Đò án các quá trình thiết bị Tháp đệm hấp thụ SO2

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 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 S O 2 kmol pha khí ) Chuyển nồng độ thể tích sang nồng độ phần mol tương đối.
⇒ Nồng độ đầu của SO2 trong pha khí:
(kmol SO2/kmol khí trơ). Nồng độ cuối của SO2 trong pha khí:
⇒ 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
⇒ yc =6,148.10-3 (kmol SO2/ kmol hỗn hợp khí). Nồng độ mol tương đối trung bình:
(kmol SO2/kmol khí trơ) Nồng độ phần mol trung bình:
(kmol SO2/ kmol hỗn hợp khí). Lưu lượng hỗn hợp khí: G y =n= 9000 22,4 =401,786 kmol/h Lượng khí trơ: Gtrơ = G y 1− y đ =401,786.(1- 0,03)= 389,73 kmol/h Lượng SO2 được hấp thụ: GSO2= G y . y đ .(=401,786.0,03.0,8=9,64 kmol S O 2 h . Nồng độ đầu của SO2 trong nước : x đ =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 :
( kmol SO2/kmol H2O) Nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong dung môi
( kmol SO2/kmol H2O). Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc Phương trình đường cân bằng có dạng
( kmol S O 2 kmol khí trơ)
( kmol S O 2 kmol khí trơ) Với
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
(300C) = 0,0364.106 (mmHg). ⇒
⇒ Phương trình cân bằng :
(kmol SO2/kmol khí trơ)
( 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 : 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:
(kmol SO2/kmol H2O) - Lượng dung môi tiêu tốn thực tế:
(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) =>
⇒ Phương trình đường làm việc: Y = 8,7.X +
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   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 / Tính các thông số của tháp Tính đường kính tháp đệm. Tính khối lượng riêng trung bình (tr 183) Đối với pha lỏng Áp dụng công thức:

: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3.
: Phần khối lượng trung bình của SO2 trong hỗn hợp.
: khối lượng riêng của SO2 và H2O ở 30°C, kg/m3 Tra bảng: I.5 và I.2 ( Sổ tay quá trình và thiết bị-Tập 1) tại 30°C.
= 995.68 (kg/m3)
(20°C)=1383(kg/m3) ,
(40°C)=1327 (kg/m3) Nội suy ⇒
(30°C)= 1355 (kg/m3) Phần khối lượng trung bình của SO2 trong pha lỏng.
Với xtb là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử cần hấp thụ trong pha lỏng. ( kmol SO2/kmol H2O) ⇒
( kmol SO2/kmol H2O) ⇒
=5,03.10-3 Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng
(kg/m3) Đối với pha khí Áp dụng công thức:
Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp:
Với:
: 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.
+ (1 - ytb).
=0,01826.64 + (1-0,01826).29= 29,64 (kg/kmol) ⇒
(kg/m3) Tính độ nhớt
* Đối với pha lỏng
Áp dụng công thức:
Trong đó: xtb: phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp lỏng, xtb = 1,42.10-3 (kmol SO2/kmol H2O)
: độ nhớt của SO2 và H2O ở 300C, Ns/m2. Tra bảng I.102 ( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1, Tr ) Ta có:
(300C) = 0,8.10-3 (Ns/m2) Tra bảng I.101, ta có:
(300C) = 0,279.10-3 (Ns/m2) => lg
= 1,42.10-3. lg (0,279.10-3 )+ (1 – 1,42.10-3).lg(0,8.10-3) => lg
= -3,0976 =>
= 7,988.10-4 (Ns/m2) * Đối với pha khí: Áp dụng công thức:
Trong đó:
,
,
: độ nhớt trung bình của pha khí, của SO2 và của không khí ở nhiệt độ làm việc t = 300C, Ns/m2.
: 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:
(300C) = 128.10-7 Ns/m2
(300C) = 181.10-7 Ns/m2
Đường kính tháp. Áp dụng công thức:
(m) Vytb: lượng khí trung bình đi trong tháp, m3/h.
: tốc độ khí trung bình đi trong tháp, m/s. * Tính lưu lượng thể tích khí và lỏng trung bình đi trong tháp:
(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
: khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp, kg/m3 =>
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)
(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:
(kg/h) Gxd = 15306,62(kmol/h) Gxc = Gxd +
bị hấp thụ
(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)
( m3/h) *Tính vận tốc của khí đi trong tháp
, m/s. Áp dụng công thức: Y =1,2.e-4X Với


: tốc độ đảo pha, m/s Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3
: bề mặt riêng của đệm, m2/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 m3/m3
= 165 m2/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
: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 200C, Ns/m2.
= 1,005.10-3 (Ns/m2)
= 7,988.10-4(Ns/m2)
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí (kg/m3)
= 997 (kg/m3)
= 5,96 (kg/m3) ⇒
Từ phương trình của Y ta có:
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:
= (0,8
0,9)
Ta chọn:
= 0,85.
= 0,85.0,835= 0,71 (m/s) Thay các giá trị ta có đường kính tháp. => Đường kính của tháp:
Quy chuẩn D=1(m) => Lúc này tốc độ khí trung bình đi trong tháp là:
có
(0,8
0,9)
=> kết quả phù hợp Kiểm tra điều kiện thiết kế
⇒Đệm trên là phù hợp. Kiểm tra theo mật độ tưới Mật độ tưới thực tế:
,m3 /m2.h Vx: Lưu lượng thể tích của chất lỏng ,m3/h. Ft: Diện tích mặt cắt tháp. Ft = (.D2/4 = 3,14.12/4 = 0,785 ,m2. Vx= 5003,85 (m3/h). ⇒
, m3 /m2.h Mật độ tưới thích hợp: Ut.h =
.B (m3/m2.h) B= 0,158 m3 /m.h ,
: bề mặt riêng của đệm,
=165 (m2/m3) Ut.h=0,158.165=26,07 ,m3 /m2.h ⇒
> 1 ⇒ Đệm thấm ướt tốt. 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:
,m. Trong đó: h1, h2 : chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng (m) Gx, Gy: lưu lượng trung bình của pha lỏng, pha khí (kg/h) m: hệ số góc của đường cong cân bằng * Tính h1. Áp dụng công thức:
Trong đó: Vđ: Thể tích tự do của đệm Vđ= 0,76 (m3/m3) a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm. Đệm vòng a= 0,123. Rey : chuẩn số Reynold cho pha hơi. Pry : chuẩn số Prandt cho pha hơi. Ψ: Hệ số thấm ướt của đệm Ta có:
Trong đó:
: vận tốc khí đi trong tháp (m/s)

: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (kg/m3)

: bề mặt riêng của đệm,
=165 (m2/m3)
:độ nhớt trung bình của pha khí, (Ns/m2)
Trong đó:
: độ nhớt hỗn hợp khí, (Ns/m2)
: khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m3) Dy : hệ số khuếch tán của pha khí, m2/s
T : nhiệt độ K, T = 273 + 30 = 303K P = 5 atm =5,163 at
: khối lượng mol của SO2, không khí (kg/kmol)
: thể tích mol của SO2, không khí (cm3/mol) Tra bảng VIII.2 – II (tr 127). =>
ukk = 29,9(cm3/mol)
=>
Tính ψ. Ψ: phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp. Ta có:
> 1 ⇒ ( = 1 ⇒
m * Tính h2 chiều cao của một đơn vị chuyển khối trong pha lỏng

