đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ so2 từ không khí

Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
PHẦN III: TÍNH TỐN
I. TÍNH TOÁN CƠNG NGHỆ
I.1. Các thông số ban đầu
Lưu lượng khí thải : 1500 m
3
/h.
Nồng độ SO
2
ban đầu: y
đ
= 10%
Nồng độ SO
2
sau khi xử lý: y
c
= 0,5%
Nồng độ ban đầu của SO
2
trong nước x
đ
= 0
Chọn nhiệt độ của nước hấp thu là 30
o
C .
I.2. Tính cân bằng vật chất
Phương trình cân bằng của dung dòch hấp thu SO
2
bằng H

2
O được biểu diễn
theo đònh 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
−+

Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 14
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
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 :
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 15
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Hình I.1 Đồ thị đường cân bằng pha
Nồng độ thể tích ban đầu của dòng khí :
y
đ

= 10% = 0,1
Nồng độ đầu của pha khí theo tỷ số mol :
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 16
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Y
đ
=
d
d
y
y
−1
= 0.1111 (KmolSO
2
/Kmolkhítrơ)
Nồng độ thể tích cuối của dòng khí :
y
c
= 0,5% = 0,005 (KmolSO
2
/Kmolkhítrơ)
Nồng độ cuối của pha khí theo tỷ số mol :
Y
c
=
c
c
y

y
−1
=
005,01
005,0
−
= 0,005(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 thò đường cân bằng ta xác đònh được :
X
*
= 0.00021 (KmolSO
2
/KmolH
2
O)
Suy ra :
7035,50
00021,0
005,01,0
min
=
−
−
=
tr

G
L
Do q trình hấp thụ nồng độ cân bằng ln lớn hơn nồng độ làm việc do đó lượng
dung mơi thực tế ln lớn hơn lượng dung mơi tối thiểu thường là 20%.
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*50,7035 = 60,8442
Lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp hấp thu :
G
hh
=
3719,60
)30273(082,0
15001
=
+

×
=
RT
PV
(Kmol/h)
Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp :
G
tr
= G
hh
(1-y
đ
) = 60,3719(1-0.1) = 54,3347 (Kmol/h)
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 17
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Suất lượng dung môi làm việc :
L
tr
= 60,8442
×
G
tr
= 60,8442
×
54,3347 = 3306 (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 −
=
0017,0
8442,60
005,01111,0
=
−
(Kmol SO
2
/Kmol H
2
O)
X
c
: nồng độ cuối của pha lỏng .
G
tr
Y
đ
G

tr
Y
c
L
tr
X
đ
L
tr
X
c
Hình I.2 Cân bằng vật chất trong tháp hấp thụ
Ι.3. Cân Bằng Năng Lượng
Ký hiệu :
G
đ
, G
c
: lượng hổn hợp khí đầu và cuối.
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 18
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
L
đ ,
L
c
: lượng dung dịch đầu và cuối.
t
c ,

t
c
:nhiệt độ khí ban đầu và cuối ,
C
o
.
T
đ ,
T
c
:nhiệt độ dung dòch 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 .
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 hoá vấn đề tính toán , 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 dòch vào tháp :
t
c
= t
đ
= 30

0
C .
- Tỷ nhiệt của dung dòch không đổi trong suốt quá trình hấp thu :
C
đ
= C
c
= C
OH
2
.
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 19
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
G
tr
Y
đ
G
tr
Y
c
L
tr
X
đ
L
tr
X

c
G
tr
t
đ
I
đ
G
c
t
c
I
c
L
đ
C
đ
T
đ
L
c
C
c
T
c
Hình I.3 Cân bằng năng lượng trong tháp hấp thụ
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 bò 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 hoà tan trong dung dòch 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
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 20
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Như vậy , công thức tính nhiệt độ cuối T
c
của dung dòch sẽ có dạng như sau :

( )
dc

c
tr
dc
XX
CL
Lq
TT −+=
*
*
Do lượng cấu tử hoà tan trong dung dòch nhỏ nên : L
đ
= L
c
= L
tr

( )
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
bò hấp thu :
q = (-70.96 - 68.317) – ( 0 – 12157.29) = 12018.013 (kcal/mol) .
Nhiệt độ cuối của dung dòch ra khỏi tháp :

( )
dcdc
XX
C
q
TT −+=
= 30 +
003,30)00017,0(
184200
1018,4013,12018
3
=−
×
××

Như vậy : T
c

≈
T
đ
= 30
o
C .
Ta xem quá trình hấp thu là đẳng nhiệt.
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 21
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
II.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
đ
, V
c
– lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , m
3
/h .
V

c
= V
tr
×
( 1 + Y
c
)
=
75,1356)005,01()1,01(1500)1()1( =+×−×=+×−×
cđđ
YyV
(m
3
/h)
Suy ra : V
ytb
=
375,1428
2
150075,1356
=
+
(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 trò 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 .

