đồ án hấp thu SO2 bằng tháp mâm xuyên lỗ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

 Đặt vấn đề
Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của các ngành sản
xuất công nghiệp, làm cho xã hội loài người biến đổi rõ rệt. Các nhà máy, xí nghiệp,
các khu công nghiệp, trại chăn nuôi tập trung được hình thành... tất cả sự phát triển này
đều hướng tới tạo ra sản phẩm mới, đáp ứng nhu cầu của con người tạo điều kiện sống
tốt hơn. Nhưng đồng thời thải ra các loại thất thải khác nhau làm cho môi trường ngày
càng trở nên xấu đi. Các chất thải độc hại có tác động xấu tới con người, sinh vật, hệ
sinh thái, các công trình nhân tạo. Nếu môi trường tiếp tục suy thoái thì có thể dẫn hậu
quả nghiêm trọng cho loài người. Vì vậy việc bảo vệ môi trường, giảm thiểu tác động
có hại của các chất ô nhiễm là vấn đề của toàn cầu. Khí thải từ ống khói các nhà máy,
xí nghiệp, khu công nghiệp... được xem là nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô
nhiễm không khí. Các chất khí độc hại như: SOx, NOx, VOC, CO, CO2, hydocacbon,
bụi... đang dần gia tăng trong bầu khí quyển. Gây nên các hiện tượng, hiệu ứng nhà
kính, mưa xít, sương mù quang hóa... tác động xấu đến con người, sinh vật và các hệ
sinh thái, hoạt động lao động sản xuất ...
Để bảo vệ môi trường và bảo vệ cho cuộc sống của con người, sinh vật thì khí thải từ
ống khói nhà máy, từ hoạt động khác cần được xử lý trước khi thải vào môi trường
không khí.

 Mục tiêu đồ án
−
−
−
−

Tính toán xử lý SO2 bằng phương pháp sủi bọt
Tính toán thiết bị, chọn quạt gió và ống khói

Xây dựng quy trình vận hành, bảo trì
Với lưu lượng khí thải là 15000m 3/h, nồng độ khí SO2 là 15.2g/m3, nhiệt độ khí thải là
500C

 Phương pháp thực hiện
−

Nghiên cứu lý thuyết trong các sách, giáo trình chuyên ngành.

−

Sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn

−

Tìm và tham khảo tài liệu trên Website có liên quan.

−

Tham khảo các đồ án xử lý khí SO2 đã thực hiện.

−

Tính toán các công trình đơn vị trong hệ thống xử lý nước thải

−

Xử lý thông tin đưa vào chương trình tin học: word, autocad.
1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2
Sunfua dioxit là một hợp chất hóa học có công thức SO2. Chất khí quan trọng
này là sản phẩm chính của sự đốt cháy hợp chất lưu huỳnh và nó là một mối lo môi
trường đáng kể. SO2 thường được mô tả là "mùi hôi của lưu huỳnh bị đốt cháy". Nó là
sản phẩm tạo thành trong quá trình núi lửa hoạt động và một số hoạt động công nghiệp
khác nhau.
SO2 là loại chất ô nhiễm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp cũng như
trong sinh hoạt của con người. Nguồn phát thải SO 2 chủ yếu là từ Các trung tâm nhiệt
điện, các loại lò nung, lò hơi khi đốt nhiên liệu than, dầu và khí đốt có chứa lưu huỳnh
hoặc các hợp chất lưu huỳnh.
Ngoài ra, một số công đoạn sản xuất trong công nghiệp hóa chất, luyện kim,
cũng thải vào bầu khí quyển một lương SO 2 đáng kể. Trên thế giới hàng năm tiêu thụ
gần 2 tỷ tấn than đá các loại và gần 1 tỷ tấn dầu mỏ. Khi thành phần lưu huỳnh trong
nhiên liệu trung bình chiếm 1% thì lượng khí SO2 thải vào khí quyển là 60 triệu
tấn/năm. Đó là chưa kể lượng SO2 thải ra từ các ngành công nghiệp khác.
1.1 Tính chất SO2
- SO2 là một khí vô cơ không màu, mùi kích thích mạnh, không cháy, có vị hăng cay

dễ hóa lỏng, dể hòa tan trong nước với nồng độ thấp.
- SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở –750C và nhiệt độ sôi ở –100C.
- SO2 rất bền nhiệt (∆H0tt = - 296,9 kJ/mol).
- SO2 oxy hóa chậm trong không khí sạch, do quá trình quang hoá hay do sự xúc tác
khí SO2 dễ dàng bị oxy hoá biến thành SO3 trong khí quyển và hòa tan trong nước
tạo thành axit H2SO4.
- Nó có khả năng làm mất màu dung dịch Brom và làm mất màu cánh hoa hồng.
- SO2 tan trong nước tạo thành axit yếu
SO2 + H2O  H2SO3
- SO2 là chất khử khi tác dụng một chất oxi hóa mạnh
SO2 + Br2 + 2H2O  2HBr + H2SO4

SO2 + 2KMnO4 + 2H2O  K2SO4 + 2MnSO4 + 2 H2SO4
- SO2 là chất oxi hóa khi tác dụng với chất khử mạnh hơn
SO2 + 2H2S  3S + 2H2O
SO2 + 2Mg  S + 2MgO
- SO2 tác dụng với nước tạo thành H2SO3 nhưng H2SO3 là axit yếu
SO2 + H2O  H2SO3
1.2 Các nguồn phát sinh SO2 :
 Khí SO2 sinh ra do đốt cháy các nguyên tử lưu huỳnh hay hợp chất của 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 H2S , các quặng sunfua . . .
2


 Khí SO2 là loại chất gây ô nhiễm 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 hoả và khí đốt có

chứa lưu huỳnh .
 SO2 sinh ra từ các ngành sản xuất công nghiệp, nhà máy luyện kim, lò nung , nhà

máy sản xuất H2SO4 . . .
 Khí thải giao thông .
1.3 Tác hại khí SO2
Khí SO2, SO3 gọi chung là SOx, là những khí thuộc loại độc hại không chỉ đối
với sức khoẻ con người, động thực vật, mà còn tác động lên các vật liệu xây dựng, các
công trình kiến trúc, là một trong những chất gây ô nhiễm môi trường. Trong khí
quyển, khí SO2 khi gặp các chất oxy hóa hay dưới tác động của nhiệt độ, ánh sáng

chúng chuyển thành SO3 nhờ oxy có trong không khí. Khi gặp H 2O, SO3 kết hợp với
nước tạo thành H2SO4. Đây chính là nguyên nhân tạo ra các cơn mưa acid mưa axit ăn
mòn các công trình, làm cho thực vật, động vật bị chết hoặc chậm phát triển, biến đất
đai thành vùng hoang mạc . Khí SO2 gây ra các bệnh viêm phổi, mắt, da. Nếu H2SO4 có
trong nước mưa với nồng độ cao làm bỏng da người hay làm mục nát quần áo.


Đối với con người

SO2 và hợp chất của SO2 là những chất có tính kích thích, ở nồng độ nhất định có
thể gây co giật 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.
SOx 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. Và cuối cùng chúng có thể xâm
nhập vào hệ tuần hoàn. Khi tiếp xúc với bụi, SO x có thể tạo ra các hạt axit nhỏ, các hạt
này có thể xâm nhập vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2-3 μm.
SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể của người qua da và gây ra các chuyển đổi hóa
học, kết quả của nó là hàm lượng kiềm trong máu giảm, amoniac bị thoát qua đường
tiểu và có ảnh hưởng đến tuyến nước bọt. Hầu hết dân cư sống quanh khu vực nhà máy
có nồng độ SO2, SO3 cao đều mắc bệnh đường hô hấp. Nếu hít phải SO 2 ở nồng độ cao
có thể gây tử vong.
 Đối với thực vật

SOx bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit
sulfuric là tác nhân chính gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến sự phát triển
thực vật. Khi tiếp xúc với môi trường có chứa hàm lượng SO 2 từ 1 - 2ppm trong vài
giờ có thể gây tổn thương lá cây. Đối với các loại thực vật nhạy cảm như nấm, địa y,
hàm lượng 0,15 - 0,30 ppm có thể gây độc tính cấp.
 Đối với các công trình kiến trúc

Sự có mặt của SOx trong không khí ẩm tạo thành axit là tác nhân gây ăn mòn
kim loại, bê-tông và các công trình kiến trúc. SO x làm hư hỏng, làm thay đổi tính năng
vật lý, làm thay đổi màu sắc vật liệu xây dựng như đá vôi, đá hoa, đá cẩm thạch; phá
3


hoại các tác phẩm điêu khắc, tượng đài. Sắt, thép và các kim loại khác ở trong mơi
trường khí ẩm, nóng và bị nhiễm SO x thì bị han gỉ rất nhanh. SO x cũng làm hư hỏng và
giảm tuổi thọ các sản phẩm vải, nylon, tơ nhân tạo, đồ bằng da và giấy...
1.4 Ứng dụng
 Sản xuất axit sunfuric
 Làm chất bảo quản
Khí SO2 được sử dụng làm chất bảo quản cho hoa quả khơ, do đặc tính kháng khuẩn
của nó . Nó duy trì sự tươi sơng và ngăn ngừa mục nát, tuy nhiên sử dụng chất bảo
quản này cũng làm cho các loại hoa quả có hương vị khác.
Khí SO2 được sử dụng trong nghành cơng nghiệp chế biến rượu vang. Tuy tỷ lệ rất
ít, đóng vai trò như một chất kháng khuẩn và chống oxy hóa. Tùy từng quốc gia, có
thể cho phép nồng độ SO2 trong rượu ở một mức độ nhất định. Ở Mỹ là 350 ppm,
EU là 160 ppm và 210 ppm đối với rượu vang đỏ và trắng, hồng. Ở nồng độ thấp
dưới 50 ppm SO2 khơng ảnh hưởng đén mùi vị của rượu, nhưng nếu nồng độ cao
hơn, nó cũng tạo ra một hương vị khác.
SO2 còn được dùng trong q trình vệ sinh thiết bị trong các nhà máy sản xuất rượu
 Chống nấm mốc.
 Làm tác nhân khử: Điơxít lưu huỳnh cũng là một chất khử Trong nước, sulfur
dioxide có thể làm phai màu. Cho nên nó thường được sử dụng để làm chất tẩy quần
áo, tẩy trắng giấy, bột giấy. Ngồi ra, nó còn được sử dụng để xử lý nước thải.
 Làm thuốc thử và dung mơi trong các phòng thí nghiệm: Lưu huỳnh dioxit là một
dung mơi trơ đa năng đã được sử dụng rộng rãi cho các muối hòa tan oxy hóa cao.
Nó cũng đơi khi được sử dụng như là một nguồn của nhóm sulfonyl trong tổng hợp
hữu cơ.

1.5 Ý nghĩa
Vấn đề ơ nhiễm bầu khí quyển bởi khí SO 2 từ lâu đã trở thành mối hiểm họa của
nhiều quốc gia, nhất là các nước phát triển trên thế giới. Vì những lý do nêu trên, cơng
nghệ xử lý khí SO2 trong khí thải cơng nghiệp đã được nghiên cứu rất sớm và phát
triển mạnh mẽ.
Ngồi tác dụng làm sạch bầu khí quyển, bảo vệ mơi trường, xử lý khí SO 2 còn
có ý nghĩa kinh tế to lớn của nó bởi vì SO 2 thu hồi được từ khí thải là nguồn cung cấp
ngun liệu cho các nhà máy sản xuất axit Sunfuric (H2SO4) và lưu huỳnh ngun chất.
1.6 Các phương pháp xử lý SO2
1.6.1 Phương pháp hấp thu
Để hấp thụ SO2 ta có thể sử dụng nước, dung dòch hoặc huyền phù của muối
kim loại kiềm hoặc kiềm thổ.
 Hấp thụ bằng nước:
SO2 + H2O

< ===== > H+ + HSO34


Do độ hòa tan của SO2 trong nước thấp nên phải cần lưu lượng nước lớn và
thiết bò hấp thụ có thể tích lớn.

 Hấp thụ bằng huyền phù CaCO3
Ưu điểm của phương pháp này là quy trình công nghệ đơn giản, chi phí hoạt
động thấp, chất hấp thụ dể tìm và rẻ, có khả năng xử lý mà không cần làm nguội
và xử lý sơ bộ.
Nhược điểm: thiết bò đóng cặn do tạo thành CaSO4 và CaSO3.
 Phương pháp Magie (Mg):
SO2 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 H2SO4 ; 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
SO2 + ZnO + 2,5 H2SO4 ------> ZnSO3 + H2O
Ưu điểm :của phương pháp này là khả năng xử lý ở nhiệt độ cao (200 –
250 C) .
0

Nhược điểm : có thể hình thành ZnSO4 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 : SO2 được hấp thụ bởi dung dòch Amoniac hoặc
dung dòch 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:
5


LiCO3 32%, Na2CO3 33%, K2CO3 35%.

 Hấp thụ bằng các Amin thơm :
Để hấp thụ SO2 trong khí thải của luyện kim màu (nồng độ SO 2 khoảng 1-2% thể
tích) .
Người ta sử dụng dung dòch:
C6H3(CH3)2 NH2 (tỉ lệ C6H3(CH3)2 NH2 : nước = 1- 1) .

C6H3(CH3)2 NH2 không trộn lẩn với nước nhưng khi liên kết với SO 2 tạo thành
(C6H3(CH3)2 NH2)2 SO2 tan trong nước .
1.6.2. Phương pháp hấp phụ :
SO2 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 bò 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 .
1.6.3. Xử lý SO2 bằng phương pháp nhiệt và xúc tác :
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 .

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CƠNG NGHỆ

6


2.1 Quy trình cơng nghệ xử lý:

Sơ đồ quy trình cơng nghệ

Chú Thích:
1.Bồn chứa nước



7. Tháp mâm xun lỗ

2.Bơm ly tâm

8. Thùng chứa nước sau hấp thu

3.Van

9. Quạt khí

4.Bồn cao vị

10. Lưu lượng kế khí

5.Ống chảy tràn

11. Ống khói xả khí

6.Ống lưu lượng kế lỏng

12. Thiết bị chứa SO2

Hấp thụ khí SO2 bằng nước

Dung mơi sử dụng là dung dịch nước vì:
•

Dung môi hấp thu là nước sạch để không tạo ra cặn lắng làm cản trở dòng khí
và lỏng .
7

•

Là loại dung dịch rẻ tiền, dễ kiếm.
• Tính ăn mòn thiết bị yếu ít gây nguy hại cho thiết bị xử lý.

•

Dung dịch này ngồi nhiệm vụ hấp thụ các acid SO 2, CO2,... còn có tác dụng làm
nguội khí thải đáp ứng u cầu tiêu chuẩn về nhiệt độ khí thải đầu ra của ống
khói.

Vật liệu chế tạo tháp hấp thu:
Do phải chịu tác dụng hố học với khí thải và dung dịch có tính ăn mòn cao nên vật
liệu chế tạo tháp hấp thu và các đường ống dẫn khí được chọn là loại thép hợp kim đặc
biệt thuộc nhóm thép khơng gỉ, chúng có tính chống ăn mòn cao trong điều kiện làm
việc của thiết bị.
Nhược điểm chính là phát sinh một lượng nước thải. Nhược điểm này có thể khắc phục
bằng cách sử dụng tuần hồn dung dịch xử lý nhằm triệt để lượng hố chất trong dung
dịch và giảm lượng nước thải ra ngồi. Theo phương pháp này, dung dịch xử lý được
sử dụng tuần hồn theo một chu trình kín, chỉ thải bỏ một lượng nhỏ khi tháo cặn bùn
từ bể lắNh.


2.2 Thuyết minh quy trình
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 thực hiện quá trình hấp thu . Tháp hấp thu làm
việc nghòch dòng .
Dung môi hấp thu là nước . Nước sạch từ bể chứa được bơm lên bồn cao vò .
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 SO2 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 dòch
nước sau khi hấp thu được cho chảy vào bể chứa thực hiện quá trình trung hòa và
thải ra môi trường .

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN
Các số liệu ban đầu
Hàm lượng khí vào (%tt): 18%
Độ hấp thụ: 90%
Nhiệt độ làm việc (atm): 1
Lưu lượng hỗn hợp khí: 1500m3/h
8


3.1. Sơ đồ cân bằng vật chất của tháp mâm xun lỗ
DỊNG KHÍ RA
DỊNG LỎNG VÀO
G, Gtr, yr

L, Ltr, xv, Xv

THÁP HẤP THU

DỊNG KHÍ VÀO
G, Gtr, yv

DỊNG LỎNG RA
L, Ltr, xr, Xr

Xđ - Tỷ số mol khí trong dòng lỏng vào tháp hấp thụ ( kmolSO2/kmolH2O).
Xc - Tỷ số mol khí trong dòng lỏng ra tháp hấp thụ (kmolSO2/ kmolH2O).
Yđ - Tỷ số mol khí trong hỗn hợp khí thải vào tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolkk ).
Yc - Tỷ số mol khí trong hỗn hợp khí thải ra tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolkk ).
xđ - Phần mol khí trong pha lỏng đi vào tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolhh ).
xc - Phần mol khí trong pha lỏng ra khỏi tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolhh ).
yđ - Phần mol khí trong dòng khí khi đi vào tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolhh ).
yc - Phần mol khí trong dòng khí khi đi ra tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolhh ).
G - Suất lượng hỗn hợp khí ( kmolhh/h ).
Gtr-Suất lượng khí trơ (kmoltrơ/h ).
L - Suất lượng nước (kmolH2O/h ) .
3.2. Tính cân bằng vật chất :
 Phương trình cân bằng của hệ SO 2 -H2O được biểu diễn theo đònh luật
Henri
=

p = Hx

hoặc y*

H
Pt

=mx .

Trong đó :
9


y* : nồng độ phân mol của SO2 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 SO2 hòa tan khi cân bằng (mmHg).
Pt : áp suất tổng của hệ hấp thu(mmHg) .
H : hệ số Henry (mmHg).
Ở 30oC : H = 0.0495106 (mmHg) .

[2, Bảng IX.1, p.139]

m : hệ số phân bố .

m=

H
Pt

=

0, 0495 × 106
760

Ta có:

y=

Thay vào (1) ta được :

Suy ra : Y* =

=65,13
Y

1+ Y

Y*
1+ Y *

mX
1 + (1 − m) X

=

=m

,

x=

X
1+ X

X
1+ X

65,13 × X
1 + (1 − 65,13) X

Trong đó :
X :nồng độ SO2 trên căn bản cấu tử trơ (kmolSO2/kmolH2O)
Y* :nồng độ SO2 trên căn bản không khí ở điều kiện cân bằng
(kmolSO2/kmoltrơ)
Từ phương trình đường cân bằng ta có các số liệu đường cân bằng:

0
0

0,0002
0,0132

0,0006 0,0008 0,001 0,0015 0,002 0,003
0,0406 0,0524 0,0696 0,1081 0,1494 0,2419

Từ số liệu đường cân bằng ta vẽ đường cân bằng :

10


 Các thông số của dòng khí :
Nồng độ thể tích ban đầu :
= 18% = 0,18
Nồng độ đầu vào theo tỷ số mol :

=

yd
1 − yd

= 0,22 (KmolSO2/Kmolkhítrơ)

yc= 0,1 yđ = 0,10,22 = 0,022 (KmolSO2/Kmolkhítrơ)
 Các thông số dòng lỏng :
Hấp thu SO2 bằng nước , chọn dung môi sạch khi vào tháp nên : X đ = 0 .
Với Xđ : nồng độ đầu của pha lỏng , KmolSO2/KmolH2O .

 Lượng dung môi tối thiểu được sử dụng :
Y − Yc
Lmin
= d*
Gtr
X − Xd

Gtr : suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp .
X* : nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với (kmol/kmolH2O).
Từ đồ thò đường cân bằng ta xác đònh được :
X* = 0,00277 (KmolSO2/KmolH2O)

Suy ra :

Lmin 0, 22 − 0, 0022
=
Gtr
0,00277 − 0

= 71,48

Chọn Ltr = 1,2Lmin
Với Ltr : lượng dung môi không đổi khi vận hành , kmol/h .

Suy ra :

Ltr
L
= 1, 2 × min
Gtr

Gtr

= 1,271,48 = 85,77

Lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp hấp thu :
11


Ghh=

PV
1× 1500
=
= 58, 44
RT 0, 082 × (273 + 40)

(Kmol/h)

Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp :
Gtr = Ghh (1- ) = (1-0,18)58,44 = 47,92 (kmol/h)
Suất lượng dung môi làm việc :
Ltr = 85,77Gtr = 85,7747,92 = 4110,1 (kmolH2O/h)
Phương trình cân bằng vật chất có dạng ;
Gtr + LtrXđ = GtrYc + LtrXc

Suy ra :

Ltr
Y − Yc
= d

Gtr X c − X d

Suy ra : Xc =

Yd − Yc
Ltr
Gtr

=

0, 22 − 0, 022
= 0, 0023
85, 77

(KmolSO2/KmolH2O)

Vậy phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm:
 A: ( Xđ ; Yc) = (0 ;)
 B: ( Xc; Yđ) = (0,0023; 0,22)

Phương trình đường làm việc: Y = 86,09X + 0,022
Nlt = 5 mâm
Hiệu suất tháp hấp thụ
ntb = f()
Trong đó: độ bay hơi tương đối của hỗn hợp

độ nhớt hỗn hợp lỏng
Khi tính tích số ( tra đồ thị tìm hiệu suất trung bình [2, xem hình IX.11, p171]
Ta có được ntb = 0,57
12

N th =

Số mâm thực:

N lt
5
=
= 9(mâm)
ntb 0,57

3.3. Thiết kế tháp
3.3.1. Đường kính tháp

D=

Gtb
0,785ω y

• lưu lượng trung bình của pha khí (m3/s)

• =

Ghh + Gtr 58, 44 + 47,92
=
= 53,18
2
2

• = 53,18×22,4×

313
273

(kmol/h)

= 1365,8 (m3/h) = 0,379 (m3/s)

Tính vận tốc khí
ωyt = đươc xác định theo phương trình y = 10× e-4x
với

y=
x=

Trong đó:
• µx, µy (N.s/m2) độ nhớt của lỏng nước ở 20oC.
• ρx, ρy (kg/m3) khối lượng riêng của pha lỏng khí.
• Gx, Gy (kg/h) lưu lượng pha lỏng, khí.
• g = 9,81 (m/s2) gia tốc trọng trường.
• dtd = 6 (mm) đường kính tương đương của lỗ.

Ftd = = (m2/m3)
Ta có Ftd từ 10%  30%, chọn Ftd=20%=0,2
• ρx= ρnước = 1000 kg/m3
• µx (300C)= 0,801×10-3 (N.s/m2)
• µn(200C) = 1,005×10-3 (N.s/m2)
13

( ytb × M SO2 + (1 − ytb ) × M kk ) × 273
22.4 × T

ρy=
ytb =

yd − yc 0, 22 − 0, 022
=
= 0, 099
2
2

⇒ ρtb =

[0, 099 × 64 − (1 − 0, 099) × 29] × 273
= 1, 26
22, 4 × 313

(kg/m3)

Gx= L×18 = 4110,1×18 = 73981,8 (kg/h)
Gy = 58,44×29 = 1694,76 (kg/h)
x=
⇒ x= 1,12
y = 10× e-4x
⇒ y= 0,11
ω yt2 ×1, 26






y= =

0,16

 0,801 
×
−3
9,81× 6 ×10 × 0, 2 ×1000  1, 005 ÷


= 0,11

⇒ = 1,066 (m/s)
Vận tốc làm việc = (0,8÷0,9)
→ = 1,066×0,9 = 0,959 (m/s)
0,379
0, 785 × 0,959
 Vậy: D = =
= 0,709 (m)
Chọn D = 0,71 (m)
0,379
0, 785 × 0, 712
 ωk = =
= 0,96 (m/s)

3.3.2 Tính chiều cao tháp tính từ hai mép nối nắp và đáy

H = Ntt (Hđ +s đĩa) + Hcp (m)
[2, công thức X.54, p169]
 Ntt = 9 số đĩa thực tế
 sđĩa chiều dày của đĩa tháp, m
• s từ 0,1÷0,3 lần đường kính lỗ mâm
• Chọn sđĩa = 0,3×0,006 = 0,0018 (m)
• Chọn sđĩa = 3 (mm)
 Hcp (0,8 ÷ 1m): khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị với Hcp gồm :
• h1 khoảng cách cho phép ở mép dưới nối nắp đến thiết bị phân phối lỏng
( chọn h1= 0,25 m )
• h2 khoảng cách từ thiết bị phân phối lỏng đến mâm thứ I (chọn h 2 = 0,3
m)
14


h3 khoảng cách từ mâm cuối cùng tới mép trên nối đáy tháp ( chọn
h3=0,45m)
→ Hcp = 1m
Với D = 0.71 m chọn khoảng cách giữa các đĩa Hđ = 0,3 m
[2, p184]
 Vậy: H = Ntt(Hđ +s đĩa) + Hcp
= 9×(0,3 +0,003) +1 = 3,727 (m)
→ Chọn H = 3.8 (m)
3.3.3 Thiết kế lỗ trên mâm
dtđ = 6 mm.
Tổng diện tích tự do của lỗ bằng 15% tiết diện tháp  tổng diện tích lỗ
π × D2
π × 0.71 2
2
2

•

0, 2 ×

ΣFlỗ =

4

= 0, 2

Diện tích của một lỗ trên đĩa

= 0, 079(m ) = 79000(mm )

4
lỗ

==

≈

30 mm2

79000
= 2633
30

Tổng số lỗ trên đĩa n = =
(lỗ)
Cách phân bố lỗ theo hình tam giác đều tâm lỗ, khoảng cách giữa hai tâm lỗ là 15mm.

3.3.4 Tính trở lực qua tháp
Trở lực trong tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền được tính theo công thức.
ΔPđ = ΔPk + ΔPt
Ta có:
 ΔPk : trở lực đĩa khô (N/m2)
ΔPk = ξ
[2, công thức IX.14 , p19]
Trong đó
•
ωo (m/s) tốc độ khí qua lỗ
•
ρy (kg/m3 ) khối lượng riêng của khí
• ξ hệ số trở lực ( đối với đĩa lỗ ξ = 2,1, đối với đĩa lưới ξ = 1,4 ÷ 1,5, đối với đĩa lưới
ống làm bằng các đoạn lưới ống trên đĩa ξ = 0,9 ÷ 1). Chọn ξ = 2,1
Vận tốc khí qua lỗ được tính
ωk 0,96
ωo =

Ftd

=

0, 2

2,1×

= 4,8(m / s )

4,82 ×1, 26
= 30, 48

2

 ΔPk = ξ =
(N/m2)
 ΔPt trở lực thuỷ tĩnh của lớp chất lỏng trên đĩa.

ΔPt = ρb×g×hb
Trong đó:
• hb chiều cao lớp bọt trên đĩa:

15


0,2

hb = 4×dtđ×()0.2 =



4,82
4 × 0, 006 
÷ = 0, 08( m)
 9,81× 0, 006 

• ρb khối lượng riêng của lớp bọt trên đĩa (kg/m3)

ρb ×
Trong đó :
Gx = 73981,8 (kg/h).
Gy = 1694,76 (kg/h).

ρx= 1000 (kg/m3).
ρy= 1,26 (kg/m3).
µx = 0,656×10-3(N.s)/m2.
µ SO2

273 + C
T 23
= µo ×
×(
)
T +C
273

[1, công thức I.20, p86]
[1, Tra bảng I.113, p115]

C = 306
µo = 116 ×10 −7
2

⇒ µ SO2
My

µy

=

273 + 306  313  3
−7
= 116 ×10 ×

×
÷ = 119 × 10
313 + 306  273 

ytb × M SO2

µSO2

−7

+

( 1 − ytb ) × M kk
µ kk

[1, công thức I.18, p85]
Tra đồ thị I.35 (stt1, trang 117) ở 40 C ta được
o

µ kk = 0, 0182 ×10 −3 = 1,82 ×10 −5

µy =
⇒

29
= 1, 47 ×10 −5
0, 099 × 64 ( 1 − 0, 099 ) × 29
+
119 ×10−7
1,82 ×10−5

0,325

 73981,8 
0, 43 × 
÷
 1694, 76 

0.18

 1, 26 
×
÷
 1000 

N.s/m

 0, 656 ×10 −3 
×
× 1000 = 505, 74kg / m3
−5 ÷
 1, 47 ×10 

ρb =
ρb = 505,74 (kg/m3)
⇒ ΔPt = 505,74×9,81×0,08= 396,9 (N/m2 )
 Vậy ΔPđ= ΔPk + ΔPt = 30,48 + 396,9 = 427,38 (N/m2)
Trở lực của toàn tháp ΔPtháp = Ntt× ΔPđ = 9×427,38 = 3846,42 (N/m2)
→

16

3.4 Tính toán cơ khí và các thiết bị phụ trợ
3.4.1 Tính chiều dày thân
Áp suất làm việc của tháp:
P = ∆Ptháp + P1 + P mt
Trong đó:
•
∆Ptháp = 3846,42 (N/m2)
•
P1: Áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng
P1 = ρ×g×H = 1000×9,81×3,8= 37278 N/m2
Pmt: Áp suất pha khí trong thiết bị

•

Pmt = 1atm = 101325 (N/m2)
 P= 3846,42 + 37278 + 101325 = 142449,42 (N/m2





Khi chế tạo loại này cần chú ý:
Đảm bảo đường hàn càng rắn càng tốt, Chỉ hàn giáp nối.
 Bố trí các đường hàn dọc ở các đoạn thân trụ riêng biệt lân cận cách nhau ít nhất
100mm
Bố trí các mối hàn ở các vị trí dễ quan sát.
Không khoan lỗ qua mối hàn.
Chọn vật liệu là thép không gỉ [2, Theo bảng XII.4, p309] ta có các số liệu sau:



Ký hiệu thép: CT3



Giới hạn bền: σb = 380 x106 (N/m2)



Giới hạn chảy: σc = 240 x106 (N/m2)



Chiều dày tấm thép: b = 4-20mm



Độ dãn tương đối: δ = 25%



Hệ số dẫn nhiệt: λ = 50 (W/mo)



Khối lượng riêng: ρ = 7850 (kg/m3)
Hệ số hiệu chỉnh: η =1 [stt2, Tra bảng XIII.2 giá trị của hệ số hiệu chỉnh, p356]






Hệ số an toàn bền kéo: ηk = 2,6
Hệ số an toàn bền chảy: ηc = 1,5

[2, Tra bảng XIII.3,p356]

Chiều dày thân hình trụ được xác định theo công thức:
s= +C
[1, công thức XIII.8, p360]
 Dt: đường kính trong thiết bị (m), D=0.71 m
 P=

0.14 × 106

áp suất làm việc trong tháp

17


 ϕ: Hệ số bền mối hàn: thân hình trụ hàn dọc, hàn tay bằng hồ quang điện, hàn

giáp mối 2 bên, (đường kính D700mm) → hệ số bền mối hàn ϕh = 0,95 [stt2,
bảng XIII.8, p362].

 C: Hệ số bổ sung do bào mòn

C = C1 + C2 + C3
• (Theo trang 363- stt2). Ta có: C1 là số bổ sung do ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn

mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị, chọn C 1 = 1mm trong
thời hạn sử dụng thiết bị là 15 năm với tốc độ ăn mòn 0,1mm/năm
•

C2 là đại lượng bổ sung do bào mòn, chọn C2 = 0

• C3 là hệ số do dung sai của chiều dày [2, tra bảng XII.9, p364] chọn C 3= 0,8 mm.
⇒ C = 1,8mm

σ: ứng suất dọc trục, N/m2



[σ k ] = σ k ×η = 380×10
nk

6

2,6

[σ c ] = σ c ×η = 240 ×10

6

nc

1,5

× 1 = 146,15 × 106 ( N / m 2 )

× 1 = 160 × 106 ( N / m 2 )

Ta lấy giới hạn bé hơn trong 2 ứng suất cho phép ở trên làm ứng suất cho phép
tiêu chuẩn: [σ] = 146,15 x106 (N/m2) = 146,15 (N/mm2)
s=


•
•

D× P
0, 71× 0,14 × 106
+C =
+ 1,8 × 10−3 = 2,15 × 10−3 (m)
6
2[σ ]φh
2 ×146,15 ×10 × 0,95

Chọn chiều dày thân s = 2,2mm [2, bảng XII.9, p364].
Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước), áp suất thử được tính toán
như sau (P0)
[2, công thức XIII.27, p366]
P0 = Pth + P1
Pth áp suất thử thuỷ lực được lấy theo bảng [2, XIII.5, p358], N/m2
P1 Áp suất thuỷ tĩnh của nước, N/m2
6

→ P0 = (0,14+0,1)×10 + 37278 =

0, 277 ×106

N/m2

Kiểm tra ứng suất của thân thiết bị theo áp suất thử tính toán theo công thức [2,
XIII.26, p365].

=

(0, 71 + (2, 2 − 1,8) ×10−3 ) × 0, 277 ×106
= 146723, 7
2 × (2, 2 − 1,8) × 10−3 × 0,95

N/m2
18


(Thoả điều kiện chọn stháp = 2,2 mm)
3.4.2 Tính đáy và nắp thiết bị
Nắp và đáy cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị và thường được chế tạo
cùng loại vật liệu với thân thiết bị. Đáy, nắp có thể nối với nhau bằng cách hàn, ghép
bích hoặc hàn liền với thân . Đáy, nắp có nhiều dạng : elip, bán cầu, nón, phẳng …
Chọn hình dáng đáy tùy vào hình dạng của thân thiết bị và áp suất trong thiết bị đồng
thời phải chú ý đến các yêu cầu công nghệ . Tính toán đáy và nắp hoàn toàn như nhau.
Ta chọn đáy, nắp dạng elip.

Chọn chiều dày đáy, nắp bằng chiều dày thân




Chiều dày nắp và đáy làm việc chịu áp suất trong

[2, công thức XIII.47, p385]

s= +C
K: hệ số không thứ nguyên. Do sử dụng vòng tăng cứng hoàn toàn k=1
s=
=

Ta có
[σ ]

Dt × P
D
× t +C
3,8[σ k ] × k × φh 2hb

0, 71× 0,14 × 106
0, 71
×
+ 1,8 ×10−3 = 2,18 ×10 −3
6
−3
3,8[146,15 ×10 ] ×1 × 0,95 2 ×175 ×10

146,15 ×106
× k × ϕh =
×1× 0, 95 = 991, 7 > 30( m)
P

0.14 ×106

[2, p385]

Nên công thức tính bề dày đáy và nắp thiết bị
Với : h = 0,95 do nắp hàn bằng tay
σ = 146,15×106
19


Dt = 710 mm.
hb = 175 mm = 0,25xDt =0,25x710


[2,hình X.III, p381]

Chiều dày nắp và đáy làm việc chịu áp suất ngoài
s= +C

[2, công thức XIII.50, p387]

K: hệ số không thứ nguyên.
k = 1 do sử dụng vòng tăng cứng
kl đối với đáy không lỗ hoặc sử dụng vòng tăng cứng thì k = 0,74

[ σ ] × k × k ×φ
Ta có

P

1

h

146,15 × 106
=
×1× 0, 74 × 0,95 = 733,88 > 30
0,14 × 106

[2, p387]

Nên công thức tính bề dày đáy và nắp thiết bị
s=

Dt × P
D
× t +C
3,8[σ ] × k × φh 2hb

0, 71× 0,14 ×106
1
=
×
+ C = 7,3 ×10−4 + C
6
−3
3,8[146,15 ×10 ] ×1× 0, 74 × 0,95 2 ×175 ×10

Với h = 0,95 do nắp hàn bằng tay
σ = 146,15×106

Dt = 710mm.
hb = 175 mm.
Ta co

S − C ≤ 10mm

ta thêm 2mm so với giá trị C đã tính

C = (1,8 + 2) × 10−3 = 3,8 ×10−3

Do đó

S = (0,73 + 3,8) × 10−3 = 4,53mm

Kiểm tra ứng suất thành của đáy theo áp suất thử thuỷ lực bằng công thức [2, XIII.49,
p386].
(0, 712 + 2 ×175 ×10−3 ×12 × 10−4 ) × 0, 277 × 106
= 92 × 106 ( N / m 2 )
7, 6 ×1× 0,95 ×175 ×10 −3 ×12 ×10−4
σ=
σ = 92,106 N/m2
Chọn chiều dày đáy là 5 mm.
20


3.4.3. Tính toán ống dẫn nhập tháo liệu
 Tính toán ống dẫn khí vào
Vận tốc khí trong ống khoảng 10-30 m/s. Chọn tốc độ dòng khí vào bằng dòng khí ra
vv= 30 (m/s).
Lưu lượng khí vào Gv=1500 m3/h

Gv
1500
Dv =
=
= 0,133(m)
0, 785 × vv
0, 785 × 30 × 3600
Chọn đường kính ống dẫn khí vào = 150mm
V = 23,59 m/s
 Tính toán ống dẫn khí ra
Vận tốc khí trong ống khoảng 10-30 m/s. Chọn tốc độ dòng khí vào bằng dòng khí ra
vr= 30 (m/s).
Lưu lượng khí ra Gr = Gv Dr =

GSO2

= 1500 – 1500x(1-0,9) = 1350 m3/h

Gr
1350
=
= 0,126( m)
0, 785 × v y
0, 785 × 30 × 3600

Chọn đường kính ống dẫn khí ra = 150mm
 Đường kính ống dẫn lỏng:
Tính ống dẫn dung dịch sau khi hấp thụ ra khỏi tháp:
Vận tốc dòng lỏng trong ống dẫn vào, ra tháp từ 1,5 ÷ 2,5 m/s [1, bảng II.2, p370]
Chọn vận tốc vào là vx=2,5 m/s.

Lưu lượng nước cần cung cấp vào tháp:
4110,1×18
=
1000
Lsv=
73,98 m3/h = 0,02 m3/s
0, 02
0, 785 × 2,5
 Dv = D r = =
= 0,1 m = 100 mm
 V = 2,5 m/s
 Tính ống dẫn dung dịch sau khi hấp thụ ra khỏi tháp:
Chọn lưu lượng dung dịch sau khi hấp thụ tháo ra khỏi tháp bằng với lưu lượng nước
vào tháp.
Đường kính ống dẫn dung dịch ra khỏi tháp: 100mm
3.5

Tính mặt bích

Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ
phận khác với thiết bị
21


 Bích nối các thân của thiết bị

[2, TheoXIII.27]

Chọn áp suất làm việc của thiết bị là 1× 106 N/m2
Dt mm

Dn mm

Db mm

DI mm

Do mm

db mm

h mm

z cái

710

850

800

760

713

M24

24

30

• Dt: đường kính trong tháp
• Do: đường kính ngoài tháp
• Dn: đường kính ngoài của bích
• Db: khoảng cách từ tâm tháp đến tâm bulông
• DI: đường kính mép vát
• db: (M24) đường kính bulông db = 24 mm
• z: số bulông
 Bích nối ống dẫn với thiết bị

Chọn áp suất làm việc của thiết bị là 1,0× 106 N/m2
Kích thước mặt bích theo đường kính trong của ống dẫn [2, TheoXIII.27]
Dt mm

Dn mm

Db mm

DI mm

Do mm

db mm

h mm

z cái

150

300

218

250

159

M 22

28

8

Ống dẫn lỏng vào,
100
ra

215

108

188

158

M 20

26

8

Ống dẫn khí vào, ra

3.6 Tính khối lượng tháp

3.6.1 Khối lượng thép làm thân
Thép làm thân dày 22mm, khối lượng = 7850kg/m3
→ Khối lượng thép làm thân :

→ m1 =

π 2
π
( Dn − Dtr2 ) × H × ρ = ((0, 71 + 2 × 0, 0022) 2 − 0, 712 ) × 3,8 × 7850 = 146,8( kg )
4
4

3.6.2 Khối lượng đáy và nắp
Chiều dày nắp S = 5mm. Dtr = 710mm
22


Tra bảng XIII.11 (stt2-trang384) ta có chiều cao gờ h = 25mm
Mnắp = 23,4 kg
Vậy m2 = Mnắp-đáy = 23,4 x 2 = 46,8kg
3.6.3 Khối lượng mâm
Khối lượng một mâm:

mmâm = × sđĩa × thép =

π
× (0, 712 − 0, 2 2 ) × 3 × 10−3 × 7850 = 8, 6( kg )
4

Khối lượng của 9 mâm: m3 = 9 × 8,6 = 77,4 (kg)
3.6.4 Khối lượng bích nối thân
Chiều cao thân là 3.8 m, chia 2 đoạn vậy có 2 bích nối ở thân, 2 bích nối ở nắp và đáy
tháp. Vậy n = 4

m4= 4 x

π
× ( Dn2 − Dnt2 ) × 2h × ρthép
4

= 251,11 (kg)

7850kg/m3 khối lượng tiêng của tháp
Đường kính ngoài của tháp
Đường kính ngoài của bích
h = 0,024m Chiều cao của bích
3.6.5 Khối lượng bích ống dẫn khí với thân
m5 = 2 ×

π
π
× ( Dn2 − Dnt2 ) × h × ρ = 2 × × (0, 32 − 0,1592 ) × 0, 028 × 7850 = 22,3(kg )
4
4

Vói Dn = 300mm: Đường kính ngoài của bích
Dnt = 159mm: Đường kính ngoài của ống
h = 0,028 : chiều cao của bích
3.6.6 Khối lượng bích ống dẫn lỏng với thân
m6 = 2 ×

π
π
× ( Dn2 − Dnt2 ) × h × ρ = 2 × × (0, 2152 − 0,1582 ) × 0, 026 × 7850 = 6,8( kg )
4
4

23


3.6.7 Khối lượng lỏng chứa trong tháp
m7 =

π
π
× Dt × ( Ntt − 1) × h × ρlong = × 0, 71× (9 − 1) × 0,3 × 1000 = 1338( kg )
4
4

 Khối lượng tháp

M = m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7
= 146,8 + 46,8+ 77,4 + 251,11 + 22,3 + 6,8 + 1338 = 1889,21 (kg)
Tải trọng của tháp là 1889,219,81 = 1,8

3.7 Chân đỡ
Chọn chân đỡ có 3 chân
Tải trọng cho phép lên 1 chân 1,8×1043 = 0,6×104 (N/m2)
[2, Tra bảng XIII.35, p437]
Tải trọng L
cho phép
trên 1 chân
đở G.10-4N

B

1

150

210

B1

B2

H

h

s

d

300

160

14

23

mm
180

245

Hình 4.2:Cấu tạo chân đỡ
3.8 Chọn tai treo
Chọn 4 tai treo
Tải trọng cho phép lên tai treo 1,8×1044 = 0,45 ×104 (N/m2)
[2, Tra bảng XIII.36, p438]
24


Tải trọng L
cho phép
trên
1
chân đở
G.10-4N

B

0.5

75

100

B1

H

S

l

a

d

Khối
lượng
1tai
treo

40

15

18

1.23

Mm
85

155

6

Hình 4.3: Cấu tạo tai treo

3.9 Tính tốn thiết bị phụ trợ
3.9.1. Tính bồn cao vò :
Viết phương trình Bernoulli cho mặt thoáng của bồn cao vò (mặt cắt 1 )
và đầu ra ống dẫn lỏng vào tháp ( mặt cắt 2) .

Z1 +

P1
α1 × V12
P2
α 2 × V2 2
+
= Z2 +
+
+ ∆H
ρ×g
2× g
ρ×g
2× g

Trong đó :

Z1 , Z2 : chiều cao mặt thoáng bồn cao vò và mặt cắt đầu ra ống dẫn lỏng vào
tháp , m .
V1 , V2 : vận tốc mặt cắt 1 , mặt cắt 2 , m/s .
25