Thiết kế hệ thống hấp thụ loại chóp H2S

Đồ án môn quá trình thiết bị
Thiết kế hệ thống hấp thụ để làm sạch khí
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 thiết kế hệ thống hấp thụ
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
III.
Tính toán quạt hoặc máy nén khí
IV.
Tính toán hệ thống bơm dung môi
V.
Tính và chọn cơ khí
VI.
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

1


Mục lục
i.

mở đầu ..3

ii.

tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ..9

1. Thiết lập phơng trình cân bằng vật liệu 9
2. Tính đờng kính 11
3. Thiết kế đĩa chóp ...13
4. Tính chiều cao của tháp 18
5. Tính trở lực của tháp .22
6. Bảng mô phỏng ..24
iii.

Thiết kế thiết bị phụ ...24

1. Bơm chất lỏng .24
2. Thùng cao vị 28
3. Máy nén khí .....29
iv.

tính và chọn cơ khí ...33

1. Chọn vật liệu 33
2. Tính chiều dày thân tháp 33
3. Tính chiều dày nắp và đáy thiết bị .36
4. Chọn mặt bích ..36
5. Chọn chân đỡ ... 37
V.

kết luận 41

vi.

tài liệu tham khảo .42

2


i. mở đầu
Ô nhiễm môi trờng : vấn đề chung mang tính toàn cầu và cấp bách. ở hầu hết các quốc
gia, chính phủ đã đầu t rất nhiều,cả về vốn và công nghệ cho việc xử lí các chất gây ô
nhiễm môi trờng. Các nớc càng phát triển, khoa học công nghệ tiên tiến thì ô nhiễm môi
trờng càng trở lên nghiêm trọng. ở Việt Nam,tuy nền công nghiệp cha phát triển mạnh
mẽ nhng do nhiều nguyên nhân chủ quan và khách quan , làm cho môi trờng nớc ta ngày
càng ô nhiễm . Việc chặt phá rừng cũng nh hoạt động của các nhà máy đã thải ra môi trờng rất nhiều chất gây ô nhiễm. Cũng nh nhiều nớc khác trên thế giới hiện nay, vấn đề xử
lí các chất gây ô nhiễm ở nớc ta đang gặp nhiều khó khăn . Nguyên nhân của ô nhiễm
môi trờng là do các chất thải từ nhà máy, khu công nghiệp và các hoạt động khác. Một
trong những chất khí gây ô nhiễm môi trờng là H2S).
Khí Sunfurơ là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là

1ppm. Sunfurơ là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lu
huỳnh(các nhà máy nhiệt điện thờng là nguồn phát sinh ra nhiều Sunfurơ trong khí thải).
Ngoài ra còn kể đến quá trình tinh chế dầu mỏ, luyện kim, sản suất axit Sunfuric , tinh
luyện quặng đồng, kẽm, chì, thiếcsản xuất xi măng và giao thông vận tải cũng là những
nơi phát sinh ra nhiều khí Sunfurơ. Tác động của khí Sunfurơ tới môi trờng có thể kể ra ở
đây nh:
- SO2 làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng
- Ma axit làm đất và nớc bị ô nhiễm bởi SO2 và SO3 trong khí quyển
Không khí bị ô nhiễm do SO2 và SO3 có thể làm bạc màu các tácphẩm nghệ thuật,
ăn mòn kim loại và làm giảm bền của các vật liệu vô cơ, hữu cơ. Vậy mục đích
thu hồi và sử lí để làm giảm thiểu tác hại của nó đối với môi trờng và con ngời.
Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng . Khí đợc hút gọi kà chất bị hấp thụ,chất lỏng
dùng để hút gọi là dung môi(hay chât hấp thụ), khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.
Bản chất của quá trình hấp thụ: khí hoà tan vào trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp 2 cấu tử: (
=2,k = 2,c = 2-2+2 = 2 thành phần và 2 pha. Hệ thống nh vậy theo định luật pha2) đợc
gọi nh hỗn hợp lỏng có 2 thành phần. Cân bằng pha đợc xác định bởi P,T,C.Nếu T = const
thì độ hoà tan phụ thuộc vào P theo định luật Henrry:
YCB = m.x
+Với khí lí tởng, m = const

quan hệ yCB = f(x) là đờng thẳng.

