ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HẤP THỤ NH3

BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HẤP THỤ NH3 XỬ LÝ KHÍ THẢI CÓ LƯU LƯỢNG 5000 m3h Ngày nay, khi đời sống ngày càng phát triển thì sức khỏe con người cũng càng được đặt lên làm một trong những tiêu chí quan trọng hàng đầu. Chính vì thế, các tiêu chuẩn vệ sinh môi trường ngày càng được nâng cao, và yêu cầu xử lý các khí thải trở nên cấp thiết và được giám sát ngày một nghiêm ngặt tại các nhà máy nói chung, và các nhà máy trong ngành công nghiệp lọc – hóa dầu nói riêng. Một trong những khí cần được loại khỏi khí thải nhà máy chính là NH3. Dù có vai trò quan trọng trong sinh học và đời sống con người, ở hàm lượng cao, NH3 có độc tính và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Đồ án “Thiết kế thiết bị hấp thụ NH3 xử lý khí thải có lưu lượng 5000 m3h” sẽ giúp sinh viên có được cái nhìn chi tiết về một trong những quy trình quan trọng trong nhà máy, đồng thời củng cố thêm kiến thức của mình về quá trình thiết bị.

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DẦU KHÍ VIỆT NAM

TS Nguyễn Đăng Nam

SINH VIÊN THỰC HIỆN: Dương Nguyễn Công Thành

Võ Việt Trí Bùi Đức Tài

Chuyên ngành: Lọc - Hóa DầuLớp: K2LHD

Khóa: 2012 - 2017

Bà Rịa – Vũng Tàu

2016

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

2.1 Các thông số ban đầu

111355101010

1212151719

3.2 Tính chiều dày thân tháp

3.3 Tính đáy và nắp của thiết bị

3.4 Bích ghép các đoạn của thân và ghép thân với đáy, nắp

3.5 Bích ghép ống dẫn khí, ống dẫn lỏng với thân tháp

3.6 Tính đĩa phân phối lỏng

3.7 Tính lưới đỡ đệm

3.8 Chân đỡ và tai treo

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ

28282829313233343535

3940414344

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 Cân bằng vật chất của quá trình hấp thụ

Hình 2 Ảnh hưởng của nhiệt độ (T1<T2<T3)

Hình 3 Ảnh hưởng của áp suất (P1>P2>P3)

Hình 4 Tháp màng dạng tấm

Hình 5 Tháp đệm

Hình 6 Tháp đĩa

Hình 7 Quy trình công nghệ cơ bản

Hình 8 Mô tả đường cân bằng

3456781013

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các giá trị để xây dựng đường cân bằng

Bảng 2.2 Các giá trị để tính toán số đơn vị chuyển khối

Bảng 3.1 Các thông số cho đáy và nắp

Bảng 3.2 Các thông số cho bích ghép ống dẫn khí và ống dẫn lỏng với thân tháp

Bảng 3.3 Các thông số của chân đỡ

Bảng 3.4 Các thông số của tai treo

122332333637

Đồ án “Thiết kế thiết bị hấp thụ NH 3 xử lý khí thải có lưu lượng 5000 m 3 /h” sẽ giúp

sinh viên có được cái nhìn chi tiết về một trong những quy trình quan trọng trong nhàmáy, đồng thời củng cố thêm kiến thức của mình về quá trình thiết bị

Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Nguyễn Đăng Nam và các Thầy Cô trong Bộ mônLọc – Hóa dầu đã giúp đỡ nhóm hoàn thành đồ án

Nhóm làm đồ án

Dương Nguyễn Công Thành

Võ Việt Trí Bùi Đức Tài

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan về khí NH 3

NH3 – hay còn gọi là amoniac (ammonia trong tiếng Anh) – là một hợp chất vô cơ đãđược biết đến từ rất lâu đời, vào thế kỉ 13, thông qua ngành giả kim thuật bởi AlbertusMagnus Tuy vậy, khí amoniac chỉ được tinh chế lần đầu tiên bởi Joseph Priestley vàonăm 1774 Năm 1785, 11 năm sau đó, Clause Louis Berthollet tìm được chính xác cấutrúc của nó [1]

Phân tử ammoniac hình tứ diện, có tính chất phân cực với momen lưỡng cực lớn NH3

là một chất khí không màu, có mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí Có to nc = 77,75 °C,

to s = 33,35 °C Do tạo được liên kết hydro, NH3 tan rất tốt trong nước (47 % w/w tại 0

°C) Dung dịch NH3 đậm đặc thường có nồng độ 25 % NH3 có tính bazơ, ngoài ra nócòn có thể tạo phức với nhiều kim loại chuyển tiếp [1]

NH3 là một chất độc với con người ở hàm lượng cao [1] Nếu hít phải, amoniac có tính

ăn mòn gây bỏng niêm mạc mũi, cổ họng và đường hô hấp Điều này có thể phá hủyđường thở dẫn đến suy hô hấp Hít nồng độ thấp hơn có thể gây ho và kích ứng mũihọng, kích ứng mắt gây chảy nước mắt Khi tiếp xúc trực tiếp với amoniac đậm đặc,

da, mắt, họng, phổi có thể bị bỏng rất nặng Những vết bỏng có thể gây mù vĩnh viễn,bệnh phổi, hoặc tử vong Không có bằng chứng cho thấy amoniac gây ung thư Không

có bằng chứng cho thấy việc tiếp xúc với nồng độ amoniac tìm thấy trong môi trườnggây ra dị tật bẩm sinh hoặc các hiệu ứng phát triển khác

1.2 Phương pháp xử lý

1.2.1 Khái niệm

Hấp thụ là quá trình hút khí (hoặc hơi) bằng chất lỏng, trong đó vật chất di chuyển từpha khí vào pha lỏng Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ; chất lỏng dùng để hútgọi là dung môi (chất hấp thụ), khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ [2]

Mục đích của quá trình này nhằm hòa tan một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạonên một dung dịch (hỗn hợp) các cấu tử trong chất lỏng Các quá trình xảy ra do sự

tiếp xúc pha giữa khí và lỏng Quá trình này cần sự truyền vật chất từ pha khí vào phalỏng Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vàopha hơi, ta có quá trình nhả hấp thụ Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau.Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, quá trình hấp thụ dùng để:

• Thu hồi các cấu tử quý

• Làm sạch khí

• Tách hỗn hợp khí thành các cấu tử riêng biệt

Phương pháp hấp thụ [2]

• Hấp thụ vật lý: Thực chất chỉ là sự hòa tan các chất bị hấp thụ vào trong

dung môi hấp thụ Chất khí hòa tan không tạo ra hợp chất hóa học với dungmôi, nó chỉ thay đổi trạng thái vật lý từ thể khí biến thành dung dịch lỏng(quá trình hòa tan đơn thuần của chất khí trong chất lỏng)

• Hấp thụ hóa học: chất bị hấp thụ sẽ tham gia vào một số phản ứng hóa học

với dung môi hấp thụ Chất khí độc hại sẽ biến đổi về bản chất hóa học và trởthành chất khác

Quá trình hấp thụ NH3 có thể được xem là quá trình hấp thụ vật lý, do hằng số hòatan của NH3 rất lớn so với hằng số bazơ của nó, nên có thể bỏ qua phản ứng hóahọc của NH3 với nước NH3được xem tồn tại chủ yếu ở dạng phân tử trongdung dịch

Cơ cấu của quá trình hấp thụ có thể chia thành ba bước:

• Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễm thể khí trong khối khí thải đến bề mặtcủa chất lỏng hấp thụ;

• Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ;

• Khuếch tán chất khí đã hoà tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu trong lòng khốichất lỏng hấp thụ

Quá trình hấp thụ mạnh hay yếu là tùy thuộc vào bản chất hóa học của dung môi vàcác chất ô nhiễm trong khí thải Như vậy, để hấp thụ được một số chất nào đó ta phảidựa vào độ hòa tan chọn lọc của chất khí trong dung môi để chọn lọc dung môi cho

thích hợp hoặc chọn dung dịch thích hợp (trong trường hợp hấp thụ hóa học) Quátrình hấp thụ được thực hiện tốt hay xấu phần lớn là do tính chất dung môi quyết định.

Việc lựa chọn dung môi phụ thuộc và các yếu tố sau:

• Có tính chất hòa tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hòa tan với một cấu tử cần tách,còn những cấu tử khác không có khả năng hòa tan hoặc hòa tan rất ít

• Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thuỷ học càng nhỏ và có lợi cho quátrình chuyển khối

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

• Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của chất hoà tan để dễ dàng phân riêngchúng qua chưng luyện

• Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị

Hình 1 Cân bằng vật chất của quá trình hấp thụ

Phương trình cân bằng vật liệu có dạng:

G y Y đ + G x X đ = G x X c + G y Y c

Trong đó:

• Gy: luợng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ (kmol/h)

• Gx: lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h)

• Yđ, Yc: nồng độ đầu và cuối của hỗn hợp khí (kmol/kmol khí trơ)

• Xđ, Xc: nồng độ đầu và cuối của dung môi (kmol/kmol dung môi)

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ

1.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henry sẽ tăng Kếtquả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung Nếu các đường làmviệc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm, do đó cường độ chuyển khối cũnggiảm theo Nếu ta cứ tiếp tục tăng nhiệt độ, ví dụ đến T3 thì không thực hiện được (vìđường cân bằng và đường làm việc cắt nhau, nên không thể đạt được nồng độ cuốiXc) Tuy nhiên, nhiệt độ tăng cũng có lợi là làm cho độ nhớt của dung môi giảm

Hình 2 Ảnh hưởng của nhiệt độ (T 1 <T 2 <T 3 )

1.2.3.2 Ảnh hưởng của áp suất

Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng

sẽ giảm và đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hoành, tức là động lực trung

bình sẽ tăng lên, quá trình chuyển khối sẽ tốt hơn Tuy nhiên, việc tăng áp suất thườngkèm theo sự tăng nhiệt độ Mặt khác, sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chếtạo và vận hành của tháp hấp thụ.

Hình 3 Ảnh hưởng của áp suất (P 1 >P 2 >P 3 )

• 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)

Sau đây là một số loại thiết bị hấp thụ thường gặp trong công nghiệp:

1.2.4.1 Tháp màng

Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt vật rắn thường

là thẳng đứng Bề mặt vật rắn có thể là ống, tấm song song hoặc đệm tấm

Tháp màng dạng ống

Có cấu tạo tương tự thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm Chất lỏng chảy dọc theothành trong ống từ trên xuống, chất khí (hơi) đi từ dưới lên tiếp xúc với màng chấtlỏng và quá trình hấp thụ được thực hiện ở màng chất lỏng trên thành ống

Tháp màng dạng tấm

Gồm các bản xếp thẳng đứng song song với nhau ở khoảng cách nhất định Bản có thểđược chế tạo bằng kim loại, chất dẻo,…Chất lỏng đi từ trên xuống chảy thành màngtrên bề mặt bản nhờ bộ phân phối Khí đi ngược chiều từ dưới lên

Ứng dụng:

• Trong phòng thí nghiệm

• Trong trường hợp có năng suất thấp

• Trong những hệ thống cần trở lực thấp (hệ thống hút chân không, )

Các phần tử đệm được đặc trưng bằng dường kính d, chiều cao h, bề dày δ Khối đệmđược đặc trưng bằng các kích thước: bề mặt riêng σ, thể tích tự do Vtd, đường kínhtương đương, và tiết diện tự do S Khi chọn đệm cần lưu ý: thấm ướt tốt chất lỏng, trởlực nhỏ, thể tích tự do và tiết diện ngang lớn, có thể làm việc với tải trọng lớn của lỏng

và khí, khối lượng riêng nhỏ, phân phối đều chất lỏng, có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền,

và dễ kiếm, … Chất lỏng chảy trong tháp theo đệm dưới dạng máng nên bề mặt tiếpxúc pha là bề mặt thấm ướt của đệm

• Ưu điểm: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độmàng/quá độ) nhỏ.

• Nhược điểm: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp, dễ bị sặc, khó tách nhiệt,khó thấm ướt

Tháp đĩa có ống chảy chuyền: bao gồm tháp đĩa chóp, đĩa lỗ, đĩa supap, … Trên đĩa có

cấu tạo đặc biệt để chất lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng gọi là ốngchảy chuyền

Tháp đĩa không có ống chảy chuyền: khí và lỏng đi qua cùng 1 lỗ trên đĩa

• Tháp đĩa lỗ: ưu điểm là kết cấu khá đơn giản, trở lực tương đối thấp, hiệu suấtkhá cao Tuy nhiên không làm việc được với chất lỏng bẩn, khoảng làm việchẹp hơn tháp đĩa chóp (về lưu lượng khí).

• Tháp đĩa chóp: có thể làm việc với tỉ trọng của khí, lỏng thay đổi mạnh; khá

ổn định Song có trở lực lớn, tiêu tốn nhiều vật tư kim loại chế tạo, kết cấuphức tạp Nói chung tháp đĩa chóp có hiệu suất cao hơn tháp đĩa lỗ

• Tháp supap: dùng trong chưng cất dầu mỏ

1.3 Quy trình công nghệ

1.3.1 Chọn quy trình công nghệ

Qua tìm hiểu và phân tích các thiết bị hấp thụ thường gặp trong công nghiệp, thiết bịphù hợp nhất cho yêu cầu của đề bài chính là tháp đệm Tháp đệm được dùng cho cáctrường hợp công suất thấp – hấp thụ khí Dù có một số nhược điểm về bảo trì (ví dụnhư trong vấn đề thay thế đệm) nhưng dòng khí của chúng ta được xem như có ít tạpchất rắn nên điều này không là vấn đề lớn Mặc khác, sử dụng tháp đệm tránh đượcmất áp suất và có trở lực nhỏ, dẫn đến giúp thiết kế tháp có kích thước nhỏ gọn hơn

Hình 7 Quy trình công nghệ cơ bản (1) Khí được quạt thổi vào, (2) tháp hấp thụ, (3) bồn chứa dung môi, (4) bồn chứa nước thải, (5) bơm.

1.3.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Dòng khí hấp thụ đi vào từ phía dưới đáy tháp đệm (2), di chuyển theo chiều đi lênxuyên qua lớp đệm nhờ hệ thống quạt Để điều chỉnh lưu lượng dòng khí, người ta sửdụng các van và lưu lượng kế Lưu lượng khí hiển thị trên lưu lượng kế Dòng khí vàotrong tháp đi ngược lên trên, tiếp xúc với pha lỏng từ trên chảy xuống Quá trình chảyngược chiều này khiến cho sự truyền chất tăng lên, dẫn đến hiệu suất hấp thụ tăng.Chất lỏng dùng để hấp thụ được bơm (5) đưa từ bồn chứa dung môi (3) vào phía trêntháp Sử dụng thêm bồn cao vị để ổn định dòng chảy Dòng lỏng, tương tự như dòng

khí, cũng được điều chỉnh lưu lượng qua các van và lưu lượng kế Sản phẩm sau khihấp thụ là khí đã hấp thụ xong, đem đi thực hiện các mục đích khác, dung môi đượccho vào bồn chứa nước thải (4) Lượng lỏng này có thể tiếp tục được đem đi giải hấp

để thực hiện một quy trình mới

CHƯƠNG 2 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

2.1 Các thông số ban đầu

o 1,0 mg/l đối với nước thải đạt tiêu chuẩn loại B

o 0,1 mg/l đối với nước thải đạt tiêu chuẩn loại A

Để đơn giản hóa việc tính toán, ta xem dòng khí đầu vào chỉ gồm có khí trơ vàNH3 Khí trơ hoàn toàn không tác dụng với nước, quá trình hấp thụ chỉ xảy ravới NH3

Bảng 2.1 Các giá trị để xây dựng đường cân bằng

X 0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012 0,0014

Y* 0,0000 0,0006 0,0013 0,0019 0,0025 0,0032 0,0038 0,0045

Từ đồ thị, ta có được đường cân bằng: Y* = 3,1797 X – 2 10-6

Hình 8 Mô tả đường cân bằng

Suất lượng hỗn hợp khí đầu vào:

Nồng độ NH3 đầu vào được cho là 3,5 g/m3Do đó, ta có suất lượng của NH3:

Nồng độ phần mol của NH3 trong hỗn hợp khí đầu vào:

Lượng NH3 bị hấp thụ:

• Tiêu chuẩn loại A: 3,5 – 0,1 = 3,4 (g/m3)

• Tiêu chuẩn loại B: 3,5 – 1,0 = 2,5 (g/m3)

Hiệu suất hấp thụ:

• Tiêu chuẩn loại A: η = 100 % = 97,14 %

• Tiêu chuẩn loại B: η = 100 % = 71,43 %

Suất lượng của khí trơ:

Lưu lượng khí đầu ra:

• Tiêu chuẩn loại A:

• Tiêu chuẩn loại B:

Thay Yd = 0,005vào phương trình Y* = 3,1797 X – 2 10-6, ta có:

Do đó:

• Tiêu chuẩn loại A

• Tiêu chuẩn loại B

Nồng độ dung dịch ra khỏi tháp:

• Tiêu chuẩn loại A

• Tiêu chuẩn loại B

Phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm P (Xd; Yc) và Q (Xc; Yd)

• Tiêu chuẩn loại A

Phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm: P (0; 1,43 10-4) và Q (1,573 10-3; 0,005)

Do đó, phương trình làm việc có dạng: y = 3,0877 x + 0,0001

• Tiêu chuẩn loại B

Phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm: P (0; 1,426 10-3) và Q (2,410 10-3;0,005)

Do đó, phương trình làm việc có dạng: y = 1,4830 x + 0,0014

2.3 Tính cân bằng năng lượng

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

• Nhiệt mất ra môi trường không đáng kể (do điều kiện làm việc ở nhiệt độ kháthấp, 30 oC) Do đó 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 không đổi:

Cd = Cc = C

• Trong quá trình hấp thụ có thể phát sinh nhiệt Do đó, ta kí hiệu q là lượngnhiệt phát sinh này khi hấp thụ 1 kmol cấu tử Với mức gần đúng, ta có thểxem q là không đổi trong suốt quá trình hấp thụ

• Vì lượng cấu tử hòa tan trong dung dịch rất nhỏ, do đó lượng dung dịch đầu

và cuối không khác nhau nhiều, vì thế, với mức gần đúng, ta có thể xem như:

Ld Lc Ltr L

Tra sổ tay hóa lý, ta có:

Biến đổi phương trình cân bằng năng lượng:

Do dung dịch loãng:

• Tiêu chuẩn loại A

• Tiêu chuẩn loại B

Do đó:

Tương tự với tiêu chuẩn loại B Chênh lệch nhiệt độ là rất nhỏ nên có thể xem nhiệt độdung dịch ra cũng bằng nhiệt độ dung dịch vào và cũng bằng nhiệt độ của luồng khí rakhỏi tháp (T = 30 oC)

Tiêu chuẩn loại A tương ứng với tiêu chuẩn khí thải ở các khu dân cư, và tiêu chuẩnloại B tương ứng với khí thải ở khu công nghiệp Do thiết kế một tháp có thể đáp ứng

cả hai tiêu chuẩn nên từ bước này, ta sẽ chọn các thông số của tiêu chuẩn cao hơn (tiêuchuẩn A) để tính toán thiết kế tháp; do các tính toán về theo chuẩn B là không cần thiếtnữa.

• Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình (kg/s)

• , khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (kg/m3)

• , độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình (30 oC) và độ nhớt củanước ở 20 oC, N.s/m2

Do không có giới hạn về tính kinh tế, ta chọn loại vật liệu tối ưu là đệm vòng Rasiga

đổ lộn xộn, đệm bằng sứ: 50×50×5 mm, Vđ = 0,79 m3/m3, σđ = 95 m2/m3, độ nhớt củapha lỏng ở 30 oC: = 0,801 cp, độ nhớt của nước ở 30 oC: = 1,005 cp

• h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi

• h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng