Tài liệu ĐỒ ÁN MÔN HỌC" thiết kế tháp hấp thu khí NH3 bằng nước" pdf

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 1


LỜI MỞ 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 tồn xã hội
bởi mức độ nguy hại của nó đã đến lúc báo động.

Bên cạnh nguyên nhân đây là một lĩnh 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 hồn chỉnh để có thể kiểm sốt , 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 v
ới nhiệm vụ thiết kế tháp hấp thu
khí NH
3
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 hồn thành đồ án này .

Sinh viên thực hiện


PHAN HỮU TÀI

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 2




CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN
LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 3



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 bị hấp thụ ; chất lỏng dùng hút gọi là dung môi
(chất hất thụ) , khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.
- Mục đích: hòa tan một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một
dung dịch các cấu tử trong chất lỏng . Các quá trình x
ảy 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 , nghĩa 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 t
ử riêng biệt .
4) Tạo thành một dung dịch 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 yế
u tố sau :
1) Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa 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 hồn nguyên dung môi.
4) Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hồ tan để dể
tách các cấu
tử ra khỏi dung môi .
5) Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh tắc thiết bị 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 bị.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 4

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 , nghĩa là phân chia hai
pha .Phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thu và chất bị 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:
G
Y
Y
Đ
+ G
X
X
Đ
= G
X
X
C
+ G
Y
Y
C
Trong đó :
G
X
:luợng khí trơ không đổi khi vận hành ( kmol/ h)
G
Y

: lượng dung môi không đổi khi vận hành(kmol/ h)
Y
Đ
, Y
C
: nồng độ đầu và cuối của pha khí
(kmol/kmolkhí trơ)
X
Đ
, X
C
: 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: L
min


+
−
=
X
YY
G
L
cd
min

theo thực nghiệm ta thấy: L

= (1.2÷1.3)L
min


I.2.2.2 Phương trình cân bằng nhiệt lượng
:
Phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có :
G
đ
I
đ
+ L

đ
C
đ
T
đ
+ Q
đ
= G
c
I
c
+ L
c
C
c
T
c
+Q
c

Trong đó :
X
đ
G
Y
c
X Y

Y
đ

X
c
G
y
A
Y
đ
Y

Y
c
X
đ
X
c
X
cbđ
X



Y


B
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 5
G
đ
, G

c
: hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h)
L
đ
, L
c
: lựong dung dịch đầu và cuối (kg/h)
T
đ
, T
c
:nhiệt độ khí ban đầu và cuối (
o
C)
I
đ
, I
c
: entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối(kJ)
Q
o
: nhiêt mất mát (kJ/h)
Q
s
: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 dịch chuyển về phía trục tung . Nếu các

đừơng 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 nhiệ
t 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 dịch chuyển về phía trục hồnh.
Khi đừong làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ
tăng quátrình
chuyển khối sẽ tốt hơn và số đĩa 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 bị và 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.

I.4. Tính chất của NH
3
:
Amoniac là chất khí không màu, cómùi kích thích (mùi khai). Khi tăng áp
suất hay làm lạnh đến –33.6
o
C nó hố lỏng và đến – 77.8
o
C nó hố rắn. Dưới áp suất cao
NH
3
dễ dàng hố lỏng ở nhiệt độ thường. Một thể tích nước có thể hồ tan 700 thể tích NH

3
Dung dịch đặc chứa 25% NH
3
có khối lượng riêng 0.91g/cm
3
. Dung dịch
NH
3
trong nước được gọi là nước amoniac hay dung dịch amoniac, khi hồ tan NH
3
vào
nước thì tạo thành amonihydroxyt.

NH
3
+ H
2
O NH
4
OH NH
4
+
+ OH
–


Khi đun nóng độ tan của amoniac giảm rất nhanh và nó thốt ra khỏi dung
dịch.
Trong phòng thí nghiệm amoniac được điều chế bằng cách cho muối tác dụng
với kiềm khi đun nóng.

