TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
______________________OOO_____________________
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
Hà Nội, tháng 12/2010
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
Họ và tên Sinh viên: Mai Thị Hiền
Lớp: Kỹ thuật môi trường
Khóa: 52
I. Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO
2
II. Các số liệu ban đầu:
- Hỗn hợp khí cần tách: SO
2
trong không khí
- Dung môi: nước
- Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m
3
/h
- Nồng độ SO
2
: y
đ

dụng vào thực tiễn để có thể xử lý các chất thải gây ô nhiễm
Sau 15 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các
thầy cô trong Viện, nhưng do hạn chế về tài liệu và 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!
Hà Nội, ngày 3 tháng 12 năm 2010
Sinh viên thực hiện

Mai Thị Hiền
PHẦN NỘI DUNG
I.Giới thiệu chung
1. Sơ lược về khí SO
2
Trong số những chất gây ô nhiễm không khí thì SO
2
là một chất gây ô nhiễm
khá điển hình. Sulfuro là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nguyên,
nhiên liệu có chứa S. Các nhà máy điện thường là nguồn phát sinh ra nhiều SO
2
trong khí thải, ngoài ra còn phải kể đến các quá trình tinh chế dầu mỏ, luyện
kim, tinh luyện quặng đồng, sản xuất ximang và giao thông vận tải cũng là
những nơi phát sinh nhiều khí SO
2
Khí SO
2
là chất khí không màu, có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển
là 1 ppm. Khí SO
2
là khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất ngang tầm

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
Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất vì đặc điểm dễ
thiết kế, gia công, chế tạo và vận hành đơn giản. Tháp đệm được sử dụng trong
các quá trình hấp thụ, chưng luyện, hấp phụ và một số quá trình khác. Tháp có
dạng hình trụ, trong có chứa đệm, tùy vào mục đích thiết kế mà đệm có thể được
xếp hay đổ lộn xộn. Thông thường lớp đệm dưới thường được sắp xếp, khoảng
từ lớp 3 trở đi, đệm được đổ lộn xộn
Tháp đệm có những ưu điểm sau:
- Cấu tạo đơn giản
- Bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao
- Trở lực trong tháp không quá lớn
- Giới hạn làm việc tương đối rộng
Tuy nhiên, tháp có nhược điểm là khó thấm ướt đều đệm làm giảm khả năng hấp
thụ...
II.Thiết kế đồ án môn học
1. Đầu đề thiết kế:
Thiết kế hệ thống hấp thụ khí thải áp dụng trong công nghiệp
2. Các số liệu ban đầu
- Hỗn hợp khí cần tách: SO
2
trong không khí
- Dung môi: nước
- Lưu lượng khí vào tháp: 25000 m

theo chiều cao tháp hấp thụ
- Hỗn hợp khí sau khi đi qua lớp đệm xảy ra quá trình hấp thụ sẽ đi lên đỉnh
tháp và ra ngoài theo đường ống thoát khí. Khí sau khi ra khỏi tháp có
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

d
y
y
=
− −
= 0,0288 (kmol
SO
2
/kmol kk)
Biết hiệu suất hấp thụ là: η= 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

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
tro
G
G
.X+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
min = 994,44.
3
4
0,0288 4,608 10
6,868 10
−
−
− ×
×
= 35028,38 kmol/h
Lượng dung môi cần thiết để hấp thụ : G
x
= β. G
x
min
Thông thường β = 1,2÷1,5. Chọn β = 1,2

3
4,608 10
42,269
d
Y
−
− ×
=
3
0,0288 4,608 10
42,269
−
− ×
= 5,723.10
-4

(kmol SO
2
/kmol H
2
O) → x
c
=
1
c
c
X
X+
= 5,72.10
-4

0,0006868 0,0288
Vẽ đồ thị đường cân bằng và đường làm việc
II.1 Tính đường kính tháp:
1. Tính khối lượng riêng:
 Đối với pha lỏng:
Áp dụng công thức:
OH
SO
SO
SO
xtb
aa
2
2
2
2
1
1
ρρρ
−
+=
Trong đó:
•
xtb
ρ
: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m
3
.
•
:

0
C có:
2
SO
ρ
(20
0
C) = 1383 (kg/m
3
)

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

2
trong pha lỏng, (kmol
SO
2
/kmol H
2
O)
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

y
= y
tb
.
2
SO
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

xtb
ρ
:
2 2
2 2
1
1
SO SO
xtb SO H O
a a
ρ ρ ρ
−
= +
→
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
ρ
ρ ρ
− −
= = =

tr
* (1 +
c
Y
)
(II.183)
V
đ
=
y ytb
ytb
G M
ρ
×
=
1023,08 29,5705
25023,15
1,209
×
=
m
3
/h
với: M
ytb
: Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg /
kmol)
ytb
ρ
: Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg / m

3
/h
→ V
ytb
= 24728,94 m
3
/h
3. Độ nhớt
,
x y
µ µ
:
Đối với pha lỏng:
Áp dung công thức:
2 2
lg lg (1 ) lg
x tb SO tb H O
x x
µ µ µ
= × + − ×
I-84
Trong đó:
OHSO
22
,
µµ
: độ nhớt của SO
2
và H
2

-3
Ns/m
2

Tra bảng I-102 sổ tay I:
2
H O
µ
(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)
x
tb
= 2.86*10
-4
(kmol SO
2
/kmol H

My
My
M
µµµ
).1(
.
2
2
−
+=
Trong đó
2
, ,
y SO kk
µ µ µ
: 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

2
, ,
y SO kk
M M M
: khối lượng phân tử của pha khí, của SO
2
và của không

0,0125.10 0,018.10
y
y
tb SO
tb KK
SO KK
M
Ns m
y M
y M
µ
µ µ
−
− −
⇒ = = =
× − ×
−
+
+
4. Tính vận tốc đảo pha:
Áp dụng công thức:
Y =1,2.e
-4X
( II-187 )
Với
0,16
2
3
. .
. .

 ÷
 
 
s
ω
: tốc độ đảo pha, m/s
V
đ
: thể tích tự do của đệm, m
3
/m
3
d
σ
: bề mặt riêng của đệm, m
2
/m
3
Tháp hấp thụ SO
2
mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasig đổ lộn xộn: đệm
bằng sứ kích thước 25×25×3.0
V
đ
= 0,75 m
3
/m
3
d
σ

→G
x
= 42046,08 kmol/h
→G
x
=42046,08 ×18=756829,44 kg/h→ G
x
=
756829,44
210,2304
3600
=
kg/s
G
y
=
2
1023.08 1023,08 994,44 0,0288 0,84
2 2 2
yd yd SO bihapthu
yd yc
G G G
G G
+ −
+
+ − × ×
= =
→ G
y
= 1011,05 kmol/h

   
= = =
 ÷
 ÷
 ÷  ÷
 ÷
   
 
 
Từ phương trình của Y ta có:
4 3
4*0,969 3
0,16 0,16
4
3
1,2.
1,2. 9,81 0,75 997,36
0,666
8,935.10
195*1,209
1,005.10
X
d xtb
s
x
d ytb
n
e g V
e
ρ

tb
ω
=0,85×0,666=0,5661 m/s
5. Tính đường kính tháp
Đường kính tháp:
Công thức: D=
4
3600
ytb
tb
V
π ω
×
× ×
=
4 24728,94
3,93
3600 0,5661
π
×
=
× ×
m→ Quy tròn D=3,9 m
Kiểm tra:
+
1
50
td
d
D

f
L
f
V
l
l
ρ
=
(m
2
/m
2
h)
Với V
1
là lưu lượng thể tích chất lỏng, m
3
/h
f: tiết diện tháp, m
2
f=
2 2
3,9
11,95
4 4
D
π π
×
= =
m

th
U
U
=
=2,06>1
→Đệm thấm ướt rất tốt
II.2 Tính toán chiều cao tháp:
Chiều cao tháp được xác định theo phương pháp số đơn vị chuyển khối:
H = h
dv
.m
y
(m)
Trong đó: H: chiều cao tháp, m
h
dv
: chiều cao một đơn vị chuyển khối, m
m
y
: số đơn vị chuyển khối
Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối:
h
dv
= h
1
+
2
'.
y
x

Trong đó: a : hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a=0,123

ψ
: hệ số thấm ướt của đệm, do
1
th
U
U
>
nên
ψ
=1
Re
y
: chuẩn số Renoyd đối với pha khí

0,4
Re
y s
y
y d
ρ ω
µ σ
× ×
=
×
→
5
0,4 1,209 0,666
Re 93,3

)vv(P
T10.0043,0
22
+
+
−
(m
2
/s)
Trong đó: T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối T=298K
P: áp suất làm việc P=1atm

2
SO
v
: thể tích mol của SO
2
,
2
SO
v
=44,8 cm
3
/mol

kk
v
: thể tích mol của không khí,
kk
v

=
×
=1,3523
→
0,25 2/3
1
93,3 *1,3523
0,123 1 195
0,75
h = ×
× ×
= 0,119 m
2/3 0.25 0.5
2
256 ( ) Re Pr
x
x x
x
h
µ
ρ
= × × ×
Trong đó : G
x
=42046,08×18=756829,44 kg/h→ G
x
=
756829,44
210,2304
3600

x x
D
µ
ρ
=
×
D
x
: hệ số khuếch tán của SO
2
vào nước ở nhiệt độ 25
0
C
D
t
= D
20
[1+b(t-20)] (m
2
/s)
Trong đó: D
20
: hệ số khuếch tán của SO
2
vào nước ở 20
0
C
D
20
=

=44,8 cm
3
/mol
2
H O
v
: thể tích mol của H
2
O ở 20
0
C,
2
H O
v
=18,9 cm
3
/mol
2
H O
µ
: độ nhớt của nước ở 20
0
C,
2
H O
µ
=1,005*10
-3
Ns/m
2

ρ
: khối lượng riêng của nước ở 20
0
C,
2
H O
ρ
= 998,23 kg/m3 bảng I.5-11
→b =
3
0,2 1,005
0,02
998,23
;

→D
x
= 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

h
dv
= 0,119 +
41,697 8,305
0,795
210,2304
×
×
=1,428 m
Xác định số đơn vị chuyển khối:
Dựa vào giá trị X
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

dY
Y Y−
∫
(II.175)
Vẽ hình thang cong quan hệ giữa Y và f(Y)=
1
cb
Y Y−
Y 1/(Y-Ycb) S m
y
4,608.10
-3
217 0,904514595 6,02472674