Xem mẫu
- Đề tài
" Xử lý SO2 bằng
phương pháp hấp
thu với dung môi
là nước "
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
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 b ằng 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 nh à nước m à 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 ho ạt . 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 ph ần 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 nư ớc . 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 kh í th ải trong các ngh ành sản xuất
công nghiệp và sinh ho ạt .
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 hoàn thành đồ án
môn học này .
CHƯƠNG I
MỞ ĐẦU
PHẦN A . TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2 .
I.1. Tính chất hóa lý SO 2 :
1
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
SO2 là ch ất khí không màu, mùi kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan trong
nước (ở điều kiện bình thường 1 thể tích n ước hòa tan 40 thể tích SO2) . Khi hoà 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 :
SO2 + 2CO 500 o C 2CO2 + S
-Thực hiện phản ứng oxy hóa :
V 2 O5
1
SO2 + O2 SO3
2 to
SO2 + Cl2 + H2O = H2SO4 + HCl
Trong môi trường không khí , SO2 dễ bị ôxy hóa và biến th ành 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 SO 2 :
-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(
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
acid của trái đất , hủy diệt rừng và mùa màng , gây nguy hại đối với sinh vật nước , đối
với động vật và cả con người . Ngo ài ra , còn phá hủy các nh à cửa, công trình kiến trúc
bằng kim loại bị ăn mòn . . . Nếu H2SO4 có trong nước m ưa với nồng độ cao sẽ làm
bỏng da ngư ời hay làm mục nát áo quần .
I.3. Các nguồn tạo ra SO2 :
- Khí SO2 tạo ra là do sự đốt cháy các hợp chất chứa lưu hu ỳnh hay nguyên tử
lưu hu ỳnh .
Ví dụ : các hợp chất hữu cơ chứa lưu hu ỳnh 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 hu ỳnh .
+ 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 ph ù 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 – h ydroxit magie, tạo th ành 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 h ành khó, chi phí cao tốn nhiều MgO.
+ Phương pháp kẽm : trong phương pháp này ch ất 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 h ình 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 .
3
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
+ 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 th ải 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 ) .
C6H3(CH3)2 NH2 không trộn lẩn với n ước nh ưng 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 b ề mặt chất rắn , thu được dòng khí sạch khi đi qua bề
mặt rắn .
Chất hấp phụ công nghiệp cơ bản là than ho ạt tính , silicagen , zeonit và ionit
(ch ất 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 ph ương 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 th ành 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 h ấp thu là tháp đ ệm 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 đư ợc bơm lên bồn cao vị .
Sau đó đi qua lưu lượng kế đo lưu lượng dòng ch ảy và đi vào tháp hấp thu , nước được
ch ảy từ trên xuống . Khí SO2 được thổi từ đáy tháp lên , quá trình hấp thu được thực
hiện .
4
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
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 b ể chứa thực hiện quá trình trung hòa và thải
ra môi trường .
CHƯƠNG II
TÍNH TOÁN CÔNG NGH Ệ
II.1. Các thông số ban đầu :
Lưu lượng khí thải : 2000 m 3/h .
Nồng độ SO2 ban đầu là 1% th ể tích .
Nồng độ SO2 sau khi xử lý đạt tiêu chu ẩn 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 đ ịnh luật Henri :
H
hoặc y*
P = H*x =m*x .
Pt
Trong đó :
y* : nồng độ phân mol của SO2 trong dòng khí ở đ iều kiện cân bằng .
x : nồng độ phân mol khí hòa tan trong pha lỏng .
P : áp su ất riêng ph ần của cấu tử khí hòa tan khi cân b ằng .
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
760
Pt
Y X
y= x=
1 Y 1 X
5
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
Y* X
Thay vào trên ta được : =m *
*
1 X
1 Y
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 :
Ñoà Thò Caân Baèn g Cuûa Dung Dòch Haáp Thu SO2 Baèn g
nöôùc
Y*
0.016
0.014
0.012
0.01
0.008
0.006
0.004
0.002
X
0
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
= 0.0101 (KmolSO2/Kmolkhítrơ)
Yđ =
1 yd
Nồng độ cuối của pha khí theo tỷ số mol :
6
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
1
1.5( g ) *
64( g / mol )
Yc =
1at
1( m 3 ) * 10 3 (lit / m 3 ) * ( 273 30) o K
o
0.082(lit .at / mol. 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 :
Y Yc
Lmin
d
X* Xd
Gtr
Gtr : su ất lượng d òng 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)
Lmin 0.0101 0.000582
Suy ra : = 45.324
0.00021 0
Gtr
Chọn Ltr = 1 .2*Lmin
Với Ltr : lượng dung môi không đổi khi vận hành , kmol/h .
Ltr L
1.2 * min = 1.2*45.324 = 54.3888
Suy ra :
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
Y Yc
Ltr
d
Suy ra :
Gtr X c X d
Yd Yc 0.0101 0.000582
Suy ra : Xc = = 0.000175 (molSO2/KmolH2O)
Ltr 54.3888
Gtr
7
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
L Xñ
G Yc tr
tr
G tr Y ñ L Xc
tr
Xc : nồng độ cuối của pha lỏng .
.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 .
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 hoá vấn đề tính toán , ta có thể giả thiết nh ư 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 = 30 0C .
- Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thu : Cđ = Cc
= CH O .
2
8
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
L tr Xñ Lñ Cñ Tñ
G tr Yc Gc tc Ic
Gtr Yñ Gtr tñ Iñ
L tr Xc 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 , th ì ta có :
Qs = q * Ltr * (Xc – Xđ)
Với mức độ gần đúng có thể coi q không đổi trong suốt quá trình h ấp thu:
Gd * I d Ld * C * Td q * Ltr * X c X d Gc * I c Lc * C * Tc
G * I Gc * I c
Ld q* L
X c X d
* td d d
Ho ặc : Tc
Lc Lc * C Lc * C
Ld
Vì lượng cấu tử hoà tan trong dung d ịch 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 :
G d .I d G c .I c 0
Như vậy , công thức tính nhiệt độ cuối Tc của dung dịch sẽ có dạng như sau :
q * Ltr
X c X d
Tc Td
Lc * C
Do lượng cấu tử hoà tan trong dung dịch nhỏ nên : Lđ = Lc = Ltr
q
X c X d
Tc Td
C
Phương trình hấp thu của SO2 trong dung môi nước .
SO2 + H2O H+ + HSO3-
Theo sổ tay hóa lý , nhiệt sinh của :
SO2 : SO = -70.96 (kcal/mol) .
2
H2O : H O = - 68.317 (kcal/mol) .
2
H+ : H = 0 (kcal/mol) .
-
HSO3 : HSO = -12157.29 (kcal/mol) .
3
9
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
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
* 0.000175 = 30.12oC
= 30 +
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 :
Vd 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 (m 3/h)
2000 1981.2 3
Suy ra : Vytb = 1990.6 (m /h) .
2
KLR trung bình của pha khí :
y tb1 * M 1 1 y tb1 * M 2 * 273
ytb
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 b ình.
yd1 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
yc1 0.00058
Yc c 1 1 0.000582
0.01 0.00058
Suy ra : ytb1 0.00529
2
+ M1 = MSO 2 = 64 (g/mol)
M2 = Mkkhí = 28.8 (g/mol)
0.00529 * 64 1 0.00529 * 28.8* 273 1.166 kg/m 3
Suy ra : ytb =
22.4 * 273 30
Độ nhớt trung bình pha khí ( của hổn hợp khí ) :
M hh m1 * M 1 m2 * M 2
hh 1 2
+ 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
10
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
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) .
+ m 1 , m2 : nồng độ của SO2 , không khí tính theo phần hể tích.
m 1 = ytb1 = 0.00529
m 2 = 1 – ytb1 = 0.99471
+ Ở 30 0c :
2 = kk = 0.0182*10-3 (kg/m.s) .
1 = SO = 0.0128*10-3 (kg/m.s) .
2
Thay vào ta được :
28.986 64.0 0.00529 28.8 0.99471
0.0128 103 0.0182 103
hh
Suy ra : hh 1.81 10 5 (kg/m.s) .
-Lưu lượng khối lượng pha khí trung bình :
Gd Gc
, kg/s
G ytb
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 b ình .
Do lượng cấu tử hoà tan trong dung dịch nhỏ , xem quá trình hấp thu không làm
thay đ ổi đáng kể thể tích nên :
1
Vxtb Vtr Ltr * M tr *
tr
Với : tr là khối lượng riêng của n ước ở 300C .
tr = 995 (kg/m3) .
Mtr : khối lượng phân tử của H2O , kg/kmol .
Ltr : lưu lượng n ước , kmol/h .
1 3
Suy ra : Vxtb 4334.298 18 78.41 m /h
995
- Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng :
xtb tb1 *Vtb1 1 Vtb1 * tb2 [2, IX.104, 183]
tb1 , tb 2 : khối lượng riêng trung bình của SO2 , H2O trong pha lỏng .
Vtb1 , Vtb2 : th ể tích trung bình của SO2 , H2O trong pha lỏng.
Do lượng SO2 hoà tan trong dung d ịch nhỏ nên : Vtb1 0 .
xtb tb 2 H O 995 (kg/m3) .
2
- Độ nhớt trung bình của pha lỏng :
Do lượng cấu tử SO2 hoà tan trong dung dịch nhỏ nên có th ể xem :
11
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
xtb H 2O 0.8007 10 3 (kg/m.s) .
- 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
21.67 (kg/s) .
G xd Ltr * M tr 4334.298 * 18 *
3600
4334.298 *18 4334.298 * 0.000175 * 64
G xc Ltr * M tr Ltr * X c * M SO2
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
' 2 * * 0.16
G1 ytb 8
x
s d ytb
A 1.75 * ( x ) 4
lg *
3
g * Vd * xtb Gy
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) .
+ xtb , ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và khí .
3
xtb = 995 (kg/m ) .
ytb = 1.166 (kg/m3) .
+ x : độ nhớt trung b ình pha lỏng theo nhiệt độ trung bình .
x = xtb = 0.800710-3 (kg/m.s) .
+ n : độ nhớt của nước ở 200C .
n = 1.005*10-3 (kg/m.s) .
A : hệ số , A = 0.022 .
Chọn đệm vòng Raschig bằng sứ , kích thước đệm 50505 mm . Các thông số
của đệm :
d : b ề mặt riêng của đệm .
d = 95 m 2/m3
Vd : thể tích tự do của đệm .
Vd = 0.79 m3/m3
d : khối lượng riêng xốp của đệm .
3
d = 600 kg/m
Thay số vào ta đư ợc :
1 1
W ' 2 *95 * 1.166 0.8007 * 10 3 0.16 21.675 4 1.166 8
lg s *
1.005 * 10 3 0.022 1.75 * 0.645 * 995
3
9.81 * 0.79 * 995
Suy ra : s’ = 0.57 (m/s) .
12
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
Chọn tốc độ làm việc : tb 0.9 s' 0.513 (m/s) .
Đường kính tháp được xác định theo công thức :
4 Vtb 4 1990.6
1.17 (m) .
D
3600 tb 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 =
Gt r
-hG và hL được xác định dựa vào các công thức thực nghiệm sau :
2
Vt
Re 0.25 Pry3
hG y
a
2
3
Re 0.25 Prx0.5
hL 256 x
x
x
Với : Vt = 0.79 m 3/m3 , là thể tích tự do của đệm .
= 95 m2/m3 , là bề mặt riêng của đệm .
a là h ệ số phụ thuộc dạng đệm , đệm vòng Raschig a = 0.123 .
x = xtb = 995 kg/m3 , là khối lư ợng riêng pha lỏng .
x = xtb = 0 .800710-3 (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
y x
y x
Pr y Prx
y Dy x Dx
Ở đây :
+ Gy , Lx là tốc độ khố i lượng của khí và lỏng tương ứng một đơn vị tiết diện
ngang của tháp , kg/m2.s .
D 2 1.2 2 2
Tiết diện ngang của tháp : Ft 1.1304 (m ) .
4 4
G ytb 0.645 2
0.5706 (kg/m .s) .
Gy
Ft 1.1304
G 21.67 2
Lx xtb 19.17 (kg/m .s) .
Ft 1.1304
+ y = 1.81*10-5 kg/m.s , là độ nhớt pha khí .
13
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
+ y = ytb = 1.166 kg/m3 là khối lượng riêng pha khí .
+ Dx , Dy : là h ệ số khuếch tán trong pha khí và trong pha lỏng , m 2/s .
II.4.4.1. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng :
7.4 * 10 12 * M B * T
0 .5
, m2/s . [4,(2-41),27]
Dx 0 .6
'
*VA
Trong đó: MB là khối lượng mol của dung môi , MB = M H O 18 (kg/kmol)
2
là hệ số kết hợp cho dung môi , = 2.6 cho dung môi là nước .
T = 273 + 30 = 303 0K , nhiệt độ khuếch tán .
VA = 44.8 cm3/mol , là thể tích mol của dung chất .
’: là dộ nhớt của dung dịch .
’ = H O 0.8007 (Cp) .
2
0.3
7.4 *10 12 2.6 *18 * 303 2
1.9568 *10 9 (m /s)
Suy ra : Dx
0.8007 * 44.80.6
II.4.4.2. Hệ số khuếch tán trong pha khí
3 1
4.3 * 10 7 * T 2 1 1 2
[4,(2-36),25] .
Dy
2
MA MB
1 1
P * V A V B
3
3
Trong đó : T = 273 +30 = 303 0K
P = 1 at , Ap 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 (cm 3/mol) .
VB = 29.9 (cm3/mol) .
Thế vào ta được :
3 1
4.3 * 10 7 * 303 2 1 1 2 2
5
1.148 10 (m /s) .
Dy
2
64 28.8
1 1
1 * 44.8 3 29.9 3
II.4.4.3. Tính Rex , Rey , Prx , Pry :
0.04 G x 0.04 * 21.67
Re x 4 .9
Ft x 1.1304 * 95 * 0.8007 *10 3
0.4 G y 0.4 0.645
Re y 64.67
Ft y 1.1304 * 95 * 1.81 * 10 5
0.8007 * 10 3
x
Prx 411.24
x D x 995 * 1.9568 * 10 9
y 01.81 * 10 5
Pr y 1.352
y D y 1.166 * 1.148 * 10 5
II.4.4.4. Tính hệ số thấm ướt :
14
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
Vx
là mật độ tư ới thực tế , (m3/m 2.h) .
-Utt =
Ft
Trong đó : Vx = Vxtb = 78.41 (m3/h) .
Ft = 1.1304 (m2) .
78.41 3 2
Suy ra : U tt 69.365 (m /m h) .
1.1304
-Mật độ tưới thích hợp Uth :
Uth = B. d , (m3/m 2h) .
B = 0.158 (m3/m.h) [2,b ảng IV.6,177]
2 3
d = 95 m /m
Suy ra : Uth = 0 .158*95 = 15.01 (m3/m 2h) .
U tt 69.365
Vậy : 4.62
U th 15.01
Dựa vào đồ thị hình IX.16 [ 2.178 ] , ta chọn = 1 để dung môi thấm ướt đều
lên đệm .
II.4.4.5. Tính hG , hL
2
Vt 0.79 2
Re 0.25 Pr y3 64.67 0.25 1.352 3 0.1016 (m) .
hG y
a 0.123 1 95
2 2
0.8007 10 3 3
3
hL 256 x Re 0.25 Prx0.5 256 4.9 0.25 441.24 0.5
x
995
x
= 0.6922 (m) .
II.4.4.6. Tính chiều cao một đơn vị chuyển khối :
m
hY = h G hL
l
Từ đồ thị đường cân bằng ta xác định được hệ số góc đ ường 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 hoà tan trong dung dịch không dáng kể n ên dung d ịch hấp thu khá
loãng , phương trình tính mY có dạng như sau :
Yd
dY
9.1 (m) .
mY Y Y
Yc
Bảng số liệu tính tích phân :
15
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
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
II.5. Tính trở lực của lớp đệm :
-Tổn thất áp suất của đệm khô :
'2
t2 ' H d y y
H
'
Pk y
3
d td 2 4 2
Vd
Trong đó : H = 6.5 m , là chiều cao lớp đệm .
’ 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 y
Re y
Vd y
16
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
16
Rey > 40 : ch ế độ xoáy , '
Re 0.2
y
140
Rey < 40 : ch ế độ dòng , '
Re y
Với : y = 1.166 kg/m3
Vd = 0.79 m3/m3
y = 1 .8110-5 kg/m.s
4 Vd 4 0.79
= 0.0154 (m) , là đường kính tương đương của đệm
dtd =
d 95
.
W’y = 0 .513 m/s , tốc độ của dòng khí trên toàn 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 : ' 4.343
678.6 0.2
Như vậy , thay số ta được :
4.343 6.5 95 0.5132 1.166
500.5 (N/m2) .
Pk
0.79 3
4 2
-Tổn thất áp suất của lớp đệm ướt :
m c
x
n
1 A Gx y
Pv Pk
G
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
x , y : khối lượng riêng của dòng lỏng và dòng khí ,
x = 995 kg/m 3
y = 1.166 kg/m3
x = 0.800710-3 kg/m.s
y = 1.8110-5 kg/m.s
1.8 0.2
G x
y
Do : x
= 1.4 > 0.5
G
x y
y
Theo [2,bảng(IX.7),189] ta có : A = 10 , n = 0.525 , m=0.945 , c = 0.105
Thay số vào ta đư ợc :
0.105
0.945 0.525
0.8007 10 3
21.675 1.166
Pu 500.5 1 10
1.81 10 5
0.645 995
= 6468.37 (N/m2) .
Chọn Pu = 6500 N/m2 = 0.065105 (N/m2) .
=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=
17
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
CHƯƠNG III
TÍNH TOÁN 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 :
[]* = 146 N/mm 2 [9,hình1 -2,22]
hệ số hiệu chỉnh = 1 [9,26]
Ứng suất cho phép là :
[] = 1146 = 146 N/mm2
- Ap suất tính toán : Ptt Plv g h
Plv : áp suất làm việc của môi trường .
Plv = Pư = 0.065 10 5 (N/m 2) .
h : chiều cao cột chất lỏng .
h = 8.425 m
Suy ra : Ptt 0.065 105 9.81 995 8.425 0.091 N/mm 2
Chọn hệ số bền mối hàn h = 0.95
146 0.95 1524.2 > 25
Do : h
P 0.091
Nên b ề dày tối thiểu của thân trụ h àn ch ịu áp suất được tính theo :
Dt P 1200 0.091
S' 0.4 mm
2 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 hoá học của môi trường .
Thời hạn sử dụng là 20 năm , tốc độ ăn mòn là 0.1mm/ năm .
Vậy : Ca = 0.120 = 2 (mm) .
Cb : là hệ số bổ sung do b ào 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 d ày 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
18
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
- ÑOÀ AÙN MOÂN HOÏC GVHD : CAO THÒ NHUNG
42
0.00167 0.1 : thỏa điều kiện .
Suy ra :
1200
- Ap suất tính toán cho phép ở bên trong thiết bị :
2 * [ ] * h * ( S C a )
[P ] = [9,(5-11),131]
Dt ( S C a )
2 * 146 * 0.95 * ( 4 2)
0.462 (N/mm2) > 0.091 (N/mm2) , thỏa điều
[P] =
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 d ày đáy , nắp bằng chiều dày thân .
Sn = Sđ = Sthân = 4 (mm) .
S Ca
- Kiểm tra điều kiện : 0.125
Dt
42
0.00167 0.1 25 : th ỏa điều kiện .
Suy ra :
1200
- Kiểm tra áp suất dư cho phép tính toán theo công thức :
2 * [ ] * 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) 2 2
0.462 (N/mm ) > 0.091 (N/mm ) , thỏa điều
[P] =
1200 (4 2)
kiện .
III.3. Tính ố ng dẫn lỏng , ống dẫn khí :
III.3.1. Tính ống dẫn khí vào tháp :
Đường kính ống dẫn khí :
4 *Q
d= , (m)
*V
Trong đó :
Q : lưu lượng thể tích của khí , m3/s .
Q = 2000 m3/h
V : vận tốc dòng khí , m/s .
Đối với khí áp lực nhỏ , chọn V = 18 (m/s) .
2000
4*
3600 = 0.198 (m) .
Vậy d =
* 18
Chọn d = 200 (mm) .
Với d = 200(mm) , vận tốc dòng khí trong ống d ẫn :
2000
4*
4*Q
= 3600 =17.68 (m/s) .
V=
* 0.2 2
2
*d
III.3.2. Tính ống dẫn khí ra khỏi tháp :
19
SVTH : Nguyeãn Duy Nghóa
nguon tai.lieu . vn