Trong đó:
: độ nhớt trung bình của pha lỏng, Ns/m2
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng,kg/m3 Ta có:
Với:
: bề mặt riêng của đệm (m2/m3),
= 165(m2/m3) Gx: lưu lượng trung bình của pha lỏng, Gx=276155,6437/3600 (kg/s). Ft: Diện tích mặt cắt tháp. Ft = 0,785,m2.
: độ nhớt trung bình của pha lỏng = 7,996.10-4 Ns/m2
Trong đó:
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3 Dx : hệ số khuếch tán trong pha lỏng, m2/s
Trong đó:
: hệ số khuếch tán của dung dịch lỏng ở 200C (m2/s)
: khối lượng mol của SO2, H2O (kg/kmol)
= 64 (kg/kmol)
= 18 (kg/kmol) A, B: hệ số liên hợp Với các chất khí tan trong nước A = 1. Với dung môi là nước B = 4,7.
: độ nhớt của nước ở 200C,
= 1cp = 10-3 Ns/s.
: thể tích mol của SO2, H2O (cm3/mol)
= 44,8 (cm3/mol)
= 18,9 (cm3/mol)
(m2/s)
=
[1 + b(t - 20)] (m2/s) Trong đó:

: độ nhớt của nước ở 200C,
= 1cp = 10-3 Ns/s.
: khối lượng riêng của nước ở 200C. Tra bảng I.5 =>
= 998,23 (kg/m3) =>

⇒
*Tính m hệ số góc của đường cân bằng Dựa vào bảng số liệu =>
= 9,83 ⇒ Chiều cao của một đơn vị chuyển khối hdv = 0,223+
.1,1 =0,27 m *Tính số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha khí
Y : thành phần làm việc của hơi. Ycb : thành phần mol cân bằng của hơi. Ta xác định số đơn vị chuyển khối theo phương pháp tích phân đồ thị. Việc tính tích phân đó có thể dựa voà việc vận dụng đồ thị
trong hệ toạ độ
- Y. Giá trị của tích phân bằn diện tích hình thang cong giới hạn bởi đồ thị
và đường Yd = 0,03093 (kmol SO2/kmol không khí) Yc = 6,186.10-3 (kmol SO2/kmol không khí) Bảng số liệu cho đồ thị tích phân Y  Ycb  1/(Y-Ycb)  Si   0.006186  0  161.6553508    0.007926  0.001919093  166.4750201  0.285473423   0.009666  0.003844794  171.7857029  0.294286829   0.011406  0.005777137  177.6557791  0.304014089   0.013146  0.007716158  184.1674056  0.314786171   0.014886  0.009661889  191.4201415  0.326761166   0.016626  0.011614368  199.5357837  0.340131655   0.018366  0.013573627  208.664911  0.355134604   0.020106  0.015539704  218.995887  0.372064894   0.021846  0.017512634  230.7674693  0.39129412   0.023586  0.019492451  244.2868323  0.413297242   0.025326  0.021479194  259.9559227  0.438691197   0.027066  0.023472898  278.3110195  0.46829224   0.028806  0.025473599  300.0839164  0.503203594   0.030546  0.027481335  326.2998994  0.54495392   0.030894  0.027883729  332.1960289  0.114578292   𝛴Si=5,5   Diện tích miền giới hạn của đường cong ta được: S = 5,5. Diện tích hình thang cong chính bằng số đơn vị chuyển khối là my =5,5. ⇒ Chiều cao của lớp đệm: H = my.hdv=5,5.0,27=1,485 m. Quy chuẩn H=1,5 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. Áp dụng công thức: Htháp = Hđệm + Hđệm- nắp + Hđệm- đáy Hđệm-nắp = 1 m Hđệm-đáy = 1 m Vậy chiều cao tháp Htháp = 1+1+1,5=3,5 m. Trở lực Áp dụng công thức:
Trong đó:
: Tổn thất đệm khô
: Tổn thất đệm ướt Tháp hấp thụ đạt hiệu suất cao nhất khi vận tốc của khí bằng vận tốc điểm đảo pha. => Trở lực của tháp đệm đối với hệ khí - lỏng tại điểm đảo pha có thể xác định được bằng công thức sau:
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)
PK: tổn thất của đệm khô (N/m2) Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h) Gy =11766,487 (kg/h) = 11766,487/3600 (kg/s). Gx= 276155,6437 (kg/h) = 276155,6437 /3600(kg/s).
: khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m3)
=5,96(kg/m3)
=997(kg/m3)
: độ nhớt của lỏng và khí (Ns/m2)

= 7,996.10-4 (Ns/m2) Hệ số A1: hệ số (ứng với điểm tốc độ làm việc bằng 0,85 tốc độ pha) => A1 = 5,1 * Tổn thất áp suất của đệm khô tính theo công thức:
H : chiều cao tháp, H = 1,5 (m)
y : vận tốc khí trung bình đi trong tháp
y= 0,7 (m/s)
: khối lượng riêng trung bình cúa hỗn hợp khí trong tháp, kg/m3
: độ nhớt trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (Ns/m2)
: bề mặt riêng của đệm (m2/m3) Vd : thể tích tự do của đệm ( m3/ m3) Nh­ng Rey = 568,2 > 400 => tæn thÊt ¸p suÊt cña ®Öm kh« x¸c ®Þnh theo c«ng thøc :

[II-189]
H : chiều cao lớp đệm, H = 1,5 (m)
y : vận tốc khí trung bình đi trong tháp
y= 0,7 (m/s)
: khối lượng riêng trung bình cúa hỗn hợp khí trong tháp, kg/m3
: độ nhớt trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (Ns/m2)
: bề mặt riêng của đệm (m2/m3) Vd : thể tích tự do của đệm ( m3/ m3) ⇒Trở lực đệm khô:
⇒ Trở lực đệm ướt
⇒
=4731,46 ⇒
PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ Các thông số đặc trưng của bơm Áp suất mặt thoáng P1= 9,81.104 N/m2 Áp suất làm việc P= 5 atm=5×1,013.105=5,065.105 N/m2 Gia tốc trọng trường g=9,81 m/s2 Ở 300C:
= 995.68 (kg/m3) μnước=0,8.10-3 Ns/m2 Áp suất toàn phần của bơm H(m): Áp dụng phương trình becnulli ta có Mặt cắt 1-1 và 1’-1’:
Mặt cắt 1-1 và 2-2
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 hmh + hmd=

: 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’ ⇒
Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống hút của bơm hmh =
Trong đó:

: áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống

: áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi chảy ổn định trong ống thẳng

: áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ

=

Đường kính ống hút:
Trong đó: V là lưu lượng thể tích chất lỏng đi trong ống, m3/s
Theo bảng II.2(I-370) chất lỏng trong ống hút của bơm có ωh=0,8-2,0 (m/s). Chọn ωh = 1,5 (m/s) →
⇒
Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống hút
Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau
Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn →
Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:
→

Hệ số trở lực cục bộ: Chất lỏng vào ống thẳng, đầu ống hút có lắp lưới chắn đan bằng kim loại
Với
Chọn
→
Bảng II.16 (Sổ tay I- 382,384) → trở lực của ống có lắp lưới chắn đan bằng kim loại là
Trên ống hút còn lắp 1 van 1 chiều. Theo I-399→
Chọn
→
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=300C thì chiều cao hút của bơm ở khoảng 4m 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 2,5 m. ⇒ Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là:
→ hmh =
=
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 =>
Quy chuẩn dd = 10cm Vận tốc của ống đẩy là
Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống đẩy
Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau
(I-380) Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn →
Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:
→

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
Chọn:


=>
Hệ số trở lục cục bộ của toàn ống đẩy:
Chọn chiều dài ống đẩy là Hd=12m. ⇒ Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là:
⇒ hmd =
=
⇒ hm= hmh + hmd =0,5+1,08=1,58m


Vậy áp suất toàn phần của bơm:
Công suất của bơm: Công suất yêu cầu trên trục bơm: Áp dụng công thức:
(kW) I-439 Trong đó:ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m3 N: hiệu suất của bơm, kW Q: năng suất của bơm (m3/s); Q=
,m3/s → Q=
= 0,017 m3/s 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
Với
: 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
: hiệu suất thủy lực
: 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 Đối với bơm ly tâm:
Chọn:
;
;
→
Vậy công suất yêu cầu trên trục bơm:
Công suất động cơ điện Ndc(KW)
Với:
: hiệu suất truyền động
: hiệu suất động cơ điện
Thông thường động cơ điện được chọn có công suất lớn hơn so với công suất tính toán. Chọn β=1,15 →
II. Máy nén khí Tháp làm việc ở điều kiện P=5atm, T=300C. 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. 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 Công của máy nén ly tâm Áp dụng công thức
Trong đó: PA, PB: áp suất trước và sau khi nén, at T1: nhiệt độ đầu của khí, K T1=25+273=298 K m: chỉ số đa biến, m=1,2÷1,62. Chọn m=1,4 R: hằng số khí, R
Áp dụng phương trình becnulli cho mặt cắt 1-1 và mặt cắt A-A. chọn mặt cắt 1-1 làm chuẩn.
Do ống nằm ngang nên ZA=0. Chọn vận tốc khí trong bể chứa tĩnh:
=0 →
Phương trình becnulli cho mặt cắt 2-2 và B-B. Chọn mặt cắt B-B làm chuẩn
Vận tốc khí trong ống đẩy:
→
Với: P1 = Pa: áp suất khí quyển, P1 = 9,81.104 (N/m2) P2: áp suất cuối ống đẩy, N/m2.
ZB : chiều cao ống đẩy
Khối lượng riêng của hỗn hợp khí thải ở điều kiện đầu vào của khí
hmh, hmd : trở lực trên đường ống hút và ống đẩy Xác định áp suất trước khi nén:
Trong đó: P1 : áp suất khí quyển
(như bơm ly tâm) →
* Đường kính ống hút.
V: Lưu lượng thể tích đầu vào của khí thải
Khí trong ống dẫn P > 1at thì ω = 15 ÷ 25m/s Chọn vận tốc hút ωh = 25m/s.

Chuẩn số Reynol
=> Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau:
Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn →
Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:
→
→
* Hệ số trở lực cục bộ trong ống hút:
Trong đó:
: Hệ số trở lực của ống thẳng, đoạn ống thẳng có đầu lồi ra phía trước có

: hệ số trở lực của van Chọn van 1 chiều.Theo II.16 [I-399] ta có dh =0,17 m =>

nội suy
→trở lực cục bộ của ống hút
Chọn chiều dài ống hút Hh =Lh =5 (m) →
→
→
* Xác định áp suất sau nén: Áp dụng công thức:
Trong đó: P2: áp suất cuối đường ống đẩy
Với:

* Đường kính ống đẩy Theo II.2(I-370) khí trong ống đẩy của máy nén
. Chọn vận tốc đẩy
→
⇒ dd = 19 cm Chuẩn số Re trên đường ống đẩy:
Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát tính theo công thức:

Trong đó:
Độ nhám tuyệt đối, chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn ⇒

Độ nhám tương đối, được xác định theo công thức:
Thay vào công thức: →
→
* Hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy Áp dụng công thức:
Trong đó:
: hệ số trở lực của ống thẳng;
=0,5
: hệ số trở lực của van, chọn van 1 chiều. Theo bảng II.16 ta có dd = 0,19 m, nội suy⇒
=1,86
: hệ số trở lực cục bộ của đường ống cong (I-393);
=A.B.C Góc θ = 900 => A =1 Chọn
=2 => B =0,15
= 0,5 => C =1,45 →
= 1×0,15×1,45 = 0,2175 →Hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy
= 0,5+ 1,86+ 0,2175= 2,5775 Chọn chiều dài ống đẩy Hd =Ld =5 (m) vậy trở lực trong ống đẩy:


Tổn thất áp suất trên đường ống đẩy:
→ Áp suất cuối đường ống đẩy
= 4772,55+6897,8+506500 = 518170,35(N/m2) →Vậy áp suất sau khi nén là:
= 518170,35+ 5,96× 9,81×5 = 518462,7(N/m2) Thay các số liệu vào công thức tính công của máy nén ta có:
2. Công suất máy nén *Công suất lý thuyết
Trong đó: G: Công suất của máy nén, kg/s
L: Công nén 1 kg khí Nlt: Công suất lý thuyết ,kW →
Công suất thực tế của máy nén
(kW) Trong đó: Ndn: công suất đẳng nhiệt, kw Ndn= 2594,5 kW
: hiệu suất đẳng nhiệt thường bằng 0,65÷ 0,75. Chọn
= 0,7 →
Công suất trên trục của máy nén
Trong đó: Nhd: công suất hiệu dụng, kW
: hiệu suất cơ khí của máy nén. Đối với máy nén ly tâm
=0,96÷ 0,98. Chọn
= 0,97 →
Công suất của động cơ điện
Trong đó:
hệ số dự trữ công suất thường lấy bằng 1,1÷1,15.Chọn
=1,15
hiệu suất truyền động ( 0,96÷ 0,99 ) →
= 0,98
hiệu suất động cơ điện
=0,95
Như vậy ta chọn động cơ điện có công suất 5000 kW PHẦN III. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 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.( Bảng XII.24-325) ( 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: 𝜎k = 550.106(N/m2) 𝜎c = 220.106 (N/m2) Độ giãn tương đối: 𝛿 = 38% Độ nhớt va đập : ak = 2.106J/m2 Chiều dày thân tháp hình trụ, làm việc với áp suất bên trong được xác định bằng công thức:
(m) (Bảng XIII.8-II-360) 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 xung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m [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 bên ngoài tháp, N/m2 P= Pmt+ Ptt Trong đó: Pmt : áp suất làm việc, Pmt= 5. 1,013.105 = 506500(N/m2) Ptt : áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng Ptt = ρx.g.H (N/m2) Với: ρx: khối lượng riêng của nước, kg/m3 g: gia tốc trọng trường, g= 9,81 m/s2 H: chiều cao cột chất lỏng, H= 3,5 m => Ptt = ρx.g.H = 997.9,81.3,5 = 34232 ( N/m2) => P = Pmt+ Ptt = 506500+39122,3= 540732 ( N/m2) * 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 Trong đó: C1: hệ số bố 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 tính trong các trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động trong thiết bị. Bài toán đặt ra là hấp thụ SO2 nên có thể bỏ qua C2. C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, Chọn C3= 0,5mm Vậy C = 1 + 0 + 0,5 = 1,5 (mm ) *Tính [𝜎k]: Theo bảng XIII-4 ,ta có thể chọn giá trị nhỏ nhất, tính theo công thức sau:

Theo giới hạn bền khi kéo thì ta có: ή: hệ số hiệu chỉnh, ή =1 бk= 550.106(N/m2) ήk: hệ số an toàn bền, ήk= 2,6 ⇒
( N/m2) Theo giới hạn bền chảy:
Trong đó: ή : hệ số hiệu chỉnh, бc = 220.106 (N/m2) ήc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy, ήc = 1,5 [II-356]
( N/m2) Ta lấy giá trị bé hơn trong hai giá trị vừa tính được: [бk] = 146,7.106( N/m2)
>50 ⇒ Bề dày thân tháp được tính theo công thức
⇒ S= 3,44.10-3(m) Quy chuẩn bề dày thân tháp S =4 mm . Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử:
, N/m2 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 Chọn Pth = 1,5.P = 1,5×540732=811098 (N/m2) Ptt: Áp suất thuỷ tĩnh, Ptt= 34232 (N/m2) => P0 = 818433,45 + 34232 = 845330(N/m2) Vậy
N/m2
<
⇒Thoả mãn điều kiện. Vậy S =4 mm. 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 = 540732 > 0,7.105 N/m2 người ta thường dùng nắp elip có gờ. / Chiều dày của nắp thiết bị Áp suất tính toán P=506500 N/m2 Chiều dày của nắp thiết bị được xác định theo công thức:
Trong đó: P : Áp suất trong của thiết bị. hb : chiều cao phần lồi của đáy và nắp , hb= 0,25.Dt=0,25×1=0,25 m [σk] : ứng suất cho phép của thiết bị , [σk] = 146, 7.106(N/m2) 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 Cn: Đại lượng bổ sung, Cn = 1,5 ( mm ) k : hệ số không thứ nguyên, chọn k = 1 Vì:
⇒ Bề dày nắp được tính theo công thức:
=
Sn = 0,0019 + Cn ( m ) Xét thấy Sn = 0,00344 + Cn < 10 mm ⇒ tăng thêm 2 mm so với giá trị Cn ⇒ Cn = 1,5+2=2,5 mm ⇒ Sn = 4,4 mm. Theo quy chuẩn các loại thép tấm ta lấy Sn=5 mm. Kiểm tra ứng suất của nắp thiết bị theo áp suất thử:
Ta có:
N/m2
⇒ σ=112,38.106 N/m2 ⇒Thỏa mãn. Vậy Sn= 5 mm. Chiều cao gờ 25mm. (Bảng XIII.11) Chiều dày của đáy thiết bị Áp suất tính toán P= 540732 N/m2. Vì:
⇒ Công thức tính bề dày đáy được tính theo công thức:
=
(m). Xét thấy Sd = 0,0021 + Cd < 10 mm → Để đảm bảo độ bền của đáy tăng thêm 2 mm so với giá trị Cd ⇒ Cd = 1,5+1=2,5 mm ⇒ Sd = 4,6 mm Quy chuẩn Sd = 5 mm Kiểm tra ứng suất của đáy thiết bị theo áp suất thử:
Ta có:
N/m2
⇒ σ =121.106 N/m2 ⇒ Thỏa mãn điều kiện. Vậy Sd=5 mm Đường kính của ống dẫn khí và lỏng. Đường kính ống dẫn vào và dẫn khí ra. Áp dụng công thức:
Trong đó: V: lưu lượng thể tích khí đi trong ống, m/s
ω: tốc độ trung bình của hơi đi trong ống, m/s Tại P = 5 atm, ω = 15÷25 m/s. Ta chọn ω = 20m/s d: đường kính ống dẫn, m. ⇒ Thay vào công thức tính đường kính ta có:
Quy chuẩn d= 200 mm. Đường kính ống dẫn lỏng vào và ra Áp dụng công thức :
Trong đó: V: lưu lượng thể tích nước đi trong ống, m3/s
Theo bảng II.2 [I-370] chất lỏng trong ống đẩy của bơm là 𝜔= 1,5-2,5 m/s. Chọn 𝜔 = 2,0 m/s =>
Đường kính ống dẫn lỏng dd = 100 mm . Bích ghép thân, nắp, đáy Bích nối nắp và đáy với thân 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 không gỉ X18H10T. Dùng bích để nối nắp và đáy với thân Ghi chú: D – Đường kính ngoài của bích Db – Đường kính vòng bu-lông DI – Đường kính trong của bích Do – Đường kính quy ước của bích h – Chiều dày của bích db – Đường kính bu-lông   / Hình 8. 2. Bích liền kiểu I Với đường kính của tháp Dt = 1000mm và áp suất tính toán P= 540732 N/m2 , tra bảng XIII.27( Sổ tay 2-423) ta có các thông số của bích như sau: Py (N/m2)  D  Db  DI  D0  h  Bu long         dbulong  Z    mm  Cái   0,54.106   1140   1090  1060  1013   28   M20   28   Bích nối ống dẫn lỏng với thân thiết bị. Ta có đường kính của ống dẫn lỏng là d=110mm. Dựa vào bảng XIII- 32( Sổ tay 2- 434) chọn chiều dài ống dẫn lỏng là 175 mm. Dựa vào bảng XIII- 26( Sổ tay 2- 413) Bích nối ống dẫn với thiết bị: ta dùng kiểu bích tự do bằng thép để nối ống dẫn với thiết bị. Tra bảng XIII-28( sổ tay 2-425) ta có Dy  Dn        D  Db  DI  h  Bu lông         db  Z   mm  cái   100  108  205  170  148  18  M16  4   Bích nối ống hơi với thân thiết bị Ta có đường kính của ống dẫn hơi là d= 200 mm. Dựa vào bảng XIII- 32( Sổ tay 2- 434) chọn chiều dài ống dẫn hơi là 200 mm. Dựa vào bảng XIII- 26( Sổ tay 2- 414) Bích nối ống dẫn với thiết bị: ta dùng kiểu bích tự do bằng thép để nối ống dẫn với thiết bị. Tra bảng XIII-28( sổ tay 2-425) ta có Dy  Dn        D  Db  DI  h  Bu lông         db  Z   mm  cái   200  219  290  255  232  20  M16  8   Kết cấu đỡ tháp Thông thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bề mặt mà phải có tai treo hay chân đỡ để đỡ thiết bị. Với thiết bị này ta chọn chân đỡ để tháp được ổn định khi vận hành. Muốn chọn được chân đỡ 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 Mth = V.ρ = S.H.ρ = (П/4).(Dn2 – D2t). 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, H= 3,5m ρ: khối lượng riêng của thép, ρ = 7,9.103 kg/m3 Mthân =( 𝜋/4).[(Dt+2S)]2 –Dt2].H. ρ → Mthân = (п/4).[ (1+ 2×0,004)2 – 12 ]×3,5×7,9.103 = 444,2(kg) Khối lượng của đáy và nắp tháp: Ta có kết cấu của nắp và đáy tương tự nhau: Khối lượng của đáy, nắp: S= 5mm; Dt=1000 mm Đường kính nắp và đáy : 1000 mm. Chiều cao phần gờ h=25mm. Theo bảng XIII-10(Sổ tay 2- 384) bề mặt trong của nắp và đáy: F= 1,16m2. ⇒Khối lượng nắp và đáy: ⇒Mnắp- đáy =2.F.S. ρ=2.1,16.0,005.7900=91,64 kg. Khối lượng của đệm Đệm là đệm vòng Rasig đổ lộn xộn: đệm bằng sứ kích thước 30x30x3,5 Tra bảng thông số kỹ thuật IX.8 (Sổ tay 2-193). ρđệm = 570 kg/m3 Mđệm = Hđệm .(п/4).D2.ρđệm= 1,5×.(п/4)×12×570= 527,4 (Kg) Khối lượng của chất lỏng:
Trong đó: ρ: khối lượng riêng chất lỏng ở 300C D: đường kính tháp, m H: chiều cao tháp trước khi bị nước choán hết, m Vậy:
Khối lượng bích Áp dụng công thức:
Trong đó:
: khối lượng riêng của thép làm bích,
= 7,9.103(kg/m3) Db: đường kính vòng bulong. DI: đường kính trong của bích. h: chiều dài của bích. Với các bích nối thân với nắp và đáy: Db=1090 mm, DI=1060mm , h=28mm ⇒
Có 4 bích loại một:
Với các bích nối ống dẫn: Ống dẫn lỏng: Db=170 mm, DI=148 mm , h= 18mm.
Có 4 bích dẫn lỏng:
Ống dẫn khí: Db=255 mm, DI=232 mm , h= 20 mm.
Có 4 bích dẫn lỏng:
Khối lượng bích: 𝛴 Mb=11,2+3+5,6=19,8 (kg) ⇒ Khối lượng toàn tháp: M= 444,2+ 91,64 + 2735,6 +19,8= 3291,24 ,Kg. Trong tải toàn tháp: P=M.g=3291,24.9,81= 32287,1 (N). Chọn kết cấu đỡ tháp là 4 chân đỡ, được chế tạo bằng thép CT3. / ⇒ Tải trọng 1 chân đỡ phải chịu: P’=P/4= 32287,1/4=8071,8 N Chọn tải trọng cho phép trên một chân đỡ: 1.104 N. Bảng thông số về chân đỡ: Tải trọng cho phép lên bề mặt đỡ (N/m2)  L (mm)  B (mm)  B1 (mm)  B2 (mm)  H (mm)  h (mm)  s (mm)  l (mm)  d (mm)   320000  210  150  180  245  300  160  14  75  23