Thiết kế một thiết bị chuyển khối trong công nghệ hoá học

hữu cơ, các hoạt động của núi lửa hoặc từ các xí nghiệp hóa chất, nhà máy luyện kim, nhà máy vật liệu xây dựng… Khí SO2 là loại khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất ngang tầm sinh hoạt của con người. Khí SO2 không màu có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1 ppm, dễ hoà tan trong nước…Trong các chất ô nhiễm không khí thường gặp thì SO2 là chất gây tác hại đã từng xảy ra ở nhiều nơi nhất trên thế giới Khí SO2 gây tổn thương lớp mô trên cùng của bộ máy hô hấp, gây bệnh khí thũng và suy tim. Đối với thực vật, khí SO2 thâm nhập vào các mô của cây và kết hợp với nước tạo thành axit sunfurơ H2SO3 gây tổn thương màng tế bào và làm suy giảm khả năng quang hợp. Ngoài ra khí SO2 còn là tác nhân gây han gỉ mạnh đối với kim loại, gây tác hại mạnh đối với giấy và gia thuộc, làm cho độ bền , độ dai của chúng bị giảm sút…Chính vì vậy mà trước khi thải ra môi trường dòng khí thải cần phải được xử lý để làm giảm nồng độ khí thải tới giới hạn cho phép để không gây hại cho người động vật và thực vật. Một trong những phướng pháp để xử lý là phương pháp hấp thụ. Hấp thụ là quá trình dùng một chất lỏng để hút một hoặc nhiều cấu tử trong khí. Trong đồ án môn học nàythiết bị hấp thụ được chọn là loại tháp đệm để tách riêng hỗn hợp khí SO2- không khí, sử dụng dung môi là H2O với số liệu như sau: Lưu lượng khí thải vào tháp (m3/h): 10000 (ở 1atm, 30oC ) Nồng độ khí thải vào tháp (% thể tích): 3.5 Nồng độ cuối của dung môi (% trọng lượng ): 0.28 Hiệu suất hấp thụ (%): 78 Tháp làm việc ở điều kiện áp suất 5atm và nhiệt độ 300C. Tháp đệm được sử dụng rộng rãi trong kỹ nghệ hoá học.Trong tháp đệm, chất lỏng chảy từ trên xuống theo bề mặt đệm và khí đi từ dưới lên phân tán đều trong chất lỏng.Giới hạn làm việc của tháp đệm tương đối rộng nhưng khó làm ướt đều đệm.Tuỳ theo vận tốc khí mà tháp có thể làm việc ở các chế độ khác nhau. Nguyên tắc làm việc của tháp hấp thụ Chất lỏng từ bể chứa 1 nhờ bơm 2 bơm thẳng lên tháp 4. Trong tháp chất lỏng được tưới từ trên xuống đều trên bề mặt đệm nhờ thiết bị phân phối chất lỏng 3. Dòng khí cần xử lý được hút vào máy nén 5,tại đây áp suất của dòng khí được nâng lên tới áp suất làm việc. Sau đó dòng khí được đẩy vào tháp. dòng khí đi từ dưới lên tiếp xúc với chất lỏng chảy từ trên xuống trên bề mặt đệm. Khí sau khi xử lý đi ra khỏi tháp qua cửa 6, chất lỏng sau hấp thụ ra khỏi tháp theo cửa 7 xuống bể chứa hoặc mương dẫn 8. Sơ đồ như hình vẽ 1 Phần II: Tính toán thiết kế hệ thống tháp hấp thụ I. Cân bằng vật liệu của quá trình hấp thụ: Nồng độ của SO2 trong khí thải là 3,5% thể tích. yđ = 0,035 (Kmol SO2/ Kmol hỗn hợp) Yđ = = = 0,03627 (Kmol SO2/ Kmol khí trơ) Hiệu suất: h = Suy ra Yc = Yd (1-h) = 0,03727(1-0,78) = 0,007979 (Kmol SO2/ Kmol khí trơ) Suy ra yc = = 0,007916 (Kmol SO2/ Kmol hỗn hợp) Điều kiện làm việc: to = 300C, p = 5atm áp dụng phương trình khí lý tưởng để tính dòng khí thải ở điều kiện làm việc P1V1=P2V2 trong đó: P1, V1 là áp suất và thể tích khí thải ở điều kiện đầu vào P2, V2 là áp suất và thể tích khí thải ở điều kiện làm việc Suy ra V2 = = = 2000 (m3/h) Ta có: PV=Gy RT trong đó: Gy: số Kmol khí R: hằng số khí lý tưởng có giá trị R= 8314(KJ/ Kmol 0K) T: nhiệt độ làm việc Suy ra Gy = = 42,121 (Kmol/ h) *Phương trình cân bằng: Y= [II-140] m= trong đó: P: áp suất làm việc (atm) He: hằng số Henry tra ở nhiệt độ làm việc tra bảng ta có: He = 3640mmHg M = = 9,5789 Phương trình đường cân bằng: Y = Suy ra Xcb = Thay Yđ = 0,03627 tacó Xcbc= = = 0,003667 (Kmol SO2/ Kmol dung môi) Cho X một số giá trị nằm trong khoảng [ Xđ ; Xc ] ta có bảng giá trị cho đường cân bằng: X 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 Ycb 0 0.000959 0.001919 0.002881 0.003845 0.00481 0.005777 X 0.0007 0.0008 0.0009 0.001 0.002 0.003 0.003056 Ycb 0.00675 0.007716 0.008688 0.009662 0.01959 0.0295 0.030061 *Tính lượng dung môi tối thiểu: GXmin = Gtrơ [II-141] Gtrơ = GY [II-141] = 402,121= 388,046 (Kmol/h) GXmin = 388,0466= 2993,7896 (Kmol/h) *Lượng dung môi thích hợp: GX = bGXmin, thường chọn b= 1,2 suy ra GX= 1,2 x 2993,7896 = 3592,5475 (Kmol/h) = 64665,855 (Kg/h) Cân bằng vật liệu cho toàn tháp: Gtrơ(Yđ -Yc) = GX(Xc-Xđ) Xc = = = 0,003056 (Kmol SO2/ Kmol dung môi) suy ra xc = = 0,003047 (Kmol/ Kmol hỗn hợp) Cân bằng vật liệu cho phần thể tích thiết bị giới hạn bởi một tiết diện bất kỳ của tháp với phần trên của tháp: Gtrơ (Y-Yc) = Gx(X- Xđ) Suy ra phương trình đường làm việc: Y = = = 9,258X + 0,007979 Cho X một vài giá trị trong khoảng [Xđ ; Xc] ta có bảng giá trị sau: X 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 Ylv 0.007979 0.00891 0.00983 0.01076 0.01168 0.01261 0.01353 X 0.0007 0.0008 0.0009 0.001 0.002 0.003 0.003056 Ylv 0.01446 0.01539 0.01631 0.01724 0.0265 0.03575 0.03627 II. Xác định đường kính tháp: D = [II-181] trong đó: Vtb: lượng khí trung bình đi trong tháp (m3/h) wtb: tốc độ khí trung bình đi trong tháp (m/s) 1.Tính Vtb: Vtb = Vđ = 2000 (m3/h) Vc = Vtrơ(1+Yc) [II-183] Vtrơ = = = 1929,999 (m3/ h) Vc = 1929,999(1+ 0,007979) = 1945,3985 (m3/h) Vtb = = 1972,6993 (m3/h) 2. Tính wtb: Y= 1,2e-4X [II-187] Y= X = trong đó: Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình (kg/s) rxtb, rytb: khối lượng riêng trung bình pha lỏng và pha lỏng (kg/m3) mx, my: độ nhớt của pha lỏng theo t0 trung bình và độ nhớt của nước ở 200C (Ns/m2) g: gia tốc trọng trường Vđ: Thể tích tự do của đệm (m3/ m3) sđ: tiết diện tự do đệm (m2/m3) * Tính : GX đầu = 64665,855 (Kg/h) GXcuối = GX đầu + G hấp thụ Ghấp thụ = Gtrơ(Yđ - Yc) = 388,0466(0,03627-0,007979) =10,9782(Kmol SO2/h) = 702,6065 (Kg SO2/h) GX cuối = 64665,855 + 702,6065 = 5368,4615 (Kg/h) GX cuối = = 65017,1583 (Kg/h) *Tính Mhỗn hợp đầu = MSO2 x Yđ + Mkk(1- Yđ) = 64 x 0,035 + 29(1 - 0,035) = 30,225 (Kg/Kmol hỗn hợp) GYđầu = 402,121 x Mhhđầu = 402,121 x 30,225 = 12154,1072 (kg/h) GXcuối = GYđầu - GYhấpthụ = 12154,1072 – 702,605 = 11451,5007 (kg/h) = 11802,804 (kg/h) * Tính rYth : ytb = = = 0,02146 (Kmol/Kmol hỗn hợp) rkhí = rSO2 = = 12,8713(kg/m3) rkk = = 5,8323 (kg/m3) = rSO2 x ytb + rkk (1-ytb) = 12,8713 x 0,02146 + 5,8323(1- 0,02146) = 5,9834 (kg/m3) * Tính rXtb trong đó: atb: phần khối lượng trung bình của hỗn hợp atb = ađ = = 0 (do xd = 0) ac = = =0,01075 (kg/kg hỗn hợp) suy ra atb = = 0,005375 (Kg/ Kg hỗn hợp) tra bảng ta có: r(H2O, 300C) = 995,8 (kg/m3) Nhiệt độ 200C 400C Khối lượng riêng của SO2 1383 1327 nội suy r(SO2 lỏng, 300C) = 1355 (kg/m3) suy ra rXtb = 997,1012 (kg/m3) *Tính mX: lg= [I-84] tra m(SO2, 300C) = 0,279.10-3 (Ns/m2) m(H2O , 200C) = 1,005.10-3 (Ns/m2) m(H2O, 300C) = 0,8007.10-3 (Ns/m2) xtb = = = 0,001524 (Kmol/ Kmol hỗn hợp) thay số vào ta có: lg= 0,001524lg0,279.10-3 + (1-0,001524)lg0,8007.10-3 suy ra mX = 0,7994.10-3 (Ns/m2) * Tính my: [ I-85] m(không khí, 300C) = 183.10-7(Ns/m2) m(SO2, 00C) = 116.10-7(Ns/m2; C= 306 áp dụng công thức: [I-86] trong đó: m0: độ nhớt động lực của không khí ở O0C C: hằng số suy ra m(SO2, 300C) = 116.10-7= 129.10-7 (Ns/m2) ytb = 0,02146 (Kmol/ Kmol hỗn hợp) Mhh = ytb.MSO2 + (1- ytb)Mkk = 0,02146 x64 + (1+0,2146)29 = 29,7511 (Kg/ Kmol hỗn hợp) Ta có: suy ra Mhh = 179,531.10-7 (Ns/m2) X= = 0,8082 suy ra Y = 0,04734 chọn một số đệm ta có bảng mô tả sau (chọn wlv = 0,9 ws) Loại đệm Vđ wsặc wlv D Dquy chuẩn wtính lại 5x5x1,0 1000 0,62 0,138 0,12 2,41 2,4 0,12 8x8x1,5 550 0,65 0,2 0,18 1,969 2 0,17 15x15x2 310 0,71 0,3 0,27 1,607 1,6 0,27 25x25x3,0 195 0,75 0,42 0,38 1,355 1,3 0,41 35x35x4,0 135 0,78 0,53 0,49 1,193 1,2 0,48 Chọn đệm vòng đổ lộn xộn kích thước 15x15x2, suy ra D= 1,6 (m) w= 0,27 (m/s) III. Tính chiều cao làm việc của tháp: Sử dụng công thức: H = my . hy [II-177] trong đó: my: số dơn vị chuyển khối pha khí hy: chiều cao một dơn vị chuyển khối pha khí. hy = h1 + [II- 177] trong đó: h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng. h1 = (m) [II-177] h2 = (m) Rex = Rey = Prx = Pry = trong đó: mx,my: độ nhớt của pha lỏng và pha khí (Ns/m2) Px, Py: hệ số khuyếch tán pha lỏng, khí (m2/s) Y: hệ số thấm ướt của đệm a: hệ số phụ thuộc hình dạng của đệm đệm vòng: a=0,123 Nếu Utt > 5 m3/m2h thì hệ số thấm uớt của đệm: Y = 1 [III- 90] *Tính hệ số khuyếch tán pha khí: DY = (m2/s) [II- 127] trong đó: T: nhiệt độ tuyệt đối ở diều kiện làm việc (0K) vSO2, vkk: thể tích mol của khí SO2 và không khí (cm3/mol) P: áp suất làm việc (at) tra bảng ta có: vSO2 = 44,8 (cm3/mol) vkk = 29,9 (cm3/mol) chuyển P = 5 atm sang P(at) P = = 4,839 (at) suy ra PY = = 0,2369.10-5 (m2/s) *Tính hệ số khuyếch tán pha lỏng: D20 = [II_133] trong đó: A,B: hệ số liên hợp đối với khí hoà tan trong nước: A=1, B= 4,7 vSO2, vH2O: thể tích mol SO2 và nước vH2O = 18,9 (cm3/mol) mH2O: độ nhớt của nước ở 200C (CP) D20 = = 0,1466.10-8 (m2/s) DX = D20[1+ b(t-20)] [II-134] b= = = 0,02006 DX = 0,1466.10-8 [1+ 0,02006(30-20)]= 0,176.10-8 (m2/s) Thay số vào ta có: Rex=145,061; Rey=1309,24 Prx=455,525; Pry=1,2666 h1 = 0,1311; h2 = 1,6362;hy = 3,0282 *Tính my: cho x các gía trị trong khoảng [xđ, xc], ta có bảng giá trị sau: Y 0,007979 0,008705 0,009831 0,01076 0,01168 0,01261 0,01353 1/(Y-Ycb) 125,329 125,8481 126,3978 126,979 127,5926 128,2394 128,9204 Y 0,01446 0,01539 0,01631 0,01724 0,0265 0,03627 1/(Y-Ycb) 129,6368 130,3896 131,1801 132,0095 142,8009 161,03 Từ đồ thị h.3 suy ra my = 3,9365 H = myhy = 3,9365x3,0282 = 11,9 (m) Quy chuẩn: H = 12 (m) Chọn loại đệm vòng đổ lộn xộn có kích thước 15x15x2 thì: Dtháp= 1,6 (m) H=12 (m) IV.Tính trở lực của tháp: DP = DPư + DPk Do Rey = 485,288 > 400 nên sử dụng công thức: DP = [II- 189] Thay số vào ta có: DPk = = 2275,1285 (N/m2) DPư = DPk [II- 190] . Xác định A1: tra đồ thị hình IX.26 [II-190] ta có A1 = 6,25 Thay số và ta có: DPư = 2275,125 = 12923,75 (N/m2) suy ra DP = 12923,75 + 2275,1285 = 15198,88 (n/m2) Phần III. Tính toán thiết kế hệ thống bơm dung môi lên tháp I. Tính toán áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thuỷ lợi của hệ thống kể cả ống dẫn: Tháp làm việc ở áp suất 5atm nên ta sử dụng bơm để bơm dung môi trực tiếp lên tháp. Chọn loại bơm bơm ly tâm. * Ưu điểm của bơm ly tâm -Loại bơm này tạo được năng suất cao, cung cấp chất lỏng đều đặn, liên tục. -Bơm có cấu tạo gọn, vận hành dễ dàng. -Có thể điều chỉnh được năng suất của bơm bằng cách thay đổi tiết lưu ống đẩy hoặc thay đổi số vòng quay của bơm. *Nhược điểm -áp suất tạo ra thấp -Hiện tượng xâm thực dễ xảy ra làm mòn thân bơm Khi khởi động bơm ly tâm không có khả năng hút chất lỏng từ bể chứa lên bơm nên cần phải mồi bơm trước khi mở máy. Để khắc phục nhược điểm điểm này ta bố trí bơm trên cùng mặt bằng với bể chứa chất lỏng. Bố trí hệ thống bơm như sau: Ta có: DP = DPđ + DPm + DPc + DPH [I- 376] * Tính áp suất động lực học: DPđ = [I- 376] chọn whút = wđảy = 2 (m/s), dựa vào bảng II.2 [I-369] dống = = 0,107 (m) Quy chuẩn: d = 11 (cm) whút = wđảy = 1,9 (m/s) suy ra DPđ = = 1797,2 (N/m2) * Tính DPm: DPm = (N/m2) [I-377] trong đó: L: chiều dài ống dẫn (m) dtđ : đường kính tương đương của ống (m) l: hệ số ma sát chuẩn số Re của lưu thể: Re = [I-377] trong đó: dtd: điều kiện tương đương của ống dẫn (m) r: khối lượng riêng của nước (kg/m3) m: độ nhớt của nước ở 300C. m = 0,8007.10-3 (Ns/m2) Re = = 259894 >>104 suy ra, dòng chảy trong ống ở chế dộ chảy xoáy. Ta có thể sử dụng công thức sau để tính l (chung cho mọi chế độ dòng chảy) [I-380] (2) D = trong đó: e: độ nhám tuyệt đối (m) dtd: điều kiện tươbng đương của ống dẫn (m) D: độ nhám tương đối. Nếu chọn đường ống bằng ống nguyên và ống hàn trong điều kiện ăn mòn ít, tra bảng I-381 sổ tay hoá công tập I có: e = 0,2.10-3 D= = 1,82.10-3 (m) Thay số vào (2) ta có: suy ra l= 0,0237 Chọn L= 14 (m) DPm = 0,0237= 5421,016 (N/m2) *Tính DPc: DPc = trong đó: x: hệ số trở lực cục bộ w: vận tốc nước tối đa trong ống (m/s) Tính hệ số trở lực cục bộ: Chọn: đường ống đẩy có 3 khuỷu, 1 van tiêu chuẩn và có 1 cửa ra. đường ống hút có 1 van có lưới chắn rác và 1 cửa ra. x = 3x1 + x2 + 2x3 + x4 trong đó: x1: hệ số trở lực của trục khuỷu. x2: hệ số trở lực của van tiêu chuẩn. x3: hệ số trở lực của cửa ra, cửa vào. x4: hệ số trở lực của van có lưới chắn rác. Chọn: + khuỷu 900 do 2 khuỷu 450 tạo thành chọn a/b = 1 suy ra x1 = 0,38 + van tiêu chuẩn: x2 = 4,16 + cửa vào, cửa ra sắc cạnh đầu ống không cắm sâu vào thành bể x3 = 0,5 + van hút có lưới chắn rác: x4 = 6,77 suy ra x= 3x0,38 + 4,16 + 2x0,5 + 6,77 = 13,07. suy ra: DPc = = 23489,4 (N/m2) *Tính DPH: DPH = rxgxH trong đó: H: chiều cao để nâng chất lỏng (m) g: gia tốc trọng trường(m/s2) Đặt bơm ở cùng mặt đất với bể chứa nước, như vậy nước sẽ tự động đi vào guồng bơm. Vậy H=0 suy ra DPH = 0. Tổng trở lực của hệ thống ống dẫn: DP= DPđ + DPm + DPH = 1797,2 + 5421,010 + 23489,4 + 0 = 30707,616 Tổn thất áp suất để khắc phục trở lực trong hệ thống ống: hm = = = 3,144 (m) Tính toán bơm: Chọn bơm ly tâm ( Ưu điểm,nhược điểm của bơm đã nói ở phần trên) áp suất toàn phần do bơm tạo ra: H= + Hh + Hđẩy hm trong đó: P1, P2: áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian hút và đẩy (N/m2) Hh: chiều cao hình học để hút chất lỏng (m) Hđẩy: chiều cao hình học để nâng chất lỏng (m) g: gia tốc trọng trường (m/s2) r: khối lượng riêng chất lỏng cần bơm (Kg/m3) ở đây: P1 = 1,013.105 (n/m2) P2 = 5x1,013.105 = 1,065.105 (N/m2) Hhút = 0 Hđẩy = 13 (m) suy ra H = = 57,761 (m) Công suất yêu cầu của bơm là: N= (kw) [I-439] trong đó: Q: năng suất của bơm (m/s) h: hiệu suất chung của bơm h= h0 x htl x hck Chọn hiệu suất thể tích h0 = 0,96 hiệu suất thuỷ lực: htl = 0,85 hiệu suất cơ khí tính đến ma sát ở ổ bi, ổ lót trục: hck = 0,96 suy ra h= 0,96 x 0,85x0,96 = 0,783 Q = V = = 0,018 (m3/s) N = = 12,97 (kw) Công suất động cơ điện: Nđc = trong đó: Nđc : Công suất trên trục của bơm (kw) htr: hiệu suất truyền động. chọn htr = 1 hđc : hiệu suất động cơ điện , chọn hđc = 0,8 suy ra Nđc = = 16,2125 (kw) Thường chọn đường cơ điện có công suất lớn hơn so với công suất tính toán Nđcc = b x Nđc trong đó: b: hệ số dự trữ công suất chọn b = 1,2 (Theo bảng II.33 [II-439]) suy ra Nđc = 1,2 x 16,2125 = 19,455 (kw) Phần IV: Tính toán máy nén khí Do = 5 > 3 nên để vận chuyển khí vào tháp ta phảidùng máy nén. Chọn loại máy nén ly tâm [II-446] I. Tính đường ống dẫn khí: áp suất của không khí ở đầu đẩy và đầu hút khác nhau nên điều kiện ống đẩy và ống hút khác nhau. d= trong đó: V là lưu lượng khí thải (m3/h) w: vận tốc khí trong đường ống * Đường kính ống hút: Vhút = Vvào = 10000 (m3/h) chọn whút = 40 (theo bảngII.10 ) dhút = = 29,7 (cm) quy chuẩn: dh = 30 (cm) w = 39,3 (m/s) Đường kính ống đẩy: Vđẩy = 2000 (m3/h) chọn wđẩy = 20 (m/s) (theo bảngII.10 ) suy ra dđẩy = = 18,8 (cm) quy chuẩn dđẩy = 19 (cm) wđẩy = 19,6 (m/s) II.Tính máy nén Chọn máy nén ly tâm *Ưu điểm: -Năng suất của máy nén lớn, dòng khí lấy ra một cách liên tục. -Thết bị cấu tạo gọn. *Nhược điểm: -áp suất tạo ra không lớn Do độ nén cần đạt =5 mà độ nén của một cấp chỉ đạt khoảng từ 1,2 – 1,5 nên ta phải sử dụng nhiều cấp ghép nối tiếp. Tính công của máy nén Chọn chế độ làm việc của máy nén là chế độ đa biến nhiêt khi đó công để nén 1 kg khí từ áp suất p1 đến áp suất p2 tính theo công thức: Lmn = [III-59] Trong đó: P1, P2 là áp suất khí vào và ra khỏi máy nén n : số mũ đa biến (n= 1,2 –1,62) [I-465] T1 : nhiệt độ khí vào máy nén R: hằng số khí lý tưởng Chọn n = 1,3 Thay số vào ta có: Lmn = = 4,9049 (kj/kg) Công suất của máy nén *Công suất lý thuyết của máy nén Nlt = Trong đó: G là năng suất của máy nén (kg/s) L: công nén 1kg khí từ áp suất P1 đến áp suất P2 Ta có: G = (kg/m3) Vđ = 2000 (m3/h) G = =3,377(kg/s) Nlt = (kw) *Công suất thực tế của máy nén Ntt = [I-466] Trong đó là hiệu suất của máy nén () Chọn = 0,85 Ntt = (Kw) *Công suất hiệu dụng trên trục máy nén Nhd = [I-466] Trong đó ck: hiệu suất cơ khí của máy nén.Đối với máy nén ly tâm ck=0,96 0,98 Chọn ck= 0,96 ta có: Nhd= (kw) *Công suất động cơ điện Nđc = Trong đó: tr là hiệu suất truyền động (0,96 0,99) đc là hiệu suất độgn cơ diện (dc =0,95) : hệ số dự trự (= 1,1 1,15). Chọn =1,1 Nđc = (kw) Phần V: Tính chọn cơ khí Vật liệu chọn để chế tạo thiết bị cần phải đảm bảo các yêu cầu sau: bền, sử dụng tiện lợi, an toàn và cuối cùng chọnvật liệu sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Thiết bị thiết kế làm việc ở 300C và 10 atm nên thân thiết bị làm bằng vật liệu dẻo, chịu được áp suất cao. Do cấu tử cần hấp thụ là SO2 nên bề mặt trong của thiết bị cần phải được ăn mòn cuả axit, không rỉ. Nên chọn vật liệu làm thiết bị là loại thép CT3. Thân hình trục bằng vật liệu dẻo được chế tạo băng cuốn tấm vật liệu với kích thước định dạng sau đó ghép mối hàn lại (loại này làm việc ở p Ê 10.106 N/m2) Khi chế tạo thân hình hàn cần chú ý: + Đường hàn càng ngắn càng tốt. + Chỉ hàn giáp mối. + Bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát. + Không khoan lỗ qua mối hàn. I. Bề dày của thân thiết bị hình trụ hàn thẳng đứng, làm việc với áp suất bên trong. Chọn vật liệu CT3: sk = 380.10-6 (N/m2) sch = 240.10-6 (N/m2) [II-309] vận tốc rỉ: 0,06 (mm/năm) Thân không có lỗ Hàn dọc, hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp mối 2 mặt Thiết bị thuộc nhóm II, loại II Công thức: S= (m) (1) [II- 360] trong đó: S: chiều dày thân hình trụ (m) Dt: đường kính trong (m) j: hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc. C: số bổ xung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày. P: áp suất trong thiết bị (N/m2) Tra bảng XIII.8 [II-362] ta có: j = jh = 0,95 áp suất trong thiết bị: P = Pmt + Pt (N/m2) Pt = g x rl x Hl trong đó: Pmt: áp suất của khí (N/m2) Pt: áp suất thuỷ tĩnh trong cột chất lỏng (N/m2) rl: khối lượng riêng của chất lỏng (Kg/m3) Hl: chiều cao của hỗn hợp lỏng trong tháp (m) g: gia tốc trọng trường (m/s2) Thay số: P= 5 x 1,013.105 + 9,81x997,1012x9 = 0,5945.106 (N/m2) ứng suất cho phép của TC3 theo giới hạn bền: [sk] = (N/m2) (XIII.1) trong đó: [sk]: ứng suất cho phép khi kéo nb: hệ số an toàn theo giới hạn bền h: hệ số hiệu chỉnh. Tra bảng: XIII.2- sổ tay hoá công tập II: h= 1 Tra bảng XIII.3: nb = 2,6 thay vào công thức ta có: (N/m2) ứng suất cho phép giới hạn chảy: (N/m2) trong đó: [sc]: ứng suất cho phép khi chảy nc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy h: hệ số hiệu chỉnh. Tra bảng XIII.3 có: nc = 1,5 XIII.2 có: h = 1 XIII.4 có: sct = 240.106 (N/m2) Thay số vào ta có: = 160.106 (N/m2) Để đảm bảo bền ta láy giá trị bé hơn trong hai giá trị trên, cụ thể là: [sk] = 146,154.106 (N/m2) Ta có: = >> 50 Nên công thức trong (1) có thể bỏ qua P ở dưới mẫu số [II-360] Tính C: C= C1 + C2 + C3 (m) [II-363] trong đó: C1: hệ số bổ xung do ăn mòn. Với thép TC3 vận tốc gỉ 0,06 (mm/năm), thời gian làm việc 15 năm đêks 20 năm. Chọn C1 = 1 (mm) C2: bổ xung do hao mòn, chỉ tính đến trong những trường hợp nguyên liệu có chứa các hạt rắn chuyển động với vận tốc lớn trong thiết bị. Chọn C2 = 0 C3: đại lượng bổ xung do dung sai của chiều dày. Chọn C3 = 0,8 (mm) Vậy C = (1+0+0,8).10-3 = 1,8.10-3 (m) S= (m) lấy S = 6(cm) *. Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử. áp suất thử tính toán P0 được xác định như sau: P0 = Pth + Ptt [II-366] trong đó: Pth: áp suất thuỷ lực khi thử Ptt: áp suất thuỷ tĩnh Mà: Pth = 1,25xP [II-358] Ptt = 9,81x997,1012x9 = 0,88.105 (N/m2) suy ra P0 = 1,25x0,5945.106 + 0,88.105 = 831125 (N/m2) Công thức kiển tra ứng suất theo áp suất thử: [II-365] Thay số ta có: = 167,1.106 (N/m2) (N/m2) Ta thấy: < Tính đáy và nắp thiết bị: Chọn vật liệu CT3. Đáy và nắp giống nhau, dùng nắp có gờ Tính đáy và nắp làm việc chịu áp suất trong Chiều dày S được tính như sau: (m) (2)[II-385] trong đó: Dt: đường kính trong tháp hb: chiều cao phần lồi của đáy chọn hb = 0,25xDt [II-381] jh: hệ số bền mối hàn hướng tâm nếu có k: hệ số không thứ nguyên, k= 1- d: điều kiện lớn nhất hay kích thước của lỗ không phải hình tròn, của lõ không tăng cứng. Chọn nắp có lỗ, không tăng cứng: d= 0,15 (m) Ta có: k= 1- = 0,925 >>30 nên công thức (2) có thể bỏ qua P ở mẫu [ II-385 ] Thay số vào (2) ta có: S = = 0,00487 + C S – C = 3,9.19-3 (m) <10 mm nên phải tăng đại lượng bổ xung C thêm 2mm ta có: C = (1,8 + 2)10-3 = 3,8.10-3 (m) S = 3,9.10-3 + 3,8.10-3 = 7,7.10-3(m). Chọn S = 8 mm *Kiểm tra ứng suất thành ở áp suất thử thuỷ lực thử= Thay số vào ta có: thử = =189,8837.106 (N/m2) thử < (N/m2) Do đó có thể chọn chiều dày đáy và nắp: S = 8 mm Khi đó Mnắp= Mđáy= 184 kg Chiều cao gờ: h =25 mm (Bảng XIII.11) Chọn mặt bích: Mặt bích là bbộ phận quan trọng để nối các phần của thiết bị cũng như các bộ phận khác với thiết bị. - Chọn bích liền bằng thép để nối nắp, đáy vào thân thiết bị. Do thiết bị làm việc ở áp suất 5 atm(áp suất trung bình) nên chọn bích theo kiểu IV. Hình vẽ mặt cắt của bích: Các thông số về bích nối như sau(tra bảngXIII.27[II-422] ): + kích thước nối: (mm) D = 1770; Db = 1700; D1 = 1660; Do = 1615 Bu- lông M 30 +kiểu bích : h = 33 (mm) ; H = 55(mm ); SI = 7(mm) Để đảm bảo độ kính cho các mối nối ta sử dụng thêm các gioăng. Cửa để nối ống với thiết bị ta hàn trựctiếp vào thành. Để nối ống dẫn với cửa này dùng bích nối ngoài loại bích tự do bằng thép. ở cửatháo, đổ đệm ta cũng chọn loại bích này.` Chọn chân đỡ và tai treo Thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bệ mà phải có tai treo hay chân đỡ hoặc cả hai để giữ thăng bằng cho thiết bị trong quá trình làm việc. Tính tai treo hay chân đỡ phỉa tính tải trọng của toàn thiết bị: M = Mđáy + Mnắp + Mthân + Ml + Mbổ xung Trong đó: M: khối lượng toàn tháp (kg) Ml: khối lượng lỏng điền đầy trong tháp (kg) Mbổ xung : bao gồm các chi tiết phụ của tháp như ống nối, cửa vào, cửa ra, bích… Tính khối lượng thành tháp Mtháp = Vtháp .tháp Trong đó: V: thể tích thành tháp (m3) tháp: khối lượng riêng của thiết bị chế tạo thành tháp (kg/m3 ) Với vật liệu CT3: tháp= 7850 (kg/m3) Thể tích thành tháp: V = = Dn2- Dt2 Dn = Dt + S = 1,6 + 0,006 = 1,606 (m) d2= 1,6062- 1,62 = 0,0192 (m2) V = = 0,181(m3) Mtháp= 78500,181 = 1422,42 (kg) Khối lượng đáy và nắp Mđáy = Mnắp = 184 (kg) Khối lượng đệm Thể tích phần làm việc của tháp: Vlv = = 24,1152 (m3) Phần thể tích đệm chiếm chỗ: 1 – Vđ Mđệm = (1 – Vđ )Vlvđ = (1 – 0,71)24,1152700 = 4895,3856 (kg) Khối lượng của chất lỏng Ml = = 24045,3 (kg) Chọn hệ số bổ xung : Mbổ xung = 1000(kg) Khối lượng của toàn tháp: Mtháp = 1422,42 + 184 + 184 + 4895,3856 + 24045,3 + 1000 = 31731,1056 (kg) Trọng lượng tương ứng: P = 9,8131731,1056 = 311282,146 (N/m2) Sử dụng chân đỡ bằng thép CT3, với 4 chân đỡ. Tải trọng của 1 chân đỡ: G = = 7,782.104 (N/m2) Bề mặt đỡ: 840.104 (N/m2) Phần VI: Kết luận và nhận xét Qua bảng mô phỏng ta thấy: số đơn vị chuyển khối, đường kính, chiều cao… của tháp phụ thuộc vào lượng dung môi sử dụng (phụ thuộc), loại đệm mà chúng ta sử dụng. Khi lượng dung môi tiêu tốn ít thì thể tích của tháp phải tăng lên như vậy giảm được chi phí cho dung môi lại tăng chí phí đầu tư cho thiết bị. Mà dung môi chúng ta sử dụng là nước nê chi phí cho dung môi là không đáng kể so với chi phí đầu tư cho thiết bị. Nếu tăng lượng dung môi lên thì động lực của quá trính cũng tăng lên tuy nhiên bề mặt tiếp xúc pha lại giảm đi đáng kể. Cho nên chọn hệ số = 1,2 là hợp lý nhất. Với = 1,2 kích thước tháp tính toán được tương đối lớn ,tháp nặng nên mặt bằng đặt tháp phải chịu được tải trọng lớn nên cần phải có thêm chí phí đầu tư cho xây dựng mặt bằng. -Tháp làm việc ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển nên dung môi phải bơm trực tiếp lên tháp nên hệ tthống không thể làm việc liên tục được mỗi khi có sự cố xảy ra như : mất điện, sửa chữa bơm...Mặt khác áp suất làm việc cao nên vật liệu chọn phải tốt, các mối hàn phải đảm bảo đúng các chỉ tiêu kỹ thuật để tránh các sự cố có thể xảy ra. -Khí cần xử lý là khí độc hại nên các van khoá yêu cầu phải kín tránh rò rỉ khí. Mật khác tháp thiết kế có số bậc thay đổi nồng độ nhỏ, hiệu quả quá trình không cao nên dòng khí thải sau khi ra khỏi tháp vẫn còn chứa nhiều SO2 nên ống dẫn khí thải sau xử lý cần được nâng cao. -Do đường kính của tháp khá lớn nên trong tính toán cơ khí đối với cửa tháo, nạp đệm nên thiết kế để cho công nhân có thể vào trong tháp để sửa chữa nếu có sự cố xảy ra. Chiều cao tháp thiết kế lớn nên đươngf ống đẩy sẽ dài cho nên nên bố trí hệ thống tháp ở nơi giáp tường để ta có thể cố định đường ống dẫn vào tường để hệ thống được chắc chắn và không ảnh hưởng đến bơm. Đồ án môn học này giúp em bước đầu làm quen với cách thiết kế một thiết bị chuyển khối trong công nghệ hoá học, biết cách tra số liệu và sử dụng các số liệu đó vào tính toán… Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn cô đã giúp đỡ em hoàn thành xong đồ án môn học này. ._.