tháp đĩa lưới có ống chảy truyền hấp thụ khí HCl với dung môi là nước

mình có bản vẽ autocad của tháp nhé.liên hệ để lấy ............................................................................................................................................................................

PHẦN MỞ ĐẦU

**********

Trong suốt hơn 20 năm thực hiện công cuộc đổi mới , đất nước ta đã có những bước phát triển vượt bậc trên tất cả các lĩnh vực : kinh tế,chính trị, văn hoá, giáo dục, đời sống… Đặc biệt là nền kinh tế nước ta đã có những thành tựu đáng kể Nhiệm vụ đưa nước ta trở thành một nước công nghiệp tiên tiến trên thế giới vào năm 2020 đang có tính khả thi hơn bao giờ hết Tuy nhiên với một xuất phát điểm thấp cộng thêm bị chiến tranh tàn phá nặng nề cho nên việc phát triển kinh tế cũng gặp không ít những khó khăn, trở ngại Một trong những vấn

đề nan giải đó là phát triển kinh tế nhưng vẫn đảm bảo một môi trường sống an toàn, trong sạch Vấn đề môi trường ngày càng được quan tâm không chỉ từ phía những nhà quản lí mà còn được nhiều nhà sản xuất coi trọng Trong nhiều năm trước đây, chúng ta chỉ chú trọng tới việc phát triển kinh tế của từng ngành, từng địa phương mà quên mất việc xử lí ô nhiễm công nghiệp Xu thế phát triển chung của thế giới hiện nay là phát triển bền vững, phát triển đi đôi với bảo vệ môi trường, bởi vậy nhiều dây chuyền xử lí các loại chất thải công nghiệp được lắp đặt và hoạt động có hiệu quả đã góp phần không nhỏ vào việc giảm thiểu ô nhiễm Trong những loại khí thải gây ảnh hưởng xấu đến môi trường phải kể tới khí HCl Đây là một axít có nhiều ứng dụng trong công nghiệp như : điều chế các hợp chất hữu cơ như nhựa PVC , clo hoá các hợp chất hữu cơ (đặc biệt là các hidrocacbon )…Theo thống kê trên thế giới có khoảng 20 triệu tấn axít được sản xuất hàng năm Nếu không xử lí hỗn hợp khí có chứa axít HCl mà thải trực tiếp ra ngoài môi trường có thể làm giảm pH của một khu vực, gây ra hiện tưọng mưa axít huỷ hoại các công trình kiến trúc và hệ sinh thái, ngoài ra còn gây ảnh hưởng trực tiếp tới sức khoẻ của dân cư sống xung quanh.Bởi vậy, nhiệm vụ xử lí hỗn hợp khí có chứa HCl trước khi thải ra ngoài môi trường là yêu cầu tất yếu đối với tất cả các cơ sở công nghiệp (đặc biệt là các cơ sở có sử dụng và thải ra khí này) Để xử lí hỗn hợp khí HCl thì phương pháp hấp thụ là phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất Với phương pháp này chúng ta có thể hấp thụ từ 80 tới trên 90% lượng HCl có trong hỗn hợp khí Sau đây tôi xin được giới thiệu bản thiết kế tháp đĩa lưới có ống chảy truyền hấp thụ khí HCl với dung môi là nước Đây cũng chính là nhiệm vụ đồ án môn học các quá trình

cơ bản trong công nghệ hoá học đối với sinh viên ngành công nghệ môi trường năm thứ 4, trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Phần I Tính toán thiết kế tháp

I cân bằng vật liệu

I.1 Chuyển đổi đơn vị

* Chuyển nồng độ thể tích sang nồng độ phần mol tơng đối

Yd: nồng độ phần mol tơng đối của HCl trong hỗn hợp khí (kmol/kmol khí trơ)

d

d

d

y

y

Y





1

=> Yd =0,01 ( kmol HCl/kmol khớ trơ)

- Mặt khỏc hiệu suất hấp thụ là = 95%

Gọi Yc : nồng độ cuối của HCl trong hỗn hợp khớ (kmol HCl/kmol khớ trơ)

d

c d

Y

Y

Y 

= 0,95  Yd - Yc = 0,95Yd  0,05Yd = Yc

 Yc = 0,05 0,01 = 5.10-4 ( kmol HCl/kmol khớ trơ)

yc : nồng độ phần mol của khớ cần hấp thụ trong hỗn hợp

Yd =

d

d

y

y



1 =0.01  yd = 0.0099 (kmol HCl/kmol hỗn hợp khớ)

Nồng độ mol tương đối trung bỡnh :

Ytb =

2

c

d Y

Y 

=

2

10 5 01 ,

= 5,25.10-3 (kmol HCl/kmol khớ trơ)

Nồng độ phần mol trung bỡnh :

ytb =

tb

tb

Y

Y



3

10 25 , 5 1

10 25 , 5





 = 5,22.10-3 (kmol HCl/kmol hỗn hợp khớ)

*Chuyển đổi đơn vị lưu lượng từ Nm3/h trở về đơn vị kmol/h :

Theo đề bài ta cú lưu lượng khớ thải vào thỏp Q = 10000 (Nm3/h)

- Do ở điều kiện tiờu chuẩn  lưu lượng khớ thải :

QV = 22Q,4 = 1000022,4 = 446,43 (kmol/h)

1.2 Thiết lập phương trỡnh đường cõn bằng :

Phương trỡnh đường cõn bằng cú dạng :

Y = 1(1mX m)X (kmol HCl/kmol khớ trơ).[II]

X =(m 1Y)Y m (kmol HCl/kmol khớ trơ).[II]

Với m =P là hằng số cõn bằng pha [II]

: hệ số Henry (mmHg)

P : ỏp suất chung của hỗn hợp

Do HCl là một chất khí cũng dễ hòa tan trong nước cho nên ở đây toi chọn thông số ban đầu P = 3 atm; T = 25 oC

Tra bảng IX.1 ta có : ΨHCl ( 25OC) = 0,00215.106 (mmHg)

m =

760 3

10 00215 ,

= 0,943

 Phương trình cân bằng :

Thay các giá trị vào ta có :

Y =10,0943,057X X (kmol HCl/kmol khí trơ)

X = 0,943Y0,057Y ( kmol HCl/ kmol H2O) Theo bài dung môi ban đầu là nước, nồng độ ban đầu trong nước của HCl là 0

 Xd = 0

1.3 Phương trình đường làm việc của tháp :

Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kì tới phần trên của thiết bị:

Gtr ( Y – Yc ) = Gx ( X – Xd )

Trong đó :

Xd : nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi

( kmol HCl/ kmol H2O)

Yc : nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí (kmol/kmol khí trơ)

Gx : lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ ( kmol/h )

Gtr : lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ ( kmol/h )

Từ phương trình cân bằng vật liệu ta có:

- Lưu lượng khí trơ :

Gtr = Gy ( 1 – yd ) = 446,43 ( 1- 0,0099 ) = 442,01 (kmol/h)

Do đề bài không cho nồng độ cuối của dung môi , bởi vậy chúng ta phải chọn để đạt được yêu cầu của bài toán thiết kế đề ra

Ta có :

Xcmax =

d

d

Y m m

Y

).

1 ( 

=0,943(00,943,01  1).0,01 = 0,0106 ( kmol/kmol dungmôi) Gxmin = Gtr

d

c d

X

Y Y





cm

X = 442,01.0,010,01065,25.010 4



= 396,14 (kmol/h)

Gx = β Gxmin

Người ta thường chọn β = 1,2 : 1,25 Ở đây chọn β = 1,2

 Gx = 1,2 396,14 =475,37 ( kmol/h)

- Phương trình đường làm việc cho một đoạn tháp bất kì :

Gtr ( Y – Yc ) = Gx (X – Xd )

tr

x X Y

G

G

 = l.X + Yc - d

tr

x X G

G

[II]

Thay số vào ta có:

- Phương trình đường làm việc :

Y = 1,0755.X + 5.10-4

Dưới đây là bảng giá trị, và đồ thị biểu diễn quan hệ của X,Y,Ycb : ( vẽ exel )

II.TÍNH KẾT CẤU THÁP

II.1 Đường kính

II1.1.Tính các thông số vật lí

II1.1.1 Tính khối lượng riêng

 Đối với pha lỏng:

 Áp dụng công thức :

xtb



1

=

HCl HCl

a

 +

O H HCl

a

2

1





[I]

Trong đó :

 ρxtb : Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, ( kg/m3)

 aHCl : Phần khối lượng của HCl trong pha lỏng

 ρHCl, H2o : Khối lượng riêng của HCl, H2O ở 25oC ( kg/m3 ), Tra bảng I.5 [I] ở 25oC : H2O = 997,08 ( kg/m3 )

Tra bảng I.2 [I] ta có : ( 20o C) 1149 (kg/m3 )



) / ( 1138 )

40



Dựa vào phương pháp nội suy  (25 ) 1146( / )

3

m kg C

o



-Tính aHCl : + Xc = ( d c)

x

tr Y Y G

G

 = ( 0 , 01 5 10 )

37 , 475

01 ,



= 8,83.10-3 (kmol HCl/ kmol dung môi).

+ Xtb =

2

c

d X

X 

=

2

10 83 ,

= 4,42.10-3( kmol HCl/ kmol dung môi)

+ xtb =

tb

tb

X

X



10 42 , 4 1

10 42 , 4





 = 4,4.10-3 ( kmol HCl/ kmol dung môi)

Áp dụng công thức a HCl = . . (1 )

2O tb H

tb HCl

tb HCl

x M

x M

x M



Trong đó :

* aHCl : Phần khối lượng trung bình của HCl trong hỗn hợp

* xtb : nồng độ phần mol trung bình của cấu tử cần hấp thụ trong pha lỏng

Thay số vào ta có :

aHCl = 36,5.4,4.1036,53.4,184.10(1 4,4.10 3)

3









Với Mx = MHCl xtb + Mnước ( 1- xtb) là khối lượng phân tử của hỗn hợp lỏng Mx

Mx = 36,5 4,4.10-3 + 18(1- 4,4.10-3) = 18,0814 (kg/kmol)

Như vậy:



O H

HCl HCl

HCl

2

1 1













=

08 , 997

10 8 , 8 1 1146

10 8 , 8

1

3

 

 = 998,15 ( kg/m3 )

* Đối với pha khí :

-Tính My :

My = ytb.MHCl + (1-ytb).Mkk

Trong đó :

* My : phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí (kg/kmol)

* MHCl, Mkk : khối lượng phân tử của HCl và không khí (kg/kmol)

*ytb : phần mol trung bình của HCl trong hỗn hợp

(kmolHCl/kmol hỗn hợp khí)

Ta có :

My = 5,22.10-3 36,5 + ( 1- 5,22.10-3 ) 29 = 29,04 (kg/kmol)

Tính ytb:

Áp dụng công thức : RT. y 22,y4

ytb

M M

P





o

P T

T

. ( kg/m3) [I]

Trong đó :

* ytb: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp (kg/m3)

*My: phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí

*To : nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn, To = 273 OK.

*T : nhiệt độ làm việc của tháp, T = 273 + 25 = 298 oK

*Po : áp suất ở điều kiện tiêu chuẩn Po = 1atm

*P: áp suất lam việc của tháp, P = 3 atm

 ytb= 2922,,044 29827313 =4,245 ( kg/m3)

II.1.1.2 Độ nhớt μx, μy

* Đối với pha lỏng μx :

Áp dụng công thức : lg μx = xtb.lg μHCl + (1-xtb).lg μnước

Trong đó :

* μHCl, μnước : độ nhớt của HCl, và nước ở 25oC ( Ns/m2)

*xtb : phần mol trung bình của HCl trong hỗn hợp

Tra bảng I.102 – I, ta có :

μnước (25oC) = 0,8937.10-3 (Ns/m2)

Dựa vào bảng I.107 [I] ta có :

* μHCl (20o C) = 1,7.10-3 (Ns/m2)

* μHCl (30o C) = 1,48.10-3 (Ns/m2)

 Dựa vào phương pháp nội suy ta có :

* μHCl (25o C) = 1,59.10-3 (Ns/m2)

 lg μx = 4,4.10-3.lg(1,59.10-3) + (1- 4,4.10-3).lg(0,8937.10-3)

 lg μx = - 3,0477

 μx = 8,96.10-4 (Ns/m2)

Đối với pha khí :

Áp dụng công thức :

kk

kk tb HCl

HCl tb y

M







).

1 (



Trong đó :

* y, HCl, kk: độ nhớt trung bình của pha khí, của HCl, và của không khí ở nhiệt độ làm việc t = 25oC, Ns/m2.

* My, MHCl, Mkk : khối lượng phân tử của pha khí, của HCl, và của không khí

ở nhiệt độ 25oC, P= 3atm

Tra trên đồ thị I-35- [II] ta có :

* ( 25o C) 145 10 7 (Ns/m2 )



* ( 25o C) 180 10 7 (Ns/m2 )

kk







2 7

2

10 180

29 ).

10 25 , 5 1 ( 10

145

5 , 36 10 25 , 5

04 , 29 ).

1 (

















kk

kk tb HCl

HCl tb

y

M







= 1,797.10-5

(Ns/m2)

II.1.2.Tớnh đường kớnh thỏp đĩa lưới :

Áp dụng cụng thức :

ytb ytb

V D



 3600

4

Trong đú :

* Vytb : lượng khớ trung bỡnh đi trong thỏp, (m3/h)

* ωytb : tốc độ khớ trung bỡnh đi trong thỏp, m/s

+ Tớnh lưu lượng thể tớch khớ trung bỡnh đi trong thỏp :

ytb

ytb ytb ytb

M G V



.

Với :

* Gytb : lưu lượng khớ trung bỡnh đi trong thỏp.(kmol/h)

* Mytb : khối lượng phõn tử trung bỡnh của khớ đi trong thỏp, kg/kmol

* ytb : khối lượng riờn trung bỡnh của khớ trong thỏp kg/m3

Ta cú :

) 1 (

yc yd

G    

(kmol/h)

) / ( 66 , 3039 245

, 4

04 , 29 33 ,



- Lu lợng lỏng trung bình đi trong tháp:

2

xc xd xtb

G G

G   (kg/h)

Gxd = 475,37 (kmol/h)

Gxc = Gxd + G HClbị hấp thụ

HCL

G bị hấp thụ = Gtrơ (Yđ - Yc) = 442,01(0,01 – 5.10 -4) = 4,2 (kmolSO2/h)

* 3039,66*4, 245 12903,36

47 , 477 2

2 , 4 475,37 2

G 2

SO











 G xtb G xd bihapthu (kmol/h)

= 477,4718,08 = 8632,66 (kg/h)

*Tính vận tốc của khí đi trong tháp ytb , m/s.

Do đặc thù của tháp đệm là làm việc ổn định và đạt hiệu quả cao nhất ở vận tốc đảo pha nên ta áp dụng công thức để tính tốc độ hơi (khí) đi trong tháp

8 / 1 4

/ 1 16

, 0 3

2

.

75 , 1

.



























































xtb

ytb y

x n

x xtb d

ytb d dp

G

G A

V















Trong đó:

 dp : tốc độ bắt đầu tạo nhũ tơng hay còn gọi là tốc độ đảo pha, m/s

 Vđ : thể tích tự do của đệm

 d : bề mặt riêng của đệm

Do tháp hấp thụ HCl – mang tính axít nên thiết bị loại đệm với đặc tính của đệm:

Đệm vòng Rasig để lộn xộn, kích thớc đệm: 30x30x3,5

Tra bảng thông số kỹ thuật (IX.8 – II ) ta đợc:

Vd = 0,76 (m3/m3)

d

 = 165 (m2/m3)

 g : gia tốc trọng trờng, g = 9,81 (m/s2)

 Gx, Gy: lợng lỏng và lợng hơi trung bình (kg/h)

Gx = 8632,66 (kg/h)

Gy = 12903,36 (kg/h)

 x, n: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nớc ở 200C, Ns/m2

) 20

( 0C

n

 = 1,005.10-3 (Ns/m2)

) 25

x

 = 9,25.10-4(Ns/m2)

 xtb, ytb: khối lợng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí (kg/m3)

xtb

  = 998,15 (kg/m3)

ytb

  = 4,245 (kg/m3)

Thiết bị là tháp hấp thụ loại đệm A = 0,022

Thế vào phơng trình:

.165.4, 245 9, 25.10 8632, 66 4, 245

9,81.0,76 998,15 1,005.10 12903,36 998,15

dp



=> lg( 2

dp

 0,161) = -0,777

=> 2

dp

 = 1,044 => dp= 1,02 (m/s)

Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, xong thực tế tháp

đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng nữa sẽ rất khó bảo đảm quá trình ổn định Vì vậy

Tốc độ thích hợp tính theo phơng pháp này thờng bằng khoảng:

y

 = (0,8 0,9) dp

Ta chọny = 0,85 dp = 0,85.1,02 = 0,867 (m/s)

Thay các giá trị ta có đờng kính tháp

=> Đờng kính của tháp:

4.3039,66

1,11( ) 1,1( ) 3600.3,14.0,867

=> Lúc này tốc độ khí trung bình đi trong tháp là:

2 2

4. 4.3641,04

0,889( / ) 3600 1,11 3600.3,14

ytb

ytb

V

m s D





có ytb  (0,8 0,9) dp=> kết quả phù hợp

Kiểm tra điều kiện thiết kế

0,0167 0,02

dem d

d

dđệm: đờng kính đệm

D: đờng kính tháp

Điều kiện thiết kế là

50

1



D

d dem

=> đệm trên là phù hợp

II.2 Chiều cao

áp dụng công thức xác định chiều cao của lớp đệm:

trong đó:

 my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi (khí)

 hđv: chiều cao của một đơn vị chuyển khối

* Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối

Ta áp dụng công thức:

2

1 h G

G m h

h

x

y

dv   [II-177]

Trong đó:

 h1, h2 : chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng (m)

 Gx, Gy: lu lợng trung bình của pha lỏng, pha khí (kg/h)

 m : hệ số góc của đờng cong cân bằng

* Tính h1

áp dụng công thức: h1 = 0,615.dtd 0 , 345 2 / 3

Pr

Rey y

Trong đó:

 dtd: đờng kính tơng đơng của đệm

 Rey: chuẩn số Reynold cho pha hơi

 Pry: chuẩn số Prandt cho pha hơi

Trong đó:

 y : vận tốc khí đi trong tháp (m/s)

0,889( / )

   

 y: khối lợng riêng trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (kg/m3)

3

4, 245( / )

   

 d : bề mặt riêng của đệm, d=165 (m2/m3)

 y:độ nhớt trung bình của pha khí, (Ns/m2)

y d

y y

y

d

d

d











.

.

.

4

Re

) ( 018 , 0 165

76 , 0 4

4









4 0,889 4, 245

165 1,797.10

Pr

.

y

y

y

y D y











Trong đó:

 y: độ nhớt hỗn hợp khí, (Ns/m2)

 y: khối lợng riêng trung bình của pha khí, (kg/m3)

 Dy : hệ số khuếch tán của pha khí, m2/s

7 1,5 1/ 3 1/ 3 2

.

y HCl kk

T





   [II-127]

 T : nhiệt độ K, T = 273 + 25 = 298K

 P = 3 atm =3,102 at

 M HCl,M kk: khối lợng mol của HCl, không khí (kg/kmol)

 u HCl,u kk: thể tích mol của HCl, không khí (cm3/mol)

Tra bảng VIII.2 - II

=> u HCl  28,3(cm mol3/ )

ukk = 29,9(cm3/mol)

4,69.10 ( / ) 3,102 (28,3 29,9 ) 35,5 29

HCl kk





=>

5 6

1,797.10

4, 245 4,69.10

y







=> h1= 0,615.0,018.5091,050,345.0,9032/3=0,159 (m)

* Tính h 2 chiều cao của một đơn vị chuyển khối trong pha lỏng

) ( Pr Re

119 0 , 25 0 , 5

3 / 1 2

2

g

x

x























[III-30 ]

Trong đó:



x

 : độ nhớt trung bình của pha lỏng, Ns/m2



x

 : khối lợng riêng trung bình của pha lỏng,kg/m3

 g : gia tốc trọng trờng, g = 9,81 (m/s2)

x ex

w R





4



d

 : bề mặt riêng của đệm (m2/m3), d=165(m2/m3)

2

3600

4

D

G F

G

x





Gx: lu lợng trung bình của pha lỏng, Gx = 8632,66 (kg/h)

2 2

4

4 8632,66

2,52( / )

3600 3,14 1,1

4 2,52

165 8,96.10 Pr

.

x

x

x x

x xtb

D















Trong đó:



x

 = 8,96.10-4 Ns/m2



xtb

 : khối lợng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3

 Dx : hệ số khuếch tán trong pha lỏng, m2/s

) / ( ) (

.

1 1

10

2 2 3 / 1 3 / 1

6

20

2 2 2

2 2

s m u

u AB

M M

D

O H SO O H

O H SO

x











[II-133]

Trong đó:

 20

x

D : hệ số khuếch tán của dung dịch lỏng ở 200C (m2/s)

 M HCl,M H O2 : khối lợng mol của HCl, H2O (kg/kmol)

HCl

M = 35,5 (kg/kmol)

O

H

M

2 = 18 (kg/kmol)

 A, B: hệ số liên hợp

A = 1; B = 4,7

 H2O: độ nhớt của nớc ở 200C, H2O= 1cp = 10-3 Ns/s

 u HCl,u H O2 : thể tích mol của HCl, H2O (cm3/mol)

HCL

u = 44,8 (cm3/mol)

O

H

u 2 = 18,9 (cm3/mol)

6

10 35,5 18

1,89.10 4,7 1 (28,3 18,9 )

x

D







(m2/s)

20

x

x

D [1 + b(t - 20)] (m2/s) Trong đó:



3 2

2 ,

0



H O

b 

 H2O: độ nhớt của nớc ở 200C, H2O= 1cp = 10-3 Ns/s

 : khối lợng riêng của nớc ở 200C

Tra bảng I.5 =>  = 998,23 (kg/m3)