Đồ án Môn học 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 1. Tên đề tài Thiết kế tháp đệm hấp thu NH3 với năng suất 1000m3/h. 2. Nhiệm vụ Xử lý khí NH3 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 m3/h. Nồng độ NH3 ban đầu: 10% thể tích. Áp suất làm việc: 1atm. Dùng nước sạch để hấp thu ở nhiệt độ: 200C. 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  NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày Tháng Năm 2011 Ký tên  NHẬN XÉT CỦA THẦY CÔ PHẢN BIỆN Ngày Tháng Năm 2011 Ký tên  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 NH3. 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. CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ NH3 Giới thiệu về NH3 – Amoniac là một hợp chất của nitơ và hydro với công thức NH3, 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/cm3), tan nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa tan được 1200l khí NH3, ở 20°C là 700l khí NH3. Hiện tượng tan nhiều của NH3 ở trong nước được giải thích bằng sự liên kết hydro giữa phân tử NH3 và phân tử H2O. – 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 NH3 sôi ở –33,34°C (–28,012°F), chất lỏng phải được lưu trữ dưới áp lực cao hoặc ở nhiệt độ thấp. 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 Sắt % % mg/l – 99,9 0,1 10 2 99,6 0,4 35 Không quy định Tính chất vật lý của amoniac NH3 tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có d < 1 (dung dịch NH3 25% có d = 0,91g/cm3). Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH3 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 = 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 NH3 có cấu tạo hình tháp tam giác với dN–H = 1,015 và góc hóa trị HNH = 10703, tương ứng cấu hình electron như sau: Do sự lai hóa sp3 của nguyên tử nitơ mà cặp electron hóa trị tự do (ở N) phân bố trên 1 sp3 được định hướng rõ rệt trong không gian, vì vậy phân tử NH3 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 . Cặp electron hóa trị tự do và tính phân cực của liên kết N–H tạo nên liên kết hidro giữa các phân tử NH3, vì vậy NH3 dễ bị nén, có nhiệt bay hơi cao và tan nhiều trong nước. Ở nhiệt độ thường chỉ cần áp suất 67 atm là có thể hóa lỏng nó. Tính chất hóa học của amoniac Cũng do có cặp electron hóa trị tự do và ít bền mà NH3 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 N2 và H2O. Dưới áp suất lớn, hỗn hợp amoniac và oxi có thể nổ: Nếu có chất xúc tác là platin hay hợp kim platin – rodi ở 800 – 900oC thì khí amoniac bị O2 không khí oxi hóa thành nito oxit: 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 N2. Amoniac cộng hợp được với rất nhiều chất: nước, axit, muối. Quan trọng nhất là phản ứng cộng với nước. Khi tan trong nước NH3 tác dụng với nước theo sơ đồ sau: NH3 + HOH → NH4+ + 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: NH3 + HOH → NH4OH → NH4+ + OH- Vì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH3 và có thể xem không có NH4OH. Ngay ở trạng thái khí, cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thành muối amoni clorua: NH3 + HCl = NH4Cl Ngoài những loại phản ứng cộng như trên đã nói, NH3 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: AgNO3.2NH3, CuSO4.4NH3…hoặc tạo thành các hợp chất phức với nhiều muối. Trong khi đó bản thân NH3 khan lại là một axit rất yếu, có thể mất 1 proton H+ tạo thành anion amid NH2−. Ví dụ cho liti nitrua vào NH3 lỏng người ta nhận được anion amid (NH2-): Li3N(s) + 2 NH3 (l) → 3 Li+(am) + 3 NH2−(am) Hydro trong NH3 có thể bị các kim loại mạnh đẩy ra và thế chỗ để tạo ra các nitrua như magie có thể cháy trong NH3 để tạo magie nitrua Mg3N2. Natri hoặc kali kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH2, KNH2) khi tác dụng với NH3. NH3 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: H2 tạo thành làm cho NH3 nóng có tính khử mạnh. N3- có thể bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn của nitơ, đặc biệt là dễ bị oxy hóa lên N0 (N2) và N2+ (NO). Các chất oxy hóa như CuO, nước javen oxy hóa được NH3 thành N2: Phản ứng này được dùng để khử sạch lớp oxit kim loại trên bề mặt kim loại khi hàn. Các nguyên tử hydro của amoniac có thể được thay thế bằng các nguyên tử kim loại. Phản ứng giữa amoniac và kim loại hình thành các hợp chất amidua (), imidua () và nitrua () trong số các amidua, phổ biến nhất là amidua của kim loại kiềm và kiềm thổ. Ví dụ: Ở 3500C, natri tác dụng với NH3 cho amiđua natri NaNH2: 2Na + 2H3N = 2NaNH2 + H2 NH3 tự bốc cháy ở 651°C và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí khi nồng độ nằm trong vùng 16 – 25%. NH3 có tính ăn mòn các kim loại và hợp kim chứa đồng (Cu), kẽm (Zn), nhôm (Al), vàng (Au), bạc (Ag), thủy ngân (Hg).... Vì vậy trong thực tế người ta khuyến cáo không nên để hơi hoặc dung dịch amoniac tiếp xúc với các vật dụng có chứa các kim loại hoặc hợp kim này. Khi NH3 tiếp xúc lâu dài với một số kim loại (Au, Ag, Hg, Ge, Te, Sb…) thì có thể tạo ra các hợp chất kiểu fuminat dễ gây nổ nguy hiểm. Amoniac lỏng phá hủy các chất dẻo, cao su, gây phản ứng trùng hợp nổ của etylen oxit. Ứng dụng – Phân bón: Khoảng 73% (tính đến 2004) amoniac được sử dụng làm phân bón trên toàn thế giới nhằm cung cấp đạm cho cây. Vì vậy ngành công nghiệp sản xuất phân bón dựa vào amoniac là một thành phần quan trọng của ngân sách thế giới. – Tiền thân để tổng hợp các hợp chất nitơ: Amoniac trực tiếp hoặc gián tiếp là tiền thân của các hợp chất chứa nitơ nhất. Hầu như tất cả các hợp chất nitơ tổng hợp có nguồn gốc từ amoniac. Một dẫn xuất quan trọng là acid nitric, acid nitric được tạo ra thông qua quá trình Ostwald bởi quá trình oxy hóa của amoniac với không khí trên một đĩa bạch kim có xúc tác ở 700 – 850°C, ~ 9 atm. Nitric oxide là một trung gian trong việc chuyển đổi này: NH3 + 2O2 → HNO3 + H2O axit nitric được sử dụng để sản xuất phân bón, vật liệu nổ và các hợp chất nhiều organonitrogen. Dung dịch amoniac đặc 25% được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm. – Cleaner: NH3 trong nước (amoni hydroxit) được sử dụng như là một mục đích chung cho các bề mặt sạch hơn, như nó được sử dụng để làm sạch kính, sứ, thép không gỉ và nó cũng thường được sử dụng để làm sạch lò vì amoniac có khả năng hòa tan kim loại oxit. – Lên men: Amoniac là giải pháp (ở 16 – 25%) được sử dụng trong ngành công nghiệp lên men như là một nguồn cung cấp nitơ cho vi sinh vật cũng như để điều chỉnh pH trong quá trình lên men này. – Chất làm lạnh R717: Do tính chất bay hơi thuận lợi của nó, amoniac là chất làm lạnh. Amoniac khan được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện lạnh công nghiệp. Điều chế hidrazin N2H4 (chất đốt cho tên lửa). CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ HÒA TAN CHẤT KHÍ TRONG PHA LỎNG Độ hoà tan của khí cân bằng trong chất lỏng là lượng khí hoà tan trong một đơn vị chất lỏng, độ hòa tan có thể biểu thị bằng kg/kg, kg/m3, g/lít. Độ hoà tan của khí vào chất lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và chất lỏng, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và áp suất riêng phần khí trong hỗn hợp. 2.1. Hệ hai cấu tử Nếu lượng khí đơn chất được cho tiếp xúc với một dung môi tương đối không bay hơi thì nồng độ chất khí hoà tan trong pha lỏng được gọi là độ hoà tan tại nhiệt độ to và P đã cho. Hình 1: Đường cân bằng của độ hoà tan chất khí trong chất lỏng Những chất khí và chất lỏng khác nhau sẽ cho đường độ hoà tan khác nhau và được xác định bằng thực nghiệm cho mỗi hệ. Nếu áp suất cân bằng của chất khí tại nồng độ cho trước là cao (ví dụ đường cong B trong hình 1) thì chất khí tương đương không hoà tan trong chất lỏng và ngược lại, nếu áp suất cân bằng của chất khí tại nồng độ cho trước là thấp (đường cong C hình 1) thì chất khí có độ hoà tan cao. Dựa vào điều này, ta có thể tạo nên nồng độ khí trong lỏng như mong muốn nếu tác động lên hệ một áp suất tương ứng. Như vậy dạng khí hoá lỏng sẽ hoà tan hoàn toàn vào lỏng. Thông thường, sự hoà tan khí trong lỏng sẽ phát nhiệt và độ hoàn tan của khí trong lỏng sẻ giảm khi nhiệt độ tăng. Đường cong A và E trên hình 1 cho thấy độ hoà tan NH3 ở 300C và 100C tại nhiệt độ sôi của dung môi, độ hoà tan của chất khí sẽ bằng không. Hình 2: Độ hòa tan của amoniac trong nước Hình 3: Độ hòa tan của SO2 trong nước 2.2. Hệ nhiều cấu tử Nếu một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng tại điều kiện xác định, độ hoà tan cân bằng của mỗi chất khí sẽ độc lập với các chất khí còn lại và được biểu diễn theo áp suất riêng phần của hổn hợp chất khí. Nếu trong hỗn hợp khí có một cấu tử khí hoà tan vào lỏng thì ta áp dụng như trường hợp ở trên. Trong trường hợp có nhiều cấu tử hoà tan vào chất lỏng, dung dịch được xem là lí tưởng khi các cấu tử hoà tan có cùng bản chất với chất lỏng, (ví dụ như hỗn hợp propan và butan cùng hoà tan vào dầu Parafin không bay hơi). Ngoài ra độ hoà tan của chất khí còn chịu ảnh hưởng bởi sự hiện diện của một dung chất không bay hơi trong chất lỏng. 2.3. Dung dịch lỏng lí tưởng Khi pha lỏng được xem là lí tưởng ta có thể tính được áp suất riêng phần cân bằng của chất khí trong dung dịch chất lỏng. Hỗn hợp khí lý tưởng cân bằng với dung dịch lý tưởng thì thành phần của chất hấp thụ trong pha khí hoặc pha lỏng liên hệ với nhau theo định luật Raoul tại một nhiệt độ xác định: P* = P.x Với: P*: là áp suất riêng phần của chất hấp thụ trong pha khí cân bằng với pha lỏng, mmHg hoặc at. x: nồng độ phần mol của chất hấp thụ trong pha lỏng. P: là áp suất hơi của chất hấp thụ mmHg hoặc at. 2.4. Dung dịch lỏng không lý tưởng Thực nghiệm cho thấy, dùng D và E trên hình 1 cho thấy trường hợp SO2, NH3 hoà tan vào nước được tính theo định luật Raoult ở 10oC không khớp số liệu thực nghiệm. Trong trường hợp này phương trình đường thẳng tuân theo định luật Henry: y* = P*/P = m.x Với: m là hằng số cho mỗi khí. Tuy nhiên định luật Henry không đúng cho một khoảng rộng nồng độ. Với chất khí ít hoà tan trong nước như Nitro, Oxy…. Định luật Henry đúng tới áp suất riêng phần cân bằng 1at, với các chất khí dạng hơi (dưới nhiệt độ tới hạn) sẽ đúng tới áp suất riêng phần bằng 50% áp suất hơi bão hoà tại nhiệt độ cho trước. Trong trường hợp bất kỳ m được xác định bằng thực nghiệm. Bảng 1: Áp suất hơi của một số chất khí trong dung dịch với nước P.106mmHg Nhiệt độ (oC) Chất khí C2H2 K2 Br2 CO2 Cl2 H2 O2 CO 20 0.92 50.4 0.0451 1.08 0.402 51.9 30.4 40.7 25 1.01 54.7 0.056 1.24 0.454 53.7 33.3 44 30 1.11 58.6 0.0688 1.41 0.502 55.1 36.1 47.1 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 N2, H2, H2S, NH3, CO, CO2…muốn dùng hỗn hợp ấy để tổng hợp NH3 để sản xuất phân đạm (Ure) ta phải tách chúng ra. Có nhiều phương pháp để tách hỗn hợp khí thành cấu tử. + Phương pháp hóa học. + Phương pháp cơ lý (dựa trên chính chất hóa lỏng ở các nhiệt độ khác nhau). + Phương pháp hút: dùng chất lỏng hay chất rắn xốp để hút. Nếu dùng chất lỏng gọi là quá trình hấp thu, nếu dùng chất rắn gọi là quá trình hấp phụ. Như vậy hấp thu là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thu, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (còn gọi là chất hấp thu), khí không bị hấp thu gọi là khí trơ. Quá trình như vậy cần sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng. Nếu quá trình xảy tra theo chiều ngược lại, nghĩa là từ pha lỏng vào pha khí ta có quá trình nhả. Ví dụ: hỗn hợp lỏng gồm dung môi và benzen, toluen sẽ đi vào pha khí và được mang đi, dung môi ban đầu được dùng lại. Nguyên lý của hai quá trình hấp thu và nhả khí về cơ bản là giống nhau. 3.2. Phân loại Phụ thuộc 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. + Hấp thu hóa học: giữa chất bị hấp thu và chất hấp thu hoặc cấu tử trong pha lỏng xảy ra phản ứng hóa học. 3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu Sự hấp thu phụ thuộc vào bản chất của các cấu tử (chất hấp thu và dung môi). Những chất có tính chất tương đồng thì càng dễ hoà tan vào nhau. Điều này đã được trình bày ở phần trên. Ngoài ra nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp thụ. Cụ thể là chúng có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực quá trình. Nếu tăng nhiệt độ thì giá trị hệ số của định luật Henry tăng, đường cân bằng sẽ dịch chuyển về trục tung (hình 4). Giả sử đường làm việc là P, Q không đổi nếu nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm. Nếu nhiệt độ tăng quá cao thì không những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình sẽ không thực hiện được theo đường làm việc P, G cho trước. Mặc dù vậy, nhiệt độ cao cũng ảnh hưởng tốt vì độ nhớt của dung môi giảm, có lợi đối với trường hợp trở lực khuyếch tán chủ yếu nằm trong pha lỏng. Hình 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất lên quá trình hấp thu. Nếu tăng P của hỗn hợp khí thì giá trị hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó đường cân bằng sẽ gần về trục hoành (hình 4). Như vậy nếu tăng P thì quá tình truyền khối sẽ tốt hơn vì động học quá trình lớn hơn. Nhưng quá trình tăng áp dẫn đến tăng nhiệt độ, và việc tăng áp suất cũng gây khó khăn cho việc chế tạo thiết bị, cho nên ta chỉ thực hiện quá trình hấp thu ở áp suất cao đối với chất khí khó hoà tan. Ví dụ: hấp thụ CO2 với dung môi là nước ở 17 at, còn với CO ở 120 at. 3.4. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu Một số ký hiệu thông dụng: Cách biểu diễn thành phần pha: Pha lỏng Pha hơi 1. Phần khối lượng 2. Phần mol 3. Tỉ số khối lượng 4. Tỉ số mol 5. Các liên hệ 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 hấp thụ Kmol/h. Xd: Nồng độ đầu của dung môi Kmol/Kmol dung môi. Xc: Nồng độ cuối của dung môi Kmol/Kmol dung môi. Gtr: Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thu. Phương trình đường cân bằng: Đối với khí lý tưởng hay khí thực có nồng độ bé và độ hòa tan nhỏ thì nồng độ đường cân bằng là đường thẳng có dạng: hay Ở đây: : gọi là hằng số cân bằng. : là hệ số Hăng-Ri cho trong các số tay chuyên môn. P: là áp suất chung (áp suất làm việc), mmHg. Nếu là khí thực thì đường cân bằng là đường cong có dạng: Phương trình đường làm việc: Đường nồng độ làm việc trong quá trình hấp thụ là đường thẳng có dạng: Trong đó: Tính lượng khí trơ: Tính theo hỗn hợp khí: Yd: nồng độ phần mol ban đầu của cấu tử bị hấp thụ trong pha khí. Ta cũng có thể tính theo công thức: Kg/h Trong đó: ptr: áp suất riêng phần của khí trơ, N/m2. P: áp suất chung của hỗn hợp khí (áp suất làm việc của thiết bị), N/m2. Vtr: lượng khí trơ vào tháp, m3/h. : hằng số khí trơ, N.m/Kmol.độ. R: hằng số khí, đối với không khí thì R = 8,314N.m/Kmol.độ. M: khối lượng phân tử khí trơ, với không khí M= 29Kg/Kmol. Ttr: nhiệt độ khí trơ, 0K. Xác định lượng dung môi cần thiết: Phương trình cân bằng vật liệu là: Lượng dung môi cần thiết X: Lượng dung môi tối thiểu để hấp thụ được xác định khi nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, như vậy ta có: Xc max: là nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí. Nồng độ cân bằng luôn luôn lớn hơn nồng độ thực tế, vì thế lượng dung môi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường ta lấy lượng dung môi thực tế lớn hơn lượng dung môi tối thiểu khoảng 20%. Lượng dung môi tiêu hao riêng là: Lượng cấu tử bị hấp thụ có thể tính theo công thức: g: lượng cấu tử bị hấp thụ vào trong pha lỏng. 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 khí. + Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng. + Tạo thành sản phẩm cuối cùng. Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba bắt buộc chúng ta phải tiến hành quá trình nhả sau khi hấp thụ để thu các cấu tử và dung môi riêng. Trong trường hợp thứ hai thì quá trình nhả không cần thiết nếu tìm dung môi dễ kiếm (ví dụ như nước lạnh) vì khí thường là bỏ đi, trường hợp này chỉ khi cần lấy lại dung môi ta mới thực hiện quá trình nhả. Còn trường hợp thứ tư thì quá trình nhả không có ý nghĩa. 3.6. Lựa chọn dung môi Nếu mục đích chính của quá trình hấp thu là để tạo nên một dung dịch sản phẩm xác định (ví dụ như sản xuất dung dịch axit clohydric) thì dung môi đã được xác định bởi bản chất của sản phẩm. Nếu mục đích của quá trình hấp thu là tách các cấu tử của hỗn hợp khí thì khi đó ta có thể lựa chọn một dung môi tốt dựa trên những tính chất sau: + Độ hòa tan chọn lọc: Đây là tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chất chỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp khí mà không hòa tan các cấu tử còn lại hoặc hòa tan không đáng kể. Đây là tính chất chủ yếu của dung môi. Tổng quát, dung môi và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tăng độ hòa tan lên rất nhiều, nhưng nếu dung môi được thu hồi để dùng lại thì phản ứng phải có tính hoàn nguyên. + Độ bay hơi tương đối: Dung môi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau quá trình hấp thu sẽ bão hòa hơi dung môi do đó dung môi bị mất. + Tính ăn mòn của dung môi: Dung môi nên có tính ăn mòn thấp để vật liệu chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền. + Chi phí: Dung môi dễ tìm và rẻ để sự thất thoát không tốn kém nhiều. + Độ nhớt: Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điều kiện ngập lụt trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt. + Các tính chất khác: Dung môi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệt khi hoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc. Trong thực tế không có một dung môi nào cùng lúc đáp ứng được tất cả các tính chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thực hiện quá trình hấp thu. Dù sao tính chất thứ nhất của dung môi cũng không thể thiếu được trong bất cứ trường hợp nào. 3.7. Tháp hấp thu Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình hấp thu. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun. Tháp hấp thu phải thỏa mãn các yêu cầu sau: diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, hiệu quả và có khả năng cho khí xuyên qua, trở lực thấp (< 3000Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, ít bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ. 3.7.1. Thiết 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 Chia tháp đĩa (mâm) ra làm hai loại có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyển động riêng biệt từ đĩa nọ sang đĩa kia và không có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyển động từ đĩa nọ sang đĩa kia theo cùng một lò hay rãnh. Trong tháp đĩa có thể phân ra: tháp chóp, tháp đĩa lưới.… 3.7.2. Thiết bị loại bề mặt Đây là loại thiết bị đơn giản nhất. Trong thiết bị khí và chất lỏng chuyển động ngược chiều nhau và tiếp xúc với nhau trên bề mặt của chất lỏng. Loại này có tiếp xúc pha bé thường dùng trong trường hợp khí hoà tan trong lỏng. 3.7.3. Thiết bị loại màng Thiết bị loại ống: Cấu tạo của thiết bị này giống thiết bị trao đổi nhiệt. Chất lỏng chảy phía trong ống dạng màng, khí đi từ dưới lên, đường kính ống từ 25 – 50mm. Thiết bị màng tấm: Trong thiết bị có các bản xếp thẳng đứng song song với nhau, chất lỏng đi từ trên xuống, chất lỏng chảy trên bề mặt khí đi từ dưới lên, ngược chiều. Thiết bị hấp thụ dạng màng có những ưu điểm sau: Trở lực nhỏ nhất so với các thiết bị hấp thụ khác, vận tốc chất lỏng lớn có khi đạt đến 5m/s. Bên cạnh đó, thiết bị này cũng có những hạn chế nên người ta ít sử dụng, đó là hiệu suất hấp thụ thấp khi chiều cao lớn, khó phân bố đều trong ống khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống, vì vậy nên lưu lượng vào tháp hấp thu không thể lớn như các thiết bị khác và hiệu quả kinh tế không cao. 3.7.4. Tháp đệm 3.7.4.1. Khái niệm 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 thước từ 10 – 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. Hình 5: Tháp đệm 3.7.4.2. Vật chêm Hình 6: Vật chêm ngẫu nhiên Hình 7: Vật chêm thứ tự Hình 8: Lưới đỡ đệm Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loại chêm sau: + Vòng raschig: hình trụ rỗng bằng sứ hoặc kim loại, nhựa có đường kính bằng chiều cao (kích thước từ 10 – 100mm). + Vật chêm hình yên ngựa có kích thước từ 10 – 75mm. + Vật chêm vòng xoắn: đường kính dây từ 0,3 – 1mm, đường kính xoắn khoảng 3 – 8mm và chiều dài nhỏ hơn 25mm. * Yêu cầu chung của các loại vật chêm: + Bề mặt riêng lớn, bề mặt trong một đơn vị thể tích bằng m2/m3. Kí hiệu là. + Thể tích tự do lớn, kí hiệu là Vtd. Tính bằng m2/m3. + Khối lượng riêng bé. + Bền hóa học. Trong thực tế không có loại đệm nào có thể đạt tất cả các loại yêu cầu trên. Vì thế tùy theo điều kiện cụ thể mà ta chọn đệm cho thích hợp. Bảng 2: Bảng số liệu cho một số loại vật chêm Dạng vật chêm Kích thước mm Bề mặt riêng m2/m3 Độ rỗng m3/m3 Khối lượng xốp kg/m3 Vòng sứ raschig xếp ngẫu nhiên 5 x 5 x 1 1000 0.62 900 8 x 8 x 1.5 550 0.65 850 10 x 10 x 1.8 440 0.69 750 15 x 15 x 2.0 310 0.71 700 25 x 25 x 3.0 195 0.75 600 50 x 50 x 1.0 95 0.79 500 Vòng thép raschig xếp ngẫu nhiên 8 x 8 x 0.3 630 0.90 750 10 x 10 x 0.5 500 0.88 950 15 x 15 x 0.5 350 0.92 660 25 x 25 x 0.8 220 0.92 640 5. x 50 x 1.0 100 0.94 430 Vòng yên ngựa bằng sứ 12.5 467 0.62 873 25 250 0.68 727 37.5 150 0.71 646 Vòng intalox bằng sứ 12.5 625 0.71 743 25 257 0.73 679 37.5 194 0.76 630 50 118 0.76 614 75 92 0.79 582 Vòng pall thép 25 207 0.94 485 37.5 128 0.95 388 50 102 0.96 356 Vòng pall polypropylen 25 207 0.90 89 37.5 128 0.91 78 Đệm lưới bằng gỗ thường được dùng trong các tháp làm lạnh hay dùng trong hấp thụ khí không cần tách triệt để lắm. Nói chung khi cần độ phân tách cao thì người ta chọn các loại đệm có kích thước bé vì rằng kích thước đệm càng bé thì bề mặt riêng của đệm càng lớn, sự tiếp xúc giữa các pha càng tốt. 3.7.4.3. Ưu – nhược điểm của tháp đệm Tháp đệm có những ưu điểm sau: + Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc khá lớn. + Cấu tạo đơn giản. + Trở lực trong tháp không lớn lắm. + Giới hạn làm việc tương đối rộng. Nhưng tháp đệm có nhược điểm quan trọng là khó làm ướt nhiều đệm. Nếu tháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều. Để khắc phục nhược điểm đó, nếu tháp cao quá thì người ta chia đệm ra nhiều tầng và có đặt thêm bộ phận phân phối chất lỏng 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. Trên cơ sở phân tích và giải các phương trình khuyếch tán phân tử và đối lưu theo Capharop, thì quá trình truyền khối trong tháp đệm không chỉ được xác định bằng khuyếch tán phân tử mà còn phụ thuộc nhiều vào chế độ thuỷ động trong tháp. Cũng như khi lưu chất chuyển động theo ống tuỳ theo vận tốc của khí mà trong tháp đệm cũng có 3 chế độ thuỷ động là: chế độ dòng, chế độ chảy quá độ và chế độ chảy xoáy. Khi vận tốc khí bé lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực lý, lúc này quá trình truyền khối được quyết định bằng khuyếch tán phân tử. Khi tăng vận tốc thì lực lý trở nên cân bằng với lực hút phân tử, quá trình truyền khối không chỉ được khuyếch tán phân tử mà còn khuyếch tán đối lưu. Chế độ làm việc của tháp đệm phụ thuộc vào độ giảm áp của pha khí theo suất lượng pha lỏng như hình 10. Hình 10: Độ giảm của pha khí trong tháp chêm ngẫu nhiên, hai pha lỏng khí chuyển động ngược chiều. Với vận tốc pha khí cố định, độ giảm áp của pha khí tăng theo suất lượng pha lỏng do pha lỏng đã chiếm các khoảng trống trong tháp đệm. Trên hình 10 vùng dưới điểm A lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp là không đổi theo tốc độ khí. Mặc dù lượng pha lỏng này tăng theo suất lượng pha lỏng. Trong vùng trong A và B, lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp tăng nhanh theo tốc độ khí, các chỗ trống trong tháp nhỏ dần và độ giảm áp pha khí tăng nhanh. Vùng này được gọi là vùng gia trọng. Khi tốc độ tăng đến điểm B tại 1 mất lượng pha lỏng không đổi thì có thể xảy ra: pha khí sủi bọt qua lớp chất lỏng tại bề mặt chêm, xảy ra hiện tượng đảo pha từ pha khí (liên tục) – pha lỏng (pha phân tán) thành pha khí (phân tán) – pha lỏng (liên tục); dòng bọt khí nổi nhanh lên qua tháp chêm. Cùng lúc đó pha khí lôi cuốn chất lỏng tăng mạnh và tháp ở trạng thái ngập lụt. Độ giảm áp của pha khí tăng nhanh. Sự biến đổi các điều kiện trong cùng A đến B trên là dần dần, điểm ngập lụt thường được xác định bằng sự thay đổi hệ số góc của đường biểu diễn. Mặc dù theo thực nghiệm thì quá trình truyền khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất nhưng vì trong giai đoạn đó khó khống chế quá trình nên từ trước đến nay người ta vẫn cho tháp làm việc trong vùng gia trọng ở chế độ màng, gần điểm ngập lụt. Độ giảm áp của pha khí qua tháp chêm khô: Độ giảm áp của pha khí qua tháp khi không có pha lỏng chảy qua được xác định theo phương trình Ergun: Với: : độ giảm áp của pha khí qua tháp đệm khô N/m2. z: chiều cao phần chứa vật đệm m. dtd: đường kính tương đương của vật chêm (m) . ɛ: là thể tích tự do của vật chêm m3/m3 tầng chêm. : khối lượng riêng của pha khí (kg/m3). σ: diện tích bề mặt riêng của vật chêm m2/m3. G: Suất lượng biểu kiến của pha khí qua 1 đơn vị tiết diện tháp kg/m2.s. Độ giảm áp của pha khí qua tháp chêm ướt: Khi có pha lỏng chảy xuống do giảm áp của pha khí sẻ tăng lên theo hệ số : Hệ số AL được biểu diễn theo phương trình Leva: AL = 10bL’ Hay Log AL = bL’ Giá trị của b được đo ở sổ tay ứng với một loại vật đệm và chất lỏng sử dụng là nước và L’ là suất lượng nước cho 1 đơn vị tiết diện tháp, kg/m2.h. Hiện tượng ngập lụt trong tháp đệm: Theo Zhavoronkov, hiện tương ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số vô thứ nguyên sau liên hệ với nhau, hình 11. Hình 11: Điểm lụt của tháp đệm theo quan hệ của 2 nhóm số vô thứ nguyên V0: vận tốc dài biểu kiến của pha khí m/s. m, mn: độ nhớt của chất lỏng khác nước và độ nhớt của nước cP. Hệ số truyền khối cho tháp 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: eo: độ rỗng của tháp chêm khi hoạt động eo = e - qt qt: phần độ rỗng bị pha lỏng chiếm chỗ. G: suất lượng mol pha khí cho một đơn vị tiết diện tháp mol/m2.h. ds: đường kính hình cầu có cùng diện tích bề mặt với một vật chêm m. Với pha lỏng phương trình chuẩn số là: Với: kL: hệ số truyền khối trong pha lỏng m/h. DL: hệ số khuyếch tán trong pha lỏng m2/h. L’: suất lượng biểu kiến của pha lỏng, kg/h.m2. mL: độ nhớt của pha lỏng, kg/m.h. CHƯƠNG IV: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 6.1. Quy trình công nghệ Sơ đồ quy trình công nghệ Chú thích: 1 - Bơm chất lỏng. 2 – Lưu lượng kế khí. 3 – Thiết bị hấp thu. 4 – Áp kế chữ U. 5 – Lưu lượng kế lỏng. 6 – Quạt thổi khí. 7 – Bồn chứa dung môi trước hấp thu. 8 – Bồn chứa dung môi sau hấp thu. 6.2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ: Quy trình công nghệ hấp thụ tháp đệm được tính toán cụ thể dựa trên lý thuyết để đảm bảo hoạt động theo yêu cầu. Tháp đệm ngày nay rất phổ biến trong công nghệ hoá chất. Ngoài ra nó còn áp dụng trong công nghệ lọc dầu. Trong quy trình trên, bộ phận chủ yếu đóng vai trò quan trọng đó là tháp đệm, vật liệu đệm, chiều cao kích thước đệm. Các thiết bị khác đóng vai trò là thiết bị phụ trợ như bơm, quạt, lưu lượng kế, áp kế chữ U, hệ thống bồn chứa và các thiết bị van. Tóm tắt quy trình hấp thụ tháp đệm như sau: Dòng khí hấp thụ đi vào từ phía dưới đáy tháp đệm, di chuyển theo chiều đi lên xuyên qua lớp đệm nhờ hệ thống quạt (6). Để điều chỉnh lưu lượng dòng khí người ta dùng các van. Dòng khí trước khi vào tháp đệm nó được điều chỉnh lưu lượng bằng lưu lượng kế (4). Lưu lượng khí hiển thị trên lưu lượng kế. Dòng khí vào trong tháp đúng với lượng đã tính toán từ trước. Dòng khí này đi ngược lên trên tiếp xúc với pha lỏng từ trên chảy xuống. Áp kế chữ U (5) được dùng để đo áp suất. Trong khi đó chất lỏng được bơm (1), bơm từ bồn chứa (8) để đưa vào phía trên tháp, dòng lỏng này qua van nhằm điều chỉnh lưu lượng, rồi được đưa vào tháp, trước đó được qua thiết bị điều chỉnh lưu lượng lỏng (2). Quá trình tiếp xúc pha xảy ra trong tháp giữa hai pha ngược chiều, quá trình hấp thụ diển ra. Sản phẩm sau khi hấp thụ là khí đã hấp thụ xong, đem đi thực hiện các mục đích khác, dung môi được cho vào bể (7) (có thể đem tái sinh để có thể thực hiện một quy trình mới). CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH Các thông số ban đầu: Lưu lượng khí thải: 1000 m3/h. Nồng độ NH3 ban đầu: 10% thể tích. Áp suất làm việc: 1atm. Dùng nước sạch để hấp thu ở nhiệt độ: 200C. Lượng nước sử dụng lớn hơn 20% lượng tối thiểu. Hiệu suất của quá trình hấp thu là 98%. 5.1. Cân bằng vật chất Phương trình cân bằng của hệ NH3 – H2O được biểu diễn theo định luật Henry: P = H.x và ycb = H/Pt = m.x (1) Trong đó: ycb: phần mol của NH3 trong dòng khí ở điều kiện cân bằng. x: nồng độ phần mol khí hòa tan trong pha lỏng. P: áp suất riêng phần của cấu tử khí NH3 hòa tan khi cân bằng. Pt: áp suất tổng của hệ hấp thu, mmHg. H: hệ số Henry (mmHg). Ở 208C: H = 0,00208.106 (mmHg). m: hệ số phân bố. Ta có: ycb =, x = Thay vào (1) ta có: Vậy PTCB : Trong đó: X: nồng độ NH3 trên cơ bản cấu tử trơ, kmol NH3/kmol H2O. Ycb: nồng độ NH3 trên cơ bản không khí ở điều kiện cân bằng, kmol NH3/ kmol khí trơ. 5.2. Các thông số dòng khí Nồng độ thể tích ban đầu: yd = 10% = 0,1 Nồng độ đầu theo tỉ lệ mol: (kmol NH3/kmol khí trơ) Nồng độ thể tích đầu ra: (kmol NH3/kmol khí trơ) Suất lượng dòng khí vào tháp: Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp khí: Lưu lượng thể tích khí trung bình đi trong tháp hấp thu: Vyd, Vyc: lưu lượng khí vào, ra khỏi tháp m3/h. Khối lượng riêng trung bình của pha khí: Trong đó: M1, M: khối lượng mol của NH3 và không khí. T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, T = 200C à T = 20 + 273 = 293 (0K) ytb: nồng độ mol của NH3 lấy theo giá trị trung bình. Với yd, yc là nồng độ phần mol NH3 vào và ra khỏi tháp. yd = 0,1 à Suy ra: Độ nhớt trung bình của pha khí: Mhh, M1, Mkk: khối lượng phân tử của hỗn hợp khí, NH3, không khí (kg). m1, mα: nồng độ thể tích của NH3 và không khí. m1 = ytb = 0,051 mkk = 1 - ytb = 1 - 0,051 = 0,949 Với: Lưu lượng khối lượng pha khí trung bình: Gyd, Gyc: lưu lượng khối lượng pha khí vào và ra, kg/h. Suy ra: 5.3. Các thông số dòng lỏng: Hấp thu NH3 bằng H2O, chọn dung môi sạch khi vào tháp đệm với Xd = 0. Lượng dung môi tối thiểu sử dụng: Lmin = X*: nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng Yd Từ đồ thị đường cân bằng ta có: X* = 0,0111 (kmol NH3/kmol H2O) Lượng dung môi thực tế cần sử dụng: Ltr = 1,4.Lmin = 1,4.363,5676 = 509 (kmol/h) Phương trình cân bằng vật chất: Gtr .Yd + Ltr.Xd = Gtr.Yc + Ltr.Xc Mà: Gtr.Yc Ltr.Xd Gtr .Yd Ltr.Xc Đường làm việc của tháp hấp thụ: Y = A.X + B Trong đó : Vậy phương trình làm việc là: Y = 13,6X + 0,0022 Lưu lượng khối lượng dòng lỏng trung bình trong thiết bị hấp thu: Gxd, Gxc: lưu lượng khối lượng dòng lỏng vào và ra. Gxd = Ltr .Mtr = 509.28,84= 14679,56 (kg/h) Gxc = Ltr .Mtr + Ltr. Xc. = Gxd + Ltr. Xc. = 14679,56 + 509.0,00793.17 = 14748,2 (kg/h) à Khối lượng riêng pha lỏng, kg/m3: Với: vtb: phần thể tích trung bình của NH3 trong pha lỏng. 5.4. Tính đường kính Vận tốc làm việc thích hợp là: (là vận tốc sặc, m/s) được tính theo cách sau: Ta có công thức: Và: Thế vào phương trình: Chọn đệm là vòng Rasdrig: 5 x 5 x 1mm có, Vd = 0,62 m3/m3. g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2. : độ nhớt pha lỏng ở 200C. =1,005.10-3 Pa.s : độ nhớt của nước ở 200C. Suy ra: = 0,85.0,3 = 0,255 (m/s) Vậy: 5.5. Tính chiều cao cột đệm theo một đơn vị chuyển khối Hd = my.hdv h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi. h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng. m: hệ số phân bố, m = 2,74 Tính h1: + : hệ số thấm ướt đệm. Utt: mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp, m3/m2.h Ut.h: mật độ tưới thích hợp, m3/m2.h (Ở đây: B là hằng số khi hấp thu amoniac bằng nước). Tính Rey, Pry Dy: hệ số khuếch tán của khí bị hấp thu trong pha khí Với thể tích mol của NH3 và không khí * Tính h2 =1,005.10-3 Pa.s + + Đối với nước =2,6 * Tính số đơn vị chuyển khối Dựa vào phương trình đường cân bằng và phương trình đường làm việc ta có: X Y Ycb Y-Ycb my 0 0,0022 0 0,0022 454,54 49 0,001 0,0185 0,00274 0,01576 63,45 6,84 0,0015 0,0226 0,004 0,0186 53,76 5,8 0,002 0,0294 0,0055 0,00239 41,84 4,51 Dựa vào đồ thị xác định được số đơn vị chuyển khối là tổng diện tích các hình thang được chia nhỏ: Chiều cao phần đệm: 5.6. Tính chiều cao thân tháp Chiều cao lớp đệm là: Hd = 1,654m. Khoảng cách giữa đệm và nắp là: H1 = 0,7m Khoảng cách giữa đệm và đáy là: H2 = 0,5m Chọn khoảng cách giữa hai lớp đệm là: H3 = 0,5m. Có 16 khoảng cách. Chiều cao của 2 cặp bích ghép thân: H4 = 4.0,035 + 2.0,015 = 0,17m. Chiều cao của đáy và nắp: H5 = 0,325.2 = 0,65m. Chiều cao thân tháp: Ht = 1,654 + 16.0,5 = 9,654m Vậy chiều cao toàn tháp: H = Hd + H1 + H2 + 16.H3 + H4 + H5 = 1,654 + 0,7 + 0,5 + 16.0,5 + 0,17 + 0,65 = 11,7m Khối lượng thân tháp: 5.7. Tính cơ khí Tổng quát: Tháp hấp thu ở áp suất khí quyển P = 1atm = 760mmHg = 101325N/m2 là áp suất thấp và trung bình nên chọn thân tháp hình trụ hàn. Ta chọn thép tấm X18H10T (C £ 0,12%, Cr: 18%, N: 10%, T nằm trong khoảng 1 – 1,5%). Tính vận tốc vào ống dẫn: Vận tốc ống dẫn khí vào và ra: Trong đó: Q: lực lượng thể tích của khí m3/s = 1000m3/h. : vận tốc dòng khí m/s. Chọn Dk = 100mm. Vận tốc ống dẫn lỏng vào và ra: Chọn đường kính d = 50mm. Tính chiều dày tháp: Chiều dày thân hình trụ làm việc dưới áp suất P được tính theo công thức: Trong đó: Dt: đường kính trong của tháp. : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc: .Chọn hàn giáp mối một bên. C: hệ số bổ sung bề dày. C được tính theo công thức sau: C = C1 + C2 + C3 C1: bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị. C1 = 1mm = 10-3 m, do vật liệu bền. C2: đại lượng bổ sung do hao mòn. Đối với tháp hấp thu C2 = 0. C3: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày, C3 phụ thuộc vào bề dày tấm vật liệu (theo bảng XIII-9/364.II trong sổ tay QTTBCNHC T2) chọn C3 = 0,22mm = 0,22.10-3m . C = 1+ 0 + 0,22 = 1,22mm = 1,22.10-3m [s]: ứng suất cho phép của thép không gỉ. (XIII.1/355 II) (N/m2) (XIII.2/356 II) Trong đó: h: là hệ số hiệu chỉnh h=1 (XIII.2/356.II) nb, nc: là hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn chảy nk = 2,6; nc = 1,5 (XIII.3/356.II). stk, stC: giới hạn bền khi kéo,giới hạn bền khi chảy tra trong bảng (XII.4/310.II) ứng với thép X18H10T ta có số liệu dày 1 ¸ 3mm, stk= 540.106 N/m2 , stc = 220.106 N/m2 Vậy ứng suất cho phép: Vậy nhận giá trị nhỏ hơn = 146,67.106 (N/m2) Ta có: P = Pl+ Pmt Pl: áp suất thủy tĩnh Pmt = Pkk =101325(N/m2) P = 16197 + 101325 = 117522 (N/m2) Vậy chiều dày thép được xác định: (m) nên có thể bỏ qua 1 Vậy: S = 1,73 (mm) Vì sai số trong quá trình tính toán nên ta chọn S = 4mm để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật trong quá trình thiết kế. Đáy và nắp: Vật liệu: thép không gỉ X18H10T, =7900kg/m3 Đường kính trong: Dt =1,145m Chiều cao phần lồi: hb = 0,25.Dt = 0,3m Chiều cao gờ: hg = 0,025 (Tra XIII.12/385.II) Chiều cao đáy và nắp: h = hb + hg = 0,3 + 0,025 = 0,325m Chiều dày đáy và nắp: chọn chiều dày đáy và nắp bằng chiều dày thân tháp có tăng thêm 2mm để đảm bảo an toàn. àS = 6mm Theo bảng XIII.11, tr 384 sổ tay QTTB T2. Dt hg S m mm kg 1145 25 6 73 Khối lượng đáy và nắp là: mđáy+nắp = 73.2 = 164kg Bích ghép các đoạn của thân và ghép thân với đáy, nắp: Chọn thân bích liền không cổ bằng thép để ghép đáy và nắp với thân tháp. Vật liệu: thép không gỉ X18H10T. Đường kính thiết bị D = 1145mm, áp suất làm việc P = 117522N/m2. Dựa vào bảng (2, XIII-27, 421), ta có các thông số sau: Đường kính ngoài của bích: D = 1340mm. Đường kính tâm bulông: Db = 1290mm. Đường kính tới điểm mép vát: D1 = 1213mm. Chiều cao bích h = 25mm. Đường kính bulông: db = 20mm (M20). Số bulông sử dụng: Z = 32. Sử dụng 16 lớp đệm à có 15 cặp bích à có 30 bích Vì vậy có 12 bích dùng để ghép thân với đáy và nắp. Bích ghép ống dẫn khí, ống dẫn lỏng với thân tháp: Theo bảng XIII.27 [II.412] ta có: Ống dẫn Dy, mm Dn, mm Kích thước nối Bulong h, mm D,mm ,mm D1,mm db,mm z (cái) Ống dẫn khí 100 108 205 170 148 M16 4 14 Ống dẫn lỏng 50 57 140 110 90 M12 4 12 Trong đó: Dn: đường kính ngoài của ống dẫn. D: đường kính của bích. : đường kính của đường chứa tâm bulông. db: đường kính bulông. z: số lượng bulông. h: chiều cao của bích. D1: Đường kính tới điểm mép vát. Khối lượng bích nối ống dẫn khí vào và ra tháp: (2 cặp) Khối lượng bích nối ống dẫn lỏng vào và ra khỏi tháp: (3 cặp) Tổng khối lượng của bích: Ống dẫn khí và ống dẫn lỏng hàn dính vào thiết bị: Ống dẫn Dy, mm Dn, mm Chiều dài ống, mm Ống dẫn khí 100 108 100 Ống dẫn lỏng 50 57 100 Đĩa phân phối lỏng: Bảng IX.22 trang 230. Chọn vật liệu làm đĩa phân phối lỏng là thép X18H10T. Đường kính đĩa: Dđ = 675mm. Đường kính ống dẫn lỏng: d = 44,5mm. Chiều dày ống dẫn lỏng: S = 2,5mm. Bước ống: t = 70mm. Số lượng ống: n = 73ống. Chiều dày đĩa loại 1 là 3mm. Chọn chiều dài ống: h = 63mm. Đường kính phần chứa ống dẫn lỏng: 550mm. Phần máng nghiêng cao 100mm. Khối lượng phần đĩa bị đục lỗ: Khối lượng các ống dẫn lỏng: Khối lượng phần máng nghiêng: được tính theo công thức hình nón cụt: Khối lượng đĩa phân phối lại: Tính lưới đỡ đệm: Chọn vật liệu làm lưới đỡ đệm là thép X18H10T. Chọn 3 thanh đỡ bằng thép chữ V 50x5. Đường kính lưới D1 = 1072,5mm. Chiều rộng của bước là bl = 4mm. Các thanh có tiết diện chữ nhật, một cạnh có bề rộng b =10mm, bề dày của thanh là 10mm. Đường kính trong tháp: Dt = 1145mm Số thanh đỡ đệm: Khối lượng lưới đỡ đệm: Chân đỡ và tai treo: Khối lượng đệm: Khối lượng dung dịch trong tháp: Trọng lượng toàn tháp: Chọn kiểu chân đỡ, tai treo là kiểu IV. Có 3 chân đỡ và 8 tai treo. Trọng lượng đặt lên mỗi tai treo, chân đỡ là: Chọn chân đỡ: Chọn chân đỡ có thể chịu tải trọng 4.104 N, theo bảng XIII.35 [II,437] ta có các thông số của chân đỡ : L B B1 B2 H h s l d mm 260 200 225 330 400 225 16 100 27 Chọn tai treo: L B B1 H S l a d mm 190 160 170 280 10 80 25 30 Khối lượng 1 tai treo: 7,35kg 5.8. Tính trở lực Tổn thất áp suất của đệm khô: Trong đó: : bề mặt riêng của đệm (m2/m3) H: chiều cao lớp đệm (m) : hệ số ma sát : thể tích tự do của đệm (m3/m3) : vận tốc khí trong tháp (m/s) Đệm vòng ở chế độ chảy xoáy khi Rey < 40 Hệ số ma sát: Tổn thất áp suất khi đệm ướt: Ta có: Chọn: A = 8,4; m = 0,405; c = 0,015; n = 0,2 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ 6.1. Bơm chất lỏng Phương trình BerNoulli cho mặt cắt 1-1 và 2-2 : Chọn Z1 = 0, Z2 = 8m à Z2 – Z1 = 8m Coi P2 = P1; v2 = v1. Tổn thất dọc đường ống hms: Chế độ chảy trong ống: Þ Chế độ chảy rối. Chọn chiều dài đường ống l =13m. Trở lực cục bộ: Toàn bộ đường ống có 3 đoạn ống cong: 4.= 4.1,13 = 4,52 (Các quá trình thiết bị trong CNTP và Hóa Chất Tập I, Nguyễn Bin, 96). 1 van: Van 1 chiều: Cột áp của bơm: H = 8 + 3,72 + 0,5 = 12,22m Công suất bơm: Công suất thực của bơm: Giá trị của b cho ở bảng II.33 [I,tr.440]. Vậy ta chọn bơm có công suất 3Hp. 6.2. Quạt thổi khí Viết phương trình Benoulli cho mặt cắt ở mực chất lỏng và mặt cắt đầu ra của chất khí với mặt đất là mặt chuẩn. (2) Trong đó Z1 = Z2. P1 = 0 P2 = ΔPư = 738,3 (N/m2) v1 = v2 = 35,37 (m/s) (2) => Với Σh = h1 + h2 h1: tổn thất dọc đường ống. h2: tổn thất cục bộ tại các co, van. Tổn thất dọc ống: => chế độ chảy rối. Chọn ống có l = 10 m, và (II-15. 381/I) Do chế độ chảy rối nên α = 1 (II-13, 379) Tổn thất cục bộ đường ống: Hệ thống gồm 2 khuỷa cong 90o: ε = 1,13. 1 van: ε = 0,5 Lưu lượng kế: ε = 0,15 Hệ số tổn thất khi ra khỏi ống đẩy: ε = 1 Cột áp quạt: Công suất quạt: Do quạt có năng suất trung bình => chọn η = 0,6. Công suất thực của quạt: Nt = k.N k = 1,1 => Nt = 1,1.1,8 = 1,98 (Kw) = Vậy ta chọn quạt có công suất 3Hp. CHƯƠNG VII: TÍNH KINH TẾ CHO QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 7.1. Tính cho thiết bị chính: Khối lượng thân tháp, đáy và nắp,đĩa phân phối và lưới đỡ làm bằng thép X18H10T. Giá thành của thép X18H10T là 26.000 VND/kg (chưa gia công) Thành tiền: Thể tích đệm: Giá thành: 5.000.000 VND/m3 Thành tiền: 1,7.5000000 = 52.350.000 VND Khối lượng bích ghép và chân đỡ, tai treo bằng thép CT3 là m = 123,05 + 8.7,35 = 181,85kg Giá thành của thép CT3 là 20.000 VND/kg (chưa gia công) Thành tiền: 181,85.20000.1,5 = 5.455.500VND Tổng số tiền: 1.426.096.080 + 52.350.000 + 5.455.500 =1.483.901.580VND 7.2. Tính cho thiết bị phụ: Máy bơm: công suất 3HP, giá 25.000.000VND Quạt thổi khí: công suất 3HP, giá 2.500.000VND Tổng số tiền: 25.000.000 + 2.500.000 = 27.500.000VND 7.3. Tổng số tiền đầu tư: Ngoài ra còn có chi phí phát sinh khác: 10.000.000VND Vậy tổng số tiền đầu tư: 1.483.901.580 + 27.500.000 + 10.000.000 = 1.521.401.580VND  NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN Ô nhiễm môi trường do hoạt động công nghiệp gây ra mà nguy cơ lớn nhất là ô nhiễm không khí, vì vậy bảo vệ môi trường chính là bảo vệ sức khoẻ của chúng ta. Hơn thế nữa ta có thể tận dụng những khí thải này cho các ngành công nghiệp khác. Qua quá trình nghiên cứu, tính toán em đã cơ bản hoàn thành đồ án môn học được giao với đề tài: “Thiết kế thiết bị tháp hấp thu NH3 dạng đệm”. Em có một số nhận xét như sau: Tháp đệm có khả năng loại bỏ NH3 từ khí thải một cách hiệu quả. Trong thực tế việc sử dụng nước tinh khiết làm dung môi có nhược điểm là loại bỏ khí NH3 thấp nhất so với các dung môi khác và phát sinh ra nước thải. Khi sử dụng những dung môi khác: H2SO4, NaOCl, NaOH thì hiệu quả hấp thu tăng và giảm được lượng nước thải. Trong quá trình tính toán kết quả có sai số bởi sử dụng các phương pháp nội suy và ngoại suy nên không tránh nhiều sai xót. Mong thầy thong cảm.  TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ hoá chất, tập 1, NXB Khoa học Kỹ thuật. [2] Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ hoá chất, tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật. [3] Truyền khối, Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh, NXB Đại học quốc Gia TP.HCM. [4] Bài tập truyền khối, Trịnh Văn Dũng, NXB Đại học quốc Gia TP.HCM. [5] Quá trình và thiết bị truyền nhiệt, Trường Đại học Công nghiệp Thực Phẩm TP.HCM. [6] Bài tập các Quá trình và thiết bị cơ học, Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam, NXB Đại học quốc Gia TP.HCM. [7] Công nghệ hoá học vô cơ, Trần Hồng Côn – Nguyễn Trọng Uyển, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội.