Đồ án môn học: Các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường_Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2 potx
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (483.77 KB, 40 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
______________________O
O
O_____________________
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
Đề bài:
Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO
2
GVHD: TS. Vũ Đức Thảo
SVTH: Mai Thị Hiền
Lớp: Kỹ thuật môi trường K52
SHSV: 20071073
Hà Nội, tháng 12/2010
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Họ và tên Sinh viên: Mai Thị Hiền
Lớp: Kỹ thuật môi trường
Khóa: 52
I. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO
2
II. Các số liệu ban đầu:
- Hỗn hợp khí cần tách: SO
2
trong không khí
- Dung môi: nước
- Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m
3
/h
- Nồng độ SO
2
: y
đ
= 0,028( mol/mol)
- Hiệu suất yêu cầu: = 84%
- Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện
- Loại thiêt bị: Tháp đệm
III. Các phần thuyết minh và tính toán:
1. Mở đầu
2. Tính toán thiết kế tháp hấp thụ (đường kính, chiều cao, trở lực)
3. Tính toán thiết bị phụ
- Tính bơm
- Tính máy nén khí
4. Tính toán cơ khí
5. Kết luận
IV. Các bản vẽ:
1. Bản vẽ sơ đồ dây chuyền khổ A3 hoặc A4
2. Bản vẽ tháp hấp thụ khổ A1
V. Giáo viên hướng dẫn: TS. Vũ Đức Thảo
VI. Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 6 tháng 9 năm 2010
VII. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
Ngày tháng năm 2010 Giáo viên hướng dẫn
Chủ nhiệm khoa ( Họ tên và chữ kí)
( Họ tên và chữ kí)
Đánh giá kết quả Ngày tháng năm 2010
- Điểm thiết kế Cán bộ bảo vệ
- Điểm bảo vệ ( Họ tên và chữ kí)
- Điểm tổng hợp
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
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
thực hiện 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 các
thầy 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 3 tháng 12 năm 2010
Sinh viên thực hiện
Mai Thị Hiền
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
PHẦN NỘI DUNG
I.Giới thiệu chung
1. Sơ lược về khí SO
2
Trong số những chất gây ô nhiễm không khí thì SO
2
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 SO
2
trong 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 SO
2
Khí SO
2
là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí
quyển là 1 ppm. Khí SO
2
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, SO
2
làm sưng niêm mạc, khi nồng độ cao> 0,5 mg/m
3
, SO
2
sẽ gây tức thở, ho, viêm
loét đường hô hấp
SO
2
làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng. Mưa axit có nguồn
gốc từ khí SO
2
làm thay đổi pH của đất, nước, hủy hoại các công trình kiến trúc,
ăn mòn kim loại. Ngoài ra ô nhiễm SO
2
còn liên quan đến hiện tượng mù quang
hóa
Chính vì những tác động tiêu cực trên mà việc giảm tải lượng cũng như nồng
độ phát thải SO
2
vào môi trường là vấn đề rất được quan tâm
2. Phương pháp xử lý SO
2
Khí SO
2
thường được xử lý bằng phương pháp hấp thụ, tác nhân sử dụng để
hấp thụ thường là sữa vôi, sữa vôi kết hợp với MgSO
4
hoặc dung dịch kiềm
Trong phạm vi đồ án này, với nhiệm vụ được giao là hấp thụ khí SO
2
bằng
nước. Đây là phương pháp hấp thụ vật lý nên hiệu suất hấp thụ không cao. Do
đó ta phải chọn điều kiện làm việc của tháp hấp thụ ở nhiệt độ thấp và áp suất
cao để nâng cao hiệu suất hấp thụ
3. Tháp đệm
Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất vì đặc điểm dễ
thiết kế, gia công, chế tạo và vận hành đơn giản. Tháp đệm được sử dụng trong
các quá trình hấp thụ, chưng luyện, hấp phụ và một số quá trình khác. Tháp có
dạng 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
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
- 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: SO
2
trong không khí
- Dung môi: nước
- Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m
3
/h
- Nồng độ SO
2
: y
đ
= 0,028( mol/mol)
- Hiệu suất yêu cầu: = 84%
- Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện
- Loại thiêt bị: Tháp đệm
3. Phương pháp hấp thụ xử lý SO
2
Sơ đồ của hệ thống
2
1
3
4
5
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
1. Bể chứa dung môi
2. Bơm chất lỏng
3. Tháp hấp thụ
4. Máy nén khí
5. Van an toàn
Thuyết minh dây chuyền:
- Hỗn hợp khí cần xử lý chứa SO
2
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 SO
2
giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ của
tháp hấp thụ
- Nước sau khi hấp thụ SO
2
đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài theo đường
ống thoát chất lỏng. Nước sau khi hấp thụ nếu nồng độ SO
2
cao sẽ được
xử lý và tái sử dụng.
Gọi:
G
y
: lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp( kmol/h)
G
x
: lưu lượng nước vào tháp( kmol/h)
G
trơ
: lưu lượng khí trơ( kmol/h)
Y
đ
: nồng độ phần mol tương đối của SO
2
trong khí đi vào tháp ( kmol SO
2
/kmol
kk)
Y
c
: nồng độ phần mol tương đối của SO
2
trong khí đi ra khỏi tháp ( kmol
SO
2
/kmol kk)
Xđ: nồng độ phần mol tương đối của SO
2
trong nước đi vào tháp( kmol
SO
2
/kmol dm)
Xc: nồng độ phần mol tương đối của SO
2
trong nước đi ra khỏi tháp( kmol
SO
2
/kmol dm)
Theo đề bài: y
đ
= 0,028 (mol/mol) → Y
đ
=
0,028
1 1 0,028
d
d
y
y
= 0,0288 (kmol
SO
2
/kmol kk)
Biết hiệu suất hấp thụ là: = 84%
Do đó: Y
c
= Y
đ
( 1-η) =0,0288.( 1-0,84)= 4,608.10
-3
(kmol SO2/kmol kk)
→ y
c
=
3
3
4,608 10
1 1 4,608 10
c
c
Y
Y
=4,587.10
-3
(kmol/kmol)
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
→ y
tb
=
2
d c
y y
=
3
0,028 4,587 10
2
= 0,0163 kmol/kmol
Dung môi ban đầu là nước → X
đ
= 0
Giả sử điều kiện làm việc của tháp là T =25
0
C→T =298K
P =1atm = 760mmHg
P=1 atm = 1,0326 at
Ta coi hỗn hợp khí là lý tưởng. Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có:
G
y
= n =
1 25000
0,082 298
PV
RT
= 1023,08( kmol/h)
→ G
trơ
=
1023,08
1 1 0,0288
y
d
G
Y
= 994,44( kmol/h)
Thiết lập phương trình đường cân bằng:
Theo định luật Henry ta có: y
cb
= mx
→ Y
cb
=
1 (1 )
mX
m X
Ta có m=
P
Ở 25
0
C với khí SO
2
thì ψ =0,031.10
6
mmHg
→ m =
6
0,031.10
760
= 40,79
→ Y
cb
=
40,79
1 39,79
X
X
Thiết lập phương trình đường làm việc:
Phương trình cân bằng vật liệu cho thiết bị:
G
trơ
. Y + G
x
. X
đ
= G
trơ
. Y
c
+ G
x
. X
→ G
trơ
( Y- Y
c
) = G
x
( X- X
đ
)
Do Xđ = 0 nên pt trở thành: G
trơ
.( Y- Y
c
) = G
x
. X
→ Y=
x
tro
G
G
.X+Y
c
Giả thiết X
c
= X
cbc
thì lượng dung môi tối thiểu cần để hấp thụ là:
G
x
min = G
tro
.
d c
cbc d
Y Y
X X
Từ phương trình đường cân bằng Y
cb
=
1 (1 )
mX
m X
→ X
cb
=
(1 )
Y
m m Y
Y
đ
= 0.0288(kmol SO
2
/kmol kk)
→ X
cbc
=
0,0288
40,79 39,79 0,0288
=6,868.10
-4
(kmol SO2/kmol nước)
G
x
, X
d
Y
c
X
c
G
y
, Y
d
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
→ G
x
min = 994,44.
3
4
0,0288 4,608 10
6,868 10
= 35028,38 kmol/h
Lượng dung môi cần thiết để hấp thụ : G
x
= β. G
x
min
Thông thường β = 1,2÷1,5. Chọn β = 1,2
→ G
x
= 1,2.35028,38 = 42034,056 kmol/h →
x
tro
G
G
=
42034,056
994,44
=42,269
→ Y = 42,269X+ 4,608.10
-3
→ khi Y
d
= 0.0288 thì X
c
=
3
4,608 10
42,269
d
Y
=
3
0,0288 4,608 10
42,269
= 5,723.10
-4
(kmol SO
2
/kmol H
2
O) → x
c
=
1
c
c
X
X
= 5,72.10
-4
( kmol/kmol)
→ x
tb
=
2
d c
x x
=
4
0 5,72 10
2
=2,86.10
-4
( kmol/kmol)
X Y Ycb
0 4,608.10
-3
0
0,0001 8,835.10
-3
4,095.10
-3
0,0002 0,013 8,223.10
-3
0,0003 0,0173 0,0124
0,0004 0,0215 0,0166
0,0005 0,0257 0,021
0,0005723 0,0288 0,0239
0,0006868 0,0288
Vẽ đồ thị đường cân bằng và đường làm việc
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Đồ thị đường cân bằng, đường làm việc
y = 41.697x
R
2
= 0.9999
y = 42.269x + 0.0046
R
2
= 1
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008
X
Y
Đường làm việc
Đường cân bằng
II.1 Tính đường kính tháp:
1. Tính khối lượng riêng:
Đối với pha lỏng:
Áp dụng công thức:
OH
SO
SO
SO
xtb
aa
2
2
2
2
1
1
Trong đó:
xtb
: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m
3
.
:
2
SO
a
Phần khối lượng của SO
2
trong pha lỏng
OHSO
22
,
: Khối lượng riêng của SO
2
và H
2
O ở 25
0
C, kg/m
3
.
- Tra bảng I.5 ở 25
0
C có:
OH
2
= 997,08 (kg/m
3
)
- Tra bảng I.2 ở 25
0
C có:
2
SO
(20
0
C) = 1383 (kg/m
3
)
2
SO
(40
0
C) = 1327(kg/m
3
)
Dùng phương pháp nội suy =>
2
SO
(25
0
C) = 1369 (kg/m
3
)
- Tính
:
2
SO
a
Áp dụng công thức
2
2
2 2
.
. (1 )
SO
tb
SO
SO tb H O tb
M x
a
M x M x
Trong đó
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
:
2
SO
a
Phần khối lượng trung bình của SO
2
trong hỗn hợp.
x
tb
: Nồng độ phần mol trung bình của SO
2
trong pha lỏng, (kmol
SO
2
/kmol H
2
O)
x
tb
= 2,86.10
-4
(kmol SO
2
/kmol H
2
O)
→
2
SO
a
=
4
4 4
64 2,86.10
64 2,86.10 (1 2,86.10 ) 18
= 1,016.10
-3
- Tính khối lượng phân tử của hỗn hợp lỏng M
x
x
M
= x
tb
.
2
SO
M
+(1–x
tb
).
OH
M
2
= 2,86.10
-4
×64+(1-2,86.10
-4
)×18 =18,013156
Làm tròn M
x
=18
Đối với pha khí:
- Tính M
y
Áp dụng công thức: M
y
= y
tb
.
2
SO
M
+ (1 - y
tb
).
KK
M
Trong đó:
M
y
: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí, (kg/kmol)
2
SO
M
,
KK
M
: Khối lượng phân tử của SO
2
và không khí, (kg/kmol)
y
tb
: Phần mol trung bình của SO
2
trong hỗn hợp
(kmol SO
2
/kmol hỗn hợp khí)
→ M
y
= 0,0163×64 + (1-0,0163)×29 = 29,5705
- Tính
ytb
=
2
[ (1 ) ] 273
22,4
tb SO tb kk
y M y M
T
=
[0,0163 64 (1 0,0163) 29] 273
22,4 298
→
ytb
= 1,209 kg/m
3
- Tính
xtb
:
2 2
2 2
1
1
SO SO
xtb SO H O
a a
→
2 2
2 2
3 3
1 1
997,36
1
1,016.10 1 1,016.10
1369 997,08
xtb
SO SO
SO H O
a a
(kg/m
3
)
2. Lượng khí trung bình đi trong tháp:
V
ytb
=
2
cd
VV
(m
3
/ h) (II.183)
với: V
đ
: Lưu lượng hỗn hợp đầu ở điều kiện làm việc (m
3
/ h)
V
c
: Lưu lượng khí thải đi ra khỏi tháp (m
3
/ h): V
c
= V
tr
* (1 +
c
Y
)
(II.183)
V
đ
=
y ytb
ytb
G M
=
1023,08 29,5705
25023,15
1,209
m
3
/h
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
với: M
ytb
: Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg /
kmol)
ytb
: Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg / m
3
)
Tương tự: V
tr
=
tr ytb
ytb
G M
=
994,44 29,5705
24322,65
1,209
m
3
/h
V
c
= V
tr
×(1+
c
Y
) = 24322,65×(1+4,608.10
-3
)=24434,73 m
3
/h
→ V
ytb
= 24728,94 m
3
/h
3. Độ nhớt
,
x y
:
Đối với pha lỏng:
Áp dung công thức:
2 2
lg lg (1 ) lg
x tb SO tb H O
x x
I-84
Trong đó:
OHSO
22
,
: độ nhớt của SO
2
và H
2
O ở 25
0
C, Ns/m2
Tra bảng I-101 sổ tay I:
2
SO
(20
0
C)= 0,304.10
-3
Ns/m
2
2
SO
(30
0
C)= 0,279.10
-3
Ns/m
2
→
2
SO
(25
0
C) =0,2915.10
-3
Ns/m
2
Tra bảng I-102 sổ tay I:
2
H O
(25
0
C)= 0,8937.10
-3
Ns/m
2
x
tb
: Nồng độ phần mol trung bình của SO
2
trong pha lỏng, (kmol SO
2
/kmol H
2
O)
x
tb
= 2.86*10
-4
(kmol SO
2
/kmol H
2
O)
→
lg
x
= 2,86.10
-4
×lg(0,2915.10
-3
)+(1-2,86.10
-4
)×lg(0,8937.10
-3
)= -3,0489
→
x
= 8,935.10
-4
Ns/m
2
Đối với pha khí:
Áp dụng công thức:
KK
KKtb
SO
SOtb
y
y
My
MyM
).1(
.
2
2
Trong đó
2
, ,
y SO kk
: độ nhớt trung bình của pha khí, của SO
2
và của không khí
ở điều kiện làm việc 25
0
C, Ns/m
2
2
, ,
y SO kk
M M M
: khối lượng phân tử của pha khí, của SO
2
và của không
khí ở điều kiện làm việc 25
0
C và P=1atm
Tra đồ thị I-35 ta có :
2
SO
(25
0
C)=0,0125.10
-3
, Ns/m
2
kk
(25
0
C)=0,018.10
-3
, Ns/m
2
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
2
2
5 2
3 3
29,5705
1,77.10 ( / )
. 0,0163 64 (1 0,0163) 29
(1 ).
0,0125.10 0,018.10
y
y
tb SO
tb KK
SO KK
M
Ns m
y M
y M
4. Tính vận tốc đảo pha:
Áp dụng công thức:
Y =1,2.e
-4X
( II-187 )
Với
0,16
2
3
. .
. .
s d ytb
x
d xtb n
Y
g V
1
1
4
8
ytb
x
y xtb
G
X
G
s
: tốc độ đảo pha, m/s
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
d
: bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
Tháp hấp thụ SO
2
mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasig đổ lộn xộn: đệm
bằng sứ kích thước 25×25×3.0
V
đ
= 0,75 m
3
/m
3
d
= 195 m
3
/m
3
g: gia tốc trọng trường, g=9,81m/s
2
G
x
, G
y
là lượng lỏng và lượng hơi trung bình( kg/s)
G
x
=
2
* *
2 2 2
SO bihapthu
xd xc tro d
xd xd
G
G G G Y
G G
= 42034,056+
994, 44 0,0288 0,84
2
→G
x
= 42046,08 kmol/h
→G
x
=42046,08 ×18=756829,44 kg/h→ G
x
=
756829,44
210,2304
3600
kg/s
G
y
=
2
1023.08 1023,08 994,44 0,0288 0,84
2 2 2
yd yd SO bihapthu
yd yc
G G G
G G
→ G
y
= 1011,05 kmol/h
→G
y
=1011,05 ×29,5705=29897,25 kg/h→ G
y
=
29897,25
8,305
3600
kg/s
→
1
1
1 1
4
8
4 8
210,2304 1,209
0,969
8,305 997,36
ytb
x
y xtb
G
X
G
Từ phương trình của Y ta có:
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
4 3 4*0,969 3
0,16 0,16
4
3
1,2. 1,2. 9,81 0,75 997,36
0,666
8,935.10
195*1,209
1,005.10
X
d xtb
s
x
d ytb
n
e g V e
m/s
Thông thường:
(0,8 0,9)
tb s
Chọn
tb
=0,85
s
→
tb
=0,85×0,666=0,5661 m/s
5. Tính đường kính tháp
Đường kính tháp:
Công thức: D=
4
3600
ytb
tb
V
=
4 24728,94
3,93
3600 0,5661
m→ Quy tròn D=3,9 m
Kiểm tra:
+
1
50
td
d
D
Ta có
4
4 0,75
0,0154
195
d
td
d
V
d
→
3
3,
0,0154 1
3, 1
9
95 0
50
td
d
D
→ thỏa mãn điều kiện
Kiểm tra theo mật độ tưới U =
f
L
f
V
l
l
(m
2
/m
2
h)
Với V
1
là lưu lượng thể tích chất lỏng, m
3
/h
f: tiết diện tháp, m
2
f=
2 2
3,9
11,95
4 4
D
m
2
→ U=
42034,056 18
63,5
997,08 11,95
> 1,5 là giá trị mật độ tưới tối thiểu
Mật độ tưới tới hạn U
th
=
đ
.b (m
3
/m
2
h) (II.177)
Trong đó:
b: hằng số (chọn b = 0,158)
U
th
= 195×0,158 = 30,81 m
3
/m
2
h
Vậy
63,5
30,81
th
U
U
=2,06>1
→Đệm thấm ướt rất tốt
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
II.2 Tính toán chiều cao tháp:
Chiều cao tháp được xác định theo phương pháp số đơn vị chuyển khối:
H = h
dv
.m
y
(m)
Trong đó: H: chiều cao tháp, m
h
dv
: chiều cao một đơn vị chuyển khối, m
m
y
: số đơn vị chuyển khối
Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối:
h
dv
= h
1
+
2
'.
y
x
m G
h
G
(m)
Trong đó: h
1
: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha khí
h
2
: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha lỏng
m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y*=f(X)
với mặt phẳng ngang
Tính h
1
và h
2
:
0.25 2/3
1
Re Pr
d
y y
d
V
h
a
, m
Trong đó: a : hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a=0,123
: hệ số thấm ướt của đệm, do
1
th
U
U
nên
=1
Re
y
: chuẩn số Renoyd đối với pha khí
0,4
Re
y s
y
y d
→
5
0,4 1,209 0,666
Re 93,3
1,77.10 195
y
Pr
y
: chuẩn số Pran:
Pr
y
y
y y
D
D
y
=
kkSO
23/1
kk
3/1
SO
5,14
M
1
M
1
)vv(P
T10.0043,0
22
(m
2
/s)
Trong đó: T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối T=298K
P: áp suất làm việc P=1atm
2
SO
v
: thể tích mol của SO
2
,
2
SO
v
=44,8 cm
3
/mol
kk
v
: thể tích mol của không khí,
kk
v
=29,9 cm
3
/mol
→ D
y
=
4 1,5
5
1/3 1/3 2
0,0043.10 298 1 1
1,0826.10
1,0326 (44,8 29,9 ) 64 29
m
2
/s
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Vậy
5
5
1,77.10
1,209 1,0826. 0
Pr
1
y
=1,3523
→
0,25 2/3
1
93,3 *1,3523
0,123 1 195
0,75
h
= 0,119 m
2/3 0.25 0.5
2
256 ( ) Re Pr
x
x x
x
h
Trong đó : G
x
=42046,08×18=756829,44 kg/h→ G
x
=
756829,44
210,2304
3600
kg/s
Re
x
là chuẩn số Renoyd đối với pha lỏng:
0,04
Re
x
x
t d x
G
F
=
4
0,04 210,2304
11,95 195 8,935.10
= 4,03886
Pr
x
là chuẩn số Pran đối với pha lỏng:
Pr
x
x
x x
D
D
x
: hệ số khuếch tán của SO
2
vào nước ở nhiệt độ 25
0
C
D
t
= D
20
[1+b(t-20)] (m
2
/s)
Trong đó: D
20
: hệ số khuếch tán của SO
2
vào nước ở 20
0
C
D
20
=
2 2
2 2 2
6
1/3 1/3 2
10 1 1
( )
SO H O
H O SO H O
M M
AB v v
(m
2
/s)
A: hệ số, đối với chất khí tan trong nước A=1
B: hệ số, dung môi là nước B=4,7
2
SO
v
: thể tích mol của SO
2
ở 20
0
C,
2
SO
v
=44,8 cm
3
/mol
2
H O
v
: thể tích mol của H
2
O ở 20
0
C,
2
H O
v
=18,9 cm
3
/mol
2
H O
: độ nhớt của nước ở 20
0
C,
2
H O
=1,005*10
-3
Ns/m
2
=1,005 cP(bảng I.102-94)
→ D
20
=
6
9
1/3 1/3 2
10 1 1
1,466.10
64 18
1 4,7 1,005(44,8 18,9 )
(m
2
/s)
b =
2
2
3
0,2
H O
H O
2
H O
: khối lượng riêng của nước ở 20
0
C,
2
H O
= 998,23 kg/m3 bảng I.5-11
→b =
3
0,2 1,005
0,02
998, 23
→D
x
= 1,466.10
-9
[1+0,02(25-20)]= 1,6126.10
-9
m
2
/s
→
9
4
Pr 555,5
997,36 1,6126.10
8,935.10
x
→
2/3 0,5
2
4
0,25
256 ( ) 4,03886 555,5 0
8,935.10
997
, 95
,36
7
h m
Tính m’: Từ phương trình đường cân bằng ta có: m’=41,697
G
y
=1011,05 ×29,5705=29897,25 kg/h→ G
y
=
29897,25
8,305
3600
kg/s
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Vậy ta xác định được chiều cao của một đơn vị chuyển khối:
h
dv
= 0,119 +
41,697 8,305
0,795
210,2304
=1,428 m
Xác định số đơn vị chuyển khối:
Dựa vào giá trị X
cbc
= 6.868*10
-4
(kmol SO2/kmol nước)
X Y Ycb Y-Ycb 1/(Y-Ycb)
0 4,608*10
-3
0 4,608*10
-3
217
0,0001 8,835*10
-3
4,095*10
-3
4,74*10
-3
210,97
0,0002 0,013 8,223*10
-3
4,777*10
-3
209,336
0,0003 0,0173 0,0124 4,9*10
-3
204,08
0,0004 0,0215 0,0166 4,9*10
-3
204,08
0,0005 0,0257 0,021 4,7*10
-3
212,77
0,0005723 0,0288 0,0239 4,9*10
-3
204,08
0,0006 0,03 0,025 5*10
-3
200
0,0006868 0,0336 0,0288 4,8*10
-3
208,33
Công thức tính số đơn vị chuyển khối:
m
y
=
d
c
Y
cb
Y
dY
Y Y
(II.175)
Vẽ hình thang cong quan hệ giữa Y và f(Y)=
1
cb
Y Y
Y 1/(Y-Ycb) S m
y
4,608.10
-3
217 0,904514595 6,02472674
8,835.10
-3
210,97 0,875287245
0,013 209,336 0,8888444
0,0173 204,08 0,857136
0,0215 204,08 0,875385
0,0257 212,77 0,6461175
0,0288 204,08 0,242448
0,03 200 0,734994
0,0336 208,33
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Hình thang cong
0.00E+00
5.00E+01
1.00E+02
1.50E+02
2.00E+02
2.50E+02
1 2 3 4 5 6 7 8
Y
1/(Y-Ycb)
Diện tích hình thang cong chính bằng số đơn vị chuyển khối là m
y
=6,025
→ H=1,4285×6,025=8,61 m. Quy chuẩn H=8,6 m
Đây thực chất là chiều cao lớp đệm. Chiều cao của tháp ngoài chiều cao của lớp
đệm còn tính đến chiều cao từ mặt trên của đệm đến đỉnh tháp và từ mặt dưới
đệm tới đáy tháp và khoảng cách giữa hai lớp đệm
Áp dụng công thức:
H
tháp
= H
đ
+ H
đệm- nắp
+ H
đệm-đệm
+ H
đệm- đáy
H
đệm-nắp
= 1 m
H
đệm-đệm
= 0,5 m do tách lớp đệm làm đôi
H
đệm-đáy
= 1 m
Vậy chiều cao tháp H
tháp
= 8,6+1+0,5+1=11,1 m
II.3. Trở lực
Áp dụng công thức
ku
PPP
Trong đó:
k
P
:Tổn thất đệm khô
u
P
:Tổn thất đệm ướt
Tháp hấp thụ đạt hiệu suất cao nhất khi vận tốc của khí bằng vận tốc điểm
đảo pha
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
=> Trở lực của tháp đệm đối với hệ khí-lỏng dưới điểm đảo pha có thể xác định
được bằng công thức sau:
0,405 0,045
0,225
1
(1 ) 1 . .
y
x x
u k k
y x y
G
P K P P A
G
[II-190] ( * )
Trong đó:
P
u
: tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng
tốc độ của khí đi qua đệm khô(N/m
2
)
P
K
: tổn thất của đệm khô (N/m
2
)
G
x
, G
y
: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h)
yx
,
: khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m
3
)
yx
,
: độ nhớt của lỏng và khí (Ns/m
2
)
A
1
: hệ số (ứng với điểm tốc độ làm việc bằng 0.85 tốc độ đảo pha)
=> A
1
= 5,1
* Tổn thất áp suất của đệm khô tính theo công thức:
2
.
.
.
42
.
2
3
'
2
'
yy
d
d
ty
td
K
V
H
d
H
P
[II-189]
Re
y
= 93,3 => ở chế độ xoáy và đệm là đệm vòng đổ lộn xộn
=>
'
0,2
16,0
Re
y
=
0,2
16
93,3
=6,46
Tính trở lực đệm khô:
2
3
'
4 2
y y
d
k
d
H
P
V
=
2
3
6,46
0,75
8,6 195 0,5661 1, 209
4 2
=1243,66 N/m
2
→
0,045
0,405 0,225
4
5
210,2304 1,209 8,935.10
1243,66 1 5,1. . . 7424,9
8,305 997,36 1,77.10
u
P
N/m
2
=>
2
1243,66 7424,9 8668,56( / )
k u
P P P N m
II.4. Mô phỏng
Bảng mô phỏng ở 1 số điều kiện: đính kèm
Dựa vào bảng mô phỏng kèm theo ta có các nhận xét như sau:
Ảnh hưởng khi thay đổi nhiệt độ:
Nhiệt độ tăng không có lợi cho quá trình hấp thụ. Nhiệt độ tăng làm giảm hiệu
suất hấp thụ và để đạt được yêu cầu phải tăng thêm kích thước thiết bị, tăng
đường kính và chiều cao.
Ảnh hưởng của áp suất:
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Áp suất có ảnh hưởng tới hiệu suất hấp thụ, làm tăng hiệu suất hấp thụ. Nhưng
nếu áp suất tăng thì chi phí kinh tế cũng tăng theo như là phải lắp đặt thêm máy
nén, chi phí năng lượng tăng do công suất hoạt động của máy tăng rất mạnh.
Từ bảng mô phỏng ta chọn P=3 atm, T=25
0
C→ D=2 m; H=9,2 m
→ H
tháp
= 9,2+1+0,5+1=11,7 m; G
xđ
=14000 kmol/h
PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ
Trong việc hấp thụ SO2 bằng nước sử dụng tháp đệm cần có các thiết bị phụ
giúp cho quá trình vận chuyển chất lỏng và cung cấp khí vào tháp theo chế độ
làm việc của tháp giúp việc hấp thụ đạt được hiệu suất mong muốn.Trong các
thiết bị phụ thì bơm và máy nén khí là hai thiết bị quan trọng nhất.
I. BƠM
Trong công nghiệp, bơm ly tâm được sử dụng rộng rãi và có nhiều loại khác
nhau về cấu tạo cũng như cách vận hành.
Bơm ly tâm được phân loại theo nhiều cách khác nhau như theo số bậc, theo
cách đặt bơm, theo điều kiện vận chuyển của chất lỏng từ guồng ra thân bơm và
theo 1 số đặc trưng khác
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. Chất lỏng 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
Áp suất mặt thoáng P
1
= 9,81.10
4
N/m
2
Áp suất làm việc P= 3 atm=3×1,013.10
5
=303900 N/m
2
Gia tốc trọng trường g=9,81 m/s
2
Ở 25
0
C: ρ
nước
=997,08 kg/m
3
μ
nước
=0,8937.10
-3
Ns/m
2
Áp suất toàn phần của bơm H(m):
Áp dụng phương trình becnulli ta có
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Mặt cắt 1-1 và 1’-1’:
)1(
.2 2.
22
11
mhh
vv
hH
gg
P
gg
P
Mặt cắt 1-1 và 2-2
)2(
.2 2.
2
22
2
mdd
rr
hH
gg
P
gg
P
Trong đó:
P
1
: áp suất bề mặt nước không gian hút
P
2
: áp suất không gian đẩy
ρ: khối lượng riêng của nước
P
v
: áp suất trong ống hút lúc vào bơm
P
r
: áp suất của chất lỏng trong ống đẩy lúc ra khỏi bơm
H
h
, H
d
: chiều cao ống hút và ống đẩy
h
mh
, h
md
: tổn thất áp suất do trở lực gây ra trong ống hút và ống đẩy
h
mh
+ h
md
=
g
P
.
P
: 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 hai giai đoạn hút và đẩy
ω
1
: vận tốc nước ở bể chứa, ω
1
=0
ω
2
: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đẩy
ω
1
’: vận tốc nước khi vào bơm
ω
2
’: vận tốc nước khi ra khỏi bơm
Thực tế: ω
2
= ω
2
’
→
gg
PP
hHH
m
.2.
'
112
0
Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống hút của bơm
h
mh
=
g
P
h
.
Trong đó:
cmdh
PPPP
d
P
: áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống
2
2
’
1
’
1
’
1
1
h
H
P
2
’
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
2
.
2
h
d
P
m
P
: áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi chảy ổn định trong ống thẳng
2
.
.
2
h
h
m
d
L
P
c
P
: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ
2
.
.
2
h
c
P
cmdh
PPPP
=
2
.
.
2
.
2
.
222
hh
h
h
d
L
h
h
d
L
.1
2
.
2
Đường kính ống hút:
0,785
h
h
V
d
Trong đó: V là lưu lượng thể tích chất lỏng đi trong ống, m
3
/s
2
2
d
3
.
14000 18
0,07( / )
.3600 3600 997,08
x H O
H O
G M
V m s
Theo bảng II.2(I-370) chất lỏng trong ống hút của bơm có ω
h
=0,8-2,0 (m/s).
Chọn ω
h
= 1,5 (m/s) →
0,07
0,2438( )
0,785 1,5
h
d m
Quy chuẩn d
h
=0.244m→
2
0,07
1,5( / )
0,244 0,785
h
m s
Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống hút
2
2
4
. .
1,5 0,244 997,08
Re 408337,56 4000
8,937.10
h h H O
H O
d
Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau
0,9
1 6,81
2.lg
Re 3,7
(I-380)
Trong đó:
ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn
→
3
10.07,0
Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:
3
4
0,07 10
2,87 10
0,244
h
d
→
0,9
4
1 6,81 2,87 10
2.lg
408337,56 3,7
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
0,0165
Hệ số trở lực cục bộ:
Chất lỏng vào ống thẳng, đầu ống hút có lắp lưới chắn đan bằng kim loại
c
1
Với
.
0
c
Chọn
0
0,9
T
F
F
→
0
0,13
1,0
Bảng II.16(I-382,384)
→ trở lực của ống có lắp lưới chắn đan bằng kim loại là
1 0,13 1 1,13
ong
Trên ống hút còn lắp 1 van 1 chiều. Theo I-399→
1,9 2,1
van
Chọn
2
→
1,13 2 3,13
h
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=25
0
C 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 bơm nên 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:
2 2
997,08 3,5
1,5 1 3,13 0,0165* 4898,17( / )
2 0,244
h
P N m
→ h
mh
=
g
P
h
.
=
4898,17
0,5( )
997,08 9,81
m
Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống đẩy:
Đường kính ống đẩy:
Theo bảng II.2( I-370) vận tốc chất lỏng trong ống đẩy của bơm là
ω
d
= 1,5-2,5 m/s. Chọn ω
d
= 2,0 m/s
=>
0,07
0,211( )
0,785 2
d
d m
Quy chuẩn d
d
= 21cm
Vận tốc của ống đẩy là
2
0,07
2( / )
0,21 0,785
d
m s
Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống đẩy
2
2
4
. .
2 0,21 997,08
Re 468584,1 4000
8,937.10
d d H O
H O
d
Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
0,9
1 6,81
2.lg
Re 3,7
(I-380)
Trong đó:
ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn
→
3
10.07,0
Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:
3
4
0,07 10
3,33 10
0,21
d
d
→
0,9
4
1 6,81 3,33 10
2.lg
468584,1 3,7
0,0167
Theo bảng II.16(I-393), đối với thành nhẵn Re > 2.10
5
thì bỏ qua tổn thất ma sát
ξ
cong
=A.B.C
Góc
190
0
A
Chọn:
15,02 B
d
R
d
45,15,0 C
b
a
=>
2175,045,115,01
cong
Hệ số trở lục cục bộ của toàn ống đẩy:
0,2175 3,13 3,3475
cong thang
Chọn chiều dài ống đẩy là H
d
=12m.
→ Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là:
2 2
997,08 12
2 1 3,3475 0,0167 10572,61( / )
2 0,21
d
P N m
→ h
md
=
.
d
P
g
=
10572,61
1,08( )
997,08 9,81
m
→h
m
= h
mh
+ h
md
=0,5+1,08=1,58m
2
1
98100 98100 4898,17 93201,83( / )
h
P P N m
2
2
10572,61 303900 314472,61( / )
d
P P P N m
Vậy áp suất toàn phần của bơm:
2
313472,61 93201,83 1,5
3,5 12 1,58 39,8( )
997,08 9,81 2 9,81
H m
Công suất của bơm:
Công suất yêu cầu trên trục bơm:
Áp dụng công thức:
.10
3
HgQ
N
(kW) I-439
θ
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Trong đó:ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m
3
N: hiệu suất của bơm, kW
Q: năng suất của bơm(m
3
/s); Q=
2
2
.
.3600
x H O
H O
G M
,m
3
/s
→ Q=
14000 18
997,08 3600
=0,07 m
3
/s
g: gia tốc trọng trường(m/s
2
)
H: áp suất toàn phần của bơm tính bằng mặt cắt cột chất lỏng bơm
η: hiệu suất của bơm
tktl
.0
(I-439)
Với
0
: 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
tl
: hiệu suất thủy lực
tk
: hiệu suất cơ khí
Hiệu 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
Đối với bơm ly tâm:
96,092,0
85,08,0
96,085,0
0
ck
tl
Chọn:
0
0,95
;
0,85
tl
;
0,95
ck
→
0.
0,95.0,85.0,95 0,767
tl tk
Vậy công suất yêu cầu trên trục bơm:
0,07 997,08 9,81 39,8
35,5( )
1000 0,767
N kW
Công suất động cơ điện N
dc
(kW)
dctr
dc
N
N
.
Với:
85,0
tr
: hiệu suất truyền động
0,95
dc
: hiệu suất động cơ điện
35,5
44( )
. 0,85 0,95
dc
tr dc
N
N kW
Thông thường động cơ điện được chọn có công suất lớn hơn so với công suất
tính toán. Chọn β=1,15
→
. 1,15 44 50,6( )
c
dc dc
N N kW
Chọn công suất động cơ điện là 51 kW
II. Máy nén khí
Tháp làm việc ở điều kiện P=3atm, T=25
0
C.
Ta chọn máy nén ly tâm
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 tâm nhỏ 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
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Đường kính bánh guồng từ 700-1400 mm. Cánh guông có thể cong ra hoặc
hướng tâm
Các điều kiện của khí đầu vào T=25
0
C, P=1atm
II. Công của máy nén ly tâm
Áp dụng công thức
1
2
1
1
. . . 1 ( / )
1
m
m
db
Pm
L R T J kg
m P
(I-465)
Trong đó: P
A
, P
B
: áp suất trước và sau khi nén, at
T
1
: nhiệt độ đầu của khí, K
T
1
=25+273=298K
m: chỉ số đa biến, m=1,2÷1,62. Chọn m=1,4
R: hằng số khí, R
8314 8314
281,16
29,5705
y
M
Áp dụng phương trình becnulli cho mặt cắt 1-1 và mặt cắt A-A. chọn mặt cắt 1-
1 làm chuẩn
mhA
AA
hZ
gg
P
gg
P
.2 2.
22
11
Do ống nằm ngang nên Z
A
=0.
Chọn vận tốc khí trong bể chứa tĩnh:
1
=0
→
mh
AA
h
gg
P
g
P
.2
2
1
Phương trình becnulli cho mặt cắt 2-2 và B-B. Chọn mặt cắt B-B làm chuẩn
mdB
BB
hZ
gg
P
gg
P
.2 2.
2
22
2
Vận tốc khí trong ống đẩy:
2
B
→
mdB
B
hZ
g
P
g
P
2
Với:
P
1
= P
a
: áp suất khí quyển, P
1
= 9,81.10
4
(N/m
2
)
a
P
1
A
A
B
B
2
2
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
