Đồ Án Tháp hấp thụ xử lý khí.DOC

là SO2.Sunfu đioxit SO2 sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoá thạch, sự phân huỷ và đốt cháy các hợp chất hữu cơ, các hoạt động của núi lửa hoặc từ các xí nghiệp hóa chất, nhàm

là SO2.

Sunfu đioxit (SO2) sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoá thạch, sự phân huỷ

và đốt cháy các hợp chất hữu cơ, các hoạt động của núi lửa hoặc từ các xí nghiệp hóa chất, nhàmáy luyện kim, nhà máy vật liệu xây dựng…

Khí SO2 là loại khí tơng đối nặng nên thờng ở gần mặt đất ngang tầm sinh hoạt của conngời Khí SO2 không màu có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1 ppm, dễ hoà tantrong nớc…Trong các chất ô nhiễm không khí thờng gặp thì SO2 là chất gây tác hại đã từngxảy ra ở nhiều nơi nhất trên thế giới

Khí SO2 gây tổn thơng lớp mô trên cùng của bộ máy hô hấp, gây bệnh khí thũng vàsuy tim Đối với thực vật, khí SO2 thâm nhập vào các mô của cây và kết hợp với nớc tạo thànhaxit sunfurơ H2SO3 gây tổn thơng màng tế bào và làm suy giảm khả năng quang hợp Ngoài rakhí SO2 còn là tác nhân gây han gỉ mạnh đối với kim loại, gây tác hại mạnh đối với giấy vàgia thuộc, làm cho độ bền , độ dai của chúng bị giảm sút…Chính vì vậy mà trớc khi thải ramôi trờng dòng khí thải cần phải đợc xử lý để làm giảm nồng độ khí thải tới giới hạn cho phép

để không gây hại cho ngời động vật và thực vật Một trong những phớng pháp để xử lý là

ph-ơng pháp hấp thụ Hấp thụ là quá trình dùng một chất lỏng để hút một hoặc nhiều cấu tử trongkhí

Trong đồ án môn học nàythiết bị hấp thụ đợc chọn là loại tháp đệm để tách riêng hỗnhợp khí SO2- không khí, sử dụng dung môi là H2O với số liệu nh sau:

Lu lợng khí thải vào tháp (m3/h): 10000 (ở 1atm, 30oC )

Nồng độ khí thải vào tháp ( thể tích): 3.5

Nồng độ cuối của dung môi ( trọng lợng ): 0.28

Hiệu suất hấp thụ (): 78

Tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5atm và nhiệt độ 300C

Tháp đệm đợc sử dụng rộng rãi trong kỹ nghệ hoá học.Trong tháp đệm, chất lỏng chảy

từ trên xuống theo bề mặt đệm và khí đi từ dới lên phân tán đều trong chất lỏng.Giới hạn làmviệc của tháp đệm tơng đối rộng nhng khó làm ớt đều đệm.Tuỳ theo vận tốc khí mà tháp cóthể làm việc ở các chế độ khác nhau

 Nguyên tắc làm việc của tháp hấp thụ

Chất lỏng từ bể chứa 1 nhờ bơm 2 bơm thẳng lên tháp 4 Trong tháp chất lỏng đ ợc tới

từ trên xuống đều trên bề mặt đệm nhờ thiết bị phân phối chất lỏng 3 Dòng khí cần xử lý đ ợchút vào máy nén 5,tại đây áp suất của dòng khí đợc nâng lên tới áp suất làm việc Sau đó dòngkhí đợc đẩy vào tháp dòng khí đi từ dới lên tiếp xúc với chất lỏng chảy từ trên xuống trên bềmặt đệm Khí sau khi xử lý đi ra khỏi tháp qua cửa 6, chất lỏng sau hấp thụ ra khỏi tháp theocửa 7 xuống bể chứa hoặc mơng dẫn 8

Sơ đồ nh hình vẽ 1

Phần II: Tính toán thiết kế hệ thống tháp hấp thụ

I Cân bằng vật liệu của quá trình hấp thụ:

Nồng độ của SO2 trong khí thải là 3,5% thể tích

 = 0,03627 (Kmol SO2/ Kmol khí trơ)

Hiệu suất:  =

d

c d

áp dụng phơng trình khí lý tởng để tính dòng khí thải ở điều kiện làm việc

P1V1=P2V2

trong đó: P1, V1 là áp suất và thể tích khí thải ở điều kiện đầu vào

P2, V2 là áp suất và thể tích khí thải ở điều kiện làm việc

Suy ra V2 =

2

1 1

P

V P

=

5

10000 1

2000 10

013 1

x

x x x

mX

) 1 (

1   II-140

m=

P He

trong đó: P: áp suất làm việc (atm)

He: hằng số Henry tra ở nhiệt độ làm việc

tra bảng ta có:

He = 3640mmHg

M =

760 5

5789 , 9

=

03627 , 0 5789 , 8 5789 , 9

03627 , 0





= 0,003667 (Kmol SO2/ Kmol dung môi)

Cho X một số giá trị nằm trong khoảng  Xđ ; Xc  ta có bảng giá trị cho đờng cân bằng:

0

0006Y

0

003056Y

0

030061

*Tính lợng dung môi tối thiểu: GXmin = Gtrơ cbc d

c d

X X

Y Y



 II-141

Gtrơ = GY

d Y

 1

1 II-141

= 402,121

03627 , 0 1

1

GXmin = 388,0466

003667 ,

0

007979 ,

0 03627 ,

= 2993,7896(Kmol/h)

G

5475 , 3592

0466 , 388

5475 , 3592



Cho X một vài giá trị trong khoảng Xđ ; Xc ta có bảng giá trị sau:

trong đó: Vtb: lợng khí trung bình đi trong tháp (m3/h)

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

303 8314 0466

, 388

n x xtb d

ytb d s

G





 trong đó:

Gx, Gy: lợng lỏng và lợng hơi trung bình (kg/s)

xtb, ytb: khối lợng riêng trung bình pha lỏng và pha lỏng (kg/m3)

x, y: độ nhớt của pha lỏng theo t0 trung bình và độ nhớt của nớc ở 200C

Xcuoi Xdau

X

G G

G G

2

1072 , 12154 5007

0 035 ,

0 

= 0,02146 (Kmol/Kmol hçnhîp)

khÝ =

1

273 4 ,

, 22

 = 5,8323 (kg/m3) Yhh = SO2 x ytb + kk (1-ytb)

= 12,8713 x 0,02146 + 5,8323(1- 0,02146) = 5,9834 (kg/

m3)

* TÝnh Xtb

O H

tb SO

tb Xtb

a a

2 2

11

a® =

)1(

2

@

2

d O

H d SO

d SO

x M

x M

x M

2 2

2

c O

H c SO

c SO

x M

x M

x M

0 1 ( 18 003047 ,

0 64

003047 ,

0 64







 =0,01075 (kg/kg hçn hîp)

suy ra atb =

2

01075 ,

0

= 0,005375 (Kg/ Kg hçn hîp) tra b¶ng ta cã: (H2O, 300C) = 995,8 (kg/m3)

C

Khèi lîng riªngcña SO2

27 néi suy (SO2 láng, 300C) = 1355 (kg/m3)

68 , 995

005375 ,

0 1 1355

005375 ,

0

= 0,001524 (Kmol/ Kmol hçn hîp) thay sè vµo ta cã:

SO tb hh

273 (

273 T C T

C t

360 273





= 129.10-7 (Ns/m2)

ytb = 0,02146 (Kmol/ Kmol hçn hîp)

Mhh = ytb.MSO2 + (1- ytb)Mkk = 0,02146 x64 + (1+0,2146)29

= 29,7511 (Kg/ Kmol hỗn hợp)

10 183

29 ) 02146 , 0 1 ( 10

129

64 02146 , 0 1

suy ra Mhh = 179,531.10-7 (Ns/m2)

X=

125 , 0 25

, 0

1012 , 997

9834 , 5 804

, 11802

1583 , 65017

16 , 0

d

xtb d s

V g Y

0,62

0,138

0,12

2,41

2,4

0,128x8

x1,5

550

0,65

0,2

0,18

1,969

,1715x

15x2

310

0,71

0,3

0,27

1,607

1,6

0,2725x

25x3,0

195

0,75

0,42

0,38

1,355

1,3

0,4135x

35x4,0

135

0,78

0,53

0,49

1,193

1,2

0,48Chọn đệm vòng đổ lộn xộn kích thớc 15x15x2, suy ra

D= 1,6 (m)

= 0,27 (m/s)

III Tính chiều cao làm việc của tháp:

Sử dụng công thức: H = my hy II-177

trong đó: my: số dơn vị chuyển khối pha khí

hy: chiều cao một dơn vị chuyển khối pha khí

hy = h1 + h2

G

G m x

y

[II- 177]

trong đó: h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi

h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng

Pr Re

Rex =

x d t

Rey =

d y

s y

Prx =

x x

y D

kk

v P

)(

10.0043,0

2 2

2 3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

trong đó: T: nhiệt độ tuyệt đối ở diều kiện làm việc (0K)

vSO2, vkk: thể tích mol của khí SO2 và không khí (cm3/mol)

P: áp suất làm việc (at)

tra bảng ta có: vSO2 = 44,8 (cm3/mol)

 = 4,839 (at)

suy ra PY =

29

1 64

1 ) 9 , 29 8

, 44 ( 839 , 4

303 10

0043 , 0

2 3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

6

)(

11

10.1

2 2

2

2 2

O H SO

O H

O H SO

v v

B A

M M

trong đó: A,B: hệ số liên hợp

đối với khí hoà tan trong nớc: A=1, B= 4,7

vSO2, vH2O: thể tích mol SO2 và nớc

vH2O = 18,9 (cm3/mol)

H2O: độ nhớt của nớc ở 200C (CP)

D20 =

2 3 / 1 3

/ 1

6

) 8 , 44 9

, 18 ( 005 , 1 7 , 4

18

1 64

1 10 1

0,01076

0,01168

0,01261

0,013531/

(Y-Ycb)

125,329

125,8481

126,3978

126,979

127,5926

128,2394

128,9204

01446

0,01539

0,01631

0,01724

0,0265

0,036271/

(Y-Ycb)

129,6368

130,3896

131,1801

132,0095

142,8009

161,03

56,1

d

y d

y y

, 1 8

, 0 8

, 1

71 , 0

10 635 , 179 310

9834 , 5 27 , 0 12 56 ,

, 0 405

, 0

1

1

y x c

y y

x

G

G A

27 , 0

, 0 405

, 0

0179534 ,

0

7994 , 0 1012

, 997

9834 , 5 804

, 11802

1583 , 65017 25

, 6 1

= 12923,75 (N/m2)

suy ra P = 12923,75 + 2275,1285 = 15198,88 (n/m2)

Phần III.

Tính toán thiết kế hệ thống bơm dung môi lên tháp

I Tính toán áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thuỷ lợi của hệ thống kể cả ống dẫn:

Tháp làm việc ở áp suất 5atm nên ta sử dụng bơm để bơm dung môi trực tiếp lêntháp Chọn loại bơm bơm ly tâm

* Ưu điểm của bơm ly tâm

-Loại bơm này tạo đợc năng suất cao, cung cấp chất lỏng đều đặn, liên tục

-Bơm có cấu tạo gọn, vận hành dễ dàng

-Có thể điều chỉnh đợc năng suất của bơm bằng cách thay đổi tiết lu ống đẩy hoặc thay

đổi số vòng quay của bơm

*Nhợc điểm

-áp suất tạo ra thấp

-Hiện tợng xâm thực dễ xảy ra làm mòn thân bơm

Khi khởi động bơm ly tâm không có khả năng hút chất lỏng từ bể chứa lên bơm nêncần phải mồi bơm trớc khi mở máy Để khắc phục nhợc điểm điểm này ta bố trí bơm trên cùngmặt bằng với bể chứa chất lỏng Bố trí hệ thống bơm nh sau:

, 995 2 785 , 0

855 , 64665 785

,

V

= 0,107 (m)Quy chuẩn: d = 11 (cm)

 =  = 1,9 (m/s)

suy ra Pđ =

2

9 , 1 68 ,

trong đó: dtd: điều kiện tơng đơng của ống dẫn (m)

: khối lợng riêng của nớc (kg/m3)

: độ nhớt của nớc ở 300C  = 0,8007.10-3 (Ns/m2)

Re = 3

10 8007 , 0

11 , 0 68 , 995 9 , 1







= 259894 >>104

suy ra, dòng chảy trong ống ở chế dộ chảy xoáy

Ta có thể sử dụng công thức sau để tính  (chung cho mọi chế độ dòng chảy)

81 , 6 lg 2



trong đó: : độ nhám tuyệt đối (m)

dtd: điều kiện tơbng đơng của ống dẫn (m)

10 2 ,

= 1,82.10-3 (m)Thay số vào (2) ta có:

81 , 6 lg 2

- Tính hệ số trở lực cục bộ:

Chọn: đờng ống đẩy có 3 khuỷu, 1 van tiêu chuẩn và có 1 cửa ra

đờng ống hút có 1 van có lới chắn rác và 1 cửa ra

 = 31 + 2 + 23 + 4

trong đó: 1: hệ số trở lực của trục khuỷu

2: hệ số trở lực của van tiêu chuẩn

3: hệ số trở lực của cửa ra, cửa vào

4: hệ số trở lực của van có lới chắn rác

Chọn:

+ khuỷu 900 do 2 khuỷu 450 tạo thành

chọn a/b = 1 suy ra 1 = 0,38

+ van tiêu chuẩn: 2 = 4,16

+ cửa vào, cửa ra sắc cạnh đầu ống không cắm sâu vào thành bể

616 , 30707

I Tính toán bơm:

Chọn bơm ly tâm

( Ưu điểm,nhợc điểm của bơm đã nói ở phần trên)

áp suất toàn phần do bơm tạo ra:

H=

g

P P

trong đó: P1, P2: áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian hút và đẩy (N/m2)

Hh: chiều cao hình học để hút chất lỏng (m)

Hđẩy: chiều cao hình học để nâng chất lỏng (m)

suy ra H = 0 13 3 , 144

81 , 9 68 , 995

10 ).

1 065 , 5

Q  

(kw) [I-439]

trong đó: Q: năng suất của bơm (m/s)

: hiệu suất chung của bơm

= 0 x tl x ck

Chọn hiệu suất thể tích 0 = 0,96

hiệu suất thuỷ lực: tl = 0,85

hiệu suất cơ khí tính đến ma sát ở ổ bi, ổ lót trục: ck = 0,96

suy ra = 0,96 x 0,85x0,96 = 0,783

Q = V =

68 , 995 3600

855 , 64665

 = 0,018 (m3/s)

N =

783 , 0 1000

61 , 557 81 , 9 68 , 995 018 , 0

Nđc =

dc tr

N



 trong đó: Nđc : Công suất trên trục của bơm (kw)

tr: hiệu suất truyền động chọn tr = 1

đc : hiệu suất động cơ điện , chọn đc = 0,8

suy ra Nđc =

8 , 0 1

97 , 12

 = 16,2125 (kw)Thờng chọn đờng cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán

Nđcc =  x Nđc

trong đó: : hệ số dự trữ công suất

chọn  = 1,2 (Theo bảng II.33 [II-439])

suy ra Nđc = 1,2 x 16,2125 = 19,455 (kw)

Phần IV: Tính toán máy nén khí

= 5 > 3 nên để vận chuyển khí vào tháp ta phảidùng máy nén

Chọn loại máy nén ly tâm [II-446]

I Tính đờng ống dẫn khí:

áp suất của không khí ở đầu đẩy và đầu hút khác nhau nên điều kiện ống đẩy và ốnghút khác nhau

d=





 0 , 785 3600

 Đờng kính ống đẩy: Vđẩy = 2000 (m3/h)

chọn đẩy = 20 (m/s) (theo bảngII.10 I  377)

suy ra dđẩy =

20 785 , 0 3600

Chọn chế độ làm việc của máy nén là chế độ đa biến nhiêt khi đó công để nén 1 kg khí

từ áp suất p1 đến áp suất p2 tính theo công thức:

1

1

2 1

n n

P

P RT n

n

III-59

Trong đó: P1, P2 là áp suất khí vào và ra khỏi máy nén

n : số mũ đa biến (n= 1,2 –1,62) I-465

T1 : nhiệt độ khí vào máy nén

5 303 314 8 1 3 , 1 3 ,

1 3 , 1

= 4,9049 (kj/kg)

2 Công suất của máy nén

*Công suất lý thuyết của máy nén

Nlt =

1000

GL

Trong đó: G là năng suất của máy nén (kg/s)

L: công nén 1kg khí từ áp suất P1 đến áp suất P2

Ta có: G = V d hh



3600

0784 , 6

, 3

577 , 16

*Công suất hiệu dụng trên trục máy nén

Nhd =

ck tt

5 , 19

*Công suất động cơ điện

Nđc =

dc tr hd

N







Trong đó: tr là hiệu suất truyền động (0,96  0,99)

đc là hiệu suất độgn cơ diện (dc =0,95)

: hệ số dự trự ( = 1,1 1,15) Chọn  =1,1

96,095,0

3125,201,

N





Phần V: Tính chọn cơ khí

Vật liệu chọn để chế tạo thiết bị cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: bền, sử dụng tiệnlợi, an toàn và cuối cùng chọnvật liệu sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất

Thiết bị thiết kế làm việc ở 300C và 10 atm nên thân thiết bị làm bằng vật liệu dẻo, chịu

đợc áp suất cao Do cấu tử cần hấp thụ là SO2 nên bề mặt trong của thiết bị cần phải đợc ănmòn cuả axit, không rỉ Nên chọn vật liệu làm thiết bị là loại thép CT3

Thân hình trục bằng vật liệu dẻo đợc chế tạo băng cuốn tấm vật liệu với kích thớc địnhdạng sau đó ghép mối hàn lại (loại này làm việc ở p  10.106 N/m2)

Khi chế tạo thân hình hàn cần chú ý:

+ Đờng hàn càng ngắn càng tốt

+ Chỉ hàn giáp mối

+ Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát

+ Không khoan lỗ qua mối hàn

I Bề dày của thân thiết bị hình trụ hàn thẳng đứng, làm việc với áp suất bên trong.

Chọn vật liệu CT3: k = 380.10-6 (N/m2)

ch = 240.10-6 (N/m2) [II-309]

vận tốc rỉ: 0,06 (mm/năm)

Thân không có lỗ

Hàn dọc, hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp mối 2 mặt

Thiết bị thuộc nhóm II, loại II

: hệ số bền của thành hình trụ theo phơng dọc

C: số bổ xung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày

P: áp suất trong thiết bị (N/m2)

Tra bảng XIII.8 [II-362] ta có:  = h = 0,95

áp suất trong thiết bị: P = Pmt + Pt (N/m2)

Pt = g x l x Hl

trong đó: Pmt: áp suất của khí (N/m2)

Pt: áp suất thuỷ tĩnh trong cột chất lỏng (N/m2)

l: khối lợng riêng của chất lỏng (Kg/m3)

Hl: chiều cao của hỗn hợp lỏng trong tháp (m)

nb: hệ số an toàn theo giới hạn bền

: hệ số hiệu chỉnh

Tra bảng: XIII.2- sổ tay hoá công tập II: = 1

Tra bảng XIII.3: nb = 2,6

thay vào công thức ta có:   6 1 146 , 154 10 6

6 , 2

10 380

n (N/m2)

trong đó: [c]: ứng suất cho phép khi chảy

nc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy

10

6

6

 >> 50Nên công thức trong (1) có thể bỏ qua P ở dới mẫu số [II-360]

10 5945 , 0 6 ,

* Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử

áp suất thử tính toán P0 đợc xác định nh sau:

