Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
PHẦN III: TÍNH TỐN
I. TÍNH TOÁN CƠNG NGHỆ
I.1. Các thông số ban đầu
Lưu lượng khí thải : 1500 m
3
/h.
Nồng độ SO
2
ban đầu: y
đ
= 10%
Nồng độ SO
2
sau khi xử lý: y
c
= 0,5%
Nồng độ ban đầu của SO
2
trong nước x
đ
= 0
Chọn nhiệt độ của nước hấp thu là 30
o
C .
I.2. Tính cân bằng vật chất
Phương trình cân bằng của dung dòch hấp thu SO
2
bằng H

t
P
H
=
760
10*0364.0
6
=47.894
y =
Y
Y
+1
x =
X
X
+1
Thay vào trên ta được :
*
*
1 Y
Y
+
=m *
X
X
+1
Suy ra : Y
*
=
Xm

= 10% = 0,1
Nồng độ đầu của pha khí theo tỷ số mol :
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 16
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Y
đ
=
d
d
y
y
−1
= 0.1111 (KmolSO
2
/Kmolkhítrơ)
Nồng độ thể tích cuối của dòng khí :
y
c
= 0,5% = 0,005 (KmolSO
2
/Kmolkhítrơ)
Nồng độ cuối của pha khí theo tỷ số mol :
Y
c
=
c
c
y

−
=
*
min
G
tr
: suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp .
X
*
: nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với X
đ
.
Từ đồ thò đường cân bằng ta xác đònh được :
X
*
= 0.00021 (KmolSO
2
/KmolH
2
O)
Suy ra :
7035,50
00021,0
005,01,0
min
=
−
−
=
tr

×
=
RT
PV
(Kmol/h)
Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp :
G
tr
= G
hh
(1-y
đ
) = 60,3719(1-0.1) = 54,3347 (Kmol/h)
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 17
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Suất lượng dung môi làm việc :
L
tr
= 60,8442
×
G
tr
= 60,8442
×
54,3347 = 3306 (KmolH
2
O/h)
Phương trình cân bằng vật chất có dạng ;

−
=
Suy ra : X
c
=
tr
tr
cd
G
L
YY −
=
0017,0
8442,60
005,01111,0
=
−
(Kmol SO
2
/Kmol H
2
O)
X
c
: nồng độ cuối của pha lỏng .
G
tr
Y
đ
G

t
c
:nhiệt độ khí ban đầu và cuối ,
C
o
.
T
đ ,
T
c
:nhiệt độ dung dòch đầu và cuối ,
C
o
.
I
đ
, I
c
:entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối , kJ/kg .
Q
0
:nhiệt mất mát , kJ/h .
Phương trình cân bằng nhiệt lượng có dạng :
G
đ
I
đ
+ L
đ
C

0
C .
- Tỷ nhiệt của dung dòch không đổi trong suốt quá trình hấp thu :
C
đ
= C
c
= C
OH
2
.
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 19
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
G
tr
Y
đ
G
tr
Y
c
L
tr
X
đ
L
tr
X

= q
×
L
tr

×
(X
c
– X
đ
)
Với mức độ gần đúng có thể coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thu:
( )
ccccdctrdddd
TCLIGXXLqTCLIG ******** +=−++
Hoặc :
( )
dc
cc
ccdd
d
c
d
c
XX
CL
Lq
CL
IGIG
t

c
tr
dc
XX
CL
Lq
TT −+=
*
*
Do lượng cấu tử hoà tan trong dung dòch nhỏ nên : L
đ
= L
c
= L
tr

( )
dcdc
XX
C
q
TT −+=
Phương trình hấp thu của SO
2
trong dung môi nước .
SO
2
+ H
2
O

-
:
−
∆Η
3
HSO
= -12157.29 (kcal/mol) .
Nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử SO
2
bò hấp thu :
q = (-70.96 - 68.317) – ( 0 – 12157.29) = 12018.013 (kcal/mol) .
Nhiệt độ cuối của dung dòch ra khỏi tháp :

( )
dcdc
XX
C
q
TT −+=
= 30 +
003,30)00017,0(
184200
1018,4013,12018
3
=−
×
××

Như vậy : T
c

c
= V
tr
×
( 1 + Y
c
)
=
75,1356)005,01()1,01(1500)1()1( =+×−×=+×−×
cđđ
YyV
(m
3
/h)
Suy ra : V
ytb
=
375,1428
2
150075,1356
=
+
(m
3
/h)
KLR trung bình của pha khí :
( )
[ ]
T
MyMy

yy
y
+
=
Với y
d1
, y
c1
: nồng độ phần mol của SO
2
vào và ra khỏi tháp .

1,0%10
1
===
đđ
yy
005,0%5,0
1
===
cc
yy
Suy ra :
0525,0
2
005,01,0
2
11
1
=

2738,28)0525,01(640525,0
=
+×
××−+×
( kg/m
3
)
Độ nhớt trung bình pha khí ( của hổn hợp khí ) :

2
22
1
11
**
µµµ
MmMm
M
hh
hh
+=
+ M
hh
, M
1
, M
2
: khối lưượng phân tử của hổn hợp khí , của SO
2
và không khí
, kg/kmol .

= 0.0525
m
2
= 1 – y
tb1
= 1-0.0525=0,9475
+ Ở 30
0
c :
µ
2
= µ
kk
= 0.018210
-3
(kg/m.s) .
µ
1
=
2
SO
µ
= 0.0128
×
10
-3
(kg/m.s) .
Thay vào ta được :

33

d
, G
c
: lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , kg/h .

8,13001111,0642231,368,282331,36
2
=××+×=××+×=
đsotrtrtrđ
YMGGGG
(kg/h)

9,105400502,0642231,368,282231,36
2
=××+×=××+×=
cSOtrtrtrc
YMGMGG
(kg/h)
Suy ra :
8,1177
2
9,10548,1300
=
+
=
ytb
G
(kg/h) =0,3272(kg/s) .
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 23
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO

OHtrđ
MLV
ϕ
(m
3
/h)

9086,59)0017,01(807,59)1( =+=+=
cđc
XVV
(m
3
/h)
Suy ra:
8578,59
2
9086,59807,59
=
+
=
xtb
V
(m
3
/h)
Với :
tr
ρ
= 995 (kg/m
3

O trong pha lỏng .
1tb
V
: thể tích trung bình của SO
2
, H
2
O trong pha lỏng.
Do lượng SO
2
hoà tan trong dung dòch nhỏ nên V
tb1
≈ 0 .
⇒
995
2
2
=≈≈
OHtbxtb
ρρρ
(kg/m
3
) .
- Độ nhớt trung bình của pha lỏng :
Do lượng cấu tử SO
2
hoà tan trong dung dòch nhỏ nên có thể xem :

3
108007.0

63,16
3600
640017,03306
3600
183306
2
=
××
+
×
=××+×=
SOctrtrtrxc
MXLMLG
(kg/s)
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 24
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Suy ra : G
xtb
=
58,16
2
63,1653,16
2
=
+
=
+
xcxđ

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

3
) .

ρ
ytb
= 1.2327 (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
(kg/m.s) .
A : hệ số , A = 0.022 .
Chọn đệm vòng Raschig bằng sứ , kích thước đệm 50×50×5 mm . Các thông

2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Thay số vào ta được :
lg
8
1
4
1
16,0
3
3
3
2'
995
2327,1
4907,0
58,16
75,1022,0
10.005,1
10.8007,0
99579,081,9
2327,195









’

= 0,8160 (m/s) .
Chọn tốc độ làm việc: ω
tb
=0,9

ω
s
’= 0,7344 (m/s) .
Đường kính tháp được xác đònh theo công thức :

85,0
36007349,014,3
375,14284
4
=
××
×
=
×
×
=
tb
ytb
V
D
ωπ
(m)
Chọn D = 0,9 (m)

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

là tốc độ khối lượng của khí và lỏng tương ứng một đơn vò tiết diện
ngang của tháp , kg/m
2
.s .
Tiết diện ngang của tháp :
6359,0
4
9,014,3
4
22
=
×
=
×
=
D
F
t
π
(m
2
)
7717,0
6359,0
4907,0
===
t
ytb
y
F

ρ
ytb
= 1.2327 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.4.1. Hệ số khuếch tán trong pha lỏng

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

=
OH
µ
(Cp) .
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 27
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
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.4.2. Hệ số khuếch tán trong pha khí
2
1
2
3

BA
y
MM
VVP
T
D
[4,(2-36),25] .
Trong đó : T = 273 +30 = 303
0
K
P = 1 at , p 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) .

10148.1
8.28
1
64
1
9.298.44*1
303*10*3.4
−
−
×=






+








+
=
y
D
(m

L
µσ

19,399
1028,1956359,0
7717,04,0
4,0
Re
5
=
×××
×
=
××
×
=
−
yt
x
y
F
G
µσ

245,411
109568,1995
108007,0
Pr
9
3

y
y
D
ρ
µ
II.4.4. Tính hệ số thấm ướt ψ
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 28
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
-U
tt
=
t
x
F
V
là mật độ tưới thực tế , (m
3
/m
2
.h)
Trong đó : V
x
= V
xtb
= 59,8578 (m
3
/h) .
F

2
h) .
B = 0.158 (m
3
/m.h) [2,bảng IV.6,177]

d
σ
= 95 m
2
/m
3
Suy ra : U
th
= 0.158
×
95 = 15.01 (m
3
/m
2
h) .
Vậy :
2712,6
01,15
1308,94
==
th
tt
U
U

(m) .

97,0245,41156,21
995
108007,0
256PrRe256
5,025,0
3
2
3
5,025,0
3
2
=××








×
=××







tr
tr
G
L
G
L
l
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 29
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Suy ra :
04,197,0
8442,60
894,47
28,0 =×+=
y
h
(m)
II.5. Xác đònh số đơn vò truyền khối m
Y

Do cấu tử SO
2
hoà tan trong dung dòch không dáng kể nên dung dòch hấp thu
khá loãng , phương trình cân bằng có dạng như sau: Y
*
=0,208X
Y
*

ln
3
3
=
×
×−
=
∆
∆
∆−∆
=∆
−
−
c
đ
cđ
tb
Y
Y
YY
Y
418,3
0335,0
005,01111,0
≈=
−
=
∆
−
=

d
dt
y
td
k
V
H
d
H
P
ρω
σ
λ
ω
ρλ
×
×
×
×=×××=∆
Trong đó : H = 4,16 m , là chiều cao lớp đệm .
λ
’
là hệ số trở lực của đệm , bao gồm cả trở lực do ma sát và trở
lực cục bộ , phụ thuộc chuẩn số Re
y
:

yd
ytdy
y

λ
Với : ρ
y
= 1.159 kg/m
3
V
d
= 0.79 m
3
/m
3
µ
y
= 1.81×10
-5
kg/m.s
d
td
=
95
79.04
4
×
=
×
d
d
V
σ
= 0.033 (m) , là đường kính tương đương của

2
159,17344,0
79,0
952,5
4
51,3
2
3
=
×
×
×
×=∆
k
P
(N/m
2
) .
-Tổn thất áp suất của lớp đệm ướt :












y
m
y
x
kv
G
G
APP
µ
µ
ρ
ρ
1
Trong đó : G
x
, G
y
: là lưu lượng của dòng lỏng và dòng khí , kg/s .
G
x
= G
xtb
= 16,58 kg/s
G
y
= G
ytb
= 0,4908 kg/s
ρ
x






×








×








y
x
x
y
y
x
G











−
−
> 0.5
Theo [2,bảng(IX.7),189] ta có : A = 10 , n = 0.525 , m=0.945 , c = 0.105
Thay số vào ta được :

=














2327,1
4908,0
58,16
10196,274
u
P

= 3817 (N/m
2
) .
Chọn
u
P∆
= 3850 (N/m
2
)=0,0385
×
10
5
(N/m
2
)
=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 32
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
III. TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
III.1. Tính chiều dày thân tháp :
Thiết bò làm việc ở môi trường ăn mòn , nhiệt độ làm việc 30

lv
= ∆P
ư
= 0,0385
×
10
5
(N/m
2
) .
h : chiều cao cột chất lỏng .
h =
6,2
2
2,5
2
==
đ
H
(m)
Suy ra :
024,01,299581,9100385,0
5
=××+×=
tt
P
N/mm
2
Chọn hệ số bền mối hàn ϕ
h

S
ϕσ
mm
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 33
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
- Hệ số bổ sung bề dày C , mm :
C = C
a
+ C
0
+ C
b
+ C
c
Trong đó :
C
a
: là hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường .
Thời hạn sử dụng là 20 năm , tốc độ ăn mòn là 0.1mm/ năm .
Vậy : C
a
= 0.1×20 = 2 (mm) .
C
b
: là hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường .
Đối với TB hoá chất : C
b
= 0 (mm) .

: thỏa điều kiện ([2],370)
- p suất tính toán cho phép ở bên trong thiết bò :
[P] =
)(
)(**][*2
at
ah
CSD
CS
−+
−
ϕσ
[9,(5-11),131]
[P] =
3079,0
)23(900
)23(95,01462
=
−+
−×××
(N/mm
2
) > 0.024 (N/mm
2
)
Nên [P]>P
tt
thỏa điều kiện .
Vậy chiều dày thân được chọn là S = 3 (mm) .
III.2. Tính chiều dày đáy, nắp

)(**][*2
at
ah
CSR
CS
−+
−
ϕσ
[9,(6-5),p.166]
Đáy nắp elíp tiêu chuẩn R
t
= D
t
= 900 (mm) .
[P] =
3957,0
)23(900
)23(95,01462
=
−+
−×××
(N/mm
2
) > 0.024 (N/mm
2
) , thỏa điều kiện
III.3. Tính ống dẫn lỏng , ống dẫn khí :
III.3.1. Tính ống dẫn khí vào tháp
Đường kính ống dẫn khí :
d =

2707,13
2,0
4167,044
22
=
×
×
=
×
×
ππ
d
Q
(m/s)
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 35
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
III.3.2. Tính ống dẫn khí ra khỏi tháp
Chọn đường kính ống dẫn khí ra khỏi tháp bằng đường kính ống dẫn khí vào
tháp . d = 200(mm) .
III.3.3. Tính ống dẫn lỏng vào tháp
Đường kính ống dẫn lỏng :
d =
V
Q
×
×
π
4

×
=
×
×
d
Q
π
(m/s) .
III.3.4. Tính ống dẫn lỏng ra khỏi tháp
Chọn đường kính ống dẫn lỏng ra khỏi tháp bằng đường kính ống dẫn lỏng
vào tháp . d = 150(mm).
III.4. Tính bích ghép thân tháp
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 36
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Dt
D
2
D
4
Dtb
D
1
Db
D
Chọn bích liền không cổ bằng thép để nối thân tháp.[2, bảng XIII.27, p.42
Đường kính trong thiết bò : D
t
= 900 mm .

a
+ Q
k

Trong đó :
Q
a
: lực do áp suất trong thiết bò gây nên
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 37
Đồ án thiết kế hệ thống hấp thụ SO
2
từ khơng khí GVHD: ThS. Nguyễn Quốc Hải
Q
a
=
4
π
×
D
t
2
×
p ( N )
Q
k
: lực cần thiết để giữ được kín trong đệm
Q
k
=
π

Trong đó :
+ p : áp suất môi trường trong thiết bò , N/mm
2
p = 0.024 N/mm
2
+ D
t
: đường kính tromg thiết bò , mm
D
t
= 900 mm .
+ D
tb
: đường kính thiết bò của đệm ,mm .
D
tb
= D
1
– 2
×
2
b
Với b_bề rộng thực của đệm , b =
10
2
927947
2
42
=
−

Thay vào ta được :
Q
1
=
024,0900
4
2
××
π
+
π
×
940
×
5
×
2
×
0.024 = 15968,784=1.6
×
10
5
(N)
b . Lực cần thiết để ép chặt đệm ban đầu
Nhóm SVTH lớp DH10H2 Trang 38