1,0%10
1
===
đđ
yy
005,0%5,0
1
===
cc
yy
Suy ra :
0525,0
2
005,01,0
2
11
1
=

+
=
+
=
cđ
tb
yy
y
+ M
1
= M
SO
2
= 64 (g/mol)
M
2
= M
kkhí
= 28.8 (g/mol)
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 22
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Suy ra :
ytb
ρ
=
[ ]
2327,1
)30273(4,22

2738,28)0525,01(640525,0
=
+×
××−+×
( 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) .
6480,308,28)0525,01(640525,0)1(
111
=×−+×=×−+×= MyMyM
tbtbhh
(kg/kmol)
+ m
1
, m
2
: nồng độ của SO
2
, không khí tính theo phần hể tích.
m
1
= y
tb1

= 0.0525
m
2
= 1 – y
tb1
= 1-0.0525=0,9475
+ Ở 30
0
c :
µ
2
= µ
kk
= 0.018210
-3
(kg/m.s) .
µ
1
=
2
SO
µ
= 0.0128
×
10
-3
(kg/m.s) .
Thay vào ta được :

33

10.0182,0
9475,08,28
10.0128,0
0525,064648,30
−−
×
+
×
=
hh
µ
Suy ra :
3
10.0174,0
−
=
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/h .

8,13001111,0642231,368,282331,36
2
=××+×=××+×=
đsotrtrtrđ
YMGGGG
(kg/h)

9,105400502,0642231,368,282231,36
2
=××+×=××+×=
cSOtrtrtrc
YMGMGG
(kg/h)
Suy ra :
8,1177
2
9,10548,1300
=
+
=
ytb
G
(kg/h) =0,3272(kg/s) .
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 23
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO

2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
II.2. Các thông số vật lý của dòng lỏng :
- V
xtb
: lưu lượng dòng lỏng trung bình.
2
cđ
xtb
VV
V
+
=
V
đ
, V
c
: lưu lượng dòng lỏng vào và ra khỏi tháp (m
3
/h)

807,59
955
1
)183306(
1
)(
2
=××=××=
tr

OHtrđ
MLV
ϕ
(m
3
/h)

9086,59)0017,01(807,59)1( =+=+=
cđc
XVV
(m
3
/h)
Suy ra:
8578,59
2
9086,59807,59
=
+
=
xtb
V
(m
3
/h)
Với :
tr
ρ
= 995 (kg/m
3

) là khối lượng riêng của nước ở 30
0
C .
M
tr
: khối lượng phân tử của H
2
O , kg/kmol .
L
tr
: lưu lượng nước, kmol/h .
- 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
: thể tích trung bình của SO
2
, H
2
O trong pha lỏng.
Do lượng SO
2
hoà tan trong dung dòch 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
hoà tan trong dung dòch 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 .

53,1618
3600
3306
=×=×=
trtrxđ
MLG
(kg/s)

63,16
3600
640017,03306
3600
183306
2
=
××
+
×
=××+×=
SOctrtrtrxc
MXLMLG
(kg/s)
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 24
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Suy ra : G
xtb
=
58,16
2
63,1653,16
2
=
+
=
+
xcxđ

GG
(kg/s)
II.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
đònh 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
= 16,58 (kg/s) .
G
y
= G
ytb
= 0,4907 (kg/s) .
+
ρ
xtb
,
ρ
ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và khí .

ρ
xtb
= 995 (kg/m

3
) .

ρ
ytb
= 1.2327 (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 .

ρ
d
= 600 kg/m
3
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 25
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO

2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Thay số vào ta được :
lg
8
1
4
1
16,0
3
3
3
2'
995
2327,1
4907,0
58,16
75,1022,0
10.005,1
10.8007,0
99579,081,9
2327,195









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

Suy ra : ω
s

’

= 0,8160 (m/s) .
Chọn tốc độ làm việc: ω
tb
=0,9

ω
s
’= 0,7344 (m/s) .
Đường kính tháp được xác đònh theo công thức :

85,0
36007349,014,3
375,14284
4
=
××
×
=
×
×
=
tb
ytb
V
D
ωπ
(m)
Chọn D = 0,9 (m)

II.4. Xác đònh chiều cao một đơn vò chuyển khối
-Chiều cao tương ứng một đơn vò truyền khối :

LGY
h
l
m
hh ×+=

Trong đó :
h
G
: chiều cao một đơn vò truyền khối tương ứng pha khí , m .
h
L
: chiều cao một đơn vò 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 đònh 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 .
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 26
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
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 vò tiết diện
ngang của tháp , kg/m
2
.s .
Tiết diện ngang của tháp :
6359,0
4
9,014,3
4
22
=
×
=
×
=
D
F
t
π
(m
2
)
7717,0
6359,0
4907,0
===
t
ytb
y
F

G
G
(kg/m
2
.s)

0732,26
6359,0
58,16
===
t
xtb
x
F
G
L
(kg/m
2
.s)
+ µ
y
= 1.28
×
10
-5
kg/m.s , là độ nhớt pha khí .
+
ρ
y
=

ρ
ytb
= 1.2327 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.4.1. 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 dòch .
µ
’
=
8007.0
2

=
OH
µ
(Cp) .
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 27
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
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.4.2. 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 , p 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.4.3. Tính Re
x
, Re
y ,
Pr
x
, Pr
y


56,21
108007,0956359,0
0732,2604,0
04,0
Re
3
=
×××
×
=
××
×
=
−
xt
x
x
F

L
µσ

19,399
1028,1956359,0
7717,04,0
4,0
Re
5
=
×××
×
=
××
×
=
−
yt
x
y
F
G
µσ

245,411
109568,1995
108007,0
Pr
9
3

=
××
×
=
×
=
−
−
xx
x
x
D
ρ
µ

905,0
10148,12327,1
1028,1
Pr
5
5
=
××
×
=
×
=
−
−
yx

y
y
D
ρ
µ
II.4.4. Tính hệ số thấm ướt ψ
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 28
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
-U
tt
=
t
x
F
V
là mật độ tưới thực tế , (m
3
/m
2
.h)
Trong đó : V
x
= V
xtb
= 59,8578 (m
3
/h) .
F

t
= 0,6359 (m
2
) .

Suy ra :

1308,94
6359,0
8578,59
==
tt
U

(m
3
/m
2
h) .
-Mật độ tưới thích hợp U
th
:
U
th
= B.
σ
d
, (m
3
/m

2
h) .
B = 0.158 (m
3
/m.h) [2,bảng IV.6,177]

d
σ
= 95 m
2
/m
3
Suy ra : U
th
= 0.158
×
95 = 15.01 (m
3
/m
2
h) .
Vậy :
2712,6
01,15
1308,94
==
th
tt
U
U

Dựa vào đồ thò hình IX.16 [ 2.178 ] , ta chọn ψ = 1 để dung môi thấm ướt
đều lên đệm .
II.4.5. Tính h
G
, h
L


28,09049,019,399
95123,1
79,0
PrRe
3
2
25,0
3
2
25,0
=××
××
=××
××
=
yy
t
G
a
V
h
σψ

(m) .

97,0245,41156,21
995
108007,0
256PrRe256
5,025,0
3
2
3
5,025,0
3
2
=××








×
=××









=
−
xx
x
x
L
h
ρ
µ
(m)
II.4.6. Tính chiều cao một đơn vò chuyển khối
h
Y
= h
G
L
h
l
m
×+

Từ đồ thò đường cân bằng ta xác đònh được hệ số góc đường cân bằng
( )
XfY =
∗
là : m = 48.3
Với :
8442,60=≈=

tr
tr
G
L
G
L
l
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 29
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Suy ra :
04,197,0
8442,60
894,47
28,0 =×+=
y
h
(m)
II.5. Xác đònh số đơn vò truyền khối m
Y

Do cấu tử SO
2
hoà tan trong dung dòch không dáng kể nên dung dòch hấp thu
khá loãng , phương trình cân bằng có dạng như sau: Y
*
=0,208X
Y
*

đ
=0,208
×
0=0
Y
*
c
=0,208
×
0,0017=3,536
×
10
-4
1111,001111,0
*
=−=−=∆
đđđ
YYY
34
*
106464,410536,3005,0
−−
×=×−=−=∆
ccc
YYY
0335,0
10646,4
1111,0
ln
10646,41111,0

ln
3
3
=
×
×−
=
∆
∆
∆−∆
=∆
−
−
c
đ
cđ
tb
Y
Y
YY
Y
418,3
0335,0
005,01111,0
≈=
−
=
∆
−
=

tb
cđ
Y
Y
YY
m
Chọn m
y
= 4
II.6. Chiều cao cột đệm cần thiết cho quá trình hấp thụ

16,4404,1 =×=×=
tđY
hmH
(m)
Chiều cao tổng cộng của tháp :
H
đ
= 4,16+1=5,16 (m)
Suy ra: chọn chiều cao của tháp 5,2 (m)
II.7. Tính trở lực của lớp đệm :
-Tổn thất áp suất của đệm khô :

242
2'
3
'
2
'
yy

d
dt
y
td
k
V
H
d
H
P
ρω
σ
λ
ω
ρλ
×
×
×
×=×××=∆
Trong đó : H = 4,16 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 Re
y
:

yd
ytdy
y

V
dW
µ
ρ
×
××
=
'
Re
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 30
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Re
y
> 40 : chế độ xoáy , λ
2.0
'
Re
16
y
=
Re
y
< 40 : chế độ dòng ,
y
Re
140
'
=

λ
Với : ρ
y
= 1.159 kg/m
3
V
d
= 0.79 m
3
/m
3
µ
y
= 1.81×10
-5
kg/m.s
d
td
=
95
79.04
4
×
=
×
d
d
V
σ
= 0.033 (m) , là đường kính tương đương của

đệm .
,
y
ω
= 0.7344 (m/s) , tốc độ của dòng khí trên toàn bộ tiết diện tháp .
Suy ra :
375,1964
1081,179,0
159,,1033,07344,0
Re
5
=
××
××
=
−
y
Vì Re
y
> 40 nên :
51,3
375,1964
16
2,0
,
==
λ
Như vậy , thay số ta được :

96,274

2
159,17344,0
79,0
952,5
4
51,3
2
3
=
×
×
×
×=∆
k
P
(N/m
2
) .
-Tổn thất áp suất của lớp đệm ướt :


















×








×








×+∆=∆
c
y
x
n
x

y
m
y
x
kv
G
G
APP
µ
µ
ρ
ρ
1
Trong đó : G
x
, G
y
: là lưu lượng của dòng lỏng và dòng khí , kg/s .
G
x
= G
xtb
= 16,58 kg/s
G
y
= G
ytb
= 0,4908 kg/s
ρ
x

, ρ
y
: khối lượng riêng của dòng lỏng và dòng khí ,
ρ
x
= 995 kg/m
3
ρ
y
= 1,2327 kg/m
3
µ
x
= 0.8007×10
-3
kg/m.s
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 31
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
µ
y
= 1.28×10
-5
kg/m.s
Do :
2.08.1









×








×








y
x
x
y
y
x
G

G
µ
µ
ρ
ρ
=
6,1
100128,0
108007,0
995
2327,1
4908,0
58,16
2,0
3
3
8,1
=








×
×













−
−
> 0.5
Theo [2,bảng(IX.7),189] ta có : A = 10 , n = 0.525 , m=0.945 , c = 0.105
Thay số vào ta được :

=

















×
×
×






×






×+=∆
−
−
105,0
3
3
525,0
945,0
100128,0
108007,0
995

2327,1
4908,0
58,16
10196,274
u
P

= 3817 (N/m
2
) .
Chọn
u
P∆
= 3850 (N/m
2
)=0,0385
×
10
5
(N/m
2
)
=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 32
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
III. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
III.1. Tính chiều dày thân tháp :
Thiết bò làm việc ở môi trường ăn mòn , nhiệt độ làm việc 30

0
C
P
mt
=1at=0.1 (N/m
2
). Nên ta chọn vật liệu là thép không rỉ để chế tạo thiết
bò .
Chọn thép : X18H10T . [2, Bảng XII.24, p.325]
- Ứng suất cho phép tiêu chuẩn đối với thép X18H10T ở 30
0
C :
[σ]
*
= 146 N/mm
2
[9,hình1-2,22]
hệ số hiệu chỉnh η = 1 [9,26]
Ứng suất cho phép là :
[σ] = 1×146 = 146 N/mm
2
- p suất tính toán :
hgPP
lvtt
××+=
ρ
P
lv
: áp suất làm việc của môi trường .
P

lv
= ∆P
ư
= 0,0385
×
10
5
(N/m
2
) .
h : chiều cao cột chất lỏng .
h =
6,2
2
2,5
2
==
đ
H
(m)
Suy ra :
024,01,299581,9100385,0
5
=××+×=
tt
P
N/mm
2
Chọn hệ số bền mối hàn ϕ
h

= 0.95 [9, hình 1-3, p.18]
Do :
[ ]
2,577995,0
024,0
146
=×=×
h
P
ϕ
σ
> 25
Nên bề dày tối thiểu của thân trụ hàn chòu áp suất được tính theo :

[ ]
0779,0
95,01462
024,0900
2
,
=
××
×
=
××
×
=
h
ttt
PD

S
ϕσ
mm
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 33
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
- Hệ số bổ sung bề dày C , mm :
C = C
a
+ C
0
+ C
b
+ C
c
Trong đó :
C
a
: 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 : C
a
= 0.1×20 = 2 (mm) .
C
b
: là hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường .
Đối với TB hoá chất : C
b
= 0 (mm) .

C
c
là hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo , lắp ráp , có thể bỏ
qua.
C
c
=0
C
0
là hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm
C
0
= 0,9221 mm
Thay vào ta được : C = 2 + 0 + 0,9221 = 2,9221 (mm) .
- Bề dày thực của thân trụ :
S = S’ + C = 0,0779 + 2,9221 = 3 (mm) .
Chọn bề dày thân S = 3 (mm) .
- Kiểm tra điều kiện :
1.0≤
−
t
a
D
CS
Suy ra :
1,0001,0
900
23
<=
−

: thỏa điều kiện ([2],370)
- p suất tính toán cho phép ở bên trong thiết bò :
[P] =
)(
)(**][*2
at
ah
CSD
CS
−+
−
ϕσ
[9,(5-11),131]
[P] =
3079,0
)23(900
)23(95,01462
=
−+
−×××
(N/mm
2
) > 0.024 (N/mm
2
)
Nên [P]>P
tt
thỏa điều kiện .
Vậy chiều dày thân được chọn là S = 3 (mm) .
III.2. Tính chiều dày đáy, nắp

Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 34
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
- Chọn đáy nắp elip tiêu chuẩn .
- Chọn chiều dày đáy, nắp bằng chiều dày thân .
S
n
= S
đ
= S
thân
= 3 (mm) .
- Kiểm tra điều kiện :
125.0≤
−
t
a
D
CS
Suy ra :
001,0
9000
23
=
−
<0,125 : thỏa điều kiện .
- Kiểm tra áp suất dư cho phép tính toán theo công thức :
[P] =
)(

)(**][*2
at
ah
CSR
CS
−+
−
ϕσ
[9,(6-5),p.166]
Đáy nắp elíp tiêu chuẩn R
t
= D
t
= 900 (mm) .
[P] =
3957,0
)23(900
)23(95,01462
=
−+
−×××
(N/mm
2
) > 0.024 (N/mm
2
) , thỏa điều kiện
III.3. Tính ống dẫn lỏng , ống dẫn khí :
III.3.1. Tính ống dẫn khí vào tháp
Đường kính ống dẫn khí :
d =

V
Q
×
×
π
4
, (m)
Trong đó :
Q : lưu lượng thể tích của khí , m
3
/s .
Q = 1500 m
3
/h =0,4167m
3
/s
V : vận tốc dòng khí, m/s .
Đối với khí áp lực nhỏ , chọn V =18 (m/s) .
Vậy d =
1717,0
18
4167,04
=
×
×
π
(m) .
Chọn d = 200 (mm) .
Với d = 200(mm) , vận tốc dòng khí trong ống dẫn :
V =

2707,13
2,0
4167,044
22
=
×
×
=
×
×
ππ
d
Q
(m/s)
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 35
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
III.3.2. Tính ống dẫn khí ra khỏi tháp
Chọn đường kính ống dẫn khí ra khỏi tháp bằng đường kính ống dẫn khí vào
tháp . d = 200(mm) .
III.3.3. Tính ống dẫn lỏng vào tháp
Đường kính ống dẫn lỏng :
d =
V
Q
×
×
π
4

, (m)
Trong đó :
Q : lưu lượng dòng lỏng, m
3
/s .
Q = V
xtb
= 59,8578 (m
3
/h) = 0,0166 (m
3
/s) .
V : vận tốc dòng lỏng , m/s .
Đối với nước áp lực nhỏ , chọn V = 1.25 (m/s) .
Vậy d =
25,1
0166,04
×
×
π
= 0.13 (m) .
Chọn d = 150 (mm) .
Với d = 150(mm) , vận tốc dòng lỏng trong ống dẫn :
V =
9398,0
15,014,3
0166,044
22
=
×

×
=
×
×
d
Q
π
(m/s) .
III.3.4. Tính ống dẫn lỏng ra khỏi tháp
Chọn đường kính ống dẫn lỏng ra khỏi tháp bằng đường kính ống dẫn lỏng
vào tháp . d = 150(mm).
III.4. Tính bích ghép thân tháp
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 36
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Dt
D
2
D
4
Dtb
D
1
Db
D
Chọn bích liền không cổ bằng thép để nối thân tháp.[2, bảng XIII.27, p.42
Đường kính trong thiết bò : D
t
= 900 mm .

Đường kính ngoài của bích : D = 1030 mm .
Đường kính tâm bu lông : D
b
=980 mm .
Đường kính mép vát : D
1
=950 mm .
Đường kính bu lông : d
b
= 20 (M 20 ) .
Số bu lông : Z = 24 cái .
Chiều cao bích : h =20 mm .
Theo [2 , bảngXIII.31 , 433] ta có kích thước bề mặt đệm :
D
2
= 947 (mm) .
D
4
= 927 (mm) .
Chọn vật liệu chế tạo bích là thép CT
3
.
p suất môi trường trong thiết bò : p = 0.024 (N/mm
2
) .
III.4.1. Kiểm tra bu lông ghép bích
a . Lực nén chiều trục sinh ra do xiết bu lông
Q
1
= Q

a
+ Q
k

Trong đó :
Q
a
: lực do áp suất trong thiết bò gây nên
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 37
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Q
a
=
4
π
×
D
t
2
×
p ( N )
Q
k
: lực cần thiết để giữ được kín trong đệm
Q
k
=
π

×
D
tb
×
m
×
p ( N )
Có thể viết lại :
Q
1
=
4
π
×
D
t
2
×
p +
π
×
D
tb
×
b
0
×
m
×
p [ 9 , ( 7 – 10 ) , p.155 ]

Trong đó :
+ p : áp suất môi trường trong thiết bò , N/mm
2
p = 0.024 N/mm
2
+ D
t
: đường kính tromg thiết bò , mm
D
t
= 900 mm .
+ D
tb
: đường kính thiết bò của đệm ,mm .
D
tb
= D
1
– 2
×
2
b
Với b_bề rộng thực của đệm , b =
10
2
927947
2
42
=
−

=
− DD
mm
Thế vào , ta được : D
tb
=950 – 10 = 940 (mm)
+ b
0
: bề rộng tính toán của đệm
b
0
= ( 0.5
÷
0.8 ) b . chọn b
0
= 0.5
×
b = 5 (mm) .
Chọn vật liệu đệm là amiăng có bề dày
o
δ
= 3 mm do môi trường có tính ăn
mòn .
Theo [9,bảng(7-2),192] ,ta có :
M = 2 , hệ số áp suất riêng .
q
o
= 10 N/mm
2
, áp suất riêng cần thiết làm biến dạng dẻo đệm .

Thay vào ta được :
Q
1
=
024,0900
4
2
××
π
+
π
×
940
×
5
×
2
×
0.024 = 15968,784=1.6
×
10
5
(N)
b . Lực cần thiết để ép chặt đệm ban đầu
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 38