Hấp thụ khí SO2 bằng tháp đệm

Hấp thụ khí SO2 bằng tháp đệm

i lời mở đầu

Vấn đề xử lý các chất ô nhiễm không khí đã và nhận đợc sự quan tâm củatoàn nhân loại nói chung và của Việt Nam nói riêng Với mục đích đó việc thực hiện đồ án môn học thực sự cần thiết, trong quá trình làm đồ án em đã hiểu đợc những phơng pháp, cách tính toán, lựa chọn thiết bị có khả năng ứng dụng vào thực tiễn để có thể xử lý các chất thải gây ô nhiễm

Sau 12 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận đợc sự hớng dẫn nhiệt tình của các thầy cô giáo trong Viện Nhng là đồ án đầu tiên của em do có nhiều hạn chế

về tài liệu và kinh nghiệm tính toán, nên không thể tránh khỏi những sai sót,

em mong nhận đợc ý kiến đóng ghóp của các thầy cô giáo để đồ án sau có kếtquả tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, đặc biệt là cô giáo Nguyễn ánhTuyết đã trực tiếp hớng dẫn, giúp em hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày 8 tháng 11 năm 2006

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Xuân Thuỷ

Khí SO 2 là chất khí không màu , có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển

là 1 ppm Khí SO 2 là khí tơng đối nặng nên thờng ở gần mặt đất ngang tầm sinh hoạt của con ngời, nó còn có khả năng hoà tan trong nớc nên dễ gây phản ứng với cơ quan hô hấp của ngời và động vật Khi hàm lợng thấp ,SO 2 làm sng niêm mạc ,khi nồng độ cao ( > 0,5 mg/m 3 ) SO 2 sẽ gây tức thở ,ho, viêm noét đờng hô hấp.

SO 2 làm thiệt hại đến mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng Ma axít có nguồn gốc từ khí SO 2 làm thay đổi pH của đất , nớc, huỷ hoại các công trình kiến trúc ,ăn mòn kim loại.Ngoài ra ô nhiểm SO 2 còn liên quan đến hiện tợng mù quang hoá Chính vì những tác động không tích cc ở trên mà việc giảm tải lợng cũng nh nồng độ phát thải SO 2 vào môi trờng là vấn đề rất đợc quan tâm

2 Phơng pháp xử lí khí so 2

Khí SO 2 thờng đợc xử lí bằng phơng pháp hấp thụ , tác nhân sử dụng để hấp thụ thờng là sữa vôi , sữa vôi kết hợp với MgSO 4 hoạc bằng dung dịch kiềm Trong phạm vi đồ án này ,với nhiệm vụ đợc giao là hấp thụ khí SO 2 bằng nớc dây là phơng pháp hấp thụ vật lí nên hiệu suất hấp thụ không cao.Do đó ta phải chọn điều kiện làm việc của tháp hấp thụ ở nhiệt độ thấp và áp suất cao

để nâng cao hiệu suất hấp thụ.

3 Tháp đệm

Tháp đệm đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá chất vì đặc điểm dễ thiết

kế, gia công, chế tạo và vận hành đơn giản tháp đệm đợc sử dụng trong các quá trình hấp thụ, chng luyện, hấp phụ và một số quá trình khác Tháp có dạng hình trụ, trong có chứa đệm, tuỳ vào mục đích thiết kế mà đệm có thể đợc xếp hay đổ lộn xộn Thông thờng, lớp đệm dới thờng sắp xếp, khoảng từ lớp thứ 3 trở đi, đệm đợc

đổ lộn xộn.

Tháp đệm có những u điểm sau:

- Cấu tạo đơn giản.

- Bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao.

- Trở lực trong tháp không quá lớn.

- Giới hạn làm việc tơng đói rộng.

Tuy nhiên, tháp có nhợc điểm là khó thấm ớt đều đệm làm giảm khả năng hấp thụ

Láng ra 3

4 Đồng hồ đo lu lợng lỏng

5 Thuyết minh dây chuyền:

- Hỗn hợp khí cần xử lí chứa SO2 và không khí đợc máy nén khí 1 đa vào từphía dới đáy tháp Nớc từ bể 3 đợc bơm li tâm 2 đa vào tháp 6, trên đờng ống

có van điều chỉnh lu lợng 5 và đồng hồ đo lu lợng 4 Nớc đợc bơm vào thápvới lu lợng thích hợp, tới từ trên xuống dới theo chiều cao tháp hấp thụ

- Hỗn hợp khí sau khi đi qua lớp đệm xảy ra quá trình hấp thụ sẽ đi lên đỉnhtháp và ra ngoài theo đờng ống thoát khí Khí sau khi ra khỏi tháp có nồng độkhí SO2 giảm, mức độ giảm tuỳ thuộc vào hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ

- Nớc sau khi hấp thụ SO2 đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài theo đờng ốngthoát lỏng Nớc sau khi hấp thụ nếu nồng độ SO2 cao sẽ đợc xử lí và tái sửdụng

Một số kí hiệu:

-X đ : nồng độ ban đầu của SO2 trong dung môi (Kmol/Kmoldm )

-X c : nồng độ cuối của SO2 trong dung môi (Kmol/Kmol dm)

-Y đ: nồng độ ban đầu của SO2 trong hỗn hợp khí (Kmol/Kmol khí trơ)

-Y c : nồng độ cuối của SO2 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)

1 Tháp làm việc ở :

+ Nhiệt độ : T = 20 0C hay T = 293 0K

+ áp suất : P = 9 at hay P = 6619,5 mmHg

+ Nồng độ khí thải vào tháp (phần mol): yd = 0,046

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

046 , 0

− = 0,0482(kmol SO2/kmol khí trơ)

+ Hiệu suất hấp thụ η = 0,905

=> Yc = (1- η)Yd

= (1-0,905)0,0482 = 0,00458 (kmol SO2/kmol khí trơ) + Lu lợng khí thải vào tháp: GY = 10000 (Nm3/h)

hay GY =

4 , 22

10000 = 446,43 (kmol/h) + Lợng khí trơ đợc tính theo công thức:

2 Thiết lập phơng trình đờng nồng độ cân bằng:

Ycb = ( m)X

X m

− + 1 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 1

Với ψSO2(20 0C) là hằng số henrry của SO2 ở 200C

ψSO2(20 0C) = 0,0226.106mmHg (Tra bảng IX.1 , II-139 )

=> m =

5 , 6619

10 0226 ,

018 , 4

− ( phơng trình đờng nồng độ cân bằng)

3 Thiết lập đờng nồng độ làm việc:

- Tính lợng dung môi cần thiết Gx

+ 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

4 Vẽ đồ thị đờng nồng độ cân bằng và đờng nồng độ làm việc:

Dựa vào giá trị Xcbmax= 0,0116 Ta có bảng số liệu :

iiI.tính toán kết cấu tháp

D =

tb tb

+ωtb: Tốc độ khí trung bình đi trong tháp (m/s)

ρ

.

M ytb : khối lợng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp (kg/kmol)

ρytb : Khối lợng riêng của hỗn hợp khí đi trong tháp ( kg/m 3 )

Với khối lợng riêng trung bình của pha khí là:

.

P T

T P

4 , 22

T P M

P T M

T P

P T

G y

= 446, 43.22, 4.293.1

9.273

= 1192,51 (m3/h)

Tốc độ khí trung bình đi trong tháp:

Víi

0,16 2

3

.

G X

G

ρ ρ

X X

ρ = ( kg/m3 ) ( Tra b¶ng I.2 , I-9 )

ρxtbH O2 (20 )o c = ρH O2 (20 )o c = 998, 23 ( kg/m3 ) ( Tra b¶ng I.5 , I-11 )

⇒ ρxtb= 2 2

1 1

µ = − ( Ns/m2 ) ( Tra b¶ng I.101 , I-91 )

2

3 (20o ) 1,005.10

ytb x

V

Quy chuẩn D = 1,2 (m)

2- tính toán chiều cao làm việc của tháp

Chiều cao làm việc của tháp (chiều cao đệm) đợc xác định theo phơng pháp

số đơn vị chuyển khối :

H = hdv.my (m) (II-175)

Trong đó:

+ H: chiều cao làm việc của tháp (m)

+ hdv: chiều cao một đơn vị chuyển khối (m)

dY

Y Y−

∫ (II-175)

Vẽ đồ thị biểu thị mối quan hệ 1/Y-Ycb và Y :

Dựa vào tính toán của máy tính ta thu đợc phơng trình tơng đối biểu diễnmối quan hệ của 1/Y-Ycb và Y :

G (m) ( II-177)Với:

• h1: chiều cao một đơn vị chuyển khối ứng với pha khí (m)

• h2: chiều cao một đơn vị chuyển khối ứng với pha lỏng (m)

• m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đờng cân bằng Ycb = f(X) với mặtphẳng ngang

Xác định h 1 và h 2 :

• h 1 =

3 / 2 y 25 , 0 y d

d Re Pra

2 3 / 1 kk 3 / 1 SO

5 , 1 4

M

1M

1)

vv

(P

T10.0043,0

2 2

++

vSO2 = 40,8 (cm3/mol)

⇒ Dy = ( )

4 1,5

2 1/ 3 1/ 3

x

à ρ

ρ chuẩn số Pran của pha lỏng ( II-178)

Dx: hệ số khuyếch tán của SO2 vào nớc ở nhiệt độ 200C

- A: hệ số, với các chất khí tan trong nớc A = 1 ( II - 134 )

1, 466.10

64 18 1.4, 7 1,005(44,8 18,9 )

• Xác định m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đờng cân bằng Ycb =f(X) với mặt phẳng ngang.

1.56 . tb . y . d y

k

d

H P

- ở cùng 1 nhiệt độ , 1 lợng dung môi , khi tăng áp suất thì nồng độ cấu tử

SO2trong pha lỏng tăng chứng tỏ hiệu suất quá trình hấp thụ tăng ,đồng thời

chiều cao làm việc giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế

- ở cùng 1 áp suất , 1 nhiệt độ , khi lợng dung môi tăng lên thì trở lực tháp

nhỏ , chiều cao giảm ,mặc dù nồng độ cấu tử SO2 trong pha lỏng giảm nhng

do lu lợng lỏng lớn nên lợng khí bị hấp thụ vẫn lớn Tuy nhiên ta phải tốn

chi phí cho bơm chất lỏng và chi phí cho dung môi ( đối với dung môi đắt tiền

)

- ở cùng 1 áp suất , 1 lợng dung môi , khi tăng nhiệt độ thì trở lực và chiều

cao tháp cũng giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế nhng nồng độ cuối của

dung dịch cũng giảm

Từ những phân tích ở trên cùng với việc tính toán hài hoà giữa chi phí và

hiệu quả háp thụ ta chọn điều kiện làm việc của tháp hấp thụ nh sau :

• áp suất làm việc : 9 at

• Nhiệt độ làm việc : 20 oC

. g H

Q (kW) (I-439)Trong đó:

O H

x M G

2

2

.3600

2407, 4.18

0, 012 3600.998,23 (m3/s)

Tính H (m)

H =

g

P P

.

1 2

+ ∆Pđ: áp suất động học,tức là áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống (N/m2)

∆Pđ =

2

ω 2

ρ (N/m2) (I-377)

ρ:khối lợng riêng của H2O ở 200C :998,23 (kg/m3)

ω: vận tốc trung bình dung môi trong ống

λ

td

d

L (N/m2) (I-377) Với - L: chiều dài toàn bộ hệ thống ống dẫn chọn L = 17 (m)

- dtđ: đờng kính tơng đơng của ống dẫn

dtđ =

ω

785 , 0

Chọn ξ = 0,1.10-3 (m)

Vậy

λ

1 = -2.lg  +ữ − =

ξ ( I-377 )

- ξ: hệ số trở lực cục bộ của toàn bộ đờng ống ξ = ∑ξi

Chọn 1 van tiêu chuẩn : ξ1= 4,2

Hệ số trở lực khuỷu: 2 khuỷu 900 tạo thành bởi 3 khuỷu 300 (a/b =1)

+ ∆Pk: áp suất bổ sung cuối ống dẫn coi ∆Pk = 0

+ ηo:hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đên vùng áp suất thấp và do chất lỏng rò rỉ qua các chỗ hở của bơm

η

η (kW) (I-439 )

ηtr:hiệu suất truyền động lấy ηtr = 0,85

ηđc:hiệu suất động cơ điện lấy ηđc = 0,95

=> Nđc = 15,7 = 17,2

0,96.0,95 (kW)Trên thực tế lợng dự trữ đa vào có khả năng quá tải nên ta chọn động cơ cócông suất lớn hơn công suất tính toán

1 1

m m db

P m

Van an toµn

Van ®iÒu chØnh KhÝ vµo

+ C«ng suÊt thùc tÕ cña m¸y nÐn :

lt

tt ck

N N

• Giới hạn bền kéo : δk = 550.106 ( N/m2)

• Giới hạn bền khi chảy : δch = 220.106 ( N/m2)

• Đối với tấm thép có chiều dày 4 - 25 mm có :

H d : Chiều cao của lớp đệm , H d = 6 ( m )

H 1 : chiều cao tính từ mặt trên của đệm đến đỉnh tháp (m)

H 1 phải đảm bảo sao cho chất lỏng tới đều toàn bộ bề mặt đệm, đồng thời

đảm bảo không gian tách bọt Chọn H 1 = 1 m.

H 2 : chiều cao tính từ mặt dới của đệm đến đáy tháp (m)

H 2 phải đảm bảo khí đi lên đều đặn và phân bố đồng đều đến toàn bề mặt

đệm, chất lỏng chảy từ trên xuống dễ dàng và có khoảng không gian thích hợp để chất lỏng dễ dàng có thoát ra ngoài Chọn H 2 = 1 m.

H 3 : chiều cao các bích nối, hệ thống phân phối lỏng Chọn H 3 = 1 m

Vậy chiều cao của tháp :

H tp = 6 + 1 + 1+ 1 = 9 ( m )

• Thân tháp gồm nhiều đoạn đợc ghép lại với nhau bằng bích nối Mỗi đoạn tháp đợc cuốn từ thép tấm và hàn hồ quang theo kiểu giáp nối 2 bên có hệ số bền của mối hàn: ϕ = 0,95 (Tra bảng XIII.8 , II-362)

2 Chiều dày của thân tháp :

S = 2[ ]D P t. ( )

C m P

σ ϕ − + (II-360)

Trong đó

• Dt - Đờng kính trong của tháp , Dt = 1,2 ( m )

• P - áp suất tác dụng lên thành thiết bị

Nh vậy P = 8,82.105 + 68807 = 950807 (N/m2 )

• [ σ ] : sẽ đợc chọn dựa vào ứng suất cho phép tính theo giới hạnbền khi kéo hoặc dựa vào ứng suất cho phép tính theo giới hạnchảy khi kéo

+ [ σk ]b: ứng suất cho phép tính theo giới hạn bền khi kéo (N/m2)

[ σk ]b = σ η

b

t k

n ( N/m2) (II-355) Với:

σkt: giới hạn bền khi kéo, σkt = 550.106 (N/m2)

η: hệ số hiệu chỉnh , η = 1,0 (II- 356)

nb: hệ số an toàn theo giới hạn bền,

nb = 2,6 (Tra bảng XIII.3 , II- 356) ⇒ [ σk ]b =

n

σ

η (II-355) (N/m2) Với:

- σct: giới hạn bền khi chảy , σct = 220.106 (N/m2)

- nc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy,

nc = 1,5 (Tra bảng XIII.3 , II- 356)

=> C1 = 0,1 10 = 1 ( mm )+ C2- hệ số bổ sung khi tính đến ăn mòn do nguyên liệu chứa hạt rắn chuyển động trong thiết bị , C2 = 0

+ C3 - hệ số bổ xung do dung sai chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm thép Chọn C3 = 0,8 ( mm )

PcS

<

2,1

t c

σ

( N/m 2 ) (II-365) Trong đó

t c

σ

chứng tỏ chọn S = 5 ( mm ) là phù hợp

2 nắp và đáy tháp

A- Lựa chọn vật liệu, kiểu nắp và đáy tháp

- Chọn đáy và nắp tháp thiết bị hình elip có gờ

3 ,

k P

Kiểm tra ứng suất theo áp suất thử thủy lực theo công thức:

1 Bích nối 2 phần thân thiết bị, nối nắp và đáy với thân thiết bị:

Chọn kiểu bích nối liền bằng thép kiểu 2 có các thông số: (Tuỳ chọn)

2 Bích nối ống dẫn với các bộ phận khác trong thiết bị:

Chọn bích liền bằng kim loại đen, kiểu I

4 Cửa nối ống dẫn với thiết bị:

Ta chọn ống dẫn nối với thiết bị bằng mối ghép tháo đợc , đó là đoạn ốngngắn có mặt bích hay ren để nối với ống dẫn

mdm : khèi lîng dung m«i ( níc )

mbs : khèi lîng bæ sung (do bu l«ng, bÝch,…)

+ ρvá: khèi lîng riªng vËt liÖu lµm vá( vËt liÖu lµm th¸p lµ X18H10T ) nªn ρvá = 7900 ( kg/m3 )

mbs = 500 kg ( Khèi lîng nµy dùa trªn c¬ së khèi lîng cña bul«ng, bÝch, …)

VËy khèi lîng toµn th¸p lµ:

2. NÕu sö dông tai treo:

VËt liÖu lµm tai treo lµ thÐp CT3, nÕu chän 4 tai treo th× t¶i träng 1 tai treo ph¶i chÞu lµ: 3,3875.104 ( N )

Tra b¶ng XIII.36, II 438 ta cã c¸c th«ng sè cña tai treo nh sau:

Chän tÊm lãt tai treo b»ng thÐp:

Tra b¶ng XIII.37, II-439 ta cã c¸c th«ng sè cña tÊm lãt tai treo:

ChiÒu dµy tèi thiÓu cña thµnh thݪt bÞ khi kh«ng cã cã lãt : 12 mm

ChiÒu dµy tèi thiÓu cña thµnh thݪt bÞ khi cã cã lãt : 8 mm

- H = 365 mm

- B = 200 mm

- SH = 6 mm

Vi - Kết luận

Tháp đệm đợc sử dụng ngày một rộng rãi trong công nghệ hoá học cũng

nh trong các quá trình sử lí ô nhiễm khí bởi nhiều u điểm nh tính kinh tế, dễvận hành, hiệu quả hấp thụ tơng cao…

Qua phần tính toán, em đã hiểu đợc sơ bộ cấu tạo của tháp ,các bộ phận,cách sắp xếp đệm,cách đặt tháp, hiểu đợc về kết cấu tháp, các bộ phận phụ tạonên độ ổn định trong khi tháp làm việc, nguyên lý vận hành, các bộ phận tạonên dây chuyền hấp thụ, cũng nh xem xét trên cơ sở lý thuyết sơ lợc về tínhkinh tế khi sử dụng tháp đệm

Do còn rất nhiều hạn chế trong hiểu biết, kinh nghiệm tính toán cũng

nh kinh nghiệm thực tế nên đồ án còn rất nhiều thiếu sót Em rất mong nhậnnhận đợc ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo

Mục lục

i lời mở đầu 1

giới thiệu chung 2

1 sơ lợc về khí SO 2 .2

2 Phơng pháp xử lí khí so 2 2

3 Tháp đệm 3

4 Sơ đồ hệ thống hấp thụ So 2 4

5 Thuyết minh dây chuyền 5

ii tính toán cân bằng vật liệu 6

iiI tính toán kết cấu tháp 9

1 tính đờng kính của tháp 9

2 tính toán chiều cao làm việc của tháp 12

3 tính trở lực tháp đệm 18

4 bảng mô phỏng theo một số điều kiện 19

Iv Thiết kế thiết bị phụ 20

1 Bơm chất lỏng 20

2 Máy nén khí .24

V Tính toán và chọn cơ khí 26

1 thân tháp 26

2 nắp và đáy tháp 29

3 Chọn mặt bích 31

4 Cửa nối ống dẫn với thiết bị 33

5 Chân đỡ và tai treo 33

Vi - Kết luận 37

Mục lục 38

Tài liệu tham khảo 39

Tài liệu tham khảo

1 Nguyễn Bin , Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất , tập 1 ,Nhà xuất bản KHKT – 2005.

2 Nguyễn Bin ,Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất , tập 2 ,Nhà xuất bản KHKT – 2005.

3 Tính toán quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm –Tập 2 - Nhà xuất bản KH & KT – 2001.