Thiết kế tháp đệm xử lý SO2 với năng suất 2000m3-h

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
MỤC LỤC
---oOo---
LỜI NÓI ĐẦU
Chương I . MỞ ĐẦU
Phần A . TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO
2
I.1. Tính chất hóa lý của SO
2
I.2. Tác hại của SO
2
I.3. Các nguồn tạo ra SO
2
I.4. Các phương pháp xử lý SO
2
Phần B . QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
I.5. Chọn qui trình công nghệ xử lý khí SO
2
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
1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
SO
2
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 SO
2
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 SO
2

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 SO
2
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 SO
2
với năng suất 2000m
3
/h , nồng
độ SO
2
trong dòng khí đầu vào là 1% thể tích , nồng độ SO
2
trong dòng khí đầu ra đạt
tiêu chuẩn loại A (1500mg/m
3
) 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 SO
2
.
I.1. Tính chất hóa lý SO

2
:
SO
2
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 SO
2
) . Khi hồ tan
trong nước tạo thành dung dịch sunfurơ và tồn tại ở 2 dạng : chủ yếu là SO
2
.nH
2
O và
phần nhỏ là H
2
SO
3
.
SO
2
có nhiệt độ nóng chảy ở – 75
0
C và nhiệt độ sôi ở – 10
0
C .
Nguyên tử S trong phân tử SO
2
có cặp electron hóa trị tự do linh động và ở trạng
thái oxy hóa trung gian (+4) nên SO
2

có thể tham gia phản ứng theo nhiều kiểu khác
nhau:
- Cộng không thay đổi số ôxy hóa :
SO
2
+ H
2
O = H
2
SO
3
-Thực hiện phản ứng khử :
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
SO
2
+ 2CO
C
o
500
2CO
2
+ S
↓
-Thực hiện phản ứng oxy hóa :
SO
2
+
2

1
O
2

o
t
OV
52
SO
3
SO
2
+ Cl
2
+ H
2
O = H
2
SO
4
+ HCl
Trong môi trường không khí , SO
2
dễ bị ôxy hóa và biến thành SO
3
trong khí
quyển . SO
3
tác dụng với H
2

O 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
:
-SO
2
trong khí thải công nghiệp là một thành phần gây ô nhiểm không khí. Nồng
độ cho phép khí SO
2
có trong môi trường xung quanh chúng ta là rất nhỏ(<300mg/m
3
).
Nó ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe, các hoạt động của con người, cũng như động vật,
thực vật và bầu khí quyển .
-Đối với con người và động vật : khi hít phải khí SO
2
có thể gây ra các bệnh về
đường hô hấp như: viêm phế quản, viêm phổi, giản phổi , suy tim , hen xuyển . . . . Nếu
hít phải SO
2
với nồng độ cao có thể gây tử vong .
-Đối với vật liệu và công trình xây dựng :
+ Khí SO
2
có khả năng biến thành acid sunfuric , là chất phản ứng mạnh .
Do đó chúng làm hư hỏng , làm thay đổi tính năng vật lý hay thay đổi màu sắc các vật
liệu xây dựng như đá vôi , đá hoa , đá cẩm thạch . . . cũng như phá hoại các sản phẩm
điêu khắc , các tượng đài .

+ Sắt , thép ,các kim loại khác , các công trình xây dựng cũng dễ dàng bị
gỉ , bị ăn mòn hóa học và điện hóa .
- Đối với thực vật :
+ Khí SO
2
xâm nhập vào các mô của cây và kết hợp với nước để tạo thành
acid sunfurơ gây tổn thương màng tế bào và làm giảm khả năng quang hợp của cây .
Cây chậm lớn , vàng úa và chết .
+ Khí SO
2
làm cây cối chậm lớn , nhiều bệnh tật , chất lượng giảm, hiệu
quả thu hoạch kém .
- Mưa acid : khí SO
2
trong khí quyển khi gặp các chất oxy hóa hay dưới tác
động của nhiệt độ, ánh sáng chúng chuyển thành SO
3
nhờ O
2
có trong không khí . Khi
gặp H
2
O , SO
3
kết hợp với nước tạo thành H
2
SO
4
. Đây chính là nguyên nhân tạo ra các
cơn mưa acid mà thiệt hại của mưa acid gây ra là rất lớn. Mưa acid làm tăng tính 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 . Ngồi ra , còn phá hủy các nhà cửa, công trình kiến trúc bằng
kim loại bị ăn mòn . . . Nếu H
2
SO
4
có trong nước mưa với nồng độ cao sẽ làm bỏng da
người hay làm mục nát áo quần .
I.3. Các nguồn tạo ra SO
2
:
- Khí SO
2
tạo ra là do sự đốt cháy các hợp chất chứa lưu huỳnh hay nguyên tử
lưu huỳnh .
Ví dụ : các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh trong than , dầu mỏ, quặng Pirit
(FS
2
) , hơi đốt chứa nhiều khí H
2
S , các quặng sunfua . . .
- Khí SO
2
là loại chất gây ô nhiểm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp và
sinh hoạt . Nguồn thải SO
2
chủ yếu từ :
+ Các nhà máy nhiệt điện .
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
3

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 .
+ SO
2
sinh ra từ các nghànhsản xuất công nghiệp : nhà máy lọc dầu , nhà
máy luyện kim , lò đúc , nhà máy sản xuất H
2
SO
4
. . .
+ Khí thải giao thông .
I.4. Các phương án xử lý SO
2
:
I.4.1. Phương pháp hấp thụ :
Để hấp thụ SO
2
ta có thể sử dụng nước, dung dịch hoặc huyền phù của muối kim
loại kiềm hoặc kiềm thổ.
+ Hấp thụ bằng nước:
SO
2
+ H
2
O < ===== > H
+

+ HSO
3

-
Do độ hòa tan của SO
2
trong nước thấp nên phải cần lưu lượng nước lớn và thiết
bị hấp thụ có thể tích lớn.
+ Hấp thụ bằng huyền phù CaCO
3
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 CaSO
4
và CaSO
3
.
+ Phương pháp Magie (Mg):
SO
2
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 H
2
SO
4
; 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
SO
2

+ ZnO + 2,5 H
2
SO
4
------> ZnSO
3
+ H
2
O
Ưu điểm :của phương pháp này là khả năng xử lý ở nhiệt độ cao (200 –
250
0
C) .
Nhược điểm : có thể hình thành ZnSO
4
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 : SO
2
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:
LiCO

3
32%, Na
2
CO
3
33%, K
2
CO
3
35%.
+ Hấp thụ bằng các Amin thơm :
Để hấp thụ SO
2
trong khí thải của luyện kim màu (nồng độ SO
2
khoảng 1-
2% thể tích) .
Người ta sử dụng dung dịch:
C
6
H
3
(CH
3
)
2
NH
2
(tỉ lệ C
6

H
3
(CH
3
)
2
NH
2
: nước = 1- 1) .
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
4
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
C
6
H
3
(CH
3
)
2
NH
2
không trộn lẩn với nước nhưng khi liên kết với SO
2
tạo thành
(C
6
H
3
(CH

3
)
2
NH
2
)
2
SO
2
tan trong nước .
I.4.2. Phương pháp hấp phụ :
SO
2
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 SO
2
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 H
2

SO
4
. 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 SO
2
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
5
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 m

3
/h .
Nồng độ SO
2
ban đầu là 1% thể tích .
Nồng độ SO
2
sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn loại A :1500 mg/m
3
.
Chọn nhiệt độ của nước hấp thu là 30
o
C .
II.2. Tính cân bằng vật chất :
Phương trình cân bằng của dung dịch hấp thu SO
2
bằng H
2
O được biểu diễn theo
định luật Henri :
P = H*x hoặc y
*

t
P
H
=
=m*x .
Trong đó :
y

*
: nồng độ phân mol của SO
2
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 .
P
t
: áp suất tổng của hệ hấp thu .
H : hệ số Henry .
Ở 30
o
C : H = 0.0364*10
6
(mmHg) . [2,Bảng IX.1,p.139]
m : hệ số phân bố .
m =
t
P
H
=
760
10*0364.0
6
=47.894
y =
Y
Y
+
1

x =
X
X
+
1
Thay vào trên ta được :
*
*
1 Y
Y
+
=m *
X
X
+
1
Suy ra : Y
*
=
Xm
mX
)1(1
−+
=
X
X
)894.471(1
*894.47
−+

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
6
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
Nồng độ thể tích ban đầu của dòng khí :
y
đ
= 1% = 0.01
Nồng độ đầu của pha khí theo tỷ số mol :
Y
đ
=
d
d
y
y
−
1
= 0.0101 (KmolSO
2
/Kmolkhítrơ)
Nồng độ cuối của pha khí theo tỷ số mol :

Y
c
=
K
Kmolatlit
at
mlitm
molg
g
o
o
)30273(
)./.(082.0
1
*)/(10*)(1
)/(64
1
*)(5.1
333
+
Y
c
=0.000582 (KmolSO
2
/Kmolkhítrơ)
Hấp thu SO
2
bằng nước , chọn dung môi sạch khi vào tháp nên : X
đ
= 0 .

Với X
đ
: nồng độ đầu của pha lỏng , KmolSO
2
/KmolH
2
O .
Lượng dung môi tối thiểu được sử dụng :
d
cd
tr
XX
YY
G
L
−
−
=
*
min
G
tr
: suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp .
X
*
: nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với X
đ
.
Từ đồ thị đường cân bằng ta xác định được :
X

*
= 0.00021 (KmolSO
2
/KmolH
2
O)
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
7
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
Suy ra :
000021.0
000582.00101.0
min
−
−
=
tr
G
L
= 45.324
Chọn L
tr
= 1.2*L
min
Với L
tr
: lượng dung môi không đổi khi vận hành , kmol/h .
Suy ra :
trtr
tr

G
L
G
L
min
*2.1
=
= 1.2*45.324 = 54.3888
Lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp hấp thu :
G
hh
=
496.80
)30273(*082.0
2000*1
=
+
=
RT
PV
(Kmol/h)
Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp :
G
tr
= G
hh
*(1-y
đ
) = (1-0.01)*80.496 = 79.691 (Kmol/h)
Suất lượng dung môi làm việc :

L
tr
= 54.3888*G
tr
= 54.3888*79.691 = 4334.298 (KmolH
2
O/h)
Phương trình cân bằng vật chất có dạng ;
G
tr
*Y
đ
+ L
tr
*X
đ
= G
tr
*Y
c
+ L
tr
*X
c
Suy ra :
dc
cd
tr
tr
XX

YY
G
L
−
−
=
Suy ra : X
c
=
tr
tr
cd
G
L
YY
−
=
000175.0
3888.54
000582.00101.0
=
−
(molSO
2
/KmolH
2
O)
G
tr
Y

ñ
G
tr
Y
c
L
tr
X
ñ
L
tr
X
c
X
c
: nồng độ cuối của pha lỏng .
ΙΙ.3. Cân Bằng Năng Lượng :
Ký hiệu :
G
đ
, G
c
– lượng hổn hợp khí đầu và cuối.
L
đ ,
L
c
- lượng dd đầu và cuối.
t
c ,

t
c
– nhiệt độ khí ban đầu và cuối ,
C
o
.
T
đ ,
T
c
– nhiệt độ dung dịch đầu và cuối ,
C
o
.
I
đ
, I
c
– entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối , kj/kg .
Q
0
– nhiệt mất mát , kj/h .
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
8
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
Phương trình cân bằng nhiệt lượng có dạng :
G
đ
I
đ

+ L
đ
C
đ
T
đ
+ Q
s
= G
c
I
c
+ L
c
C
c
T
c
+ Q
0
Với Q
s
– 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 ,
Q
0
= 0 .
- Nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào
tháp : t

c
= t
đ
= 30
0
C .
- Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thu : C
đ
= C
c

= C
OH
2
.
G
tr
Y
ñ
G
tr
Y
c
L
tr
X
ñ
L
tr
X

c
G
tr
t
ñ
I
ñ
G
c
t
c
I
c
L
ñ
C
ñ
T
ñ
L
c
C
c
T
c
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 :
Q
s
= q * L

tr
* (X
c
– X
đ
)
Với mức độ gần đúng có thể coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thu:
( )
ccccdctrdddd
TCLIGXXLqTCLIG ********
+=−++
Hoặc :
( )
dc
cc
ccdd
d
c
d
c
XX
CL
Lq
CL
IGIG
t
L
L
T
−+

−
+=
*
*
*
**
*
Vì lượng cấu tử hồ tan trong dung dịch nhỏ nên có thể lấy :
1
≈
c
d
L
L
Đồng thời ta cũng có thể bỏ qua mức độ biến đổi nhiệt của pha khí , tức là :
0..
≈−
ccdd
IGIG
Như vậy , công thức tính nhiệt độ cuối T
c
của dung dịch sẽ có dạng như sau :

( )
dc
c
tr
dc
XX
CL

Lq
TT
−+=
*
*
Do lượng cấu tử hồ tan trong dung dịch nhỏ nên : L
đ
= L
c
= L
tr
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
9
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG

( )
dcdc
XX
C
q
TT −+=
Phương trình hấp thu của SO
2
trong dung môi nước .
SO
2
+ H
2
O
⇔

H
+
+ HSO
3
-
Theo sổ tay hóa lý , nhiệt sinh của :
SO
2
:
2
SO
∆Η
= -70.96 (kcal/mol) .
H
2
O :
OH
2
∆Η
= - 68.317 (kcal/mol) .
H
+
:
+
∆Η
H
= 0 (kcal/mol) .
HSO
3
-

:
−
∆Η
3
HSO
= -12157.29 (kcal/mol) .
Nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử SO
2
bị hấp thu :
q = (-70.96 - 68.317) – ( 0 – 12157.29) = 12018.013 (kcal/mol) .
Nhiệt độ cuối của dung dịch ra khỏi tháp :

( )
dcdc
XX
C
q
TT −+=
= 30 +
000175.0*
18*4200
10*18.4*013.12018
3
= 30.12
o
C
Như vậy : T
c

≈

T
đ
= 30
o
C .
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 :
- Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp hấp thu :
2
cd
ytb
VV
V
+
=
V
d
, V
c
– lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , m
3
/h .
V
c
= V
tr
* ( 1 + Y
c
)

=
( ) ( ) ( ) ( )
2.1981000582.01*01.01*20001*1*
=+−=+−
cdd
YyV
(m
3
/h)
Suy ra : V
ytb
=
6.1990
2
2.19812000
=
+
(m
3
/h) .
KLR trung bình của pha khí :
( )
[ ]
T
MyMy
tbtb
ytb
*4.22
273**1*
2111

−+
=
ρ
Trong đó :
+ M
1
, M
2
: Khối lượng mol của SO
2
và không khí .
+ T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hấp thu .
T = 30
0
C
+ y
tb1
: nồng độ phần mol của SO
2
lấy theo giá trị trung bình.

2
11
1
cd
tb
yy
y
+
=

Với y
d1
, y
c1
: nồng độ phần mol của SO
2
vào và ra khỏi tháp .
01.0
1
==
dd
yy
00058.0
000582.01
000582.0
1
1
=
+
=
+
=
c
c
c
c
Y
Y
y
Suy ra :

00529.0
2
00058.001.0
1
=
+
=
tb
y
+ M
1
= M
SO
2
= 64 (g/mol)
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
10
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
M
2
= M
kkhí
= 28.8 (g/mol)
Suy ra :
ytb
ρ
=
( )
[ ]
( )

166.1
30273*4.22
273*8.28*00529.0164*00529.0
=
+
−+
kg/m
3
Độ nhớt trung bình pha khí ( của hổn hợp khí ) :

2
22
1
11
**
µµµ
MmMm
M
hh
hh
+=
+ M
hh
, M
1
, M
2
: khối lưượng phân tử của hổn hợp khí , của SO
2
và không khí ,

kg/kmol .
M
1
=
2
SO
M
= 64 (kg/kmol)
M
2
=

M
kk
= 28.8 (kg/kmol) .
( ) ( )
986.288.28*00529.0164*00529.0*1*
2111
=−+=−+=
MyMyM
tbtbhh

(kg/kmol) .
+ m
1
, m
2
: nồng độ của SO
2
, không khí tính theo phần hể tích.

m
1
= y
tb1
= 0.00529
m
2
= 1 – y
tb1
= 0.99471
+ Ở 30
0
c :
µ
2
= µ
kk
= 0.0182*10
-3
(kg/m.s) .
µ
1
=
2
SO
µ
= 0.0128*10
-3
(kg/m.s) .
Thay vào ta được :

33
100182.0
99471.08.28
100128.0
00529.00.64986.28
−−
×
×
+
×
×
=
hh
µ
Suy ra :
5
1081.1
−
×=
hh
µ
(kg/m.s) .
-Lưu lượng khối lượng pha khí trung bình :

2
cd
ytb
GG
G

+
=
, kg/s
G
d
, G
c
: lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , kg/s .
0101.064691.798.28691.79***
2
××+×=+=
dSOtrtrtrd
YMGMGG
= 2346.6 (kg/h) = 0.652 (kg/s) .
000582.064691.798.28691.79***
2
××+×=+=
cSOtrtrtrc
YMGMGG
= 2298.1 (kg/h) = 0,638 (kg/s) .
Suy ra :
645.0
2
638.0652.0
=
+
=
ytb
G
(kg/s) .

II.4.2. Các thông số vật lý của dòng lỏng :
- V
xtb
: 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 :

tr
trtrtrxtb
MLVV
ρ
1
**
=≈
Với :
tr
ρ
là khối lượng riêng của nước ở 30
0
C .

tr
ρ
= 995 (kg/m
3
) .
M
tr
: khối lượng phân tử của H
2

O , kg/kmol .
L
tr
: lưu lượng nước , kmol/h .
Suy ra :
41.78
995
1
18298.4334
=××=
xtb
V
m
3
/h
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
11
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
- Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng :

( )
2111
*1*
tbtbtbtbxtb
VV
ρρρ
−+=
[2, IX.104, 183]
1tb
ρ

,
2tb
ρ
: khối lượng riêng trung bình của SO
2
, H
2
O trong pha lỏng .
1tb
V
, V
tb2
: thể tích trung bình của SO
2
, H
2
O trong pha lỏng.
Do lượng SO
2
hồ tan trong dung dịch nhỏ nên : V
tb1
≈ 0 .
⇒
995
2
2
=≈≈
OHtbxtb
ρρρ
(kg/m

3
) .
- Độ nhớt trung bình của pha lỏng :
Do lượng cấu tử SO
2
hồ tan trong dung dịch nhỏ nên có thể xem :

3
108007.0
2
−
×=≈
OHxtb
µµ
(kg/m.s) .
- Lưu lượng khối lượng trung bình của pha lỏng :

2
xcxd
xtb
GG
G
+
=
xd
G
,
xc
G
: lưu lượng khối lượng dòng lỏng vào và ra khỏi tháp .

67.21
3600
1
*18*298.4334*
===
trtrxd
MLG
(kg/s) .

( )
3600
64*000175.0*298.433418*298.4334
***
2
+
=+=
SOctrtrtrxc
MXLMLG

= 21.68 (kg/s) .
Suy ra : G
xtb
=
675.21
2
67.2168.21
2
=
+

=
+
xcxd
GG
(kg/s) .
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 :

8
1
4
1
16.0
3
2
'
*)(*75.1
**
**
lg









−=
















xtb
ytb
y
x
n
x
xtbd
ytbds
G
G
A
Vg

ρ
ρ
µ
µ
ρ
ρσω
Với :
+ G
x
, G
y
: lưu lượng dòng lỏng và khí trung bình , kg/s .
G
x
= G
xtb
= 21.675 (kg/s) .
G
y
= G
ytb
= 0.645 (kg/s) .
+
ρ
xtb
,
ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và khí .

ρ
xtb
= 995 (kg/m
3
) .

ρ
ytb
= 1.166 (kg/m
3
) .
+ µ
x
: độ nhớt trung bình pha lỏng theo nhiệt độ trung bình .
µ
x
= µ
xtb
= 0.8007×10
-3
(kg/m.s) .
+ µ
n
: độ nhớt của nước ở 20
0
C .
µ
n
= 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 :
σ
d
: bề mặt riêng của đệm .
σ
d
= 95 m
2
/m
3

V
d
: thể tích tự do của đệm .
V
d
= 0.79 m
3
/m
3
d
ρ
: khối lượng riêng xốp của đệm .
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
12
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG

ρ
d
= 600 kg/m
3
Thay số vào ta được :
lg
8
1
4
1
16.0
3
3
3
2
995
166.1
*
645.0
675.21
*75.1022.0
10*005.1
10*8007.0
*
995*79.0*81.9
166.1*95*'













−=
















−
−
s
W

Suy ra : ω
s
’

= 0.57 (m/s) .
Chọn tốc độ làm việc :
513.09.0
'
=×=
stb
ωω
(m/s) .
Đường kính tháp được xác định theo công thức :

17.1
513.03600
6.19904
3600
4
=
××
×
=
××
×
=
πωπ
tb
tb
V

D
(m) .
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 :

LGY
h
l
m
hh ×+=

Trong đó :
h
G
: chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha khí , m .
h
L
: chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha lỏng , m .
m : hệ số góc đường cân bằng
l : lượng dung môi tiêu tốn riêng , l =
tr
tr
G
L
-h
G
và h
L
được xác định dựa vào các công thức thực nghiệm sau :

3
2
25.0
PrRe
yy
t
G
a
V
h ××
××
=
σψ

5.025.0
3
2
PrRe256
xx
x
x
L
h
××









=
ρ
µ
Với : V
t
= 0.79 m
3
/m
3
, là thể tích tự do của đệm .
σ = 95 m
2
/m
3
, 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/m
3
, là khối lượng riêng pha lỏng .
µ
x

= µ
xtb
= 0.8007×10
-3
(kg/m.s) .
Các công thức chuẩn số Re
y
, Pr
y
cho pha khí và Re
x
, Pr
x
cho pha lỏng được tính
như sau :

y
y
y
G
µσ
×
×
=
4.0
Re

x
x
x

L
µσ
×
×
=
04.0
Re

yy
y
y
D
×
=
ρ
µ
Pr

xx
x
x
D
×
=
ρ
µ
Pr
Ở đây :
+ G
y

, L
x
là tốc độ khối lượng của khí và lỏng tương ứng một đơn vị tiết diện
ngang của tháp , kg/m
2
.s .
Tiết diện ngang của tháp :
1304.1
4
2.1
4
22
=
×
=
×
=
ππ
D
F
t
(m
2
) .
5706.0
1304.1
645.0
===
t
ytb

y
F
G
G
(kg/m
2
.s) .
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
13
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG

17.19
1304.1
67.21
===
t
xtb
x
F
G
L
(kg/m
2
.s) .
+ µ
y
= 1.81*10
-5
kg/m.s , là độ nhớt pha khí .
+

ρ
y
=
ρ
ytb
= 1.166 kg/m
3
là khối lượng riêng pha khí .
+ D
x
, D
y
: là hệ số khuếch tán trong pha khí và trong pha lỏng , m
2
/s .
II.4.4.1. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng :

( )
6.0
'
5.0
12
*
**10*4.7
A
B
x
V
TM
D

µ
φ
−
=
, m
2
/s . [4,(2-41),27]
Trong đó: M
B
là khối lượng mol của dung môi , M
B
=
18
2
=
OH
M
(kg/kmol)
φ là hệ số kết hợp cho dung môi , φ = 2.6 cho dung môi là nước .
T = 273 + 30 = 303
0
K , nhiệt độ khuếch tán .
V
A
= 44.8 cm
3
/mol , là thể tích mol của dung chất .
µ’: là dộ nhớt của dung dịch .
µ
’

=
8007.0
2
=
OH
µ
(Cp) .
Suy ra :
( )
9
6.0
3.0
12
10*9568.1
8.44*8007.0
303*18*6.210*4.7
−
−
==
x
D
(m
2
/s)
II.4.4.2. Hệ số khuếch tán trong pha khí
2
1
2
3
1

3
1
2
3
7
11
*
*10*3.4








+








+
=
−
BA
BA

y
MM
VVP
T
D
[4,(2-36),25] .
Trong đó : T = 273 +30 = 303
0
K
P = 1 at , Aùp suất khuếch tán .
M
A
, M
B
: là khối lượng mol khí SO
2
và không khí .
M
A
=
2
SO
M
= 64 (kg/kmol) .
M
B
= M
kk
= 28.8 (kg/kmol) .
V

A
, V
B
: thể tích mol của SO
2
và của không khí .
V
A
= 44.8 (cm
3
/mol) .
V
B
= 29.9 (cm
3
/mol) .
Thế vào ta được :

5
2
1
2
3
1
3
1
2
3
7
10148.1

8.28
1
64
1
9.298.44*1
303*10*3.4
−
−
×=






+








+
=
y
D
(m
2

/s) .
II.4.4.3. Tính Re
x
, Re
y ,
Pr
x
, Pr
y
:

9.4
10*8007.0*95*1304.1
67.21*04.0
04.0
Re
3
==
××
×
=
−
xt
x
x
F
G
µσ

67.64

10*81.1*95*1304.1
645.04.0
4.0
Re
5
=
×
=
××
×
=
−
yt
y
y
F
G
µσ

24.411
10*9568.1*995
10*8007.0
Pr
9
3
==
×
=
−
−

xx
x
x
D
ρ
µ

352.1
10*148.1*166.1
10*81.01
Pr
5
5
==
×
=
−
−
yy
y
y
D
ρ
µ
II.4.4.4. Tính hệ số thấm ướt ψ :
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
14