+ Với khí thực, m phụ thuộc vào đờng cân bằng là đờng cong.
Hệ số cân bằng m =


P

;

: hệ số Henrry, có thứ nguyên của P.
P: áp suất [at ] .
*Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình hấp thụ:
-ảnh hởng của lợng dung môi:Theo phơng trình chuyển khối, lợng khí bị hấp thụ đợc tính
theo công thức sau:

3


G = kY.F. Ytb
y

a1

a

yc

a2

a3

a4

b

o

xđ

x yuu

Trong điều kiện nhất định ,G là lợng không đổi và có thể coi hệ số chuyển khối kY cũng
không đổi. Do đó, bề mặt tiếp xúc pha F chỉ đợc thay đổi tơng ứng với sự thay đổi Ytb
sao cho F. Ytb là không đổi .
Từ đồ thị suy ra khi Xđ,Yđ,Yccố định thì nồng độ cuối của dung môi đợc quyết định
theo động lực trung bình Ytb , tức là điểm cuối của đờng làm việc AB(điểm này chỉ đợc
dịch chuyển từ A A4 ). Đờng làm việc BA4 cắt đờng cân bằng, lúc này Ytb là nhỏ
nhất. Đờng AB gần song song với trục tung, nên Ytb là lớn nhất.
Vì F. Ytb không đổi

ứng với BA4 có F lớn nhất, ứng với BA có F bé nhất. Tơng

tự tại A4 có Xc lớn nhất, tại A có Xc bé nhất.
Dựa vào phơng trình nồng độ làm việc Y = A.x + B với:
A = tang =
Suy ra ứng với BA4 có A4 =

A=

Gx
Gx
; B = Yc Gtr
Gtr

Gx
bé nhất(lợng dung môi tối thiểu), còn ứng với BA thì
Gtr

Gx

là lớn nhất nên lợng dung môi còn là lớn nhất do Gtr không đổi.
Gtr

4


Do đó nếu chọn lợng dung môi ít nhất, ta thu đợc Xc lớn nhng thiết bị phải rất lớn(vô
cùng cao). Trái lại, nếu chọn lợng dung môi lớn nhất, thì thiết bị bé nhng dung dịch thu đợc lại quá loãng vì Xc bé. Do đó, khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh
tế, kỹ thuật.
*ảnh hởng của T và P lên quá trình hấp thụ:
Nhiệt độ T và áp suất P là những yếu tố ảnh hởng quan trọng lên quá trình hấp thụ , mà
chủ yếu ảnh hởng lên trạng thái cân bằng và động lực quá trình.
Từ phơng trình Henrry ta thấy, khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henrry tăng đờng cân băng
dịch chuyển về trục tung.

y

y

t3

p4
p3

t2
b
a

b
a

t1

p2

p1

o

o

x

t3 t2 t1

Nếu đờng làm việc AB không đổi

p3

p2

p1

x

Ytb giảm, do đó cờng độ chuyển khối giảm

theo.Nếu cứ tiếp tục tăng nhiệt độ,ví dụ đến ts thì không những Ytb giảm mà ngay cả
quá trình không thực hiện đợc(vì đờng cân bằng và đờng làm việc cắt nhau,nên không thể
đạt đợc nồng độ cuối Xc). Đó là ảnh hởng xấu của tăng nhiệt độ . Tuy nhiên, khi T tăng

thì độ nhớt của dung môi giảm nên vận tốc khí tăng, cờng độ chuyển khối cũng tăng theo.
Trong trờng hợp tăng áp suất , ta thấy hệ số cân bằng m =
dịch chuyển về phía trục hoành
tăng




P

giảm

đờng cân bằng

Ytb tăng lên ,quá trình chuyển khối tốt hơn.Nhng P

T tăng gây ảnh hởng xấu đến quá trình hấp thụ. Mặt khác, P tăng gây khó

khăn về mặt thiết bị quá trình hấp thụ chỉ đợc thực hiện ở P cao đối với những khí khó
hoà tan.

5


Ví dụ: Hấp thụ CO2 bằng H2O tiến hành ở 17at; thu hồi CO ở 12at
*Các loại tháp hấp thụ:
-

Thiết bị loại bề mặt:đơn giản , bề mặt tiếp xúc pha bé chỉ dùng khi chất khí dễ hoà

tan trong lỏng.
-

Thiết bị loại màng: thiết bị loại ống, loại tấm.

-

Thiết bị loại phun: không phù hợp với khí khó hoà tan.

-

Thiết bị loại đệm: bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu xuất cao nhng khó làm ớt đều đệm.

-

Thiết bị loại đĩa(tháp đĩa) gồm:
+Tháp đĩa có ống chảy truyền: đĩa chóp , đĩa lỗ(lới), đĩa Suppáp, đĩa sóng chữ S.
+Tháp đĩa không có ống chảy truyền.

Xét tháp hấp thụ SO2 trong không khí bằng H2O với tháp chóp.
-

Tháp đĩa chóp là tháp gồm nhiều đĩa, trên đĩa có nhiều chóp. Trên đĩa có lắp ống chảy

truyền để vận chuyển chất lỏng từ đĩa này sang đĩa khác. Số ống chảy truyền phụ thuộc
vào kích thớc của tháp và lu lợng chất lỏng, ống chảy truyền đợc bố chí theo nhiều cách.
Khí đi từ dới lên qua ống hơi vào chóp, qua khe chóp để tiếp xúc với chất lỏng trên đĩa.
Chóp có cấu tạo dạng tròn hoặc dạng khác. Thân tháp có rãnh tròn , chữ nhật hoặc tam
giác để khí đi qua. Hình dáng của rãnh trên chóp không ảnh hởng mấy đến quá trình
chuyển khối. Chóp đợc lắp vào đĩa bằng nhiều cách.

Hiệu quả của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí. Nếu vận tốc khí bé thì
khả năng sục khí kém, nhng nếu vận tốc khí quá lớn sẽ làm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất
lỏng theo khí. Hiện tợng bắn chất lỏng tất nhiên còn phụ thuộc vào yếu tố khác nh khoảng
cách giữa các đĩa, khoảng cách giữa các chóp, khối lợng riêngcấu tạo và kích thớc của
chóp và ống chảy chuyền.
*Thuyết minh dây chuyền:
- Hỗn hợp khí cần xử lí SO2 và không khí đợc máy nén khí 2 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 14
- Nớc từ bể 4 đợc bơm li tâm 3 đa lên thùng cao vị 8, trên đờng ống có van an toàn 7 .Nớc từ thùng cao vị 8 đi vào tháp với lu lợng thích hợp, qua một đồng hồ đo lu lợng nớc vào
tháp 9, tới từ trên xuống dới theo chiều cao tháp hấp thụ 1.
- Khí SO2 sau khi đợc xử lí đi lên nắp tháp và ra ngoài lỗ nắp.

6


- Nớc hấp thụ SO2 đi qua lỗ đáy, qua Van nhả sản phẩm hấp thụ 16 đến hệ thống nhả
hấp thụ 6.Tuy nhiên trong khuôn khổ đồ án ta không tính đến hệ thống này.
*số liệu thiết kế:
Tháp chóp: hỗn hợp SO2 - không khí
Lu lợng hỗn hợp khí thải vào tháp:12.000 Nm3/h.
Nồng độ cấu tử bị hấp thụ vào tháp : 3% mol/mol.
Hiệu suất hấp thụ 95%.
Dung môi hấp thụ: H2O
Nhiệt độ làm việc: 300C
áp suất làm việc : 6 at

Sơ đồ hệ thống hấp thụ

7

10
8

12

9

7

13

1

11

14
15
16
3

4

2

6

5

CHú THíCH:

1. Tháp hấp thụ
2. Máy nén khí
3.Bơm chất lỏng
4.Bể chứa nớc
5.Thùng chứa khí

9.Đồng hồ đo lu lợng nớc vào
10. Van tự động
11.Van lu lợng nớc khi bơm
12.Van lu lợng khí sản phẩm đỉnh
13. Hệ thống phân phối chất lỏng

6. Hệ thống nhả hấp thụ
7. Van an toàn
8. Thùng cao vị

14.Đồng hồ đo lu lợng khí vào tháp
15.Van điều tiết khí vào tháp
16.Van nhả sản phẩm hấp thụ

ii.tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ
1. thiết lập phơng trình cân bằng vật liệu.
Tháp làm việc ở T = 30 0C hay T = 303 0K
8


P = 6 at

hay P = 4413 mmHg = 5,8 atm.

Theo định luật Henrry
Ycb = m.x
Trong đó
m=



SO2 30o C



P

=

0,0364.106
4413

(II_138)

m = 8,2472
(với SO2 30o C là hằng số Henrry của SO2 ở nhiệt độ 300C)
*Chuyển sang nồng độ phần mol tơng đối ta có
Phơng trình đờng cân bằng
Ycb =

m. X
1 + (1 m ). X

Ycb =

8,2472. X
1 7,2472. X


Ta có nồng độ SO2 trong dòng khí vào theo % thể tích là 3%



yđ = 0,03
y

Yđ = 1 dy

d

=

0,03
= 0,03092
1 0,03

(Kmol/Kmol khí trơ)

Hiệu xuất hấp thụ = 95%
Mà =

Yd Yc
Yd

Yc = (1 ) .Yđ = (1 0,95) .0,03092

Yc = 1,5464.10-3

(Kmol/Kmol khí trơ)

*Phơng trình cân bằng vật liệu cho một đoạn thiết bị
Gtrơ. (Y Yc ) = Gx. ( X X d )

Y=

Gx
G
.( X X d ) + Yc - x . X d
Gtr
Gtr

GY = 12000 Nm3/h

12000

ta đổi ra GY = 22,4 = 535,7143 (kmol/h)

9


Gtr = GY.

1
= GY.(1-yđ)
1 +Yd

Vậy Gtr = (1-Yđ).GY = 535,7143.(1-0,03)
Gtr = 519,643

( Kmol

h)

Gx = .Gx min
Chọn = 1,5
Gxmin :lợng dung môi tối thiểu đạt đợc khi:
Xc = Xcmax =
Xcmax =

Yd
m + ( m 1).Yd

0,03092
8,2472 + 7,2472,0,03092

Xcmax = 3,65.10-3 (Kmol/Kmol dm)
Do đó Gxmin = Gtr.

Yd Yc
X c max X d

Gxmin = 519,643.

0,03092 1,5464.10 3
3,65.10 3

Gxmin = 4180,4565 (Kmol/h)
Gx = 1,5.Gxmin = 1,5.4180,4565
Gx = 6270,6848 (Kmol/h)
Phơng trình đờng làm việc
Y=

GX
GX
. X + Yc .X d
Gtr
Gtr

Y=

6270,6848
. X + 1,5464.1
519,643

`*Một số kí hiệu trong các công thức đã dùng
-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)
Y = 12,0673.X + 1,5464.10-3
-Yđ: nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (Kmol/Kmol khí trơ)

10


-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
2. tính đờng kính của tháp
*Công thức

4.Vtb
.3600.tb

D=

(m)

(II_181)

+ Vtb: Lợng khí trung bình đi trong tháp (m3/h)

Trong đó:

+ tb : Tốc độ khí trung bình đi trong tháp (m/s)
*Tính toán
+ Vytb =

V y +V yc
2

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

G y .M ytb

ytb

*MYtb = ytb .M SO2 ytb.MSO2 + (1-ytb).MKK
Ytb =

Yd + Yc
0,03092 +1,5464.10 3
=
= 1,6233.10-3
2
2
Y

ytb = tb =
1 + Ytb

1,6233.10 3
1 +1,6233.10 3

ytb = 1,597.10-2

(Kmol/kmol)

MYtb = 1,597.10-2.64 + (1-1,597.10-2).29
MYtb = 29,559
* ytb =

M ytb .273.P
22,4.T .Po

ytb = 6.8959

Vậy

Vyđ =

(Kg/kmol)
=

29,559.273.5,8
22,4.303.1

(Kmol/m3)

535,714.29,559
= 2296,3245 (m3/h)
6,8959

Vyc = Vtr.(1+Yc)

với Vtr =

Gtr .M ytb

ytb

11

(Kmol/kmol)

Gtr .M ytb

Vyc =

ytb

.(1+Yc)

(

519,643.29,559
. 1 +1,5464.10 3
6,8959

=

)

Vyc = 2230,879 (m3/h)

Vytb =

V y +V yc
2

2296,3245 + 2230,879
2

=

Vytb = 2263,6019 (m3/h)
*Vận tốc khí đi trong tháp chóp

( y .y )tb

= 0,065. [].

h.xtb .ytb

(Kg/m2.s)

(II_184)

Trong đó + 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)
Tra toán đồ trong sổ tay I trang 363 có

> 20

[] = 1

+ Tính xtb .

Xc =
=

Gtr
(Yd Yc )
GX

(

519,643
0,03092 1.5464.103
62706848

Xc = 2,4333.10-3
xtb =

)

X

c
xc =
= 2,4274.10-3
1+ Xc

xd + xc
x
= c = 1,2137.10-3 (Kmol/h)
2
2

Mxtb = xtb. M SO2 + (1 xtb ).M H 2O
= 1,2137.10-3 .64 +(1-1,2137.10-3).18
Mxtb = 18,0558 (Kg/kmol)
Lại có

1

xtb

Với atb =

=

atb1 1 atb 2
+
xtb1
xtb 2

xtb .M SO2
M xtb

=

(II_183)

1,2137.10 3.64
18,0558

12

(Kmol/h)


=

4,302.10-3 (Kg/kg)

Tra trong sổ tay I ta đợc: xtb1 = SO2, 30o C = 1355 (kg/m3)
xtb 2 = H 2O ,30o C = 995,68 (kg/m3)
xtb =

atb
xtb1

1
1

3
1 atb = 4,302.10
1 4,302.103
+
+
1355
995,68
xtb 2

xtb = 996,817(Kg/m3)

Ta đợc

( y .y )tb

= 0,065.1.

0,4.6,8959.996,817

ytb = 0,065. 0,4.6,8959.996,817 = 0,4943 (m/s)
6,8959

Vậy

D =

4.2263,6109

.3600.0,4943

= 1,2727 (m)

Quy chuẩn D = 1,2 (m) thỏa mãn với cách chọn h = 0,4 (m).

3. thiết kế đĩa chóp


Chọn chóp có đờng kính ống hơi dh = 75 mm = 0,075 m

Số chóp phân bố trên đĩa sao cho tổng diện tích ông hơi chiếm 10% diện tích đĩa.
Số chóp

n = 0,1.

D2d
dh2

(II _236)

Dd : đờng kính đĩa,Dd = D = 1,2 (m)
dh : đờng kính ống hơi,chọn là 0, 05 (m).Chiều dày ống hơi chọn = 0,0035(m).
Số chóp n = 0,1.


1, 22
= 58 chóp.
0, 052

Đờng kính chóp dch = d 2 h + ( d h + 2 ch ) 2

(m)

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

Ta chọn ch = 2 (mm) = 2.10-3 (m).

dch = 0, 052 + ( 0, 05 + 2.2.103 ) 2 = 0,07 (m).

Chiều cao chóp phía trên ống hơi
h2 = 0,25dch = 0,25.0,07

13

(II_236).


h2 = 0,0175 (m).


Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp

S = 0ữ 25 (mm). Chọn S = 20(mm) = 2.10-2 (m).


Khe chóp hình chữ nhật

dtd :Đờng kính tơng đơng của khe chóp hình chữ nhật tính theo công thức:
4.a.b
2.( a +b )

dtd =

Trong đó: + a: chiều rộng khe chóp chọn trong khoảng 2 ữ 7 (mm)

chọn a = 5 (mm)

Hay a = 5.10-3 (m)

+ b: chiều cao khe chóp tính theo công thức:

.y 2 . y
b=
g .x
- y =

4.V

y

.3600.d h 2 .n

=

(II_236).

4.V y

.3600.0,1.D 2

(vì n =

D2
dh2

.0,1 )

.Vy : lu lợng hơi đi trong tháp (m3/h).
Vy = 22,4.

T Po
303 1
.
.535,7143 = 2219,78 (m3/h)
.
.G y = 22,4.
273 5,8
To P

y =

4.2219,78

.3600.0,1.1,2 2

= 5,452 (m/s).

lấy trong khoảng 1,5 ữ 2 chọn = 2.

b =

2.(5,452 ) 2 .6,8959
= 0,042 (m).
9,81.996,817

Vậy dtđ =

4.5.10 3.0,042

(

2. 5.10 3 + 0,042

)

= 8,936.10-3 (m).

Số lợng khe chóp

0, 052.3,14
4
i=
= 9 khe
0, 005.0, 042


Chiều cao mức CL trên khe chóp: h1 = 0,015 ữ 0,040 (m)

Chọn h1 = 0,04(m)


Chu vi phần tràn:

14

Ctr = l +

88,8.(.D )
360

Ctr = 1,93(m)

dc =

Đờng kính tơng đơng của ống chảy chuyền
4.G xtb
.3600.x .c .z

(II_236)

Gxtb:lu lợng trung bình đi trong tháp (kg/h)
x = 996,817 (kg/m3)

z:số ống chảy chuyền (1 ữ 2ống) ta chọn z = 2
c : tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền

c 0,1 ữ0,2 (m/s) Ta chọn c = 0,2(m/s)

Gxđ = 6270,6848 (Kmol/h)
Gxc = (1+ xc). Gxđ =(1+2,4274.10-3). 6270,6848
= 6285,906

(Kmol/h)

Gxtb = G xd + Gc =

2

4.6278,295

dc =


6270,6848 + 6285,906
= 6278,295 (Kmol/h)
2

.3600.996,817.0,2.2

=

0,0746

(m)

Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền

l3 = 0,25dc = 0,25.0,0746
l3 = 0,01865m)


Chiều cao ống chảy chuyền trên đĩa:

hc = (h1 + b + S) - h
+Chiều cao mức chất lỏng bên trên ống chảy chuyền
h =

3


V

3600.1,85..d
c


Từ trên có Vx =

G xtb

x

=

2






(m) (II_237)

6278,295
996,817

Thể tích lớp chất lỏng trên đĩa VCL =

= 6,298 (m3/h)
.D 2
4

.hx =

Vì hx chọn ở trên = 0,04 (m)

Thể tích chất lỏng chảy qua là:
15

.1,2 2
4

.0,04

= 0,0452(m3/h)


V = Vx VCL = 6,298 0,0452 = 6,2528 (m3/h)
2

h =

3

6,2528

3600.1,85..0,0746

= 0,0252 (m)

-> hc = (0,04 + 0,042 +0,02) - 0,0252 = 0,0768 (m)


Khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp

l2 = 12,5 + 0,25.dch = 12,5 +0,25.70 = 30(mm).


Bớc tối thiểu của chóp trên đĩa

tmin = dch + 2ch + 0,035
= 0,07 +2.0,002 +0,03
tmin = 0,104 (m) quy chuẩn tmin = 0,11(m).


F: phần bề mặt có gắn chóp (nghĩa là trừ 2 phần diện tích đĩa để ống chảy chuyền
) (m2)

a = 0,3
R =

ữ 0,5(m)

chọn a = 0,35 (m)

1
1
.D =
.1,2 = 0,6 (m)
2
2

Gọi S1 : là diên tích 1 ống cháy chuyền
R

S1 =



R 2 x 2 .dx

1

= .x. R 2 x 2 +
2


a

R2
x
arcsin (Cận
2

R


S1 = 0,085 (m)
Diện tích đĩa Sđ =

.D 2
4

=

.1,2 2
4

= 1,131 (m2)

F = Sđ - 2.S1 = 1,131 2.0,085 = 0,961 (m2)

16

từ 0,35 đến 0,6)


đĩA

a

r

f

f: tổng diện tích các chóp trên đĩa

diện tích 1 chóp : S1ch =

.0, 07 2
.d ch 2
=
3,848.10-3 (m)
4
4

Tổng diện tích các chóp f = n. S1ch = 28.3,848.10-3 = 0,2232 (m2)


Chiều cao chóp :hch = hc + h = (0,04 +0,042 +0,02) = 0,102(m)

Quy chuẩn = 0,1(m)


: Chiều cao của lớp chất lỏng trên ống chảy chuyền

= h = 0,052 (m)


b : Khối lợng riêng của bọt ( 0,4 ữ 0,6 ). x

Chọn b = 0,5.x = 0,5.996,817 = 498,408 (Kg/m3)

Tính chiều cao của lớp bọt trên đĩa(m) theo công thức:
hb =

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

Thay lần lợt các giá trị vừa tính đợc ở trên ta có

17

(m) (II_185)


( 0, 0768 + 0, 052 0, 04 ) . ( 0,961 0, 2232 ) .996,817

hb =

0,961.498, 408

+

0,961.0, 2232.498, 408
0,961.498, 408

( 0,102 0, 04 ) .0, 2232.498, 408

+

0,961.498, 408


4.

hb = 0,1575 (m)
tính chiều cao của tháp

4.1.Hệ số chuyển khối
1
1
m
Ky =
+

y

(II_162)

x

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 y , x theo các công thức:

y = 4,47.10

4

.y1,32 .Px

4

x = 33,4.10 .y

0, 79

.Px



Kmol

Kmol
2
m .s.
Kmol

(II_164)



Kmol

Kmol
2
m .s.
Kmol








(II_164)

y : Tốc độ khí tính cho mặt cắt tự do của tháp (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)

Ta có trở lực tháp chóp tính theo công thức:

P = Ntt . Pđ

(N/m2)

(II_192)

Pđ = Pk + Ps + Pt (N/m2) (II_192)

Pđ - Pk = Ps + Pt
* Ps: trở lực của sức căng bề mặt (N/m2)
18


Ps =

4. hh
d t

(N/m2)

(II_192)

1
1
1
+
=
hh
1 2
hh =

1. 2

1 + 2

Với 1 = SO2 ,30 o C = 20,75.10-3 (N/m)

2 = H 2O,30o C = 71,15.10-3 (N/m)
hh = 16,06.10-3 (N/m)
Ps =

4.16,06.10 3
8,936.10 3

= 7,191 (N/m2)

* Pt : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (N/m2)
hr

Pt = b .g . hb
2



(N/m2) (II_194)



hr :chiều cao của khe chóp tính đợc hr = b = 0,042 (m)
g : Gia tốc trọng trờng = 9,81 (m/s2)
0,042

Pt = 498,408.9,81.0,1575

= 667,4 (N/m2)
2

Px = Pt + Ps = 667,4 + 7,191

= 674,591

(N/m2)

Vậy ta tính đợc:
y =

4,47.10 4.0,49431,32.674,591

y = 0,12

x =







33,7.10 4.0,4943 0, 79.674,591

x = 1,31

-

Kmol

Kmol
2
m .s.
Kmol




Kmol

Kmol
2
m .s.
Kmol








Số đơn vị chuyển khối

19

m yT =

K y. f

(II_173)

Gy

Với tháp chóp thì:
f: diện tích làm việc của đĩa (m2) tính theo công thức:
f = F (n .fh + m.fcb)
F : mặt cắt tự do của thiết bị (m2)
.D 2

F =

4

=

.1,2 2
4

= 1,131 (m2)

fh: mặt cắt ngang của ống hơi
fh =

.d 2 h

.0,075 2
=
= 1,963.10-3 (m2)
4
4

fcb : mặt cắt ngang các ống chảy chuyền (m2)
fcb =

.d 2 c
.0,0746 2
=
= 4,371.10-3 (m2)
4
4

n :số ống hơi = 58 ống
m :số ống chảy chuyền =2 chọn theo trên
f

= 1,131 (58.1,963.10-3 + 2.4,371.10-3)

f

= 1,0084 (m2)

Thành lập bảng quan hệ
X
Y

m=

0
1,5464.10-3
7,93

3.10-4
5,2.10-3
7,44

8.10-4
11,2.10-3
6,41

20

13.10-4
17,2.10-3
4,76

36,499.10-4
45,6.10-3
0,61


YCB Y
X X CB
ky
m y
Cy

= em y
YCB

0,0695
1,2955.10-4

0,0714
1,331.10-4

0,0756
1,4092.10-4

0,0836
1,5583.10-4

0,1136
2,1176.10-4

1,000129
0

1,000133
2,5.10-3

1,000141
6,6.10-3

1,000156
10,8.10-3

1,000211
30,9.10-3

Xác định đờng cong phụ bằng cách tìm đoạn
BC

=

BC

theo công thức

AC
Cy

Với A thuộc đờng cân bằng
C thuộc đờng làm việc
Ta có YC YB =

YB = YC -

BC

AC

= C =
y

YC Y A

Cy

YC Y A
Cy

Ta có bảng giá trị sau
XA = XC
YA
YC
YB

0
0
1,5464.10-3
2.10-7

3.10-4
2,5.10-3
5,2.10-3
2,500035.10-3

8.10-4
6,6.10-3
11,2.10-3
6,60065.10-3

13.10-4
10,8.10-3
17,2.10-3
10,800998.10-3

Nối các điểm B1,B2,..,Bn ta có đờng cong phụ
Vẽ trên đồ thị ta xác định đợc Ntt = 6
4.2.Tính chiều cao
H = Ntt. ( H + ) + (0,8 ữ 1)
Ntt: Số đĩa thực tế

:chiều dày của đĩa (m) chọn = 2.10-3 (m)
Hđ : khoảng cách giữa các đĩa (m) =0,4 (m) theo trên.
Thay vào ta có
H = 6.(0,4 + 2.10-3) + 0,9
H = 3,312 (m)

Quy chuẩn H = 3,3 (m)

21

(m)

36,5.10-4
30,9.10-3
45,6.10-3
30,9031.10-3


5. tính trở lực của tháp
Tính trở lực theo công thức :

P = Ntt . Pđ

(N/m2)

(II_192)

Pđ = Pk + Ps + Pt (N/m2) (II_192)
Ta đã tính đợc :
Ps = 7,191 (N/m2)

Pt = 667,4 (N/m2)
Còn Pk tính theo công thức sau:

Pk = .

y .o 2
2

(N/m2)

: hệ số trở lực thờng = ( 4,5 ữ 5) chọn = 5
y : khối lợng riêng của pha khí có y = 6,8959 (kg/m3)

o : Tốc độ khí qua rãnh chóp o = 0,4943 (m/s)

Pk =

5.

6,8959.0,49432
= 4,212 (N/m2)
2

Vậy Pđ = 7,191 + 667,4 + 4,212 = 678,803 (N/m2)

Trở lực toàn tháp là:
P = 6.378,803 = 4072,818 (N/m2)
6. Bảng mô phỏng
P

T

(at)
1,5
1,5
1,5
1,5
3
3
3
3
4,5
4,5
4,5
4,5

( Độ C)
25
25
28
28
25

25
28
28
25
25
28
28



1,2
1,8
1,2
1,8
1,2
1,8
1,2
1,8
1,2
1,8
1,2
1,8
22

D

H

(m)
1,9

1,9
1,9
1,9
1,7
1,7
1,7
1,7
1,5
1,5
1,5
1,5

(m)
6,126
4,116
5,724
3,714
7,426
5,418
6,924
4,916
6,422
3,912
6,422
4,414

P
(N/m2)
8900,151
5477,016

8320,152
4853,422
8891,389
6155,577
8312,076
5541,384
7523,483
4103,718
7619,403
4848,711


Nhận xét:
-ở cùng một áp suất và nhiệt độ,khi lợng dung môi tăng lên thì trở lực tháp nhỏ,chiều cao
giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế nhng nồng độ cuối của dung dịch thấp(dung
dịch loãng)
-ở cùng một áp suất,1lợng dung môi khi tăng nhiệt độ thì trở lực và chiều cao tháp cũng
giảm do đó tiết kiệm đợc chi phí thiết kế nhng nồng độ cuối của dung dịch cũng
giảm(dung dịch loãng)
-ở cùng 1 nhiệt độ,1 lợng dung môi khi tăng áp suất tăng lên thì trở lực tháp giảm do đó
tiết kiệm đợc chi phí thiết kế;đồng thời nồng độ cuối của dung dịch Xc cũng tăng lên do
đó tháp làm việc hiệu quả.

III.Thiết kế thiết bị phụ
1. Bơm chất lỏng
Công thức yêu cầu trên trục bơm
Q..g .H
1000.

N=

(kW)

(I_532)

Trong đó:
Q: năng suất bơm (m3/s)

: Khối lợng riêng của chất lỏng (kg/m3)
g : Gia tốc trọng trờng (m/s2)
H : áp suất toàn phần của bơm (m)
Tính H(m)
H=

P2 P1
+ H0 + hm
.g

(I_535)

P1 = Pkk = 1 at = 1,013.105 (N/m2)
P2 : áp suất trên bề mặt ống đẩy P2 = PLV = 6 at = 6,078.105 (N/m2)
P1 :áp suất trên bề mặt ống hút

H0 : chiều cao năng suất chất lỏng (m)
hm : áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên ống hút và ống đẩy.


Tính hm :

23


P

hm = .g

(I_459)

P :áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất cả sức cản thuỷ lực trong hệ thống
P = Pđ + Pm + PH + Pt + Pk + PC (I_459)
* Pđ:áp suất động học,tức là áp suất cần thiết để tạo vận tốc do dòng chảy ra khỏi
ống (N/m2)

Pđ =

.2

(N/m2)

2

(I_459)

:khối lợng riêng của H2O ở 300C :995,68 (kg/m3)
-

Đờng kính tơng đơng trong ống chất lỏng:
V
0,785.

dtđ =

(I_448)

V : lu lợng thể tích dung môi (m3/s)
V=

Vx
6,298
=
= 1,749.10-3 (m3/s)
3600
3600

Chọn vận tốc trung bình dung môi trong ống

dtđ =

1,749.10 3
0,785.0,85



= 0,85 (m/s)

= 0,0512 (m)

Quy chuẩn dtđ = 0,05 (m)

Vận tốc dung môi trong ống dẫn là:



=

V
0,785.d 2td

Vậy Pđ =

=

1,749.10 3
0,785.0,052

= 0,89 (m/s)

995, 68.0,892
= 394,34 (N/m2)
2

* Pm : áp suất để khắc phục trở lực do masát trên đờng ống dẫn

Pm = .

L .2
.
(N/m2)
dtd

2

(I_459)

Với + L: chiều dài toàn bộ hệ thống ống dẫn chọn L = 5 (m)
+ dtđ: đờng kính tơng đơng của ống dẫn (m)
+ : hệ số masat xác định theo công thức
1



6,81 0,9


+
3,7
Re



= -2.lg

Re : chuẩn số Rêynol xác định theo công thức

24

(I_464)


Re =

.d .
với à H 2O( 300 C ) = 0,801.10-3 (N.s/m2)
à

Re =

0,89.0,05.995,68
= 55315,35 > 4000
0,801.10 3

Chất lỏng chảy xoáy do đó xác định theo công thức ở trên la phù hợp
-Xác định

(I_464)
: độ nhám tơng đối = d
td

Chọn = 0,1.10-3 (m)

=
Vậy

1



0,1.10-3
0,05

= 2.10-3 (m)
6,81

0, 9



= -2.lg 55315,35





+

2.10 3

3,7


= 6,1479

= 0,026
Pm =

0,026.

5
995,68.0,89 2

.
0,05
2

= 1025,28 (N/m2)

* PC: áp suất để khắc phục trở lực cục bộ

PC = .

2 .
2

: hệ số trở lực cục bộ của toàn bộ đờng ống =
-

Chọn ống thép tráng kẽm(mới và tốt): 1 = 0,5

-

Chọn 2 van tiêu chuẩn : 2 = 4,1

-

Hệ số trở lực khuỷu: 2 khuỷu 450 tạo thành

i

3 = 0,38

= 1 + 2 + 3 = 0,5 + 2.4,1 + 2.0,38 = 9.46
Vậy PC = 9,46.

0,89 2.995,68
= 3730,44 (N/m2)
2

* PH :áp suất để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh

PH = .g.H
Với H:chiều cao từ đầu ống hút đến điểm cao nhất ,chọn H = 10 (m)

PH = 995,68.9,81.10 = 97676,21 (N/m2)
* Pt: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong,coi Pt = 0
* Pk: áp suất bổ sung cuối ống dẫn coi Pk = 0
Vậy ta đợc:
25