Đồ án Các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường

Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường –kysumoitruong.vn  ~ 1 ~ Tài liệu chỉ mang tính chất tham khảo không sử dụng vào mục đích khác nếu chưa có sự cho  phép của tác giả-BQT diễn đàn kysumoitruong.vn   Mục Lục Lời mở đầu ................................................................................................................................. 3  THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC .................................................................................................. 4  Phần I. Tính toán thiết kế tháp đệm ............................................................................................. 4  I.  Tính toán các điều kiện ban đầu ....................................................................................... 4  II.  Tính các thông số của tháp ........................................................................................... 9  1.  Tính đường kính tháp đệm. .............................................................................................. 9  2.  Tính chiều cao tháp đệm ................................................................................................ 15  3.    Tính trở lực tháp đệm ..................................................................................................... 16  PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ .......................................................................... 24  I.  Các thông số đặc trưng của bơm .................................................................................... 24  II.  Máy nén khí ............................................................................................................... 29  1.  Công của máy nén ly tâm ............................................................................................... 30  2. Công suất máy nén............................................................................................................ 34  4.  Công suất của động cơ điện............................................................................................ 35  PHẦN III. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ ............................................................................................. 36  I.  Chiều dày thân tháp ....................................................................................................... 36  II.  Chiều dày nắp và đáy thiết bị ...................................................................................... 39  1.  Chiều dày của nắp thiết bị .............................................................................................. 39  2.  Chiều dày của đáy thiết bị .............................................................................................. 40  III.  Đường kính của ống dẫn khí và lỏng. ......................................................................... 41  1.  Đường kính ống dẫn vào và dẫn khí ra. .......................................................................... 41  2.  Đường kính ống dẫn lỏng vào và ra ................................................................................ 42  IV.  Bích ghép thân, nắp, đáy............................................................................................. 42  1.  Bích nối nắp và đáy với thân thiết bị .............................................................................. 42  2.  Bích nối ống dẫn lỏng với thân thiết bị. .......................................................................... 43  3.  Bích nối ống hơi với thân thiết bị ................................................................................... 43  V.  Kết cấu đỡ tháp .......................................................................................................... 44  1.  Khối lượng thân thiết bị ................................................................................................. 44  2.  Khối lượng của đáy và nắp tháp: .................................................................................... 44                                                                                                         Phạm Kim Ngọc - KTMT K52  ~ 2 ~  3.  Khối lượng của đệm ....................................................................................................... 44  4.  Khối lượng bích ............................................................................................................. 45  VI.  Bộ phận phân phối lỏng. ............................................................................................. 47  KẾT LUẬN .............................................................................................................................. 49  TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 50 Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường –kysumoitruong.vn  ~ 3 ~ Lời mở đầu Hiện nay, do sự phát triển của các nghành công nghiệp tạo ra các  sản phẩm phục vụ con người , đồng thời cũng tạo ra một lượng chất thải  vô  cùng  lớn  làm  phá  vỡ  cân  bằng  sinh  thái  gây  ô  nhiễm  môi  trường  nghiêm trọng .  Trong các loại ô nhiễm , ô nhiễm không khí ảnh hưởng trực tiếp  đến con người  , động vật ,  thực vật và các công  trình xây dựng  . Sức  khỏe và  tuổi  thọ con người phụ thuộc rất nhiều vào độ  trong sạch của  môi trường.Vì vậy, trong những năm gần đây ô nhiễm không khí từ các  nghành sản xuất công nghiệp ở nước ta đang là vấn đề quan tâm không  chỉ của nhà nước mà còn là của toàn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó  đã lên đến mức báo động .  SO2  là một  trong  những  chất ô  nhiễm không khí  được  sản  sinh  nhiều trong các nghành sản xuất công nghiệp và sinh hoạt . Việc xử lý  SO2 có nhiều phương pháp khác nhau . Phương pháp nào được áp dụng  để xử  lý  tùy thuộc vào hiệu quả và tính kinh  tế của phương pháp  . Vì  vậy , đồ án môn học với nhiệm vụ thiết kế tháp đệm hấp thu SO2 là một  trong những phương án ghóp phần vào việc xử lý khí thải ô nhiễm.  Trong đồ án này sẽ đi khảo sát một phương án: Xử lý SO2 bằng  phương pháp hấp thụ với dung môi là nước.  Sau 15 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình  của cô giáo hướng dẫn và các thầy cô bộ môn  nhưng do chưa có nhiều 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!                                                                                                         Phạm Kim Ngọc - KTMT K52  ~ 4 ~  THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài thiết kế Thiết kế hệ thống hấp thụ loại tháp đệm. Tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5  atm và nhiệt độ 30°C. Dung môi hấp thụ là H2O. Các số liệu ban đầu và tính toán Hỗn hợp khí cần tách                                           : SO2 - không khí.  Dung môi                                 : H2O  Lưu lượng khí thải vào tháp (Nm3/h)      : 9 000  Nồng độ khí thải vào tháp    (% thể tích)    : 3,0  Nồng độ cuối của dung môi  (% trọng lượng)  : 1  Hiệu suất quá trình hấp thụ (%)       : 80  Phần I. Tính toán thiết kế tháp đệm I. Tính toán các điều kiện ban đầu Theo bài hỗn hợp đầu vào là hỗn hợp khí nên nồng độ phần thể tích chính là  nồng độ phần mol.  ⇒ yd=0,03 (kmol SO kmol pha khí ⁄ )  Chuyển nồng độ thể tích sang nồng độ phần mol tương đối.  d d d y y Y   1 ⇒ Nồng độ đầu của SO2 trong pha khí:  0,03 0,03093 1 0,03 dY    (kmol SO2/kmol khí trơ).  Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường –kysumoitruong.vn  ~ 5 ~ Nồng độ cuối của SO2 trong pha khí:  8,0   d cd Y YY h ⇒ Yd -  Yc = 0,8Yd  => 0,2Yd = Yc  ⇒Yc = 0,2.0,03093 = 6,186.10 -3 (kmol SO2/kmol khí trơ)  yc: nồng độ phần mol của khí cần hấp thụ trong hỗn hợp  36,186.10 1 c c c y Y y    ⇒ yc =6,148.10 -3 (kmol SO2/ kmol hỗn hợp khí).  Nồng độ mol tương đối trung bình:  30,03093 6,186.10 0,0186 2 2 d c tb Y Y Y      (kmol SO2/kmol khí trơ)  Nồng độ phần mol trung bình:  0,0186 0,01826 1 1 0,0186 tb tb tb Y y Y      (kmol SO2/ kmol hỗn hợp khí).  Lưu lượng hỗn hợp khí: G = n = , = 401,786 kmol/h  Lượng khí trơ: Gtrơ = G(1 − yđ) =401,786.(1- 0,03)= 389,73  kmol/h  Lượng SO2 được hấp thụ:   GSO2 = G. yđ.h = 401,786.0,03.0,8 = 9,64 kmol SO h .  Nồng độ đầu của SO2 trong nước : xđ = 0  Nồng độ cuối của SO2 trong nước : Theo bài ra  x’c=1 % khối lượng.  ⇒ Nồng độ phần mol của SO2 trong dung môi :   2 2 2 3 ' 1% 64 2,833.10 ' 1 ' 1% 1 1% 64 18 c SO c c c SO H O x M x x x M M        ( kmol SO2/kmol H2O)  Nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong dung môi                                                                                                          Phạm Kim Ngọc - KTMT K52  ~ 6 ~  4 4 4 7,044.10 7,05.10 1 1 7,044.10 c c c x X x         ( kmol SO2/kmol H2O).  Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc  Phương trình đường cân bằng có dạng 1 (1 ) mX Y m X    ( kmol SO kmol⁄ khí trơ)  ( 1) Y X m Y m     ( kmol SO kmol ⁄ khí trơ)  Với  P m    hằng số cân bằng pha.    : Hệ số Henry (mmHg)  P  : Áp suất chung của hỗn hợp khí. P=5atm , T=30°C.  Tra bảng IX.1( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2), ta có   2SO  (300C) = 0,0364.106  (mmHg).  ⇒   60,0364.10 9,579 5.760 m     ⇒ Phương trình cân bằng :  9,579 1 8,579 X Y X     (kmol SO2/kmol khí trơ)  8,579 9,579 Y X Y     ( kmol SO2/kmol H2O)   Phương trình đường làm việc Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện  bất kỳ tới phần trên của thiết bị    Gtr(Y – Yc) = Gx(X – Xd)  Trong đó :   Gx, Xd Yc Xc Gy, Yd Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường –kysumoitruong.vn  ~ 7 ~ Xd: nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi.   (kmol SO2/kmol H2O)  Yc: nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí   (kmol/kmol khí trơ)  Gx: lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h).  Gtr:: lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h).  Từ phương trình cân bằng vật liệu ta có:  - Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi:  31( ) ( ) 2,84.10troc d c d c x G X Y Y Y Y G l       (kmol SO2/kmol H2O)  - Lượng dung môi tiêu tốn thực tế:  3 3 0,03093 6,186.10 8,7 2,84.10 d c c Y Y l X         (kmol H2O/kmol không khí)  - Lưu lượng dung môi đi vào thiết bị Gx:    Gx = l.Gtrơ =8,7. 389,73 = 3390,65 (kmol/h)  - Phương trình đường làm việc cho một đoạn tháp bất kỳ:    Gtrơ(Y - Yc) = Gx(X - Xd)    =>  cc tro x YXlYX G G Y  .   ⇒ Phương trình đường làm việc: Y = 8,7.X +  36,186.10   X Y Ycb 0 0.006186 0 0.0002 0.007926 0.001919093 0.0004 0.009666 0.003844794 0.0006 0.011406 0.005777137 0.0008 0.013146 0.007716158 0.001 0.014886 0.009661889 0.0012 0.016626 0.011614368 0.0014 0.018366 0.013573627                                                                                                        Phạm Kim Ngọc - KTMT K52  ~ 8 ~  0.0016 0.020106 0.015539704 0.0018 0.021846 0.017512634 0.002 0.023586 0.019492451 0.0022 0.025326 0.021479194 0.0024 0.027066 0.023472898 0.0026 0.028806 0.025473599 0.0028 0.030546 0.027481335 0.00284 0.030894 0.027883729 Đồ thị đường cân bằng và đường làm việc trên cùng một hệ trục tọa độ -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 X Y Ycb Y Y Ycb Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường –kysumoitruong.vn  ~ 9 ~ II. Tính các thông số của tháp 1. Tính đường kính tháp đệm. a. Tính khối lượng riêng trung bình (tr 183)  Đối với pha lỏng   Áp dụng công thức:  2 2 2 2 11 SO SO xtb SO H O a a         xtb : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m 3.  