đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ so2 từ không khí

PHẦN III: TÍNH TOÁN I. TÍNH TOAÙN CÔNG NGHỆ I.1. Caùc thoâng soá ban ñaàu Löu löôïng khí thaûi : 1500 m3/h. Noàng ñoä SO2 ban ñaàu: yđ = 10% Noàng ñoä SO2 sau khi xöû lyù: yc = 0,5% Nồng độ ban đầu của SO2 trong nước xđ = 0 Choïn nhieät ñoä cuûa nöôùc haáp thu laø 30oC . I.2. Tính caân baèng vaät chaát Phöông trình caân baèng cuûa dung dòch haáp thu SO2 baèng H2O ñöôïc bieåu dieãn theo ñònh luaät Henri : P = H*x hoaëc y* =m*x . Trong ñoù : y* : noàng ñoä phaân mol cuûa SO2 trong doøng khí ôû ñieàu kieän caân baèng . x : noàng ñoä phaân mol khí hoøa tan trong pha loûng . P : aùp suaát rieâng phaàn cuûa caáu töû khí hoøa tan khi caân baèng . Pt : aùp suaát toång cuûa heä haáp thu . H : heä soá Henry . ÔÛ 30oC : H = 0.0364*106 (mmHg) . [2,Baûng IX.1,p.139] m : heä soá phaân boá . m = = =47.894 y = x = Thay vaøo treân ta ñöôïc : =m * Suy ra : Y* = = Trong ñoù :

PHẦN III: TÍNH TỐN

I TÍNH TOÁN CƠNG NGHỆ

I.1 Các thông số ban đầu

Lưu lượng khí thải : 1500 m3/h

Nồng độ SO2 ban đầu: yđ = 10%

Nồng độ SO2 sau khi xử lý: yc = 0,5%

Nồng độ ban đầu của SO2 trong nước xđ = 0

Chọn nhiệt độ của nước hấp thu là 30oC

I.2 Tính cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng của dung dịch hấp thu SO2 bằng H2O được biểu diễn theo định luật Henri :

y* : nồng độ phân mol của SO2 trong dòng khí ở điều kiện cân bằng

x : nồng độ phân mol khí hòa tan trong pha lỏng

P : áp suất riêng phần của cấu tử khí hòa tan khi cân bằng

Pt : áp suất tổng của hệ hấp thu

H : hệ số Henry

Ở 30oC : H = 0.0364*106 (mmHg) [2,Bảng IX.1,p.139]

m : hệ số phân bố

Trong đó :

0.00015

0.00018

0.0002

0.00025

0.0003

Đồ Thị Cân Bằng Của Dung Dịch Hấp Thu SO 2 Bằng

nước

0 0.002

Hình I.1 Đồ thị đường cân bằng pha

Nồng độ thể tích ban đầu của dòng khí :

yđ = 10% = 0,1Nồng độ đầu của pha khí theo tỷ số mol :

yc = 0,5% = 0,005 (KmolSO2/Kmolkhítrơ)Nồng độ cuối của pha khí theo tỷ số mol :

Lượng dung môi tối thiểu được sử dụng :

d

c d

tr X X

Y Y G

Gtr : suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp

X* : nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với Xđ

Từ đồ thị đường cân bằng ta xác định được :

X* = 0.00021 (KmolSO2/KmolH2O) Suy ra : 50,7035

00021,0

005,01,0

Do quá trình hấp thụ nồng độ cân bằng luơn lớn hơn nồng độ làm việc do đĩ lượng dung mơi thực tế luơn lớn hơn lượng dung mơi tối thiểu thường là 20%

Chọn Ltr = 1,2*Lmin

Với Ltr : lượng dung môi không đổi khi vận hành , kmol/h

Suy ra :

tr tr

tr

G

L G

* 2 1

 = 1,2*50,7035 = 60,8442Lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp hấp thu :

)30273(082,0

15001

Gtr = Ghh(1-yđ ) = 60,3719(1-0.1) = 54,3347 (Kmol/h)

Suất lượng dung môi làm việc :

Ltr = 60,8442Gtr = 60,844254,3347 = 3306 (KmolH2O/h)Phương trình cân bằng vật chất có dạng ;

Gtr Yđ + Ltr Xđ = Gtr Yc + Ltr Xc

Suy ra :

d c

c d tr

tr

X X

Y Y G

c d

G L

Y

Y 

8442,60

005,01111,0

Hình I.2 Cân bằng vật chất trong tháp hấp thụ

Ký hiệu :

Gđ , Gc : lượng hổn hợp khí đầu và cuối

Lđ , Lc : lượng dung dịch đầu và cuối.

tc , tc :nhiệt độ khí ban đầu và cuối , o C

Tđ , Tc :nhiệt độ dung dịch đầu và cuối , o C

Iđ , Ic :entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối , kJ/kg

Q0 :nhiệt mất mát , kJ/h

Phương trình cân bằng nhiệt lượng có dạng :

GđIđ + LđCđTđ + Qs = GcIc + LcCcTc + Q0

Với Qs – nhiệt lượng phát sinh do hấp thụ khí , kJ/h

Để đơn giản hoá vấn đề tính toán , ta có thể giả thiết như sau :

- Nhiệt độ mất mát ra môi trường xung quanh không đáng kể, Q0 = 0

- Nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào tháp :

tc = tđ = 300C

- Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thu :

Cđ = Cc = CH2O

Qs = q  Ltr  (Xc – Xđ)

Với mức độ gần đúng có thể coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thu:

 c d c c c c

tr d

d d

d I L C T q L X X G I L C T

c c

c c d d d c

d

C L

L q C

L

I G I G t L

Đồng thời ta cũng có thể bỏ qua mức độ biến đổi nhiệt của pha khí , tức là :

0

G

Như vậy , công thức tính nhiệt độ cuối Tc của dung dịch sẽ có dạng như sau :

 c d

c

tr d

C L

L q T

3

HSO = -12157.29 (kcal/mol) Nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử SO2 bị hấp thu :

q = (-70.96 - 68.317) – ( 0 – 12157.29) = 12018.013 (kcal/mol) Nhiệt độ cuối của dung dịch ra khỏi tháp :

c d X c X d

C

q T

= 30 + (0,0017 0) 30,003

184200

1018,4013,

Ta xem quá trình hấp thu là đẳng nhiệt

II TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

II.1 Các thông số vật lý của dòng khí :

- Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp hấp thu : d 2 c

ytb

V V

,1356





(m3/h)KLR trung bình của pha khí :

T

M y M

ytb

*4.22

273

*

*1



Trong đó :

+ M1 , M2 : Khối lượng mol của SO2 và không khí

+ T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hấp thu T = 300C

+ ytb1 : nồng độ phần mol của SO2 lấy theo giá trị trung bình

2

1 1

tb

y y

Với yd1 , yc1 : nồng độ phần mol của SO2 vào và ra khỏi tháp

1,0

%10

đ y y

005,0

%5,0

c y y

2

005,01,02

1 1

tb

y y y

+ M1 = MSO 2 = 64 (g/mol)

M2 = Mkkhí = 28.8 (g/mol)

Suy ra :ytb=  1,2327

)30273(4,22

2738,28)0525,01(640525,0

Độ nhớt trung bình pha khí ( của hổn hợp khí ) :

2

2 2 1

hh

hh



+ Mhh , M1 , M2 : khối lưượng phân tử của hổn hợp khí , của SO2 và không khí, kg/kmol

M1 = M SO2 = 64 (kg/kmol)

M2 = Mkk = 28.8 (kg/kmol)

6480,308,28)0525,01(640525,0)

.0128,0

0525,064648,30

G G

,1300

II.2 Các thông số vật lý của dòng lỏng :

- Vxtb : lưu lượng dòng lỏng trung bình

2

c đ xtb

V V

Vđ , Vc: lưu lượng dịng lỏng vào và ra khỏi tháp (m3/h)

955

1)183306(

1)



tr O H tr

đ L M V

Với : tr= 995 (kg/m3) là khối lượng riêng của nước ở 300C

Mtr : khối lượng phân tử của H2O , kg/kmol

Ltr : lưu lượng nước, kmol/h

- Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng :

V : thể tích trung bình của SO2 , H2O trong pha lỏng

Do lượng SO2 hoà tan trong dung dịch nhỏ nên Vtb1  0

- Độ nhớt trung bình của pha lỏng :

Do lượng cấu tử SO2 hoà tan trong dung dịch nhỏ nên có thể xem :

G G

183306

(kg/s)

II.3 Tính đường kính tháp hấp thu

Tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương , còn gọi là tốc độ đảo pha W’s (m/s ) được xácđịnh theo công thức :

1 4

1 16

0 3

2 '

* ) (

* 75 1

x n

x xtb d

ytb d s

G

G A

1 16

, 0 3

3 3

2

'

995

2327,14907,0

58,1675,1022,010

.005,1

10.8007,099579,081

,

9

2327,195

Suy ra : s’= 0,8160 (m/s)

Chọn tốc độ làm việc: tb=0,9s’= 0,7344 (m/s)

Đường kính tháp được xác định theo công thức :

0,85

36007349

,014,3

375,142844

V D



Chọn D = 0,9 (m)

II.4 Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối

-Chiều cao tương ứng một đơn vị truyền khối :

Y G h L

l

m h

Trong đó :

hG : chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha khí , m

hL : chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha lỏng , m

m : hệ số góc đường cân bằng

l : lượng dung môi tiêu tốn riêng , l =

tr

tr

G L

-hG và hL được xác định dựa vào các công thức thực nghiệm sau :

3

2 25

0 Pr

Rey y

t G

x

x L

Với : Vt = 0.79 m3/m3 , là thể tích tự do của đệm

 = 95 m2/m3 , là bề mặt riêng của đệm

a là hệ số phụ thuộc dạng đệm , đệm vòng Raschig a = 0,123

x =  xtb = 995 kg/m3 , là khối lượng riêng pha lỏng

x = xtb = 0.800710-3 (kg/m.s)

Các công thức chuẩn số Rey , Pry cho pha khí và Rex , Prx cho pha lỏng được tính như sau :

y

y y

y y

y y

x x

2 2

4907,0

58,16

F

G

+ y = 1.2810-5 kg/m.s , là độ nhớt pha khí

+  y =  ytb = 1.2327 kg/m3 là khối lượng riêng pha khí

+ Dx , Dy : là hệ số khuếch tán trong pha khí và trong pha lỏng , m2/s

II.4.1 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng

' 0.6 

5 0 12

*

*

*10

*4.7

A

B x

V

T M

T = 273 + 30 = 3030K , nhiệt độ khuếch tán

VA = 44.8 cm3/mol , là thể tích mol của dung chất

’: là dộ nhớt của dung dịch

3 0 12

10

* 9568 1 8

44

* 8007 0

303

* 18

* 6 2 10

* 4

2 1

2 3 1 3 1 2

3

*

* 10

* 3 4

A

V V P

T D

[4,(2-36),25]

Trong đó : T = 273 +30 = 3030K

P = 1 at , Aùp suất khuếch tán

MA , MB : là khối lượng mol khí SO2 và không khí

2 3 1 3

1

2 3 7

10 148 1 8 28

1 64 1 9

29 8 44

* 1

303

* 10

* 3

0732,2604,004

,0

x x

7717,04,04

,0

x y

108007,0

x x

1028,1

y y

Suy ra : 0,6359 94,1308

8578,59

1308,94

Dựa vào đồ thị hình IX.16 [ 2.178 ] , ta chọn  = 1 để dung môi thấm ướt đều lên đệm

II.4.5 Tính h G , h L

95123,1

79,0Pr

2 25

, 0 3

2 25 , 0

,21995

108007,0256Pr

Re

2 3 5

, 0 25 , 0 3 2

x L

L l

Suy ra : 0,97 1,04

8442,60

894,4728,



y

II.5 Xác định số đơn vị truyền khối m Y

Do cấu tử SO2 hoà tan trong dung dịch không dáng kể nên dung dịch hấp thu khá loãng , phương trình cân bằng có dạng như sau: Y*=0,208X

Y*

c=0,2080,0017=3,53610-4

1111,001111,0

646,4

1111,0ln

10646,41111,0

c đ tb

Y Y

Y Y Y

418,30335

,0

005,01111,0

Y

Y Y m

Suy ra: chọn chiều cao của tháp 5,2 (m)

II.7 Tính trở lực của lớp đệm :

-Tổn thất áp suất của đệm khô :

2 4

2

2 ' 3

' 2

d

d t

y td k

V

H d

H

P         



Trong đó : H = 4,16 m , là chiều cao lớp đệm

’ là hệ số trở lực của đệm , bao gồm cả trở lực do ma sát và trở lực cục bộ , phụ thuộc chuẩn số Rey :

d y

y td y

d W

Rey > 40 : chế độ xoáy ,  0 2

' Re

y = 1.8110-5 kg/m.s

dtd = 4 4950.79

d d

159,1033,07344,0

162 , 0 ,





Như vậy , thay số ta được :

2

159,17344,079,0

952,54

51,

x y m

y

x k

G A P P

1

y y

x G

108007,0995

2327,14908,0

58,

3

3 8

, 1

3 525

, 0 945

, 0

100128,0

108007,0995

2327,14908

,0

58,1610196,274

III.1 Tính chiều dày thân tháp :

Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn , nhiệt độ làm việc 300C

Pmt =1at=0.1 (N/m2 ) Nên ta chọn vật liệu là thép không rỉ để chế tạo thiết

bị

Chọn thép : X18H10T [2, Bảng XII.24, p.325]

- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn đối với thép X18H10T ở 300C :

[]* = 146 N/mm2 [9,hình1-2,22]

hệ số hiệu chỉnh  = 1 [9,26]

Ứng suất cho phép là :

[] = 1146 = 146 N/mm2

- Aùp suất tính toán : P tt P lv   gh

Plv : áp suất làm việc của môi trường

đ

H

(m)Suy ra : 0,0385 105 9,81 995 2,1 0,024

  0,0779

95,01462

024,09002

Thời hạn sử dụng là 20 năm , tốc độ ăn mòn là 0.1mm/ năm

Vậy : Ca = 0.120 = 2 (mm)

Cb : là hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường

Đối với TB hoá chất : Cb = 0 (mm)

Cc là hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo , lắp ráp , có thể bỏ qua

Cc=0

C0 là hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm

C0 = 0,9221 mm

Thay vào ta được : C = 2 + 0 + 0,9221 = 2,9221 (mm)

- Bề dày thực của thân trụ :

S = S’ + C = 0,0779 + 2,9221 = 3 (mm) Chọn bề dày thân S = 3 (mm)

- Kiểm tra điều kiện :   0 1

t

a

D

C S

Suy ra : 0,001 0,1

900

23







: thỏa điều kiện ([2],370)

- Aùp suất tính toán cho phép ở bên trong thiết bị :

[P] = 2*[ ]* ( *( ) )

a t

a h

C S D

C S

)23(95,01462

Vậy chiều dày thân được chọn là S = 3 (mm)

III.2 Tính chiều dày đáy, nắp

- Chọn đáy nắp elip tiêu chuẩn

- Chọn chiều dày đáy, nắp bằng chiều dày thân

Sn = Sđ = Sthân = 3 (mm)

- Kiểm tra điều kiện :   0 125

t

a

D

C S

Suy ra : 0,001

9000

23





<0,125 : thỏa điều kiện

- Kiểm tra áp suất dư cho phép tính toán theo công thức :

[P] = 2*[ ]* ( *( ) )

a t

a h

C S R

C S

)23(95,01462

(N/mm2) > 0.024 (N/mm2) , thỏa điều kiện

III.3 Tính ống dẫn lỏng , ống dẫn khí :

III.3.1 Tính ống dẫn khí vào tháp

Đường kính ống dẫn khí :

Q : lưu lượng thể tích của khí , m3/s

Q = 1500 m3/h =0,4167m3/s

V : vận tốc dòng khí, m/s

Đối với khí áp lực nhỏ , chọn V =18 (m/s) Vậy d = 0,1717

18

4167,04

4167,044

III.3.2 Tính ống dẫn khí ra khỏi tháp

Chọn đường kính ống dẫn khí ra khỏi tháp bằng đường kính ống dẫn khí vào tháp d = 200(mm)

III.3.3 Tính ống dẫn lỏng vào tháp

Đường kính ống dẫn lỏng :

Q : lưu lượng dòng lỏng, m3/s

Q = Vxtb = 59,8578 (m3/h) = 0,0166 (m3/s)

V : vận tốc dòng lỏng , m/s

Đối với nước áp lực nhỏ , chọn V = 1.25 (m/s) Vậy d =

25,1

0166,04





 = 0.13 (m) Chọn d = 150 (mm)

Với d = 150(mm) , vận tốc dòng lỏng trong ống dẫn :

15,014,3

0166,044

III.3.4 Tính ống dẫn lỏng ra khỏi tháp

Chọn đường kính ống dẫn lỏng ra khỏi tháp bằng đường kính ống dẫn lỏng vào tháp d = 150(mm)

III.4 Tính bích ghép thân tháp

Dt

D 2

D 4 Dtb

D 1 Db D

Chọn bích liền không cổ bằng thép để nối thân tháp.[2, bảng XIII.27, p.42Đường kính trong thiết bị : Dt = 900 mm

Đường kính ngoài của bích : D = 1030 mm

Đường kính tâm bu lông : Db =980 mm

Đường kính mép vát : D1 =950 mm

Aùp suất môi trường trong thiết bị : p = 0.024 (N/mm2)

III.4.1 Kiểm tra bu lông ghép bích

a Lực nén chiều trục sinh ra do xiết bu lông

+ Dt : đường kính tromg thiết bị , mm

Dt = 900 mm + Dtb : đường kính thiết bị của đệm ,mm

4 2







 D D

mmThế vào , ta được : Dtb =950 – 10 = 940 (mm)

+ b0 : bề rộng tính toán của đệm

b0 = ( 0.5  0.8 ) b chọn b0 = 0.5b = 5 (mm)

Chọn vật liệu đệm là amiăng có bề dày o= 3 mm do môi trường có tính ăn mòn

Theo [9,bảng(7-2),192] ,ta có :

M = 2 , hệ số áp suất riêng

qo = 10 N/mm2 , áp suất riêng cần thiết làm biến dạng dẻo đệm Thay vào ta được :

c Lực tác dụng lên một con bulông

q

] [ [9, cơng thức (7-16),p 157]

Trong đó : [ ] = k []'

[]'bl : ứng suất cho phép của vật liệu làm bulông , N/mm2

Ở T = 30oC , theo [9,bảng(7-7),158] ,ta có []'bl = 89.5 (N/mm2 )

Chọn ko = 0.5 , ta có :

db = 1.13

5,895,0

1667,6149

 = 13,246 (mm)13(mm), thỏa điều kiện

db = 13 (mm) < 20 (mm) , thỏa điều kiện bền

III.4.2 Kiểm tra chiều dày bích

Bề dày bích liền được xác định theo công thức sau :

2

] [

*

* 7 0

* [

*

] [

b

D P Z

l1 , l2 : cánh tay đòn của momen gây uốn bích

2

950980

(mm)

2

3900980

 = (1 - )[( 2* ) 2 1 ]

1

2 2

5,38

152,01950

5,3829805

,38

151

Bích không cổ :

k = 1 + [ ( 1 2* ) ( ) 1 ]

* 2

2 2

l D

D l

D

b t

10305,382

9001

024,02389,17,0245,38

1519,1050604,1375,112

45

t

t = 0.6113

219,1050604,1

7335,4

t

Suy ra : t = 13.47 (mm) < 25 (mm) , thỏa điều kiện bền

III.5 Tính bích nối đường ống dẫn lỏng với thân và ống dẫn khí với thân

III.5.1 Bích nối đường ống dẫn lỏng với thân

Chọn bích liền bằng kim loại đen để nối ống dẫn lỏng với thân

[2, bảng XIII.26, p.414]

Đường kính trong ống dẫn lỏng , Dy = 150 mm

Đường kính ngoài ống dẫn lỏng , Dn = 159 mm

Đường kính ngoài của bích , D = 260 mm

Đường kính tâm bulông Dt = 225 mm

Đường kính bulông db = 16 mm (M16)

Số bulông Z = 8 con

Bề dày bích t = 16 mm

III.5.2 Bích nối ống dẫn khí với thân

Chọn bích liền bằng kim loại đen [2, bảng XIII.26, p.414]

Đường kính trong ống dẫn khí , Dy = 200 mm.

Đường kính ngoài ống dẫn khí , Dn = 219mm

Đường kính ngoài của bích , D = 290 mm

Đường kính tâm bulông Dt = 255 mm

Đường kính bulông db = 16 mm (M16)

Số bulông Z = 8 con

Bề dày bích t = 16 mm

III.6 Tính lưới đỡ đệm và đĩa phân phối lỏng

III.6.1 Tính lưới đỡ đệm

Chọn vật liệu làm đệm là thép hợp kim X18H10T Các thanh có tiết diện chữ nhật, 1 cạnh có bề rộng b =10 mm

Đường kính trong tháp : Dt = 900 mm

Đường kính lưới đỡ đệm : Dl =885 mm

Chiều rộng bước lưới : bl = 40 mm

Số thanh đỡ đệm n = 22,125

m = m1 + m2

Trong đó :

m1 : khối lượng vật chêm khô

m2 : khối lượng của dung dịch

m1 = Vđ  d

Với : d= 500 kg/cm2 , khối lượng riêng xốp của đệm

Vđ : thể tích của đệm

Vđ =

24

2

2,5885,04

Tải trọng mà lưới đệm chịu theo một đơn vị diện tích :

101483,6

81,93,1133

(N/mm2) Tải trọng mà một thanh phải chịu tính theo đơn vị chiều dài :

 = 0.6926 (N/mm)

Ở trên ta chọn thanh dài nhất để tính bền vì theo nguyên tắc các thanh ngắn hơn sẽ bền nếu thanh dài nhất bền Để đơn giản ta xét thanh dài nhất trên đĩa , chịu lực phân phối đều 2 gối đỡ 2 đầu

Mặt cắt nguy hiểm tại B

Mxmax =

8

*D l2q

Kiểm tra bền nhân tố ở trạng thái ứng suất đơn :

h b

*

*6

h b D

q l

Theo điều kiện bền : zmax  [ ]

108

8856926,06

III.6.2 Đĩa phân phối lỏng

Chọn đĩa phân phối lỏng loại 1

Theo [2,bảng IX.22,230] ta có kích thước của đĩa phân phối lỏng như sau:Đường kính đĩa : Dd = 550 (mm)

Đường kính ống dẫn lỏng : d = 44.5 (mm)

Chiều dày ống dẫn lỏng : S = 2.5 (mm)

Chiều cao ống : 50 (mm)

Khoảng cách từ chân ống đến rảnh : 10 (mm)

Bước ống t = 70 (mm)

Số lượng ống : 46 ống

Chiều dày đĩa loại 1 : 5 (mm)

Chọn vật liệu làm đĩa là thép CT3

III.7 Chân đỡ và tai treo

III.7.1 Khối lượng đáy tháp