Đồ án: hấp thụ NH3 bằng tháp đệm ppt

- Khí được hấp thu gọi là chất bị hấp thụ ; chất lỏng rắn dùng để hút gọi làchất hất thu, khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.. - Mục đích: hòa tan một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí đ

Đồ án:

Hấp thụ NH3 bằng

tháp đệm

LỜI MỞ ĐẦU

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

Bên cạnh đó, đây là một lĩnh vực mà chúng ta chưa thấy hết được mối nguyhại của nó đối con người và sinh vật Hiện nay vẫn chưa có hệ thống quản lý môitrường thật sự hoàn chỉnh để có thể kiểm soát, và chưa được sự chú trọng đúngmức từ phía các nhà sản xuất

Vì vậy đồ án môn học kỹ thuật xử lý ô nhiễm không khí với nhiệm vụ thiết

lúc này để giúp giảm thiểu ô nhiễm từ các dòng khí thải

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô bộ môn và các bạn sinh viên đã giúp

em hoàn thành đồ án này

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng quan 04

1.1 Giới thiệu về khí thải 05

1.1.1 Tính chất vật lý 05

1.1.2 Tính chất hóa học 05

1.1.3 Độc tính của amôniăc 05

1.1.4 Các vấn đề MT liên quan đến NH3 06

1.2 Giới thiệu về quá trình hấp thu 07

1.2.1 Khái niệm 07

1.2.2 Cơ sở thiết bị 08

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu 09

1.2.4 Ưu điểm, nhược điểm của quá trình hấp thu………… 10

1.3 Thiết bị hấp thu ………11

1.3.1 Tháp màng 11

1.3.2 Tháp đệm 13

1.3.3 Tháp đĩa 15

Chương 2: Quy trình công nghệ 16

2.1 Thuyết minh quy trình công nghệ 17

2.2 Sơ đồ quy trình công nghệ 17

Chương 3: Tính toán thiêt bị 18

3.1 Cân bằng vật chất 19

3.2 Tính đường kính tháp 21

3.3 Tính chiều cao tháp 24

3.4 Tính trở lực của tháp 29

3.4.1 Trở lực của lớp đệm trong tháp 29

3.4.2 Trở lực của đĩa phân phối chất lỏng 30

Chương 4: Tính toán các thiết bị phụ 33

4.1 Ống dẫn khí 34

4.2 Ống dẫn chất lỏng 34

4.3 Lưới đỡ đệm 34

4.4 Ống tháo đệm 35

4.5 Ống nhập liệu 35

4.6 Bộ phận phân phối chất lỏng 36

4.7 Lớp tách ẩm 36

Chương 5: Tính toán cơ khí 37

5.1 Tính chiều dày của thân tháp 38

5.2 Tính đáy và nắp của thiết bị 40

5.3 Mặt bích 42

5.4 Chân đỡ 44

5.5 Tai treo 46

5.6 Quạt 47

5.7 Bơm 49

5.8 Ống khói 51

Chương 1

Tổng quan

1.1 Giới thiệu về khí thải

Amôniăc là một chất khí không màu có mùi rất khó chịu

phân huỷ sinh ra các đơn chất N2 và H2

phân huỷ là phản ứng thu nhiệt và cũng là phản ứng thuận nghịch :

2 NH3 3 H2 + N2

a Đối với động vật thuỷ sinh:

nhưng có mật độ nuôi lớn

b.Đối với người:

Khi hít phải hoặc tiếp xúc trực tiếp với NH3

một giờ là từ 210-350 mg/m3

1.1.4 Các vấn đề MT liên quan đến NH3

- Trong quá trình nuôi tôm, cá, các quá trình xử lý nước thải: nước thải, khíthải và bùn do phân hữu cơ, xác động vật, xác(vỏ) tôm sau khi tiêu hoá thức ăn thìchúng được thải ra trong điều kiện kỵ khí dưới sự tác dụng của vi khuẩn trongnước sinh ra H2S, NH3, CH4 … các chất này rất độc cho ao nuôi và các động vậtthuỷ sinh

cũng ảnh hưởng lớn đến sức khoẻ công nhân và cộng đồng xung quanh

1.2 Giới thiệu về quá trình hấp thụ

1.2.1 Khái niệm: Hấp thụ là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí

khuếch tán vào pha lỏng hoặc rắn do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng (rắn)

- Khí được hấp thu gọi là chất bị hấp thụ ; chất lỏng( rắn) dùng để hút gọi làchất hất thu, 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 mộtdung dịch (hỗn hợp) các cấu tử trong chất lỏng(chất rắn) Các quá trình xảy ra do

sự tiếp xúc pha giữa khí và lỏng (rắn) Quá trình này cần sự truyền vật chất từ phakhí vào pha lỏng (rắn) Nếu quá trình xảy ra ngược lại , nghĩa là cần sự truyền vậtchất từ pha lỏng (rắn) vào pha hơi, ta có quá trình nhả khí Nguyên lý của cả haiquá trình là giống nhau

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

 Hấp thụ hóa học: trong quá trình này chất bị hấp thụ sẽ

 Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ

trong lòng khối chất lỏng hấp thụ

Quá trình hấp thụ mạnh hay yếu là tùy thuộc vào bản chất hóa học của

dung môi và các chất ô nhiễm trong khí thải Như vậy để hấp thụ được một số

chất nào đó ta phải dựa vào độ hòa tan chọn lọc của chất khí trong dung môi đểchọn lọc dung môi cho thích hợp hoặc chọn dung dịch thích hợp (trong trường hợphấp thụ hóa học) Quá trình hấp thụ được thực hiện tốt hay xấu phần lớn là do tínhchất dung môi quyết định

Việc lựa chọn dung môi phụ thuộc và các yếu tố sau :

- 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 trọngnhất

- Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thuỷ học càng nhỏ và và cólợi cho quá trình chuyển khối

- Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi

- Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hoà tan để dể tách cáccấu tử ra khỏi dung môi

- Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh tắc thiết bị và thu hồi các cấu tử hòatan dễ dàng hơn

- Ít bay hơi, rẻ tiền , dễ kiếm và không độc hại với người và không ănmòn kim loại

1.2.2 Cơ sở thiết bị

a) 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 rấtnhiều quá trình khác Hấp thu trên cơ sở của quá trình truyền khối , nghĩa là phânchia hai pha Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thu và chất bị hấp thu trongpha khí

b) Phương trình cân bằng vật chất của quá trình hấp thu :

Phương trình cân bằng vật liệu có dạng:

G Y Y Đ + G X X Đ = G X X C + G Y Y C

Trong đó :

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

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

Y Đ , Y C : nồng độ đầu và cuối của pha khí (kmol/kmolkhí trơ)

X Đ , X C : nồng độ cuối và đầu của pha lỏng (kmol/kmolkhí trơ)

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu

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

b Ảnh hưởng của áp suất :

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

Khi đường làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ tăng quátrìnhchuyển khối sẽ tốt hơn và số đĩa lý thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp sẽ thấphơn

Tuy nhiên , việc tăng áp suất thường 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

Rẻ tiền, nhất là khi sử dụng H2O làm dung môi hấp thụ,các khí độc hại như

SO2, H2S, NH3, HF, có thể được xử lí rất tốt với phương pháp này với dung môinước và các dung môi thích hợp

Có thể sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi, khi trong khí thải cóchứa cả bụi lẫn các khí độc hại mà các chất khí có khả năng hòa tan tốt trong nướcrửa.

Khi làm việc, hiện tượng “sặc” rất dễ xảy ra khi ta khống chế, điều chỉnhmật độ tưới của pha lỏng không tốt, đặc biệt khi dòng khí thải có hàm lượng bụilớn.

Việc lựa chọn dung môi thích hợp sẽ rất khó khăn, khi chất khí cần xử líkhông có khả năng hòa tan trong nước Lựa chọn dung môi hữu cơ sẽ nảy sinh vấnđề: các dung môi này có độc hại cho người sử dụng và môi trường hay không?Việc lựa chọn dung môi thích hợp là bài toán hóc búa mang tính kinh tế và kĩthuật, giá thành dung môi quyết định lớn đến giá thành xử lý và hiệu quả xử lý

Phải tái sinh dung môi (dòng chất thải thứ cấp ) khi xử dụng dung môi đắttiền Chất thải gây ô nhiễm nguồn nước hệ thống càng trở nên cồng kềnh phức tạp

1.3 Thiết bị hấp thu

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

 Thiết bị hấp thu bề mặt : được dùng khi hấp thu một lượng nhỏ có tính hòatan tốt

 Thiết bị hấp thu loại đệm : được sử dụng phổ biến nhất khi chất lỏng vàchất khí tinh khiết và có mât độ phun lớn

 Thiết bị hấp thu loại sủi bọt : được dùng khi tháp có năng suất cao và cầnthoát ra một luợng nhệt lớn

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

Các loại tháp thường gặp :

-Có cấu tạo tương tự thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm gồm có ống tạomàng được giữ bằng hai vĩ ống ở hai đầu khoảng không giữa ống và vỏ thiết bịtách khi cần thiết chất lỏng chảy thành màng theo thành ống từ trên xuống , chấtkhí ( hơi ) đi theo khoảng không gian trong màng chất lỏng từ dưới lên

c Tháp màng dạng ống khi lỏng và khí đi cùng chiều :

- Cũng có cấu tạo từ các ống cố định trên 2 vỉ , khí đi qua thân gồm các ống phân phối tương ứng đặt đồng trục với ống tạo màng chất lỏng đi vào ống tạo màng qua khe giữa 2 ống khi đó tốc độ khí lớn kéo theo chất lỏng từ dưới lên chuyển động dưới dạng màng theo thành ống khi cần tách nhiệt có thể cho tác nhân lạnh đi vào khoảng không gian giữa vỏ và ống để nâng cao hiệu suất người

ta dùng thiết bị nhiều bậc khác nhau

- Thủy động lực trong thiết bị dạng màng : khi có dòng khí chuyển độngngược chiều sẽ ảnh hưởng đến chế độ chảy của màng khi đó , do lực ma sát giữakhí và lỏng sẽ có cản trở mạnh của dòng khí làm bề dày màng tăng lên , trở lực

dòng khí tăng tiếp tục tăng vận tốc dòng khí sẽ dẫn đến cân bằng giữa trọng lựccủa màng lọc và lực ma sát và dẫn đến chế độ sặc.

* Ưu và nhược điểm của tháp màng:

- Năng suất theo pha lỏng nhỏ

- Cấu tạo phức tạp, khi vận hành dễ bị sặc

* Ứng dụng:

- Trong phòng thí nghiệm

- Trong trường hợp có năng suất thấp

- Trong những hệ thống cần trở lực thấp (hệ thống hút chân không, )

* Ví dụ: Hệ thống chưng dầu vỏ hạt điều, tái sinh dầu nhờn, chưng cất tinh dầu,

cô đặc nước trái cây,

1.3.2 Tháp đệm

- Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác

nhau ( gỗ nhựa, kim loại, gôm, …) với những hình dạng khá nhau ( trụ, cầu, tấm,yên ngựa, lò xo …) , lưới đỡ đệm, ống dẫn khí và lỏng ra vào

- Để phân phối đều chất lỏng lên khối đệm chứa trong tháp , người ta dùng

bộ phận phân phối dạng : lưới phân phối ( lỏng đi trong ống – khí ngoài ống ; lỏng

và khí trong cùng ống ); màng phân phối , vòi phun hoa sen (dạng trụ , bán cầu ,khe …); bánh xe quay ( ống có lỗ, phun quay , ổ đỡ …)

- Các phần tử đệm được đặc trưng bằng dường kính d, chiều cao h , bề dày δ khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước : bề mặt riêng a , thể tích tự do,đường kính tương đương , tiết diện tự do S

- Khi chọn đệm cần lưu ý : thấm ướt tốt chất lỏng ; trở lực nhỏ , thể tích tự

do và tiết diện ngang lớn ; có thể làm việc với tải trọng lớn của lỏng và khí , khốilượng riêng nhỏ ; phân phối đều chất lỏng ; có tính chịu ăn mòn cao; rẻ tiền; dễkiếm…

- Nguyên lý hoạt động: Chất lỏng chảy trong tháp theo đệm dưới dạng máng

nên bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt thấm ướt của đệm

- Ưu – nhược điểm - ứng dụng:

* Ưu: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độ màng/quá độ) nhỏ

* Nhược: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp; dễ bị sặc; khó tách nhiệt, khó thấm ướt

- Ứng dụng:

+ Dùng trong các trường hợp năng suất thấp: tháp hấp thụ khí, tháp chưng cất,

+ Dùng trong các hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống hút chân không, )

1.3.3 Tháp đĩa

+ Sơ đồ cấu tạo :

- Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặtcác tấm ngăn(đĩa) cách nhau 1 khoảng nhất định Trên mỗi đĩa 2 pha chuyển độngngược hoặc chéo chiều : lỏng từ trên xuống ( hoặc đi ngang ), khí đi từ dưới lênhoặc xuyên qua chất lỏng chảy ngang, ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc làđĩa

-Tháp đĩa có ống chảy chuyền : bao gồm tháp đĩa, chóp, lỗ, xupap, lưới, …trên đĩa có cấu tạo đặc biệt để chất lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đườngriêng gọi là ống chảy chuyền

-Tháp đĩa không có ống chảy chuyền ; khi có khí ( hơi hay lỏng ) và lỏng điqua cùng 1 lỗ trên đĩa

+ Ưu – nhược điểm và ứng dụng:

- Tháp đĩa lỗ: ưu điểm là kết cấu khá đơn giản, trở lực tương đối thấp, hiệu suất khá cao Tuy nhiên không làm việc được với chất lỏng bẩn, khoảng làm việc hẹp hơn tháp chop (về lưu lượng khí)

- Tháp chóp: có thể làm việc với tỉ trọng của khí, lỏng thay đổi mạnh, khá ổnđịnh Song có trở lực lớn, tiêu tốn nhiều vật tư kim loại chế tạo, kết cấu phức tạp.Nói chung tháp chop có hiệu suất cao hơn tháp đĩa lỗ

- Tháp xupap: dùng trong chưng cất dầu mỏ

Quy trình công nghệ

Chương 2

2.1 Thuyết minh quy trình công nghệ :

Nguồn khí thải NH3 lấy từ các nhà máy sản xuất phân bón, sản xuất NH3… sẽđược thu lại rồi sau đó dùng quạt thổi khí vào tháp hấp thụ (tháp đệm) Dung dịchhấp thụ được dùng là nước Tháp hấp thụ làm việc liên tục ngược dòng: nước đượcbơm lên bồn cao vị mục đích là để ổn định lưu lượng, từ đó cho vào tháp từ trên đixuống thông qua một van điều chỉnh lưu lượng, hỗn hợp khí được thổi từ dưới lên

và quá trình hấp thụ xảy ra Hỗn hợp khí sau khi đã được xử lý đi ra ở đỉnh tháp sẽđược dẫn đến ống khói để phát tán khí ra ngoài không gây ảnh hưởng đến môitrường Dung dịch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồn chứa Tại đây, dungdịch lỏng này sẽ được trung hòa để có thể thải ra môi trường

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

Tính toán thiết bị

Chương 3

0.004

0.0045

0.005

Ld Xd

Gc Yc

Lc Xc

Gd Yd

Suất lượng hỗn hợp khí đầu vào :

Cd = 1% x Gd = 1% x 1,16 = 0,0116 ( kg/m3 )

= 11,6 ( g/m3 )Nồng độ phần mol của NH3 trong hỗn hợp khí đầu vào :

Gtr = Gd ( 1 – yd ) = 0,04 × 103

× 5000 × ( 1- 0,017 ) = 196600 ( mol/h )

Lưu lượng khí đầu ra :

( mol NH3/mol trơ )

Phương trình đường làm việc:

Phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm P(Xd;Yc) và Q(Xc;Yd), tức là P(0 ; 7,44.10-5) và Q(3,57.10-3 ; 0,0173) :

Lưu lượng NH3 vào : Qđ = 50003600 = 1,389 (m3/s)

Lưu lượng khí ra khí ra khỏi tháp :

Gx , Gy : lượng lỏng và lượng hơi trung bình (Kg/s)

ρ xtb ,ρ ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (Kg/m3)

μ x , μ n : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình (30oC) và độ nhớt của nước ở 20oC , Ns/m2

Chọn loại đệm : đệm vòng Rasiga đổ lộn xộn , đệm bằng sứ : 50×50×5mm,

Vđ = 0,79 m3/m3 , σđ = 95 m2/m3 , độ nhớt của pha lỏng ở 30oC : μ x = 0,801 cp , độ nhớt của nước ở 20oC : μ H 2O = 1,005 cp

Khối lượng riêng trung bình của chất lỏng :

ρ xtb = 1000 kg/m3

Khối lượng riêng trung bình của pha khí :

Chiều cao 1 đơn vị truyền khối của tháp hấp thụ được xác định theo công thức :

hđv = h1 + mG y

G x h2cthuc nay o dau ra??????

trong đó :

m : hệ số góc của đường cân bằng ( m = 3,17 )

h1 ,h2 : chiều cao 1 đơn vị truyền khối đối với pha hơi và pha lỏng

a : hệ số phụ thuộc vào dạng đệm , với đệm vòng a= 0,123

Gx : lưu lượng pha hơi Kg/s

Gy : lưu lượng pha lỏng Kg/s

μ x : độ nhớt của pha lỏng ở 30oC , μ x= 0,801.10-3 Ns/m2

φ x: khối lượng riêng của pha lỏng , φ x= 1000 Kg/m3

ψ: hệ số thấm ướt của đệm , phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực

tế lên tiết diện ngang của tháp (Utt) và mật độ tưới thích hợp (Uth)

17

3,14 × 1

4 = 21,66 ( m3/m2.h )

Uth = B xσd với B = 0,158

Uth = 0,158 x 95 = 15,01 (m3/m2.h )

+ Tính Pry : chuẩn số Prandl của pha khí

P (V NH3

1 3

→ Dy = 4,3 10

−3

×(303)

3 2

×T

μ x ×V0,6 (cm2/s)

Với V: thể tích mol của NH3 , V= 25,8 (cm3/mol) M: khối lượng phân tử của dung môi (H20) ,M=18

θ : hệ số kết hợp của các phân tử dung môi , θ = 2,6

→Dx =7,4×10-8

× (2,6 × 18)

1 2

× 303

0,801× 10−3×25,80,6 = 0,027 (cm2/s) =2,7×10-6 (m2/s)