IV.2./ Tính toán thiết bị xử lý khí

IV.2./ Tính toán thiết bị xử lý khí :

IV.2.1./ Cơ sở tính toán quá trình hấp thụ :

Hấp phụ bằng huyền phù là nước vôi trong Ca(OH)₂, với tỷ lệ pha loãng Ca(OH)₂ và H₂O là 1 : 24

Huyền phù Ca(OH)₂ 4% khối lượng :

kg/m³

kg/m³

Khối lượng riêng của huyền phù

x : khối lượng pha rắn trong huyền phù (x = 0,04)

Độ nhớt huyền phù : đối với dung dịch loãng có nồng độ pha rắn nhỏ hơn 10% khối lượng được tính theo công thức sau :

Trong đó :

 : nồng độ pha rắn trong huyền phù ( chọn  = 0,04 )

Khối lượng phân tử của huyền phù :

• 
  Phương trình cân bằng vật chất :
  

• 
  Lưu lượng khí vào ở điều kiện chuẩn (0⁰C, 1atm) : 102276 m³/h
  
• 
  Nồng độ SO₂ ban đầu : 4494 mg/Nm³
  
• 
  Nhiệt độ khí vào : 162⁰C
  
• 
  Nhiệt độ khí ra : 50⁰C
  
• 
  Nhiệt độ dung dịch vào : 25⁰C
  
• 
  Nhiệt độ dung dịch ra : 45⁰C
  

X_đ : Nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi (kmol/kmol dung môi)

X_c : Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi (kmol/kmol dung môi)

Y_đ : Nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (kmol/kmol khí trơ)

Y_c : Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (kmol/kmol khí trơ)

G_Y : Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h)

G_X : Lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h)

G_tr : Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h).

• 
  Nồng độ khí ban đầu :
  

• 
  Nồng độ SO₂ trong khói lò :
  

• 
  Nồng độ phần mol của SO₂ :
  

• 
  Tỷ số mol của SO₂ :
  

Nồng độ đầu ra của SO₂ ở 50^oC :

Nồng độ mol SO₂ ở đầu ra :

Nồng độ phần mol của SO₂ trong hỗn hợp khí ở đầu ra của thiết bị :

Tỉ số mol :

Hiệu suất của quá trình hấp thụ :

• 
  Lượng khí trơ được tính :
  

Với Y = Y_đ thì X = X_cb

: hằng số cân bằng

Ở nhiệt độ làm việc 50⁰C ta có :

Hệ số Henry ψ_SO2 = 65300 mmHg

p = 1at = 760 mmHg

Do đó :

Lượng dung môi đi trong tháp :

Lượng dung môi cần thiết :

Lượng dung môi tối thiểu cần dùng :

Trong các thiết bị hấp thụ, nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng độ thực tế nên lượng dung môi tiêu tốn thực tế lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường lấy lượng dung môi thực tế lớn hơn lượng dung môi tối thiểu là 20%. [11.141]

G_xmin = 1,2G_x = 1,2 . 407466 = 488959 kmol/h

Nồng độ dung dịch ra khỏi tháp :

Phương trình cân bằng vật liệu cho phần trên của thiết bị

• 
  Tính toán lượng sữa vôi cần dùng
  

Lượng SO₂ có trong khói thải : 459,63 kg/h

Hiệu suất hấp thụ : 99,91 %

Trong tháp rỗng khí thải đi từ dưới lên, dung dịch đi từ trên xuống. Lúc này Ca(OH)₂ phản ứng với SO₂ tạo thành CaSO₃. Sau đó CaSO₃ bị oxy không khí oxy hoá thành CaSO₄.2H₂O

Phương trình phản ứng :

CaO + H₂O  Ca(OH)₂

CaSO₃.H₂O + O₂ + 2 H₂O  CaSO₄.2H₂O

Có thể viết lại thành phương trình tổng quát như sau:

CaO + SO₂ + O₂ + H₂O  CaSO₄.2H₂O

Lượng SO₂ cần xử lý : = 459,62 . 99,91 = 459,2 kg/h

Lượng CaO cần cho phản ứng :

• 
  Tính toán lượng nước cần bổ sung
  

Lượng nước cần để pha dung dịch Ca(OH)₂ :

Xác định chiều cao và đường kính của tháp :

Ta có lưu lượng khí qua tháp được tính theo công thức :

Trong đó :

L_K : lưu lượng khí qua tháp, m³/h

_K : tốc độ của khí qua tháp, m/s

D : đường kính của tháp, m

Chọn vận tốc của dòng khí đi trong tháp = 1,2 m/s ta tính được :

Thể tích của tháp rửa :

Trong đó :

V : thể tích tháp rửa , m³

H : chiều cao của tháp , m

Trong tháp rửa người ta thường chọn tỷ số = 2 ÷ 3. Để tính chiều cao tháp rửa ta chọn H = 2,5D

Thể tích làm việc của tháp :

Chiều cao xây dựng của tháp:

H_t = H + h

h : chiều cao đỉnh tháp

Chọn h = 0,25H = 0,25.18 = 4,5 m

Vậy chiều cao xây dựng của tháp : H_t = 18 + 4,5 = 22,5 m

IV.2.2.2./ Tính đường kính ống dẫn khí vào tháp và ra khỏi tháp

Ống dẫn khí vào tháp được nối với thiết bị lọc bụi là ống Venturi nên ta chọn đường kính ống dẫn khí vào tháp bằng với đường kính ống Venturi :

d_v = d_venturi = 1,6 m

Cho tháp làm việc ở áp suất 1atm, vận tốc của dùng khí vào bằng vận tốc của dòng khí ra : d_v = d_r = 1,6 m

Lưu lượng dung dịch hấp thụ đi vào tháp : V = 10,045 m³/h = 2,8.10^-3 m³/s

Chọn đường kính ống d_dd = 50 mm

IV.2.2.4./ Tính toán cơ khí [11]

a./ Tính chiều dày thân tháp

Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển, dùng để hấp thụ khí SO₂, thân tháp hình trụ , được chế tạo bằng cách cuốn tấm vật liệu với kích thước đã định, hàn ghép mối.

Chọn thân tháp làm bằng vật liệu OX18H10T.

Chọn thép không gỉ, bền nhiệt và chịu nhiệt.

Thông số giới hạn bền kéo và giới hạn bền chảy của thép loại OX18H10T, tra bảng XII. 4 , ta có :

_k = 550.10⁶ N/m²

_c = 220.10⁶ N/m²

Độ giãn tương đối:  = 38%

Độ nhớt va đập: a_k = 2.10^-6 J/m².

Chọn chiều dày của thân hình trụ, làm việc với áp suất bên trong P được xác định theo công thức:

Trong đó:

D_t : Đường kính trong tháp, m.

 : hệ số bền của thành thân trụ theo phương dọc.

C : hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dầy, m.

[_k] : ứng suất cho phép của loại thép OX18H10T.

P : áp suất trong thiết bị ứng với sự chênh lệch áp suất lớn nhất ở bên trong và bên ngoài tháp, N/m².

• 
  Tính P:
  

P_tt - áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng:

P_tt = .g.H (N/m²)

Trong đó:

 : khối lượng riêng của chất lỏng(dung dịch nước vôi trong), kg/m³

 = 997,73 kg/m³

g - gia tốc trọng trường = 9,81 m/s²

H : chiều cao cột chất lỏng, H = 18 m

Do đó: P_tt = .g.H = 997,73.9,81.18 = 176179 (N/m²)

Suy ra: P = P_lv + P_tt = 0,98.10⁵ +176179 = 274179(N/m²)

• 
  Tính  :
  

Với hàn tay bằng hồ quang điện, thép không gỉ, thép cácbon và 2 lớp nên chọn  = _h = 0,95

• 
  Tính đại lương bổ sung C:
  

C = C₁ + C₂ + C₃ (m)

C₁ : hệ số bổ sung do ăn mòn.

Đối với vật liệu bền (0,05- 0,1 mm/năm) lấy C₁ = 1mm = 10^-3 m (Tính theo đơn vị thời gian làm việc từ 15 - 20 năm)

C₂ : đại lượng bổ sung do bào mòn, có thể bỏ qua C₂ = 0

C₃ : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày phụ thuộc vào chiều dày tấm vật liệu. C₃ = 0,8 mm đối với thép X18H10T

Vậy C = 1 + 0,8 = 1,8 (mm)

• 
  Tính [_k]:
  

• 
  Theo giới hạn bền khi kéo:
  

 : hệ số hiệu chỉnh,  = 1

_k = 550.10⁶ (N/m²)

n_k - hệ số an toàn theo giới hạn bền khi kéo, _k = 2,6

• 
  Theo giới hạn bền khi chảy
  

 : hệ số hiệu chỉnh,  = 1

_c = 220.10⁶ (N/m²)

_c - hệ số an toàn theo giới hạn bền khi chảy, _c = 1,5

Ta lấy giá trị bé hơn trong hai kết quả vừa tính được của ứng suất :

Nên có thể bỏ qua giá trị P ở mẫu số trong công thức tính bề dày thân tháp

Hay ta chọn S = 10 mm.

Trước khi đưa vào sử dụng, thiết bị phải qua kiểm tra với mức độ tối đa mà nó có thể chịu được:

Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước)

Trong đó:

P₀ : áp suất thử tính toán, N/m². Tính theo công thức sau:

P₀ = P_th + P_tt

Với : P_th - áp suất thử thuỷ lực

P_tt - áp suất thuỷ tĩnh của cột nước.

Vì P_tt=78302 nằm trong khoảng (0,07.10⁶÷0,5.10⁶)N/m² nên ta chọn

P_th = 1,5P_tt

Do đó : P₀ = P_th + P_tt = 2,5P_tt = 195755 (N/m²)

Do đó chiều dày thân tháp S = 10 mm là phù hợp.

b./ Tính nắp thiết bị:

Chọn nắp thiết bị hình elip có gờ, thiết bị làm việc chịu được áp suất trong = 274179 > 7.104 (N/m2) nên chiều dày S được xác định bằng công thức :

Trong đó:

P : áp suất trong của thiết bị, P = 274179 (N/m2)

hb : chiều cao phần lồi của nắp, chọn hb = 4,5 (m)

[(k] : ứng suất cho phép của thiết bị, [(k] = 146,7.106 (N/m2)

(h : hệ số bền của mối hàn hướng tâm. Với mối hàn tay bằng hồ quang điện, vật liệu thép cacbon không gỉ, 2 lớp ta chọn (h = 0,95

C - đại lượng bổ sung, C = 1,8 (mm)

k - hệ số không thứ nguyên. Chọn k=1 (đối với đáy không có lỗ hay có lỗ tăng cứng hoàn toàn).

nên đại lượng P ở mẫu trong công thức tính S có thể bỏ qua. Vì vậy, chiều dày của đáy và nắp được tính:

Vậy S = 5mm

Xét S - C = 3,2 mm < 10 mm

Vì thế phải tăng C thêm 2mm so với ban đầu, tức là C = 1,8 + 2 = 3,8 mm

hay S = 7 mm.

Kiểm tra ứng suất của đáy, nắp thiết bị theo áp suất thử :

Do đó S = 7mm là phù hợp.

Tuy nhiên, do tháp có đường kính 7,2m khá lớn nên để đảm bảo an toàn lâu dài khi sử dụng ta chọn S=10mm bằng với chiều dày của thân tháp.

Suy ra : chiều cao gờ h = 2,5.S = 25 mm

c./ Tính bích nối :

• 
  Bích nối thiết bị:
  

Chọn loại bích liền bằng thép kiểu I là loại phù hợp với hàn, đúc, rèn...để nối thiết bị. Do thiết bị có đường kính trong khá lớn (D = 7200 mm) nhưng trong khuôn khổ đồ án tốt nghiệp chưa tính được bích nối cho thiết bị này, giả thiết chọn bích nối tương tự như đối với thiết bị có đường kính D = 3000 mm.

D₀ đường kính trong của bích,

D đường kính ngoài của bích,

D_b đường kính tới tâm bu lông,

D_I đường kính mép vát,

d_b đường kính bu lông,

h chiều cao bích.

• 
  Bích nối ống dẫn với thiết bị:
  

D_n đường kính trong của bích,

D đường kính ngoài của bích,

D_b đường kính tới tâm bu lông,

D_I đường kính mép vát,

d_b đường kính bu long,

h chiều cao bích.