Tính toán thiết kế tháp đĩa chóp để hấp thụ khí HCl trong môi trường không khí với dung môilà nước

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Họ và tên: Vũ Kỳ Anh. Mssv: 20122878
Lớp: Kỹ thuật môi trường K57
1. Nhiệm vụ thiết kế:
Tính toán thiết kế tháp đĩa chóp để hấp thụ khí HCl trong môi trường không khí với dung môi
là nước theo các số liệu sau:






Lưu lượng khí vào tháp: Gy = 12000 m3/h
Nồng độ HCl đi vào tháp: yđ = 0,025 kmol/kmol
Hiệu suất hấp thụ:  = 96%
Lượng dung môi tiêu tốn: Gx = 1,2Gxmin
Tháp làm việc ở điều kiện t = 25oC, p = 1.5at

2. Nội dung thiết kế:
2.1 Tính toán công nghệ:





Xác định đường kính và chiều cao của tháp.
Xác định trở lực của tháp.
Xác định kích thước các cửa vào và ra của thiết bị
Tính toán thủy lực (lựa chọn bơm, quạt)

2.2 Tính toán cơ khí



Xác định chiều dày của thiết bị.
Tính toán và lựa chọn kết cấu lắp đặt thiết bị

2.3 Bản vẽ



Bản vẽ sơ đồ dây chuyền công nghệ (A3)
Bản vẽ lắp đặt thiết bị (A1)

3. Thời gian thực hiện:



Ngày nhận nhiệm vụ: 03/03/2016
Ngày hoàn thành: 13/05/2016

Giáo viên hướng dẫn
Hoàng Thị Thu Hương
1


MỤC LỤC
I. Mở đầu: Giới thiệu hệ thống thiết bị

3

II. Tính toán thiết kế tháp hấp thụ

7

1. Điều kiện làm việc của tháp

7

2. Thiết lập phương trình đường cân bằng

8

3. Thiết lập phương trình đường làm việc

8

4. Tính đường kính tháp

9

5. Thiết kế đĩa chóp

13

6. Tính trở lực đĩa

15

7. Tính chiều cao tháp

16

III. Thiết kế thiết bị phụ

19

1. Cửa vào, cửa ra thiết bị

19

2. Bơm chất lỏng

20

3. Máy nén khí

25

IV. Tính toán cơ khí

31

1. Chọn vật liệu

31

2. Tính chiều dày thân tháp

32

3. Tính chiều dày đáy và nắp thiết bị

33

4. Chọn mặt bích

35

5. Cửa nối ống dẫn với thiết bị

36

6. Chọn chân đỡ

37

V. Kết luận

40

VI. Tài liệu tham khảo

41

2


I.

M U: GII THIU H THNG THIT B:

ễ nhim mụi trng ang l vn mang tớnh ton cu v cp bỏch. hu ht cỏc quc gia,
chớnh ph ó u t rt nhiu, c v vn v cụng ngh cho vic x lý cỏc cht gõy ụ nhim mụi
trng. Cỏc quc gia cng phỏt trin, khoa hc cụng ngh cng tiờn tin thỡ ụ nhim mụi
trng cng tr nờn nghiờm trng.
Vit Nam, tuy nn cụng nghip cha phỏt trin mnh m, nhng do nhiu nguyờn nhõn ch
quan v khỏch quan, mụi trng nc ta ngy cng b ụ nhim. Vic cht phỏ rng cng nh
hot ng ca cỏc nh mỏy ó thi ra moi trng rt nhiu cht gõy ụ nhim. Cng nh nhiu
nc khỏc trờn th gii hin nay, vn x lý cỏc cht gõy ụ nhim nc ta ang gp nhiu
khú khn. Nguyờn nhõn ca ụ nhim mụi trng l do cỏc cht thi t nh mỏy, khu cụng
nghip v cỏc hot ng khỏc. Mt trong nhng cht khớ gõy ụ nhim mụi trng l HCl.

Khí HCl l mt khớ axit cú nhiu trong cỏc nh mỏy sn xut húa cht nh sn xut cht ty
ra, bt git hay cỏc nh mỏy gia cụng b mt kim loi. HCl thng bc khúi trng.
-

HCl gõy hi cho thc vt, gõy tn hi khi tip xỳc: hụ hp, n ung, qua da cho ng
vt.

