ĐỒ ÁN THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THỤ SO2

Hiệu suất hấp thụ: 80% Áp suất làm việc: khí quyển Nội dung Tính toán quá trình hấp thụ Tính toán các thiết bị chính và một số thiết bị phụ Thể hiện sơ đồ công nghệ và chi tiết thấp lên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

.………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Phần đánh giá: • Ý thức thực hiện:

• Nội dung thực hiện:

• Hình thức trình bày:

• Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số :……….Điểm bằng chữ:………

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2017

Giáo viên hướng dẫn

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Phần đánh giá: • Ý thức thực hiện:

• Nội dung thực hiện:

• Hình thức trình bày:

• Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: ……… Điểm bằng chữ: ………

Giáo viên phản biện

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN

KHOA: CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BỘ MÔN: MÁY VÀ THIẾT BỊ

HỌ VÀ TÊN : Huỳnh Thị Như Hảo

1 Tên đồ án: Thiết kế tháp đệm hấp thụ SO2 từ hỗn hợp SO2 và không khí

2 Nhiệm vụ đồ án ( yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

Số liệu ban đầu:

Lưu lượng hỗn hợp khí ra khỏi tháp: 300m3/h

Nồng độ ban đầu: 5% thể tích Nồng độ cuối dung môi 1% khối lượng

Hiệu suất hấp thụ: 80%

Áp suất làm việc: khí quyển

Nội dung

Tính toán quá trình hấp thụ

Tính toán các thiết bị chính và một số thiết bị phụ

Thể hiện sơ đồ công nghệ và chi tiết thấp lên giáy A1

Tp Hồ Chí Minh, ngày 4 tháng 8 năm 2017

(Ký và ghi rõ họ tên ) (Ký và ghi rõ họ tên ) PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt:………

Đơn vị:………

Ngày bảo vệ: ………

Điểm tổng kết:………

Nơi lưu trữ: ………

i | P a g e

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

MỞ ĐẦU 2

I Tổng quan về khí SO2 2

1.1 Tính chất hóa lý SO2 2

1.2 Tác hại của khí SO2 3

1.3 Các nguồn tạo ra SO2 4

1.4 Các phương án xử lý SO2 4

II Qui trình công nghệ 7

2.1 Chọn qui trình công nghệ 7

2.2 Thuyết minh qui trình công nghệ: 7

CHƯƠNG I TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 8

I Các thông số ban đầu 8

II Tính toán cân bằng vật chất 8

2.1 Thiết lập phương trình đường cân bằng 10

2.2 Thiết lập phương trình đường làm việc 11

III Tính đường kính tháp 13

3.1 Tính khối lượng riêng 13

3.2 Lượng khí trung bình đi trong tháp 14

3.3 Lưu lượng dòng lỏng trung bình đi trong tháp 15

3.4 Độ nhớt  x, y 15

3.5 Tính đường kính tháp 16

3.6 Tính vận tốc đảo pha 17

ii | P a g e

IV Tính toán chiều cao tháp 19

4.1 Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối 19

4.2 Hệ số khuếch tán trong pha lỏng 21

4.3 Hệ số khuếch tán trong pha khí 21

4.4 Tính Rex, Rey, Prx, Pry 22

4.5 Tính hệ số thấm ướt  22

4.6 Tính chiều cao một đơn vị chuyển khối 23

4.7 Chiều cao cột đệm cần thiết cho quá trình hấp thu 24

V Trở lực 24

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 28

I Tính chiều dày thân tháp 28

II Tính chiều dày đáy, nắp 30

III Tính ống dẫn lỏng, ống dẫn khí 31

3.1 Tính ống dẫn khí vào tháp 31

3.2 Tính ống dẫn khí ra khỏi tháp 31

3.3 Tính ống dẫn lỏng vào tháp 31

3.4 Tính ống dẫn lỏng ra khỏi tháp 32

IV Tính bích ghép thân tháp 32

4.1 Kiểm tra bu lông ghép bích 33

4.2 Kiểm tra chiều dày bích 35

V Tính bích nối đường ống dẫn lỏng với thân và ống dẫn khí với thân 37

5.1 Bích nối đường ống dẫn lỏng với thân 37

5.2 Bích nối ống dẫn khí với thân 37

iii | P a g e

VI Tính lưới đỡ đệm và đĩa phân phối lỏng 38

6.1 Tính lưới đỡ đệm 38

6.2 Đĩa phân phối lỏng 40

6.3 Chân đỡ và tai treo 40

6.4 Khối lượng đáy tháp 40

6.5 Khối lượng nắp tháp 41

6.6 Khối lượng thân tháp 41

6.7 Khối lượng đệm khô 42

6.8 Khối lượng dung dịch 42

6.9 Khối lượng bích nối thân đáy và thân nắp 42

6.10 Khối lượng bích nối ống dẫn lỏng với thân 42

6.11 Khối lượng bích nối ống dẫn khí với thân 43

6.12 Khối khối lượng lưới đỡ đệm 43

6.13 Khối lượng đĩa phân phối lỏng 44

6.14 Tổng khối lượng toàn tháp hấp thu 44

6.15 Tải trọng tháp 44

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 46

I Tính bồn cao vị 46

1.1 Tổn thất dọc đường ống 47

1.2 Tổn thất cục bộ 48

1.3 Chiều cao bồn cao vị 48

II Tính công suất bơm 49

2.1 Tổn thất dọc đường ống 50

iv | P a g e

2.2 Tổn thất cục bộ 50

2.3 Cột áp của bơm 51

2.4 Công suất của bơm 51

III Tính công suất của quạt 52

3.1 Tổn thất dọc đường ống 54

3.2 Tổn thất cục bộ 54

3.3 Cột áp của quạt 55

3.4 Công suất của quạt 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

1 | P a g e

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, do sự phát triển của các nghành công nghiệp tạo ra các sản phẩm phục

vụ con người, đồng thời cũng tạo ra một lượng chất thải vô cùng lớn làm phá vỡ cân bằng sinh thái gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

Trong các loại ô nhiễm, ô nhiễm không khí ảnh hưởng trực tiếp đến con người, động vật, thực vật và các công trình xây dựng Sức khỏe và tuổi thọ con người phụ thuộc rất nhiều vào độ trong sạch của môi trường Vì vậy, trong những năm gần đây ô nhiễm không khí từ các nghành sản xuất công nghiệp ở nước ta đang là vấn đề quan tâm không chỉ của nhà nước mà còn là của toàn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó đã lên đến mức báo động

SO2 là một trong những chất ô nhiễm không khí được sản sinh nhiều trong các nghành sản xuất công nghiệp và sinh hoạt Việc xử lý SO2 có nhiều phương pháp khác nhau Phương pháp nào được áp dụng để xử lý tùy thuộc vào hiệu quả và tính kinh tế của phương pháp Ví vậy, đồ án môn học với nhiệm vụ thiết kế tháp đệm hấp thu SO2

là một trong những phương án ghóp phần vào việc xử lý khí thải ô nhiễm

Trong đồ án này sẽ đi khảo sát một phương án: Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thu với dung môi là nước Nhằm tìm hiểu xem quá trình xử lý có đạt hiệu quả và kinh tế không, để có thể đưa vào hệ thống xử lý khí thải trong các nghành sản xuất công nghiệp và sinh hoạt

Em xin chân thành biết ơn thầy Nguyễn Tiến Đạt đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đồ án môn học này Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ nhưng không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình tính toán thiết kế Em mong được các thầy xem xét và chỉ dẫn thêm

SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở – 750 C và nhiệt độ sôi ở – 100C

Nguyên tử S trong phân tử SO2 có cặp electron hóa trị tự do linh động và ở trạng thái oxy hóa trung gian (+4) nên SO2 có thể tham gia phản ứng theo nhiều kiểu khác nhau:

• Cộng không thay đổi số ôxy hóa:

và môi trường nước

3 | P a g e

1.2 Tác hại của khí SO2

SO2 trong khí thải công nghiệp là một thành phần gây ô nhiểm không khí Nồng

độ cho phép khí SO2 có trong môi trường xung quanh chúng ta là rất nhỏ(<300mg/m3)

Nó ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe, các hoạt động của con người, cũng như động vật, thực vật và bầu khí quyển

• Đối với con người và động vật: khi hít phải khí SO2 có thể gây ra các bệnh về đường hô hấp như: viêm phế quản, viêm phổi, giản phổi, suy tim, hen xuyển Nếu hít phải SO2 với nồng độ cao có thể gây tử vong

• Đối với vật liệu và công trình xây dựng:

Khí SO2 có khả năng biến thành acid sunfuric, là chất phản ứng mạnh Do đó chúng làm hư hỏng, làm thay đổi tính năng vật lý hay thay đổi màu sắc các vật liệu xây dựng như đá vôi, đá hoa, đá cẩm thạch cũng như phá hoại các sản phẩm điêu khắc, các tượng đài

Sắt, thép, các kim loại khác, các công trình xây dựng cũng dễ dàng bị gỉ, bị ăn mòn hóa học và điện hóa

• Đối với thực vật:

Khí SO2 xâm nhập vào các mô của cây và kết hợp với nước để tạo thành acid sunfurơ gây tổn thương màng tế bào và làm giảm khả năng quang hợp của cây Cây chậm lớn, vàng úa và chết

Khí SO2 làm cây cối chậm lớn, nhiều bệnh tật, chất lượng giảm, hiệu quả thu hoạch kém

• Mưa acid: Khí SO2 trong khí quyển khi gặp các chất oxy hóa hay dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng chúng chuyển thành SO3 nhờ O2 có trong không khí Khi gặp H2O, SO3 kết hợp với nước tạo thành H2SO4. Đây chính là nguyên nhân tạo ra các cơn mưa acid mà thiệt hại của mưa acid gây ra là rất lớn Mưa acid làm tăng tính acid của trái đất, hủy diệt rừng và mùa màng, gây nguy

4 | P a g e

hại đối với sinh vật nước, đối với động vật và cả con người Ngoài ra, còn phá hủy các nhà cửa, công trình kiến trúc bằng kim loại bị ăn mòn Nếu H2SO4 có trong nước mưa với nồng độ cao sẽ làm bỏng da người hay làm mục nát áo quần

1.3 Các nguồn tạo ra SO2

Khí SO2 tạo ra là do sự đốt cháy các hợp chất chứa lưu huỳnh hay nguyên tử lưu huỳnh

Ví dụ: các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh trong than, dầu mỏ, quặng Pirit (FS2), hơi đốt chứa nhiều khí H2S, các quặng sunfua

Khí SO2 là loại chất gây ô nhiểm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp và sinh hoạt Nguồn thải SO2 chủ yếu từ:

- Các nhà máy nhiệt điện

- Các lò nung, nồi hơi đốt bằng nhiên liệu than đá, khí đốt, dầu hỏa và khí đốt có chứa lưu huỳnh

- SO2 sinh ra từ các nghànhsản xuất công nghiệp: nhà máy lọc dầu, nhà máy luyện kim, lò đúc, nhà máy sản xuất H2SO4

- Khí thải giao thông

Nhược điểm: vận hành khó, chi phí cao tốn nhiều MgO

- Phương pháp kẽm: trong phương pháp này chất hấp thụ là kẽm

SO2 + ZnO + 2,5 H2SO4  ZnSO3 + H2O

Ưu điểm: của phương pháp này là khả năng xử lý ở nhiệt độ cao (200 –

2500C)

Nhược điểm: có thể hình thành ZnSO4 làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi

về kinh tế nên phải thường xuyên tách chúng và bổ sung thêm ZnO

- Hấp thụ bằng chất hấp thụ trên cơ sở Natri:

Ưu điểm: của phương pháp này là ứng dụng chất hấp thụ hóa học không bay, có khả năng hấp thụ lớn

- Phương pháp Amoniac: SO2 được hấp thụ bởi dung dịch Amoniac hoặc dung dịch Sunfit-biSunfit amôn

Ưu điểm: của phương pháp này là hiệu quả cao, chất hấp thụ dễ kiếm, thu được sản phẩm cần thiết (Sunfit và biSunfit amon)

- Hấp thụ bằng hổn hợp muối nóng chảy:

1.4.3 Xử lý SO2 bằng phương pháp nhiệt và xúc tác:

Bản chất của quá trình xúc tác để làm sạch khí là thực hiện các tương tác hóa học, nhằm chuyển hóa tạp chất độc thành sản phẩm khác với sự có mặt của chất xúc tác đặt biệt

2.2 Thuyết minh qui trình công nghệ:

Dòng khí được quạt thổi qua lưu lượng kế đo lưu lượng và đi vào tháp đệm thực hiện quá trình hấp thu Tháp hấp thu làm việc nghịch dòng

Dung môi hấp thu là nước Nước sạch từ bể chứa được bơm lên bồn cao vị Sau

đó đi qua lưu lượng kế đo lưu lượng dòng chảy và đi vào tháp hấp thu, nước được chảy

từ trên xuống Khí SO2 được thổi từ đáy tháp lên, quá trình hấp thu được thực hiện

Khí sau khi hấp thu đến khi nồng độ cuối trong dung môi đạt 1% về khối lượng

8 | P a g e

I CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU

Lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp: 3000 m3/h

Nồng độ SO2 ban đầu: 5% thể tích

Nồng độ cuối của dung môi: 1% khối lượng

Hiệu suất hấp thụ: 80%

Chọn nhiệt độ của nước hấp thụ là 30oC

II TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Phương trình cân bằng vật chất của hấp thụ SO2 bằng H2O được biểu diễn theo định luật Henry:

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

9 | P a g e

Từ số liệu đường cân bằng ta vẽ đường cân bằng:

Nồng độ thể tích ban đầu của dòng khí

đ 5% 05

y  0 kmol SO2/kmol pha khí

Nồng độ đầu của pha khí theo tỷ số mol

Hấp thu SO2 bằng nước, chọn dung môi sạch khi vào tháp: Xđ = 0

Với Xđ là nồng độ đầu của pha lỏng, kmolSO2/kmolH2O

Lượng dung môi tối thiểu được sử dụng:

2.1 Thiết lập phương trình đường cân bằng

Theo định luật Henry ta có: ycb = mx

11 | P a g e

2.2 Thiết lập phương trình đường làm việc

Phương trình cân bằng vật liệu cho thiết bị:

Suy ra Ltr 1.2 L tr min 1.2 4644 5572 kmol / h 

Phương trình đương làm việc:

Đồ thị đường cân bằng và đường làm việc

Đường cân bằng Đường làm việc

13 | P a g e

III TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THÁP

3.1 Tính khối lượng riêng

3.1.1 Đối với pha lỏng

Áp dụng công thức:

Trong đó:

: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3

Phần khối lượng của SO2 trong pha lỏng

 (200C) = 1383 (kg/m3)

2 SO

 (400C) = 1327(kg/m3)

Dùng phương pháp nội suy thu được:

2 SO

 (300C) = 1355 (kg/m3)

Tính

Áp dụng công thức

Trong đó

Phần khối lượng trung bình của SO2 trong hỗn hợp

xtb: Nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha lỏng, (kmol SO2/kmol H2O)

xtb = 4.34×10-4 (kmol SO2/kmol H2O)

O H SO SO

SO xtb

a a

2 2

(1 )

SO tb SO

14 | P a g e

2 2

• My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí, (kg/kmol)

• , Mkk: Khối lượng phân tử của SO2 và không khí, (kg/kmol)

• ytb: Phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp, (kmol SO2/kmol hỗn hợp khí)

3.3 Lưu lượng dòng lỏng trung bình đi trong tháp

Vxtb: lưu lượng dòng lỏng trung bình

Do lượng cấu tử hoà tan trong dung dịch nhỏ, xem quá trình hấp thu không làm thay đổi đáng kể thể tích nên:

2 2

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

Ltr: lưu lượng nước, kmol/h

16 | P a g e

Tra bảng I-101 sổ tay I:

2 SO

 ,  : độ nhớt trung bình của pha khí, của SOkk 2 và của không khí ở điều kiện làm việc 300C, Ns/m2

My,

2 SO

M , Mkk: khối lượng phân tử của pha khí, của SO2 và của không khí ở điều kiện làm việc 300C và P=1atm

Tra đồ thị I-35 ta có:

2 SO

d td

d

V d



 

  

IV TÍNH TOÁN CHIỀU CAO THÁP

Chiều cao tháp được xác định theo phương pháp số đơn vị chuyển khối:

H = hdv.my (m)

Trong đó: H: chiều cao tháp, m

hdv: chiều cao một đơn vị chuyển khối, m

my: số đơn vị chuyển khối

4.1 Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối

Trong đó: h1: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha khí

h2: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha lỏng

m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y*=f(X) với mặt phẳng ngang

h 1 và h 2 được xác định theo công thức

 

2 0.25

: hệ số thấm ướt của đệm, do nên =1

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

 y =  ytb = 1.166 kg/m3 là khối lượng riêng pha khí

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

th

U

M M 18(kg/kmol)  là hệ số kết hợp cho dung môi,  = 2.6 cho dung môi là nước

P = 1 at, áp suất khuếch tán

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

24 | P a g e

Xác định số đơn vị chuyển khối

Do cấu tử SO2 hoà tan trong dung dịch không dáng kể nên dung dịch hấp thu khá loãng, phương trình tính mY có dạng như sau:

d Y Y Yc

Tháp hấp thụ đạt hiệu suất cao nhất khi vận tốc của khí bằng vận tốc điểm đảo pha

=> Trở lực của tháp đệm đối với hệ khí-lỏng dưới điểm đảo pha có thể xác định được bằng công thức sau:

'

y td y y

5



W’y = 0.7242 m/s, tốc độ của dòng khí trên toàn bộ tiết diện tháp

x y m

y

x k

v

G

G A P P

27 | P a g e

Do:

2 0 8

y y

28 | P a g e

I TÍNH CHIỀU DÀY THÂN THÁP

Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn, nhiệt độ làm việc 300C, Pmt = 1 at = 0.1 N/m2 Nên ta chọn vật liệu là thép không rỉ để chế tạo thiết bị

29 | P a g e

C = Ca + C0 + Cb + Cc

Trong đó:

Ca: là hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường

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

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

C0 = 1 mm

Thay vào ta được: C = 2 + 0 + 1 = 3 (mm)

Bề dày thực của thân trụ:

1.67 10 0.11200



: thỏa điều kiện

Ap suất tính toán cho phép ở bên trong thiết bị:

Vậy chiều dày thân được chọn là S = 4 (mm)