Đồ án Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2

40 trang phuongnguyen 4060

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_tinh_toan_thiet_ke_he_thong_hap_thu_khi_so2.pdf

Nội dung text: Đồ án Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG ___OOO___ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÁC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG Đề bài: Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2 GVHD: TS. Vũ Đức Thảo SVTH: Mai Thị Hiền Lớp: Kỹ thuật môi trường K52 SHSV: 20071073 Hà Nội, tháng 12/2010
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ và tên Sinh viên: Mai Thị Hiền Lớp: Kỹ thuật môi trường Khóa: 52 I. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2 II. Các số liệu ban đầu: - Hỗn hợp khí cần tách: SO2 trong không khí - Dung môi: nước - Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m3/h - Nồng độ SO2: yđ = 0,028( mol/mol) - Hiệu suất yêu cầu: = 84% - Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện - Loại thiêt bị: Tháp đệm III. Các phần thuyết minh và tính toán: 1. Mở đầu 2. Tính toán thiết kế tháp hấp thụ (đường kính, chiều cao, trở lực) 3. Tính toán thiết bị phụ - Tính bơm - Tính máy nén khí 4. Tính toán cơ khí 5. Kết luận IV. Các bản vẽ: 1. Bản vẽ sơ đồ dây chuyền khổ A3 hoặc A4 2. Bản vẽ tháp hấp thụ khổ A1 V. Giáo viên hướng dẫn: TS. Vũ Đức Thảo VI. Ngày giao nhiệm vụ: Ngày 6 tháng 9 năm 2010 VII. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Ngày tháng năm 2010 Giáo viên hướng dẫn Chủ nhiệm khoa ( Họ tên và chữ kí) ( Họ tên và chữ kí) Đánh giá kết quả Ngày tháng năm 2010 - Điểm thiết kế Cán bộ bảo vệ - Điểm bảo vệ ( Họ tên và chữ kí) - Điểm tổng hợp
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. PHẦN MỞ ĐẦU Vấn đề xử lý các chất ô nhiễm không khí đã và đang nhận được sự quan tâm của toàn nhân loại nói chung và của Việt Nam nói riêng. Với mục đích đó việc thực hiện đồ án môn học thực sự cần thiết, trong quá trình làm đồ án em đã hiểu được 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 Sau 15 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô trong Viện, nhưng do hạn chế về tài liệu và kinh nghiệm tính toán, nên không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được ý kiến của các thầy cô để đồ án sau có kết quả tốt hơn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 3 tháng 12 năm 2010 Sinh viên thực hiện Mai Thị Hiền
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. PHẦN NỘI DUNG I.Giới thiệu chung 1. Sơ lược về khí SO2 Trong số những chất gây ô nhiễm không khí thì SO2 là một chất gây ô nhiễm khá điển hình. Sulfuro là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nguyên, nhiên liệu có chứa S. Các nhà máy điện thường là nguồn phát sinh ra nhiều SO2 trong khí thải, ngoài ra còn phải kể đến các quá trình tinh chế dầu mỏ, luyện kim, tinh luyện quặng đồng, sản xuất ximang và giao thông vận tải cũng là những nơi phát sinh nhiều khí SO2 Khí SO2 là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1 ppm. Khí SO2 là khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất ngang tầm sinh hoạt của con người, nó còn có khả năng hòa tan trong nước nên dễ gây phản ứng với cơ quan hô hấp của người và động vật. Khi hàm lượng thấp, SO2 3 làm sưng niêm mạc, khi nồng độ cao> 0,5 mg/m , SO2 sẽ gây tức thở, ho, viêm loét đường hô hấp SO2 làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng. Mưa axit có nguồn gốc từ khí SO2 làm thay đổi pH của đất, nước, hủy hoại các công trình kiến trúc, ăn mòn kim loại. Ngoài ra ô nhiễm SO2 còn liên quan đến hiện tượng mù quang hóa Chính vì những tác động tiêu cực trên mà việc giảm tải lượng cũng như nồng độ phát thải SO2 vào môi trường là vấn đề rất được quan tâm 2. Phương pháp xử lý SO2 Khí SO2 thường được xử lý bằng phương pháp hấp thụ, tác nhân sử dụng để hấp thụ thường là sữa vôi, sữa vôi kết hợp với MgSO4 hoặc dung dịch kiềm Trong phạm vi đồ án này, với nhiệm vụ được giao là hấp thụ khí SO2 bằng nước. Đây là phương pháp hấp thụ vật lý nên hiệu suất hấp thụ không cao. Do đó ta phải chọn điều kiện làm việc của tháp hấp thụ ở nhiệt độ thấp và áp suất cao để nâng cao hiệu suất hấp thụ 3. Tháp đệm Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa 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, tùy vào mục đích thiết kế mà đệm có thể được xếp hay đổ lộn xộn. Thông thường lớp đệm dưới thường được sắp xếp, khoảng từ lớp 3 trở đi, đệm được đổ lộn xộn Tháp đệm có những ưu điểm sau: - Cấu tạo đơn giản - Bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao - Trở lực trong tháp không quá lớn
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. - Giới hạn làm việc tương đối rộng Tuy nhiên, tháp có nhược điểm là khó thấm ướt đều đệm làm giảm khả năng hấp thụ II.Thiết kế đồ án môn học 1. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí thải áp dụng trong công nghiệp 2. Các số liệu ban đầu - Hỗn hợp khí cần tách: SO2 trong không khí - Dung môi: nước - Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m3/h - Nồng độ SO2: yđ = 0,028( mol/mol) - Hiệu suất yêu cầu: = 84% - Nhiệt độ áp suất và lượng dung môi: mô phỏng theo một số điều kiện - Loại thiêt bị: Tháp đệm 3. Phương pháp hấp thụ xử lý SO2 Sơ đồ của hệ thống 3 5 2 4 1
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 1. Bể chứa dung môi 2. Bơm chất lỏng 3. Tháp hấp thụ 4. Máy nén khí 5. Van an toàn Thuyết minh dây chuyền: - Hỗn hợp khí cần xử lý chứa SO2 và không khí được máy nén khí đưa vào từ phía dưới đáy tháp. Nước từ bể chứa được bơm li tâm đưa vào tháp hấp thụ, trên đường ống có van điều chỉnh lưu lượng và đồng hồ đo lưu lượng. Nước được bơm vào tháp với lưu lượng thích hợp, tưới từ trên xuống dưới theo chiều cao tháp hấp thụ - Hỗn hợp khí sau khi đi qua lớp đệm xảy ra quá trình hấp thụ sẽ đi lên đỉnh tháp và ra ngoài theo đường ống thoát khí. Khí sau khi ra khỏi tháp có nồng độ khí SO2 giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ - Nước sau khi hấp thụ SO2 đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài theo đường ống thoát chất lỏng. Nước sau khi hấp thụ nếu nồng độ SO2 cao sẽ được xử lý và tái sử dụng. Gọi: Gy: lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp( kmol/h) Gx: lưu lượng nước vào tháp( kmol/h) Gtrơ: lưu lượng khí trơ( kmol/h) Yđ: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong khí đi vào tháp ( kmol SO2/kmol kk) Yc: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong khí đi ra khỏi tháp ( kmol SO2/kmol kk) Xđ: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong nước đi vào tháp( kmol SO2/kmol dm) Xc: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong nước đi ra khỏi tháp( kmol SO2/kmol dm) yd 0,028 Theo đề bài: yđ = 0,028 (mol/mol) → Yđ = = 0,0288 (kmol 1 yd 1 0,028 SO2/kmol kk) Biết hiệu suất hấp thụ là: = 84% -3 Do đó: Yc = Yđ( 1-η) =0,0288.( 1-0,84)= 4,608.10 (kmol SO2/kmol kk) 3 Yc 4,608 10 -3 → yc = 3 =4,587.10 (kmol/kmol) 1 Yc 1 4,608 10
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 3 yd y c 0,028 4,587 10 → ytb= = = 0,0163 kmol/kmol 2 2 Dung môi ban đầu là nước → Xđ = 0 Giả sử điều kiện làm việc của tháp là T =250C→T =298K P =1atm = 760mmHg P=1 atm = 1,0326 at Ta coi hỗn hợp khí là lý tưởng. Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có: PV 1 25000 Yc Gx, Xd Gy = n = = 1023,08( kmol/h) RT 0,082 298 Gy 1023,08 → Gtrơ = = 994,44( kmol/h) 1 Yd 1 0,0288  Thiết lập phương trình đường cân bằng: Theo định luật Henry ta có: ycb = mx mX → Ycb= 1 (1 m ) X Gy, Yd Xc Ta có m=  P 0 6 Ở 25 C với khí SO2 thì ψ =0,031.10 mmHg 6 → m = 0,031.10 = 40,79 760 40,79X → Ycb = 1 39,79X  Thiết lập phương trình đường làm việc: Phương trình cân bằng vật liệu cho thiết bị: Gtrơ. Y + Gx. Xđ = Gtrơ. Yc + Gx. X → Gtrơ( Y- Yc) = Gx( X- Xđ) Do Xđ = 0 nên pt trở thành: Gtrơ.( Y- Yc) = Gx. X Gx → Y= .X+Yc Gtro Giả thiết Xc= Xcbc thì lượng dung môi tối thiểu cần để hấp thụ là: YYd c Gxmin = Gtro. XXcbc d mX Từ phương trình đường cân bằng Ycb= 1 (1 m ) X Y → Xcb= m (1 m ) Y Yđ = 0.0288(kmol SO2/kmol kk) 0,0288 -4 → Xcbc = =6,868.10 (kmol SO2/kmol nước) 40,79 39,79 0,0288
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 0,0288 4,608 10 3 → Gxmin = 994,44. = 35028,38 kmol/h 6,868 10 4 Lượng dung môi cần thiết để hấp thụ : Gx = β. Gxmin Thông thường β = 1,2÷1,5. Chọn β = 1,2 Gx 42034,056 → Gx = 1,2.35028,38 = 42034,056 kmol/h → = =42,269 Gtro 994,44 → Y = 42,269X+ 4,608.10-3 3 3 Yd 4,608 10 0,0288 4,608 10 -4 → khi Yd = 0.0288 thì Xc = = = 5,723.10 42, 269 42,269 X c -4 (kmol SO2/kmol H2O) → xc = = 5,72.10 ( kmol/kmol) 1 X c 4 xd x c 0 5,72 10 -4 → xtb= = =2,86.10 ( kmol/kmol) 2 2 X Y Ycb 0 4,608.10-3 0 0,0001 8,835.10-3 4,095.10-3 0,0002 0,013 8,223.10-3 0,0003 0,0173 0,0124 0,0004 0,0215 0,0166 0,0005 0,0257 0,021 0,0005723 0,0288 0,0239 0,0006868 0,0288 Vẽ đồ thị đường cân bằng và đường làm việc
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Đồ thị đường cân bằng, đường làm việc 0.035 y = 42.269x + 0.0046 2 0.03 R = 1 0.025 0.02 y = 41.697x Y Đường làm việc 2 0.015 R = 0.9999 Đường cân bằng 0.01 0.005 0 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 X II.1 Tính đường kính tháp: 1. Tính khối lượng riêng:  Đối với pha lỏng: 1 aSO 1 aSO Áp dụng công thức: 2 2 xtb SO2 HO2 Trong đó: 3 xtb : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m . a : Phần khối lượng của SO trong pha lỏng SO2 2 , : Khối lượng riêng của SO và H O ở 250C, kg/m3. SO2 H 2 O 2 2 - Tra bảng I.5 ở 250C có: = 997,08 (kg/m3) HO2 - Tra bảng I.2 ở 250C có: (200C) = 1383 (kg/m3) SO2 (400C) = 1327(kg/m3) SO2 Dùng phương pháp nội suy => (250C) = 1369 (kg/m3) SO2 - Tính a : SO2 M. xtb SO2 Áp dụng công thức aSO 2 M. x M (1 x ) SO2 tb H 2 O tb Trong đó
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. a : Phần khối lượng trung bình của SO trong hỗn hợp. SO2 2 xtb: Nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha lỏng, (kmol SO2/kmol H2O) -4 xtb = 2,86.10 (kmol SO2/kmol H2O) 64 2,86.10 4 → a = = 1,016.10-3 SO2 64 2,86.10 4 (1 2,86.10 4 ) 18 - Tính khối lượng phân tử của hỗn hợp lỏng Mx M = x . M +(1–x ). M = 2,86.10-4×64+(1-2,86.10-4)×18 =18,013156 x tb SO2 tb HO2 Làm tròn Mx =18  Đối với pha khí: - Tính My Áp dụng công thức: M = y . M + (1 - y ). M y tb SO2 tb KK Trong đó: My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí, (kg/kmol) M , M : Khối lượng phân tử của SO và không khí, (kg/kmol) SO2 KK 2 ytb: Phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp (kmol SO2/kmol hỗn hợp khí) → My = 0,0163×64 + (1-0,0163)×29 = 29,5705 [y M (1 y ) M ] 273 [0,0163 64 (1 0,0163) 29] 273 - Tính = tb SO2 tb kk = ytb 22, 4 T 22,4 298 3 → ytb = 1,209 kg/m 1 a1 a - Tính : SO2 SO 2 xtb xtb SO2 H 2 O 1 1 3 → 997,36 (kg/m ) xtb a1 a 1,016.10 3 1 1,016.10 3 SO2 SO 2 1369 997,08 SO2 H 2 O 2. Lượng khí trung bình đi trong tháp: VVd c 3 Vytb = (m / h) (II.183) 2 3 với: Vđ: Lưu lượng hỗn hợp đầu ở điều kiện làm việc (m / h) 3 Vc: Lưu lượng khí thải đi ra khỏi tháp (m / h): Vc = Vtr * (1 + Yc ) (II.183) GMy ytb 1023,08 29,5705 3 Vđ = = 25023,15 m /h ytb 1,209
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. với: Mytb: Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg / kmol) 3 ytb : Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg / m ) GMtr ytb 994, 44 29,5705 3 Tương tự: Vtr = = 24322,65 m /h ytb 1,209 -3 3 Vc = Vtr ×(1+ Yc ) = 24322,65×(1+4,608.10 )=24434,73 m /h 3 → Vytb = 24728,94 m /h 3. Độ nhớt x,  y : Đối với pha lỏng: Áp dung công thức: lg x lg  (1 x ) lg  I-84 x tb SO2 tb H 2 O Trong đó:  , : độ nhớt của SO và H O ở 250C, Ns/m2 SO2 H 2 O 2 2 Tra bảng I-101 sổ tay I:  (200C)= 0,304.10-3 Ns/m2 SO2  (300C)= 0,279.10-3 Ns/m2 SO2 →  (250C) =0,2915.10-3Ns/m2 SO2 Tra bảng I-102 sổ tay I:  (250C)= 0,8937.10-3Ns/m2 HO2 xtb: Nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha lỏng, (kmol SO2/kmol H2O) -4 xtb = 2.86*10 (kmol SO2/kmol H2O) -4 -3 -4 -3 → lg x = 2,86.10 ×lg(0,2915.10 )+(1-2,86.10 )×lg(0,8937.10 )= -3,0489 -4 2 → x = 8,935.10 Ns/m Đối với pha khí: M y. M (1 y ). M Áp dụng công thức: y tb SO2 tb KK    y SO2 KK Trong đó ,,   : độ nhớt trung bình của pha khí, của SO và của không khí y SO2 kk 2 ở điều kiện làm việc 250C, Ns/m2 MMM,, : khối lượng phân tử của pha khí, của SO và của không y SO2 kk 2 khí ở điều kiện làm việc 250C và P=1atm Tra đồ thị I-35 ta có :  (250C)=0,0125.10-3, Ns/m2 SO2 0 -3 2 kk (25 C)=0,018.10 , Ns/m
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. M 29,5705  y 1,77.10 5 (Ns / m 2 ) y y. M (1 y ). M 0,0163 64 (1 0,0163) 29 tb SO2 tb KK   0,0125.10 3 0,018.10 3 SO2 KK 4. Tính vận tốc đảo pha: Áp dụng công thức: Y =1,2.e-4X ( II-187 ) 2 0,16 s  d ytb x Với Y 3 g Vd xtb  n 1 1 G 4 8 X x ytb Gy xtb s : tốc độ đảo pha, m/s 3 3 Vđ: thể tích tự do của đệm, m /m 2 3  d : bề mặt riêng của đệm, m /m Tháp hấp thụ SO2 mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasig đổ lộn xộn: đệm bằng sứ kích thước 25×25×3.0 3 3 Vđ= 0,75 m /m 3 3  d = 195 m /m g: gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2 Gx, Gy là lượng lỏng và lượng hơi trung bình( kg/s) G GGGYxd xcSO2 bihapthu tro d  994, 44 0,0288 0,84 Gx = GG = 42034,056+ 2xd 2 xd 2 2 →Gx = 42046,08 kmol/h 756829, 44 →Gx=42046,08 ×18=756829,44 kg/h→ Gx= 210,2304kg/s 3600 GG GGG yd yc yd yd SO2 bihapthu 1023.08 1023,08 994, 44 0,0288 0,84 Gy = 2 2 2 → Gy = 1011,05 kmol/h 29897,25 →Gy=1011,05 ×29,5705=29897,25 kg/h→ Gy= 8,305 kg/s 3600 1 1 1 1 G 4 8 210,2304 4 1,209 8 → X x ytb 0,969 Gy xtb 8,305 997,36 Từ phương trình của Y ta có:
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 4X 3 4*0,969 3 1,2.e g Vd xtb 1,2. e 9,81 0,75 997,36 s 0,666m/s 0,16 4 0,16 x 8,935.10 d ytb 195*1,209 3 n 1,005.10 Thông thường: tb (0,8  0,9)  s Chọn tb =0,85s →tb =0,85×0,666=0,5661 m/s 5. Tính đường kính tháp Đường kính tháp: 4 V 4 24728,94 Công thức: D= ytb = 3,93 m→ Quy tròn D=3,9 m 3600 tb 3600 0,5661 Kiểm tra: d 1 + td D 50 4 Vd 4 0,75 Ta có dtd 0,0154  d 195 d 0,0154 1 → td 3,95 1 0 3 D 3,9 50 → thỏa mãn điều kiện V L Kiểm tra theo mật độ tưới U = l (m2/m2h) f l f 3 Với V1 là lưu lượng thể tích chất lỏng, m /h f: tiết diện tháp, m2 D2 3,9 2 f= 11,95 m2 4 4 42034,056 18 → U= 63,5 > 1,5 là giá trị mật độ tưới tối thiểu 997,08 11,95 3 2 Mật độ tưới tới hạn Uth = đ.b (m /m h) (II.177) Trong đó: b: hằng số (chọn b = 0,158) 3 2 Uth = 195×0,158 = 30,81 m /m h U 63,5 Vậy =2,06>1 Uth 30,81 →Đệm thấm ướt rất tốt
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. II.2 Tính toán chiều cao tháp: Chiều cao tháp được xác định theo phương pháp số đơn vị chuyển khối: H = hdv.my (m) Trong đó: H: chiều cao tháp, m hdv: chiều cao một đơn vị chuyển khối, m my: số đơn vị chuyển khối Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối: m'. Gy hdv = h1 + h2 (m) Gx Trong đó: h1: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha khí h2: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha lỏng m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y*=f(X) với mặt phẳng ngang Tính h1 và h2: Vd 0.25 2/3 h1 Rey Pr y , m a   d Trong đó: a : hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a=0,123 U  : hệ số thấm ướt của đệm, do 1 nên  =1 Uth Rey: chuẩn số Renoyd đối với pha khí 0, 4 y  s Re y y  d 0, 4 1,209 0,666 → Re 93,3 y 1,77.10 5 195  y Pry: chuẩn số Pran: Pry yD y 4 1,5 0,0043.10 T 1 1 2 Dy = (m /s) P(v3/1 v1/ 3 ) 2 M M SO2kk SO 2 kk Trong đó: T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối T=298K P: áp suất làm việc P=1atm v : thể tích mol của SO , v =44,8 cm3/mol SO2 2 SO2 3 vkk : thể tích mol của không khí, vkk =29,9 cm /mol 4 1,5 0,0043.10 298 1 1 5 2 → Dy = 1,0826.10 m /s 1,0326 (44,81/3 29,9 1/3 ) 2 64 29
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 1,77.10 5 VậyPr =1,3523 y 1,209 1,0826.1 0 5 0,75 → h 93,30,25 *1,3523 2/3 = 0,119 m 1 0,123 1 195 x 2/3 0.25 0.5 h2 256 ( ) Rex Pr x x 756829, 44 Trong đó : Gx=42046,08×18=756829,44 kg/h→ Gx= 210,2304 kg/s 3600 Rex là chuẩn số Renoyd đối với pha lỏng: 0,04 Gx 0,04 210, 2304 Rex = 4 = 4,03886 Ft  d  x 11,95 195 8,935.10 x Prx là chuẩn số Pran đối với pha lỏng: Prx x D x 0 Dx: hệ số khuếch tán của SO2 vào nước ở nhiệt độ 25 C 2 Dt = D20[1+b(t-20)] (m /s) 0 Trong đó: D20: hệ số khuếch tán của SO2 vào nước ở 20 C 6 10 1 1 2 D20= (m /s) AB () v1/3 v 1/3 2 MM H2 O SO 2 H 2 O SO2 H 2 O A: hệ số, đối với chất khí tan trong nước A=1 B: hệ số, dung môi là nước B=4,7 v : thể tích mol của SO ở 200C, v =44,8 cm3/mol SO2 2 SO2 v : thể tích mol của H O ở 200C, v =18,9 cm3/mol HO2 2 HO2  : độ nhớt của nước ở 200C,  =1,005*10-3 Ns/m2=1,005 cP(bảng I.102-94) HO2 HO2 6 10 1 1 9 2 → D20= 1,466.10 (m /s) 1 4,7 1,005(44,81/3 18,9 1/3 ) 2 64 18 0,2 HO b = 2 3 HO2 : khối lượng riêng của nước ở 200C, = 998,23 kg/m3 bảng I.5-11 HO2 HO2 0,2 1,005 →b = 0,02 3 998, 23 -9 -9 2 →Dx = 1,466.10 [1+0,02(25-20)]= 1,6126.10 m /s 8,935.10 4 → Pr 555,5 x 997,36 1,6126.10 9 8,935.10 4 → h 256 ( )2/3 4,038860,25 555,5 0,5 0,7 95 m 2 997,36 Tính m’: Từ phương trình đường cân bằng ta có: m’=41,697 29897,25 Gy=1011,05 ×29,5705=29897,25 kg/h→ Gy= 8,305 kg/s 3600
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Vậy ta xác định được chiều cao của một đơn vị chuyển khối: 41,697 8,305 hdv = 0,119 + 0,795 =1,428 m 210,2304 Xác định số đơn vị chuyển khối: -4 Dựa vào giá trị Xcbc= 6.868*10 (kmol SO2/kmol nước) X Y Ycb Y-Ycb 1/(Y-Ycb) 0 4,608*10-3 0 4,608*10-3 217 0,0001 8,835*10-3 4,095*10-3 4,74*10-3 210,97 0,0002 0,013 8,223*10-3 4,777*10-3 209,336 0,0003 0,0173 0,0124 4,9*10-3 204,08 0,0004 0,0215 0,0166 4,9*10-3 204,08 0,0005 0,0257 0,021 4,7*10-3 212,77 0,0005723 0,0288 0,0239 4,9*10-3 204,08 0,0006 0,03 0,025 5*10-3 200 0,0006868 0,0336 0,0288 4,8*10-3 208,33 Công thức tính số đơn vị chuyển khối: Yd dY my = (II.175) YY Yc cb Vẽ hình thang cong quan hệ giữa Y và f(Y)= 1 YY cb Y 1/(Y-Ycb) S my 4,608.10-3 217 0,904514595 6,02472674 8,835.10-3 210,97 0,875287245 0,013 209,336 0,8888444 0,0173 204,08 0,857136 0,0215 204,08 0,875385 0,0257 212,77 0,6461175 0,0288 204,08 0,242448 0,03 200 0,734994 0,0336 208,33
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Hình thang cong 2.50E+02 2.00E+02 1.50E+02 1/(Y-Ycb) 1.00E+02 5.00E+01 0.00E+00 1 2 3 4 5 6 7 8 Y Diện tích hình thang cong chính bằng số đơn vị chuyển khối là my =6,025 → H=1,4285×6,025=8,61 m. Quy chuẩn H=8,6 m Đây thực chất là chiều cao lớp đệm. Chiều cao của tháp ngoài chiều cao của lớp đệm còn tính đến chiều cao từ mặt trên của đệm đến đỉnh tháp và từ mặt dưới đệm tới đáy tháp và khoảng cách giữa hai lớp đệm Áp dụng công thức: Htháp = Hđ + Hđệm- nắp + Hđệm-đệm + Hđệm- đáy Hđệm-nắp = 1 m Hđệm-đệm = 0,5 m do tách lớp đệm làm đôi Hđệm-đáy = 1 m Vậy chiều cao tháp Htháp = 8,6+1+0,5+1=11,1 m II.3. Trở lực Áp dụng công thức PPP u k Trong đó: Pk :Tổn thất đệm khô Pu :Tổn thất đệm ướt Tháp hấp thụ đạt hiệu suất cao nhất khi vận tốc của khí bằng vận tốc điểm đảo pha
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. => Trở lực của tháp đệm đối với hệ khí-lỏng dưới điểm đảo pha có thể xác định được bằng công thức sau: 0,4050,225 0,045 G  xy x PKPPAu (1 ) k k 1 1 . . [II-190] ( * ) G  y x y Trong đó: Pu: tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc độ của khí đi qua đệm khô(N/m2) 2 PK: tổn thất của đệm khô (N/m ) Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h) 3 x, y : khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m ) 2  x, y : độ nhớt của lỏng và khí (Ns/m ) A1: hệ số (ứng với điểm tốc độ làm việc bằng 0.85 tốc độ đảo pha) => A1 = 5,1 * Tổn thất áp suất của đệm khô tính theo công thức: .  2 ' 2 . ' H y t  H. d y y PK  . 3 [II-189] dtd 2 4 Vd 2 Rey = 93,3 => ở chế độ xoáy và đệm là đệm vòng đổ lộn xộn ' 16,0 16 =>  0,2 = 0,2 =6,46 Rey 93,3 Tính trở lực đệm khô: 2 2  ' H d y y 6,46 8,6 195 0,5661 1,209 2 Pk 3 = 3 =1243,66 N/m 4Vd 2 40,75 2 0,405 0,225 4 0,045 210, 2304 1,209 8,935.10 2 → Pu 1243,66 1 5,1. . . 5 7424,9 N/m 8,305 997,36 1,77.10 2 => P Pk P u 1243,66 7424,9 8668,56( N / m ) II.4. Mô phỏng Bảng mô phỏng ở 1 số điều kiện: đính kèm Dựa vào bảng mô phỏng kèm theo ta có các nhận xét như sau: Ảnh hưởng khi thay đổi nhiệt độ: Nhiệt độ tăng không có lợi cho quá trình hấp thụ. Nhiệt độ tăng làm giảm hiệu suất hấp thụ và để đạt được yêu cầu phải tăng thêm kích thước thiết bị, tăng đường kính và chiều cao. Ảnh hưởng của áp suất:
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Áp suất có ảnh hưởng tới hiệu suất hấp thụ, làm tăng hiệu suất hấp thụ. Nhưng nếu áp suất tăng thì chi phí kinh tế cũng tăng theo như là phải lắp đặt thêm máy nén, chi phí năng lượng tăng do công suất hoạt động của máy tăng rất mạnh. Từ bảng mô phỏng ta chọn P=3 atm, T=250C→ D=2 m; H=9,2 m → Htháp= 9,2+1+0,5+1=11,7 m; Gxđ=14000 kmol/h PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ Trong việc hấp thụ SO2 bằng nước sử dụng tháp đệm cần có các thiết bị phụ giúp cho quá trình vận chuyển chất lỏng và cung cấp khí vào tháp theo chế độ làm việc của tháp giúp việc hấp thụ đạt được hiệu suất mong muốn.Trong các thiết bị phụ thì bơm và máy nén khí là hai thiết bị quan trọng nhất. I. BƠM Trong công nghiệp, bơm ly tâm được sử dụng rộng rãi và có nhiều loại khác nhau về cấu tạo cũng như cách vận hành. Bơm ly tâm được phân loại theo nhiều cách khác nhau như theo số bậc, theo cách đặt bơm, theo điều kiện vận chuyển của chất lỏng từ guồng ra thân bơm và theo 1 số đặc trưng khác Theo dây chuyền công nghệ trong bài ta chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang. I.1. Nguyên tắc làm việc của bơm ly tâm Nguyên tắc hoạt động: Bơm ly tâm làm việc theo nguyên tắc ly tâm. Chất lỏng được hút và đẩy cũng như nhận thêm năng lượng là nhờ tác dụng của lực ly tâm khi cánh guồng quay. Bộ phận chính của bơm là cánh guồng trên có gắn những cánh có hình dạng nhất định, bánh guồng được đặt trong thân bơm và quay với tốc độ lớn. Chất lỏng theo ống hút vào tâm guồng theo phương thẳng góc rồi vào rãnh giữa các guồng và cùng chuyển động với guồng. Dưới tác dụng của lực ly tâm, áp suất của chất lỏng tăng lên và văng ra vào thân bơm, vào ống đẩy theo phương tiếp tuyến. Khi đó ở tâm guồng tạo nên áp suất thấp. Nhờ áp lực mặt thoáng bể chứa, chất lỏng dâng lên trong ống hút vào bơm. Khi guồng quay chất lỏng được hút liên tục, do đó chất lỏng được chuyển động đều đặn. Đầu ống hút có lắp lưới lọc để ngăn không cho rác và vật rắn theo chất lỏng vào bơm gây tắc bơm và đường ống. Trên ống hút có van một chiều giữ cho chất lỏng trên đường ống hút khi bơm ngừng làm việc. Trong ống đẩy có lắp van một chiều để tránh chất lỏng bất ngờ dồn vào bơm gây ra va đập thủy lực làm hỏng bơm I.2. Các thông số đặc trưng của bơm 4 2 Áp suất mặt thoáng P1= 9,81.10 N/m Áp suất làm việc P= 3 atm=3×1,013.105=303900 N/m2 Gia tốc trọng trường g=9,81 m/s2 0 3 Ở 25 C: ρnước=997,08 kg/m -3 2 μnước=0,8937.10 Ns/m Áp suất toàn phần của bơm H(m): Áp dụng phương trình becnulli ta có
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software 2 For evaluation only. 2 2 ’ ’ 1 1 ’ ’ H 1 P h 1 Mặt cắt 1-1 và 1’-1’: P  2P  2 1 1 v v H h )1( .g 2. g .g 2. g h mh Mặt cắt 1-1 và 2-2 P  2 P  2 r r 2 2 H h )2( .g 2. g .g 2. g d md Trong đó: P1: áp suất bề mặt nước không gian hút P2: áp suất không gian đẩy ρ: khối lượng riêng của nước Pv: áp suất trong ống hút lúc vào bơm Pr: áp suất của chất lỏng trong ống đẩy lúc ra khỏi bơm Hh, Hd: chiều cao ống hút và ống đẩy hmh, hmd: tổn thất áp suất do trở lực gây ra trong ống hút và ống đẩy P hmh + hmd= .g P : Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống, áp suất toàn phần của bơm là hiệu áp suất giữa hai giai đoạn hút và đẩy ω1: vận tốc nước ở bể chứa, ω1=0 ω2: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đẩy ω1’: vận tốc nước khi vào bơm ω2’: vận tốc nước khi ra khỏi bơm Thực tế: ω2 = ω2’ PP  ' → H H h 2 1 1 0 m .g 2. g Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống hút của bơm Ph hmh = .g Trong đó: PPPPh d m c Pd : áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. .  2 P h d 2 Pm : áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi chảy ổn định trong ống thẳng 2 L . h Pm . dh 2 Pc : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ 2 . P . h c 2 2 2 2 . h L h.  h . PPPPh d m c =  . 2 d h 2 2 2 . h L 1   . 2 d h V Đường kính ống hút: dh 0,785 h Trong đó: V là lưu lượng thể tích chất lỏng đi trong ống, m3/s GM. 14000 18 V xd H2 O 0,07( m3 / s ) .3600 3600 997,08 HO2 Theo bảng II.2(I-370) chất lỏng trong ống hút của bơm có ωh=0,8-2,0 (m/s). 0,07 Chọn ωh = 1,5 (m/s) → d 0,2438( m ) h 0,785 1,5 0,07 Quy chuẩn dh=0.244m→ 1,5(m / s ) h 0,2442 0,785 Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống hút  d 1,5 0,244 997,08 Re h h H2 O 408337,56 4000  8,937.10 4 HO2 Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau 0,9 1 6,81 2.lg (I-380)  Re 3,7 Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn → 0,07.10 3 Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:  0,07 10 3 2,87 10 4 dh 0, 244 0,9 1 6,81 2,87 10 4 → 2.lg  408337,56 3,7
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only.  0,0165 Hệ số trở lực cục bộ: Chất lỏng vào ống thẳng, đầu ống hút có lắp lưới chắn đan bằng kim loại  1  c Với c 0 . F  0,13 Chọn 0 0,9 → 0 Bảng II.16(I-382,384) FT 1,0 → trở lực của ống có lắp lưới chắn đan bằng kim loại là ong 1 0,13 1 1,13 Trên ống hút còn lắp 1 van 1 chiều. Theo I-399→van 1,9  2,1 Chọn  2→h 1,13 2 3,13 Tra bảng II-34(I-441) sự phụ thuộc chiều cao hút của bơm ly tâm vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ làm việc T=250C thì chiều cao hút của bơm ở khoảng 4,5m thì đảm bảo không xảy ra hiện tượng xâm thực. Tuy nhiên để loại trừ khả năng dao động trong bơm nên giảm chiều cao hút khoảng 1÷1,5m so với giá trị trong bảng. Vậy chọn chiều cao hút là 3,5m → Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là: 997,082 3,5 2 Ph 1,5 1 3,13 0,0165* 4898,17( N / m ) 2 0,244 Ph 4898,17 → hmh = = 0,5(m ) .g 997,08 9,81 Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống đẩy: Đường kính ống đẩy: Theo bảng II.2( I-370) vận tốc chất lỏng trong ống đẩy của bơm là ωd= 1,5-2,5 m/s. Chọn ωd = 2,0 m/s 0,07 => d 0, 211( m ) d 0,785 2 Quy chuẩn dd = 21cm Vận tốc của ống đẩy là 0,07  2(m / s ) d 0,212 0,785 Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống đẩy  d 2 0,21 997,08 Re d d H2 O 468584,1 4000  8,937.10 4 HO2 Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 0,9 1 6,81 2.lg (I-380)  Re 3,7 Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn → 0,07.10 3 Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:  0,07 10 3 3,33 10 4 dd 0, 21 0,9 1 6,81 3,33 10 4 → 2.lg  468584,1 3,7  0,0167 Theo bảng II.16(I-393), đối với thành nhẵn Re > 2.105 thì bỏ qua tổn thất ma sát ξcong=A.B.C Góc  900 A 1 R Chọn: 2 B 0,15 d d a 0,5 C 1,45 b θ =>  cong 1 0,15 1,45 0,2175 Hệ số trở lục cục bộ của toàn ống đẩy:  cong  thang 0,2175 3,13 3,3475 Chọn chiều dài ống đẩy là Hd=12m. → Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là: 997,082 12 2 Pd 2 1 3,3475 0,0167 10572,61( N / m ) 2 0,21 Pd 10572,61 → hmd = = 1,08(m ) .g 997,08 9,81 →hm= hmh + hmd =0,5+1,08=1,58m 2 P1 98100 Ph 98100 4898,17 93201,83( N / m ) 2 P2 Pd P 10572,61 303900 314472,61( N / m ) Vậy áp suất toàn phần của bơm: 313472,61 93201,83 1,52 H 3,5 12 1,58 39,8( m ) 997,08 9,81 2 9,81 Công suất của bơm: Công suất yêu cầu trên trục bơm: Q g H Áp dụng công thức: N (kW) I-439 103 .
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Trong đó:ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m3 N: hiệu suất của bơm, kW 3 GM. 3 Q: năng suất của bơm(m /s); Q= x H2 O ,m /s .3600 HO2 14000 18 → Q= =0,07 m3/s 997,08 3600 g: gia tốc trọng trường(m/s2) H: áp suất toàn phần của bơm tính bằng mặt cắt cột chất lỏng bơm η: hiệu suất của bơm  .0 tl  tk (I-439) Với 0 : 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 từ các chỗ hở của bơm tl : hiệu suất thủy lực  tk : hiệu suất cơ khí Hiệu suất toàn phần phụ thuộc vào loại bơm và năng suất. Khi thay đổi chế độ làm việc của bơm thì hiệu suất cũng thay đổi  0 0,85 0,96 Đối với bơm ly tâm: tl 0,8  0,85  ck 0,92  0,96 Chọn: 0 0,95;tl 0,85 ;ck 0,95 → 0. tl  tk 0,95.0,85.0,95 0,767 0,07 997,08 9,81 39,8 Vậy công suất yêu cầu trên trục bơm: N 35,5( kW ) 1000 0,767 Công suất động cơ điện Ndc(kW) N N dc tr.  dc Với: tr 0,85: hiệu suất truyền động dc 0,95: hiệu suất động cơ điện N 35,5 Ndc 44( kW ) tr.  dc 0,85 0,95 Thông thường động cơ điện được chọn có công suất lớn hơn so với công suất tính toán. Chọn β=1,15 c → Ndc . N dc 1,15 44 50,6( kW ) Chọn công suất động cơ điện là 51 kW II. Máy nén khí Tháp làm việc ở điều kiện P=3atm, T=250C. Ta chọn máy nén ly tâm Máy nén ly tâm là một loại máy nén và đẩy khí nhờ tác dụng của lực ly tâm do bánh guồng sinh ra. Dùng máy nén ly tâm khi áp suất đẩy từ 2-10 at. Độ nén của máy ly tâm nhỏ nên máy có nhiều cấp thường từ 3-7 cấp Độ nén trong một cấp từ 1,2-1,5 khi tốc độ vòng nhỏ hơn 200m/s
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Đường kính bánh guồng từ 700-1400 mm. Cánh guông có thể cong ra hoặc hướng tâm Các điều kiện của khí đầu vào T=250C, P=1atm II. Công của máy nén ly tâm Áp dụng công thức m 1 m P m L R. T . . 2 1 ( J / kg ) (I-465) db 1 m 1 P1 Trong đó: PA, PB: áp suất trước và sau khi nén, at T1: nhiệt độ đầu của khí, K T1=25+273=298K 2 m: chỉ số đa biến, m=1,2÷1,62. Chọn m=1,4 8314 8314 R: hằng số khí, R 281,16 2 M y 29,5705 B B A 1 P a A Áp dụng phương trình becnulli cho mặt cắt 1-1 và mặt cắt A-A. chọn mặt cắt 1- 1 làm chuẩn P  2P  2 1 1 AA Z h .g 2. g .g 2. g A mh Do ống nằm ngang nên ZA=0. Chọn vận tốc khí trong bể chứa tĩnh: 1 =0 P P  2 → AA 1 h .g .g 2. g mh Phương trình becnulli cho mặt cắt 2-2 và B-B. Chọn mặt cắt B-B làm chuẩn P  2 P  2 BB 2 2 Z h .g 2. g .g 2. g B md Vận tốc khí trong ống đẩy:B 2 P P → B 2 Z h g g B md Với: 4 2 P1 = Pa: áp suất khí quyển, P1 = 9,81.10 (N/m )
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 2 P2: áp suất cuối ống đẩy, N/m . PPP A1 h PPPB 2 d ZB : chiều cao ống đẩy :Khối lượng riêng của hỗn hợp khí thải ở điều kiện đầu vào của khí = 3.63 kg/m3 hmh, hmd : trở lực trên đường ống hút và ống đẩy Xác định áp suất trước khi nén: PPPA 1 h Trong đó: P1 : áp suất khí quyển PPPPh d m c (như bơm ly tâm) .  2 L h → Ph 1  .  2 d h * Đường kính ống hút. V d h [I-369]. 0,785.h V: Lưu lượng thể tích đầu vào của khí thải GM. 1023,08 29,5705 V y y 2,315( m3 / s ) y .3600 3600 3,63 Khí trong ống dẫn P > 1at thì ω = 15 ÷ 25m/s II.2(I-370) Chọn vận tốc hút ωh = 25m/s. 2,315 d 0,34( m ) h 0,785 25 Chuẩn số Reynol .d . 25 0,34 3,63 Re h h 1743220,34 4000  1,77.10 5 => Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau: 0,9 1 6,81 2.lg [I-380]  Re 3,7 Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn → 0,07.10 3 Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:  0,07 10 3 2,06 10 4 dh 0,34
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 0,9 1 6,81 2,06 10 4 → 2.lg  1743220,34 3,7 →  0,0144 * Hệ số trở lực cục bộ trong ống hút: h 1  2 Trong đó: 1 : Hệ số trở lực của ống thẳng, đoạn ống thẳng có đầu lồi ra phía trước có1 5,0  2 : hệ số trở lực của van Chọn van 1 chiều.Theo II.16 [I-399] ta có dh =0,34 m =>1 2,1  2,5 chọn1 5,2 →trở lực cục bộ của ống hút  1  2 0,5 2,5 3 Chọn chiều dài ống hút Hh =Lh =5 (m) 3,632 5 2 → Ph 25 1 3 0,0144 4777,72( N / m ) 2 0,34 P 4777,72 → h h 134,17( m ) mh .g 3,63 9,81 4 2 → PA P1 P h 9,81.10 4777,72 93322,28( N / m ) * Xác định áp suất sau nén: Áp dụng công thức: PB P2 g L d Trong đó: P2: áp suất cuối đường ống đẩy PPPP2 h d .  2 L d d Víi: Pd 1   . 2 d d * Đường kính ống đẩy Theo II.2(I-370) khí trong ống đẩy của máy nén d 15  25m / s . Chọn vận tốc đẩyd 20(m / s ) 2,315 → d 0,384( m ) → Quy chuẩn dd = 38,5 cm d 0,785 20 Chuẩn số Re trên đường ống đẩy:  d 20 0,385 3,63 Re d d 1579152,54 4000 d  1,77.10 5 Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát tính theo công thức:
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 0,9 1 6,81 2.lg [I-380]  Re 3,7 Trong đó:  : Độ nhám tuyệt đối, chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn → 0,07.10 3 : Độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:  0,07.10 3 1,82.10 4 dd 0,385 Thay vào công thức: 0,9 1 6,81 1,82.10 4 → 2.lg  1579152,54 3,7 →  0,0142 * Hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy Áp dụng công thức: d 1  2  3 Trong đó: 1 : hệ số trở lực của ống thẳng; 1 =0,5  2 : hệ số trở lực của van, chọn van 1 chiều. Theo bảng II.16 ta có dd = 0,385 m có  2 = 2,1÷ 2,5 => chọn  2 =2,5  3 : hệ số trở lực cục bộ của đường ống cong;  3 =A.B.C Góc θ = 900 => A =1 Chọn R =2 => B =0,15 d d a = 0,5 => C =1,45 b →3 = 1×0,15×1,45 = 0,2175 →Hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy d 1  2  3 = 0,5+ 2,5+ 0,2175= 3,2175 Chọn chiều dài ống đẩy Hd =Ld =5 (m) vậy trở lực trong ống đẩy: .  2 L 3,63 20 2 5 P d1   . d 1 3,2175 0,0142 d 2 dd 2 0,385 3195,79(N /. m2 ) Tổn thất áp suất trên đường ống đẩy:
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. P 3195,79 h d 89,74( m ) md g 3,63 9,81 → Áp suất cuối đường ống đẩy 2 PPPP2 h d = 4777,72+3195,79+303900 = 311873,51(N/m ) →Vậy áp suất sau khi nén là: 2 PB P2 g L d = 311873,51+ 3,63× 9,81×5 = 312051,56(N/m ) Thay các số liệu vào công thức tính công của máy nén ta có: m 1 1,4 1 m P m 1,4 312051,56 1,4 L R. T . . 2 1 281,16 298 1 120769,8( J / kg ) db 1 m 1 P1 1,4 1 93322, 28 II.2 Công suất của máy nén *Công suất lý thuyết GL. N ( k W) [I-466] lt 1000 Trong đó: G: Công suất của máy nén, kg/s 1023,08 29,5705 G 8,4( kg / s ) 3600 L: Công nén 1 kg khí Nlt: Công suất lý thuyết ,kW 8, 4 120769,8 → N 1014,5( k W) lt 1000 Công suất thực tế của máy nén N dn N tt (kw) [I-466]  dn Trong đó: Ndn: công suất đẳng nhiệt, kw Ndn= 1014,5 kW  dn : hiệu suất đẳng nhiệt thường bằng 0,65÷ 0,75. Chọn dn = 0,7 Ndn 1014,5 → Ntt 1449,3( kW ) dn 0,7 Công suất trên trục của máy nén N tt N hd  ck Trong đó: Nhd: công suất hiệu dụng,kw
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only.  ck : hiệu suất cơ khí của máy nén. Đối với máy nén ly tâm  ck =0,96÷ 0,98. Chọn ck = 0,97 Ntt 1449,3 → Nhd 1494,1( k W) ck 0,97 II.3 Công suất của động cơ điện N hd N dc . [I-466] tr.  dc Trong đó:  : hệ số dự trữ công suất thường lấy bằng 1,1÷1,15.Chọn  =1,15 tr :hiệu suất truyền động ( 0,96÷ 0,99 ) →tr = 0,98 dc :hiệu suất động cơ điện dc =0,95 Nhd 1494,1 Ndc . 1,15 1604,8( k W) tr.  dc 0,98 0,95 Như vậy ta chọn động cơ điện có công suất 1600 kW PHẦN III: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I. Chiều dày thân tháp Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển, dùng để hấp thụ khí S02, thân tháp hình trụ, được chế tạo bằng cách uốn tấm vật liệu với kích thước đã định sẵn, hàn ghép mối, tháp được đặt thẳng đứng  Chọn thân tháp làm bằng vật liệu X18H10T( C < 0,1%, Cr khoảng 18%, Ni khoảng 10%, Ti không quá 1 – 1,5%).  Chọn thép không gỉ, bền nhiệt và chịu nhiệt.  Thông số giới hạn bền kéo và giới hạn bền chảy của thép loại X18H10T: 6 2 σk = 540.10 (N/m ) 6 2 σc = 220.10 (N/m ) Độ giãn tương đối: δ = 38% 6 2 Độ nhớt va đập : ak = 2.10 J/m Chiều dày thân tháp hình trụ, làm việc với áp suất bên trong được xác định bằng DP. công thức: SC t , m Bảng XIII.8-II-360 2.[k ]. P Trong đó: Dt.: đường kính trong tháp, m φ: hệ số bền của thành thân trụ theo phương dọc, với thân hay có lỗ gia cố hoàn toàn thì φ = φh đối với mối hàn đặc.Với hàn tay bằng hồ quang điện, thép không gỉ ta có: φ = φh = 0,95 [Bảng XIII.8-II-362] C : hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. [σk]: ứng suất cho phép của loại thép X18H10T. P: Áp suất trong thiết bị, N/m2. P: Áp suất trong thiết bị ứng với sự chênh lệch áp suất lớn nhất bên trong và ben ngoài tháp, N/m2 P= Pmt+ Ptt Trong đó: 5 2 Pmt : Áp suất làm việc, Pmt= 3 x 1,013.10 = 303900 N/m Ptt : Áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng 2 Ptt = ρx.g.H (N/m ) [II- 360 ] Với: 3 ρx: khối lượng riêng của nước, kg/m g: gia tốc trọng trường, g= 9,81 m/s2 H: chiều cao cột chất lỏng, Ht= 11,7 m 2 => Ptt = ρx.g.H = 997,08 x 9,81 x11,7 =114441,9 ( N/m ) 2 => P = Pmt+ Ptt = 303900+ 114441,9 = 418341,9( N/m ) * Tính C C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Đại lượng C được xác định theo công thức: C = C1+ C2+ C3 ,m [II-363] Trong đó: C1: hệ số bổ sung do ăn mòn. Đối với vật liệu là thép X18H10T có độ bền 0,05→ 0,1mm/năm thì lấy C1= 1mm. C2: Đại lượng bổ sung do hao mòn, C2= 0 C3: Đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày *Tính [σk]: Theo bảng XIII-4 ,ta có thể chọn giá trị nhỏ nhất, tính theo công thức sau:  k [].k  nk Theo giới hạn bền khi kéo thì ta có: η: hệ số hiệu chỉnh, η =1 6 2 σk= 540.10 (N/m ) ηk: hệ số an toàn bền, ηk= 2,6 [II- 356] 6  k 540.10 6 →[].k  = .1= 207,692.10 nk 2,6  c Theo giới hạn bền chảy: [].k  nc
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Trong đó: η: hệ số hiệu chỉnh, η =1 6 2 σc = 220.10 (N/m ) ηc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy, ηc= 1,5 [II-356] 6  c 220.10 6 →[].k  = .1= 146,667.10 nc 1,5 Ta lấy giá trị bé hơn trong hai giá trị vừa tính được: 6 2 [σk] = 146,667.10 ( N/m ) 6 k. h 146,667.10 0,95 Do đó =333,0617>50 P 418341,9 → bề dày thân tháp được tính theo công thức sau: DPt . 2 418341,9 SC = 6 C , m 2.[k ]. 2 146,667.10 0,95 C = C1+ C2+ C3 = 1+0+0,18= 1,18 mm →S= 3,0025+1,18=4,1825 mm Quy tròn S = 5 mm Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử: [DSCP ( )]   t0 c , N/m2 2(SC ) 1,2 Trong đó: P0: Áp suất thử, được xác định theo công thức P0 = Pth+ Ptt Pth: Áp suất thuỷ lực lấy theo bảng XIII.5 2 Chọn Pth = 1,5P = 1,5×418341,9=627512,85 (N/m ) 2 Ptt: Áp suất thuỷ tĩnh, Ptt= 114441,9(N/m ) 2 => P0 = 627512,85 + 114441,9 = 741954,75(N/m ) [2 (5 1,18).10 3 ] 741954,75 Vậy 204,842.106 N/m2 2 (5 1,18).10 3 0,95  220.106 c 183,33.106 N/m2 1,2 1,2 Như vậy là không thoả mãn. Chọn chiều dày thân tháp S = 6 mm [2 (6 1,18).10 3 ] 741954,75  162,425.106 2 (6 1,18).10 3 0,95 Thoả mãn điều kiện. Vậy S = 6 mm
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. II. Chiều dày nắp và đáy thiết bị Nắp và đáy cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị, được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị là thép X18H10T. Thiết bị đặt thẳng đứng. Áp suất trong là P = 418341,9 > 0,7.105 N/m2 người ta thường dùng nắp elip có gờ. Áp suất tính toán P=418341,9 N/m2 Chiều dày của nắp và đáy thiết bị được xác định theo công thức: DP D SC . 3,8[k ]k h P 2 h b Trong đó: P : Áp suất trong của thiết bị. hb : chiều cao phần lồi của đáy và nắp , hb= 0,25Dt=0,25×2=0,5 m 6 2 [σk] : ứng suất cho phép của thiết bị , [σk] = 146,667.10 (N/m ) φh : hệ số bền của mối hàn hướng tâm, với mối hàn tay bằng hồ quang điện, vật liệu thép cacbon không gỉ chọn φh= 0,95 C: Đại lượng bổ sung, Cn = 1,18 ( mm ) k : hệ số không thứ nguyên, chọn k = 1 [] 146,667.106 Vì: k .k . .1.0,95 333,06 30 P h 418341,9 → Bề dày nắp và đáy được tính theo công thức: DP D 2 418341,9 2 SC . = 6 . CC 0,00316 3,8[k ]k h 2 h b 3,8 146,667.10 1 0,95 2 0,5 S = 0,00316 + C ( m ) xét thấy S = 0,00316 + C< 10 mm → tăng thêm 2 mm so với giá trị C → C = 1,18+2=3,18 mm → S = 6,34 mm Quy tròn S = 7mm Kiểm tra ứng suất của đáy thiết bị theo áp suất thử: [D2 2 h ( S C )] P   t b0 c 7,6k h h b ( S C ) 1,2
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only.  220.106 Ta có: c 183,33.106 N/m2 1,2 1,2 2 22 2 0,5 (7 3,18).10 3 741954,75 [Dt 2 h b ( S C )] P0  3 7,6k h h b ( S C ) 7,6 1 0,95 0,5 (7 3,18).10 →σ =215,418.106 N/m2 → Không thỏa mãn Chọn S =8 mm 2 22 2 0,5 (8 3,18).10 3 741954,75 [Dt 2 h b ( S C )] P0 → 3 7,6k h h b ( S C ) 7,6 1 0,95 0,5 (8 3,18).10 → σ =170,768.106 N/m2 →thỏa mãn điều kiện. Vậy S = 8 mm 3. Đường kính ống dẫn a. Đường kính ống dẫn khí Áp dụng công thức V d [I-369] 0,785. Trong đó: V: lưu lượng thể tích khí trong ống, m/s GM. 1023,08 29,5705 V y y 2,315( m3 / s ) y .3600 3600 3,63 ω: tốc độ trung bình khí trong ống, m/s ở P = 3atm, ω = 15÷25 m/s. Ta chọn ω = 25m/s d: đường kính ống dẫn khí, m. → Thay vào công thức tính đường kính ống dẫn khí ta có: 2,315 d 0,34( m ) k 0,785 25 Quy chuẩn d= 350 mm 2,315 →  24,07(m / s ) k 0,352 0,785 b. Đường kính ống dẫn chất lỏng V d 0,785. Trong đó: V: lưu lượng thể tích nước trong ống GM. 14000 18 V xd H2 O 0,07( m3 / s ) .3600 3600 997,08 HO2 Theo bảng II.2 [I-370] vận tốc chất lỏng trong ống đẩy của bơm
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. ωl = 1,5-2,5 m/s. Chọn ωl = 2,0 m/s 0,07 → d 0, 211( m ) l 0,785 2 Quy chuẩn dl = 200 mm 0,07 → 2,23(m / s ) l 0,22 0,785 4. Mặt bích a. Bích nối thiết bị: Để nối thiết bị ( thân, nắp và đáy) ta có thể dùng bích liền kiểu I (hình 8. 2) chế tạo bằng thép CT3. Ghi chú: D – Đường kính ngoài của bích Db – Đường kính vòng bu-lông DI – Đường kính trong của bích Dn – Đường kính quy ước của bích Dy – Đường kính trong của ống h – Chiều dày của bích db – Đường kính bu-lông Hình 8. 2. Bích liền kiểu I 2 Với đường kính của tháp Dt = 2000mm và áp suất tính toán p = 418341,9 N/m , tra bảng XIII.27( Sổ tay 2-423) ta có các thông số của bích như sau: -6 ρy.10 Kích thước nối N/m2 Bu lông Dt D Db DI D0 db z h mm cái mm 0,4 2000 2170 2100 2060 2015 M30 48 50 Kích thước bề mặt đệm bít kín dùng cho loại bích trên: (Bảng XIII.31- T2). -6 2 ρy.10 , N/m 0,1÷1,6 Dt D2 D4
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. mm 2000 2054 2030 b. Bích nối đường ống với lỗ ở đáy và nắp : ta dùng kiểu bích tự do bằng thép Tra bảng XIII-28( sổ tay 2-425) ta có Kiểu bích -6 ρy.10 Dy 5 2 N/ m D0 h h1 Db mm 0,25÷0,6 350 283 28 20 - c. Bích nối ống dẫn với các bộ phận khác trong thiết bị Chọn bích liền bằng kim loại đen, kiểu I D Dt D1 h db Dy Dn Tra bảng XIII.26, sổ tay 2-414 Ứng với ống có đường kính Dy=200 mm ta có các thông số sau Ống Kiểu bích -6 Dy Bu lông h ρy.10 D D D D1 2 n  N/m db z mm cái mm 0,4 200 219 290 255 232 M16 8 22 5. Chân đỡ, vỏ đỡ, tai treo
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. Thông thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bề mặt mà phải có tai treo hay chân đỡ, vỏ đỡ để đỡ thiết bị để thiết bị được ổn định khi vận hành. Muốn chọn được chân đỡ, vỏ đỡ hay tai treo thích hợp ta phải tính trọng tải của tháp. Trọng tải của tháp: Ptháp = Pthân + Pđáy, nắp + Pchất lỏng + Pbích + Pđệm (N)  Khối lượng thân thiết bị 2 2 Mth = V.ρ = S.H.ρ = (π/4).(Dn – D t). H.ρ Trong đó: Mth: khối lượng của thân thiết bị, kg Dn, Dt: đường kính ngoài và trong của thiết bị, m H: chiều cao của tháp, m ρ: khối lượng riêng của thép, ρ = 7,9.103 kg/m3 2 2 3 → Mthân = (π/4).[ ( 2,0 + 2×0,006) – 2,0 ]×11,7×7,9.10 = 3493(kg)  Khối lượng của đáy và nắp tháp - Khối lượng của nắp: S= 8mm; Dt=2000mm → Tra bảng XIII-11( sổ tay 2- 384) ta có chiều cao gờ h= 25 mm và Mnắp=283 kg - Khối lượng đáy: S=8mm; Dt=2000 mm → Tra bảng XIII-11( sổ tay 2- 384) ta có chiều cao gờ h= 25 mm và Mnắp=283 kg Vậy Mnắp- đáy= 566 (kg)  Khối lượng của đệm Đệm là đệm vòng Rasig đổ lộn xộn: đệm bằng sứ kích thước 25×25×3.0 Tra bảng thông số kỹ thuật IX.8( sổ tay 2-193) 3 ρđệm = 600 kg/m 2 2 Mđệm = Hđệm .(π/4).D .ρđệm= 9,2×.(π/4)×2,0 ×600= 17332,8 (Kg)  Khối lượng của chất lỏng: .D 2 M . .H l 4 Trong đó: ρ: khối lượng riêng chất lỏng ở 250C D: đường kính tháp, m H: chiều cao tháp trước khi bị nước choán hết, m 3,14 2,02 Vậy: M 997,08 11,7 36630,725( kg ) l 4  Khối lượng bích o Bích nối thân thiết bị:
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. 2 2 Áp dụng công thức: Mb D b D I h thep 4 Trong đó: 3 3 thep : khối lượng riêng của thép làm bích(CT3), thep = 7,85.10 (kg/m ) Db: đường kính vòng bulong, Db= 2100 mm = 2,1 m DI: đường kính trong của bích, DI= 2060 mm= 2,06 m h: chiều dài của bích, h=50mm=0,05m 2 2 3 → Mb 2,1 2,06 0,05 7,85.10 51,27( kg ) 4 → Mb1 3 51,267 153,8( kg ) o Bích nối ống dẫn: M 4 (0,2552 0,232 2 ) 0,22 7850 6,07( kg ) b2 4 o Bích nối đường ống với lỗ ở đáy và nắp M 4 (0, 4452 0, 415 2 ) 0,26 7850 16,53( kg ) b3 4 Do đó Mb = Mb1+Mb2+Mb3 = 153,8+6,07+16,53= 176,4 kg Trọng tải của tháp là: Khối lượng của toàn tháp Mtt= Mđệm + Mbích + Mchất lỏng + Mthân + Mnắp,đáy =17332,8 +176,4 + 36630,725 + 3493+ 566 = 58198,44( kg ) →Trọng tải của tháp: P = Mtt × g = 58198,44× 9,81 =570926,7(N ) Ta sử dụng vỏ đỡ với các kích thước trình bày trong bản vẽ. Vật liệu vỏ đỡ là thép CT3 Những điều kiện cần chú ý khi chế tạo: Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt Chỉ hàn giáp má Bố trí các đường hàn dọc Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát Không khoan lỗ qua mối hàn
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. PHẦN KẾT LUẬN Trên đây toàn bộ phần thiết kế hệ thống tháp đệm hấp thụ cấu tử SO2 với dung môi là nước, trong quá trình tính toán do rất dài và có nhiều công thức phức tạp cũng như phải làm tròn số hoặc tra số liệu từ các tài liệu tham khảo nên bản thiết kế không tránh khỏi sai sót trong tính toán. Tuy nhiên bản thiết kế đã giúp em hệ thống lại toàn bộ kiến thức đã học từ các môn Các quá trình cơ bản I,II,III,những môn cơ sở của ngành môi trường và hóa. Đồng thời qua việc thiết kế cũng giúp em có được cái nhìn hoàn chỉnh về sơ đồ của một hệ thống xử lý khí thải.
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software For evaluation only. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TS Trần Xoa, PGS.TS Nguyễn Trọng Khuông, TS Phạm Xuân Toản- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa tập 1- NXB KHKT Hà Nội 2. TS Trần Xoa, PGS.TS Nguyễn Trọng Khuông, TS Phạm Xuân Toản- Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa tập 2- NXB KHKT Hà Nội 3. GS.TSKH Nguyễn Bin- Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 4- NXB KHKT Hà Nội