tính toán thiết kế tháp hấp thụ loại đệm để hấp thụ HCl trong hỗn hợp khí bằng dung môi là nước

Các thông số ban đầu: o Dùng H2O để hấp thụ HCl trong hỗn hợp khí HCl – không khí o Năng suất tính theo hỗn hợp khí vào thiết bị: 2500m3h o Nồng độ đầu vào của HCl trong hỗn hợp khí là 10% thể tích o Nồng độ đầu ra của HCl trong hỗn hợp khí là 2% thể tích o Áp suất làm việc trong tháp 1,5 (at) o Nhiệt đô làm việc: 300C

Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, phát triển ngành công nghiệp tạo sản phẩm phục vụ người, đồng thời tạo lượng chất thải vô lớn làm phá vỡ cân sinh thái gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Ô nhiễm môi trường vấn đề chung mang tính tồn cầu cấp bách, hầu hết quốc gia, phủ đầu tư nhiều, công nghệ vốn cho việc xử lý chất gây ô nhiễm môi trường Các nước phát triển, khoa học cơng nghệ tiên tiến nhiễm môi trường trở lên nghiêm trọng Ở Việt Nam, kinh tế công nghiệp chưa phát triển mạnh mẽ nhiều nguyên nhân chủ quan khách quan, làm cho ô nhiễm môi trường nước ta ngày ô nhiễm Việc chặt phá rừng hoạt động nhà máy thải môi trường nhiều chất gây ô nhiễm Cũng nhiều nước khác giới nay, vấn đề xử lý chất gây ô nhiễm nước ta gặp nhiều khó khăn Trong loại nhiễm, nhiễm khơng khí ảnh hưởng trực tiếp đến người, động vật, thực vật cơng trình xây dựng Sức khỏe tuổi thọ người phụ thuộc vào nhiều vào độ mơi trường Trong đó, HCl chất nhiễm khơng khí sản sinh nhiều ngành sản xuất công nghiệp sinh hoạt Việc xử lý HCl có nhiều phương pháp khác Đồ án mơn học q trình thiết bị mơn học mang tính tổng hợp trình học tập kỹ sư hố tương lai Mơn học giúp sinh viên giải nhiệm vụ tính tốn cụ thể u cầu cơng nghệ, kết cấu, giá thành thiết bị sản xuất hoá chất - thực phẩm Đây bước để sinh viên vận dụng kiến thức học nhiều môn học vào giải vấn đề kỹ thuật thực tế cách tổng hợp Dưới em xin trình bày đồ án: “tính tốn thiết kế tháp hấp thụ loại đệm để hấp thụ HCl hỗn hợp khí dung mơi nước” GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Trong cơng nghiệp hóa chất có nhiều ngun liệu dạng khí dùng, nhiều sản phẩm thu dạng khí Ví dụ khí Hidroclorua (HCl) chất khí khơng màu độc hại có tính ăn mịn cao, tạo thành khói trắng tiếp xúc với ẩm Hơi trắng axit clohidric tạo thành hidroclorua hòa tan nước hidroclorua axit clohidric nguồn gốc gây tượng mưa axit Ta phải tách khỏi hỗn hợp khí chứa khí HCl trước đưa hỗn hợp khí mơi trường ngồi đưa tới cơng đoạn sản suất hóa chất Chúng ta phân biệt ba phương pháp tách hỗn hợp khí:  Phương pháp tách hút  Phương pháp hóa lý  Phương pháp hóa học Phương pháp hóa lý tiến hành qua khí hóa lỏng Phương pháp hút hiểu tiếp nhận chất vào chất khác qua bề mặt phân pha chúng Nếu dùng chất lỏng để hút khí ta gọi hấp thụ, cịn dùng chất rắn xốp gọi hấp phụ Như vậy, hấp thụ trình hút khí chất lỏng, khí hút gọi chất bị hấp thụ, chất lỏng để hút gọi dung mơi (hay chất hấp thụ), khí khơng bị hấp thụ gọi khí trơ Q trình hấp thụ dùng để: - Thu hồi cầu tử quý - Làm khí - Tách hỗn hợp khí thành cấu tử riêng biệt Trong trường hợp thứ thứ ba, bắt buộc ta phải tiến hành trình nhả sau hấp thụ để tách cấu tử hấp thụ khỏi dung môi Đối với trường hợp khác, q trình nhả khơng cần thiết, trừ phải dùng lại dung môi (dung môi quý) Quá trình hấp thụ phụ thuộc chủ yếu vào dung mơi, cần chọn dung mơi theo tính chất sau đây: GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học Có tính chất hịa tan chọn lọc, nghĩa hịa tan cấu tử, cịn cấu tử khác khơng có khả hịa tan hịa tan Độ nhớt dung môi phải bé, để giảm trở lực tăng hệ số chuyển khối Nhiệt dung riêng bé, để tiết kiệm nhiệt hoàn ngun dung mơi Có nhiệt độ sơi khác xa với nhiệt độ sơi cấu tử hịa tan, để dễ dàng phân riêng chúng qua chưng luyện Có nhiệt độ đóng rắn thấp, để tránh tượng đóng rắn làm tắc thiết bị Không tạo thành kết tủa hòa tan, để tránh tắc thiết bị dễ thu hồi Ít bay hơi, để tránh tổn thất Khơng độc ăn mịn thiết bị Tuy nhiên, thực tế khơng có dung mơi đạt tất tiêu chuẩn nêu Vì vậy, chọn dung môi ta phải dựa vào điều kiện cụ thể sản xuất I Cơ sở vật lý q trình hấp thụ Độ hịa tan khí lỏng Khí hịa tan lỏng tạo thành hỗn hợp hai cấu tử, có hai thành phần hai pha Hệ thống theo quy tắc pha (ø = 2, K = 2, C = – + = 2) coi hỗn hợp lỏng có hai thành phần Cân pha xác định áp suất, nhiệt độ nồng độ Nếu nhiệt độ khơng đổi, độ hịa tan phụ thuộc vào áp suất Sự phụ thuộc biểu thị định luật Henry: ycb = mx Đối với khí lý tưởng, m số dùng để biểu diễn quan hệ y cb = f(x) đường thẳng Đối với khí thực, m phụ thuộc vào x, nên đường cân đường cong Hằng số cân tính: m = ψ /P Với: ψ – Hệ số Henry, tra theo bảng 3.1, có thứ nguyên áp suất P – áp suất (at) GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học Khi tính tốn q trình hấp thụ, ta thường dùng phần mol tương đối Y, X Quan hệ phần mol x,y phần mol tương đối X, Y sau: y= Y Y +1 x= X X +1 Thay giá trị x, y vào phương trình ta có quan hệ: Y= mX + (1 − m) X Như vậy, quan hệ tính theo phần mol tương đối đường cong Phương trình đường làm việc trình hấp thụ Phương trình đường làm việc trình hấp thụ lập sở lý thuyết hai lớp màng Đó lớp mang ngăn cách pha lỏng pha khí Qua lớp màng, khí hỗn hợp khuếch tán vào pha lỏng Khi tính cân vật liệu, thường người ta cho trước hỗn hợp khí, nồng độ đầu cuối khí bị hấp thụ hỗn hợp khí dung mơi Gọi: Gy – lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ, kmol/h Yđ – nồng độ đầu hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ Yc – nồng độ cuối hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ Gx – lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ, kmol/h Xđ – nồng độ đầu dung môi, kmol/kmol dung môi Xc – nồng độ cuối dung môi, kmol/kmol dung môi Gtr – lượng khí trơ, kmol/h Lượng khí trơ tính theo công thức: Gtr = G y = G y (1 − yd ) , (kmol/h) + Yd Phương trình cân vật liệu tháp hấp thụ: Gtr (Yd − Yc ) = Gx ( X c − X d ) Lượng dung môi cần thiết: GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Gx = Gtr Đồ án QT&TBCN Hóa học Yd − Yc , (kmol/h) Xc − Xd Lượng dung môi tối thiểu cần dùng cho trình hấp thụ: Gx = Gtr Yd − Yc , (kmol/h) X cb.d − X d Với: Xcb,d – nồng độ cân ứng với nồng độ đầu hỗn hợp khí Trong q trình hấp thụ, nồng độ cân lớn nồng độ làm việc, lượng dung mơi thực tế lớn lượng dung môi tối thiểu, thường lớn 20% Nếu tính lượng dung mơi theo 1kg khí trơ, ta có lượng dung mơi tiêu hao riêng là: l= Gx Y −Y = d c , (kmol/h) Gtr X c − X d Quan hệ y = f(x) tháp hấp thụ Nếu biểu diễn phương trình cân vật liệu tiết diện tháp ta có: Gtr (Y − Yc ) = Gx ( X − X d ) Rút ra: Y= Gx G X + Yc − x X d Gtr Gtr Hoặc: Y = AX + B GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học Trong đó: A= Gx , Gtr B = Yc − Gx Xd Gtr số Phương trình Y = AX + B gọi phương trình đường nồng độ làm việc trình hấp thụ Nếu biểu diễn tọa độ Y – X, đường thẳng có hệ số góc tgα = A, cắt trục tung B Ảnh hưởng lượng dung môi đến q trình hấp thụ Để xem xét vai trị dung môi hấp thụ, ta dựa vào phương trình chuyển khối chung phương trình đường nồng độ làm việc Theo phương trình chuyển khối, lượng khí bị hấp thụ tính: G = KyF∆Ytb Hình 3.2: Quan hệ X – Y Trong điều kiện định G lượng khơng đổi coi hệ số chuyển khối K y khơng đổi Do bề mặt tiếp xúc pha F thay đổi tương ứng với thay đổi ∆Ytb, cho tích F ∆Ytb không đổi Bề mặt F thay đổi, tức kích thước thiết bị thay đổi, lớn F tăng F giảm Dựa vào đồ thị hình 3.2 ta thấy, Y cb, Yc, Xđ cố định, nồng độ cuối dung mơi định theo động lực trung bình ∆Y tb, tức điểm cuối đường làm việc AB Điểm cuối đường làm việc dịch chuyển từ A đến A Đường làm GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học việc BA4 cắt đường cân bằng, lúc động lực trung bình ∆Ytb nhỏ Đường BA gần với trục tung, nên động lực trung bình lớn Vì F∆Ytb không đổi nên ứng với đường BA4 cho F lớn ứng với đường AB có F bé Tương tự, A4 ta có Xc bé Dựa vào phương trình đường nồng độ làm việc ta thấy tương ứng với đường BA4 có A = Gx/Gtrơ bé (có nghĩa lượng dung mơi bé nhất, cịn ứng với đường AB G x/Gtrơ lớn nhất, nên có lượng dung mơi lớn, ví lượng khí trơ Gtrơ khơng đổi) Vì vậy, chọn lượng dung mơi nhất, ta thu X c lớn, thiết bị phải lớn (vô cao), trái lại, chọn lượng dung mơi lớn nhất, thiết bị bé, dung dịch thu q lỗng Xc bé Do chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào tiêu kinh tế kỹ thuật Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất lên trình hấp thụ Nhiệt độ áp suất yếu tố ảnh hưởng quan trọng lên trình hấp thụ, mà chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân động lực trình Từ phương trình Henry ta thấy, nhiệt độ tăng hệ số Henry tăng, nên đường cân dịch chuyển phía trục tung GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học Hình 3.3 Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất lên trình hấp thụ a) ảnh hưởng nhiệt độ t1 < t2 < t3; b) ảnh hưởng áp suất P1 < P2 < P3 Vì vậy, đường làm việc AB khơng đổi động lực trung bình giảm, cường độ chuyển khối giảm theo Nếu ta tiếp tục tăng nhiệt độ, ví dụ đến t3 khơng động lực trung bình giảm mà q trình khơng thực (vì đường cân đường làm việc cắt nhau, nên khơng thể đạt nồng độ cuối Xc) Đó ảnh hưởng xấu tăng nhiệt độ Tuy nhiên, nhiệt độ tăng độ nhớt dung mơi giảm (có lợi với trường hợp trở lực chủ yếu pha lỏng), vận tốc khí tăng, cường độ chuyển khối tăng theo Trong trường hợp tăng áp suất, ta thấy hệ số cân m =ψ / P giảm, đường cân dịch chuyển dần phía trục hồnh, tức động lực trung bình tăng lên, trình chuyển khối tốt (hình 3.3) Nhưng tăng áp suất ln ln kèm theo tăng nhiệt độ, nên gây ảnh hưởng xấu đếnx g trình hấp thụ Mặt khác, tăng áp suất gây khó khăn măt thiết bị, trình hấp thụ thực áp suất cao khí khó hịa tan, ví dụ: hấp thụ CO nước tiến hành áp suất 17at, thu hồi CO áp suất 120at,… Hấp thụ không đẳng nhiệt Nếu q trình hấp thụ, hịa tan khí dung mơi có sản sinh lượng nhiệt khơng làm nguội, nhiệt độ thiết bị tăng lên Khi cần đề cập đến tăng nhiệt độ q trình tính tốn Trong thực tế người ta bỏ qua nóng lên pha khí chấp nhận giả thiết: tồn lượng nhiệt dùng để làm nóng dung mơi Từ hình 3.4 ta thấy, đường cong OD đường cân nhiệt độ t đ dung môi, OC ứng với nhiệt độ cuối GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học Trong thực tế, đường cân AB, phụ thuộc vào biến thiên nhiệt độ trình hấp thụ (giả sử điểm M) có thành phần lỏng X khí Y Ta có phương trình cân nhiệt lượng: qGkMy = GxC(t – tđ)Mx Hình 3.4: Đường cân hấp thụ khơng đẳng nhiệt Trong đó: q: lượng nhiệt giải phóng 1Kg khí hấp thụ, KJ/Kg Gk: lượng khí hấp thụ, Kmol/h Gx: lượng dung môi, Kmol/h C: nhiệt dung riêng dung môi, J/Kg độ tđ, t: nhiệt độ dung môi, 0C Mx , My: trọng lượng phân tử khí dung môi Thay quan hệ Gk = Gx(X – Xđ) phương trình qGkMy = GxC(t – tđ)Mx ta có: qMy(X – Xđ) = C.Mx(t – tđ) Nhiệt độ dung dịch tính: t = td + GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang qM y CM x (X − Xd ) , C Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học Qua cơng thức ta thấy, nhiệt độ chất lỏng phụ thuộc vào nồng độ khí hấp thụ X II Thiết bị hấp thụ Khái niệm Trong sản xuất, người ta dùng nhiều loại thiết bị khác để thực trình hấp thụ Tuy nhiên, chúng có chung yêu cầu có bề mặt tiếp xúc lớn để tăng hiệu suất trình Các thiết bị thường dùng sản xuất là:  Thiết bị loại bề mặt  Thiết bị loại màng  Thiết bị loại phun  Thiết bị loại đệm (tháp đệm)  Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa) Tháp đệm Tháp đệm sử dụng cho trình hấp thụ, hấp phụ, chưng luyện trình khác Tháp đệm hình trụ, bên có đổ đầy đệm Đệm có nhiều loại, phổ biến có loại đệm sau đây:  Đệm vịng, kích thước từ 10 đến 100mm  Đệm hạt, kích thước từ 20 đến 100mm  Đệm xoắn, đường kính dây cỡ 0.3 đến 1mm, đường kính vịng xoắn cỡ đến 8mm, chiều dài dày không 25m  Đệm lưới gỗ Tất loại đệm có yêu cầu chung: 1) Có bề mặt riêng lớn (kí hiệu σ, thứ nguyên m2/m3) 2) Thể tích tự lớn (kí hiệu Vtb, thứ nguyên m3/m3) 3) Khối lượng riêng bé 4) Bền hóa học GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 10 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học Áp suất tồn phần bơm H(m): Áp dụng phương trình becnulli ta có 2 ’ ’’ ’’ ’ Hh P ’ 1 Mặt cắt 1-1 1’-1’: Pv ω v2 P1 ω12 + = + + H h + hmh (1) ρ g 2.g ρ g 2.g Mặt cắt 1-1 2-2 Pr ω2 P ω2 + r = + + H d + hmd (2) ρ g 2.g ρ g 2.g Trong đó:  P1: áp suất bề mặt nước không gian hút  P2: áp suất không gian đẩy  ρ: khối lượng riêng nước  Pv: áp suất ống hút lúc vào bơm  Pr: áp suất chất lỏng ống đẩy lúc khỏi bơm  Hh, Hd: chiều cao ống hút ống đẩy  hmh, hmd: tổn thất áp suất trở lực gây ống hút ống đẩy ∆P hmh + hmd= ρ g ∆P : Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực hệ thống, áp suất toàn phần bơm hiệu áp suất hai giai đoạn hút đẩy GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 43 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học • ω1: vận tốc nước bể chứa, ω1=0 • ω2: vận tốc nước vào tháp hay ống đẩy • ω1’: vận tốc nước vào bơm • ω2’: vận tốc nước khỏi bơm Thực tế: ω2 = ω2’ P2 − P1 ω1' + → H = H + hm + ρ g 2.g Xác định tổn thất áp suất trở lực gây đường ống hút bơm ∆Ph ρ g hmh = Trong đó: ∆Ph = ∆Pd + ∆Pm + ∆Pc - ∆Pd : áp suất động lực học cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khỏi ống ρ ω h - ∆Pd = - ∆Pm : áp suất để khắc phục trở lực ma sát chảy ổn định ống thẳng - L ρ ω h ∆Pm = λ dh - ∆Pc : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục - ∆Pc = ξ ω h ρ ∆Ph = ∆Pd + ∆Pm + ∆Pc = ρ ω h ω ρ L ω ρ + λ h + ξ h dh 2 ρ ω h = Đường kính ống hút: d h =  L 1 + ξ + λ  dh      V 0, 785 × ωh Trong đó: V lưu lượng thể tích chất lỏng ống, m3/s GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 44 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học V= Gxd M H 2O ρ H 2O 3600 =  Đồ án QT&TBCN Hóa học 473,875 × 18 = 0, 24(m3 / s ) 3600 × 995, 68 Theo bảng II.2(I-370) chất lỏng ống hút bơm có ω h=0,8-2,0 (m/s) Chọn ωh = 0, 24 = 0,538(m) 0, 785 × 1,5 1,5 (m/s) → d h = 0, 24 Quy chuẩn dh = 0.6m→ ωh = 0,5382 × 0, 785 = 1,5(m / s) Chuẩn số Re chất lỏng ống hút Re = ωh d h ρ H 2O H 2O = 1,5 ì 0,5 ì 995, 68 = 586168, 78 > 4000 8,937.10 −4 Dòng chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát tính sau  6,81 0,9 ∆  = −2.lg   ÷ + 3,  λ  Re    (I-380) Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống thép nối không hàn → ε = 0, 44.10−3 Δ: độ nhám tương đối, xác định theo công thức: ∆= ε 0, 44 × 10−3 = = 7,3 ×10−4 dh 0,  6,81  0,9 7,3 ×10−4  = −2.lg  → ÷ + 3,  λ  586168, 78     → λ = 0, 0136 Hệ số trở lực cục bộ: Chất lỏng vào ống thẳng, đầu ống hút có lắp lưới chắn đan kim loại ξ = + ξc Với ξ c = ξ α GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 45 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  ξ = 0,13 F 0 Chọn F = 0,9 → α = 1, T Đồ án QT&TBCN Hóa học [Bảng II.16,382-384, I) → trở lực ống có lắp lưới chắn đan kim loại ξ ong = + 0,13 ×1 = 1,13 Trên ống hút lắp van chiều Theo I-399→ ξvan = 1,9 ÷ 2,1 Chọn ξ = → ξ h = 1,13 + = 3,13 Tra bảng II-34(441, I) phụ thuộc chiều cao hút bơm ly tâm vào nhiệt độ Ở nhiệt độ làm việc T = 50C chiều cao hút bơm khoảng 4,5m đảm bảo khơng xảy tượng xâm thực Tuy nhiên để loại trừ khả dao động bơm nên giảm chiều cao hút khoảng 1÷1,5m so với giá trị bảng Vậy chọn chiều cao hút 3,5m → Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là: ∆Ph = 995, 68 3,5   ×1,52 ×  + 3,13 + 0, 0136* ÷ = 4898,17( N / m ) 0,   → hmh = 4898,17 ∆Ph = 995, 68 × 9,81 = 0,5( m) ρ g Xác định tổn thất áp suất trở lực gây đường ống đẩy: Đường kính ống đẩy: Theo bảng II.2( I-370) vận tốc chất lỏng ống đẩy bơm ωd= 1,5-2,5 m/s Chọn ωd = 2,0 m/s => d d = 0, 24 = 0,35(m) 0, 785 × Quy chuẩn dd = 21cm Vận tốc ống đẩy ωd = 0, 24 = 3, 2(m / s) 0,392 × 0, 785 Chuẩn số Re chất lỏng ống đẩy GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 46 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học Re = ωd d d ρ H 2O µ H 2O =  Đồ án QT&TBCN Hóa học × 0,39 × 995, 68 = 548584,1 > 4000 8,937.10−4 Dịng chế độ chảy xoáy nên hệ số ma sát tính sau  6,81 0,9 ∆  = −2.lg   ÷ + 3,  λ  Re    Trong đó: ε: độ nhám tuyệt đối Chọn vật liệu làm ống thép nối không hàn → ε = 0, 6.10−3 Δ: độ nhám tương đối, xác định theo công thức: ∆= ε 0, ×10−3 = = 3,33 × 10−4 dd 0,39  6,81 0,9 3,33 ×10−4  = −2.lg   → ÷ + 3, λ  548584,1     → λ = 0, 0138 Theo bảng II.16(I-393), thành nhẵn Re > 2.10 bỏ qua tổn thất ma sát ξcong=A.B.C Góc θ = 90 → A = R Chọn: d = → B = 0,15 d θ a = 0,5 → C = 1,45 b => ξ cong = × 0,15 × 1,45 = 0,2175 Hệ số trở lục cục toàn ống đẩy: ξ = ξ cong + ξthang = 0, 2175 + 3,13 = 3,3475 Chọn chiều dài ống đẩy Hd=12m → Áp lực toàn phần cần thiết để khắc phục sức cản thủy lực là: ∆Pd = 995, 68  12  × ×  + 3,3475 + 0, 0138 × ÷ = 10572, 61( N / m ) 0,39   GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 47 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học ∆Pd  Đồ án QT&TBCN Hóa học 10572, 61 → hmd = ρ g = 999,99 × 9,81 = 1, 08(m) → hm= hmh + hmd =0,5+1,08=1,58m P = 98100 − ∆Ph = 98100 − 4898,17 = 93201,83( N / m ) P2 = ∆Pd + P = 10572, 61 + 303900 = 314472, 61( N / m ) Vậy áp suất toàn phần bơm: H = 3,5 + 12 + 313472, 61 − 93201,83 1,52 + + 1,58 = 39,8( m) 997, 08 × 9,81 × 9,81 Công suất bơm: Công suất yêu cầu trục bơm: Q.g H ρ Áp dụng cơng thức: N = 10 3.η Trong đó: (kW) ρ: khối lượng riêng nước, kg/m3 N: hiệu suất bơm, kW Gx M H 2O Q: suất bơm(m3/s); Q= ρ H 2O 3600 ,m3/s 14000 ×18 → Q = 997, 08 × 3600 =0,07 m3/s g: gia tốc trọng trường(m/s2) H: áp suất toàn phần bơm tính mặt cắt cột chất lỏng bơm η: hiệu suất bơm η = η 0.η tlη tk Với η : hiệu suất thể tích tính đến hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp chất lỏng rò từ chỗ hở bơm η tl : hiệu suất thủy lực η tk : hiệu suất khí GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 48 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học Hiệu suất tồn phần phụ thuộc vào loại bơm suất Khi thay đổi chế độ làm việc bơm hiệu suất thay đổi η = 0,85 ÷ 0,96 Đối với bơm ly tâm: η tl = 0,8 ÷ 0,85 η ck = 0,92 ÷ 0,96 Chọn: η0 = 0,95 ;ηtl = 0,85 ;ηck = 0,95 →η = η0.ηtlηtk = 0,95.0,85.0,95 = 0, 767 Vậy công suất yêu cầu trục bơm: N = 0, × 999,99 × 9,81× 39,8 = 35,5(kW ) 1000 × 0, 767 Cơng suất động điện Ndc(kW) N dc = N η tr η dc Với: η tr = 0,85 : hiệu suất truyền động ηdc = 0,95 : hiệu suất động điện N dc = N 35,5 = = 44(kW ) ηtr ηdc 0,85 × 0,95 Thơng thường động điện chọn có cơng suất lớn so với cơng suất tính tốn Chọn β=1,15 c → N dc = β N dc = 1,15 × 44 = 50, 6(kW ) Chọn công suất động điện 51 kW II Tính cơng suất quạt Lưu lượng khí 2500m3/h = 0,69 m3/s Chiều cao tổng cộng tháp đáy nắp H = Hthân + Hđáy + Hnắp = 3,5 + 0,85 + 0,85 = 5,2 (m) Tổn thất lực vận chuyển khí từ đáy lên đỉnh tháp ∆P = ρ g H thap = 0, 724.9,8.5, = 40, 44 (N/m2) Trở lực khí qua đĩa khô GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 49 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học ∆Pdia = N tt ∆Pd = 5.231,9 = 1159,5 (N/m2) Tổng tổn thất sơ ∆Ptong = 1159,5 + 40, 44 = 1199,94 (N/m2) ⇒ Cột áp tương ứng H = 0,383 mH2O Công suất quạt hút Nq = β Q.∆P τπφ 1000.ηV η H ηCK Trong đó: β : (1.12 – 1.15) hệ số an toàn ηV : (0,8 – 0,9) hiệu suất thể tích η H : (0,92 – 0,98) hiệu suất thủy lực ηCK : (0,95 – 1) hiệu suất khí Nq = β Q.∆P τπφ 1000.ηV η H ηCK = 1,12 1,39.1199,94 = 5,5 KW 1000.0,8.0,92.0,95 Chọn quạt, quạt làm việc quạt dự phòng Mỗi quạt có yêu cầu kỹ thuật:  Q = 3000 m3/h  H = 0,383 mH2O  Nq = 5,5 K GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 50 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN I Nhận xét kết tính tốn Sau thiết kế tháp hấp thụ HCl , loại tháp đệm, dung môi nước, hấp thụ 50C, áp suất 1,5 atm thu kết số liệu sau: • Đường kính tháp D = 1,5m • Chiều cao tổng cộng tháp 5,2m • Số đĩa thực tế Ntt = đĩa Thiết kế hệ thống hấp thụ khí thải (khí HCl) tương đối hồn chỉnh biết trước lưu lượng dịng khí đầu vào Tính tốn tương đối chi tiết q trình làm việc hệ thống khả chịu bền thiết bị tính ăn mịn học điều kiện làm việc thiết bị Tuy nhiên với xu phát triển chung ngăn ngừa ô nhiễm tiến tới sản xuất vấn đề cần quan tâm bối cảnh khoa học công nghệ giới phát triển vũ bão đòi hỏi phải đầu tư nghiên cứu ứng dụng quy trình cơng nghệ sản xuất để bắt nhịp tiến thời đại II Lời cảm ơn Sau thời gian cố gắng tìm, đọc, tra cứu số tài liệu tham khảo, với giúp đỡ tận tình giáo Vy Thị Minh Tâm, em hoàn thành nhiệm vụ thiết kế giao Quá trình tiến hành này, em rút số nhận xét sau: GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 51 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học - Việc thiết kế tính tốn hệ thống hấp thụ việc làm phức tạp, tỉ mỉ lâu dài Nó khơng u cầu người thiết kế phải có kiến thức thực sâu q trình hấp thụ mà cịn phải biết số lĩnh vực khác như: cấu tạo thiết bih phụ khác, quy định vẽ kỹ thuật…Các công thức tính tốn khơng cịn gị bó mơn học khác mà mở rộng dựa giả thiết điều kiện, chế độ làm việc thiết bị Bởi tính tốn, người thiết kế tính toán đến số ảnh hưởng điều kiện thực tế, nên đem vào hoạt động, hệ thống làm việc ổn định - Khơng có vậy, việc thiết kế đồ án mơn học q trình thiết bị giúp em củng cố thêm kiến thức q trình hấp thụ nói riêng q trình khác nói chung: nâng cao kỹ tra cứu, tính tốn, xử lý số liệu, biết trình bày theo văn phong khoa học nhìn nhận vấn đề cách có hệ thống Việc thiết kế đồ án mơn học hội cho sinh viên ngành hóa thân em làm quen với công việc kỹ sư hóa Để hồn thành nhiệm vụ thiết kế giao, em xin chân thành cảm ơn cô giáo Vy Thị Minh Tâm người trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn em trình làm đồ án Mặc dù cố gắng để hoàn thành tốt nhiệm vụ, song hạn chế tài liệu, kinh nghiệm thực tế, nên không tránh khỏi thiếu sót q trình thiết kế Em mong thầy cô xem xét dẫn thêm Em xin chân thành cảm ơn ! Phú thọ, ngày tháng 12 năm 2013 Sinh viên Nguyễn Hán Giang GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 52 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học TÀI LIỆU THAM KHẢO [I] Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa học - Tập 1, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [II] Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa học -Tập 2, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [III] Các trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm - Tập 4, GS-TSKH Nguyễn Bin [IV] Tính tốn q trình, thiết bị cơng nghệ hóa chất thực phẩm, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 53 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .2 I Cơ sở vật lý trình hấp thụ .3 Độ hòa tan khí lỏng Phương trình đường làm việc trình hấp thụ Ảnh hưởng lượng dung mơi đến q trình hấp thụ Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất lên trình hấp thụ Hấp thụ không đẳng nhiệt II Thiết bị hấp thụ .10 Khái niệm 10 Tháp đệm 10 Chế độ làm việc tháp đệm 12 III Tổng quan chất bị hấp thụ 13 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN CƠNG NGHỆ 15 I Các thông số ban đầu .15 II Tính cân vật chất 15 Cân pha 15 Cân vật liệu trình hấp thụ 16 III Cân nhiệt lượng 21 IV Tính kích thước thiết bị hấp thụ 23 Tính khối lượng riêng .23 Lượng khí trung bình tháp 24 Độ nhớt 25 Tính vận tốc đảo pha .25 GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 54 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học Tính đường kính tháp 27 Tính tốn chiều cao tháp 28 V Tính trở lực lớp đệm .29 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN CƠ KHÍ .30 I Tính chiều dày thân thiết bị .30 II Tính chiều dày nắp đáy thiết bị 34 III Tính chọn ống dẫn lỏng, ống dẫn khí 35 Đường kính ống dẫn khí 35 Đường kính ống dẫn chất lỏng 36 IV Tính chọn bích ghép thân thiết bị 36 Bích nối thiết bị .36 Bích nối đường ống với lỗ đáy nắp 38 38 Bích nối ống dẫn với phận khác thiết bị .38 V Tính chọn chân đỡ tai treo 39 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHỤ 42 I Tính cơng suất bơm 42 Nguyên tắc làm việc bơm ly tâm 42 Các thông số đặc trưng bơm .42 II Tính cơng suất quạt 49 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .51 I Nhận xét kết tính tốn .51 II Lời cảm ơn 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 55 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com Trường ĐH Cơng nghiệp Việt Trì Khoa: Cơng nghệ hóa học  Đồ án QT&TBCN Hóa học GVHD : TS Vy Thị Minh Tâm Sinh viên : Nguyễn Hán Giang 56 Lớp: CH1Đ11 Email: giangchemicaltechnology@gmail.com ... cuối HCl dung môi, kmol HCl/ kmol dung môi Yd: nồng độ ban đầu HCl hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ Yc: nồng độ cuối HCl hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ Gy: lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ, ... trình Các thiết bị thường dùng sản xuất là:  Thiết bị loại bề mặt  Thiết bị loại màng  Thiết bị loại phun  Thiết bị loại đệm (tháp đệm)  Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa) Tháp đệm Tháp đệm sử dụng... Hóa học CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN I Nhận xét kết tính tốn Sau thiết kế tháp hấp thụ HCl , loại tháp đệm, dung môi nước, hấp thụ 50C, áp suất 1,5 atm thu kết số liệu sau: • Đường kính tháp D = 1,5m • Chiều