đồ án i đề tài thiết kế hệ thống tháp hấp thụ nh3 bằng tháp đệm

Các quốc gia càng phát triển, khoa học công nghệ càng tiêntiến thì ô nhiễm môi trường càng trở nên nghiêm trọng.Ở Việt Nam, tuy nền công nghiệp chưa phát triển mạnh mẽ, nhưng do nhiều ng

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG HÓA VÀ KHOA HỌC SỰ SỐNG KHOA KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN I

tháp đệm

GVHD: TS Võ Thị Lệ Hà SVTH: Khương Đức Hoàng Lớp: Quản lý Tài nguyên và Môi trường MSSV: 20214296

Hà Nội, 01/2024

Mục lục

MỞ ĐẦU 4

Tổng quan về NH 3 5

1 Cân bằng vật liệu 8

1.1 Đề bài 8

1.2 Đổi đơn vị và tính toán sơ bộ 8

1.3 Lập phương trình làm việc và phương trình cân bằng 9

2 Vẽ đồ thị biểu diễn đường cân bằng và làm việc, xác định số đĩa lý thuyết 10

3 Tính chiều cao, đường kính và trở lực tháp đệm 10

3.1 Các thông số cần thiết cho tính toán 10

3.2 Tính toán đường kính tháp đệm 11

3.3 Tính toán chiều cao tháp đệm và chiều cao lớp đệm 12

3.4 Tính trở lực tháp đệm 13

4 Tính toán cơ khí 14

4.1 Chiều dày thân tháp 14

4.2 Tính đáy và nắp thiết bị 16

4.3 Tính bích ghép thân tháp 18

4.4 Chân đỡ, trụ đỡ, tai treo 20

KẾT LUẬN 22

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Họ và tên sinh viên: Khương Đức Hoàng

MSSV: 20214296

I Tên đề tài: Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ khí

II Các số liệu ban đầu:

- Hỗn hợp khí cần tách: NH3 trong không khí

- Nhiệt độ: 250C

- Lưu lượng khí vào (Nm3/h): 10000

- Nồng độ đầu vào NH3: 3000 mg/Nm3

- Hiệu suất quá trình: 95%

- Áp suất làm việc: 3 atm

- Sơ đồ dây chuyền hệ thống tháp hấp thụ (A4)

- Bản vẽ cấu tạo tháp hấp thụ (A1)

IV Giáo viên hướng dẫn: TS Võ Thị Lệ Hà

V Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 10/2023

VI Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/2023

Sinh viên thực hiện Xác nhận của GVHN

(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Xác nhận của GVHN

(ký và ghi rõ họ tên)

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm môi trường đang là vấn đề mang tính toàn cầu và cấp bách Ở hầu hết cácquốc gia, chính phủ đã đầu tư rất nhiều, cả về vốn và công nghệ cho việc xử lý các chấtgây ô nhiễm môi trường Các quốc gia càng phát triển, khoa học công nghệ càng tiêntiến thì ô nhiễm môi trường càng trở nên nghiêm trọng.

Ở Việt Nam, tuy nền công nghiệp chưa phát triển mạnh mẽ, nhưng do nhiều nguyênnhân chủ quan và khách quan, môi trường nước ta ngày càng bị ô nhiễm Việc chặt phárừng cũng như hoạt động của các nhà máy đã thải ra moi trường rất nhiều chất gây ônhiễm Cũng như nhiều nước khác trên thế giới hiện nay, vấn đề xử lý các chất gây ônhiễm ở nước ta đang gặp nhiều khó khăn Nguyên nhân của ô nhiễm môi trường là docác chất thải từ nhà máy, khu công nghiệp và các hoạt động khác Một trong những chấtkhí gây ô nhiễm môi trường là NH3

Cấu trúc phân tử của NH 3

Amoniac là loại khí không màu và có mùi khai hắc Tác hại chủ yếu của nó là làm viêm da và đường hô hấp Mùi amoniac có thể nhận biết được ở nồng độ 5-10 ppm Ở nồng độ 150-200 ppm – gây khó chịu và cay mắt Ở nồng độ 400-700 ppm – gây viêm mắt, mũi, tai và họng một cách nghiêm trọng Ở nồng độ > 2000 ppm – da

bị bỏng, ngạt thở và tử vong trong vòng vài phút

Do vậy, chúng ta cần xử lý để làm giảm thiểu tác hại của NH3 đối với môi trường

và con người Một trong các phương pháp xử lý NH3 trong khí thải hiện nay là sửdụng tháp hấp thụ để tách NH3 ra khỏi không khí bằng dung môi (thường là nước)

Trong đồ án này, em xin trình bày hệ thống tháp hấp thụ NH3 trong không khí

Tổng quan về NH3

I Tính chất vật lí

NH3 là chất khí không màu, mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí (D=0,76g/l)Trong số các khí, NH3 tan được nhiều trong nước, 1l nước ở 20℃ hòa tan được 800l NH3 Hiện tượng tan nhiều được giải thích do có tương tác giữa NH3 và H2O, lànhững chất đều có phân tử phân cực

II Tính chất hóa học

1) Tính bazơ

Nhúng hai đũa thủy tinh vào hai bình đựng HCl và NH3, sau đó đưa hai đầu đũa thủy tinh lại gần nhau sẽ xuất hiện khói trắng, đó là những hạt nhỏ của tinh thể amoni clorua Chất này được tạo thành do hai khí HCl và NH3 hóa hợp với nhau:

NH3 + HCl = NH4Cl

2) Tác dụng với O2

Đốt NH3 trong oxy, nó cháy với ngọn lửa màu vàng tươi:

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + Q3) Tác dụng với khí Clo

Dẫn NH3 vào bình Clo, hỗn hợp khí tự bốc cháy tạo ra ngọn lửa khói trắng:

2NH3 + Cl2 = 6HCl + N2

Khói trắng là những hạt nhỏ tinh thể NH4Cl tạo thành do HCl sau khi

sinh ra hóa hợp ngay với NH3

NH3 còn được tổng hợp từ N2 không khí với sự có mặt của enzim nitrogenase

Quá trình trao đổi chất trong cơ thể động vật sinh ra NH3, ngay lập

tức được chuyển hóa thành Ure

2 Tổng hợp hóa học

NH3 được sản xuất bằng cách chưng cất than tạo muối amoni sau đó

đem tác dụng với vôi sống:

2NH4Cl + 2CaO = CaCl2 + Ca(OH)2 + 2NH3

Trong công nghiệp, NH3 được điều chế bằng nhiều cách khác nhau từ

N2 và H2, phản ứng này là phản ứng thuận nghịch nên phải có xúc tác và

điều kiện thích hợp để tăng hiệu suất:

Sơ đồ hệ thống hấp thụ

Chú thích:

1 Bể chứa nước 6 Van điều chỉnh lưu lượng khí

3 Van điều chỉnh lưu lượng lỏng 8 Van xả lỏng sau hấp thụ

4 Đồng hồ đo lưu lượng lỏng 9 Bể chứa

5 Quạt thổi khí 10 Tháp nhả hấp thụ

Thuyết minh sơ đồ công nghệ

- Không khí dùng để hấp thụ NH3 được quạt thổi khí đưa vào đáy tháp, trên đườngdẫn khí vào tháp có lắp van an toàn, van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng phùhợp yêu cầu.

- Dung dịch NH3 hòa tan trong nước cần nhả hấp thụ từ bể chứa được bơm ly tâmbơm lên trên đỉnh tháp Trên đường ống dẫn lỏng có van điều chỉnh như ống dẫnkhí

- Hỗn hợp khí sau khi được hấp thụ đi lên nắp tháp và ra ngoài qua cửa thoát khí ởnắp

- Nước nhả hấp thụ NH3 đi qua cửa tháo lỏng ở đáy tháp rồi được đưa đến bể chứa.Dung dịch thải sẽ tiếp tục được xử lí để đạt chuẩn trước khi thải ra môi trường

- Tiến hành bật quạt thổi khí trước khi bật bơm nước, tạo môi trường thoáng sạchcho phòng và ngăn không cho dung môi tràn vào ống dẫn khí Sau khi ngừng làmviệc, phải tắt bơm nước trước 30 giây sau đó mới tắt máy thổi khí

- Giả sử áp suất: P = 3 (atm) = 2280 (mmHg)

- Hằng số Henry: 2230 (trang 139 sổ tay QTTB tập 2 – Nguyễn Bin)

- Hiệu suất: µ = 95% = 0,95

- β = 1.2

1.2 Đổi đơn vị và tính toán sơ bộ

* Quy đổi yđ từ trạng thái lý tưởng sang trạng thái làm việc:

Có: y0 P0

T0 = y1 P1

T1

=> yđ = y o P0 T1

T0 P1 = 3000∗1∗298273∗3 = 1091,6 (mg/m3) = 1,0961 (g/m3)Nồng độ khí ban đầu là:Ck = R∗T P = 0,082∗2983 = 0,1228 (mol/l) = 122,8 (mol/m3)Nồng độ yđ theo mol/m3: yđ = 1,09617 = 0,0642 (mol/m3)

=> Quy đổi yđ theo kmol/kmol: yđ = 0,0642122,8 = 0,523*10-3 (mol/mol) = 0,523(kmol/kmol)

* Quy đổi Gy từ Nm3/h sang kmol/h:

Quy đổi lưu lượng: V = G y T1 P0

P1.T0 = 10000∗298∗1273∗3 = 3638,5836 (m3/h)Coi hỗn hợp khí là khí lý tưởng: Gy = P1 V

R T1 = 3∗3638,58360,082∗298 = 446.7078 (kmol/h)

1.3 Lập phương trình làm việc và phương trình cân bằng

- Tính yc = (1- µ) yđ = (1 - 0,95) * 0,523 = 0,02615 (kmol /kmol hh khí)

- Tính tham số m: m = P (mmHg) Henry = 22302280 = 0,9781

* Tính nồng độ tương đối:

+ Pha khí:

- Yđ = 1− yđ yđ = 1−0,5230,523 = 1,0965 (kmol /kmol khí trơ)

* Tính lưu lượng: (trang 150 sổ tay tập 2)

- Gtrơ = Gy (1-yđ) = 446.7078 *(1 - 0,523) = 213,0732 (kmol/h)

- Lượng dung môi tiêu tốn tối thiểu để hấp thụ khi nồng độ cuối đạt cân bằng (Xc =Xcbc) là:

Gxmin =Gtr Xcbc−Xđ Yđ −Yc = 213,0732 * 1,0965−0,05481,1493−0 =193,1311 (kmol /h)

3 Tính chiều cao, đường kính và trở lực tháp đệm

3.1 Các thông số cần thiết cho tính toán

- Dùng công thức nội suy để tính khối lượng riêng H2O và NH3 lỏng ở điều kiện làm việc:

T 2−T

T −T 1=

X 2−X

X− X 1 (T1, T2, X1, X2 tự chọn từ trang 9 sổ tay tập 1, T=25, X là khối

lượng riêng của chất ở điều kiện làm việc cần tìm)

=> Khối lượng riêng của H2O ở điều kiện làm việc: ρH2O = 996,5 (kg/m3)

- Khối lượng riêng của NH3 ở điều kiện tiêu chuẩn: ρNH3 = 0,7708 (kg/m3) (trang 13

- Khối lượng riêng NH3 ở điều kiện làm việc là:

1−0,256 996,5

3.3 Tính toán chiều cao tháp đệm và chiều cao lớp đệm

Chiều cao tương đương 1 bậc thay đổi nồng độ tháp đệm là: (trang 168 sổ tay tập 2)

- Gx, Gy: lưu lượng của lỏng và của khí (kg/h)

- ρx, ρy : khối lượng riêng của lỏng và của khí (kg/m3 )

- Hệ số λ’ là hàm số phụ thuộc chuẩn số Renoyd với pha hơi

=> Tính hệ số Renoyd pha hơi:

=> ΔP = ΔPk = 6,28534 * 3,146∗80

0,3883 * 0,26142∗3,159

2 = 239,596 (N/m2)b) Tính tổn thất đệm ướt

- Tháp hấp thụ đạt hiệu suất cao nhất khi vận tốc của khí bằng vận tốc 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: (trang 190 sổ tay tập 2)

0,225

* ( 0,0008937 0,00002272)

4.1 Chiều dày thân tháp

Thiết bị làm việc ở áp suất 3 atm, dùng để hấp thụ khí NH3, thân tháp hình trụ, đượcchế tạo bằng cách uốn tấm vật liệu với kích thước đã định sẵn, hàn ghép mối, thápđược đặt thẳng đứng

- Chọn thân tháp làm bằng vật liệu CT3 (trang 307 sổ tay tập 2)

- Chọn thép không gỉ, bền nhiệt và chịu nhiệt

- Thông số giới hạn bền kéo và giới hạn bền chảy của thép loại CT3:

- 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 (trang 362 sổ tay tập 2)

- 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)

- C1: hệ số bổ sung do ăn mòn Đối với vật liệu là thép X18H10T, thời hạn sử dụng

20 năm có tốc độ ăn mòn 0,1mm/năm thì lấy C1= 2 mm (bảng XII.1, trang 305, sổ tay tập 2)

- C2: Đại lượng bổ sung do hao mòn, C2 = 0

- C3: Đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, C3= 0.8 (bảng XIII.9, trang 364,

Ta lấy giá trị bé hơn trong hai giá trị vừa tính được: [σk] = 146,154*106 (N/m2)

* Tính bề dày thực của thân tháp:

)∗0,95 = 204,765*106 > 220∗106

1,2 = 183*106

=> Không thỏa mãn, tăng S lên thành 6 mm

Kiểm tra lại:

σ = [1,6+(6∗10

−3 −2,8∗10 −3)]∗534213,3384 2∗(6∗10 −3

− 2,8∗10 −3

)∗0,95 = 140,864*106 < 220∗101,2 6 = 183*106

=> Thỏa mãn điều kiện Vậy S = 6 mm

- hb: Chiều cao phần lồi của đáy Tra theo bảng XIII.10 (trang 382 sổ tay tập 2), ứng

với đường kính Dt = 1,6 m được hb= 400 mm

- φh: Hệ số bền của mối hàn hướng tâm (bảng XIII.8 trang 362 sổ tay tập 2), ta được

φh = 0,95

- k: Hệ số không thứ nguyên được tính theo công thức k = 1 - D d

t Đối với đáy không

có lỗ hoặc lỗ được tăng cứng hoàn toàn thì hệ số, k = 1

- C: Đại lượng bổ sung, được tính trong phần chiều dày thân thiết bị

=> S =

1,6∗382225,8384 3,8∗146,154∗106∗1∗0,95−382225,8384∗1,6

= 197,457*106

¿ σ c

1,2 = 183*106 (N/m2)

=> Không thỏa mãn điều kiện => Tăng S = 8 mm

Kiểm tra lại:

σ = [1,6

2

+ 2∗0,4∗(8−4,8)∗10 −3]∗534213,3384 7,6∗1∗0,95∗0,4∗(8−4,8)∗10 −3 = 148,13*106 < 220∗101,2 6 = 183*106

=> Thỏa mãn điều kiện Vậy S = 8 mm

4.3 Tính bích ghép thân tháp

4.3.1 Bích nối thiết bị

Để nối thiết bị ( thân, nắp và đáy) ta có thể dùng bích liền kiểu I chế tạo bằng thép

Ghi chú: D – Đường kính ngoài của bích

h – Chiều dày của bích

Với đường kính của tháp Dt = 1600 mm và áp suất

P = 382225,8384 N/m2 = 0,382.106 N/m2 , tra bảng XIII.27 (trang 422 sổ tay tập 2) ta

có các thông số của bích như sau:

Kích thước cho bề mặt đệm bít kín dùng cho loại bích trên: (Bảng XIII.31, trang 433

4.3.3 Bích nối ống dẫn khí và các bộ phận của thiết bị

Lưu lượng khí đi vào tháp ở điều kiện nhiệt độ và áp suất làm việc: 3638,5836 (m3/h)

Vận tốc khí ra khỏi tháp – Tra bảng II.2 (trang 370 sổ tay tập 1) có tốc độ trung bình

của chất lỏng và khí chuyển động trong ống dẫn Khí vào ở áp suất thường nên chỉdùng quạt Ở P = 3 atm, ωk = 4-15 m/s Ta chọn ωk = 15m/s

Chọn vận tốc khí vào ω y ,v = 15 m/s

Đường kính ống: Dy.v = √ V y , v

0,785.3600 ω = √0,785.3600.151820,49 623 = 0,2 (m) = 200 (mm)

Do lưu lượng khí ra tháp không khác nhiều với lưu lượng khí vào tháp nên ta chọnđường kính ống dẫn hơi ra bằng đường kính ống dẫn hơi vào:

Kích thước chiều dài đoạn ống nối Tra bảng VIII.32 (trang 434 sổ tay tập 2) với áp

suất nhỏ hơn 2,5.106 N/m2ta được l = 130 mm

4.4 Chân đỡ, trụ đỡ, tai treo

Thông thường người ta không đặt trực tiếp thiết bị lên bề mặt mà phải có tai treo haychân đỡ, vỏ đỡ để đỡ thiết bị để thiết bị được ổn định khi vận hành Muốn chọn được

chân đỡ, vỏ đỡ hay tai treo thích hợp ta phải tính trọng tải của tháp (trang 502 sổ tay tập 4).

Tra bảng XIII.11 (trang 384 sổ tay tập 2), với tháp có đường kính trong 1600 mm,

tổng chiều dày đáy và nắp S = 10 mm, chiều cao gờ 40 mm, khối lượng đáy (nắp) là

Đường kính ngoài: của bích D = 1770 mm

Khối lượng bích thân:

Chân đỡ: sử dụng loại chân đỡ thiết bị thẳng đứng Chọn kiểu chân đỡ số IV Hình

XIII.21 (Trang 436 sổ tay tập 2) là kiểu chân nguyên Kiểu chân đỡ này dùng với

thiết bị hình trụ, hàn ở dưới thiết bị Đặt thiết bị trên nền trong nhà

Trọng lượng mỗi chân đỡ (tai treo) phải chịu: 25279,5.9,814 = 61997,974 (N) Tra bảng

XIII.35 (Trang 437 sổ tay tập 2) ta có :

m2

Tải trọngcho phéptrên bềmặt chân

đỡ q.10-6

N/m2

Lmm

Bmm

hmm

smm

lmm

dmm

8,0 840 0,96 320 265 270 400 500 275 22 120 34

KẾT LUẬN

Trên đây là toàn bộ phần tính toán Đồ án môn học” Đồ Án I” , thiết kế tháp hấp thụ xử

việc xử lý khí thải Với phương pháp hấp thụ sử dụng dung môi nước không gây tốn kém dung môi, hiệu quả xử lý cao tuy nhiên có phát sinh nước thải

Trong quá trình thực hiện đồ án môn học, sinh viên đã được củng cố kiến thức các môn

đã được học trong chương trình như: Các quá trình thủy lực trong công nghệ môi trường, Các quá trình truyền nhiệt trong công nghệ môi trường, Các quá trình chuyển khối trong công nghệ môi trường Bên cạnh đó, sinh viên còn được tiếp cận và làm quen với việc tra cứu và sử dụng

sổ tay, các tài liệu tham khảo, cách thực hiện một bản vẽ kỹ thuật hoàn chỉnh

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên TS Võ Thị Lệ Hà đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian hoàn thành đồ án Trong thời gian tham gia các buổi hướng dẫn hoàn thành đồ án của cô, em đã có thêm cho mình nhiều kiến thức bổ ích, tinh thần học tập hiệu quả, nghiêm túc cũng như sự hứng thú với đề tài đồ án Đây chắc chắn sẽ là những kiến thức quý báu, là hành trang để em có thể vững bước sau này Em xin chân thành cảm ơn Kính chúc cô thật nhiều sức khỏe và ngày càng thành công trên con đường giảng dạy Trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô.

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO :

phẩm – Tập 4, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

2 TS Trần Xoa, PGS TS Nguyễn Trọng Khuông (2006), Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 2, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

3 TS Trần Xoa, TS Nguyễn Trọng Khuông (2006), Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

4 Đặng Kim Chi (2006), Hóa học môi trường, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

5 Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp nhiều cấu tử tập 2, Nhà xuất bản Bách

Khoa-Hà Nội