Thiết kế hệ thống hấp thụ khí ô nhiễm loại tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền. Dung môi hấpthụ là H2O

Thiết kế hệ thống, hấp thụ khí ô nhiễm, loại tháp đĩa lỗ, không có ống chảy, chuyền. Dung môi ,hấp thụ là H2O

Thiết kế hệ thống hấp thụ khí ô nhiễm loại tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền Dung môi hấpthụ là H2O.

NH3 là chất khí không màu, mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí (D=0,76g/l)

Trong số các khí, NH3 tan được nhiều trong nước, 1l nước ở 20 hòa tan được 800l NH3 Hiện tượng tan nhiều được giải thích do có tương tác giữa NH3 và H2O, là những chất đều có phân tử phân cực

II Tính chất hóa học

1) Tính bazo

Nhúng hai đũa thủy tinh vào hai bình đựng HCl và NH3, sau đó đưa hai đầu đũa thủy tinh lại gần nhau sẽ xuất hiện khói trắng, đó là những hạt nhỏ của tinh thể amoni clorua Chất này được tạo thành do hai khí HCl và NH3 hóa hợp với nhau:

NH3 + HCl = NH4Cl2) Tác dụng với O2

Đốt NH3 trong oxy, nó cháy với ngọn lửa màu vàng tươi:

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + Q

3) Tác dụng với khí Clor

Dẫn NH3 vào bình Clor, hỗn hợp khí tự bốc cháy tạo ra ngọn lửa khói trắng:

2NH3 + Cl2 = 6HCl + N2Khói trắng là những hạt nhỏ tinh thể NH4Cl tạo thành do HCl sau khi sinh ra hóa hợp ngay với NH3

NH3 còn là một axit

Li3N + 2NH3 = 3Li+ +3NH2

-III Điều chế

1) Từ thiên nhiên

Trong không khí có lượng NH3 không đáng kể do quá trình phân hủy của động, thực vật

NH3 còn được tổng hợp từ N2 không khí với sự có mặt của enzim nitrogenase

Quá trình trao đổi chất trong cơ thể động vật sinh ra NH3, ngay lập tức được chuyển hóa thành Ure

2) Tổng hợp hóa học

NH3 được sản xuất bằng cách chưng cất than tạo muối amoni sau đó đem tác dụng với vôi sống

2NH4Cl + 2CaO = CaCl2 + Ca(OH)2 + 2NH3Trong công nghiệp, NH3 được điều chế bằng nhiều cách khác nhau từ N2 và H2, phản ứng này là phản ứngthuận nghịch nên phải có xúc tác và điều kiện thích hợp để tăng hiệu suất

Chú thích: 1 Bể chứa hỗn hợp khí đầu vào

2 Quạt thổi khí

3 Bể chứa nước

4 Bơm

5 Tháp hấp thụ

6 Van xả dung dịch sau hấp thụ

7 Bể chứa dung dịch sau hấp thụ

C Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Hỗn hợp khí cần xử lý được quạt thổi khí đưa vào đáy tháp, trên đường dẫn khí vào tháp có lắpvan an toàn, van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng phù hợp yêu cầu

Nước từ bể chứa được bơm ly tâm bơm lên trên đỉnh tháp Trên đường ống dẫn lỏng có van điềuchỉnh như ống dẫn khí

Hỗn hợp khí sau khi được xử lý đi lên nắp tháp và ra ngoài qua cửa thoát khí ở nắp

Nước hấp thụ NH3 đi qua cửa tháo lỏng ở đáy tháp rồi được đưa đến bể chứa Dung dịch thải sẽtiếp tục được xử lí để đạt chuẩn trước khi thải ra môi trường

Tiến hành bật quạt thổi khí trước khi bật bơm nước, tạo môi trường thoáng sạch cho phòng và ngăn không cho dung môi tràn vào ống dẫn khí Sau khi ngừng làm việc, phải tắt bơm nước trước 30 giây sau đó mới tắt máy thổi khí.

D Tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền

Tháp có cấu tạo hình trụ, bên trong đặt các đĩa cách nhau một khoảng cách nhất định Trong tháp,hai pha lỏng và khí chuyển động ngược chiều nhau: khí đi từ dưới lên, lỏng đi từ trên xuống Khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, trong tháp không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa, tất cả bềmặt đĩa đều làm việc nên hiệu quả cao hơn Trong những năm gần đây, loại tháp này được sử dụng thườngxuyên hơn

Đĩa được cấu tạo bởi các ngăn và tấm phẳng, trên đĩa có nhiều lỗ tròn được bố trí đều Lỗ có đường kính từ 2-8mm phụ thuộc vào chất lỏng Tiết diện tự do của đĩa được lấy bằng 10-30% diện tích đĩa, tùy thuộc vào chất lỏng sạch (10%) hay bẩn (30%)

Tháp làm việc theo 4 chế độ thủy động:

-Chế độ thấm ướt đĩa: Ở chế độ này có vận tốc khí bé, nên khí và lỏng đi qua cùng một lỗ Vì vậy

chúng tiếp xúc nhau trên màng chất lỏng

-Chế độ sủi bọt: Khi tăng vận tốc khí lên đến giới hạn nào đó, trên đĩa ngoài chất lỏng còn có bọt -Chế độ huyền phù: Khi tăng vận tốc khí lên nữa, chất lỏng trên đĩa không còn nữa mà chỉ có bọt,

lớp bọt xoáy mạnh

-Chế độ sóng: Vận tốc khí tăng đến giới hạn cao, thì xuất hiện các tia khí, gây chấn động, trở lực

của đĩa tăng nhanh Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí, sẽ có hiện tượng chất lỏng bị cuốn theo và không chảy xuống đĩa dưới đươc

Quan hệ trở lực và vận tốc khí đi trong tháp

D

E C

B A

w

Các đoạn AB, CD, DE, EF lần lượt ứng với các chế độ thủy động đã nêu Trong thực tế, tháp làmviệc tốt nhất ở chế độ sủi bọt và chế độ huyền phù (CD, DE) nhưng tốt nhất khống chế ở gần điểm E.

*Ưu điểm: -Kết cấu khá đơn giản, trở lực tháp tương đối thấp, hiệu suất tách cao

-Vệ sinh dễ dàng, lắp đặt tốn ít kim loại

*Nhược điểm: -Tháp không làm việc được với chất lỏng bẩn

-Vận tốc khí lớn có thể gây nên sự lôi cuốn cơ học các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên, làm giảm sự biến đổi nồng độ tạo nên bởi quá trình chuyển khối, làm giảm hiệu suất

Phần 2: Tính toán các số liệu ban đầu

Hỗn hợp đầu vào là hỗn hợp khí nên tỉ lệ thể tích là tỉ lệ phần mol:

⇒Nồng độ phần mol tương đối:

Yđ = = = 0,111(kmol NH3/kmol khí trơ)Hiệu suất quá trình hấp thụ là 90%

⇒ = 0.9 ⇒ Yc = 0,1Yđ = 0,0111(kmol NH3/kmol khí trơ)

Lưu lượng khí trơ:

Gtrơ = =357,143.(1- 0,1)= 321,4287(

Lượng NH3 được hấp thụ:

(kmolNH3/h)

I. Thiết lập đường cân bằng

Phương trình đường cân bằng có dạng:

P : áp suất hỗn hợp khí đầu vào (mmHg)

Tra bảng IX.1( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2, trang 139), ta có: ψNH3 (25) =0,00223.106 mmHg

⇒

6

0,00223.10

2,934760

II. Phương trình cân bằng vật liệu

Phương trình cân bằng vật liệu cho tháp hấp thụ

Gtrơ(Yđ – Yc) = Gx(Xc – Xđ)Xét tại một thiết diện bất kì của tháp

G G

.X+YcGiả thiết Xc= Xcb,c

Lượng dung môi tối thiểu: Gx min =

Từ phương trình đường cân bằng Ycb=

Thông thường β = 1,2÷1,5 Chọn β = 1,2

⇒ Gx = 1,2 x 917,449 = 1100,9988 (kmol/h)

Phần 3: Thiết bị chính

I Tính toán đường kính tháp

Đường kính thiết bị được tính theo công thức:

4.3600

tb tb

V D

π

=

ω

(m)Với Vtb: Lưu lượng trung bình của pha khí (m3/h)

8727,143 7941,7

8334, 4215( / ) 2

y =2,95.e-4xVận tốc giới hạn trên được tính theo công thức:

y =10.e-4x

trong đó

0,16 2

, 1/4 1/8 , ,

.

: lưu lượng trung bình 2 pha(kg/h)

-Đối với pha lỏng:

+) Tính khối lượng riêng trung bình:

3 2 ,

3 3

Tra bảng I.5- Sổ tay quá trình thiết bị tập 1: ρH2O(25°C)=997,08(kg/m3)

Thay vào phương trình trên ta được

3 , 988, 4702( / )

log µ =x tb xtb.log µNH + − (1 xtb).log µH O

Tra bảng I.101-Sổ tay quá trình thiết bị tập 1 :

3

NH

µ(200C)= 0,226.10-3 Ns/m2

3

NH

µ(300C)= 0,217.10-3 Ns/m2

Nội suy

3

NH

µ(250C) =0,2215.10-3Ns/m2

Tra bảng I.102-Sổ tay quá trình thiết bị tập 1:

2

H O

µ(250C)= 0,8937.10-3Ns/m2

Thay vào phương trình trên

=20090,4356(kg/h)

-Đối với pha khí:

+)Tính khối lượng riêng trung bình:

0,16 4

II Tính toán số lỗ trên một đĩa

III Tính chiều cao tháp

Tính chiều cao tháp theo công thức

H = h.(Ntt -1)+ (0,8 :1) ( m )

Trong đó : Ntt :số đĩa thưc tế

h :khoảng cách giữa các đĩa (m)

(0,8 :1) :Khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị (m)

Tính số đĩa lí thuyết theo phương pháp vẽ đường cong động học

y y

Hệ số cấp khối trong pha lỏng và pha khí ( kmol/m2.s)

Đường cân bằng có dạng gần giống đường thẳng y=3,070x

Suy ra giá trị tan của góc nghiêng của đường cân bằng: m=3,070

kmol

m s kmol

P d

σ σ= +σ ⇒ =σ +σTra bảng I.242-Sổ tay quá trình thiết bị tập 1

H2

σ(250C) = 71,96.10-3 (N/m2)

3 3

6

10 71 , 15 10 ).

96 , 71 1 , 20 (

10 96 , 71 1 ,

−

−

= +

2 3

4 4.15,71.10

12,568( / ) 5.10

m s kmol

x x

y

kmol

m s kmol

3600

y y

Với A thuôc đường làm việc, C thuộc đường cân bằng.

Vẽ đường cong phụ đi qua các điểm B1, B2,B3 ….Bn

F

=0,2 lấy bằng 0,6σ

: Chiều dày đĩa, chọn σ

y

µ: Độ nhớt của khí(N.s/m2)

3 0

Ta lực chọn bơm ly tâm vì các ưu điểm:

-Chất lỏng được cung cấp đều,

-Quay nhanh, có thể kết nối với động cơ,

-Thiết bị làm việc đơn giản,

-Có thể bơm chất lỏng không sạch,

-Không có supap nên ít bị tắc và hư hỏng

Bơm ly tâm được phân loại theo nhiều cách khác nhau như theo số bậc, theo cách đặt bơm, theo điều kiệnvận chuyển của chất lỏng từ guồng ra thân bơm và theo 1 số đặc trưng khác

Nguyên tắc hoạt động: Bơm ly tâm làm việc theo nguyên tắc ly tâm Chất lỏng được hút và đẩy cũng như nhận thêm năng lượng là nhờ tác dụng của lực ly tâm khi cánh guồng quay Bộ phận chính của bơm là cánh guồng trên có gắn những cánh có hình dạng nhất định, bánh guồng được đặt trong thân bơm và quayvới tốc độ lớn Chất lỏng theo ống hút vào tâm guồng theo phương thẳng góc rồi vào rãnh giữa các guồng

và cùng chuyển động với guồng Dưới tác dụng của lực ly tâm, áp suất của chất lỏng tăng lên và văng ra vào thân bơm, vào ống đẩy theo phương tiếp tuyến Khi đó ở tâm guồng tạo nên áp suất thấp Nhờ áp lực mặt thoáng bể chứa, chất lỏng dâng lên trong ống hút vào bơm Khi guồng quay chất lỏng được hút liên tục, do đó chất lỏng được chuyển động đều đặn Đầu ống hút có lắp lưới lọc để ngăn không cho rác và vật

rắn theo chất lỏng vào bơm gây tắc bơm và đường ống Trên ống hút có van một chiều giữ cho chất lỏng trên đường

Công suất yêu cầu trên trục bơm:

1000.

Q g H

η(kW)

H: Áp suất toàn phần (m)

η: Hiệu suất chung của bơm

: Hiệu suất cơ khí tính đến ma sát cơ khí

Dựa vào bảng II.32- Sổ tay quá trình thiết bị tập 1; đối với máy bơm li tâm ta chọn

0 0,850,80,92

3 3

1100,9988.18

5,52.10 ( / ) 997,08.3600 m s

m

td

L P

10 997,08.2 0,024 6837,12( / )

∆ = ξ

: Áp suất cần để khắc phục trở lực cục bộ (N/m2)ξ

: Hệ số trở lực cục bộĐầu vào của ống dẫn có lắp lưới chắn đan bằng kim loại để loại bỏ chất rắn tồn tại trong dung môi có thể gây tắc ống

10 4

ω = ω = 5

m/s

3 0

3

5.5.10

0,8937.10 997,08

(N/m2)85307,316

8,73( ) 9,8.997, 08

đc tr đc

N N

đc

trđc

N N

II Tính toán quạt thổi khí

Chọn quạt li tâm để vận chuyển khí vì quạt li tâm có nhiều ưu điểm

-Gọn nhẹ , tốn ít vật liệu

-Chế độ làm việc ổn định , tạo được áp suất lớn

Công suất của quạt:

1000.

Q P

N =

η(kW)Với Q: Lưu lượng khí vào (kg/s)

,

(1 ) .273 273

: Khối lượng riêng của khí ở môi trường xung quanh

Tra bảng I.10-Sổ tay tập 1;

Khi đó hệ số ma sát được tính theo công thức:

1,5 0,016 13, 644( / )

.

Công suất máy thổi khí:

2,756.1683,078

5,15( ) 1000.0,9

Thân thiết bị được cấu tạo từ một tấm thép cuốn lại thành hình trụ rồi hàn ghép mối lại với yêu cầu:

Mối hàn phải dễ quan sát

Mối hàn phải kín

Không được khoan lỗ qua mối hàn

Thiết bị gồm ba đoạn: thân, nắp và đáy nối vơi nhau bằng mặt bích

Do thiết bị có chiều cao là H = 6,5 m nên thân thiết bị được ghép từ 3 đoạn thân, mỗi đoạn cao khoảng2,2 m; chúng được hàn ghép mối với nhau

2 Các chi tiết:

a Chiều dày thân:

Thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong, chiều dày của nó được tính theo

S =

t t

P

P D

− ϕ

σ 2

+ C (m)

trong đó:

Dt : đường kính trong của tháp, Dt = 1,6 m

ϕ: hệ số bền hàn của thành trụ theo phương dọc

C: hệ số bổ sung do ăn mòn, bào mòn, dung sai về chiều dày (m)

Pt: áp suất trong thiết bị (N/m2)

Tháp được hàn dọc bằng hàn tay hồ quang điện Đối với vật liệu là thép cacbon CT3, kiểu hàn ghép nốivới Dt = 1,6 m > 700 mm nên ϕ = 0,95

Pt = Pmt + PttVới :

Pmt: áp suất làm việc của tháp = 1 atm =101325,024 N/m2

Ptt: áp suất thuỷ tĩnh của cột chất lỏng trong tháp

.

tt

P = ρ g H

(N/m2)H: chiều cao tối đa của cột chất lỏng,lấy tối đa H = 6 m

Khối lượng riêng của chất lỏng = 997,08 kg/m3

Theo bảng XIII.2-Sổ tay tập 2, do thiết bị thuộc loại II, các chi tiết, bộ phận không bị đốt nóng hay đượccách ly với nguồn nóng nên hệ số điều chỉnh η = 1

Theo bảng XIII.4-Sổ tay tập 2, ứng suất cho phép được xác định theo giá trị nhỏ nhất từ hai công thứcsau:

nk, nc: hệ số an toàn giới hạn bền, giới hạn chảy

Theo bảng XIII.3-Sổ tay tập 2, thiết bị làm từ thép cacbon thường với nguyên lí cán, rèn dập nên nk =2,6 ; nc = 1,5

σk, σc: ứng suất cho phép khi kéo, khi chảy

Theo bảng XII.4-Sổ tay tập 2, ta chọn σk =380.106(N/m2)

σc = 240.106(N/m2)

⇒

[σk ] =

1 6 , 2

10

380 6

= 146.106 (N/m2); [σc ] =

1 5 , 1

10

240 6

= 160.106 (N/m2) Chọn [σk ] = 146.106

Vậy chiều dày của thân thép là:

S =

6

1,6.159953,328 2.146.10 0,95 159953,328 −

+ 1,4.10-3 = 2,32.10-3 m lấy S = 4mm

Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử (dùng nước)

Áp suất thử tính toán Po được xác định

Xác định ứng suất ở thân tháp theo áp suất thử tính toán:

Với d: đường kính lớn nhất của lỗ không tăng cứng Chọn d=0,5m

1,6.210615,84 1, 6

1,4.10 3,8.146.10 0,6875.0,95 210615,84 2.0, 4

−

+

− =3,26.10-3(m)

Chọn chiều dày là 6mm để đảm bảo an toàn và độ bền cho nắp

Kiểm tra ứng suất của thiết bị theo áp suất thử

) c S ( h k 6 , 7

P ) c S ( h 2 D

b

0 b

2

− ϕ

− +

Tra bảng XIII.11-Sổ tay tập 2 ta được khối lượng của nắp tháp là: m =137 kg

Đáy tháp: Hoàn toàn tương tự như nắp tháp

⇒

Chiều cao toàn bộ tháp Htháp =Hlàm việc + Hđáy+nắp=4,65+2.(0,4+0,025)=5,5m

c.Chọn mặt bích:

Dùng bích liền bằng thép để nối thiết bị theo các thông số tra từ bảng XIII.27-Sổ tay tập 2

Chọn 2 bích nối đáy - nắp với thân tháp

Chọn 2 bích nối các phần của thiết bị chính

Chọn bích liền bằng kim loại đen kiểu 1 để nối các bộ phận của thiết bị với ống dẫn

Tra bảng XIII.26-Sổ tay tập 2

Với ống dẫn chất lỏng, Dy=70mm

Với ống dẫn khí Dy=400mm

d.Chọn chân đỡ:

a Khối lượng toàn tháp:

Khối lượng thân: Mthân = Vthân.ρCT

Vthân =

th t

D

4

2

2 − π

Khối lượng đáy và nắp tháp = 2.137 = 274 (kg)

Khi có sự cố, nước sẽ bị điền đầy vào tháp Tuy nhiên lưu lượng nước bơm vào tháp không đáng kể, nên

có thể kịp phát hiện khắc phục sự cố trước khi nước choáng đầy tháp

Khối lượng dung môi làm việc trong tháp:

Mdung môi = Vlàm việc ρH2O =

.7850 = 63,13 (kg)

Tháp có 10 đĩa ⇒

Mđ=10.Mđ = 631,3 (kg)Khối lượng bổ sung gồm khối lượng của bu lông, thanh giằng…

Chọn Mbs =200 kg

Vậy khối lượng của toàn tháp là:

Mtháp = 745,75+ 274 + 631,3 + 200 + 8119,23

= 9970,28(kg)

Trọng lượng tương ứng của tháp: