Đồ án Xử lý NH3

MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NH3 Tính chất Amoniac là gì? Thuật ngữ 'amôniăc' có nguồn gốc từ một liên kết hoá học có tên là 'clorua ammoni' được tìm thấy gần đền thời thần Mộc tinh Ammon ở Ai Cập.Người đầu tiên chế ra amôniăc nguyên chất là nhà hoá học Dzozè Prisly.Ông đã thực hiện thành công thí nghiệm của mình vào năm 1774 và khi đó người ta gọi amôniăc là 'chất khí kiềm'. Tính chất vật lí Amôniăc là một chất không màu, mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí (Khối lượng riêng D = 0,76g/l. Amôniăc hoá  lỏng ở -34oC và hoá rắn ở -78oC. Trong số các khí, amôniăc tan được nhiều nhất trong nước. Một lít nước ở 20oC hoà tan được 800 lít NH3. Hiện tượng tan được nhiều giải thích do có tương tác giữa NH3 và H2O, là những chất đều có phân tử phân cực. Tính chất hóa học Sự phân huỷ như đã biết, phản ứng tổng hợp NH3 là thuận nghịch. Điều này có nghĩa, amôniăc có thể phân huỷ sinh ra các đơn chất N2 và H2. Amôniăc phân huỷ ở nhiệt độ 600 – 700oC  và áp suất thường. Phản ứng phân huỷ là phản ứng thu nhiệt và cũng thuận nghịch. 2NH3 à 3H2 + N2 Tính bazo Nhúng hai đũa thuỷ tinh vào hai bình đựng dung dịch HCl đặc và dung dịch NH3 đặc sau đó đưa hai đầu đũa thủy tinh lại gần nhau thì sẽ thấy khói màu trắng. Khói màu trắng là những hạt nhỏ của tinh thể muối amoni clorua . Chất này được tạo do hai khí HCl và NH3 hoá hợp với nhau theo phương trình phản ứng: NH3 + HCl à NH4Cl Tác dụng với O2 Đốt amôniăc trong oxi, nó cháy với ngọn lửa màu vàng tươi NH3 bị oxi hoá bởi oxi tạo ra N2 và H2O . 4NH3 + 3O2 à 2N2 + 6H2O + Q Trong thí nghiệm hỗn hợp NH3 và O2 được dẫn đi qua ống đựng chất xúc tác Pt nung nóng. Khí NO sinh ra, đi tới bình cầu là nơi có nhiệt độ thường, thì hoá hợp với trong không khí tạo ra khí NO2 màu nâu đỏ. NH3 + 5O2à 4NO + 6H2O NO2 à2NO + O2 Tác dụng với khí Clor Dẫn khí NH3 vào bình khí Cl2, hỗn hợp khí tự bốc cháy tạo ra ngọn lửa có khói trắng . Phương trình phản ứng: 2NH3 + 3Cl2 à 6HCl + N2 Khói trắng là những hạt nhỏ tinh thể NH4Cl được tạo nên do HCl sau  khi sinh ra lại hoá hợp ngay với NH3: NH3 + HCl à NH4Cl . Tính acid Như ta đã biết NH3 là một bazơ tuy nhiên nó còn là một acid: Li3N(s)+ 2NH3 (l) à 3Li+(am) + 3 NH2−(am) NH3 như là Ligand Tetraamminecopper(II), [Cu(NH3)4]2+, có màu xanh dương đậm khi thêm ammonia vào trong dung dịch muối đồng (II). Diamminesilver(I), [Ag(NH3)2]+, được gọi là tác chất Tollens' reagent. Điều chế Tổng hợp từ thiên nhiên: Trong không khí có một lượng amôniăc không đáng kể sinh ra do quá trình phân rã của động vật và thực vật. NH3 được sản xuất từ N2 trong không khí dưới xúc tác của các enzim nitrogenases. Trong cơ thể các động vật trong quá trình trao đổi chất sinh ra NH3 và nó ngay lập tức chuyển thành Urê. Tổng hợp hoá học NH3 được sản xuất bằng cách chưng cất than tạo muối amôni sau đó đem tác dụng với vôi sống: 2 NH4Cl + 2 CaO à CaCl2 + Ca(OH)2 + 2 NH3 Trong công nghiệp người ta điều chế NH3 từ H2 (được điều chế bằng nhiều cách khác nhau) sau đó đem tác dụng với N2 lấy từ không khí. Phản ứng xảy ra thuận nghịch nên phải thêm xúc tác để cho sản phẩm và hiệu suất mong muốn 3H2 + N2 à 2 NH3 Ứng dụng Làm phân bón NH3 được xem như là thành phần của phân bón. NH3 có thể được bón trực tiếp lên ruộng đồng bằng cách trộn với nước tưới mà không cần thêm một quá trình hoá học nào. NH3 tác dụng với acid (HCl, HNO3 …) tạo muối là thành phần chính của phân bón hoá học. Amôni Sunphat là một loại phân bón tốt. Amôni Nitrat cũng được sử dụng như một loại phân bón và còn như một dạng thuốc nổ. Khi cho amôniăc tác dụng với CO2 ở nhiệt độ 180-200oC, dưới áp suất khoảng 200atm ta điều chế Urê (NH2)2CO là chất rắn màu trắng, tan tốt trong nước, chứa khoảng 46%N : CO2 + 2NH3 à (NH2)2CO + H2O Trong đất dưới tác dụng của các vi sinh vật urê bị phân hủy cho thoát ra amoniac, hoặc chuyển dần thành muối amonicacbonat khi tác dụng với nước: (NH2)2CO + 2H2O à (NH4)2CO3 Kỹ nghệ làm lạnh NH3 là chất thay thế CFCs, HFCs bởi vì kém độc và ít bắt cháy. Trong phòng thí nghiệm và phân tích NH3 được xem như là hỗn hợp khí chuẩn cho việc kiểm soát phát thải môi trường, kiểm soát vệ sinh môi trường,các phương pháp phân tích dạng vết. Kỹ nghệ điện tử NH3 được sử dụng trong công nghệ sản xuất chất bán dẫn và một số vật liệu cao cấp khác thông qua sự ngưng tụ silicon nitride (Si3N4) bằng phương pháp ngưng tự bốc hơi hoá học: Chemical Vapor Deposition (CVD). Một số ứng dụng khác NH4Cl được sử dụng trong công nghệ hàn, chế tạo thức ăn khô và trong y học…NH3 được sử dụng trong công nghiệp dầu khí, thuốc lá, và trong công nghệ sản xuất các chất gây nghiện bất hợp pháp. Độc tính Độc tính của amôniăc Trong phần này chúng tôi nói tới độc tính chung cho 3 dạng của amoniac: Khí amoniac (NH3). Khí amoniac hóa lỏng. Dung dich amoniac (NH4OH). Đối với động vật thuỷ sinh NH3 được xem như là một trong những “kẻ giết giết hại” chính thế giới thuỷ sinh, sự nhiễm độc NH3 thường xảy ra đối với những hồ nuôi mới hoặc những hồ nuôi cũ nhưng có mật độ nuôi lớn. Triệu chứng Cá thở dốc trên mặt nước, mang cá bị tím hoặc đỏ bầm, Cá bị hôn mê và mất phản xạ, Cá bị chết chìm ở đáy nước, Cá bị ghẻ xước ở vây hoặc cơ thể. Đối với người: Khi hít phải hoặc tiếp xúc trực tiếp với NH3. Thở khó, ho, hắt hơi khi hít phải, Cổ họng bị rát, mắt, môi và mũi bị phỏng, tầm nhìn bị hạn chế, Mạch máu bị giảm áp nhanh chóng, Da bị kích ứng mạnh hoặc bị phỏng.Trong một số trường hợp nếu hít phải NH3 nồng độ đậm đặc có thể bị ngất, thậm chí bị tử vong. Nhiễm độc cấp tính: Nồng độ khí NH3 trên 100 mg/m3 gây kích ứng đường hô hấp rõ rệt.Trị số giới hạn cho phép làm việc với đủ phương tiện phòng hộ trong một giờ là từ 210-350 mg/m3. Cấp cứu và điều trị Trong trường hợp hít phải NH3 cần đưa nhanh nạn nhân ra khỏi môi trường độc hại, cho nằm nghỉ, thở oxi, điều trị triệu chứng; quan sát y học liên tục 24giờ trở lên để phát hiện các biến đổi hô hấp. Trường hợp bị ô nhiễm da cần nhanh chóng rửa sạch bằng nước hoặc dung dịch có tác dụng trung hòa để bảo vệ da, điều trị triệu chứng.Trường hợp bị ô nhiễm mắt phải khẩn trương rửa mắt thật kỹ. Các vấn đề môi trường liên quan đến NH3 - Trong quá trình nuôi tôm ,cá, các quá trình xử lý nước thải: nước thải, khí thải và bùn do phân hữu cơ, xác động vật, xác(vỏ) tôm sau khi tiêu hoá thức ăn thì chúng được thải ra trong điều kiện kỵ khí dưới sự tác dụng của vi khuẩn trong nước xuất hiện H2S, NH3, CH4 … các chất này rất độc cho ao nuôi và các động vật thuỷ sinh. - Các trường học trước đây thường không quan tâm đến vấn đề vệ sinh môi trường trong việc thiết kế và vận hành các nhà vệ sinh (ô nhiễm NH3 trầm trọng) gây ảnh hưởng đến sức khoẻ và tâm sinh lý của học sinh. - Các vụ rò rĩ khí NH3 từ các nhà máy phân bón, SX nước đá, đông lạnh… cũng ảnh hưởng lớn đến sức khoẻ công nhân và cộng đồng xung quanh.... Nguồn phát thải Làm phân bón. Kỹ nghệ làm lạnh. Kỹ nghệ điện tử. NH4Cl được sử dụng trong công nghệ hàn. NH3 được sử dụng trong công nghiệp dầu khí, thuốc lá, và trong công nghệ sản xuất các chất gây nghiện bất hợp pháp. Các cộng nghệ xử lý: Xử lý hoá học Dựa vào tính chất hoá học của NH3 ta có thể xử lý NH3 bằng các phun các dung dịch acid loãng (HCl, H2SO4..) để hấp thụ hoá học NH3. 2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4 Xử lý sinh học Bể sinh học màng vi lọc (MBR) xử lý nitơ, ammonia trong nước thải. Việc khử chất ô nhiễm này chỉ thực hiện duy nhất một quá trình là khử nitrit. “Quá trình này gồm hai giai đoạn chính đó là giai đoạn nitrit hóa bán phần và khử nitrit thông qua hệ thống màng vi lọc”.Trong đề tài “ Bước đầu nghiên cứu phân lập vi khuẩn có khả năng sử dụng NH3, H2S trong khí thải như là nguồn cơ chất để dinh dưỡng” sử dụng chủng vi khuẩn arthobacter cho việc xử lý NH3. Xử lý NH3 bằng hồ tuỳ tiện có thêm các chất trao đổi ion như Zeolit. NH3 là một khí độc, và cũng là một khí có nhiều ứng dụng trong kỹ nghệ.Tuy nhiên so với những chất khí thải khác thì NH3 ít độc hại và xử lý tương đối đơn giản. Vấn đề quan trọng là trong kỹ thuật làm lạnh chúng ta cố gắng hạn chế tối đa sự cố môi trường xảy ra, đồng thời luôn có biện pháp đối phó để giảm thiểu thiệt hại và ảnh hưởng môi trường xung quanh. Xử lý cơ học Nhờ vào khả năng hoà tan tốt trong H2O, Khi sự cố môi trường xảy ra (rò rĩ khí amoniac) thì biện pháp đơn giản nhất đó là cách ly người dân và phun nước pha loãng. Các loại tháp hấp thụ tháp đĩa Tháp đĩa có ống chảy chuyền Tháp mâm chóp Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm ngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định. Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược hoặc chéo chiều:lỏng từ trên xuống (hoặc đi ngang), khí đi từ dưới lên hoặc xuyên qua chất lỏng chảy ngang; ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa.Tùy thuộc cấu tạo của đĩa chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tưởng hay là dòng chảy qua. Trên đĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng gọi là ống chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng đáy tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí (hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩa trên. Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lưới,hay khe xupap sục vào pha lỏng trên đĩa. Để phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiều cao mức chất lỏng trên đĩa. + Ưu điểm: Hiệu suất truyền khối cao, hoạt động ổn định, làm việc với chất lỏng bẩn, ít tiêu hao năng lượng. + Nhược điểm: cấu tạo hức tạp, trở lực lớn, nặng. Tháp mâm lỗ Tháp đĩa lưới hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có lỗ tròn, hoặc rảnh. Chất lỏng chảy từ trên xuống qua các ống chảy chuyền. Khi đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc rảnh đĩa. Đĩa có thể lấp cân bằng hoặc xuyên một góc với độ dóc 1/45- 1/50. + Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sing dễ dàng, trở lực ít hơn tháp chớp, ít tốn kim loại hơn tháp chớp. + Nược điểm: yêu cấu lấp đặt cao, mâm lấp phải rất phẳn. Tháp đĩa không có ống chảy chuyền Trong trường hợp này khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, vì vậy không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa như trong các loại tháp có ống chảy chuyền, và tất cả bề mặt đĩa dều làm việc, nên hiệu quả của đĩa cao hơn. Vì vậy trong những năm gần đây loại tháp này được sử dụng rộng rải. Tháp đĩa không có ống chảy chuyền cũng có nhiều loại nhưng chủ yếu có hai loại: đĩa lỗ và đĩa rảnh. Đĩa lỗ được cấu tạo bởi các tấm ngăn và tấm phẳng, trên có nhiều lỗ tròn được bố trí đều. Lỗ có đường kính 2-8mm phụ thuộc vào chất lỏng. Tháp đĩa rãnh là đĩa gồm nhiều thanh hoặc là nhiều ống ghép lại với nhau tạo thành các khe hở 3-4mm . ngoài ra đĩa còn có cấu tạo hình sống, trên có lỗ. Các sống gần nhau hợp thành góc 900. Hơi đi từ dưới lên qua lỗ ở phần sống lồi, còn lỏng đi từ trên xuống qua phần sống lõm. Tháp phun Loại này gồm thân và 1 ống vòi phun 2. Những hạt chất lỏng sẻ được phun ra và tiếp xúc với dòng khí đi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra. Loại thiết bị này không phù hợp với các loại khí khó hoà tan. Ngoài ra còn có những loại hấp thu cơ học. Chất lỏng bắn ra trong các phễu, ở đó khí sẻ đươc tiếp xúc với chất lỏng và có quá trình hấp thụ. Khí chuyển động qua thiết bị theo đường ngoằn ngoèo giữa các bậc. Chất lỏng chảy từ trên xuống và lấy ra ở đáy. Bộ phận bắn tung chất lỏng được gắn vào một trục quay, có tác dụng trì hoãn sự chảy của chất lỏng trong phễu, tạo khả năng tiếp xúc tốt với pha khí. + Ưu điểm: Tháp hấp thụ rỗng được thiết kế để dòng khí chuyển động theo tuyến đặc biệt và vòi phun đặt dọc theo chiều cao tháp có thể đạt hiệu quả hấp thụ rất cao. + Khuyết điểm: yêu cấu lấp đặt cao, mâm lấp phải rất phẳn. Tháp đệm Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kim loại, gốm,..) với những hình dạng khác nhau (trụ, cầu, tấm, yên ngựa, lò xo,.. ); lưới đỡ đệm, ống dẫn khí và lỏng vào ra. Để phân phối đều lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người ta dùng bộ phận phân phối dạng: lưới phân phối (lỏng đi trong ống – khí ngoài ống; lỏng và khí đi trong cùng ống); màng phân phối, vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu, khe); bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay, ổ đỡ);... Các phần tử đệm được đặc trưng bằng: đường kính d, chiều cao h, bề dày δ. Đối với đệm trụ, h = d chứa được nhiều phần tử nhất trong 1 đơn vị thể tích.- Khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước: bề mặt riêng a (m2/m3); thể tích tự do ε (m3/m3); đường kính tương đương d(tđ) = 4r(thủy lực) = 4.S/n = 4 ε/a; tiết diện tự do S (m2/m3). Khi chọn đệm cần lưu ý: thấm ướt tốt chất lỏng; trở lực nhỏ, thể tích tự do và và tiết diện ngang lớn; có thể làm việc với tải trọng lớn của lỏng và khí khi ε và S lớn; khối lượng riêng nhỏ; phân phối đều lỏng; có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm... Để làm việc với chất lỏng bẩn nên chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ. Ưu – nhược điểm - ứng dụng +Ưu: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độ màng/quá độ) nhỏ. +Nhược: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp; dễ bị sặc; khó tách nhiệt, khó thấm ướt. +Ứng dụng: - Dùng trong các trường hợp năng suất thấp: tháp hấp thụ khí, tháp chưng cất,... - Dùng trong các hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống hút chân không,...). Tháp màng Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt vật rắn thường là thẳng đứng. Bề mặt vật rắn có thể là ống, tấm song song hoặc đệm tấm. Tháp màng dạng ống: Có cấu tạo tương tự thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, gồm có ống tạo màng được giữ bằng hai vĩ ống ở hai đầu, khoảng không giữa ống và vỏ thiết bị để tách khi cần thiết. Chất lỏng chảy thành màng theo thành ống từ trên xuống, chất khí (hơi) đi theo khoảng không gian trong màng chất lỏng từ dưới lên. Tháp màng dạng tấm phẳng: Các tấm đệm đặt ở dạng thẳng đứng được làm từ những vật liệu khác nhau (kim loại, nhựa, vải căng treo trên khung...) đặt trong thân hình trụ. Để đảm bảo thấm ướt đều chất lỏng từ cả 2 phía tấm đệm ta dùng dụng cụ phân phối đặc biệt có cấu tạo răng cưa. Tháp màng dạng ống khi lỏng và khí đi cùng chiều: Cũng có cấu tạo từ các ống cố định trên 2 vỉ, khí đi qua thân gồm các ống phân phối tương ứng đặt đồng trục với ống tạo màng. Chất lỏng đi vào ống tạo màng qua khe giữa 2 ống. Khi tốc độ khí lớn sẽ kéo theo chất lỏng từ dưới lên chuyển động dưới dạng màng theo thành ống tạo màng. Khi cần tách nhiệt có thể cho tác nhân lạnh đi vào khoảng không gian giữa vỏ và ống. Để nâng cao hiệu suất người ta dùng thiết bị nhiều bậc giống nhau. -Thủy động lực trong thiết bị dạng màng: + Khi Re < 300 – chảy màng , bề mặt pha nhẵn trơn + Khi 300 < Re < 1600 – chảy màng bắt đầu có gợn sóng + Khi Re > 1600 – chảy rối Khi có dòng khí chuyển động ngược chiều sẽ ảnh hưởng lớn đến chế độ chảy của màng. Khi đó, do lực ma sát giữa khí và lỏng sẽ có cản trở mạnh của dòng khí làm bề dày màng tăng lên, trở lực dòng khí tăng. Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí sẽ dẫn đến cân bằng giữa trọng lực của màng lỏng và lực ma sát và dẫn đến chế độ sặc (nhiều khi pha khí chỉ 3-6m/s đã xảy ra sặc). Khi tốc độ vượt qua tốc độ sặc sẽ làm kéo chất lỏng theo pha khí ra ngoài. - Ưu và nhược điểm của tháp màng: + Ưu: - trở lực theo pha khí nhỏ. - có thể biết được bề mặt tiếp xúc pha (trong trường hợp chất lỏng chảy thành màng). - có thể thực hiện trao đổi nhiệt. + Nhược: - năng suất theo pha lỏng nhỏ. - cấu tạo phức tạp, khi vận hành dễ bị sặc. + Ứng dụng: - trong phòng thí nghiệm - trong trường hợp có năng suất thấp - trong những hệ thống cần trở lực thấp (hệ thống hút chân không,...) CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Thiết minh quy trình công nghệ: Khí xử lý khí NH3 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 dịch dùng hấp thụ là nước. Tháp hấp thụ làm việc nghịch chiều: nước được bơm lên bồn cao vị mục đích là để ổn định 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 dịch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồn chứa. Tại đây, dung dịch 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. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP MÂM XUYÊN LỖ Số liệu thiết kế ban đầu - Năng suất lò hơi 5000 m3/h. - Nhiệt độ đầu vào của tháp 30oC. - Nhiệt độ ra 30oC. - Áp suất khí thải: p = 1atm = 760mmHg. Tính toán các số liệu thiết kế Sơ đồ cân bằng vật chất của tháp mâm xuyên lỗ DÒNG KHÍ RA DÒNG LỎNG VÀO G, Gtr, yr L, Ltr, xv, Xv THÁP HẤP THU DÒNG KHÍ VÀO DÒNG LỎNG RA G, Gtr, yv L, Ltr, xr, Xr Ý nghĩa các kí hiệu tính toán: Xv - Tỷ số mol khí trong dòng lỏng vào tháp hấp thụ ( kmolNH3/kmolH2O ). Xr - Tỷ số mol khí trong dòng lỏng ra tháp hấp thụ ( kmolNH3/kmolH2O ). Yv - Tỷ số mol khí trong hỗn hợp khí thải vào tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolkk ). Yr - Tỷ số mol khí trong hỗn hợp khí thải ra tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolkk ). xv - Phần mol khí trong pha lỏng đi vào tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolhh ). xr - Phần mol khí trong pha lỏng ra khỏi tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolhh ). yv - Phần mol khí trong dòng khí khi đi vào tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolhh ). yr - Phần mol khí trong dòng khí khi đi ra tháp hấp thụ (kmolNH3/kmolhh ). G - Suất lượng hỗn hợp khí ( kmolhh/h ). Gtr-Suất lượng khí trơ (kmoltrơ/h ). L - Suất lượng nước (kmolH2O/h ) . Ltr - Suất lượng cấu tử lỏng trơ (kmoltrơ/h ). Đường cân bằng ( tra sổ tay qttb tập 2) Y* = Với m = Trong đó: H là hằng số Henry phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí, mmHg P áp suất của khí đang xét, mmHg Ở nhiệt độ t = 30oC H×10-6 = 0.00241 mmHg P = 760 mmHg m = 0.00241×10-6 ÷ 760 = 3.17 Đường cân bằng của NH3 ở 30oC có dạng Y* = X 0 0.0002 0.0006 0.001 0.0014 Y* 0 0.000634 0.0019 0.003163 0.004425 Phương trình đường làm việc tương đương có dạng: Y* = 3.16×X+10-6 Đường cân bằng vật chất Tính cho 1m3 Ckk = Gk = Ckk 29 = 40.25 29 = 1167,25 g/m3 Mồng độ phần mol của NH3 yV = Nồng độ đầu ra của NH3 yr = Hiệu suất Tỉ số phần mol của dóng khí đi vào, ra tháp hấp thụ Yv Yr Hiệu suất tháp hấp thu µ = Ta có Gtrơ = Gv(1-yv) Trong đó Gv = Gtrơ = 201.24 × ( 1 – 0.0171) = 197.8 Gr = Gtrơ × ( = 197.8×() = 197.9 Lập đường làm việc của NH3 Lmin = Gtrơ () Trong đó cho Xv là tỉ số mol khí NH3 trong dòng lỏng vào tháp hấp thu (, Xv= 0 Xmax = = = 5.5 ( à Lmin = 610 Lượng dung môi thực tế lấy từ 1.2 lượng dung môi tối thiểu: L = 1.2×Lmin= 1.2×610 = 732 Xr = = = 2.31 Phương trình đường làm việc của NH3 sẻ đi qua hai điểm: ( Xv; Yr) = (0;) ( Xr; Yv) = (2.31; 0.0174) Phương trình đường cân bằng pha có dạng: Y* = 3.16×X+10-6 Vẽ đường làm việc và đường cân bằng trên cùng một đồ thị Từ đồ thị trên ta chọn số mâm lý thuyết là 1 Số mâm thực tế Ntt = = Theo đồ thị số mâm lý thuyết Nlt = 11 Từ đồ thị 5.24a (stt2) mối liên hệ giữa hiêu suất mâm murphree và hiệu suất tổng quát. m = 3.17 = 0.801 × 10-3 = = 1000 = = 18 g/mol = 0.06 à = 0.7 Ntt = = 15.7 Chọn 16 mâm. Tính đường kính tháp D = lưu lượng trung bình của pha khí () = = = 199.57 = 199,57×22.4× = 4961.6 = 1.37 Tính vận tốc khí. ωyt = đươc xác định theo phuong trình y = 10× e-4x với y = x = trong đó: µx, µy (N.s/m2) độ nhớt của lỏng nước ở 20oC. ρx, ρy (kg/m3) khối lượng riêng của pha lỏng khí. Gx, Gy (kg/h) lưu lượng pha lỏng, khí. g = 9.81 (m/s2) gia tốc trọng trường. dtd = 6 (mm) đường kính tương đương của lỗ. Ftd = = (m2/m3) Ta có Ftd từ 10% à 30%, chọn Ftd=20%=0.2 ρx= ρnước = 1000 kg/m3 (tra sổ tay tập 1 trang 187) µx (300C)= 0.801×10-3 (N.s/m2) µn(200C) = 1.005×10-3 (N.s/m2) ρy= à ρy = 1.14(kg/m3) Gx= L×18 = 749×18 = 13482(kg/h) Gy = 201.24×29 = 5835.96 (kg/h) x = x= 0.528 y = 10× e-4x y= 1.2 y = = 0.0432 à = = 27.74 = 5.26 (m/s) Vận tốc làm việc = (0.8÷0.9) = 5.26×0.8 = 4.2 (m/s) D = = = 0.64 (m) Chọn D = 1(m) theo tieu chuẩn ωk = = 1.74(m/s) Tính chiều cao tháp tính từ hai mép nối nắp và đáy Được tính theo công thức sau: (theo công thức X.54/ trang 169 stt2) H = Ntt(Hđ +s đĩa) + Hcp (m) Ntt = 16 số đĩa thực tế sđĩa chiều dày của đĩa tháp, m s từ 0.1÷0.3 lần đường kính lỗ mâm. Chọn sđĩa = 0.3×0.006 = 0.0018 (m) Chọn sđĩa = 3 (mm) Hcp (0.8 ÷ 1), m khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị với Hcp gồm : h1 khoảng cách cho phép ở mép dưới nối nắp đến thiết bị phân phối lỏng ( chọn h1= 0.25 m ) h2 khoảng cách từ thiết bị phân phối lỏng đến mâm thứ I (chọn h2 = 0.3 m) h3 khoảng cách từ mâm cuối cùng tới mép trên nối đáy tháp ( chọn h3=0.45m) Hcp = 1m Với D=1(m) chọn khoảng cách giữa các đĩa Hđ = 0.3m (stt2/ trang 184) H = Ntt(Hđ +s đĩa) + Hcp (m) = 16×(0.3 +0.003) +1 = 5.9 (m) Chọn H = 6 (m) Thuyết kế lổ trên mâm dtđ = 6 mm. Tổng diện tích tự do của lỗ bằng 20% tiết diện lỗ à tổng diện tích lổ. ΣFlỗ = 0.2×() = 0.2×() = 0.157 m2 = 157000 mm2 Diện tích của một lỗ trên đĩa lỗ = = =30 mm2 Tổng số lỗ trên đĩa n = = = 5233 (lỗ) Cách phân bố lỗ theo hình tam giác đều tâm lỗ, khoảng cách giữa hai tâm lỗ là 15mm. Tính toán trở lực Trở lực trong tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền được tính theo công thức. ΔPđ = ΔPk + ΔPt Ta có: ΔPk : trở lực đĩa khô (N/m2) ΔPk = ξ công thức (IX.144 stt2/trang 195) Trong đó - ωo (m/s) tốc độ khí qua lỗ - ρy (kg/m3 ) khối lượng riêng của khí - ξ hệ số trở lực ( đối với đĩa lỗ ξ = 2.1, đối với đĩa lưới ξ = 1.4 ÷ 1.5, đối với đĩa lưới ống làm bằng các đoạn lưới ống trên đĩa ξ = 0.9 ÷ 1). Chọn ξ = 2.1 Vận tốc khí qua lỗ được tính ωo = = = 9 (m/s) ΔPk = ξ = 2.1×= 96.96(N/m2) ΔPt trở lực thuỷ tĩnh của lớp chất lỏng trên đĩa. ΔPt = ρb×g×hb Trong đó: -hb chiều cao lớp bọt tren đĩa: hb = 4×dtđ×()0.2 à hb = 4×0.006()0.2 = 0.1 (m) -ρb khối lượng riêng của lớp bọt trên đĩa (kg/m3) ρb × Trong đó : Gx = 13482(kg/h). Gy = 5835.96 (kg/h). ρx= 1000 (kg/m3). ρy= 0.724 (kg/m3). µx = 0.801×10-3. )2/3 Tra bảng I.113 stt2/trang 115). C= 503 = 93×10-7 T = 3030K à )2/3 = µkhí= = = 171×10-7 µy= = = 1.7×10-5 ρb × ρb = 191.48 kg/m3 ΔPt = 191.48×9.81×0.1= 187.86 ΔPđ = ΔPk + ΔPt = 96.96+187.86 = 284.82 Trở lực của toàn tháp ΔPtháp = Ntt× ΔPđ = 16×284.82 = 4557.1 Chương 4:TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ Chọn vật liệu chế tạo thân, đáy, nắp... của tháp là thép CT3 với σk = 380×106 . σc = 240×106 . (theo bảng XII.4 stt2/trang 309). Tính thân thiết bị Áp suất làm việc của tháp: P = ΔPtháp + P1 + P khí Trong đó ΔPtháp = 0,0456×105 P1 = ρ×g×H Trong đó H= 6,54m chiều cao toàn bộ của tháp P1 = 1000×9.81×6.54= 0.64×105 P khí = 0.981×105 P= 0,0456×105+0.64×105+ 0.981×105 = 0.16 ×106 Chọn thân thiết bị là thân hình trụ hàn: Khi chế tạo loại này cần chú ý: Đảm bảo đường hàn càng rắn càng tốt, Chỉ hàn giáp nối. Bố trí các đường hàn dọc ở các đoạn thân trụ riêng biệt lân cận cách nhau ít nhất 100mm Bố trí các mối hàn ở các vị trí dễ quang sát. Không khoang lỗ qua mối hàn. Chiều dày thân hình trụ được xác định theo công thức: s = trong đó Dt đường kính trong của thân thiết bị (m) P = 0.16 ×106 áp suất làm việc trong thiết bị. σ ứng suất dọc trục, N/m2 σk = = = 146.2 × 106 σc = = = 160 × 106 trong đó η là hệ số hiệu chỉnh. Tháp hấp thu này là tháp loại I (nhận địnhCO2 là khí độc khi ở nồng độ cao). Tra bảng XIII.2 giá trị của hệ số hiệu chỉnh, trang 256, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2) Ta chọn η = 1 nk; nc lần lượt là hệ số an toàn theo giới hạn kéo và chảy. Tra bảng XIII.3, trang 356, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2), ta được: nk = 2.5 nc = 1.5 C = C1 + C2 + C3 C1 là số bổ sung do ăn mòn, chọn C1 = 1mm C2 là hệ cố bổ sung do bào mòn, chọn C2 = 0 C3 là hệ số do dung sai của chiều dày ( tra bảng XII.9 stt2/ trang 364) chọn C3= 0,3 mm. C = 1.3mm s = 1.3×10-3 = 1.8710-3 (m) Chọn chiều dày thân st = 3mm (theo bản XII.9 stt2/trang 364). Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước), áp suất thử được tính toán như sau (P0) ( công thức XIII.27 stt2/trang 366) P0 = Pth + P1 Trong đó Pth áp suất thử thuỷ lực được lấy theo bảng (XIII.5 stt2/trang 358), P1 Áp suất thuỷ tĩnh của nước, P0 = (0.16+0.1)×106 + 0.064×106 = 0.324×106 Kiểm tra ứng suất của thân thiết bị theo áp suất thử tính toán theo công thức (XIII.26 stt2/trang 365). = = 100,4 Thoả điều kiện chọn stháp = 3mm. Tính đáy nắp elip có gờ Chiều dày nắp và đáy elip được tính theo công thức: s = + C µh = 0.95 do nắp hàn bằng tay σ = 146×106 Dt = 1000mm. Hb = 250 mm. Do sử dụng vòng tăng cứng hoàn toàn k=1 s = + C s = 6.06 ×10-4 + C Chiều dày nắp và đáy elip làm việc chịu áp suất ngoài. s = + C trong đó k1 = 1 do sử dụng vòng tăng cứng k đối với đáy không lỗ hoặc sử dụng vòng tăng cứng thì k = 0.74, đối với đáy có lỗ không sử sụng tăng cứng k = 0.64 s = + C s = 1.7×10-3 + C (m) ta có s - C = 1.7 10mm nên ta them chiều dày đáy 2mm C = C1 + C2 + C3 C1 là số bổ sung do ăn mòn, chọn C1 = 1mm C2 là hệ cố bổ sung do bào mòn, c