ĐỒ án môn học hấp THỤ NH3 BẰNG nước

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 1.Khái niệm: 1.1 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

LỜI MỞ ĐẦU

Ô nhiễm không khí từ các ngành sản xuất công nghiệp ở nước ta, trongnhững năm gần đây đang là vấn đề quan tâm không chỉ của nhà nước mà còn làcủa toàn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó

Bên cạnh đó vấn đề này còn khá mới mẻ đối với mà chúng ta chưa thấyhết mối nguy hiểm của nó, như vậy chúng ta cần một công nghệ hợp lý và antoàn để giải quyết vấn đề hiện nay Vì vậy đồ án môn học kỹ thuật xử lý chất

vào lúc này để giúp giảm ô nhiễm môi trường từ các dòng khí thải

Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ dẫn nhiệt tìnhcủa Thầy Trưởng khoa, các Thầy cô bộ môn và các bạn sinh viên giúp nhómchúng em hoàn thành đồ án này

Nhóm thực hiện

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ

LÝ 1.Khái niệm:

1.1 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 thụ ; chất lỏng dùng hút gọi là dungmôi (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 mộtdung dịch các cấu tử trong chất lỏng Các quá trình xảy ra do sự tiếp xúc phagiữa khí và lỏng 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 vàopha hơi , ta có quá trình nhả khí Nguyên lýcủa cả hai quá trình là giống nhau

- 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

- Hấp thu bao gồm quá trình hấp thu vạt lý và hấp thu hóa học

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

• Hấp thu hóa học : giữa hổn hợp khí và dung môi có xảy ra phản ứnghóa học

1.2 Quá trình khí với mục đích là tách các cấu tử hổn hợp khí thì khi

đó lựa chọn dung môi tốt là phụ thuộc và các yếu tố sau :

1) 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 trọngnhất

2) Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thuỷ học càng nhỏ và và có lợicho quá trình chuyển khối

3) Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi

4) Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hoà tan để dể tách các cấu

tử ra khỏi dung môi

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

dễ dàng hơn

6) Ít bay hơi, rẻ tiền , dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mònthiết bị

2 Cơ sở lý thuyết :

2.1 Cơ sở vật lý của quá trình hấp thu

Hấp thu là quá trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng trong rấtnhiều quá trình khác Hấp thu trên cơ sở của quá trình truyền khối, nghĩa là phânchia hai pha Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thu và chất bị hấp thutrong pha khí

2.2 Các quá trình cơ bản của quá trình hấp thu :

2 2.1 Phương trình cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật liệu có dạng:

GYYĐ + GXXĐ = GXXC + GYYC

Trong đó :

YĐ , YC: nồng độ đầu và cuối của pha khí

(kmol/kmolkhí trơ)

XĐ , XC: nồng độ cuối và đầu của pha lỏng

(kmol/kmolkhí trơ)

X+: nồng độ pha lỏng cân bằng với pha hơi

(kmol/ kmoldung môi)

Lượng dung môi tối thiểu: Lmin

Lmin d c

Theo thực nghiệm ta thấy: L = (1.2÷1.3)Lmin

2.2.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng :

Phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có :

Iđ, Ic : entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối(kJ)

Qo: nhiêt mất mát (kJ/h)

Qs:nhiệt phát sinh do hấp thu khí(kJ/h)

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu:

2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henri sẽtăng Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung Nếucác đừơng làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm, số đĩa lýthuyêt sẽ tăng và chiều cao của thiết bị sẽ tăng Thậm chí có khi tháp không làmviệc được vì nhiệt độ tăng quá so với yêu cầu kỹ thuật Nhưng nhiệt độ tăngcũng có lợi là làm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng tăng

2.3.2 Ảnh hưởng của áp suất :

Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ sốcân bằng 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 sẽthấp hơn

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 hấpthụ

2.3.3 Các yếu tố khác:

Tính chất của dung môi, loại thiết bị và cấu tạo thiết bị độ chính xác củadụng cụ đo , chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấpthu

2.4 Tính chất của NH3:

Amoniac là chất khí không màu, có mùi kích thích (mùi khai) Khi tăng áp

suất cao NH3 dễ dàng hoá lỏng ở nhiệt độ thường Một thể tích nước có thể hoà

Chất xúc tác phản ứng hay dùng là sắt có lẫn nhôm oxyt và kalioxyt Quá

bị có thể đưa áp suất lên đến 1000 atm

Amoniac còn là sản phẩm phụ khi cốc hoá than

Lượng lớn amoniac điều chế trong công nghiệp được dùng để sản suất acidnitric và phân đạm Amoniac còn được dùng là tác nhân làm lạnh trong máy

lạnh, dùng trong phòng thí nghiệm và trong y học.

2.5 Thiết bị hấp thụ :

Thiết bị được sử dụng để tiến hành quá trình hấp thu được gọi là thiết bịhấp thu hoặc cột hấp thu được gọi là thiếtbị hấp thu hoặc cột hấp thu, tháp hấpthu Thiết bị hấp thu có thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục và được chia thành

4 nhóm sau:

Nhiệt phân

• Thiết bị hấp thu loại đệm : được sử dụng phổ biến nhất khi khi chấtlỏng và chất khí tinh khiết và có mât độ phun lớn

• Thiết bị hấp thu loại sủi bọt : đựoc dùng khi tháp có năng suất cao vàcần thoát ra một luợng nhệt lớn

• Thiết bị hấp thu loại phun: thành tia và thiết bị hấp thu cơ khí

CHƯƠNG II: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

Thiết minh quy trình công nghệ:

Khí cần được xử lý được lấy từ các nhà máy sản xuất phân bón, sản xuấtphân Urê, sẽ được thu lại rồi sau đó dùng quạt thổi khí vào tháp hấp thụ (thápmâm xuyên lỗ) Dung dịch dùng hấp thụ là nước Tháp hấp thụ làm việc nghịchchiều: nước được bơm lên dồn cao vị mục đích là để ổn định lưu lượng, từ đócho vào tháp từ trên đi xuống, hỗn hợp khí được thổi từ dưới lên và quá trìnhhấp thụ xảy ra Hấp thụ xảy ra trong đoạn tháp có bố trí các mâm Hỗn hợp khítrơ đi ra ở đỉnh tháp sẽ được cho đi qua ống khói để phát tán khí ra ngoài khônggây ảnh hưởng đến công nhân Dung dịch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho rabồn chứa Tại đây, dung dịch lỏng này sẽ được xử lỳ để sao cho nồng độ củanước thải đạt được nồng độ cho phép để có thể thải ra môi trường Nếu trongkhu công nghiệp thì xử lý sao cho nước thải đạt tiêu chuẩn loại B (1mg/l) hoặcnếu đặt trong khu sinh hoạt thì phải xử lý cho đến khi đạt tiêu chuẩn loại A(0,1mg/l)

CHƯƠNG III:

TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

3.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho tháp hấp thụ:

3.1.1 Các thông số ban đầu:

Nồng độ NH3 đầu vào: 3.5g/m3

Khí đạt tiêu chuẩn loại A: 300mg/m3

Lưu lượng khí thải :12000 m3/h

Các thông số khác tự chọn

Nhiệt độ làm việc của tháp T= 300C

Áp suất làm việc 1atm

3.1.2 Đường cân bằng pha :

0.0008

0.0019

0.0025

0.0032

0.0038

0.0045

Đường cân bằng:

3.1.3 Cân bằng vật chất:

L d

Xd

G c

Yc

LcX c

GdY d

 Gd=

RT

V P.

h Kmolhh

 yc=Yc/1+Yc=1+0,000044,00044=0,000439 Kmol NH3/Kmol ktr

Yc Yd

−

ta có X* = 0,00152

Ltr = 1,2 Lmin =1,2 1442,3 = 1730,78 Kmol H2O/h

0 1 00127 , 0

00127 , 0 1

3

trô C ñ

C

C C

L L L

hh Kmol

NH Kmol X

X x

≈

≈

= +

= +

=

(Vì lượng cấu tử trong dung dịch rất nhỏ)

3.1.4 Cân bằng năng lượng:

Gđ .Iđ = Lđ .Cđ .Tđ + Qs

Để đơn giản hoá vấn đề tính toán, ta có giả thiết như sau:

- Nhiệt mất ra môi trường xung quanh không đáng kể ( do điều kiện làmviệc ở 300C)⇒ Q0 = 0

- Nhiệt độ của hỗn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào

- Nhiệt dung riêng của dung dịch trong suốt quá trình hấp thụ :

Cđ = Cc =C

- Trong quá trình hấp thụ có thể phát sinh nhiệt do đó kí hiệu q là nhiệtphát sinh của 1 Kmol cấu tử bị hấp thụ

Qs = q.Lđ .(Xc – Xđ )

- Với mức gần đúng ta có thể coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thụ

- Vì lượng cấu tử hoà tan trong dung dịch rất nhỏ do đó lượng dung dịch

là:

Lc ≈ Lđ ≈ Ltrơ = L

Tra sổ tay hoá lý:

Kmol

Kcal 83 7

000439

0 005125

0 2

4 22

273 1

3 1

2 1 1

1

hh Kmol

NH Kmol y

y

y

T

M y M

y

c ñ

tb

tb tb

273 18 00278 0 1 17 00278

m KG

×

=

⇒ ρ

Pha lỏng:

Mà:

/ 68 995

1

3 2

1

2 1 1

1

2

3

m KG

v v

O H tb

NH tb

tb tb tb

tb xtb

=

=

=

− +

=

ρ ρ

ρ ρ

ρ ρ

Diện tích mặt cắt ống chảy chuyền (hình viên phân):

= 0,1926 (m2)Khoảng cách từ thân thiết bị đến gờ chảy tràn :

1 2

- 2.0,1926 = 2,1582 (m2) Tổng diện tích lỗ lấy bằng 12 % diện tích làm việc :

Sl = 0,12 f = 0,12 2,1582 = 0,259 (m2)Thể tích của đĩa : Vđ = (f - Sl) δ =(2,1582-0,259) 0,004 =0,00758 (m3).Khối lượng đĩa : mđ= Vđ.ρ = 0,00758.7850 =59,503 (kg)

259 , 0

2 = 13198 (lỗ)

Bước lỗ :

t ≈

13198 4

3

1582 , 2

Ky=

y x

m

β

β +

1 1

Trong đó :

m : hệ số phân bố vật chất Tra theo (1) thì m= 3,17

βy : Hệ số cấp khối phía pha khí

2 0

ω ρ

f : diện tích làm việc của đĩa (f = 1,1788).

Gy :lưu lượng khí , kmol/s

Xác định số Cy :

Cy = = e 2,051 = 7,775Đoạn Bi Ci : Được tính theo công thức :

Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc Số bậc (số tam giác tạo thành ) là số đĩa thực tế của tháp

Theo hình vẽ Số mâm thực tế của tháp là 7 mâm Chọn số mâm thực là 8 mâm

Chiều cao toàn tháp :

H = Hđ (Nt + 1 ) + Hđáy + Hnắp + Hchân + δVới :

Hchân : Chiều cao của chân đỡ , Hchân =0,185 m

H = 0,45 (8+1 ) + 0,45 + 0,45 + 0,185 + 0,15 = 5,285 (m)

3.3 Trở lực của tháp :

Ứng suất làm việc cho phép theo giới hạn bền:

Vậy ứng suất cho phép dùng để tính toán:

4.2 Tính chiều dày thân :

• Thân trụ hàn chịu áp suất trong Ptt = 1,7044.105 N/m2,và t0 = 300C

• Dt = 1,6 m

• Hệ số hiệu chỉnh : η = 1

• Kiểm tra :

• Bề dày tối thiểu của thân trụ :

• Bề dày của thân thiết bị :

S = S’ + CTrong đó :

• Cc : Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo , lắp ráp Cc =0.2 mm

Vậy bề dày thực thi của thân thiết bị :

S = 0,975 + 0,2 + 3 = 3,2 mm

Kiểm tra:

Vậy các công thức trên thoả mãn

[P] = 6,64.105 N/m2 > Ptt = 1,7044 105 N/m2 Thoả điều kiện bền

Vậy chọn S = 3,2 (m m) là thích hợp

4.3 Tính chiều dày đáy , nắp :

bề dày đối với nắp elip không lỗ

Chọn đáy nắp elip tiêu chuẩn loại có gờ làm bằng thép không gỉ X18H10T

4.4.1 Bích nối đáy, nắp, thân thiết bị:

- Đường kính ngoài của bích: D = 1785 mm

- Số bu long : Z = 40 cái

-Bề dày bích : h =38 mm

Lực tác dụng lên một bulông:

qb=Q/ZQ: Giá trị lớn nhất giữa Q1 và Q2

Z: Số bulông

tải trọng do áp suất trong thiết bị và áp suất phụ sinh ra ở trên đệm để giữ chomối ghép được kín

Q1= Qa+Qk

Qa: Lực do áp suất trong thiết bị gây ra

Dtb: Đường kính trung bình của đệm; đệm bít kín chọn:

m: Hệ số áp suất riêng phụ thuộc vào vật liệu và loại đệm

Chọn vật liệu đệm là paronit dày 3mm

Đường kính chân ren của bulông:

: Ứng suất cho phép của vật liệu làm bulông

Chọn ko = 0,8

Để tính các đường kính tối ưu của các ống dẫn khí và các ống dẫn lỏng ta

có tiêu chuẩn về vận tốc thích hợp của khí và lỏng trong đường ống

Vận tốc khí: 10 – 30 m/sVận tốc lỏng: 1 – 3 m/s

Trong đó:

Q: lưu lượng thể tích (m3/s)v: vận tốc dòng khí, lỏng

Ống dẫn lỏng:

Chọn v = 3 m/sVậy:

Lấy d = 0,07 m = 70 mm

Chọn bích liền (kiểu bích phẳng)

N/m2 =0,1669949 (N/mm2)Bảng XIII.26 theo (1) cho bảng các thông số :

P = 0,1669949 10-6 N/m2

Kích thước chiều dài đoạn ống nối l = 130 mm

Bảng XIII.26 theo (1) cho bảng các thông số:

4.5 Khối lượng thiết bị:

Mtb = Mđáy + Mnắp + Mmâm + Mthân + Mbulong + Mbích + Mlỏng

c Mbích : khối lượng của bích

Chiều cao thân là 6,635 m, chia 2 đoạn vậy có 1 bích nối ở thân, 2bích nối nắp, đáy tháp.Vậy n = 3 bích

4

* 8 1 94 1

*

3 2 − 2 π

= 290.54 kg

d Mbulong : Khối lượng bulong

Số bulong nối với thân : 40 3=120 (bulong)

Mbulong =120.mbulong =120 0,0426 = 5,112 (Kg)

e Mlỏng : Khối lượng lỏng trong thiết bị

Trong đó:

h: khoảng cách mâm

f M đáy: Khối lượng đáy tháp:

Tra bảng XIII.10 (1) với chiều cao của gờ là h = 0.025(m) =25(mm)

Khối lượng thiết bị:

Mtb = Mđáy + Mnắp + Mđĩa + Mthân + Mbulong + Mbích + Mlỏng

= 56,17 + 56,17 + 5252,41 + 5,112 + 837,356 +384,992 = 6592,210 (Kg)

Chọn các thông số tai treo theo bảng XIII.36 (1)

có tấm lót, mm

Chiều dày tốithiểu của thànhthiết bị khi cótấm lót S, mm

4.5.2.Tính chân đỡ:

Chọn số chân đỡ là 4, vật liệu tạo chân đỡ là CT3

Chọn các thông số theo bảng XIII.35 sổ tay tập 2 (1)

4.6.1 Tính chiều cao bồn cao vị:

Phương trình bernoulli cho dòng chảy từ 1 – 1 đến 2 – 2 :

Với 1 – 1 là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị:

= 261137,5 >

Từ hệ số Re cho ta biết chất lỏng ở trạng thái chảy rối

Vận tốc chất lỏng ở mặt thoáng v1=0

hf’: tổng tổn thất trên đường ống dẫn từ bồn cao vị vào tháp

Do chất lỏng chuyển động rối và Re>104

Hchân đỡ = 0,185 (m)

Hđáy =0,45 (m)

Hthân = 6,635 (m) Chiều cao bồn cao vị tính từ đáy bồn đến mặt đất là :

g: Gia tốc rơi tự do; g=9.81 m3/s

η : hiệu suất bơm

Mà Z2 - Z1 : khoảng cách từ mặt thoáng chất lỏng đến bồn cao vị Giả

sử mặt nước trong bồn chứa là 1,5 (m) :

Z2 – Z1 = 10,33 - 2 = 8,33 (m)

Hb= 8,33 + 1,43 = 9,76 (m)

Để dự phòng ta chọn bơm có công suất 0.7 kw và dự phòng hai bơm

: hệ số dự phòng Giá trị =1,2 đến 1,5 , chọn =1,3

Công suất trên trục động cơ:

Công suất động cơ:

Nđcơ = k.NTrong đó: k: hệ số dự trữ, k = 1.15

Chọn công suất động cơ là 29 Hp

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN KINH TẾ

Tính toán sơ bộ giá thành thiết bị:

Khối lượng thép không rỉ X18H10T (inox)

Minox = Mthân + Mnắp + Mmâm + Mđáy

 Sơ bộ tính được chi phí đầu tư ban đầu cho việc xử lý ô nhiễm.

trong khả năng có thể làm được

Tài liệu tham khảo

[1] Nhiều tác giả “ Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hoá chất tập 1

& 2” NXB Khoa học Kỹ Thuật

[2] Võ Thị Ngọc Tươi, Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh ” Quá trình và thiết

bị công nghệ hoá học, tập 3 truyền khối” NXB Đại học Quốc Gia Tp.HCM

[3] Hồ Lệ Viên “ Thiết kế tính toán các chi tiết thiết bị hoá chất” NXBKhoa học Kỹ Thuật

[4] Trần Hùng Dũng, Nguyễn Văn Lục, Trần Minh Nam, Vũ Bá Minh “Các quá trình và thiết bị trong công nghệ hoá học và thực phẩm, tập 1 quyển 2phân riêng bằng khí lỏng, lực ly tâm, bơm, quạt, máy Tính hệ thống đườngống” NXB Đại học Quốc Gia Tp.HCM

[5] Nhiều tác giả “ Giáo trình Cơ Lưu Chất” NXB Đại học Bách KhoaTp.HCM