THIẾT kế hệ THỐNG hấp THỤ THÁP đệm SO2

Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

Mục Lục
Lời mở đầu ..................................................................................................................................3
..............................................................................................................................................4
THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC........................................................................................................4
Đề tài thiết kế.............................................................................................................................4
Các số liệu ban đầu và tính toán.....................................................................................................4
Phần I. Tính toán thiết kế tháp đệm..................................................................................................4
I. Tính toán các điều kiện ban đầu.................................................................................................4
Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc...............................................................................6
Đồ thị đường cân bằng và đường làm việc trên cùng một hệ trục .................................................8
tọa độ

......................................................................................8

...........................................................................................................................................8
II. Tính các thông số của tháp.......................................................................................................9
1. Tính đường kính tháp đệm........................................................................................................9
Kiểm tra điều kiện thiết kế.....................................................................................................15
Kiểm tra theo mật độ tưới.......................................................................................................15
2. Tính chiều cao tháp đệm........................................................................................................16
* Tính h1..................................................................................................................................16
PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ...................................................................................24
I. Các thông số đặc trưng của bơm............................................................................................24
Hệ số trở lực cục bộ:..............................................................................................................26
Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống đẩy:..................................................27
Công suất của bơm:................................................................................................................29
II. Máy nén khí.............................................................................................................................30
1. Công của máy nén ly tâm..........................................................................................................30
..................................................................................................................................................35

2. Công suất máy nén..................................................................................................................35
4. Công suất của động cơ điện..................................................................................................36
PHẦN III. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ...................................................................................................36
I. Chiều dày thân tháp....................................................................................................................36

~1~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52
II. Chiều dày nắp và đáy thiết bị...................................................................................................39
1. Chiều dày của nắp thiết bị...................................................................................................40
2. Chiều dày của đáy thiết bị.......................................................................................................41
III. Đường kính của ống dẫn khí và lỏng................................................................................42
1. Đường kính ống dẫn vào và dẫn khí ra.................................................................................42
2. Đường kính ống dẫn lỏng vào và ra......................................................................................42
IV. Bích ghép thân, nắp, đáy..........................................................................................................43
1. Bích nối nắp và đáy với thân thiết bị........................................................................................43
2. Bích nối ống dẫn lỏng với thân thiết bị...............................................................................44
3. Bích nối ống hơi với thân thiết bị.........................................................................................44
V. Kết cấu đỡ tháp......................................................................................................................44
1. Khối lượng thân thiết bị........................................................................................................44
2. Khối lượng của đáy và nắp tháp:..............................................................................................45
3. Khối lượng của đệm.............................................................................................................45
4. Khối lượng bích....................................................................................................................46
VI. Bộ phận phân phối lỏng......................................................................................................47
KẾT LUẬN...................................................................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................................50

~2~

Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

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 .
SO2 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
SO2 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 . Vì
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 thụ với dung môi là nước.
Sau 15 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình
của cô giáo hướng dẫn và các thầy cô bộ môn nhưng do chưa có nhiều kinh
nghiệm tính toán, nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận
được ý kiến của các thầy, cô để đồ án sau có kết quả tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

~3~

Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Đề tài thiết kế
Thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp đệm. Tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5
atm và nhiệt độ 30°C. Dung môi hấp thụ là H2O.

Các số liệu ban đầu và tính toán
Hỗn hợp khí cần tách

: SO2 - không khí.

Dung môi

: H2O

Lưu lượng khí thải vào tháp (Nm3/h)

: 9 000

Nồng độ khí thải vào tháp

: 3,0

(% thể tích)

Nồng độ cuối của dung môi (% trọng lượng)

:1

Hiệu suất quá trình hấp thụ (%)

: 80

Phần I. Tính toán thiết kế tháp đệm
I.

Tính toán các điều kiện ban đầu

Theo bài hỗn hợp đầu vào là hỗn hợp khí nên nồng độ phần thể tích chính là
nồng độ phần mol.
⇒ yd=0,03
Chuyển nồng độ thể tích sang nồng độ phần mol tương đối.

