TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC BỘ MƠN Q TRÌNH & THIẾT BỊ MƠN HỌC: CƠ SỞ TÍNH BỊ HỐ CHẤT TỐN THIẾT KẾ THIẾT Đề tài TÍNH TỐN CƠ KHÍ VÀ CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ CHO THÁP MÂM XUYÊN LỖ HẤP THU NH3 GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu Sinh viên thực Trần Đông Hải 1937063 Lê Tuấn Duy 1811710 Bùi Trần Long 2035028 Nguyễn Thị Phương Tuyền 1933083 Cao Chu Minh Trí 1933007 Thành phố Hồ Chí Minh, 11/2021 Nhóm Tính tốn khí thiết bị phụ trợ cho tháp mâm xuyên lỗ hấp thụ NH3 MỤC LỤC Cơ sở lý thuyết thông số ban đầu: 1.1 Tổng quan khí NH3 : 1.1.1 Khái niệm: Amoniac hợp chát vơ có cơng thức phân tử NH , amoniac có khơng khí dạng lỏng khí Đó loại khí khơng màu khơng mùi khó chịu, có tên quốc tế (theo IUPAC) “Amoniac”, “Azane” sô tên gọi khác Một người hít phải khí lâu nặng dẫn đến tử vong Thuật ngữ “Amoniac” có nguồn gốc từ liên kết hố học có tên clorua ammoni tìm thấy gần đền thờ Mộc tinh Ammon Ai Cập Người giới chế Amoniac nguyên chất nhà hoá học Dzozè Prisly Ơng thực thành cơng thí nghiệm vào năm 1774 người ta gọi Amoniac chất khí kiềm Các nhà máy sản xuất phân ure, axit nitric, hoặ nhà máy chuyên sản xuất amoniac lỏng hay việc sử dụng amoniac làm phân bón tạo khí NH3 Trong tự nhiên có lượng nhỏ NH3 tồn khí thường xuyên hợp chất tạo từ trình phân huỷ vật liệu hữu có nguồn gốc động thực vật 1.1.2 Tính chất vật lý: Amoniac chất không màu, mùi khai xốc, nhẹ khơng khí (khối lượng riêng D = 0,76g/l) Nhóm Tính tốn khí thiết bị phụ trợ cho tháp mâm xuyên lỗ hấp thụ NH3 Amoniac hoá lỏng -34oC hoá rắn -78oC Ở điều kiện tiêu chuẩn, chất khí độc, tan nhiều nước hình thành liên kết hidro với phân tử nước (1 lít nước 20oC hồ tan 800 lít NH3) 1.1.3 Tính chất hoá học: Nguyên tử nitơ phân tử amoniac có e độc thân, phân tử amoniac tạo thành ba liên kết cộng hóa trị với ba ngun tử hidro Amoniac có cấu tạo hình chóp, nguyên tử nitơ đỉnh, đáy tam giác mà đỉnh ba nguyên tử hidro Ba liên kết liên kết có cực cặp e chung bị lệch phía nitơ Do đó, phân tử NH3 phân tử phân cực, N dư điện tích âm, cịn ngun tử H dư điện tích dương • • • • • Tính bazo yếu (do cặp e chưa tham gia liên kết nguyên tử N) NH3 tác dụng với nước NH3 + H2O NH4+ + OHNH3 tác dụng với axit tạo muối amoni NH3 + H+ NH4+ Tính khử mạnh (do N NH3 có mức oxi hóa thấp -3) Tác dụng với O2 2NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O (to thường) 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O (850oC có Pt làm xúc tác) Tác dụng với khí Clo (tạo lửa có khói trắng) 2NH3 + 3Cl2 6HCl + N2 Khói trắng hạt nhỏ tinh thể NH 4Cl tạo nên HCl sau sinh lại hóa hợp với NH3: NH3 + HCl NH4Cl Tác dụng với oxit kim loại 2NH3 + 3CuO 3Cu + H2O + N2 (to) 1.2 Các vấn đề môi trường liên quan đến NH3 : Phần lớn NH3 tiêu thụ với mục đích sản xuất phân bón làm lạnh Lượng NH cho sản xuất phân bón nước 500-540 nghìn tấn/năm Do việc sản xuất NH ngày gia tăng dẫn đến việc nồng độ khí NH thải ngồi mơi trường q nhiều gây nên việc nhiễm khí thải vượt nồng độ cho phép Nhóm Tính tốn khí thiết bị phụ trợ cho tháp mâm xuyên lỗ hấp thụ NH3 Theo thống kê năm ngành chăn nuôi gia súc, gia cầm thải khoảng 75-85 triệu chất thải Theo báo cáo Viện Chăn ni, nồng độ khí H 2S NH3 chất thải chăn nuôi cao khoảng 30-40 lần mức cho phép Nhìn chung lượng NH3 sản xuất năm nhiều, khí độc gây ảnh hưởng mơi trường, chất lượng khơng khí nên cần phải tìm cách giảm thiểu số khí độc ngồi mơi trường Phương pháp hấp thụ Hấp thụ trình quan trọng để xử lý khí ứng dụng nhiều trình khác Hấp thụ dựa sở q trình khuếch tán cấu tử pha khí vào pha lỏng rắn tiếp xúc hai pha Có hai loại hấp thụ: Hấp thụ vật lý: Dựa hịa tan cấu tử pha khí pha lỏng (tương tác vật lý) Hấp thụ vật lý sử dụng rộng rãi xử lý khí thải Hấp thụ hóa học: Cấu tử pha khí pha lỏng có phản ứng hóa học với (tương tác hóa học) Cơ chế q trình chia thành ba bước: • Khuếch tán cấu tử pha khí đến bề mặt chất lỏng hấp thụ • Thâm nhập hịa tan chất khí vào bề mặt chất hấp phụ • Khuếch tán chất khí vào sâu lịng chất lỏng hấp thụ Trong cơng nghệ hóa chất thực phẩm, q trình hấp thụ dùng để: o Thu hồi cấu tử quý pha khí o Làm pha khí o Tách hỗn hợp tạo thành cấu tử riêng biệt Đặc điểm khí amoniac dễ tan nước phương pháp hấp thụ với nước dung môi hấp thụ phương pháp xử lý hiệu Tháp hấp thụ chọn tháp mâm lỗ Tháp hấp thụ mâm lỗ: • Cấu tạo Tháp mâm thường cấu tạo thân hình trụ thẳng đứng, bên có đặt ngăn (mâm) cách khoảng định Trên mâm hai pha chuyển động ngược chéo chiều: lỏng từ xuống (hoặc ngang), khí từ lên xuyên qua chất lỏng chảy ngang; tiếp xúc pha xảy theo bậc mâm Nhóm Tính tốn khí thiết bị phụ trợ cho tháp mâm xuyên lỗ hấp thụ NH3 So với tháp đệm tháp mâm phức tạp phân thành nhiều loại theo kết cấu mâm vận chuyển chất lỏng qua lỗ theo ống chảy mâm • Phân loại Tháp khơng có ống chảy chuyền: khí lỏng chuyển động từ mâm sang mâm khác lỗ Vì khơng có tượng giảm chiều cao chất lỏng đĩa tháp có ống chảy chuyền, tất bề mặt mâm làm việc nên hiệu mâm cao Vì năm gần loại tháp sử dụng rộng rãi Tháp mâm có ống chảy chuyền: Trên mâm có cấu tạo đặc biệt để lỏng từ mâm xuống mâm theo đường riêng gọi ống chảy chuyền Mâm cuối ống chảy chuyền ngập sâu khối chất lỏng đáy tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí theo ống lên mâm • Ưu điểm: Chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực tương đối thấp, hiệu suất cao • Nhược điểm: không làm việc với chất lỏng bẩn, yêu cầu lắp đặt cao, mâm lắp phải phẳng, tháp có đường kính q lớn dùng mâm xun lỗ chất lỏng phân phối khơng mâm Thuyết minh cơng nghệ Dịng khí hấp thụ vào từ phía đáy tháp di chuyển theo chiều lên nhờ hệ thống quạt Dòng lỏng bơm từ bồn chứa để đưa vào phía tháp tiếp xúc với pha khí q trình hấp thụ xảy Hấp thụ xảy đoạn tháp có bố trí mâm Hỗn hợp khí hút vào ống khói nhờ quạt hút thải môi trường với nồng độ NH3 đạt tiêu chuẩn cho phép Dung dịch sau hấp thụ đưa xử lý, lắng cặn thải môi trường 1.3 Chọn thơng số tính tốn cho tháp mâm xun lỗ hấp thụ NH3 : Chọn vật liệu chế tạo thân, đáy, nắp, bích tháp thép CT3 (tính dẻo cao): Trong đó: hệ số hiệu chỉnh Tháp hấp thu tháp loại I (nhận định CO2 khí độc nồng độ Nhóm Tính tốn khí thiết bị phụ trợ cho tháp mâm xuyên lỗ hấp thụ NH3 cao) Tra bảng XIII.2 giá trị hệ số hiệu chỉnh, trang 256, sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2) Ta chọn hệ số an toàn theo giới hạn kéo chảy Tra bảng XIII.3, trang 356, sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất tập 2), ta Hệ số mối hàn Đường kính thiết bị: Chiều cao toàn tháp: H = 6,54 m Tính thân thiết bị: Áp suất thiết kế tháp: Trong đó: (P1 áp suất thuỷ tĩnh nước) Chọn thân thiết bị thân hình trụ hàn, chế tạo loại cần ý: Đảm bảo đường hàn rắn tốt, Chỉ hàn giáp nối Bố trí đường hàn dọc đoạn thân trụ riêng biệt lân cận cách 100mm Bố trí mối hàn vị trí dễ quan sát Khơng khoan lỗ qua mối hàn Chiều dày tối thiểu thân hình trụ xác định theo cơng thức: Trong : đường kính thân thiết bị : áp suất làm việc thiết bị : ứng suất dọc trục Nhóm Tính tốn khí thiết bị phụ trợ cho tháp mâm xuyên lỗ hấp thụ NH3 Chọn: : hệ số bổ sung ăn mòn : hệ số bổ sung bào mòn, chọn C2 = : hệ số bổ sung sai lệch chế tạo lắp ráp ( tra bảng XII.9 stt2/ trang 364) Để đảm bảo độ bền chắn, chọn chiều dày thân Kiểm tra áp suất tính tốn cho phép: Vậy chọn bề dày thân hình trụ Tính đáy nắp ellipse: Chọn đáy nắp ellipse tiêu chuẩn chịu áp suất với nắp hàn tay Để đảm bảo độ bền, chọn bề dày s = mm Kiểm tra áp suất tính tốn cho phép: Vậy chọn s đáy (nắp) mm Chọn tính mối ghép bích: Do , chọn mối ghép bích liền khơng cổ, vật liệu thép CT3, hoạt động tối đa 250℃ áp suất danh nghĩa bar Nhóm Tính tốn khí thiết bị phụ trợ cho tháp mâm xuyên lỗ hấp thụ NH3 Từ số liệu tính tốn, ta chọn thơng số sau (mm) : Dn (A) Dt (B) Db (C) Z db t1 S 1175 1006 1120 28 27 55 81 N/mm2 102 N/mm2 (Chọn D0 = 1030 mm, Dt = Dt (thân) + 2s = 1006 mm) Cánh tay địn moment gây uốn bích: Vậy chọn bề dày bích với t theo tiêu chuẩn 60 mm Lựa chọn thiết bị phụ trợ: 5.1 Chân đỡ: Chọn khối lượng toàn tháp 5100kg bao gồm: • • • • • • • Khối lượng tháp Khối lượng đáy nắp elippse Khối lượng mâm Khối lượng pha lỏng chứa tháp Khối lượng bích nối thân Khối lượng bích ống dẫn khí với thân Khối lượng bích ống dẫn lỏng khí với thân Chọn chân đỡ có chân, tải trọng cho phép lên chân : Nguyễn Hữu Hiếu, Thiết kế khí thiết bị áp lực, NXB ĐHQG, 2019, Tr 313 Nhóm Tải trọng cho phép chân G (N) Tính tốn khí thiết bị phụ trợ cho tháp mâm xuyên lỗ hấp thụ NH3 L B B1 B2 H h s d 350 185 16 27 mm 250 180 215 290 5.2 Chọn tai treo: Chọn tai treo Tải trọng cho phép lên tai treo 5.1×104/4 = 1.28 ×104 (N/m2) Tải trọng cho phép tai đỡ G (N) L B B1 H d a 215 30 20 mm 150 120 130 Trần Xoa, Sổ tay Quá trình thiết bị cơng nghệ hố chất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006, Tr 437 Trần Xoa, Sổ tay Q trình thiết bị cơng nghệ hố chất, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006, Tr 438 Nhóm Tính tốn khí thiết bị phụ trợ cho tháp mâm xuyên lỗ hấp thụ NH3 Tài liệu tham khảo Nguyễn Hữu Hiếu, Thiết kế khí thiết bị áp lực, NXB Đại Học Quốc Gia, 2019 Trần Xoa, Sổ tay Quá trình thiết bị cơng nghệ hố chất tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 Hồ Lê Viên, Tính toán, thiết kế chi tiết thiết bị hoá chất dầu khí, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2006 10