Thiết kế ra một hệ thống thiết bị hấp thụ NH3

thiết kế một tháp đĩa lưới không có ông chảy truyền với số liệu ban đầu như sau :Hỗn hợp khí cần tách : NH3¬¬¬¬¬ ¬¬– không khíDung môi : H2OLưu lượng khí thải vào tháp ( Nm3h) : 9000Nồng độ khí thải vào tháp ( % thể tích) : 12Hiệu suất hâp thụ : 95 %Nhiệt độ, áp suất, lượng dung môi : mô phỏng theo một số diếu kiện

MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, khái niệm “ ô nhiễm môi trường ” nhắc đến cách thường xuyên phương tiện thông tin đại chúng, hội thảo, hội nghị…Người ta dần quan tâm đến môi trường thờ trước trạng môi trường ngày xuống dốc nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh tồn họ Môi trường công nghiệp – nơi mà hoạt động người diễn cách mãnh liệt tạo cải phục vụ cho xã hội loài người – ngày ô nhiễm trầm trọng gây trình hoạt động Thực tế đòi hỏi phải quan tâm đầu tư vào việc quản lý, kiểm soát trình sản xuất để giảm thiểu, hạn chế ô nhiễm môi trường hoạt động sản xuất gây Bên cạnh đó, công việc quan trọng là, nghiên cứu để tìm biện phá, công nghệ nhằm xử lý chất gây ô nhiễm, độc hại với môi trường sống Bởi thực tế không tránh khỏi tất hoạt động sống người chung mà đặc biệt hoạt động công nghiệp tạo chất thải Những chất thải nguyên nhân làm ô nhiễm môi trường chúng ta.Thực tế cho thấy rằng, nước phát triển, khoa học công nghệ tiên tiến ô nhiễm môi trường trở nên nghiêm trọng Nền công nghiệp Việt Nam chưa phát triển mạnh mẽ nhiều nguyên nhân khác mà ô nhiễm hoạt động sản xuất công nghiệp vấn đề cần quan tâm, đặc biệt ô nhiễm môi trường nước Không riêng Việt Nam mà vấn đề xử lý chất thải gây ô nhiễm khó khăn nhiều nước giới Một chất gây ô nhiễm phổ biến đòi hỏi phải có biện pháp, công nghệ để xử lý khí NH3 NH3 thải từ hệ thống thiết bị làm sạch, nhà máy hoá chất sản xuất phân đạm, sản xuất HNO 3, chất sinh hàn, sản xuất sợi, chất dẻo, chất tẩy rửa… Ở điều kiện bình thường, NH chất khí không màu, nhẹ, mùi khai, xốc, gây cảm giác khó chịu NH3 gây viêm đường hô hấp cho người động vật; gây loét giác mạc, quản khí quản Thực vật bị nhiễm độc NH3 nồng độ cao làm bị trắng bạch, làm đốm hoa, làm giảm rễ cây, thân vây bị lùn, giảm tỷ lệ hạt giống nảy mầm Trong nước, NH dễ hoà tan thành NH4OH gây nhiễm độc cá sinh vật thuỷ sinh NH3 có khả tạo thành sol khí bụi lơ lửng có tác dụng hấp thụ khuyếch tán ánh sáng mặt trời, làm giảm độ suốt khí Trong không khí NH3 kết hợp với O2 tác dụng ánh sáng mặt trời tạo NO x tác nhân làm thủng tầng ozon, gây tượng hiệu ứng nhà kính, mưa axit Với mục đích thu hồi xử lý NH để làm giảm tác hại môi trường người Đồng thời tận dụng ưu điểm NH số ngành công nghệ sản xuất, việc thiết kế hệ thống thiết bị hấp thụ NH cần thiết Các loại tháp hấp thụ: - Thiết bị loại bề mặt: đơn giản, bề mặt tiếp xúc bé nên dùng chất khí dễ hoà tan lỏng - Thiét bị loại màng: Có loại ống, loại - Thiết bị loại phun: không phù hợp với khí khó hoà tan - Thiết bị loại đệm: bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao khó làm ướt đệm - Thiết bị loại đĩa gồm: + Tháp đĩa có ống chảy truyền: đĩa chóp, đĩa lỗ (lưới), đĩa suppat, đĩa sóng chữ S + Tháp đĩa ống chảy truyền Trong nội dung đồ án yêu cầu thiết kế tháp đĩa lưới ông chảy truyền với số liệu ban đầu sau : Hỗn hợp khí cần tách : NH3 – không khí Dung môi : H2O Lưu lượng khí thải vào tháp ( Nm /h) : 9000 Nồng độ khí thải vào tháp ( % thể tích) : 12 Hiệu suất hâp thụ : 95 % Nhiệt độ, áp suất, lượng dung môi : mô theo số diếu kiện : Thùng chứa khí : Quạt thổi khí : bể chứa nước : bơm : tháp hấp thụ NH3 : van tiêu chuẩn : bể chứa dung dịch sau hấp thụ Thuyêt minh dây chuyền công nghệ Hỗn hợp khí cần xử lý NH – không khí quạt thổi khí đưa vào đáy tháp, đường dẫn khí vào tháp có lắp van an toàn, van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng phù hợp yêu cầu Nước từ bể chứa bơm ly tâm bơm lên đỉnh tháp Trên đường ống dẫn lỏng có van điều chỉnh ống dẫn khí Khí NH3 sau xử lý lên nắp tháp qua cửa thoát khí nắp SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HẤP THỤ NH3 Chú thích : Nước hấp thụ NH3 qua cửa tháo lỏng đáy tháp đưa đến hệ thống nhả hấp thụ I, TÍNH TOÁN THIỆT BỊ CHÍNH 1.Tính toán cân vật liệu Một số ký hiệu - Xđ : nồng độ ban đầu cấu tử cần hấp thụ dung môi (Kmol /Kmol dung môi) - Xc : nồng độ cuối cấu tử cần hấp thụ dung môi (Kmol/ Kmol dung môi) - Yđ : nồng độ ban đầu cấu tử cần hấp thụ hỗn hợp khí ( Kmol / Kmol khí trơ) - Yc : nồng độ cuối cấu tử cần hấp thụ hỗn hợp khí ( Kmol / Kmol khí trơ) - Gy : lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ ( Kmol/ h ) - Gx : lượng lỏng vào thiết bị hấp thụ ( Kmol/ h ) - Gtrơ :lượng khí trơ vào thiết bị hấp thụ ( Kmol/ h ) - β : lượng dung môi / lượng dung môi tối thiểu a Tháp làm việc chế độ Nhiệt độ t = 25 0C hay T = 298 0K Áp suất p = atm = 760 mmHg Nồng độ khí vào tháp yđ = 0,12 ( phần thể tích ) Khi tính toán thường dùng nồng độ phần mol tương đối: y yđ 0,12 Y = − y ⇒ Yđ = − y = − 0,12 = 0,136 ( kmol / kmol khí trơ ) đ Hiệu suất hấp thụ η = 0,95 Yđ − Yc Yđ ⇒ Yc = Yđ ( 1- η ) = 0,136 (1- 0,95) = 6,8.10-3 ( kmol/ kmol khí trơ ) η = Nồng độ khí trung bình tháp Yđ + Yc 6,8.10 −3 + 0,136 = = 0,0714 (kmol/kmol khí trơ) 2 Y 0,0714 ⇒ ytb = tb = = 6,664.10 −2 ( kmol/ kmol hỗn hợp khí) Ytb + 0,0714 + Ytb = Lượng khí thải vào tháp Gy = 9000 Nm3/h hay Gy = 401,786 ( kmol/h ) Lượng khí trơ tính theo công thức Gtrơ = Gy + Y = 353,685 ( kmol/ h ) đ b Thiết lập phương trình đường nồng độ cân Theo định luật Henry Ycb = m.x ⇒ tính theo nồng độ phần mol tương đối mX Ycb = + (1 − m) X ( kmol cấu tử cần hấp thụ/ kmol khí trơ ) m= ψ NH (250 C ) ( II-140) với ψ NH (25 C ) số Henry NH3 25 0C p ψ NH (250 C ) = 2230 mmHg 2230 = 2,934 760 2,934 X ⇒ Ycb= ( phương trình dường nồng độ cân ) − 1,934 X Theo nồng độ NH3 dung môi ban đầu ⇒ X đ = ⇒ m= Lượng dung môi tối thiểu cần thiết để hấp thụ giả thiết nồng độ cuối dung môi đạt đến nồng độ cân , tức Xc = Xcbc sau Yđ − Yc X cbc − X đ Gx = Gtr ( II-141 ) Ta có Xcbc đạt Ycb = Yđ ⇒ Xcbc = 0,043 ( kmol / kmol dung môi ) ⇒ lmin = Yđ − Yc = 3,005 X cbc − X đ ⇒ Gx = Gtr.lmin = 3,005.353,685 = 1062,823 ( kmol/h) Vì thiết bị hấp thụ không đạt cân pha , nghĩa nồng độ cân lớn nồng độ thưc tế nên lượng dung môi tiêu tốn thực tế lớn lượng dung môi tối thiểu Gx = Gx β Thường chọn β khoảng (1,2 – 1,25).Ta chọn β = 1,2 ⇒ Gx = 1062,823 1,2 = 1275,387 ( kmol/h ) c Thiết lập phương trình đường nồng độ làm việc Ta có phương trính cân vật liệu đối vời khoảng thể tích thiết bị kể từ tiết diện tới phần thiết bị Gtr.(Y- Yc) = Gx ( X- XC) Từ phương trình ta rút Gx Gx Y = G X + Yc − G X đ tr tr ⇒ Y =3,606.X + 6,8.10-3 Ta có bảng số liệu X Ycb Y 0 0.006 0.005 0.015 0.025 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.004 0.03 0.045 0.061 0.077 0.093 0.110 0.127 0.043 0.061 0.079 0.097 0.115 0.133 0.151 Tính toán đường kính tháp D= 4.Vtb π 3600.ωtb (m) ( II-181) Trong : Vtb lượng ( khí ) trung bình tháp , m3/h ωtb tốc độ ( khí ) tháp , m/s Vận tốc khí tháp ωtb , m/s ωtb = ( 0,8 - 0,9 ) ω s ; ωs : vận tốc đảo pha , m/s Xác định vận tốc đảo pha : Tốc độ giới hạn tính theo công thức : Y= 10 e-4X Với ` ρ y µ x 0,16 ω 2s ( ) Y = g.d tđ F tđ ρ x µ n Gx 1/ ρ y X = ( G ) ( ) / ρx y ⇒ ωs = ( II-187 ) 10.e −4 X g.d td F td ρ x ρ y ( µ x / µ n ) 0,16 Ftd : mặt cặt tự đĩa , m2/m2 ; chọn Ftd = 0,2 g : Gia tốc trọng trường 9,8 m/s2 ωs : vận tốc đảo pha , m/s µ x , µ n : độ nhớt pha lỏng nhiệt độ trung bình nước 20 0C N.m/s2; µ n = 1,005.10 −3 N.s/m2 Gx, Gy lưu lượng lỏng , tháp , kg/h dtđ : đường kính tương đương lỗ hay rãnh , m dung môi ta nước khí khí nên ta co thể chọn dtđ = 3.10-3 m Độ nhớt pha lỏng µ x : lg µ x = xtblg µ NH + (1- xtb )lg µ H O ⇒ µ x = 10 ( I-84 ) xtb lg µ NH + (1− xtb ) lg µ H 2O µ NH , µ H 2O : độ nhớt động lực NH3 H2O 25 0C xtb: nồng độ phần mol trung bình NH3 nước ta có Xtb = Xđ + Xc Từ phương trình cân vật liệu ta có G 353,685 −3 tr Xc = G (Yđ −Y c) = 1275,387 (0,136 − 6,8.10 ) = 0,036 ( kmol/ kmol dung môi ) x X tb = 0,018 ( kmol/ kmol dung môi ) + X tb ⇒ Xtb = 0,018 ⇒ xtb = Độ nhớt NH3 : tra bảng I.101 ( I-91) µ NH (20 C ) = 0,226.10 −3 ( N.s/m2 ) µ NH (30 C ) = 0,217.10 −3 ( N.s/m2 ) −3 Ta nội suy µ NH (25 C ) = 0,222.10 ( N.s/m2 ) Tra bảng ta có µ H O (250C) = 0,8937 10-3 N.s/m2 µx = 10 0,05 lg 0, 222.10 +(1−0, 055) lg 0,8937.10 = 8,310.10 −4 ( N.s/m2 ) Khối lượng riêng pha khí ρ y 3 −3 My T0 P ( I- ) R.T 22,4 T P + (1 − ytb ) M KK = 6,664.10 −2.17 + (1 − 6,664.10 −2 ).29 = 28,2 ρy = M y = ytb M NH −3 P.M y ⇒ ρy = = 28,2.273.1 = 1,153 298.1.22,4 Kg/mol kg/m3 Trong M NH , M KK : khối lượng phân tử NH3 , không khí Khối lượng riêng pha lỏng ρ x a NH − a H 2O = + ρ x ρ NH ρ H 2O ⇒ ρx = ( Trong a NH ρ NH + − a H 2O ρ H 2O ( I- ) ) −1 a H 2O , a NH nồng độ phần khối lượng NH3 H2O xtb M NH a NH = = 0,017 ( kg/ kg ) xtb M NH + (1 − xtb ) M H 2O ρ H 2O = 997,08 (kg/m3) Tra bảng I.2 ( I-9 ) ta có : Khối lượng riêng NH3 lỏng 200C 610 kg/m3 400C 580 kg/m3 Theo phương pháp nội suy ta có ρ NH (25 C ) = 603 ⇒ ρx = ( ⇒ kg/m3 0,017 − 0,017 −1 986,816kg/m3 + ) = 603 997.08 Gx 1/ ρ y 1275,387 / 1,153 / X = ( G ) ( ) / =( ( 401,786 ) ( 986,816 ) = 0,574 ρx y ⇒ ωs = 10.e −4 X g d td F td ρ x ρ y ( µ x / µ n ) 0,16 = 10.e −4.0.574 9,8.3.10 −3 0,2 2.986,816 = 1,018 m/s 1,153.(0,8747 / 1,005) 0,16 ⇒ ωtb = 0.9ω s = 0,9.1,018 = 0.916 m/s Lượng khí trung bình tháp Vtb = D= Gtb M y ρy = Gtr (1 + ytb ).M y 4.Vtb π 3600.ωtb ρy 353,685.(1 + 6,664.10 −2 ).28,2 = = 9226,868 m3/h 1,153 4.9226,868 = 1,887 m 3,14.3600.0,916 = Ta lấy tròn đường kính tháp D = 1,9 m Xác định chiều cao tháp H = Ntt ( Hđ + δ ) + (0,8 :1) (m) ( II -168 ) Trong : Ntt : số đĩa thưc tế -3 δ : chiều dày đĩa ( m ): Chọn δ = 5.10 ( m ) Hđ : khoảng cách đĩa Chọn Hđ = 0,3 ( m ) Số đĩa lý thuyết xác định cách dựng đường cong phụ BC : BC = AC Cy ( II – 173) Cy = e my ( II – 172 my = m y = K y F GY ( II – 173) Ky : Hệ số chuyển khối ; F : Diên tích làm việc ( m2 ) ; Gy : lượng trung bình tháp ; Ky = 1 m + βx β y ( II- 162 ) Trong : m : Hệ số phân bố vật chất phụ thuộc nhiệt độ, áp suất, nồng độ pha β x , β y : Hệ số cấp khối pha lỏng pha khí ( kmol/m2.s) kmol β y = 3,03.10 −4.ω y 0,76 ∆Px , kmol ( II – 164) m s kmol −4 33,7.10 ∆Px kmol βx = , ( II – 164 ) 1,95ω y − 0,41 m s kmol kmol ω y : tốc độ khí tính cho mặt cắt tự tháp, m/s ∆Px = ∆Pđ − ∆Pk : trở lực thủy lực lớp chất lỏng đĩa,N/m2 ∆Pđ : trở lực thủy lực chung đĩa, N/m2 ∆Pk : trở lực đĩa khô, N/m2 ∆P = N tt ∆Pđ , ( N/m2 ) ( II – 192 ) ∆Pđ = ∆Pk + ∆Ps + ∆Pt ( N/m2 ) ⇒ ∆Pđ − ∆Pk = ∆Ps + ∆Pt Trở lực sức căng bề mặt : ∆Ps = 4.σ d tđ , ( II – 192 ) σ : sức căng bề mặt hỗn hợp , ( N/m2 ) σ NH σ H 2O 1 = + ⇒σ = σ σ NH σ H 2O σ NH + σ H 2O ( I – 299 ) σ NH , σ H 2O : sức căng bề mặt H2O NH3 250C Tra bảng I.242 ( I – 300 ) σ NH (200C) = 21,2 10-3 N/m σ NH (400C) = 16,8 10-3 N/m Ta nội suy σ NH (250C) = 20,1.10-3 ( N/m ) Tra bảng ta có σ H O (250C) = 71,96.10-3 (N/m) 3 ⇒σ = 20,1.71,96.10 −6 = 15,71.10 −3 −3 ( 20,1 + 71,96).10 15,71.4.10 −3 ⇒ ∆Ps = = 20,947 3.10 −3 v ( N/m ) (N/m2) Trở lực lớp chất lỏng đĩa ∆Pt = ρ b g hb (II – 195 ) hb : chiều cao lớp bọt đĩa , m hb = 4.d tđ ( ω y 0, ) g d tđ (m) g : gia tốc trọng trường , g = 9,8 m/s2 Do ta chọn Ftđ = 0,2 nên ( II – 195 ) Tốc độ khí tính cho mặt cắt tự đĩa ω y = 5.ωtb = 4,58 m/s 4,58 ⇒ hb = 4.3.10 ( ) 0, = 0,0446 (m) −3 9,8.3.10 −3 Khối lượng riêng bọt đĩa ρ b = 0,43.( G x 0,325 ρ y 0,18 µ x 0,056 ) ( ) ( ) ρ x Gy ρx µy ( kg/m3 ) ( II – 195) Độ nhớt pha khí xác định theo công thức My µy ytb M NH = µ NH + (1 − ytb ).M KK µ KK ( I – 85 ) Trong M NH , M KK : khối lượng phân tử NH3 , không khí Độ nhớt NH3, không khí 250C µ NH = µ NH 273 + C T / ( ) T + C 273 ( I – 86 ) Trong µ NH : độ nhớt đông học NH3 0C 93.10-7 N.s/m2 ⇒ µ NH = 102,753.10-7 N.s/m2 Tra bảng Độ nhớt không khí 250C µ KK = 180.10 −7 N.s/m2 M y = ytb M NH + (1 − ytb ) M KK = 6,664.10 −2.17 + (1 − 6,664.10 −2 ).29 = 28,2 Kg/mol Độ nhớt pha khí: 3 µy = My ytb M NH µ NH + (1 − ytb ).M KK µ KK ⇒ µ y = 174,721.10 −7 ρ b = 0,43.( = 28,2 6,664.10 17 (1 − 6,664.10 −2 ).29 + 102,753.10 −7 180.10 −7 −2 N.s/m2 G x 0,325 ρ y 0,18 µ x 0,056 ) ( ) ( ) ρ x Gy ρx µy ( kg/m3 ) 1275,387 0,325 1,153 0,18 0,874710 −3 0,036 = 0.43.( ) ( ) ( ) 986,816 = 99,992 (kg/m3 ) 401.786 986,816 1,747.10 −5 ⇒ ∆Pt = ρ b g.hb = 211,121.9,8.0,321 = 664,144 N/m ⇒ ∆Px = ∆Pđ − ∆Pk = ∆Ps + ∆Pt = 99,992 + 20,947 = 120,939 N/m2 Hệ số cấp khối pha lỏng pha khí β y = 3,03.10 −4.ω y 0, 76 ∆Px = 3,03.10 −4.4,580,76.120,939 = 0,116 kmol kmol m s kmol 33,7.10 −4 ∆Px 33,7.10 −4.120,939 kmol βx = = = 0,0480 kmol 1,95ω y − 0,41 1,95.4,58 − 0,41 m s kmol Ta thấy đường cân có dạng đường thẳng Nên m = Ky = 1 m + βx βy = 1 + 0,048 0,116 y= 3.x = 0,0214 π D 3,14.1,9 = = 2,834 Diện tích làm việc F = 4 m2 Lượng khí trung bình tháp 401,786 Gy = = 0,112 kmol/s 3600 Số đơn vị chuyển khối my = K F 0,0214.2,834 = = 0,541 Gy 0,112 ⇒ Cy = e ⇒ BC = my = e 0,541 = 1,72 AC AC = C y 1,72 Với A thuôc đường cân bằng, C thuộc đường làm việc Vẽ đường cong phụ qua điểm B1, B2, B3 ….Bn Ta có bảng số liệu X 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 YA 0.015 0.030 0.045 0.061 0.077 YC 0.007 0.025 0.043 0.061 0.079 0.097 YB 0.004 0.020 0.037 0.054 0.071 0.088 Từ đồ thị ta xác định số đĩa lý thuyết Ntt= 18 Vậy chiều cao tháp: H = 18.(0,3+5.10-3) + = 6,49 m Quy chuẩn H = 6,5 m Xác định trở lực tháp Tổng trở lực toàn tháp : ∆P = N tt ∆Pđ N/m2 ∆Pđ = ∆Pk + ∆Ps + ∆Pt 0.03 0.093 0.115 0.035 0.110 0.133 0.004 0.127 0.151 0.105 0.123 0.1409 Ta tính : ∆Ps = 20,947 N/m2 ∆Pt = 120,939 N/m2 ϖ ρ y ∆Pk = ξ N/m2 Trong ϖ : Tốc độ khí qua lỗ đĩa m/s ξ : Hệ số trở lực Chọn ξ = 1,5 ϖ ρ y 4,58 2.1,153 ⇒ ∆Pk = ξ = 1,5 = 18.139 N/m2 2 ∆Pđ = ∆Pk + ∆Ps + ∆P = 20,947 + 120,939 + 18,139 = 160,025 Vậy ∆P = N tt ∆P = 18.160,025 = 2880,45 N/m2 N/m2 Bảng mô số điều kiện ρx P(mmHg) m Gx 760 2,934 1289,139 986,47 1520 1,407 617,152 975,5 2280 0,978 393,156 964,30 3040 0,734 281,158 952,7 3800 0,587 213,959 940,7 ρy 1,15 2,31 βx βy D(m) 1,89 0,048 0,022 1,51 0,052 0,027 Cy 1,72 1,53 3,46 4,61 1,33 1,21 0,054 0,031 0,057 0,032 1,44 1,39 5,76 1,13 0,058 0,034 1,35 Nhận xét : Khi tăng áp suât làm việc tháp ta co thể giàm đường kính tháp, giảm lược dung môi tiêu tốn nhiên chiều cao tháp tăng lên ( hệ số Cy giảm ).Mặt khác việc tăng áp suât làm việc gặp khó khăn dẫn tới việc chế tạo thiết bị tốn II TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ PHỤ Bơm Ta chọn bơm ly tâm dể cung cấp chất lỏng cho toàn hệ thống Công suất yêu càu trục bơm : N= Q.ρ g H , Kw 1000.η ( I - 439 ) Trong Q: suất bơm ,m3/s ρ : Khối lượng riêng chất lỏng , kg/m3 g : gia tốc trọng trường , g = 9,81 m/s2 H : áp suất toàn phần bơm , m η : hiệu suất chung bơm η = 0,72 0,93 ,η = η η tl η ck η : hiệu suất thể tích tính đến hao hụt chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áo suất thấp chất lỏng dò qua chỗ hở bơm η tl : hiệu suất thủy lực, tính đến ma sát tạo dòng xoáy bơm η ck : hiếu suất khí tính đến ma sát ổ bi, ổ lót trục Chọn η = 0,9 ; η tl = 0.85 ;η ck = 0,95 ⇒ ,η = η η tl η c = 0,9.0,85.0,95 = 0,73 Năng suất bơm G x M H 2O 1275,387.18 Q= = = 6,.10 −3 m3/s ρ H 2O 3600 987,08.3600 Áp suất toàn phần bơm H= p2 − p1 + H + hm ρ g p , p1 :áp suất bề mặt chất lỏng không gian đẩy hút, N/m2 p1 = p2 = 1atm H0 : chiều cao nâng chất lỏng , m hm : áp suất tiêu tốn để thắng toàn trở lực đường ống hút đẩy hm = ∆P ρ g ∆P :áp suât toàn phần cần thiết để khắc phụ tất trở lực hệ thống ∆P = ∆pđ + ∆pm + ∆p H + ∆pt + ∆pk + ∆pc ( I- 376 ) ∆p đ : áp suất cần thiết để tạo tốc độ cho dòng chảy khỏi ống dẫn ∆p đ = ( ρ ω ) / , N/m2 ( I -377 ) ρ : khối lượng riêng nước, kg/m3 ρ = 997,08 kg/m3 ω : tốc độ lưu thể , m/s Chọn ω = m/s ống hút ống đẩy ⇒ ∆pđ = (997,08.2 ) / = 1994,16 N/m2 ∆p m : áp suất để khắc phục trở lực ma sát dòng chảy ổn định ống thẳng ∆pm = λ L ρ ω d tđ N/m2 ( I- 377 ) L : chiều dài ống dẫn , m Chọn L = 15 m dtđ : đường kính tương đương ống, m d tđ = Vx 0.785.ω Vx : lưu lương thể tích chất lỏng Vx = G x M H 2O 3600.ρ H 2O ⇒ d tđ = = 1275,387.18 = 0,0064 m3/s 3600.987,08 0,0064 = 0.064 m 0,785.2 λ : hệ số ma sát xác định theo công thức 0, = −2 lg ( 6,81 / Re ) + ∆ / 3,7 λ [ ] Re số raynol xác định the công thức ω.d tđ ρ 2.0,064.997,08 = = 142,806.10 > 4000 −3 µ 0,8937.10 ⇒ Chất lỏng chảy xoáy nên λ xác định theo công thức phù hợp ∆ : độ nhám tương đối ∆ = ε / d tđ ε : độ nhám tuyệt đối Chọn ống thép ε = 0,1.10-3 m ⇒ ∆ = ε / d tđ = 0,1.10 −3 / 0,064 = 1,56.10 −3 m 0,9 0,9 ⇒ = −2 lg ( 6,81 / Re ) + ∆ / 3,7 = −2 lg ( 6,81 /(142,806.10 ) ) + 1,56.10 −3 / 3,7 = 6,52 λ ⇒ λ = 0,024 L ρ ω 15 997,08.4 ⇒ ∆p m = λ = 0,024 = 22217,15 N/m d tđ 0,064 Re = [ ] [ ∆pc : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục ω ρ ∆pc = ξ ξ : hệ số trở lực cục ( I -377 ) Chọn van chiều tiêu chuẩn : ξ1 = 1,9 Chọn van tiêu chuẩn : ξ = 4,7 ] Hệ số trở lực khuỷu: khuỷu 450 tạo thành → ξ3 = 0,38 →ξ = ∑ξ i = ξ1 + ξ + ξ = 1,9 + 4,7 + 2.0,38 = 7,36 2 ⇒ ∆pc = ξ ω ρ = 7,36 4.997.08 = 14677,018 N/m 2 ∆p H : áp suất cần thiết để nâng chất lỏng lên cao ∆p H = ρ g H ( I -377 ) H : chiều cao nâng chất lỏng , m Chọn H = 10 m ⇒ ∆p H = ρ g H = 997,08.9,8.10 = 97713,84 N/m2 ∆pt : áp suất cần thiết để khắc phục trở lực thiết bị, coi ∆pt = ∆p k : áp suất bổ xung cuối ống dẫn , coi ∆p k = Vậy ∆P = ∆pđ + ∆pm + ∆p H + ∆pt + ∆pk + ∆pc = 1994,16 + 14677,018 + 22217,15 + 97713,84 = 136602,168 N/m2 ⇒ hm = ∆p 136602,168 = = 13,98 m ρ g 9,8.997,08 Áp suất toàn phần bơm H= p2 − p1 + H + hm = + 13,98 + 10 = 23,98 m ≈ 24 m ρ g Vậy công suất yêu càu trục bơm N= Q.ρ g H 6,4.10 −3.997,08.9,8.24 = = 2,056 1000.η 1000.0,73 kW Công suất động điện : N đc = N η tr η đc ( I -439 ) η tr : hiệu suất truyền động η đc : hiệu suât động điện Chọn η tr = 0,85 ; η đc = 0,9 N 2,056 = = 2,69 kW ⇒ N đc = η tr η đc 0,9.0,85 Ta chọn động có công suất Chọn β = 1.3 N c đc = β N đc ⇒ N c đc = β N đc = 1.3.2,69 = 3,497 kW Vậy ta chọn bơm có công suất : 3,5 kW Quạt thổi khí - Chọn quạt li tâm để vận chuyển khí quạt li tâm có nhiều ưu điểm Gọn nhẹ , tốn vật liệu Chế độ làm việc ổn định , tạo áp suất lớn Công suất lý thuyết quạt N lt = V yd ρ hh Q: suất quạt Q = Vyđ = ⇒Q= G y 22,4.T P0 P.T0 = Q.∆P ( kw) 1000 3600 401,786.22,4.298 = 9824,183 m3/h 273 9824,183.1,153 = 3,146 kg/s 3600 Áp suất toàn phần quạt tạo : w2 ρ ∆P = ( p − p1 ) + ∆Ph + ∆Pd + + ( ρ k − ρ ).g H Với ∆P : áp suất toàn phần quạt tạo N/m2 p1 , p2 : áp suất dư không gian đẩy , hút (N/m2) Vì tháp làm việc p= 1at áp suất môi trường nên (p2-p1) = ∆Ph, ∆Pd : áp suất mát đường hút , đẩy (N/m2) ρ , ρ k : khối lượng riêng khí vận chuyển , môi trường xung quanh (kg/m3) : ρ k = 1,184 kg/m3 w : vận tốc dòng khí (m/s) H : chiều cao cần đưa khí lên (m) , chọn H = m Áp suất mát đường ống đẩy ∆Pd = ∆P1 + ∆P2 ∆P1 : trở lực ma sát ống đẩy (N/m2) ∆P2 : trở lực ma sát cục ống đẩy (N/m2) ∆P1 xác định theo : ∆P1 = λ Với L ρ w2 d td [II.377] L: chiều dài toàn hệ thống ống dẫn , chọn L = (m) dtđ: đường kính tương đương ống dẫn (m) ρ : khối lượng riêng hỗn hợp khí ban đầu (kg/m3) w : vận tốc khí ống (m/s) Chọn tốc độ khí w= 25 m/s Đường kính tương đương ống dẫn - d tđ = Re = V 2,563 = = 0,361 (m) 0,785.w 0,785.25 w.d ρ ytb = µ hh 25.0,361.1,153 = 14,8.10 −7 174,721.10 > 4000 Thiết bị làm việc chế độ xoáy Do λ xác định theo công thức [ 0, = −2 lg ( 6,81 / Re ) + ∆ / 3,7 λ ] Chọn ống thép ε = 0,1.10-3 (m) ∆ = ε / d tđ = 0,1.10 −3 / 0,361 = 0,277.10 −3 ⇒ = −2 lg[(6,81 / 14,8.10 ) 0,9 + 0,277.10 −3 / 3,7] = 8,229 λ ⇒ λ = 0,015 ⇒ ∆P1 = λ L ρ w 25 2.1,153 = 0,015 = 78,857 d td 0,361 ∆P2 xác định theo : ∆P2 = ξ w2 ρ Chọn ống thép không hàn : ξ1 = 0,5 N/m2 Chọn van tiêu chuẩn : ξ = 5,5 Hệ số trở lực khuỷu khuỷu 45o tạo thành ξ = 0,6 Vậy ξ = ∑ ξ i = ξ1 + ξ + 2ξ = 7,2 ⇒ ∆P2 = 7,2 25 1,153 = 2584,25 (N/m2) Xác định ∆Ph : ∆Ph = ∆P3 + ∆P4 Với ∆P3 : tổn thất áp suất ma sát , N/m2 ∆P4 : trở lực cục đường ống hút , N/m2 - ∆P3 xác định theo : ∆P3 = λ L ρ w2 d td L : chiều dài ống hút , chọn L = 5m Chọn tốc độ khí ống hút ω = 25 m ⇒ d tđ = 0,361 m Chọn tốc độ khí w= 25 m/s Re = w.d ρ ytb µ hh = 25.0,361.1,153 = 14,8.10 −7 174,721.10 > 4000 Thiết bị làm việc chế độ xoáy Do λ xác định theo công thức [ 0, = −2 lg ( 6,81 / Re ) + ∆ / 3,7 λ ] Chọn ống thép ε = 0,1.10-3 (m) ∆ = ε / d tđ = 0,1.10 −3 / 0,361 = 0,277.10 −3 ⇒ = −2 lg[(6,81 / 14,8.10 ) 0,9 + 0,277.10 −3 / 3,7] = 8,229 λ ⇒ λ = 0,015 ⇒ ∆P3 = λ L ρ w 25 2.1,153 = 0,015 = 78,857 d td 0,361 N/m2 ∆P2 xác định theo : ∆P2 = ξ w2 ρ Chọn ống thép không hàn : ξ1 = 0,5 Chọn van tiêu chuẩn : ξ = 5,5 Hệ số trở lực khuỷu khuỷu 45o tạo thành ξ = 0,6 Vậy ξ = ∑ ξ i = ξ1 + 2ξ + 2ξ = 12,7 ⇒ ∆P2 = 12,7 25 1,153 = 4575,969 (N/m2) ∆Ph = ∆P3 + ∆P4 = 4575,969 + 78,857 = 4836,826 N/m2 ∆Pd = ∆P1 + ∆P2 = 78,857 + 2584,25 = 2663,107 N/m2 Vậy áp suất toàn phần quạt tạo P = ( p2 − p1 ) + ∆Ph + ∆Pd + w2 ρ + ( ρ k − ρ ).g H = 4836,826 + 2663,107 + 25 2.1,153 + ( 1,184 -1,153 ).9,8.1 = 7860,549 N/m3 Công suất lý thuyết quạt N= Q.∆P 7860,549.3,146 = = 24,73 kW 1000 1000 Công suất thực tế quạt N tt = N lt η η : hiệu suất quạt , η = 0,85 ⇒ N tt = N lt 24,73 = = 29,09 η 0,85 kW Thường động điện chọn có công suất dự trữ với hệ số dự trữ công suất β = 1,1 Vậy động cần mắc cho quạt hệ thống là: Nđc = β Nđc = 1,1.29,09 = 31,999 (kW) Chọn máy nén có công suất 32 kW III TÍNH TOÁN CƠ KHÍ Chọn vật liệu: Do thiết bị làm việc điều kiện áp suất thấp (P = at), nhiệt độ không cao ( t = 25oC) nên ta chọn vật liệu dẻo, chịu nhiệt chịu ăn mòn nhẹ Đối với hỗn hợp khí NH3- không khí, dung môi H2O nên ta chọn vật liệu thép cacbon CT3 Thân thiết bị cấu tạo từ thép lại thành hình trụ hàn ghép mối lại với yêu cầu: Mối hàn phải dễ quan sát Mối hàn phải kín Không khoan lỗ qua mối hàn Thiết bị gồm ba đoạn: thân, nắp đáy nối vơi mặt bích Do thiết bị có chiều cao H = 6,5 m nên thân thiết bị ghép từ đoạn thân, đoạn cao khoảng 2,2 m; chúng hàn ghép mối với Các chi tiết: a Chiều dày thân: Thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong, chiều dày tính theo Dt Pt S = 2.[σ ].ϕ − P + C ; m t ( II-360 ) đó: Dt : đường kính tháp, Dt = 1,9 m ϕ: hệ số bền hàn thành trụ theo phương dọc C: hệ số bổ sung ăn mòn, bào mòn, dung sai chiều dày (m) Pt: áp suất thiết bị (N/m2) Tính toán: Tháp hàn dọc hàn tay hồ quang điện Đối với vật liệu thép cacbon CT3, kiểu hàn ghép nối với Dt = 1,9 m > 700 mm có ϕ = 0,95 Pt = Pmt + Ptt Với : Pmt: áp suất làm việc tháp = atm ≈ 1,013.105 N/m2 Ptt: áp suất thuỷ tĩnh cột chất lỏng tháp Ptt = g.δ.H (N/m2) H: chiều cao tối đa cột chất lỏng,lấy tối đa H = 6,5 m Khối lượng riêng chất lỏng = 997,08 kg/m3 Vậy Ptt = 9,8.997,08.6.5 = 63513,996 (N/m2) Suy ra: Pt = 1,013.105 + 63513,996 = 164813,996 (N/m2) Xác định C: C = C1 + C2 + C3 Với vật liệu thép cacbon CT3 có : C1: bổ sung ăn mòn = mm = 0,001 m C2: bổ sung hao mòn ≈ C3: bổ sung dung sai chiều dày, phụ thuộc vào chiều dày thép; C3 = 0,6.10-3 m Vậy C = C1+ C2 + C3 = 1,6.10-3 (m) Do thiết bị cách ly trực tiếp với nguồn nóng nên hệ số điều chỉnh η = Ứng suất cho phép xác định theo giá trị nhỏ từ hai công thức sau: [σk ] = σk σ η (N/m2) ; [σc ] = c η (N/m2) nk nc ( II – 355 ) nk, nc: hệ số an toàn giới hạn bền, giớ hạn chảy: nk = 2,6 ; nc = 1,5 σk, σc: ứng suất cho phép kéo, chảy; σk =380.106; σc = 240.106 Vậy: 380.106 240.106 1 [σk ] = 2,6 = 146,0.106 (N/m2); [σc ] = 1,5 = 160.106 (N/m2) 146.10 [σ k ] ϕ 0,95 Chọn [σk ] = 146.106 P h = 164813,996 = 841,555 > 50 t → bỏ qua đại lượng Pt mẫu số công thức tính S Vậy chiều dày thân thép là: 1,9.164813,996 S = 2.146.10 6.0,95 + 1,6.10-3 = 2,72.10-3 m = 2,72 mm lấy S = mm Kiểm tra ứng suất thành thiết bị theo áp suất thử (dùng nước) Áp suất thử tính toán Po xác định Po = Pth + P l Pth: áp suất thuỷ lực = 1,5.Pt = 1,5.1,013.105 = 1,519.105 (N/m2) Pl = Ptt = 63513,996 N/m2 Suy Po = 1,519.105 + 63513,996 = 2,175.105 (N/m2) Xác định ứng suất thân tháp theo áp suất thử tính toán: σ= [ Dt + ( S − C )].Po 2( S − C ).ϕ = [1,9 + (5.10 −3 ] − 1,6.10 −3 ) 2,175.10 2(5.10 −3 − 1,6.10 −3 ).0,95 σc = 81,056.106 < 1,5 = 160.106 → thiết bị đảm bảo an toàn b Tính đáy nắp tháp: Chọn đáy nắp elip nối với thân thiết bị mặt bích, tâm có đục lỗ để thải khí lỏng sau hấp thụ Chọn loại thép loại với thân thép cacbon CT3 Nắp tháp: Chiều dày Sn nắp tháp xác định Sn = Dt P D t +Cn ; m 3,8.[σ k ].k ϕ h − P 2.hl ( II-385 ) C1: Đại lượng bổ sung; S-C = 3,4 mm < 10 mm thêm vào C cỡ mm C1→ C1 = C + = 1,6 + = 3,6 mm = 3,6.10-3 m hl: chiều cao phần lồi nắp, hl = 0,25.Dt = 0,475 (m) ϕh = 0,95 d k: hệ số không thứ nguyên, k = - D t d: đường kính lớn lỗ không tăng cứng, d = 0,1 m 0,1 → k = - 1,9 = 0,947 [σ ] k.ϕ Do: P h 146.10 0,947.0,95 = 1,013.10 = 1296,6> 30 nên đại lượng P mẫu số biểu thức tính Sn bỏ qua Vậy chiều dày nắp tháp là: 1,9.1,013.105 1,9 + 3,6.10 − = 4,37.10-3 m = 4,37 mm Sn = 3,8.146.10 0,947.0,95 2.0,475 Chọn Sn = mm 0Tương tự ta kiểm tra ứng suất lên nắp thiết bị theo áp suất khử thuỷ lực kết cho thấy nắp thiết bị Dt đảm bảo an toàn h Các thông số nắp tháp: Dt = 1,9 m = 1900 mm Sn = mm hl = 0,475 m = 475 mm h = 25 mm hl Tra bảng XIII.11 ( II-384) ta khối lượng nắp tháp là: m = 258 kg Đáy tháp: Hoàn toàn tương tự nắp tháp Chọn mặt bích: Dùng bích liền thép để nối thiết bị theo thông số tra từ bảng XIII.27 ( II-423 ) Chọn bích nối đáy - nắp với thân tháp Chọn nối phận khác Py.10-6 (N/m2) 0,1 Dt mm 1900 D Db D1 Do mm 2040 mm 1990 mm 1960 mm 1915 Bu lông db(mm) z (cái) M20 40 h mm 28 db D Db D1 h Do Dt chân đỡ: a Khối lượng toàn tháp: Khối lượng thân: Mthân = Vthân.ρCT Vthân: thể tích phần vỏ thân tháp; m3 Vthân = π Dn2 − Dt2 H th Dt = 1,9 m; Dn: đường kính = Dt + 2.S = 1,9 + 2.0,005 = m Hth: chiều cao thân tính từ đĩa đến đĩa = 6,5 m Thay giá trị vào ta tính được: Chọn Vthân = 3,14 1,912 − 1,9 6,5 = 0.194 (m3) →Mthân = 0.194.7850 = 1523 (kg) Khối lượng đáy nắp tháp = 2.258 = 516 (kg) Khối lượng nước: Khi có cố, nước bị điền đầy vào tháp Khối lượng nước là: MH2O = ρH2O.VH2O D VH2O = π t H o ; Ho = chiều cao tháp + chiều cao đáy + chiều cao nắp = H + hb + hb + h + h = 6,5 + 0,475 + 0,475+ 0,025 + 0,025 = 7,5 (m) → VH2O = π 1,9 7,5 = 21,254(m3) → MH2O = 997,08.21,254 = 21191,938 (kg) Ta chọn đĩa thép CT3 dây 5mm Trên đĩa có khoét rãnh rộng 1,5 mm dài 100 mm Diện tích rãnh f = 1,5.0,1.10-3 = 1,5.10-4 m2 Diện tích tự đĩa Ftd = 0,2 F = 0,2.2,834 = 0,567 m2 Số rãnh đĩa n = Ftd/ f = 3780 rãnh ta có khối lượng đĩa là: Mđo= 0,8 π 1.9 Dt2 S d ρCT = π 0,005 7850 = 89.84 (kg) 4 Tháp có 18 đĩa nên khối lượng tổng tất đĩa là: Mđ =18.Mđo = 18.89.84 = 1317,12 (kg) Khối lượng bổ sung gồm khối lượng chóp, bu lông, giằng… Chọn Mbs =200 kg Vậy khối lượng toàn tháp là: Mtháp = 21191,938 + 516 + 1523+ 1317,12 + 300 = 24332,058 (kg) Trọng lượng tương ứng tháp: P = Mtháp.g 24332,058.9,8 = 238454,168(N) Lựa chọn chân đỡ: Chọn chân đỡ, chân đỡ chịu tải trọng là: G = P:4 = 238454,168:4 = 5,96.104 (N) Tra bảng số liệu chuẩn XIII.35 ( II-437) ta chon chân đỡ có thông số sau: G.10-4 L (N) 8,0 320 B B1 B2 265 270 400 H mm 500 h S l d 275 22 120 34 ... công nghệ sản xuất, việc thiết kế hệ thống thiết bị hấp thụ NH cần thiết Các loại tháp hấp thụ: - Thiết bị loại bề mặt: đơn giản, bề mặt tiếp xúc bé nên dùng chất khí dễ hoà tan lỏng - Thiét bị loại... khí Khí NH3 sau xử lý lên nắp tháp qua cửa thoát khí nắp SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HẤP THỤ NH3 Chú thích : Nước hấp thụ NH3 qua cửa tháo lỏng đáy tháp đưa đến hệ thống nhả hấp thụ I, TÍNH TOÁN THIỆT BỊ CHÍNH... ban đầu cấu tử cần hấp thụ hỗn hợp khí ( Kmol / Kmol khí trơ) - Yc : nồng độ cuối cấu tử cần hấp thụ hỗn hợp khí ( Kmol / Kmol khí trơ) - Gy : lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ ( Kmol/ h )