Yd =

yd
1 − yd

⇒ Nồng độ đầu của SO2 trong pha khí:
~4~


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

Yd =

0, 03

= 0, 03093 (kmol SO2/kmol khí trơ).
1 − 0, 03

Nồng độ cuối của SO2 trong pha khí:

η=

Yd − Yc
= 0,8 ⇒ Yd - Yc = 0,8Yd => 0,2Yd = Yc
Yd

⇒Yc = 0,2.0,03093 = 6,186.10-3 (kmol SO2/kmol khí trơ)
yc: nồng độ phần mol của khí cần hấp thụ trong hỗn hợp

Yc =

yc
= 6,186.10−3 ⇒ yc =6,148.10-3 (kmol SO2/ kmol hỗn hợp khí).
1 − yc

Nồng độ mol tương đối trung bình:

Yd + Yc 0, 03093 + 6,186.10−3
Ytb =
=
= 0, 0186 (kmol SO2/kmol khí trơ)
2
2
Nồng độ phần mol trung bình:

ytb =

Ytb
0, 0186
=
= 0, 01826 (kmol SO2/ kmol hỗn hợp khí).
1 + Ytb 1 + 0, 0186

Lưu lượng hỗn hợp khí:
Lượng khí trơ: Gtrơ =

=401,786.(1- 0,03)= 389,73

Lượng SO2 được hấp thụ:

Nồng độ đầu của SO2 trong nước :
Nồng độ cuối của SO2 trong nước : Theo bài ra x’c=1 % khối lượng.
⇒ Nồng độ phần mol của SO2 trong dung môi :

x 'c
1%
M SO2
64
xc =
=
= 2,833.10−3
x 'c
1 − x 'c 1% 1 − 1%
+
+

64
18
M SO2 M H 2O
~5~

( kmol SO2/kmol H2O)


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

Nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong dung môi

xc
7, 044.10 −4
Xc =
=
= 7, 05.10−4
−4
1 − xc 1 − 7, 044.10
( kmol SO /kmol H O).
2

2

Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc
• Phương trình đường cân bằng có dạng

Y=

mX

1 + (1 − m) X

)

X=

Y
(m − 1)Y + m

)

Với m =

ψ
hằng số cân bằng pha.
P

ψ : Hệ số Henry (mmHg)
P : Áp suất chung của hỗn hợp khí. P=5atm , T=30°C.
Tra bảng IX.1( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2), ta có

ψ SO (300C) = 0,0364.106 (mmHg).
2

Yc

0, 0364.106
⇒ m=
= 9,579
5.760

Gx, Xd

⇒ Phương trình cân bằng :

Y=

9,579 X
(kmol SO2/kmol khí trơ)
1 − 8,579 X

X=

Y
( kmol SO2/kmol H2O)
8,579Y + 9,579

Gy, Yd

Xc

• Phương trình đường làm việc
Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện
bất kỳ tới phần trên của thiết bị
~6~


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

Gtr(Y – Yc) = Gx(X – Xd)

Trong đó :
Xd: nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi.
(kmol SO2/kmol H2O)
Yc: nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí
(kmol/kmol khí trơ)
Gx: lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h).
Gtr:: lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h).
Từ phương trình cân bằng vật liệu ta có:
- Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi:
G
1
X c = tro (Yd − Yc ) = (Yd − Yc ) = 2,84.10−3 (kmol SO2/kmol H2O)
Gx
l
- Lượng dung môi tiêu tốn thực tế:
Yd − Yc 0, 03093 − 6,186.10 −3
l=
=
= 8, 7 (kmol H2O/kmol không khí)
Xc
2,84.10−3

- Lưu lượng dung môi đi vào thiết bị Gx:
Gx = l.Gtrơ =8,7. 389,73 = 3390,65 (kmol/h)
- Phương trình đường làm việc cho một đoạn tháp bất kỳ:
Gtrơ(Y - Yc) = Gx(X - Xd)
=> Y =

Gx
X + Yc = l. X + Yc

Gtro

⇒ Phương trình đường làm việc: Y = 8,7.X + 6,186.10−3
X

Y

Ycb

0

0.006186

0

0.0002

0.007926

0.001919093

0.0004

0.009666

0.003844794

0.0006

0.011406

0.005777137

0.0008

0.013146

0.007716158

0.001

0.014886

0.009661889

0.0012

0.016626

0.011614368

~7~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52
0.0014

0.018366

0.013573627

0.0016

0.020106

0.015539704

0.0018

0.021846

0.017512634

0.002

0.023586

0.019492451

0.0022

0.025326

0.021479194

0.0024

0.027066

0.023472898

0.0026

0.028806

0.025473599

0.0028

0.030546

0.027481335

0.00284

0.030894

0.027883729

Đồ thị đường cân bằng và đường làm việc trên cùng một hệ trục
tọa độ

~8~


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

II.