-

Cú tớnh n mũn rt cao.

-

Khớ gõy mựi khớ nng 0.1mg/m3.

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.
3


at .

P: áp suất

*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:
G = kY.F. Ytb

y

a1

a

yc

o

a2

a3

a4

b

xđ

x

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 =

Gx
Gx
; B = Yc Gtr
Gtr

4


Suy ra ứng với BA4 có A4 =

với BA thì A =

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

Gx
là lớn nhất nên lợng dung môi còn là lớn nhất do G tr
Gtr

không đổi.
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

b
a

t1

p2

a

p1

o

t3 t2 t1

x

o
p3

p2

p1

x

Nếu đờng làm việc AB không đổi Ytb giảm, do đó cờng độ
chuyển khối giảm theo.Nếu cứ tiếp tục tăng nhiệt độ,ví dụ đến t s 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
5


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 =


giảm
P

đờng cân bằng dịch chuyển về phía trục hoành Ytb tăng lên ,quá
trình chuyển khối tốt hơn.Nhng P tăng 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.
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 HCl 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
6


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 HCl và không khí đợc qut khớ đa vào ở đáy tháp.
-

Nớc từ bể đợc bơm li tâm đa vào tháp với lu lợng thích hợp, qua một

đồng hồ đo lu lợng nớc vào tháp, tới từ trên xuống dới theo chiều cao tháp
hấp thụ .
- Khí HCl sau khi đợc xử lí đi lên nắp tháp và ra ngoài lỗ nắp.
- Nớc hấp thụ HCl đi qua lỗ đáy i ra ngoi mt b cha.

II. TNH TON THIT K THP HP TH:
Mt s ký hiu c s dng:
X: nng phn mol ban u ca cu t cn hp th trong dung mụi (kmol / kmol
dung mụi)
Xc: nng phn mol cui ca cu t cn hp th trong dung mụi (kmol / kmol dung
mụi)
Y: nng phn mol ban u ca cu t cn hp th trong hn hp khớ (kmol / kmol
khớ tr)
Yc: nng phn mol cui ca cu t cn hp th trong hn hp khớ (kmol / kmol khớ
tr)
Gy: lng hn hp khớ i vo thit b hp th (kmol / h)
Gx: lng dung mụi i vo thit b hp th (kmol / h)
Gtr: lng khớ tr i vo thit b hp th (kmol / h)
7


 : lượng dung môi / lượng dung môi tối thiểu.

1. Điều kiện làm việc của tháp:
T (0C) = 25 (0C) = 298 (0K)
P = 1.5 (at) = 1104 (mmHg)
Nồng độ khí thải vào tháp (phần thể tích): yđ = 25*10-3 ( kmol/kmol )
Hiệu suất hấp thụ: η = 96 (%)
 yc = (1- η) * yđ = 0.04 * 0.025 = 10-3( kmol/kmol )
y

Khi tính toán hấp thụ thường dùng nồng độ mol tương đối: Y 
1 y


Yđ =

0.025
= 0.0256 (kmol HCl/ kmol khí trơ)
1  0.025

Yc =

10 -3
= 1.001*10-3 (kmol HCl/ kmol khí trơ)
1  10 -3

Nồng độ dung dịch lỏng vào tháp: xđ = 0 hay Xđ = 0
Lưu lượng khí thải vào tháp:
Gy = 12000 (Nm3/h)

ở nhiệt độ t = 250C, 1kmol khí có thể tích là :

P0V0 PV
P V T 1 * 22.4 * 298

 V= 0 0 
22.45(m3)
T0
T
T0 P

273 * 1.5
 Gy =

12000
= 535,71 (kmol / h)
22.45

Lượng khí trơ: (II)
Gtr = Gy *

1
1
= 535,7*
= 522.34 (kmol / h).
1Y d
1  0.0256

2. Thiết lập phương trình đường cân bằng:
Theo định luật Henry: ycb = m * x

(II)

Tính theo nồng độ phần mol tương đối: Ycb =
với m =

m* X
1  (1  m) * X


hằng số cân bằng pha hay hệ số phân bố

P
8

(II)
(II)

(II.216)


