Thiết kế hệ thống hấp thụ cho hỗn hợp khí NH3 không khí
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Trường Đại học Bách khoa Hà Nội *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ______________ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CNMT Họ và tên:Nguyễn Văn Vượng Số hiệu sinh viên: 20083572 Lớp: KTMT Khoá:53 Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường Ngành: Kỹ thuât môi trường. 1.Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ cho hỗn hợp khí NH 3 -không khí . 2. Các số liệu ban đầu: Hỗn hợp khí vào tháp hấp thụ: NH 3 và không khí. Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp: 7000Nm 3 /h Thành phần hỗn hợp theo phần thể tích: 12 % Áp suất,nhiệt độ: Tự chọn Thiết bị hấp thụ loại : Tháp đệm. 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán 1. Mở đầu 2. Tính toán thiết kế tháp đệm (Mô phỏng theo một số điều kiện) - Đường kính. - Chiều cao - Trở lực của tháp. 3. Tính toán cơ khí. 4. Tính toán thiết bị phụ: - Bơm. - Máy nén. 5. Kết luận. 4. Các bản vẽ đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ và kích thước các loại bản vẽ): 1 1 5. Cán bộ hướng dẫn TS:Nguyễn Phạm Hồng Liên 6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án môn học: 7. Ngày hoàn thành đồ án môn học: Hà Nội, ngày tháng năm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) 2 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU . Trang PHẦN 1 : CÂN BẰNG VẬT LIỆU. 1. Điều kiện làm việc của tháp. 2. Thiết lập phương trình đường cân bằng. 3. Thiết lập phương trình đường nồng độ làm việc. 4. Đồ thị của đường cân bằng và đường làm việc của tháp. PHẦN 2 : KẾT CẤU THÁP. I. Đường kính tháp. 1. Lượng khí trung bình đi trong tháp. 2. Tốc độ khí trung bình đi trong tháp . 3. Đường kính tháp. II. Chiều cao làm việc của tháp. 1. Chiều cao của một đơn vị chuyển khối. 2. Số đơn vị chuyển khối . 3. Chiều cao tháp : Bảng mô phỏng. PHẦN 3 : TRỞ LỰC CỦA THÁP. 1. Hệ số Re. 2. Tổn thất áp suất (trở lực ) của đệm khô. 3. Sức cản thuỷ học của tháp đệm đối với hệ khí _ lỏng và hơi lỏng ở điểm 4. Sức cản thuỷ lực trên điểm đảo pha trong chế độ nhũ tương. 5.Sức cản thuỷ lực ở dưới điểm đảo pha. PHẦN 4 : THIẾT BỊ PHỤ. I.Bơm chất lỏng. 1. Áp suất toàn phần của bơm. 2. Năng suất của bơm. 3. Hiệu suất chung của bơm . 4. Công suất động cơ điện. II. Vận chuyển khí . 1. Áp suất toàn phần của quạt. 2.Công suất lý thuyết của quạt. 3. Công suất thực tế của quạt . PHẦN 5 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ. I. Tính thân hình trụ. 1. Chiều dày của thân hình trụ được tính theo công thức . 2. Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử . II. Tính đáy và nắp thiết bị. 1. Chiều dày của đáy và nắp được tính theo công thức . 2. Kiểm tra ứng suất thành theo áo suất thử thuỷ lực . III. Chọn mặt bích. 1. Bích nối nắp và đáy với thân thiết bị . 2.Bích nối đường ống với lỗ ở nắp và đáy . IV. Chọn chân đỡ. 3 3 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO MỞ ĐẦU . Hiện nay , trong các quá trình sản xuất của rất nhiều các ngành , các lĩnh vực khác nhau đều đã và đang phát thải ra các chất khí với hàm lượng và khối lượng có thể gây ảnh hưởng , ô nhiễm môi trường . Một trong những chất khí đó có thể nêu ra đó là khí acmoniac (NH 3 ). Ở điều kiện bình thường , NH 3 là chất khí không màu , nhẹ , mùi khai , xốc , gây cảm giác khó chịu . NH 3 có thể gây viêm đường hô hấp cho con người và động vật , gây loét giác mạc , thanh quản và khí quản . Thực vật bị nhiễm độc NH 3 ở nồng độ cao làm lá cây bị trắng bạch , làm đốm lá và hoa , làm giảm rễ cây , thân cây bị lùn , giảm tỷ lệ hạt giống nảy mầm . Trong nước , NH 3 dễ hoà tan thành NH 4 OH gây nhiễm độc cá và các sinh vật thuỷ sinh . NH 3 còn có khả năng tạo thành các sol khí và bụi lơ long có tác dụng hấp thụ và khuếch tán ánh sáng mặt trời , làm giảm độ trong suốt của khí quyển . Trong không khí NH 3 kết hợp với O 2 dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời tạo NO x là tác nhân làm thủng tầng ozon , gây hiện tượng hiệu ứng nhà kính , mưa axít . Với sự gia tăng và ảnh hưởng ngày càng lớn của NH 3 tới môi trường . Đồng thời tận dụng ưu điểm của NH 3 trong một số ngành công nghệ sản thì việc thu hồi và xử lý NH 3 bằng mộ hệ thống thiết bị hấp thụ bằng tháp đệm là hết sức cần thiết , do đó đặt ra một yêu cầu thiết kế sao cho hệ thống này đạt hiệu quả và năng suất cao nhất được đưa ra . Hấp thụ là quá trình hút khí ( hoặc hơi ) bằng chất lỏng , trong đó vật chất di chuyển từ pha khí vào pha lỏng . Khí dược hút được gọi là chất được hấp thụ , chất lỏng để hút gọi là dung môi ( hay chất hấp thụ ) , khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ . Bản chất của quá trình hấp thụ là khí hoà tan vào trong lỏng tạo thành hỗn hợp hai cấu tử gồm hai thành phần và hai pha. Quá trình hấp thụ được dùng để : Thu hồi các cấu tử quý . Làm sạch khí . Tách cấu tử quý thành từng cấu tử riêng biệt . Trong sản xuất , các thiết bị hay được sử dụng để thực hiện quá trình hấp thụ là : Thiết bị loại bề mặt . Thiết bị loại màng . 4 4 Thiết bị loại phun . Thiết bị loại đệm (tháp đệm ) . Thiết bị loại đĩa ( tháp đĩa ) . Trong các thiết bị hấp thụ ở trên , thì thiết bị hấp thụ tháp đệm được ứng dụng rộng trong công nghệ môi trường để hấp thụ các chất khí gây ô nhiễm như : NH 3 , H 2 S , SO 2 … bởi tháp đệm có những ưu điểm sau : Cấu tạo đơn giản , dễ thiết kế , gia công , chế tạo và vận hành đơn giản. Bề mặt tiếp xúc pha lớn , hiệu suất cao . Trở lực trong tháp không quá lớn . Giới hạn làm việc tương đối rộng . tuy nhiên tháp đệm có nhược điểm là khó thấm ướt đều đệm . Nguyên lý làm việc của tháp đệm rất đơn giản , trong tháp đệm , đệm được đổ đầy trong thân hình trụ , chất lỏng đi từ trên xuống , phân bố đều trên bề mặt đệm , chất khí đi từ dưới lên , phân tán trong pha lỏng và quá trình chuyển khối diễn ra . Sau 12 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô giáo trong Viện. Đây là Đồ án đầu tiên của em, do có nhiều hạn chế về tài liệu và kinh nghiệm tính toán, nên không thể tránh khỏi những sai sót, em mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo để đồ án sau có kết quả tốt hơn. Nguyễn Văn Vượng. 5 5 6 6 1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 1. Tháp hấp thụ. 2. Bơm chất lỏng. 3. Quạt thổi khí. 4. Bể chứa nứơc. 5. Bể chứa chất lỏng ra khí tháp. 6. Nguồn cung cấp hỗn hợp khí cần xử lý. 7. Nơi tiếp nhận hỗn hợp khí sau xử lý. 8. Van. chú thích : sơ đồ dây tryền công nghệ 8 7 7 THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN : Hỗn hợp khí cần xử lý ( NH 3 và không khí ) được quạt thổi khí đưa vào ở đáy tháp , trên đường ống có 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 . Quá trình hấp thụ xảy ra , không khí chứa NH 3 sau khi được hấp thụ đi lên nắp tháp và đi ra ngoài . Nước hấp thụ NH 3 đi xuống đáy và qua van tháo đi vào bể chứa . PHẦN 1 : CÂN BẰNG VẬT LIỆU. 1. Điều kiện làm việc của tháp. ∗ Một số kí hiệu : d X _nồng độ phần mol tương đối ban đầu của cấu tử hấp thụ trong dung môi. kmol NH 3 /kmol dung môi. c X _ nồng độ phần mol tương đối cuối của cấu tử hấp thụ trong dung môi kmol NH 3 /kmol dung môi. d Y _ nồng độ phần mol tương đối ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong hh kmol NH 3 /kmol hh c Y _ nồng độ phần mol tương đối cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hh kmol NH 3 /kmol hh x G _ lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ , kmol/h . y G _ lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ , kmol/h. tr G _lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ , kmol/h. ∗ Điều kiện làm việc của tháp. Nhiệt độ : Ct 0 25 = hay KT 0 298= . Áp suất : 1 = P at hay 736 = P mmHg . Nồng độ khí thải vào tháp (phần thể tích ) :y d =12%=0,12 Đổi sang nồng độ mol tương đối : 8 8 d Y = d d y y −1 = 12,01 12,0 − = 1364,0 (kmol/kmol khí trơ). Hiệu suất hấp thụ : η = 90,090 0 0 = . ⇒ dc YY ).1( η −= = 01364,01364,0).90,01( =− (kmol/kmol khí trơ). Lưu lượng khí thải vào tháp : y G = 7000 hNm / 3 ; hay y G = 4,22 7000 =312,5 )/( hkmol . Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ : tr G = y G . d Y + 1 1 = y G )1( d y − (IX.9_T2). = 5,312 . )12,01( − =275 (kmol/h) β = 20,1 _lượng dung môi tiêu tốn so với lượng dung môi tối thiểu. 2. Thiết lập phương trình đường cân bằng. ∗ Theo địng luật Henrry : p = ψ x ; ( IX.1_T2 ). Và từ công thức tính áp suất riêng phần của khí : Pyy cb .= ; ( IX.2_T2 ). ta có : y cb = P ψ .x ; (1). Trong các phương trình trên : p _ áp suất riêng phần của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí trên mặt thoáng dung dịch ở điều kiện cân bằng. ψ _ hằng số Henrry , có cùng thứ nguyên với áp suất. x _ nồng độ phần mol của khí bị hấp thụ trong dung dịch . y cb _ nồng độ phần mol của cấu tử bị hấp thụ trong hỗn hợp khi cân bằng với chất lỏng. P _ áp suất chung của hỗn hợp khí. ∗ Đặt m = P ψ hằng số cân bằng pha hay hệ số pha loãng , ta có phương 9 9 trình (1) trở thành : y cb = m x ; (2). đổi sang nồng độ mol tương đối , phương trình (2) có dạng : cb Y = Xm mX )1(1 −+ ; (3). ∗ Theo điều kiện làm việc của tháp có : ψ NH 3 (25 0 C) = 6 10.00223,0 )(mmHg ; (bảng IX.1 _ T2 ). ( hằng số Henrry của 3 NH ở 25 0 C ). P = 1 at = 736 mmHg . ⇒ m = P CNH )25( 0 3 ψ = 736 10.00223,0 6 = 03,3 . Thay vào phương trình (3) ta được : cb Y = Xm mX )1(1 −+ = X X ).03,31(1 .03,3 −+ ⇒ cb Y = X X .03,21 .03,3 − ; (4). Đây là phương trình đường cân bằng. 3. Thiết lập phương trình đường nồng độ làm việc. ∗ Lượng dung môi tối thiểu cần thiết để hấp thụ khi giả thiết nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng , tức là c X = cbc X như sau : minx G = tr G . dcbc cd XX YY − − ; (5). Từ phương trình đường cân bằng rút ra : X = 03,3.03,2 + cb cb Y Y , nên ứng với d Y = 1364,0 (kmol/kmol khí trơ ) , ta có : c X = cbc X = 03,31364,0.03,2 1364,0 + = 0412,0 (kmol/kmol khí trơ ).Thay vào phương trình (5) ta có : minx G = tr G . dcbc cd XX YY − − = 275 . 00412,0 01364,01364,0 − − = 39,189 )/( hkmol . ∗ Thực tế các thiết bị hấp thụ thực không bao giờ đạt được cân bằng giữa các pha , nghĩa là nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng độ thực tế nên 10 10 [...]... lng dung mụi ti thiu v c biu th bng cụng thc : Gx Vi 1.20 = = G x min ó cho , ta cú : Gx ; 819 ,39 1,.20 = 983,268 (kmol / h) = T phng trỡnh cõn bng vt liu i vi khong th tớch thit b k t mt tit din bt k no ú ti phn trờn ca thit b : Gtr (Y Yc ) = G x ( X X d ) Y ; Gx Gtr X + Yc (IX.6_T2) Gx Gtr X d Rỳt ra : = ; (6) T cỏc thụng s ó tớnh c trờn ,thay vo phng trỡnh (6) ta c : Y Y = 983,268 275... : Y Y = 983,268 275 X + 0,01364 0 3,5755 X + 0,01364 - = õy l phng trỡnh ng nng lm vic ca thỏp 4 th ca ng cõn bng v ng lm vic ca thỏp T phng trỡnh ng cõn bng v phng trỡnh ng lm vic , cựng vi vic cho mt vi giỏ tr ca X trong khong t X = 0 n X = Xc , ta cú bng s liu sau : X 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 Ycb 0 0.0061 0.0122 0.0184 0.0246 0.0309 0.0373 0.0437 Y 0.0136 0.0208 0.0279 0.0351... 3 0 xtb1 NH 615 kg / m = ; (hỡnh I.1_T1) _lng(25 C) = xtb 2 _ khi lng riờng trung bỡnh ca H2O trong pha lng ly theo 3 3 nhit trung bỡnh, kg/m xtb2 H O ( 25 C ) 997,08 kg / m 3 = = ; Thay cỏc thụng s trờn vo phng trỡnh (8) ta c : 2 xtb 14 = 0 615.997,08 0,0050.997,08 + (1 0,0050).615 (bng I.5_T1) 993,9911 (kg / m 3 ) = 14 ytb 3 _ khi lng riờng trung bỡnh ca pha hi , kg/m [ ytb1 M 1 +... Gy(kmol/h).M ytb (kg / kmol ) G y (kg / s ) 3600 = M ytb = y tb1 M NH 3 + (1 y tb1 ).M kk Vi = Gy 0,0225.17 + (1 0,0225).29 = 28,73 (kg / kmol ) 401,7857.28,73 3600 3,2065 ( kg / s ) = = Thay cỏc thụng s ó tớnh c trờn vo cụng thc (IX.115_T2) ta cú : lg lg , s 2 d ytb à x 3 g Vd xtb à n 0 ,16 = Gx A 1,75 G y , s 2 165.1,1749 0,8853.10 3 -3 9,8.0,76 993,9911 1,005.10... = dc 0,85 = 0,9 1,87 (kW ) = = Thng chn ng c in cú cụng sut d tr so vi cụng sut tớnh toỏn theo cụng thc : N c dc Vi : N dc = (II.191_T1) _h s d tr cụng sut = 1,5 ; (BngII.33_T1) Vy ng c in mc cho bm cn cú cụng sut : N c dc = 1,5.1,87 = 2,8 (kW ) II Vn chuyn khớ Dựng qut ly tõm vn chuyn khớ vo thỏp 1 p sut ton phn ca qut p 32 = 2 ( p 2 p1 ) + p h + p d + 2 + ( k ) g H ; (II.202_T1) . và Công nghệ Môi trường Ngành: Kỹ thuât môi trường. 1.Đầu đề thiết kế: Thiết kế hệ thống hấp thụ cho hỗn hợp khí NH 3 -không khí . 2. Các số liệu ban đầu: Hỗn hợp khí vào tháp hấp thụ: NH 3 . chất hấp thụ ) , khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ . Bản chất của quá trình hấp thụ là khí hoà tan vào trong lỏng tạo thành hỗn hợp hai cấu tử gồm hai thành phần và hai pha. Quá trình hấp thụ. một số ngành công nghệ sản thì việc thu hồi và xử lý NH 3 bằng mộ hệ thống thiết bị hấp thụ bằng tháp đệm là hết sức cần thiết , do đó đặt ra một yêu cầu thiết kế sao cho hệ thống này đạt hiệu