NH
4
Cl + NaOH = NaCl + NH
3
+ H
2
O
Trong công nghiệp amoniac được điều chế bằng cách tổng từ nitơ và hydro:
Nhiệt phân
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 6

N
2
+ 3H
2
2 NH
3

Chất xúc tác phản ứng hay dùng là sắt có lẫn nhôm oxyt và kalioxyt. Quá
trình xảy ra ở nhiệt độ 500 – 550
o
C và áp suất 200 – 800 atm, trong một số thiết bị có thể
đưa áp suất lên đến 1000 atm.
Amoniac còn là sản phẩm phụ khi cốc hố 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 bị hấp thụ :

Thiết bị được sử dụng để tiến hành quá trình hấp thu được gọi là thiết bị hấp
thu hoặc cột hấp thu được gọi là thiếtbị hấp thu hoặc cột hấp thu , tháp hấp thu . thiết bị
hấp thu có thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục và được chia thành 4 nhóm sau:
• Thiết bị hấp thụ bề mặt : được dùng khi hấp thu một lương nhỏ co ùtính
hòa tan t
ốt
• Thiết bị 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
• Thiết bị hấp thu loại sủi bọt : đựoc dùng khi tháp có năng suất cao và cầøn
thốt ra một luợng nhệt lớn
• Thiết bị hấp thu loại phun: thành tia và thiết bị hấp thu cơ khí
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 7














CHƯƠNG II:
QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 8
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 dịch dùng hấp thụ là nước. Tháp hấp thụ làm việc nghịch chiều: nước
được bơm lên dồn 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 ngồi 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 th
ải 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):

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 9



CHƯƠNG III:
TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT
CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG





ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 10
III.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho tháp hấp thụ:
III.1.1 Các thông số ban đầu:
Nồng độ NH
3
đầu vào: 3.5g/m
3
.
Khí đạt tiêu chuẩn loại A: 300mg/m
3
.
Lưu lượng khí thải :10000 m
3
/h.

Các thông số khác tự chọn .
Nhiệt độ làm việc của tháp T= 30
0
C .
Aùp suất làm việc 1atm .
III.1.2 Đường cân bằng pha :
Ở 30
o
C Ψ.10
-6
=0.00241 mmHg
m =
P
Ψ
=
760
10.00241.0
6
=3,17
Y
*
=
Xm
Xm
)1(1
.
−+
=
X
X

).17.31(1
.17.3
−+

X

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014
Y

0 0.00064 0.0013 0.0019 0.0025 0.0032 0.0038 0.0045
Đường cân bằng:

ÑÖÔØNG CAÂN BAÈNG
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
0.0035
0.004
0.0045
0.005
0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016
X
Y

III.1.2. Cân bằng vật chất:

L
d

X
d
G
c

Y
c

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 11











• G
d
=

RT
VP.
=
303.082,0
000,10.1
= 402,479
h
Kmolhh

Do lượng NH
3
=3,5 g/m
3
là rất nhỏ:
• y
d
=
165,1.17
29.5,3
.10
-3
=5,125.10
-3
(kmolNH
3
/kmolhh)
• Y
d
=
ñ

ñ
y1
y
−
=0.05
Kmolhh
KmolNH3

• G
tr
=G
d
(1-y
d
)=402,497(1-0,005)=400,47Kmol ktr/h
Lượng khí NH
3
ban đầu:
M
NH3
=
)30273(082.0
17.1000.005,0.1
+
=3,42(g/m
3
)
Lượng khí sau quá trình hấp thụ là: 0.3(g/m
3
) =300(mg/m

3
)
Lượng khí bị hấp thu là: 3,42-0,3 =3,12(g/m
3
)
Hiệu suất hấp thu là:

42,3
12,3
=
η
= 91,2%
Suy ra :
Y
c
= (1-0,912).Y
d
= (1-0,912). 0,005= 0,00044(kmolNH
3
/kmolhh)
• y
c
=Y
c
/1+Y
c
=
00044,01
00044,0
+

=0,000439 Kmol NH
3
/Kmol ktr
• G
c
=G
tr
(Y
c
+1)=400,47.(0.00044+1)=400,65Kmolhh/h
Chọn X
d
=0
x
d
=0
Ta có:
Gtr
L
min
=
XdXc
YcYd
−
−
(phương trình cân bầng vật chất cho quá trình
ngược dòng)
X
*
suy ra bằng cách thay giá trị Y

d
= 0,005 vào phương trình cân
bằng , ta có X
*
= 0,00158
N MễN HC GVHD: THY TRN TN VIT
SVTH: PHAN HU TI Trang 12
L
min
=G
tr
*
XdXcbc
YdYc


=400,47*
)000158.0(
)00044.0005.0(


=1155,8KmolH
2
O/h
Ltr=1.2Lmin=1.2*1155,8=1386,96 Kmol H
2
O/h
V:
Gtr
Ltr

=
XdXc
YcYd



.0013,00
47,400
96,1386
00044.005.0
/
2
3
OHkmol
NHkmol
X
GL
YY
X
ủ
trtr
c
c
=+

=+

=
ủ

.
.00129.0
10013.0
0013.0
1
3
trụCủ
C
C
C
LLL
hhKmol
NHKmol
X
X
x

=
+
=
+
=

trongtanhoaứtửỷcaỏulửụùngvỡ(
dung dch rt nh).
III.1.3. Cõn bng nng lng:
G

.I

= L

.C

.T

+ Q
s

= G
c
.I
c

= L
c
.C
c
.T
c
+ Q
0
.
n gin h vn tớnh tn, ta cú gi thit nh sau:
- Nhit mt ra mụi trng xung quanh khụng ỏng k( do iu kin lm vic
30
0
C) Q
0
= 0.

- Nhit ca hn hp khớ ra khi thỏp bng nhit dung dch vo.
- Nhit dung riờng ca dung dch trong sut quỏ trỡnh hp th : C

= C
c
=C.
- Trong quỏ trỡnh hp th cú th phỏt sinh nhit do ú kớ hiu q l nhit phỏt
sinh ca 1 Kmol cu t b hp th.
Q
s
= q.L

.(X
c
X

).
- Vi mc gn ỳng ta cú th coi q khụng i trong sut quỏ trỡnh hp th .
-
Vỡ lng cu t h tan trong dung dch rt nh do ú lng dung dch u
L

v cui L
c
khụng khỏc nhau nhiu . Trong mc cho phộp ta cú th ly
l:

L
c
L

L
tr
= L.
Tra s tay h lý:
q
.
Kmol
Kcal
83.7H
ht
C298
0
=
Ta bin i phng trỡnh CBNL:
L.C (T
c
T

) = qL(X
c
X

)
T = T
c
T

=
(

)
C
XXq
ủc


do dung dch lng (x<0.2).
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 13
C = 4.186 (1-x) KJ/Kgđộ.
x = x
tb
=
()
(
)
000645.0
2
000129.0
2
=
+
=
+
cñ
xx

⇒C = (1 - 0.000645) = 0.999 Kcal/Kgđộ.
()
.0006.0

999.0
000129.0
17
83.7
0
CT =
−
−
=Δ

ΔT rất bé nên xem nhiệt độ dung dịch ra khỏi tháp bằng dung dịch vào và
cũng bằng dung dịch khí ra khỏi tháp (T = 30
0
C).

III.2 Tính tốn thiết bị chính:
III.2.1 Đường kính tháp:
()
)./(773,2)/(51,9983
273
303
4.225645,401
.)/(5645,401
2
64,400479,402
2
785.0
33
smhm
hKmol

GG
G
w
G
D
cñ
tb
y
tb
==××=
=
+
=
+
=
=

- Tính vận tốc khí qua tháp:
(ρ
y
w
y
)
tb
= 0.065 ϕ[σ]
ytb
tb
x
.h ρρ
ϕ[σ] – hệ số sức căng bề mặt khi σ < 20 dyn/cm thì ϕ[σ] = 0.8.

σ > 20 dyn/cm thì ϕ[σ] = 1.

.
11
32
NHOH
hh
σ
+
σ
=σ

Tra STT2 ở 30
0
C:

OH
2
σ = 71,15.10
-3
N/m =71.15 đyn/cm.

3
NH
σ
= 19.10-3 N/m = 19 đyn/cm.

[]
.8.0
.cm/ñyn9,14

19
1
15.71
11
hh
hh
=σϕ⇒
=σ⇒
+=
σ
⇒

- Chọn h = 0.45m.
- Khối lượng riêng trung bình:
+ Pha khí:
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 14
(
)
[]
).(0027.0
2
000439.0005.0
2
.4.22
2731
3
1
2111
hhKmol

NHKmolyy
y
T
MyMy
cñ
tb
tbtb
ytb
=
+
=
+
=
×−+
=
ρ

M
1
= .Kmol/KG17M
3
NH
=

M
2
= .Kmol/KG18M
OH
2
=

T = 273 +30 = 303
0
K.
(
)
[]
./724.0
3034.22
273180027.01170027.0
3
mKG
ytb
=
×
×
×
−
+
×
=⇒
ρ

+ Pha lỏng:
Mà:
(
)
.m/KG68.995
v1v
3

OH2tb
NH1tb
2tb1tb1tb1tbxtb
2
3
=ρ=ρ
ρ=ρ
ρ
−
+
ρ
=ρ

(Tra STT1 ở 30
o
C).
v
tb1
– phần thể tích trung bình của cấu tử NH
3
trong pha lỏng.
v
tb1
rất bé .1v10.v
1tb1tb1tb
≈
−
⇒
≈
ρ

⇒
.29,1
141.1785.0
773,2
./141.1724.068.99535.0
723.0
8.0065.0
./68.995
3
2
mD
sm
mKG
ytb
OHxtb
=
×
=
=××
×
=
==⇒
ω
ρρ

h = 0.45m ⇒ D =1,29 m ε (1,2 41,8m) nên chấp nhận. Chọn giá trị
D= 1,4(m).
Vận tốc dòng khí trong tháp là:

2

.785,0 D
Gtb
=
ω
= 1,8(m)

III.2.2 Chiều cao thân tháp:
Đĩa làm bằng thép không rỉ X18H10T.
Khối lượng riêng của thép : ρ = 7850 (Kg/m
3
)
Chọn đường kính lỗ : d

= 0,005 (m) =5 (mm)
Bề dày đĩa : δ =0,8 d =0,8.0,005 =0,004 (m) =4(mm)
Chọn chiều dài gờ chảy chuyền : L
c
= 0,8 (m)
Diện tích mặt cắt ống chảy chuyền (hình viên phân):
S =
2
1
.R
2
.α -
2
1
.R

(cos

R
L
c
2
).
2
c
L

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 15
Với :
R=
2
D
= 1,4/2 = 0,7 (m)
α : góc ở tâm của hình vành khăn , α
α=3,14 –2* arccos(
R
L
c
2
) = 1,215 (radian)
⇒ S= 0,1799 (m
2
)
Khoảng cách từ thân thiết bị đến gờ chảy tràn :
L =R - R . cos(α/2) =0,7 – 0,7.cos(1,215/2) = 0,125 (m)

Diện tích làm việc của đĩa :

f

= 3,14.
4
2
D
- 2S = 3,14
4
4,1
2
- 2.0,1799 = 1,1788 (m
2
)
Tổng diện tích lỗ lấy bằng 12 % diện tích làm việc :
S
l
= 0,12.f = 0,12 . 1,1788 = 0,1415 (m
2
)
Thể tích của đĩa : V
đ
= (f - S
l
) . δ =(1,1788-0,1415). 0,004 =0,00415 (m
3
).
Khối lượng đĩa : m
đ
= V
đ

.ρ = 0,00415.7850 = 32,5775 (kg)
Số lỗ trên một mâm :
n =
2
.
4
l
l
d
S
π
=
4
005,0.14,3
1415,0
2
= 7211 (lỗ)
Bước lỗ :
t ≈
n
4
3
1788,1
≈ 0,019 (m)

Vậy bước lỗ : t= 0,019m= 19 (mm).



III.2.2.1 Chiều cao tháp

Chiều cao của tháp đĩa được xác định theo phương pháp xây dựng đường
cong phụ .
Hệ số chuyển khối :
K
y
=
yx
m
ββ
+
1
1

Trong đó :
m : hệ số phân bố vật chất . Tra sổ tay tập 2 : m= 3,17
β
y
: Hệ số cấp khối phía pha khí
β
x :
Hệ số cấp khối pha lỏng .

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 16
β
y
= 3,03.10
–4

ω

76,0
y
.
Δ
P
x

Với :
ω
y
: tốc độ khí tính cho mặt cắt tự do của tháp , m/s.

ω
y

= ω = 1,8 (m/s)

Δ P
x :
sức cản thuỷ lực của chất lỏng trên đĩa .

Δ
P
x
=
Δ
P
đ
-
Δ

P
k

Trong đó :

Δ P
đ
=Δ P
k
+
Δ
P
s
+
Δ
P
t

Với :

Δ P
k
: Trở lực đĩa khô .

Δ P
s
: Trở lực đĩa do sức căng bề mặt .

Δ
P

t
: Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa .
Trở lực đĩa khô :

Δ
P
k
=
2
.
.
2
0
ωρ
ξ
y


ξ
: Hệ số trở lực. Tiết diện tư do của lỗ bằng :
5386,1
1415,0
= 9,2% diện tích của
mặt cắt ngang tháp . Nên chọn
ξ
=1,82

ω
0
: Tốc độ khí qua lỗ .

ω
0
=
2
.3600.
7211
.4
d
V
tb
π
=
2
005,0.3600.14,3
7211
51,9983
4
= 19,596 ( m/s).



Δ P
k
=
2
.
.
2
0

ωρ
ξ
y
= 1,82 .
2
596,19.723,0
2
= 114 (N/m
2
)

Trở lực đĩa do sức căng bề mặt :

Δ P
s
=
2
08,03,1
4
dd +
σ


σ
: Sức căng bề mặt . Tra Sổ Tay Tập II ,
σ
=14,9.10
-3
(N/m)
d : đường kính lỗ ,m

Δ P
s
=
2
3
005,0.08,0005,0.3,1
10.9,14.4
+
−
=9,166 (N/m
2
).
Trở lực thuỷ tĩnh do lớp chất lỏng trên đĩa tạo nên :


Δ P

=
2
3
)(.[3,1
c
x
c
mL
G
KhK
+

]g.
x
ρ

Trong đó :
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 17
K: Tỉ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng
không bọt . Khi tính tốn chấp nhận K= 0,5
L
c
: Chiều dài cửa chảy tràn . L
c
= 0,8 m.
G
x
: lưu lượng lỏng , G
x
= 25,07 m
3
/h


c
x
L
G
=
8,0
07,25

>5 . ⇒ m= 10 000

g= 9,81 m/s
2

x
ρ
= 996 kg/m
3
. Chọn h
c
= 0,12(m) .
⇒
Δ P
t

= 762 (N/m
2
)

Δ P
x
= Δ P
đ
- Δ P
k
=Δ P
s
+
Δ

P
t
= 762 +9,166 = 771,166 (N/m
2
)

Hệ số cấp khối pha khí :
β
y
= 3,03.10
–4

ω
76,0
y
.
Δ
P
x

β
y
=3,03. 10
–4
.
1,8
0,76
.771,166 = 0,757 (kmol/m
2
.s)

Hệ số cấp khối pha lỏng :

β
x
=
41,095,1
.10.7,33
4
−
Δ
−
y
x
P
ω

Với :
ω
y
: Vận tốc làm việc , ω
y
= ω = 1,8 (m/s)


β
x
=
41,095,1
.10.7,33
4

−
Δ
−
y
x
P
ω
=
41,08,1.95,1
166,771.10.7,33
4
−
−
=1,93 (kmol/m
2
.s)

Hệ số chuyển khối :
K
y
=
yx
m
ββ
+
1
1
=
93,1
17,3

757,0
1
1
+
= 0,337(kmol/m
2
.s)
Số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa :

m
yT
=
y
y
G
fK .

Với :
K
y
: Hệ số chuyển khối .
f : diện tích làm việc của đĩa. f= 1,1788.
G
y
:lưu lượng khí , kmol/s

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 18

m

yT
=
y
y
G
fK .
=
3600
479,402
.1788,1.337,0
= 3,55
Xác định số C
y
:
C
y
= e
m
yT
= e
3,55
= 34,8.


Đoạn B
i
C
i
: Được tính theo công thức :
B

i
C
i
=
y
ii
C
CA
.
Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc . Số bậc (số tam giác tạo
thành ) là số đĩa thực tế của tháp .
Theo hình vẽ . Số mâm thực tế của tháp là 7 mâm . Chọn số mâm thực là 8 mâm .
Chiều cao tồn tháp :
H = H
đ
(N
t
+ 1 ) + H
đáy
+ H
nắp
+ H
chân
+ δ
Với :
N
t
: Số đĩa thực tế ;N
t
=8

H
đ
: Khoảng cách giữa các đĩa .Dựa vào đường kính tháp .Theo STT
II . Chọn H
đ
= 0,45 m .
H
đáy
, H
nắp
: chiều cao đáy , nắp của thiết bị H
đáy
=H
nắp
=0,375m
H
chân
: Chiều cao của chân đỡ , H
chân
=0,185 m
δ : Khoảng cách bổ sung ở đáy tháp. δ =0,15
H = 0,45(8+1 )+ 0,375 + 0,375 + 0,185 + 0,15 = 5,135 (m)

III.3 Trở lực của tháp
:
Δ P = N
t
. Δ P
đ

Trở lực của 1 đĩa :

Δ P
đ
= Δ P
k
+
Δ
P
s
+
Δ
P
t
=9,166 + 253 +762 = 1024,166 (N/m
2
)
Trở lực của tháp :

Δ P = 8.1024,166 = 8193,326

(N/m
2
)

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 19

CHƯƠNG IV:
TÍNH TỐN CƠ KHÍ










ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 20











IV.1
Chọn vật liệu:

Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn,nhiệt độ làm việc t = 30
0

C ,p
lv
= 1atm = 0,1
N/mm
2
.Nên ta chọn vật liệu là thép không gỉ để chế tạo thiết bị :
Ký hiệu thép : X18H10T.
Các thông số chính của thép:
Giới hạn bền:
σ
k
=550.10
6
N/m
2
Giới hạn chảy:
σ
c
=220.10
6
N/m
2
Chiều dày tấm thép: 4-25mm
Độ dãn tương đối: 38%
Hệ số dẫn nhiệt :16.3 W/m.độ
Khối lượng riêng: 7850 Kg/m
3
Hệ số an tồn bền:
n
k

= 2.6 ; n
c
= 1.5 ; n
bl
= 1.5
Hệ số hiệu chỉnh :
η
h
= 1
Hệ số bền mối hàn :
ϕ
h
= 0.95
Chọn công nghệ gia công : hàn tay bằng hồ quang điện,hàn giáp mối hai bên.
Ứng suất làm việc cho phép theo giới hạn bền:

η
η
σ
σ
*][
k
k
k
= = 1.
6.2
10.540
6
= 211,54.10
6

N/m
2

26
6
/.10.7,1461.
5.1
10.220
*][ mN
c
c
c
===
η
η
σ
σ

Vậy ứng suất cho phép dùng để tính tốn :
[
σ
]=[
σ
c
] = 146,7 . 10
6
(N/m
2
).
 Áp suất tính tốn:

P
tt
= P
lv
+
ρ
g h
Plv : áp suất làm việc của tháp ; P
lv
= P
mt
+
Δ
P = 0,981.10
5
+ 8193,328
P
lv
=1,0629 .10
5
(N/m
2
)
P
tt
= 1,0629.10
5
+ 995,68.9,81 . 5,135 = 1,5645.10
5
(N/m

2
)

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 21
IV.2 Tính chiều dày thân :

• Thân trụ hàn chịu áp suất trong P
tt
= 1,74.10
5
N/m
2
,và t
0
= 30
0
C.
• D
t
= 1,4 m.
• Hàn dọc hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp nối 2 mặt (ϕ
h
= 0,95).
• Hệ số hiệu chỉnh : η = 1.

[
σ
] = 146,67 *10
4

N/m
2
.
¾ Kiểm tra :
p
][
σ
x ϕ
h
=
4
6
10.5645,1
10.7,146
. 0,95 = 891 >25.
¾ Bề dày tối thiểu của thân trụ :
S
’
=
h
t
pD
ϕσ
] [2
.

S
’
=
95,0.10.7,146.2

10.5645,1.4,1
6
5
= 0,0008(m.)= 0,8 (mm)
Bề dày của thân thiết bị :
S = S
’
+ C
Trong đó :
C = C
a
+ C
b
+ C
c
+ C
0
.
• Ca: hệ số bổ sung ăn mòn hóa học của môi trường .Thời hạn sử dụng
thiết bị là 10 năm. Đây là vật liệu bền trong môi trường có độ ăn mònkhông lớn hơn 0,05
mm/năm. Do NH
3
hồ tan vào trong nước tạo môi trường có độ ăn mòn nhỏ ,do đó ta chọn:
C
a
= 0( mm).
• C
b
: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học,đối với thiết bị hóa chất C
b

= 0 mm.
• C
c
: Hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo , lắp ráp . C
c
=0,2 mm
• C
0
: hệ số bổ sung để quy tròn kích thước C
0
=3 mm.
Vậy bề dày thực thi của thân thiết bị :
S = 0.8 + 0,2 + 3 = 4 mm.
Kiểm tra:

t
a
D
CS −
=
1400
04
−
= 0,0029 < 0,1.
Vậy các công thức trên thoả .

[P] =
[]
)(
)(2

at
ah
CSD
CS
−+
−
ϕ
σ
=
)04(1400
)04.(95,0.10.7,146.2
6
−+
−

[P] = 7,94.10
5
N/m
2
> P
tt
= 1,5645 .10
5
N/m
2

Thoả điều kiện bền .
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 22
Vậy chọn S = 4(mm) là thích hợp.

IV.3 Tính chiều dày đáy , nắp
:
D
t
=1400mm, nắp có lỗ ta sử dụng vòng tăng cứng nên xem như tính tốn bề
dày đối với nắp elip không lỗ
[]
4,514643.0.
10.74,1
95,0.10.7,146

5
6
==k
P
ϕ
σ
> 50 ;
Chọn đáy nắp elip tiêu chuẩn loại có gờ làm bằng thép không gỉ X18H10T
k = 1- d/D
t
= 1-125/1400 = 0.91
25.0
D
h
t
t
=
D

t
=1400mm
Chiều cao gờ h=25 mm
h
t
=350mm
Chọn sơ bộ bề dày của đáy, nắp, và thân là bằng nhau, ta có:
S
đ
=S
n
=S
t
=4mm
Kiểm tra ứng suất thành ở áp suất thủy lực:
P
o
=1.5P=1.5*0.15645=0.234675N/mm
2

()
[
]
()
CShk
PCShD
bh
ott
−
−+

=
ϕ
σ
6.7
2
2
12
c
σ
≤
Chọn đáy có lỗ vo71i hệ số : k=0,91


(
)
[
]
()
3
632
10.091,34.35,0.95,0.91,0.6,7
10.234675,0.10.091,34.35,0.24,1
−
−
−
−+
=
σ
=0,12148.10
6

N/m
2
26
6
c
m/N10*183
2.1
10*220
2.1
==
σ

Vậy
σ <
2.1
c
σ
(thỏa)
Do đó, ta chọn S = 4mm là thảo mãn điều kiện.

IV.4 Chọn bích:
IV.4.1. Bích nối đáy , nắp , thân thiết bị:
Chọn bích liền ( không cổ)bằng thép để nối thiết bị là bởi vì do D
t
≤ 1400m và có
áp suất
≤ 2,5 N/mm
2
( trong sách của HLV).

- Đường kính trong thiết bị: D
t
= 1400mm
- Đường kính ngồi của bích: D = 1540mm
-Đường kính tâm bulong : D
bl
=D
b
=1490mm
-Đường kính mép vát : D
l
=1460mm
- Đường kính bu long : d
b
= M20
-Số bu long : Z= 40 cái
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 23
-Bề dày bích :h=30 mm.
Khối lượng bu long: 0,0 3 . 3,14 . 0,01
2
. 7850 = 0,0739 (Kg) .

• Kiểm tra ứng suất cho phép
[]
σ≤
π
=σ
2
t

b
d
4
q

Lực tác dụng lên một bulông:
q
b
=Q/Z
Q: Giá trị lớn nhất giữa Q
1
và Q
2

Z: Số bulông
Q
1
: Lực nén chiều trục sinh ra do xiết bulông, lực này khắc phục được
tải trọng do áp suất trong thiết bị và áp suất phụ sinh ra ở trên đệm để giữ cho mối
ghép được kín.
Q
1
= Q
a
+Q
k

Q
a
: Lực do áp suất trong thiết bị gây ra

Q
a
= NPD
ttt
97,24071310*15645.04,1
44
622
==
π
π

Q
k
: Lực cần thiết để giữ độ kín trong đệm
Q
k
= mPbD
otb
π
D
tb
: Đường kính trung bình của đệm; đệm bít kín chọn:
+ Đường kính ngồi đệm D
n
=D
2
=1432 mm
+ Đường kính trong của đệm D
t
= D

4
= 1412 mm
D
tb
= mm
DD
tn
1422
2
14121432
2
=
+
=
+

b
o
: Bề rộng tính tốn của đệm
b
o
=(0.5÷0.8)b
Với b: Bề rộng thực của đệm b = b
d
= 20 mm
b
o
=0.8*20=16mm
m: Hệ số áp suất riêng phụ thuộc vào vật liệu và loại đệm
Chọn vật liệu đệm là paronit dày 3mm

m=2 ; q
o
=10N/mm
2

q
o
:áp suất riêng cần thiết để làm biến dạng đệm dẻo
Q
k
=1422*3.14*16*2*0.15645=22354N
Q
1
=240713.97+22354=263067.97N
Q
2
=
ootb
qbDπ =3.14*1422*16*10=174412.8N
Q=max (Q
1
;Q
2
)=263067.97N
q
b
= N7.6576
40
97.263067
=

Đường kính chân ren của bulông:
d
t
=1.13
[]
σ
b
q

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 24
σ : Ứng suất cho phép của vật liệu làm bulông
Chọn vật liệu làm bulông là thép CT3; ở 30
o
C
[
]
σ
=90N/mm
2

k
o
:Hệ số giảm ứng suất
Chọn k
o
=0.8

[] []
σ=σ

o
'
k =90*0.8=72N/mm
2

⇒d
t
=1.13 mm8.10
72
7.6576
=
⇒
2
2
/8.71
8.10*
4
14.3
7.6576
mmN==
σ
<
[
]
σ

Bề dày bích liền:

[]
⎪

⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
σ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
σ
=

1
PD
d
Z57.0
D
l
3.71
P
D41.0t
2
n
b
bbi
n

Trong đó:
D = 1540 mm
D
n
= D
l
= 1460 mm
D
b
= 1490 mm

2
DD
l
nb

−
=
: cánh tay đòn

[]
113
bi
=σ N/mm
2
chọn thép 15 CT3 (tra trong sổ tay sinh viên ).

[] []
4.90113*8.0k
bio
'
bi
==σ=σ N/mm
2


[]
72=σ N/mm
2

Z = 40: số bulông
d
b
= 20 mm
P = 0.15465 N/mm
2

15
2
14601490
=
−
=l mm

⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎠

⎞
⎜
⎝
⎛
+=
1
15645.0
72
*
1460
20
40*57.0
1490
15
3.71
4.90
15645.0
1460*41.0
2
t
= 25 mm

IV.4.2. Tính các đường ống dẫn:
Để 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 bị trong công nghệ hố chất và
thực phẩm
Đường kính ống dẫn:

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 25

v758.0
Q
d
=
Trong đó:
Q: lưu lượng thể tích (m
3
/s)
v: vận tốc dòng khí, lỏng.

Ống dẫn lỏng:
Q = L = 25,06 m
3
/s
Chọn v = 3m/s
Vậy:
3.3600.785,0
06,25
=d = 0,054 m
Lấy d = 0,07 m = 70m.
Chọn bích liền (kiểu bích phẳng)
d = D
y
= 70 mm, p = 0.15645*10
-6

N/m

2
=0,15645(N/mm
2
)
Bảng XIII.26 cho bảng các thông số :

D
n
D D
b
D
t
Bulông Loại 1
d
b
Zh
76 160 130 110 M12 4 14
Ống dẫn khí:
Q = G
tb
= 2,773 m
3
/s
Chọn v = 30 m/s
Suy ra
30*758.0
773,2
=d = 0,118 m
Chọn d = 125 mm (=D
y

)
P = 0.15645*10
-6
N/m
2

Kích thước chiều dài đoạn ống nối l = 130 mm
Bảng XIII.26 cho bảng các thông số

D
n
D D
b
D
t
Bulông Loại 1
d
b
Zh
133 235 200 178 M16 8 14

IV.4.3. Khối lượng thiết bị:
M
tb
= M
đáy
+ M
nắp
+ M
mâm

+ M
thân
+ M
bulong
+ M
bích
+ M
lỏng

Trong đó
a. M
đĩa
: khối lượng đĩa .
M
đĩa
= m
đĩa
. 8 =32,5775 .8 =260.62 (Kg)