Thiết kế tháp đệm dùng để hấp thu khí SO2 dùng dung môi là nước (Có bản vẽ Autocad thiết bị, 9,5đ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

Đề tài:

THIẾT KẾ THÁP ĐỆM DÙNG ĐỂ HẤP THU KHÍ SO2
BẰNG NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT 1000 m3/h

GVHD :
SVTH :
Lớp :
MSSV :

Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG
NGUYỄN VŨ TRỌNG
03ĐHHH3
2004120301

TP.HCM, THÁNG 06/2015


Ngành công nghiệp nƣớc ta ngày càng phát triển. Các nhà máy,xí nghiệp,
khu công nghiệp mọc lên ngày càng nhiều, mở rộng cả về qui mô lẫn diện tích.
Hàng năm công nghiệp sản xuất ra một khối lƣợng sản phẩm, hàng hóa rất lớn
cho nhu cầu trong nƣớc và xuất khẩu song song với lƣợng hàng hóa này nghành
công nghiệp cũng thải ra một lƣợng lớn khí thải vào môi trƣờng sống của chúng
ta, chƣa kể khí thải từ hoạt động nông nghiệp, giao thông cũng nhƣ các nguồn
khác. Trong đó SO2 là khí thải phổ biến nhất, vấn đề ô nhiễm khí quyển bởi SO2
từ lâu đã trở thành mối hiểm họa của nhiều nƣớc. Từ đó việc xử lý khí SO2 nói
riêng và khí thải nói chung trở nên cần thiết và cấp bách hơn bao giờ hết. Công

nghệ xử lý SO2 trong khí thải đã đƣợc nghiên cứu từ rất lâu và các nhà khoa học
cũng đã thử nghiệm nhiều công nghệ xử lý SO2. Một trong những công nghệ đó
là phƣơng pháp hấp thu SO2 bằng tháp đệm.
Sau thời gian học tại trƣờng, đƣợc sự hƣớng dẫn chỉ bảo tận tình của các
thầy cô trong khoa Công nghệ hóa học trƣờng Đại học Công nghiệp Thực phẩm
TP.HCM em đã hoàn thành bộ môn quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa
học. Đƣợc sự phân công của nhà trƣờng và thầy cô trong khoa em đƣợc giao đề
tài đồ án môn học:”Thiết kế tháp đệm dùng để hấp thu SO2 bằng nước với năng
suất 1000m3/h”
Qua quá trình tìm hiểu, với sự nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ
tận tình của cô Ths Võ Phạm Phƣơng Trang, em đã hoàn thành đồ án đúng thời
hạn. Do lần đầu làm đồ án và trình độ bản thân cũng còn hạn chế nên không
tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự góp ý kiến của quý thầy
cô và các bạn để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Võ Phạm Phƣơng Trang, các thầy
cô trong khoa Công nghệ hóa học trƣờng Đại học Công nghiệp thực phẩm
TP.HCM đã giúp đỡ em trong thời gian qua.
TP.HCM, ngày 20, tháng 6, năm 2015
Sinh viên thực hiện


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
I. TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2
1. Tính chất hóa lý SO2……………………………………………………..
2. Tác hại của khí SO2 ……………………………………………………...
3. Các nguồn tạo ra SO2..……………………….…………………………..
II. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SO2
1. Hấp thụ khí SO2 bằng nƣớc.
2. Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sữa vôi

3. Xử lý khí khí SO2 bằng ammoniac………………………………………
4. Xử lý khí SO2 bằng magie oxit. …………………………………………
5. Xử lý khí SO2 bằng kẽm oxit….…………………………………………
6. Xử lý SO2 bằng kẽm oxit kết hợp natri sunfit. ……………………..……
7. Xử lý khí SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ. …………………………..
8. Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính ………………………….………
9. Hấp phụ khí SO2 bằng vôi, đá vôi, đolomit……………………...………

1
1
3
4
4
5
6
8
8
8
10
10

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
I. CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ………………………...…………….. 11
II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ……………………………. 11
CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU………………………..……………………. 11
II. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT……………...…………………………… 12
III. TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG………………………………………. 15
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ
I. TÍNH KÍCH THƢỚC THÁP HẤP THU

1. Tính đƣờng kính tháp hấp thụ……………………………………………
2. Tính chiều cao tháp hấp thụ………...……………………………………
3. Tính trở lực tháp………………………………………………………….
II. TÍNH CƠ KHÍ
1. Tính thân tháp……………………………………………………………
2. Tính nắp và đáy tháp……………………………………………………..
3. Tính ống dẫn lỏng và ống dẫn khí………………………………………..
4. Tính các bích ghép nối………………….………………………………..
5. Tính lƣới đỡ đệm và đĩa phân phối lỏng……...………………………….
6. Tính cửa nhập liệu và tháo liệu, kính quan sát….……………………….
7. Tính chân đỡ và tai đeo…………………………………………………..
III. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ
1. Tính công suất quạt…….………………………………………………...
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN…………………………………………………...
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………..

