ĐỒ ÁN MÔN HỌC “thiết kế tháp đệm xử lý SO2 với năng suất 2000m3/h , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu vào là 1% thể tích , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu ra đạt tiêu chuẩn loại A (1500mg/m3) thải vào môi trường”SSVTH : Nguyễn Duy Nghĩa GVHD : CAO THỊ NHUN

Chia sẻ: Me Tran | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:39

Thêm vào BST

Báo xấu

223
lượt xem 75
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC “thiết kế tháp đệm xử lý SO2 với năng suất 2000m3/h , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu vào là 1% thể tích , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu ra đạt tiêu chuẩn loại A (1500mg/m3) thải vào môi trường” S SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa GVHD : CAO THỊ NHUNG .ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG MỤC LỤC ---oOo--LỜI NÓI ĐẦU Chương I . MỞ ĐẦU Phần A . TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2 I.1. Tính chất hóa lý của SO2 I.2. Tác hại của SO2 I.3. Các nguồn tạo ra SO2 I.4. Các phương pháp...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: ĐỒ ÁN MÔN HỌC “thiết kế tháp đệm xử lý SO2 với năng suất 2000m3/h , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu vào là 1% thể tích , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu ra đạt tiêu chuẩn loại A (1500mg/m3) thải vào môi trường”SSVTH : Nguyễn Duy Nghĩa GVHD : CAO THỊ NHUN

ĐỒ ÁN MÔN HỌC “thiết kế tháp đệm xử lý SO2 với năng suất 2000m3/h , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu vào là 1% thể tích , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu ra đạt tiêu chuẩn loại A (1500mg/m3) thải vào môi trường” S SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa GVHD : CAO THỊ NHUNG
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG MỤC LỤC ---oOo--- LỜI NÓI ĐẦU Chương I . MỞ ĐẦU Phần A . TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2 I.1. Tính chất hóa lý của SO2 I.2. Tác hại của SO2 I.3. Các nguồn tạo ra SO2 I.4. Các phương pháp xử lý SO2 Phần B . QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ I.5. Chọn qui trình công nghệ xử lý khí SO2 I.6. Thuyết minh qui trình công nghệ Chương II . TÍNH TỐN CÔNG NGHỆ II.1. Các thông số ban đầu II.2. Tính cân bằng vật chất II.3. Cân bằng năng lượng II.4. Tính kích thước tháp hấp thu II.5. Tính trở lực lớp đệm Chương III . TÍNH TỐN CƠ KHÍ III.1. Tính chiều dày thân tháp III.2. Tính chiều dày đáy , nắp tháp III.3. Tính ống dẫn lỏng , ống dẫn khí III.4. Tính bích ghép thân tháp III.5. Tính bích nối đường ống dẫn lỏng và ống dẫn khí III.6. Tính lưới đỡ đệm và đĩa phân phối lỏng III.7. Tính chân đỡ và tai treo Chương IV . TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ IV.1. Tính bồn cao vị IV.2. Tính công suất bơm IV.3. Tính công suất quạt Chương V . TÍNH KINH TẾ TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 tồn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó đã lên đến mức báo động . SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG 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 . Nội dung khảo sát : thiết kế tháp đệm xử lý SO2 với năng suất 2000m3/h , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu vào là 1% thể tích , nồng độ SO2 trong dòng khí đầu ra đạt tiêu chuẩn loại A (1500mg/m3) thải vào môi trường . Em xin chân thành biết ơn cô Cao Thị Nhung , các thầy cô bộ môn Máy & Thiết bị đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hồn thành đồ án môn học này . CHƯƠNG I MỞ ĐẦU PHẦN A . TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2 . I.1. Tính chất hóa lý SO2 : SO2 là chất khí không màu, mùi kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan trong nước (ở điều kiện bình thường 1 thể tích nước hòa tan 40 thể tích SO2) . Khi hồ tan trong nước tạo thành dung dịch sunfurơ và tồn tại ở 2 dạng : chủ yếu là SO2.nH2O và phần nhỏ là H2SO3 . 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 : SO2 + H2O = H2SO3 -Thực hiện phản ứng khử : SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG SO2 + 2CO 500 o C 2CO2 + S ↓ -Thực hiện phản ứng oxy hóa : 1 V2 O5 SO2 + O2 SO3 2 to SO2 + Cl2 + H2O = H2SO4 + HCl Trong môi trường không khí , SO2 dễ bị ôxy hóa và biến thành SO3 trong khí quyển . SO3 tác dụng với H2O trong môi trường ẩm và biến thành acid hoặc muối sunfat . Chúng sẽ nhanh chóng tách khỏi khí quyển và rơi xuống gây ô nhiểm môi trường đất và môi trường nước . I.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(
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG + 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 . I.4. Các phương án xử lý SO2 : I.4.1. Phương pháp hấp thụ : Để hấp thụ SO2 ta có thể sử dụng nước, dung dịch hoặc huyền phù của muối kim loại kiềm hoặc kiềm thổ. + Hấp thụ bằng nước: SO2 + H2O < ===== > H+ + HSO3- Do độ hòa tan của SO2 trong nước thấp nên phải cần lưu lượng nước lớn và thiết bị hấp thụ có thể tích lớn. + Hấp thụ bằng huyền phù CaCO3 Ưu điểm của phương pháp này là quy trình công nghệ đơn giản chi phí hoạt động thấp, chất hấp thụ dể tìm và rẽ, có khả năng xữ lý mà không cần làm nguội và xử lý sơ bộ. Nhược điểm: thiết bị đóng cặn do tạo thành CaSO4 và CaSO3. + Phương pháp Magie (Mg): SO2 được hấp thụ bởi oxit – hydroxit magie, tạo thành tinh thể ngậm nước Sunfit magie . Ưu điểm : làm sạch khí nóng , không cần lọc sơ bộ, thu được sản phẩm tận dụng là H2SO4 ; MgO dể kiếm và rẻ , hiệu quả xử lý cao . 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 – 0 250 C) . 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: Xử lý ở nhiệt độ cao dùng hổn hợp Cacbonat kim loại kiềm có thành phần như sau: LiCO3 32%, Na2CO3 33%, K2CO3 35%. + Hấp thụ bằng các Amin thơm : Để hấp thụ SO2 trong khí thải của luyện kim màu (nồng độ SO2 khoảng 1-2% thể tích) . Người ta sử dụng dung dịch: C6H3(CH3)2 NH2 (tỉ lệ C6H3(CH3)2 NH2 : nước = 1- 1) . SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 5
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG C6H3(CH3)2 NH2 không trộn lẩn với nước nhưng khi liên kết với SO2 tạo thành (C6H3(CH3)2 NH2)2 SO2 tan trong nước . I.4.2. Phương pháp hấp phụ : SO2 được giữ lại trên bề mặt chất rắn , thu được dòng khí sạch khi đi qua bề mặt rắn . Chất hấp phụ công nghiệp cơ bản là than hoạt tính , silicagen , zeonit và ionit (chất trao đổi ion) . Nhược điểm : cần thiết phải tái sinh chất hấp phụ để thu hồi cấu tử bị hấp phụ và phục hồi khả năng hấp phụ của chất hấp phụ . Chi phí tái sinh chiếm khoảng 40 – 70% tổng chi phí của quá trình làm sạch khí . I.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 . PHẦN B. QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ I.5. Chọn qui trình công nghệ : Chọn nguồn xử lý khí là từ ống khói của nhà máy sản xuất acid H2SO4 . Khí được xử lý sơ bộ trước khi vào tháp . Chọn dung môi hấp thu là nước vì nước là dung môi hấp thu rẻ tiền , dễ tìm , không ăn mòn thiết bị . Tháp hấp thu là tháp đệm nên dung môi hấp thu là nước sạch để không tạo ra cặn lắng làm cản trở dòng khí và lỏng . I.6. Thuyết minh qui trình công nghệ : Dòng khí thải từ nhà máy thải ra được xử lý sơ bộ . Sau đó 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 đạt TCVN được thải phát tán ra môi trường . Dung dịch nước sau khi hấp thu được cho chảy vào bể chứa thực hiện quá trình trung hòa và thải ra môi trường . SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 6
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG CHƯƠNG II TÍNH TỐN CÔNG NGHỆ II.1. Các thông số ban đầu : Lưu lượng khí thải : 2000 m3/h . Nồng độ SO2 ban đầu là 1% thể tích . Nồng độ SO2 sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn loại A :1500 mg/m3 . Chọn nhiệt độ của nước hấp thu là 30oC . II.2. Tính cân bằng vật chất : Phương trình cân bằng của dung dịch hấp thu SO2 bằng H2O được biểu diễn theo định luật Henri : H P = H*x hoặc y* = =m*x . Pt Trong đó : 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 . H : hệ số Henry . Ở 30oC : H = 0.0364*106 (mmHg) . [2,Bảng IX.1,p.139] m : hệ số phân bố . H 0.0364 * 10 6 m= = =47.894 Pt 760 Y X y= x= 1+ Y 1+ X Y* X Thay vào trên ta được : =m * 1+ Y * 1+ X mX 47.894 * X Suy ra : Y* = = 1 + (1 − m) X 1 + (1 − 47.894) X Trong đó : X: Y: Từ phương trình đường cân bằng ta có các số liệu đường cân bằng: X 0 0.00008 0.0001 0.00013 0.00015 0.00018 0.0002 0.00025 0.0003 Y* 0 0.0038 0.0048 0.0063 0.0072 0.0087 0.0097 0.0121 0.0146 Từ số liệu đường cân bằng ta vẽ đường cân bằng : SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 7
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Ñoà Caâ Baè g Cuû Dung Dò Haá Thu SO2 Baè g Thò n n a ch p n nöôù c Y* 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 X 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 Nồng độ thể tích ban đầu của dòng khí : yđ = 1% = 0.01 Nồng độ đầu của pha khí theo tỷ số mol : yd Yđ = = 0.0101 (KmolSO2/Kmolkhítrơ) 1 − yd Nồng độ cuối của pha khí theo tỷ số mol : 1 1.5( g ) * 64( g / mol ) Yc = 1at 1(m 3 ) * 10 3 (lit / m 3 ) * (273 + 30) o K 0.082(lit.at / mol.o K ) Yc =0.000582 (KmolSO2/Kmolkhítrơ) Hấp thu SO2 bằng nước , chọn dung môi sạch khi vào tháp nên : Xđ = 0 . Với Xđ : nồng độ đầu của pha lỏng , KmolSO2/KmolH2O . Lượng dung môi tối thiểu được sử dụng : Lmin Y − Yc = d Gtr X * − Xd Gtr : suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp . X* : nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với Xđ . Từ đồ thị đường cân bằng ta xác định được : X* = 0.00021 (KmolSO2/KmolH2O) SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 8
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Lmin 0.0101 − 0.000582 Suy ra : = = 45.324 Gtr 0.00021 − 0 Chọn Ltr = 1.2*Lmin Với Ltr : lượng dung môi không đổi khi vận hành , kmol/h . Ltr L Suy ra : = 1.2 * min = 1.2*45.324 = 54.3888 Gtr Gtr Lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp hấp thu : PV 1 * 2000 Ghh= = = 80.496 (Kmol/h) RT 0.082 * (273 + 30) Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp : Gtr = Ghh*(1-yđ ) = (1-0.01)*80.496 = 79.691 (Kmol/h) Suất lượng dung môi làm việc : Ltr = 54.3888*Gtr = 54.3888*79.691 = 4334.298 (KmolH2O/h) Phương trình cân bằng vật chất có dạng ; Gtr*Yđ + Ltr*Xđ = Gtr*Yc + Ltr*Xc Ltr Y − Yc Suy ra : = d Gtr X c − X d Yd − Yc 0.0101 − 0.000582 Suy ra : Xc = = = 0.000175 (molSO2/KmolH2O) Ltr 54.3888 Gtr G tr Yc L tr Xñ G tr Y ñ L tr Xc Xc : nồng độ cuối của pha lỏng . ΙΙ.3. Cân Bằng Năng Lượng : Ký hiệu : Gđ , Gc – lượng hổn hợp khí đầu và cuối. Lđ , Lc - lượng dd đầu và cuối. tc , tc – nhiệt độ khí ban đầu và cuối , o C . Tđ , Tc – nhiệt độ dung dịch đầu và cuối , o C . Iđ , Ic – entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối , kj/kg . Q0 – nhiệt mất mát , kj/h . SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 9
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Phương trình cân bằng nhiệt lượng có dạng : GđIđ + LđCđTđ + Qs = GcIc + LcCcTc + Q0 Với Qs – nhiệt lượng phát sinh do hấp thụ khí , kj/h . Để đơn giản hố vấn đề tính tốn , ta có thể giả thiết như sau : - Nhiệt độ mất mát ra môi trường xung quanh không đáng kể , Q0 = 0 . - Nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào tháp : tc = tđ = 300C . - Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thu : Cđ = Cc = CH O . 2 G tr Yc L tr Xñ Gc tc I c Lñ Cñ Tñ Gtr Yñ L tr Xc Gtr tñ I ñ Lc Cc Tc Trong quá trình hấp thu có thể phát sinh nhiệt , do đó nếu ký hiệu q là nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử bị hấp thu , thì ta có : Qs = q * Ltr * (Xc – Xđ) Với mức độ gần đúng có thể coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thu: Gd * I d + Ld * C * Td + q * Ltr * ( X c − X d ) = Gc * I c + Lc * C * Tc L G * I − Gc * I c q*L Hoặc : Tc = d * t d + d d + (X c − X d ) Lc Lc * C Lc * C Ld Vì lượng cấu tử hồ tan trong dung dịch nhỏ nên có thể lấy : ≈1 Lc Đồng thời ta cũng có thể bỏ qua mức độ biến đổi nhiệt của pha khí , tức là : Gd .I d − Gc .I c ≈ 0 Như vậy , công thức tính nhiệt độ cuối Tc của dung dịch sẽ có dạng như sau : q * Ltr Tc = Td + (X c − X d ) Lc * C Do lượng cấu tử hồ tan trong dung dịch nhỏ nên : Lđ = Lc = Ltr SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 10
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG q Tc = Td + (X c − X d ) C Phương trình hấp thu của SO2 trong dung môi nước . SO2 + H2O ⇔ H+ + HSO3- Theo sổ tay hóa lý , nhiệt sinh của : SO2 : ΔΗ SO = -70.96 (kcal/mol) . 2 H2O : ΔΗ H O = - 68.317 (kcal/mol) . 2 H+ : ΔΗ H = 0 (kcal/mol) . + HSO3- : ΔΗ HSO = -12157.29 (kcal/mol) . − 3 Nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử SO2 bị hấp thu : q = (-70.96 - 68.317) – ( 0 – 12157.29) = 12018.013 (kcal/mol) . Nhiệt độ cuối của dung dịch ra khỏi tháp : q (X c − X d ) Tc = Td + C 12018.013 * 4.18 * 10 3 = 30 + * 0.000175 = 30.12oC 4200 * 18 Như vậy : Tc ≈ Tđ = 30oC . Ta xem quá trình hấp thu là đẳng nhiệt . II.4. Tính kích thước tháp hấp thu : II.4.1. Các thông số vật lý của dòng khí : V d + Vc - Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp hấp thu : V ytb = 2 Vd , Vc – lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , m3/h . Vc = Vtr* ( 1 + Yc ) = Vd * (1 − y d ) * (1 + Yc ) = 2000 * (1 − 0.01) * (1 + 0.000582 ) = 1981.2 (m3/h) 2000 + 1981.2 Suy ra : Vytb = = 1990.6 (m3/h) . 2 KLR trung bình của pha khí : ρ ytb = [ ytb1 * M 1 + (1 − ytb1 ) * M 2 ]* 273 22.4 * T Trong đó : + M1 , M2 : Khối lượng mol của SO2 và không khí . + T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hấp thu . T = 300C + ytb1 : nồng độ phần mol của SO2 lấy theo giá trị trung bình. yd 1 + yc1 ytb1 = 2 Với yd1 , yc1 : nồng độ phần mol của SO2 vào và ra khỏi tháp . yd 1 = yd = 0.01 Yc 0.000582 y c1 = = = 0.00058 Yc c +1 1 + 0.000582 0.01 + 0.00058 Suy ra : y tb1 = = 0.00529 2 SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 11
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG + M1 = MSO 2 = 64 (g/mol) M2 = Mkkhí = 28.8 (g/mol) Suy ra : ρ ytb = [0.00529 * 64 + (1 − 0.00529) * 28.8]* 273 = 1.166 kg/m3 22.4 * (273 + 30 ) Độ nhớt trung bình pha khí ( của hổn hợp khí ) : M hh m1 * M 1 m2 * M 2 = + μ hh μ1 μ2 + Mhh , M1 , M2 : khối lưượng phân tử của hổn hợp khí , của SO2 và không khí , kg/kmol . M1 = M SO = 64 (kg/kmol) 2 M2 = Mkk = 28.8 (kg/kmol) . M hh = y tb1 * M 1 + (1 − y tb1 ) * M 2 = 0.00529 * 64 + (1 − 0.00529 ) * 28.8 = 28.986 (kg/kmol) . + m1 , m2 : nồng độ của SO2 , không khí tính theo phần hể tích. m1 = ytb1 = 0.00529 m2 = 1 – ytb1 = 0.99471 + Ở 300c : μ2 = μkk = 0.0182*10-3 (kg/m.s) . μ1 = μ SO = 0.0128*10-3 (kg/m.s) . 2 Thay vào ta được : 28.986 64.0 × 0.00529 28.8 × 0.99471 = + μ hh 0.0128 × 10 −3 0.0182 × 10 −3 Suy ra : μ hh = 1.81 × 10 −5 (kg/m.s) . -Lưu lượng khối lượng pha khí trung bình : G d + Gc G ytb = , kg/s 2 Gd , Gc : lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , kg/s . Gd = Gtr * M tr + Gtr * M SO2 * Yd = 79.691 × 28.8 + 79.691 × 64 × 0.0101 = 2346.6 (kg/h) = 0.652 (kg/s) . Gc = Gtr * M tr + Gtr * M SO2 * Yc = 79.691 × 28.8 + 79.691 × 64 × 0.000582 = 2298.1 (kg/h) = 0,638 (kg/s) . 0.652 + 0.638 Suy ra : G ytb = = 0.645 (kg/s) . 2 II.4.2. Các thông số vật lý của dòng lỏng : - Vxtb : lưu lượng dòng lỏng trung bình . Do lượng cấu tử hồ tan trong dung dịch nhỏ , xem quá trình hấp thu không làm thay đổi đáng kể thể tích nên : 1 V xtb ≈ Vtr = Ltr * M tr * ρ tr Với : ρ tr là khối lượng riêng của nước ở 300C . ρ tr = 995 (kg/m3) . Mtr : khối lượng phân tử của H2O , kg/kmol . Ltr : lưu lượng nước , kmol/h . SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 12
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG 1 3 Suy ra : V xtb = 4334.298 × 18 × = 78.41 m /h 995 - Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng : ρ xtb = ρ tb1 * Vtb1 + (1 − Vtb1 ) * ρ tb 2 [2, IX.104, 183] ρ tb1 , ρ tb 2 : khối lượng riêng trung bình của SO2 , H2O trong pha lỏng . Vtb1 , Vtb2 : thể tích trung bình của SO2 , H2O trong pha lỏng. Do lượng SO2 hồ tan trong dung dịch nhỏ nên : Vtb1 ≈ 0 . ⇒ ρ xtb ≈ ρ tb 2 ≈ ρ H O = 995 (kg/m3) . 2 - Độ nhớt trung bình của pha lỏng : Do lượng cấu tử SO2 hồ tan trong dung dịch nhỏ nên có thể xem : μ xtb ≈ μ H O = 0.8007 × 10 −3 (kg/m.s) . 2 - Lưu lượng khối lượng trung bình của pha lỏng : Gxd + Gxc Gxtb = 2 G xd , G xc : lưu lượng khối lượng dòng lỏng vào và ra khỏi tháp . 1 G xd = Ltr * M tr = 4334.298 * 18 * = 21.67 (kg/s) . 3600 G xc = Ltr * M tr + Ltr * X c * M SO2 = (4334.298 *18 + 4334.298 * 0.000175 * 64) 3600 = 21.68 (kg/s) . G xd + G xc 21.68 + 21.67 Suy ra : Gxtb = = = 21.675 (kg/s) . 2 2 II.4.3. Tính đường kính tháp hấp thu : Tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương , còn gọi là tốc độ đảo pha W’s (m/s ) được xác định theo công thức : 1 ⎡ω ' 2 * σ * ρ ⎛ μx ⎞ 0.16 ⎤ G 1 ⎛ ρ ytb ⎞8 lg ⎢ ⎜ ⎟ ⎥ = A − 1.75 * ( x ) 4 *⎜ ⎟ s d ytb ⎢ g * Vd * ρ xtb 3 ⎜μ ⎟ ⎥ Gy ⎜ρ ⎟ ⎣ ⎝ n ⎠ ⎦ ⎝ xtb ⎠ Với : + Gx , Gy : lưu lượng dòng lỏng và khí trung bình , kg/s . Gx = Gxtb = 21.675 (kg/s) . Gy = Gytb = 0.645 (kg/s) . + ρ xtb , ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và khí . ρ xtb = 995 (kg/m3) . ρ ytb = 1.166 (kg/m3) . + μx : độ nhớt trung bình pha lỏng theo nhiệt độ trung bình . μx = μxtb = 0.8007×10-3 (kg/m.s) . + μn : độ nhớt của nước ở 200C . μn = 1.005*10-3 (kg/m.s) . A : hệ số , A = 0.022 . Chọn đệm vòng Raschig bằng sứ , kích thước đệm 50×50×5 mm . Các thông số của đệm : σd : bề mặt riêng của đệm . SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 13
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG σd = 95 m2/m3 Vd : thể tích tự do của đệm . Vd = 0.79 m3/m3 ρ d : khối lượng riêng xốp của đệm . ρ d = 600 kg/m3 Thay số vào ta được : 1 1 ⎡ W ' 2 *95 * 1.166 ⎛ 0.8007 * 10 −3 ⎞ 0.16 ⎤ ⎛ 21.675 ⎞ 4 ⎛ 1.166 ⎞ 8 lg ⎢ s 3 *⎜ ⎜ 1.005 * 10 −3 ⎟ ⎥ = 0.022 − 1.75 * ⎜ 0.645 ⎟ * ⎜ 995 ⎟ ⎟ ⎢ 9.81 * 0.79 * 995 ⎝ ⎣ ⎠ ⎥ ⎦ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Suy ra : ωs’ = 0.57 (m/s) . Chọn tốc độ làm việc : ω tb = 0.9 × ω s' = 0.513 (m/s) . Đường kính tháp được xác định theo công thức : 4 × Vtb 4 × 1990.6 D= = = 1.17 (m) . π × 3600 × ω tb π × 3600 × 0.513 Chọn D = 1.2 m II.4.4. Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối : -Chiều cao tương ứng một đơn vị truyền khối : m hY = hG + × hL l Trong đó : hG : chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha khí , m . hL : chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha lỏng , m . m : hệ số góc đường cân bằng Ltr l : lượng dung môi tiêu tốn riêng , l = Gtr -hG và hL được xác định dựa vào các công thức thực nghiệm sau : 2 Vt hG = × Re 0.25 × Pry3 a ×ψ × σ y 2 ⎛μ ⎞3 hL = 256⎜ x ⎜ρ ⎟ × Re 0.25 × Prx0.5 ⎟ x ⎝ x ⎠ Với : Vt = 0.79 m3/m3 , là thể tích tự do của đệm . σ = 95 m2/m3 , là bề mặt riêng của đệm . a là hệ số phụ thuộc dạng đệm , đệm vòng Raschig a = 0.123 . ρ x = ρ xtb = 995 kg/m3 , là khối lượng riêng pha lỏng . μx = μxtb = 0.8007×10-3 (kg/m.s) . Các công thức chuẩn số Rey , Pry cho pha khí và Rex , Prx cho pha lỏng được tính như sau : 0.4 × G y 0.04 × L x Re y = Re x = σ × μy σ × μx μy μx Pr y = Prx = ρ y × Dy ρ x × Dx Ở đây : SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 14
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG + Gy , Lx là tốc độ khối lượng của khí và lỏng tương ứng một đơn vị tiết diện ngang của tháp , kg/m2.s . π × D 2 π × 1.2 2 2 Tiết diện ngang của tháp : Ft = = = 1.1304 (m ) . 4 4 G ytb 0.645 Gy = = = 0.5706 (kg/m2.s) . Ft 1.1304 G 21.67 2 L x = xtb = = 19.17 (kg/m .s) . Ft 1.1304 + μy = 1.81*10-5 kg/m.s , là độ nhớt pha khí . + ρ y = ρ 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 . II.4.4.1. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng : 7.4 * 10 −12 (φ * M B ) * T 0.5 Dx = , m2/s . [4,(2-41),27] μ *VA ' 0.6 Trong đó: MB là khối lượng mol của dung môi , MB = M H O = 18 (kg/kmol) 2 φ là hệ số kết hợp cho dung môi , φ = 2.6 cho dung môi là nước . T = 273 + 30 = 3030K , nhiệt độ khuếch tán . VA = 44.8 cm3/mol , là thể tích mol của dung chất . μ’: là dộ nhớt của dung dịch . μ’ = μ H O = 0.8007 (Cp) . 2 7.4 * 10 −12 (2.6 * 18) * 303 0.3 Suy ra : D x = 0.6 = 1.9568 * 10 −9 (m2/s) 0.8007 * 44.8 II.4.4.2. Hệ số khuếch tán trong pha khí 3 1 4.3 * 10 * T ⎛ 1 −7 12 ⎞2 Dy = ⎜ + ⎟ [4,(2-36),25] . 1 2 ⎜M ⎟ ⎛ 1 ⎞ ⎝ A MB ⎠ P * ⎜V A3 + VB3 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Trong đó : T = 273 +30 = 3030K P = 1 at , Aùp suất khuếch tán . MA , MB : là khối lượng mol khí SO2 và không khí . MA = M SO = 64 (kg/kmol) . 2 MB = Mkk = 28.8 (kg/kmol) . VA , VB : thể tích mol của SO2 và của không khí . VA = 44.8 (cm3/mol) . VB = 29.9 (cm3/mol) . Thế vào ta được : 3 1 4.3 * 10 −7 * 303 2⎛ 1 1 ⎞2 −5 2 Dy = 2 ⎜ + ⎟ = 1.148 × 10 (m /s) . ⎛ 1 1 ⎞ ⎝ 64 28.8 ⎠ 1 * ⎜ 44.8 3 + 29.9 3 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ II.4.4.3. Tính Rex , Rey , Prx , Pry : SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 15
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG 0.04 × G x 0.04 * 21.67 Re x = = = 4 .9 Ft × σ × μ x 1.1304 * 95 * 0.8007 * 10 −3 0.4 × G y 0.4 × 0.645 Re y = = = 64.67 σ × Ft × μ y 1.1304 * 95 *1.81 *10 −5 μx 0.8007 * 10 −3 Prx = = = 411.24 ρ x × Dx 995 * 1.9568 * 10 −9 μy 01.81 *10 −5 Pr y = = = 1.352 ρ y × D y 1.166 *1.148 *10 −5 II.4.4.4. Tính hệ số thấm ướt ψ : Vx -Utt = là mật độ tưới thực tế , (m3/m2.h) . Ft Trong đó : Vx = Vxtb = 78.41 (m3/h) . Ft = 1.1304 (m2) . 78.41 Suy ra : U tt = = 69.365 (m3/m2h) . 1.1304 -Mật độ tưới thích hợp Uth : Uth = B. σ d , (m3/m2h) . B = 0.158 (m3/m.h) [2,bảng IV.6,177] 2 3 σ d = 95 m /m Suy ra : Uth = 0.158*95 = 15.01 (m3/m2h) . U tt 69.365 Vậy : = = 4.62 U th 15.01 Dựa vào đồ thị hình IX.16 [ 2.178 ] , ta chọn ψ = 1 để dung môi thấm ướt đều lên đệm . II.4.4.5. Tính hG , hL 2 Vt 0.79 2 hG = Re 0.25 × Pr y3 = × 64.67 0.25 × 1.352 3 = 0.1016 (m) . a ×ψ × σ y 0.123 × 1 × 95 2 2 ⎛ μ ⎞3 ⎛ 0.8007 × 10 −3 ⎞ 3 hL = 256 × ⎜ x ⎟ Re 0.25 × Prx0.5 = 256 × ⎜ ⎜ρ ⎟ x ⎜ ⎟ × 4.90.25 × 441.240.5 ⎟ ⎝ x⎠ ⎝ 995 ⎠ = 0.6922 (m) . II.4.4.6. Tính chiều cao một đơn vị chuyển khối : m hY = hG + × hL l Từ đồ thị đường cân bằng ta xác định được hệ số góc đường cân bằng Y = f ( X ) là : m = 48.3 ∗ L Ltr Yd − Yc 0.0101 − 0.000582 Với : l = ≈ = = = 54.38 G Gtr Xc 0.000175 48.3 Suy ra : hY = 0.1016 + × 0.6922 = 0.716 (m) . 54.38 II.4.5. Xác định số đơn vị truyền khối mY : Do cấu tử SO2 hồ tan trong dung dịch không dáng kể nên dung dịch hấp thu khá lỗng , phương trình tính mY có dạng như sau : SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 16
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Yd dY mY = Yc ∫Y −Y ∗ = 9.1 (m) . Bảng số liệu tính tích phân : i Yi Xi Y* Yi-Y* 1/(Y-Y*) 0 0.000582 9.1931E-11 4.4029E-09 0.000582 1718.22606 1 0.001058 8.7501E-06 0.00041925 0.0006387 1565.79971 2 0.001534 1.75E-05 0.00083884 0.000695 1438.92626 3 0.00201 2.625E-05 0.00125877 0.0007509 1331.68338 4 0.002486 3.5E-05 0.00167905 0.0008066 1239.84772 5 0.002962 4.375E-05 0.00209967 0.0008618 1160.32639 6 0.003437 5.25E-05 0.00252064 0.0009168 1090.80249 7 0.003913 6.125E-05 0.00294196 0.0009713 1029.5061 8 0.004389 7E-05 0.00336362 0.0010256 975.061834 9 0.004865 7.875E-05 0.00378563 0.0010795 926.384753 10 0.005341 8.75E-05 0.00420799 0.001133 882.607512 11 0.005817 9.625E-05 0.0046307 0.0011862 843.028425 12 0.006293 0.000105 0.00505376 0.001239 807.073715 13 0.006769 0.00011375 0.00547716 0.0012915 774.269643 14 0.007245 0.0001225 0.00590091 0.0013437 744.221613 15 0.007721 0.00013125 0.00632502 0.0013955 716.598313 16 0.008196 0.00014 0.00674947 0.0014469 691.119512 17 0.008672 0.00014875 0.00717428 0.001498 667.546587 18 0.009148 0.0001575 0.00759943 0.0015488 645.675071 19 0.009624 0.00016625 0.00802494 0.0015992 625.328761 20 0.0101 0.000175 0.0084508 0.0016492 606.354992 II.4.6. Chiều cao cột đệm cần thiết cho quá trình hấp thu : H d = mY × hY = 0.716 × 9.1 = 6.5 m Chiều cao tổng cộng của tháp : H = 6.5 + 2 × 0.4 + 0.325 × 2 + 0.8 + 0.4 = 9.15 m SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 17
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG II.5. Tính trở lực của lớp đệm : -Tổn thất áp suất của đệm khô : ω t2 λ' H × σ d ω y × ρ y '2 H ΔPk = λ × ' × ρy × = × 3 × d td 2 4 Vd 2 Trong đó : H = 6.5 m , là chiều cao lớp đệm . λ’ là hệ số trở lực của đệm , bao gồm cả trở lực do ma sát và trở lực cục bộ , phụ thuộc chuẩn số Rey : W y' × d td × ρ y Re y = Vd × μ y 16 Rey > 40 : chế độ xốy , λ ' = Re 0.2 y 140 Rey < 40 : chế độ dòng , λ' = Re y Với : ρy = 1.166 kg/m3 Vd = 0.79 m3/m3 μy = 1.81×10-5 kg/m.s 4 × Vd 4 × 0.79 dtd = = = 0.0154 (m) , là đường kính tương đương của đệm σd 95 . W’y = 0.513 m/s , tốc độ của dòng khí trên tồn bộ tiết diện tháp . 0.513 × 0.0154 × 1.166 Suy ra : Re y = = 678.6 0.79 × 1.81 × 10 −5 16 Vì Rey > 40 nên : λ' = = 4.343 678.6 0.2 Như vậy , thay số ta được : 4.343 6.5 × 95 0.513 2 × 1.166 ΔPk = × 3 × = 500.5 (N/m2) . 