Thiết kế hệ thống hấp thụ cho hỗn hợp khí NH3 không khí

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

Họ và tên:Nguyễn Văn Vượng Số hiệu sinh viên: 20083572

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 NH3-không khí

2 Các số liệu ban đầu:

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)

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

KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO

MỞ ĐẦU

Hiện nay , trong các quá trình sản xuất của rất nhiều các ngành , các lĩnh vựckhác nhau đều đã và đang phát thải ra các chất khí với hàm lượng và khối lượng có thểgây ảnh hưởng , ô nhiễm môi trường Một trong những chất khí đó có thể nêu ra đó làkhí 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 độngvật , gây loét giác mạc , thanh quản và khí quản Thực vật bị nhiễm độc NH 3 ởnồng 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 NH4OHgây nhiễm độc cá và các sinh vật thuỷ sinh NH 3 còn có khả năng tạo thành các solkhí và bụi lơ long có tác dụng hấp thụ và khuếch tán ánh sáng mặt trời , làm giảm độtrong suốt của khí quyển Trong không khí NH 3 kết hợp với O2 dưới tác dụng củaánh sáng mặt trời tạo NOx là tác nhân làm thủng tầng ozon , gây hiện tượng hiệu ứngnhà kính , mưa axít

Với sự gia tăng và ảnh hưởng ngày càng lớn của NH 3 tới môi trường Đồng thờitận 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 đóđặt ra một yêu cầu thiết kế sao cho hệ thống này đạt hiệu quả và năng suất cao nhấtđược đưa ra

Hấp thụ là quá trình hút khí ( hoặc hơi ) bằng chất lỏng , trong đó vật chất dichuyển từ pha khí vào pha lỏng Khí dược hút được gọi là chất được hấp thụ , chấtlỏng 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

∘ 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 rộngtrong công nghệ môi trường để hấp thụ các chất khí gây ô nhiễm như : NH 3 , H2S ,

SO2 … 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 đầytrong 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 vàkinh nghiệm tính toán, nên không thể tránh khỏi những sai sót, em mong nhận được ýkiến đóng góp của các thầy cô giáo để đồ án sau có kết quả tốt hơn

Nguyễn Văn

Vượng.

2 3

4 5

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

THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN :

Hỗn hợp khí cần xử lý ( NH 3 và không khí ) được quạt thổi khí đưa vào ở đáytháp , trên đường ống có van an toàn , van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng phù hợpyêu 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 nắptháp và đi ra ngoài Nước hấp thụ NH 3 đi xuống đáy và qua van tháo đi vào bể chứa

kmol NH3/kmol dung môi

∘ X c _ nồng độ phần mol tương đối cuối của cấu tử hấp thụ trong dung

môi

kmol NH3/kmol dung môi

∘ Y d _ nồng độ phần mol tương đối ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong

hh

kmol NH3/kmol hh

∘ Y c _ nồng độ phần mol tương đối cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hh

kmol NH3/kmol hh

∘ G x _ lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ , kmol/h

∘ Gy _ lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ , kmol/h.

∘ G tr _lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ , kmol/h.

¿ Điều kiện làm việc của tháp

∘ Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ :

G tr = Gy .

1

1+Y d = Gy (1− y d) (IX.9_T2)

= 312,5 (1−0,12) =275 (kmol/h)

∘ β = 1,20 _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 :

y= y cb P ; ( IX.2_T2 ).

ta có : ycb =

ψ

P 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

∘ ycb _ nồng độ phần mol của cấu tử bị hấp thụ trong hỗn hợp khi cân

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 X c = X cbc như sau :

2,03.Y cb+3,03 , nên ứng với Y d = 0,1364 (kmol/kmol khí trơ ) ,

ta có : X c = X cbc = 2,03.0,1364+3,03 0,1364 = 0,0412 (kmol/kmol khí trơ ).Thay

¿ 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

lượng dung môi tiêu tốn luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu và được

biểu thị bằng công thức :

G x = G x min . β ;

Với β = 1.20 đã cho , ta có : G x = 819,39 . 1,.20 = 983,268 (kmol/h)

¿ Từ phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ

một tiết diện bất kỳ nào đó tới phần trên của thiết bị :

Đây là phương trình đường nồng độ làm việc của tháp

4 Đồ thị của đường cân bằng và đường làm việc của tháp

Từ phương trình đường cân bằng và phương trình đường làm việc , cùng với việc cho một vài giá trị của X trong khoảng từ X = 0 đến X = Xc , ta có bảng số liệu sau :

Y cb 0 0.006

1

0.0122

0.0184

0.0246

0.0309

0.0373

0.0437

Y 0.013

6 0.0208 0.0279 0.0351 0.0324 0.0422 0.0565 0.0637

∘ V tb _ lượng khí trung bình đi trong tháp , m3

/h

∘ ω tb _ tốc độ khí trung bình đi trong tháp , m/s

1 Lượng khí trung bình đi trong tháp

V tb =

V d+V c

2 , m3/h ; (IX.101_T2).Trong đó :

∘ V d _lưu lượng hỗn hợp đầu ở điều kiện làm việc , m3

/h ∘ V c _lưu lượng khí thải đi ra khỏi tháp , m3

/h

¿ Tính V d :

¿ Mytb _ khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí , kg/kmol .

¿ ρytb _ khối lượng riêng trung bình của pha khí , kg/m3 .

Ta có :

M ytb 22,4 .

P.T0

P0.T ; (I.3_T1)

2 Tốc độ khí trung bình đi trong tháp :

Theo công thức thực nghiệm : ω tb =(0,8 ¿ 0,9) ω , s , m/s

Với ω , s _ tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương ( tốc độ đảo pha) , được tính bằng công thức :

Trong đó :

 σ d _ bề mặt riêng của đệm , V d _thể tích tự do của đệm.

σ d = 165 m2

/m3 ; V d = 0,76 m3/m3 (bảng IX.8_T2)

( Chọn loại đệm vòng Rasiga đổ lộn xộn bằng sứ có kích thước :

35×35×3.5 mm )

 ρ xtb _ khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3

Với ρ xtb tính theo công thức :

∘ a tb 1 _ phần khối lượng trung bình của NH 3 trong pha lỏng.

Từ phương trình cân bằng vật liệu trong tháp :

G tr(Y d−Y c)=G x(X c−X d)

⇒ X c =

G tr

G x (Y d−Y c) =

∘ ρ xtb1 _ khối lượng riêng trung bình của NH 3 trong pha lỏng lấy

theo nhiệt độ trung bình , kg/m 3

∘ ρ xtb2 _ khối lượng riêng trung bình của H

2O trong pha lỏng lấy theo nhiệt độ trung bình, kg/m 3

ρytb = 22 , 4 T[y tb1 M1+(1− ytb1) M2] 273 , kg/m3

; (IX.102) Trong đó :

∘ y tb1 _ nồng độ phần mol của NH 3 lấy theo giá trị trung bình :

y tb1 =

y d 1+y c1

2 ; Với y d1 , y c1 _nồng độ tại hai đầu đoạn tháp của NH 3 trong pha khí.

∘ x1 , x2 _ nồng độ mol của NH 3 và H 2 O trong pha lỏng

Từ công thức (I.12_T1) suy ra :

⇒ G x (kg/s) =

Gx(kmol/h ) Mxtb(kg /kmol )

3600 =

1320,4957 17,99473600

3+(1− ytb 1) M kk = 0,0225.17+(1−0,0225 ).29=28,73 (kg/kmol)

II Chiều cao làm việc của tháp

Chiều cao làm việc của tháp được xác định theo công thức sau :

H = h dv . my , m ; (IX.68_T2).

Trong đó :

∘ h dv _chiều cao của một đơn vị chuyển khối

∘ my _ số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha khí và pha

Trong đó :

¿ m _ hằng số cân bằng pha hay hệ số pha loãng ; m = 3,03 .

¿ G x _ lưu lượng lỏng , kg/s ; G x=6,6005 kg/s .

¿ Gy _ lưu lượng hơi , kg/s ; Gy=3,2065 kg/s .

¿ h1 _ chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha khí , m ;

h1 =

V d a.ψ σ d Rey0 ,25

Pr

y

2

3 , m ; (IX.76_T2)

Với : ¿ a _hệ số phụ thuộc vào dạng đệm : với đệm vòng a = 0,123 .

¿ V d = 0,76 m3/m3 ; σ d = 165 m2

/m3 ¿ ψ _ hệ số thấm ướt của đệm

⇒ ψ =

U tt

U t.h =

9,468 26,07 = 0,363 .

trong đó : + M hh , M1 , M2 … _ trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí

và của các cấu tử thành phần

+ μ hh , μ1 , μ2 …_ độ nhớt của hỗn hợp khí và của các cấu

tử thành phần

+ m1 , m2 …_nồng độ của các cấu tử tính bằng phần thể tích

μ y

ρ y D y _ cuẩn số Pran của pha khí

Với : Dy _ hệ số khuếch tán của pha khí , m2/s Được tính bằng công

⇒ h1 =

V d a.ψ σ d Rey0 ,25

Pr

y

2 3

=

0,76 0,123.0,363.165 . 506,43380 ,25 0,8374

2 3 = 0,4346 (m)

¿ h2 _ chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng , m

Với : ¿ μ x = 0,8853.10−3 N s/m2

_ độ nhớt của pha lỏng ¿ ρ x = ρ xtb = 993,9911 kg/m3 _ khối lượng riêng của lỏng.

¿ Rex _ chuẩn số Râynôn của pha lỏng.

Từ việc xây dựng như trên ta có :

m y = 6 + AP ST = 6 +

0,004 0,009 = 6,4 .

Đồ thị xác định số đơn vị chuyển khối theo số đơn vị thể tích :

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016

y ,2 ρy

2 , N /m2 ; (IX.119_T2)

Trong đó :

¿ H=3,5 m _ chiều cao lớp đệm

¿ λ , _ hệ số trở lực của đệm ( bao gồm cả trở lực do ma sát và trở lực cục bộ)

Do đệm đổ lộn xộn ở ché độ xoáy ( Rey = 506,4338 ¿ 40 ) nên :

λ , =

16Re

y, =

1863,704.0,0178.10−30,0184.1,1749 = 1,5614 (m/s)

,

4

H σ d V

Với : ρ nt _ khối lượng riêng của nhũ tương, tính theo công thức:

Trong đó : ∘ Q _ năng suất của bơm , m3/s .

∘ ρ _ khối lượng riêng của chất lỏng , kg/m3 .

∘ g _ gia tốc trọng trường , m/s2 .

∘ H _ áp suất toàn phần của bơm , m .

∘ η _ hiệu suất chung của bơm

1 Áp suất toàn phần của bơm.

p2 = 1 at = 98100 N /m2 ¿ ρ = ρ H2O(250C ) = 997,08 kg/m3 .

=

997,08.0,212

2 = 21,99 (N /m2) ¿ ΔPP m _áp suất để khắc phục trở lực ma sát khi dòng chảy

Trong đó : ∘ L _ chiều dài ống dẫn , lấy L = 10 m ∘ λ _ hệ số ma sát

Do : Re=

ω d td ρ

0,21.0,2.997,08 0,8937.10−3 = 46858,4 >

4000

( μ = μ H2O(250C) = 0,8937.10−3 N s/m2 ) nên chất lỏng ở chế độ chảy rối do đó λ tính theo công thức :

2 = 25,06 (N /m2)

¿ ΔPP H _ áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao hoặc để khắc phục áp suất thuỷ tĩnh :

ξ2 = 0,38 ; (BảngII.16-N029_T1) ∘ Chọn khuỷu hình chữ Z mặt cắt hình vuông dòng

= 21, 99+25,06+83056 ,76+0+0+246 ,24

Trong đó : ∘ η0 _ hiệu suất thể tích tính đến sự hao hụt chất lỏng chảy từ

vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp và do chất lỏng rò qua các chổ hở của bơm Chọn η0 = 0,95

∘ η tl _ hiệu suất thuỷ lực , tính đến ma sát và sự tạo thành dòng

xoáy trong bơm Chọn η tl = 0,85

∘ η ck _ hiệu suất cơ khí tính đến ma sát cơ khí ở ổ bi , ở lót trục

Trong đó : ∘ η tr _ hiệu suất truyền động Chọn η tr = 0,85

∘ η dc _ hiệu suất động cơ điện Chọn η dc = 0,9

⇒ N dc = 0,85.0,9 1,43 = 1,87 (kW ) .

Thường chọn động cơ điện có công suất dự trữ so với công suất tính toán theo công thức :

Dùng quạt ly tâm để vận chuyển khí vào tháp.

1 Áp suất toàn phần của quạt.

Trong đó : ¿ p1 , p2 _ áp suất dư trong không gian hút và đẩy, N/m2.

Do áp suất làm việc của tháp bằng áp suất môi trường nên

hiệu số : (p2−p1) = 0 .

¿ ΔPp h _áp suất mất mát trong đường ống hút , N/m2

ΔPp h = ΔPp h1 + ΔPp h

2 Với :

Trong đó :

∘ L _ chiều dài đường ống hút , chọn L=1 m .

∘ d td _ đường kính trong của ống hút , chọn d td = 0,35m