Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị 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 học thì 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. GVHD: Nguyễn Văn Thông Page 1 Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị 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 các lực bề mặt, sinh ra chủ yếu là do chất hấp phụ có bề mặt bên trong rất phát triển, có vài chất hấp phụ có thể đạt tới 1700m 2 /g. Nhiệm vụ chủ yếu của nó là đảm bảo bề mặt tiếp xúc pha lớn. Vật liệu xốp gọi là chất hấp phụ, chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ. Các phương trình tính toán hấp phụ rất khác nhau vì sự khó khăn trong 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 tính toán 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 Khí-Lỏng-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 bằng với 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. 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 khá bền trên bề mặt nên khó nhả hoặc chuyển các phân tử thành nguyên tử. • Hấp phụ vật lý: do lực hút phân tử Vanderwaals tác dụng trong khoảng không gian gần sát bề mặt. 4. Các giai đoạn hấp phụ: • Khuếch tán cơ chất ngoài mao quản • Khuếch tán cơ chất trong mao quản • Hấp phụ lên chất xúc tác • Quá trình phản ứng xảy ra GVHD: Nguyễn Văn Thông Page 2 Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị • Nhả hấp phụ sản phẩm • Khuếch tán sản phẩm trong mao quản • Khuếch tán sản phẩm ngoài mao quản 5. Yêu cầu đối với chất hấp phụ: • Có bề mặt riêng lớn • Có tính chọn lọc • Có thể hoàn nguyên dễ dàng • Thời gian sống lâu • Bền cơ học GVHD: Nguyễn Văn Thông Page 3 6. Các chất hấp phụ thường dùng: • Than hoạt tính • Silicagen • Zeolit • Chất dẻo xốp • Nhôm oxit hoạt tính… 7. Thiết bị hấp phụ: 7.1. Hấp phụ tĩnh: 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. 11.Phương thức làm việc: 12. Phương thức bốn giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, sấy, làm lạnh (nồng độ cao) 13. Phương thức ba giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, làm lạnh. (nồng độ trung bình và nhỏ) 14.Phương thức hai giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp. 14.1. Hấp phụ động: 15. 6.1.1Thiết bị hấp phụ tầng sôi 16. Dòng khí thổi qua lớp vật liệu hấp phụ làm lớp vật liệu hấp phụ chuyển động và sau đó rơi xuống làm quá trình hấp phụ xảy ra đồng đều. 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 chất hấp phụ giữa các hạt đã làm việc và các hạt chưa làm việc nghĩa là không có khu vực chết. - Cũng do khuấy trộn mạnh nên nhiệt độ phân bố đều trong lớp chất hấp 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 3 4 5 6 7 8 9 10 11 - Chất hấp phụ là pha lỏng nên dễ vân chuyển từ thiết bị này sang thiết bị khác. 2. Nhược điểm: - Vì có sự trộn lẫn các hạt chưa làm việc và các hạt đã hấp phụ rồi nên động lực của quá trình giảm. - Hạt chóng mòn, đòi hỏi hạt có độ bền cơ học cao. - Khi các hạt chất hấp phụ chuyển động mạnh như vậy sẽ làm cho 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. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39.Chương 2: DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT a) Sơ đồ công nghệ: 40. 41. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. 65. b) Thuyết minh sơ đồ công nghệ: 66. Hỗn hợp ban đầu được đưa vào tháp hấp phụ (9) bằng quạt đẩy (1), có hai quạt đẩy: 1 cái làm việc, 1 cái dự trữ nhằm mục đích tránh trường hợp thải hơi độc ra không khí. Sau đó được đưa qua thiết bị lọc tay áo (2) để lọc qua tạp chất cơ học. Do sử dụng chất hấp phụ là than hoạt tính nên rất dễ tạo hỗn hợp nổ với hỗn hợp không khí đưa vào, vì vậy phải đưa qua thiết bị phòng lửa có những màng mỏng sẽ chia nhỏ hỗn 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 10: Tháp nhả hấp phụ 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 độ đưa 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 nhả hấp 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. Hỗn hợp 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 ở dạng lỏng cùng với nước, quá trình ngưng tụ một phần được xảy ra trong đường ống do mất nhiệt với môi trường. Sau đó được chuyển đến thiết bị ngưng tụ (7) và làm lạnh (6) trước khi đưa vào thùng chứa. Hỗn hợp có thể 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) bằng không khí nén nhờ quạt đẩy (11), không khí này sẽ dùng để sấy và làm nguội chất bị hấp phụ. 70. 71. 72. 73. Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 74. 1.1Tính toán thiết bị chính 75. Ta có đặc trưng của than hoạt tính CKT-6A được đưa ra trong bảng sau: 76. 77. Bảng 3.1: Đặc trưng của than hoạt tính CKT-6A 78. Mã than 79. Mật độ rót ρ H. Kg/m 80. T hành phần 81. ứng dụng 82. Độ bền 83. H ằng số cấu trúc. B.10 6 , 84. G iá trị thươn g phẩm, 88. Cấ 89. % 3 p hạt, mm l/g.rad 2 85. R up/tấn 94. CK T- 6A 95. 470 96. 0.5 - 1 97. 15 98. Đặc trưng cho loại hạt có cấu trúc xốp phát triển và độ xốp tổng cộng cao, hoạt tính động học cao. Được ứng dụng để tách hơi các hợp chất hữu cơ 99. 65 100. 1 .05 101. 1 310 102. 103. Từ bảng 3.1 ta có: 104. Đường kính hạt trung bình: d h = 1.10 -3 105. Mật độ rót ρ h = 470 kg/m 3 106. 1.1.1 Xác định vận tốc dòng khí - Tốc độ dòng khí có thể được tính theo công thức: 107. 108. Trong đó: 109. Re: hằng số reynold 110. D h : 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). 112. υ: độ nhớt động học của hỗn hợp khí (m 2 /s). - Đối với chế độ làm việc tầng sôi: 113. 114. (III.1) 115. 116. Trong đó: 117. 118. (III.2) 119. 120. Tra bảng: ta có ở 20 o C 121. υ = 1,5.10 -5 Kg/m.s 122. ρ t là khối lượng riêng chất hấp phụ ở nhiệt độ làm việc = 670 kg/m 3 . 123. µ: độ nhớt của khí ở nhiệt độ làm việc = 1,5.10 -5 kg/m.s 124. ρ k : là khối lượng riêng của chất khí ở nhiệt độ làm việc. Được tính như sau: 125. Ta có: 126. PV = nRT 127. Suy ra: = 24,6 (mol) 128. 129. m = n.M = 24,6. 29 = 713,38 (kg) 130. 131. = = 1,16 (kg/m 3 ) 132. 133. Theo dữ kiện của đề bài ta sử dụng thiết bị hấp phụ tầng sôi nên độ xốp của than ε = (0,5 – 0.65). Trong trường hợp này ta thừa nhận ε=0,55. 134. Thay các giá trị vào (III.2) ta được: 135. = 27249 136. 137. = 37,96 138. 139. → = 0,57 (m/s) 1.1.2 Tính đường kính thiết bị 140. 141. Ta có thể tính đường kính thiết bị dựa vào công thức sau: 142. 143. 144. 145. Trong đó: 146. D là đường kính thiết bị (m) 147. G là lưu lượng khí đưa vào, theo đề G= 2200m 3 /h = 0,611m 3 /s 148. ω là tốc độ dòng khí trong thiết bị đã tính ở trên 149. 150. Thay số ta được: 151. 1,2 (m) 152. 1.1.3 Xác định tiêu hao chất hấp phụ 153. Khi ra khỏi tháp hấp phụ thì chất hấp phụ sẽ bão hòa hoàn toàn: 154. X = x*.y D . 155. Theo đường hấp phụ đẳng nhiệt (hình 3.1) ta có: 156. x*. 25.10 -3 =300 (kg/m 3 157. 158. x.10 -3 , Kg/m 3 159. 0,4 160. 161. 162. 0,3 2 163. 164. 165. 166. 1 167. 0,1 168. 169. 10 y.10 -3 , Kg/m 3 170. 171. Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn quá trình hấp phụ benzene bằng than hoạt tính CKT-6A. 172. Trong đó: 173. (1): là đường làm việc 174. (2): là đường cân bằng 175. 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 (m 3 /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. K v là hệ số chuyể khối theo thể tích tính cho 1 thể tích hạt của chất hấp phụ, s -1 . 186. Hệ số K v 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 trở lực khuếch tán càng tăng, thực nghiệm chỉ ra rằng hệ số chuyển khối trung bình β o bằng hệ số chuyển khối theo thể tích K v. 187. Tức là β o = K v 188. Hệ số chuyển khối trung bình β 0 trong lớp chất hấp phụ tầng sôi được tính theo phương trình: 189. 190. 0,2 [...]... cht hp ph c tớnh: 304 (m3) - Trong ú: 305 t : Khi lng riờng tớnh theo xp = 670 kg/m3 306 h : Khi lng riờng thc = 470 kg/m3 10 1.1.7 Xỏc nh s a trong thỏp hp ph 307 308 s a 5 a 1.1.8 Xỏc nh chiu cao thỏp hp ph - Chiu cao lp khụng chuyn ng trờn a H v chiu cao lp sụi H s liờn h vi nhau theo cụng thc: 309 (1 ) H = (1 - n) Hs - Trong ú: 310 : xp ca than hot tớnh ng yờn 311 trong trng hp ny xp tớnh bng... rốn hay cun nhiu lp bc nhau 359 Thõn hỡnh tr bng vt liu giũn (gang, ng thanh) thng lm vic ỏp sut khụng cao lm ( . 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. nhả hấp phụ 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. đoạn: hấp phụ, nhả hấp. 14.1. Hấp phụ động: 15. 6.1. 1Thiết bị hấp phụ tầng sôi 16. Dòng khí thổi qua lớp vật liệu hấp phụ làm lớp vật liệu hấp phụ chuyển động và sau đó rơi xuống làm quá trình hấp