4 0.79 2 -Tổn thất áp suất của lớp đệm ướt : ⎡ ⎛ Gx ⎞ ⎛ ρ y ⎞ ⎛ μ x ⎞ ⎤ m n c ΔPv = ΔPk ⎢1 + A × ⎜ ⎟ × ⎜ ⎟ × ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎜G ⎟ ⎜ ρ ⎟ ⎜μ ⎟ ⎥ ⎣ ⎝ y⎠ ⎝ x⎠ ⎝ y⎠ ⎦ Trong đó : Gx , Gy : là lưu lượng của dòng lỏng và dòng khí , kg/s . Gx = Gxtb = 21.675 kg/s Gy = Gytb = 0.645 kg/s ρx , ρy : khối lượng riêng của dòng lỏng và dòng khí , ρx = 995 kg/m3 ρy = 1.166 kg/m3 μx = 0.8007×10-3 kg/m.s μy = 1.81×10-5 kg/m.s 1. 8 0. 2 ⎛ Gx ⎞ ⎛ρ ⎞ ⎛ ⎞ ⎜ Do : ⎜ ⎟ ⎟ × ⎜ y ⎟ × ⎜ μ x ⎟ = 1.4 > 0.5 ⎜ρ ⎟ ⎜μ ⎟ ⎝ Gy ⎠ ⎝ x⎠ ⎝ y⎠ Theo [2,bảng(IX.7),189] ta có : A = 10 , n = 0.525 , m=0.945 , c = 0.105 SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 18
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Thay số vào ta được : ⎡ ⎛ 21.675 ⎞ 0.945 ⎛ 1.166 ⎞ 0.525 ⎛ 0.8007 × 10 −3 ⎞ 0.105 ⎤ ΔPu = 500.5 × ⎢1 + 10 × ⎜ ⎟ ×⎜ ⎟ ×⎜ ⎜ 1.81 × 10 −5 ⎟ ⎟ ⎥ ⎢ ⎣ ⎝ 0.645 ⎠ ⎝ 995 ⎠ ⎝ ⎠ ⎥ ⎦ = 6468.37 (N/m2) . Chọn ΔPu = 6500 N/m2 = 0.065×105 (N/m2) . =-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-= CHƯƠNG III TÍNH TỐN CƠ KHÍ III.1 Tính chiều dày thân tháp : Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn , nhiệt độ làm việc 300C , Pmt = 1 at = 0.1 2 N/m . Nên ta chọn vật liệu là thép không rỉ để chế tạo thiết bị . Chọn thép : X18H10T . - Ứng suất cho phép tiêu chuẩn đối với thép X18H10T ở 300C : [σ]* = 146 N/mm2 [9,hình1-2,22] hệ số hiệu chỉnh η = 1 [9,26] Ứng suất cho phép là : [σ] = 1×146 = 146 N/mm2 - Aùp suất tính tốn : Ptt = Plv + ρ × g × h Plv : áp suất làm việc của môi trường . Plv = ΔPư = 0.065 × 10 5 (N/m2) . h : chiều cao cột chất lỏng . h = 8.425 m Suy ra : Ptt = 0.065 × 10 5 + 9.81 × 995 × 8.425 = 0.091 N/mm2 Chọn hệ số bền mối hàn ϕh = 0.95 Do : [σ ] × ϕ = 146 × 0.95 = 1524.2 > 25 h P 0.091 Nên bề dày tối thiểu của thân trụ hàn chịu áp suất được tính theo : Dt × P 1200 × 0.091 S' = = = 0.4 mm 2× [σ ]× ϕ h 2 × 146 × 0.95 - Hệ số bổ sung bề dày C , mm : C = Ca + C0 + Cb + Cc Trong đó : Ca : là hệ số bổ sung do ăn mòn hố 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 . SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 19
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Đối với TB hố 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 : S = S’ + C = 0.4 + 3 = 3.4 (mm) . Chọn bề dày thân S = 4 (mm) . S − Ca - Kiểm tra điều kiện : ≤ 0 .1 Dt 4−2 Suy ra : = 0.00167 ≤ 0.1 : thỏa điều kiện . 1200 - Aùp suất tính tốn cho phép ở bên trong thiết bị : 2 * [σ ] * ϕ h * ( S − C a ) [P] = [9,(5-11),131] Dt + ( S − C a ) 2 * 146 * 0.95 * (4 − 2) [P] = = 0.462 (N/mm2) > 0.091 (N/mm2) , thỏa điều 1200 + (4 − 2) kiện . Vậy chiều dày thân được chọn là S = 4 (mm) . III.2. Tính chiều dày đáy , nắp : - Chọn đáy nắp elip tiêu chuẩn . - Chọn chiều dày đáy , nắp bằng chiều dày thân . Sn = Sđ = Sthân = 4 (mm) . S − Ca - Kiểm tra điều kiện : ≤ 0.125 Dt 4−2 Suy ra : = 0.00167 ≤ 0.1 25 : thỏa điều kiện . 1200 - Kiểm tra áp suất dư cho phép tính tốn theo công thức : 2 * [σ ] * ϕ h * ( S − C a ) [P] = [9,(6-5),166] Rt + ( S − C a ) Đáy nắp elíp tiêu chuẩn Rt = Dt = 1200 (mm) . 2 * 146 * 0.95 * (4 − 2) [P] = = 0.462 (N/mm2) > 0.091 (N/mm2) , thỏa điều 1200 + (4 − 2) kiện . III.3. Tính ống dẫn lỏng , ống dẫn khí : III.3.1. Tính ống dẫn khí vào tháp : Đường kính ống dẫn khí : 4*Q d= , (m) π *V Trong đó : Q : lưu lượng thể tích của khí , m3/s . Q = 2000 m3/h V : vận tốc dòng khí , m/s . SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa 20