ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THÁP HẤP THU XỬ LÝ KHÍ.DOC

Ngoài ra khí SO2 còn làtác nhân gây han gỉ mạnh đối với kim loại, gây tác hại mạnh đối với giấy và gia thuộc, làm cho độ bền , độ dai của chúng bị giảm sút…Chính vì vậy mà trớc khi thải

Các chất gây ô nhiễm đợc phát sinh từ rất nhiều nguồn khác nhau,

đặc biệt từ các nguồn ô nhiễm công nghiệp Hoạt động công nghiệp đã thải

ra môi trờng nhiều dạng chất ô nhiễm mà một trong số đó là ô nhiễmkhông khí Chất gây ô nhiễm không khí mà chúng ta xét là SO2

Sunfu đioxit (SO2) sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoáthạch, sự phân huỷ và đốt cháy các hợp chất hữu cơ, các hoạt động của núilửa hoặc từ các xí nghiệp hóa chất, nhà máy luyện kim, nhà máy vật liệuxây dựng…

Khí SO2 là loại khí tơng đối nặng nên thờng ở gần mặt đất ngang tầmsinh hoạt của con ngời Khí SO2 không màu có mùi hăng cay khi nồng độtrong khí quyển là 1 ppm, dễ hoà tan trong nớc…Trong các chất ô nhiễmkhông khí thờng gặp thì SO2 là chất gây tác hại đã từng xảy ra ở nhiều nơinhất trên thế giới

Khí SO2 gây tổn thơng lớp mô trên cùng của bộ máy hô hấp, gâybệnh khí thũng và suy tim Đối với thực vật, khí SO2 thâm nhập vào cácmô của cây và kết hợp với nớc tạo thành axit sunfurơ H2SO3 gây tổn thơngmàng tế bào và làm suy giảm khả năng quang hợp Ngoài ra khí SO2 còn làtác nhân gây han gỉ mạnh đối với kim loại, gây tác hại mạnh đối với giấy

và gia thuộc, làm cho độ bền , độ dai của chúng bị giảm sút…Chính vì vậy

mà trớc khi thải ra môi trờng dòng khí thải cần phải đợc xử lý để làm giảmnồng 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 phơng 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 hỗn hợp khí SO2- không khí, sử dụng dung môi là H2O với sốliệu 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 lênphân tán đều trong chất lỏng.Giới hạn làm việc của tháp đệm tơng đối rộngnhng khó làm ớt đều đệm.Tuỳ theo vận tốc khí mà tháp có thể làm việc ởcác 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 thápchất lỏng đợc tới từ trên xuống đều trên bề mặt đệm nhờ thiết bị phân phốichất lỏng 3 Dòng khí cần xử lý đợc hút vào máy nén 5,tại đây áp suất củadòng khí đợc nâng lên tới áp suất làm việc Sau đó dòng khí đợc đẩy vàotháp dòng khí đi từ dới lên tiếp xúc với chất lỏng chảy từ trên xuống trên

bề mặt đệm Khí sau khi xử lý đi ra khỏi tháp qua cửa 6, chất lỏng sau hấpthụ ra khỏi tháp theo cửa 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

Hiệu suất:  =

d

c d

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

P

V P

=

5

10000 1

= 2000 (m3/h)

Ta có: PV=Gy RT

trong đó: Gy: số Kmol khí

R: hằng số khí lý tởng có giá trị R= 8314(KJ/Kmol 0K)

T: nhiệt độ làm việc

Suy ra Gy =

303 8314

2000 10

013 1

x

x x x

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

36400

 = 9,5789Phơng trình đờng cân bằng: Y = 19,85789,5789X X

= 0,003667 (Kmol SO2/ Kmol dung môi)

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

.0001

0.0002

0.0003

0

0004

0.0005

0.0006Y

cb

.000959

0.001919

0.002881

0

003845

0.00481

0.005777

.0007

0.0008

0.0009

0.001

0

002

0.003

0.003056Y

cb

0.00675

0.007716

0.008688

0.009662

0

01959

0.0295

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

= 402,1211 0,036271

(Kmol/h)

GXmin = 388,04660,036270,003667 0,007979=2993,7896 (Kmol/h)

*Lîng dung m«i thÝch hîp:

GX = GXmin,

thêng chän = 1,2

suy ra GX= 1,2 x 2993,7896 = 3592,5475(Kmol/h)

G

5475 , 3592

0466 , 388

5475 , 3592



X = 9,258X + 0,007979Cho X mét vµi gi¸ trÞ trong kho¶ng X® ; Xc ta cã b¶ng gi¸ trÞ sau:

.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006Y

lv

0.00797

9

0.00891

0.00983

0.01076

0.01168

0.01261

0.01353

.0007

0.0008

0.0009

0.001

0.002

0.003

0.003056

lv 01446 01539 01631 01724 0265 03575 03627

II Xác định đờng kính tháp:

D =

tb tb

303 8314 0466

, 388

n x xtb d

ytb d s

Xcuoi Xdau

X

G G

GX cuèi =

2

4615 , 5368 855

,

=65017,1583 (Kg/h)

*TÝnh G y

2

yc yd y

G G

Mhçn hîp ®Çu = MSO2 x Y® + Mkk(1- Y®)

= 64 x 0,035 + 29(1 - 0,035) = 30,225 (Kg/Kmol hçn hîp)

GY®Çu = 402,121 x Mhh®Çu

= 402,121 x 30,225 =12154,1072 (kg/h)

GXcuèi = GY®Çu - GYhÊpthô

= 12154,1072 – 702,605 =11451,5007 (kg/h)

2

1072 , 12154 5007

0 035 ,

kk = 2229,42733035= 5,8323 (kg/m3)

Yhh = SO2 x ytb + kk (1-ytb)

= 12,8713 x 0,02146 + 0,02146) = 5,9834 (kg/m3)

5,8323(1-* TÝnh Xtb

O H

tb SO

tb Xtb

a a

2 2

1 1

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

= 0,005375 (Kg/ Kg hçnhîp)

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

C

400C

Khèi lîng riªngcña SO2

1383

1327

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

1 0,0053751355 1 9950,005375,68

xtb

 suy ra Xtb = 997,1012 (kg/m3)

suy ra X = 0,7994.10-3 (Ns/m2)

* TÝnh y:

kk

kk tb SO

SO tb hh

273 (

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 hçn hîp)

Ta cã: 7 183 10 7

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

d

xtb d s

V g Y

lv

quy chuÈn

tÝnh l¹i

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

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

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

) (

1 1

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

005 , 1 2 , 0

0,009831

0,01076

0,01168

0,01261

0,01353

26,979 27,592

6

28,2394

28,9204

,01446

0,01539

0,01631

0,01724

0,0265

0,036271

/(Y-Ycb)

129,636

8

130,3896

131,1801

132,0095

142,8009

161,03

56 , 1

d

y d

y y V

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)

* 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 luống 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 bểchứa lên bơm nên cần phải mồi bơm trớc khi mở máy Để khắc phục nhợc

điểm điểm này ta bố trí bơm trên cùng mặt bằng với bể chứa chất lỏng Bốtrí hệ thống bơm nh sau:

, 995 2 785 , 0

855 , 64665 785

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 = 0 , 8007 10 3

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 độdòng chảy)

81 , 6 lg 2



trong đó: : độ nhám tuyệt đối (m)

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

10 82 , 1 259894

81 , 6 lg 2

: vận tốc nớc tối đa trong ống (m/s)

- 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 thànhbể

3 = 0,5

+ van hút có lới chắn rác: 4 = 6,77

suy ra = 3x0,38 + 4,16 + 2x0,5 + 6,77 = 13,07

suy ra: Pc =

2

19 68 , 995 07 ,

Tổn thất áp suất để khắc phục trở lực trong hệ thống ống:

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

áp suất toàn phần do bơm tạo ra:

H=

g

P P

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

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

10 ).

1 065 , 5

H g

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 = 0,96suy ra = 0,96 x 0,85x0,96 = 0,783

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 = 112,097,8

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

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)

PhÇn IV: TÝnh to¸n m¸y nÐn khÝ

 §êng kÝnh èng ®Èy: V®Èy = 2000 (m3/h)

chän ®Èy = 20 (m/s) (theo b¶ngII.10 I  377)

Do độ nén cần đạt  =5 mà độ nén của một cấp chỉ đạt khoảng từ 1,2– 1,5 nên ta phải sử dụng nhiều cấp ghép nối tiếp.

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

0784 , 6

, 3

577 , 16

 (Kw)

*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 , 0 95 , 0

3125 , 20 1 ,

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 tiện lợi, an toàn và cuối cùng chọnvật liệu sao cho đạt hiệuquả kinh tế cao nhất

Thiết bị thiết kế làm việc ở 300C và 10 atm nên thân thiết bị làm bằngvật liệu dẻo, chịu đợc áp suất cao Do cấu tử cần hấp thụ là SO2 nên bề mặttrong của thiết bị cần phải đợc ăn mòn cuả axit, không rỉ Nên chọn vật liệulàm thiết bị là loại thép CT3

Thân hình trục bằng vật liệu dẻo đợc chế tạo băng cuốn tấm vật liệuvới kích thớc định dạng 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)

trong đó: [k]: ứng suất cho phép khi kéo

nb: hệ số an toàn theo giới hạn bền

10 380

n (N/m

2)

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

nc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy

10

10 154 , 146

6

6

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

Tính C: C= C1 + C2 + C3 (m) [II-363]

trong đó: C1: hệ số bổ xung do ăn mòn Với thép TC3 vận tốc gỉ 0,06(mm/năm), thời gian làm việc 15 năm đêks 20 năm Chọn C1 = 1 (mm)

C2: bổ xung do hao mòn, chỉ tính đến trong những trờng hợp nguyênliệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn trong thiết bị Chọn C2

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

831125 0018

, 0 006 , 0 6 , 1

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



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

= 0,925

 

216 95 , 0 925 , 0 10 5945 , 0

10 154 , 146

2 10 5945 , 0 6 , 1

2

0

2

c b

, 1 25 , 0 95 , 0 925 , 0 6 , 7

0038 , 0 008 , 0 6 , 1 25 , 0 2 6 ,

- Chọn bích liền bằng thép để nối nắp, đáy vào thân thiết bị Do thiết

bị làm việc ở áp suất 5 atm(áp suất trung bình) nên chọn bích theo kiểu IV.Hình vẽ mặt cắt của bích:

Các thông số về bích nối nh sau(tra bảngXIII.27[II-422] ):

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 treohay chân đỡ hoặc cả hai để giữ thăng bằng cho thiết bị trong quá trình làmviệc

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

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

2 2

24,1152 (m3)

Phần thể tích đệm chiếm chỗ: 1 – Vđ

 Mđệm = (1 – Vđ )Vlv  đ = (1 – 0,71)24,1152700 = 4895,3856(kg)

4 Khối lợng của chất lỏng

4

14 , 3 1012 , 997 4

2 2

= 7,782.104 (N/m2)

Với  = 1,2 kích thớc tháp tính toán đợc tơng đối lớn ,tháp nặng nênmặt bằng đặt tháp 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 môiphải bơm trực tiếp lên tháp nên hệ tthống không thể làm việc liên tục đợcmỗi khi có sự cố xảy ra nh : mất điện, sửa chữa bơm Mặt khác áp suất làmviệc cao nên vật liệu chọn phải tốt, các mối hàn phải đảm bảo đúng các chỉtiêu 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 kíntránh rò rỉ khí

Mật khác tháp thiết kế có số bậc thay đổi nồng độ nhỏ, hiệu quả quátrình không cao nên dòng khí thải sau khi ra khỏi tháp vẫn còn chứa nhiều

SO2 nên ống dẫn khí thải sau xử lý cần đợc nâng cao

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

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