Tra bảng IX.1. (II.139) ta có: HCl ( 250 C ) = 0.00215*106 (mmHg) ( II )
6
 m = 0.00215 * 10 = 1.95
1104

 Y*=

1.95 * X
1  (1  1.95) * X

(kmol HCl / kmol khí trơ)

3. Thiết lập phương trình đường làm việc:
Phương trình cân bằng vật liệu cho 1 đoạn thiết bị:
Gtr * (Y – Yc) = Gx * (X – Xđ) (II)
do Xđ = 0:
 Y=

Gx
Gx
Gx

* X + Yc * Xđ =
* X + Yc (phương trình đường làm việc)
Gtr
Gtr
Gtr

Lượng dung môi tiêu tốn tối thiểu cần thiết để hấp thụ khi giả thiết nồng độ cuối của
dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, tức là Xc = X*, như sau:
Gxmin = Gtr *

Y* =

Yđ  Yc
X c*  X đ

1.95 * X
1  (1  1.95) * X

Y
m  (1  m) * Y



X*=

có Yđ = 0.0256 (kmol / kmol khí trơ)
 X* =

0.0256
= 0.01297(kmol / kmol dung môi)

1.95  (1  1.95) * 0.0256
9


3
 Gxmin = 522.34 * 0.0256  1.001 * 10 = 990.67(kmol / h)
0.01297  0

Lượng dung môi thực tế: Gx = 1.2 * Gxmin
Gx = 1.2 *990.67 = 1188 (kmol / h)
Thay vào phương trình đường làm việc ta có:
1188
* X + 1.001*10-3 = 2.27 * X + 1.001*10-3
522.34

Y=

4. Tính đường kính của tháp:
F = Fa + Fch

Với: F là diện tích mặt cắt ngang của tháp, (m2)
Fa là diện tích tự do tháp, (m2)
Fch là diện tích ống chảy chuyền, (m2)

 Diện tích tự do của tháp ( Fa)
Fa =

G ytb * M ytb
3600 *  ytb *  ytb

với:

(m2)

(II )

Gytb: Lượng khí trung bình đi trong tháp (Kmol / h)

tb : Tốc độ khí trung bình đi trong tháp (m / s)
 ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha khí. ( Kg/m3)

a/ Lượng khí trung bình đi trong tháp:
Gytb =

G yđ  G yc
2

P0 * V0 P * V
=
T0
T

(Kmol / h) (II )

=> V=V0

Vtb = 22.4 * Gytb *

1 T
P  273

P0  T
P  T0
( m3/h )

Gyđ = 535.71(Kmol / h)
10


Gyc = Gtr * (1+ Yc ) = 522.43 * ( 1+ 1.001*10-3 ) =522.86 (Kmol / h)

 Gtb =

535.71  522.86
= 529.1 (Kmol / h).
2

Vtb = 22.4 *529.1*

1  298
1  273

8624.78( m3/h )

b/ Tốc độ khí trung bình đi trong tháp:
(  y *  y )tb = 0.065 *  [  ] *

h *  xtb *  ytb (kg / m2.s)

(II)

 xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg / m3)

với:

 ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg / m3)
h: khoảng cách giữa các đĩa (m), chọn theo đường kính tháp
với D = >1.8 (m), chọn h = 0.5 (m)

 [  ]: Hệ số tính đến sức căng bề mặt:
Chọn  [  ] = 1.

+ Tính khối lượng riêng trung bình của pha lỏng(  xtb ):
Ta có: theo phương trình đường làm việc: Y=2.27 * X + 1.001*10-3
 Xc =

Yđ  1.001 * 10  3
0.0256  1.001 * 10  3
=
= 0.0108(kmol HCl/ kmol dung môi)
2.27
2.27

 xc =
xtb =

Xc
0.0108
=
= 0.0107 (kmol / kmol)

1  X c 1  0.0108

0  0.0107
xđ  xc
=
= 5.34*10-3 (kmol / kmol)
2
2

Mxtb = xtb * MHCl + (1 – xtb) * MH2O = 5.34*10-3*36.5 + (1 –5.34*10-3) * 18
= 18.1 (kg / kmol)
Phần khối lượng trung bình của cấu tử HCl:
atb =

xtb * M HCl
5.34 * 10  3 * 36.5
=
= 10.77*10-3
M xtb
18.1

Ở 25 (0C):

 H 2O = 997.08 (kg / m3)

(I)

Khi HCl bị hấp thụ H2O thể tích dung dịch thay đổi không đáng kể:
11

 1m3 dung dịch sẽ có khối lượng là:
997.08 +

997.08 0.0108
*
* 36.5 = 1008 ( Kg)
18
2

=>  xtb = 1008 ( Kg/m3)

+ Tính  ytb :

 ytb =

Ytb1 * M 1  (1  Ytb1 ) * M 2
* 273
22.4 * T

với: ytb =
  ytb =

(II)

y d  yc
2.5 * 10  2  10  3
=
= 13*10-3 (kmol / kmol)
2

2
13 * 10  3 * 36.5  (1  13 * 10  3 ) * 29
22.4 * 298

(II)

* 273 = 1.19 (kg / m3)

M ytb = 13 * 10  3 * 36.5  (1  13 * 10  3 ) * 29 = 29.1(kg / kmol)

Tốc độ khí trung bình đi trong tháp:
(  y *  y )tb = 0.065 * 1 *
  ytb =
Fa =

(  y *  y ) tb

 ytb

=

0.5 * 1008 * 1.19 = 1.5 ( Kg/m2s)
1.5
= 1.2 (m / s)
1.19

529.1 * 29.1
= 3.03 (m2)
3600 * 1.19 * 1.2

 Diện tích ống chảy chuyền
Fch =

với:

G xtb * M xtb
3600 *  xtb *  xtb

Gxtb: Lượng lỏng trung bình đi trong tháp (kmol / h)

 xtb : Tốc độ lỏng trung bình đi trong tháp (m / s). chọn bằng (0.2 m/s)
 xtb : Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng. ( Kg/m3)
Gxđ=1188 (kmol/h)
Gxc= ( 1+ Xc)*Gxđ = ( 1+ 0.0108)*1188 =1200.83 ( Kmol/h)

12


Gxtb =
Fch =

1188  1200.83
= 1194.42 ( Kmol/h )
2

1194 .42 * 18.1
= 29.8*10-3(m2)
3600 * 1008 * 0.2

Đường kính ống chảy chuyền: chọn 2 ống chảy chuyền:

4 * 29.8 * 10  3
= 0.14(m)
 *2

dch=

Diện tích mặt cắt ngang của tháp là :
F = 3.03+ 29.8*10-3 = 3.06 ( m2)
Đường kính tháp : 1.97 ( m )
Quy chuẩn D = 2 (m)
Tính lại tốc độ khí đi trong tháp:
Fa =

 * 22
-29.8*10-3 = 3.11 (m2)
4

  ytb = 1.16 (m / s).
5. Thiết kế đĩa chóp:
 Thiết kế đĩa:
SOAB =

1 D

D

D2
22
* * cos( ) * 2 * * sin( ) =
sin  =

sin 90 0 = 0.5 (m2)
2 2
2
2
2
8
8

Squạt =


90  * 2 2
* S dia =
= 0.785 (m2)
*
360
360
4

Stràn = Squạt – SOAB = 0.785 – 0.5 = 0.285(m2)
Diện tích phần đĩa chứa chóp:

A
o

2

Flv = F– 2 * Stràn =

 *2

- 2*0.285 = 2.57 (m2)
4

Thiết kế chóp: Chọn loại chóp tròn: (II.236)
+ Đường kính ống hơi: chọn dh = 100 (mm) = 0.1 (m)
+ Số chóp phân bố trên đĩa:
n = 0 .1 *

Flv
2.57
= 0.1 *
= 32  chọn số chóp là n= 32 (chóp)
Fh
 0.12 / 4
13

B


+ Đường kính chóp: dch =

2

d h  (d h  2 *  ch ) 2

 ch : chiều dày chóp  chọn  ch = 2 (mm) = 0.002 (m)
 dch =

0.12  (0.1  2 * 0.002 ) 2 = 0.144 (m)

+ Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi: h2 = 0.25 * dh = 0.25 * 0.1 = 0.025 (m)
+ Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp: chọn S = 20 (mm) = 0.02 (m)
+ Chiều cao mức chất lỏng trên khe chóp: chọn h1 = 40 (mm) = 0.04 (m)
2

+ Chiều cao khe chóp: b =  *

với  y =

4 *V y
2

3600 *  * d h * n

=

y * y
g * x
4 * 8624.78
= 9.54 (m / s)
3600 *  * 0.12 * 32

 =2
9.54 2 * 1.19
b = 2*
= 0.022 (m)
9.81 * 1008
2

+ Số lượng khe hở của mỗi chóp: i =

d

(d ch  h )
c
4*b

c: khoảng cách giữa các khe  chọn: c = 4 (mm) = 4*10-3 (m)

với:

a: chiều rộng khe chóp  chọn a = 5 (mm) = 5*10-3 (m)
 i=


0.12
(0.144 
) = 23.8 (khe) chọn 24 khe
4 * 0.022
4 * 10  3

+ Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy chuyền: S1 = 0.25 * dc = 0.25 * 0.14=0.035(m)
+ Chiều cao kênh chảy tràn trên đĩa: hc = (h1 + b + S) - h
h : chiều cao mức chất lỏng trên ống chảy chuyền: h = (

2
V
) 3
3600 *1.85 *  * d c

với V: thể tích chất lỏng chảy qua (m3 / h)
V=

2
0.14 2 *  * 0.2 * 3600
d c * * c * 3600
=
= 11.08 (m3 / h)
4
4

 h = (

2
11 .08
) 3 = 0.024 (m)
3600 * 1.85 *  * 0.14

 hc = (0.04 + 0.022 + 0.02) – 0.024 = 0.064 (m)
+ Bước tối thiểu của chóp trên đĩa: tmin = dch + 2 *  ch + l2 (m)
14


với l2: khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp:
l2 =35 (mm) = 0.035 (m)
 tmin = 0.144 + 2 * 0.002 + 0.035= 0.183 (m)
+ Đường kính tương đương của khe chóp:
dtđ =

4 * (0.005 * 0.022)

4* a *b
=
= 0.0081(m)
2 * (0.005  0.022)
2 * ( a  b)

+ Chiều dày của đĩa:  = 0.005(m)
+ Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm chóp gần nhất.
dc
d
  c  ch   ch  l1 =t1
2
2
t1=

chọn  c=0.004(m) l1=0.075(m)

0.14
0.14
 0.004 
 0.002  0.075 =0.223(m)
2
2

165

+ Tổng diện tích các chóp trên đĩa.
f=

 * d ch2

 * 0.144 2
* 32 =0.521(m2)
*n =
4
4

+ Chiều cao lớp bọt trên đĩa:
hb =

(hc    hx ) * ( F  f ) *  x  hx *  b * f  (hch  hx ) * f *  b
(m)
F * b

 Tính hb:
hc = 0.064(m)
h = 0.024 (m)

hx: chiều cao lóp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa: hx = h1 = 0.04 (m)
F = 2.57 (m2)
f = 0.521 (m2)

 b = (0.4  0.6) *  xtb (kg / m3): khối lượng riêng của bọt
  b = 0.6 * 1008 = 604.8 (kg / m3)

 x = 993.4166 (kg / m3)
hch = hc+h2+ 

ch

= 0.064+0.025 +0.002=0.091(m) quy chuẩn 0.1( m)

15

(II)


thay số vào phương trình ta có: hb =
(0.064  0.024  0.04) * (2.57  0.521) * 1008  0.04 * 604.8 * 0.521  (0.1  0.04) * 0.521 * 604.8
2.57 * 604.8
= 0.084(m)

6. Tính trở lực của đĩa:
Pd = Pk  Ps  Pt (N / m2)

(II)

 Trở lực đĩa khô Pk : (II)
2

Pk =  *

 y * 0
1.19 * 28.37 2
= 5*
=2393.95(N / m2)
2
2

 : hệ số trở lực,  = 4.5  5

với:

 y : khối lượng riêng của pha hơi (khí) (kg / m3)
 o : tốc độ khí đi qua rãnh chóp.
 o=

 * d h2 / 4 *  y
m*a *b

=

 * 0.12 / 4 * 9.54
=28.37(m/s)
24 * 5 * 10 -3 * 0.022

 Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt Ps :
Ps =

4 *
4 * 71.96 * 10  3
=
= 35.53(N / m2)
d td
0.0081

với:

 : Sức căng bề mặt của nước (N / m2)

(II)

dtd: đường kính tương đương của khe rãnh chóp (m)

 Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thuỷ tĩnh):
Pt =  b * g * ( hb 

hr
0.022
) = 604.8 * 9.81 * (0.084 )=433.11 (N / m2)
2
2

 Pd = 2393.95 + 35.53+ 433.11= 2862.6(N / m2)
7. Tính chiều cao tháp:
H = N t * ( H d   )  1 (II.169)
với:

(II)

 : chiều dày đĩa   = 5*10-3 (m)
Hđ: khoảng cách giữa các đĩa

với D = 2 (m) ta có Hđ = 0.5 (m)
Nt: số đĩa thực tế
16


 Tính hệ số cấp khối:

4
hệ số cấp khối pha khí:  y = 4.47 *10 *  y

4

1.32

hệ số cấp khối pha lỏng:  x = 33.7 * 10 *  y

với:



 kmol 
* Px 
kmol 
 m 2 .s.

kmol 


0.79



 kmol 
* Px 
kmol 
 m 2 .s.

kmol 


(IX.38-II.104)

(IX.38-II.104)

 y : tốc độ khí tính cho toàn bộ tiết diện ngang của tháp:  y = 1.16(m/s)
Px : sức cản thuỷ lực của lớp chất lỏng trên đĩa:
Px = Pd - Pk = Ps  Pt = 35.53+ 433.11 = 468.64 (N / m2) (II)







kmol
 y = 4.47 * 10  4 * 1.161.32 * 468.64 =0.255 
kmol 
 m 2 .s.

kmol 





kmol
 x = 33.7 * 10  4 * 1.16 0.79 * 468.64 =1.78 
kmol 
 m 2 .s.


kmol 


 Tính hệ số phân bố m:
với:

m=

Y  Ycb
(II)
X cb  X

X đã biết
Y = 2.27 * X +1.001*10-3(phương trình đường làm việc)
Ycb =

1.95 * X
1  (1  1.95) * X

Xcb =

Y
(suy ra từ phương trình đường cân bằng)
1.95  (1  1.95) * Y

(phương trình đường cân bằng)

1
Hệ số chuyển khối: Ky = 1  m

y x

(II)

17


 Số đơn vị chuyển khối của đĩa:
Ky * f

mY,298 =

Gy

(II)

f = F – (fh * n + m * Str)

(II)

2
2
 f =  * 2 -(  * 0.1 *32 + 2 * 0.285) = 2.32 (m2)
4
4

 Cy =

e

mY , 298

 Vẽ đường cong phụ xác định số đĩa: (II)
Dựng A1C1, A2C2 … song song trục tung (Ai thuộc đường làm việc, Ci thuộc đường
cân bằng), tìm điểm Bi với:

Bi Ci =

Ai Ci
Cy

Gọi Y’: tung độ điểm Bi (với X tương ứng) ta có:
Y’ = Ycb +

(C y  1) * Ycb  Y
Y  Ycb
=
Cy
Cy

Ta có bảng số liệu sau:

Y

Ycb

m

Ky

my,t
Yb
0.19929
1.951
7

0

0.001

0

0.002

0.00554

0.00391

1.959

0.004

0.01008

0.00783

1.967

0.006

0.01462

0.01177

0.008

0.01916

0.01572

0.01

0.0237

0.01969

0.0108

0.02552

0.02128

0.199119
0.19894
4

1.975 0.198762
0.19857
1.984
2

0.19840
1.991
7
0.19832
1.9947
7

18

Xcb
3

4.5E-05

3.10437

0.00398

3.101645

0.00793

3.098818

0.0119

3.095845

0.01659

3.09327
3.09202

Cy
0.00051
4
0.00283
5
0.00514
5
0.00744
6
0.00973
6

0.01987 0.012017
0.01292
0.02282
6

22
22.2952
22.2345
22.1717
22.1059
22.0491
22.0216


Ta có số đĩa thực tế: Nt = 11 (đĩa)

 H = 11* (0.5 + 5*10-3) + 1 = 6.555(m)
Quy chuẩn H = 7 (m)
Trở lực toàn tháp:
P = 11 *2862.6 =31488.6 (N / m2)

III. THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ:

1. Xác định kích thước các cửa vào ra của tháp
o Đường ống dẫn khí:
o + Cửa vào: Dyv =

V
=
0.785 * 

12000 / 3600
= 0.53(m)
0.785 * 15

Quy chuẩn Dyv = 0.55(m) tính lại  = 14.023 (m/s)

19


+ Cửa ra : Dyr =

V
522.86 *16.3 / 3600
=
= 0.45 (m)

0.785 * 
0.785 * 15

Với  là tốc độ khí đi trong ống. ( 8-15 (m/s) )

o Đường ống dẫn lỏng:
Vx= Gxtb*Mxtb/  xtb= 1194.42*18.1/1008= 21.45 (m3/h)
+ Cửa vào: dtđ =

+ Cửa ra: dtđ =

V
21.45 / 3600
=
=0.09 (m)
0.785 *
0.785 * 1
V
21.45 / 3600
=
=0.09 (m)
0.785 *
0.785 * 1

Với  là tốc độ lỏng đi trong ống.

2. Bơm chất lỏng:
Chọn loại bơm dùng là bơm ly tâm, do bơm ly tâm có những ưu điểm sau:
+ cung cấp đều
+ quay nhanh (có thể nối trực tiếp với động cơ)

+ thiết bị đơn giản
+ có thể bơm các chất lỏng không sạch
+ không có supap nên ít bị tắc và hư hỏng
+ sử dụng trong phạm vi áp suất từ trung bình trở xuống và năng suất từ trung bình trở
lên.

SƠ ĐỒ HỆ THỐNG BƠM:

20


Tháp
hấp
thụ

Van điều chỉnh

P2
Van
điều
chỉnh

P1

P2’

Bể chứa nước
0.5
m
P1’

Công suất toàn phần của bơm:

Trong đó:

N=

Q* *g *H
(kW)
1000 *

(I)

Q: Năng suất bơm (m3 / s)

 : khối lượng riêng của chất lỏng:  H O , 250 C = 997.08 (kg / m3)
2
g: gia tốc trọng trường (m / s2)
H: áp suất toàn phần của bơm (m)

 : hiệu suất của bơm.

Chọn: Chiều cao hút: Hh = 0.5 (m)
Chiều cao đẩy: Hđ = 7.5 (m)
Chiều dài ống hút: Lh = 6 (m)
Chiều dài ống đẩy: Lđ = 9 (m)
21

8m

a/ Năng suất của bơm:
Q=

Gx * M H 2O

 H 2O * 3600

=

1188 * 18
= 5.96*10-3(m3 / s).
997.08 * 3600

b/ Áp suất toàn phần do bơm tạo ra:
H=

p2  p1
 H 0  hm (m)
*g

với:

(I)

p2, p1: áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian đẩy và hút (N / m2)
p1 = pkk = 1 (at) = 98,100 (N / m2)
p2 = plv = 1.5 (at) = 147,150 (N / m2)

 : khối lượng riêng của chất lỏng cần bơm:  H 2O = 997.08 (kg / m3)

H0: chiều cao nâng của chất lỏng, chọn H0 = 8 (m)
hm: áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ống hút và đẩy (kể cả
trở lực cục bộ khi chất lỏng ra khỏi ống đẩy) (m): hm =

p
*g

với p : áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất cả sức cản thuỷ lực trong hệ
thống khi dòng chảy đẳng nhiệt:
p = pd  pm  pH  pt  p p  po (I)
+ pd : áp suất động lực học, tức là áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng
chảy ra khỏi ống dẫn: pd =

 * 2
(N / m2)
2

(I)

2
 pd = 997.08 * 1 = 498.54(N / m2)
2

+ pm : áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy ổn định trong ống
thẳng:
pm =  *

L  * 2
*
(N / m2)

d td
2

(I)

L: chiều dài toàn bộ hệ thống ống dẫn: L = Lh + Lđ = 6 + 9= 15 (m)

 : hệ số ma sát:
22


Giả thiết chất lỏng chuyển động trong ống dẫn ở chế độ chảy xoáy:
 6.81  0.9  
1

2
*
lg
 
=


3.7 

 Re 
Re: chuẩn số Reynold: Re =

(I)

.d . 1 * 0.09 * 997.08

=
= 102709 > 4,000 (chế độ

0.8937 * 10  3

chảy xoáy)
 : độ nhám tương đối:  =


d td

(I)

 : độ nhám tuyệt đối: chọn  = 0.06  0.1 (mm) (đối với ống mới không hàn)
(I.381)
 chọn  = 0.09 (mm) = 0.09 * 10-3 (m)
3
  = 0.09 * 10 = 10-3
0.05



 6.81  0.9 10  3 
1

2
*
lg
 
=


 = 6.72
55783
.
8
3.7 





  = 0.022
 pm =  *

L  * 2
0.022 * 15 * 997.08 * 12
*
=
= 1847.9 (N / m2)
d td
2
0.09 * 2

+ pc : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ:
pc =  *

2 * 
(N / m2)
2

 : hệ số trở lực cục bộ:  =

(I.377)

 i

(bảng II.)

Chọn: ống thép tráng kẽm: 1 = 0,5
2 van tiêu chuẩn:  2 = 4.9
2 khuỷu 450: 3 = 0,41
Lưới đan kim loại ở đầu ống hút:  4 = 1.58
  = 1 + 2.  2 + 2. 3 +  4 = 0.5 + 2 * 4.9+ 2 * 0.41+ 1.58= 12.7
2
 pc = 12.7 * 1 * 997.08 = 6331.5 (N / m2)
2

23


+ p H : áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất
thuỷ tĩnh:
p H =  * g * H (N / m2)

(I)

H: chiều cao nâng chất lỏng hoặc cột chất lỏng: H = Hh + Hđ = 0.5 + 7.5 = 8(m)
p H = 997.08* 9.81 * 8 = 78250.8 (N / m2)
+ pt : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong thiết bị, coi pt = 0 (N /
2

m)

+ pk : áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần thiết:
coi pk = 0 (N / m2)

 p = pd  pm  pH  pt  p p  po = 498.54+ 1847.9+ 78250.8 + 6331.5
= 86928.7 (N / m2).
 hm =

p
86928.7
=
= 8.89 (m)
*g
997.08 * 9.81

 H=

p2  p1
49050
 H 0  hm =
+ 8 + 8.89 = 22.5 (m)
*g
997.08 * 9.81

c/ Hiệu suất của bơm:

 =  o * tl * ck

(I)

với:  o : hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao
đến vùng áp suất thấp và do chất lỏng rò rỉ qua các chỗ hở của bơm

 tl : hiệu suất thuỷ lực tính đến ma sát và sự tạo thành dòng xoáy trong bơm
 ck : hiệu suất cơ khí tính đến ma sát cơ khí ở ổ bi, ổ lót trục
Đối với bơm ly tâm:  o = 0.85  0.96

 tl = 0.8  0.85
 ck = 0.92  0.96 (I)
chọn:  o = 0.9;  tl = 0.85;  ck = 0.95   = 0.9 * 0.85 * 0.95 = 0.72675
24


 N=

Q* *g *H
0.00596 * 997.08 * 9.81 * 21.9
=
= 1.757 (kW)
1000 *
1000 * 0.72675

d/ Công suất động cơ điện:
Nđc=

N
(I)
 tr * đc

 tr : hiệu suất truyền động cơ, chọn  tr = 0.85
 đc : hiệu suất động cơ điện, chọn  đc = 0.9
 Nđc =

1.757
= 2.3 (kW)
0.85 * 0.9

Thông thường người ta chọn động cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính
toán (lượng dự trữ dựa vào khả năng quá tải):
N c dc =  * Nđc = 2 * 2.3 = 4.6(kW) (I)

 : hệ số dự trữ công suất  = 2 (I)
Vậy ta chọn bơm có công suất: 5 (kW).

3.

Máy nén khí:

Chọn máy nén ly tâm để vận chuyển vì máy nén ly tâm có nhiều ưu điểm:
-

Gọn nhẹ, tốn ít vật liệu

-

Chế độ làm việc ổn định, tạo được áp suất lớn.

SƠ ĐỒ MÁY NÉN KHÍ:

25