đồ án tốt nghiệp thiết kế tháp mâm chóp xử lý NH3

Chất này được tạo do hai khí HC1 và NH3 hoá hợp với nhau theo phương trìnhphản ứng: Trong thí nghiệm hỗn họp NH3 và 02 được dẫn đi qua ống đụng chất xúc tác Pt nung nóng.. ♦♦♦ Tông hợp h

1.1.2 Tính chất vật lí

Amôniăc là một chất không màu, mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí (Khối lượng riêng D =0,76g/l Amôniăc hoá lỏng ở -34°c và hoá rắn ở -78°c Trong số các khí, amôniăc tan được nhiều nhấttrong nước Một lít nước ở 20°c hoà tan được 800 lít NH3 Hiện tượng tan được nhiều giải thích do cótương tác giữa NH3 và H20, là nhừng chất đều có phân tử phân cực

Sự phân huỷ như đã biết, phản ứng tống hợp NH3 là thuận nghịch Điều này có nghĩa, amôniăc cóthể phân huỷ sinh ra các đơn chất N2 và H2 Amôniăc phân huỷ ỏ nhiệt độ 600 - 700°c và áp suất thường.Phản ứng phân huỷ là phản ứng thu nhiệt và cũng thuận nghịch

2NH3 ^ 3H2 + N2

Nhúng hai đũa thuỷ tinh vào hai bình đựng dung dịch HC1 đặc và dung dịch NH3 đặc sau đó đưahai đầu đũa thủy tinh lại gần nhau thì sẽ thấy khói màu trắng Khói màu trắng là những hạt nhỏ của tinhthế muối amoni clorua Chất này được tạo do hai khí HC1 và NH3 hoá hợp với nhau theo phương trìnhphản ứng:

Trong thí nghiệm hỗn họp NH3 và 02 được dẫn đi qua ống đụng chất xúc tác Pt nung nóng Khí

trong không khí tạo ra khí N02 màu nâu đỏ

2NH3 + 3C12 -ỳ 6HC1 + N2

Khói trắng là những hạt nhỏ tinh thế NH4CI được tạo nên do HC1 sau khi sinh ralại hoá hợp ngay với NH3: NH3 + HC1 -ỳ NH4CI

Như ta đã biết NH3 là một bazơ tuy nhiên nó còn là một acid:

Li3N(s)+ 2NH3 (1) -> 3Li+(am) + 3 NH2“(am)

NH3 như là Ligand Tetraamminecopper(II), [Cu(NH3)4]2+, có màu xanh dương đậm khi thêmammonia vào trong dung dịch muối đồng (II) Diamminesilver(I), [Ag(NH3)2]+, được gọi là tác chấtTollens' reagent

♦> Tổng hợp tù' thiên nhiên:

Trong không khí có một lượng amôniăc không đáng kê sinh ra do quá trình phân rã của động vật

và thực vật

NH3 được sản xuất từ N2 trong không khí dưới xúc tác của các enzim nitrogenases

Trong cơ thể các động vật trong quá trình trao đối chất sinh ra NH3 và nó ngay lập tức chuyênthành Urê

♦♦♦ Tông hợp hoá học

NH3 được sản xuất bằng cách chưng cất than tạo muối amôni sau đó đem tác dụng với vôi sống:

2 NH4CI + 2 CaO -ỳ CaCl2 + Ca(OH) 2 + 2 NH3

Trong công nghiệp người ta điều chế NH3 từ H2 (được điều chế bằng nhiều cách khác nhau) sau

đó đem tác dụng với N2 lấy từ không khí Phản ứng xảy ra thuận nghịch nên phải thêm xúc tác đế cho sảnphẩm và hiệu suất mong muốn

3H2 + N2 ^ 2 NH3

1.2 ủng dụng

a Làm phân bónNH3 được xem như là thành phần của phân bón NH3 có thế được bón trực tiếp lên ruộng đồngbằng cách trộn với nước tưới mà không cần thêm một quá trình hoá học

NH3 tác dụng với acid (HCl, HNO3 .) tạo muối là thành phần chính của phân bón hoá học.Amôni Sunphat là một loại phân bón tốt Amôni Nitrat cũng được sử dụng như một loại phân bón và cònnhư một dạng thuốc nổ

Khi cho amôniăc tác dụng với CO2 ở nhiệt độ 180-200°c, dưới áp suất khoảng 200atm ta điều chếƯrê (NH2)2CO là chất rắn màu trắng, tan tốt trong nước, chứa khoảng 46%N :

tích NH3 được xem như là hỗn hợp khí chuấn cho việc kiếm soát phát thải môi trường, kiếm soát vệ sinhmôi trường,các phương pháp phân tích dạng vết.

c Kỹ nghệ điện tử

NH3 được sử dụng trong công nghệ sản xuất chất bán dẫn và một số vật liệu cao cấp khác thôngqua sự ngưng tụ Silicon nitride (SÌ3N4) bằng phương pháp ngưng tự’ bốc hơi hoá học: Chemical VaporDeposition (CVD)

• Dung dich amoniac (NH4OH).

b Đối với động vật thuỷ sinh

NH3 được xem như là một trong nhũng “kẻ giết giết hại” chính thế giới thuỷ sinh, sự nhiễm độc

NH3 thường xảy ra đối với những hồ nuôi mới hoặc những hồ nuôi cũ nhưng có mật độ nuôi lớn

1.5 Các vấn đề môi trưòng liên quan đến NH3

-Trong quá trình nuôi tôm ,cá, các quá trình xử lý nước thải: nước thái, khí thải và bùn do phânhữu cơ, xác động vật, xác(vỏ) tôm sau khi tiêu hoá thức ăn thì chúng được thải ra trong điều kiện kỵ khídưới sự tác dụng của vi khuân trong nước xuất hiện H2S, NH3, CH4 các chất này rất độc cho ao nuôi

kế và vận hành các nhà vệ sinh (ô nhiễm NH3 trầm trọng) gây ảnh hưởng đến sức khoẻ và tâm sinh lý củahọc sinh.

- Các vụ rò rĩ khí NH3 tù’ các nhà máy phân bón, sx nước đá, đông lạnh cũng ảnh hưởng lớnđến sức khoẻ công nhân và cộng đồng xung quanh

a Nguồn phát thải

> Làm phân bón

> Kỹ nghệ làm lạnh

> Kỹ nghệ điện tử

> NH4CI được sử dụng trong công nghệ hàn

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

b Các cộng nghệ xử lý:

❖ Xử lý hoá họcDựa vào tính chất hoá học của NH3 ta có thể xử lý NH3 bằng các phun các dung dịch acid loãng(HCl, H2SO4 ) để hấp thụ hoá học NH3

2NH3 + H2S04= (NH4)2S04

♦♦♦ Xử lý sinh học

Bế sinh học màng vi lọc (MBR) xử lý nitơ, ammonia trong nước thải Việc khử chất ô nhiễm nàychỉ thực hiện duy nhất một quá trình là khử nitrit “Quá trình này gồm hai giai đoạn chính đó là giai đoạnnitrit hóa bán phần và khử nitrit thông qua hệ thống màng vi lọc”.Trong đề tài “ Bước đầu nghiên cứuphân lập vi khuấn có khả năng sử dụng NH3, H?S trong khí thải như là nguồn cơ chất đế dinh dưỡng” sửdụng chủng vi khuấn arthobacter cho việc xử lý NH3

Xử lý NH3 bằng hồ tuỳ tiện có thêm các chất trao đổi ion như Zeolit NH3 là một khí độc, vàcũng là một khí có nhiều ứng dụng trong kỹ nghệ.Tuy nhiên so với những chất khí thải khác thì NH3 ítđộc hại và xử lý tương đối đơn giản, vấn đề quan trọng là trong kỹ thuật làm lạnh chúng ta cố gắng hạnchế tối đa sự cố môi trường xảy ra, đồng thời luôn có biện pháp đối phó để giảm thiểu thiệt hại và ảnhhưởng môi trường xung quanh

❖ Xử lý cơ họcNhờ vào khả năng hoà tan tốt trong H?0, Khi sự cố môi trường xảy ra (rò rĩ khí amoniac) thì biệnpháp đơn giản nhất đó là cách ly người dân và phun nước pha loãng

nhau một khoảng nhất định Trên mỗi đĩa hai pha chuyến động ngược hoặc chéo chiều:lỏng từ trên xuống(hoặc đi ngang), khí đi từ dưới lên hoặc xuyên qua chất lỏng chảy ngang; ở đây tiếp xúc pha xảy ra theotừng bậc là đĩa.Tùy thuộc câu tạo của đĩa chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tưởng hay là dòng chảyqua Trên đĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng đi tù- đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng gọi là ống chảychuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất long đáy tháp tạo thành van thủy lựcngăn không cho khí (hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩa trên.

sơ đồ tháp mâm chóp 1-đĩa; 2-chóp; 3-ống hơi; 4-ống chảy chuyền

Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lưới,hay khe xupap sục vào pha lỏng trênđĩa Đe phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiều cao mức chất lỏng trên đĩa.+ Ưu điếm: Hiệu suất truyền khối cao, hoạt động ốn định, làm việc với chất lỏng bân, ít tiêu haonăng lượng

+ Nhược điểm: cấu tạo hức tạp, trở lực lớn, nặng.

2 Tháp mâm lỗ Tháp đĩa lưới hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có lỗ tròn, hoặc rảnh Chất lỏng chảy từ trênxuống qua các ống chảy chuyền Khi đi tù' dưới lên qua các lỗ hoặc rảnh đĩa Đĩa có thể lấp cân bằnghoặc xuyên một góc với độ dóc 1/45- 1/50

Tháp mâm lô+ ƯU điểm: chế tạo đơn giản, vệ sing dễ dàng, trở lực ít hơn tháp chớp, ít tốn kim loại hơn thápchớp

+ Nược điểm: yêu cấu lấp đặt cao, mâm lấp phải rất phan

b Tháp đĩa không có ống chảy chuyền

Trong trường hợp này khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ

trên đĩa, vì vậy không có hiện tượng giảm chiều

cao chất lỏng trên đĩa như trong các loại tháp có

ống chảy chuyền, và tất cả bề mặt đĩa dều làm việc,

nên hiệu quả của đĩa cao hơn Vì vậy trong nhừng

năm gần đây loại tháp này được sử dụng rộng rải

Tháp đĩa không có ống chảy chuyền cũng có nhiều loại

nhung chủ yếu có hai loại: đĩa lỗ và đĩa rảnh Đĩa

lỗ được cấu tạo bởi các tấm ngăn và tấm phang,

trên có nhiều lỗ tròn được bố trí đều Lỗ có đường

kính 2-8mm phụ thuộc vào chất lỏng Tháp đĩa

rãnh là đĩa gồm nhiều thanh hoặc là nhiều ống

ghép lại với nhau tạo thành các khe hở 3-4mm

còn

có cấutạo hìnhsống, trên có

lỗ

Các sống gần nhau hợp thành góc 90° Hơi đi từ dưới lên qua lỗ ở phần sống lồi, còn lỏng

Tháp mâm không có ống chảy chuyền a) đĩa lỗ; b ) đĩa rảnh; c ) đĩa sốnq

đi từ trên xuống qua phần sống lõm.

Loại này gồm thân và 1 ống vòi phun

đi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xay ra Loại thiết bị này

không phù hợp với các loại khí khó hoà tan

Ngoài ra còn có những loại hấp thu cơ học Chất lỏng bắn ra trong

các phễu, ở đó khí sẻ đươc tiếp xúc với chất long và có quá

trình hấp thụ Khí chuyển động qua thiết bị theo đường

ra ở đáy Bộ phận bắn tung chất lỏng được gắn vào một

trục quay, có tác dụng trì hoãn sự chảy của chất lỏng trong

phễu, tạo khả năng tiếp xúc tốt với pha khí

+ ƯU điếm: Tháp hấp thụ rỗng được thiết kế đế dòng khí chuyến động theo tuyến đặc biệt và vòiphun đặt dọc theo chiều cao tháp có thể đạt hiệu quả hấp thụ rất cao

Khí

Thiết bị loại phun 1- thân; 2-vòi phun

Tiết bị hấp thụ cơ học loại cánh khuấy 1 -thân; 2- đĩa; 3-trục với bộ phận bắn chất

thung 2 thanj 3 trục narn ngang) 4 đĩa I^!' g.ẻịệrr, tách bọt; 7-cửa khí trơ; 8-dung

dìch ra

+ Khuyết điếm: yêu cấu lấp đặt cao, mâm lấp phải rất phan.

Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên trong đố đầy đệm làm từ vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kimloại, gốm, ) với những hình dạng khác nhau (trụ, cầu, tấm, yên ngựa, lò xo, ); lưới đỡ đệm, ống dẫnkhí và lỏng vào ra Đe phân phối đều lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người ta dùng bộ phậnphân phối dạng: lưới phân phối (lỏng đi trong ống - khí ngoài ống; lỏng và khí đi trong cùng ống);màng phân phối, vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu, khe); bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay, ốđỡ);

Các phần tủ- đệm được đặc trưng bằng: đường kính d, chiều cao h, bề dày ô Đối với đệmtrụ, h = d chứa được nhiều phần tử nhất trong 1 đơn vị thế tích

- Khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước: bề mặt riêng a (m2/m3); thể tích tự do 8 (m3/m3);đường kính tương đương d(tđ) = 4r(thủy lực) = 4.s/n = 4 e/a; tiết diện tự do s (m2/m3)

Khi chọn đệm cần lưu ý: thấm ướt tốt chất lỏng; trở lực nhỏ, thế tích tự do và và tiết diệnngang lớn; có thế làm việc với tải trọng lớn của lỏng và khí khi 8 và s lớn; khối lượng riêng nhỏ;phân phối đều lỏng; có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm Đe làm việc với chất long bấn nênchọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ

Ưu - nhưọc điểm - ứng dụng

+Ưu: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độ màng/quá độ)

Dùng trong các hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống hút chân không, ).

Có cấu tạo tương tự thiết bị trao đối nhiệt dạng ống chùm, gồm có ống tạo màng được giữ bằng hai vĩ ống ở hai đầu, khoảng không giữa ống và vỏ thiết bị đế tách khi cần thiết Chất lỏng chảy thành màng theo thành ống tù' trên xuống, chất khí (hơi) đi theo khoảng không gian trong màng chất lỏng từ dưới lên.

b Tháp màng dạng tẩm phẳng:

Các tấm đệm đặt ở dạng thắng đứng được làm từ những vật liệu khác nhau (kim loại, nhựa, vảicăng treo trên khung ) đặt trong thân hình trụ Đe đảm bảo thấm ướt đều chất lỏng từ cả 2 phía tấm đệm

ta dùng dụng cụ phân phối đặc biệt có cấu tạo răng cưa

c Tháp màng dạng ống khi lỏng và khí đi cùng chiểu:

Cũng có cấu tạo từ các ống cố định trên 2 vỉ, khí đi qua thân gồm các ống phân phối tươngứng đặt đồng trục với ống tạo màng Chất lỏng đi vào ống tạo màng qua khe giữa 2 ống Khi tốc độ khílớn sẽ kéo theo chất lỏng từ dưới lên chuyến động dưới dạng màng theo thành ống tạo màng Khi cầntách nhiệt có thể cho tác nhân lạnh đi vào khoảng không gian giừa vở và ống Đe nâng cao hiệu suấtngười ta dùng thiết bị nhiều bậc giống nhau

-Thủy động lực trong thiết bị dạng màng:

+ Khi Re < 300 - chảy màng , bề mặt pha nhẵn trơn + Khi 300 < Re

< 1600 - chảy màng bắt đầu có gợn sóng + Khi Re > 1600 - chảy rốiKhi có dòng khí chuyển động ngược chiều sẽ ảnh hưởng lớn

độchảycủa màng Khi đó, do lực ma sát giừa khí và lỏng sẽ có cản trở mạnh của

làm bềdày màng tăng lên, trở lực dòng khí tăng Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí sẽ dẫn đến cân bằng giừa trọng lực củamàng lỏng và lực ma sát và dẫn đến chế độ sặc (nhiều khi pha khí chỉ 3-6m/s đã xảy ra sặc) Khi tốc độvượt qua tốc độ sặc sẽ làm kéo chất lỏng theo pha khí ra ngoài

- ưu và nhược điêm của tháp màng:

+ Ưu:

- trở lực theo pha khí nhở

- có thể biết được bề mặt tiếp xúc pha (trong trường hợp chất lỏng chảy thành màng)

- có thê thực hiện trao đôi nhiệt

+ Nhược:

- năng suất theo pha lỏng nhỏ

- cấu tạo phức tạp, khi vận hành dễ bị sặc

+ ứng dụng:

- trong phòng thí nghiệm

trong trường hợp có năng suất thấp

trong những hệ thống cần trỏ' lực thấp (hệ thống hút chân không, )

CHƯƠNG 2: Sơ ĐÒ CÔNG NGHỆ

Thiết minh quy trình công nghệ:

Khí xử lý khí NH3 được lấy từ các nhà máy sản xuất phân bón , sản xuất phân Ure, sẽ được thu lạirồi 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 bồn cao vị mục đích là đế ốn định lưu lượng, từ

đó cho vào tháp từ trên đi xuống, hỗn hợp khí được thổi tù’ 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 điqua ống khói để phát tán khí ra ngoài 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

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KÉ THÁP MÂM

XUYÊN LỎ

ban đầu

- Năng suất lò hơi 5000 m3/h

- Nhiệt độ đầu vào của tháp 30°c.

- Nhiệt độ ra 30°c.

- Áp suất khí thải: p = latm = 760mmHg

3.2Tính toán các số liệu thiết kế

Khí trơ

9 ÓNG KHÓI 8 QUẠT THỔI KHỈ 7 B ÒN CHỬA NƯỚC B ẨN 6 VAN

5 THÂN THÁP 4 LƯƠNG

KỂ CHẮT LÒNG 3 BỐN CAO VỊ 2 BƠM NƯỚC 1

BẺ CHỨA XƯỚC

3.2.1 So’ đồ cân bằng vật chất của tháp mâm xuyên lỗ

3.2.23.2.3 Ý nghĩa các kí hiệu tính toán:

3.2.4 Xv - Tỷ số mol khí trong dòng lỏng vào tháp hấp thụ ( kmolNH3/kmolH20 ) xr- Tỷ số mol

khí trong dòng long ra tháp hấp thụ ( kmolNH3/kmolH20 )

3.2.5 Yv - Tỷ số mol khí trong hỗn họp khí thải vào tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolkk ) Yr - Tỷ số

mol khí trong hỗn hợp khí thải ra tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolkk ) xv - Phần mol khí

trong pha lỏng đi vào tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolhh ) xr - Phần mol khí trong pha lỏng

ra khỏi tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolhh ) yv - Phần mol khí trong dòng khí khi đi vào tháp

hấp thụ (kmolNH3/kmolhh )

3.2.6 yr - Phần mol khí trong dòng khí khi đi ra tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolhh ) G - Suất lượng hỗn hợpkhí ( kmolhh/h )

3.2.7 Gtr-Suất lượng khí trơ (kmoltrơ/h )

3.2.8 L - Suất lượng nước (kmolH20/h )

3.2.9 Ltr - Suất lượng cấu tử lỏng trơ (kmoltrơ/h )

3.2.3 1 + 2 1 X A

3.2.3.5 Hiệu suất tháp hấp thu

3.2.3.34 Phương trình đường cân bằng pha có dạng:

3.2.3.35 Y* = 3.16xX+10'6Vẽ đường làm việc và đường cân bằng trên cùng một đồ thị

3.2.3.38Từ đồ thị trên ta chọn số mâm lý thuyết là 1

3.2.3.39

3.2.3.40Theo đồ thị số mâm lý thuyết Nit = 11

3.2.3.41Từ đồ thị 5.24a (stt2) mối liên hệ giữa hiêu suất mâm murphree và hiệu suất tống quát.3.2.3.42 m = 3.17

3.2.3.48 yG a lưu lượng trang bình cùa pha khí (—)

3.2.3.49 G ĩ^r = ì2Hi^ĩĩl = 199.57^

1

2 trong đó:

3 Hx, M-y (N.s/m2) độ nhớt của lởng nước ở 20°c

4 px, py (kg/m3) khối lượng riêng của pha lỏng khí

5 Gx, Gy (kg/h) lun lượng pha lỏng, khí

6 g = 9.81 (m/s2) gia tốc trọng trường

7 dtd = 6 (mm) đường kính tu’ơng đương của lỗ

8 f d diên zieh măt cát tư do của ăia 2 / 3x

3.2.47 Tính chiều cao tháp tính từ hai mép nối nắp và đáy

31 Được tính theo công thức sau: (theo công thức X.54/ trang 169 Stt2)

- HCp (0.8 -ỉ- 1), m khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị với HCp gồm :

34 + hi khoảng cách cho phép ở mép dưới nối nắp đến thiết bị phân phối lỏng ( chọn h|=0.25 m )

35 + h2 khoảng cách từ thiết bị phân phối long đến mâm thứ ỉ (chọn h2 = 0.3 m)

36 + h3 khoảng cách từ mâm cuối cùng tới mép trên nối đáy tháp ( chọn h3=0.45m)

41 Thuyết kế lổ trên mâmdtđ = 6 mm.

42 Tống diện tích tự do của lỗ bằng 20% tiết diện lỗ -ỳ tống diện tích lố.

- Py (kg/m3) khối lượng riêng của khí

- (Ẹ, hệ số trở lực ( đối với đĩa lỗ ệ = 2.1, đối với đĩa lưới ị= 1.4 + 1.5, đối với đĩa lưới ống làm bằng các đoạn lưới ống trên đĩa ị = 0.9+ 1)

64 "Pb khối lượng riêng của lớp bọt trên đĩa (kg/m)