Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để thu hồi benzene trong không khí bằng than hoạt tính full

Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để thu hồi benzene trong không khí bằng than hoạt tính.. Đề tài: “Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để hấp phụ benzene trong không

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

 -

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Sinh viên thực hiện : Trần Tiến Din - Nguyễn Văn Đoàn

Mã sinh viên : 0952010031 - 0952010032

Lớp : DH09H1

Vũng Tàu, ngày 22 tháng 2 năm 2012

 -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA HOÁ & CNTP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CNHH VÀ THỰC PHẨM

1 Họ và tên nhóm sinh viên thực hiện:

Trần Tiến Din Nguyễn Văn Đoàn Lớp DH09H1 Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học – chuyên ngành hoá dầu

2 Nhiệm vụ thiết kế:

Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để thu hồi benzene trong không khí bằng than hoạt tính.

3 Dữ liệu ban đầu:

Lưu lượng hỗn hợp hơi – không khí, G 2200m 3 /h

Nồng độ đầu của benzene trong không khí, y D 25.10 -3 Nồng độ cuối của benzene trong không khí, y c 1.10 -3

4 Nội dung thuyết minh.

4.1 Lời nói đầu 4.2 Ý nghĩa kinh tế kỹ thuật của đồ án 4.3 Dây chuyền công nghệ sản xuất 4.4 Nội dung tính toán

4.5 Kết luận 4.6 Tài liệu tham khảo 4.7 Mục lục

8 Ngày hoàn thành đồ án: ngày…………tháng…………năm 2012.

9 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Thông.

10 Xác nhận của giảng viên hướng dẫn:

………

………

………

………

11 Xác nhận của trưởng khoa cho phép bảo vệ: ………

………

………

………

………

12 Thành phần hội đồng bảo vệ: 1………

2………

3………

4………

Điểm: bằng số………; bằng chữ……… Vũng tàu, ngày……… tháng………năm 2012

LỜI MỞ ĐẦU

Benzene là một chất lỏng không màu có mùi thơm đặc trưng và bốc hơi rất nhanh vào không khí, hơi tan trong nước Là một nguyên liệu quan trọng

và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chất dẻo, thuốc nhuộm, bột giặt, dược phẩm, sợi nhân tạo, thuốc nổ, nhiên liệu động cơ, các đồ dùng

gia dụng…Và chúng ta ngày càng có xu hướng xử dụng các loại sản phẩm này ngày càng nhiều Điều này đồng nghĩa với lượng benzene thải ra môi trường ngày càng lớn.

Tuy benzene có nhiều ứng dụng đối với chúng ta nhưng ảnh hưởng của

nó đến môi trường cũng rất lớn Theo như nghiên cứu của các nhà khoa họcthì khi nhiễm độc benzene tuỳ mức độ hàm lượng mà có thể gây ra cho con người các triệu chứng như gây hại cho tuỷ xương, chóng mặt, buồn ngủ, buồn nôn, bất tỉnh, co giật, tử vong Nếu nhiễm độc lượng nhỏ trong thời gian dài sẽ tích tụ gây ung thư…Và phần lớn các trường hợp nhiễm độc là

do hít thở không khí bị nhiễm benzene Do đó thu hồi hơi benzene trong không khí là việc hết sức cần thiết và cấp bách

Đề tài: “Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để hấp phụ benzene trong không khí bằng than hoạt tính” là một đề tài hay, nó đã và đang được ứng

dụng trong thực tế để xử lý không khí bị nhiễm độc benzene và có ý nghĩa

quan trọng đối với con người cũng như các loài sinh vật khi mà môi trường

bị ô nhiễm như hiện nay

Trong quá trình làm đồ án này, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng kinh nghiệm còn non kém nên sẽ không tránh khỏi những sai sót, nhóm chúng

em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn

để đồ án này được hoàn hảo hơn

Nhóm chúng em cũng xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Thông đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho chúng em hoàn thành tốt đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện

Chương 1: LÝ THUYẾT HẤP PHỤ VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ

I) LÝ THUYẾT HẤP PHỤ:

1. Định nghĩa:

Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ cáclực bề mặt, sinh ra chủ yếu là do chất hấp phụ có bề mặt bên trong rấtphát triển, có vài chất hấp phụ có thể đạt tới 1700m2/g Nhiệm vụ chủ yếucủa nó là đảm bảo bề mặt tiếp xúc pha lớn Vật liệu xốp gọi là chất hấpphụ, chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ.

Các phương trình tính toán hấp phụ rất khác nhau vì sự khó khăntrong trong tính toán của quá trình hấp phụ liên quan đến sự phức tạp của

mô tả toán học, thường đưa đến những công thức mà khi sử dụng tínhtoán không hoàn toàn tương ứng với những khái niệm vật lý đã miêu tả

Sự phân bố cân bằng nồng độ của cấu tử cần tách ra trong pha Rắn ở điều kiện nhất định được miêu tả bằng phương trình động học X* =f(y) trong đó X* là nồng độ cấu tử cần tách ra (chất bị hấp phụ) cân bằngvới nồng độ của nó trong pha lỏng, khí ở nhiệt độ đã cho Nồng độ X*trong hấp phụ còn được gọi là độ hoạt động, hoạt tính của chất hấp phụ

Khí-Lỏng-2. Hấp phụ được ứng dụng nhiều trong thực tế để:

• Tách các chất tan ra khỏi dung dịch

• Tách các chất khí có hàm lượng thấp ra khỏi hỗn hợp

• Tẩy màu, tẩy mùi

• Xử lý khí thải, nước thải bị ô nhiễm

• Sản xuất chất xúc tác…

3. Phân loại hấp phụ:

• Hấp phụ hoá học: do lực hoá trị gây nên tạo thành các hợp chất khábền trên bề mặt nên khó nhả hoặc chuyển các phân tử thành nguyêntử

• Hấp phụ vật lý: do lực hút phân tử Vanderwaals tác dụng trongkhoảng không gian gần sát bề mặt

• Khuếch tán sản phẩmngoài mao quản

5. Yêu cầu đối với chất hấp phụ:

8. Pha khí được cho chuyển động qua tầng hạt chất hấp phụ cố định

9. Chất hấp phụ có chiều cao từ 0,3 – 1,2 m trên tấm đỡ có đục lỗ

10.Dòng khí nhập liệu được thổi từ trên xuống

6.1.2 Thiết bị hấp phụ tầng xoay

17. Vật liệu hấp phụ nằm trong một cơ cấu xoay được và quá trình xoay chuyển làm quá trình hấp phụ xảy ra đều đặn ở các lớp khác nhau

II) Ưu nhược điểm của hệ thống hấp phụ tầng sôi.

1. Ưu điểm:

- Vì chuyển động mạnh và trộn lẫn nên không có sự phân lớp chấthấp phụ giữa các hạt đã làm việc và các hạt chưa làm việc nghĩa làkhông có khu vực chết

- Cũng do khuấy trộn mạnh nên nhiệt độ phân bố đều trong lớp chấthấp phụ do đó tránh được hiện tượng quá nhiệt

- Trở lực nhỏ, năng suất lớn

- Dễ vận chuyển trong dây truyền sản xuất

1 2

- Hạt chóng mòn, đòi hỏi hạt có độ bền cơ học cao

- Khi các hạt chất hấp phụ chuyển động mạnh như vậy sẽ làmcho thành thiết bị cũng bị bào mòn

III) Ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật

- Hệ thống làm việc đơn giản, dễ giám sát

- Có thể tự động hóa trong sản xuất

- Chi phí lắp đặt hệ thống không cao

- Hiệu suất làm việc cao

- Có thể thu hồi bezene phục vụ cho mục đích công nghiệp

- Góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường

b) Thuyết minh sơ đồ công nghệ:

66. Hỗn hợp ban đầu được đưa vào tháp hấp phụ (9) bằng quạtđẩy (1), có hai quạt đẩy: 1 cái làm việc, 1 cái dự trữ nhằm mục đích tránhtrường hợp thải hơi độc ra không khí Sau đó được đưa qua thiết bị lọctay áo (2) để lọc qua tạp chất cơ học Do sử dụng chất hấp phụ là thanhoạt tính nên rất dễ tạo hỗn hợp nổ với hỗn hợp không khí đưa vào, vìvậy phải đưa qua thiết bị phòng lửa có những màng mỏng sẽ chia nhỏhỗn hợp khí Sau đó được đưa qua thiết bị làm lạnh (4), thiết bị này có

Chú thích:

1,11: Quạt 2: Thiết bị lọc 3:Thiết bị phòng cháy 4,6: Thiết bị làm lạnh 5: Bể chứa

7: Thiết bị ngưng tụ 8: Thiết bị phân ly 9: Tháp hấp phụ thứ nhất 10: Tháp hấp phụ thứ hai

Hình 1: sơ đồ công nghệ thu hồi hơi benzene trong không khí bằng thiết bị hấp phụ tầng sôi

Hình 1: Sơ đồ công nghệ hấp phụ hơi benzene trong không khí bằng hệ thống hấp phụ tầng sôi sử dụng than

hoạt tính.

nhiệm vụ làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí trong trường hợp nhiệt độđưa vào của hỗn hợp khí cao hơn mức cho phép sẽ dễ gây cháy nổ.

67. Hỗn hợp khí sau khi làm lạnh sẽ được đưa vào tháp hấp phụ (9)tại đây benzene sẽ bị than hoạt tính hấp phụ Sau khi benzene đã bão hòa

sẽ được dẫn qua tháp nhả hấp phụ (10) để thu hồi benzene Quá trình nhảhấp phụ có thể được thực hiện qua hai cách:

• Nhả hấp phụ bằng chất hóa học: dùng kiềm hoặc dung môi

• Nhả hấp phụ bằng nhiệt: dùng nhiệt độ để khử

68. Ở đây ta sử dụng hơi nước quá nhiệt để nhả hấp phụ Hỗnhợp cấu tử được tách ra với hơi nước từ tháp hấp phụ qua thiết bị phân ly(8), tại đây hơi nước được tách ra khỏi hỗn hợp, cấu tử được tách ra ởdạng lỏng cùng với nước, quá trình ngưng tụ một phần được xảy ra trongđường ống do mất nhiệt với môi trường Sau đó được chuyển đến thiết bịngưng tụ (7) và làm lạnh (6) trước khi đưa vào thùng chứa Hỗn hợp cóthể được đưa vào phân ly bằng chưng cất hoặc lắng

69.Từ tháp nhả (10) chất hấp phụ sẽ được quay về tháp hấp phụ (9) bằngkhông khí nén nhờ quạt đẩy (11), không khí này sẽ dùng để sấy và làmnguội chất bị hấp phụ

81. ứng dụng 82.

Độbền

ằng sốcấutrúc

B.106,

iá trịthươngphẩm,

88.

Cấ89.

%

3 phạt,mm

cơ

99.

65

100. 1.05

101. 1310

110. Dh: đường kính trung bình của hạt hấp phụ (m)

111. ω : vận tốc của dòng khí tính theo tiết diện ngang của thiết bị (m/s)

122. ρt là khối lượng riêng chất hấp phụ ở nhiệt độ làm việc = 670 kg/m3

123. µ: độ nhớt của khí ở nhiệt độ làm việc = 1,5.10-5 kg/m.s

124. ρk: là khối lượng riêng của chất khí ở nhiệt độ làm việc Được tính như sau:

176. Khi đó theo phương trình cân bằng vật chất, ta có:

177

178. = = 4,9.10-5

179. Trong thực tế do chất hấp phụ (CKT-6A) bị tiêu hao 3% so với

lý thuyết do bị ăn mòn và mất mát, do đó lượng chất hấp phụ phải đưa vào là: L = 1,3L’ = 4,9.10-5.1,3 = 6,37.10-5 (m3/s)

180.

181. 3.1.4 Xác định hệ số chuyển khối theo thể tích

182. Thể tích chất hấp phụ trong tháp hấp phụ được tính theo phương trình:

183. trong đó:

184

185. Kv là hệ số chuyể khối theo thể tích tính cho 1 thể tích hạt của chất hấp phụ, s-1

186. Hệ số Kv biến đổi từ đĩa này sang đĩa khác, tốc độ của quá trình

có thể bị giới hạn bởi động lực khuếch tán trong và ngoài Trong quá trình dịch chuyển của chất hấp phụ xuống những đĩa phía dưới thì trởlực khuếch tán càng tăng, thực nghiệm chỉ ra rằng hệ số chuyển khối trung bình βo bằng hệ số chuyển khối theo thể tích Kv

201. ybh : Nồng độ hơi bảo hòa của chất bị hấp phụ (kg/m3).

202. β : Hệ số ái lực của benzene (xem bảng 3.2)

203. B : Hằng số cấu trúc của than hoạt tính CKT-6A, (l/g.rad2) (xem bảng 3.1)

204. H : Chiều cao lớp hấp phụ không chuyển động trên đĩa (m).thông thường H = 0,05m

205. T : Nhiệt độ tuyệt đối (oK)

3.1.4 Xác định số đơn vị chuyển khối

213. Để xây dựng đường làm việc của quá trình từ phương trình cân bằng vật chất ta tìm ra nồng độ chất bị hấp phụ nằm trong chất hấp phụ khi ra khỏi tháp theo phương trình:

214.

215. 230 kg/m3

216. Xây dựng đường cong làm việc và đường cong cân bằng trên

đồ thị x-y (hình 3.1) Sử dụng giản đồ này ta có bảng số liệu sau:

221. 1/(y-y*)

225. 1/(y-y*)226.

241. 0

247. 41,67

248. 4

254.

0,018255.

261. 0,0004

262. 0

268. 0,0176

269. 0

275. 56,82

276. 59,

200 400

243. 0,0313

244. 0,0204

245. 0,0194

246. 0,0185

3,29

249. 45,04

250. 46,95

251. 49,02

252. 51,55

253. 54,05

0,017256.

0,016257.

0,015258.

0,010259.

0,004260.

0,001

,0003

263. 0,0002

264. 0,0001

265. 0.0000

266. 0,0000

267. 0,0000

,0167

270. 0,0158

271. 0,0149

272. 0,0100

273. 0,0040

274. 0,0010

88

277. 63,29

278. 67,11

279. 100,00

280. 250,00

281. 1000,00282.

283. Bằng phương pháp tích phân đồ thị ( hình 3.2) ta tìm được số đơn vị chuyển khối:

305. ρt : Khối lượng riêng tính theo độ xốp = 670 kg/m3

306. ρh : Khối lượng riêng thực = 470 kg/m3

Hình 3.2: Đồ thị xác định số đơn vị chuyển khối

3.1.7 Xác định số đĩa trong tháp hấp phụ

307.

308. → số đĩa 5 đĩa.

3.1.8 Xác định chiều cao tháp hấp phụ

- Chiều cao lớp không chuyển động trên đĩa H và chiều cao lớp sôi Hs liên

hệ với nhau theo công thức:

309. (1 – ε) H = (1 - εn) Hs

- Trong đó:

310. ε : độ xốp của than hoạt tính đứng yên

311. trong trường hợp này độ xốp tính bằng công thức:

312.

313. εn : độ xốp của than hoạt tính chuyển động = 0,55

314. Suy ra chiều cao lớp than chuyển động:

315. (m)

- Để dự trữ người ta tính toán khoảng cách giữa các đĩa là H0 = 0,4m

- Do vậy, chiều cao phần có đĩa của tháp hấp phụ được tính:

316. Ht = H0(n - 1) = 0,4(5-1) = 1,6 m

- Khoảng cách từ nắp thiết bị cho đến đĩa trên cùng và dưới cùngđược xác định tùy thuộc vào cấu trúc của bộ phận phân phối và nạp liệu, thừa nhận những khoảng cách đó là 2H0

- Do vậy chiều cao của tháp hấp phụ là:

319. Người ta có thể chế tạo thân thiết bị bằng cách: hàn, rèn, đúc…

320. Thân hình trụ bằng vật liệu dẻo (thép, kim loại màu…) làmviệc đến áp suất 10.106 N/m2 được chế tạo bằng cách quấn tấm vậtliệu với kích thước đã định sau đó ghép mối lại

321. Thân hình trụ bằng vật liệu dẻo (chủ yếu là thép) làm việc ở ápsuất cao được chế tạo bằng cách rèn hay cuốn nhiều lớp bọc nhau

322. Thân hình trụ bằng vật liệu giòn (gang, đồng thanh…) thườnglàm việc ở áp suất không cao lắm (<0,8.106 N/m2) được chế tạo bằngcách đúc sau đó gia công bề mặt bên trong hoặc không gia công

Người ta thường đúc thân liền với đáy Trong nhiều trường hợp người

ta vẫn đúc thân hình trụ từ vật liệu dẻo

323. Khi thiết kế thân hình trụ ta có thể dựa vào đường kính trongbảng XIII.6 hoặc đường kính ngoài bảng XIII.7

324. Quan hệ giữa chiều cao H và đường kính Dt đối với thiết bị đặtthẳng đứng và quan hệ giữa chiều dài L và đường kính Dt đối vớithiết bị đặt nằm ngang được xác định theo yêu cầu của công nghệ sảnxuất hóa chất:

325. H/Dt ≤ 30 và L/Dt ≤ 10

326. Từ những cơ sơ trên và dữ kiện đề tài yêu cầu ( P < 1,6.106

N/m2, t < 450 oC), ta thiết kế thân hình trụ của thiết bị với các đặcđiểm như sau:

- Sử dụng vật liệu : thép CT3 (bảng 3.2)

- Chế tạo bằng cách hàn : chỉ hàn giáp mối, đảm bảo đường hàncàng ngắn càng tốt, bố trí các đường hàn cách nhau ít nhất100mm, bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát, không khoan lỗ quamối hàn

- được tính như sau:

 Ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền xác định theo công thức:

I

373. II374

375. 1

376. Các chi tiết hoặc các bộphận đốt nóng trực tiếp bằngngọn lửa, khí lò, điện trở…

381

382. 2 383.

Các chi tiết hoặc các bộphận không bị đốt nóng hay bịcách ly với nguồn nhiệt đốtnóng trực tiếp ở nhóm 1

388

389.

390. Bảng 3.4: Giá trị hệ số an toàn bền của thép không gỉ

[1]

- c3 : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày tấm lim loại.

415. Đối với vật liệu bền (0,05 – 0,1 mm/năm) thì c1 = 1mm, c2 = 0,

c3 = 0,8mm

416. Do đó: c = 1,8.10-3 m

417. Vậy chiều dày của thiết bị S = 3,9.10-4 + 1,8.10-3 = 2,2 (mm)

418. Vậy ta chọn chiều dày thiết bị là 4 (mm)

419. Đường kính ngoài của thiết bị: Dn = Dt + 2S = 1,2 + 2 4.10-3 = 1,208(m)

420. Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử bằng nước:

421. Po ≈ Pth = 1,25P = 1,25 0,09.106 = 112500 (N/m2)

422. Ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử:

423.

424. Ta thấy: σ =592369 < σc /1,2 = 240.106 /1.2 = 200.106 nên đảm bảo điều kiện bền Vậy chọn loại thép CT3 có chiều dày 4mm

425

426

3.2.2 Tính đáy và nắp thiết bị (đáy và nắp elip có gờ).

431. Hình dạng của thân và áp suất trong thiết bị, đồng thời phải chú

ý đến yêu cầu công nghệ

432. Tính toán đáy và nắp thiết bị hoàn toàn giống nhau

433. Chiều dày S được xác định theo công thức:

435. Trong đó:

436. φh : hệ số bền của mối hàn hướng tâm

437. hb : chiều cao phần lồi của đáy

438. k : hệ số không thứ nguyên được xác định như sau:

439.

440. Với: đường kính lớn nhất của lổ không tăng cứng Đối với đáy không có lổ hoặc có lổ được tăng cường thì k = 1

441. hb = 0,25Dt = 0,25.1,2 = 0,3 (m)

442. Tra bảng XIII.10 [1] ta được các giá trị φh = 0,95

443. Thay vào công thức (III.7):

453. Ta thấy σ < σc/1,2 = 200.106 nên thỏa mãn điều kiện bền cho phép.

454

3.2.3 Chọn mặt bích

455. Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết

bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị công nghệ chế tạo mặt bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo, phương pháp nối và áp suất của môi trường Có các kiểu mặt bích: bích liền, bích tự do, bích ren

456. Với điều kiện làm việc của thiết bị: nhiệt độ cao nên chon loại bích tự do bằng thép là phù hợp nhất

3.2.4 Tính toán chân đỡ và tai treo

460. Tra bảng XIII.II, Ta có giá trị khối lượng của đáy thiết bị:

465. Khối lượng của than hoạt tính trong thiết bị:

466. m3 = Vl.ρthan = 0,35.670 = 234,5 (kg)

467. Vậy tổng khối lượng của thiết bị lúc này là:

468. m = m1 + m2 + m3= 413,5 (kg)