THIẾT kế THIẾT bị hấp THỤ để làm SẠCH KHÍ

THIẾT KẾ THIẾT BỊ HẤP THỤ ĐỂ LÀM SẠCH KHÍHọ và tên: Lớp : Các số liệu ban đầu : Thiết bị hấp thụ loại tháp chóp.. Tính toán kết cấu tháp 1.. Tính toán hệ thống bơm dung môi VI.. Kết luận

THIẾT KẾ THIẾT BỊ HẤP THỤ ĐỂ LÀM SẠCH KHÍ

Họ và tên:

Lớp :

Các số liệu ban đầu :

Thiết bị hấp thụ loại tháp chóp

Hỗn hợp tách: H2S-không khí

Lu lợng khí thải vào tháp là: 11.000 Nm3/h

Nồng độ H2S trong dòng khí vào theo % thể tích là: 2%

Hiệu xuất hấp thụ: 85%

Dung môi hấp thụ là H2O

Nhiệt độ và áp xuất hấp thụ,lợng dung môi mô phỏng theo một số điều kiện Các phần thuyết minh và tính toán:

I Mở đầu

II Tính toán cân bằng vật liệu

III Tính toán kết cấu tháp

1 Cân bằng vật liệu

2 Đờng kính

3 Thiết kế đĩa chóp

4 Chiều cao

5 Trở lực

6 Các chi tiết của tháp

IV Tính toán quạt hoặc máy nén khí

V Tính toán hệ thống bơm dung môi

VI Tính và chọn cơ khí

VII Kết luận

Vẽ sơ đồ dây chuyền hệ thống hấp thụ: khổ A4

Vẽ bản vẽ chi tiết(vẽ lắp)tháp hấp thụ: khổ A1

Giáo viên hớng dẫn

I Mở ĐầU

Sơ đồ hệ thống hấp thụ khớ H 2 S

Kh í ra

L ỏng ra

1 2

4

5

6 7

8

Trong đó:

2 Đồng hồ đo lu lợng khí 7 Đồng hồ đo lu lợng lỏng

3 Bể chứa nớc 8 Van xả lỏng sau hấp thụ

5 Tháp hấp thụ

Thuyết minh dây chuyền:

Hỗn hợp khí cần xử lí H2S và không khí đợc máy nén khí 1 đa vào ở đáy tháp, trên đờng ống có nắp van điều tiết lu lợng khí và gắn vào ống trớc khi đi vào tháp một đông hồ đo lu lợng chất lỏng vào tháp 2- Nớc từ bể 3 đợc bơm li tâm 4 đa vào tháp 5, trên đờng ống có van an toàn 6, đồng thời điều chỉnh lu l-ợng; đi qua đồng hồ đo lu lợng 7 Nớc đợc bơm vào tháp với lu lợng thích hợp, tới từ trên xuống dới theo chiều cao tháp hấp thụ

- Không khí chứa H2S sau khi đợc hấp thụ đi lên nắp tháp và ra ngoài lỗ nắp

- Nớc hấp thụ H2S đi qua lỗ đáy, qua Van nhả sản phẩm hấp thụ 8 đến hệ thống nhả hấp thụ 9.Tuy nhiên trong khuôn khổ đồ án ta không tính đến hệ thống này

Một số kí hiệu:

-X đ : nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi

(Kmol/Kmol dm)

-X c : nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi

(Kmol/Kmol dm)

-Y đ: nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí(Kmol/Kmol khí trơ)

-Y c : nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí

(Kmol/Kmol khí trơ)

-G Y : Lợng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h)

-G X : Lợng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h)

-G tr : Lợng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h)

-β: Lợng dung môi/Lợng dung môi tối thiểu

a/ Tháp làm việc ở :

+ Nhiệt độ : T = 0C hay T = 0K

+ áp suất : P = at hay P = mmHg = atm

+ Nồng độ khí thải vào tháp(phần thể tích): yd =

+ Khi tính toán hấp thụ ta thờng dùng nồng độ phần mol tơng đối:

Y =

y

y

−

1 => Yđ =

d

d y

y

−

1 = ? (kmol/kmol khí trơ)

X =

x

x

−

1 + Hiệu suất hấp thụ η = 85%

=> Yc = (1- η)Yd

= ? (kmol/kmol khí trơ)

+ Lu lợng khí thải vào tháp: GY = ? (Nm3/h)

hay GY =

4 , 22

?

= ?(kmol/h) + Lợng khí trơ đợc tính theo công thức:

Gtr = GY

d Y

+

1 1

= GY.(1-yd) (II-141)

=> Gtr = ? (kmol/h)

b/ Thiết lập phơng trình đờng nồng độ cân bằng:

Ycb = ( m)X

X m

−

1

+ Theo định luật Henrry:

ycb = m.x (II-138)

=> tính theo nồng độ phần mol tơng đối ta có:

Ycb = ( m)X

X m

−

1

Với m = ( )

P

C S

H2 300

ψ (II-138)

Với ψH2S(30 0C) là hằng số henrry của H2S ở 300C

ψH2S(30 0C) = ? mmHg

=> m = ?

=> Ycb =

X

X

? 1

.

?

− ( phơng trình đờng nồng độ cân bằng)

Ta có bẳng số liệu:

X

Y cb

+Lợng dung môi tối thiểu cần thiết để hấp thụ khi giả thiết nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, tức Xc = Xcbmax

GXmin = Gtr

d cb

c d X X

Y Y

−

−

max

(II-141)

Từ đồ thị đờng nồng độ cân bằng ứng với Yd= ?(kmol/kmol khí trơ)

=> Xcbmax= 0,00016 (kmol/kmol dung môi)

=> lmin =

d cb

c d X X

Y Y

−

−

max

= ? => GXmin = ? (kmol/h)

+ Trong thực tế các thiết bị hấp thụ thực không bao giờ đạt đợc cân bằng giữa các pha, nghĩa là nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng độ thực tế nên l-ợng dung môi tiêu tốn lớn hơn ll-ợng dung môi tối thiểu:

GX = GXmin β

β nằm trong khoảng (1,2-2), với lu lợng lỏng tối thiểu lớn ta chọnβ nhỏ Chọn β = 1,2 => GX = ? (kmol/h)

c/ Thiết lập đờng nồng độ làm việc:

+ Phơng trình cân bằng vật liệu cho một đoạn thiêt bị:

Gtr(Y - Yc) = GX(X - Xd) (II-140)

=> Y =

tr

X G

G

.X + Yc -

tr

X G G

Xd

=> Y =?.X + ? (phơng trình đờng nồng độ làm việc)

Ta có bảng số liệu:

X

Y

Đồ thị đờng nnồng độ cân bằng và làm việc:

III TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÁP

1 Đường kinh thỏp

a/ Công thức:

D =

tb tb

V

ω

π 3600

.

4 (m) (II_181) Trong đó: + Vtb: Lợng khí trung bình đi trong tháp (m3/h) +ωtb: Tốc độ khí trung bình đi trong tháp (m/s) b/ Tính toán:

L ợng khí trung bình đi trong tháp:

Vytb =

2

yc

V +

Với + Vyđ : Lu lợng hỗn hợp khí đầu ở điều kiện làm việc (m3/h) + Vyc : Lu lợng khí thải ra khỏi tháp (m3/h)

Tính: Vyđ =

ytb

ytb

G

ρ

.

(Mytb là khối lợng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí )

Mà khối lợng riêng trung bình của pha khí là:

ρytb=

RT

P

M ytb. =

0

0

4 , 22

.

P T

T P

M ytb

=> Vyđ =

0

0

.

4 , 22

T P M

P T M

G ytb

ytb

0

0

.

4 , 22

T P

P T

G y

= ? (m3/h)

Tính: Vyc = Vtr(1+Yc) với Vtr =

ytb

ytb

G

ρ

.

=>Vyc =

ytb

ytb

G

ρ

.

.(1+Yc) =

0

0

.

4 , 22

T P M

P T M

G

ytb

ytb

=

0

0

.

4 , 22

T P

P T

G tr

.(1+Yc) = ? => Vyc = ? (m3/h)

Vậy lợng khí trung bình đi trong tháp là:

Vytb =

2

yc

V + =

Vytb = ? (m3/h)

Tốc độ khí trung bình đi trong tháp:

(ρy ωy)tb = 0,065.ϕ[ ]σ h ρxtb ρytb (Kg/m2.s) (II_184)

Với + ρxtb:khối lợng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3) +ρytb: khối lợng riêng trung bình của pha khí (kg/m3) + h: khoảng cách giữa các đĩa (m)

với D = 1,2 ữ1,8 m thì h∈0,35ữ0,45 (m)

Ta chọn h = 0,4 (m)

ϕ[ ]σ - Hệ số tính đến sức căng bề mặt:

Khi σ < 20 (đyn/cm) thì ϕ[ ]σ = 0,8

Khi σ > 20 (đyn/cm) thì ϕ[ ]σ = 1

Tra toán đồ trong sổ tay I có σ > 20 → ϕ[ ]σ = 1

Tính: ρxtb

xtb

ρ

1

=

2

2 1

xtb

tb xtb

a

ρ ρ

− + (II-183)

Từ phơng trình cân bằng vật liệu trong tháp:

Gtr(Yd-Yc) = GX(Xc-Xd)

=>Nồng độ phần mol tơng đối của pha lỏng là:

Xc = ( d c)

X

G

= ? (kmol/kmol dung môi)

=> xc =

c

c

X

X

+

1 = ? (kmol/kmol)

=> xtb =

2

c

x + =

2

c

x = ? (kmol/kmol) => Khối lợng mol trung bình của pha lỏng:

Mxtb = xtb.M H S

2 + (1 −x tb).M H2O = ? => Mxtb = ? (kg/kmol)

Phần khối lợng trung bình của cấu tử khí H2S:

atb =

xtb

S H tb M

M

x

2

= ? (kg/kg)

ở nhiệt độ 300C:

ρxtb2 = ρH2O, 30o C = ? (kg/m3) (I-12)

ρxtb1 = ρH2S,30o C =

1

273 4 , 22

2

T

P

M H S

= ? (kg/m3) (I-5)

⇒ ρxtb=

2 1

1 1

xtb

tb xtb

a

ρ ρ

−

ρxtb = ? (kg/m3)

Tính ρytb

Khối lợng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí là:

MYtb = ytb M H2S + (1-ytb).MKK

Ytb =

2

c

Y + = ? (kmol/kmolkhí trơ)

=> ytb =

tb

tb

Y

Y

+

1 = ? => ytb= ? (kmol/kmol) Vậy ta có:

MYtb = ?(kg/kmol)

=> Khối lợng riêng trung binh của pha khí là:

ρytb=

RT

P

M ytb. =

0

0

4 , 22

.

P T

T P

M ytb

= ?

ρytb= ? (kg/m3)

Vậy tốc độ khí trung bình đi trong tháp là:

(ρy ωy)tb = 0,065.1 0 , 4 982 , 2 5 , 61

=> ωytb= ? (m/s)

Đờng kính tháp: D = ? (m)

D = ? (m) thỏa mãn với cách chọn h = ? (m)

Quy chuẩn D = 1,3 (m)

2 THIẾT KẾ ĐĨA CHểP

*Thiết kế đĩa

• Diên tích phần đĩa chứa chóp:

F = Sdia – 2.Scht

Scht = (diện tích phần quạt OAB có góc α = 900) – (diên tích tam giác OAB)

SQuat = .S dia

360

α = ? (m2).























2

2 2 2

2

2

Cos

=> Scht = SQuat – SOAB = ? (m2)

=> F = ? (m2)

• Tổng diện tich các chóp trên đĩa f:

f = d ch .n

4

. 2

π = ? (m2)

*Thiết kế chóp:

o A

B

Chọn loại chóp tròn:

• Chọn chóp có đờng kính ống hơi d = 100 mm = 0,1 m

• Số chóp phân bố trên đĩa

Số chóp n = 0 , 1 22

h d

D (II _236) Với:

- D = ? (m)

- dh : đờng kính trong ống hơi, chọn là 0,095(m) Chiều dày ống hơi 0,0025(m)

=> Số chóp n = ? chóp

• Đờng kính chóp dch = d2h +(d h+ 2 δch)2 (m) (II_236)

δch: Chiều dày chóp,thờng trong khoảng 2ữ3 (mm)

Ta chọn δch= ? (m)

→ dch = ? (m)

• Chiều cao chóp chọn ?(m)

• Chiều cao chóp phía trên ống hơi

h2 = 0,25dh ? (m)

• Bớc giữa các chóp 235(mm)

• Chiều cao ống hơi tính từ bề mặt đĩa 126(mm)

• Chiều cao ống hơi 135(mm)

• Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp

S = 0ữ25 (mm) Chọn S = 20(mm) = 2.10-2 (m)

• Chiều dày đĩa δ = 0,005(m)

• Chiều cao khe chóp:

b =

x

y y

gρ

ρ ω

ξ

.

. 2

Với:

 ρx = ρxtb = ?(Kg/m3 )

 ρy = ρytb= ? (Kg/m3)



n d

V h

ytb y

3600

4

2 π

 ξ = 2mm

=> b = ? (m)

• Chiều cao mức CL trên khe chóp: h1 = 0,015 ữ 0,040 (m)

Chọn h1 = 0,04(m)

• Chiều rông của khe chóp a = 2- 7 mm Ta chọn a = 6 mm

• Đờng kính tơng đơng của khe chóp là

dtd = (a b)

b a

+

2

4

= ? (m) (II-194)

• Số lợng khe hở của mỗi chóp:

i =









−

b

d d

c

h ch

4

2

• Đờng kính ống chảy truyền:

chọn dc = 0,2m

• Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy truyền

S1 = 0,25.dc = ? m

• Chiều cao ống chảy truyền trên đĩa

hc = (h1+b+s)- ∆h

h

∆ chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy truyền

h

∆ = 3

2

85 , 1

3600 





c d

V

π

V: thể tích chất lỏng chảy qua(m3/h):

V =

4

3600

2

c c

d π ω

Tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền: thờng lấy ωc = 0,1-0,2m/s,

ở đây ta chọn ωc = 0,2m/s

dc = 0,2 m

 V = ? (m3/h) => ∆h = ? (m)

=> hc = ? (m)

• Chiều cao lớp bọt trên đĩa:

b

b x ch b

x x x

c

F

f h h f h f

F h h

ρ

ρ ρ

ρ

.

.

.

−

∆ +

(m) (II_185) Trong đó:

 ∆ = ∆h = ? m

 hx = ? m

 ρb = (0,4 – 0,6) ρxtb Chọn ρb = 0,6.ρxtb = ? (kg/m3)

b

b x ch b

x x x

c

F

f h h f h f

F h h

ρ

ρ ρ

ρ

.

.

.

−

∆

=> hb = ? (m)

TÍNH CHIỀU CAO THÁP

Chiều cao tháp: H = Nt(Hd+δ ) + 0,8 (II-169)

Trong đó:

δ là chiều dày của đĩa chọn

Nt Số đĩa thực tế

Hd khoảng cách giữa các đĩa chọn Hd = ? m

3.1.Hệ số chuyển khối

Ky =

x y

m

β

1

1

(II_162)

Trong đó: + m: hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào to,P,nồng độ các pha + βy: hệ số cấp khối pha khí (Kmol/m2.s) (∆y= 1)

+ βx: hệ số cấp khối pha lỏng (Kmol/m2.s) (∆x= 1)

• Tính hệ số cấp khối βy,βx:

y

β = 4,47.10− 4.ωy1,32.∆P x

























Kmol

Kmol s m

Kmol

.

2

(II_164)

x

β = 33,7.10− 4.ωy0,79.∆P x





















Kmol

Kmol s m

Kmol

.

2 (II_164) Trong đó:

y

ω : Tốc độ khí tính cho mặt cắt tự do của tháp ωy= 0,544 (m/s)

x

P

∆ = ∆Pđ - ∆Pk:Sức cản thuỷ lực của lớp chất lỏng trên đĩa

∆Pđ : Sức cản thuỷ lực chung của đĩa (N/m2)

∆Pk : Sức cản của đĩa khô (N/m2)

Tổng trở lc của một đĩa:

∆Pđ = ∆Pk + ∆Ps + ∆Pt (N/m2) (II_192)

=>∆Pđ - ∆Pk = ∆Ps + ∆Pt

Tính: ∆Ps: trở lực của sức căng bề mặt (N/m2)

∆Ps =

tđ

hh

d

σ

4

(N/m2) (II_192)

σhh= H O,30o C

2

σ

H O,30o C

2

σ = ? (N/m) (I-304)

s

P

∆

⇒ = ? (N/m2)

Tính: ∆P t: Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa(trở lực thuỷ tĩnh) (N/m2)

t

P









−

2

. b r

b

h h g

ρ (N/m2) (II_194)

hr :chiều cao của khe chóp tính đợc hr = b = ? (m)

g : Gia tốc trọng trờng = 9,81 (m/s2)

b

ρ : khối lơng riêng của bọt thờng ρb = ? (kg/m3)

t

P

∆

⇒ = ? (N/m2)

x

P

∆

⇒ = ∆P t + ∆Ps = ? (N/m2)

Vậy ta tính đ ợc :

βy =?

βy = ?

























Kmol

Kmol s m

Kmol

.

2

βx = ?

βx = ?





















Kmol

Kmol s m

Kmol

.

2

• Tính hệ số phân bố m:

Tính giá trị m theo giá trị x thay đổi nh sau:

m =

x x

y y cb

cb

−

−

(II-173)

Ta có bảng giá trị sau :

x

y

xcb

ycb

y-ycb

xcb-x

m

Vậy ta có giá trị m là:

m = ?

=> Ky =

x y

m

β

1

1

= ?(

s m

Kmol

.

• Số đơn vị chuyển khối của một đĩa trong pha hơi:

myt =

y

y G

f

K

F P

K f P y

y

273

30 273 4 ,

ω

+

(II-173) Trong đó:

 f: là diện tích làm việc của tháp đĩa

f = F – (n.fh + m.fch) =

4

.D2

π - (18

4

2

h d

π + 2

4

2

c d

π ) (II-173)

f = ? (m2)

 ωy =?(m/s)

=> myt = ?

=> CY = m yt

e = ? (II-172)

3.2 Vẽ đờng cong phụ xác đinh số đĩa:

Dựng các đoạn thẳng A1C1 , A2C2 , …… song song với trục tung với Ai

nằm trên đờng làm việc , Ci nằm trên đờng cân bằng

Tìm đoạn BiCi theo công thức sau:

BiCi =

Y

i

i

C

C

A

=> xác định đợc các điểm Bi

Nối các điểm B1, B2, B3,… Bn ta đơc đờng cong phụ

Từ điểm Q(x=y=xc) vẽ đờng thẳng song song với trục hoành cắt đờng nồng đọ làm việc tại điểm thứ nhất, từ giao điển đó ta vẽ đờng thẳng song song với trục tung cắt đờng cong phụ tại điểm thứ hai Cứ tiếp tục vẽ các đờng song song

nh vậy cho tới điểm P(x=y=0) tức là x<xd thì dừng ta đợc một đờng gấp khúc Tính số tam giác tạo bởi giữa đờng gấp khúc đó với đờng nồng độ làm việc ta suy ra đợc số đĩa thực tế là:

Nt = ? đĩa

3.3 Tính chiều cao tháp:

H = Nt(Hd+δ ) + 0,8 (II-169)

Trong đó:

δ là chiều dày của đĩa chọn δ = 0,005m

Nt = ? đĩa

Hd khoảng cách giữa các đĩa chọn Hd = 0,4m

=> H = ? (m)

Quy chuẩn H = 13(m)

4 TÍNH TRỞ LỰC CỦA THÁP

Tính trở lực theo công thức :

∆P = Nt ∆Pđ (N/m2) (II_192)

∆Pđ = ∆Pk + ∆Ps + ∆Pt (N/m2) (II_192)

Trong đó :

∆P -Trở lực toàn tháp

∆Pđ - Tổng trở lc của một đĩa

∆Pk- Sức cản của đĩa khô

∆Ps- Trở lực do sức căng bề mặt

∆Pt – Trở lực thuỷ tĩnh lớp chất lỏng

Ta đã tính đợc :

∆Ps = ? (N/m2)

∆Pt = ? (N/m2)

Tính∆P k theo công thức sau:

∆Pk =

2

.

2

o

ρ

ξ (N/m2) (II-192)

ξ: hệ số trở lực thờng ξ = (4 , 5 ữ 5) chọn ξ= 5

ρy: khối lợng riêng của pha khí có ρy = 5,61 (kg/m3)

ωo: Tốc độ khí qua rãnh chóp ωo= 0,544 (m/s)

→ ∆Pk = ? (N/m2)

Vậy ∆Pđ = ? (N/m2)

⇒ Trở lực toàn tháp là:

∆P = ? (N/m2)

5 BẢNG Mễ PHỎNG

x

3 30 1,2

3 30 1,5

8 30 1,2

8 35 1,2

10 30 1.5

10 35 1.5

5 30 1,2

Nhận xột:

VI KếT LUậN

VI TàI LIệU THAM KHảO

1 Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập I – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật (1992) (I)

2 Sæ tay qu¸ tr×nh vµ thiÕt bÞ c«ng nghÖ hãa chÊt – TËp II – Nhµ xuÊt b¶n khoa häc vµ kü thuËt (1999) (II)

3 C¬ së c¸c qu¸ tr×nh vµ thiÕt bÞ c«ng nghÖ ho¸ häc tËp II – PGS.TS

§ç V¨n §µi - Trêng §¹i häc b¸ch khoa Hµ Néi – N¨m 2000

4 TÝnh to¸n qu¸ tr×nh thiÕt bÞ trong c«ng nghÖ ho¸ chÊt vµ thùc phÈm tËp II – PGS.TS NguyÔn Bin