ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
MỤC LỤC
---oOo---
LỜI NÓI ĐẦU
Chương I . MỞ ĐẦU
Phần A . TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO
2
I.1. Tính chất hóa lý của SO
2
I.2. Tác hại của SO
2
I.3. Các nguồn tạo ra SO
2
I.4. Các phương pháp xử lý SO
2
Phần B . QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
I.5. Chọn qui trình công nghệ xử lý khí SO
2
I.6. Thuyết minh qui trình công nghệ
Chương II . TÍNH TỐN CÔNG NGHỆ
II.1. Các thông số ban đầu
II.2. Tính cân bằng vật chất
II.3. Cân bằng năng lượng
II.4. Tính kích thước tháp hấp thu
II.5. Tính trở lực lớp đệm
Chương III . TÍNH TỐN CƠ KHÍ
III.1. Tính chiều dày thân tháp
III.2. Tính chiều dày đáy , nắp tháp
III.3. Tính ống dẫn lỏng , ống dẫn khí
III.4. Tính bích ghép thân tháp
III.5. Tính bích nối đường ống dẫn lỏng và ống dẫn khí


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 SO
2
bằng phương pháp
hấp thu với dung môi là nước . Nhằm tìm hiểu xem quá trình xử lý có đạt hiệu quả và
kinh tế không , để có thể đưa vào hệ thống xử lý khí thải trong các nghành sản xuất
công nghiệp và sinh hoạt .
Nội dung khảo sát : thiết kế tháp đệm xử lý SO
2
với năng suất 2000m
3
/h , nồng
độ SO
2
trong dòng khí đầu vào là 1% thể tích , nồng độ SO
2
trong dòng khí đầu ra đạt
tiêu chuẩn loại A (1500mg/m
3
) thải vào môi trường .
Em xin chân thành biết ơn cô Cao Thị Nhung , các thầy cô bộ môn Máy & Thiết
bị đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hồn thành đồ án môn
học này .
CHƯƠNG I
MỞ ĐẦU
PHẦN A . TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO
2
.
I.1. Tính chất hóa lý SO

có thể tham gia phản ứng theo nhiều kiểu khác
nhau:
- Cộng không thay đổi số ôxy hóa :
SO
2
+ H
2
O = H
2
SO
3
-Thực hiện phản ứng khử :
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
SO
2
+ 2CO
C
o
500
2CO
2
+ S
↓
-Thực hiện phản ứng oxy hóa :
SO
2
+
2

O trong môi trường ẩm và biến thành acid hoặc muối
sunfat . Chúng sẽ nhanh chóng tách khỏi khí quyển và rơi xuống gây ô nhiểm môi
trường đất và môi trường nước .
I.2. Tác hại của khí SO
2
:
-SO
2
trong khí thải công nghiệp là một thành phần gây ô nhiểm không khí. Nồng
độ cho phép khí SO
2
có trong môi trường xung quanh chúng ta là rất nhỏ(<300mg/m
3
).
Nó ảnh hưởng rất nhiều đến sức khỏe, các hoạt động của con người, cũng như động vật,
thực vật và bầu khí quyển .
-Đối với con người và động vật : khi hít phải khí SO
2
có thể gây ra các bệnh về
đường hô hấp như: viêm phế quản, viêm phổi, giản phổi , suy tim , hen xuyển . . . . Nếu
hít phải SO
2
với nồng độ cao có thể gây tử vong .
-Đối với vật liệu và công trình xây dựng :
+ Khí SO
2
có khả năng biến thành acid sunfuric , là chất phản ứng mạnh .
Do đó chúng làm hư hỏng , làm thay đổi tính năng vật lý hay thay đổi màu sắc các vật
liệu xây dựng như đá vôi , đá hoa , đá cẩm thạch . . . cũng như phá hoại các sản phẩm
điêu khắc , các tượng đài .

của trái đất , hủy diệt rừng và mùa màng , gây nguy hại đối với sinh vật nước , đối với
động vật và cả con người . Ngồi ra , còn phá hủy các nhà cửa, công trình kiến trúc bằng
kim loại bị ăn mòn . . . Nếu H
2
SO
4
có trong nước mưa với nồng độ cao sẽ làm bỏng da
người hay làm mục nát áo quần .
I.3. Các nguồn tạo ra SO
2
:
- Khí SO
2
tạo ra là do sự đốt cháy các hợp chất chứa lưu huỳnh hay nguyên tử
lưu huỳnh .
Ví dụ : các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh trong than , dầu mỏ, quặng Pirit
(FS
2
) , hơi đốt chứa nhiều khí H
2
S , các quặng sunfua . . .
- Khí SO
2
là loại chất gây ô nhiểm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp và
sinh hoạt . Nguồn thải SO
2
chủ yếu từ :
+ Các nhà máy nhiệt điện .
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
3

-
Do độ hòa tan của SO
2
trong nước thấp nên phải cần lưu lượng nước lớn và thiết
bị hấp thụ có thể tích lớn.
+ Hấp thụ bằng huyền phù CaCO
3
Ưu điểm của phương pháp này là quy trình công nghệ đơn giản chi phí
hoạt động thấp, chất hấp thụ dể tìm và rẽ, có khả năng xữ lý mà không cần làm nguội và
xử lý sơ bộ.
Nhược điểm: thiết bị đóng cặn do tạo thành CaSO
4
và CaSO
3
.
+ Phương pháp Magie (Mg):
SO
2
được hấp thụ bởi oxit – hydroxit magie, tạo thành tinh thể ngậm nước
Sunfit magie .
Ưu điểm : làm sạch khí nóng , không cần lọc sơ bộ, thu được sản phẩm
tận dụng là H
2
SO
4
; MgO dể kiếm và rẻ , hiệu quả xử lý cao .
Nhược điểm :vận hành khó, chi phí cao tốn nhiều MgO.
+ Phương pháp kẽm : trong phương pháp này chất hấp thụ là kẽm
SO
2

3
32%, Na
2
CO
3
33%, K
2
CO
3
35%.
+ Hấp thụ bằng các Amin thơm :
Để hấp thụ SO
2
trong khí thải của luyện kim màu (nồng độ SO
2
khoảng 1-
2% thể tích) .
Người ta sử dụng dung dịch:
C
6
H
3
(CH
3
)
2
NH
2
(tỉ lệ C
6

3
)
2
NH
2
)
2
SO
2
tan trong nước .
I.4.2. Phương pháp hấp phụ :
SO
2
được giữ lại trên bề mặt chất rắn , thu được dòng khí sạch khi đi qua bề mặt
rắn .
Chất hấp phụ công nghiệp cơ bản là than hoạt tính , silicagen , zeonit và ionit
(chất trao đổi ion) .
Nhược điểm : cần thiết phải tái sinh chất hấp phụ để thu hồi cấu tử bị hấp phụ và
phục hồi khả năng hấp phụ của chất hấp phụ . Chi phí tái sinh chiếm khoảng 40 – 70%
tổng chi phí của quá trình làm sạch khí .
I.4.3. Xử lý SO
2
bằng phương pháp nhiệt và xúc tác :
Bản chất của quá trình xúc tác để làm sạch khí là thực hiện các tương tác hóa học
, nhằm chuyển hóa tạp chất độc thành sản phẩm khác với sự có mặt của chất xúc tác đặt
biệt .
PHẦN B. QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
I.5. Chọn qui trình công nghệ :
Chọn nguồn xử lý khí là từ ống khói của nhà máy sản xuất acid H
2

3
/h .
Nồng độ SO
2
ban đầu là 1% thể tích .
Nồng độ SO
2
sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn loại A :1500 mg/m
3
.
Chọn nhiệt độ của nước hấp thu là 30
o
C .
II.2. Tính cân bằng vật chất :
Phương trình cân bằng của dung dịch hấp thu SO
2
bằng H
2
O được biểu diễn theo
định luật Henri :
P = H*x hoặc y
*

t
P
H
=
=m*x .
Trong đó :
y

x =
X
X
+
1
Thay vào trên ta được :
*
*
1 Y
Y
+
=m *
X
X
+
1
Suy ra : Y
*
=
Xm
mX
)1(1
−+
=
X
X
)894.471(1
*894.47
−+


Y
c
=
K
Kmolatlit
at
mlitm
molg
g
o
o
)30273(
)./.(082.0
1
*)/(10*)(1
)/(64
1
*)(5.1
333
+
Y
c
=0.000582 (KmolSO
2
/Kmolkhítrơ)
Hấp thu SO
2
bằng nước , chọn dung môi sạch khi vào tháp nên : X
đ
= 0 .

*
= 0.00021 (KmolSO
2
/KmolH
2
O)
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
7
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
Suy ra :
000021.0
000582.00101.0
min
−
−
=
tr
G
L
= 45.324
Chọn L
tr
= 1.2*L
min
Với L
tr
: lượng dung môi không đổi khi vận hành , kmol/h .
Suy ra :
trtr
tr

L
tr
= 54.3888*G
tr
= 54.3888*79.691 = 4334.298 (KmolH
2
O/h)
Phương trình cân bằng vật chất có dạng ;
G
tr
*Y
đ
+ L
tr
*X
đ
= G
tr
*Y
c
+ L
tr
*X
c
Suy ra :
dc
cd
tr
tr
XX

ñ
G
tr
Y
c
L
tr
X
ñ
L
tr
X
c
X
c
: nồng độ cuối của pha lỏng .
ΙΙ.3. Cân Bằng Năng Lượng :
Ký hiệu :
G
đ
, G
c
– lượng hổn hợp khí đầu và cuối.
L
đ ,
L
c
- lượng dd đầu và cuối.
t
c ,

+ L
đ
C
đ
T
đ
+ Q
s
= G
c
I
c
+ L
c
C
c
T
c
+ Q
0
Với Q
s
– nhiệt lượng phát sinh do hấp thụ khí , kj/h .
Để đơn giản hố vấn đề tính tốn , ta có thể giả thiết như sau :
- Nhiệt độ mất mát ra môi trường xung quanh không đáng kể ,
Q
0
= 0 .
- Nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào
tháp : t

c
G
tr
t
ñ
I
ñ
G
c
t
c
I
c
L
ñ
C
ñ
T
ñ
L
c
C
c
T
c
Trong quá trình hấp thu có thể phát sinh nhiệt , do đó nếu ký hiệu q là nhiệt phát
sinh của 1 mol cấu tử bị hấp thu , thì ta có :
Q
s
= q * L

−
+=
*
*
*
**
*
Vì lượng cấu tử hồ tan trong dung dịch nhỏ nên có thể lấy :
1
≈
c
d
L
L
Đồng thời ta cũng có thể bỏ qua mức độ biến đổi nhiệt của pha khí , tức là :
0..
≈−
ccdd
IGIG
Như vậy , công thức tính nhiệt độ cuối T
c
của dung dịch sẽ có dạng như sau :

( )
dc
c
tr
dc
XX
CL

H
+
+ HSO
3
-
Theo sổ tay hóa lý , nhiệt sinh của :
SO
2
:
2
SO
∆Η
= -70.96 (kcal/mol) .
H
2
O :
OH
2
∆Η
= - 68.317 (kcal/mol) .
H
+
:
+
∆Η
H
= 0 (kcal/mol) .
HSO
3
-

T
đ
= 30
o
C .
Ta xem quá trình hấp thu là đẳng nhiệt .
II.4. Tính kích thước tháp hấp thu :
II.4.1. Các thông số vật lý của dòng khí :
- Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp hấp thu :
2
cd
ytb
VV
V
+
=
V
d
, V
c
– lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , m
3
/h .
V
c
= V
tr
* ( 1 + Y
c
)

−+
=
ρ
Trong đó :
+ M
1
, M
2
: Khối lượng mol của SO
2
và không khí .
+ T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hấp thu .
T = 30
0
C
+ y
tb1
: nồng độ phần mol của SO
2
lấy theo giá trị trung bình.

2
11
1
cd
tb
yy
y
+
=

00529.0
2
00058.001.0
1
=
+
=
tb
y
+ M
1
= M
SO
2
= 64 (g/mol)
SVTH : Nguyễn Duy Nghĩa
10
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG
M
2
= M
kkhí
= 28.8 (g/mol)
Suy ra :
ytb
ρ
=
( )
[ ]
( )

kg/kmol .
M
1
=
2
SO
M
= 64 (kg/kmol)
M
2
=

M
kk
= 28.8 (kg/kmol) .
( ) ( )
986.288.28*00529.0164*00529.0*1*
2111
=−+=−+=
MyMyM
tbtbhh

(kg/kmol) .
+ m
1
, m
2
: nồng độ của SO
2
, không khí tính theo phần hể tích.


33
100182.0
99471.08.28
100128.0
00529.00.64986.28
−−
×
×
+
×
×
=
hh
µ
Suy ra :
5
1081.1
−
×=
hh
µ
(kg/m.s) .
-Lưu lượng khối lượng pha khí trung bình :

2
cd
ytb
GG
G

II.4.2. Các thông số vật lý của dòng lỏng :
- V
xtb
: lưu lượng dòng lỏng trung bình .
Do lượng cấu tử hồ tan trong dung dịch nhỏ , xem quá trình hấp thu không làm
thay đổi đáng kể thể tích nên :

tr
trtrtrxtb
MLVV
ρ
1
**
=≈
Với :
tr
ρ
là khối lượng riêng của nước ở 30
0
C .

tr
ρ
= 995 (kg/m
3
) .
M
tr
: khối lượng phân tử của H
2

,
2tb
ρ
: khối lượng riêng trung bình của SO
2
, H
2
O trong pha lỏng .
1tb
V
, V
tb2
: thể tích trung bình của SO
2
, H
2
O trong pha lỏng.
Do lượng SO
2
hồ tan trong dung dịch nhỏ nên : V
tb1
≈ 0 .
⇒
995
2
2
=≈≈
OHtbxtb
ρρρ
(kg/m


67.21
3600
1
*18*298.4334*
===
trtrxd
MLG
(kg/s) .

( )
3600
64*000175.0*298.433418*298.4334
***
2
+
=+=
SOctrtrtrxc
MXLMLG

= 21.68 (kg/s) .
Suy ra : G
xtb
=
675.21
2
67.2168.21
2
=
+


−=
















xtb
ytb
y
x
n
x
xtbd
ytbds
G
G
A
Vg

ρ
xtb
= 995 (kg/m
3
) .

ρ
ytb
= 1.166 (kg/m
3
) .
+ µ
x
: độ nhớt trung bình pha lỏng theo nhiệt độ trung bình .
µ
x
= µ
xtb
= 0.8007×10
-3
(kg/m.s) .
+ µ
n
: độ nhớt của nước ở 20
0
C .
µ
n
= 1.005*10
-3

ρ
d
= 600 kg/m
3
Thay số vào ta được :
lg
8
1
4
1
16.0
3
3
3
2
995
166.1
*
645.0
675.21
*75.1022.0
10*005.1
10*8007.0
*
995*79.0*81.9
166.1*95*'





Suy ra : ω
s
’

= 0.57 (m/s) .
Chọn tốc độ làm việc :
513.09.0
'
=×=
stb
ωω
(m/s) .
Đường kính tháp được xác định theo công thức :

17.1
513.03600
6.19904
3600
4
=
××
×
=
××
×
=
πωπ
tb
tb
V


3
2
25.0
PrRe
yy
t
G
a
V
h ××
××
=
σψ

5.025.0
3
2
PrRe256
xx
x
x
L
h
××






= µ
xtb
= 0.8007×10
-3
(kg/m.s) .
Các công thức chuẩn số Re
y
, Pr
y
cho pha khí và Re
x
, Pr
x
cho pha lỏng được tính
như sau :

y
y
y
G
µσ
×
×
=
4.0
Re

x
x
x

, L
x
là tốc độ khối lượng của khí và lỏng tương ứng một đơn vị tiết diện
ngang của tháp , kg/m
2
.s .
Tiết diện ngang của tháp :
1304.1
4
2.1
4
22
=
×
=
×
=
ππ
D
F
t
(m
2
) .
5706.0
1304.1
645.0
===
t
ytb

ρ
y
=
ρ
ytb
= 1.166 kg/m
3
là khối lượng riêng pha khí .
+ D
x
, D
y
: là hệ số khuếch tán trong pha khí và trong pha lỏng , m
2
/s .
II.4.4.1. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng :

( )
6.0
'
5.0
12
*
**10*4.7
A
B
x
V
TM
D

=
8007.0
2
=
OH
µ
(Cp) .
Suy ra :
( )
9
6.0
3.0
12
10*9568.1
8.44*8007.0
303*18*6.210*4.7
−
−
==
x
D
(m
2
/s)
II.4.4.2. Hệ số khuếch tán trong pha khí
2
1
2
3
1

y
MM
VVP
T
D
[4,(2-36),25] .
Trong đó : T = 273 +30 = 303
0
K
P = 1 at , Aùp suất khuếch tán .
M
A
, M
B
: là khối lượng mol khí SO
2
và không khí .
M
A
=
2
SO
M
= 64 (kg/kmol) .
M
B
= M
kk
= 28.8 (kg/kmol) .
V

8.28
1
64
1
9.298.44*1
303*10*3.4
−
−
×=






+








+
=
y
D
(m
2

10*81.1*95*1304.1
645.04.0
4.0
Re
5
=
×
=
××
×
=
−
yt
y
y
F
G
µσ

24.411
10*9568.1*995
10*8007.0
Pr
9
3
==
×
=
−
−