Đồ án Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí SO2

phía dưới đáy tháp. Nước từ bể chứa được bơm li tâm đưa vào tháp hấp thụ, trên đường ống có van điều chỉnh lưu lượng và đồng hồ đo lưu lượng. Nước được bơm vào tháp với lưu lượng thích hợp, tưới từ trên xuống dưới 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 SO2 giảm, mức độ giảm tùy thuộc vào hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ Nước sau khi hấp thụ SO2 đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài theo đường ống thoát chất lỏng. Nước sau khi hấp thụ nếu nồng độ SO2 cao sẽ được xử lý và tái sử dụng. Gọi: Gy: lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp( kmol/h) Gx: lưu lượng nước vào tháp( kmol/h) Gtrơ: lưu lượng khí trơ( kmol/h) Yđ: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong khí đi vào tháp ( kmol SO2/kmol kk) Yc: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong khí đi ra khỏi tháp ( kmol SO2/kmol kk) Xđ: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong nước đi vào tháp( kmol SO2/kmol dm) Xc: nồng độ phần mol tương đối của SO2 trong nước đi ra khỏi tháp( kmol SO2/kmol dm) Theo đề bài: yđ = 0,028 (mol/mol) → Yđ = = 0,0288 (kmol SO2/kmol kk) Biết hiệu suất hấp thụ là: h= 84% Do đó: Yc = Yđ( 1-η) =0,0288.( 1-0,84)= 4,608.10-3 (kmol SO2/kmol kk) → yc = =4,587.10-3 (kmol/kmol) → ytb= = = 0,0163 kmol/kmol Dung môi ban đầu là nước → Xđ = 0 Giả sử điều kiện làm việc của tháp là T =250C→T =298K P =1atm = 760mmHg P=1 atm = 1,0326 at Ta coi hỗn hợp khí là lý tưởng. Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng ta có: Gx, Xd Yc Xc Gy, Yd Gy = n = = 1023,08( kmol/h) → Gtrơ = = 994,44( kmol/h) Thiết lập phương trình đường cân bằng: Theo định luật Henry ta có: ycb = mx → Ycb= Ta có m= Ở 250C với khí SO2 thì ψ =0,031.106 mmHg → m = = 40,79 → Ycb = Thiết lập phương trình đường làm việc: Phương trình cân bằng vật liệu cho thiết bị: Gtrơ. Y + Gx. Xđ = Gtrơ. Yc + Gx. X → Gtrơ( Y- Yc) = Gx( X- Xđ) Do Xđ = 0 nên pt trở thành: Gtrơ.( Y- Yc) = Gx. X → Y= .X+Yc Giả thiết Xc= Xcbc thì lượng dung môi tối thiểu cần để hấp thụ là: Gxmin = Gtro. Từ phương trình đường cân bằng Ycb= → Xcb= Yđ = 0.0288(kmol SO2/kmol kk) → Xcbc = =6,868.10-4 (kmol SO2/kmol nước) → Gxmin = 994,44.= 35028,38 kmol/h Lượng dung môi cần thiết để hấp thụ : Gx = β. Gxmin Thông thường β = 1,2÷1,5. Chọn β = 1,2 → Gx = 1,2.35028,38 = 42034,056 kmol/h → ==42,269 → Y = 42,269X+ 4,608.10-3 → khi Yd = 0.0288 thì Xc = == 5,723.10-4 (kmol SO2/kmol H2O) → xc = = 5,72.10-4( kmol/kmol) → xtb= = =2,86.10-4( kmol/kmol) X Y Ycb 0 4,608.10-3 0 0,0001 8,835.10-3 4,095.10-3 0,0002 0,013 8,223.10-3 0,0003 0,0173 0,0124 0,0004 0,0215 0,0166 0,0005 0,0257 0,021 0,0005723 0,0288 0,0239 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: Trong đó: : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3. Phần khối lượng của SO2 trong pha lỏng : Khối lượng riêng của SO2 và H2O ở 250C, kg/m3. - Tra bảng I.5 ở 250C có: = 997,08 (kg/m3) - Tra bảng I.2 ở 250C có: (200C) = 1383 (kg/m3) (400C) = 1327(kg/m3) Dùng phương pháp nội suy => (250C) = 1369 (kg/m3) - Tính Áp dụng công thức Trong đó Phần khối lượng trung bình của SO2 trong hỗn hợp. xtb: Nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha lỏng, (kmol SO2/kmol H2O) xtb = 2,86.10-4 (kmol SO2/kmol H2O) → = = 1,016.10-3 - Tính khối lượng phân tử của hỗn hợp lỏng Mx = xtb.+(1–xtb). = 2,86.10-4×64+(1-2,86.10-4)×18 =18,013156 Làm tròn Mx =18 Đối với pha khí: - Tính My Áp dụng công thức: My = ytb.+ (1 - ytb). Trong đó: My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí, (kg/kmol) , : Khối lượng phân tử của SO2 và không khí, (kg/kmol) ytb: Phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp (kmol SO2/kmol hỗn hợp khí) → My = 0,0163×64 + (1-0,0163)×29 = 29,5705 Tính == → = 1,209 kg/m3 Tính : → (kg/m3) 2. Lượng khí trung bình đi trong tháp: Vytb = (m3 / h) (II.183) với: Vđ: Lưu lượng hỗn hợp đầu ở điều kiện làm việc (m3/ h) Vc: Lưu lượng khí thải đi ra khỏi tháp (m3 / h): Vc = Vtr * (1 + ) (II.183) Vđ = = m3/h với: Mytb: Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg / kmol) : Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg / m3) Tương tự: Vtr = = m3/h Vc = Vtr ×(1+ ) = 24322,65×(1+4,608.10-3 )=24434,73 m3/h → Vytb = 24728,94 m3/h 3. Độ nhớt : Đối với pha lỏng: Áp dung công thức: I-84 Trong đó: : độ nhớt của SO2 và H2O ở 250C, Ns/m2 Tra bảng I-101 sổ tay I: (200C)= 0,304.10-3 Ns/m2 (300C)= 0,279.10-3 Ns/m2 → (250C) =0,2915.10-3Ns/m2 Tra bảng I-102 sổ tay I: (250C)= 0,8937.10-3Ns/m2 xtb: Nồng độ phần mol trung bình của SO2 trong pha lỏng, (kmol SO2/kmol H2O) xtb = 2.86*10-4 (kmol SO2/kmol H2O) →= 2,86.10-4×lg(0,2915.10-3)+(1-2,86.10-4)×lg(0,8937.10-3)= -3,0489 → = 8,935.10-4 Ns/m2 Đối với pha khí: Áp dụng công thức: Trong đó : độ nhớt trung bình của pha khí, của SO2 và của không khí ở điều kiện làm việc 250C, Ns/m2 : khối lượng phân tử của pha khí, của SO2 và của không khí ở điều kiện làm việc 250C và P=1atm Tra đồ thị I-35 ta có : (250C)=0,0125.10-3, Ns/m2 (250C)=0,018.10-3, Ns/m2 4. Tính vận tốc đảo pha: Áp dụng công thức: Y =1,2.e-4X ( II-187 ) Với : tốc độ đảo pha, m/s Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3 : bề mặt riêng của đệm, m2/m3 Tháp hấp thụ SO2 mang tính axit nên ta chọn đệm vòng Rasig đổ lộn xộn: đệm bằng sứ kích thước 25×25×3.0 Vđ= 0,75 m3/m3 = 195 m3/m3 g: gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2 Gx, Gy là lượng lỏng và lượng hơi trung bình( kg/s) Gx == 42034,056+ →Gx = 42046,08 kmol/h →Gx=42046,08 ×18=756829,44 kg/h→ Gx=kg/s Gy = → Gy = 1011,05 kmol/h →Gy=1011,05 ×29,5705=29897,25 kg/h→ Gy=kg/s → Từ phương trình của Y ta có: m/s Thông thường: Chọn =0,85→=0,85×0,666=0,5661 m/s 5. Tính đường kính tháp Đường kính tháp: Công thức: D= =m→ Quy tròn D=3,9 m Kiểm tra: + Ta có → → thỏa mãn điều kiện Kiểm tra theo mật độ tưới U = (m2/m2h) Với V1 là lưu lượng thể tích chất lỏng, m3/h f: tiết diện tháp, m2 f=m2 → U=> 1,5 là giá trị mật độ tưới tối thiểu Mật độ tưới tới hạn Uth = sđ.b (m3/m2h) (II.177) Trong đó: b: hằng số (chọn b = 0,158) Þ Uth = 195×0,158 = 30,81 m3/m2h Vậy =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 = hdv.my (m) Trong đó: H: chiều cao tháp, m hdv: chiều cao một đơn vị chuyển khối, m my: số đơn vị chuyển khối Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối: hdv = h1 + (m) Trong đó: h1: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha khí h2: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha lỏng m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y*=f(X) với mặt phẳng ngang Tính h1 và h2: , m Trong đó: a : hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a=0,123 : hệ số thấm ướt của đệm, do nên =1 Rey: chuẩn số Renoyd đối với pha khí → Pry: chuẩn số Pran: Dy = (m2/s) Trong đó: T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối T=298K P: áp suất làm việc P=1atm : thể tích mol của SO2, =44,8 cm3/mol : thể tích mol của không khí, =29,9 cm3/mol → Dy = m2/s Vậy=1,3523 → = 0,119 m Trong đó : Gx=42046,08×18=756829,44 kg/h→ Gx=kg/s Rex là chuẩn số Renoyd đối với pha lỏng: == 4,03886 Prx là chuẩn số Pran đối với pha lỏng: Dx: hệ số khuếch tán của SO2 vào nước ở nhiệt độ 250C Dt = D20[1+b(t-20)] (m2/s) Trong đó: D20: hệ số khuếch tán của SO2 vào nước ở 200C D20= (m2/s) A: hệ số, đối với chất khí tan trong nước A=1 B: hệ số, dung môi là nước B=4,7 : thể tích mol của SO2 ở 200C, =44,8 cm3/mol : thể tích mol của H2O ở 200C, =18,9 cm3/mol : độ nhớt của nước ở 200C,=1,005*10-3 Ns/m2=1,005 cP(bảng I.102-94) → D20= (m2/s) b = : khối lượng riêng của nước ở 200C, = 998,23 kg/m3 bảng I.5-11 →b = →Dx = 1,466.10-9[1+0,02(25-20)]= 1,6126.10-9 m2/s → → Tính m’: Từ phương trình đường cân bằng ta có: m’=41,697 Gy=1011,05 ×29,5705=29897,25 kg/h→ Gy=kg/s Vậy ta xác định được chiều cao của một đơn vị chuyển khối: hdv = 0,119 + =1,428 m Xác định số đơn vị chuyển khối: Dựa vào giá trị Xcbc= 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 4,777*10-3 209,336 0,0003 0,0173 0,0124 4,9*10-3 204,08 0,0004 0,0215 0,0166 4,9*10-3 204,08 0,0005 0,0257 0,021 4,7*10-3 212,77 0,0005723 0,0288 0,0239 4,9*10-3 204,08 0,0006 0,03 0,025 5*10-3 200 0,0006868 0,0336 0,0288 4,8*10-3 208,33 Công thức tính số đơn vị chuyển khối: my = (II.175) Vẽ hình thang cong quan hệ giữa Y và f(Y)= Y 1/(Y-Ycb) S my 4,608.10-3 217 0,904514595 6,02472674 8,835.10-3 210,97 0,875287245 0,013 209,336 0,8888444 0,0173 204,08 0,857136 0,0215 204,08 0,875385 0,0257 212,77 0,6461175 0,0288 204,08 0,242448 0,03 200 0,734994 0,0336 208,33 Diện tích hình thang cong chính bằng số đơn vị chuyển khối là my =6,025 → H=1,4285×6,025=8,61 m. Quy chuẩn H=8,6 m Đây thực chất là chiều cao lớp đệm. Chiều cao của tháp ngoài chiều cao của lớp đệm còn tính đến chiều cao từ mặt trên của đệm đến đỉnh tháp và từ mặt dưới đệm tới đáy tháp và khoảng cách giữa hai lớp đệm Áp dụng công thức: Htháp = Hđ + Hđệm- nắp + Hđệm-đệm + Hđệm- đáy Hđệm-nắp = 1 m Hđệm-đệm = 0,5 m do tách lớp đệm làm đôi Hđệm-đáy = 1 m Vậy chiều cao tháp Htháp = 8,6+1+0,5+1=11,1 m II.3. Trở lực Áp dụng công thức Trong đó: :Tổn thất đệm khô :Tổn thất đệm ướt Tháp hấp thụ đạt hiệu suất cao nhất khi vận tốc của khí bằng vận tốc điểm đảo pha => Trở lực của tháp đệm đối với hệ khí-lỏng dưới điểm đảo pha có thể xác định được bằng công thức sau: [II-190] ( * ) Trong đó: Pu: tổn thất áp suất khi đệm ướt tại điểm đảo pha có tốc độ của khí bằng tốc độ của khí đi qua đệm khô(N/m2) PK: tổn thất của đệm khô (N/m2) Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h) : khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m3) : độ nhớt của lỏng và khí (Ns/m2) A1: hệ số (ứng với điểm tốc độ làm việc bằng 0.85 tốc độ đảo pha) => A1 = 5,1 * Tổn thất áp suất của đệm khô tính theo công thức: [II-189] Rey = 93,3 => ở chế độ xoáy và đệm là đệm vòng đổ lộn xộn =>==6,46 Tính trở lực đệm khô: ==1243,66 N/m2 →N/m2 => II.4. Mô phỏng Bảng mô phỏng ở 1 số điều kiện: đính kèm Dựa vào bảng mô phỏng kèm theo ta có các nhận xét như sau: Ảnh hưởng khi thay đổi nhiệt độ: Nhiệt độ tăng không có lợi cho quá trình hấp thụ. Nhiệt độ tăng làm giảm hiệu suất hấp thụ và để đạt được yêu cầu phải tăng thêm kích thước thiết bị, tăng đường kính và chiều cao. Ảnh hưởng của áp suất: Áp suất có ảnh hưởng tới hiệu suất hấp thụ, làm tăng hiệu suất hấp thụ. Nhưng nếu áp suất tăng thì chi phí kinh tế cũng tăng theo như là phải lắp đặt thêm máy nén, chi phí năng lượng tăng do công suất hoạt động của máy tăng rất mạnh. Từ bảng mô phỏng ta chọn P=3 atm, T=250C→ D=2 m; H=9,2 m → Htháp= 9,2+1+0,5+1=11,7 m; Gxđ=14000 kmol/h PHẦN 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ Trong việc hấp thụ SO2 bằng nước sử dụng tháp đệm cần có các thiết bị phụ giúp cho quá trình vận chuyển chất lỏng và cung cấp khí vào tháp theo chế độ làm việc của tháp giúp việc hấp thụ đạt được hiệu suất mong muốn.Trong các thiết bị phụ thì bơm và máy nén khí là hai thiết bị quan trọng nhất. I. BƠM Trong công nghiệp, bơm ly tâm được sử dụng rộng rãi và có nhiều loại khác nhau về cấu tạo cũng như cách vận hành. Bơm ly tâm được phân loại theo nhiều cách khác nhau như theo số bậc, theo cách đặt bơm, theo điều kiện vận chuyển của chất lỏng từ guồng ra thân bơm và theo 1 số đặc trưng khác Theo dây chuyền công nghệ trong bài ta chọn bơm ly tâm 1 cấp nằm ngang. I.1. Nguyên tắc làm việc của bơm ly tâm Nguyên tắc hoạt động: Bơm ly tâm làm việc theo nguyên tắc ly tâm. Chất lỏng được hút và đẩy cũng như nhận thêm năng lượng là nhờ tác dụng của lực ly tâm khi cánh guồng quay. Bộ phận chính của bơm là cánh guồng trên có gắn những cánh có hình dạng nhất định, bánh guồng được đặt trong thân bơm và quay với tốc độ lớn. Chất lỏng theo ống hút vào tâm guồng theo phương thẳng góc rồi vào rãnh giữa các guồng và cùng chuyển động với guồng. Dưới tác dụng của lực ly tâm, áp suất của chất lỏng tăng lên và văng ra vào thân bơm, vào ống đẩy theo phương tiếp tuyến. Khi đó ở tâm guồng tạo nên áp suất thấp. Nhờ áp lực mặt thoáng bể chứa, chất lỏng dâng lên trong ống hút vào bơm. Khi guồng quay chất lỏng được hút liên tục, do đó chất lỏng được chuyển động đều đặn. Đầu ống hút có lắp lưới lọc để ngăn không cho rác và vật rắn theo chất lỏng vào bơm gây tắc bơm và đường ống. Trên ống hút có van một chiều giữ cho chất lỏng trên đường ống hút khi bơm ngừng làm việc. Trong ống đẩy có lắp van một chiều để tránh chất lỏng bất ngờ dồn vào bơm gây ra va đập thủy lực làm hỏng bơm I.2. Các thông số đặc trưng của bơm Áp suất mặt thoáng P1= 9,81.104 N/m2 Áp suất làm việc P= 3 atm=3×1,013.105=303900 N/m2 Gia tốc trọng trường g=9,81 m/s2 Ở 250C: ρnước=997,08 kg/m3 μnước=0,8937.10-3 Ns/m2 Áp suất toàn phần của bơm H(m): Áp dụng phương trình becnulli ta có 2 2’ 1’ 1’’’’ 1 1 P1 2’ Mặt cắt 1-1 và 1’-1’: Mặt cắt 1-1 và 2-2 Trong đó: P1: áp suất bề mặt nước không gian hút P2: áp suất không gian đẩy ρ: khối lượng riêng của nước Pv: áp suất trong ống hút lúc vào bơm Pr: áp suất của chất lỏng trong ống đẩy lúc ra khỏi bơm Hh, Hd: chiều cao ống hút và ống đẩy hmh, hmd: tổn thất áp suất do trở lực gây ra trong ống hút và ống đẩy hmh + hmd= : Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực trong hệ thống, áp suất toàn phần của bơm là hiệu áp suất giữa hai giai đoạn hút và đẩy ω1: vận tốc nước ở bể chứa, ω1=0 ω2: vận tốc nước khi vào tháp hay trong ống đẩy ω1’: vận tốc nước khi vào bơm ω2’: vận tốc nước khi ra khỏi bơm Thực tế: ω2 = ω2’ → Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống hút của bơm hmh = Trong đó: : áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy ra khỏi ống : áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi chảy ổn định trong ống thẳng : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ = Đường kính ống hút: Trong đó: V là lưu lượng thể tích chất lỏng đi trong ống, m3/s Theo bảng II.2(I-370) chất lỏng trong ống hút của bơm có ωh=0,8-2,0 (m/s). Chọn ωh = 1,5 (m/s) → Quy chuẩn dh=0.244m→ Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống hút Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau (I-380) Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn → Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức: → Hệ số trở lực cục bộ: Chất lỏng vào ống thẳng, đầu ống hút có lắp lưới chắn đan bằng kim loại Với Chọn → Bảng II.16(I-382,384) → trở lực của ống có lắp lưới chắn đan bằng kim loại là Trên ống hút còn lắp 1 van 1 chiều. Theo I-399→ Chọn → Tra bảng II-34(I-441) sự phụ thuộc chiều cao hút của bơm ly tâm vào nhiệt độ. Ở nhiệt độ làm việc T=250C thì chiều cao hút của bơm ở khoảng 4,5m thì đảm bảo không xảy ra hiện tượng xâm thực. Tuy nhiên để loại trừ khả năng dao động trong bơm nên giảm chiều cao hút khoảng 1÷1,5m so với giá trị trong bảng. Vậy chọn chiều cao hút là 3,5m → Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là: → hmh = = Xác định tổn thất áp suất do trở lực gây ra trên đường ống đẩy: Đường kính ống đẩy: Theo bảng II.2( I-370) vận tốc chất lỏng trong ống đẩy của bơm là ωd= 1,5-2,5 m/s. Chọn ωd = 2,0 m/s => Quy chuẩn dd = 21cm Vận tốc của ống đẩy là Chuẩn số Re của chất lỏng trong ống đẩy Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau (I-380) Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn → Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức: → Theo bảng II.16(I-393), đối với thành nhẵn Re > 2.105 thì bỏ qua tổn thất ma sát ξcong=A.B.C Góc Chọn: θ => Hệ số trở lục cục bộ của toàn ống đẩy: Chọn chiều dài ống đẩy là Hd=12m. → Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là: → hmd = = →hm= hmh + hmd =0,5+1,08=1,58m Vậy áp suất toàn phần của bơm: Công suất của bơm: Công suất yêu cầu trên trục bơm: Áp dụng công thức: (kW) I-439 Trong đó:ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m3 N: hiệu suất của bơm, kW Q: năng suất của bơm(m3/s); Q= ,m3/s → Q==0,07 m3/s g: gia tốc trọng trường(m/s2) H: áp suất toàn phần của bơm tính bằng mặt cắt cột chất lỏng bơm η: hiệu suất của bơm (I-439) Với : hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp và do chất lỏng rò từ các chỗ hở của bơm : hiệu suất thủy lực : hiệu suất cơ khí Hiệu suất toàn phần phụ thuộc vào loại bơm và năng suất. Khi thay đổi chế độ làm việc của bơm thì hiệu suất cũng thay đổi Đối với bơm ly tâm: Chọn: ;; → Vậy công suất yêu cầu trên trục bơm: Công suất động cơ điện Ndc(kW) Với: : hiệu suất truyền động : hiệu suất động cơ điện Thông thường động cơ điện được chọn có công suất lớn hơn so với công suất tính toán. Chọn β=1,15 → Chọn công suất động cơ điện là 51 kW II. Máy nén khí Tháp làm việc ở điều kiện P=3atm, T=250C. Ta chọn máy nén ly tâm Máy nén ly tâm là một loại máy nén và đẩy khí nhờ tác dụng của lực ly tâm do bánh guồng sinh ra. Dùng máy nén ly tâm khi áp suất đẩy từ 2-10 at. Độ nén của máy ly tâm nhỏ nên máy có nhiều cấp thường từ 3-7 cấp Độ nén trong một cấp từ 1,2-1,5 khi tốc độ vòng nhỏ hơn 200m/s Đường kính bánh guồng từ 700-1400 mm. Cánh guông có thể cong ra hoặc hướng tâm Các điều kiện của khí đầu vào T=250C, P=1atm II. Công của máy nén ly tâm Áp dụng công thức (I-465) Trong đó: PA, PB: áp suất trước và sau khi nén, at 1 A A B B 2 2 T1: nhiệt độ đầu của khí, K T1=25+273=298K m: chỉ số đa biến, m=1,2÷1,62. Chọn m=1,4 R: hằng số khí, R Áp dụng phương trình becnulli cho mặt cắt 1-1 và mặt cắt A-A. chọn mặt cắt 1-1 làm chuẩn Do ống nằm ngang nên ZA=0. Chọn vận tốc khí trong bể chứa tĩnh: =0 → Phương trình becnulli cho mặt cắt 2-2 và B-B. Chọn mặt cắt B-B làm chuẩn Vận tốc khí trong ống đẩy: → Với: P1 = Pa: áp suất khí quyển, P1 = 9,81.104 (N/m2) P2: áp suất cuối ống đẩy, N/m2. ZB : chiều cao ống đẩy Khối lượng riêng của hỗn hợp khí thải ở điều kiện đầu vào của khí = 3.63 kg/m3 hmh, hmd : trở lực trên đường ống hút và ống đẩy Xác định áp suất trước khi nén: Trong đó: P1 : áp suất khí quyển (như bơm ly tâm) → * Đường kính ống hút. [I-369]. V: Lưu lượng thể tích đầu vào của khí thải Khí trong ống dẫn P > 1at thì ω = 15 ÷ 25m/s II.2(I-370) Chọn vận tốc hút ωh = 25m/s. Chuẩn số Reynol => Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát được tính như sau: [I-380] Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối. Chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn → Δ: độ nhám tương đối, được xác định theo công thức: → → * Hệ số trở lực cục bộ trong ống hút: Trong đó: : Hệ số trở lực của ống thẳng, đoạn ống thẳng có đầu lồi ra phía trước có : hệ số trở lực của van Chọn van 1 chiều.Theo II.16 [I-399] ta có dh =0,34 m => chọn →trở lực cục bộ của ống hút Chọn chiều dài ống hút Hh =Lh =5 (m) → → → * Xác định áp suất sau nén: Áp dụng công thức: Trong đó: P2: áp suất cuối đường ống đẩy Víi: * Đường kính ống đẩy Theo II.2(I-370) khí trong ống đẩy của máy nén . Chọn vận tốc đẩy → → Quy chuẩn dd = 38,5 cm Chuẩn số Re trên đường ống đẩy: Dòng ở chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát tính theo công thức: [I-380] Trong đó: Độ nhám tuyệt đối, chọn vật liệu làm ống là thép nối không hàn → Độ nhám tương đối, được xác định theo công thức: Thay vào công thức: → → * Hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy Áp dụng công thức: Trong đó: : hệ số trở lực của ống thẳng; =0,5 : hệ số trở lực của van, chọn van 1 chiều. Theo bảng II.16 ta có dd = 0,385 m có = 2,1÷ 2,5 => chọn =2,5 : hệ số trở lực cục bộ của đường ống cong; =A.B.C Góc θ = 900 => A =1 Chọn =2 => B =0,15 = 0,5 => C =1,45 →= 1×0,15×1,45 = 0,2175 →Hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy = 0,5+ 2,5+ 0,2175= 3,2175 Chọn chiều dài ống đẩy Hd =Ld =5 (m) vậy trở lực trong ống đẩy: Tổn thất áp suất trên đường ống đẩy: → Áp suất cuối đường ống đẩy = 4777,72+3195,79+303900 = 311873,51(N/m2) →Vậy áp suất sau khi nén là: = 311873,51+ 3,63× 9,81×5 = 312051,56(N/m2) Thay các số liệu vào công thức tính công của máy nén ta có: II.2 Công suất của máy nén *Công suất lý thuyết [I-466] Trong đó: G: Công suất của máy nén, kg/s L: Công nén 1 kg khí Nlt: Công suất lý thuyết ,kW → Công suất thực tế của máy nén (kw) [I-466] Trong đó: Ndn: công suất đẳng nhiệt, kw Ndn= 1014,5 kW : hiệu suất đẳng nhiệt thường bằng 0,65÷ 0,75. Chọn = 0,7 → Công suất trên trục của máy nén Trong đó: Nhd: công suất hiệu dụng,kw : hiệu suất cơ khí của máy nén. Đối với máy nén ly tâm =0,96÷ 0,98. Chọn = 0,97 → II.3 Công suất của động cơ điện [I-466] Trong đó: hệ số dự trữ công suất thường lấy bằng 1,1÷1,15.Chọn =1,15 hiệu suất truyền động ( 0,96÷ 0,99 ) → = 0,98 hiệu suất động cơ điện =0,95 Như vậy ta chọn động cơ điện có công suất 1600 kW PHẦN III: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ I. Chiều dày thân tháp Thiết bị làm việc ở áp suất khí quyển, dùng để hấp thụ khí S02, thân tháp hình trụ, được chế tạo bằng cách uốn tấm vật liệu với kích thước đã định sẵn, hàn ghép mối, tháp được đặt thẳng đứng Chọn thân tháp làm bằng vật liệu X18H10T( C < 0,1%, Cr khoảng 18%, Ni khoảng 10%, Ti không quá 1 – 1,5%). Chọn thép không gỉ, bền nhiệt và chịu nhiệt. Thông số giới hạn bền kéo và giới hạn bền chảy của thép loại X18H10T: σk = 540.106(N/m2) σc = 220.106 (N/m2) Độ giãn tương đối: δ = 38% Độ nhớt va đập : ak = 2.106J/m2 Chiều dày thân tháp hình trụ, làm việc với áp suất bên trong được xác định bằng công thức:, m Bảng XIII.8-II-360 Trong đó: Dt.: đường kính trong tháp, m φ: hệ số bền của thành thân trụ theo phương dọc, với thân hay có lỗ gia cố hoàn toàn thì φ = φh đối với mối hàn đặc.Với hàn tay bằng hồ quang điện, thép không gỉ ta có: φ = φh = 0,95 [Bảng XIII.8-II-362] C : hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày, m [σk]: ứng suất cho phép của loại thép X18H10T. P: Áp suất trong thiết bị, N/m2. P: Áp suất trong thiết bị ứng với sự chênh lệch áp suất lớn nhất bên trong và ben ngoài tháp, N/m2 P= Pmt+ Ptt Trong đó: Pmt : Áp suất làm việc, Pmt= 3 x 1,013.105 = 303900 N/m2 Ptt : Áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng Ptt = ρx.g.H (N/m2) [II- 360 ] Với: ρx: khối lượng riêng của nước, kg/m3 g: gia tốc trọng trường, g= 9,81 m/s2 H: chiều cao cột chất lỏng, Ht= 11,7 m => Ptt = ρx.g.H = 997,08 x 9,81 x11,7 =114441,9 ( N/m2) => P = Pmt+ Ptt = 303900+ 114441,9 = 418341,9( N/m2) * Tính C C phụ thuộc vào độ ăn mòn, độ bào mòn và dung sai của chiều dày. Đại lượng C được xác định theo công thức: C = C1+ C2+ C3 ,m [II-363] Trong đó: C1: hệ số bổ sung do ăn mòn. Đối với vật liệu là thép X18H10T có độ bền 0,05→ 0,1mm/năm thì lấy C1= 1mm. C2: Đại lượng bổ sung do hao mòn, C2= 0 C3: Đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày *Tính [σk]: Theo bảng XIII-4 ,ta có thể chọn giá trị nhỏ nhất, tính theo công thức sau: Theo giới hạn bền khi kéo thì ta có: η: hệ số hiệu chỉnh, η =1 σk= 540.106(N/m2) ηk: hệ số an toàn bền, ηk= 2,6 [II- 356] →= = 207,692.106 Theo giới hạn bền chảy: Trong đó: η: hệ số hiệu chỉnh, η =1 σc = 220.106 (N/m2) ηc: hệ số an toàn theo giới hạn chảy, ηc= 1,5 [II-356] →== 146,667.106 Ta lấy giá trị bé hơn trong hai giá trị vừa tính được: [σk] = 146,667.106( N/m2) Do đó =333,0617>50 → bề dày thân tháp được tính theo công thức sau: =, m C = C1+ C2+ C3 = 1+0+0,18= 1,18 mm →S= 3,0025+1,18=4,1825 mm Quy tròn S = 5 mm Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử: , N/m2 Trong đó: P0: Áp suất thử, được xác định theo công thức P0 = Pth+ Ptt Pth: Áp suất thuỷ lực lấy theo bảng XIII.5 Chọn Pth = 1,5P = 1,5×418341,9=627512,85 (N/m2) Ptt: Áp suất thuỷ tĩnh, Ptt= 114441,9(N/m2) => P0 = 627512,85 + 114441,9 = 741954,75(N/m2) Vậy N/m2 N/m2 Như vậy là không thoả mãn. Chọn chiều dày thân tháp S = 6 mm Thoả mãn điều kiện. Vậy S = 6 mm II. Chiều dày nắp và đáy thiết bị Nắp và đáy cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị, được chế tạo cùng loại vật liệu với thân thiết bị là thép X18H10T. Thiết bị đặt thẳng đứng. Áp suất trong là P = 418341,9 > 0,7.105 N/m2 người ta thường dùng nắp elip có gờ. Áp suất tính toán P=418341,9 N/m2 Chiều dày của nắp và đáy thiết bị được xác định theo công thức: Trong đó: P : Áp suất trong của thiết bị. hb : chiều cao phần lồi của đáy và nắp , hb= 0,25Dt=0,25×2=0,5 m [σk] : ứng suất cho phép của thiết bị , [σk] = 146,667.106(N/m2) φh : hệ số bền của mối hàn hướng tâm, với mối hàn tay bằng hồ quang điện, vật liệu thép cacbon không gỉ chọn φh= 0,95 C: Đại lượng bổ sung, Cn = 1,18 ( mm ) k : hệ số không thứ nguyên, chọn k = 1 Vì: → Bề dày nắp và đáy được tính theo công thức: = S = 0,00316 + C ( m ) xét thấy S = 0,00316 + C< 10 mm → tăng thêm 2 mm so với giá trị C → C = 1,18+2=3,18 mm → S = 6,34 mm Quy tròn S = 7mm Kiểm tra ứng suất của đáy thiết