THIẾT kế THÁP đệm hấp THỤ KHÍ h2s BẰNG nước (autosaved)

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC ******** BÁO CÁO ĐỒ ÁN CÁC Q TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THỤ KHÍ BẰNG NƯỚC GVHD : ThS Trương Văn Minh SVTH : Đặng Hữu Ngân MSSV : 15091601 LỚP : DHHO11E NHÓM :1 Tp Hồ Chí Minh ,Ngày 20 tháng 11 năm 2018 BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ HĨA HỌC BÁO CÁO ĐỒ ÁN CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CƠNG NGHỆ HĨA HỌC THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THỤ KHÍ BẰNG NƯỚC GVHD : ThS Trương Văn Minh SVTH : Đặng Hữu Ngân MSSV : 15091601 LỚP : DHHO11E NHĨM :1 Tp Hồ Chí Minh ,Ngày 20 tháng 11 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN: Đặng Hữu Ngân MSSV: 15091601 LỚP: DHHO11E Tên đề tài: Tính tốn thiết kế hệ thống thiết bị hấp thu làm việc liên tục (tháp đệm), dùng để tách H2S khỏi hỗn hợp H2S khơng khí Số liệu ban đầu: - Năng suất tính theo suất lượng hỗn hợp vào tháp 820 m3/h - Hỗn hợp nhập liệu vào tháp nhiệt độ 32oC áp suất thường - Khí H2S chiếm 10% thể tích hỗn hợp ban đầu - Hiệu suất trình hấp thu 80% - Hệ số dư sử dụng dung môi 1,1 Xem dung môi ban đầu tinh khiết Yêu cầu nội dung: - Chọn dung môi sử dụng tổng quan - Cân vật chất - Tính tốn thiết kế thiết bị - Tính tốn - chọn bơm máy nén - Bản vẽ (khổ A1): vẽ sơ đồ hệ thống thiết bị vẽ chi tiết Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 10/09/2018 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 11/11/2018 Họ tên GVHD: ThS Trương Văn Minh Ngày 20 tháng 12 năm 2017 TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) ThS Trần Hoài Đức ThS Trương Văn Minh PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt: …………………………………………… Đơn vị: ………………………………………………… Ngày bảo vệ …………………………………………… Điểm tổng kết:………………………………………… Nơi lưu trữ: ……………………………………………… LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy ThS Trương Văn Minh, tận tình hướng dẫn suốt q trình học tâp, thực hành mơn q trình thiết bị hố học Em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Công nghệ Hố Học cấp phòng thực hành, cung cấp đầy đủ hoá chất, dụng cụ thiết bị suốt trình học chúng em Em chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Trường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh tạo điều kiện học tập thuận lợi, sở vật chất toàn diện để chúng em học tập cách tốt Cuối em kính chúc quý Thầy, Cô dồi sức khoẻ thành công nghiệp cao quý, đạt nhiều thành tích tốt đẹp cơng việc NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký ghi họ ThS Trương Văn Minh MỤC LỤ tên) CHƯƠNG I TỔNG QUÁT VỀ KHí HIDRO SUNFUA 1.1 Tính chất vật lý .9 1.2 Tính chất hố học 10 CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ HỊA TAN CHẤT KHÍ TRONG PHA LỎNG 11 2.1 Hệ hai cấu tử 12 2.2 Hệ nhiều cấu tử 12 2.3.Dung dịch lỏng lí tưởng 13 2.4 Dung dịch lỏng không lý tưởng 13 CHƯƠNG III: TỔNG QUÁT VỀ QUÁ TRÌNH HẤP THỤ 14 3.1 Định nghĩa hấp thụ .14 3.2 Phân loại .15 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp thụ .15 3.4 Cân vật chất cho trình hấp thụ .16 3.5 Ứng dụng trình hấp thụ 20 3.6 Lựa chọn dung môi .20 3.7 Tháp hấp thụ 21 CHƯƠNG IV: QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ 33 4.1.Quy trình cơng nghệ 33 4.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ CHƯƠNG 5: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHÍNH 6.1 Tính đường kính tháp: .7 6.2 Tính chiều cao thiết bị theo số đơn vị chuyển khối 12 CHƯƠNG 7: TÍNH TỐN CƠ KHÍ .17 7.1 Tính đường kính ống dẫn: .17 7.2 Tính chiều dày tháp 18 7.3 Đường kính tháp 21 7.4 Đáy nắp 21 7.5 Mặt bích 25 7.6 Đĩa phân phối lỏng: 28 7.7.Tính lưới đỡ đệm 29 7.8 Chân đỡ tai treo .31 CHƯƠNG 8: TÍNH TỐN THIỆT BỊ PHỤ .32 8.1 Bơm 32 8.2 Máy thổi khí 35 8.3 Bồn cao vị .36 KẾT LUẬN 40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, ngành công nghiệp sản xuất sản phẩm phục vụ người, đồng thời sản xuất lượng chất thải lớn làm hỏng hệ cân sinh thái, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Trong loại nhiễm, nhiễm khơng khí ảnh hưởng trực tiếp đến người lồi động thực vật Vì vậy, năm gần nhiễm khơng khí từ ngành cơng nghiệp nước ta vấn đề quan tâm không nhà nước mà toàn xã hội mức độ nguy hại lên mức báo động chất khí sản sinh nhiều ngành công nghiệp sinh hoạt Việc xử lý có nhiều phương pháp khác Vì vậy, đồ án mơn học với nhiệm vụ tính tốn thiết kế tháp đệm để hấp thụ phương án góp phần xử lý khí thải nhiễm Trong đồ án khảo sát phương án: Dùng để hấp thụ hỗn hợp khí – Khơng khí Với nội dung khảo sát thiết kế tháp đệm xử lý với suất tính theo hỗn hợp khí vào thiết bị 300, nồng độ hỗn hợp khí đầu vào 40% thể tích Áp suất làm việc tháp atm ,nhiệt độ làm việc Trong trình thực đồ án, em nhận nhận Em xin chân thành cảm ơn! hướng dẫn nhiệt tình, tạo điều kiện thuận lợi để em hồn thành đồ án môn học thầy Nguyễn Hữu Trung thầy môn Máy Thiết bị Hóa chất chưa có nhiều kinh nghiệm tính tốn, nên khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận ý kiến thầy để đồ án sau có kết tốt CHƯƠNG I TỔNG QUÁT VỀ KHí HIDRO SUNFUA 1.Tổng quan hidro sunfua 1.1 Tính chất vật lý Khí H2S (Hiđro sunfua) khí khơng màu, mùi trứng thối, nặng khơng khí (d ≈ 1,17) Hóa lỏng −600C, hóa rắn −860C Khí H2S tan nước (ở 200C 1atm, khí hiđro sunfua có độ tan S = 0,38g/100g H2O) Khí H2S độc, cần 0,05 mg H2S lít khơng khí gây ngộ độc, chóng mặt, nhức đầu thở lâu H2S Bảng thuộc tính Cacbon điơxít Tỷ trọng pha 1,363 g/l khí Độ hòa tan nước 2,5 g/l Điểm nóng chảy C ( 190,85 0K) Điểm sơi C (212,87 0K) pKa pKb Độ nhớt 1.2 Tính chất hoá học 1.2.1 H2S axit yếu Hiđro sunfua tan nước tạo thành dung dịch axit sunfuhiđric Axit sunfuhiđric yếu (yếu axit cacbonic) axit lần axit H2 S HS- H+ H+ + HSS2- + K1= 6.10-8 K2=10-14 Tác dụng với dung dịch kiềm Ví dụ: NaOH + H2S → NaHS + H2O 2NaOH + H2S → Na2S + 2H2O Đặc biệt H2S tác dụng với dung dịch muối cacbonat kim loại kiềm tạo muối hiđro cacbonat H2S + Na2CO3 = NaHCO3 + NaHS 1.2.2 Tính khử mạnh Trong axit H2S muối (S có số oxi hoá -2) nên chất khử mạnh H2S cháy khơng khí với lửa màu xanh 2H2S + 3O2 → H2O + 2SO2 Nếu không cung cấp đủ khơng khí, H2S bị oxi hóa thành S Clo oxi hố H2S thành H2SO4 (khi có nước) 4Cl2 + H2S + 4H2O → H2SO4 + HCl H2S tác dụng với kim loại kiềm tạo thành muối axit 2H2S + 2K → 2KHS + H2 Còn với kim loại khác tạo thành muối sunfua H2S khan không tác dụng với Cu, Ag, Hg, có mặt nước lại tác dụng nhanh làm cho bề mặt kim loại bị xám lại Ag + 2H2S + O2 → 2Ag2S + 2H2O 1.3 Điều chế Trong tự nhiên H2S có số nước suối, khí núi lửa, khí từ chất protein bị thối rữa Trong cơng nghiệp khơng điều chế H2S phòng thí nghiệm điều chế phản ứng FeS với axit HCl 2HCl + FeS → FeCl2 + H2S 1.4 Nhận biết - Giấy tẩm Pb(NO3)2: Làm đen giấy tẩm H2S + Pb(NO3)2 → PbS↓ + HNO3 - Cho dung dịch H2S vào dung dịch CuSO4 có tượng kết tủa màu đen H2S + CuSO4 → H2SO4 + CuS↑ 10 600 350 25 x 48 24 Đường kính đĩa: Dđ = 350 mm Đường kính ống dẫn lỏng: Chiều dày ống dẫn lỏng: S = 2mm Bước ống: t = 48mm Số lượng ống: n = 24 ống Chiều dày đĩa loại 1: mm Khối lượng đĩa phân phối lỏng:  m đia  � � D d2 – n �d  � �t 7.7.Tính lưới đỡ đệm (IX.22/230 sổ tay QTVTB tập 2) Chọn vật liệu làm lưới đỡ đệm thép X18H10T Chọn đỡ thép chữ V 50x50 mm Đường kính lưới D1 = 590 mm Chiều rộng bước bl = 40 mm Các có tiết diện chữ nhật, cạnh có bề rộng b =10mm, bề dày 10mm Đường kính tháp: Dt = 600 mm Số đỡ đệm: Diện tích lưới đỡ đệm: Khối lượng lưới đỡ đệm: Khối lượng thân tháp: m t  Vthân � Thể tích thân tháp:   � � Vthân  Ft �S  �  �D �H  �D k  �D l � �S 4 � � Khối lượng thân tháp: Khối lượng đệm khô: ml: khối lượng vật chêm khô mà lưới phải đỡ m1đ V �d Với: = 400 kg/m2, khối lượng riêng xốp đệm Vđ: thể tích đệm Suy ra: Khối lượng dung dịch Khối lượng dung dịch tháp: Với m2 khối lượng dung dịch tầng đệm : Thể tích tự đệm Tổng khối lượng tồn tháp Tải trọng tháp P= Chọn tháp có chân đỡ tai treo Tải trọng đặt lên chân đỡ: G = P/4 = 1296,4 (N) Chọn tải trọng đặt lên chân đỡ: G = 2,5103 (N) > 1296,4(N) 7.8 Chân đỡ tai treo Theo [2,bảng XIII.35,437] ta có kích thước chân đỡ sau: 7.8.1 Chọn chân đỡ L B B1 B2 H h s l d 120 40 18 mm 110 80 95 110 180 7.8.2 Chọn tai treo Theo [2, bảng XIII.36,438] ta có kích thước tai treo: L B B1 H a s l d 15 35 14 mm 90 65 75 140 CHƯƠNG 8: TÍNH TỐN THIỆT BỊ PHỤ Trong cơng nghệ hấp thu khí nước sử dụng tháp đệm cần có thiết bị phụ giúp cho trình vận chuyển chất lỏng cung cấp khí vào tháp theo chế độ làm việc tháp giúp việc hấp thụ đạt hiệu suất mong muốn Trong thiết bị phụ bơm máy nén khí hai thiết bị quan trọng 8.1 Bơm Trong công nghiệp, bơm ly tâm sử dụng rộng rãi có nhiều loại khác cấu tạo cách vận hành Bơm ly tâm phân loại khác theo nhiều cách khác số bậc, theo cách đặt bơm, theo điều kiện vận chuyển chất lòng từ guồng thân bơm theo số đặc trưng khác Theo dây chuyền công nghệ bài, ta chọn bơm ly tâm cấp nằm ngang 8.1.1 Nguyên tắc làm việc bơm ly tâm Nguyên tắc hoạt động: Bơm ly tâm làm việc theo nguyên tắc ly tâm Chất lỏng hút đẩy nhận thêm lượng nhờ tác dụng lực ly tâm khí cánh guồng quay Bộ phân bơm cánh guồng cánh có gắn cánh có hình dạng định, bánh guồng đặt thân bơm quay với tốc độ lớn Chất lỏng theo ống hút vào tâm guồng theo phương thẳng góc vào rãnh guồng chuyển động với guồng Dưới tác dụng lực ly tâm, áp suất chất lỏng tăng lên văng vào thân bơm, vào đẩy theo phương tiếp tuyến Khi tâm guồng tạo nên áp suất thấp Nhờ áp lực mặt thoáng bể chứa, chất lỏng dâng lên ống hút vào bơm Khi guồng quay chất lỏng hút liên tục, dó chất lỏng chuyển động đặn Đầu ống hút có lắp lưới lọc để ngăn khơng cho rác vật rắn theo chất lỏng vào bơm gây tắc bơm đường ống Trên ống hút có van chiều giữ cho chất lỏng đường ống hút bơm ngừng làm việc Trong ống đẩy có lắp van chiều để tránh chất lỏng bất ngờ dồn vào bơm gây va đập thủy lực làm bơm hỏng 8.1.2 Các thông số đặc trưng bơm Áp suất mặt thoáng 9,81.104 N/m2 Áp suất làm việc P = atm = 1,031.10 = 103100 N/m2 Gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2 Ở 32oC : 995,06 kg/m3 ( N.s/m2 ) Phương trình BerNoulli cho mặt cắt 1-1 2-2 : P1 v12 P1 v 22 Z1 + + + H = Z2 + + + ρ.g 2.g ρ.g 2.g � H = Z2 - Z1 + �h P2 P v2 v2 - + - + ρ.g ρ.g 2.g 2.g f �h f Chọn Z1 = 0, Z2 = 10 m Z2 – Z1 = 10 m.(trang 438 sổ tay QTVTB tập 2) Coi P2 = P1; v1 = v2 �h = h f Tổn thất dọc đường ống hms: ms + h cb Chế độ chảy ống: Re > 10 000 chế độ chảy rối (trang 360 sổ tay QTVTB tập 1) Hệ số ma sát: (công thức II.61/378 sổ tay QTVTB tập 1) Chọn chiều dài đường ống l =15 m Tổn thất dọc đường ống: Trở lực cục bộ: Chọn hệ số trở lực cục bộ: ξ = 1,63 (bảng II.16/382 sổ tay QTVTB tập 1) Cột áp bơm: H = 10 + 0,91 + 0,083 = 10,993 (m) Lấy H = 11 (m) Công suất bơm: Lấy hiệu suất chung bơm η = 0,8 Q: suất bơm, m3/s Công suất thực bơm: hệ số dự trữ công suất (bảng II.33/440 sổ tay QTVTB tập 1) Vậy chọn bơm có cơng suất 3Hp 8.2 Máy thổi khí Tháp làm việc điều kiện P = atm, t = 32 oC Ta chọn máy nén ly tâm Dùng máy thổi khí áp suất đẩy từ 1-1,5at 8.2.1 Cơng máy thổi khí Phương trình BerNoulli cho mặt cắt 1-1 2-2 : Z1 + P1 v2 P v2 + + H = Z2 + + + ρ.g 2.g ρ.g 2.g � H = Z2 - Z1 + �h P2 P v2 v2 - + - + ρ.g ρ.g 2.g 2.g f �h f Chọn Z1 = 0, Z2 = 10 m Z2 – Z1 = 10 m.(trang 438 sổ tay QTVTB tập 2) Xem trở lực cục trở lực ma sát máy  H = 10 Công suất máy thổi khí: Lấy hiệu suất chung máy thổi khí η = 0,8 Q: suất máy thổi khí, m3/s Nhập liệu 820 m3/h = 0,23 m3/s chọn suất máy m3/s  Công suất thực máy thổi khí:  hệ số dự trữ cơng suất (bảng II.33/440 sổ tay QTVTB tập 1) 8.2.2 Công suất động điện Trong đó: : hệ số dự trữ công suất thường lấy 1,1-1,15 Chọn : hiệu suất truyền động ( 0,96-0,99) : hiệu suất động điện, Vậy ta chọn động cợ điện có cơng suất 0,5 kW 8.3 Bồn cao vị Viết phương trình Bernoulli cho mặt thống bồn cao vị (mặt cắt 1) đầu ống dẫn lỏng vào tháp (mặt cắt 2) Z1  P1  �V P  �V2  1  Z2    H  �g �g  �g �g Trong đó: Z1, Z2: chiều cao mặt thống bồn cao vị mặt cắt đầu ống dẫn lỏng vào tháp, m V1, V2: vận tốc mặt cắt 1, mặt cắt 2, m/s H: tổn thất từ mặt cắt đến mặt cắt 2, m 1, 2: hệ số hiệu chỉnh động P2 = P1 = Pa: xem áp suất mặt thoáng bồn cao vị áp suất đầu vào ống dẫn lỏng H0 = Z1 – Z2: chiều cao mực chất lỏng bồn cao vị so với chiều cao ống dẫn lỏng vào tháp V1 = (m/s) Từ phương trình Bernoulli ta có: P2  P1  �V2  1 �V12 H o  Z1 – Z2    H  �g �g Ho   �V2  H �g Tính chuẩn số Renoyld: Re  V2 �d �  Với: (kg/m3) = 0,7679×10-3 (kg/ms), độ nhớt nước V2 = (m/s): vận tốc ống dẫn lỏng d: đường kính ống dẫn lỏng (m) Suy chế độ chảy ống chảy rối nên 2 = Thay vào ta được: v 22 H0   H 2g Trong đó: H = hd + hcb Với hd: tổn thất dọc đường ống, m hcb: tổn thất cục miệng vo, miệng ra, chổ uốn, van, m Tổn thất dọc đường ống L v2 hd   � � d �g Trong đó: : hệ số ma st L: chiều dài ống Chọn L = m d = 0.021 (m), đường kính ống dẫn lỏng v1 = v2 = (m/s), vận tốc dịng lỏng chảy ống Do Re > 10000 nn: 0.9 � �6.81 �  �  2 �lg � � � �  �Re � 3.7 � � Suy ra: Trong đó:  = 0.0710-3: độ nhám tuyệt đối, chọn vật liệu làm ống thép không hàn Độ nhám tương đối: Tổn thất dọc đường ống: Tổn thất cục Chọn hệ thống ống có:  Hệ số tổn thất cục kh =1.1  Hệ số tổn thất cục v =0.15  Đầu vô ống: dv =0.5  Đầu (cửa vô tháp): dr = v2 v2 h cb  � �  (4 � kh  � v   dv   dr ) �g �g Vậy: Chiều cao bồn cao vị Z1 = Ho + Z2 = Ho + hchân đỡ + hđáy + hlv Trong đó: hchân đỡ = 0.145 (m) hđáy = 0.35 m) hlv: chiều cao làm việc tháp hlv = 3,5 (m) Suy ra: Z1 = 0,67 + 0,145 + 0.35 + 3,5 = 4,655 (m) Vậy chọn chiều cao bồn cao vị m KẾT LUẬN Ơ nhiễm mơi trường hoạt động cơng nghiệp gây mà nguy lớn ô nhiễm khơng khí, bảo vệ mơi trường bảo vệ sức khỏe Hơn ta tận dụng khí thải cho ngành cơng nghiệm khác Qua q trình nghiên cứu tính tốn, thiết kế giúp em hệ thống lại kiến thức học Đồng thời giúp em có nhìn hồn chỉnh sơ đồ hệ thống tháp đệm hấp thụ cấu tử với dung môi nước, đặc biệt khí khí khó hấp thụ nên q trình tính tốn dài có nhiều cơng thức phức tạp làm tròn số tra số liệu từ tài liệu tham khảo nên thiết kế em không tránh khỏi sai sót Mong thầy thơng cảm cho em Em xin chân thành cảm ơn! TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ hố chất, tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật [2] Sổ tay Q trình Thiết bị Cơng nghệ hố chất, tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật [3] Truyền khối, Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, NXB Đại học quốc Gia TP.HCM [4] Quá trình thiết bị truyền nhiệt, Trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TP.HCM [5] Bài tập Quá trình thiết bị học, Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam, NXB Đại học quốc Gia TP.HCM [6] Cơng nghệ hố học vơ cơ, Trần Hồng Côn – Nguyễn Trọng Uyển, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội.Hill [7] Sổ tay Perry’s Chemical Engineer’s Handbook, McGraw-Professional; edition (23/10/2007) ... Hấp thụ vật lý: dựa hòa tan cấu tử pha khí pha lỏng + Hấp thụ hóa học: chất bị hấp thụ chất hấp thụ cấu tử pha lỏng xảy phản ứng hóa học 14 3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp thụ Sự hấp thụ. .. trình hấp thụ, dùng chất rắn gọi trình hấp phụ Như hấp thụ q trình hút khí chất lỏng, khí hút gọi chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng để hút gọi dung mơi (còn gọi chất hấp thu), khí khơng bị hấp thu... để hấp thụ hỗn hợp khí – Khơng khí Với nội dung khảo sát thiết kế tháp đệm xử lý với suất tính theo hỗn hợp khí vào thiết bị 300, nồng độ hỗn hợp khí đầu vào 40% thể tích Áp suất làm việc tháp