đồ án thiết kế tháp hấp thụ SO2

Đó chính là sự gia tăng của các loài khí độc trong không khí, các chất nguy hiểm trong đất, trong nước.. Vì vậy, cầnphải xử lý triệt để SO2 trong khí thải các nhà máy,… * Tháp đệm: Tháp

LỜI MỞ ĐẦU Lịch sử phát triển của xã hội loài người đã trải qua nhiều chuyển biến mang tính chất bước ngoặt Từ cuộc sống sơ khai khi con người còn chưa biết sử dụng công cụ lao động cho đến khi con người tìm ra lửa, biết sử dụng công cụ đá, sau đó là thời kỳ đồ đồng, Nhưng, sự phát triển đạt đến đỉnh cao của xã hội loài người chỉ thực sự bắt đầu khi cuộc cách mang khoa học - kỹ thuật diễn ra ở các nước Châu Âu Kể từ đó, chuyển sang thời đại mới: thời đại của khoa học - kỹ thuật và ngày nay

là thời đại của bùng nổ thông tin Sự phát triển đó được minh chứng bằng sự tăng mức sống của con người, sự gia tăng nhanh chóng của hàng loạt nhà máy, xí nghiệp, cơ sở hạ tầng,

Song song với sự phát triển đó là hàng loạt vấn đề bức xúc mà con người không thể bỏ qua Đó là hậu quả tất yếu của quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá, của quá trình phát triển sản xuất mà không quan tâm đúng mức đến vấn đề môi trường Đó chính là sự gia tăng của các loài khí độc trong không khí, các chất nguy hiểm trong đất, trong nước Vì vậy, vấn đề xử lý chất thải đang được đặt lên hàng đầu

Chính vì vậy, Đồ án môn học thực sự cần thiết, môn học cung cấp cho em những phương 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 Trước mắt là xử lý khí SO 2 trong không khí

Sau 12 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô giáo trong Viện Đây 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 được ý kiến đóng ghóp của các thầy cô giáo để đồ án sau có kết quả tốt hơn.

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, đặc biệt là thầy giáo, PGS.TS Đinh Văn Sâm và KS Đinh Quang Hưng đã trực tiếp hướng dẫn, giúp em hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày 2 tháng 11 năm 2001

Sinh viên thực hiện :

SO2 là khí trung gian trong quá trình sản xuất axit Sunfuric Hậu quảkhi SO2 phát tán vào không khí là gây ra mưa axít, phá huỷ các công trìnhkiến trúc và ảnh hưởng đến sức khoẻ con người Trên thế giới người ta có thểđánh giá sự phát triển công nghiệp của một quốc gia dựa vào sản lượng axitSunfuric sản xuất ra trong một năm, điều đó đồng nghĩa với nguy cơ làmtăng lượng SO2 trong không khí do khí thải của các nhà máy này Vì vậy, cầnphải xử lý triệt để SO2 trong khí thải các nhà máy,…

* Tháp đệm:

Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá chất vì đặcđiểm dễ thiết kế, gia công, chế tạo và vận hành đơn giản tháp đệm được sửdụng trong các quá trình hấp thụ, chưng luyện, hấp phụ và một số quá trìnhkhác Tháp có dạng hình trụ, trong có chứa đệm, tuỳ vào mục đích thiết kế

mà đệm có thể được xếp hay đổ lộn xộn Thông thường, lớp đệm dướithường sắp xếp, khoảng từ lớp thứ 3 trở đi, đệm được đổ lộn xộn

Tháp đệm có những ưu 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 tương đói rộng

Tuy nhiên, tháp có nhược điểm là khó thấm ướt đều đệm

Chế độ làm việc của tháp đệm:

Trong tháp đệm, chất lỏng đi từ trên xuống, phân bố đều trên mặt đệm;Chất khí đi từ dưới lên, phân tán trong lỏng Quá trình chuyển khối trongtháp đệm không những phụ thuộc vào quá trình khuyếch tán (khuyếch tánđối lưu và khuyếch tán phân tử) mà còn phụ thuộc vào chế độ thuỷ độngtrong tháp Tuỳ thuộc vào vận tốc khí mà đi trong tháp mà chế độ thuỷ độngtrong tháp là chế độ dòng, chế độ xoáy hay chế độ sủi bọt

Ở chế độ dòng, tốc độ khí nhỏ, lực hút phân tử lớn hơn lực ỳ nên quátrình chuyển khối được quyết định bằng khuyếch tán phân tử Nếu vận tốckhí tiếp tục tăng thì lực ỳ tăng dần cho đén khi lực hút phân tử bằng với lực

ỳ thì quá trình chuyển khối lúc này được quyết định bởi cả hai quá trìnhkhuyếch tán phân tử và khuyếch tán đối lưu, chế độ thuỷ động chuyển sangchế độ quá độ Nếu vận tốc khí tiếp tục tăng, ta có chế độ chuyển động xoáy

và quá trình chuyển khối quyết định bằng quá trình khuyếch tán đối lưu.Đến một giới hạn nào đó của tốc độ khí trong tháp sẽ xảy ra quá trình đảopha Lúc này chất lỏng choán toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, khíphân tán vào pha lỏng là pha phân tán Vận tốc khí giới hạn tại đó xảy raquá trình đảo pha được gọi là vận tốc đảo pha Ta có chế độ sủi bọt vì khísục vào trong pha lỏng tạo bọt

Trong thực tế, để đảm bảo tháp làm việc ổn định, ta khống chế tốc độkhí ở giá trị vận tốc điểm đảo pha ( thường bằng 0,8  0,9 giá trị này ) Ởchế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanh đệm, ta gọi là chế độmàng Sau điểm đảo pha là chế độ sủi bọt Như vậy, trên thực tế tháp đệmlàm việc ở chế độ màng

LỰA CHỌN SƠ ĐỒ

Sơ đồ mô phỏng như sau:

(Xem trang bên)

Trong đó:

G: lưu lượng khí vào tháp, là hỗn hợp SO2 - không khí (m3/h);

Gx: lượng khí trơ vào tháp (kmol/h);

L: lưu lượng nước vào tháp (kmol/h);

Yđ: nồng độ SO2 trong khí đi vào tháp (kmol SO2 / kmol kk);

Yc: nồng độ SO2 trong khí đi ra tháp (kmol SO2 / kmol kk);

Xđ: nồng độ SO2 trong nước đi vào tháp (kmol SO2 / kmol nước);

Xc: nồng độ SO2 trong nước đi ra tháp (kmol SO2 / kmol nước);

CÂN BẰNG VẬT LIỆU

1 Dữ kiện cho như sau:

- Lưu lượng khí vào tháp: 5000m3/h

4,22.n.P

=1

1 1T

V.P

Rút ra số mol khí là: n =

4,22.P

V.P.T1

1 1 0

=

4,22.760

5000.760.273

= 204,5 kmol / h

- Nồng độ SO2 trong nước đi vào tháp: Xđ = 0 (kmol SO2 / kmol nước)

- Nồng độ SO2 trong nước đi ra tháp: 0,34% (phần khối lượng)

xc =

O H

C 2

C

2 C

2

M

x1Msox

Mso/x

2 c

2

M/)x1

(

Mso/x

 (kmol SO2 / kmol nước)

Thay số Xc =

18/)34,0100(

64/34,0

 = 0,96.10-3 kmol SO2 / kmol nước

- Nồng độ SO2 trong khí vào tháp là 4,4% (phần thể tích)

hay nồng độ phần mol là yđ = 4,4%

Yđ =

d

dy1

y

 (kmol SO2/ kmol kk) (II.126)

Thay số Yđ =

4,4100

4,4

 = 0,046 kmol SO2/ kmol kk

- Nồng độ SO2 trong khí ra khỏi tháp:

Biết hiệu suất hấp thụ là  = 87%

Yc =

Yd1

Yd)100(

046,0)87100(





= 6.10-3 kmol SO2/ kmol kk

1 Phương trình đường cân bằng vật liệu:

Gx(Yđ - Yc) = L(Xc - Xđ) (1) (II.140)Trong đó: - Gx: lượng không khí đi vào tháp (kmol / h)

Gx = (100 - 4,4)204,5/100 = 195,5 kmol / h

- L: lưu lượng nước vào tháp (kmol / h)

L =

XdXc

)YcYd(Gx

)10.6046,0(5,195

Từ (1): Yđ = Xc

Gx

L+Yc - Xd

8,



Vậy phương trình đường làm việc:

Y = 41,67X + 6.10-3 (Kmol SO2 / kmol kk )

3 Phương trình đường cân bằng:

Y * =

X)m1(1

 (Kmol SO2 / kmol kk)

KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ

1 Đường kính tháp :

Được xác định theo công thức sau:

D =

tb tb tb

tb

785,0

V3600

V4

1

l k

16 , 0

n l l

k 3 d d 2 0

G

Lcb

.v

V.P

=1

1 1T

V.P với P0 = P1 = 760 mmHg

và khối lượng khí m = 0.V0 = 1.V1

 1 =

1

0T

T

0

Thay số: SO2(ở 250C) = 2,9268

25273

O H

O H ) SO SO

x: nồng độ phần khối lượng các cấu tử trong hỗn hợp

xSO2 = (xSO2(đ) + xSO2(c))/2 = (0,34% + 0)/2 = 0,0017

08,997.1369x

x

2 2 2

2

2 2

SO O H O H SO

O H ) l ( SO

lgl = xSO2lgSO2(l) + xH2OlgH2O (Ns/m2) (I.93)

Với: xSO2 = 0,0017; xH2O = 0,9983

4 / 1 16

, 0 3 3 3

2508 , 1 95 , 6225

4 , 146624 175

, 0 022 , 0 10

005 , 1

10 9817 0 54 , 997

2508 , 1

.10.127338

5620

Lựa chọn các đệm khác nhau, ta sử dụng bảng IX.8 - Đặc trưng củađệm (Sổ tay Hoá công tập 2, tr 193)

,

0

388,

 Kiểm tra theo mật độ tưới:

 Mật độ tưới:

U =

f

Lf

,

997

4,146624

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

+ my: số đơn vị chuyển khối

 Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối:

hdv = h1 + h2

L

Gx'

m

(m) (II.177)

 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 đường cân bằng Y* = f(X) vớimặt phẳng ngang

 Gx : lưu lượng khí trơ đi qua tháp ( kg/h)

a

v

 (m) (II.177)Trong đó:

+ a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a = 0,123

0 k y

4Re

SO SO k

M

2

2 2

 ySO2: nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha khí (kmol/kmol hh)

 ykk: nồng độ phần mol trung bình của không khí (kmol/kmol hh)

 Mtb: khối lượng mol trung bình hỗn hợp khí (kg/kmol)

 MSO2, Mkk: khối lượng mol trung bình của SO2 và không khí (kg/kmol)

MSO2 = 64 (kg/kmol); Mkk = 28,9 (kg.kmol)

110.6

10.61

.0129,0

64.025,07775,

167,2.2508,1.4

+ Pry: Chuẩn số Pran đối với pha khí

Prk = k k

kD



 (IV.270)Trong đó:

 Dk: hệ số khuếch tán pha khí ở 250C (m2/s)

Xác định Dk như sau:

Dk =

kk SO

2 3 / 1 kk 3 / 1 SO

5 , 1 4

M

1M

1)

vv

(P

T10.0043,0

2 2

+ T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối, T = 298K

+ P: áp suất làm việc, P = 1 at

+ vSO2, vkk: thể tích mol của SO2 và của không khí (cm3/mol)

Tra bảng VIII.2 (tr 127), Sổ tay Hoá công tập 2, ta có:

19

,294

,40

1

298.10.0043

,

0

2 3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4

10.0176,0

,

0

67,0

= 0,11 (m)

+ h2 = 0 , 25 0 , 5

3 / 1 2

2

Pr.Re

729,40

+ Prx=

x l

Trong đó:

- D20: hệ số khuyếch tán của SO2 vào nước ở nhiệt độ 200C

D20=

B A

2 3 / 1 B 3 / 1 A l

6

M

1M

1)vv

(AB

- A: hệ số, với các chất khí tan trong nước A = 1

- B: hệ số, dung môi là nước B = 4,7

- vA,vB: thể tích mol của SO2 và nước (cm3/mol)

1)8,147

,40(9817,07,

/ 1

1.54,997

10.9817,0

9 3

2 3

676,542236

,58781

,9.54,997

)10.9817,



1 (II.168)

Với:

 mi: giá trị của tg một phần góc nghiêng đường cân bằng Y* = f(X)

 n: số đoạn xác định tg góc nghiêng đường cân bằng Y* = f(X)

Do bài toán đặt ra có nồng độ của SO2 trong cả hai pha lỏng và khí đều nhỏnên đường cân bằng gần như là đường thẳng nên ta có thể xác định m’ bằngcách sau:

m’ =

d C

c d

10.6046,0

95,5649.667,41

*YY

dY (II.175)

Dựa vào đồ thị ta xác định được số đon vị chuyển khối là 6,289.

Vậy chiều cao tháp được xác định:

H = 1,12.6,289 = 7,0436 m

Hay chiều cao tháp là 7 m (quy tròn).

 Kiểm tra điều kiện của tháp:

Htp = H + ht + hd (m)

Trong đó:

 ht: chiều cao của lớp đệm từ mặt trên của đệm đến đỉnh tháp (m)

Chọn ht phải đảm bảo sao cho chất lỏng tưới đều toàn bộ bề mặt đệm, đồngthời đảm bảo không gian tách bọt Chọn ht = 1 m

 hd: chiều cao của lớp đệm từ mặt dưới của đệm đến đáy tháp (m)

Chọn hd phải đảm bảo khí đi lên đều đặn và phân bố đồng đều đến toàn bềmặt đệm, chất lỏng chảy từ trên xuống dễ dàng và có khoảng không gianthích hợp để chất lỏng có thể thoát dễ dàng Chọn hd = 0,5 m

 Bên cạnh đó, ta dự tính chiếu cao còn tăng lên do tính đến phần bích,khoảng cách giữa 2 đoạn thân,

Vậy chiều cao vỏ hình trụ của tháp:

H tp = 7 + 1 + 0,5 + 0,5 = 9 m

Số liệu mô phỏng

1 Số liệu mô phỏng ứng với sự thay đổi đặc trưng của đệm:

Nhận xét:

Đệm có kích thước lớn thì đường kính tháp giảm, chiều cao tháp tăng

Do đó, trở lực của tháp tăng Bề mặt riêng của đệm nhỏ sẽ hạn chế sự tiếpxúc pha giữa lỏng và khí

Như vậy, kích thước đệm tăng không có lợi cho quá trình hấp thụ

2 Ảnh hưởng của áp suất:

Trong tính toán của bài, ta đã xét tháp làm việc ở áp suất là 1 at Nếuhấp thụ khí bằng lỏng thì áp suất có ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ Ápsuất làm tăng khả năng hấp thụ, do đó ta có hiệu suất hấp thụ cao hơn.Bêncạnh đó làm giảm lượng dung môi cần thiết Ví dụ với bài toán đang xét,

ở P = 1 at, lượng nước cần là: 146,624 tấn hay 146,624 m3.Áp suất tăngcũng làm tăng trở lực của tháp, do đó tốn năng lượng cho quá trình vậnchuyển khí vào tháp

Nhưng, đồng nghĩa với việc tăng áp suất là tăng kinh phí cho hoạtđộng của tháp bao gồm kinh phí chi cho việc lắp đặt thêm máy nén khí,

do đó tăng kinh phí khi vận hành, sửa chữa,…

Nếu không thay đổi nhiệt độ, áp suất tăng, đường cân bằng dịchchuyển ra xa trục tung (hiệu suất hấp thụ tăng)

Ví dụ ở nhiệt độ 250C, đệm có kích thước 12x12x1,8

Ở áp suất 1 at, D = 1 m; H = 7 m

Ở áp suất 3 at, D = 1,2 m; H = 5,2 m

3 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ tăng không có lợi cho quá trình hấp thụ Nhiệt độ tăng làm giảmhiệu suất hấp thụ, bên cạnh đó còn làm giảm tuổi thọ của các thiết bị

’ = 0 , 2

Re

0,16

y

= 0,2

16,1711

16

= 3,61

 H: chiều cao lớp đệm, H = 7 m

 dtd: đường kính tương đương của đệm, dtd = 0,00744 m

 y: khối lượng riêng pha khí, y = 1,2508 kg/m3

 t : vận tốc thực của khí đi trong tháp (m/s2)

Với y: tốc độ khí tính trên toàn bộ tiết diện tháp (m/s)

l k m

G

L A







1

(N/m2) (II.189)

A, m, n, c là các giá trị cho trong bảng IX.7 (Sổ tay Hoá công tập 2 – tr189)Trước hết, xác định

2 , 0 8

/ 1

0176,0

9817,054,997

2508,195

,6225

4,146624

, 0 405

, 04,81

k l l

, 0 405

, 0

0176,0

9817,054

,997

2508,195

,6225

4,1466244

,81

= 116.238,7 N/m2

Vậy trở lực của tháp khi đệm ướt là 116.238,7 N/m2

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

Bài toán đặt ra giả thiết tháp làm việc ở điều kiện thường (P = 1 atm,nhiệt độ 250C), khí vào tháp ở áp suất 1 at nên ta chỉ chọn quạt làm thiết bịvận chuyển khí Vận chuyển chất lỏng ta sử dụng bơm Do đó, phần thiết bịphụ ta chỉ tính công suất của bơm và quạt

1 Xác định công suất của bơm:

1.1.Công suất bơm:

Công suất của bơm được xác định theo công thức sau:

08

,

997

4,146624

= 0,0408 m3/s

 Htp: áp suất toàn phần do bơm tạo ra (m)

Xác định Htp theo công thức sau:

llz

zg

ppg

2

2 td 1

2 1 2 2 1 2

+ z2 – z1: chiều cao của cột chất lỏng (m)

Theo sơ đồ mô phỏng, chiều cao cột chất lỏng được tính từ bơm lên đến phầncuối của ống đẩy, nơi chất lỏng được tưới ra.Do đó:

+ : vận tốc chất lỏng đi trong ống dẫn (m/s), ta phân biệt vận tốc chất lỏng

đi trong ống hút và vận tốc chất lỏng đi trong ống đẩy

0

04,0

= 1,27 m/s

- Trong đường ống đẩy:

Do ta cần bơm cùng một lưu lượng chất lỏng, do đó nếu chọn đường kínhống vẫn là 0,2 m thì vận tốc nước trong ống vẫn là 1,27 m/s Có nghĩa là:

h = đ =  = 1,27 m/s

* Xác định hệ số ma sát  :

- Đối với ống hút:

Xét: Re =

O H

O H td

,

0

08,997.2,0

27

,

1

 = 281.398,13 > 4000 ứng với chế độ chảy xoáy, hệ số

ma sát  xác định theo công thức sau:

d7,3Re

81,6lg

10.1,013

,281398

81,6lg

27,1.5,1

= 0,00894 (m)

- Trên đường ống đẩy:

Đường ống đẩy bao gồm 2 khuỷu ghép 900, 1 van một chiều và phầnphun chất lỏng là một đĩa phân phối chất lỏng ( Xem hình vẽ thiết bị kèmtheo)

Khuỷu ghép 900 với mặt cắt ngang hình vuông do 3 khuỷu 300 tạo thành:

(Tra bảng N0 30, trang 479, Sổ tay Hoá công tập 1) Chọn

b

a = 1  hệ số trở

lực cục bộ của khuỷu là k = 2.3.0,3 = 1,9

Bộ phận tưới chất lỏng:

Có thể chọn bộ phận tưới chất lỏng là dạng dàn tưới, chất lỏng đượctưới nhờ đĩa phân phối chất lỏng (Xem Sổ tay Hoá công tập 2, tr 230 hay ởbản vẽ thiết kế) Do đó xem như không xét đến trở lực

Vậy tổng hệ số ma sát của ống đẩy:

 = v + k +o +t = 2,1 + 1,9 = 4

Hay  = 4

 Chiều dài đường ống đẩy:

Đường ống đẩy bao gồm chiều dài của đoạn ống thẳng cùng với chiều dài

2 khuỷu

- Chiều dài của ống bao gồm phần ống thẳng đứng ( chiều cao nâng cộtchất lỏng) (8m), phần ống tính từ phần cuối của ống thẳng đứng đến tâmtháp ( đến bộ phận tưới) (chọn khoảng cách này là 2m) và phần ống phíatrên của bộ phận tưới chất lỏng (chọn chọn khoảng cách này là 0,5 m)

- Chiều dài khuỷu (ltđ2 (m)):

Ta có 2 khuỷu, mỗi khuỷu có 3 đoạn, góc 300

Chọn a = b = d = 0,2 m

 ltđ2 = 2.3.0,2 = 1,2 m

Vậy chiều dài ống đẩy: l đ = 8 + 2 + 0,5 + 1,2 = 11,7 m

Tổn thất áp suất trong đường ống đẩy:

Pđ =

g2

.d

ld1



g2

.d

ld2



 = (1 + 2)

g2d

ld ( m )

1  ; 2 được xác định như ở phần ống hút, do Re không phụ thuộc vào

chiều dài ống và ta cũng chọn ống bằng thép mới không hàn nên  = 0,0184

Vậy tổn thất áp suất trong đường ống đẩy: