Đồ án thiết xử lý SO2 bằng nước tháp hấp thụ

Đây là đồ án thiết kế của kỹ sư năm 3 theo chương trình kỹ sư của Viện Khoa Học Và Công Nghệ Môi Trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Bản đầy đủ. các bạn có thể liên hệ mình để lấy bản mô phỏng để chạy số liệu ra kết quả nhằm hỗ trợ cho việc tính toán dễ dàng hơn qua địa chỉ email: thuydunglim28gmail.com hoặc faccebook: https:www.facebook.commission28

I Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2

II Các số liệu ban đầu:

- Hỗn hợp khí cần tách: SO2 trong không khí

- Dung môi: nước

- Lưu lượng khí vào tháp: 15000 m3/h

- Nồng độ SO2: yđ = 0,09( mol/mol)

- Hiệu suất yêu cầu: 70%

- Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện

V Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thị Lan Phương

VI Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 7 tháng 3 năm 2010

VII Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

PHẦN MỞ ĐẦU

Vấn đề xử lý các chất ô nhiễm không khí đã và đang nhận được sự quan tâm của toàn nhân loại nói chung và của Việt Nam nói riêng Với mục đích đó việc thựchiện đồ án môn học thực sự cần thiết, trong quá trình làm đồ án em đã hiểu được 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

Sau 15 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của cácthầy cô trong Viện, nhưng do hạn chế về tài liệu và kinh nghiệm tính toán, nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được ý kiến của các thầy cô

để đồ án sau có kết quả tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2020

Sinh viên thực hiệnTrần Văn Quốc An

PHẦN NỘI DUNG PHẦN 1: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HẤP THỤ

I Giới thiệu chung

1 Sơ lược về khí SO2

Trong số những chất gây ô nhiễm không khí thì SO2 là một chất gây ô nhiễm khá điển hình Sulfuro là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nguyên, nhiên liệu có chứa S Các nhà máy điện thường là nguồn phát sinh ra nhiều SO2trong khí thải, ngoài ra còn phải kể đến các quá trình tinh chế dầu mỏ, luyện kim, tinh luyện quặng đồng, sản xuất ximang và giao thông vận tải cũng là những nơi phát sinh nhiều khí SO2

Khí SO2 là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là

1 ppm Khí SO2 là khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất ngang tầm sinh hoạt của con người, nó còn có khả năng hòa tan trong nước nên dễ gây phản ứng với cơ quan hô hấp của người và động vật Khi hàm lượng thấp, SO2 làm sưng niêm mạc, khi nồng độ cao> 0,5 mg/m3, SO2 sẽ gây tức thở, ho, viêm loét đường hôhấp

SO2 làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng Mưa axit có nguồn gốc

từ khí SO2 làm thay đổi pH của đất, nước, hủy hoại các công trình kiến trúc, ăn mòn kim loại Ngoài ra ô nhiễm SO2 còn liên quan đến hiện tượng mù quang hóaChính vì những tác động tiêu cực trên mà việc giảm tải lượng cũng như nồng độphát thải SO2 vào môi trường là vấn đề rất được quan tâm

3 Tháp đệm

Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất vì đặc điểm dễthiết kế, gia công, chế tạo và vận hành đơn giản Tháp đệm được sử dụng trongcác quá trình hấp thụ, chưng luyện, hấp phụ và một số quá trình khác Tháp códạng hình trụ, trong có chứa đệm, tùy vào mục đích thiết kế mà đệm có thể được xếp hay đổ lộn xộn Thông thường lớp đệm dưới thường được sắp xếp, khoảng từ lớp 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 đối rộng

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

II.Thiết kế đồ án môn học

1 Đầu đề thiết kế:

Thiết kế hệ thống hấp thụ khí thải áp dụng trong công nghiệp

2 Các số liệu ban đầu

- Hỗn hợp khí cần tách: SO2 trong không khí

- Dung môi: nước

- Lưu lượng khí vào tháp: 15000 m3/h

- Nồng độ SO2: yđ = 0,09( mol/mol)

- Hiệu suất yêu cầu: η = 70%

- Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện

Thuyết minh dây chuyền

- Hỗn hợp khí cần xử lý chứa SO2 và không khí được máy nén khí đưa vào từ phía dưới đáy tháp Nước từ bể chứa được bơm li tâm đưa vào tháp hấp thụ, trên đường ống có van điều chỉnh lưu lượng và đồng hồ đo lưu lượng Nước được bơm vào tháp với lưu lượng thích hợp, tưới từ trên xuống dưới theo chiều cao tháp hấp thụ

- Hỗn hợp khí sau khi đi qua lớp đệm xảy ra quá trình hấp thụ sẽ đi lên đỉnh tháp và

ra ngoài theo đường ống thoát khí Khí sau khi ra khỏi tháp có nồng độ khí SO2giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ

- Nước sau khi hấp thụ SO2 đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài theo đường ống thoát chất lỏng Nước sau khi hấp thụ nếu nồng độ SO2 cao sẽ được xử lý và tái sử dụng

Gọi:

Gy: lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp (kmol/h)

Gx: lưu lượng nước vào tháp (kmol/h)

Gtrơ: lưu lượng khí trơ (kmol/h)

Yđ: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong khí đi vào tháp (kmol SO2/kmol kk)

Yc: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong khí đi ra khỏi tháp (kmol SO2/kmol kk)

Xđ: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong nước đi vào tháp (kmol SO2/kmol dm)

Xc: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong nước đi ra khỏi tháp (kmol

SO2/kmol dm)

Theo đề bài: yđ=0,09 (mol/mol)  Yđ = = = 0,0989 (kmol SO2/kmol kk)

Biết hiệu suất hấp thụ là: η=70%

Do đó Yc=Yđ.(1-η)=0,0989.(1-0.7)=0,02967 (kmol SO2/kmol kk)

yc == = 0,0288 (kmol/kmol)

ytb = = = 0,0594

Dung môi ban đầu là nước  Xđ = 0

Giả sử điểu kiện làm việc của tháp là: T = 25oC  T=298K

P = 3atm = 2280mmHg

P = 3atm = 3,0978at

Ta coi hỗn hợp khí là lý tưởng Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có:

Gy = n = = = 613,848 (kmol/h)(áp suất thường)

 Gtrơ = = = 558,602 (kmol/h)

Thiết lập phương trình đường cân bằng:

Theo định luật Henry ta có: ycb = mx

Do Xđ = 0 nên pt trở thành: Gtrơ.(Y - Yc) = Gx.X

 Phương trình dường cân bằng vật liệu:

Y = X + Yc (IX.7-II-140)Giả thiết Xc= Xcbc thì lượng dung môi tối thiểu cần để hấp thụ là:

Gxmin = Gtrơ (IX.11-II-141)

Từ phương trình đường cân bằng Ycb =

 Xcb =

Yđ = 0,0989 (kmol SO2/kmol kk)

 Xcbc = = 6,662.10-3 (kmol SO2/kmol nước)

f(x) = R² = 0

Đồ thị đường cân bằng, đường làm việc

Đường làm việc Linear (Đường làm việc) Đường cân bằng Linear (Đường cân bằng)

X

II,1 Tính đường kính tháp:

1 Tính khối lượng riêng:

 Đối với pha lỏng:

Áp dụng công thức: = + (I.2 - I-5)Trong đó: - : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3

- : Phần khối lượng của SO2 trong pha lỏng

- : Khối lượng riêng của SO2 và H2O ở 25oC, kg/m3.

- Tra bảng I.5 ở 25oC có: ρH2O = 997,08 (kg/m3)

- Tra bảng I.2 ở 25oC có: ρSO2 (20oC) = 1383 (kg/m3)

ρSO2 (40oC) = 1327 (kg/m3)Dùng phương pháp nội suy => SO2 (25oC) = 1369 (kg/m3)

- Tính :

Áp dụng công thức: = Trong đó: - : Phần khối lượng trung bình của SO2 trong hỗn hợp

- : Nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha lỏng (kmol

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

, M kk : 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 hợpkhí)

Với: Vđ: Lưu lượng hỗn hợp đầu ở điều kiện làm việc (m3/h)

Vc: Lưu lượng khí thải đi ra khỏi tháp (m3/h): Vc = Vtr (1 +)

Vđ = = = 5003,35 (m3/h)

Với : Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg/kmol)

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

Áp dụng công thức: lgµx = xtb lg+ (1 - xtb) lg (I.12 - I-84)

Trong đó: : độ nhớt của SO2 và H2O ở 25oC, Ns/m2

Tra bảng I-101-(91) sổ tay I: (20oC) = 0,304.10-3 Ns/m2

(30oC) = 0,279.10-3 Ns/m2

 (25oC) = 0,2915.10-3 Ns/m2Tương tự tra bảng I-102-(94) sổ tay I: (25oC) = 0,8937.10-3 Ns/m2

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

xtb = 1,84.10-3 (kmol SO2/kmol H2O)

 lgµx = 2,7605.10-3lg(0,2915.10-3)+(1-2,7605.10-3)lg(0,8937.10-3) = -3,0502

 µx = 8,909.10-4 Ns/m2

Đối với pha khí:

Áp dụng công thức: = + (I.18 - I-85)

Trong đó , , : độ nhớt trung bình của pha khí, của SO2 và của không khí ở điều kiện làm việc 25oC, Ns/m2

, , : khối lượng phân tử của pha khí, của SO2 và của không khí ở điều kiện làm việc

X = : tốc độ đảo pha, m/s

  Thỏa mãn điều kiện

Kiểm tra theo mật độ tưới (m3/m2h)

Với V1 là lưu lượng thể tích chất lỏng, m3/h

f: tiết diện tháp, m2

f = = = 3,14 m2

 là giá trị mật độ tưới tối thiểu

Mật độ tưới tới hạn (m3/m2h) (II.177)

Trong đó: b: hằng số (chọn b = 0,158)

 (m3/m3h)

Vậy

 Đệm thấm ướt rất tốt

II, 2 Tính toán chiều cao tháp:

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

H= hdv.my (m) (II-175)Trong đó: H: chiều cao tháp, m

hdv: chiều cao một đơn vị chuyển khối, mmy: số đơn vị chuyển khối

Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối:

hdv = (m) (II-177)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 lỏngm’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y*=f(X) với mặt phẳng ngang

Tính h1 và h2:

h1 = (m) (II-177)

Trong đó: a : hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a=0,123 (II-177)

ψ: hệ số thấm ướt của đệm, do nên ψ = 1

Rey: chuẩn số Renoyd đối với pha khí

Rey = (II-178)

 Rey =

Pry: chuẩn số Pran: Pry = (II-178)

Dy = (m2/s) (II-127)Trong đó: T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối T = 298K

P: áp suất làm việc P = 2atm

: thể tích mol của SO2, = 44,8 (cm3/mol) : thể tích mol của không khí, = 29,9 (cm3/mol)

Prx là chuẩn số Pran đối với pha lỏng: Prx = (II-165)

Dx: hệ số khuếch tán của SO2 vào nước ở nhiệt độ 25oC

Dx = D20[1+b(t-20)] (m2/s) (II-134)

Trong đó: D20: hệ số khuếch tán của SO2 vào nước ở nhiệt độ 20oC

D20 = (m2/s) (II-133)

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

B: hệ số, dung môi là nước B=4,7 (II-134)

: thể tích mol của SO2 ở 20oC, = 44,8 cm3/mol (II-127)

: thể tích mol của H2O ở 20oC, = 18,9 cm3/mol (II-127)

: độ nhớt của nước ở 20oC, = 1,005×10-3 Ns/m2 = 1,005 cP (bảng I.102-94)

Xác định số đơn vị chuyển khối:

Dựa vào giá trị Xcbc = = 4,433.10-3 (kmol SO2/kmol nước)

Công thức tính số đơn vị chuyển khối:

ΔP = ΔPu + ΔPk

Trong đó:

- ΔPk: Tổn thất đệm khô

- ΔPu: Tổn thất đệm ướt

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

 Trở lực của tháp đẹm đối với hệ khí – lỏng dưới điểm đảo pha có thể xác định được bằng công thức sau:

 Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h)

 ρx, ρy : khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m3)

Theo dây chuyền công nghệ trong bài ta chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang

I.1 Nguyên tắc làm việc của bơm ly tâm

Nguyên tắc hoạt động: Bơm ly tâm làm việc theo nguyên tắc ly tâm Chất lỏng được hút và đẩy cũng như nhận thêm năng lượng là nhờ tác dụng của lực ly tâm khi cánh guồng quay Bộ phận chính của bơm là cánh guồng trên có gắn những cánh có hình dạng nhất định, bánh guồng được đặt trong thân bơm và quay với tốc độ lớn Chấtlỏng theo ống hút vào tâm guồng theo phương thẳng góc rồi vào rãnh giữa các guồng

và cùng chuyển động với guồng Dưới tác dụng của lực ly tâm, áp suất của chất lỏng tăng lên và văng ra vào thân bơm, vào ống đẩy theo phương tiếp tuyến Khi đó ở tâm guồng tạo nên áp suất thấp Nhờ áp lực mặt thoáng bể chứa, chất lỏng dâng lên trong ống hút vào bơm Khi guồng quay chất lỏng được hút liên tục, do đó chất lỏng được chuyển động đều đặn Đầu ống hút có lắp lưới lọc để ngăn không cho rác và vật rắn theo chất lỏng vào bơm gây tắc bơm và đường ống Trên ống hút có van một chiều giữ cho chất lỏng trên đường ống hút khi bơm ngừng làm việc Trong ống đẩy có lắp van một chiều để tránh chất lỏng bất ngờ dồn vào bơm gây ra va đập thủy lực làm hỏng bơm

I.2 Các thông số đặc trưng của bơm

P1: áp suất bề mặt nước không gian hút

P2: áp suất không gian đẩy

ρ: khối lượng riêng của nước

Pv: áp suất của chất lỏng trong ống hút

lúc vào bơm

Pr: áp suất của chất lỏng trong ống đẩy lúc ra khỏi bơm

Hh, Hd: chiều cao ống hút và ống đẩy

hmh, hmd: tổn thất áp suất do trở lực gây ra trong ống hút và ống đẩy

ΔP: áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống, áp suất toàn phần của bơm là hiệu áp suất giữa 2 đoạn hút và đẩy

ω1: vận tốc nước ở bể chứa, ω1 = 0

ω2: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đẩy

ω1’(hay ωv): vận tốc nước khi vào bơm

ω2’(hay ωr): vận tốc nước khi ra khỏi bơm

Thực tế: ω2 = ω2’



Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống hút của bơm

Trong đó:

ΔPd: áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống

ΔPm: áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi chảy ổn định trong ống thẳng

Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống hút

Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau

(I-380)Trong đó:

Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:

ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống thép mới không hàn  ε = 0,07.10-3

 trở lực của ống có lắp lưới chắn đan bằng kim loại là

Trên ống hút còn lắp 1 van 1 chiều Theo (I-399) 

Chọn 

Tra bảng II-34 (I-441) sự phụ thuộc chiều cao hút của bơm ly tâm vào nhiệt độ

Ở nhiệt độ làm việc T=25oC thì chiều cao hút của bơm ở khoảng 4,5m thì đảm bảo không xảy ra hiện tượng xâm thực Tuy nhiên để loại trừ khả năng dao động trong bơmnên giảm chiều cao hút khoảng 1÷1,5m so với giá trị trong bảng Vậy chọn chiều cao hút là 3,5m

 Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là:

Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống đẩy:

Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau:

(I-380)Trong đó:

Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:

ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống thép mới không hàn  ε = 0,07.10-3

Hệ số trở lực cục bộ của toàn ống đẩy:

Chọn chiều dài ổng đẩy là hr = 12m

 Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy

Công suất của máy bơm:

Công suất yêu cầu trên trục bơm:

Áp dụng công thức: (kW) (I-439)

Trong đó: ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m3

N: hiệu suất của bơm, kWQ: năng suất của bơm; , m3/s

 (m3/s)

g: gia tốc trọng trường (m/s2)H: áp suất toàn phần của bơm tính bằng mặt cắt cột chất lỏng bơmη: hiệu suất của bơm; η = η0.ηtl.ηtk (I-439)

Với η0: hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp và do chất lỏng rò từ các chỗ hở của bơm

ηtl: hiệu suất thủy lực

ηtk: hiệu suất cơ khíHiệu suất toàn phần phụ thuộc vào loại bơm và năng suất Khi thay đổi chế độ làm việc của bơm thì hiệu suất cũng thay đổi

η0 = 0,85 ÷ 0,96 Chọn η0 = 0,95Đối với bơm ly tâm: ηtl = 0,8 ÷ 0,85 Chọn ηtl = 0,85

ηtk = 0,92 ÷ 0,96 Chọn ηtk = 0,95

 η = 0,95 × 0,85 × 0,95 = 0,767Vậy công suất yêu cầu trên trục bơm: (kW)

Công suất động cơ điện Ndc(kW):

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

ηcd = 0,95: hiệu suất động cơ điện (kW)

Thông thường động cơ điện được chọn có công suất lớn hơn so với công suất tính toán là 1,15 lần

 (kW)Chọn công suất động cơ điện là 26 kW

II Máy nén khí:

Tháp làm việc ở điều kiện P = 3atm, T = 25oC

Máy nén ly tâm là một loại máy nén và đẩy khí nhờ tác dụng của lực ly tâm do bánh guồng sinh ra Dùng máy nén ly tâm khi áp suất đẩy từ 2-10 at Độ nén của máy ly tâmnhỏ nên máy có nhiều cấp thường từ 3-7 cấp

Độ nén trong một cấp từ 1,2-1,5 khi tốc độ vòng nhỏ hơn 200m/s

Đường kính bánh guồng từ 700-1400 mm Cánh guông có thể cong ra hoặc hướng tâmCác điều kiện của khí đầu vào T = 25oC, P = 1atm

II.1 Công của máy nén ly tâm

Áp dụng công thức: (J/kg) (I-465) Trong đó: PA, PB: ápsuất trước và sau khi nén, at

T1: nhiệt độ đầu của khí, K

T1=25+273=298Km: chỉ số đa biến, m=1,2÷1,62 Chọn m=1,4R: hằng số khí,

Áp dụng phương trình becnulli cho mặt cắt 1-1 và A-A Chọn mặt cắt 1-1 làm chuẩn

Do ống nằm ngang nên ZA = 0

Chọn vận tốc khí trong bể chứa tĩnh: ω1 = 0



Phương trình becnulli cho mặt cắt 2-2 và 2’-2’ Chọn mặt cắt 2’-2’ làm chuẩn

Vận tốc khí trong ống đẩy: ωB = ω2



Với: P1 = Pa: áp suất khí quyển, P1 = 9,81.104 (N/m2)

P2: áp suất cuối ống đẩy, N/m2

PA = P1 - ΔPh

PB = P2 + ΔPd

ZB : chiều cao ống đẩy

ρ :Khối lượng riêng của hỗn hợp khí thải ở điều kiện đầu vào của khí

ρ = 1,271 kg/m3

hmh, hmd : trở lực trên đường ống hút và ống đẩy

Xác định áp suất trước khi nén:

PA = P1 - ΔPh

Trong đó: P1: áp suất khí quyển

(như bơm ly tâm)

 Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau

(I-380)Trong đó:

Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:

ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống thép mới không hàn  ε = 0,07.10-3

Chọn  Trở lực cục bộ của ống hút

Chọn chiều dài ống hút Hh = Lh = 5m

 (N/m2)

 (m)