Tài liệu ĐỒ ÁN MÔN HỌC" thiết kế tháp hấp thu khí NH3 bằng nước" pdf

Vì vậy đồ án môn học kỹ thuật xử lý chất thải với nhiệm vụ thiết kế tháp hấp thu khí NH3 bằng nước là một trong số những công việc cần làm vào lúc này để giúp giảm thiểu ô nhiễm từ các d

LỜI MỞ ĐẦU

Ô nhiễm không khí từ các ngành sản xuất công nghiệp ở nước ta, trong những năm gần đây đang là vấn đề quan tâm không chỉ của nhà nước mà còn là của tồn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó đã đến lúc báo động

Bên cạnh nguyên nhân đây là một lĩnh vực còn khá mới mẻ mà chúng ta chưa thấy hết được mối nguy hiểm của nó đối con người và sinh vật , mặt khác chưa có hệ thống quản lý môi trường thật sự hồn chỉnh để có thể kiểm sốt , và chưa được sự chú trọng đúng mức từ phía các nhà sản xuất

Vì vậy đồ án môn học kỹ thuật xử lý chất thải với nhiệm vụ thiết kế tháp hấp thu khí NH3 bằng nước là một trong số những công việc cần làm vào lúc này để giúp giảm thiểu ô nhiễm từ các dòng khí thải

Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn , các thầy cô bộ môn và các bạn sinh viên giúp em hồn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện

PHAN HỮU TÀI

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 2

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

I.1.Khái niệm:

I.1 Hấp thu: là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha

lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng

- Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ ; chất lỏng dùng hút gọi là dung môi (chất hất thụ) , khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ

- Mục đích: hòa tan một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng Các quá trình xảy ra do sự tiếp xúc pha giữa khí và lỏng Quá trình này cần sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng Nếu quá trình xảy ra ngược lại , nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha hơi , ta có quá trình nhả khí Nguyên lýcủa cả hai quá trình là giống nhau

- Trong công nghiệp hóa chất , thực phẩm quá trình hấp thu dùng để:

1) Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí

2) Làm sạch pha khí

3) Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt

4) Tạo thành một dung dịch sản phẩm

- Hấp thu bao gồm quá trình hấp thu vạât lý và hấp thu hóa học

1 Hấp thu vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng

2 Hấp thu hóa học : giữa hổn hợp khí và dung môi có xảy ra phản ứng hóa học

I.2 Quá trình khí với mục đích là tách các cấu tử hổn hợp khí thì khi đó lựa chọn dung môi tốt là phụ thuộc và các yếu tố sau :

1) Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và không hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại Đây là điều kiện quan trọng nhất

2) Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thuỷ học càng nhỏ và và có lợi cho quá trình chuyển khối

3) Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt khi hồn nguyên dung môi

4) Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hồ tan để dể tách các cấu

tử ra khỏi dung môi

5) Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh tắc thiết bị và thu hồi các cấu tử hòa tan

dễ dàng hơn

6) Ít bay hơi, rẻ tiền , dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mòn thiết bị

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 4

I.2 Cơ sở lý thuyết :

I.2.1 Cơ sở vật lý của quá trình hấp thu

Hấp thu là quá trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng trong rất nhiều quá trình khác Hấp thu trên cơ sở của quá trình truyền khối , nghĩa là phân chia hai pha Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thu và chất bị hấp thu trong pha khí

I.2.2 Các quá trình cơ bản của quá trình hấp thu :

I.2.2.1 Phương trình cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật liệu có dạng:

GYYĐ + GXXĐ = GXXC + GYYC

Trong đó :

GX :luợng khí trơ không đổi khi vận hành ( kmol/ h)

GY: lượng dung môi không đổi khi vận hành(kmol/ h)

YĐ , YC: nồng độ đầu và cuối của pha khí

XĐ , XC: nồng độ cuối và đầu của pha lỏng

X+: nồng độ pha lỏng cân bằng với pha hơi

Lượng dung môi tối thiểu: Lmin

Lmin d c

theo thực nghiệm ta thấy: L = (1.2÷1.3)Lmin

Phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có :

Gđ, Gc : hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h)

Lđ, Lc : lựong dung dịch đầu và cuối (kg/h)

Tđ, Tc :nhiệt độ khí ban đầu và cuối (oC)

Iđ, Ic : entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối(kJ)

Qo: nhiêt mất mát (kJ/h)

Qs:nhiệt phát sinh do hấp thu khí(kJ/h)

I.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu:

I.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henri sẽ tăng Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung Nếu các đừơng làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm , số đĩa lý thuyêt sẽ tăng và chiều cao của thiết bị sẽ tăng Thậm chí có khi tháp không làm việc được vì nhiệt độ tăng quá so với yêu cầu kỹ thuật Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi là làm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng tăng

I.3.2 Ảnh hưởng của áp suất :

Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng sẽ tăng và cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hồnh

Khi đừong làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ tăng quátrình chuyển khối sẽ tốt hơn và số đĩa lý thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp sẽ thấp hơn

Tuy nhiên , việc tăng áp suất thừơng kèm theo sự tăng nhiệt độ Mặt khác ,

sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vân hành của tháp hấp thụ

I.3.3 Các yếu tố khác:

Tính chất của dung môi , loại thiết bị và cấu tạo thiết bị độ chính xác của dụng cụ đo , chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu

I.4 Tính chất của NH 3:

Amoniac là chất khí không màu, cómùi kích thích (mùi khai) Khi tăng áp

suất hay làm lạnh đến –33.6oC nó hố lỏng và đến – 77.8oC nó hố rắn Dưới áp suất cao

NH3 dễ dàng hố lỏng ở nhiệt độ thường Một thể tích nước có thể hồ tan 700 thể tích NH3

Dung dịch đặc chứa 25% NH3 có khối lượng riêng 0.91g/cm3 Dung dịch

NH3 trong nước được gọi là nước amoniac hay dung dịch amoniac, khi hồ tan NH3 vào nước thì tạo thành amonihydroxyt

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 6

N2 + 3H2 2 NH3

Chất xúc tác phản ứng hay dùng là sắt có lẫn nhôm oxyt và kalioxyt Quá trình xảy ra ở nhiệt độ 500 – 550oC và áp suất 200 – 800 atm, trong một số thiết bị có thể đưa áp suất lên đến 1000 atm

Amoniac còn là sản phẩm phụ khi cốc hố than

Lượng lớn amoniac điều chế trong công nghiệp được dùng để sản suất acid nitric và phân đạm Amoniac còn được dùng là tác nhân làm lạnh trong máy lạnh, dùng

trong phòng thí nghiệm và trong y học

I.5 Thiết bị hấp thụ :

Thiết bị được sử dụng để tiến hành quá trình hấp thu được gọi là thiết bị hấp thu hoặc cột hấp thu được gọi là thiếtbị hấp thu hoặc cột hấp thu , tháp hấp thu thiết bị hấp thu có thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục và được chia thành 4 nhóm sau:

• Thiết bị hấp thụ bề mặt : được dùng khi hấp thu một lương nhỏ co ùtính hòa tan tốt

• Thiết bị hấp thu loại đệm : được sử dụng phổ biến nhất khi khi chất lỏng

và chất khí tinh khiết và có mât độ phun lớn

• Thiết bị hấp thu loại sủi bọt : đựoc dùng khi tháp có năng suất cao và cầøn thốt ra một luợng nhệt lớn

• Thiết bị hấp thu loại phun: thành tia và thiết bị hấp thu cơ khí

CHƯƠNG II:

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 8

Thiết minh quy trình công nghệ :

Khí cần được xử lý được lấy từ các nhà máy sản xuất phân bón , sản xuất phân Ure, sẽ được thu lại rồi sau đó dùng quạt thổi khí vào tháp hấp thụ (tháp mâm xuyên lỗ) Dung dịch dùng hấp thụ là nước Tháp hấp thụ làm việc nghịch chiều: nước được bơm lên dồn cao vị mục đích là để ổn định lưu lượng, từ đó cho vào tháp từ trên đi xuống, hỗn hợp khí được thổi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra Hấp thụ xảy ra trong đoạn tháp có bố trí các mâm Hỗn hợp khí trơ đi ra ở đỉnh tháp sẽ được cho đi qua ống khói để phát tán khí ra ngồi không gây ảnh hưởng đến công nhân Dung dịch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồn chứa Tại đây , dung dịch lỏng này sẽ được xử lỳ để sao cho nồng độ của nước thải đạt được nồng độ cho phép để có thể thải ra môi trường Nếu trong khu công nghiệp thì xử lý sao cho nước thải đạt tiêu chuẩn loại B (1mg/l) hoặc nếu đặt trong khu sinh hoạt thì phải xử lý cho đến khi đạt tiêu chuẩn loại A (0,1mg/l)

Sơ đồ quy trình công nghệ ( xem hình ở trang bên):

CHƯƠNG III:

TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT

CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 10

III.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho tháp hấp thụ:

III.1.1 Các thơng số ban đầu:

Nồng độ NH3 đầu vào: 3.5g/m3

Khí đạt tiêu chuẩn loại A: 300mg/m3

Lưu lượng khí thải :10000 m3/h

Các thơng số khác tự chọn

Nhiệt độ làm việc của tháp T= 300C

Aùp suất làm việc 1atm

III.1.2 Đường cân bằng pha :

=3,17

Y* =

X m

X m

)1(1

.17.3

−+

• Gd=

RT

V P.

=

303.082,0

000,10.1

= 402,479

h Kmolhh

Do lượng NH3 =3,5 g/m3 là rất nhỏ:

• yd =

165,1.17

29.5,3

y

− =0.05 Kmolhh

KmolNH 3

• Gtr=Gd(1-yd)=402,497(1-0,005)=400,47Kmol ktr/h Lượng khí NH3 ban đầu:

MNH3 =

)30273(082.0

17.1000.005,0.1

+ =3,42(g/m

3) Lượng khí sau quá trình hấp thụ là: 0.3(g/m3) =300(mg/m3) Lượng khí bị hấp thu là: 3,42-0,3 =3,12(g/m3)

Hiệu suất hấp thu là:

42,3

12,3

00044,0+ =0,000439 Kmol NH3/Kmol ktr

• Gc=Gtr(Yc+1)=400,47.(0.00044+1)=400,65Kmolhh/h Chọn Xd=0

Yc Yd

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 12

Lmin=Gtr*

Xd Xcbc

Yd Yc

−

−

=400,47*

)000158.0(

)00044.0005.0(

YcYd

−

−

0013

, 0 0 47

, 400

96 , 1386

00044 005 0

3

O H kmol

NH kmol X

G L

Y Y

tr tr

c

c = đ − + = − + =

.00129

.010013.0

0013.01

3

trơ C đ

C

C C

L L L

hh Kmol

NH Kmol X

X x

≈

≈

=+

=+

=

trong tan hoà tử cấu lượng vì

Để đơn giản hố vấn đề tính tốn, ta cĩ giả thiết như sau:

- Nhiệt mất ra mơi trường xung quanh khơng đáng kể( do điều kiện làm việc

ở 300C)⇒ Q0 = 0

- Nhiệt độ của hỗn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào

- Nhiệt dung riêng của dung dịch trong suốt quá trình hấp thụ : Cđ = Cc =C

- Trong quá trình hấp thụ cĩ thể phát sinh nhiệt do đĩ kí hiệu q là nhiệt phát

sinh của 1 Kmol cấu tử bị hấp thụ

Qs = q.Lđ .(Xc – Xđ )

- Với mức gần đúng ta cĩ thể coi q khơng đổi trong suốt quá trình hấp thụ

- Vì lượng cấu tử hồ tan trong dung dịch rất nhỏ do đĩ lượng dung dịch đầu

Lđ và cuối Lc khơng khác nhau nhiều Trong mức độ cho phép ta cĩ thể lấy là:

do dung dịch lỗng (x<0.2)

C = 4.186 (1-x) KJ/Kgđộ

x = xtb = ( ) ( )

000645

0 2

0 00129 0

ñ x x

⇒C = (1 - 0.000645) = 0.999 Kcal/Kgđộ

999.0

000129.017

83

303 4 22 5645 , 401

.) / ( 5645 , 401 2

64 , 400 479 , 402 2

785 0

3 3

s m h

m

h Kmol G

G G

w

G D

c ñ tb

y tb

hh = σ +σσ

19

115.71

11

hh hh

=σϕ

⇒

=σ

⇒

+

=σ

⇒

- Chọn h = 0.45m

- Khối lượng riêng trung bình:

+ Pha khí:

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 14

).

( 0027 0 2

000439

0 005 0 2

4 22

273 1

3 1

2 1 1

1

hh Kmol

NH Kmol y

y y

T

M y M

y

c ñ tb

tb tb

4.22

273180027.01170027

m KG

v 1 v

3 O

H 2 tb

NH 1 tb

2 tb 1 tb 1

tb 1 tb xtb

2

3

= ρ

= ρ

ρ

= ρ

ρ

− + ρ

= ρ

(Tra STT1 ở 30oC)

vtb1 – phần thể tích trung bình của cấu tử NH3 trong pha lỏng

vtb1 rất bé ⇒ vtb1 ρtb1≈ 0 ⇒ 1 − vtb1 ≈ 1

29 , 1 141 1 785 0

773 , 2

/ 141 1 724 0 68 995 35 0 723 0

8 0 065 0

/ 68

2

m D

s m

m KG

ytb

O H xtb

h = 0.45m ⇒ D =1,29 m ε (1,2 41,8m) nên chấp nhận Chọn giá trị D= 1,4(m)

Vận tốc dòng khí trong tháp là:

2

.785,

Chọn chiều dài gờ chảy chuyền : Lc = 0,8 (m)

Diện tích mặt cắt ống chảy chuyền (hình viên phân):

Khoảng cách từ thân thiết bị đến gờ chảy tràn :

L =R - R cos(α/2) =0,7 – 0,7.cos(1,215/2) = 0,125 (m) Diện tích làm việc của đĩa :

1 2

- 2.0,1799 = 1,1788 (m2) Tổng diện tích lỗ lấy bằng 12 % diện tích làm việc :

Sl = 0,12.f = 0,12 1,1788 = 0,1415 (m2) Thể tích của đĩa : Vđ = (f - Sl) δ =(1,1788-0,1415) 0,004 =0,00415 (m3)

Khối lượng đĩa : mđ= Vđ.ρ = 0,00415.7850 = 32,5775 (kg)

1415,0

1788 ,

1 ≈ 0,019 (m)

Vậy bước lỗ : t= 0,019m= 19 (mm)

III.2.2.1 Chiều cao tháp

Chiều cao của tháp đĩa được xác định theo phương pháp xây dựng đường

cong phụ

Hệ số chuyển khối :

Ky=

y x

m

β

β +

11

Trong đó :

m : hệ số phân bố vật chất Tra sổ tay tập 2 : m= 3,17

βy : Hệ số cấp khối phía pha khí

βx : Hệ số cấp khối pha lỏng

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 16

2 0ωρ

ξ y

ξ : Hệ số trở lực Tiết diện tư do của lỗ bằng :

5386,1

1415,0

= 9,2% diện tích của mặt cắt ngang tháp Nên chọn ξ =1,82

ω0 : Tốc độ khí qua lỗ

ω0= 2

.3600.7211.4

2 0ωρ

ξ y

= 1,82

2

596,19.723,

10 9 , 14 4 +

mL

G K h

K + ]g.ρx

Trong đó :

K: Tỉ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt Khi tính tốn chấp nhận K= 0,5

Lc: Chiều dài cửa chảy tràn Lc= 0,8 m

07,

25 >5 ⇒ m= 10 000 g= 9,81 m/s2

.10.7,

.10.7,

P

ω = 1 , 95 1 , 8 0 , 41

166 , 771 10 7 ,

17,3757,01

1+

f : diện tích làm việc của đĩa f= 1,1788

Gy :lưu lượng khí , kmol/s

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 18

1788 , 1 337 ,

C

C A

Nt : Số đĩa thực tế ;Nt =8

Hđ : Khoảng cách giữa các đĩa Dựa vào đường kính tháp Theo STT

II Chọn Hđ = 0,45 m

Hđáy , Hnắp : chiều cao đáy , nắp của thiết bị Hđáy =Hnắp =0,375m

Hchân : Chiều cao của chân đỡ , Hchân =0,185 m

δ : Khoảng cách bổ sung ở đáy tháp δ =0,15

ΔP = 8.1024,166 = 8193,326(N/m2)

CHƯƠNG IV:

TÍNH TỐN CƠ KHÍ

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 20

Chọn công nghệ gia công : hàn tay bằng hồ quang điện,hàn giáp mối hai bên

Ứng suất làm việc cho phép theo giới hạn bền:

10

540 6

= 211,54.106 N/m2

6 1 146,7.106 / 2

5.1

10.220

*]

Vậy ứng suất cho phép dùng để tính tốn :

IV.2 Tính chiều dày thân :

• Thân trụ hàn chịu áp suất trong Ptt = 1,74.105 N/m2,và t0 = 300C

10 5645 , 1

10 7 , 146

ϕ

σ].

.[

2

S’ =

95 , 0 10 7 , 146 2

10 5645 , 1 4 , 1

C = Ca + Cb + Cc + C0

• Ca: hệ số bổ sung ăn mòn hóa học của môi trường Thời hạn sử dụng thiết bị là 10 năm Đây là vật liệu bền trong môi trường có độ ăn mònkhông lớn hơn 0,05 mm/năm Do NH3 hồ tan vào trong nước tạo môi trường có độ ăn mòn nhỏ ,do đó ta chọn:

Ca = 0( mm)

• Cb : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học,đối với thiết bị hóa chất Cb

= 0 mm

• Cc : Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo , lắp ráp Cc =0,2 mm

• C0 : hệ số bổ sung để quy tròn kích thước C0 =3 mm

Vậy bề dày thực thi của thân thiết bị :

) (

2

a t

a h

C S D

C S

− +

−

ϕσ

=

) 0 4 ( 1400

) 0 4 (

95 , 0 10 7 , 146

− +

−

[P] = 7,94.105 N/m2 > Ptt = 1,5645 105 N/m2 Thoả điều kiện bền

SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 22

Vậy chọn S = 4(mm) là thích hợp

IV.3 Tính chiều dày đáy , nắp :

Dt =1400mm, nắp có lỗ ta sử dụng vòng tăng cứng nên xem như tính tốn bề

dày đối với nắp elip không lỗ

[ ] .0.643 514,4

10 74 , 1

95 , 0 10 7 , 146

k = 1- d/Dt = 1-125/1400 = 0.91

25 0 D

P C S h D

b h

o t

t

−

− +

=

ϕ

σ

6 7

2

10.091,34.35,0.95,0.91,0.6,7

10.234675,

0.10.091,34.35,0.24,1

−

−

−

−+

=

2 6 6

c 183*10 N/m

2.1

10

*2202

Vậy σ<

2 1

IV.4.1.Bích nối đáy , nắp , thân thiết bị:

Chọn bích liền ( không cổ)bằng thép để nối thiết bị là bởi vì do Dt ≤ 1400m và có

áp suất ≤ 2,5 N/mm2 ( trong sách của HLV)

- Đường kính trong thiết bị: Dt = 1400mm

- Đường kính ngồi của bích: D = 1540mm

-Đường kính tâm bulong : Dbl=Db=1490mm

-Đường kính mép vát : Dl=1460mm

- Đường kính bu long : db = M20

-Số bu long : Z= 40 cái