tính toán thiết kế tháp hấp thụ khí NH3 bằng nước

LỜI MỞ ĐẦUNhững năm gần đây, nền công nghiệp nước ta phát triển một cách nhanhchóng, hệ quả của nó là môi trường sống của chúng ta đang bị hủy hoại nghiêm trọngbởi một lượng lớn khí thải

LỜI CẢM ƠN

Thiết kế thiết bị hóa chất là một học phần tương đối khó đối với những sinh viêncòn non kinh nghiệm và kiến thức chuyên môn chưa vững vàng như chúng tôi Bêncạnh sự cố gắng tìm hiểu của bản thân, tôi còn nhận được sự giúp đỡ và chỉ dạy tậntình của thầy, sự giúp đỡ và chia sẻ kinh nghiệm, tài liệu từ các bạn sinh viên khác

Để hoàn thành khóa luận này, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Trần HoàiĐức đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm đồ án Tôi cũng xin chân thànhcảm ơn quý Thầy, Cô trong khoa Công Nghệ Hóa Học, đặc biệt là các Thầy, Cô trong

bộ môn Máy và Thiết bị, Trường Đại Học Công Nghiệp Tp HCM đã tận tình truyềnđạt kiến thức trong 3 năm học vừa qua Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quátrình học không chỉ là nền tảng cho quá trình thực hiện đồ án mà còn là hành trang quíbáu để tôi vào đời một cách vững chắc và tự tin

Tôi chân thành cảm ơn tất cả đã giúp tôi có thể hoàn thành đồ án này đúng hạn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2013

Sinh viên thực hiệnNguyễn Thị Hồng Đón

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Phần đánh giá:  Ý thức thực hiện:

 Nội dung thực hiện:

 Hình thức trình bày:

 Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013

Giáo viên phản biện

LỜI MỞ ĐẦU

Những năm gần đây, nền công nghiệp nước ta phát triển một cách nhanhchóng, hệ quả của nó là môi trường sống của chúng ta đang bị hủy hoại nghiêm trọngbởi một lượng lớn khí thải công nghiệp như: NH3, CO2, SO2,CO, H2S, … thải vàotrong không khí, điều đó đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của các cấp chínhquyền, tổ chức, xí nghiệp và người dân Tác hại của nó đang ở mức báo động khi màkhí hậu dần thay đổi gây nên nhiều hậu quả to lớn cho con người và các sinh vật tựnhiên

Một bài toán nan giải đang thách thức chúng ta khi mà con người chưa nhận thứchết hậu quả của nó, bên cạnh đó chưa có sự chú trọng đầu tư từ nhà sản xuất và chưa

có hệ thống quản lí môi trường chặt chẽ để có những giải pháp thiết thực nhằm ngănchặn và xử lí chúng

Việc xử lí không khí có chứa các khí thải gây ô nhiễm là giải pháp mà nhiềungười đang hướng đến nhằm giảm thiểu ô nhiễm Vì vậy đồ án học phần của em làtính toán thiết kế tháp hấp thụ khí NH3 bằng nước, em hi vọng nó sẽ góp phần làmgiảm lượng khí thải NH3

Nôi dung cơ bản của đồ án này là trình bày việc thiết kế thiết bị mâm xuyên lỗ,lựa chọn vật liệu, tính toán, xác lập mối quan hệ giữa các kích thước, kiểm tra độ bềncác chi tiết, tính toán thiêt bị phụ và tính toán sơ bộ giá thành thiết bị Đây là lần đầu

em làm đồ án nên còn nhiều thiếu sót em mong quý thầy cô thông cảm và bỏ qua

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN II NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN III LỜI MỞ ĐẦU IV MỤC LỤC V

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Sơ lược về hấp thụ 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Ứng dụng 1

1.1.3 Phân loại 1

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn dung môi tốt cho quá trình 1

