Tính toán thiết kế tháp đĩa chóp để hấp thụ khí HCl trong môi trường không khí với dung môilà nước

 Xác định kích thước các cửa vào và ra của thiết bị  Tính toán thủy lực lựa chọn bơm, quạt 2.2 Tính toán cơ khí  Xác định chiều dày của thiết bị.. P: áp suất  at .*Các yếu tố ảnh hở

ĐỒ ÁN MÔN HỌCCÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Họ và tên: Vũ Kỳ Anh Mssv: 20122878

Lớp: Kỹ thuật môi trường K57

1 Nhiệm vụ thiết kế:

Tính toán thiết kế tháp đĩa chóp để hấp thụ khí HCl trong môi trường không khí với dung môi

là nước theo các số liệu sau:

 Lưu lượng khí vào tháp: Gy = 12000 m3/h

 Nồng độ HCl đi vào tháp: yđ = 0,025 kmol/kmol

 Hiệu suất hấp thụ:  = 96%

 Lượng dung môi tiêu tốn: Gx = 1,2Gxmin

 Tháp làm việc ở điều kiện t = 25oC, p = 1.5at

2 Nội dung thiết kế:

2.1 Tính toán công nghệ:

 Xác định đường kính và chiều cao của tháp

 Xác định trở lực của tháp

 Xác định kích thước các cửa vào và ra của thiết bị

 Tính toán thủy lực (lựa chọn bơm, quạt)

2.2 Tính toán cơ khí

 Xác định chiều dày của thiết bị

 Tính toán và lựa chọn kết cấu lắp đặt thiết bị

MỤC LỤC

1 Cửa vào, cửa ra thiết bị

2 Bơm chất lỏng

3 Máy nén khí

192025

I MỞ ĐẦU: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THIẾT BỊ:

ễ nhiễm mụi trường đang là vấn đề mang tớnh toàn cầu và cấp bỏch Ở hầu hết cỏc quốc gia,chớnh phủ đó đầu tư rất nhiều, cả về vốn và cụng nghệ cho việc xử lý cỏc chất gõy ụ nhiễm mụitrường Cỏc quốc gia càng phỏt triển, khoa học cụng nghệ càng tiờn tiến thỡ ụ nhiễm mụitrường càng trở nờn nghiờm trọng

Ở Việt Nam, tuy nền cụng nghiệp chưa phỏt triển mạnh mẽ, nhưng do nhiều nguyờn nhõn chủquan và khỏch quan, mụi trường nước ta ngày càng bị ụ nhiễm Việc chặt phỏ rừng cũng nhưhoạt động của cỏc nhà mỏy đó thải ra moi trường rất nhiều chất gõy ụ nhiễm Cũng như nhiềunước khỏc trờn thế giới hiện nay, vấn đề xử lý cỏc chất gõy ụ nhiễm ở nước ta đang gặp nhiềukhú khăn Nguyờn nhõn của ụ nhiễm mụi trường là do cỏc chất thải từ nhà mỏy, khu cụngnghiệp và cỏc hoạt động khỏc Một trong những chất khớ gõy ụ nhiễm mụi trường là HCl

Khí HCl là một khớ axit cú nhiều trong cỏc nhà mỏy sản xuất húa chất như sản xuất chất tẩyrửa, bột giặt hay cỏc nhà mỏy gia cụng bề mặt kim loại HCl thường bốc khúi trắng

- HCl gõy hại cho thực vật, gõy tổn hại khi tiếp xỳc: hụ hấp, ăn uống, qua da cho độngvật

Bản chất của quá trình hấp thụ: khí hoà tan vào trong lỏng sẽ tạo thànhhỗn hợp 2 cấu tử: (  =2,k = 2,c = 2-2+2 = 2 thành phần và 2 pha Hệthống nh vậy theo định luật pha2) đợc gọi nh hỗn hợp lỏng có 2 thànhphần Cân bằng pha đợc xác định bởi P,T,C.Nếu T = const thì độ hoàtan phụ thuộc vào P theo định luật Henrry:

YCB = m.x +Với khí lí tởng, m = const  quan hệ yCB = f(x) là đờng thẳng

+ Với khí thực, m phụ thuộc vào đờng cân bằng là đờng cong

Hệ số cân bằng m =

P



;  : hệ số Henrry, có thứ nguyên của P

P: áp suất  at

*Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình hấp thụ:

-ảnh hởng của lợng dung môi:Theo phơng trình chuyển khối, lợng khí bị

hấp thụ đợc tính theo công thức sau:

Từ đồ thị suy ra khi Xđ,Yđ,Yccố định thì nồng độ cuối của dung môi

đợc quyết định theo động lực trung bình Y tb, tức là điểm cuối của ờng làm việc AB(điểm này chỉ đợc dịch chuyển từ A A4) Đờng làmviệc BA4 cắt đờng cân bằng, lúc này Y tb là nhỏ nhất Đờng AB gần songsong với trục tung, nênY tb là lớn nhất

Vì F Y tb không đổi  ứng với BA4 có F lớn nhất, ứng với BA có F bénhất Tơng tự tại A4 có Xc lớn nhất, tại A có Xc bé nhất

Dựa vào phơng trình nồng độ làm việc Y = A.x + B với:

A = tang =

tr

x G

G

; B = Yc -

tr

x G G

Suy ra ứng với BA4 có A4 =

tr

x G

bị bé nhng dung dịch thu đợc lại quá loãng vì Xc bé Do đó, khi chọn

điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật

*ảnh hởng của T và P lên quá trình hấp thụ:

Nhiệt độ T và áp suất P là những yếu tố ảnh hởng quan trọng lên quátrình hấp thụ , mà chủ yếu ảnh hởng lên trạng thái cân bằng và độnglực quá trình

Từ phơng trình Henrry ta thấy, khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henrrytăng  đờng cân băng dịch chuyển về trục tung

x o

y

x o

đờng cân bằng và đờng làm việc cắt nhau,nên không thể đạt đợc nồng

độ cuối Xc) Đó là ảnh hởng xấu của tăng nhiệt độ Tuy nhiên, khi T tăng

thì độ nhớt của dung môi giảm nên vận tốc khí tăng, cờng độ chuyểnkhối cũng tăng theo.

Trong trờng hợp tăng áp suất , ta thấy hệ số cân bằng m =

P

 giảm 

đờng cân bằng dịch chuyển về phía trục hoành  Y tb tăng lên ,quátrình chuyển khối tốt hơn.Nhng P tăng  T tăng  gây ảnh hởng xấu

đến quá trình hấp thụ Mặt khác, P tăng gây khó khăn về mặt thiết bị

 quá trình hấp thụ chỉ đợc thực hiện ở P cao đối với những khí khóhoà tan

Ví dụ: Hấp thụ CO2 bằng H2O tiến hành ở 17at; thu hồi CO ở 12at…

*Các loại tháp hấp thụ:

- Thiết bị loại bề mặt:đơn giản , bề mặt tiếp xúc pha bé  chỉ dùng

khi chất khí dễ hoà tan trong lỏng

- Thiết bị loại màng: thiết bị loại ống, loại tấm

- Thiết bị loại phun: không phù hợp với khí khó hoà tan

- Thiết bị loại đệm: bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu xuất cao nhng khó làm ớt đều đệm

- Thiết bị loại đĩa(tháp đĩa) gồm:

+Tháp đĩa có ống chảy truyền: đĩa chóp , đĩa lỗ(lới), đĩa Suppáp,

đĩa sóng chữ S

+Tháp đĩa không có ống chảy truyền

 Xét tháp hấp thụ HCl trong không khí bằng H2O với tháp chóp

- Tháp đĩa chóp là tháp gồm nhiều đĩa, trên đĩa có nhiều chóp Trên

đĩa có lắp ống chảy truyền để vận chuyển chất lỏng từ đĩa này sang

đĩa khác Số ống chảy truyền phụ thuộc vào kích thớc của tháp và lu lợngchất lỏng, ống chảy truyền đợc bố chí theo nhiều cách Khí đi từ dới lênqua ống hơi vào chóp, qua khe chóp để tiếp xúc với chất lỏng trên đĩa.Chóp có cấu tạo dạng tròn hoặc dạng khác Thân tháp có rãnh tròn , chữnhật hoặc tam giác để khí đi qua Hình dáng của rãnh trên chóp không

ảnh hởng mấy đến quá trình chuyển khối Chóp đợc lắp vào đĩa bằngnhiều cách

Hiệu quả của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí Nếuvận tốc khí bé thì khả năng sục khí kém, nhng nếu vận tốc khí quá lớn

sẽ làm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo khí Hiện tợng bắn chấtlỏng tất nhiên còn phụ thuộc vào yếu tố khác nh khoảng cách giữa các

đĩa, khoảng cách giữa các chóp, khối lợng riêngcấu tạo và kích thớc củachóp và ống chảy chuyền

*Thuyết minh dây chuyền:

- Hỗn hợp khí cần xử lí HCl và không khí đợc quạt khớ đa vào ở đáy tháp

- Nớc từ bể đợc bơm li tâm đa vào tháp với lu lợng thích hợp, qua một

đồng hồ đo lu lợng nớc vào tháp, tới từ trên xuống dới theo chiều cao tháphấp thụ

- Khí HCl sau khi đợc xử lí đi lên nắp tháp và ra ngoài lỗ nắp

- Nớc hấp thụ HCl đi qua lỗ đáy đi ra ngoài một bể chứa

II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ:

Gy: lượng hỗn hợp khớ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol / h)

Gx: lượng dung mụi đi vào thiết bị hấp thụ (kmol / h)

Gtr: lượng khớ trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol / h)

 : lượng dung môi / lượng dung môi tối thiểu.

1 Điều kiện làm việc của tháp:

025.0

 = 0.0256 (kmol HCl/ kmol khí trơ)

Yc = -3

-3

101

T V P

0

0 0

5.1

*273

298

*4.22

*1

22.45(m3)

 Gy =

45.22

12000 = 535,71 (kmol / h)Lượng khí trơ: (II)

Gtr = Gy *

d

Y

1

1 = 535,7*

0256.01

1

 = 522.34 (kmol / h)

2 Thiết lập phương trình đường cân bằng:

Theo định luật Henry: ycb = m * x (II)

Tính theo nồng độ phần mol tương đối: Ycb = 1(1m*m X)*X (II)

với m =

P

 hằng số cân bằng pha hay hệ số phân bố (II)

Tra bảng IX.1 (II.139) ta có: HCl( 25 0C) = 0.00215*106 (mmHg) ( II )

 m =

1104

10

*00215

= 1.95

 Y*= 1(11.951.*95X)*X (kmol HCl / kmol khí trơ)

3 Thiết lập phương trình đường làm việc:

Phương trình cân bằng vật liệu cho 1 đoạn thiết bị:

* X + Yc (phương trình đường làm việc)

Lượng dung môi tiêu tốn tối thiểu cần thiết để hấp thụ khi giả thiết nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, tức là Xc = X*, như sau:

Gxmin = Gtr *

đ c

c đ

X X

Y Y

Y

*)1( 

*)95.11(95.1

0.0256



 = 0.01297(kmol / kmol dung môi)

 Gxmin = 522.34 *

001297.0

10

*001.10256



= 990.67(kmol / h)Lượng dung môi thực tế: Gx = 1.2 * Gxmin

ytb ytb M

G



 *

*3600

*

(m2) (II )với: Gytb: Lượng khí trung bình đi trong tháp (Kmol / h)

tb

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

ytb

 : Khối lượng riêng trung bình của pha khí ( Kg/m3)

a/ Lượng khí trung bình đi trong tháp:

T P

Gyc = Gtr * (1+ Yc ) = 522.43 * ( 1+ 1.001*10-3 ) =522.86 (Kmol / h)

 Gtb =

2

86.52271

535 

= 529.1 (Kmol / h)

Vtb = 22.4 *529.1*

2731

2981

 [ ]: Hệ số tính đến sức căng bề mặt:

Chọn  [ ] = 1

+ Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng( ):xtb

Ta có: theo phương trình đường làm việc: Y=2.27 * X + 1.001*10-3

 Xc =

27.2

10

*001

10

*001.10256

0 

= 5.34*10-3 (kmol / kmol)

Mxtb = xtb * MHCl + (1 – xtb) * MH2O = 5.34*10-3*36.5 + (1 –5.34*10-3) * 18 = 18.1 (kg / kmol)

Phần khối lượng trung bình của cấu tử HCl:

atb =

xtb

HCl tb

5.36

*10

*34

 1m3 dung dịch sẽ có khối lượng là:

2

0108.0

*18

08.997

*)1(

1

T

M Y M

*5

29

*)10

*131(5.36

*10





 * )(

= 19.1

5.1 = 1.2 (m / s)

Fa =

2.1

*19.1

*3600

1.29

*1.529

= 3.03 (m2)

 Diện tích ống chảy chuyền

Fch =

xtb xtb

xtb xtb M G



 *

*3600

Gxtb =

2

83.1200

1188 

= 1194.42 ( Kmol/h )

Fch =

2.0

*1008

*3600

1.18

*42.1194

= 29.8*10-3(m2)Đường kính ống chảy chuyền: chọn 2 ống chảy chuyền:

*2

*2

*)2cos(

*2

*2

= sin8

4/1.0

57.2

*1

 = 32  chọn số chóp là n= 32 (chóp)

o B A

+ Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: chọn h1 = 40 (mm) = 0.04 (m)

+ Chiều cao khe chóp: b =

x

y y

*4

2

32

*1.0

*

*3600

78.8624

*4

19.1

*54.9

2

b

d d c

*4

1.0144.0(10

*4

+ Chiều cao kênh chảy tràn trên đĩa: hc = (h1 + b + S) - h

4

3600

*2.0

*

*14

= 11.08 (m3 / h)

14.0

*

*85.1

*3600

08.11(

 = 0.024 (m)

 hc = (0.04 + 0.022 + 0.02) – 0.024 = 0.064 (m)

+ Bước tối thiểu của chóp trên đĩa: tmin = dch + 2 *  + lch 2 (m)

với l2: khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp:

*2

)022.0

*005.0(

*4

 = 0.0081(m)+ Chiều dày của đĩa:  = 0.005(m)

+ Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất



=0.521(m2)+ Chiều cao lớp bọt trên đĩa:

hb =

b

b x

ch b

x x x

c

F

f h h f h

f F h h

*

*

*)(

*)

thay số vào phương trình ta có: hb =

8.604

*57.2

8.604

*521.0

*)04.01.0(521.0

*8.604

*04.01008

*)521.057.2(

*)04.0024

*19.1

*5

2

=2393.95(N / m2)với:  : hệ số trở lực,  = 4.5  5

*

*

*4/

*5

*24

9.54

*4/1.0

*

3 -

0.0081

10

*96.71

*

= 35.53(N / m2)với:  : Sức căng bề mặt của nước (N / m2)

dtd: đường kính tương đương của khe rãnh chóp (m)

 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thuỷ tĩnh): (II)

t

P

2(

*

b b

h h

 = 604.8 * 9.81 * (0.084 -

2

022.0)=433.11 (N / m2)

  = 2393.95 + 35.53+ 433.11= 2862.6(N / mP d 2)

7 Tính chiều cao tháp:

H = N t*(H d )1 (II.169)

với:  : chiều dày đĩa   = 5*10-3 (m)

Hđ: khoảng cách giữa các đĩa với D = 2 (m) ta có Hđ = 0.5 (m)

Nt: số đĩa thực tế

 Tính hệ số cấp khối:

hệ số cấp khối pha khí:  = y  y P x

*

*10

*47

kmol

2 (IX.38-II.104)

hệ số cấp khối pha lỏng:  = x  y P x

*

*10

*7

kmol

2 (IX.38-II.104)với:  : tốc độ khí tính cho toàn bộ tiết diện ngang của tháp: y  = 1.16(m/s)y

kmol

kmol

2

 Tính hệ số phân bố m: m =

X X

Y Y

Y = 2.27 * X +1.001*10-3(phương trình đường làm việc)

Ycb = 1(11.951.*95X)*X (phương trình đường cân bằng)

Xcb =

Y

Y

*)95.11(95

1   (suy ra từ phương trình đường cân bằng)

Hệ số chuyển khối: Ky =

x y

m



 11

(II)

 Số đơn vị chuyển khối của đĩa:

 Vẽ đường cong phụ xác định số đĩa: (II)

Dựng A1C1, A2C2 … song song trục tung (Ai thuộc đường làm việc, Ci thuộc đường

cân bằng), tìm điểm Bi với: BiCi =

y

i i

C

C A

Gọi Y’: tung độ điểm Bi (với X tương ứng) ta có:

C

Y Y

C  1)* (

III THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ:

1 Xác định kích thước các cửa vào ra của tháp

o Đường ống dẫn khí:

o + Cửa vào: Dyv =



*785.0

V

=

15

*785.0

3600/12000

= 0.53(m)Quy chuẩn Dyv = 0.55(m) tính lại  = 14.023 (m/s)

+ Cửa ra : Dyr =



*785.0

V

=

15

*785.0

3600/3.16

*86.522

= 0.45 (m)Với  là tốc độ khí đi trong ống ( 8-15 (m/s) )

V

=

1

*785.0

3600/45.21

=0.09 (m)

+ Cửa ra: dtđ =



*785.0

V

=

1785.0

3600/45.21

=0.09 (m)Với  là tốc độ lỏng đi trong ống

2 Bơm chất lỏng:

Chọn loại bơm dùng là bơm ly tâm, do bơm ly tâm có những ưu điểm sau:

+ cung cấp đều

+ quay nhanh (có thể nối trực tiếp với động cơ)

+ thiết bị đơn giản

+ có thể bơm các chất lỏng không sạch

+ không có supap nên ít bị tắc và hư hỏng

+ sử dụng trong phạm vi áp suất từ trung bình trở xuống và năng suất từ trung bình trởlên

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG BƠM:

Công suất toàn phần của bơm: N =





*1000

Trong đó: Q: Năng suất bơm (m3 / s)

 : khối lượng riêng của chất lỏng: H O 0C

2 , 25

 = 997.08 (kg / m3)g: gia tốc trọng trường (m / s2)

H: áp suất toàn phần của bơm (m)

 : hiệu suất của bơm

Van điều chỉnh

Tháp hấp thụ

P2

8 m

0.5

m

a/ Năng suất của bơm:

18

*1188

 : khối lượng riêng của chất lỏng cần bơm: H2O = 997.08 (kg / m3)

H0: chiều cao nâng của chất lỏng, chọn H0 = 8 (m)

hm: áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy (kể cả trở lực cục bộ khi chất lỏng ra khỏi ống đẩy) (m): hm =

 p d =

2

1

*08

: hệ số ma sát:

Giả thiết chất lỏng chuyển động trong ống dẫn ở chế độ chảy xoáy:

81.6lg

*

2

9 0

08.997

*09.0

*1

 = 102709 > 4,000 (chế độ chảy xoáy)

10

*09

108

.55783

81.6lg

*2

3 9

0

1

*08.997

*15

*022

*1

*7

12 2 = 6331.5 (N / m2)

+ p H: áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh:

81.9

*08.997

7.86928

= 8.89 (m)

g

p p







0 1 2

*

81.9

*08.997

 N =





*1000

*1000

9.21

*81.9

*08.997

*00596.0

*85

 : hệ số dự trữ công suất  = 2 (I)

Vậy ta chọn bơm có công suất: 5 (kW).

a/ Công hữu ích của máy nén:

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

L: công nén 1 (kg) khí từ áp suất p1 đến áp suất p2 theo quá trình nén đẳng nhiệt (J / kg)

L = Lđn =

1

2 1

1* *ln

p

p v

với: Lđn: công nén đằng nhiệt (J / kg)

v1: thể tích riêng của khí trước khi nén (m3 / kg)

M: khối lượng mol của hỗn hợp khí:

M = 29.1 (kg / mol)

Ở 298 (0K) và 1 (atm):  = 1

1

*298

1

*273

*4.22

1.29

P vào Thùng chứa khí

(m) (I.369)V: lưu lượng thể tích hỗn hợp khí trên đường ống (m3 / s)

T

T p

p

*

*

0 0

T: nhiệt độ của khí ở điều kiện làm việc: T = 298 (0K)

p: áp suất của khí ở điều kiện làm việc: ph = 1 (atm) = 736 (mmHg)

298

*736

298

*1104

64.3

= 0.43 (m)

dđ =

25

*785.0

43.2

= 0.35 (m)

 Tính p1:

Viết phương trình Becnuly cho mặt cắt (1 – 1) và (1’ – 1’):

mh h v

g g

p g

2 1

 + Hmh

+ (Hcb)h = 0 do trên đường ống hút của máy nén khí không thiết kế van và khuỷu

Để điều chỉnh lưu lượng khí, ta sử dụng 1 tấm lưới chắn nên coi trở lực vô cùng bé

h h

h

h h

*2

hh

 =

kk

kk tb NH

NH tb

hh

M m M

*

3

mtb: phần thể tích trung bình của HCl: mtb = ytb = 0.013 (kmol / kmol)

Mhh: khối lượng mol của hỗn hợp khí: Mhh = 29.1 (kg / kmol)

3

NH

 ,  : độ nhớt của HCl và không khí (N.s / mkk 2)

Ở 298 (0K) và 1 (atm): HCl = 0.014 * 10-3 (N.s / m2)

kk

 = 0.029 * 10-3 (N.s / m2)(tra toán đồ đề I.35 _I.117)

(tại áp suất 1.5 (atm) nhận thấy giá trị độ nhớt thay đổi không đáng kể)

*014.0

5.36

*013.0

1.29

19.1

*43.0

*25

43.0

.1

43.0(lg*

*214.1

h

h h

*2

*2

25

*43.0

10

*1493.0

g g

p g

pr = 1.5 (atm) = 147,150 (N / m2)

2 = r = 20 (m / s)

Chiều cao đẩy: chọn Hđ = 1 (m)

Hmđ: tổn thất trên đường ống đẩy

d d

d

d d

*2

 : hệ số ma sát trên đường ống đẩy:

*> Ređ: chuẩn số Reynold xác định theo công thức:

Ređ =

hh

hh d

19.1

*35.0

*20

Giá trị chuẩn số Reynold khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:

35.0

.1

35.0(lg*

*214.1

*2

20

*35.0

10

*155.0

2

= 80.2 (m)

+ (Hcb)đ:

Trên ống đẩy có 1 khuỷu ghép 900 do 2 khuỷu 450 tạo thành

Do Ređ = 211,701 > 200,000 nên theo N029 (I.494) ta có ξ = 0.32

*32.0

*

)(





=

81.9

*19.1

16.76

1* *ln

p

p v

1.29

*1.529

= 4.28 (kg / s)

 Công suất của máy nén:N =

1000

* L Q

=

1000

8.34384

*28.4