thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để hấp phụ benzene trong không khí bằng than hoạt tính

Đề tài: “Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để hấp phụ benzene trong không khí bằng than hoạt tính” là một đề tài hay, nó đã và đang được ứng dụng trong thực tế để xử lý không khí bị nhi

LỜI MỞ ĐẦU

Benzene là một chất lỏng không màu có mùi thơm đặc trưng và bốc hơi rấtnhanh vào không khí, hơi tan trong nước Là một nguyên liệu quan trọng và đượcứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chất dẻo, thuốc nhuộm, bột giặt, dượcphẩm, sợi nhân tạo, thuốc nổ, nhiên liệu động cơ, các đồ dùng gia dụng…Vàchúng ta ngày càng có xu hướng xử dụng các loại sản phẩm này ngày càngnhiều Điều này đồng nghĩa với lượng benzene thải ra môi trường ngày càng lớn.Tuy benzene có nhiều ứng dụng đối với chúng ta nhưng ảnh hưởng của nó đếnmôi trường cũng rất lớn Theo như nghiên cứu của các nhà khoa học thì khinhiễm độc benzene tuỳ mức độ hàm lượng mà có thể gây ra cho con người cáctriệu chứng như gây hại cho tuỷ xương, chóng mặt, buồn ngủ, buồn nôn, bất tỉnh,

co giật, tử vong Nếu nhiễm độc lượng nhỏ trong thời gian dài sẽ tích tụ gây ungthư…Và phần lớn các trường hợp nhiễm độc là do hít thở không khí bị nhiễmbenzene Do đó thu hồi hơi benzene trong không khí là việc hết sức cần thiết vàcấp bách

Đề tài: “Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để hấp phụ benzene trong không

khí bằng than hoạt tính” là một đề tài hay, nó đã và đang được ứng dụng trong

thực tế để xử lý không khí bị nhiễm độc benzene và có ý nghĩa quan trọng đốivới con người cũng như các loài sinh vật khi mà môi trường bị ô nhiễm như hiệnnay

Trong quá trình làm đồ án này, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng kinh nghiệmcòn non kém nên sẽ không tránh khỏi những sai sót, nhóm chúng em rất mongnhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đồ án này đượchoàn hảo hơn

Nhóm chúng em cũng xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Thông

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho chúng em hoàn thành tốt đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

Chương 1: LÝ THUYẾT HẤP PHỤ VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

1 Định nghĩa:

Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ cáclực bề mặt, sinh ra chủ yếu là do chất hấp phụ có bề mặt bên trong rất pháttriển, có vài chất hấp phụ có thể đạt tới 1700m2/g Nhiệm vụ chủ yếu của nó

là đảm bảo bề mặt tiếp xúc pha lớn Vật liệu xốp gọi là chất hấp phụ, chất

bị hút gọi là chất bị hấp phụ

Các phương trình tính toán hấp phụ rất khác nhau vì sự khó khăn trongtrong tính toán của quá trình hấp phụ liên quan đến sự phức tạp của mô tảtoán học, thường đưa đến những công thức mà khi sử dụng tính toán khônghoàn toàn tương ứng với những khái niệm vật lý đã miêu tả Sự phân bố cânbằng nồng độ của cấu tử cần tách ra trong pha Khí-Lỏng-Rắn ở điều kiệnnhất định được miêu tả bằng phương trình động học X* = f(y) trong đó X*

là nồng độ cấu tử cần tách ra (chất bị hấp phụ) cân bằng với nồng độ của nótrong pha lỏng, khí ở nhiệt độ đã cho Nồng độ X* trong hấp phụ còn đượcgọi là độ hoạt động, hoạt tính của chất hấp phụ

2 Hấp phụ được ứng dụng nhiều trong thực tế để:

 Tách các chất tan ra khỏi dung dịch

 Tách các chất khí có hàm lượng thấp ra khỏi hỗn hợp

 Tẩy màu, tẩy mùi

 Xử lý khí thải, nước thải bị ô nhiễm

 Khuếch tán sản phẩm ngoàimao quản

5 Yêu cầu đối với chất hấp phụ:

Pha khí được cho chuyển động qua tầng hạt chất hấp phụ cố định

Chất hấp phụ có chiều cao từ 0,3 – 1,2 m trên tấm đỡ có đục lỗ

Dòng khí nhập liệu được thổi từ trên xuống

6.1.1Thiết bị hấp phụ tầng sôi

Dòng khí thổi qua lớp vật liệu hấp phụ làm lớp vật liệu hấp phụchuyển động và sau đó rơi xuống làm quá trình hấp phụ xảy rađồng đều

6.1.2 Thiết bị hấp phụ tầng xoay

Vật liệu hấp phụ nằm trong một cơ cấu xoay được và quá trình xoay chuyển làm quá trình hấp phụ xảy ra đều đặn ở các lớp khác nhau

II) Ưu nhược điểm của hệ thống hấp phụ tầng sôi.

- Dễ vận chuyển trong dây truyền sản xuất

- Chất hấp phụ là pha lỏng nên dễ vân chuyển từ thiết bị này sang thiết

bị khác

2 Nhược điểm:

- Vì có sự trộn lẫn các hạt chưa làm việc và các hạt đã hấp phụrồi nên động lực của quá trình giảm

- Hạt chóng mòn, đòi hỏi hạt có độ bền cơ học cao

- Khi các hạt chất hấp phụ chuyển động mạnh như vậy sẽ làmcho thành thiết bị cũng bị bào mòn

III) Ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật

- Hệ thống làm việc đơn giản, dễ giám sát

- Có thể tự động hóa trong sản xuất

- Chi phí lắp đặt hệ thống không cao

6 7

- Hiệu suất làm việc cao

- Có thể thu hồi bezene phục vụ cho mục đích công nghiệp

- Góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường

Chương 2: DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ QUÁ TRÌNH

SẢN XUẤT a) Sơ đồ công nghệ:

1 2

b) Thuyết minh sơ đồ công nghệ:

Hỗn hợp ban đầu được đưa vào tháp hấp phụ (9) bằng quạt đẩy (1), cóhai quạt đẩy: 1 cái làm việc, 1 cái dự trữ nhằm mục đích tránh trường hợpthải hơi độc ra không khí Sau đó được đưa qua thiết bị lọc tay áo (2) đểlọc qua tạp chất cơ học Do sử dụng chất hấp phụ là than hoạt tính nên rất

Chú thích:

1,11: Quạt 2: Thiết bị lọc 3:Thiết bị phòng cháy 4,6: Thiết bị làm lạnh 5: Bể chứa

7: Thiết bị ngưng tụ 8: Thiết bị phân ly 9: Tháp hấp phụ 10: Tháp nhả hấp phụ

Hình 1: Sơ đồ công nghệ hấp phụ hơi benzene trong không khí bằng hệ thống hấp phụ tầng sôi sử dụng than

hoạt tính.

Hình 1: Sơ đồ công nghệ thu hồi hơi benzene trong không khí bằng thiết bị hấp phụ tầng sôi

dễ tạo hỗn hợp nổ với hỗn hợp không khí đưa vào, vì vậy phải đưa quathiết bị phòng lửa có những màng mỏng sẽ chia nhỏ hỗn hợp khí Sau đóđược đưa qua thiết bị làm lạnh (4), thiết bị này có nhiệm vụ làm giảm nhiệt

độ của hỗn hợp khí trong trường hợp nhiệt độ đưa vào của hỗn hợp khí caohơn mức cho phép sẽ dễ gây cháy nổ

Hỗn hợp khí sau khi làm lạnh sẽ được đưa vào tháp hấp phụ (9) tại đâybenzene sẽ bị than hoạt tính hấp phụ Sau khi benzene đã bão hòa sẽ đượcdẫn qua tháp nhả hấp phụ (10) để thu hồi benzene Quá trình nhả hấp phụ

có thể được thực hiện qua hai cách:

