ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ooOoo ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 1 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM 1. Tên đề tài Thiết kế tháp đệm hấp thu NH 3 với năng suất 1000m 3 /h. 2. Nhiệm vụ Xử lý khí NH 3 thải ra từ các nhà máy sản xuất hóa chất và các nhà máy sản xuất phân bón bằng phương pháp hấp thu với dung môi là nước. 3. Các số liệu ban đầu - Lưu lượng khí thải: 1000 m 3 /h. - Nồng độ NH 3 ban đầu: 10% thể tích. - Áp suất làm việc: 1atm. - Dùng nước sạch để hấp thu ở nhiệt độ: 20 0 C. - Lượng nước sử dụng lớn hơn 20% lượng tối thiểu. - Hiệu suất của quá trình hấp thu là 98%. - Nước vào tháp là tinh khiết. - Vật chêm là vòng sứ Raschig có kích thước 5x5x1. SVTH Xác nhận của GVHD GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 2 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày Tháng Năm 2011 Ký tên GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 3 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM NHẬN XÉT CỦA THẦY CÔ PHẢN BIỆN Ngày Tháng Năm 2011 Ký tên GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 4 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM LỜI NÓI ĐẦU Amoniac là một hóa chất dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Sự phát xạ của không khí có chứa amoniac vào khí quyển mà không có biện pháp xử lý, gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người và môi trường. Một phương pháp có hiệu quả cao để xử lý amoniac từ khí thải là yêu cầu cấp thiết. Những nguồn thải ra khí amoniac bao gồm: quá trình sản xuất phân bón, quá trình điều chế than cốc sử dụng phương pháp khôi phục sản phẩm phụ, sự đốt cháy nguyên liệu hóa thạch, quá trình chăn nuôi và những hệ thống làm lạnh sử dụng amoniac như một môi chất lạnh….Người ta có thể kiểm soát được lượng amoniac ở những quá trình này bằng nhiều cách như: sử dụng tháp lọc khí ẩm, sử dụng phương pháp nước ngưng để loại bỏ khí, khôi phục và tái chế những dòng thải, những hệ thống thu nạp Trong đồ án này, em xin trình bày phương pháp sử dụng tháp đệm để hấp thu NH 3 . Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã được sự giúp đỡ tận tình của thầy Huỳnh Lê Huy Cường để giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy đã cố gắng hoàn thành tốt đồ án của mình nhưng em vẫn còn nhiều thiếu sót trong quá trình thực hiện. Mong thầy chỉ bảo thêm cho em. Em xin chân thành cảm ơn. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 5 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 6 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ NH3 1.1. Giới thiệu về NH 3 – Amoniac là một hợp chất của nitơ và hydro với công thức NH 3 , có tên quốc tế (theo IUPAC) là “Azane”, “Amoniac”, “Hydrogen nitride” và một số tên khác. Amoniac không màu, dạng khí có mùi cay nồng đặc trưng. Nó nhẹ hơn không khí, mật độ của nó là 0,589 lần so với không khí. Nó có thể dễ dàng hóa lỏng do sự liên kết mạnh mẽ giữa các phân tử hydro, nó có nhiệt độ sôi là –33,34°C và nhiệt độ nóng chảy là –77,7°C. Là phân tử có cực, amoniac là một chất khí khá nhẹ (d=0,596g/cm 3 ), tan nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa tan được 1200l khí NH 3 , ở 20°C là 700l khí NH 3 . Hiện tượng tan nhiều của NH 3 ở trong nước được giải thích bằng sự liên kết hydro giữa phân tử NH 3 và phân tử H 2 O. – Amoniac đóng góp đáng kể vào dinh dưỡng nhu cầu của các sinh vật trên mặt đất bằng cách phục vụ như là một tiền thân của thực phẩm và phân bón. Amoniac trực tiếp hay gián tiếp cũng là một khối xây dựng để tổng hợp nhiều dược phẩm. – Amoniac được sử dụng trong thương mại thường được gọi là khan amoniac. Thuật ngữ này nhấn mạnh đến sự vắng mặt của nước trong vật liệu. Bởi vì NH 3 sôi ở –33,34°C (–28,012°F), chất lỏng phải được lưu trữ dưới áp lực cao hoặc ở nhiệt độ thấp. 1.2. Phân loại Amoniac có hai loại, loại 1 dùng cho các máy lạnh và loại 2 dùng làm nguyên liệu trong công nghiệp hóa chất. Chúng có yêu cầu về chất lượng khác nhau: Hàm lượng các chất Đơn vị Loại 1 Loại 2 Amoniac Lượng tạp chất tối đa Hơi ẩm Dầu % % mg/l 99,9 0,1 10 99,6 0,4 35 GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 7 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Sắt – 2 Không quy định 1.3. Tính chất vật lý của amoniac – NH 3 tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có d < 1 (dung dịch NH 3 25% có d = 0,91g/cm 3 ). Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH 3 trong dung dịch bay hơi hết. – Amoniac có tác dụng kích thích làm chảy nước mắt, nhẹ hơn không khí. Nhiệt độ tới hạn của amoniac rất cao 405,55°K nên amoniac dễ hóa lỏng. Amoniac hóa lỏng ở 239,75°K và hóa rắn ở 195°K. Amoniac lỏng không màu, ở gần nhiệt độ sôi có hằng số điện môi ε = 22. Amoniac lỏng là dung môi rất tốt cho nhiều muối vô cơ. Các kim loại kiềm và kiềm thổ hòa tan trong amoniac lỏng. Amoniac lỏng có entapi bốc hơi lớn, vì vậy được dùng để nạp các máy lạnh. – Ở trạng thái rắn amoniac kết tinh mạng lập phương tâm mặt: Phân tử NH 3 có cấu tạo hình tháp tam giác với d N–H = 1,015 0 A và góc hóa trị HNH = 107 0 3, tương ứng cấu hình electron như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 s x y z σ σ σ σ Do sự lai hóa sp 3 của nguyên tử nitơ mà cặp electron hóa trị tự do (ở N) phân bố trên 1 sp 3 được định hướng rõ rệt trong không gian, vì vậy phân tử NH 3 rất dễ cho cặp electron đó tạo nên liên kết cho – nhận (liên kết phối trí) với các nguyên tử khác và liên kết có độ phân cực lớn 3 NH μ =1,47D . Cặp electron hóa trị tự do và tính phân cực của liên kết N–H tạo nên liên kết hidro giữa các phân tử NH 3 , vì vậy NH 3 dễ bị nén, có nhiệt bay hơi cao và tan nhiều trong nước. Ở nhiệt độ thường chỉ cần áp suất 6 ÷ 7 atm là có thể hóa lỏng nó. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 8 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM 1.4. Tính chất hóa học của amoniac Cũng do có cặp electron hóa trị tự do và ít bền mà NH 3 có hoạt tính hóa học cao. Nó có thể cho ba loại phản ứng: phản ứng cộng, phản ứng khử và phản ứng thế, trong đó đặc trưng hơn cả là phản ứng cộng. Amoniac bền ở nhiệt độ thường. Khi đun nóng có xúc tác amoniac tự phân hủy theo chiều ngược lại của phương trình tổng hợp. Phản ứng ở trạng thái cân bằng xác định. Amoniac bị phân hủy khi chiếu xạ bằng tia tử ngoại. Trong oxi nguyên chất, amoniac cháy với ngọn lửa vàng nhạt tạo thành N 2 và H 2 O. Dưới áp suất lớn, hỗn hợp amoniac và oxi có thể nổ: 0 3 2 2 2 3 2NH + O N + 3H O ΔH = - 768,6kJ/mol 2 → Nếu có chất xúc tác là platin hay hợp kim platin – rodi ở 800 – 900 o C thì khí amoniac bị O 2 không khí oxi hóa thành nito oxit: 0 3 2 2 5 2NH + O 2NO + 3H O ΔH = -588kJ/mol 2 → Các chất oxi hóa khác như nước oxy già, axit cromic, kalipemanganat oxi hóa amoniac một cách dễ dàng. Khí amoniac và dung dịch cháy trong clo, brom tạo thành N 2 . 3 2 2 2NH + 3Cl N + 6HCl → Amoniac cộng hợp được với rất nhiều chất: nước, axit, muối. Quan trọng nhất là phản ứng cộng với nước. Khi tan trong nước NH 3 tác dụng với nước theo sơ đồ sau: NH 3 + HOH → NH 4 + + OH - Sự xuất hiện ion OH - tạo nên môi trường bazơ của dung dịch (nhưng là bazơ yếu vì có hằng số điện li K = 1,8.10 -5 ). Trong dung dịch amoniac luôn có một cân bằng kép: GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 9 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM NH 3 + HOH → NH 4 OH → NH 4 + + OH - Vì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH 3 và có thể xem không có NH 4 OH. Ngay ở trạng thái khí, cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thành muối amoni clorua: NH 3 + HCl = NH 4 Cl Ngoài những loại phản ứng cộng như trên đã nói, NH 3 còn cho một loại phản ứng kết hợp đặc biệt với các muối tạo thành những hợp chất có thành phần giống như các hydrat gọi là các amoniacat, ví dụ: AgNO 3 .2NH 3 , CuSO 4 .4NH 3 …hoặc tạo thành các hợp chất phức với nhiều muối. Trong khi đó bản thân NH 3 khan lại là một axit rất yếu, có thể mất 1 proton H + tạo thành anion amid NH 2 − . Ví dụ cho liti nitrua vào NH 3 lỏng người ta nhận được anion amid (NH 2 - ): Li 3 N (s) + 2 NH 3 (l) → 3 Li + (am) + 3 NH 2 − (am) Hydro trong NH 3 có thể bị các kim loại mạnh đẩy ra và thế chỗ để tạo ra các nitrua như magie có thể cháy trong NH 3 để tạo magie nitrua Mg 3 N 2 . Natri hoặc kali kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH 2 , KNH 2 ) khi tác dụng với NH 3 . NH 3 bền ở nhiệt độ thường nhưng khi đun nóng lên 300°C nó bắt đầu phân hủy và ở 600°C nó phân hủy gần như hoàn toàn: 0 600 C 3 2 2 2NH N + 3H → H 2 tạo thành làm cho NH 3 nóng có tính khử mạnh. N 3- có thể bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn của nitơ, đặc biệt là dễ bị oxy hóa lên N 0 (N 2 ) và N 2+ (NO). Các chất oxy hóa như CuO, nước javen oxy hóa được NH 3 thành N 2 : 3 2 2 3CuO + 2NH = 3Cu + 3H O + N ↑ GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 10 [...]... trình hấp thu và nhả khí về cơ bản là giống nhau 3.2 Phân loại Phụ thu c vào bản chất của sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thu trong pha khí, phương pháp hấp thu được chia làm 2 loại: + Hấp thu vật lý: dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 17 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM + Hấp thu hóa học: giữa chất bị hấp thu và... Cường Trang: 25 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn Trong tháp người ta đổ đầy đệm theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự Tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trong kỹ nghệ hóa học để hấp thu, chưng cất, làm lạnh Người ta dùng nhiều loại đệm khác nhau, phổ biến nhất là loại đệm sau đây: + Đệm vòng (kích... THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Hình 5: Tháp đệm GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 27 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM 3.7.4.2 Vật chêm Hình 6: Vật chêm ngẫu nhiên Hình 7: Vật chêm thứ tự GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 28 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Hình 8: Lưới đỡ đệm Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loại chêm sau:... Lê Huy Cường Trang: 16 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM CHƯƠNG III: TỔNG QUÁT VỀ THÁP HẤP THU DẠNG ĐỆM 3.1 Định nghĩa hấp thu Trong quá trình sản xuất hóa học thường chúng ta thu được hỗn hợp khí nhiều cấu tử, muốn tiếp tục gia công chế biến chúng ta phải tách chúng ta thành từng cấu tử Ví dụ: như sau khi hóa than ta thu được hỗn hợp khí các chất N 2, H2, H2S, NH3, CO, CO2…muốn dùng... bị loại đĩa (tháp mâm): Bên cạnh tháp đệm, tháp đệm cũng được ứng dụng rất nhiều trong công nghệ hoá học Trong tháp đĩa khí phân tán qua các lớp chất lỏng chuyển động chậm từ trên xuống dưới, sự tiếp xúc pha riêng biệt trên các đĩa So với tháp đệm thì tháp đĩa phức tạp hơn do khó chế tạo hơn và tốn kém chi phí nhiều hơn GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 24 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3. .. 19 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Khi tính toán hấp thụ người ta thường cho biết trước lượng hỗn hợp khí, nồng độ đầu và nồng độ cuối của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí và trong dung môi Với: Gy: Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thu, Kmol/h Yd: Nồng độ đầu của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ Yc: Nồng độ cuối của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ Ltr: Lượng dung môi đi vào thiết bị. .. = d Gtr X c − X d Lượng cấu tử bị hấp thụ có thể tính theo công thức: g = Gtr (Yd − Yc ) = Ltr ( X c − X d ) g: lượng cấu tử bị hấp thụ vào trong pha lỏng GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 22 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM 3.5 Ứng dụng của quá trình hấp thu Quá trình hấp thu đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó được dùng để: + Thu hồi các cấu tử quý + Làm sạch... đối với mỗi tầng đệm 3.7.4.4 Chế độ làm việc của tháp đệm Sự chuyển động của lưu chất qua tháp đệm: Trong tháp đệm chất lỏng chảy từ trên xuống theo bề mặt đệm và khí đi từ dưới lên phân tán đều trong chất lỏng Hình 9: Sự phân phối chất lỏng GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 31 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Trên cơ sở phân tích và giải các phương trình khuyếch tán phân tử và đối... – 100mm) + Đệm hạt (kích thước từ 20 – 100mm) + Đệm xoắn – đường kính vòng xoắn từ 3 – 8mm Chiều dài dây nhỏ hơn 25m + Đệm lưới bằng gỗ Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi và quá trình hấp thụ không tạo ra cặn lắng GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 26 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Hình 5: Tháp đệm GVHD: Th.S... số truyền khối cho tháp đệm: GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 35 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Shulman đã thiết lập nên các phương trình chuẩn số để tính các hệ số truyền khối trong tháp đệm Với pha khí phương trình chuẩn số là: 2  d sG '  kG ρBM ScG/ 3 1,195   G  µG (1 − εo )  −0.36 εo: độ rỗng của tháp chêm khi hoạt động εo = ε - θt θt: phần độ rỗng bị pha lỏng chiếm . ooOoo ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 1 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM 1 Trang: 5 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 6 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM CHƯƠNG