THIẾT kế THIẾT bị hấp THỤ để làm SẠCH KHÍ

THIT K THIT B HP TH LM SCH KH
Họ và tên:
Lớp :
Các số liệu ban đầu :
Thiết bị hấp thụ loại tháp chóp.
Hỗn hợp tách: H2S -không khí.
Lu lợng khí thải vào tháp là: 11.000 Nm3/h
Nồng độ H2S trong dòng khí vào theo % thể tích là: 2%
Hiệu xuất hấp thụ: 85%
Dung môi hấp thụ là H2O
Nhiệt độ và áp xuất hấp thụ,lợng dung môi mô phỏng theo một số điều kiện.
Các phần thuyết minh và tính toán:
I.
Mở đầu
II.
Tính toán cân bằng vật liệu
III. Tính toán kết cấu tháp
1. Cân bằng vật liệu
2. Đờng kính
3. Thiết kế đĩa chóp
4. Chiều cao
5. Trở lực
6. Các chi tiết của tháp
IV. Tính toán quạt hoặc máy nén khí
V.
Tính toán hệ thống bơm dung môi
VI. Tính và chọn cơ khí
VII. Kết luận
Vẽ sơ đồ dây chuyền hệ thống hấp thụ: khổ A4.
Vẽ bản vẽ chi tiết(vẽ lắp)tháp hấp thụ: khổ A1.
Giáo viên hớng dẫn

I. Mở ĐầU
S h thng hp th khớ H2S

1


Khí ra

5

7
2

6
1
4
3

Trong đó:
1. Máy nén khí
2. Đồng hồ đo lu lợng khí
3. Bể chứa nớc
4. Bơm ly tâm
5. Tháp hấp thụ

8
Lỏng ra
9

6. Van điều chỉnh
7. Đồng hồ đo lu lợng lỏng
8. Van xả lỏng sau hấp thụ
9. Bể chứa

Thuyết minh dây chuyền:

2


Hỗn hợp khí cần xử lí H2S và không khí đợc máy nén khí 1 đa vào ở đáy tháp,
trên đờng ống có nắp van điều tiết lu lợng khí và gắn vào ống trớc khi đi vào
tháp một đông hồ đo lu lợng chất lỏng vào tháp 2- Nớc từ bể 3 đợc bơm li
tâm 4 đa vào tháp 5, trên đờng ống có van an toàn 6, đồng thời điều chỉnh lu lợng; đi qua đồng hồ đo lu lợng 7 .Nớc đợc bơm vào tháp với lu lợng thích
hợp, tới từ trên xuống dới theo chiều cao tháp hấp thụ .
- Không khí chứa H2S sau khi đợc hấp thụ đi lên nắp tháp và ra ngoài lỗ nắp.
- Nớc hấp thụ H2S đi qua lỗ đáy, qua Van nhả sản phẩm hấp thụ 8 đến hệ
thống nhả hấp thụ 9.Tuy nhiên trong khuôn khổ đồ án ta không tính đến hệ
thống này.

II. TNH TON CN BNG VT LIU
Một số kí hiệu:
-Xđ: nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi
(Kmol/Kmol dm)
-Xc: nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi
(Kmol/Kmol dm)
-Yđ: nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp
khí(Kmol/Kmol khí trơ)
-Yc: nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí
(Kmol/Kmol khí trơ)

-GY: Lợng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h)
-GX: Lợng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h)
-Gtr: Lợng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (Kmol/h)
- : Lợng dung môi/Lợng dung môi tối thiểu
a/ Tháp làm việc ở :
+ Nhiệt độ : T = 0C hay T = 0K
+ áp suất : P = at hay P = mmHg = atm.
+ Nồng độ khí thải vào tháp(phần thể tích): yd =
+ Khi tính toán hấp thụ ta thờng dùng nồng độ phần mol tơng đối:
Y=

y
y
=> Yđ = d = ? (kmol/kmol khí trơ)
1 y
1 yd

X=

x
1 x

+ Hiệu suất hấp thụ = 85%
=> Yc = (1- )Yd
= ? (kmol/kmol khí trơ)
+ Lu lợng khí thải vào tháp: GY = ? (Nm3/h)
hay GY =

?
= ?(kmol/h)

22,4

+ Lợng khí trơ đợc tính theo công thức:
Gtr = GY.

1
= GY.(1-yd)
1 + Yd

(II-141)

3


=> Gtr = ? (kmol/h)
b/ Thiết lập phơng trình đờng nồng độ cân bằng:
Ycb =

m. X
1 + (1 m ) X

+ Theo định luật Henrry:
ycb = m.x
(II-138)
=> tính theo nồng độ phần mol tơng đối ta có:
Ycb =

m. X
1 + (1 m ) X

H 2 S ( 30 0 C )

Với m =

(II-138)

P

Với H S ( 30 0 C ) là hằng số henrry của H2S ở 300C
2

H 2 S ( 30 0 C ) = ? mmHg

=> m = ?
=> Ycb =

? .X
1 ? X

( phơng trình đờng nồng độ cân bằng)

Ta có bẳng số liệu:
X
Ycb

+Lợng dung môi tối thiểu cần thiết để hấp thụ khi giả thiết nồng độ cuối của
dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, tức Xc = Xcbmax
Yd Yc
GXmin = Gtr.
(II-141)

X cb max X d
Từ đồ thị đờng nồng độ cân bằng ứng với Yd= ?(kmol/kmol khí trơ)
=> Xcbmax= 0,00016 (kmol/kmol dung môi)
Yd Yc
=> lmin =
=?
X cb max X d
=> GXmin = ? (kmol/h)
+ Trong thực tế các thiết bị hấp thụ thực không bao giờ đạt đợc cân bằng
giữa các pha, nghĩa là nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng độ thực tế nên lợng dung môi tiêu tốn lớn hơn lợng dung môi tối thiểu:
GX = GXmin.
nằm trong khoảng (1,2-2), với lu lợng lỏng tối thiểu lớn ta chọn nhỏ
Chọn = 1,2 => GX = ? (kmol/h)
c/ Thiết lập đờng nồng độ làm việc:
+ Phơng trình cân bằng vật liệu cho một đoạn thiêt bị:
Gtr(Y - Yc) = GX(X - Xd) (II-140)
=> Y =

GX
G
.X + Yc - X Xd
Gtr
Gtr
4


=> Y =?.X + ? (phơng trình đờng nồng độ làm việc)
Ta có bảng số liệu:
X
Y

Đồ thị đờng nnồng độ cân bằng và làm việc:

III. TNH TON KT CU THP
1. ng kinh thỏp

a/ Công thức:

4.Vtb
.3600.tb

D=
Trong đó:

(m)

(II_181)

+ Vtb: Lợng khí trung bình đi trong tháp (m3/h)
+ tb : Tốc độ khí trung bình đi trong tháp (m/s)

b/ Tính toán:

Lợng khí trung bình đi trong tháp:
Vytb =
Với

V y + V yc
2

+ Vyđ : Lu lợng hỗn hợp khí đầu ở điều kiện làm việc (m3/h)
+ Vyc : Lu lợng khí thải ra khỏi tháp (m3/h)

Tính:

Vyđ =

G y .M ytb

ytb

(Mytb là khối lợng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí )
Mà khối lợng riêng trung bình của pha khí là:
ytb =

=> Vyđ =

M ytb .P
RT

=

M ytb .P.T0
22,4.T .P0

G y .M ytb .22,4.T .P0
M ytb .P.T0

Tính:
=>Vyc =

=

=

G y .22,4.T .P0
P.T0

= ? (m3/h)

Vyc = Vtr(1+Yc) với Vtr =
Gtr .M ytb

ytb

.(1+Yc) =

Gtr .M ytb .22,4.T .P0
M ytb .P.T0

Gtr .22,4.T .P0
.(1+Yc) = ?
P.T0

=> Vyc = ? (m3/h)
Vậy lợng khí trung bình đi trong tháp là:

5

.(1+Yc)

Gtr .M ytb

ytb


Vytb =

V y + V yc

=

2

Vytb = ? (m3/h)
Tốc độ khí trung bình đi trong tháp:
( y . y )tb = 0,065. [ ]. h. xtb . ytb (Kg/m2.s)
Với

(II_184)

+ xtb :khối lợng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

+ ytb : khối lợng riêng trung bình của pha khí (kg/m3)
+ h: khoảng cách giữa các đĩa (m)
với D = 1,2 ữ 1,8 m thì h 0,35 ữ 0,45 (m)
Ta chọn h = 0,4 (m)
[ ] - Hệ số tính đến sức căng bề mặt:
Khi < 20 (đyn/cm) thì [ ] = 0,8
Khi > 20 (đyn/cm) thì [ ] = 1

Tra toán đồ trong sổ tay I có > 20 [ ] = 1
Tính: xtb
1
a
1 atb 2
= tb1 +
xtb
xtb1 xtb 2

(II-183)

Từ phơng trình cân bằng vật liệu trong tháp:
Gtr(Yd-Yc) = GX(Xc-Xd)
=> Nồng độ phần mol tơng đối của pha lỏng là:
Xc =

Gtr
( Yd Yc )
GX

= ? (kmol/kmol dung môi)
=> xc =

Xc
= ? (kmol/kmol)
1+ Xc

=> xtb = xd + xc = xc = ? (kmol/kmol)
2

2

=> Khối lợng mol trung bình của pha lỏng:
Mxtb = xtb. M H S + (1 xtb ).M H 2O = ?
=> Mxtb = ? (kg/kmol)
Phần khối lợng trung bình của cấu tử khí H2S:
x .M
atb = tb H S = ? (kg/kg)
M xtb
ở nhiệt độ 300C:
xtb 2 = H O ,30 C = ? (kg/m3) (I-12)
2

2

2

o

xtb1 = H 2 S, 30o C =

M H 2 S 273.P
= ? (kg/m3) (I-5)
.
22,4 T .1

6


xtb =

atb
xtb1

1
1 atb = ?
+
xtb 2

xtb = ? (kg/m3)

Tính ytb
Khối lợng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí là:
MYtb = ytb. M H S + (1-ytb).MKK
2

Yd + Yc
= ? (kmol/kmolkhí trơ)
2
Y
=> ytb = tb = ? => ytb= ? (kmol/kmol)
1 + Ytb

Ytb =

Vậy ta có:
MYtb = ?(kg/kmol)
=> Khối lợng riêng trung binh của pha khí là:
ytb =

M ytb .P
RT

=

M ytb .P.T0
22,4.T .P0

=?

ytb = ? (kg/m3)

Vậy tốc độ khí trung bình đi trong tháp là:
( y . y )tb = 0,065.1. 0,4.982,2.5,61
=> ytb = ? (m/s)
Đờng kính tháp: D = ? (m)
D = ? (m) thỏa mãn với cách chọn h = ? (m).
Quy chuẩn D = 1,3 (m)
2. THIT K A CHểP
*Thiết kế đĩa
Diên tích phần đĩa chứa chóp:
F = Sdia 2.Scht
Scht = (diện tích phần quạt OAB có góc = 900) (diên tích tam giác OAB).

.S dia = ? (m2).
360
1 D

D

SOAB = . .Cos .2. .Sin = ? (m2).
2 2
2 2
2

SQuat =

=> Scht = SQuat SOAB = ? (m2).
=> F = ? (m2).
Tổng diện tich các chóp trên đĩa f:
f = .d ch .n = ? (m2).

A

2

4

o

*Thiết kế chóp:

B

7


Chọn loại chóp tròn:
Chọn chóp có đờng kính ống hơi d = 100 mm = 0,1 m
Số chóp phân bố trên đĩa

Số chóp

n = 0,1.

D2
dh

(II _236)

2

Với:
- D = ? (m)
- dh : đờng kính trong ống hơi, chọn là 0,095(m). Chiều dày ống hơi
0,0025(m).
=> Số chóp n = ? chóp.
Đờng kính chóp dch = d 2 h + ( d h + 2 ch ) 2

(m) (II_236).

ch : Chiều dày chóp,thờng trong khoảng 2 ữ 3 (mm)

Ta chọn ch = ? (m).
dch = ? (m).
Chiều cao chóp chọn ?(m)
Chiều cao chóp phía trên ống hơi
h2 = 0,25dh ? (m).
Bớc giữa các chóp 235(mm)
Chiều cao ống hơi tính từ bề mặt đĩa 126(mm)
Chiều cao ống hơi 135(mm)

Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp
S = 0ữ25 (mm). Chọn S = 20(mm) = 2.10-2 (m).
Chiều dày đĩa = 0,005(m)
Chiều cao khe chóp:
. y . y
2

b=

g . x

Với:

x = xtb = ?( Kg / m 3 )
y = ytb = ? (Kg/m3)
y =

4.V ytb
3600. .d h .n
2

=?

= 2mm
=> b = ? (m)

Chiều cao mức CL trên khe chóp: h1 = 0,015 ữ 0,040 (m)
Chọn h1 = 0,04(m)
Chiều rông của khe chóp a = 2- 7 mm. Ta chọn a = 6 mm
Đờng kính tơng đơng của khe chóp là

8


4.a.b
= ? (m) (II-194)
2( a + b )

dtd =

Số lợng khe hở của mỗi chóp:
i=

2
d

. d ch h = ? (khe)
c
4.b

Đờng kính ống chảy truyền:
chọn dc = 0,2m
Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy truyền
S1 = 0,25.dc = ? m
Chiều cao ống chảy truyền trên đĩa
hc = (h1+b+s)- h
h chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy truyền
h =

3

V

3600.1,85. .d c





2

V: thể tích chất lỏng chảy qua(m3/h):
2
V = d c . . c .3600

4

Tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền: thờng lấy c = 0,1-0,2m/s,
ở đây ta chọn c = 0,2m/s
dc = 0,2 m
V = ? (m3/h)
=> h = ? (m)
=> hc = ? (m)
Chiều cao lớp bọt trên đĩa:
hb =

( hc + hx ).( F f ) x + hx . b . f + ( hch hx ). f . b
F . b

(m) (II_185)

Trong đó:

= h = ? m
hx = ? m
b = (0,4 0,6) xtb . Chọn b = 0,6. xtb = ? (kg/m3)
=> hb =

( hc + hx ).( F f ) x + hx . b . f + ( hch hx ). f . b
F . b

=> hb = ? (m)
TNH CHIU CAO THP
Chiều cao tháp: H = Nt(Hd+ ) + 0,8 (II-169)
Trong đó:
9

=?


là chiều dày của đĩa chọn
Nt Số đĩa thực tế
Hd khoảng cách giữa các đĩa chọn Hd = ? m
3.1.Hệ số chuyển khối


1
1
m
Ky =

+
y x

(II_162)

Trong đó: + m: hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào to,P,nồng độ các pha
+ y : hệ số cấp khối pha khí (Kmol/m2.s) ( y = 1)
+ x : hệ số cấp khối pha lỏng (Kmol/m2.s) ( x = 1)



Tính hệ số cấp khối y , x :

y = 4,47.10 4. y 1,32 .Px



Kmol

(II_164)
m 2 .s. Kmol

Kmol

x = 33,7.10 4. y



Kmol
(II_164)

Kmol
m 2 .s.

Kmol


0 , 79

.Px

Trong đó:
y : Tốc độ khí tính cho mặt cắt tự do của tháp y = 0,544 (m/s)
Px = Pđ - Pk:Sức cản thuỷ lực của lớp chất lỏng trên đĩa
Pđ : Sức cản thuỷ lực chung của đĩa (N/m2)
Pk : Sức cản của đĩa khô (N/m2)
Tổng trở lc của một đĩa:
Pđ = Pk + Ps + Pt (N/m2) (II_192)
=> Pđ - Pk = Ps + Pt
Tính: Ps: trở lực của sức căng bề mặt (N/m2)
Ps

=

4. hh
d t

(N/m2)
hh = H

H 2O ,30o C

(II_192)

o
2O ,30 C

= ? (N/m)

(I-304)

Ps = ? (N/m2)

Tính: Pt : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa(trở lực thuỷ tĩnh) (N/m2)
hr

(N/m2) (II_194)
Pt = b .g . hb

2


10


hr :chiều cao của khe chóp tính đợc hr = b = ? (m)
g : Gia tốc trọng trờng = 9,81 (m/s2)
b : khối lơng riêng của bọt thờng b = ? (kg/m3)

Pt = ? (N/m2)
Px = Pt + Ps = ? (N/m2)
Vậy ta tính đợc:
y =?


Kmol
y = ?

m 2 .s. Kmol
Kmol


x = ?


Kmol
x = ?
Kmol
m 2 .s.

Kmol


Tính hệ số phân bố m:
Tính giá trị m theo giá trị x thay đổi nh sau:
y y cb
(II-173)
x cb x

m=

Ta có bảng giá trị sau :
x
y
xcb
ycb
y-ycb
xcb-x
m
Vậy ta có giá trị m là:
m=?
1
1
m = ?( Kmol )
=> Ky =
+
m 2 .s
y x

Số đơn vị chuyển khối của một đĩa trong pha hơi:
myt =

K y. f
Gy

=

22,4( 273 + 30 ) P0 . f .K y

y .273.P.F

(II-173)

Trong đó:
f: là diện tích làm việc của tháp đĩa
11


2
2
2
f = F (n.fh + m.fch) = .D - (18. .d h + 2. .d c ) (II-173)

4

4

4

f = ? (m )
y =?(m/s)
=> myt = ?
=> CY = e m = ? (II-172)
3.2 Vẽ đờng cong phụ xác đinh số đĩa:
Dựng các đoạn thẳng A1C1 , A2C2 , .. song song với trục tung với Ai
nằm trên đờng làm việc , Ci nằm trên đờng cân bằng
Tìm đoạn BiCi theo công thức sau:
2

yt

BiCi =

Ai C i
=> xác định đợc các điểm Bi
CY

Nối các điểm B1, B2, B3,..Bn ta đơc đờng cong phụ.
Từ điểm Q(x=y=xc) vẽ đờng thẳng song song với trục hoành cắt đờng nồng đọ
làm việc tại điểm thứ nhất, từ giao điển đó ta vẽ đờng thẳng song song với trục
tung cắt đờng cong phụ tại điểm thứ hai. Cứ tiếp tục vẽ các đờng song song
nh vậy cho tới điểm P(x=y=0) tức là xTính số tam giác tạo bởi giữa đờng gấp khúc đó với đờng nồng độ làm việc ta
suy ra đợc số đĩa thực tế là:
Nt = ? đĩa
3.3 Tính chiều cao tháp:
H = Nt(Hd+ ) + 0,8 (II-169)
Trong đó:
là chiều dày của đĩa chọn = 0,005m
Nt = ? đĩa
Hd khoảng cách giữa các đĩa chọn Hd = 0,4m
=> H = ? (m)
Quy chuẩn H = 13(m)
4.. TNH TR LC CA THP
Tính trở lực theo công thức :
(II_192)
P = Nt . Pđ (N/m2)
2
Pđ = Pk + Ps + Pt (N/m ) (II_192)

Trong đó :
P -Trở lực toàn tháp
Pđ - Tổng trở lc của một đĩa
Pk- Sức cản của đĩa khô
Ps- Trở lực do sức căng bề mặt
Pt Trở lực thuỷ tĩnh lớp chất lỏng
Ta đã tính đợc :
Ps = ? (N/m2)
Pt = ? (N/m2)
Tính Pk theo công thức sau:
12


y .o 2
(N/m2) (II-192)
Pk = .
2
: hệ số trở lực thờng = ( 4,5 ữ 5) chọn = 5

y : khối lợng riêng của pha khí có y = 5,61 (kg/m3)
o : Tốc độ khí qua rãnh chóp o = 0,544 (m/s)
Pk = ? (N/m2)

P

Vậy Pđ = ? (N/m2)
Trở lực toàn tháp là:
P = ? (N/m2)
5.. BNG Mễ PHNG
T

Xc
GX
m

3
3
8
8
10
10
5

30
30
30
35
30
35
30

GY

x

y

Nt

D

H

P

1,2
1,5
1,2
1,2
1.5
1.5
1,2

Nhn xột:

VI. KếT LUậN

VI. TàI LIệU THAM KHảO
1. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập I Nhà xuất
bản khoa học và kỹ thuật (1992) (I)

13


2. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất Tập II Nhà
xuất bản khoa học và kỹ thuật (1999) (II)
3. Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hoá học tập II PGS.TS.
Đỗ Văn Đài - Trờng Đại học bách khoa Hà Nội Năm 2000.
4. Tính toán quá trình thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm
tập II PGS.TS. Nguyễn Bin

14