Đang tải... (xem toàn văn)
Thiết kế tháp hấp thu khí NH3 bằng nước.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT LỜI MƠÛ ĐẦU Ô nhiễm không khí từ các ngành sản xuất công nghiệp ở nước ta, trong những năm gần đây đang là vấn đề quan tâm không chỉ của nhà nước mà còn là của toàn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó đã đến lúc báo động. Bên cạnh nguyên nhân đây là một lónh vực còn khá mới mẻ mà chúng ta chưa thấy hết được mối nguy hiểm của nó đối con người và sinh vật , mặt khác chưa có hệ thống quản lý môi trường thật sự hoàn chỉnh để có thể kiểm soát , và chưa được sự chú trọng đúng mức từ phía các nhà sản xuất. Vì vậy đồ án môn học kỹ thuật xử lý chất thải với nhiệm vụ thiết kế tháp hấp thu khí NH3 bằng nước là một trong số những công việc cần làm vào lúc này để giúp giảm thiểu ô nhiễm từ các dòng khí thải. Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn , các thầy cô bộ môn và các bạn sinh viên giúp em hoàn thành đồ án này . Sinh viên thực hiện PHAN HỮU TÀISVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 1 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XƯÛ LÝSVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 2 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT I.1.Khái niệm: I.1 Hấp thu : là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. - Khí được hấp thụ gọi là chất bò hấp thụ ; chất lỏng dùng hút gọi là dung môi (chất hất thụ) , khí không bò hấp thụ gọi là khí trơ.- Mục đích: hòa tan một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dòch các cấu tử trong chất lỏng . Các quá trình xảy ra do sự tiếp xúc pha giữa khí và lỏng . Quá trình này cần sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng . Nếu quá trình xảy ra ngược lại , nghóa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha hơi , ta có quá trình nhả khí . Nguyên lýcủa cả hai quá trình là giống nhau .- Trong công nghiệp hóa chất , thực phẩm quá trình hấp thu dùng để:1) Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí .2) Làm sạch pha khí .3) Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt .4) Tạo thành một dung dòch sản phẩm.- Hấp thu bao gồm quá trình hấp thu vạât lý và hấp thu hóa học.1. Hấp thu vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. 2. Hấp thu hóa học : giữa hổn hợp khí và dung môi có xảy ra phản ứng hóa học. I.2 Quá trình khí với mục đích là tách các cấu tử hổn hợp khí thì khi đó lựa chọn dung môi tốt là phụ thuộc và các yếu tố sau :1) Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghóa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và không hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại . Đây là điều kiện quan trọng nhất.2) Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thuỷ học càng nhỏ và và có lợi cho quá trình chuyển khối. 3) Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi. 4) Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hoà tan để dể tách các cấu tử ra khỏi dung môi .5) Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh tắc thiết bò và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn.6) Ít bay hơi, rẻ tiền , dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mòn thiết bò.SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 3 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT I.2 . Cơ sở lý thuyết : I.2.1. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thu Hấp thu là quá trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng trong rất nhiều quá trình khác . Hấp thu trên cơ sở của quá trình truyền khối , nghóa là phân chia hai pha .Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thu và chất bò hấp thu trong pha khí. I.2.2. Các quá trình cơ bản của quá trình hấp thu : I.2.2.1. Phương trình cân bằng vật chất Phương trình cân bằng vật liệu có dạng:GY + GXXĐ = GXXC + GYYCTrong đó : GX :lïng khí trơ không đổi khi vận hành ( kmol/ h)GY: lượng dung môi không đổi khi vận hành(kmol/ h) , YC: nồng độ đầu và cuối của pha khí (kmol/kmolkhí trơ)XĐ , XC: nồng độ cuối và đầu của pha lỏng (kmol/kmolkhí trơ)X+: nồng độ pha lỏng cân bằng với pha hơi(kmol/ kmoldung môi) Lượng dung môi tối thiểu: Lmin+−=XYYGLcdminSVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 4XđGxYcX YXcGyAYYcXđXcXcbđXYB ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT theo thực nghiệm ta thấy: L = (1.2÷1.3)LminI.2.2.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng : Phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có :GđIđ + LđCđTđ + Qđ = GcIc + LcCcTc +Qc Trong đó :Gđ, Gc : hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h)Lđ, Lc : lựong dung dòch đầu và cuối (kg/h)Tđ, Tc :nhiệt độ khí ban đầu và cuối (oC)Iđ, Ic : entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối(kJ)Qo: nhiêt mất mát (kJ/h)Qs:nhiệt phát sinh do hấp thu khí(kJ/h) I.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu : I.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henri sẽ tăng . Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dòch chuyển về phía trục tung . Nếu các đừơng làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm , số đóa lý thuyêt sẽ tăng và chiều cao của thiết bò sẽ tăng . Thậm chí có khi tháp không làm việc được vì nhiệt độ tăng quá so với yêu cầu kỹ thuật. Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi là làm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng tăng . I.3.2 Ảnh hưởng của áp suất : Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng sẽ tăng và cân bằng sẽ dòch chuyển về phía trục hoành. Khi đừong làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ tăng quátrình chuyển khối sẽ tốt hơn và số đóa lý thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp sẽ thấp hơn.Tuy nhiên , việc tăng áp suất thừơng kèm theo sự tăng nhiệt độ. Mặt khác , sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vân hành của tháp hấp thụ . I.3.3 Các yếu tố khác: Tính chất của dung môi , loại thiết bò và cấu tạo thiết bò độ chính xác của dụng cụ đo , chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu.I.4. Tính chất của NH3:SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 5 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT Amoniac là chất khí không màu, cómùi kích thích (mùi khai). Khi tăng áp suất hay làm lạnh đến –33.6oC nó hoá lỏng và đến – 77.8oC nó hoá rắn. Dưới áp suất cao NH3 dễ dàng hoá lỏng ở nhiệt độ thường. Một thể tích nước có thể hoà tan 700 thể tích NH3 Dung dòch đặc chứa 25% NH3 có khối lượng riêng 0.91g/cm3. Dung dòch NH3 trong nước được gọi là nước amoniac hay dung dòch amoniac, khi hoà tan NH3 vào nước thì tạo thành amonihydroxyt. NH3 + H2O NH4OH NH4+ + OH – Khi đun nóng độ tan của amoniac giảm rất nhanh và nó thoát ra khỏi dung dòch. Trong phòng thí nghiệm amoniac được điều chế bằng cách cho muối tác dụng với kiềm khi đun nóng. NH4Cl + NaOH = NaCl + NH3 + H2O Trong công nghiệp amoniac được điều chế bằng cách tổng từ nitơ và hydro: N2 + 3H2 2 NH3 Chất xúc tác phản ứng hay dùng là sắt có lẫn nhôm oxyt và kalioxyt. Quá trình xảy ra ở nhiệt độ 500 – 550oC và áp suất 200 – 800 atm, trong một số thiết bò có thể đưa áp suất lên đến 1000 atm. Amoniac còn là sản phẩm phụ khi cốc hoá than. Lượng lớn amoniac điều chế trong công nghiệp được dùng để sản suất acid nitric và phân đạm. Amoniac còn được dùng là tác nhân làm lạnh trong máy lạnh, dùng trong phòng thí nghiệm và trong y học.I.5. Thiết bò hấp thụ :Thiết bò được sử dụng để tiến hành quá trình hấp thu được gọi là thiết bò hấp thu hoặc cột hấp thu được gọi là thiếtbò hấp thu hoặc cột hấp thu , tháp hấp thu . thiết bò hấp thu có thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục và được chia thành 4 nhóm sau: • Thiết bò hấp thụ bề mặt : được dùng khi hấp thu một lương nhỏ co ùtính hòa tan tốt • Thiết bò hấp thu loại đệm : được sử dụng phổ biến nhất khi khi chất lỏng và chất khí tinh khiết và có mât độ phun lớn SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 6Nhiệt phân ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT • Thiết bò hấp thu loại sủi bọt : đựoc dùng khi tháp có năng suất cao và cầøn thoát ra một lïng nhệt lớn • Thiết bò hấp thu loại phun: thành tia và thiết bò hấp thu cơ khíSVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 7 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT CHƯƠNG II:QUI TRÌNH CÔNG NGHỆSVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 8 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT Thiết minh quy trình công nghệ: Khí cần được xử lý được lấy từ các nhà máy sản xuất phân bón , sản xuất phân Ure, sẽ được thu lại rồi sau đó dùng quạt thổi khí vào tháp hấp thụ (tháp mâm xuyên lỗ). Dung dòch dùng hấp thụ là nước. Tháp hấp thụ làm việc nghòch chiều: nước được bơm lên dồn cao vò mục đích là để ổn đònh lưu lượng, từ đó cho vào tháp từ trên đi xuống, hỗn hợp khí được thổi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra. Hấp thụ xảy ra trong đoạn tháp có bố trí các mâm. Hỗn hợp khí trơ đi ra ở đỉnh tháp sẽ được cho đi qua ống khói để phát tán khí ra ngoài không gây ảnh hưởng đến công nhân. Dung dòch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồn chứa. Tại đây , dung dòch lỏng này sẽ được xử lỳ để sao cho nồng độ của nước thải đạt được nồng độ cho phép để có thể thải ra môi trường . Nếu trong khu công nghiệp thì xử lý sao cho nước thải đạt tiêu chuẩn loại B (1mg/l) hoặc nếu đặt trong khu sinh hoạt thì phải xử lý cho đến khi đạt tiêu chuẩn loại A (0,1mg/l). Sơ đồ quy trình công nghệ ( xem hình ở trang bên): SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 9 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT CHƯƠNG III:TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯNGSVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 10 [...]... Gtr=Gd(1-yd)=402,497(1-0,005)=400,47Kmol ktr/h Lượng khí NH3 ban đầu: • 1.0,005.1000.17 MNH3 = 0.082(273 + 30) =3,42(g/m3) Lượng khí sau quá trình hấp thụ là: 0.3(g/m3) =300(mg/m3) Lượng khí bò hấp thu là: 3,42-0,3 =3,12(g/m3) Hiệu suất hấp thu là: η= 3,12 = 91,2% 3,42 Suy ra : Yc= (1-0,912).Yd= (1-0,912) 0,005= 0,00044(kmolNH3/kmolhh) • 0,00044 yc=Yc/1+Yc= 1 + 0,00044 =0,000439 Kmol NH3/ Kmol ktr Gc=Gtr(Yc+1)=400,47.(0.00044+1)=400,65Kmolhh/h... 0.999 ∆T rất bé nên xem nhiệt độ dung dòch ra khỏi tháp bằng dung dòch vào và cũng bằng dung dòch khí ra khỏi tháp (T = 300C) III.2 Tính toán thiết bò chính: III.2.1 Đường kính tháp: Gtb 0.785w y D= ( G đ +G c ) 402,479 + 400,64 = 401,5645 ( Kmol / h.) 2 2 303 = 401,5645 × 22.4 × = 9983,51( m 3 / h) = 2,773( m 3 / s) 273 Gtb = - = Tính vận tốc khí qua tháp: (ρywy)tb = 0.065 ϕ[σ] h.ρ x tb ρ ytb ϕ[σ] –... Nđc = 1,3 0,928 =1,21 (Hp) Chọn công sất động cơ là 2(Hp) IV.5.3 .Quạt ly tâm: Khi tính quạt thổi vào tháp hấp thu thì chiều cao ống dẫn khí phải cao hơn chiều cao mực chất lỏng tính từ cửa ra ở đáy tới ống dẫn khí để đảm bảo rằng khí vào tháp không bò đẩy ra mà nước cũng không vào được ống dẫn khí Công suất trên trục động cơ: N= Q *H *g*ρ 1000 * η q * η tr Trong đó: Q: năng suất m3/s, Q = 10000/3600=...ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT III.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho tháp hấp thụ: III.1.1 Các thông số ban đầu: Nồng độ NH3 đầu vào: 3.5g/m3 Khí đạt tiêu chuẩn loại A: 300mg/m3 Lưu lượng khí thải :10000 m3/h Các thông số khác tự chọn Nhiệt độ làm việc của tháp T= 300C p suất làm việc 1atm III.1.2 Đường cân bằng pha : Ở 30oC Ψ.10-6 =0.00241 mmHg m= Ψ 0.00241.106 = =3,17... của bồn cao vò so với ống dẫn lỏng vào tháp P2 − P1 ≈ 0 (coi áp suất ở mặt thoáng và áp suất ở đầu ống vào thiết bò là ρg như nhau và bằng áp suất khí quyển) dρv Chuẩn số Reynolds: Re = µ với: d: đường kính ống dẫn lỏng, d = 70 mm ρ : khối lượng riêng của nước, ρ =995.68 kg/m3 µ : độ nhớt của nước ở 30 oC, µ =0.8007.10-3N/sm2 v: vận tốc trong ống dẫn lỏng vào thiết bò chọn v = v2 = 3.0 m/s Vậy: Re... nhỏ) III.1.3 Cân bằng năng lượng: Gđ Iđ = Lđ Cđ Tđ + Qs = Gc Ic = Lc.Cc.Tc + Q0 Để đơn giản hoá vấn đề tính toán, ta có giả thiết như sau: - Nhiệt mất ra môi trường xung quanh không đáng kể( do điều kiện làm việc ở 300C)⇒ Q0 = 0 - Nhiệt độ của hỗn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dòch vào - Nhiệt dung riêng của dung dòch trong suốt quá trình hấp thụ : Cđ = Cc =C - Trong quá trình hấp thụ có thể... III.2.2.1 Chiều cao tháp Chiều cao của tháp đóa được xác đònh theo phương pháp xây dựng đường cong phụ Hệ số chuyển khối : 1 1 m Ky= + βx βy Trong đó : m : hệ số phân bố vật chất Tra sổ tay tập 2 : m= 3,17 βy : Hệ số cấp khối phía pha khí βx : Hệ số cấp khối pha lỏng 0 , 76 βy = 3,03.10 –4 ω y ∆ Px Với : ωy: tốc độ khí tính cho mặt cắt tự do của tháp , m/s ωy = ω = 1,8 (m/s) ∆ Px : sức cản thu lực của... cân bằng: Y ĐƯỜNG CÂN BẰNG 0.005 0.0045 0.004 0.0035 0.003 0.0025 0.002 0.0015 0.001 0.0005 X 0 0 0.0002 0.0004 SVTH: PHAN HỮU TÀI 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 Trang 11 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT III.1.2 Cân bằng vật chất: Gc Ld Gd Lc Yc Xd Yd • Gd= 1.10,000 P.V = 0,082.303 RT Xc = 402,479 Kmolhh h Do lượng NH3 =3,5 g/m3 là rất nhỏ: 3,5.29 • yd = 17.1,165 10-3 =5,125.10-3(kmolNH3/kmolhh)... tính các đường kính tối ưu của các ống dẫn khí và các ống dẫn lỏng ta có tiêu chuẩn về vận tốc thích hợp của khí và lỏng trong đường ống Vận tốc khí: 10 – 30 m/s Vận tốc lỏng: 1 – 3 m/s Tra bảng 9.3/80 Q2 tập 1 các quá triønh và thiết bò trong công nghệ hoá chất và thực phẩm Đường kính ống dẫn: d= Q 0.758v Trong đó: Q: lưu lượng thể tích (m3/s) v: vận tốc dòng khí, lỏng Ống dẫn lỏng: Q = L = 25,06 m3/s... (N/m2) Trở lực của tháp : ∆ P = 8.1024,166 = 8193,326 (N/m2) SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 20 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN CƠ KHÍ SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 21 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT IV.1 Chọn vật liệu: Thiết bò làm việc ở môi trường ăn mòn,nhiệt độ làm việc t = 300C ,plv = 1atm = 0,1 N/mm2.Nên ta chọn vật liệu là thép không gỉ để chế tạo thiết bò : Ký hiệu thép . học.I.5. Thiết bò hấp thụ :Thiết bò được sử dụng để tiến hành quá trình hấp thu được gọi là thiết bò hấp thu hoặc cột hấp thu được gọi là thiếtbò hấp thu hoặc. phẩm.- Hấp thu bao gồm quá trình hấp thu vạât lý và hấp thu hóa học.1. Hấp thu vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. 2. Hấp thu