2SO a  : Phần khối lượng trung bình của SO2 trong hỗn hợp.  OHSO 22 , : khối lượng riêng của SO2 và H2O ở 30°C, kg/m 3  Tra bảng: I.5 và I.2 ( Sổ tay quá trình và thiết bị-Tập 1) tại 30°C.  2H O  = 995.68 (kg/m3)  2SO   (20°C)=1383(kg/m3) ,    2SO  (40°C)=1327 (kg/m3)  Nội suy ⇒ 2SO   (30°C)= 1355 (kg/m3)  Phần khối lượng trung bình của SO2 trong pha lỏng.  2 2 2 2 . . (1 ) SO tb SO SO tb H O tb M x a M x M x    Với xtb  là  nồng độ phần mol  trung bình  của  cấu  tử  cần hấp  thụ  trong pha  lỏng.  ( kmol SO2/kmol H2O)  ⇒ 3 30 2,84.10 1,42.10 2 2 d c tb x x x       ( kmol SO2/kmol H2O)  ⇒ 2 3 3 3 64.1, 42.10 64.1, 42.10 18.(1 1,42.10 ) SOa       =5,03.10 -3                                                                                                        Phạm Kim Ngọc - KTMT K52  ~ 10 ~  Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng  2 2 2 2 3 3 1 1 997 1 5,03.10 1 5,03.10 1355 995,68 xtb SO SO SO H O a a              (kg/m3)   Đối với pha khí  Áp dụng công thức:  . . i j j j j j j m m m P M P RT V V RT       Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp:  30 0 . . . ( / ) 22, 4 y y ytb P M M T P kg m RT T P    Với:  ytb  : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp.  My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí.  T0: Nhiệt độ ở đktc. T0=273°K.  T: Nhiệt độ làm việc của tháp. T= 273+30=303 °K.  P0: Áp suất ở đktc P0=1 atm.  P: Áp suất làm việc của tháp P= 5atm.  Tính Mytb .   Mytb = ytb. 2SO M + (1 - ytb). KKM =0,01826.64 + (1-0,01826).29= 29,64 (kg/kmol)  ⇒ 29,64 273 5 . . 5,96 22, 4 303 1 ytb   (kg/m3)  Tính độ nhớt yx  ,   * Đối với pha lỏng  x    Áp dụng công thức:  Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường –kysumoitruong.vn  ~ 11 ~   OHtbSOtbx xx 22 lg).1(lg.lg     Trong đó:  - xtb: phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp lỏng,     xtb = 1,42.10 -3 (kmol SO2/kmol H2O)  - OHSO 22 , : độ nhớt của SO2 và H2O ở 30 0C, Ns/m2.  Tra bảng I.102 ( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1, Tr )    Ta có:   OH 2  (300C) = 0,8.10-3 (Ns/m2)  Tra bảng I.101, ta có:  2SO  (300C) = 0,279.10-3 (Ns/m2)  => lg x  = 1,42.10-3. lg (0,279.10-3 )+ (1 – 1,42.10-3).lg(0,8.10-3)  => lg x = -3,0976  =>  x  = 7,988.10-4 (Ns/m2)  * Đối với pha khí: Áp dụng công thức:  KK KKtb SO SOtb y y MyMyM  ).1(. 2 2             Trong đó:  - y ,  2SO ,  KK : độ nhớt trung bình của pha khí, của SO2 và của không khí  ở nhiệt độ làm việc t = 300C, Ns/m2.  - KKSOy MMM ,, 2 :  khối  lượng  phân  tử  của  pha  khí,  của  SO2  và  của  không khí ở 300C, P = 5 atm.  Tra đồ thị I-35( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 1), ta có:  2SO   (300C) = 128.10-7 Ns/m2     KK  (30 0C) = 181.10-7 Ns/m2  2 2 5 2 7 7 29,64 1,78.10 ( / ) . 0,01826.64 (1 0,01826).29(1 ). 128.10 181.10 y y tb SO tb KK SO KK M Ns m y M y M                                                                                                                    Phạm Kim Ngọc - KTMT K52  ~ 12 ~  b. Đường kính tháp. Áp dụng công thức:  4 .3600 0,785 tb tb tb tb V V D         (m)        - Vytb: lượng khí trung bình đi trong tháp, m 3/h.  - ytb : tốc độ khí trung bình đi trong tháp, m/s.  * Tính lưu lượng thể tích khí và lỏng trung bình đi trong tháp: ytb ytbytb tb MG V  .   (m3/h)  Trong đó:  - Gytb : lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h  - Mytb: khối lượng phân tử trung bình của khí trong tháp, kg/kmol  ytb : khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp, kg/m 3    => )1( 2 tbtro ycyd ytb YG GG G        Ytb = 0,0186 (kmol SO2/kmol khí trơ)  - Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp Gytb:         => Gytb = 389,73 (1 + 0,0186) = 396,98 (kmol/h)   396,98.29,64 1974,24 5,96 ytbV   (m3/h)  Lượng hơi trung bình trong tháp(kmol/h):    Gy = Gytb. Mytb= 396,98. 29,64=11766,487 (kg/h).  - Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp:  2 xcxd xtb GG G    (kg/h)    Gxd = 15306,62(kmol/h)    Gxc = Gxd +  2SO G bị hấp thụ  2SO G 15306,62  15328,35 43 5 7 2 4 2 ,bihapthu xtb xdG G       (kmol/h)   Mxtb=xtb.MSO2 +(1- xtb).MH2O=1,42.10 -3.64+(1-1,42.10-3).18=18,065  Lượng lỏng trung bình (kg/h).      Gx= Gxtb. Mxtb =15328,35518,016 = 276155,6437 (kg/h)  Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường –kysumoitruong.vn  ~ 13 ~ xtb xtb xtb .M 276155,6437.18,065 V 5003,85 997xtb G     ( m3/h)  *Tính vận tốc của khí đi trong tháp ytb , m/s.  Áp dụng công thức:                                  Y =1,2.e-4X             Với    0,162 3 . . . . s d ytb x d xtb n Y g V              1 1 4 8 ytbx y xtb G X G                s : tốc độ đảo pha, m/s  Vđ: thể tích tự do của đệm, m 3/m3  d : bề mặt riêng của đệm, m 2/m3  Tháp hấp thụ SO2 mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasig đổ  lộn xộn:  đệm bằng sứ kích thước 30×30×3,5.  Vđ= 0,76 m 3/m3  d  =  165 m 2/m3  Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình (kg/s).            Gy =11766,487 (kg/h) = 11766,487/3600 (kg/s).  Gx=  276155,6437 (kg/h) = 276155,6437 /3600(kg/s).  g: gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2            nx  , : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở  200C, Ns/m2.    )20( 0 C n  = 1,005.10-3 (Ns/m2)    )30( 0 Cx = 7,988.10 -4(Ns/m2)  ytbxtb  , : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí (kg/m 3)    xtbx   = 997 (kg/m 3)                                                                                                         Phạm Kim Ngọc - KTMT K52  ~ 14 ~  ytby   = 5,96 (kg/m 3)  ⇒ 1 1 1 1 4 8 4 8246522,3 / 3600 5,96 0,513 276155,6437 / 3600 997 ytbx y xtb G X G                          Từ phương trình của Y ta có:   4 3 4.0,513 3 0,16 0,164 3 1,2. 1,2. 9,81 0,76 996 0,835 7,988.10 165.5,96 1,005.10 X d xtb s x d ytb n e g V e                               m/s  Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, xong thực  tế tháp đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng nữa sẽ rất khó bảo đảm quá  trình ổn định. Vì vậy  Tốc độ thích hợp tính theo phương pháp này thường bằng khoảng:     y = (0,8 0,9)  dp    Ta chọn:   y  = 0,85.  dp  = 0,85.0,835= 0,71 (m/s)  Thay các giá trị ta có đường kính tháp.  => Đường kính của tháp:  4.1974,24 0,992( ) 3600.3,14.0,71 D m  Quy chuẩn D=1(m)  => Lúc này tốc độ khí trung bình đi trong tháp là:  2 2 4. 4.1974,24 0,70( / ) .3600. 1 .3600.3,14 ytb ytb V m s D      có   ytb   (0,8 0,9)  dp => kết quả phù hợp Kiểm tra điều kiện thiết kế 4. 4.0,76 1 0,018 0,02 . 165.1 50 dem d d d V D D         ⇒Đệm trên là phù hợp.  Đồ án các quá trình cơ bản trong công nghệ môi trường –kysumoitruong.vn  ~ 15 ~ Kiểm tra theo mật độ tưới - Mật độ tưới thực tế:  x tt t V U F    ,m3 /m2.h  Vx: Lưu lượng thể tích của chất lỏng ,m 3/h.  Ft: Diện tích mặt cắt tháp.      Ft = .D 2/4 = 3,14.12/4 = 0,785 ,m2.     Vx= 5003,85 (m 3/h).  ⇒ 5003,85 6374,33 0,785 x tt t V U F     , m3 /m2.h  - Mật độ tưới thích hợp:                    Ut.h =  d .B (m 3/m2.h)    B= 0,158 m3 /m.h ,    d  : bề mặt riêng của đệm,  d  =165 (m2/m3)  Ut.h=0,158.165=26,07 ,m 3 /m2.h  ⇒  . . 6374,33 244,5 26,07 t t t h U U    > 1  ⇒ Đệm thấm ướt tốt. 2. Tính chiều cao tháp đệm Áp dụng công thức xác định chiều cao của lớp đệm:     Hđ = my.hy  ,m.                Trong đó:   my : số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi (khí)  hy : chiều cao của một đơn vị chuyển khối.  * Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối Ta áp dụng công thức: