Thiết kế tháp hấp thu khí NH3 bằng nước

Thiết kế, tháp, hấp thu, khí NH3, bằng nước

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT LỜI MỞ ĐẦU Ô nhiễm không khí từ các ngành sản xuất công nghiệp ở nước ta, trong những năm gần đây đang là vấn đề quan tâm không chỉ của nhà nước mà còn là của tồn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó đã đến lúc báo động. Bên cạnh nguyên nhân đây là một lĩnh vực còn khá mới mẻ mà chúng ta chưa thấy hết được mối nguy hiểm của nó đối con người và sinh vật , mặt khác chưa có hệ thống quản lý môi trường thật sự hồn chỉnh để có thể kiểm sốt , và chưa được sự chú trọng đúng mức từ phía các nhà sản xuất. Vì vậy đồ án môn học kỹ thuật xử lý chất thải với nhiệm vụ thiết kế tháp hấp thu khí NH 3 bằng nước là một trong số những công việc cần làm vào lúc này để giúp giảm thiểu ô nhiễm từ các dòng khí thải. Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn , các thầy cô bộ môn và các bạn sinh viên giúp em hồn thành đồ án này . Sinh viên thực hiện PHAN HỮU TÀI SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 1 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 2 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT I.1.Khái niệm: I.1 Hấp thu : 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. - Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ ; chất lỏng dùng hút gọi là dung môi (chất hất thụ) , 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 một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng . Các quá trình xảy ra do sự tiếp xúc pha giữa khí và lỏng . Quá trình này cần sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng . Nếu quá trình xảy ra ngược lại , nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha hơi , ta có quá trình nhả khí . Nguyên lýcủa cả hai quá trình là giống nhau . - Trong công nghiệp hóa chất , thực phẩm quá trình hấp thu dùng để: 1) Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí . 2) Làm sạch pha khí . 3) Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt . 4) Tạo thành một dung dịch sản phẩm. - Hấp thu bao gồm quá trình hấp thu vạât lý và hấp thu hóa học. 1. Hấp thu vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. 2. Hấp thu hóa học : giữa hổn hợp khí và dung môi có xảy ra phản ứng hóa học. I.2 Quá trình khí với mục đích là tách các cấu tử hổn hợp khí thì khi đó lựa chọn dung môi tốt là phụ thuộc và các yếu tố sau : 1) 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 trọng nhất. 2) Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thuỷ học càng nhỏ và và có lợi cho quá trình chuyển khối. 3) Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt khi hồn nguyên dung môi. 4) Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hồ tan để dể tách các cấu tử ra khỏi dung môi . 5) Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh tắc thiết bị và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn. 6) Ít bay hơi, rẻ tiền , dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mòn thiết bị. SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 3 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT I.2. Cơ sở lý thuyết : I.2.1. 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 rất nhiều quá trình khác . Hấp thu trên cơ sở của quá trình truyền khối , nghĩa là phân chia hai pha .Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thu và chất bị hấp thu trong pha khí. I.2.2. Các quá trình cơ bản của quá trình hấp thu : I.2.2.1. Phương trình cân bằng vật chất 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) X + : nồng độ pha lỏng cân bằng với pha hơi (kmol/ kmoldung môi) Lượng dung môi tối thiểu: L min + − = X YY G L cd min theo thực nghiệm ta thấy: L = (1.2÷1.3)L min I.2.2.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng : Phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có : G đ I đ + L đ C đ T đ + Q đ = G c I c + L c C c T c +Q c Trong đó : SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 4 X đ G x Y c X Y Y đ X c G y A Y đ Y Y c X đ X c X cbđ X Y B ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT G đ , G c : hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h) L đ , L c : lựong dung dịch đầu và cuối (kg/h) T đ , T c :nhiệt độ khí ban đầu và cuối ( o C) I đ , I c : entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối(kJ) Q o : nhiêt mất mát (kJ/h) Q s :nhiệt phát sinh do hấp thu khí(kJ/h) I.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu : I.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henri sẽ tăng . Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung . Nếu các đừơng làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm , số đĩa lý thuyêt sẽ tăng và chiều cao của thiết bị sẽ tăng . Thậm chí có khi tháp không làm việc 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 . I.3.2 Ảnh hưởng của áp suất : Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng sẽ tăng và cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hồnh. Khi đừong làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ tăng quátrình chuyển khối sẽ tốt hơn và số đĩa lý thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp sẽ thấp hơn. Tuy nhiên , việc tăng áp suất thừơng 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 . I.3.3 Các yếu tố khác: Tính chất của dung môi , loại thiết bị và cấu tạo thiết bị độ chính xác của dụng cụ đo , chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu. I.4. Tính chất của NH 3 : Amoniac là chất khí không màu, cómùi kích thích (mùi khai). Khi tăng áp suất hay làm lạnh đến –33.6 o C nó hố lỏng và đến – 77.8 o C nó hố rắn. Dưới áp suất cao NH 3 dễ dàng hố lỏng ở nhiệt độ thường. Một thể tích nước có thể hồ tan 700 thể tích NH 3 Dung dịch đặc chứa 25% NH 3 có khối lượng riêng 0.91g/cm 3 . Dung dịch NH 3 trong nước được gọi là nước amoniac hay dung dịch amoniac, khi hồ tan NH 3 vào nước thì tạo thành amonihydroxyt. NH 3 + H 2 O NH 4 OH NH 4 + + OH – Khi đun nóng độ tan của amoniac giảm rất nhanh và nó thốt ra khỏi dung dịch. Trong phòng thí nghiệm amoniac được điều chế bằng cách cho muối tác dụng với kiềm khi đun nóng. NH 4 Cl + NaOH = NaCl + NH 3 + H 2 O Trong công nghiệp amoniac được điều chế bằng cách tổng từ nitơ và hydro: SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 5 Nhiệt phân ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT N 2 + 3H 2 2 NH 3 Chất xúc tác phản ứng hay dùng là sắt có lẫn nhôm oxyt và kalioxyt. Quá trình xảy ra ở nhiệt độ 500 – 550 o C và áp suất 200 – 800 atm, trong một số thiết bị có thể đưa áp suất lên đến 1000 atm. Amoniac còn là sản phẩm phụ khi cốc hố than. Lượng lớn amoniac điều chế trong công nghiệp được dùng để sản suất acid nitric và phân đạm. Amoniac còn được dùng là tác nhân làm lạnh trong máy lạnh, dùng trong phòng thí nghiệm và trong y học. I.5. Thiết bị hấp thụ : Thiết bị được sử dụng để tiến hành quá trình hấp thu được gọi là thiết bị hấp thu hoặc cột hấp thu được gọi là thiếtbị hấp thu hoặc cột hấp thu , tháp hấp thu . thiết bị hấp thu có thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục và được chia thành 4 nhóm sau: • Thiết bị hấp thụ bề mặt : được dùng khi hấp thu một lương nhỏ co ùtính hòa tan tốt • Thiết bị hấp thu loại đệm : được sử dụng phổ biến nhất khi khi chất lỏng và chất khí tinh khiết và có mât độ phun lớn • Thiết bị hấp thu loại sủi bọt : đựoc dùng khi tháp có năng suất cao và cầøn thốt ra một luợng nhệt lớn • Thiết bị hấp thu loại phun: thành tia và thiết bị hấp thu cơ khí SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 6 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT CHƯƠNG II: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 7 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT Thiết minh quy trình công nghệ: Khí cần được xử lý được lấy từ các nhà máy sản xuất phân bón , sản xuất phân Ure, sẽ được thu lại rồi sau đó dùng quạt thổi khí vào tháp hấp thụ (tháp mâm xuyên lỗ). Dung dịch dùng hấp thụ là nước. Tháp hấp thụ làm việc nghịch chiều: nước được bơm lên dồn cao vị mục đích là để ổn định lưu lượng, từ đó cho vào tháp từ trên đi xuống, hỗn hợp khí được thổi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra. Hấp thụ xảy ra trong đoạn tháp có bố trí các mâm. Hỗn hợp khí trơ đi ra ở đỉnh tháp sẽ được cho đi qua ống khói để phát tán khí ra ngồi không gây ảnh hưởng đến công nhân. Dung dịch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồn chứa. Tại đây , dung dịch lỏng này sẽ được xử lỳ để sao cho nồng độ của nước thải đạt được nồng độ cho phép để có thể thải ra môi trường . Nếu trong khu công nghiệp thì xử lý sao cho nước thải đạt tiêu chuẩn loại B (1mg/l) hoặc nếu đặt trong khu sinh hoạt thì phải xử lý cho đến khi đạt tiêu chuẩn loại A (0,1mg/l). Sơ đồ quy trình công nghệ ( xem hình ở trang bên): SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 8 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT CHƯƠNG III: TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 9 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT III.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho tháp hấp thụ: III.1.1 Các thông số ban đầu: Nồng độ NH 3 đầu vào: 3.5g/m 3 . Khí đạt tiêu chuẩn loại A: 300mg/m 3 . Lưu lượng khí thải :10000 m 3 /h. Các thông số khác tự chọn . Nhiệt độ làm việc của tháp T= 30 0 C . Aùp suất làm việc 1atm . III.1.2 Đường cân bằng pha : Ở 30 o C Ψ.10 -6 =0.00241 mmHg m = P Ψ = 760 10.00241.0 6 =3,17 Y * = Xm Xm )1(1 . −+ = X X ).17.31(1 .17.3 −+ X 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 Y 0 0.00064 0.0013 0.0019 0.0025 0.0032 0.0038 0.0045 Đường cân bằng: III.1.2. Cân bằng vật chất: SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 10 L d X d G c Y c L c X c G d Y d [...]... 402,479 Kmolhh h Do lượng NH3 =3,5 g/m3 là rất nhỏ: 3,5.29 • yd = 17.1,165 10-3 =5,125.10-3(kmolNH3/kmolhh) • Yd= KmolNH 3 =0.05 1 − Kmolhh • Gtr=Gd(1-yd)=402,497(1-0,005)=400,47Kmol ktr/h Lượng khí NH3 ban đầu: 1.0,005.1000.17 MNH3 = 0.082( 273 +30) =3,42(g/m3) Lượng khí sau q trình hấp thụ là: 0.3(g/m3) =300(mg/m3) Lượng khí bị hấp thu là: 3,42-0,3 =3,12(g/m3) Hiệu suất hấp thu là: η= 3,12 = 91,2%... 0.999 ∆T rất bé nên xem nhiệt độ dung dịch ra khỏi tháp bằng dung dịch vào và cũng bằng dung dịch khí ra khỏi tháp (T = 300C) III.2 Tính tốn thiết bị chính: III.2.1 Đường kính tháp: Gtb 0.785w y D= ( Gđ +G c ) 402,479 + 400,64 = 401,5645 ( Kmol / h.) 2 2 303 = 401,5645 × 22.4 × = 9983,51( m 3 / h) = 2,773( m 3 / s ) 273 Gtb = - = Tính vận tốc khí qua tháp: (ρywy)tb = 0.065 ϕ[σ] h.ρx tb ρytb ϕ[σ] – hệ... Nđc = 1,3 0,928 =1,21 (Hp) Chọn cơng sất động cơ là 2(Hp) IV.5.3 .Quạt ly tâm: Khi tính quạt thổi vào tháp hấp thu thì chiều cao ống dẫn khí phải cao hơn chiều cao mực chất lỏng tính từ cửa ra ở đáy tới ống dẫn khí để đảm bảo rằng khí vào tháp khơng bị đẩy ra mà nước cũng khơng vào được ống dẫn khí Cơng suất trên trục động cơ: N= Q * H *g *ρ 1000 * ηq * ηtr Trong đó: Q: năng suất m3/s, Q = 10000/3600=... Văn Bang, Vũ Bá Minh ” Q trình và thiết bị cơng nghệ hố học, tập 3 truyền khối” NXB Đại học Quốc Gia Tp.HCM [2] Nhiều tác giả “ Sổ tay q trình và thiết bị cơng nghệ hố chất tập 1 & 2” NXB Khoa học Kỹ Thu t [3] Hồ Lệ Viên “ Thiết kế tính tốn các chi tiết thiết bị hố chất” NXB Khoa học Kỹ Thu t [4] Trần Hùng Dũng, Nguyễn Văn Lục, Trần Minh Nam, Vũ Bá Minh “ Các q trình và thiết bị trong cơng nghệ hố học... nhỏ) III.1.3 Cân bằng năng lượng: Gđ Iđ = Lđ Cđ Tđ + Qs = Gc Ic = Lc.Cc.Tc + Q0 Để đơn giản hố vấn đề tính tốn, ta có giả thiết như sau: - Nhiệt mất ra mơi trường xung quanh khơng đáng kể( do điều kiện làm việc ở 300C)⇒ Q0 = 0 - Nhiệt độ của hỗn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào - Nhiệt dung riêng của dung dịch trong suốt q trình hấp thụ : Cđ = Cc =C - Trong q trình hấp thụ có thể phát... suất ở mặt thống và áp suất ở đầu ống vào thiết bị là như ρg nhau và bằng áp suất khí quyển) Chuẩn số Reynolds: Re = dρv µ với: d: đường kính ống dẫn lỏng, d = 70 mm SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 27 ĐỒ ÁN MƠN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT ρ: khối lượng riêng của nước, ρ=995.68 kg/m3 µ: độ nhớt của nước ở 30 oC, µ=0.8007.10-3N/sm2 v: vận tốc trong ống dẫn lỏng vào thiết bị chọn v = v2 = 3.0 m/s Vậy: Re = 0.07... trung bình của cấu tử NH3 trong pha lỏng vtb1 rất bé ⇒ v tb1 ρ tb1 ≈ 0 ⇒ 1 − v tb1 ≈ 1 ⇒ ρxtb = ρH 2O = 995.68 KG / m 3 ωytb = D= 0.065 × 0.8 0.35 × 995.68 × 0.724 = 1.141 m / s 0.723 2,773 = 1,29 m 0.785 ×1.141 h = 0.45m ⇒ D =1,29 m ε (1,2 41,8m) nên chấp nhận Chọn giá trị D= 1,4(m) Vận tốc dòng khí trong tháp là: ω= Gtb = 1,8(m) 0,785.D 2 III.2.2 Chiều cao thân tháp: Đĩa làm bằng thép khơng rỉ X18H10T... III.2.2.1 Chiều cao tháp Chiều cao của tháp đĩa được xác định theo phương pháp xây dựng đường cong phụ Hệ số chuyển khối : Ky= 1 1 m + βx βy Trong đó : m : hệ số phân bố vật chất Tra sổ tay tập 2 : m= 3,17 βy : Hệ số cấp khối phía pha khí βx : Hệ số cấp khối pha lỏng βy = 3,03.10 –4 ω y 0 , 76 ∆Px Với : ωy: tốc độ khí tính cho mặt cắt tự do của tháp , m/s ωy = ω = 1,8 (m/s) ∆Px : sức cản thu lực của... tính các đường kính tối ưu của các ống dẫn khí và các ống dẫn lỏng ta có tiêu chuẩn về vận tốc thích hợp của khí và lỏng trong đường ống Vận tốc khí: 10 – 30 m/s Vận tốc lỏng: 1 – 3 m/s Tra bảng 9.3/80 Q2 tập 1 các q triønh và thiết bị trong cơng nghệ hố chất và thực phẩm Đường kính ống dẫn: d= Q 0.758v Trong đó: Q: lưu lượng thể tích (m3/s) v: vận tốc dòng khí, lỏng Ống dẫn lỏng: Q = L = 25,06 m3/s... tồn tháp : H = Hđ(Nt + 1 ) + Hđáy + Hnắp + Hchân + δ Với : Nt : Số đĩa thực tế ;Nt =8 Hđ : Khoảng cách giữa các đĩa Dựa vào đường kính tháp Theo STT II Chọn Hđ = 0,45 m Hđáy , Hnắp : chiều cao đáy , nắp của thiết bị Hđáy =Hnắp =0,375m Hchân : Chiều cao của chân đỡ , Hchân =0,185 m δ : Khoảng cách bổ sung ở đáy tháp δ =0,15 H = 0,45(8+1 )+ 0,375 + 0,375 + 0,185 + 0,15 = 5,135 (m) III.3 Trở lực của tháp . I.5. Thiết bị hấp thụ : Thiết bị được sử dụng để tiến hành quá trình hấp thu được gọi là thiết bị hấp thu hoặc cột hấp thu được gọi là thiếtbị hấp thu. - Hấp thu bao gồm quá trình hấp thu vạât lý và hấp thu hóa học. 1. Hấp thu vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. 2. Hấp thu