đồ án thiết kế tháp hấp thụ SO2

Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
LỜI MỞ ĐẦU
Lịch sử phát triển của xã hội loài người đã trải qua nhiều chuyển
biến mang tính chất bước ngoặt. Từ cuộc sống sơ khai khi con người còn
chưa biết sử dụng công cụ lao động cho đến khi con người tìm ra lửa,
biết sử dụng công cụ đá, sau đó là thời kỳ đồ đồng, ...Nhưng, sự phát
triển đạt đến đỉnh cao của xã hội loài người chỉ thực sự bắt đầu khi cuộc
cách mang khoa học - kỹ thuật diễn ra ở các nước Châu Âu. Kể từ đó,
chuyển sang thời đại mới: thời đại của khoa học - kỹ thuật và ngày nay
là thời đại của bùng nổ thông tin. Sự phát triển đó được minh chứng
bằng sự tăng mức sống của con người, sự gia tăng nhanh chóng của
hàng loạt nhà máy, xí nghiệp, cơ sở hạ tầng,...
Song song với sự phát triển đó là hàng loạt vấn đề bức xúc mà con
người không thể bỏ qua. Đó là hậu quả tất yếu của quá trình công
nghiệp hoá và hiện đại hoá, của quá trình phát triển sản xuất mà không
quan tâm đúng mức đến vấn đề môi trường. Đó chính là sự gia tăng của
các loài khí độc trong không khí, các chất nguy hiểm trong đất, trong
nước. Vì vậy, vấn đề xử lý chất thải đang được đặt lên hàng đầu.
Chính vì vậy, Đồ án môn học thực sự cần thiết, môn học cung cấp
cho em những phương pháp, cách tính toán, lựa chọn thiết bị có khả
năng ứng dụng vào thực tiễn để có thể xử lý các chất thải gây ô nhiễm.
Trước mắt là xử lý khí SO2 trong không khí.
Sau 12 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt
tình của các thầy cô giáo trong Viện. Đây là Đồ án đầu tiên của em, do có
nhiều hạn chế về tài liệu và kinh nghiệm tính toán, nên không thể tránh
khỏi những sai sót, em mong nhận được ý kiến đóng ghóp của các thầy
cô giáo để đồ án sau có kết quả tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, đặc biệt là thầy giáo,
PGS.TS. Đinh Văn Sâm và KS. Đinh Quang Hưng đã trực tiếp hướng
dẫn, giúp em hoàn thành đồ án này.

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

1


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
Hà Nội, ngày 2 tháng 11 năm
2001
Sinh viên thực hiện :
Trần Đức Chung

LỜI GIỚI THIỆU
* Khí SO2:
Khí SO2 là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có
chứa lưu huỳnh (S) như than,…hay nguyên liệu chứa lưu huỳnh như đốt
quặng Pirit sắt (FeS2), đốt cháy lưu huỳnh,…trong quá trình sản xuất axit
Sunfuric (H2SO4). Trong tự nhiên, SO2 được phát tán trong không khí chủ
yếu là do đốt than, và một phần do núi lửa phun.
SO2 là khí trung gian trong quá trình sản xuất axit Sunfuric. Hậu quả
khi SO2 phát tán vào không khí là gây ra mưa axít, phá huỷ các công trình
kiến trúc và ảnh hưởng đến sức khoẻ con người. Trên thế giới người ta có thể
đánh giá sự phát triển công nghiệp của một quốc gia dựa vào sản lượng axit
Sunfuric sản xuất ra trong một năm, điều đó đồng nghĩa với nguy cơ làm
tăng lượng SO2 trong không khí do khí thải của các nhà máy này. Vì vậy, cần
phải xử lý triệt để SO2 trong khí thải các nhà máy,…
* Tháp đệm:
Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá chất vì đặc
điểm dễ thiết kế, gia công, chế tạo và vận hành đơn giản. tháp đệm được sử

dụng trong các quá trình hấp thụ, chưng luyện, hấp phụ và một số quá trình
khác. Tháp có dạng hình trụ, trong có chứa đệm, tuỳ vào mục đích thiết kế
mà đệm có thể được xếp hay đổ lộn xộn. Thông thường, lớp đệm dưới
thường sắp xếp, khoảng từ lớp thứ 3 trở đi, đệm được đổ lộn xộn.
Tháp đệm có những ưu điểm sau:

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

2


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
-

Cấu tạo đơn giản.

-

Bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao.

-

Trở lực trong tháp không quá lớn.

-

Giới hạn làm việc tương đói rộng.

Tuy nhiên, tháp có nhược điểm là khó thấm ướt đều đệm.

Chế độ làm việc của tháp đệm:
Trong tháp đệm, chất lỏng đi từ trên xuống, phân bố đều trên mặt đệm;
Chất khí đi từ dưới lên, phân tán trong lỏng. Quá trình chuyển khối trong
tháp đệm không những phụ thuộc vào quá trình khuyếch tán (khuyếch tán
đối lưu và khuyếch tán phân tử) mà còn phụ thuộc vào chế độ thuỷ động
trong tháp. Tuỳ thuộc vào vận tốc khí mà đi trong tháp mà chế độ thuỷ động
trong tháp là chế độ dòng, chế độ xoáy hay chế độ sủi bọt.
Ở chế độ dòng, tốc độ khí nhỏ, lực hút phân tử lớn hơn lực ỳ nên quá
trình chuyển khối được quyết định bằng khuyếch tán phân tử. Nếu vận tốc
khí tiếp tục tăng thì lực ỳ tăng dần cho đén khi lực hút phân tử bằng với lực
ỳ thì quá trình chuyển khối lúc này được quyết định bởi cả hai quá trình
khuyếch tán phân tử và khuyếch tán đối lưu, chế độ thuỷ động chuyển sang
chế độ quá độ. Nếu vận tốc khí tiếp tục tăng, ta có chế độ chuyển động xoáy
và quá trình chuyển khối quyết định bằng quá trình khuyếch tán đối lưu.
Đến một giới hạn nào đó của tốc độ khí trong tháp sẽ xảy ra quá trình đảo
pha. Lúc này chất lỏng choán toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, khí
phân tán vào pha lỏng là pha phân tán. Vận tốc khí giới hạn tại đó xảy ra
quá trình đảo pha được gọi là vận tốc đảo pha. Ta có chế độ sủi bọt vì khí
sục vào trong pha lỏng tạo bọt.
Trong thực tế, để đảm bảo tháp làm việc ổn định, ta khống chế tốc độ
khí ở giá trị vận tốc điểm đảo pha ( thường bằng 0,8 ÷ 0,9 giá trị này ). Ở
chế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanh đệm, ta gọi là chế độ
màng. Sau điểm đảo pha là chế độ sủi bọt. Như vậy, trên thực tế tháp đệm
làm việc ở chế độ màng.

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

3

Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội

LỰA CHỌN SƠ ĐỒ
Sơ đồ mô phỏng như sau:
(Xem trang bên)
Trong đó:
G: lưu lượng khí vào tháp, là hỗn hợp SO2 - không khí (m3/h);
Gx: lượng khí trơ vào tháp (kmol/h);
L: lưu lượng nước vào tháp (kmol/h);
Yđ: nồng độ SO2 trong khí đi vào tháp (kmol SO2 / kmol kk);
Yc: nồng độ SO2 trong khí đi ra tháp (kmol SO2 / kmol kk);
Xđ: nồng độ SO2 trong nước đi vào tháp (kmol SO2 / kmol nước);
Xc: nồng độ SO2 trong nước đi ra tháp (kmol SO2 / kmol nước);

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

4


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
CÂN BẰNG VẬT LIỆU
1. Dữ kiện cho như sau:
- Lưu lượng khí vào tháp: 5000m3/h
- Nhiệt độ làm việc: 250C
- Áp suất làm việc: 760 mmHg
Số mol khí vào tháp:
Từ phương trình trạng thái khí lý tưởng:
Rút ra số mol khí là: n =

P0.n.22,4 P1.V1
=
T0
T1

T0.P1.V1 273.760.5000
=
= 204,5 kmol / h
P1.22,4
760.22,4

- Nồng độ SO2 trong nước đi vào tháp: Xđ = 0 (kmol SO2 / kmol nước)
- Nồng độ SO2 trong nước đi ra tháp: 0,34% (phần khối lượng)
xC / Mso2
xc = xC + 1− xC
Mso2 M H O

(kmol SO2 / kmol hỗn hợp)

(II.126)

2

Xc =

xC
1− xC

(kmol SO2 / kmol nước) (II.126)

Với:
xc: nồng độ phần khối lượng (kg SO2 / kg hỗn hợp)
xc: nồng độ phần mol (kmol SO2 / kmol hỗn hợp)
Rút ra:
xc / Mso2
Xc = (1− x ) / M
(kmol SO2 / kmol nước)
c
H O
2

Thay số

Xc =

0,34/ 64
= 0,96.10-3 kmol SO2 / kmol nước
(100− 0,34) / 18

- Nồng độ SO2 trong khí vào tháp là 4,4% (phần thể tích)
hay nồng độ phần mol là yđ = 4,4%

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

5


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội

Yđ =
Thay số

yd
(kmol SO2/ kmol kk) (II.126)
1− yd
Yđ =

4,4
= 0,046 kmol SO2/ kmol kk
100− 4,4

- Nồng độ SO2 trong khí ra khỏi tháp:
Biết hiệu suất hấp thụ là η = 87%
Yc =

(100− η)Yd (100− 87)0,046
=
= 6.10-3 kmol SO2/ kmol kk
1− 0,046
1− Yd

1. Phương trình đường cân bằng vật liệu:
Gx(Yđ - Yc) = L(Xc - Xđ) (1)

(II.140)

Trong đó: - Gx: lượng không khí đi vào tháp (kmol / h)
Gx = (100 - 4,4)204,5/100 = 195,5 kmol / h
- L: lưu lượng nước vào tháp (kmol / h)

L=

Gx(Yd − Yc)
(rút ra từ phương trình (1))
Xc − Xd

195,5(0,046− 6.10−3 )
Thay số: L =
= 8145,8 kmol / h
0,96.10−3 − 0
Từ (1): Yđ =
Hay:

Yđ =

L
L
Xc +Yc Xd
Gx
Gx
8145
,8
Xc + 6.10−3 − 0
195,5

Vậy phương trình đường làm việc:
Y = 41,67X + 6.10-3 (Kmol SO2 / kmol kk )
3. Phương trình đường cân bằng:
Y *=

mX
(Kmol SO2 / kmol kk) (II.140)
1+ (1− m)X

Với:
 m = Ψ/ P : hệ số phân bố

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

6


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
 Ψ: hệ số Henri (mmHg)

Tra bảng IX.1(Sổ tay hoá công tập 2), ứng với SO 2 ở 25oC có Ψ = 0,031.106
mmHg.
 P: áp suất chung của hỗn hợp khí (mmHg). P = 760 mmHg
0,031.106
⇒m =
= 40,79
760
Vậy phương trình đường cân bằng: Y * =

40,79X
(Kmol SO2 / kmol kk)
1− 39,79X

KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ

1. Đường kính tháp :
Được xác định theo công thức sau:

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

7


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
D=

4Vtb
Vtb
=
(m)
π.3600
ωtb
0,785ωtb

(II.181)

Trong đó:
 Vtb: Lưu lượng khí đi qua tháp trong 1 giây (m3/ s
Vtb = 5000m3/h = 5000/3600 = 1,388 m3/s
 ωtb:tốc độ khí đi trong tháp (m/s)
ωtb = (0,8 ÷ 0,9) ω0
ω0 : tốc độ đảo pha (m/s)
Xác định tốc độ đảo pha:
1

 ω2σ ρ  µ  0,16
 L ρk  4
0 d
k
l
 (III.423)
Lg 
. .   = b − c
3

g
.
v
ρ
µ
G
ρ
d
l 
n 
l 



Trong đó:
+σđ: bề mặt riêng của đệm (m2/m3)
+vđ: thể tích riêng của đệm (m3/m3)
+g: gia tốc trọng trường (g = 9,81 m/s2)
+ ρk khối lượng riêng của hỗn hợp khí

ρk = 0,956ρkk + 0,044ρSO2 (I. )
ρkk = 1,185 kg/m3 (ở 250c)
ρSO2 = 2,9268 kg/m3 (ở 00C)
Từ phương trình:

P0.V0 P1.V1
=
với P0 = P1 = 760 mmHg
T0
T1

và khối lượng khí m = ρ0.V0 = ρ1.V1
⇒ ρ1 =

T0
ρ0
T1

Thay số: ρSO2(ở 250C) =

273
.2,9268= 2,6812 kg/m3
273+ 25

Vậy ρk = 0,956.1,185 + 0,044.2,6812 = 1,2508 kg/m3

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

8

Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
+ ρl: khối lượng riêng hỗn hợp lỏng ở 250C
xH O
1 xSO
=
+
ρ l ρ SO (l ) ρ H O
2

2

2

(I. )

2

x: nồng độ phần khối lượng các cấu tử trong hỗn hợp
xSO2 = (xSO2(đ) + xSO2(c))/2 = (0,34% + 0)/2 = 0,0017
⇒ xH2O = 1 - xSO2 = 1 - 0,0017 = 0,9983
Dùng công thức nội suy (sổ tay Hoá công tập 1), ta có:
ρSO2 = 1369 kg/m3 (ở 250C)
ρH2O = 997,08 kg/m3 (ở 250C)
Vậy ρl =

ρ SO (l ) .ρ H O
2

2

xSO ρ H O + xH Oρ SO
2

2

2

2

=

1369
.997,08
= 997,54 kg/m3
0,0017
.997,08+ 0.9983
.1369

+µl: độ nhớt hỗn hợp lỏng ở nhiệt độ làm việc (250C) (Ns/m2)
Xác định µl như sau:
lgµl = xSO2lgµSO2(l) + xH2OlgµH2O (Ns/m2)

(I.93)

Với: xSO2 = 0,0017; xH2O = 0,9983
µSO2(l)(250C) = 0,2915.10-3 Ns/m2
µH2O(250C) = 0,8937.10-3 Ns/m2
⇒ lgµl = 0,0017lg0,2915.10-3 + 0.9983lg0.9837.10-3

⇒µl = 0,9817.10-3 Ns/m2
+ µn: độ nhớt của nước ở 200C, tra bảng, ta có:
µn = 1.005.10-3 Ns/m2
+ b: hệ số, với quá trình hấp thụ b = 0,022
+ c: hệ số, c = 1,75
+ L: tải trọng của tháp theo lỏng (kg/h)
L = 8145,8.18 = 146624,4 kg/h
+ G: tải trọng của tháp theo khí (kg/h)
G = Gx + GSO2

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

9


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
G = 195,5.28,9 + (204,5 – 195,5)64 = 195,5.28,9 + 9.64 = 6225,95 kg/h
Thay vào công thức, ta có:
0,16
 ω2 .σ 1,2508 0.9817
 146624
.10−3  
,4 1,2508
0
d

  = 0,022− 0,175
.
.

Lg 
3
−3 

6225
,
95
997
,
54
 9,81.vd 997,54  1,005.10  



1/ 4

2

−3 ω 0 .σ d 

 = - 0,14523239
0
,
127338
.
10
⇔ lg 
3
v



d

⇒ ω0 =

v3d
5620
,948226
σd

Lựa chọn các đệm khác nhau, ta sử dụng bảng IX.8 - Đặc trưng của
đệm (Sổ tay Hoá công tập 2, tr 193)
Chọn đệm vòng Rasiga đổ lộn xộn, bằng sứ có kích thước 12x12x1,8(mm),
vđ = 0,67 m2/m2; σ đ = 360 m2/m3
Tính được ω0 = 2,167 m2/s
⇒ ωtb= 0,8ω0 = 0,8.2,167
 ω tb = 1,7336 m2/s
Vậy đường kính tháp:
D=

1,388
= 1,0099 m
0,785.1,7336

hay D = 1 m
 Kiểm tra:
1
dtd
+
< 50

D
dtd =

4vd 4.0,67
=
= 0,00744
σd
360

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

10


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
1
dtd
dtd
⇒
= 0.0074/1 = 0,0074 < 1/50 thoả mãn điều kiện
< 50
D
D
 Kiểm tra theo mật độ tưới:
 Mật độ tưới:
U=

Vl
L

=
(m2/m2h)
f ρl f

(VII.497)

Với:
+ Vl:Lưu lượng thể tích chất lỏng (m3/h)
+ f: tiết diện tháp (m2)
f = πD2/4 = 3,14.12/4 = 0,785 m2
⇒U =

146624
,4
= 187,24 m2/m2h
997,54.0,785

(Lớn hơn trị số cho phép tối thiểu là 1,5 m2/m2h)
 Mật độ tưới tới hạn:
Uth = σđ.b (m2/m2h)

(VII.497)

Trong đó:
b: hằng số (b = 0,158)
⇒ Uth = 360.0,158 = 56,88 m2/m2h
U 187,24
=
Vậy U th 56,88 = 3,29 > 1
⇒ Đệm thấm ướt rất tốt.

2. Chiều cao tháp:
Chiều cao tháp được xác định theo phương pháp số đơn vị chuyển khối
H = hdv.my (m)

(II.175)

Trong đó:
+ H: chiều cao tháp (m)

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

11


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
+ hdv: chiều cao một đơn vị chuyển khối (m)
+ my: số đơn vị chuyển khối
 Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối:
hdv = h1 +

m'.Gx
h2 (m)
L

(II.177)

Với:
 h1: chiều cao một đơn vị chuyển khối ứng với pha khí (m)
 h2: chiều cao một đơn vị chuyển khối ứng với pha lỏng (m)

 m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y * = f(X) với
mặt phẳng ngang
 Gx : lưu lượng khí trơ đi qua tháp ( kg/h)
Gx = 195,5.28,9 = 5649,95 kg/h
 L : lưu lượng lỏng đi qua tháp (kg/h)
Xác định h1 và h2:
2/ 3
vd
0,25
Re
Pr
h1 =
(m)
y
y
aψσ d

+

(II.177)

Trong đó:
+ a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a = 0,123
+ ψ: hệ số thấm ướt của đệm
do

U
> 1 ⇒ψ = 1
U th

(VII.497)

+ Rey: Chuẩn số Renol đối với pha khí
Rey =

4ρ k ω0
σ dµ k

(IV.289)

Với:
µk: độ nhớt pha khí (ở 250C) (Ns/m2)
µk xác định theo công thức sau:

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

12


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
M tb ySO M SO ykk M kk
=
+
µk
µ SO
µ kk
2

2

(I. )

2

Trong đó:
 ySO2: nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha khí (kmol/kmol hh)
 ykk: nồng độ phần mol trung bình của không khí (kmol/kmol hh)
 Mtb: khối lượng mol trung bình hỗn hợp khí (kg/kmol)
 MSO2, Mkk: khối lượng mol trung bình của SO2 và không khí (kg/kmol)
MSO2 = 64 (kg/kmol); Mkk = 28,9 (kg.kmol)
ySO2 =

yd + yc
2

Yc
6.10−3
=
= 5,96.10−3
yc =
−3
Y c + 1 6.10 + 1
0.044+ 5,96.10−3
⇒ ySO2 =
= 0,025
2
⇒ ykk = 1- ySO2 = 1 – 0,025 = 0,975
⇒ Mtb = ySO2MSO2 + ykkMkk = 0,025.64 + 0,975.28,9 = 29,7775 (kg/kmol)
 µSO2: độ nhớt của SO2 ở 250C (Ns/m2)

Tra bảng (Sổ tay Hoá công tập 1), µSO2 = 0,0129.10-3 Ns/m2
 µkk: độ nhớt của không khí ở 250C (Ns/m2)
Tra bảng (Sổ tay Hoá công tập 1), µkk = 0,018.10-3 Ns/m2
Vậy:

29,7775 0,025.64 0,975.28,9
=
+
µk
0,0129
.10−3 0,018.10−3

⇒ µk = 0,0176.10-3 Ns/m2
Ta có: Rey =

4.1,2508
.2,167
= 1711
,16
0,0176
.10−3.360

+ Pry: Chuẩn số Pran đối với pha khí
µk
Prk = ρ k Dk

(IV.270)

Trong đó:

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

13


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
 Dk: hệ số khuếch tán pha khí ở 250C (m2/s)
Xác định Dk như sau:
0,0043
.10−4 T 1,5
1
1
+
Dk =
(m2/s)
P(v1SO/ 3 + v1kk/ 3 )2 M SO M kk
2

(II.127)

2

Với:
+ T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối, T = 298K
+ P: áp suất làm việc, P = 1 at
+ vSO2, vkk: thể tích mol của SO2 và của không khí (cm3/mol)
Tra bảng VIII.2 (tr 127), Sổ tay Hoá công tập 2, ta có:
vkk = 29,9 cm3/mol
vSO2 = vS + 2vO = 25,6 + 2.7,4 = 40,4 cm3/mol

⇒ Dk =

0,0043
.10−4.2981,5

1.( 40,41/ 3 + 29,9

)

1/ 3 2

1
1
+
= 0,0116.10-3 (m2/s)
64 28,9

0,0176
.10−3
= 1,213
Vậy Pry =
1,2508
.0,0116
.10−3
⇒ h1=

+

0,67
1711

,160,251,2132/ 3 = 0,11 (m)
0,123.1.360

 µ 2l 
h2 = 119 2 
 ρ l g

1/ 3

Re0x,25 .Prx0,5 (m)

(IV.469)

Trong đó:
 Rex: chuẩn số Renol đối với pha lỏng.
Rex = 4

L
(VII.498)
f .σ d .µ l

Với:
- L: lưu lượng lỏng (Kg/s).
L = 146624,4 (kg/h) = 146624,4/3600 = 40,729 (Kg/s)
⇒ Rex = 4

40,729
= 587,236
0,785.360.0,9817
.10−3

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

14


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
+ Prx=

µl
ρ l .Dx

(II.178)

Với
 Dx: hệ số khuyếch tán của SO2 vào nước ở nhiệt độ 250C.
Dt = D20[1+b(t-20)] (m2/s)

(VII.489)

Trong đó:
- D20: hệ số khuyếch tán của SO2 vào nước ở nhiệt độ 200C.
10−6
D20=
AB µ l (v1A/ 3 + v1B/ 3 )2

1
1
+

(m2/s) (II.133)
MA MB

- A: hệ số, với các chất khí tan trong nước A = 1.
- B: hệ số, dung môi là nước B = 4,7.
- vA,vB: thể tích mol của SO2 và nước (cm3/mol)
vA = 40,7 cm3/mol
vB = 2vH + vO = 2.3,7 + 7,4 = 14,8 cm3/mol
- MA, MB: khối lượng mol của SO2 và nước (Kg/Kmol).
MA = 64 Kg/Kmol
MB = 18 Kg/Kmol
10−6
1 1
+ = 1,6486.10-9 (m2/s)
⇒ D20 =
1/ 3
1/ 3 2
1.4,7 0,9817(40,7 + 14,8 ) 64 18
 b=

0,2 µ l
3

ρl

=

0,2 0,9817
= 0,02
3

997,54

(VII.489)

t: nhiệt độ làm việc (250C)
⇒ D25 = 1,6486.10-9[ 1 + 0,02( 25 – 20)] = 1,81346.10-9 (m2/s)
0,9817
.10−3
Vậy Prx =
= 542,676
997,54.1,81346
.10−9
Thay vào công thức, ta có:
1/ 3

.10−3 )2 
 (0,9817
 587,2360,25542,6760,5 = 0,63 (m)
h2 = 119 
2
 997,54 .9,81 

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

15


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
+ Xác định m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y * =

f(X) với mặt phẳng ngang.
n

m’ =

∑m
i =1

i

(II.168)

n
Với:
 mi: giá trị của tg một phần góc nghiêng đường cân bằng Y* = f(X)
 n: số đoạn xác định tg góc nghiêng đường cân bằng Y* = f(X)
Do bài toán đặt ra có nồng độ của SO 2 trong cả hai pha lỏng và khí đều nhỏ
nên đường cân bằng gần như là đường thẳng nên ta có thể xác định m’ bằng
cách sau:
Yd − Yc
0,046− 6.10−3
m’ =
=
= 41,667
XC − Xd
0,96.10−3
Vậy ta xác định được chiều cao một đơn vị chuyển khối:
hđv = 0,11 +

41,667.5649

,95
0,63 = 1,12 (m)
146624
,4

Xác định số đơn vị chuyển khối my:
Yd

my =

dY

∫Y −Y

Yc

*

(II.175)

Lập bảng giá trị sau:
X.103

Y

Y*

Y – Y*

0

0,24
0,48
0,80
0,96

0,006
0,016
0,026
0,039
0,046

0
0,0099
0,0199
0,0337
0,0407

0,006
0,0061
0,0061
0,0053
0,0053

1
Y − Y*
166,7
163,9
163,9
188,68
188,68

Dựa vào đồ thị ta xác định được số đon vị chuyển khối là 6,289.

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

16


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
Vậy chiều cao tháp được xác định:
H = 1,12.6,289 = 7,0436 m
Hay chiều cao tháp là 7 m (quy tròn).
 Kiểm tra điều kiện của tháp:
H
= (5÷ 7) ta thấy với chiều cao tháp (đệm) là H = 7 m và đường kính tháp
D
là D = 1m thì

H
= 7 thì thoả mãn.
D

Đây thực chất là chiều cao của lớp đệm, chiều cao của tháp ngoài chiều cao
của lớp đệm còn tính đến chiều cao của 2 phần từ mặt trên của đệm đến đỉnh
tháp và từ mặt dưới của đệm đến đáy tháp.
Htp = H + ht + hd (m)
Trong đó:
 ht: chiều cao của lớp đệm từ mặt trên của đệm đến đỉnh tháp (m)
Chọn ht phải đảm bảo sao cho chất lỏng tưới đều toàn bộ bề mặt đệm, đồng

thời đảm bảo không gian tách bọt. Chọn ht = 1 m.
 hd: chiều cao của lớp đệm từ mặt dưới của đệm đến đáy tháp (m)
Chọn hd phải đảm bảo khí đi lên đều đặn và phân bố đồng đều đến toàn bề
mặt đệm, chất lỏng chảy từ trên xuống dễ dàng và có khoảng không gian
thích hợp để chất lỏng có thể thoát dễ dàng. Chọn hd = 0,5 m.
 Bên cạnh đó, ta dự tính chiếu cao còn tăng lên do tính đến phần bích,
khoảng cách giữa 2 đoạn thân,...
Vậy chiều cao vỏ hình trụ của tháp:
Htp = 7 + 1 + 0,5 + 0,5 = 9 m
Số liệu mô phỏng
1. Số liệu mô phỏng ứng với sự thay đổi đặc trưng của đệm:
Nhận xét:

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

17


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
Đệm có kích thước lớn thì đường kính tháp giảm, chiều cao tháp tăng.
Do đó, trở lực của tháp tăng. Bề mặt riêng của đệm nhỏ sẽ hạn chế sự tiếp
xúc pha giữa lỏng và khí.
Như vậy, kích thước đệm tăng không có lợi cho quá trình hấp thụ.
2. Ảnh hưởng của áp suất:
Trong tính toán của bài, ta đã xét tháp làm việc ở áp suất là 1 at. Nếu
hấp thụ khí bằng lỏng thì áp suất có ảnh hưởng đến hiệu suất hấp thụ. Áp
suất làm tăng khả năng hấp thụ, do đó ta có hiệu suất hấp thụ cao hơn.Bên
cạnh đó làm giảm lượng dung môi cần thiết. Ví dụ với bài toán đang xét,
ở P = 1 at, lượng nước cần là: 146,624 tấn hay 146,624 m 3.Áp suất tăng

cũng làm tăng trở lực của tháp, do đó tốn năng lượng cho quá trình vận
chuyển khí vào tháp.
Nhưng, đồng nghĩa với việc tăng áp suất là tăng kinh phí cho hoạt
động của tháp bao gồm kinh phí chi cho việc lắp đặt thêm máy nén khí,
do đó tăng kinh phí khi vận hành, sửa chữa,….
Nếu không thay đổi nhiệt độ, áp suất tăng, đường cân bằng dịch
chuyển ra xa trục tung (hiệu suất hấp thụ tăng).
Ví dụ ở nhiệt độ 250C, đệm có kích thước 12x12x1,8
Ở áp suất 1 at, D = 1 m; H = 7 m.
Ở áp suất 3 at, D = 1,2 m; H = 5,2 m.
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Nhiệt độ tăng không có lợi cho quá trình hấp thụ. Nhiệt độ tăng làm giảm
hiệu suất hấp thụ, bên cạnh đó còn làm giảm tuổi thọ của các thiết bị.

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

18


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

19


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
TRỞ LỰC CỦA THÁP

Ta phân biệt trở lực của tháp gồm trở lực đệm khô và trở lực đệm ướt.
1. Trở lực đệm khô:
Trở lực của đệm khô được xác định theo công thức sau:
2
H ρ yω t
∆Pk = λ’
dtd 2

(N/m2)

(II.189)

Trong đó:
 λ’: hệ số trở lực của đệm, phụ thuộc Re.
Ta đã tính được Rey = 1711,16 > 40 ứng với đệm vòng đổ lộn xộn ở chế độ
xoáy
λ’ =

16,0
16
= 3,61
0,2 =
Rey
1711
,160,2

 H: chiều cao lớp đệm, H = 7 m
 dtd: đường kính tương đương của đệm, dtd = 0,00744 m


ρy: khối lượng riêng pha khí, ρy = 1,2508 kg/m3

 ωt : vận tốc thực của khí đi trong tháp (m/s2)
ωt =

ωy
vd

(II.189)

Với ωy: tốc độ khí tính trên toàn bộ tiết diện tháp (m/s)
ωy ≡ ωtb = 1,7336 m/s
⇒ ωt =

1,7336
= 2,587 m/s
0,67

Vậy tổn thất áp suất của đệm khô là:
7
1,2508
.2,5872
∆Pk = 3,61
= 14.293,03 N/m2
0,00744
2
2. Trở lực của đệm ướt:
Trở lực của đệm ướt được xác định theo công thức sau:

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

20


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
n
c
m

 L   ρ k   µl  
1+ A      
 G   ρ l   µ k  
∆Pư = ∆Pk 
(N/m2) (II.189)

A, m, n, c là các giá trị cho trong bảng IX.7 (Sổ tay Hoá công tập 2 – tr189)
Trước hết, xác định
L
 
 G

1/ 8

0,2

 ρ k  µ l 
146624
,4   1,2508 0,9817
   = 

 

 = 0,00416 < 0,5
,95   997,54 0,0176
 6225
 ρ l  µ k 
1/ 8

0,2

⇒A = 8,4; m = 0,405; n =0,225; c = 0,015
0,225
0,015
0,405

 L   ρ k   µl  
1+ 8,4      
 G   ρ l   µ k  
⇒ ∆Pư = ∆Pk 
0,405
0,225
0,015

,4  1,2508  0,9817 
 146624
 
 
 
= 14.293,03 1+ 8,4
,95   997,54  0,0176 

 6225


= 116.238,7 N/m2
Vậy trở lực của tháp khi đệm ướt là 116.238,7 N/m2

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

21


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ
Bài toán đặt ra giả thiết tháp làm việc ở điều kiện thường (P = 1 atm, nhiệt
độ 250C), khí vào tháp ở áp suất 1 at nên ta chỉ chọn quạt làm thiết bị vận
chuyển khí. Vận chuyển chất lỏng ta sử dụng bơm. Do đó, phần thiết bị phụ
ta chỉ tính công suất của bơm và quạt.
1. Xác định công suất của bơm:
1.1.Công suất bơm:
Công suất của bơm được xác định theo công thức sau:
N=

Q.H tpρ l g
1000
η

(kW)

Trong đó:

 Q: lưu lượng chất lỏng cần bơm
Q=

L
(m3/s)
ρ H O 3600
2

Q=

146624
,4
= 0,0408 m3/s
997,08.3600

 Htp: áp suất toàn phần do bơm tạo ra (m)
Xác định Htp theo công thức sau:
ω22 − ω12 p2 − p1
l + l td ω2
+
+ z2 − z1 + ∑ λ
Htp =
(VIII.89)
2g
ρg
d 2g
Với:
+ ω2: vận tốc chất lỏng ở đầu ra của ống đẩy (m/s)
+ ω1: vận tốc chất lỏng hạ trong bể chứa (m/s)
Với giả thiết là bể chứa luôn được cung cấp chất lỏng, ta xem mực nước

trong bể không thay đổi, nên ω1 = 0 m/s.
+ p1, p2: áp suất tại mặt thoáng của bể chứa và ở độ cao bơm đưa chất lỏng
lên. Với giả thiết bơm, bể chứa đặt trên mặt đất và do chiều cao của tháp
không cao nên ta xem p1 = p2 = 760 mmHg.

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

22


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
+ z2 – z1: chiều cao của cột chất lỏng (m)
Theo sơ đồ mô phỏng, chiều cao cột chất lỏng được tính từ bơm lên đến phần
cuối của ống đẩy, nơi chất lỏng được tưới ra.Do đó:
z2 – z1 = H + ∆h (m)
H: chiều cao lớp đệm (m), H = 7 m
∆h: tổng khoảng cách từ mặt trên của đệm đến giàn tưới và mặt dưới của
đệm đến thân bơm. Chọn ∆h = 1 m.
⇒ z2 – z1 = 7 + 1 = 8 m
+ λ: hệ số ma sát
+ l, ltđ: chiều dài và chiều dài tương đương của ống dẫn, bao gồm tất cả các
đoạn khuỷu và van một chiều (m)
+ ω: vận tốc chất lỏng đi trong ống dẫn (m/s), ta phân biệt vận tốc chất lỏng
đi trong ống hút và vận tốc chất lỏng đi trong ống đẩy.
- Trong đường ống hút:
Chọn khoảng cách từ bể chứa đến bơm là lh = 2 m
Chọn đường kính ống là 0,2 m
⇒ Vận tốc chất lỏng đi trong ống là:
V

(m) (I.448)
0,785ω

Từ: d =
⇒ ωh =

V
(m/s) ( V ≡ G: lưu lượng thể tích nước cần bơm trong 1 s)
0,785d2

hay: ωh =

0,04
= 1,27 m/s
0,785.0,22

- Trong đường ống đẩy:
Do ta cần bơm cùng một lưu lượng chất lỏng, do đó nếu chọn đường kính
ống vẫn là 0,2 m thì vận tốc nước trong ống vẫn là 1,27 m/s. Có nghĩa là:
ωh = ωđ = ω = 1,27 m/s
* Xác định hệ số ma sát λ:

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

23


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
- Đối với ống hút:

Xét: Re =

ωdtdρ H O
µH O
2

(I.459)

2

1,27.0,2.997,08
= 281.398,13 > 4000 ứng với chế độ chảy xoáy, hệ số
0,9.10−3

Re =

ma sát λ xác định theo công thức sau:
 6,81 0,9
1
ε 
= −2lg
 +

3,7dtd 
λ
 Re 

(I.464)

ε: độ nhám tuyệt đối. Phụ thuộc vào chất liệu ống. Ống vận chuyển nước

không chứa chất ăn mòn nên ta có thể chon ống mới không hàn có
ε = 0,1.10-3 m (I.466)
 6,81  0,9 0,1.10−3 
1
= −2lg
⇒
 +
 = -2lg(0,205.10-3)
,13
3,7.0,2 
λ
 281398
⇒ λ = 0,0184
Vậy tổn thất áp suất gây ra trên đường ống hút là:
l ω
1,5.1,27
∆Ph = λ .
= 0,0184
= 0,00894 (m)
d 2g
0,2.2.9,8
- Trên đường ống đẩy:
Đường ống đẩy bao gồm 2 khuỷu ghép 90 0, 1 van một chiều và phần
phun chất lỏng là một đĩa phân phối chất lỏng ( Xem hình vẽ thiết bị kèm
theo)
. Đường kính ống đẩy: d = 0,2 m
. Vận tốc nước trong ống đẩy: ω = 1,27 m/s
. Van một chiều:
Đường kính van Dv = 200 mm (0,2 m), tra bảng N046 (Sổ tay Hoá công tập 1,
tr 339) ⇒ hệ số trở lực cục bộ của van là ξ v = 2,1

. Khuỷu ghép 900 với mặt cắt ngang hình vuông do 3 khuỷu 300 tạo thành:

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

24


Viện khoa học và công nghệ môi trường - Trường đại học Bách Khoa
Hà Nội
(Tra bảng N0 30, trang 479, Sổ tay Hoá công tập 1) Chọn

a
= 1 ⇒ hệ số trở
b

lực cục bộ của khuỷu là ξ k = 2.3.0,3 = 1,9
. Bộ phận tưới chất lỏng:
Có thể chọn bộ phận tưới chất lỏng là dạng dàn tưới, chất lỏng được
tưới nhờ đĩa phân phối chất lỏng (Xem Sổ tay Hoá công tập 2, tr 230 hay ở
bản vẽ thiết kế). Do đó xem như không xét đến trở lực.
Vậy tổng hệ số ma sát của ống đẩy:
ξ = ξv + ξk +ξo +ξt = 2,1 + 1,9 = 4
Hay ξ = 4
 Chiều dài đường ống đẩy:
Đường ống đẩy bao gồm chiều dài của đoạn ống thẳng cùng với chiều dài
2 khuỷu.
- Chiều dài của ống bao gồm phần ống thẳng đứng ( chiều cao nâng cột
chất lỏng) (8m), phần ống tính từ phần cuối của ống thẳng đứng đến tâm
tháp ( đến bộ phận tưới) (chọn khoảng cách này là 2m) và phần ống phía
trên của bộ phận tưới chất lỏng (chọn chọn khoảng cách này là 0,5 m).

- Chiều dài khuỷu (ltđ2 (m)):
Ta có 2 khuỷu, mỗi khuỷu có 3 đoạn, góc 300
Chọn a = b = d = 0,2 m
⇒ ltđ2 = 2.3.0,2 = 1,2 m
Vậy chiều dài ống đẩy: lđ = 8 + 2 + 0,5 + 1,2 = 11,7 m
Tổn thất áp suất trong đường ống đẩy:
∆Pđ = λ 1

ld ω
l ω
lω
.
+ λ2 d .
= (λ1 + λ2) d ( m )
d 2g
d 2g
d2g

Đồ án môn học - Tính toán và thiết kế hệ thống hấp thụ

25