Tính toán thiết kế máy lọc chân không thùng quay thu hồi lưu huỳnh với năng suất 2 tấn một ngày

LỜI CAM ĐOAN Bản đồ án tốt nghiệp đại học nghành Công nghệ hóa học với đề tài: “Tính toán thiết kế máy lọc chân không thùng quay thu hồi lưu huỳnh với năng suất 2 tấn/ngày ” được hoàn th

LỜI CAM ĐOAN

Bản đồ án tốt nghiệp đại học nghành Công nghệ hóa học với đề tài: “Tính toán thiết kế máy lọc chân không thùng quay thu hồi lưu huỳnh với năng suất 2 tấn/ngày ” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Hồng Thái – Bộ môn Máy

và Thiết bị công nghiệp hóa chất, dầu khí- Khoa Công nghệ hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan, đồ án tốt nghiệp không sao chép nội dung từ bất

kì một đồ án tốt nghiệp, luận văn thạc sỹ hoặc luận án tiến sỹ nào khác

Hà Nội, Ngày tháng năm 2010

Sinh viên

Trần Quang Tài

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Vũ Hồng Thái, người

đã hướng dẫn từng bước đi trên con đường nghiên cứu khoa học và sự giúp đỡ tận tình trong quá trình hoàn thành đồ án

Xin chân trọng cảm ơn tới các thầy của Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp hóa chất, dầu khí – Khoa Công nghệ hóa học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, gia đình và bạn bè đã hết sức tạo điều kiện, giúp đỡ để có thể hoàn thành đồ án

Cũng xin chân thành cảm ơn Công ty Phân đạm hóa chất Hà Bắc đã cung cấp tài liệu và tạo điều kiện tham quan thực tế trong quá trình hoàn thành đồ án

LỜI MỞ ĐẦU

Trong các ngành sản xuất hóa chất nói riêng và nghành công nghiệp nói chung các thiết bị hóa chất không thể thiếu được trong bất kì nhà máy, xí nghiệp nào Các thiết bị này có thể tham gia vào quá trình sản xuất trực tiếp ( thiết bị phản ứng, tháp tổng hợp, tháp chưng luyện….), hay các quá trình sản xuất giàn tiếp ( máy nghiền, máy khuấy…) hoặc phục vụ cho giai đoạn sản xuất, xử lý nước thải, khói thải làm sạch môi trường ( các thiết bị lắng, lọc…)

Trong quá trình sản xuất, đặt ra yêu cầu phải phân riêng hệ không đồng nhất để có thể phục vụ một trong hai mục đích :

- Thu hồi pha rắn trong hệ ( có thể là sản phẩm hoặc cấu tử quý)

- Loại pha rắn trong hệ để làm sạch dung dịch

Để giải quyết vấn đề đó, người ta thường dùng thiết bị hóa chất chủ yếu được gọi

là thiết bị lắng và các thiết bị lọc

Các thiết bị lắng như phòng lắng, đường lắng, bể lắng… thì thường có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng nhưng năng suất phân riêng kém và không phân riêng được những hệ

mà kích thước pha phân tán nhỏ Do vậy thường sử dụng để làm sạch sơ bộ

Các thiết bị lọc được phân ra làm nhiều loại: thiết bị lọc điện ( lọc dưới tác dụng của lực điện trường), thiết bị lọc nhờ vật ngăn ( tháp đệm, thiết bị lọc ép khung bản, thiết bị lọc tấm, máy lọc chân không thùng quay…), các thiết bị lọc dưới tác dụng của lực ly tâm (máy ly tâm lắng, ly tâm lọc xyclon…)

Các thiết bị dạng này tuy thiết bị phức tạp, chế tạo tốn kém, nhưng năng suất lọc lớn và có thể phân riêng được những huyền phù, nhũ tương có hạt rất nhỏ, mịn do đó được sử dụng nhiều trong công nghiệp

Trong các công đoạn lọc đó thì máy lọc chân không thùng quay thường được sử dụng ở giai đoạn trung gian vì máy lọc chân không thùng quay không thể phân riêng hệ không đồng nhất mà khối lượng riêng của các pha gần bằng nhau Do động lực của quá trình là rất thấp Do vậy máy lọc chân không thùng quay chỉ sử dụng hiệu quả với những huyền phù có khả năng phân riêng dễ dàng

Ưu điểm của máy lọc chân không thùng quay là làm việc liên tục, ổn định, dễ thao tác vận hành, tiết kiệm nhân lực nhưng nó có vài nhược điểm như cấu tạo phức tạp, tiêu hao năng lượng cho động cơ truyền động , bơm chân không và máy nén…

Tại nhà máy phân đạm và hóa chât Hà Bắc máy lọc chân không thùng quay được

sử dụng trong cương vị khử H2S thu hồi huyền phù lưu huỳnh trong dung dịch keo Tananh Loại máy này đảm bảo khả năng hoạt động liên tục của nhà máy đồng thời cho năng suất lớn

Trong toàn bộ nội dung chính của phần đồ án tốt nghiệp này trình bày trình tự thiết

kế máy lọc chân không thùng quay thu hồi lưu huỳnh năng suất 2 tấn/ngày

PHẦN 1 TỔNG QUAN

1.1 Dây truyền urê:

Với đặc điểm công nghệ sản xuất urê ở công ty phân đạm và hóa chất Hà Bắc đi

từ khí hóa than nguyên liệu rắn, quá trình khí hóa ở khâu tạo khí sử dụng nguyên liệu chính là than cục, hơi nước và không khí Theo thiết kế, công nghệ dùng than cục cỡ hạt 50 ÷ 100 mm để chế tạo khí than, sau này dùng than cỡ hạt phổ biến 25 ÷ 100 mm,

để tiết kiệm hạ giá thành sản phẩm hiện nay đã dùng cả than cục cỡ hạt 12 ÷ 25 mm Bình quân mỗi ngày chạy máy bình thường tiêu tốn hết 400 ÷ 450 tấn than cục

Quá trình khí hóa than nguyên liệu như sau : Hơi nước 0,49 Mpa nhiệt độ 250˚C được cung cấp từ nhà máy nhiệt tới, không khí được cấp từ quạt khí tới, đi qua tầng than nóng đỏ ( trong lò khí hóa ) lò tạo khí có nhiệt độ T = 1100˚C thực hiện các phản ứng, tạo thành hỗn hợp các khi CO, CO2, H2S, H2, N2, CH4 gọi là hỗn hợp khí than

ẩm Các phản ứng hóa học chủ yếu xảy ra là :

N2 là khí trơ vào hỗn hợp khí theo O2 của không khí

Mục đích của quá trình khí hóa than chỉ nhằm thu được H2 và N2 theo tỉ lệ H2:N2

= 3:1 làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp NH3 Vì thế hỗn hợp khí than ẩm cần được làm sạch ( nhờ công đoạn rửa khí than và lọc bụi bằng điện ), khí than sau khi qua lọc bụi điện được đưa tới công đoạn khử H2S thấp áp Công đoạn khử H2S theo thiết kế ban đầu sử dụng dung dịch ADA- Antraquinon Disungfuric Acid ( hiện nay đã chuyển sang dùng dung dịch keo tananh) có tính oxy hóa khử mạnh, hiệu suất khử H2S cao Khí than được qua hệ thống quạt để nâng áp suất đi vào tháp khử H2S, sau

tháp khử hàm lượng H2S giảm xuống còn < 150 mg/Nm3 được đưa vào đoạn I của máy nén khí nguyên liệu H2-N2 6 cấp

Dịch tananh sau hấp thụ được đưa đi tái sinh và đưa trở lại quá trình hấp thụ, bọt lưu huỳnh được thu lại chế thành sản phẩm phụ là lưu huỳnh rắn

Hỗn hợp khí than sau khử H2S thấp áp vào công đoạn I máy nén 6 cấp để thực hiện quá trình nén nâng áp, khí than ẩm ra đoạn III có áp suất P= 2,1 Mpa nhiệt độ ≤ 40˚C được đưa tới công đoạn biến đổi Đầu tiên được qua bộ phân ly dầu nước, sau đó qua 2 bộ lọc bằng than cốc để khử hết dầu, bụi, các tạp chất khác, rồi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt khí biến đổi, sau đó hỗn hợp với hơi nước quá nhiệt đi vào thiết bị trao đổi nhiệt khí than, ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt khí than được hỗn hợp với khí than lạnh thành hỗn hợp khí có nhiệt độ 180 ÷ 210˚C, tỉ lệ hơi nước/ khí khoảng 0,3 , đi vào đỉnh lò biến đổi số I, lần lượt qua tầng chất bảo vệ, tầng chống độc – chống ôxy hóa và tầng xúc tác biến đổi chịu lưu huỳnh Một phần khí khí CO bị chuyển hóa, nhiệt độ hỗn hợp khí đạt 350 ÷ 380˚C đi ra khỏi đáy lò biến đổi số I, đi vào thiết bị trao đổi nhiệt khí than, rồi đi vào bộ làm lạnh nhanh I bằng nước ngưng Hỗn hợp khí

có nhiệt độ 180 ÷ 210˚C đi vào đoạn trên lò biến đổi số II, tiếp tục tiến hành phản ứng chuyển hóa CO, nhiệt độ đạt 300 ÷ 320˚C rồi ra và đi vào bộ làm lạnh nhanh II bằng nước ngưng, hỗn hợp khí có nhiệt độ 180 ÷ 210˚C tiếp tục đi vào đoạn dưới của lò biến đổi số II, phần khí CO còn lại tiếp tục bị chuyển hóa Khí biến đổi có nhiệt độ ≤ 250˚C và [CO] ≤ 1,5 % ra khỏi lò biến đổi số II, đi vào thiết bị trao đổi nhiệt khí biên đổi, qua thiết bị đun sôi khí biến đổi của hệ thống tái sinh tăng áp dung dịch khử CO2

để thu hồi nhiệt một lần nữa, sau đó được đưa tới cương vị khử H2S khí biến đổi Khí biến đổi đi vào phía dưới tháp hấp thụ, qua các tầng đệm H2S được hấp thụ bởi dung dịch Tananh dội từ đỉnh tháp xuống

Khí được phân ly bọt ở bộ khử bọt trên đỉnh tháp sau đó đi ra khỏi tháp hấp thụ vào tháp phân ly, ở đây mù dịch tananh cuốn theo khí được tách ra và khí tiếp tục được đưa sang cương vị khử CO2 bằng dung dịch kiềm nóng

Khí biến đổi sau khử lưu huỳnh qua thiết bị trao đổi nhiệt, được gia nhiệt bởi khí

đi từ công đoạn khí biến đổi đến, nhiệt độ tăng từ 40˚C lên 90˚C và đi vào phía dưới

tháp hấp thụ, khí sau khi khử CO2 ra đỉnh tháp hấp thụ, qua thiết bị làm lạnh bằng nước, thiết bị phân ly rồi đi về đoạn IV máy nén khí nguyên liệu 6 cấp

Khí tinh chế đi vào đoạn IV máy nén khí nguyên liệu được nén lên áp suất 12,5 Mpa đưa sang cương vị tinh chế vi lượng bằng dung dịch amoniac acetat đồng và dung dịch kiềm Quá trình tổng hợp NH3 đòi hỏi hàm lượng chất gây ngộ độc xúc tác như CO, CO2, H2S và O2 là nhỏ nhất Công đoạn rửa đồng và rửa kiềm nhằm khử tối

đa các chất đó Ra khỏi công đoạn này khí tinh chế con lượng rất nhỏ H2S và (CO + CO2) < 20 PPM được gọi là khí tinh luyện

Khí tinh luyện với thành phần chủ yếu N2 và H2 theo tỉ lệ H2: N2 = 3:1 vào đoạn

4 máy nén để tăng áp cho quá trình tổng hợp NH3 Khí tinh luyện ra đoạn IV máy nén

có P= 31,5 Mpa được đưa qua bị phân ly dầu nước, sau đó vào thiết bi 3 kết hợp, tại đây nó được kết hợp với khí tuần hoàn, được làm lạnh bằng khí lạnh và bằng NH3, giảm nhiệt độ xuống -2˚C, các cấu tử lỏng như dầu, nước, NH3 bị ngưng tụ và phân

ly, khí đi ra khỏi thiết bị 3 kết hợp được dẫn vào tháp tổng hợp NH3 lần 1, vừa để làm lạnh thành tháp đồng thời cũng nhận nhiệt của phản ứng tổng hợp, ra khỏi tháp lần 1 trao đổi nhiệt với khí ra tháp lần 2, nâng nhiệt độ lên = 180˚C, rồi vào tháp tổng hợp lần 2, cùng với sự có mặt của xúc tác sắt (Fe) để tiến hành phản ứng tổng hợp Phản ứng tổng quát của quá trình có thể biểu diễn như sau:

N2 + 3H2 = 2NH3 + Q

NH3 hình thành ở trạng thái khí, ra khỏi tháp được làm lạnh gián tiếp bằng nước

và ngưng tụ thành NH3 lỏng qua phân ly 1 để tách NH3 ngưng tụ ra khỏi hỗn hợp khí, sau đó hỗn hợp khí này được qua máy nén tuần hoàn turbine nâng áp suất lên để bù phần áp suất bị giảm do tổng hợp NH3 là phản ứng giảm thể tích và lượng khí bị ngưng tụ sau bộ làm lạnh bằng nước Ra máy nén tuần hoàn hỗn hợp khí đi vào thiết

bị 3 kết hợp, trộn lẫn với nguồn khí mới từ máy nén khí nguyên liệu tới, tiếp tục từ trên xuống thực hiện quá trình làm lạnh, ngưng tụ và phân ly, phần khí không ngưng còn lại tiếp tục quay trở lại tháp tổng hợp thực hiện chu trình tuần hoàn liên tục NH3 lỏng có nồng độ 99,8 % được phân tách khỏi hệ thống bằng các thiết bị phân ly, được

giảm áp xuống 2,4 Mpa, qua thùng chứa trung gian được đưa ra kho chứa NH3 lỏng ( Kho cầu) là sản phẩm cuối cùng của quá trình tổng hợp NH3

Từ kho cầu NH3 lỏng được cấp đến hệ thống bơm NH3 cao áp, nâng áp suất lên 20 Mpa, được đưa vào tháp tổng hợp urê

Khí CO2 được nhả ra từ tháp tái sinh CO2 khu vực tinh chế khí, xưởng tổng hợp NH3 được đưa đến công đoạn nén khí CO2 5 cấp- 836, khí CO2 ra đoạn 3 có áp suất 3,3 Mpa, được đưa qua hệ thống khử H2S trong khí CO2, qua tháp khử hàm lượng H2S giảm xuống còn < 5 PPM, được đưa trở lại đoạn 4 máy nén CO2, tiếp tục được nâng

áp suất lên 20 Mpa, được đưa đến tháp tổng hợp urê Tại tháp tổng hợp, với nhiệt độ 190˚C và áp suất 20 Mpa, phản ứng tổng hợp urê xảy ra, tiến hành theo 2 giai đoạn rất nhanh :

4NH3 + 2CO2 + H2O = 2NH4COONH2 + 38000 Kcal/Kmol

Sau đó dung dịch cacbamat tách nước tạo thành urê:

NH4COONH2 = (NH2)2CO + H2O + 6800 Kcal/Kmol

Rút gọn 2 phương trình trên ta có phản ứng tổng hợp:

2NH3 + CO2 = (NH2)2C0 + H20 + Q

Hiệu suất của phản ứng đạt 65 ÷ 68 %

Quá trình tổng hợp urê mang tính tuần hoàn toàn bộ: toàn bộ NH3 và CO2 dư được đưa trở lại đầu hệ thống Dịch phản ứng ( cacbamat amôn) có nồng độ thấp (30%) qua công đoạn phân giải và cô đặc để tách NH3 chưa phản ứng đưa trở lại tháp tổng hợp, đồng thời nồng độ urê cũng tăng lên (99,8%) và được đưa vào tháp tạo hạt Quạt gió (N = 108000 m3/h) đặt trên đỉnh tháp hút gió làm nguội hạt urê trông quá trình rơi Hạt urê rơi xuống phễu ở đáy tháp qua hệ thống băng tải được tiếp tục làm nguội rồi đến công đoạn đóng bao urê qui cách 50 kg/bao, rồi chuyển vào kho chứa sản phẩm

Hình 1.1: Sơ đồ khối lưu trình công nghệ sản xuất urê

1.2 Quá trình khử H 2 S thu hồi S:

1.2.1.Lý thuyết chung về khử lưu huỳnh trong khí nguyên liệu:

Trong khí nguyên liệu dùng để tổng hợp NH3 có chứa một lượng khá lớn các hợp chất của lưu huỳnh Phần lớn là các hợp chất sunfua vô cơ như: H2S, ngoài ra còn chứa các sunfua hữu cơ như: COS, RSH, C4H4S Hợp chất sunfua trong khí nguyên liệu có tác hại lớn, nó gây ăn mòn thiết bị, đường ống trong dây chuyền sản xuất, ngoài ra nó còn làm ngộ độc xúc tác tổng hợp NH3 và làm biến đổi xúc tác chuyển hoá CO Do đó cần phải loại bỏ các hợp chất sunfua ra khỏi khí nguyên liệu Ngoài ra đối với nhiều ngành công nghiệp hoá khác lại cần có lưu huỳnh, vì vậy cần phải thu hồi lại lưu huỳnh

để tăng sản phẩm phụ, giảm giá thành sản phẩm chính Urê Có nhiều phương pháp khử H2S, Công ty trước đây sử dụng dung dịch ADA (Antraquinon Disunfuric Acid) để hấp

thụ H2S, nhưng hiện nay đã nghiên cứu và ứng dụng thành công một loại dung dịch có chứa chiết xuất keo Tananh (NaVO3 và Na2CO3 ) để hấp thụ H2S

Dung dịch keo Tananh ( hay còn gọi là dung dịch thuộc da ) được chiết xuất từ thực vật có nhiều Tananh từ cây hoặc củ như : cây chay, si, củ nâu… đem nghiền nhỏ, ngâm nước, lọc Là hợp chất hữu cơ chứa nhiều gốc OH - Na2CO3 là hợp chất chủ yếu hay còn gọi là chất xúc tác trong quá trình hấp thụ H2S, Na2VO3 là chất ức chế chống tạo kết tủa V-O-S, là chất ức chế chống mòn

Dung dịch này có ưu điểm nổi bật so với dung dịch ADA:

- Hiệu suất khử 98% trở lên

Dung dịch sôđa hấp thụ H2S tạo thành hợp chất hydro sulfua

H2S + Na2CO3 = NaHS + NaHCO3

Trong pha lỏng hợp chất hydrosulfide kết hợp với vanadat natri NaVO3 tạo thành muối piro-vanadat mang tính khử đồng thời lưu huỳnh nguyên tố được tách ra

2NaHS + 4NaVO3 + H2O = 2S + Na2V4O9 +4 NaOH

Vanadi ở dạng V+4 (V4O9-2) mang tính khử kết hợp với tananh ở trạng thái ôxy hóa tạo thành tananh ở trạng thái khử, còn V+4 chuyển thành V+5 mang tính ôxy hóa

Na2V4O9 + Tananh(oxyh) + 2NaOH = 4NaVO3 + 2Tananh(khử)

Trong tháp tái sinh Tananh dạng khử bị O2 của không khí ôxy hóa tạo thành tananh dạng ôxy hóa

Tananh(khử) + O2 = Tananh(oxyh) + H2O

Lượng Na2CO3 tiêu hao được bù đắp lại bằng lượng NaOH tạo thành

NaOH + NaHCO3 = Na2CO3 + H2O

Trong dung dịch, tốc độ NaSH bị Tananh ôxy hóa diễn ra rất chậm, nhưng bị NaVO3 oxy hóa rất nhanh Vì vậy khi cho thêm NaVO3 vào dung dịch thì tốc độ phản

ứng diễn ra rất nhanh, Na2V4O9 sinh ra không thể bị oxy của không khí ôxy hóa trực tiếp Nhưng nó có thể bị Tananh ở dạng ôxy hóa ôxy ngay, còn Tananh ở dạng khử thì

có thể bị ôxy của không khí ôxy hóa tái sinh Cho nên quá trình hấp thụ loại bỏ lưu huỳnh Na2CO3 đóng vai trò là chất hấp thụ còn Tananh đóng vai trò là chất mang ôxy Khi trong thể khí chứa nhiều O2, CO2, HCN… còn có thể xảy ra phản ứng không mong muốn sau:

2NaHS + 2O2 = Na2S2O3 + H2O

Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3

Na2CO3 + 2HCN = 2NaHCN + CO2 + H2O

NaCN + S = NaCNS

2NaCNS + O2 = Na2SO4 + CO2 + SO2 + N2

Các phản ứng trên làm tiêu hao cấu tử có lợi cho quá trình hấp thụ Na2CO3 , làm giảm khả năng hấp thụ H2S của dung dịch, vì vậy trong sản xuất cần phải cố gắng hạ thấp nồng độ O2 và HCN trong khí nguyên liệu

1.2.2.Lưu trình cương vị khử H 2 S thấp áp:

* Lưu trình khí:

Khí than ẩm từ lọc bụi điện tới qua quạt khí than đi vào phần đáy tháp hấp thụ, đi lên qua các tầng đệm và tiếp xúc với dịch Tananh dội từ đỉnh tháp xuống, khí than sau khi khử H2S được đi qua bộ tách bọt trên đỉnh tháp và ra khỏi tháp hấp thụ, đi qua thiết

bị phân ly để tiếp tục tách mù dung dịch Tananh bị cuốn theo trước khi đưa qua đoạn I máy nén 667

* Lưu trình dịch:

Dung dịch sau khi hấp thụ H2S ở tháp hấp thụ gọi là dung dịch giàu đi ra từ đáy của 2 tháp hấp thụ, qua thủy phong đáy tháp (điều tiết dịch diện) đi đến thùng chứa, qua bơm để tăng áp rồi qua các bộ tuy-e phun vào tháp tái sinh nhờ áp suất của dung dịch các bộ tuy-e tự hút không khí ngoài trời vào và tạo thành hỗn hợp khí dịch, nhờ có O2 trong không khí, dung dịch được tái sinh, lưu trình tạo thành theo bọt nổi lên trên, chảy tràn về thùng bọt trung gian và được không khí nén đến cương vị thu hồi Dung

dịch sau khi tái sinh gọi là dung dịch nghèo, qua bộ điều tiết dịch diện chảy về thùng chứa, qua bơm dung dịch nghèo và được tăng áp và dội vào đỉnh hai tháp hấp thụ

1.3 Cở sở lý thuyết quá trình phân riêng hệ lỏng không đồng nhất nhờ vật ngăn:

1.3.1 Cơ sở lý thuyết:

Phương pháp phân riêng hệ không đồng nhất nhờ vật ngăn gọi là lọc Đối với hệ lỏng không đồng nhất thì quá trình lọc chỉ áp dụng đối với huyền phù chứ không áp dụng được cho nhũ tương Ở đây lọc là quá trình cho huyền phù đi qua lớp vách ngăn xốp, các hạt rắn được giữ lại trên bề mặt vách ngăn tạo thành lớp bã ẩm, dịch lọc ( nước trong, dịch có giá trị sử dụng ) đi qua vách ngăn Cả vật ngăn xốp và cả lớp bã trong máy lọc đều gây ra trở lực cản chất lỏng chảy qua, muốn khắc phục hiện tượng

đó cần phải hoặc là tạo ra áp lực ở phía trước vật ngăn hoặc tạo ra chân không phía sau vật ngăn

Người ta chia ra làm các hình thức lọc như sau:

+ Phía huyền phù có tạo thành lớp bã dày ( lọc công nghiệp)

+ Làm đặc huyền phù, tức là tạo thành huyền phù có hàm lượng cao bằng cách tách một phần pha lỏng ra

+ Lọc làm trong dung dịch ra khỏi cặn bẩn hay là thu hồi pha rắn hữu ích từ nước thải

Phương pháp lọc có tạo thành bã được phổ biến nhất trong kỹ thuật Theo nguyên

lý làm việc thì các thiết bị lọc hiện nay được chia làm hai nhóm chính để phân riêng hệ lỏng không đồng nhất: những máy lọc làm việc gián đoạn và những máy lọc làm việc liên tục Máy và thiết bị làm việc gián đoạn: máy lọc ép khung – bản, máy lọc ép kiểu ngăn Các máy và thiết bị làm việc liên tục: máy lọc chân không thùng quay, máy lọc chân không kiểu đĩa, máy lọc chân không kiểu băng vv

Phân riêng hệ không đồng nhất theo phương pháp này được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp: công nghiệp hóa chất, thực phẩm, luyện kim, khai khoáng, và một

số ngành công nghiệp khác

Ưu điểm của phương pháp này là:

+ Khả năng làm sạch cao so với một số thiết bị làm sạch kiểu khác

+ Làm sạch ở áp suất thường, áp suất chân không hay áp suất dư

+ Làm sạch được ở trong môi trường có nhiệt độ cao và có tính ăn mòn hóa học + Có khả năng tự động hóa hoàn toàn quá trình làm sạch

+ Quá trình làm việc ổn định, ít phụ thuộc vào sự thay đổi thuộc tính của các pha ( như trong thiết bị lọc điện )

Để tiến hành lọc một hệ khí hay lỏng không đồng nhất bất kỳ có thể dùng rất nhiều loại vách ngăn khác nhau Nó có thể ở dạng hạt như: cát, đá, sỏi, than; dạng sợi như sợi bông, sợi đay, sợi tơ nhân tạo v.v…; ở dạng tấm lưới, như lưới kim loại; ở dạng vật xốp như; sứ xốp, cao su xốp v.v…

- Yêu cầu đối với vách ngăn:

+ Chỉ cho một lượng rất ít các hạt rắn rất nhỏ chui qua vách ngăn;

+ Vách ngăn khó bị làm bẩn, dễ tái sinh;

+ Có tính bền hóa học;

+ Bền về nhiệt độ;

+ Bền cơ học;

+ Khó cháy nổ

Vì vậy viêc lựa chọn vách ngăn lọc đòi hỏi phải khéo léo vừa đảm bảo được các yêu cầu trên, vừa đảm bảo tính kinh tế

1.3.3 Động lực của quá trình lọc:

Trong suốt quá trình lọc muốn cho nước trong luôn đi qua được lớp vật ngăn thì cần tạo cho nó một động lực sao cho thắng được trở lực của lớp bã và vách ngăn Nghĩa là phải tạo được độ chênh lệch áp suất giữa hai phía của vật ngăn Hiệu số áp suất đó được gọi là động lực của quá trình lọc Động lực này thường được tạo ra bởi: + Trọng lượng cột chất lỏng ở trên bề mặt vật ngăn ( áp suất thủy tĩnh ),

Xuất phát từ định nghĩa vận tốc lọc: Vận tốc lọc là lượng nước lọc đi qua một đơn

vị diện tích bề mặt lọc trong một đơn vị thời gian, được biểu diễn như sau:



d.FdV

W [m3/m2.s]

Để xây dựng công thức tính vận tốc lọc người ta coi nước lọc đi qua các ống mao quản của vách ngăn và bã có chế độ chảy dòng Khi đó, lượng nước lọc đi qua vật ngăn được biểu diễn theo phương trình sau:

l8

P F.n.V4

+ r: bán kính lỗ mao quản (m)

+ n: Số lỗ mao quản trong 1m2 bề mặt lọc (1/m2)

+ F: Diện tích bề mặt lọc (m2)

+ ΔP: Hiệu số áp suất hai phía vật ngăn ΔP=ΔP1+ΔP2 (N/m2)

ΔP1: Hiệu số áp suất 2 phía của vách ngăn

ΔP2: Hiệu số áp suất 2 phía của bã

+ l : Chiều dài ống mao quản trong vật ngăn (m)

l= α1.h1+α2.h2

+ h1 và h2: Chiều dài ống mao quản trong vách ngăn lọc và bã

+ α1 và α2: Hệ số kể đến mức độ ngoằn nghèo của ống mao quản trong vách ngăn lọc và bã

+ μ: Độ nhớt nước lọc, (N.s/m2)

Như vậy theo định nghĩa ta có vận tốc lọc là:

l.8

P.n.r.d.F

dVW

4

h 8

P n r d F

dV W

Vận tốc lọc tỷ lệ nghịch với độ nhớt của pha lỏng Do đó trong thực tế để tăng vận tốc lọc người ta tim cách giảm độ nhớt của pha lỏng mà biện pháp tốt nhất là gia nhiệt

nó đến nhiệt độ thích hợp rồi mới tiến hành quá trình lọc

Vận tốc lọc tỷ lệ nghịch với trở lực của bã, khi tăng động lực lọc thì trở lực trở lực của bã cũng tăng lên

Vận tốc lọc tỷ lệ nghịch với chiếu dày lớp bã: theo chiều tăng của thời gian lọc thì chiều dày lớp bã càng tăng còn vận tốc giảm, do đó phải định kỳ lấy bớt bã ra hay lấy liên tục

Ngoài ra, trở lực của vách ngăn cũng ảnh hưởng đến vận tốc lọc do đó phải chọn loại vách ngăn phù hợp với từng loại huyền phù

dV

=

)hh(

F.P

tđ 2

+ h2 : chiều dài ống mao quản trong lớp bã;

+ htđ : chiều dày tương đương của lớp bã có trở lực bằng trở lực vách ngăn



 d

dV

=

)VV(C.r

F.P

o b

F.P

Trong thực tế, các quá trình lọc thường xảy ra theo hai trường hợp chủ yếu: hoặc là động lực quá trình lọc không đổi còn vận tốc lọc thì giảm dần, hoặc là vận tốc lọc không đổi còn động lực lọc tăng dần Vậy ta cũng thiết lập phương trình lọc để tính thời gian lọc  và năng suất lọc V ứng với hai trường hợp trên

Lọc với động lực qúa trình không đổi: ΔP = const;

b1 =

P 2

C r b

+ Lọc với vận tốc lọc không đổi: W = const

bV1 =

V

b

P2

C.r





, [ phút/m2 ];

Với ΔPV là hiệu số áp suất tức thời tại lưu lượng nước V nào đó

Công thức tính thời gian lọc là:

 = 2bV1 ( V2 + VVo ), [ s ];

Công thức tính lượng nước lọc là:

V = [ ( 0,5Vov )2 +

1 V

b2

 ] - 0,5Vov , [ m3/m2 ];

1.4 Ưu nhược điểm các máy lọc chân không làm việc liên tục:

1.4.1 Máy lọc chân không thùng quay:

* Loại bề mặt lọc bên ngoài:

Là loại máy lọc liên tục phổ biến nhất, được sử dung nhiều trong công nghiệp hóa chất, công nghiệp giấy, luyện kim và trong tuyển khoáng

- Ưu điểm của loại máy này là:

+ Dùng được cho tất cả các loại huyền phù;

+ Có thể dùng trong môi trường hoạt động hóa học;

+ Dễ sử dụng, vận hành đơn giản, tiết kiệm được nhân lực coi máy;

* Loại bề mặt lọc bên trong

Loại này ít được sử dụng trong thực tế, nó chỉ thích hợp với các huyền phù có kích thước hạt rắn không đều nhau, tốc độ lắng của các hạt lớn Không dùng được khi: sự tạo thành lớp bã chậm, vận tốc lắng của các hạt nhỏ, yêu cầu có quá trình rửa bã, và môi trường ăn mòn

Nhược điểm:

+ Cấu tạo phức tạp cồng kềnh, tốn kim loại;

+ Diện tích bề mặt lọc nhỏ do đó năng xuất thấp, không rửa bã được

1.4.2 Máy lọc chân không kiểu đĩa:

Là loại máy lọc làm việc liên tục được sử dụng nhiều trong công nghiệp hóa chất, luyện kim và khai thác mỏ

Máy lọc chân không kiểu đĩa làm việc thích hợp với những huyền phù có các hạt rắn đồng nhất và có tốc độ lắng chậm, bã tạo thành không bị nứt và không yêu cầu rửa

bã

- Ưu điểm của máy lọc đĩa:

+ Bề mặt lọc trên một đơn vị sản xuất nhỏ;

+ Năng lượng tiêu hao ít;

+ Thay thế vải lọc đơn giản hơn loại thùng quay;

+ Cấu tạo gọn gàng, giá thành rẻ

- Nhược điểm :

+ Phạm vi sử dụng không phổ biến bằng loại thùng quay;

+ Không được dùng đối với huyền phù có yêu cầu rửa bã

1.4.3 Máy lọc chân không kiểu băng:

Loại này dùng để lọc các huyền phù dạng keo, hạt mịn, huyền phù đặc

- Ưu điểm của máy:

+ Cấu tạo đơn giản hơn loại chân không thùng quay và loại đĩa;

+ Dễ tái sinh vải lọc mà không làm ảnh hưởng đến chu trình làm việc của máy; + Quá trình lọc nhanh do hướng chuyển động của nước lọc trùng với hướng lắng của hạt

- Nhược điểm:

+ Bề mặt lọc nhỏ do không sử dụng hết vải lọc;

+ Diện tích đặt máy lớn;

+ Băng dễ bị mòn và không được với môi trường ăn mòn cao su;

+ Đòi hỏi cung cấp huyền phù thật đều

Vì vậy quá trình lọc bã thu hồi lưu huỳnh sử dụng máy lọc chân không thùng quay

là phù hợp

1.5 Giới thiệu máy lọc chân không thùng quay

Máy lọc chân không thùng quay được ra đời rất sớm và hiện đang được sử dụng rất phổ biến trong các nhà máy Loại máy này được sử dụng khi yêu cầu có năng suất lớn nhưng nó có nhược điểm là thiết bị cồng kềnh, cấu trúc phức tạp

Là loại máy làm việc liên tục, nó được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hoá chất, thực phẩm, gốm sứ, luyện kim,

Máy lọc chân không thùng quay gồm 2 loại: Loại có bề mặt lọc bên ngoài và loại

có bề mặt lọc bên trong

Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp này chỉ đề cập đến loại máy có bề mặt lọc bên ngoài, gồm có các bộ phận:

1-Thùng rỗng,bên trong chia thành các hốc hướng tâm

2- Bể chứa huyền phù, trong bể có khuấy trộn bằng cánh khuấy để ngăn cho huyền phù không lắng cặn lại

3-Nắp phân phối (hay còn gọi là đầu phân phối)

4-Cơ cấu tháo bã và bộ phận miết các khe nứt trong bã

5- Lưới kim loại và vải lọc phủ xung quanh thùng

6-Bộ phận phun nước rửa bã

7- Hệ thống truyền động,

8- Các cổ trục của thùng nằm trong 2 ổ đỡ, một đầu cổ trục nối với bộ phận truyền động, một đầu còn lại kề sát với nắp phân phối, Thùng quay chậm với tốc độ 0,1 tới 2,6 vòng/phút

Huyền phù liên tục chảy vào bể và để giữ cho mức huyền phù không đổi, trên bể

có ống chảy về Thường 1/3 chiều cao thùng ngập vào trong bể chứa huyền phù

* Nguyên lý hoạt động:

Thùng quay một nhúng vào bể chứa huyền phù, trong bể có cánh khuấy để giữ không cho huyền phù phân lớp Thùng quay có đục lỗ, trên bề mặt thùng được phủ lưới kim loại và vải lọc Bên trong thùng rỗng được hút chân không Nước lọc chui qua lớp vải lọc, lưới kim loại , qua các lỗ của thùng rồi vào các ngăn hướng kính, rồi vào các rãnh của trục rỗng, qua đầu phân phối rồi vào thùng chứa Tuỳ theo tính chất huyền phù và yêu cầu của quá trình lọc mà độ nhúng chìm của thùng vào khoảng 0,3m đến 2m (tương ứng với góc ở tâm 120˚ đến 140˚) Bã bám vào mặt ngoài của vải lọc và được tách ra nhờ dao cạo bã

Bộ phận phức tạp nhất của máy lọc này là đầu phân phối Đầu phân phối dùng để nối liền thùng quay với các đường ống hút chân không và không khí nén Nó gồm một đĩa cố định và môt đĩa di động Các lỗ trên đĩa di động ăn thông với một ngăn của

thùng quay, còn các lỗ trên đĩa cố định nối với các đường ống dẫn nước lọc, nước rửa

và không khí nén Khi thùng quay (đĩa di động quay), mỗi một lỗ của đĩa di dộng lần lượt thông với các đĩa của đĩa cố định.Do đó cứ một vòng quay thì một ngăn của thùng đều được thực hiện tất cả các giai đoạn của quá trình lọc là : lọc, sấy khô lần 1, sấy khô lần 2, cạo bã và hoàn nguyên vải lọc

Khu vực lọc, tất cả các ngăn của khu vực này đều được hút chân không, nhờ vậy nước lọc đi qua lớp vải, qua các lỗ của thùng rồi vào các ngăn của thùng, đi lên trục rỗng, qua đầu phân phối và đi đến thùng chứa, bã bám trên bề mặt ngoài của vải lọc Khu vực sấy bã lần 1, tiếp tục hút chân không để tách nốt phần nước lọc còn nằm trong bã, bã vẫn bám chặt trên bề mặt vải lọc

Khu vực rửa bã, ở khu vực này vẫn tiếp tục hút chân không bên trong thùng , nước rửa được tưới lên bề mặt bã nhờ vòi phun, chui qua lớp bã và lớp vải lọc rồi vào các ngăn, lên trục rỗng qua đầu phân phối rồi đi ra ngoài bằng một đường khác với đường dẫn nước lọc

Khu vực sấy bã lần 2, tiếp tục hút chân không để tách phần nước rửa còn lại trong

Với máy lọc lớn thì số đầu phân phối là 2, với máy lọc nhỏ thì chỉ cần 1 đầu phân phối là đủ

Trên đây là phần trình bày về cấu tạo chung của máy lọc chân không thùng quay một cách đầy đủ, nhưng trên thực tế do đặc điềm yêu cầu của việc lọc khác nhau tuỳ từng trường hợp mà người ta có thể bỏ bớt các giai đoạn không cần thiết nhằm rút ngắn quá trình lọc, giảm tiêu tốn năng lượng và các thiết bị phụ trợ

Trong nhiệm vụ thiết kế của đồ án tốt nghiệp là thiết kế máy lọc chân không thùng

quay để lọc huyền phù Lưu huỳnh - Tananh ở Công ty phân đạm & Hoá chất Hà bắc, lọc chân không thùng quay nằm trong công đoạn tái chế lưu huỳnh nhằm tách lưu huỳnh ra khỏi dịch Tananh sau thiết bị phân ly Thu hồi lưu huỳnh như một sản phẩm phụ cho các công đoạn khác và để bán cho các đơn vị có nhu cầu (sản xuất diêm, axít, lưu hóa cao su đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải lưu huỳnh Với đặc thù của lớp bã S rất xốp và có độ bám dính khá cao nên không có quá trình rửa bã bởi vì làm pha loãng dung dịch tananh thu hồi, ngoài ra việc rửa bã cũng làm tiêu tốn năng lượng và các thiết bị phụ trợ

Từ những phân tích trên cho thấy toàn bộ chu trình thực tế của máy lọc dùng để lọc huyền phù S - Tananh chỉ có 3 giai đoạn chính: Lọc, sấy khô và tái sinh vải lọc (Không

có giai đoạn rửa bã) do đó máy lọc này sẽ đơn giản hơn so với máy lọc được miêu tả ở trên

1.6 Giới thiệu lưu trình công thu hồi lưu huỳnh:

Hỗn hợp keo Tananh – bọt lưu huỳnh sau khi qua hệ khử lưu huỳnh thấp áp và trung áp được nén định kì vào thùng bọt lưu huỳnh Tại thùng bọt lưu huỳnh hỗn hợp được gia nhiệt bằng hơi nước bão hòa lên nhiệt độ khoảng 80˚C Quá trình gia nhiệt có tác dụng làm tăng kích thước hạt lưu huỳnh Trong thùng có hệ thống cánh khuấy tránh hiện tượng đóng tảng Sau thùng bọt lưu huỳnh dung dịch được bơm vào hệ thống máy lọc chân không thùng quay bề mặt lọc bên ngoài Trong quá trình lọc bã lưu huỳnh bám bên ngoài bề mặt vải lọc, dung dịch đi qua vào bên trong trục rỗng Bã lưu huỳnh được dao cạo bã cạo xuống phễu cao, sau đó được đưa vào thùng nấu chảy lưu huỳnh Thùng nấu chảy là một hệ thống vỏ kép gia nhiệt gián tiếp bằng hơi quá nhiệt Lưu huỳnh sau khi nấu được đưa xuống khuôn đúc tạo thành lưu huỳnh sản phẩm, hàm lượng lưu huỳnh S ≥ 98,5 % Dung dịch trong thùng rỗng máy lọc chân không được được hút qua đầu phân phối đưa vào thùng lọc dung dịch chân không Tại đây xảy ra quá trình phân ly giữa dịch Tananh và không khí Khí thoát ra cuốn theo một lượng nhỏ dung dịch được cho qua bộ khử bọt chân không Tại đây các hạt lỏng cuốn theo

được tách bỏ và hồi lưu về thùng lọc dung dịch chân không Dung dịch cuối cùng được

chảy xuống thùng ngầm và được bơm lại vào hệ thống

PHẦN 2 TÍNH CÔNG NGHỆ MÁY LỌC CHÂN KHÔNG

+ C2 – Hàm lượng pha rắn trong bã ẩm, C2 = 0,8 (kg/kg)

+ h2 - Bề dày lớp bã ẩm, chọn h2 = 0,006 m

+ rb , trở lực riêng bã ẩm và vải lọc,

rb = 0,56.1011 (m/kg), =1,06.1010 (1/m)

+ G - Năng suất lọc tính theo lượng huyền phù cho vào, kg/ph

Năng suất lọc tính theo lượng bã khô

2.1 Thời gian của một chu trình (ctr):

2

1 h uv U

h b

 Trong đó:



21



+ l: độ nhớt của nước lọc (Nph/m2)

C C

1 06 , 0 1

1200





C = 77,8 (kg/m3)

+P: động lực lọc (N/m2) , P P kq P

 P = 9,81.104 – 9,81.104 450/760= 4.104 (N/m2)

10.4.2

8,77.10.56,0.10.3,1

4

11 4

1 1

2 2 2

8,02000

12001

8,01

3 11

10 0

8,77.10.56,0

10.06,

006,0

'

2 h uv U

h b

 Trong đó:

P

C r b



 2

0 ' 2







+0: hệ số kinh nghiệm cho biết lượng nước rửa cần thiết cho 1kg bã

Ta chọn 0= 0,007 (m3/kg)

+ b: khối lượng riêng bã ẩm (kg/m3)

Theo CT 22.32 [4 – tr125]:

8 , 0

'

10.4.2

8,77.10.56,0.10.67,1.1765.007,

006,0.10.2,11







0360





l

l ctr







0360

 + ctr: thời gian của một chu trình (ph)

+ Chọn  l= 120o

120

360.3,30

2.2 Tính các góc làm việc:

- Góc rửa φr:

0 0

4510

360.3,3360

- Diện tích bề mặt lọc của thùng (F):

DL V

+ Vs : năng suất của máy lọc tính theo thể tích huyền phù

l

s

M V



 (m3/ph) + G : năng suất huyền phù tính theo khối lượng (kg/ph)

G = 23 (kg/ph)

+  l: khối lượng riêng của huyền phù (kg/m3)

10.9,11200

+τctr : thời gian một chu trình, τctr = 10 (ph)

+ V : lượng nước lọc ứng với một đơn vị diện tích bề mặt lọc

2

2 2,64.10227

,0

006,

10.10.9,1





 D

11

ph v n

+ n : số vòng quay của thùng lọc trong một phút (v/ph)

+ ctr: thời gian của một chu trình (ph)

2.3.4 Thể tích hữu ích của bể chứa:

19,010.10.9,1

 hp ctr 

+ ctr: thời gian của một chu trình (ph)

+ Qhp : thể tích huyền phù cho vào (m3/ph),

Qhp = Vs = 1,9.10-2 (m3/ph)

Ta chọn bể chứa có : + chiều dài thùng chứa L = 2,55 (m)

+ bán kính thùng chứa R = 1,5 (m)

PHẦN 3 TÍNH CƠ KHÍ MÁY LỌC CHÂN KHÔNG

THÙNG QUAY

3.1 Tính công suất truyền động máy lọc chân không thùng quay

- Công suất truyền động của máy lọc chân không thùng quay làm việc dùng để

khắc phục các mômen trở lực sau đây:

3.1.1 Mômen trở lực do lớp bã không cân bằng gây ra khi thùng quay M 1:

Thường bã phủ 3/4 bề mặt lọc của thùng vì thế sự mất cân bằng do thiếu 1/4 bề

3.1.3 Mômen trở lực do thùng quay ma sát với huyền phù M 3 :

- Theo số liệu thực nghiệm có thể tính như sau : CT7 [2 – tr138]:

M2 = 0,02.M2 = 0,02.105 = 2,1 [N.m]

3.1.4 Mômen trở lực do ma sát của đầu trục máy lọc với nắp phân phối M 4:

Theo CT8 [2 – tr139]:

M4 = Z.f2.P0.F ρ’m [N/m2] Trong đó:

+ Z: số nắp phân phối của máy lọc Z = 1

+ f2 :hệ số ma sát của đầu trục máy lọc với nắp phân phối , f2 = 0,12

+ P0: áp lực riêng giữa bề mặt tiếp xúc của nắp phân phối với đầu trục máy lọc; P0 = 362800 [N/m2]

+ F : bề mặt ma sát, [m2]

+ ρ’m : bán kính ma sát Theo [2 – tr139]:

ρ′ = 0,33 −

− = 0,33.

0,5 − 0,440,5 − 0,44 = 0,23 ( )

+ Mt : khối lượng thùng quay

+ Mtt: khối lượng bộ phận thân thùng

+ Mtđ: khối lượng bộ phận truyền động tang quay

+ Mtq: khối lượng bộ phận tang quay

+ Mđpp: khối lượng đầu phân phối