Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................2
I.

Giới thiệu về khí SO2..........................................................................................2

II.

Giới thiệu về phương pháp hấp thụ. Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền........3

III.

Sơ đồ công nghệ :............................................................................................4

A. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ........................................................5
I.

Phương trình cân bằng vật chất........................................................................5

II.

Tính đường kính, chiều cao, trở lực của tháp hấp thụ :...............................7

III.

Tính toán mô phỏng :....................................................................................18

B. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THÁP.............................................................................19

I.

Vật liệu chế tạo.................................................................................................19

II.

Chiều dày thân thiết bị..................................................................................20

III.

Đáy và nắp thiết bị........................................................................................22

IV.

Mặt bích.........................................................................................................24

V. Chân đỡ.............................................................................................................28
C. THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ PHỤ.......................................................................31
I.
II.

Bơm.................................................................................................................... 31
Quạt................................................................................................................35

KẾT LUẬN.................................................................................................................39
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................40

1 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551

Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

MỞ ĐẦU
Ô nhiễm không khí do khí thải từ các hoạt động sản xuất công nghiệp là vấn đề mới
được quan tâm trong những năm gần đây và đang trở nên rất đáng lo ngại. Phần lớn các
nhà máy, xí nghiệp hoạt động bằng các dây chuyền công nghệ kiểu cũ, chưa được trang
bị các hệ thống xử lý bụi và khí độc hại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng
không khí xung quanh.
Từ đó đặt ra vấn đề phải thiết kế các hệ thống xử lý khí thải của các nhà máy trước khi
thải ra môi trường. Đồ án môn học “Quá trình thiết bị trong công nghệ môi trường” sẽ
giải quyết bài toán xử lý khí SO2 – một loại khí thải độc hại trong công nghiệp, bằng
phương pháp hấp thụ.
I.
Giới thiệu về khí SO2
Tên thông thường : Lưu huỳnh Dioxit ( Anhidrit Sunfuro)
Công thức hóa học : SO2
Phân tử gam : 64,054 g mol-1
Là một chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1ppm[1-73]
Điểm nóng chảy : -72,4°C (200.75°K)
Điểm sôi : -10°C (263°K)
Độ hòa tan trong nước : 9,4g/100ml (ở 25°C)
SO2 là một ôxit axit, tan trong nước tạo thành dung dịch axit yếu H2SO3
SO2 + H2O --> H2SO3
SO2 là chất khử khi tác dụng một chất oxi hóa mạnh
SO2 + 2KMnO4 + 2H2O --> K2SO4 + 2MnSO4 + 2 H2SO4
SO2 là chất oxi hóa khi tác dụng với chất khử mạnh hơn
2 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551

Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

SO2 + 2H2S -> 3S + 2H2O
SO2 là một chất khí gây ô nhiễm khá điển hình . Nó sinh ra chủ yếu từ quá trình đốt
cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh, ngoài ra còn có các quá trình tinh chế dầu mỏ,
luyện kim, tinh luyện quặng đồng, sản xuất xi măng và giao thông vận tải. Nó là một
trong những chất gây ra mưa axit ăn mòn các công trình, phá hoại cây cối, biến đất đai
thành vùng hoang mạc . Khí SO2 gây bệnh cho người như viêm phổi, mắt, da.
II.

Giới thiệu về phương pháp hấp thụ. Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

1. Giới thiệu về hấp thụ :
Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng, dùng để thu hồi các cấu tử quý, làm sạch
khí hoặc tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt. Khí được hút gọi là chất bị hấp
thụ, chất lỏng để hút là dung môi còn khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.
Quá trình hấp thụ được chia thành 2 loại :
 Hấp thụ vật lý : là quá trình thuận nghịch bao gồm hấp thụ và nhả hấp thụ
 Hấp thụ hóa học : là quá trình không thuận nghịch
Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào dung môi hấp thụ nên việc lựa chọn dung môi là rất
quan trọng. Nước(H2O) là dung môi được chọn để giải quyết bài toán hấp thụ SO2
trong hỗn hợp khí thải đặt ra trong bài toán này.
2. Giới thiệu về tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền :
Tháp đĩa là loại tháp được ứng dụng nhiều trong công nghệ hóa chất và thực phẩm.
Tháp đĩa được phân thành nhiều loại theo kết cấu của đĩa và sự vận chuyển của chất
lỏng qua lỗ đĩa hoặc theo ống chảy chuyền giữa các đĩa.
Loại tháp được sử dụng trong đồ án này là tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền. Tháp hình
trụ, bên trong có nhiều đĩa, có lỗ tròn hoặc rãnh. Chất lỏng chảy từ trên xuống qua các
ống chảy chuyền, khí đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc rãnh đĩa.

Tổng tiết diện của lỗ hoặc rãnh chiếm từ 8÷15% tiết diện tháp.
3 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

Đường kính lỗ từ 3÷8mm
Đĩa được lắp cân bằng, cũng có thể lắp xiên một góc với độ dốc 1/45÷1/50 [2-178]
III.

Sơ đồ công nghệ :

Hình 1 : Sơ đồ hệ thống hấp thụ xử lý SO2
Chú thích : 1. Thùng chứa khí; 2. Quạt thổi khí; 3. Bể chứa nước; 4. Bơm; 5. Tháp
hấp thụ SO2; 6. Van tiêu chuẩn; 7. Bể chứa dung dịch sau hấp thụ.
Thuyết minh công nghệ :
Hỗn hợp khí cần xử lý SO 2 – không khí được quạt thổi khí đưa vào đáy tháp, trên
đường dẫn khí vào tháp có lắp van an toàn, van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng phù
hợp yêu cầu.
4 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

Nước từ bể chứa được bơm ly tâm bơm lên trên đỉnh tháp. Trên đường ống dẫn lỏng có
van điều chỉnh như ống dẫn khí.
Khí SO2 sau khi được xử lý đi lên nắp tháp và ra ngoài qua cửa thoát khí ở nắp.
Nước hấp thụ SO2 đi qua cửa tháo lỏng ở đáy tháp rồi được đưa đến hệ thống nhả hấp

thụ.
A. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ
I.

Phương trình cân bằng vật chất
 Nồng độ khí thải đi vào tháp (theo đề bài) : Yđ = 0,1 kmol/kmol khí trơ
 Lượng khí trơ :
Ta có lượng hỗn hợp khí đi vào tháp hấp thụ được tính như sau :
Gy = Gtrơ + GSO2 = Gtrơ + Gtrơ.Yđ
Mà Gy = 15000 Nm3/h → Gy =
→ Gtrơ =

Gy
1+Y đ

=

612,2449
1+0,1

15000
24,5

= 612,2449 (kmol/h)

= 556,5863(kmol/h)

Gy, Yđ
 Lượng SO2 bị hấp thụ vào pha lỏng :
GSO2 = ŋ. Yđ. Gtrơ = 0,85. 0,1. 556,5863 = 47,3098(kmol/h)

 Nồng độ SO2 trong pha khí tại đỉnh tháp :
Yc = (1 – ŋ).Yđ = (1 – 0,85). 0,1 = 0,015 (kmol/kmol khí trơ)
 Phương trình cân bằng vật chất cho toàn tháp hấp thụ :
Gtrơ. Yđ + Gx. Xđ = Gtrơ. Yc + Gx. Xc
↔ Gtrơ. (Yđ – Yc) = Gx. (Xc – Xđ)
Y đ−Y c
Gy, Yc
→ Gx = Gtrơ.
X c−X đ

 Phương trình đường cân bằng :
y* = mx =

❑SO
P

2

.x

Với � : hằng số Henry
Ở 25°C ta có �SO2 = 0,031. 106 mmHg = 40,7895 at [3-139]
5 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551

Gx , X c

Gx , X đ


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp

KTMT K53

→ y* = m.x =
Y* =

40,7895
1

mX
1+ ( 1−m ) X

=

. x = 40,7895.x
40,7895 X
1+ ( 1−40,7895 ) X

=

40,7895 X
1−39,7895 X

Đồ thị đường cân bằng Y*=f(X)
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05

Nồng độ SO2 cân bằng trong pha khí Y* 0.04

0.03
0.02
0.01
0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Nồng độ SO2 trong pha lỏng X

B

-

B0

Yđ

Nồng độ tối đa SO2 trong pha lỏng :
Xcmax khi B≡B0

Tại B0 ta có : Y*c=Yđ=0,1 kmol/kmol khí trơ
αmin

Yc

→

40,7895 X
1−39,7895 X

→ Xcmax =

Xđ

Xc
=

-

= 0,1

Yđ
40,7895+39,7895.Y đ
0,1
40,7895+39,7895.0,1

= 0,0022

Tính lượng dung môi tối thiểu :
Gmin khi B ≡ B0. Lúc đó:
tgαmin =

Y đ −Yc
Xcmax−X đ

=

0,1−0,015
0,0022−0

= 38,6364

6 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

Gmin = Gtrơ. tgαmin = 556,6863. 38,6364 = 21508,3546(kmol/h)
Lượng dung môi thực tế thường lớn hơn Gmin 20%
→ Gx = 1,2. Gmin = 1,2. 21508,3546 = 25810,0255 (kmol/h)
 Phương trình đường làm việc :
Nồng độ cấu tử hấp thụ trong pha lỏng khi ra khỏi tháp :

-

-

Xc =
-

G SO 2
GX

=

47,3098
25810,0255

= 0,0018 (kmol SO2/kmol H2O)

Phương trình đường làm việc :

GX
G
. X +Y c − X . X đ [3-140]
G tr ơ
Gtr ơ
25810,0255
=
.X + 0,015
556,6863

Y=

= 46,3637.X + 0,015
0.12
0.1
0.08

Nồng độ SO2 trong pha khí

0.06
0.04
0.02
0
0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

Nồng độ SO2 trong pha lỏng
II.

Tính đường kính, chiều cao, trở lực của tháp hấp thụ :
1. Tính đường kính của tháp :

Công thức tính đường kính tháp hấp thụ :
D=

√

4.V tb
π .3600.❑tb

(m) [3-181]

Trong đó :
Vtb : lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp, m3/h
7 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551

0


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

�tb : Tốc độ hơi (khí) trung bình đi trong tháp, m/s
-

 Lượng khí trung bình đi trong tháp hấp thụ Vtb :
Lưu lượng thể tích khí đi vào tháp :
G y. M
❑tb

Vvào =

tb

Mtb : khối lượng mol trung bình pha khí, kmol/kg
�tb : khối lượng riêng trung bình pha khí

Mtb . P. T 0
22,4.T . P 0
G y. M
G y .22.4 .T . P0
G y. M

→ Vvào =
= M ytb . P. T 0 =
❑tb
P .T 0
22.4 .T . P0
612,2449.22,4 . ( 273+25 ) .1
=
= 14970,1727 (m3/h)
1.273

�tb =

Mtb . P
R.T

=

ytb

tb

-

Lưu lượng thể tích khí đi ra khỏi tháp :
Vra = Vtrơ + VSO2 còn lại

Gtr ơ .22 .4 .T . P 0
G SO 2 .22 .4 .T . P0
+
P .T 0

P .T 0
22.4 .T . P0
= Gtrơ (1+Yc)
P . T0
22,4. ( 273+25 ) .1
= 556,6863. (1+0,015).
1.273

=

-

= 13815,8691 (m3/h)
Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp hấp thụ :
Vtb =

Vv à o+Vra
2

=

14970,1727+13815,8691
2

= 14393,0209(m3/h)

 Tốc độ khí trung bình đi trong tháp :
Đối với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền làm việc đều đặn, công thức tính tốc độ hơi
(khí) trung bình đi trong tháp như sau :
�gh = 0,05

Trong đó :
�gh : tốc độ giới hạn trên, m/s

√

ρx
ρy

[3-186]

�x, �y : khối lượng riêng của lỏng và hơi, kg/m3
-

Pha khí :
 ytb =

❑ y đ +❑ yc
2

Khối lượng riêng hỗn hợp khí ở đầu vào :
8 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

Y đ . M SO 2+ ( 1−Y đ ) . M kk
�yđ =
T
22,4.

T0
0,1.64,06+ ( 1−0,1 ) .29
273+25
=
22,4.
273

= 1,3294 (kg/m3)
Khối lượng riêng hỗn hợp khí ở đầu ra
Y c . M SO 2+ ( 1−Y c ) . M kk
T
22,4.
T0
0,015.64,06+ ( 1−0,015 ) .29
273+25
22,4.
273

�yc =
=

= 1,2075 (kg/m3)
→ �y =
-

❑ y đ +❑ yc
2

=

1,3294 +1,2075
2

Pha lỏng :

MSO2 = 64,06 [4-13]

= 1,26845 (kg/m3)

a
1−atb 1
1
= tb1 +
ρxtb ρtb1
ρtb 2

[3-183]

Trong đó :
�xtb : khối lượng riêng trung bình của lỏng, kg/m3
�tb1, �tb2 : khối lượng riêng trung bình của cấu tử 1 và 2 của pha lỏng lấy theo
nhiệt độ trung bình, kg/m3
atb1 : phần khối lượng trung bình của cấu tử 1 trong pha lỏng
Khối lượng riêng hỗn hợp pha lỏng ở đầu vào :
�xđ = �H2O = 997,08 kg/m3 [4-11]
Khối lượng riêng hỗn hợp pha lỏng ở đầu ra :
1−x
(¿¿ c)

ρ H 2O (298 K)

xc
1
=
+¿
ρxc ρSO 2 (298 K )
Xc
0,0018
xc =
=
1+ Xc
1+0,0018

= 0,0018(kmol/kmol khí)

Nồng độ phần khối lượng :
ac =
=

x c . M SO 2
x c . M SO 2 + ( 1−x c ) . M H 2 O
0,0018.64,06
0,0018.64,06+ ( 1−0,0018 ) .18

= 0,0064 (kg SO2/ kg hỗn hợp lỏng)
9 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

Tra bảng I.2 [4-9] ta có :
�SO2 (20°C) = 1383 kg/m3
�SO2 (40°C) = 1327 kg/m3
Dùng phép nội suy ta có :
ρSO 2(20 ° C)− ρSO 2(25 ° C)
20−25

↔

ρSO 2(25 ° C)− ρSO 2(40 ° C)
25−40

=

1383−ρ SO 2(25 ° C )
−5

ρ SO2 ( 25 ° C )−1327
−15

=

→ �SO2 (25°C) = 1369 kg/m3
→

1
ρxc

=

0,0064
1369

1−0,0064
997,08

+

= 0,001

→ �xc = 998,8166 (kg/m3)
❑x đ +❑xc
2

�xtb =

→ �gh = 0,05

√

=
ρx
ρy

997,08+998,8166
= 997,9483 (kg/m3)
2
997,9483
= 0,05
= 1,4024 (m/s)

1,26845

√

Để tránh tạo bọt ta chọn vận tốc làm việc 90%.
→ �y = 90%. �gh = 1,2622 (m/s)
→ Đường kính tháp :
D=

√

4.14393,0209
π .3600. 1,2622

= 2,01 (m). Quy chuẩn D = 2,0 (m)

Tính lại vận tốc khí đi trong tháp : y =

4. V tb
π .3600 . D

2

=

4.14393,0209
π .3600 . 22

=

1,2733(m/s)
 Thiết kế sơ bộ đĩa

A

Hđ

O

H

h
hc
dlỗ

-

B

Đường kính trong của tháp : D = 2,0 m
10 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551

Lc


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

D2
4

-

Diện tích tiết diện ngang của đĩa : F = .

-

Diện tích phần chảy chuyền lỏng chiếm 15% diện tích đĩa
→ Diện tích dành cho chảy chuyền : Fch = 0,15.F = 0,15.3,14 = 0,471 m2
Đường kính ống chảy chuyền chọn là d = 0,2 m
Diện tích thực của đĩa : Ft = F – Fch = 3,14 – 0,471 = 2,669 m2
Chiều dài ngưỡng chảy tràn Lc :
Gọi no là góc chắn ở tâm bởi Lc
Ta có :

-

FAOB = 2 . S∆ OAH =2.

( 12 . OH . AH )

1 D
α D
α
¿ 2.( . . sin . . cos )
2 2
2 2
2
2
F

D
=
. sinα =
. sinα
2
π
8
α
Fquạt = F .
360
α
F
−¿
Fch= Fquạt -FAOB = F .
360
2π
α
F
Hay:
0,15.F = F .
360
2π
o
π .n
−sin n o /2=0,15. π
o
360

-

= 3,14 m2

. sinα
. sinα

Tính được no = 44º6”
Suy ra : Lc = D . sin(no/2) = 2. sin(44º6”/2)= 1,392 (m).
Chọn chiều cao ngưỡng chảy tràn hc = 50 mm
Đường kính lỗ dlỗ : Đối với chất lỏng sạch, đường kính lỗ từ 2÷6 mm[2-180]
Chọn đường kính lỗ dlỗ = 4 mm = 0,004 m.

-

Tổng diện tích sơ bộ lỗ chiếm 10% diện tích mâm :
Flỗ = 0,1. 3,14 = 0,314 m2

+ Số lỗ trên 1 đĩa : Gọi n là số lỗ trên 1 đĩa. Với bước lỗ là 19mm.
Ta có :

-

2
2
¿ .0,1=25000lỗ .
0,004
D 2
¿ . Ftd =¿
d
Σ Fl ỗ
F F

=F td ⟹ n. F 1l ỗ =Fđ i ̃ a F td ⟹ n= đĩ a . td ⟹ n=¿
F đĩ a
F1lỗ

2. Tính trở lực tháp hấp thụ :
11 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

a) Tính trở lực của một đĩa :
 Trở lực của đĩa khô ∆ Pk :
ρ y . ω2o
∆ Pk =
2

,N/m2 [3-194]

 - Hệ số trở lực, Chọn đĩa có tiết diện tự do của lỗ bằng 10%   = 1.82
ytb – khối lượng riêng trung bình của pha hơi, ytb = 1,26845 kg/m3
o – tốc độ hơi qua lỗ, o =
 Pk =

ρ y . ω 2o
2

ωy
10

= 1,82 .

=

1,2733
= 12,733 m/s
10

1,26845.12,733
2

2

= 187,1441 (N/m2)

 Trở lực do sức căng bề mặt ∆ Ps :
∆ Ps =

-

4σ
, N /m2
2
1,3 d l ỗ +0,08 dl ỗ

[3-194]

 : sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa ,N/m2
1
1

1
=
+
σ σ SO 2 σ n

Trong đó SO2, n lần lượt là sức căng bề mặt của SO2 lỏng và nước
Ở 25oC:
SO2 = 21,725.10-3N/m3 (nội suy) [4-301]
n = 72.10-3 N/m3 (nội suy) [4-301]
1
1
1
=
+
−3
σ 2 1,725.10
72. 10−3




→σ = 0,0167 N/m3

dlỗ - đường kính lỗ, dlỗ = 0,004 m
Ps =

4. σ
4.0,0167
=
=¿ 12,843 N /m2

2
1,3 d l ỗ +0,08 dl ỗ 1,3.0,004+ 0,08.0,004 2

 Trở lực thủy tĩnh do đĩa tạo ra :

12 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

( √

( ))

Gx
∆ Pt =1,3 K . hc + K .
m Lc
3

-

2

. g . ρ x , N /m

2

[3-194]

hc : chiều cao ống chảy chuyền nhô lên khỏi bề mặt đĩa
Chọn hc = 50mm = 0,05 m
Gxm : lưu lượng lỏng ,kg/s

Nồng độ mol trung bình pha lỏng:
xtb =

xđ + xc
2

=

0+0.0018
2

= 0,0009 kmol SO2/kmol hỗn hợp

Khối lượng phân tử trung bình hốn hợp lỏng: M xtb
Mtb = xtb.MSO2 + (1 – xtb).MH2O = 0,0009.64,06+(1-0,0009).18 = 18,0415 kg/kmol
Lưu lượng khối lượng pha lỏng:
Gxmtb = Gxtb . M xtb = 25810,0255.18,0415 = 465651,5751 kg/h  129,3477 kg/s
Với

Lc – Chiều dài ống chảy tràn , Lc = 0,4669m
m – Hệ số lưu lượng qua ống chảy tràn
G xmtb
Lc . ρ tb

=

465651,5751
0,4669. 997,9483

= 999,3766 5m3 /m.h thì m = 10000

-

x : Khối lượng riêng của lỏng, x = 997,9483 kg/m3

-

K : tỷ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt.
(Khi tính toán chấp nhận K = 0.5)

[

√

 ∆ Pt =1,3 0,5 . 0,05+ 3 0,5 .

(

129,3477
10000 . 0,4669

) ] . 9,81. 997,9483
2

= 1153,0485 N /m2

 Tổng trở lực của một đĩa :
∆ Pđ =∆ P k + ∆ Ps + ∆ P t

[3-192]

Thay các giá trị đã tính được ở trên vào công thức, ta được:
∆ Pđ = 187,1441 + 12,843 + 1153,0485 = 1353,0356 (N/m2)
b) Xác định số đĩa thực tế :
 Tính hệ số chuyển khối :
13 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

K y=

1

1 m [3-162]
+
βy βx
= 3,03.10−4 .0,76
y Px

βy

−4

= 3,03.10 .1,2733

0,76

= 3,03.10−4 ❑0,76
y ( Pđ −Pk )
(1353,0356−187,1441)

= 0,4245(

kmol
m skmol ) [3kmol
2

164]

βx =

33,7. 10−4 . ∆ Px
1,95. ω y −0,41

=

33,7. 10−4 .(1353,0356−187,1441)
1,95.1,2733−0,41

kmol
m skmol ) [3-164]
kmol
1
1

K y=
1 m =
1
40,7895
+
+
βy βx
0,4245 1,8954

= 1,8954(

2

= 0,0419 (kmol/m2.s)

 Tính số đơn vị chuyển khối :
Do đường cân bằng có dạng đường thẳng, do đó ta có thể xác định myT theo công thức
myT =

Ky . f
¿Gy

[3-173]

Với: t – nhiệt độ làm việc của tháp, t=25oC
Po, P áp suất ở điều liện 0oC và áp suất làm việc
Đối với tháp đĩa có ống chảy chuyền, f =F - m.fch=3,14 – 1.0,0314 = 3,1086 m2
Gy = 612,2449 kmol/h = 0,1701 kmol/s


0,0419.3,1086
0,1701

myT =

 CyT = e m

yT

= 0,765728042

= e 0,765728042 = 2,150559503

Đường kính tháp D=2,0 m nên phải tính đến lượng chất lỏng bị bắn từ đĩa dưới lên đĩa
trên U.
Ta có :
14 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

U = ( A ωy

2

-1 )2.B

kg chất lỏng
kg hơi (khí )

[3-174]

K 2.k ρy
2 g . h1. ρx
0,2. √ hc . h 1
ρy . ωy

A=
B=

Vận tốc khí đi trong tháp : y = 1,2733 m/s
Chiều cao khoảng phân ly : h1 = Hđ - hc
Trong đó khoảng cách giữa các đĩa Hđ
Chọn đĩa làm bằng thép với đường kính tháp D = 2 m. Tra bảng IX.4a [3-169] ta được Hđ =
0,5
Chiều cao cửa tràn hc = 50mm = 0,05m
→ h1 = 0,45 m
Kk = 80/ Ψ

– hệ số phụ thuộc kết cấu của đĩa

Chọn � = 0,85 với tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền → Kk = 80/0,85 = 94,1176
→ A = 1,2753
→ B = 0,0189
→ U = 0,0215 (kg chất lỏng/kg khí)
→ U’= U.30,4/18,129 = 0,0361 (kmol lỏng/kmol khí)
Yn+U ' . xn
1+U '

Ta có Y’n =

ΔYn = Yn – Y’n
 Vẽ đường cong động học :
X

Y

Y*

Y’

ΔY

AC=Y-Y*

BC=AC/Cy

AB=AC-BC

OB=YAB+ΔY

0

0,015

0

0,014485816

0,000514184

0,015

0,006974929

0,008025071

0,007489113

15 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

0,0002

0,0242727

0,00822334

0,023447548

0,000825188

0,016049395

0,007462892

0,008586503

0,016511385

0,0004

0,0335455

0,01657968

0,032409281

0,001136192

0,016965793

0,007889013

0,00907678

0,025604912

0,0006

0,0428182

0,02507227

0,041371013

0,001447195

0,01774594

0,008251778

0,009494162

0,034771233

0,0008

0,052091

0,03370447

0,050332745

0,001758199

0,018386477

0,008549624

0,009836853

0,044012346

0,001

0,0613637

0,04247975

0,059294477

0,002069203

0,018883932

0,008780939

0,010102993

0,05332991

0,0012

0,0706364

0,0514017

0,06825621

0,002380206

0,019234719

0,008944053

0,010290666

0,06272594

0,0014

0,0799092

0,06047402

0,077217942

0,00269121

0,019435128

0,009037242

0,010397886

0,072202524

0,0016

0,0891819

0,06970056

0,086179674

0,003313218

0,019481327

0,009058724

0,010424087

0,082071031

0,0018

0,0984547

0,07908527

0,095141406

0,003364535

0,01936935

0,009006693

0,010362657

0,091456578

Ta có đồ thị đường cong động học như sau :

Từ đồ thị ta có 11 bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc. Đây là số đĩa thực
tế của tháp → Ntt = 11
c) Trở lực của toàn tháp :
Trở lực của tháp đĩa có ống chảy chuyền được tính bằng công thức:
16 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

∆ P=N tt . ∆ Pđ

(N/m2) [3-192]

Trong đó: N tt : số đĩa thực tế của tháp
∆ Pđ

:Tổng trở lực của một đĩa

 Trở lực của tháp:

∆ P=N tt . ∆ Pđ

=11. 1353,0356 = 14883,3916 ( N /m2 )

3. Tính chiều cao tháp hấp thụ :
Chiều cao của tháp đĩa được xác định bằng công thức:
H=N tt . ( H đ + δ ) + ( 0,8÷ 1 ) , m

[3-169]

Trong đó:
 Hđ : khoảng cách giữa các đĩa.
Chọn đĩa làm bằng thép với đường kính tháp D = 2,0 m. Tra bảng IX.4a [3-169] ta
được Hđ = 0,5 m.
  : bề dày của đĩa. Chọn  = 0,005m
 0,8 ÷ 1 : Khoảng cách cho phép giữa đỉnh và đáy thiết bị.
Chọn khoảng cách này là 0,8 m
Thay vào công thức trên ta được chiều cao của tháp:
H = 11.(0,5 + 0,005) + 0,8 = 6,355 (m)
III.

Tính toán mô phỏng :

Thay đổi hệ số  để tìm giá trị tìm lượng dung môi thích hợp và tính toán lại các
thông số đường kính, chiều cao, trở lực:
Ở phần trên ta đã tính được lượng dung môi tối thiểu đối với quá trình hấp thụ NH3
bằng nước Gxmin = 21508,3546 kmol/h
Thực tế thì lượng dung môi cần dung luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu:
17 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

Gx =  .Gxmin , Với  = (1.2  2)
Chọn một số giá trị  và tính toán lại đường kính và chiều cao ứng với lượng dung môi
Gx = .Gxmin với các bước tương tự như trên. Ta lập được bảng sau:
β

Gx

D

Ntt

H

V

ΔP

1,2

25810

2,0

11

6,4

7,2459

15872,0132
6

1,3

27961

2,0

10

4,6

5,1998

14934,8647
6

1,4

30112

2,0

9

4,2

4,7929

13885,0520
3

1,5

32263

2,0

8

3,9

4,3860

12727,3752
3

1,6

34413

2,0

7

3,5

3,9790

11466,02338

1,7

36565

2,0

6

3,2

3,5721

10104,6900
1

1,8

38715

2,0

6

3,2

3,5721

10375,9930
5

1,9

40866

2,0

5

2,8

3,1651

8868,60239

2,0

43017

2,0

5

2,8

3,1651

9086,68770
2

Tỷ lệ giữa chiều cao và đường kính của tháp hấp thụ thường lớn hơn 3,dựa vào bảng
mô phỏng áp suất ta chọn P = 1at, D = 2m, H = 6,4 m.
Như vậy, khi tăng lượng dung môi, giữ nguyên áp suất và nhiệt độ thì :
-

Đường kính tháp không thay đổi
Chiều cao tháp giảm
Trở lực tháp tăng

Ta có các giá trị :
18 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

-

Lưu lượng dung môi vào tháp : 25810,0255 kmol/h
Khối lượng riêng trung bình chất lỏng : 997,9483 kg/m3

B. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ THÁP
I.
Vật liệu chế tạo
Các yếu tố cần xem xét để lựa chọn vật liệu chế tạo :
-

Môi trường làm việc : Anhidrit Sunfuro SO2
Nhiệt độ làm việc : nhiệt độ thường
Áp suất làm việc : áp suất thường
Tính kinh tế
Tính thông dụng

Theo bảng XII.24[34-325] ta chọn vật liệu chế tạo là CT3.
II.

Chiều dày thân thiết bị

Thân tháp hình trụ, được chế tạo bằng cách cuốn tấm vật liệu với kích thước đã định
sau đó hàn ghép nối. Chọn phương pháp hàn hồ quang tay.
Ứng suất cho phép của thép CT3 khi kéo: [ σ K ]=

σ tk
.η
nb

Ứng suất cho phép của thép CT3 khi chảy: [ σ c ] =

σ tc
.η
nc

Trong đó:
t

-

σk

, σ tc : giới hẹn bền khi kéo và giới hạn bền chảy – K = 380.106 N/m2,

ch = 240.106 N/m2



[3-309]

nb : Hệ số an toàn theo giới hạn bền khi kéo. Tra bảng XIII.3[3-356] – ta được nb =
2,6; nc = 1,5
 : Hệ số điều chỉnh. Tra bảng XIII.2[3-356] – Ta được  = 1

[ σ K ]=

[c] =

380 . 106
.1 = 146,1538.106 (N/m2)
2,6
240. 106
1,5

. 1 = 160.106 (N/m2)

19 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

Chọn giá trị  = 146,1538.106 là giá trị bé hơn trong hai giá trị này để tính toán tiếp.
Thân hình trụ chịu áp suất trong:
Chiều dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong p được xác định theo công thức
sau
S=

Dt . p
2 [ σ ] φ+ p

+ C ,m

(II.1)

[3-360]

Trong đó:
 Dt - Đường kính trong
  - Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc. Độ bền này phụ thuộc
vào dạng mối hàn và vật liệu. Với thép CT3 và dùng phương pháp hàn hồ
quang bằng tay thì độ bền mối hàn h đối với thép CT3 khi hàn giáp mối 2
bên là h =0,95[3-362]
 C – số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày,m
 P – Áp suất trong thiết bị, N/m2. Trong môi trường là hỗn hợp hơi khí –
lỏng thì áp suất làm việc bằng tổng áp suất pmt hơi (khí) và áp suất thủy
tĩnh của cột chất lỏng.
Áp suất môi trường làm việc: pmt = 1at = 105 N/m2
Áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng:
Pl=g . ρl . H l ,N/m2
 H1 – chiều cao cột chất lỏng
 l – Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3
 g – Gia tốc trọng trường, g = 9,81m/s2
Chọn điều kiện áp suất lớn nhất sao cho tháp làm việc ở điều kiện nguy hiểm
nhất mà vẫn an toàn: Hl = 6,4 m
 Pl=9,81.997,9483 .6,4=¿ 62655,1861 (N/m2)
Áp suất trong thiết bị: P = Pmt + Pl = 105 + 62655,1861 = 1,6266.105 N/m2
Xét biểu thức:

[σk ]
Pt

146,1538. 106
. φh =
5
1,6266. 10

.0,95= 898,5233 >50, do đó có thể bỏ

qua đại lượng P ở mẫu của công thức II.1.
Suy ra bề dày của thân thiết bị
20 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

S=

Dt . p
2[σ ]φ

2.1,6266 . 105
2.146,1538 . 106 .0,95

=

+C

+ C = 0,0012 + C (m)

Với C là hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn và dung sai bề dày:
-

C = C1 + C2 + C3
C1 : Hệ số bổ sung do ăn mòn. Chọn C1 = 1 mm ( Thép bền vừa, tốc độ ăn mòn
0,1 mm/năm. Thời gian làm việc 15 năm)
C2 = 0 – do chỉ tính trong trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn.
C3 = 0,4 mm. Tra bảng XIII.9[3-364]

 C = 1 + 0 + 0,4 = 1,4 (mm)

Bề dày thân thiết bị: S = 1,2 + 1,4 = 2,6 (mm)
Chọn chiều dày thiết bị S = 3 mm
Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước):
Áp suất thử tính toán Po được xác định theo công thức:
-

Po = pth + pl
Pth – Áp suất thủy lực lấy theo bảng XIII.5[3-358], N/m2
Pth = 1,5 Plv = 1,5 at
Pl – Áp suất thủy tĩnh của nước.
Pl = glH = 9,81.997,08.6,4 = 0,626.105 ,N/m2

 Po = pth + pl = 1,5.105 + 0,626.105 = 2,126.105 N/m2

Ứng suất thử ở thân thiết bị theo ứng suất thử tính toán được tính theo công thức:
σ

=

[ Dt +( S−C) ] P o 
2(S−C)φ

σc
1,2

,N/m2

[3-365]

Thay các giá trị trong công thức ta tính được :
σ

=

[ 2+ (3−2,6 ) . 10−3 ] .2,126 . 105
−3

2 ( 3−2,6 ) .10 .0,95

= 559,5856.106 >

240. 106
1,2

= 200.106

N/m2
Chọn lại S = 4 mm. Tính lại như trên ta có σ = 106,6783 N/m2 thỏa mãn. Vậy S = 4mm
21 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

III. Đáy và nắp thiết bị
 Áp suất làm việc trong thiết bị là 2,126.105 N/m2 > 7.104 N/m2, thiết bị thẳng đứng
nên chọn đáy và nắp elip có gờ.
Với tháp có đường kính Dt = 2000mm, tra bảng XIII.10[3-382] ta có :
- Chiều cao gờ : h = 40mm
- Bề mặt trong F = 4,6 m2
 Chiều dày S được tính theo công thức:
Dt . p

Dt
3,8. [ ơ k ] . k . φh− p 2 hb

S=

.

+ C ,m [3-385]

Trong đó:
-

hb – Chiều cao phần lồi của đáy. Tra theo bảng XIII.10[3-382], ứng với đường kính

Dt = 2 m được hb= 500mm = 0,5m
h – Hệ số bền của mối hàn hướng tâm. Tra bảng XIII.8[3-362], h = 0,95
k – Hệ số không thứ nguyên
C – Đại lượng bổ sung, được tính theo công thức XIII.17

Tính hệ số k theo công thức:

k=1-

d
Dt

Với d là đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng. Chọn d = 0,3m
d
Dt

k=1Xét biểu thức:

[σ ]
P

0,3
2,0

=1. k . φh =

= 0,85
6

106,6783. 10

5
2,126. 10

.0,85.0,95

= 405,1869 30. Có thể

bỏ đại lượng p trong công thức tính S.
Vậy chiều dày nắp :
S=

Dt . p
D
. t
3,8. [ ơ k ] . k . φh 2h b

+ C ,m

5

S=

2.1,6266 .10
2
.
6
3,8. [ 146,1538.10 ] .0,85 .0,95 2.0,5

+ C = 0,0015 +C (m)

Do S – C = 1,5 mm < 10 mm nên phải tăng đại lượng bổ sung C thêm 2mm
22 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

C = 2,6 +2 = 4,6 mm
S = 1,5 + 4,6 = 6,1 mm
Chọn S = 6 mm.
 Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thử thủy lực bằng công
thức XIII.49[3-386]:
=

[ D2t +2 h b ( S−C ) ] Po
7,6. k . φk .h b ( S−C )

=

[ 22 +2.0,5 . ( 6−4,6 ) . 10−3 ] .2,126 . 105

= 198,026.106

7,6.0,85.0,95 .0,5 ( 6−4,6 ) . 10−3

N/m2
Thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn

σc
1,2

=

240. 106
1,2

= 200.106 N/m2

Vậy bề dày nắp S =6 mm
IV.

Mặt bích

Mặt bích là bộ phận quan trọng để nối các phần của thiết bị, cũng như nối các phần
khác với thiết bị. Do thiết bị làm việc ở áp suất thường và sử dụng phương pháp hàn
đứng nên ta chọn bích liền.
1. Bích nối nắp với đáy và thân :
Chọn bích liền bằng thép kiểu IV, do tháp làm việc ở áp suất thường
Tra bảng XIII.27[3-423] ta được các thông số sau:
Kích thước nối
Py .10-6
N/m

2

Kiểu
bích

Dt
D

Db

Dl

Do

Bulông

(ĐKtrong)

db
Mm
0,1

IV

2000

2141

2090

2060

2015

M20

z

h

cái

mm

44

32

23 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

Tháp có chiều cao khá lớn 6,4m với 11 đĩa do đó ta phải sử dụng thêm bích nối thân
thiết bị.
Như vậy số mặt bích phải dùng là 5 bích
2. Bích nối ống dẫn và các bộ phận của thiết bị :
Chọn bích liền bằng kim loại đen.
 Ống dẫn khí :
Lưu lượng khí đi vào tháp ở điều kiện nhiệt độ và áp suất làm việc: 14970,1727 m3/h.
Vận tốc khí ra khỏi tháp – tra bảng II.2[4-370]- Tốc độ trung bình của chất lỏng và khí
chuyển động trong ống dẫn . Khí vào ở áp suất thường nên chỉ dùng quạt. Chọn vận tốc
khí vào yv = 15 m/s
Đường kính ống dẫn khí ra:
Dyv =

√

V y, v
0,785. 3600. yv

=

√

14970,1727
0,785.3600 .15

= 0,3532 (m)

Quy chuẩn: Dyv = 350 mm
Do lưu lượng khí ra tháp không khác nhiều với lưu lượng khí vào tháp nên ta chọn
đường kính ống dẫn hơi ra bằng đường kính ống dẫn hơi vào: Dyr = 350 mm
Chọn kiểu bích liền bằng kim loại đen. Tra bảng XIII.26[3-416]
Chọn kiểu bích I
Ống
Py .10-6
N/m2

Kích thước nối

Kiểu
bích

Dy ,mm
D

Dt

D1

Bulông

I

(ĐKtrong)

Dn
db
Mm
0,1

24

350

377

485

445

415

M20

z

h

cái

mm

12

22

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551


Xử lý SO2 bằng phương pháp hấp thụ dùng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền – Nguyễn Thái Bình Hạnh – Lớp
KTMT K53

Kích thước bề mặt đệm lót lấy bảng XIII.30[3-432]:
Py.10-6

Dy

B

b1

Z (số rãnh)

0,25 – 21

350

5

1

3

Kích thước chiều dài ống nối. Tra bảng XIII.32[3-434] , với áp suất nhỏ hơn 2,5.106 N/m2
được l = 150mm

 Ống dẫn lỏng vào tháp:
Lưu lượng lỏng vào tháp: Gx = 25810,0255 kmol/h
Lưu lượng thể tích: Vxv =

G X . M H2O
ρ H 2O

25810,0255.18
997,08

=

= 465,9410 m3/h

Chọn vận tốc chất lỏng vào tháp: x,v = 2,0 m/s
Đường kính ống:
Dx,v =

√

V x ,v
0,785 . 3600.xv

=

√

465,9410
0,785 . 3600.1

= 0,287 (m)

Quy chuẩn: Dx,v = 0,3 m.Tra bảng XIII.26[3-415]

Ống

Kích thước nối

Kiểu
bích

Dy ,mm
Py .10-6
N/m

Dt

D1

Bulông

I

(ĐKtrong)

Dn

2

25

0,1

D

db

z

h

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN - ĐT: 0438681686 - Fax: 0438693551

Mm

300

325

435

395

365

M20

cái

mm

12

22