P c

8311250018

,0006,06,1

6 6

10 200 2

, 1

10 240 2

c



Tính đáy và nắp thiết bị:

Chọn vật liệu CT3 Đáy và nắp giống nhau, dùng nắp có gờ

 Tính đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong

Chiều dày S đợc tính nh sau:

P S

b h

, 3





(m) (2)[II-385]

trong đó: Dt: đờng kính trong tháp

hb: chiều cao phần lồi của đáy

chọn hb = 0,25xDt [II-381]

h: hệ số bền mối hàn hớng tâm nếu có

k: hệ số không thứ nguyên, k=

1-t D d

d: điều kiện lớn nhất hay kích thớc của lỗ không phải hình tròn, của lõ không tăngcứng

Chọn nắp có lỗ, không tăng cứng: d= 0,15 (m)

Ta có: k= 1-

2

15 , 0

= 0,925

 

216 95 , 0 925 , 0 10 5945 , 0

10 154 , 146

,

3

2 10 5945 , 0 6 , 1 6

2

0

2

c b

0038,0008,06,125,026,

Chiều cao gờ: h =25 mm (Bảng XIII.11)

Để đảm bảo độ kính cho các mối nối ta sử dụng thêm các gioăng

Cửa để nối ống với thiết bị ta hàn trựctiếp vào thành Để nối ống dẫn với cửa này dùngbích nối ngoài loại bích tự do bằng thép ở cửatháo, đổ đệm ta cũng chọn loại bích này.`

I Chọn chân đỡ và tai treoThờng ngời ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay chân đỡ hoặccả hai để giữ thăng bằng cho thiết bị trong quá trình làm việc

Tính tai treo hay chân đỡ phỉa tính tải trọng của toàn thiết bị:

M = Mđáy + Mnắp + Mthân + Ml + Mbổ xung

Trong đó:

M: khối lợng toàn tháp (kg)

Ml: khối lợng lỏng điền đầy trong tháp (kg)

Mbổ xung : bao gồm các chi tiết phụ của tháp nh ống nối, cửa vào, cửa ra, bích…

1 Tính khối lợng thành tháp

Mtháp = Vtháp . tháp

2 2

2 2

Với  = 1,2 kích thớc tháp tính toán đợc tơng đối lớn ,tháp nặng nên mặt bằng đặttháp phải chịu đợc tải trọng lớn nên cần phải có thêm chí phí đầu t cho xây dựng mặt bằng.

-Tháp làm việc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển nên dung môi phải bơm trực tiếplên tháp nên hệ tthống không thể làm việc liên tục đợc mỗi khi có sự cố xảy ra nh : mất điện,sửa chữa bơm Mặt khác áp suất làm việc cao nên vật liệu chọn phải tốt, các mối hàn phải

đảm bảo đúng các chỉ tiêu kỹ thuật để tránh các sự cố có thể xảy ra

-Khí cần xử lý là khí độc hại nên các van khoá yêu cầu phải kín tránh rò rỉ khí

Mật khác tháp thiết kế có số bậc thay đổi nồng độ nhỏ, hiệu quả quá trình không caonên dòng khí thải sau khi ra khỏi tháp vẫn còn chứa nhiều SO2 nên ống dẫn khí thải sau xử lýcần đợc nâng cao

-Do đờng kính của tháp khá lớn nên trong tính toán cơ khí đối với cửa tháo, nạp đệmnên thiết kế để cho công nhân có thể vào trong tháp để sửa chữa nếu có sự cố xảy ra

- Chiều cao tháp thiết kế lớn nên đơngf ống đẩy sẽ dài cho nên nên bố trí hệthống tháp ở nơi giáp tờng để ta có thể cố định đờng ống dẫn vào tờng để hệ thống đợcchắc chắn và không ảnh hởng đến bơm

Đồ án môn học này giúp em bớc đầu làm quen với cách thiết kế một thiết bị chuyểnkhối trong công nghệ hoá học, biết cách tra số liệu và sử dụng các số liệu đó vào tính toán…

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn cô đã giúp đỡ em hoàn thành xong đồ án mônhọc này