TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ Đề tài: Thiết kế hệ thống tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền hấp thụ CO2
Tính toán thiết bị chính
Tính toán cân bằng vật liệu
2.2 Tính toán đường kính tháp
2.3 Tính toán chiều cao tháp
3 Tính toán hệ thống thiết bị phụ trợ (bơm, máy nén khí)
5.1 Bản vẽ cấu tạo tháp hấp thụ (A0)
IV Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Phạm Hồng Liên
VI Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 24/6/2021
1.1 Tổng quan về chất bị hấp thụ (cacbon dioxit – CO2): 5
1.2 Khái niệm quá trình hấp thụ: 7
2 Tính toán thiết bị chính: 11
2.1 Tính toán cân bằng vật liệu: 11
2.3 Tính chiều cao của thiết bị .16
2.4 Mô phỏng điều kiện làm việc .22
3 Tính toán công trình phụ trợ 23
4.3 Tính đáy và nắp tháp 34
4.5 Cửa nối ống dẫn và thiết bị 36
Bảng 1 Bảng thuộc tính Cacbon dioxit (CO2)
Bảng 2 Bảng số liệu xác định đường cong phụ
Bảng 3 Bảng mô phỏng điều kiện làm việc của tháp tại các áp suất khác nhau Bảng 4 Thông số mặt bích của tháp
Bảng 5 Thông số chân đỡ của tháp
Hình 1 Sơ đồ công nghệ
Hình 2 Đồ thị xác định số đĩa thực tế
Hình 3 Đồ thị mối quan hệ giữa đường kính tháp và áp suất làm việc
1.1 Tổng quan về chất bị hấp thụ (cacbon dioxit – CO 2 ):
Cacbon dioxit (CO2) là một khí không màu mà khi hít phải ở nồng độ cao tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng (nguy cơ bị ngạt thở rất lớn)
Tỷ trọng riêng của nó ở 25 0 C là 1,98kg/m 3 , khoảng 1,5 lần nặng hơn không khí Phân tử Cacbon dioxit (O=C=O) chứa hai liên kết đôi và có hình dạng tuyến tính Nó không có lưỡng cực điện Do nó là hợp chất đã bị oxy hoá hoàn toàn nên về mặt hoá học nó không hoạt động hoá học, cụ thể là không cháy Ở nhiệt độ dưới -78 0 C, Cacbon dioxit ngưng tụ lại thành tinh thể màu trắng gọi là băng khô Cacbon dioxit lỏng chỉ được khi tạo ra dưới áp suất trên 5,1 bar, ở điều kiên áp suất khí quyển nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa
Bảng thuộc tính Cacbon dioxit (CO 2 )
Tỷ trọng và pha 1,98 kg/m 3 ở 298 0 K
1,6 g/m 3 (rắn) Độ hòa tan trong nước 1,45 kg/m 3 Điểm nóng chảy -57 0 C (216 0 K – áp lực) Điểm sôi -78 0 C (195 0 K – thăng hoa) pKa 6,35 pKb 10,33 Độ nhớt 0,07 cP ở -78 0 C
Khí Cacbon dioxit (CO2) không cháy và không duy trì sự cháy nhưng một số kim loại có tình khử mạnh có thể cháy được trong CO2
Tan tốt trong nước, nhất là ở nhiệt độ thấp CO2 là anhydrit của axit cacbonic Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định cacbon dioxit, và nhiều hơn lượng này khi khí bị nén Khoảng 1% cacbon dioxit hòa tan chuyển thành axit cacbonic Axit cacbonic phân ly một phần thành các ion bicacbonat (HCO 3 − ) và cacbonat ( CO 3 2 − )
3 Tác dụng với oxit bazơ:
4 Phản ứng với muối trung hòa tạo muối axit
• Nguồn gốc của khí Cacbon dioxit (CO 2 ): CO2 sinh ra do quá trình đốt cháy nguyên liệu
Nguyên nhiên liệu đốt cháy hoàn toàn → CO2 + hơi nước +các chất khác (bụi
Nguyên nhiên liệu đốt cháy không hoàn toàn → CO2 + hơi nước + CO + các chất khác
CO2 sinh ra do quá trình sản xuất phân Ure: bao gồm khí thải chứa CO, CO2,
NH3, SO2 chủ yếu ở khâu khí hóa than
CO2 sinh ra từ ngành công nghiệp sản xuất gang thép: bụi, CO, CO2, hydrocacbon, phenol, benzene, SO3, NH3, …
• Tác động đến môi trường & con người:
Hiện nay, theo số liệu của các nhà khoa học, hàm lượng CO2 trong khí quyển ngày càng tăng Điều này đã làm tăng hiệu ứng nhà kính của Trái Đất và tăng nhiệt đọ trung bình của Trái Đất, gây hiệu quả xấu đến môi trường và con người
Hàm lượng cacbon dioxit trong không khí trong lành là khoảng 0,004% và trong không khí bị thải ra từ sự thở là 4,5% Khi thở trong không khí với nồng độ cao (khoảng 5% theo thể tích) gây ngạt thở Nồng độ cao dẫn đến tử vong
1.2 Khái niệm quá trình hấp thụ:
Hấp thụ 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 Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả hấp thụ Nguyên lý của hai quá trình là giống nhau
Quá trình hấp thụ tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng) khi này hỗn hợp khí được tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng
- Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ
- Chất lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi (hay chất hấp thụ )
- Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ
• Quá trình hấp thụ dùng để:
- Thu hồi các cấu tử quý
- Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt
- Tạo thành một dung dịch sản phẩm
Trong trường hợp thứ nhất và thứ 3, bắt buộc ta phải tiến hành quá trình nhả sau khi hấp thụ để tách cấu tử được hấp thụ ra khỏi dung môi Đối với trường hơp khác, quá trình nhả là không cần thiết, trừ khi phải dùng lại dung môi (dung môi quý)
Quá trình hấp thụ phụ thuộc chủ yếu vào dung môi, do đó cần chọn dung môi theo những tính chất sau đây:
1 Có tính chất hòa tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại, còn những cấu tử không có khả năng hòa tan Đây là điều kiện quan trọng nhất
2 Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ Tăng tốc độ hấp thụ, và tăng hệ số chuyển khối
3 Nhiệt dung riêng bé, để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi
4 Có nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan, để dễ dàng tách riêng các cấu tử ra khỏi dung môi qua chưng luyện
5 Có nhiệt độ đóng rắn thấp, để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị
6 Không tạo thành kết tủa khi hòa tan, để tránh tắc thiết bị và dễ thu hồi
7 Ít bay hơi để tránh tổn thất, rẻ tiền,dễ kiếm và không độc hại với người
8 Không độc và ăn mòn thiết bị
Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được các tiêu chuẩn đã nêu
Vì vậy khi chọn ta phải dựa vào các điều kiện cụ thể của sản xuất Trong sản xuất, người ta dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện chưng luyện và hấp thụ Các thiết bị thường dùng trong sản xuất là:
- Thiết bị bề mặt: đơn giản, bề mặt tiếp xúc bé nên chỉ dùng khi chất khí dễ hoà tan trong lỏng
- Thiết bị loại màng: Có loại ống, loại tấm
- Thiết bị loại phun: không phù hợp với khí khó hoà tan
- Thiết bị loại đệm (tháp đệm): bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao nhưng khó làm ướt đều đệm
- Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa): o Tháp đĩa có ống chảy truyền: đĩa chóp, đĩa lỗ (lưới), đĩa suppat, đĩa sóng chữ S o Tháp đĩa không có ống chảy truyền
Trong loại này khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, vì vậy không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa như trong các loại tháp có ống chảy truyền và tất cả bề mặt đĩa đều được làm việc nên hiệu quả của đĩa cao hơn
Tháp đĩa lưới không có ống chảy truyền làm việc ở 4 chế độ thủy động:
- Chế độ thấm ướt đĩa, ở chế độ này có vận tốc khí bé, nên khí và lỏng không đi qua cùng 1 lỗ vì vậy chúng tiếp xúc với nhau qua màng chất lỏng
- Chế độ sủi bọt Khi tăng vận tốc khí đến giới hạn nào đó, trên đĩa ngoài chất lỏng còn có bọt
- Chế độ huyền phù nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chất lỏng trên đĩa không còn nữa mà chỉ có bọt, lớp bọt xoáy mạnh
1 Bể chứa nước 6 Van điều chỉnh lưu lượng khí
2 Bơm 7 Đồng hồ đo 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 Máy nén khí 10 Tháp hấp thụ
Hỗn hợp khí cần xử lý CO2 – không khí được quạt thổi khí đưa vào đáy tháp, trên đường dẫn khí vào tháp có lắp van an toàn, van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng phù hợp yêu cầu
Nước từ bể chứa được bơm ly tâm bơm lên trên đỉnh tháp Trên đường ống dẫn lỏng có van điều chỉnh như ống dẫn khí
Không khí sau khi được tách CO2 đi lên nắp tháp và ra ngoài qua cửa thoát khí ở nắp
Nước hấp thụ CO2 đi qua cửa tháo lỏng ở đáy tháp rồi được đưa đến hệ thống nhả hấp thụ để tái sử dụng hoặc nhằm các mục đích khác
2 Tính toán thiết bị chính:
2.1 Tính toán cân bằng vật liệu:
- Xđ: Nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ (CO2) trong dung môi, Kmol / Kmol dung môi
- Xc: Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ (CO2) trong dung môi, Kmol / Kmol dung môi
- Yđ: Nồng độ ban đầu của cấu tủ cần hấp thụ (CO2) trong hỗn hợp khí, Kmol / Kmol khí trơ
- Yc: Nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ (CO2) trong hỗn hợp khí, Kmol / Kmol khí trơ
- Gy: Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ, Kmol / h
- Gx: Lượng hỗn hợp lỏng đi vào thiết bị hấp thụ, Kmol / h
- Gtr: Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ, Kmol / h
- : lượng dung môi / lượng dung môi tối thiểu a) Chế độ làm việc của tháp:
- Nồng độ khí vào tháp yđ = 0,12 (phần thể tích)
- Khi tính toán thường dùng nồng độ phần mol tương đối:
Yc = Yđ.(1- ) = 0,136 (1- 0,85) = 0,0204 (kmol/ kmol khí trơ )
- Lượng khí thải vào tháp Gy = 5000 Nm 3 /h
- Lượng khí trơ được tính theo công thức:
1 0,136 + (kmol/h) b) Thiết lập phương trình đường nồng độ cân bằng:
- Theo định luật Henry: ycb = m.x
Tính theo nồng độ phần mol tương đối:
1 + − ( kmol cấu tử cần hấp thụ/ kmol khí trơ) (II-140)
là hằng số Henry của CO2 ở 25 0 C
− (phương trình đường nồng độ cân bằng) c) Thiết lập phương trình đường nồng độ làm việc
- Ta có phương trình cân bằng vật liệu đối với một khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kỳ nào đó tới phần trên của thiết bị
- Từ phương trình trên ta rút ra: Y = đ tr x c tr x X
- Theo bài ra nồng độ CO2 trong dung môi ban đầu bằng 0 => X đ = 0
Tính đường kính tháp
• Vtb: lượng hơi (khí) trung bình đi trong tháp, m 3 /h
• tb : tốc độ hơi (khí) đi trong tháp, m/s tb =( 0,8 0,9− ) s
• s : vận tốc đảo pha, m/s a) Tính khối lượng riêng:
- Đối với pha lỏng, ta áp dụng công thức: 2 2
xtb : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m 3
Phần khối lượng của CO2 trong pha lỏng
: Khối lượng riêng của CO2 và H2O ở 25 0 C, kg/m 3
, ta áp dụng công thức: 2
2 : a CO Phần khối lượng trung bình của CO2 trong hỗn hợp xtb: Nồng độ phần mol trung bình của CO2 trong pha lỏng, (kmol CO2/kmol H2O)
= + = + - Tính khối lượng phân tử của hỗn hợp lỏng Mx:
M =x M + −x M = − + − − - Đối với pha khí, ta áp dụng công thức: 0
Trong đó: M Y là khối lượng phân tử của hỗn hợp khí
- M y = y M tb CO 2 + −( 1 y tb ) M kk =0,0725.44+ −(1 0,0725 29) 0,08 (kg/kmol)
- Độ nhớt pha lỏng x :lg( ) x =x tb lg( ) CO 2 + − ( 1 x tb ) lg( ) H O 2 (I-84) Trong đó:
• CO 2, H O 2 : độ nhớt của CO2 và H2O ở 25 0 C, Ns/m 2
• xtb: Nồng độ phần mol trung bình của CO2 trong pha lỏng, (kmol CO2/kmol
x =8,9.10 − 4 (Ns/m 2 ) c) Lượng khí trung bình đi trong tháp:
- Xác định vận tốc đảo pha:
• Tốc độ giới hạn trên tính theo công thức: Y= 10 e -4X
Ftd: mặt cắt tự do của đĩa, m 2 /m 2 ; chọn Ftd = 0,2 g: Gia tốc trọng trường bằng 9,8 m/s 2
: độ nhớt của pha lỏng ở nhiệt độ trung bình và của nước ở 20 0 C N.m/s 2 1,005.10 3
Gx, Gy: lưu lượng lỏng, hơi đi trong tháp, kg/h dtđ: đường kính tương đương của lỗ hay rãnh, m
Do dung môi của ta là nước và khí ở đây cũng là khí sạch nên ta có thể chọn 6.10 3 d tđ = − m
Tính chiều cao của thiết bị
H = Ntt (Hđ + ) + (0,8 :1) (m) (II -168) Trong đó: Ntt - số đĩa thưc tế
: chiều dày của đĩa (m): Chọn = 5.10 -3 (m)
Hđ: khoảng cách giữa các đĩa Chọn Hđ = 0,3 (m)
+) Số đĩa lý thuyết xác định bằng cách dựng đường cong phụ BC : y
Ky: Hệ số chuyển khối
Gy: lượng hơi trung bình đi trong tháp
Trong đó: m: Hệ số phân bố vật chất phụ thuộc nhiệt độ, áp suất, nồng độ các pha
Hệ số cấp khối trong pha lỏng và pha khí (kmol/m 2 s)
y : tốc độ khí tính cho mặt cắt tự do của tháp, m/s x đ k
= − : trở lực thủy lực của lớp chất lỏng trên đĩa,N/m 2
: trở lực thủy lực chung của đĩa, N/m 2
: trở lực đĩa khô, N/m 2 tt đ
+) Trở lực do sức căng bề mặt:
: sức căng bề mặt của hỗn hợp, (N/m 2 )
: sức căng bề mặt của H2O và CO2 ở 25 0 C
Ta có thể nội suy
+) Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa =P t b g h b (II – 195) h b : chiều cao lớp bọt trên đĩa, m
= (m) (II – 195) g: gia tốc trọng trường, g = 9,8 m/s 2
Do ta chọn Ftđ = 0,2 nên tốc độ khí tính cho mặt cắt tự do của đĩa
Khối lượng riêng của bọt trên đĩa
= (kg/m 3 ) (II – 195) Độ nhớt pha khí được xác định theo công thức
(1 ). tb CO y tb KK y CO KK y M
M M : khối lượng phân tử của NH3, và không khí Độ nhớt của CO2, và không khí ở 25 0 C
CO : độ nhớt động học của CO2 ở 0 0 C và bằng 93.10 -7 N.s/m 2
CO 2= 149,17.10 -7 N.s/m 2 Tra bảng Độ nhớt không khí ở 25 0 C
M = y M + − y M = + − = (Kg/mol) Độ nhớt pha khí:
+) Hệ số cấp khối trong pha lỏng và pha khí
Ta thấy đường cân bằng có dạng đường thẳng y = 3.x
Lượng khí trung bình đi trong tháp y 0,31
Số đơn vị chuyển khối
= Với A thuôc đường cân bằng, C thuộc đường làm việc
Vẽ đường cong phụ đi qua các điểm B1, B2,B3 … Bn
Ta có bảng số liệu:
0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 Đồ thị xác định số đĩa thực tế đường làm việc đường cân bằng đường cong phụ
Ta có đồ thị (hình 2.)
Từ đồ thị ta xác định được số đĩa lý thuyết: Ntt= 14
Mô phỏng điều kiện làm việc
Theo tính toán mô phỏng, ta có được bảng số liệu và đồ thị mô phỏng mối quan hệ giữa đường kính tháp và áp suất làm việc như sau
=> Theo kết quả mô phỏng thì đường kính làm việc của tháp giảm dần khi áp suất làm việc tăng dần Tuy nhiên, đường kính sẽ chỉ giảm đến một áp suất làm việc nhất định, cụ thể là tại 5atm, rồi sau đó lại tiếp tục tăng Vậy chọn áp suất làm việc của tháp là 5atm do đường kính làm việc của tháp tại điều kiện này là tối ưu nhất, và lượng dung môi tiêu tốn cũng là nhỏ nhất
0 2 4 6 8 10 12 Đườn g kín h th áp Áp suất làm việc
Mối quan hệ giữa đường kính tháp và áp suất làm việc
Tính toán công trình phụ trợ
Bơm
5.1 Bản vẽ cấu tạo tháp hấp thụ (A0)
IV Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Phạm Hồng Liên
VI Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 24/6/2021
1.1 Tổng quan về chất bị hấp thụ (cacbon dioxit – CO2): 5
1.2 Khái niệm quá trình hấp thụ: 7
2 Tính toán thiết bị chính: 11
2.1 Tính toán cân bằng vật liệu: 11
2.3 Tính chiều cao của thiết bị .16
2.4 Mô phỏng điều kiện làm việc .22
3 Tính toán công trình phụ trợ 23
4.3 Tính đáy và nắp tháp 34
4.5 Cửa nối ống dẫn và thiết bị 36
Bảng 1 Bảng thuộc tính Cacbon dioxit (CO2)
Bảng 2 Bảng số liệu xác định đường cong phụ
Bảng 3 Bảng mô phỏng điều kiện làm việc của tháp tại các áp suất khác nhau Bảng 4 Thông số mặt bích của tháp
Bảng 5 Thông số chân đỡ của tháp
Hình 1 Sơ đồ công nghệ
Hình 2 Đồ thị xác định số đĩa thực tế
Hình 3 Đồ thị mối quan hệ giữa đường kính tháp và áp suất làm việc
1.1 Tổng quan về chất bị hấp thụ (cacbon dioxit – CO 2 ):
Cacbon dioxit (CO2) là một khí không màu mà khi hít phải ở nồng độ cao tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng (nguy cơ bị ngạt thở rất lớn)
Tỷ trọng riêng của nó ở 25 0 C là 1,98kg/m 3 , khoảng 1,5 lần nặng hơn không khí Phân tử Cacbon dioxit (O=C=O) chứa hai liên kết đôi và có hình dạng tuyến tính Nó không có lưỡng cực điện Do nó là hợp chất đã bị oxy hoá hoàn toàn nên về mặt hoá học nó không hoạt động hoá học, cụ thể là không cháy Ở nhiệt độ dưới -78 0 C, Cacbon dioxit ngưng tụ lại thành tinh thể màu trắng gọi là băng khô Cacbon dioxit lỏng chỉ được khi tạo ra dưới áp suất trên 5,1 bar, ở điều kiên áp suất khí quyển nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa
Bảng thuộc tính Cacbon dioxit (CO 2 )
Tỷ trọng và pha 1,98 kg/m 3 ở 298 0 K
1,6 g/m 3 (rắn) Độ hòa tan trong nước 1,45 kg/m 3 Điểm nóng chảy -57 0 C (216 0 K – áp lực) Điểm sôi -78 0 C (195 0 K – thăng hoa) pKa 6,35 pKb 10,33 Độ nhớt 0,07 cP ở -78 0 C
Khí Cacbon dioxit (CO2) không cháy và không duy trì sự cháy nhưng một số kim loại có tình khử mạnh có thể cháy được trong CO2
Tan tốt trong nước, nhất là ở nhiệt độ thấp CO2 là anhydrit của axit cacbonic Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định cacbon dioxit, và nhiều hơn lượng này khi khí bị nén Khoảng 1% cacbon dioxit hòa tan chuyển thành axit cacbonic Axit cacbonic phân ly một phần thành các ion bicacbonat (HCO 3 − ) và cacbonat ( CO 3 2 − )
3 Tác dụng với oxit bazơ:
4 Phản ứng với muối trung hòa tạo muối axit
• Nguồn gốc của khí Cacbon dioxit (CO 2 ): CO2 sinh ra do quá trình đốt cháy nguyên liệu
Nguyên nhiên liệu đốt cháy hoàn toàn → CO2 + hơi nước +các chất khác (bụi
Nguyên nhiên liệu đốt cháy không hoàn toàn → CO2 + hơi nước + CO + các chất khác
CO2 sinh ra do quá trình sản xuất phân Ure: bao gồm khí thải chứa CO, CO2,
NH3, SO2 chủ yếu ở khâu khí hóa than
CO2 sinh ra từ ngành công nghiệp sản xuất gang thép: bụi, CO, CO2, hydrocacbon, phenol, benzene, SO3, NH3, …
• Tác động đến môi trường & con người:
Hiện nay, theo số liệu của các nhà khoa học, hàm lượng CO2 trong khí quyển ngày càng tăng Điều này đã làm tăng hiệu ứng nhà kính của Trái Đất và tăng nhiệt đọ trung bình của Trái Đất, gây hiệu quả xấu đến môi trường và con người
Hàm lượng cacbon dioxit trong không khí trong lành là khoảng 0,004% và trong không khí bị thải ra từ sự thở là 4,5% Khi thở trong không khí với nồng độ cao (khoảng 5% theo thể tích) gây ngạt thở Nồng độ cao dẫn đến tử vong
1.2 Khái niệm quá trình hấp thụ:
Hấp thụ 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 Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả hấp thụ Nguyên lý của hai quá trình là giống nhau
Quá trình hấp thụ tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng) khi này hỗn hợp khí được tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng
- Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ
- Chất lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi (hay chất hấp thụ )
- Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ
• Quá trình hấp thụ dùng để:
- Thu hồi các cấu tử quý
- Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt
- Tạo thành một dung dịch sản phẩm
Trong trường hợp thứ nhất và thứ 3, bắt buộc ta phải tiến hành quá trình nhả sau khi hấp thụ để tách cấu tử được hấp thụ ra khỏi dung môi Đối với trường hơp khác, quá trình nhả là không cần thiết, trừ khi phải dùng lại dung môi (dung môi quý)
Quá trình hấp thụ phụ thuộc chủ yếu vào dung môi, do đó cần chọn dung môi theo những tính chất sau đây:
1 Có tính chất hòa tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại, còn những cấu tử không có khả năng hòa tan Đây là điều kiện quan trọng nhất
2 Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ Tăng tốc độ hấp thụ, và tăng hệ số chuyển khối
3 Nhiệt dung riêng bé, để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi
4 Có nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan, để dễ dàng tách riêng các cấu tử ra khỏi dung môi qua chưng luyện
5 Có nhiệt độ đóng rắn thấp, để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị
6 Không tạo thành kết tủa khi hòa tan, để tránh tắc thiết bị và dễ thu hồi
7 Ít bay hơi để tránh tổn thất, rẻ tiền,dễ kiếm và không độc hại với người
8 Không độc và ăn mòn thiết bị
Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được các tiêu chuẩn đã nêu
Vì vậy khi chọn ta phải dựa vào các điều kiện cụ thể của sản xuất Trong sản xuất, người ta dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện chưng luyện và hấp thụ Các thiết bị thường dùng trong sản xuất là:
- Thiết bị bề mặt: đơn giản, bề mặt tiếp xúc bé nên chỉ dùng khi chất khí dễ hoà tan trong lỏng
- Thiết bị loại màng: Có loại ống, loại tấm
- Thiết bị loại phun: không phù hợp với khí khó hoà tan
- Thiết bị loại đệm (tháp đệm): bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao nhưng khó làm ướt đều đệm
- Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa): o Tháp đĩa có ống chảy truyền: đĩa chóp, đĩa lỗ (lưới), đĩa suppat, đĩa sóng chữ S o Tháp đĩa không có ống chảy truyền
Trong loại này khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, vì vậy không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa như trong các loại tháp có ống chảy truyền và tất cả bề mặt đĩa đều được làm việc nên hiệu quả của đĩa cao hơn
Tháp đĩa lưới không có ống chảy truyền làm việc ở 4 chế độ thủy động:
- Chế độ thấm ướt đĩa, ở chế độ này có vận tốc khí bé, nên khí và lỏng không đi qua cùng 1 lỗ vì vậy chúng tiếp xúc với nhau qua màng chất lỏng
- Chế độ sủi bọt Khi tăng vận tốc khí đến giới hạn nào đó, trên đĩa ngoài chất lỏng còn có bọt
- Chế độ huyền phù nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa thì chất lỏng trên đĩa không còn nữa mà chỉ có bọt, lớp bọt xoáy mạnh
1 Bể chứa nước 6 Van điều chỉnh lưu lượng khí
2 Bơm 7 Đồng hồ đo 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 Máy nén khí 10 Tháp hấp thụ
Hỗn hợp khí cần xử lý CO2 – không khí được quạt thổi khí đưa vào đáy tháp, trên đường dẫn khí vào tháp có lắp van an toàn, van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng phù hợp yêu cầu
Nước từ bể chứa được bơm ly tâm bơm lên trên đỉnh tháp Trên đường ống dẫn lỏng có van điều chỉnh như ống dẫn khí
Không khí sau khi được tách CO2 đi lên nắp tháp và ra ngoài qua cửa thoát khí ở nắp
Nước hấp thụ CO2 đi qua cửa tháo lỏng ở đáy tháp rồi được đưa đến hệ thống nhả hấp thụ để tái sử dụng hoặc nhằm các mục đích khác
2 Tính toán thiết bị chính:
2.1 Tính toán cân bằng vật liệu:
- Xđ: Nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ (CO2) trong dung môi, Kmol / Kmol dung môi
- Xc: Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ (CO2) trong dung môi, Kmol / Kmol dung môi
- Yđ: Nồng độ ban đầu của cấu tủ cần hấp thụ (CO2) trong hỗn hợp khí, Kmol / Kmol khí trơ
- Yc: Nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ (CO2) trong hỗn hợp khí, Kmol / Kmol khí trơ
- Gy: Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ, Kmol / h
- Gx: Lượng hỗn hợp lỏng đi vào thiết bị hấp thụ, Kmol / h
- Gtr: Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ, Kmol / h
- : lượng dung môi / lượng dung môi tối thiểu a) Chế độ làm việc của tháp:
- Nồng độ khí vào tháp yđ = 0,12 (phần thể tích)
- Khi tính toán thường dùng nồng độ phần mol tương đối:
Yc = Yđ.(1- ) = 0,136 (1- 0,85) = 0,0204 (kmol/ kmol khí trơ )
- Lượng khí thải vào tháp Gy = 5000 Nm 3 /h
- Lượng khí trơ được tính theo công thức:
1 0,136 + (kmol/h) b) Thiết lập phương trình đường nồng độ cân bằng:
- Theo định luật Henry: ycb = m.x
Tính theo nồng độ phần mol tương đối:
1 + − ( kmol cấu tử cần hấp thụ/ kmol khí trơ) (II-140)
là hằng số Henry của CO2 ở 25 0 C
− (phương trình đường nồng độ cân bằng) c) Thiết lập phương trình đường nồng độ làm việc
- Ta có phương trình cân bằng vật liệu đối với một khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kỳ nào đó tới phần trên của thiết bị
- Từ phương trình trên ta rút ra: Y = đ tr x c tr x X
- Theo bài ra nồng độ CO2 trong dung môi ban đầu bằng 0 => X đ = 0
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ
Chọn vật liệu
Do thiết bị làm việc ở điều kiện áp suất 5 atm, nhiệt độ không cao (t = 25 0 C), môi trường ăn mòn nhẹ nên ta có thể chọn vật thép không gỉ để chế tạo thiết bị Đối với hỗn hợp khí CO2 – không khí, dung môi là H2O ta chọn vật liệu là thép X18H10T (C < 12%; Cr 18%; N 10%; T nằm trong khoảng 1 – 1,5%)
Thân thiết bị được cấu tạo từ một tấm thép cuốn lại thành hình trụ rồi hàn ghép mối lại với yêu cầu:
Mối hàn phải dễ quan sát Đảm bảo đường hàn càng ngắn càng tốt
Bố trí các đường hàn dọc (ở các đoạn thân trụ riêng biệt lân cận) cách nhau ít nhất là 100mm
Không được khoan lỗ qua mối hàn
Thiết bị gồm ba đoạn: thân, nắp và đáy nối với nhau bằng mặt bích
Do thiết bị có chiều cao là H = 5,3 m nên thân thiết bị được ghép từ 2 đoạn thân, mỗi đoạn cao khoảng 2,7 m; chúng được hàn ghép mối với nhau.
Chiều dày thân
Thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong p, chiều dày của nó được tính theo
Dt: đường kính trong của tháp, Dt = 2,3 m
: hệ số bền hàn của thành trụ theo phương dọc
C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn, dung sai về chiều dày (m) p: áp suất trong thiết bị (N/m 2 )
Tháp được hàn dọc bằng hàn tay hồ quang điện Đối với vật liệu là thép X18H10T, kiểu hàn ghép nối với Dt = 2,3 m > 700 mm có = 0,95
Pmt: áp suất làm việc của tháp = 5 atm = 506625 N/m 2
Ptt: áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng trong tháp
Ptt = g..H (N/m 2 ) H: chiều cao tối đa của cột chất lỏng,lấy tối đa H = 5,3 m
Khối lượng riêng của chất lỏng = 997,08 kg/m 3
Với vật liệu là thép X18H10T có:
C1: bổ sung do ăn mòn = 1 mm = 0,001 m
C2: bổ sung do hao mòn 0
C3: bổ sung do dung sai của chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày tấm thép;
Do thiết bị không bị đốt nóng nên hệ số điều chỉnh = 1 Ứng suất cho phép được xác định theo giá trị nhỏ nhất từ hai công thức sau:
c c n (N/m 2 ) (II – 355) nk, nc: hệ số an toàn giới hạn bền, giới hạn chảy: nk = 2,6; nc = 1,5
k, c: ứng suất cho phép khi kéo, khi chảy; k 80.10 6 ; c = 240.10 6
→ có thể bỏ qua đại lượng Pt ở mẫu số của công thức tính S
Vậy chiều dày của thân thép là:
Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử (dùng nước) Áp suất thử tính toán Po được xác định
Pth: áp suất thuỷ lực = 1,5.Pt = 1,5.558414 = 837621 (N/m 2 )
Xác định ứng suất ở thân tháp theo áp suất thử tính toán:
= 97,73.10 6 → thiết bị đảm bảo an toàn
Tính đáy và nắp tháp
Chọn đáy và nắp elip nối với thân thiết bị bằng mặt bích, ở tâm có đục lỗ để thải khí và lỏng sau khi đã hấp thụ
Chọn loại thép cùng loại với thân là thép X18H10T
Chiều dày Sn của nắp tháp được xác định
− ; m (II-385) hl: chiều cao phần lồi của nắp, hl = 0,25.Dt = 0,25.2,3 = 0,575 (m)
h = 0,95 k: hệ số không thứ nguyên, k = 1 -
D t d d: đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng, d = 0,3 m
506625 = > 30 nên đại lượng P ở mẫu số của biểu thức tính Sn có thể bỏ qua
C1: Đại lượng bổ sung; khi S-C = 5,1 mm < 10 mm thì thêm vào C cỡ 2 mm được
Vậy chiều dày của nắp tháp là:
Tương tự ta có thể kiểm tra ứng suất lên nắp thiết bị theo áp suất khử thuỷ lực và kết quả cho thấy là nắp thiết bị chưa đảm bảo an toàn
− − Điều chỉnh Sn = 13 mm Kiểm tra lại:
Nắp thiết bị đảm bảo an toàn
Các thông số của nắp tháp:
Sn = 13 mm hl = 0,575 m = 575 mm h = 40 mm
Tra bảng XIII.11 (II-384) ta được khối lượng của nắp tháp là: m = 630,24 kg Đáy tháp: Hoàn toàn tương tự như nắp tháp
Chọn mặt bích
Dùng bích liền bằng thép để nối thiết bị theo các thông số tra từ bảng XIII.27 (II-
Chọn 2 bích nối đáy - nắp với thân tháp
Chọn 3 nối các bộ phận khác
Cửa nối ống dẫn và thiết bị
Ống dẫn lỏng có đường kính 100mm, tháp làm việc ở áp suất < 2,5.10 -6 N/m 2 nên theo bảng (II-434) ta chọn chiều dài đoạn ống nối là 120mm Ống dẫn khí có đường kính 300mm, tháp làm việc ở áp suất < 2,5.10 -6 N/m 2 nên theo bảng (II-434) ta chọn chiều dài đoạn ống nối là 150m
Bu lông h db(mm) z (cái) mm
Chọn chân đỡ
Khối lượng thân: Mthân = Vthân. X 18 H 10 T
Vthân: thể tích phần vỏ thân tháp; m 3
Dn: đường kính ngoài = Dt + 2.S = 2,3 + 2.0,007 = 2,314 m
Hth: chiều cao thân tính từ đĩa trên cùng đến đĩa dưới cùng = 5,3 m
Thay các giá trị vào ta tính được:
Khối lượng đáy và nắp tháp = 2.630,24 = 1260,48 (kg)
Khi có sự cố, nước sẽ bị điền đầy vào tháp Khối lượng nước khi đó là:
V = D H ; Ho = chiều cao tháp + chiều cao đáy + chiều cao nắp = H + hb + hb
4 0,005.7900 = 164,1 (kg) Tháp có 14 đĩa nên khối lượng của tổng tất cả các đĩa là:
Khối lượng bổ sung gồm khối lượng của chóp, bu lông, thanh giằng…
Vậy khối lượng của toàn tháp là:
Trọng lượng tương ứng của tháp:
Lựa chọn chân đỡ: Chọn 4 chân đỡ, mỗi chân đỡ chịu một tải trọng là:
Tra bảng số liệu chuẩn XIII.35 (II-437) ta chon chân đỡ có các thông số như sau: