Báo cáo thiết kế thiết bị hấp thụ hơi methanol

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC   BÀI TẬP LỚN MÔN: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THIẾT KẾ THÁP MÂM XUYÊN LỖ HẤP THỤ HƠI METHANOL TRONG KHÔNG KHÍ GVHD: ThS... Vì vậy đồ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

 

BÀI TẬP LỚN MÔN: QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THIẾT KẾ THÁP MÂM XUYÊN

LỖ HẤP THỤ HƠI METHANOL

TRONG KHÔNG KHÍ

GVHD: ThS Cao Thanh Nhàn SVTH:

MSSV:

LỚP: DHHO11A

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 11 năm 2018

LỜI MỞ ĐẦU

Ô nhiễm không khí từ các ngành sản xuất công nghiệp ở nước ta, trong nhữngnăm gần đây đang là vấn đề quan tâm không chỉ của nhà nước mà còn là của toàn

xã hội bởi mức độ nguy hại của nó đ đến lúc báo động

Bên cạnh nguyên nhân đây l một lĩnh vực còn khá mới mẻ mà chúng ta chưa thấy hết được mối nguy hiểm của nó đối con người và sinh vật , mặt khác chưa có

hệ thống quản lý môi trường thật sự hoàn chỉnh để có thể kiểm soát , và chưa được

sự chú trọng đáng mức từ phía các nhà sản xuất

Vì vậy đồ án môn học kỹ thuật xử lý chất thải với nhiệm vụ thiết kế tháp hấp thụ khí Methanol bằng nước là một trong số những công việc cần làm vo lc này để giúp giảm thiểu ô nhiễm từ các dạng khí thải

Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn , các thầy cô bộ môn và các bạn sinh viên giúp em hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Phần đánh giá: Nội dung thực hiện:

Hình thức trìnhbày:

Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp.HCM, ngày……tháng……năm……

Nhận xét của giáo viên phản biện

Phần đánh giá: Nội dung thực hiện:

Hình thức trình bày:

Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

Tp.HCM, ngày……tháng……năm……

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 1

1 Khái niệm 2

1.1 Hấp thụ 2

1.2 Các yếu tố phụ thuộc để lựa chọn dung môi 2

2 Cơ sở lí thuyết : 3

2.1 Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ 3

2.2 Các quá trình cơ bản của quá trình hấp thụ 3

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thụ: 4

2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ: 4

2.3.2 Ảnh hưởng của áp suất : 5

2.3.3 Các yếu tố khác: 5

3 Tổng quan về hơi methanol 5

3.1 Tính chất 5

3.2 Ứng dụng 6

3.3 Cơ chế nhiễm độc 7

3.4 Cơ sở lý thuyết của các quá trình xử lý hơi methanol 7

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 8

CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 11

1 Tính cân bằng vật chất 12

2 Tính toán thiết bị chính 13

2.1 Tính toán các thông số trung bình 13

2.1.1 Tính toán thông số trung bình của pha khí 13

2.1.2 Độ nhớt của pha khí: 13

2.1.3 Lưu lượng pha khí trung bình: 14

2.1.4 Tính toán thông số trung bình của pha lỏng 14

2.1.5 Tính đường kính tháp hấp thụ 14

2.1.6 Tính toán hiệu suất và chiều cao tháp 15

2.2 Tính toán chiều cao của tháp 16

2.2.1 Tính toán thiết kế số lỗ trên mâm 17

2.2.2 Tính toán trở lực 17

2.2.3 Chiều cao lớp bọt trên đĩa: 18

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 19

1 Chọn vật liệu: 20

2 Áp suất tính toán: 21

2.1 Tính chiều dày thân : 21

2.2 Kiểm tra : 21

2.3 Bề dày tối thiểu của thân trụ : 21

2.4 Bề dày của thân thiết bị : 21

2.5 Kiểm tra: 22

3 Tính chiều dày đáy nắp 22

3.1 Chọn bích: 23

3.1.1 Bích nối đáy , nắp , thân thiết bị: 23

3.1.2 Kiểm tra ứng suất cho phép 24

3.1.3 Đường kính chân ren của bulông: 25

3.1.4 Bề dày bích liền: 26

3.2 Tính các đường ống dẫn: 27

3.2.1 Đường kính ống dẫn: 27

3.2.2 Ống dẫn lỏng: 27

4 Ống dẫn khí: 28

4.1 Khối lượng thiết bị: 28

4.2 Khối lượng đáy tháp: 30

4.3 Khối lượng thiết bị: 30

4.4 Thể tích thiết bị 31

5 Tính tai treo 31

6 Tính chân đỡ: 32

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ PHỤ 33

1 Tính toán máy quạt khí 34

2 Tính toán chọn bơm chất lỏng 34

KẾT LUẬN 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM

Mục đích: hấp thụ một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo một dung dịch

có 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 và pha lỏng Nếu quá trình xảy

ra ngược lại , nghĩa l cần sự truyền vật chất từ pha lỏng và pha hơi , ta cần quá trình nhả khí Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau

Trong công nghiệp hóa chất , thực phẩm quá trình hấp thụ dùng để:

Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí

Làm sạch pha khí

Tách hỗn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt

Tạo thành một dung dịch sản phẩm

Hấp thụ bao gồm quá trình hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học

- Hấp thụ vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng

1.2 Các yếu tố phụ thuộc để lựa chọn dung môi

Quá trình khí với mục đích là tách các cấu tử hổn hợp khí thỡ khi đi lựa chọn dung môi tốt là phụ thuộc vào 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 hoà tan cũng đáng kể các cấu tử còn lại Đây là điều kiện quan trọng nhất

2) Độ nhớt của dung môi cũng bé thì trở lực thủ học cũng nhỏ v v cĩ lợi cho

qu trỡnh 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 mòn thiết bị

2 Cơ sở lí thuyết :

2.1 Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ

Hấp thụ là quá trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng trong rất nhiều quá trình khác Hấp thụ trong cơ sở của quá trình truyền khối , nghĩa là phân chia haipha Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí

2.2 Các quá trình cơ bản của quá trình hấp thụ

a) Phương trình cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng vật liệu có dạng:

GYYĐ + GXXĐ = GXXC + GYYC

Trong đó :

GX :luợng khí trơ không đổi khi vận hành ( kmol/ h)

YĐ , YC: nồng độ đầu và cuối của pha khí (kmol/kmolkhí trơ)

XĐ , XC: nồng độ đầu và cuối của pha lỏng (kmol/kmolkhí trơ)

Lượng dung mơi tối thiểu: L min

Theo thực nghiệm ta thấy: L = (1.11.5)Lmin

b) Phương trình cân bằng nhiệt lượng :

Phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có :

GđIđ + LđCđTđ + Qđ = GcIc + LcCcTc +Qc

Trong đó:

Gđ, Gc : hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h)

Lđ, Lc : lựong dung dịch đầu và cuối (kg/h)

Tđ, Tc :nhiệt độ khí ban đầu và cuối (oC)

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

Qo: nhiệt mất mát (kj/h)

Qs:nhiệt phát sinh do hấp thụ khí(kj/h)

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

2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi các điều kiện khác không đổi nhiệt độ thấp tăng thì hệ số Henri sẽ tăng

Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung Nếu các đường làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm , số đĩa lý thuyết sẽ tăng và chiều cao của thiết bị sẽ tăng Thậm chí có khi tháp khơôg làm việc được vì nhiệt độ tăng quá so với yêu cầu kỹ thuật Nhưng nhiệt độ tăng cũng 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 số cân 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 trình truyền khối sẽ tốt hơn và số đĩa lý thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp sẽ thấp hơn.Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kéo theo sự tăng nhiệt độ Mặt khác, sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo vận hành của tháp hấp thụ

2.3.3 Các yếu tố khác:

Tính chất của dung môi , loại thiết bị và cấu tạo thiết bị độ chính xác của dụng

cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thụ

3 Tổng quan về hơi methanol

Tên gọi khác: methyl carbinol, carbinol

Trước đây Methanol được điều chế bằng cách chưng cất khô gỗ nhưng hiện nayphương pháp này đã được loại bỏ bằng phương pháp tổng hợp từ CO và H2 Ngoài raMethanol còn là một trong những sản phẩm trong quá trình oxi hoá paraffin trong pha khí

3.1 Tính chất

Là một chất lỏng không màu, sôi ở 65°C, nóng chảy ở -97°C, có mùi thơm và

vị nóng Tỉ trọng hơi với không khí là 1,1

Methanol tạo với không khí một hỗn hợp rất dễ nổ, với giới hạn nổ từ 6 - 35,6

%, nó tự bốc cháy ở 385°C

Methanol bị phân hủy nhiệt tạo ra carbon oxide và formaldehyde Nó phần ứng mạnh mẽ với các chất oxi hóa gây nguy cơ cháy và nổ Ngoài ra nó có thể tác dụng với Pb và AI.

Là một chất độc đối với thần kinh

Tiếp xúc

Tiếp xúc với hơi Methanol qua đường hô hấp trong sản xuất là chính Nó có thể hấp thụ qua da nhưng khó xẩy ra nếu da được bảo vệ tốt Tiếp xúc qua đường tiêu hóa là nguy cơ lớn nhất trong thực tế ngoài sản xuất do hàng gian, hàng giả (giả Etanol bằng Methanol) dẫn đến khả năng bị nhiễm độc NỒng độ gây tử vong cho con người chưa được xác định Theo báo cáo, một liều khoảng 25 cc Methanol 40 %

sẽ dẫn đến việc bị nhiễm độc Nhưng cũng có những trường hợp một số liều trên không gây ra hậu quả nào HầẦu hết các nguồn thông tin cho rằng khoảng 100 cc sẽ gây tử vong Đã từng có dịch bệnh gây ra bởi Methanol trong rượu whisky

3.3 Cơ chế nhiễm độc

Một khi bị hấp thụ, Methanol liên tục đi vào trong cơ thể và hiện tượng tăng huyết ấp sẽ xảy ra trong vòng 30 - 90 phút Nếu như hàm lượng Etanol không quá 2-5% Methanol thì có thể được bài tiết bởi thận một cách bình thường và một lượng nhỏ sẽ được đào thải qua phổi Với huyết áp thấp, chu kỳ phân rã của Methanol khoảng 2 - 3 giờ Khi huyết áp tăng quá 300 mg/dI, loại enzym có chức năng metan hoá Methanol sẽ bị bão hoà và chu kỳ phân rã sẽ tăng lên 27 giờ Khi điều này xẩy

ra, một lượng lớn hơi Methanol sẽ được hạn chế bởi thận và phổi Trong quá trình điều trị bằng Methanol chu kỳ phân rã có thể lên tới 30 — 52 giờ

Sau khi được hấp thụ vào cơ thể, Methanol được phân bố nhanh chóng vào các

tổ chức như sau:

Một phần nhỏ Methanol được thải loại nguyên vẹn theo không khí thở ra và quanước tiểu

Phần lớn Methanol còn lại được chuyển hoá bằng cách oxi hoá thành

formaldehyde và acid formic

3.4 Cơ sở lý thuyết của các quá trình xử lý hơi methanol

Các phương pháp xử lý hơi Methanol hay dùng trong thực tế là:

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG

NGHỆ

Thuyết minh quy trình công nghệ:

Khí cần được xử lý sẽ được thu lại rồi sau đó dùng quạt thổi khí vào tháp hấpthụ (tháp mâm xuyên lỗ) Dung dịch dùng hấp thụ là nước Tháp hấp thụ làm việcnghịch chiều: nước được bơm lên bồn 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 trình hấp thụxảy ra Hấp thụ xảy ra trong đoạn tháp có bố trí các mâm Hỗn hợp khí trơ đi ra ởđỉnh tháp sẽ được cho đi qua ống khói để phát tán khí ra ngoài không gây ảnh hưởngđến công nhân Dung dịch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồn chứa Tại đây ,dung dịch lỏng này sẽ được xử lý để sao cho nồng độ của nước thải đạt được nồng

độ cho phép để có thể thải ra môi trường

Sơ đồ quy trình công nghệ ( xem hình ở trang bên)

VẬ T LIỆ U

Bản vẽ số Ngày HT:

THIẾ T KẾ HỆ THỐ NG XỬ LY Ù KHÍ METHANOL THÁ P HẤ P THU MÂ M

XUY Ê N LỖ NGƠ Ð? C THÀNH CƠNG CAO THANH NHÀN TR? N HỒI Ð? C Họ tên Chữ ký

SƠ ĐỒ CÔ NG NGHỆ

ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT

Trường Đại học Cơng nghi?p Tp Hồ Chí Minh Khoa Cô ng nghệ Hó a học BỘ MÔ N MÁ Y VÀ T BỊ

TÊN GỌI SL

Tỉ 1:50 01 31/5/2004

1 3 5 B? N CH? A DUNG MƠI BƠM

N CAO VỊ LƯU LƯỢNG KẾ LỎ NG THÁ P THU VAN

1 1 1 17

LY TÂ M

LY TÂ M 1 1 QUẠT

LƯU LƯỢNG KẾ KHÍ BỒ N CHỨ A 10 8

1

7

Nu?c s?ch

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÂN

BẰNG VẬT CHẤT VÀ

NĂNG LƯỢNG

1 Tính cân bằng vật chất

Gtr=Gđ(1-yđ)=204,6(1-0,045)=195,4 Kmol/h

Ta có hiệu suất hấp thụ của tháp là 90%

Đường cân bằng pha :

Phương trình định luật Raoult: P=Pbh.x => ta có phương trình đường cân bằng:

Chọn Xd=0

xd=0

Ta có:

=(phương trình cân bằng vật chất cho quá trình ngược dòng)

X* suy ra bằng cách thay giá trị Yd= 0,05 vào phương trình cân bằng , ta có X*= 0.465

Ltr=1.3Ltr min=1.3*19,5=25.4 Kmol H2O/h

=

Phương trình đường làm việc của tháp hấp thụ

2 Tính toán thiết bị chính

2.1 Tính toán các thông số trung bình

2.1.1 Tính toán thông số trung bình của pha khí

Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp:

Ta có phần mol trung bình của methanol trong hỗn hợp

Khối lượng riêng trung bình của pha khí

2.1.2 Độ nhớt của pha khí:

Độ nhớt trung bình:

Với điều kiện tra bảng tại nhiệt độ: 30oC

Từ đồ thị I.35 (sổ tay qttb 1) ta được:

Độ nhớt trung bình

2.1.3 Lưu lượng pha khí trung bình:

2.1.4 Tính toán thông số trung bình của pha lỏng

2.1.5 Độ nhớt trung bình của pha lỏng: Vì ta chọn dung môi là nước, và lượng

hoà tan trong dung dịch không đáng kể nên độ nhớt của pha lỏng ta xem như là độ nhớt của nước

Ta có

Lưu lượng pha lỏng trung bình trong tháp:

2.1.6 Tính đường kính tháp hấp thụ

Tính vận tốc khí trung bình đi trong tháp

Chọn tháp mâm là tháp không có ống chảy truyền

Độ nhớt trung bình của pha lỏng ở 30oC và nước ở 20oC

Từ quan hệ giữa Y và X ta rút ra được

Vận tốc khí trung bình thường đạt hiệu suất từ

Nên: Vận tốc khí trung bình thực tế

Tính đường kính tháp

Thiết kế tháp có đường kính trong D= 400 mm tra bảng IX.5 (sổ tay qttb2) ta chọn khoảng cách giữa 2 mâm là 250mm với chiều dày mỗi mâm là 5mm

2.1.7 Tính toán hiệu suất và chiều cao tháp

Tính toán hiệu suất mâm và số mâm thực tế

Vậy số mâm thực tế chọn 12 mâm

2.2 Tính toán chiều cao của tháp

Chiều cao của tháp

Chọn : Chiều dày của đĩa là 5mm

Khoảng cách giữa 2 mâm 0,25m

2.2.1 Tính toán thiết kế số lỗ trên mâm

Thiết kế số lỗ trên mâm

Diện tích làm việc của mâm:

Tổng diện tích lỗ trên mâm

ξ : hệ số trở lực (

Ta có: Vận tốc khí qua lỗ

Trở lực của đĩa khô:

: trở lực thuỷ tĩnh của lớp chất lỏng trên đĩa

Trong đó: : khối lượng riêng của lớp bọt trên đĩa: chiều cao lớp bọt trên đĩa

2.2.3 Chiều cao lớp bọt trên đĩa:

Khối lượng riêng của lớp bọt trên đĩa:

Trở lực của toàn tháp:

Tính toán chiều cao gờ của mâm

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ

Plv=1,0629 105 (N/m2)

Ptt = 1,0629.105 + 995,68.9,81 5,135 = 1,5645.105 (N/m2)

2.1 Tính chiều dày thân :

Thân trụ hàn chịu áp suất trong Ptt = 1,74.105 N/m2 ,v t0 = 300C

Ca: hệ số bổ sung ăn mòn hóa học của môi trường Thời hạn sử dụng thiết bị là

10 năm Đây là vật liệu bền trong môi trường có độ ăn mòn không lớn hơn 0,05 mm/năm

 C0 : hệ số bổ sung để quy định kích thước C0 =3 mm.

Vậy bề dày thực thi của thân thiết bị :

3 Tính chiều dày đáy nắp

Dt =1400mm, nắp có lỗ ta sử dụng vịng tăng cứng nên xem như tính toán bề dày đối với nắp elip không lỗ

Kiểm tra ứng suất thành ở áp suất thủy lực:

3.1.1 Bích nối đáy , nắp , thân thiết bị:

Chọn bích liền ( không cổ)bằng thép để nối thiết bị

- Đường kính trong thiết bị: Dt = 1400mm

- Đường kính ngoài của bích: D = 1540mm

- Đường kính bulong : db = M20

-Số bulong : Z= 40 cái

-Chiều cao bích :h=30 mm

Khối lượng bulong: 0,0 3 3,14 0,012 7850 = 0,0739 (Kg) là thích hợp

3.1.2 Kiểm tra ứng suất cho phép

Lực tác dụng lên một bulông:

qb=Q/Z

Q: Gi trị lớn nhất giữa Q1 v Q2

Z: Số bulông

Q1: Lực nén chiều trục sinh ra do xiết bulông, lực này khắc phục được tải trọng

do áp suất trong thiết bị và áp suất phụ sinh ra ở trên đệm để giữ cho mối ghép đượckín

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

Chọn vật liệu đệm là paronit dày 3mm

Bảng XIII.26 cho bảng các thông số :

n g

Kích thước chiều dài đoạn ống nối là = 130 mm

Bảng XIII.26 cho bảng các thông số

200

178

M16

4.1 Khối lượng thiết bị:

Mtb = Mđy + Mnắp + Mmm + Mthn + Mbulong + Mbớch + Mlỏng

Trong đó

Mtb : Khối lượng thiết bị

Mđáy , Mnắp : Khối lượng đáy và nắp

1