 và được điều khiển bởi van để kiểm soát lưu lượng khí sau đó vào tháp.Trong tháp hấp thu 7 thì dòng nước được đưa từ trên xuống, còn dòng khí chứa SO2cần hấp thu được đưa từ dưới lên, hai dòng này sẽ tiếp xúc ngược chiều nhau, khí SO2được hấp thu sẽ đi lên nắp tháp và theo ống xả khí ra ngoài, còn dòng nước hấp thu sẽ

đi qua đáy tháp qua van xả dung môi và chảy vào thùng chứa nước sau hấp thu để xử líhay nhả hấp thu thì tùy

CHƯƠNG II: CÂN BẰNG CHẤT VẬT

1.Các thông số ban đầu

 Gd: lưu lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thu, kmol/h

 Gc: lưu lượng hỗn hợp khí đi ra khỏi thiết bị hấp thu, kmol/h

 Yd: nồng độ đầu của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ

 Yc: nồng độ cuối của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ

 Ld: lưu lượng hỗn hợp lỏng đi vào thiết bị hấp thu, kmol/h

 Lc: lưu lượng hỗn hợp lỏng đi ra khỏi thiết bị hấp thu, kmol/h

 Ltr: lưu lượng dung môi tinh khiết cần sử dụng, kmol/h

 Xd: nồng độ đầu của hỗn hợp lỏng, kmol/kmol dung môi

 Xc: nồng độ cuối của hỗn hợp lỏng, kmol/kmol dung môi

 Gtr: lưu lượng khí trơ vào thiết bị, kmol/h

Số liệu cho trước:

 Tháp mâm chóp: Hỗn hợp SO2 – Không khí

 Áp suất làm việc: 1atm = 101325 Pa

 Nhiệt độ làm việc:

 Hỗn hợp khí ra khỏi tháp có hàm lượng SO2: 2,5% thể tích

 Lưu lượng hỗn hợp khí ra khỏi tháp: 2400

 Hiệu suất hấp thu: 80%

 Nồng độ đầu của dung môi: 1,5% khối lượng SO2

2.Tính toán

Lưu lượng hỗn hợp khí ra khỏi tháp là 2400 , làm việc ở nhiệt độ và ápsuất 1atm nên:

Hỗn hợp khí ra khỏi tháp có hàm lượng SO2 2,5% nên yc=0,025

Áp dụng định luật Raoult, ta có phương trình đường cân bằng:

Ycb = trong đó

Pbhi: áp suất hơi bão hòa của SO2 ở nhiệt độ 308oC

(Table 2-8, page 2-60, [III])

thay vào phương trình cân bằng ta được

Thiết lập phương trình đường làm việc:

Lượng dung môi cần sử dụng Ltr=b.Ltrmin

Hay Y = 9.X – 0,013

Số mâm lý thuyết đếm trên hình là 6 mâm

Hình 2: Vẽ số mâm lý thuyết

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN THIẾT BỊ CHÍNH

1.Đường kính tháp

Áp dụng công thức:

(Công thức IX.89, trang 181, [II])

Trong đó:

Vtb lưu lượng khí trung bình đi trong tháp )

tốc độ khí trung bình đi trong tháp (m/s)

Tính lưu lượng khí trung bình theo

Theo đề cho Gc=2400Theo cân bằng vật chất ở trên

: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (

: khối lượng riêng trung bình của pha khí (

h: khoãng cách giữa các đĩa (m)

Với D = 0,6 1,2 thì (Bảng trang 184, Sổ tay quá trình vàthiết bị hóa chất tập II) Ta chọn h=0,3

(kmol/kmol hỗn hợp)

 Mxtb=0,00981.64+(1-0,00981).18=18,45(kg/kmol)Lại có: (Công thức IX.104a, trang 183, [II])với atb1 là phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng

(kg/kg)

( (Bảng I.5, trang 12, [I])

(Bảng I.2, trang 9, [I])

2.Tính chiều cao thân tháp

H = Ntt H đ  + (0,8 1) (m) (Công thức IX.54, trang 169, [II])

Trong đó:

H : khoãng cách giữa các đĩa, chọn theo đường kính như trên H =0,3 (m)

0,8 1: khoãng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị, chọn bằng 0,9 (m)

:chiều dày của đĩa (m) đã chọn = 2.10-3 (m)

Ntt : số đĩa thực tế

Trong đó :

Nlt là số mâm lý thuyết ta đã đếm được 6 mâm

Eo là hiệu suất mâm tổng quát Ta sẽ xác định hiệu suất mâm tổng quát cho tháphấp thu mâm chóp dựa vào Hình 5.24a (trang 93, [IV]) Tìm  :

(Bảng I.101, trang 91, [I])

ta được phương trình hồi quy để tính độ nhớt của SO2 : y.106=354-2,5x(x là nhiệt độ, y là độ nhớt)

=0,2665 (cP)(Ns/m2) = 0,7225 (cP) (Bảng I.102, trang 94, [I])

x1, x2 : lần lượt là phần mol của SO2 và nước trong hỗn hợp lỏng

0,00981 (mol/mol hỗn hợp)

 x2=(1-x1)=(1-0,00981)=0,99019 (mol/mol hỗn hợp)Suy ra :

 Số chóp phân bố trên đĩa:

(Công thức IX.212, trang 236, [II])

 Đường kính ống hơi dh, thường 50, 75, 100, 120,… mm Ta chọn dh= 0,05 (m)

 chóp

 Chọn n = 34 chóp

 Đường kính chóp:

dch = (m) (Công thức IX.214, trang 236, [II])

: là chiều dày chóp, nằm trong khoãng 2 3 (mm)

Ta chọn = 2 (mm) = 2.10-3 (m)

 Chiều cao chóp phía trên ống hơi

h2 = 0,25dh (Công thức IX.213, trang 236, [II])

 h2 = 0,25.0,05 = 0,0125 (m)

 chiều cao khe chóp

b = (Công thức IX.215, trang 236, [II])

: là hệ số trở lực của đĩa chóp 1,5 2 lấy = 2

=

Vy: lưu lượng hơi đi trong tháp = Vtb = 2520 (m3/h)

 Số lượng khe hở của mỗi chóp:

(Công thức IX.216, trang 236, [II])

c: khoãng cách giữa các khe , chọn c = 0,003 (m).

 bước tối thiểu của chóp trên đĩa:

tmin = dch + 2ch + l2 (Công thức IX.220, Trang 237, [II])

 Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền

l3 = 0,25dc (Công thức IX.218, trang 237, [II])

l3 = 0,25.0,05 = 0,0125 (m)

 Bề dày ống chảy chuyền:

 Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa

hc = (h1 + b + S) - h (Công thức IX.219, trang 237, [II])

h1:Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: h1 = 0,015  0,040 (m)

Chọn h1 = 0,03 (m) (trang 236, [II])

S: là khoãng cách từ mặt đĩa đến chân chóp (Trang 236, , [II])

chọn S = 0,0125 (m)

 Chọn chiều cao gờ chảy tràn là 0,05 (m)

 Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất:

t1 = dc/2 + c + dch + ch + l1

với l1 là khoãng cách gần nhất giữa chóp và ống chảy chuyền : Chọn l1 = 0,075(m) => t1 = 0,05/2 + 0,002 + 0,074 + 0,002 + 0.075 = 0,178 (m)

 = : chiều cao chất lỏng bên trên ống chảy chuyền (hay trên gờ chảy tràn)

= (m) (Công thức trang 237, [II])

V: là thể tích chất lỏng chảy qua ống chảy chuyền (m3/h)

Vx thể tích chất lỏng trung bình đi trong tháp

Trong đó:

= : chiều cao chất lỏng bên trên ống chảy chuyền

: Khối lượng riêng của bọt (trang 194, [II])

Chọn = = 0,5.1002,88 = 501,44 (Kg/m3)F: là diện tích bề mặt có gắn chóp (nghĩa là trừ đi 2 phần diện tích để ống chảychuyền) (Trang 185, [II])

F = Sđ – 2.S1

Sđ là diện tích đĩa, Sđ =

S1: là diện tích 1 ống chảy chuyền, tương đối nhỏ so với Sđ Vậy nên F gần = Sđ = 0,636 (m2)

hx: là chiều cao lớp chất lỏng trên mâm:

hx = h1 + ( S + hsr + b ) hsr : khoảng cách từ mép dưới của chóp đến mép dưới của khe chóp, chọn hsr = 5 mm

hb = + +

= 0,07(m)

Hình 3: Bố trí chóp minh họa, và đĩa phân phối (1- chóp, 2- ống hơi, 3- gờ chảy tràn, 4- vỏ thiết bị, 6- vít điều chỉnh gờ chảy chuyền, 7- ống chảy chuyền, 8- ống vận chuyển hơi, 9- ống vận chuyển chất lỏng, 10- đĩa, 11-

thanh đỡ)

4.Tính và lựa chọn kết cấu thiết bị chính

 Chọn vật liệu:

Với đặc tính là một oxit axit có tính ăn mòn nên chọn vật liệu bền chịu ăn mòn:chọn vật liệu thép CT3.

Đặc tính kỹ thuật của thép CT3: (Bảng XII.4, trang 309, [II])

+ Có giới hạn bền khi kéo : k = 380.106 N/m2

+ Có giới hạn khi chảy c = 240.106 N/m2 (Chọn với chiều từ 4 đến 20 mm)

+ Khối lượng riêng : CT3 = 7850 kg/m3 (Bảng XII.7, trang 313, [II])

4.1 Tính chiều dày thân tháp

- Thân tháp hình trụ cao 5,4m đường kính trong 0,9m

- Bố trí: gồm nhiều đoạn được ghép lại với nhau bằng bích nối

- Chiều dày của thân tháp được tính theo:

S = (Công thức XIII.8, trang 360, [II])

: là hệ số bền của hình trụ theo phương dọc, trường hợp thành kín hay có lỗ đượcgia cố hoàn toàn thì ( trang 363, [II])

= 0,95 (Bảng XIII.8, trang 362, [II]) (áp dụng cho hàn giáp mối 2 bên củathép Cacbon, thép không rỉ và hai lớp)

Dt - Đường kính trong của tháp Dt = 0,9m

C - Hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về bề dày

C = C1 + C2 + C3 (Công thức XIII.17, trang 363, [II])

C1- hệ số bổ sung do ăn mòn với thép CT3: C1 = 0,05mm/năm Chọn thời gian =

20 (năm)