Dùng tháp mâm chóp để hấp thu NH3

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC HẤP THU Khái niệm 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. Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả khí. Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau. Áp dụng của hấp thu Trong công nghiệp hóa chất ,thực phẩm, quá trình hấp thu được dùng để: Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí Làm sạch pha khí Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt Tạo thành một dung dịch sản phẩm. Lựa chọn dung môi Nếu mục đích của quá trình là tách các cấu tử hỗn hợp khí thì khi đó việc lựa chọn dung môi tốt phụ thuộc vào các yếu tố sau: 1) Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và 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 quá trình càng nhỏ, tăng tốc độ hấp thu 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 độ sôi của chất hoà tan sẽ dễ tách các cấu tử ra khỏi dung môi. 5) Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn. 6) Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm và 7) không độc hại với người và 8) không ăn mòn thiết bị. 1.4. Phương pháp hấp thụ Hấp thụ vật lý: được dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học giữa chất bị hấp thụ và chất hấp thụ. Khi này hiệu nồng độ ở bề mặt phân chia pha tăng, vận tốc hấp thụ hóa học tăng hơn khi hấp thụ vật lý. Vận tốc phản ứng hóa học càng tăng, vận tốc hấp thụ hóa học càng tăng. Các lọai tháp hấp thụ Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng càng lớn càng tốt. Có nhiều dạng tháp hấp thu: Tháp phun: Là tháp có cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất trong đó chất lỏng được phun thành những giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dòng khí đi qua. Tháp phun đươc sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn. Tháp sủi bọt: Khí được cho qua tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nước mỏng . Tháp sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất lỏng. Quá trình phân tán khí có thể thực hiện bằng cách cho khí đi qua tấm xốp, tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học. Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên. Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng. Tháp đĩa (tháp mâm) Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh tế hơn những tháp khác. Được sử dụng khi năng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ và môi trường không ăn mòn. Tháp hấp thụ phải thoả mãn những yêu cầu sau: hiệu quả và có khả năng cho khí đi qua, trở lực thấp (<3000Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, không bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ. Khi đồng thời hấp thụ nhiều khí, vận tốc hấp thụ của mỗi khí bị giảm xuống. Khí hấp thụ hoá học trong tháp xuất hiện đối lưu bề mặt, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha xuất hiện dòng đối lưu cưỡng bức thúc đẩy quá trình truyền khối. 1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ a) Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henry sẽ tăng. Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển về phía trục tung. Nếu đường làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm, số đĩa lý thuyêt sẽ tăng và chiều cao của thiết bị 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. b) 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 dịch chuyển về phía trục hoành. Khi đường làm việc AB không đổi dẫn đến động lực trung bình tăng quá trình truyền khối sẽ tốt hơn vì thế số đĩa lý thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp thấp hơn. Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ. Mặt khác, sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thụ. c) Các yếu tố khác: Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác của dụng cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu. II. SƠ LƯỢC NH3 2.1. Nguồn gốc phát sinh - Các hoạt động công nghiệp phát thải amoniac là: sản xuất amoniac, sản xuất phân bón, CN tinh lọc dầu, luyện cốc, sản xuất soda, các cơ sở sử dụng amoniac - Quá trình đốt rác, - Đốt các nguyên liệu hóa thạch, - Quá trình dị hóa của người và động vật, quá trình thối rữa, phân hủy hiếm khí. 2.2. Tính chất NH3 + Amoniac là một khí có mùi hắc, khi tan trong nước tạo thành dung dịch kiềm yếu: NH3 + H2O = NH4OH + NH3 phản ứng mạnh với các axit tạo thành muối tương ứng
2.3. Tác hại NH3 Amoniac thâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp, ăn uống và thẩm thấu qua da. 􀂙 Tác động của Amoniac trước hết gây kích thích mạnh và phá hủy các niêm mạc mắt, mũi và để lại hậu quả. 􀂙 Khi hàm lượng amoniac trong não tăng đến 50 mg/kg, xuất hiện hiện tượng co cứng các cơ và đi vào hôn mê. 􀂙 Đối với hệ tuần hoàn, khi hàm lượng amoniac tăng đến 100 mg/kg cơ thể sẽ để lại những hậu quả nghiêm trọng. 􀂙 Khi tiếp xúc với amoniac cao trong không khí thường có biểu hiện sau: gây kích thích cuống họng lập tức (280 mg/m3), gây ho (1200 mg/m3), đe dọa sự sống (1700 mg/m3), gây chết người (> 3500 mg/m3). CHƯƠNG II. QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Chọn nguồn xử lý khí là từ ống khói của nhà máy sản xuất amoniac. Khí được xử lý sơ bộ trước khi vào tháp. Có nhiều loại dung môi để hấp thụ NH3, nhóm em chọn dung môi hấp thu là nước vì nước là dung môi hấp thu rẻ tiền , dễ kiếm , không ăn mòn thiết bị, có tính kinh tế. Tháp hấp thu là tháp đệm nên dung môi hấp thu là nước sạch để không tạo ra cặn lắng làm cản trở dòng khí và lỏng. HOẠT ĐỘNG CỦA THÁP Cho khí NH3 vào tháp trước và đi từ dưới đáy tháp lên, khí được đưa lên bằng quạt ở áp suất 5,8 atm (vì ở áp suất thấp). Lượng khí được điều chỉnh bằng van và lưu kế khí. Dung môi hấp thu là nước đi từ trên xuống . Nước sạch từ bể chứa được bơm lên bồn cao vị . Sau đó đi qua lưu lượng kế đo lưu lượng dòng chảy và đi vào tháp hấp thu. Hỗn hợp khí NH3 và nước tiếp xúc với nhau ở đĩa (tại đây thực hiện quá trình truyền khối giữa 2 pha khí và lỏng) CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP MÂM CHÓP CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO Áp suất p = 5,8 atm = 5,8 x 760 = 4408 mmHg Nhiệt độ t = 350C, T0C = 35 +273 = 3080C Hàm lượng NH3 ban đầu yd = 26% = 0,26 Độ hấp thụ A = 87% = 0,87 Lượng dung môi Ltr = 430 kg NH3/h. Chọn dung môi là nước Ltr = 430 kg NH3/h = 430/MH2O = 430/18 = 23,88 kmol/h TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT Ld, Lc: lưu lượng hỗn hợp pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị (kmol/h) Gd, Gc: lưu lượng hỗn hợp pha khí vào và ra khỏi thiết bị (kmol/h) Ltr : lượng dung môi tinh khiết cần sử dụng (kmol/h) Gtr: lượng khí trơ vào thiết bị (kmol/h) Xd,Xc: nồng độ đầu và cuối hỗn hợp lỏng (kmol/kmol dung môi) Yd,Yc: nồng độ đầu và cuối hỗn hợp khí (kmol/kmol dung môi) yd, yc: Nồng độ thể tích ban đầu và cuối của dòng khí xd, xc: Nồng độ thể tích ban đầu và cuối của dòng lỏng Xcmax : nồng độ cân bằng ứng với nồng độ hỗn hợp khí được xác định thông qua đường cân bằng Sơ đồ tính toán cân bằng vật chất cho tháp: Chất lỏng vào Khí ra Ld, xd Gc, yc Ltr, XdGtr, Yc Chất lỏng ra Khí vào Lc, xc Gd, yd Ltr, Xc Gtr, Yd Tính toán cân bằng vật chất yd = 26% = 0,26 Yd =
= 0,351(Kmol NH3/Kmolkhítrơ) Yc = Yd (1 – A) = 0,351 (1 – 0,87 ) = 0,0456 (KmolNH3/Kmolkhítrơ) yc = Yc/(1 + Yc) = 0,0436 Phương trình cân bằng của dung dịch hấp thu NH3 bằng H2O được biểu diễn theo định luật Henry : P = H.x hoặc y
=mx . Trong đó : y : nồng độ phân mol của NH3 trong dòng khí ở điều kiện cân bằng . x : nồng độ phân mol khí hòa tan trong pha lỏng . P : áp suất riêng phần của cấu tử khí hòa tan khi cân bằng . Pt : áp suất tổng của hệ hấp thu . H : hệ số Henry . Vì Ở 35oC không có trong bảng nên lấy xấp xỉ 300C : H = 0,00241 x 106 (mmHg) Tra bảng IX.1 (sổ tay công nghệ hóa chất tập 2). m : hệ số phân bố . m =
=
= 0,5467 y =
x =
Thay vào trên ta được : y = m.
=>
=m.
Y =
=
Mà : y = yd = 0,26 ; X = Xcmax y = m.
=> 0,26 = 0,5467.
=> X = Xcmax = 0,9069 Theo thực nghiệm ta có: L = (1,2(1,3)Lmin . Chọn L= 1,2Lmin => Lmin = Ltr/1,2 = 23,88/1,2 = 19,9 Hấp thu NH3 bằng nước , chọn dung môi sạch khi vào tháp nên : Xd = 0 Gtr = 59,09 Gd = Gtr/(1 – yd) = 59,09/(1 – 0,26) = 43,73 (kmol/h) Gc = Gtr/(1 - yc) = 59,09/(1 – 0,0436) = 56,51(kmol/h) Gd=
> Vd = Gd.RT/P= 43,7266 x 0,082 x 35/5,8 = 21,63 (m3/h) Phương trình cân bằng vật chất có dạng ; Gtr.Yđ + Ltr.Xđ = Gtr.Yc + Ltr.Xc Suy ra :
Suy ra : Xc =

=
(mol NH3/KmolH2O) xc = Xc/(1 + Xc) = 0,7559/(1 + 0,7559) = 0,4305. TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA THÁP Thông số vật lý Thông số vật lý pha khí Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp hấp thu :
Vd , Vc – lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , m3/h . Vc = Vtr x ( 1 + Yc ) =
(m3/h) Suy ra : Vytb =
(m3/h) . KLR trung bình của pha khí :
Trong đó : + M1 , M2 : Khối lượng mol của NH3 và không khí . + T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hấp thu . T = 350C + ytb1 : nồng độ phần mol của NH3 lấy theo giá trị trung bình.
Với yd1 , yc1 : nồng độ phần mol của NH3 vào và ra khỏi tháp . yd1 = yd = 0,26
Suy ra :
+ M1 = MNH3= 17 (g/mol) M2 = Mkkhí = 28.8 (g/mol) Suy ra :
=
kg/m3 Độ nhớt trung bình pha khí (của hổn hợp khí):
+ Mhh , M1 , M2 : khối lưượng phân tử của hổn hợp khí , của NH3 và không khí , kg/kmol . M1 = 17(kg/kmol) M2 = Mkk = 28.8 (kg/kmol) .
(kg/kmol) . + m1 , m2 : nồng độ của NH3 , không khí tính theo phần hể tích. m1 = ytb1 = 0,1518 m2 = 1 – ytb1 = 1 – 0,1518 = 0,8482 + Ở 350c : (2 = (kk = 0,024.10-3 (kg/m.s). (1 =
= 0,0173.10-3 (kg/m.s). Thay vào ta được :
=>
Suy ra :
(kg/m.s). Lưu lượng khối lượng pha khí trung bình:
, kg/s Gd , Gc : lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , kg/s . Suy ra :
(kmol/h) = 50,12/3600 = 0,0139222 (kg/s) Thông số vật lý pha lỏng Vxtb : lưu lượng dòng lỏng trung bình. Do lượng cấu tử hoà tan trong dung dịch nhỏ , xem quá trình hấp thu không làm thay đổi đáng kể thể tích nên :
Với :
là khối lượng riêng của nước ở 350C .
= 994,2 (kg/m3) . Mtr : khối lượng phân tử của H2O , kg/kmol . Ltr : lưu lượng nước , kmol/h . Suy ra :
m3/h Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng :

,
: khối lượng riêng trung bình của NH3 , H2O trong pha lỏng .
, Vtb2 : thể tích trung bình của NH3, H2O trong pha lỏng. Do lượng NH3 hoà tan trong dung dịch nhỏ nên : Vtb1 ( 0 . (
(kg/m3). Độ nhớt trung bình của pha lỏng: Do lượng cấu tử NH3 hoà tan trong dung dịch nhỏ nên có thể xem :
(kg/m.s). Lưu lượng khối lượng trung bình của pha lỏng:

,
: lưu lượng khối lượng dòng lỏng vào và ra khỏi tháp .
(kg/s) .
= 2,5708 (kg/s). Suy ra : Gxtb =
(kg/s). Tính đường kính tháp hấp thụ Tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương , còn gọi là tốc độ đảo pha W’s (m/s ) được xác định theo công thức :
Với : + Gx , Gy : lưu lượng dòng lỏng và khí trung bình , kg/s . Gx = Gxtb = 2,0354 (kg/s). Gy = Gytb = 0,0139 (kg/s). +
xtb ,
ytb : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và khí .
xtb = 994,2 (kg/m3) .
ytb = 1,068 (kg/m3) . + (x : độ nhớt trung bình pha lỏng theo nhiệt độ trung bình. (x = (xtb = 0,7679(10-3 (kg/m.s). + (n : độ nhớt của nước ở 200C . (n = 1,005.10-3 (kg/m.s) . A : hệ số , A = 0,022 Chọn đệm vòng Raschig bằng sứ, kích thước 12 x 12 x 1,8mm các thông số của đệm : (d : bề mặt riêng (d = 360 m2/m3 Vd : thể tích tự do Vd = 0,67 m3/m3
: khối lượng riêng
d = 800 kg/m3
Thay số vào ta được: lg
Áp dụng công thức logarit: logaN = y => N = ay Wđp = 0,1364 (m/s). Chọn tốc độ làm việc :
(m/s). Đường kính tháp được xác định theo công thức :
(m) . Hệ số khuếch tán Hệ số khuếch tán pha lỏng
, m2/s . Trong đó: MB là khối lượng mol của dung môi , MB =
(kg/kmol) ( là hệ số kết hợp cho dung môi , ( = 2.6 cho dung môi là nước . T = 273 + 35 = 3080K , nhiệt độ khuếch tán . VA = 25,8 cm3/mol , là thể tích mol của dung chất . (’: là dộ nhớt của dung dịch . (’ =
(Cp) . Suy ra :
(m2/s) Hệ số khuếch tán pha khí
. Trong đó : T = 273 +35 = 3080K P = 1 at , Ap suất khuếch tán . MA , MB : là khối lượng mol khí NH3 và không khí . MA =
= 17 (kg/kmol) . MB = Mkk = 28,8 (kg/kmol) . VA , VB : thể tích mol của SO2 và của không khí . VA = 25,8 (cm3/mol). Tra bảng 1.4 giáo trình /trang 21 VB = 29,9 (cm3/mol) . Tra bảng 1.4 giáo trình/trang 21
Thế vào ta được :
(m2/s). Một số thông số khác + Gy , Lx là tốc độ khối lượng của khí và lỏng tương ứng một đơn vị tiết diện ngang của tháp (kg/m2.s). Tiết diện ngang của tháp :
(m2)
(kg/m2.s).
(kg/m2.s). + (y =0,0173.10-3 kg/m.s , là độ nhớt pha khí. +
y =
ytb = 1,068 kg/m3 là khối lượng riêng pha khí. + Dx , Dy : là hệ số khuếch tán trong pha khí và trong pha lỏng (m2/s). Gx = Gxtb = 2,0354 (kg/s). Gy = Gytb = 0,0139 (kg/s).



Hệ số thấm ướt ( -Utt =
là mật độ tưới thực tế , (m3/m2.h) . Trong đó : Vx = Vxtb = 3,0175 (m3/h) . Ft = 0,04 (m2) . Suy ra :
(m3/m2h) . -Mật độ tưới thích hợp Uth : Uth = B.
d , (m3/m2h) . B = 0,158 (m3/m.h)
= 360 m2/m3 Suy ra : Uth = 0.158 x 360 = 56,88 (m3/m2h) . Vậy :
Khi mật độ tưới lớn > 5m3/m2.h, ta chọn ( = 1 để dung môi thấm ướt đều lên đệm. Chiều cao tháp mâm chóp Hd = my.hy Chiều cao một đơn vị tháp hY = hG
m = 0,5467 Với :
Suy ra :
(m) (1) Xác định my: (yd = yd – m.xc = 0,26 – 0,5467 x 0,4350.10-3 = 0,26 (yc = yc – yc*= 0,0436 – 0,000237 = 0,043353 Dựa vào phương trình y=mx=
yc* =
=0,000237 Xc = 0,00534 Lập tỷ số: (yd/(yc = 5,997 > 2 (ytb =
= 0,1209 my = (yd – yc)/ (ytb = (0,26 – 0,0436)/0,1209 = 1,789 (2) Từ (1) và (2), ta có Hd = my.hy = 2,147 m Trở lực tháp Trở lực đĩa khô
(công thức tra sổ tay truyền nhiệt tập 2 – trang 192) Trong đó:
: hệ số trở lực
= 4,5 – 5
ytb = 1,068 khối lượng riêng pha khí(kg/m3)
: tốc độ đi qua rãnh chóp (m/s)
=
3.7.2. Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt

(công thức tra sổ tay truyền nhiệt tập 2 – trang 192) dtd = đường kính tương đương của khe rãnh chóp m
: sức căng bề mặt
= 360 m2/m3 Chọn đệm vòng Raschig bằng sứ, kích thước 12 x 12 x 1,8mm
12 x 1,8 = 21,6 (rãnh hình chữ nhật) Khi rãnh chóp mở hoàn toàn

= (4 x 360)/27,5 = 52,36 Tổng trở lực (P =
+
= 52,36 + 0,036= (N/m2). TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Khoa máy và thiết bị hóa học , giáo trình “ Quá trình & Thiết bị truyền khối”, ĐH CÔNG NGHIỆP TP.HCM – 2011 . 2. Các tác giả , “ Sổ tay Quá trình & Thiết bị tập 1 “ , NXB KHKT Hà Nội – 1999 3. Các tác giả , “ Sổ tay Quá trình & Thiết bị tập 2 “ , NXB KHKT Hà Nội – 1999