tách hỗn hợp cấu tử: 1

1.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ 2

1.2 Sơ lược về NH3 2

1.2.1 Giới thiệu 2

1.2.2 Tính chất 3

1.2.3 Điều chế 4

1.2.4 Ứng dụng: 5

1.2.5 Độc tính 6

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ 9

2.1 Chọn quy trình công nghệ 9

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÂM XUYÊN LỖ 10

3.1 Tính toán thông số đầu vào của tháp 10

3.2 Cân bằng vật chất 10

3.3 Tính đường kính tháp 14

3.4 Tính chiều cao 16

3.5 Thiết kế lỗ trên mâm 17

3.6 Tính trở lực qua tháp 18

3.7 Tính chiều dày thân 19

3.8 Tính đáy và nắp thiết bị 22

3.9 Tính toán ống dẫn nhập tháo liệu 23

3.9.1 Tính toán ống dẫn khí 23

3.9.2 Tính toán ống dẫn lỏng 24

3.10 Tính mặt bích 24

3.11 Tính khối lượng tháp 26

3.11.1 Khối lượng thép làm thân 26

3.11.2 Khối lượng đáy và nắp 26

3.11.3 Khối lượng mâm 27

3.11.4.Khối lượng bích nối thân 27

3.11.5 Khối lượng lỏng chứa trong tháp 27

3.11.6 Khối lượng tháp 28

3.12 Chân đỡ và tai treo 28

3.12.1 Chọn chân đỡ 28

3.12.2 Chọn tai treo 29

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 31

4.1 Tính toán quạt thổi khí 31

4.2 Tính chiều cao bồn cao vị 32

4.3 Tính bơm 34

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN KINH TẾ 37

KẾT LUẬN 39

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Sơ lược về hấp thụ

1.1.1 Khái niệm

 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 thụchất 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 dungdịch các cấu tử trong chất lỏng Các quá trình xảy ra do sự tiếp xúc pha giữa khí vàlỏng 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 trìnhnhả khí Nguyên lý của hai quá trình là giống nhau

1.1.2 Ứng dụng

Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm quá trình hấp thu dùng để:

 Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí

 Làm sạch pha khí

 Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt

 Tạo thành một dung dịch sản phẩm

1.1.3 Phân loại

 Hấp thu vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng

 Hấp thu hóa học : giữa hỗn hợp khí và dung môi có xảy ra phản ứng hóa học

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn dung môi tốt cho quá trình

tách hỗn hợp cấu tử:

 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

 Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thuỷ học càng nhỏ và và có lợi

cho quá trình chuyển khối

 Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt khi hồn nguyên dung môi

 Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hồ tan để dể tách các cấu tử

ra khỏi dung môi

 Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh tắc thiết bị và thu hồi các cấu tử hòa tan

dễ dàng hơn

 Ít bay hơi, rẻ tiền , dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mòn

thiết bị

1.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ

 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henri sẽ tăng Kếtquả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung Nếu các đừơng làmviệc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm, số đĩa lý thuyêt sẽ tăng và chiềucao của thiết bị sẽ tăng Thậm chí có khi tháp không làm việc được vì nhiệt độ tăngquá so với yêu cầu kỹ thuật Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi là làm cho độ nhớt cảhai pha khí và lỏng tăng

 Ảnh hưởng của áp suất :

Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cânbằng 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 quá trìnhchuyển 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 vận hành của tháp hấp thụ

 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

1.2 Sơ lược về NH3

1.2.1 Giới thiệu

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

 Thuật ngữ 'amoniac' có nguồn gốc từ một liên kết hoá học có tên là 'cloruaammoni' được tìm thấy gần đền thời thần Mộc tinh Ammon ở Ai Cập.

 Người đầu tiên chế ra amoniac nguyên chất là nhà hoá học Dzozè Prisly Ông đãthực hiện thành công thí nghiệm của mình vào năm 1774 và khi đó người ta gọiamoniac là 'chất khí kiềm'

NH3 + H2O  NH4OH  NH4+ + OH –

Tính chất hóa học:

 Sự phân hủy : như đã biết, phản ứng tổng hợp NH3 là thuận nghịch Điều này cónghĩa, amoniac có thể phân huỷ sinh ra các đơn chất N2 và H2 Amoniac phân huỷ ởnhiệt độ 600 – 7000C và áp suất thường Phản ứng phân huỷ là phản ứng thu nhiệt vàcũng thuận nghịch :

2 NH3→3 H2+N2

 Tác dụng với axit : nhúng hai đũa thuỷ tinh vào hai bình đựng dung dịch HCl đặc

và dung dịch NH3 đặc sau đó đưa hai đầu đũa thủy tinh lại gần nhau thì sẽ thấy khóimàu trắng Khói màu trắng là những hạt nhỏ của tinh thể muối amoni clorua Chấtnày được tạo do hai khí HCl và NH3 hoá hợp với nhau theo phương trình phản ứng:

NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O2NO + O2 → NO2

2 NH4Cl + 2 CaO → CaCl2 + Ca(OH)2 + 2 NH3

 Trong công nghiệp người ta điều chế NH3 từ H2 (được điều chế bằng nhiềucách khác nhau) sau đó đem tác dụng với N2 lấy từ không khí Phản ứng xảy ra thuậnnghịch nên phải thêm xúc tác để cho sản phẩm và hiệu suất mong muốn

- Oxi hóa amoniac thành NO

- Ðiều chế acid nitric (hấp thụ )

 Oxi hóa amôniăc thành NO: xúc tác là hợp kim Pt - Rh (5 - 10% Rh)

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

 Ðiều chế acid nitric :

2NO + O2  NO2Hấp thụ NO2 bằng nước tạo thành acid nitric :

3NO2 + H2O  2HNO3 + NO

Làm phân bón

 NH3 được xem như là thành phần của phân bón NH3 có thể được bón trực tiếplên ruộng đồng bằng cách trộn với nước tưới mà không cần thêm một quá trình hoáhọc nào NH3 tác dụng với acid (HCl, HNO3 …) tạo muối là thành phần chính củaphân bón hoá học Amôni Sunphat là một loại phân bón tốt Amôni Nitrat cũng được

sử dụng như một loại phân bón và còn như một dạng thuốc nổ

 Khi cho amôniăc tác dụng với CO2 ở nhiệt độ 180-200oC, dưới áp suất khoảng200atm ta điều chế Urê (NH2)2CO là chất rắn màu trắng, tan tốt trong nước, chứakhoảng 46%N :

CO2 + 2NH3  (NH2)2CO + H2O

 Trong đất dưới tác dụng của các vi sinh vật urê bị phân hủy cho thoát raamoniac, hoặc chuyển dần thành muối amonicacbonat khi tác dụng với nước:

(NH2)2CO + 2H2O  (NH4)2CO3

Kỹ nghệ làm lạnh

NH3 là chất thay thế CFCs, HFCs bởi vì chúng kém độc và ít bắt cháy

Trong phòng thí nghiệm và phân tích

NH3 được xem như là hỗn hợp khí chuẩn cho việc kiểm soát phát thải môitrường, kiểm soát vệ sinh môi trường,các phương pháp phân tích dạng vết

Kỹ nghệ điện tử

NH3 được sử dụng trong công nghệ sản xuất chất bán dẫn và một số vật liệu caocấp khác thông qua sự ngưng tụ silicon nitride (Si3N4) bằng phương pháp ngưng tựbốc hơi hoá học: Chemical Vapor Deposition (CVD)

Một số ứng dụng khác

NH4Cl được sử dụng trong công nghệ hàn, chế tạo thức ăn khô và trong y học…

NH3 được sử dụng trong công nghiệp dầu khí, thuốc lá, và trong công nghệ sản xuấtcác chất gây nghiện bất hợp pháp

1.2.5 Độc tính

Đối với động vật thuỷ sinh:

NH3 được xem như là một trong những “kẻ giết giết hại” chính thế giới thuỷsinh, sự nhiễm độc NH3 thường xảy ra đối với những hồ nuôi mới hoặc những hồ nuôi

- Cá bị ghẻ xước ở vây hoặc cơ thể

Đối với người:

 Triệu chứng : khi hít phải hoặc tiếp xúc trực tiếp với NH3

- Thở khó, ho, hắt hơi khi hít phải

- Cổ họng bị rát, mắt, môi và mũi bị phỏng, tầm nhìn bị hạn chế

- Mạch máu bị giảm áp nhanh chóng

- Da bị kích ứng mạnh hoặc bị phỏng

 Nhiễm độc cấp tính :

- Nồng độ khí NH3 trên 100 mg/m3 gây kích ứng đường hô hấp rõ rệt

- Trị số giới hạn cho phép làm việc với đủ phương tiện phòng hộ trong một giờ là

Triệu chứng Thời hạn tiếp xúc

50 Giới hạn nhận biết mùi Lao động được trong 8 giờ

Cấm biết xúc, hậu quả sauvài phút

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÂM XUYÊN LỖ3.1 Tính toán thông số đầu vào của tháp

 Nồng độ NH3 đầu 10 %mol

 Năng suất 1000m3/h

 Hiệu suất hấp thu là 90%

 Áp suất làm việc 1atm

Ý nghĩa các kí hiệu tính toán:

Xv - Tỷ số mol khí trong dòng lỏng vào tháp hấp thụ ( kmolNH3/kmolH2O )

Xr - Tỷ số mol khí trong dòng lỏng ra tháp hấp thụ ( kmolNH3/kmolH2O )

Yv - Tỷ số mol khí trong hỗn hợp khí thải vào tháp hấp thụ (kmol NH3/kmolkk )

Yr - Tỷ số mol khí trong hỗn hợp khí thải ra tháp hấp thụ (kmol NH3/kmolkk )

xv - Phần mol khí trong pha lỏng đi vào tháp hấp thụ (kmol NH3/kmolhh )

xr - Phần mol khí trong pha lỏng ra khỏi tháp hấp thụ (kmol NH3/kmolhh )

THÁP HẤP THU

yv - Phần mol khí trong dòng khí khi đi vào tháp hấp thụ (kmol NH3/kmolhh ).

yr - Phần mol khí trong dòng khí khi đi ra tháp hấp thụ (kmol NH3/kmolhh )

G - Suất lượng hỗn hợp khí, ( kmol/h )

L- Suất lượng khối lượng pha lỏng, ( kmol/h )

0,0111

Từ phương trình cân bằng  X Cmax=0,0351 (molNH3/molkk)

Phương trình cân bằng vất chất (45,[4])

G tr=G đ(1− y đ)=40,25 (1−0,1)=36,22 (kmol/h)

(Ví dụ 2.5/ 46,[4]¿

Nồng độ pha lỏng vào tháp: X đ=0 (vì dung môi là nước)

Lượng dung môi tối thiểu sử dụng là:

Phương trình đường làm việc:

 B = Yc (do Xđ = 0)

 Y = 3,3846X + 0,011Phương trình cân bằng vật liệu:

X (kmol NH3/kmol nước)

Độ nhớt của nước ở 200C: μ20H20O C=μ n200C=1 (N.S/m3) (bảng tra 43/trang 40)

dtb: đường kính tương đương của lỗ, mm Do đây là chất lỏng sạch nên ta lấy

x c= X c 1+ X c=

Diện tích của một lỗ trên đĩa

Giải phương trình trên ta có a=25

Số lỗ trên đường chéo: b=2 a−1=2.25−1=49¿)

ρy: khối lượng riêng của khí, kg/m3

ξ: hệ số trở lực Đối với đĩa lỗ ξ=2,1 nên chọn ξ=2,1 (công thức IX 144 /195,[2]¿

ωo: tốc độ khí qua lỗ, m/s, được tính như sau:

Trở lực thuỷ tĩnh của lớp chất lỏng trên đĩa:

ρx: khối lượng riêng của lỏng (kg/m3), ρ x=987,2(kg/m3)

ρy: khối lượng riêng của khí (kg/m3), ρ y=1,1397¿)

3.7 Tính chiều dày thân

Áp suất làm việc của tháp: (công thức(1−1¿/10,[7]¿

Chọn thân thiết bị là thân hình trụ hàn chịu được áp suất khoảng 1,6.10 6N/m2

Chọn vật liệu là thép không gỉ ta có các số liệu sau:

Dt: đường kính trong thiết bị (m), D=0,55 m

P: áp suất trong thiết bị (N/m2) = 143915,6626 (N/m2

¿

Chiều dày tối thiểu thân hình trụ được xác định theo công thức:

S = S’+ C (công thức(5−9)/95,[7]¿

C: Hệ số bổ sung do bào mòn

C = C1 + C2 + C3 (Theo công thức XIII 17 /363,[2]¿

Ta có: C1 là số bổ sung do ăn mòn xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu củamôi trường và thời gian làm việc của thiết bị, m Chọn C1 = 1mm trong thời hạn sửdụng thiết bị là 15 năm với tốc độ ăn mòn 0,1 mm/năm C2 là đại lượng bổ sung dobào mòn, chọn C2 = 0 C3 là hệ số do dung sai của chiều dày ( tra bảng XII 9/364,[2])chọn C3= 0,8 mm

 C = 1,8 mm

 S = S’+C =1,8+0,27107=2,07107(mm)Chọn chiều dày thân s = 2,5mm (theo bảng XIII.9/364, [2])

Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước), áp suất thử được tính toánnhư sau (P0) ( Công thức XIII 2/366,[2]¿

: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3, ρnước = 995,8 kg/m3

g: gia tốc trọng trường, m/s2, g = 9,81 m/s2

P0 = 45815,6626+0.2159 106=261715,6626 (N/m2)Kiểm tra ứng suất của thân thiết bị theo áp suất thử tính toán theo công thức (côngthứcXIII 26 /365,[2]¿.

Chọn S đn = Sthân = 2,5 mm, kiểm tra ứng suất thành của đáy theo áp suất thử thuỷ lựcbằng công thức (công thức XIII 49/386,[2]).

Lưu lượng nước cần cung cấp vào tháp:

Lv = 122,592(kmol nước/h) = 6,2022 10−4(m3/s)

Chọn áp suất làm việc của thiết bị là 0,1 106 N/m2

Bảng 3.10.1 Thông số bích nối thiết bị

Dn: đường kính ngoài của bích, mm

Db: khoảng cách từ tâm tháp đến tâm bulông, mm