 Nhả hấp phụ bằng chất hóa học: dùng kiềm hoặc dung môi

 Nhả hấp phụ bằng nhiệt: dùng nhiệt độ để khử

Ở đây ta sử dụng hơi nước quá nhiệt để nhả hấp phụ Hỗn hợp cấu tửđược tách ra với hơi nước từ tháp hấp phụ qua thiết bị phân ly (8), tại đâyhơi nước được tách ra khỏi hỗn hợp, cấu tử được tách ra ở dạng lỏng cùngvới nước, quá trình ngưng tụ một phần được xảy ra trong đường ống domất nhiệt với môi trường Sau đó được chuyển đến thiết bị ngưng tụ (7) vàlàm lạnh (6) trước khi đưa vào thùng chứa Hỗn hợp có thể được đưa vàophân ly bằng chưng cất hoặc lắng

Từ tháp nhả (10) chất hấp phụ sẽ được quay về tháp hấp phụ (9) bằng khôngkhí nén nhờ quạt đẩy (11), không khí này sẽ dùng để sấy và làm nguội chất

Bảng 3.1: Đặc trưng của than hoạt tính CKT-6A

bền

Hằng

số cấutrúc

B.106,l/g.rad

2

Giá trịthươngphẩm,Rup/tấn

Cấphạt,mm

Được ứng dụng để táchhơi các hợp chất hữu cơ

Dh: đường kính trung bình của hạt hấp phụ (m)

ω : vận tốc của dòng khí tính theo tiết diện ngang của thiết bị (m/s)

υ: độ nhớt động học của hỗn hợp khí (m2/s)

- Đối với chế độ làm việc tầng sôi:

ρt là khối lượng riêng chất hấp phụ ở nhiệt độ làm việc = 670 kg/m3.

µ: độ nhớt của khí ở nhiệt độ làm việc = 1,5.10-5 kg/m.s

ρk: là khối lượng riêng của chất khí ở nhiệt độ làm việc Được tính như sau:

Theo dữ kiện của đề bài ta sử dụng thiết bị hấp phụ tầng sôi nên độ xốp của than

ε = (0,5 – 0.65) Trong trường hợp này ta thừa nhận ε=0,55

Thay các giá trị vào (III.2) ta được:

G là lưu lượng khí đưa vào, theo đề G= 2200m3/h = 0,611m3/s

ω là tốc độ dòng khí trong thiết bị đã tính ở trên

x* 25.10-3 =300 (kg/m3

x.10-3 , Kg/m3

0,4

0,3 2

1 0,1

10 y.10-3 , Kg/m3

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn quá trình hấp phụ benzene bằng than hoạt tính CKT-6A

Trong đó:

(1): là đường làm việc(2): là đường cân bằngKhi đó theo phương trình cân bằng vật chất, ta có:

3.1.4 Xác định hệ số chuyển khối theo thể tích

Thể tích chất hấp phụ trong tháp hấp phụ được tính theo phương trình:

Kv là hệ số chuyể khối theo thể tích tính cho 1 thể tích hạt của chất hấp phụ, s-1

0,2

Hệ số Kv biến đổi từ đĩa này sang đĩa khác, tốc độ của quá trình có thể

bị giới hạn bởi động lực khuếch tán trong và ngoài Trong quá trình dịch chuyển của chất hấp phụ xuống những đĩa phía dưới thì trở lực khuếch tán càng tăng, thực nghiệm chỉ ra rằng hệ số chuyển khối trungbình βo bằng hệ số chuyển khối theo thể tích Kv

ybh : Nồng độ hơi bảo hòa của chất bị hấp phụ (kg/m3)

β : Hệ số ái lực của benzene (xem bảng 3.2)

B : Hằng số cấu trúc của than hoạt tính CKT-6A, (l/g.rad2) (xem bảng 3.1)

H : Chiều cao lớp hấp phụ không chuyển động trên đĩa (m) thông thường H = 0,05m

T : Nhiệt độ tuyệt đối (oK)

Thay các giá trị vào (III.3) ta được:

βo = Kv

¿ 1,55.102.(0,785 1,336.37 10−52)0,75.(0,096.10−4)0,25.0,320,35.1

(1,05 10−6 2932)1,3.0,051,25.(25 10−3)0,35

= 11,3 (s-1)

1.1.4 Xác định số đơn vị chuyển khối

Để xây dựng đường làm việc của quá trình từ phương trình cân bằng vật chất ta tìm ra nồng độ chất bị hấp phụ nằm trong chất hấp phụ khi rakhỏi tháp theo phương trình:

0,02400,02310,02220,031

41,6743,2945,0446,9549,0251,5554,05

0,0180,0170,0160,0150,0100,0040,001

0,00040,00030,00020,000

0,01760,01670,01580,014

56,8259,8863,2967,11100,00250,001000,00

200 400 600 800

70,00060,00060,0005

30,02040,01940,0185

10.00000,00000,0000

90,01000,00400,0010

Bằng phương pháp tích phân đồ thị ( hình 3.2) ta tìm được số đơn vị chuyển khối:

Thể tích của tháp chứa chất hấp phụ được tính theo công thức:

V a=G

β0n=

0,611.4,5 11,3 =0,24 m3

ρt : Khối lượng riêng tính theo độ xốp = 670 kg/m3

ρh : Khối lượng riêng thực = 470 kg/m3

- Chiều cao lớp không chuyển động trên đĩa H và chiều cao lớp sôi Hs

liên hệ với nhau theo công thức:

(1 – ε) H = (1 - εn) Hs

- Trong đó:

ε : độ xốp của than hoạt tính đứng yên

trong trường hợp này độ xốp tính bằng công thức:

(1−0,3) 0,05 1−0,55 =0,08 (m)

- Để dự trữ người ta tính toán khoảng cách giữa các đĩa là H0 = 0,4m

- Do vậy, chiều cao phần có đĩa của tháp hấp phụ được tính:

Ht = H0(n - 1) = 0,4(5-1) = 1,6 m

- Khoảng cách từ nắp thiết bị cho đến đĩa trên cùng và dưới cùng được xác định tùy thuộc vào cấu trúc của bộ phận phân phối và nạp liệu, thừa nhận những khoảng cách đó là 2H0

- Do vậy chiều cao của tháp hấp phụ là:

Ha = Ht + 2.2H0 = 1,6 + 2.2.0,4 = 3,2 m

1.1.9 Tính toán chóp

Đường kính ống hơi của chóp: chọn dh = 75mm

Số chóp phân bố trên một đĩa:

Trong đó δch là chiều dày của tháp, ta chọn δch = 3 mm

Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp: ta chọn s = 2 mm

Bước tối thiểu của chóp trên mâm:

tmin = dch + 2.δch + l2 = 0,110 + 2.3.10-3 + 35.10-3 = 0,15m = 150mmTrong đó l2 khoảng cách tối thiểu giữa các chóp (thường chọn 35 mm).Với đường kính chóp 1,2m và 14 chóp ta bố trí chóp theo hình tam giácvới bước 230mm, xếp thành 5 hàng

Trong đó: l1 là khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy chuyền

dc là đường kính của ống chảy chuyền ta thừa nhận dc = 29mm

Chiều cao gờ: chọn 50mm

1.1.10 Tính toán mâm xuyên lỗ

- Cấu tạo mâm lỗ

 Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm

 Đường kính lỗ 9 mm

 Chiều cao gờ chảy tràn 30 mm

 Diện tích của hai bán nguyệt bằng 20% diện tích của mâm

Độ giảm áp của pha khí qua một mâm

Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất lỏng ) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các độ giảm áp

do pha lỏng: htl = hk + hl + hr (mm chất lỏng)

Với :

+ hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng)

+ hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên mâm(mm chất lỏng)

+hr : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng)

Trong tháp mâm xuyên lỗ, gradien chiều cao mực chất lỏng trên mâm D là không đáng kể nên có thể bỏ qua

Độ giảm áp qua mâm khô:

Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa trên cơ sở tổnthất áp suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do ma sát khi pha khíchuyển động qua lỗ

Người ta có thể chế tạo thân thiết bị bằng cách: hàn, rèn, đúc…

Thân hình trụ bằng vật liệu dẻo (thép, kim loại màu…) làm việc đến ápsuất 10.106 N/m2 được chế tạo bằng cách quấn tấm vật liệu với kíchthước đã định sau đó ghép mối lại

Thân hình trụ bằng vật liệu dẻo (chủ yếu là thép) làm việc ở áp suất caođược chế tạo bằng cách rèn hay cuốn nhiều lớp bọc nhau

Thân hình trụ bằng vật liệu giòn (gang, đồng thanh…) thường làm việc

ở áp suất không cao lắm (<0,8.106 N/m2) được chế tạo bằng cách đúcsau đó gia công bề mặt bên trong hoặc không gia công Người tathường đúc thân liền với đáy Trong nhiều trường hợp người ta vẫn đúcthân hình trụ từ vật liệu dẻo

Khi thiết kế thân hình trụ ta có thể dựa vào đường kính trong bảngXIII.6 hoặc đường kính ngoài bảng XIII.7

Quan hệ giữa chiều cao H và đường kính Dt đối với thiết bị đặt thẳngđứng và quan hệ giữa chiều dài L và đường kính Dt đối với thiết bị đặtnằm ngang được xác định theo yêu cầu của công nghệ sản xuất hóachất:

H/Dt ≤ 30 và L/Dt ≤ 10

Từ những cơ sơ trên và dữ kiện đề tài yêu cầu ( P < 1,6.106 N/m2, t <

450 oC), ta thiết kế thân hình trụ của thiết bị với các đặc điểm như sau:

- Sử dụng vật liệu : thép CT3 (bảng 3.2)

- Chế tạo bằng cách hàn : chỉ hàn giáp mối, đảm bảo đường hàncàng ngắn càng tốt, bố trí các đường hàn cách nhau ít nhất100mm, bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát, không khoan lỗ quamối hàn

Bảng 3.2 Tính chất cơ học của thép CT3 [1]

Mã

thép

Chiềudày tấmthép,mm

- φ : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc (φ = φh

=0,95 )

- c : số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày (m)

- P : áp suất trong thiết bị (N/m2); P = 735 mmHg = 0,09.106 (N/

m2)

- [σ k] được tính như sau:

 Ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền xác định theo công thức:

- nk, nc, η: lần lượt là: hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy và hệ số điều chỉnh được cho trong bảng 3.3 và bảng 3.4:

Bảng 3.3: Giá trị của hệ số hiệu chỉnh η [1]

- c3 : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày tấm kim loại.Đối với vật liệu bền (0,05 – 0,1 mm/năm) thì c1 = 1mm, c2 = 0, c3 = 0,8mm

Do đó: c = 1,8.10-3 m

Vậy chiều dày của thiết bị S = 3,9.10-4 + 1,8.10-3 = 2,2 (mm)

Vậy ta chọn chiều dày thiết bị theo quy chuẩn là 4 (mm)

Đường kính ngoài của thiết bị: Dn = Dt + 2S = 1,2 + 2 4.10-3 =

1,208(m)

Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử bằng nước:

Ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử:

1.2.2 Tính đáy và nắp thiết bị (đáy và nắp elip có gờ).

Nắp và đáy cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị và thường được chế tạo cùng loại với thân thiết bị

Đáy, nắp có thể gắn với thân thiết bị bằng cách hàn, ghép bích hoặc hànliền với thân

Đáy, nắp thiết bị có nhiều dạng: elip, nón, cầu, phẳng… tùy thuộc vào Hình dạng của thân và áp suất trong thiết bị, đồng thời phải chú ý đến yêu cầu công nghệ

Tính toán đáy và nắp thiết bị hoàn toàn giống nhau

Chiều dày S được xác định theo công thức:

s= D t P

3,8[σ k] k φ h−P .

D t

2 h b+c (III.7)Trong đó:

φh : hệ số bền của mối hàn hướng tâm

hb : chiều cao phần lồi của đáy

k : hệ số không thứ nguyên được xác định như sau:

k =1− d

D t

Với: đường kính lớn nhất của lổ không tăng cứng Đối với đáy không

có lổ hoặc có lổ được tăng cường thì k = 1

hb = 0,25Dt = 0,25.1,2 = 0,3 (m)

Tra bảng XIII.10 [1] ta được các giá trị φh = 0,95

Thay vào công thức (III.7):

Có các kiểu mặt bích: bích liền, bích tự do, bích ren

Với điều kiện làm việc của thiết bị ta chon bích liền bằng thép với các thông số như sau:

1.2.4 Tính toán chân đỡ và tai treo

Tra bảng XIII.II, Ta có giá trị khối lượng của đáy thiết bị:

m3 = Vl.ρthan = 0,35.670 = 234,5 (kg)