17
21
28
30
32
33
34
36
37
38
39
42
43

ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
I. TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2
1. Tính chất hóa lý SO2 :
- SO2 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 SO2) - Khi hòa
tan trong nước tạo thành dung dịch sunfurơ và tồn tại ở 2 dạng :chủ yếu là
SO2.nH2O và phần nhỏ là H2SO3.
- SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở –750 C và nhiệt độ sôi ở –100C .
- Nguyên tử S trong phân tử SO2 có cặp electron hóa trị tự do linh động và ở
trạng thái oxy hóa trung gian (+4) nên SO2 có thể tham gia phản ứng theo nhiều
kiểu khác nhau:
- Cộng không thay đổi số ôxy hóa :
SO2 + H2O = H2SO3
-Thực hiện phản ứng khử :
SO2 + 2CO  2CO2 + S ↓
-Thực hiện phản ứng oxy hóa :
SO2 + Cl2 + H2O  H2SO4 + HCl
Trong môi trường không khí , SO2 dễ bị ôxy hóa và biến thành SO3 trong khí
quyển. SO3 tác dụng với H2O trong môi trường ẩm và biến thành acid hoặc muối
sunfat. Chúng sẽ nhanh chóng tách khỏi khí quyển và rơi xuống gây ô nhiểm môi
trường đất và môi trường nước .
2. Tác hại của khí SO2 :
 Đối với sức khỏe con ngƣời
- SO2 là chất có tính kích thích, ở nồng độ nhất định có thể gây co giật ở cơ trơn
của khí quản. Ở nồng độ lớn hơn sẽ gây tăng tiết dịch niêm mạc đường khí quản.

Khi tiếp xúc với mắt, chúng có thể tạo thành axit.
Bảng: Liều lƣợng gây độc
mg SO2/m3
Tác hại
20-30
50
130-260
1000-1300

Giới hạn gây độc tính
Kích thích đường hô hấp, ho
Liều nguy hiểm sau khi hít thở (30 - 60 phút)
Liều gây chết nhanh (30 - 60 phút)

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 1


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

- SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc
các cơ quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt. Cuối cùng, chúng có
thể xâm nhập vào hệ tuần hoàn.
- Khi tiếp xúc với bụi , SO2 có thể tạo ra các hạt axit nhỏ có khả năng xâm nhập
vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2-3 μm.
- SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học. Kết
quả là hàm lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát qua đường tiểu và có

ảnh hưởng đến tuyến nước bọt.
- Trong máu, SO2 tham gia nhiều phản ứng hóa học, gây rối loạn chuyển hóa
đường và protein, gây thiếu vitamin B và C, ức chế enzyme oxydaza, tạo ra
methemoglobine để chuyển Fe2+ (hòa tan) thành Fe3+ (kết tủa) gây tắc nghẽn
mạch máu cũng như làm giảm khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu,gây co hẹp
dây thanh quản, khó thở.
 Đối với thực vật
- Các loài thực vật nhạy cảm với khí SO2 là rêu và địa y.
Bảng: Nồng độ gây độc
Nồng độ
Tác hại
(ppm)
0,03
Ảnh hưởng đến sinh trưởng của rau quả
0,15 – 0,3
Gây độc kinh niên
1–2
Chấn thương lá cây sau vài giờ tiếp xúc
 Đối với môi trƣờng
- SO2 bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit
sulfuric hay các muối sulfate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến môi
trường.
* Quá trình hình thành mƣa axit của SO2
- Phản ứng hoá hợp giữa lưu huỳnh điôxít và các hợp chất gốc hiđrôxyl:
SO2 + OH· → HOSO2·
- Phản ứng giữa hợp chất gốc HOSO2· và O2 sẽ cho ra hợp chất gốc HO2·
và SO3 :
HOSO2· + O2 → HO2· + SO3
- Lưu huỳnh triôxít SO3 sẽ phản ứng với nước và tạo ra H2SO4. Đây chính là
thành phần chủ yếu của mưa axít.

SO3(k) + H2O(l) → H2SO4(l)
* Các tác hại của mƣa axit
SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 2


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

- Nước hồ bị axit hóa: mưa axit rơi trên mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡng
trên mặt đất và mang các kim loại độc hại xuống ao hồ, gây ô nhiễm nguồn nước
trong hồ, phá hỏng các loại thức ăn , uy hiếp sự sinh tồn của các loài cá và các
sinh vật khác trong nước
- Các ảnh hƣởng của pH đến hệ thủy sinh vật
pH<6, 0 Các sinh vật bậc thấp của chuỗi thức ăn bị chết (phù du…), đây là
nguồn thức ăn quan trọng của cá.
pH<5,5 Cá không thể sinh sản được . Cá con khó sống sót. Cá lớn bị dị dạng do
thiếu dinh dưỡng. Cá bị chết do ngạt.
pH<5, 0 Quần thể cá bị chết.
pH<4, 0 Xuất hiện các sinh vật mới khác với các sinh vật ban đầu.
- Rừng bị hủy diệt và sản lượng nông nghiệp bị giảm: mưa axit làm tổn thương
lá cây, gây trở ngại quá trình quang hợp, làm cho lá cây bị vàng và rơi rụng, làm
giảm độ màu mỡ của đất và cản trở sự sinh trưởng của cây cối.
- Làm tổn hại sức khỏe con người: các hạt sulfate, nitrate tạo thành trong khí
quyển làm hạn chế tầm nhìn. Hơn nữa, do hiện tượng tích tụ sinh học, khi con
người ăn các loại cá có chứa độc tố, các độc tố này sẽ tích tụ trong cơ thể lâu dần
gây nguy hiểm đối với sức khỏe con người.
-Gây ăn mòn vật liệu và phá hủy các công trình kiến trúc

3. Các nguồn tạo ra SO2 :
- Khí SO2 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
(FeS2) , hơi đốt chứa nhiều khí H2S , các quặng sunfua . . .
- Khí SO2 là loại chất gây ô nhiểm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp và
sinh hoạt . Nguồn thải SO2 chủ yếu từ :
+ Các nhà máy nhiệt điện .
+ Các lò nung , nồi hơi đốt bằng nhiên liệu than đá , khí đốt , dầu hỏa và khí đốt
có chứa lưu huỳnh .
+ SO2 sinh ra từ các nghành sản xuất công nghiệp : nhà máy lọc dầu , nhà máy
luyện kim , lò đúc , nhà máy sản xuất H2SO4 . . .

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 3


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

II. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SO2
1. Hấp thụ khí SO2 bằng nước
- Là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO2
trong khí thải, nhất là trong khói từ các lò công nghiệp.
- Ưu điểm: rẻ tiền, dễ tìm, hoàn nguyên được.
SO2 + H2O ↔ H+ + HSO3- Nhược điểm: do độ hòa tan của khí SO2 trong nước quá thấp nên thường phải
dùng một lượng nước rất lớn và thiết bị hấp thụ phải có thể tích rất lớn, cồng
kềnh. Để tách SO2 khỏi dung dịch phải nung nóng lên đến 1000C nên tốn rất

nhiều năng lượng, chi phí nhiệt lớn.

( Trang 93 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn )
2. Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sữa vôi
- Là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử lý
cao, nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có ở mọi nơi.
CaCO3 + SO2↔CaSO3 + CO2
CaO + SO2↔ CaSO3
2CaSO3 + O2 ↔2CaSO4
- Ưu điểm: công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, chi phí
vận hành thấp, chất hấp thụ rẻ, dễ tìm, làm sạch khí mà không cần phải
SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 4


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

làm lạnh và tách bụi sơ bộ, có thể chế tạo thiết bị bằng vật liệu thông thường,
không cần đến vật liệu chống axit và không chiếm nhiều diện tích xây dựng.
- Nhược điểm: đóng cặn ở thiết bị do tạo thành CaSO4 và CaSO3, gây tắc nghẽn
các đường ống và ăn mòn thiết bị

( Trang 95 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn )

3. Xử lý khí khí SO2 bằng ammoniac
- Phương pháp này hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch ammoniac tạo muối amoni
sunfit và amoni bisunfit theo phản ứng sau:

SO2 + 2NH3 + H2O ↔(NH4)2SO3
(NH4)2SO3 + SO2 + H2O ↔ 2NH4HSO3
- Ưu điểm: hiệu quả rất cao, chất hấp thụ dễ kiếm và thu được muối amoni sunfit
và amoni bisunfit là các sản phẩm cần thiết.
- Nhược điểm: rất tốn kém, chi phí đầu tư và vận hành rất cao.

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 5


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

(Trang 100 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)

4. Xử lý khí SO2 bằng magie oxit
- Các phản ứng xảy ra như sau:
MgO + SO2 ↔MgSO3
MgSO3 + SO2 + H2O ↔ Mg(HSO3)2
Mg(HSO3)2 + MgO ↔2MgSO3 + H2O
- Ưu điểm: có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm lạnh sơ bộ, thu được axit
sunfuric như là sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả xử lý cao, MgO dễ kiếm và rẻ.
- Nhược điểm: quy trình công nghệ phức tạp, vận hành khó, chi phí cao, tổn hao
MgO khá nhiều.

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 6

ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

(Trang 105 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)

(Trang 106 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)
SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 7


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

5. Xử lý khí SO2 bằng kẽm oxit
- Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau:
SO2 + ZnO + 2,5 H2O ↔ZnSO3 . 2,5H2O
ZnSO3 . 2,5H2O => ZnO + SO2 + 2,5H2O
- Ưu điểm: có thể làm sạch khí ở nhiệt độ khá cao (200 - 2500C).
- Nhược điểm: có thể hình thành ZnSO4 làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi về kinh
tế nên phải thường xuyên tách chúng ra (cho bốc hơi) và bổ sung lượng ZnO
tương đương.
6. Xử lý SO2 bằng kẽm oxit kết hợp natri sunfit
- Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau:
Na2CO3 + SO2 ↔ Na2SO3 + CO2
Na2SO3 + SO2+H2O ↔ 2NaHSO3

2NaHSO3 + ZnO ↔ZnSO3 + Na2SO3 + H2O
- Ưu điểm: không đòi hỏi làm nguội sơ bộ khói thải, hiệu quả xử lý cao.
- Nhược điểm: hệ thống xử lý khá phức tạp và tiêu hao nhiều muối natri.

(Trang 110 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)
7. Xử lý khí SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ
- Phương pháp này được áp dụng nhiều trong xử lý khí thải từ các nhà máy luyện
kim màu.
- Chất hấp thụ chủ yếu được dùng là xyliđin và đimetylanilin.
SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 8


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

Quá trình sunfiđin
- Chất hấp thụ được sử dụng là hỗn hợp xyliđin và nước theo tỉ lệ 1:1
2C6H3(CH3)2NH2 + SO2 ↔2C6H3(CH3)2NH2 . SO2
- Nếu khí thải có nồng độ SO2 thấp thì quy trình này không kinh tế vì tổn hao
xyliđin.

(Trang 112 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)
Quá trình khử SO2 bằng đimetylanilin
- Với khí thải có trên 35% (thể tích) khí SO2 thì dùng đimetylanilin làm chất hấp
thụ sẽ có hiệu quả hơn dùng xyliđin.

(Trang 113 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 9


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

8. Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính
- Phương pháp này có thể áp dụng rất tốt để xử lý khói thải từ các nhà máy nhiệt
điện, nhà máy luyện kim và sản xuất axit sunfuric với hiệu quả kinh tế đáng kể.
- Ưu điểm: sơ đồ hệ thống đơn giản và vạn năng, có thể áp dụng được cho mọi
quá trình công nghệ có thải khí SO2 một cách liên tục hay gián đoạn, cho phép
làm việc được với khí thải có nhiệt độ cao (trên 1000C).
- Nhược điểm: tùy thuộc vào quá trình hoàn nguyên có thể là tiêu hao nhiều vật
liệu hấp phụ hoặc sản phẩm thu hồi được có lẫn nhiều axit sunfuric và tận dụng
khó khăn, phải xử lý tiếp mới sử dụng được.

(Trang 116 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn)
9. Hấp phụ khí SO2 bằng vôi, đá vôi, đolomit
- Ưu điểm: hiệu suất hấp phụ cao.
-Nhược điểm : chi phí đầu tư lớn do vật liệu chế tạo đắt ( làm việc trong môi
trường ăn mòn mạnh và nhiệt độ cao)

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 10

ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

CHƢƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
I.

II.

CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Chọn nguồn khí thải SO2 từ lò hơi. Khí được xử lý sơ bộ về nhiệt và thu hồi
bụi trước khi vào tháp.
Dung môi hấp thu yêu cầu là nước có đặc điểm rẻ, dễ tìm, không ăn mòn thiết
bị.
Thiết bị hấp thu dạng tháp đệm nên dung môi là nước sạch đẻ không tạo ra
cặn lắng làm cản trở dòng khí và lỏng.
THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Dung môi hấp thu là nước , nước sạch từ bể chứa được bơm lên bồn cao vị,
nước theo ống dẫn lỏng đi qua lưu lượng kế điều chỉnh lưu lượng phù hợp rồi đi
vào tháp hấp thu. Nhờ đĩa phân phối lỏng nước được phân phối đều khắp bề mặt
đệm.
Dòng khí thải từ lò hơi được xử lý sơ bộ: lọc bụi bằng cyclone, giải nhiệt bằng
thiết bị ống chùm. Sau đó được quạt thổi qua lưu lượng kế điều chỉnh lưu lượng
rồi mới vào tháp hấp thu
Dòng khí đi từ đáy tháp lên đỉnh tháp, dòng lỏng đi từ đỉnh xuống đáy tháp
hai dòng lưu chất tiếp xúc tại bề mặt vật liệu đêm và xảy ra quá trình truyền khối.
khí sau hấp thu đạt tiêu chuẩn loại A theo ống khí trên nắp tháp thải ra môi
trường. Dung dịch nước sau hấp thu chảy vào bể chứa được xử lý trung hòa trước
khi thải ra môi trường.

=//=//=//=//=//=//=//=//=//=//=

CHƢƠNG III: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
I.

CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU
Lưu lượng khí thải: 1000 m3/h
Nồng độ SO2 cần xử lí: 2% thể tích
Nồng độ SO2 sau xử lí đạt tiêu chuẩn loại A: 1500 mg/m3
Chọn nhiệt độ của nước hấp thu là 30oC
SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 11


ĐỒ ÁN QTTB
II.

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT
Phương trình cân bằng của hệ SO2 – H2O được biểu diễn theo định luật Henry:
P  H .x


 y*  H  m. x

Pt

(1)

Trong đó:
y*: phần mol của SO2 trong dòng khí ở điều kiện cân bằng
x: nồng độ phần mol khí hòa tan trong pha lỏng
P: áp suất riêng phần của cấu tử khí SO2 hòa tan khi cân bằng
Pt: áp suất tổng của hệ hấp thu (mmHg)
H: hằng số Henry (300C) H = 0.0364.106 mmHg [2,Bảng IX.1,139]
m: hằng số cân bằng pha hay hệ số phân bố, là một đại lượng không có thứ
nguyên

Khi tính toán hấp thụ, ta thường dùng nồng độ phần mol tương đối.
y

Y
1Y

;

x

X
1 X

Thay vào (1) ta được:

Y*
X
 m.
1Y *
1 X

Do đó phương trình (1) có dạng: Y * 
Vậy phương trình cân bằng là: Y * 

m. X
47,8947. X

1  (1  m) X 1  (1  47,8947) X

47,8947. X
1  (1  47,8947) X

Trong đó:
X: nồng độ SO2 cần hấp thụ trong dung môi nước (kmol SO2/kmol H2O)
Y*: nồng độ SO2 cần hấp thu trong hỗn hợp khí (kmol SO2/kmol khí trơ)
SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 12


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

Đường cân bằng:
X
Ycb

0
0

0.00004
0.00180

0.00008
0.00361

0.00011
0.00543

0.00015
0.00725

0.00019
0.00908

0.00023
0.01092

0.00026
0.01276

0.00030
0.01461

0.00034
0.01646

 Phương trình đường làm việc:
Nồng độ thể tích ban đầu của dòng khí:

yđ=2%=0,02
Nồng độ ban đầu của pha khí theo tỉ số mol:
Yđ 

yđ
 0,0204 (kmol
1 yđ

SO2/kmol Khí trơ)

Nồng độ cuối của pha khí theo tỉ số mol:
1500
1
( g ).
1000
64( g / mol )
Yc 
1( at )
1
1( m 3 ).10 3 (l / m 3 ).
.
(K )
0,082(lit .at / mol.K ) ( 273  30)
 0,0005823 ( kmolSO2 / kmolkhítro)

Nồng độ đầu của pha lỏng theo tỉ số mol:
Chọn dung môi hấp thu là nước sạch nên:
Xđ=0 (kmolSO2/kmolH2O)
 Ltr
 G tr

Xác định tỉ lệ 
 Ltr

 G tr


 :
 min


Y  Yc
  đ
 min X *  X đ

Trong đó:
Gtr : Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp
X* : Nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với Xđ
Lượng SO2 được hấp thu: Yhth=Yđ-Yc=0,0204-0,0005823=0,0198177
Thay vào phương trình đường cân bằng:

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 13


ĐỒ ÁN QTTB
X* 

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

Y hth
0,0198177

m  (1  m)Y hth 47,8947  (1  47,8947).0,0198177

X *  4,059.10  4 (kmolSO2 / kmolH 2O )

 Ltr

 Gtr


Y  Yc
0,0204  0,0005823
  đ

 48,824
4,059.10  4  0
 min X *  X đ

Thông thường lấy lượng dung môi thực tế lớn hơn dung môi tối thiểu 20%
[2,141]
 Ltr=1,2Ltr_min (kmol/h)
Ltr : Lượng dung môi không đổi khi vận hành:


Ltr
L
 1,2. tr

G tr
 G tr


  1,2.48,824  58,5888
 min

Lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp hấp thu:
G hh 

P.V
1.1000

 40,2479 (kmol/h)
R.T 0,082.(273  30)

Suât lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp:
Gtr  Ghh (1  y đ )  40,2479(1  0,02)  39,4430 (kmol/h)

Suất lượng dung môi làm việc:
Ltr  58,5888.Gtr  58,5888.39.443  2310,918 (kmolH2O/h)

Phương trình cân bằng vật chất có dạng:
GtrYđ  Ltr X đ  GtrYc  Ltr X c


Ltr
Y  Yc
 đ
Gtr X c  X đ

 Xc 


Yđ  Yc
 Xđ
Ltr
Gtr
0,0204  0,0005823
0
58,5888

 3,3825.10 4 ( kmolSO2 / kmolH 2O )

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 14


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

 Phương trình đường làm việc:
Y đ  0,0005823
58,5888
hay
Y  58,5888 X  0,0005823
X 

Phương Trình Đường Cân Bằng
Và Đường Làm Việc
0.025

0.02
y = 58.589x + 0.0006
R² = 1
0.015

Y*

y = 48.6x - 4E-05
R² = 1
0.01

0.005

0
0

0

0

0

-0.005

0

0

0

0

0

X

III. TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG
Phương trình cân bằng nhiệt lượng có dạng :
GđIđ + LđCđTđ + Qs = GcIc + LcCcTc + Q0
Trong đó :
Gđ , Gc : Lợng hổn hợp khí đầu và cuối.
Lđ , Lc : Lượng dd đầu và cuối.
SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 15


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

tc , tc : nhiệt độ khí ban đầu và cuối (o C)
Tđ , Tc : nhiệt độ dung dịch đầu và cuối (o C)
Iđ , Ic : entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối (kj/kg)
Q0 : nhiệt mất mát ( kj/h)
Qs : 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 , Q0 = 0 .
+ Nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào tháp :
tc = tđ = 30oC .
+ Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thu : Cđ = Cc = CH2O
Gọi q : Nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử khí bị hấp thu Qs=q.Ltr(Xc-Xđ)
(Gần đúng: coi q không đổi)
Gđ.Iđ  Lđ .C.Tđ  q.Ltr.Xc  Xd   Gc.Ic  Lc.C.Tc
Hoặc : Tc 

Lđ
G .I  Gc I c
qL
X đ  X c 
tđ  đ đ

Lc
Lc .C
Lc C

(Vì lượng khí hoà tan trong dung dịch nhỏ nên có thể lấy gần đúng:

Lđ
1)
Lc

Bỏ qua mức độ biến đổi nhiệt của pha khí:
Gđ Iđ-GcIc≈0
Vậy Tc  Tđ 

q.Ltr
X c  X đ 
Lc .C

Do lượng cấu tử hoà tan trong dung dịch nhỏ nên : Lđ = Lc = Ltr
Tc  Tđ 

q
(X c  X đ )
C

Phương trình hấp thu của SO2 trong dung môi nước .
SO2 + H2O  H+ + HSO3Tra sổ tay hóa lý:
Nhiệt sinh của :
SO2 : SO2 = -70.96 (kcal/mol) .
H2O : H2O= - 68.317 (kcal/mol)
H+: =0 (kcal/mol) .
HSO3- : HSO3- = -12157.29 (kcal/mol)
Nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử SO2 bị hấp thu :
q = (-70.96 - 68.317) – ( 0 – 12157.29) = 12018.013 (kcal/mol)
SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 16


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

Nhiệt độ cuối của dung dịch ra khỏi tháp :

q
X c  X đ 
C
12018,013.10 3.4,1858
 30 
(3,3826.10  4  0)
4200.18
 30,225 o C

Tc  Tđ 

Vậy Tc  Tđ = 30oC . Ta xem như quá trình hấp thu là đẳng nhiệt .

=//=//=//=//=//=//=//=

CHƢƠNG IV: TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ
I.
1.



TÍNH KÍCH THƢỚC THÁP HẤP THU
Tính đƣờng kính tháp hấp thụ
Các thông số vật lý của dòng khí
Lƣu lƣợng trung bình của dòng khí đi trong tháp
V ytb 

Vđ  Vc
2

Trong đó Vđ, Vc : Lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp (m3/h)
Vc  Vtr 1  Yc 

 Vđ 1  y đ 
. 1  Yc 

 10001  0,02 
. 1  0,0005823
 980,57m 3 / h 

 V ytb 

1000  980,57
 990.29m 3 / h 
2

 Khối lƣợng riêng trung bình của pha khí
 ytb 

ytb1  M 1  1  ytb1   M 2   273
22,4  T

Trong đó:
M1, M2 : Khối lượng mol của SO2 và không khí
M1= MSO2 = 64 (g/mol)
M2= Mkk = 28,8 (g/mol)
T : Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp (T=30oC)
Ytb1 : Nồng độ phần mol của SO2 lấy theo giá trị trung bình
SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 17


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

y đ 1  y c1
2

ytb1 

Với yđ1 , yc1 : Nồng độ phần mol của SO2 vào và ra khỏi tháp
y đ 1  y đ  0,02
YC
0,0005823

 0,000582
YC  1 0,0005823  1

y c1 

0,02  0.000582
0,01029
2
0,01029.64  (1  0,01029).28,8273  1,1730Kg / m 3 

22,4.(273  30)

y tb1 

  ytb

 Độ nhớt trung bình của pha khí (hỗn hợp khí vào tháp)
M hh

hh



m1 .M 1

1



m2 .M 2

2

Trong đó:
 Mhh , M1 , M2 : Lần lược là khối lượng phân tử của hỗn hợp khí, của SO2 và của
không khí
M hh  ytb1 .M 1  (1  ytb1 ) M 2
 0,01029.64  (1  0,01029).28,8
 29,1622( Kg / Kmol )

 m1 , m2 : Nồng độ của SO2 , của không khí theo phần thể tích
m1  ytb1  0,01029
m2  1  ytb1  0,98971

 μ1 , μ2 : Độ nhớt của SO2 và của không khí ở điều kiện làm việc
o

Ở 30 C
(*) 

1   SO2  0.0128.10 3 ( Kg / m.s)
2  kk  0,0182.10 3 ( Kg / m.s)

29,1622

hh



[1,86]

0,01029.64 0,98971.28,8

0,0128.10 3 0,0182.10 3

 hh  1,8028.10 5 ( kg / m.s )

 Lƣu lƣợng khối lƣợng trung bình của pha khí
G ytb 

Gđ  Gc
( Kg / s )
2

Trong đó :
Gđ , Gc : Lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp (Kg/s)

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 18


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

Gđ  Gtr .M tr  Gtr .M SO2 .Yđ
 39,4429.28,8  39,4429.64.0.0204
 1187,45( Kg / h )  0,3298( Kg / s )
Gc  Gtr .M tr  Gtr .M SO2 .Yc
 39,4429.28,8  39,4429.64.0,0005823
 1137,43( Kg / h )  0,3160( Kg / s )
 G ytb 

0,3298  0,3160
 0,3229( Kg / s )
2

 Các thông số vật lý của dòng lỏng
 Lƣu lƣợng trung bình của dòng lỏng đi trong tháp
Do lượng khí SO2 hòa tan trong dung dịch rất ít nên xem quá trình hâp thu không
làm thay đổi đáng kể thể tích nên:
Vxtb  Vtr  Ltr .M tr .

1

 tr

Trong đó :
Sρtr : Khối lượng riêng của nước ở điều kiện làm việc (ở 30oC ρtr=995,7 Kg/m3)
Mtr : Khối lượng phân tử của nước (kg/kmol)
Ltr : Lưu lượng nước (kmol/h)
V xtb  2310,918.18.

1
 41,776m 3 / h 
995,7

 Khối lƣợng riêng trung bình của pha lỏng
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng :
 xtb =  tb1 * Vtb1 + (1 - Vtb1 ) *  tb2

[2, IX.104, 183]

ρtb1 , ρtb2 : khối lượng riêng trung bình của SO2 , H2O trong pha lỏng .
Vtb1 , Vtb2 : thể tích trung bình của SO2 , H2O trong pha lỏng.
Do lượng SO2 hồ tan trong dung dịch nhỏ nên : Vtb1 ≈ 0 .
⇒ ρxtb ≈ ρtb 2 ≈ ρH2O =995,7 (kg/m3) .
 Độ nhớt trung bình của pha lỏng
Do lượng SO2 hòa tan nhỏ nên ta có thể xem:
μxtb ≈μH2O=0,8007.10-3 (kg/m.s)
 Lƣu lƣợng khối lƣợng trung bình của pha lỏng

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 19


ĐỒ ÁN QTTB
G xtb 

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

G xđ  G xc
2

Trong đó :
Gxd , Gxc : lưu lượng khối lượng dòng lỏng vào và ra khỏi tháp
1
 11,5546( kg / s )
3600
2310,918.18  2310,918.0,00033826.64

 11,5685( kg / s )
3600

G xđ  Ltr .M tr  2310,918.18.
G xc  Ltr .M tr  Ltr . X c .M SO2
 G xtb 

11,5546  11,5685
 11,5616( kg / s )
2

 Tính đƣờng kính tháp hấp thụ
Tốc độ đảo pha W’s(m/s) được xác định theo công thức [2,IX.115,187]
  ' 2s . đ . ytb
lg 
3
 g.Vđ . xtb









 x 
 
 n 

0,16

1

1


 G  4   ytb  8

  A  1,75 x  

G


y
xtb


 

Trong đó :
Gx , Gy : lưu lượng dòng lỏng và khí trung bình , kg/s .
Gx = Gxtb = 11,5616 (kg/s) .
Gy = Gytb = 0,3229 (kg/s) .
ρ xtb , ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và khí
ρxtb=995,7(kg/m3)
.
ρ ytb = 1,1730 (kg/m3) .
μx : độ nhớt trung bình pha lỏng theo nhiệt độ trung bình
μx = μxtb = 0.8007×10-3 (kg/m.s) .
μn : độ nhớt của nước ở 200C .
μn = 1.005*10-3 (kg/m.s)
A: Hệ số phụ thuộc dạng quá trình, đối với quá trình hấp thụ A=0,022 cho vật
liệu đệm là vòng hay xoắn.
Chọn đệm vòng Rasching bằng sứ xếp ngẫu nhiên:
+Kích thước đệm 50×50×5mm
+Bề mặt riêng của đệm σđ=95 m2/m3
+Thể tích tự do của đệm . Vđ= 0.79 m3/m3
+Khối lượng riêng xốp của đệm ρđ=500 kg/m3
Thay số ta được:

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 20


ĐỒ ÁN QTTB
  ' 2s . đ . ytb
lg 
3
 g.V đ . xtb

 x

 n

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG




0 ,16

  ' 2 .95.1,173
s
 lg 
3
 9,81.0,79 .995,7
  s'  0,8231 m / s



G
  A  1,75 x
G

 y

1

 4   ytb
 
 
  xtb

1

8



1

 0,8007.10  3 


3 
 1,005.10 

0 ,16



 11,5616  4  1,173
 
  0,022  1,75
 0,3229   995,7


 

1

8
 Chọn



tốc

độ làm việc ω tb = 0,87. ω's=0,7161 (m/s)
Đường kính tháp được xác định theo công thức:
4.Vtb
4.990,3

 0,6994(m)
 .3600. tb
 .3600.0,7161

D

Lấy D = 0,7 m
 Kiểm tra điều kiện làm việc của tháp



4.Vtb
4.990,3

 0,7148 (m/s)
2
 .3600.D
 .3600.0,7 2

Ta có:

 0,7148

 0,868 (thỏa điều kiện)
 s' 0,8231

2. Tính chiều cao tháp hấp thụ
 Xác định chiều cao một đơn vị truyền khối
 Trở lực truyền khối chủ yếu nằm trong pha khí và với hỗn hợp có nồng độ nhỏ
Nên chiều cao tổng quát một đơn vị truyền khối được tính theo công thức:
H tOG  htG 

m.G
htL
L

[3,6.45,161]

Trong đó:

m: Hệ số góc đường cân bằng
htG : Chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha khí (m)
htL : Chiều cao một đơn vị truyền khối tương ứng pha lỏng (m)
htG , htL được xác định dựa vào công thức thực nghiệm sao:
htG 

Vđ
. Re 0y, 25 . Pr y2 / 3
a. . đ


htL  256 x
 x

[2, IX .76,177]

2

3
 Re 0x, 25 . Prx0,5


SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

[2, IX .77,177]

Page 21


ĐỒ ÁN QTTB

GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG

Với
a: Hệ số phụ thuộc dạng đệm ( đệm vòng a=0,123)
μx : Độ nhớt của pha lỏng (μx = μxtb=0,8007.10-3 kg/s.m)
Vđ : Thể tích tự do của đệm (Vđ=0,79 m3/m3)
ρx : Khối lượng riêng của lỏng (ρx=995,7 kg/m3)
Rey : chuẩn số Reynold cho pha hơi.
Pry : chuẩn số Prandt cho pha hơi.
Rex : chuẩn số Reynold cho pha lỏng.
Prx : chuẩn số Prandt cho pha lỏng.
ψ : Hệ số thấm ướt của đệm_phụ thuộc tỉ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện
ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp, xác định bằng đồ thị [2,hình
IX.16,178]
 Hệ số thấm ướt của đệm ψ:
- Mật độ tưới thực tế: U tt 

Vx
,m3 /m2.h
Ft

Vx: Lưu lượng thể tích của chất lỏng ,m3/h.
Ft: Diện tích mặt cắt tháp.
Ft = .D2/4 = 3,14.0,72/4 = 0,3848 ,m2.
Vx=Vxtb=41,36 (m3/h).
 U tt 

Vx
41,36


 107,48
Ft 0,3848

m3 /m2.h

- Mật độ tưới thích hợp:
Ut.h =  d .B (m3/m2.h)
B= 0,158 m3 /m.h [2,Bảng IV.6,177]

 d : bề mặt riêng của đệm,  d =95 (m2/m3)
Ut.h=0,158.0,95=15,01 ,m3 /m2.h

SVTH: Nguyễn Vũ Trọng

Page 22