TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
______________________O
O
O_____________________

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 SO
2

GVHD: TS. Vũ Đức Thảo
SVTH: Mai Thị Hiền
Lớp: Kỹ thuật môi trường K52
SHSV: 20071073

- Nồng độ SO
2
: y
đ
= 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) Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
PHẦN NỘI DUNG


SO
2
làm thiệt hại mùa màng, làm nhiễm độc cây trồng. Mưa axit có nguồn
gốc từ khí SO
2
làm thay đổi pH của đất, nước, hủy hoại các công trình kiến trúc,
ăn mòn kim loại. Ngoài ra ô nhiễm SO
2
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 SO
2
vào môi trường là vấn đề rất được quan tâm
2. Phương pháp xử lý SO
2

Khí SO
2
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 MgSO
4
hoặc dung dịch kiềm
Trong phạm vi đồ án này, với nhiệm vụ được giao là hấp thụ khí SO
2
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

= 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 SO
2
Sơ đồ của hệ thống
nồng độ khí SO
2
giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ của
tháp hấp thụ
- Nước sau khi hấp thụ SO
2
đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài theo đường
ống thoát chất lỏng. Nước sau khi hấp thụ nếu nồng độ SO
2
cao sẽ được
xử lý và tái sử dụng.
Gọi:
G
y
: lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp( kmol/h)
G
x
: lưu lượng nước vào tháp( kmol/h)
G
trơ
: lưu lượng khí trơ( kmol/h)
Y
đ
: nồng độ phần mol tương đối của SO
2
trong khí đi vào tháp ( kmol SO
2
/kmol
kk)
Y


 
= 0,0288 (kmol
SO
2
/kmol kk)
Biết hiệu suất hấp thụ là: = 84%
Do đó: Y
c
= Y
đ
( 1-η) =0,0288.( 1-0,84)= 4,608.10
-3
(kmol SO2/kmol kk)
→ y
c
=
3
3
4,608 10
1 1 4,608 10
c
c
Y
Y




  

= n =
1 25000
0,082 298
PV
RT



= 1023,08( kmol/h)
→ G
trơ
=
1023,08
1 1 0,0288
y
d
G
Y

 
= 994,44( kmol/h)
 Thiết lập phương trình đường cân bằng:
Theo định luật Henry ta có: y
cb
= mx
→ Y
cb
=
1 (1 )
mX

G
trơ
. Y + G
x
. X
đ
= G
trơ
. Y
c
+ G
x
. X
→ G
trơ
( Y- Y
c
) = G
x
( X- X
đ
)
Do Xđ = 0 nên pt trở thành: G
trơ
.( Y- Y
c
) = G
x
. X
→ Y=


→ X
cb
=
(1 )
Y
m m Y
 

Y
đ
= 0.0288(kmol SO
2
/kmol kk)
→ X
cbc
=
0,0288
40,79 39,79 0,0288
 
=6,868.10
-4
(kmol SO2/kmol nước)
G
x
, X
d

Y
c

x
= 1,2.35028,38 = 42034,056 kmol/h →
x
tro
G
G
=
42034,056
994,44
=42,269
→ Y = 42,269X+ 4,608.10
-3

→ khi Y
d
= 0.0288 thì X
c
=
3
4,608 10
42,269
d
Y

 
=
3
0,0288 4,608 10
42,269


2

 
=2,86.10
-4
( kmol/kmol)
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
y = 41.697x
R

2
2
2
2
1
1




Trong đó:

xtb

: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m
3
.

:
2
SO
a
Phần khối lượng của SO
2
trong pha lỏng

OHSO
22
,


2
SO

(40
0
C) = 1327(kg/m
3
)
Dùng phương pháp nội suy =>
2
SO

(25
0
C) = 1369 (kg/m
3
)
- Tính
:
2
SO
a

Áp dụng công thức
2
2
2 2
.
. (1 )
SO

x
tb
= 2,86.10
-4
(kmol SO
2
/kmol H
2
O)
→
2
SO
a
=
4
4 4
64 2,86.10
64 2,86.10 (1 2,86.10 ) 18

 

   
= 1,016.10
-3
- Tính khối lượng phân tử của hỗn hợp lỏng M
x

x
M
= x

M
+ (1 - y
tb
).
KK
M

Trong đó:
 M
y
: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí, (kg/kmol)

2
SO
M
,
KK
M
: Khối lượng phân tử của SO
2
và không khí, (kg/kmol)
 y
tb
: Phần mol trung bình của SO
2
trong hỗn hợp
(kmol SO
2
/kmol hỗn hợp khí)
→ M

2 2
2 2
1
1
SO SO
xtb SO H O
a a
  

 

→
2 2
2 2
3 3
1 1
997,36
1
1,016.10 1 1,016.10
1369 997,08
xtb
SO SO
SO H O
a a

 
 
  



c
Y
)
(II.183)
V
đ
=
y ytb
ytb
G M


=
1023,08 29,5705
25023,15
1,209


m
3
/h
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
với: M
ytb
: Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg /
kmol)

ytb


)=24434,73 m
3
/h
→ V
ytb
= 24728,94 m
3
/h

3. Độ nhớt
,
x y
 
:
Đối với pha lỏng:
Áp dung công thức:
2 2
lg lg (1 ) lg
x tb SO tb H O
x x
  
    
I-84
Trong đó:
OHSO
22
,


: độ nhớt của SO

SO

(25
0
C) =0,2915.10
-3
Ns/m
2
Tra bảng I-102 sổ tay I:
2
H O

(25
0
C)= 0,8937.10
-3
Ns/m
2
x
tb
: Nồng độ phần mol trung bình của SO
2
trong pha lỏng, (kmol SO
2
/kmol H
2
O)

Đối với pha khí:
Áp dụng công thức:
KK
KKtb
SO
SOtb
y
y
My
MyM

).1(
.
2
2



Trong đó
2
, ,
y SO kk
  
: độ nhớt trung bình của pha khí, của SO
2
và của không khí
ở điều kiện làm việc 25
0
C, Ns/m
2

, Ns/m
2

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
2
2
5 2
3 3
29,5705
1,77.10 ( / )
. 0,0163 64 (1 0,0163) 29
(1 ).
0,0125.10 0,018.10
y
y
tb SO
tb KK
SO KK
M
Ns m
y M
y M

 

 
   
  


4
8
ytb
x
y xtb
G
X
G


 
 

 
 
 
 
 

s

: tốc độ đảo pha, m/s
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3

d

y
là lượng lỏng và lượng hơi trung bình( kg/s)
G
x
=
2
* *
2 2 2
SO bihapthu
xd xc tro d
xd xd
G
G G G Y
G G


   
= 42034,056+
994, 44 0,0288 0,84
2
 

→G
x
= 42046,08 kmol/h
→G
x
=42046,08 ×18=756829,44 kg/h→ G
x
=

8,305
3600

kg/s

→
1
1
1 1
4
8
4 8
210,2304 1,209
0,969
8,305 997,36
ytb
x
y xtb
G
X
G


 
 
   
  
 
 
   



     
  
   

 
   
 
 
m/s

Thông thường:
(0,8 0,9)
tb s
 
 

Chọn
tb

=0,85
s

→
tb

=0,85×0,666=0,5661 m/s
5. Tính đường kính tháp
Đường kính tháp:

0,0154
195
d
td
d
V
d



  

→
3
3,
0,0154 1
3, 1
9
95 0
50
td
d
D

   

→ thỏa mãn điều kiện
Kiểm tra theo mật độ tưới U =
f
L


→ U=
42034,056 18
63,5
997,08 11,95



> 1,5 là giá trị mật độ tưới tối thiểu
Mật độ tưới tới hạn U
th
= 
đ
.b (m
3
/m
2
h) (II.177)
Trong đó:
b: hằng số (chọn b = 0,158)
 U
th
= 195×0,158 = 30,81 m
3
/m
2
h
Vậy
63,5
30,81

y
x
m G
h
G
(m)
Trong đó: h
1
: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha khí
h
2
: 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 h
1
và h
2
:
0.25 2/3
1
Re Pr
d
y y
d
V
h
a
 
  

5
0,4 1,209 0,666
Re 93,3
1,77.10 195
y

 
 


Pr
y
: chuẩn số Pran:
Pr
y
y
y y
D


 D
y
=
kkSO
23/1
kk
3/1


kk
v
: thể tích mol của không khí,
kk
v
=29,9 cm
3
/mol
→ D
y
=
4 1,5
5
1/3 1/3 2
0,0043.10 298 1 1
1,0826.10
1,0326 (44,8 29,9 ) 64 29



 
 
m
2
/s
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Vậy
5


Trong đó : G
x
=42046,08×18=756829,44 kg/h→ G
x
=
756829,44
210,2304
3600

kg/s
Re
x
là chuẩn số Renoyd đối với pha lỏng:
0,04
Re
x
x
t d x
G
F
 


 
=
4
0,04 210,2304
11,95 195 8,935.10


Trong đó: D
20
: hệ số khuếch tán của SO
2
vào nước ở 20
0
C
D
20
=
2 2
2 2 2
6
1/3 1/3 2
10 1 1
( )
SO H O
H O SO H O
M M
AB v v




(m
2
/s)

A: hệ số, đối với chất khí tan trong nước A=1
B: hệ số, dung môi là nước B=4,7


: độ nhớt của nước ở 20
0
C,
2
H O

=1,005*10
-3
Ns/m
2
=1,005 cP(bảng I.102-94)
→ D
20
=
6
9
1/3 1/3 2
10 1 1
1,466.10
64 18
1 4,7 1,005(44,8 18,9 )


 
  
(m
2
/s)


= 1,466.10
-9
[1+0,02(25-20)]= 1,6126.10
-9
m
2
/s
→
9
4
Pr 555,5
997,36 1,6126.10
8,935.10
x


 


→
2/3 0,5
2
4
0,25
256 ( ) 4,03886 555,5 0
8,935.10
997
, 95
,36
7

cbc
= 6.868*10
-4
(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


Y 1/(Y-Ycb) S m
y

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
0.00E+00

 H
đệm-đệm
= 0,5 m do tách lớp đệm làm đôi
 H
đệm-đáy
= 1 m
Vậy chiều cao tháp H
tháp
= 8,6+1+0,5+1=11,1 m
II.3. Trở lực
Áp dụng công thức

ku
PPP 

Trong đó:

k
P
:Tổn thất đệm khô

u
P
: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:

P
u
: 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/m
2
)


P
K
: tổn thất của đệm khô (N/m
2
)
 G
x
, G
y
: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h)

yx


,
: khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m
3
)

yx



V
H
d
H
P






[II-189]
Re
y
= 93,3 => ở chế độ xoáy và đệm là đệm vòng đổ lộn xộn
=>
'
0,2
16,0
Re
y


=
0,2
16
93,3
=6,46
Tính trở lực đệm khô:
2

5
210,2304 1,209 8,935.10
1243,66 1 5,1. . . 7424,9
8,305 997,36 1,77.10
u
P


 
 
   
    
 
   
   
 
 
 
N/m
2

=>
2
1243,66 7424,9 8668,56( / )
k u
P P P N m
       

II.4. Mô phỏng
Bảng mô phỏng ở 1 số điều kiện: đính kèm

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
Áp suất mặt thoáng P
1
= 9,81.10
4
N/m
2

Áp suất làm việc P= 3 atm=3×1,013.10
5
=303900 N/m
2

Mặt cắt 1-1 và 1’-1’:
)1(
.2 2.
22
11
mhh
vv
hH
gg
P
gg
P






Mặt cắt 1-1 và 2-2
)2(
.2 2.
2
22
2
mdd
rr
hH
gg
P
gg

: tổn thất áp suất do trở lực gây ra trong ống hút và ống đẩy
h
mh
+ h
md
=
g
P
.



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
ω
1
: vận tốc nước ở bể chứa, ω
1
=0
ω
2
: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đẩy
ω
1
’: vận tốc nước khi vào bơm
ω
2
’: vận tốc nước khi ra khỏi bơm


Trong đó:
cmdh
PPPP 

d
P
: áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống
2

2
’
1
’
1
’
1

1

h
H
P
2
’
Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
2
.
2



h
c
P 

cmdh
PPPP 
=
2
.
.
2
.

2
.
222





hh
h
h
d
L




Trong đó: V là lưu lượng thể tích chất lỏng đi trong ống, m
3
/s
2
2
d
3
.
14000 18
0,07( / )
.3600 3600 997,08
x H O
H O
G M
V m s


  


Theo bảng II.2(I-370) chất lỏng trong ống hút của bơm có ω
h
=0,8-2,0 (m/s).
Chọn ω
h
= 1,5 (m/s) →
0,07
0,2438( )
0,785 1,5



 
   

Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau

0,9
1 6,81
2.lg
Re 3,7

 

 
  
 
 
 
 
 
(I-380)
Trong đó:
ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn
→
3
10.07,0




 
 

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
c

1

Với

.
0

c

Chọn
0
0,9
T
F
F

→

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=25
0
C 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:

2 2
997,08 3,5
1,5 1 3,13 0,0165* 4898,17( / )
2 0,244
h
P N m
 
      
 
 

→ h
mh
=
g
P
h
.


=

0,07
2( / )
0,21 0,785
d
m s

 


Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống đẩy
2
2
4
. .
2 0,21 997,08
Re 468584,1 4000
8,937.10
d d H O
H O
d
 


 
   

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.


d
d




    

→
0,9
4
1 6,81 3,33 10
2.lg
468584,1 3,7


 

 
  
 
 
 
 
 

0,0167




0,2175 3,13 3,3475
cong thang
  
    

Chọn chiều dài ống đẩy là H
d
=12m.
→ Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là:

2 2
997,08 12
2 1 3,3475 0,0167 10572,61( / )
2 0,21
d
P N m
 
       
 
 

→ h
md
=
.
d
P
g



2
313472,61 93201,83 1,5
3,5 12 1,58 39,8( )
997,08 9,81 2 9,81
H m

     
 

Công suất của bơm:
Công suất yêu cầu trên trục bơm:
Áp dụng công thức:


.10

3
HgQ
N 
(kW) I-439
θ

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software
For evaluation only.
Trong đó:ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m
3

N: hiệu suất của bơm, kW
Q: năng suất của bơm(m
3

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
Đối với bơm ly tâm:
96,092,0
85,08,0
96,085,0
0




ck
tl




Chọn:
0

Công suất động cơ điện N
dc
(kW)
dctr
dc
N
N

.


Với:
85,0
tr

: hiệu suất truyền động

0,95
dc


: hiệu suất động cơ điện
35,5
44( )
. 0,85 0,95
dc
tr dc
N
N kW
 

II. Công của máy nén ly tâm
Áp dụng công thức

1
2
1
1
. . . 1 ( / )
1
m
m
db
Pm
L R T J kg
m P

 
 
 
 
 
 

 
 
 
(I-465)
Trong đó: P
A
, P

P
gg
P

.2 2.
22
11





Do ống nằm ngang nên Z
A
=0.
Chọn vận tốc khí trong bể chứa tĩnh:
1

=0
→
mh
AA
h
gg
P
g
P

.2
2

B
hZ
g
P
g
P


2


Với:
 P
1
= P
a
: áp suất khí quyển, P
1
= 9,81.10
4
(N/m
2
)
a
P

1
A

A