TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ THÁP ĐỆM XỬ LÝ KHÍ SO2

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
CƠ SỞ THANH HÓA – KHOA CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ THÁP ĐỆM XỬ LÝ KHÍ SO
2

GIẢNG VIÊN HD : TH.S. VIÊN THỊ THỦY
NHÓM TH : NHÓM 01
LỚP : CDMT12TH
THANH HÓA, THÁNG 06 NĂM 2013
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
DANH SÁCH SINH VIÊN THỰC HIỆN
STT HỌ VÀ TÊN MSSV GHI CHÚ
1 TRẦN VĂN BÁCH 10012223
2 NGUYỄN QUỐC BẮC 10023473
3 CÙ THỊ DUNG 10013083
4 NGUYỄN THANH HÀ 10025923
5 LÒ ĐỨC HOÀN 10021413
6 ĐỖ ĐỨC MINH 10011653
7 TRỊNH THỊ LAN 10003893
8 TRẦN THỊ MAI 10017893
9 NGUYỄN BÁ HÙNG 10003993
10 MAI TIẾN DŨNG 10027903
11 LÊ THỊ HẠNH 10008043
12 NGUYỄN VĂN MẠNH 10013143
13 ĐOÀN THỊ TRANG 10027243
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN















Thanh Hóa, ngày … tháng … năm 2013
Giảng viên
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ,
BẢNG
DANH MỤC BẢNG
B ng 2.1: B ng s li u đ ng cân b ngả ả ố ệ ườ ằ 8
B ng 2.2: B ng s li u tính tích phân :ả ả ố ệ 22
B ng 4.1: B ng th ng kê s li uả ả ố ố ệ 37
8
th 2.1: th cân b ng c a dung d ch h p thu SO2 b ng n cĐồ ị Đồ ị ằ ủ ị ấ ằ ướ 9
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy

MỤC LỤC
DANH SÁCH SINH VIÊN TH C HI NỰ Ệ 2
NH N XÉT C A GI NG VIÊN H NG D NẬ Ủ Ả ƯỚ Ẫ 3
Gi ng viênả 3
DANH M C HÌNH, S , B NGỤ Ơ ĐỒ Ả 4
DANH M C B NGỤ Ả 4
M C L CỤ Ụ 5
L I M UỜ Ở ĐẦ 1
CH NG 1: T NG QUAN V KHÍ SO2 ƯƠ Ổ Ề 2
1.1. TÍNH CH T HÓA LÝ SO2 :Ấ 2
1.2. TÁC H I C A KHÍ SO2 :Ạ Ủ 2
1.3. CÁC NGU N T O RA SO2 :Ồ Ạ 3
1.4. CÁC PH NG ÁN X LÝ SO2 :ƯƠ Ử 4
1.4.1. Ph ng pháp h p th :ươ ấ ụ 4
1.4.2. Ph ng pháp h p ph :ươ ấ ụ 5
1.4.3. X lý SO2 b ng ph ng pháp nhi t và xúc tác :ử ằ ươ ệ 5
CH NG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGH ƯƠ Ệ 7
2.1. CH N QUI TRÌNH CÔNG NGH :Ọ Ệ 7
2.2. THUY T MINH QUI TRÌNH CÔNG NGH :Ế Ệ 7
2.3. TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 7
2.3.1. Các thông s ban đ u :ố ầ 7
2.3.2. Tính cân b ng v t ch t :ằ ậ ấ 7
2.3.3. Cân B ng N ng L ng :ằ ă ượ 11
2.3.4. Tính kích th c tháp h p thu :ướ ấ 13
2.3.4.1. Các thông s v t lý c a dòng khí :ố ậ ủ 13
2.3.4.2. Các thông s v t lý c a dòng l ng :ố ậ ủ ỏ 15
2.3.4.3. Tính đ ng kính tháp h p thu : ườ ấ 16
2.4.4.4. Xác đ nh chi u cao m t đ n v chuy n kh i :ị ề ộ ơ ị ể ố 17
2.3.4.4.1. H s khu ch tán trong pha l ng :ệ ố ế ỏ 19
2.3.4.4.2. H s khu ch tán trong pha khí ệ ố ế 19

2.3.4.4.3. Tính Rex, Rey, Prx, Pry : 20
2.3.4.4.4. Tính h s th m t ệ ố ấ ướ ψ : 20
2.3.4.4.5. Tính hG, hL 20
2.3.4.4.6. Tính chi u cao m t đ n v chuy n kh i :ề ộ ơ ị ể ố 21
2.3.4.5. Xác đ nh s đ n v truy n kh i mY :ị ố ơ ị ề ố 21
2.3.4.6. Chi u cao c t đ m c n thi t cho quá trình h p thu :ề ộ ệ ầ ế ấ 22
2.3.5. Tính tr l c c a l p đ m :ở ự ủ ớ ệ 22
CH NG 3: TÍNH TOÁN C KHÍƯƠ Ơ 25
3.1. TÍNH NG D N L NG, NG D N KHÍ :Ố Ẫ Ỏ Ố Ẫ 25
3.1.1. Tính ng d n khí vào tháp :ố ẫ 25
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
3.1.2. Tính ng d n khí ra kh i tháp :ố ẫ ỏ 25
3.1.3. Tính ng d n l ng vào tháp :ố ẫ ỏ 25
3.1.4. Tính ng d n l ng ra kh i tháp :ố ẫ ỏ ỏ 26
3.2. TÍNH L I M VÀ A PHÂN PH I L NG :ƯỚ ĐỠ ĐỆ ĐĨ Ố Ỏ 26
3.2.1. Tính l i đ đ m :ướ ỡ ệ 26
3.2.2. a phân ph i l ng :Đĩ ố ỏ 28
CH NG 4 : TÍNH TOÁN THI T B PHƯƠ Ế Ị Ụ 29
4.1. TÍNH B N CAO V :Ồ Ị 29
4.1.1. T n th t d c đ ng ng :ổ ấ ọ ườ ố 30
4.1.2. T n th t c c b :ổ ấ ụ ộ 30
4.1.3. Chi u cao b n cao v :ề ồ ị 31
4.2. TÍNH CÔNG SU T B M :Ấ Ơ 31
4.2.1. T n th t d c đ ng :ổ ấ ọ ườ 32
4.2.2. T n th t c c b :ổ ấ ụ ộ 32
4.2.3. C t áp c a b m :ộ ủ ơ 32
4.2.4. Công su t c a b m :ấ ủ ơ 33
4.3. TÍNH CÔNG SU T C A QU TẤ Ủ Ạ 34
4.3.1. T n th t d c đ ng :ổ ấ ọ ườ 35

4.3.2. T n th t c c b :ổ ấ ụ ộ 35
4.3.3. C t áp c a qu t :ộ ủ ạ 36
4.3.4. Công su t c a qu t :ấ ủ ạ 36
4.3.5 B ch a n c và b l cể ứ ướ ể ọ 37
K T LU NẾ Ậ 38
* TÀI LI U THAM KH O :Ệ Ả 39
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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 toàn xã
hội bởi mức độ nguy hại của nó đã lên đến mức báo động .
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 Viên Thị Thủy, các thầy cô bộ môn Hóa Môi
Trường đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành
đồ án môn học này.
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 1
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO
2
1.1. 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 hoà 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 :
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 .
1.2. 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
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 2
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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 . Ngoài 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
1.3. 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 :
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 3
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
+ 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 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 .
1.4. CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ SO
2
:
1.4.1. 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) .
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 4
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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) .
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 .
1.4.2. 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 .
1.4.3. Xử lý SO
2
bằng phương pháp nhiệt và xúc tác :
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 5
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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 .
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 6
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1. 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 .
2.2. 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 .
2.3. TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
2.3.1. 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 .
2.3.2. 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 :
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 7
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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
−+

Từ phương trình đường cân bằng ta có các số liệu đường cân bằng:
Bảng 2.1: Bảng số liệu đường cân bằng
X 0 0.0000
8
0.000
1
0.0001
3
0.0001
5

0.0001
8
0.000
2
0.0002
5
0.0003
Y
*
0 0.0038 0.004
8
0.0063 0.0072 0.0087 0.009
7
0.0121 0.0146
Từ số liệu đường cân bằng ta vẽ đường cân bằng :
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 8
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
Đồ thị 2.1: Đồ thị cân bằng của dung dịch hấp thu SO
2
bằng nước
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 :
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 9
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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)
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)
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 10
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
G
tr
Y
ñ
G
tr
Y
c
L
tr
X
ñ
L
tr
X
c
X
c
: nồng độ cuối của pha lỏng .
2.3.3. 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 .
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 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
.
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 11
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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 hoà 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 hoà tan trong dung dịch nhỏ nên : L
đ
= L
c
= L
tr

( )
dcdc
XX
C
q
TT −+=
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 12
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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 .
2.3.4. Tính kích thước tháp hấp thu :
2.3.4.1. 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 .
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 13
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
+ 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)
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) .
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 14
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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) .

2.3.4.2. Các thông số vật lý của dòng lỏng :
- V
xtb
: lưu lượng dòng lỏng trung bình .
Do lượng cấu tử hoà 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
- 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.
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 15
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
Do lượng SO
2
hoà 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
hoà 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) .
2.3.4.3. 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 .
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 16
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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
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
2.4.4.4. 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 :
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 17
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
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) .

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 .
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 18
Đồ án chuyên ngành GVHD: TH.S. Viên Thị Thủy
+
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 .
2.3.4.4.1. 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)
2.3.4.4.2. 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, Ap 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 :
Nhóm thực hiện: Nhóm 01 – Lớp: CDMT12TH Trang 19