Tính các thông số của tháp

1. Tính đường kính tháp đệm.
a. Tính khối lượng riêng trung bình (tr 183)
• Đối với pha lỏng

aSO2 1 − aSO2
1
=
+
Áp dụng công thức:
ρ xtb ρ SO2
ρ H 2O
ρxtb : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3.
aSO2 : Phần khối lượng trung bình của SO2 trong hỗn hợp.

ρ SO , ρ H O : khối lượng riêng của SO2 và H2O ở 30°C, kg/m3
2

2

Tra bảng: I.5 và I.2 ( Sổ tay quá trình và thiết bị-Tập 1) tại 30°C.

~9~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

ρ H 2O = 995.68 (kg/m3)
ρ SO2 (20°C)=1383(kg/m3) , ρ SO2 (40°C)=1327 (kg/m3)
Nội suy ⇒ ρ SO2 (30°C)= 1355 (kg/m3)

Phần khối lượng trung bình của SO2 trong pha lỏng.

aSO2 =

M SO .xtb
2

M SO2 .xtb + M H 2O (1 − xtb )

Với xtb là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử cần hấp thụ trong pha
lỏng.
( kmol SO2/kmol H2O)

xd + xc 0 + 2,84.10 −3
⇒ xtb =
=
= 1, 42.10 −3 ( kmol SO2/kmol H2O)
2
2
⇒ aSO2

64.1, 42.10−3
=
=5,03.10-3
−3
−3
64.1, 42.10 + 18.(1 − 1, 42.10 )

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng

ρ xtb =

aSO2

ρ SO2

1
1
=
= 997
1 − aSO2 5, 03.10 −3 1 − 5, 03.10 −3
(kg/m3)
+
+
1355
995, 68
ρ H 2O

• Đối với pha khí

Áp dụng công thức:

Pj =

mi
mj
V

.RT ⇒

mj
V

= ρj =

Pj .M
RT

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp:

⇒ ρ ytb =

P.M y
RT

=

M y T0 P
. . ( kg / m3 )
22, 4 T P0
~ 10 ~

j


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

Với:

ρ ytb : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp.

My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí.
T0: Nhiệt độ ở đktc. T0=273°K.
T: Nhiệt độ làm việc của tháp. T= 273+30=303 °K.
P0: Áp suất ở đktc P0=1 atm.
P: Áp suất làm việc của tháp P= 5atm.
Tính Mytb .
Mytb = ytb. M SO + (1 - ytb). M KK =0,01826.64 + (1-0,01826).29= 29,64 (kg/kmol)
2

29, 64 273 5
.
. = 5,96 (kg/m3)
22, 4 303 1

⇒ ρ ytb =

Tính độ nhớt µ x , µ y
* Đối với pha lỏng µ x
Áp dụng công thức:

lg µ x = xtb . lg µ SO + (1 − xtb ). lg µ H O
2

2

Trong đó:
- xtb: phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp lỏng,
xtb = 1,42.10-3 (kmol SO2/kmol H2O)
- µ SO , µ H O : độ nhớt của SO2 và H2O ở 300C, Ns/m2.
2

2

Tra bảng I.102 ( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1, Tr )
Ta có:
µ H O (300C) = 0,8.10-3 (Ns/m2)
2

Tra bảng I.101, ta có:
µ SO (300C) = 0,279.10-3 (Ns/m2)
2

=> lg µ x = 1,42.10-3. lg (0,279.10-3 )+ (1 – 1,42.10-3).lg(0,8.10-3)
=> lg µ x = -3,0976
=> µ x = 7,988.10-4 (Ns/m2)
* Đối với pha khí:
~ 11 ~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

Áp dụng công thức:

My

µy

=

y tb .M SO2

+

µ SO2

(1 − y tb ).M KK
µ KK

Trong đó:

µ y , µ SO , µ KK : độ nhớt trung bình của pha khí, của SO 2 và của không khí

-

2

ở nhiệt độ làm việc t = 300C, Ns/m2.
- M y , M SO2 , M KK : khối lượng phân tử của pha khí, của SO 2 và của
không khí ở 300C, P = 5 atm.
Tra đồ thị I-35( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 1), ta có:
µ SO (300C) = 128.10-7 Ns/m2
2

µ KK (300C) = 181.10-7 Ns/m2

⇒ µy =

My
ytb .M SO2

µ SO2

+

(1 − ytb ).M KK
µ KK

=

29, 64
= 1, 78.10−5 ( Ns / m2 )
0, 01826.64 (1 − 0, 01826).29
+
128.10−7
181.10 −7

b. Đường kính tháp.
Áp dụng công thức: D =

4Vtb
Vtb
=
π .3600ωtb
0, 785ωtb

(m)

- Vytb: lượng khí trung bình đi trong tháp, m3/h.
- ω ytb : tốc độ khí trung bình đi trong tháp, m/s.
* Tính lưu lượng thể tích khí và lỏng trung bình đi trong tháp:

Vtb =

G ytb .M ytb

ρ ytb

(m3/h)

Trong đó:
- Gytb : lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h
- Mytb: khối lượng phân tử trung bình của khí trong tháp, kg/kmol
ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp, kg/m3
=> G ytb =

G yd + G yc

= Gtro (1 + Ytb )
2
Ytb = 0,0186 (kmol SO2/kmol khí trơ)

~ 12 ~


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

- Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp Gytb:
=> Gytb = 389,73 (1 + 0,0186) = 396,98 (kmol/h)

⇒ Vytb =

396,98.29, 64
= 1974, 24 (m3/h)
5,96

Lượng hơi trung bình trong tháp(kmol/h):
Gy = Gytb. Mytb= 396,98. 29,64=11766,487 (kg/h).
- Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp:
G + G xc
G xtb = xd
(kg/h)
2
Gxd = 15306,62(kmol/h)
Gxc = Gxd + GSO bị hấp thụ
2

G SO2bihapthu

43, 47
= 15328,355 (kmol/h)
2
2
Mxtb=xtb.MSO2 +(1- xtb).MH2O=1,42.10-3.64+(1-1,42.10-3).18=18,065
Lượng lỏng trung bình (kg/h).
Gx= Gxtb. Mxtb =15328,355 × 18,016 = 276155,6437 (kg/h)
⇒ Gxtb = Gxd +

Vxtb =

= 15306, 62 +

Gxtb .M xtb 276155, 6437.18, 065
=
= 5003,85 ( m3/h)
ρ xtb
997

*Tính vận tốc của khí đi trong tháp ω ytb , m/s.
Áp dụng công thức:
Y =1,2.e-4X
0,16

ωs2 .σ d .ρ ytb  µ x 
Với Y =
 ÷
g .Vd3 .ρ xtb  µn 

G
X = x
 Gy


1
4

1
8

  ρ ytb 
÷

÷  ρ xtb ÷

 

ω s : tốc độ đảo pha, m/s

Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3
σ d : bề mặt riêng của đệm, m2/m3

~ 13 ~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

Tháp hấp thụ SO2 mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasig đổ lộn xộn:
đệm bằng sứ kích thước 30×30×3,5.
Vđ= 0,76 m3/m3
σ d = 165 m2/m3

Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình (kg/s).
Gy =11766,487 (kg/h) = 11766,487/3600 (kg/s).
Gx= 276155,6437 (kg/h) = 276155,6437 /3600(kg/s).
g: gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2

µ x , µ n : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở
200C, Ns/m2.
µ n (20 0 C ) = 1,005.10-3 (Ns/m2)
µ x (30 0 C ) = 7,988.10-4(Ns/m2)

ρ xtb , ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí (kg/m3)

ρ x = ρ xtb = 997 (kg/m3)
ρ y = ρ ytb = 5,96 (kg/m3)

⇒ X =  Gx
 Gy


1

1

1

1

 4  ρ ytb  8  246522,3 / 3600  4  5,96  8
=
÷

÷ = 0,513
÷  ρ xtb ÷  276155, 6437 / 3600 ÷
997







Từ phương trình của Y ta có:
ωs =

1, 2.e−4 X × g × Vd3 × ρ xtb
0,16

µ 
σ d × ρ ytb ×  x ÷
 µn 

=

1, 2.e−4.0,513 × 9,81× 0, 763 × 996
0,16

 7,988.10−4 
165.5,96 × 
−3 ÷
 1, 005.10 

= 0,835

m/s

Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, xong thực
tế tháp đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng nữa sẽ rất khó bảo đảm quá
trình ổn định. Vì vậy
Tốc độ thích hợp tính theo phương pháp này thường bằng khoảng:
ω y = (0,8 ÷ 0,9) ω dp
Ta chọn: ω y = 0,85. ω dp = 0,85.0,835= 0,71 (m/s)

Thay các giá trị ta có đường kính tháp.
=> Đường kính của tháp:
~ 14 ~


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

D=

4.1974, 24
= 0,992(m)
3600.3,14.0, 71

Quy chuẩn D=1(m)
=> Lúc này tốc độ khí trung bình đi trong tháp là:

ϖ ytb =

4.Vytb
D 2 .3600.π

=

4.1974, 24
= 0, 70(m / s )
12.3600.3,14

có ω ytb ≈ (0,8 ÷ 0,9) ω dp => kết quả phù hợp
Kiểm tra điều kiện thiết kế

d dem 4.Vd
4.0, 76
1
=
=
= 0, 018 <
= 0, 02
D
σ d .D 165.1
50
⇒Đệm trên là phù hợp.
Kiểm tra theo mật độ tưới
- 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 = π.D2/4 = 3,14.12/4 = 0,785 ,m2.
Vx= 5003,85 (m3/h).
⇒ U tt =

Vx 5003,85
=
= 6374,33 , m3 /m2.h
Ft
0, 785

- Mật độ tưới thích hợp:
Ut.h = δ d .B (m3/m2.h)
B= 0,158 m3 /m.h , δ d : bề mặt riêng của đệm, δ d =165 (m2/m3)
Ut.h=0,158.165=26,07 ,m3 /m2.h
U t .t 6374,33
=
= 244,5 > 1
⇒
U t .h
26, 07

~ 15 ~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

⇒ Đệm thấm ướt tốt.
2. Tính chiều cao tháp đệm
Áp dụng công thức xác định chiều cao của lớp đệm:
Hđ = my.hy ,m.
Trong đó:
my : số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi (khí)
hy : chiều cao của một đơn vị chuyển khối.
* Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối
Ta áp dụng công thức:
hy = h1 + m.

Gy
Gx

.h2

,m.

Trong đó:
h1, h2 : chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng (m)
Gx, Gy: lưu lượng trung bình của pha lỏng, pha khí (kg/h)
m: hệ số góc của đường cong cân bằng
* Tính h1.

h1 =
Áp dụng công thức:

Vd
Re0,25
.Pry2/3 , m
y
a.ψ .δ d

Trong đó:
Vđ: Thể tích tự do của đệm Vđ= 0,76 (m3/m3)
a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm. Đệm vòng a= 0,123.
Rey : chuẩn số Reynold cho pha hơi.
Pry : chuẩn số Prandt cho pha hơi.
Ψ: Hệ số thấm ướt của đệm
Ta có: Re y =

4.ω y .ρ y

δ d .µ y

Trong đó:

ω y : vận tốc khí đi trong tháp (m/s)
~ 16 ~


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

ω y = ω ytb = 0, 7(m / s )
ρ y : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (kg/m3)

ρ y = ρ ytb = 5,96(kg / m3 )

δ d : bề mặt riêng của đệm, δ d =165 (m2/m3)
µ y :độ nhớt trung bình của pha khí, (Ns/m2)
Re y =
Pry =

0, 4.ω y .ρ y

δ d .µ y

=

0, 4 × 0, 70 × 5,96
= 568, 2
165 ×1, 78.10−5

µy

ρ y .D y

Trong đó:
µ y : độ nhớt hỗn hợp khí, (Ns/m2)

ρ y : khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m3)
Dy : hệ số khuếch tán của pha khí, m2/s

Dy = DSO2 − kk

4,3.10 −7.T 1,5
=
.
1/3 2
P(u1/3
+
u
)
SO2
kk

 1
1  2
+
,m / s

÷
÷
M
M

kk 
 SO2

T : nhiệt độ K, T = 273 + 30 = 303K
P = 5 atm =5,163 at

M SO , M kk : khối lượng mol của SO2, không khí (kg/kmol)
2

u SO , u kk : thể tích mol của SO2, không khí (cm3/mol)
2

Tra bảng VIII.2 – II (tr 127).
=>

uSO2 = 44,8(cm3 / mol )
ukk = 29,9(cm3/mol)

⇒ DSO2 −kk

0, 0043.10−4 × 3031,5
1
1
−6
2
=
×
+
=
2,

22.10
(
m
/ s)
5,163 × (44,81/3 + 29,91/3 ) 2
64 29

µy
1, 78.10 −5
=
= 1,345
=> Pry =
ρ y .Dy 5,96 × 2, 22.10−6
Tính ψ.
~ 17 ~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

Ψ: phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp
và mật độ tưới thích hợp.
Ta có:

U t .t 6374,33
=
= 244,5 > 1
U t .h
26, 07
⇒ψ=1
⇒ h1 =

Vd
0, 76
Re0,25
.Pry2/3 =
.568, 20,25.1,3452/3 = 0, 223 m
y
a.ψ .δ d
0,123.1.165

* Tính h2 chiều cao của một đơn vị chuyển khối trong pha lỏng
1/3

 µ x2 
h2 = 256.  2 ÷ .Re 0,25
.Prx0,5 (m)
x
 ρx 
Trong đó:

µ x : độ nhớt trung bình của pha lỏng, Ns/m2
ρ x : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng,kg/m3
Ta có:

Re x =

0, 04.Gx
0,04.276155, 6437
=
= 29, 63

Ft .δ d .µ x 3600.0,785.165.7,996.10−4

Với:

δ d : bề mặt riêng của đệm (m2/m3), δ d = 165(m2/m3)
Gx: lưu lượng trung bình của pha lỏng, Gx=276155,6437/3600 (kg/s).
Ft: Diện tích mặt cắt tháp. Ft = 0,785,m2.
µ x : độ nhớt trung bình của pha lỏng = 7,996.10-4 Ns/m2
Prx =

µx
Dx .ρ xtb

Trong đó:

ρ xtb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3
Dx
: hệ số khuếch tán trong pha lỏng, m2/s

~ 18 ~


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

1
1
+
M SO
MH O

10 −6
Dx20 =

2

AB. µ H O .(u
2

2

1/ 3
SO2

+u

1/ 3
H 2O

)

2

(m 2 / s)

Trong đó:

Dx20 : hệ số khuếch tán của dung dịch lỏng ở 200C (m2/s)

M SO , M H O : khối lượng mol của SO2, H2O (kg/kmol)
2

2

M SO = 64 (kg/kmol)
2

M H O = 18 (kg/kmol)
2

A, B: hệ số liên hợp
Với các chất khí tan trong nước A = 1.
Với dung môi là nước B = 4,7.
µ H O : độ nhớt của nước ở 200C, µ H O = 1cp = 10-3 Ns/s.
2

2

u SO , u H O : thể tích mol của SO2, H2O (cm3/mol)
2

2

u SO

2

= 44,8 (cm3/mol)

u H O = 18,9 (cm3/mol)
2

1
1
+
2
64 18
− 9 (m /s)
=
=
1
,
469
.
10
4,7 ⋅ 1 ⋅ (44,81 / 3 + 18,91 / 3 ) 2
10− 6

⇒ Dx20

Dxt = Dx20 [1 + b(t - 20)] (m2/s)
Trong đó:

b=

0,2. µ H O
2

3

ρ

µ H O : độ nhớt của nước ở 200C, µ H O = 1cp = 10-3 Ns/s.
2

2

ρ : khối lượng riêng của nước ở 200C.
Tra bảng I.5 => ρ = 998,23 (kg/m3)
=> b =

0,2. 1
= 0,02
3
998,23
~ 19 ~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

=> Dx 30 = 1, 469.10−9 × [ 1 + 0, 02.(30 − 20) ] = 1, 763.10 −9
7,988.10−4
=> Prx =
= 454, 45
997 ×1, 763.10 −9
2/3

 7,988.10−4 
0,25
0,5
⇒ h2 = 256. 

÷ 29, 63. .454, 45 = 1,1(m)
997


*Tính m hệ số góc của đường cân bằng
Dựa vào bảng số liệu => m = 9,83
⇒ Chiều cao của một đơn vị chuyển khối
hdv = 0,223+

9,83.11766, 487
.1,1 =0,27 m
276155, 6437

*Tính số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha khí

my =

Yd

dY
∫ Y − Ycb
Yc

Y : thành phần làm việc của hơi.
Ycb : thành phần mol cân bằng của hơi.
Ta xác định số đơn vị chuyển khối theo phương pháp tích phân đồ thị. Việc tính
tích phân đó có thể dựa voà việc vận dụng đồ thị

1
1

trong hệ toạ độ
Y − Ycb
Y − Ycb

Y. Giá trị của tích phân bằn diện tích hình thang cong giới hạn bởi đồ thị

1
Y − Ycb

và đường Yd = 0,03093 (kmol SO2/kmol không khí)
Yc = 6,186.10-3 (kmol SO2/kmol không khí)

Bảng số liệu cho đồ thị tích phân
Y

Ycb

1/(Y-Ycb)

0.006186

0

161.6553508

0.007926

0.001919093

166.4750201

~ 20 ~

Si

0.285473423


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

0.009666

0.003844794

171.7857029

0.294286829

0.011406

0.005777137

177.6557791

0.304014089

0.013146

0.007716158

184.1674056

0.314786171

0.014886

0.009661889

191.4201415

0.326761166

0.016626

0.011614368

199.5357837

0.340131655

0.018366

0.013573627

208.664911

0.355134604

0.020106

0.015539704

218.995887

0.372064894

0.021846

0.017512634

230.7674693

0.39129412

0.023586

0.019492451

244.2868323

0.413297242

0.025326

0.021479194

259.9559227

0.438691197

0.027066

0.023472898

278.3110195

0.46829224

0.028806

0.025473599

300.0839164

0.503203594

0.030546

0.027481335

326.2998994

0.54495392

0.030894

0.027883729

332.1960289

0.114578292

�Si=5,5

Diện tích miền giới hạn của đường cong ta được: S = 5,5. Diện tích hình
thang cong chính bằng số đơn vị chuyển khối là my =5,5.
⇒ Chiều cao của lớp đệm: H = my.hdv=5,5.0,27=1,485 m.
Quy chuẩn H=1,5
Đây thực chất là chiều cao lớp đệm. Chiều cao của tháp ngoài chiều cao của
lớp đệm còn tính đến chiều cao từ mặt trên của đệm đến đỉnh tháp và từ mặt dưới
đệm tới đáy tháp.
Áp dụng công thức:
Htháp = Hđệm + Hđệm- nắp + Hđệm- đáy
• Hđệm-nắp
=1m
~ 21 ~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

• Hđệm-đáy
=1m
Vậy chiều cao tháp Htháp = 1+1+1,5=3,5 m.
3. Trở lực tháp đệm
Áp dụng công thức:
∆ P = ∆ Pu + ∆ Pk

Trong đó:
∆ Pk : Tổn thất đệm khô
∆ Pu : Tổn thất đệm ướt

Tháp hấp thụ đạt hiệu suất cao nhất khi vận tốc của khí bằng vận tốc điểm

đảo pha.
=> Trở lực của tháp đệm đối với hệ khí - lỏng tại điểm đảo pha có thể xác định
được bằng công thức sau:
0,405
0,225
0,045


 Gx 
 ρy 
 µx 
∆Pu = (1 + K )∆PK = ∆PK . 1 + A1 
. ÷ . ÷ 
G ÷
÷
 ÷
 ÷ 

 y
 ρy 
 µy 


Trong đó:
∆ Pu: tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc
độ của khí đi qua đệm khô (N/m2)
∆ PK: tổn thất của đệm khô (N/m2)
Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h)

Gy =11766,487 (kg/h) = 11766,487/3600 (kg/s).

Gx= 276155,6437 (kg/h) = 276155,6437 /3600(kg/s).

ρ x , ρ y : khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m3)
ρ y =5,96(kg/m3)

ρ x =997(kg/m3)
µ x , µ y : độ nhớt của lỏng và khí (Ns/m2)

µ y = 1, 78.10−5 ( Ns / m 2 )
µ x = 7,996.10-4 (Ns/m2)
Hệ số A1: hệ số (ứng với điểm tốc độ làm việc bằng 0,85 tốc độ pha)
=> A1 = 5,1
* Tổn thất áp suất của đệm khô tính theo công thức:
~ 22 ~


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường
2
2
H ρ y .ω t λ' H .δ d ω y .ρ y
∆PK = λ . .
= . 3
d td
2
4 Vd
2
'

• H
• ωy

• ρy

: chiều cao lớp đệm, H = 1,5 (m)
: vận tốc khí trung bình đi trong tháp

• µy

: độ nhớt trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (Ns/m2)

• δd

: bề mặt riêng của đệm (m2/m3)

• Vd

: thể tích tự do của đệm ( m3/ m3)

ω y= 0,7 (m/s)

: khối lượng riêng trung bình cúa hỗn hợp khí trong tháp, kg/m3

Nhng Rey = 568,2 > 400 => tæn thÊt ¸p suÊt cña ®Öm kh« x¸c ®Þnh theo c«ng
thøc : ∆PK =

1,56 H .ω 1y,8 .ρ y0,8 .δ y1, 2 .µ y0, 2

[II-189]

Vd3

• H
• ωy
• ρy

: chiều cao lớp đệm, H = 1,5 (m)
: vận tốc khí trung bình đi trong tháp

• µy

: độ nhớt trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (Ns/m2)

• δd

: bề mặt riêng của đệm (m2/m3)

• Vd

: thể tích tự do của đệm ( m3/ m3)

ω y= 0,7 (m/s)

: khối lượng riêng trung bình cúa hỗn hợp khí trong tháp, kg/m3

⇒Trở lực đệm khô:
1,56 ×1,5 × 0, 71,8 × 5,960,8 ×1651,2 × (1, 78.10−5 ) 0,2
∆PK =
= 601,5( N / m 2 )
3
0, 76
⇒ Trở lực đệm ướt

0,045
0,405
0,225

 7,996.10 −4  
 276155, 6437/3600 
 5,96 
∆Pu = 601,5. 1 + 5.1
÷ .  997 ÷ .  1, 78.10 −5 ÷ 
11766,
487/3600






 

⇒ ∆Pu =4731,46

~ 23 ~


Phạm Kim Ngọc - KTMT K52

⇒ ∆P = ∆Pk

+ ∆Pu = 601,5 + 4731, 46 = 5333( N / m 2 )

PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ
I.

Các thông số đặc trưng của bơm

Áp suất mặt thoáng P1= 9,81.104 N/m2
Áp suất làm việc P= 5 atm=5×1,013.105=5,065.105 N/m2
Gia tốc trọng trường g=9,81 m/s2
Ở 300C:

ρ H 2O = 995.68 (kg/m3)

μnước=0,8.10-3 Ns/m2
Áp suất toàn phần của bơm H(m):
Áp dụng phương trình becnulli ta có
2

2’

2’

1’
1

1’
P1

Mặt cắt 1-1 và 1’-1’:

Pv

ω v2
P1 ω12
+
=
+
+ H h + hmh (1)
ρ .g 2.g ρ .g 2.g
Mặt cắt 1-1 và 2-2
~ 24 ~

Hh

1


Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

Pr
ω r2
P2 ω 22
+
=
+
+ H d + hmd (2)
ρ .g 2.g ρ .g 2.g
Trong đó:
P1: áp suất bề mặt nước không gian hút
P2: áp suất không gian đẩy
ρ: khối lượng riêng của nước
Pv: áp suất trong ống hút lúc vào bơm

Pr: áp suất của chất lỏng trong ống đẩy lúc ra khỏi bơm
Hh, Hd: chiều cao ống hút và ống đẩy
hmh, hmd: tổn thất áp suất do trở lực gây ra trong ống hút và ống đẩy
∆P

hmh + hmd= ρ .g
∆P : Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống, áp
suất toàn phần của bơm là hiệu áp suất giữa hai giai đoạn hút và đẩy
ω1: vận tốc nước ở bể chứa, ω1=0
ω2: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đẩy
ω1’: vận tốc nước khi vào bơm
ω2’: vận tốc nước khi ra khỏi bơm
Thực tế: ω2 = ω2’

P2 − P1 ω1'
+
⇒ H = H 0 + hm +
ρ .g
2.g
Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống hút của bơm
hmh =

∆Ph
ρ .g

Trong đó: ∆Ph = ∆Pd + ∆Pm + ∆Pc
∆ Pd : áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống

ρ .ω h2
∆Pd =

2
∆ Pm : áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi chảy ổn định trong ống thẳng

L ρ .ω h2
∆Pm = λ .
dh 2
∆ Pc : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ

ω h2 .ρ
∆Pc = ξ .
2
~ 25 ~