thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để hấp phụ benzene trong không khí bằng than hoạt tính

Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị
LỜI MỞ ĐẦU
Benzene là một chất lỏng không màu có mùi thơm đặc trưng và bốc hơi rất
nhanh vào không khí, hơi tan trong nước. Là một nguyên liệu quan trọng và được
ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chất dẻo, thuốc nhuộm, bột giặt, dược
phẩm, sợi nhân tạo, thuốc nổ, nhiên liệu động cơ, các đồ dùng gia dụng…Và
chúng ta ngày càng có xu hướng xử dụng các loại sản phẩm này ngày càng
nhiều. Điều này đồng nghĩa với lượng benzene thải ra môi trường ngày càng lớn.
Tuy benzene có nhiều ứng dụng đối với chúng ta nhưng ảnh hưởng của nó đến
môi trường cũng rất lớn. Theo như nghiên cứu của các nhà khoa học thì khi
nhiễm độc benzene tuỳ mức độ hàm lượng mà có thể gây ra cho con người các
triệu chứng như gây hại cho tuỷ xương, chóng mặt, buồn ngủ, buồn nôn, bất tỉnh,
co giật, tử vong. Nếu nhiễm độc lượng nhỏ trong thời gian dài sẽ tích tụ gây ung
thư…Và phần lớn các trường hợp nhiễm độc là do hít thở không khí bị nhiễm
benzene. Do đó thu hồi hơi benzene trong không khí là việc hết sức cần thiết và
cấp bách.
Đề tài: “Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để hấp phụ benzene trong không
khí bằng than hoạt tính” là một đề tài hay, nó đã và đang được ứng dụng trong
thực tế để xử lý không khí bị nhiễm độc benzene và có ý nghĩa quan trọng đối
với con người cũng như các loài sinh vật khi mà môi trường bị ô nhiễm như hiện
nay.
Trong quá trình làm đồ án này, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng kinh nghiệm
còn non kém nên sẽ không tránh khỏi những sai sót, nhóm chúng em rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đồ án này được
hoàn hảo hơn.
Nhóm chúng em cũng xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Thông
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho chúng em hoàn thành tốt đồ án này.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện.
GVHD: Nguyễn Văn Thông Page 1
Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

Chương 1: LÝ THUYẾT HẤP PHỤ VÀ Ý NGHĨA KINH TẾ
I) LÝ THUYẾT HẤP PHỤ:
1. Định nghĩa:
Hấp phụ là quá trình hút các chất trên bề mặt các vật liệu xốp nhờ các
lực bề mặt, sinh ra chủ yếu là do chất hấp phụ có bề mặt bên trong rất phát
triển, có vài chất hấp phụ có thể đạt tới 1700m
2
/g. Nhiệm vụ chủ yếu của nó
là đảm bảo bề mặt tiếp xúc pha lớn. Vật liệu xốp gọi là chất hấp phụ, chất
bị hút gọi là chất bị hấp phụ.
Các phương trình tính toán hấp phụ rất khác nhau vì sự khó khăn trong
trong tính toán của quá trình hấp phụ liên quan đến sự phức tạp của mô tả
toán học, thường đưa đến những công thức mà khi sử dụng tính toán không
hoàn toàn tương ứng với những khái niệm vật lý đã miêu tả. Sự phân bố cân
bằng nồng độ của cấu tử cần tách ra trong pha Khí-Lỏng-Rắn ở điều kiện
nhất định được miêu tả bằng phương trình động học X* = f(y). trong đó X*
là nồng độ cấu tử cần tách ra (chất bị hấp phụ) cân bằng với nồng độ của nó
trong pha lỏng, khí ở nhiệt độ đã cho. Nồng độ X* trong hấp phụ còn được
gọi là độ hoạt động, hoạt tính của chất hấp phụ.
2. Hấp phụ được ứng dụng nhiều trong thực tế để:
• Tách các chất tan ra khỏi dung dịch
• Tách các chất khí có hàm lượng thấp ra khỏi hỗn hợp
• Tẩy màu, tẩy mùi
• Xử lý khí thải, nước thải bị ô nhiễm
• Sản xuất chất xúc tác…
3. Phân loại hấp phụ:
• Hấp phụ hoá học: do lực hoá trị gây nên tạo thành các hợp chất khá
bền trên bề mặt nên khó nhả hoặc chuyển các phân tử thành nguyên tử.
• Hấp phụ vật lý: do lực hút phân tử Vanderwaals tác dụng trong khoảng
không gian gần sát bề mặt.

4. Các giai đoạn hấp phụ:
• Khuếch tán cơ chất ngoài
mao quản
• Khuếch tán cơ chất trong
mao quản
• Hấp phụ lên chất xúc tác
• Quá trình phản ứng xảy ra
GVHD: Nguyễn Văn Thông Page 2
Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị
• Nhả hấp phụ sản phẩm
• Khuếch tán sản phẩm trong
mao quản
• Khuếch tán sản phẩm ngoài
mao quản
5. Yêu cầu đối với chất hấp phụ:
• Có bề mặt riêng lớn
• Có tính chọn lọc
• Có thể hoàn nguyên dễ
dàng
• Thời gian sống lâu
• Bền cơ học
GVHD: Nguyễn Văn Thông Page 3
6. Các chất hấp phụ thường dùng:
• Than hoạt tính
• Silicagen
• Zeolit
• Chất dẻo xốp
• Nhôm oxit hoạt tính…
7. Thiết bị hấp phụ:
7.1. Hấp phụ tĩnh:

8. Pha khí được cho chuyển động qua tầng hạt chất hấp phụ cố định
9. Chất hấp phụ có chiều cao từ 0,3 – 1,2 m trên tấm đỡ có đục lỗ.
10.Dòng khí nhập liệu được thổi từ trên xuống.
11.Phương thức làm việc:
12. Phương thức bốn giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, sấy, làm lạnh (nồng độ
cao)
13. Phương thức ba giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, làm lạnh. (nồng độ trung
bình và nhỏ)
14.Phương thức hai giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp.
14.1. Hấp phụ động:
15. 6.1.1Thiết bị hấp phụ tầng sôi
16. Dòng khí thổi qua lớp vật liệu hấp phụ làm lớp vật liệu
hấp phụ chuyển động và sau đó rơi xuống làm quá trình hấp phụ
xảy ra đồng đều.
6.1.2 Thiết bị hấp phụ tầng xoay
17. Vật liệu hấp phụ nằm trong một cơ cấu xoay được và quá
trình xoay chuyển làm quá trình hấp phụ xảy ra đều đặn ở các lớp
khác nhau.
II) Ưu nhược điểm của hệ thống hấp phụ tầng sôi.
1. Ưu điểm:
- Vì chuyển động mạnh và trộn lẫn nên không có sự phân lớp chất
hấp phụ giữa các hạt đã làm việc và các hạt chưa làm việc nghĩa là
không có khu vực chết.
- Cũng do khuấy trộn mạnh nên nhiệt độ phân bố đều trong lớp chất
hấp phụ do đó tránh được hiện tượng quá nhiệt
- Trở lực nhỏ, năng suất lớn.
- Dễ vận chuyển trong dây truyền sản xuất.
1
2
3

4
5
6
7
8
9
10
11
- Chất hấp phụ là pha lỏng nên dễ vân chuyển từ thiết bị này sang
thiết bị khác.
2. Nhược điểm:
- Vì có sự trộn lẫn các hạt chưa làm việc và các hạt đã hấp
phụ rồi nên động lực của quá trình giảm.
- Hạt chóng mòn, đòi hỏi hạt có độ bền cơ học cao.
- Khi các hạt chất hấp phụ chuyển động mạnh như vậy sẽ
làm cho thành thiết bị cũng bị bào mòn.
III) Ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật
- Hệ thống làm việc đơn giản, dễ giám sát.
- Có thể tự động hóa trong sản xuất.
- Chi phí lắp đặt hệ thống không cao.
- Hiệu suất làm việc cao.
- Có thể thu hồi bezene phục vụ cho mục đích công nghiệp.
- Góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.

25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.Chương 2: DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ QUÁ
TRÌNH SẢN XUẤT
a) Sơ đồ công nghệ:
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.

53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
64.
65.
b) Thuyết minh sơ đồ công nghệ:
66. Hỗn hợp ban đầu được đưa vào tháp hấp phụ (9) bằng
quạt đẩy (1), có hai quạt đẩy: 1 cái làm việc, 1 cái dự trữ nhằm mục đích
tránh trường hợp thải hơi độc ra không khí. Sau đó được đưa qua thiết bị
lọc tay áo (2) để lọc qua tạp chất cơ học. Do sử dụng chất hấp phụ là
than hoạt tính nên rất dễ tạo hỗn hợp nổ với hỗn hợp không khí đưa vào,
vì vậy phải đưa qua thiết bị phòng lửa có những màng mỏng sẽ chia nhỏ
hỗn hợp khí. Sau đó được đưa qua thiết bị làm lạnh (4), thiết bị này có
Chú thích:
1,11: Quạt
2: Thiết bị lọc
3:Thiết bị phòng cháy
4,6: Thiết bị làm lạnh
5: Bể chứa
7: Thiết bị ngưng tụ
8: Thiết bị phân ly
9: Tháp hấp phụ

10: Tháp nhả hấp phụ
Hình 1: Sơ đồ công nghệ thu hồi hơi benzene trong không khí bằng thiết bị hấp phụ tầng sôi
Hình 1: Sơ đồ công nghệ hấp phụ hơi benzene trong không khí bằng hệ thống hấp phụ tầng sôi sử dụng than
hoạt tính.
nhiệm vụ làm giảm nhiệt độ của hỗn hợp khí trong trường hợp nhiệt độ
đưa vào của hỗn hợp khí cao hơn mức cho phép sẽ dễ gây cháy nổ.
67. Hỗn hợp khí sau khi làm lạnh sẽ được đưa vào tháp hấp phụ (9)
tại đây benzene sẽ bị than hoạt tính hấp phụ. Sau khi benzene đã bão hòa
sẽ được dẫn qua tháp nhả hấp phụ (10) để thu hồi benzene. Quá trình
nhả hấp phụ có thể được thực hiện qua hai cách:
• Nhả hấp phụ bằng chất hóa học: dùng kiềm hoặc dung môi.
• Nhả hấp phụ bằng nhiệt: dùng nhiệt độ để khử.
68. Ở đây ta sử dụng hơi nước quá nhiệt để nhả hấp phụ. Hỗn
hợp cấu tử được tách ra với hơi nước từ tháp hấp phụ qua thiết bị phân
ly (8), tại đây hơi nước được tách ra khỏi hỗn hợp, cấu tử được tách ra ở
dạng lỏng cùng với nước, quá trình ngưng tụ một phần được xảy ra trong
đường ống do mất nhiệt với môi trường. Sau đó được chuyển đến thiết
bị ngưng tụ (7) và làm lạnh (6) trước khi đưa vào thùng chứa. Hỗn hợp
có thể được đưa vào phân ly bằng chưng cất hoặc lắng.
69.Từ tháp nhả (10) chất hấp phụ sẽ được quay về tháp hấp phụ (9) bằng
không khí nén nhờ quạt đẩy (11), không khí này sẽ dùng để sấy và làm
nguội chất bị hấp phụ.
70.
71.
72.
73. Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
74.
1.1Tính toán thiết bị chính
75. Ta có đặc trưng của than hoạt tính CKT-6A được đưa ra trong bảng
sau:

76.
77. Bảng 3.1: Đặc trưng của than hoạt tính CKT-6A
78.
Mã
than
79.
Mật
độ rót
ρ
H.
Kg/m
80. T
hành
phần
81. ứng dụng 82.
Độ
bền
83. H
ằng số
cấu
trúc.
B.10
6
,
84. G
iá trị
thươn
g
phẩm,
88.

Cấ
89.
%
3
p
hạt,
mm
l/g.rad
2
85. R
up/tấn
94.
CK
T-
6A
95.
470
96.
0.5
- 1
97.
15
98. Đặc trưng cho loại
hạt có cấu trúc xốp phát
triển và độ xốp tổng cộng
cao, hoạt tính động học
cao. Được ứng dụng để
tách hơi các hợp chất hữu
cơ
99.

65
100. 1
.05
101. 1
310
102.
103. Từ bảng 3.1 ta có:
104. Đường kính hạt trung bình: d
h
= 1.10
-3
105. Mật độ rót ρ
h
= 470 kg/m
3
106.
1.1.1 Xác định vận tốc dòng khí
- Tốc độ dòng khí có thể được tính theo công thức:
107.
108. Trong đó:
109. Re: hằng số reynold
110. D
h
: đường kính trung bình của hạt hấp phụ (m).
111. ω : vận tốc của dòng khí tính theo tiết diện ngang của thiết bị
(m/s).
112. υ: độ nhớt động học của hỗn hợp khí (m
2
/s).
- Đối với chế độ làm việc tầng sôi:

113.
114. (III.1)
115.
116. Trong đó:
117.
118. (III.2)
119.
120. Tra bảng: ta có ở 20
o
C
121. υ = 1,5.10
-5
Kg/m.s
122. ρ
t
là khối lượng riêng chất hấp phụ ở nhiệt độ làm việc = 670 kg/m
3
.
123. µ: độ nhớt của khí ở nhiệt độ làm việc = 1,5.10
-5
kg/m.s
124. ρ
k
: là khối lượng riêng của chất khí ở nhiệt độ làm việc. Được tính như
sau:
125. Ta có:
126. PV = nRT
127. Suy ra: = 24,6 (mol)
128.
129. m = n.M = 24,6. 29 = 713,38 (kg)

130.
131. = = 1,16 (kg/m
3
)
132.
133. Theo dữ kiện của đề bài ta sử dụng thiết bị hấp phụ tầng sôi nên độ xốp
của than ε = (0,5 – 0.65). Trong trường hợp này ta thừa nhận ε=0,55.
134. Thay các giá trị vào (III.2) ta được:
135. = 27249
136.
137. = 37,96
138.
139. → = 0,57 (m/s)
1.1.2 Tính đường kính thiết bị
140.
141. Ta có thể tính đường kính thiết bị dựa vào công thức sau:
142.
143.
144.
145. Trong đó:
146. D là đường kính thiết bị (m)
147. G là lưu lượng khí đưa vào, theo đề G= 2200m
3
/h =
0,611m
3
/s
148. ω là tốc độ dòng khí trong thiết bị đã tính ở trên
149.
150. Thay số ta được:

151. 1,2 (m)
152.
1.1.3 Xác định tiêu hao chất hấp phụ
153. Khi ra khỏi tháp hấp phụ thì chất hấp phụ sẽ bão hòa hoàn toàn:
154. X = x*.y
D
.
155. Theo đường hấp phụ đẳng nhiệt (hình 3.1) ta có:
156. x*. 25.10
-3
=300 (kg/m
3
157.
158. x.10
-3
, Kg/m
3
159. 0,4
160.
161.
162. 0,3 2
163.
164.
165.
166. 1
167. 0,1
168.
169. 10 y.10
-3
, Kg/m

3
170.
171. Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn quá trình hấp phụ benzene bằng than hoạt tính
CKT-6A.
172. Trong đó:
173. (1): là đường làm việc
174. (2): là đường cân bằng
175.
176. Khi đó theo phương trình cân bằng vật chất, ta có:
177.
178. = = 4,9.10
-5
179. Trong thực tế do chất hấp phụ (CKT-6A) bị tiêu hao 3% so với
lý thuyết do bị ăn mòn và mất mát, do đó lượng chất hấp phụ phải
đưa vào là: L = 1,3L’ = 4,9.10
-5
.1,3 = 6,37.10
-5
(m
3
/s).
180.
181. 3.1.4 Xác định hệ số chuyển khối theo thể tích
182. Thể tích chất hấp phụ trong tháp hấp phụ được tính theo
phương trình:
183. trong đó:
184.
185. K
v
là hệ số chuyể khối theo thể tích tính cho 1 thể tích hạt của

chất hấp phụ, s
-1
.
186. Hệ số K
v
biến đổi từ đĩa này sang đĩa khác, tốc độ của quá
trình có thể bị giới hạn bởi động lực khuếch tán trong và ngoài.
Trong quá trình dịch chuyển của chất hấp phụ xuống những đĩa phía
dưới thì trở lực khuếch tán càng tăng, thực nghiệm chỉ ra rằng hệ số
chuyển khối trung bình β
o
bằng hệ số chuyển khối theo thể tích K
v.
187. Tức là β
o
= K
v
188. Hệ số chuyển khối trung bình β
0
trong lớp chất hấp phụ tầng
sôi được tính theo phương trình:
189.
190.
0,2
191. Hoặc
192. (III.3)
193.
194. Trong đó:
195. là chỉ số Nu
196. d

h
là đường kính hạt chủa chất hấp phụ.
197.
198. là số phức hợp không thứ nguyên.
199. L
th
: Tiêu hao riêng phần của chất hấp phụ ( m
3
/m
2
.s).
200.
201. y
bh
: Nồng độ hơi bảo hòa của chất bị hấp phụ (kg/m
3
).
202. β : Hệ số ái lực của benzene (xem bảng 3.2)
203. B : Hằng số cấu trúc của than hoạt tính CKT-6A, (l/g.rad
2
)
(xem bảng 3.1).
204. H : Chiều cao lớp hấp phụ không chuyển động trên đĩa (m).
thông thường H = 0,05m
205. T : Nhiệt độ tuyệt đối (
o
K).
206.
207. Thay các giá trị vào (III.3) ta được:
208.

209. β
o
= K
v

210.
211. = 11,3 (s
-1
).
212.
1.1.4 Xác định số đơn vị chuyển khối
213. Để xây dựng đường làm việc của quá trình từ phương trình cân
bằng vật chất ta tìm ra nồng độ chất bị hấp phụ nằm trong chất hấp
phụ khi ra khỏi tháp theo phương trình:
214.
215. 230 kg/m
3
216. Xây dựng đường cong làm việc và đường cong cân bằng trên
đồ thị x-y (hình 3.1). Sử dụng giản đồ này ta có bảng số liệu sau:
217.
218.
y
219. y
*
220. y
-y*
221. 1
/(y-y*)
222.
y

223. y
*
224. y
-y*
225. 1/
(y-y*)
226.
0,025
227.
233. 0
,0010
234. 0
240. 0
,0240
241. 0
247. 4
1,67
248. 4
254.
0,018
255.
261. 0
,0004
262. 0
268. 0
,0176
269. 0
275. 56,
82
276. 59,

200
400
600
800
10
y.103
Kg/m3
0,024
228.
0,023
229.
0.022
230.
0,021
231.
0,020
232.
0,019
,0009
235. 0
,0008
236. 0
,0007
237. 0
,0006
238. 0
,0006
239. 0
,0005
,0231

242. 0
,0222
243. 0
,0313
244. 0
,0204
245. 0
,0194
246. 0
,0185
3,29
249. 4
5,04
250. 4
6,95
251. 4
9,02
252. 5
1,55
253. 5
4,05
0,017
256.
0,016
257.
0,015
258.
0,010
259.
0,004

260.
0,001
,0003
263. 0
,0002
264. 0
,0001
265. 0
.0000
266. 0
,0000
267. 0
,0000
,0167
270. 0
,0158
271. 0
,0149
272. 0
,0100
273. 0
,0040
274. 0
,0010
88
277. 63,
29
278. 67,
11
279. 10

0,00
280. 25
0,00
281. 10
00,00
282.
283. Bằng phương pháp tích phân đồ thị ( hình 3.2) ta tìm được số
đơn vị chuyển khối:
284. = 4,5
285.
286.
287.
288.
289.
290.
291.
292.
293.
294.
295.
296.
297.
298.
299.
300.
1.1.5 Xác định thể tích của tháp chứa chất hấp phụ
301. Thể tích của tháp chứa chất hấp phụ được tính theo công thức:
302. m
3
1.1.6 Xác định thể tích của lớp chất hấp phụ

303. Thể tích của lớp chất hấp phụ được tính:
304. (m
3
)
- Trong đó:
305. ρ
t
: Khối lượng riêng tính theo độ xốp = 670 kg/m
3
306. ρ
h
: Khối lượng riêng thực = 470 kg/m
3
Hình 3.2: Đồ thị xác định số đơn vị chuyển khối
1.1.7 Xác định số đĩa trong tháp hấp phụ
307.
308. → số đĩa 5 đĩa.
1.1.8 Xác định chiều cao tháp hấp phụ
- Chiều cao lớp không chuyển động trên đĩa H và chiều cao lớp sôi H
s
liên
hệ với nhau theo công thức:
309. (1 – ε) H = (1 - ε
n
) H
s
- Trong đó:
310. ε : độ xốp của than hoạt tính đứng yên.
311. trong trường hợp này độ xốp tính bằng công thức:
312.

313. ε
n
: độ xốp của than hoạt tính chuyển động = 0,55
314. Suy ra chiều cao lớp than chuyển động:
315. (m)
- Để dự trữ người ta tính toán khoảng cách giữa các đĩa là H
0
= 0,4m.
- Do vậy, chiều cao phần có đĩa của tháp hấp phụ được tính:
316. H
t
= H
0
(n - 1) = 0,4(5-1) = 1,6 m.
- Khoảng cách từ nắp thiết bị cho đến đĩa trên cùng và dưới
cùng được xác định tùy thuộc vào cấu trúc của bộ phận phân
phối và nạp liệu, thừa nhận những khoảng cách đó là 2H
0.
- Do vậy chiều cao của tháp hấp phụ là:
317. H
a
= H
t
+ 2.2H
0
= 1,6 + 2.2.0,4 = 3,2 m.
318.
1.1.9 Tính toán chóp
319. Đường kính ống hơi của chóp: chọn d
h

= 75mm
320. Số chóp phân bố trên một đĩa:
321.
322. Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi:
323. H = 0,25.d
h
= 0,25 . 100 = 25 mm
324. Đường kính chóp:
325.
326. Trong đó δ
ch
là chiều dày của tháp, ta chọn δ
ch
= 3 mm
327. Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp: ta chọn s = 2 mm
328. Bước tối thiểu của chóp trên mâm:
329. t
min


= d
ch
+ 2.δ
ch
+ l
2
= 0,110 + 2.3.10
-3
+ 35.10
-3

= 0,15m =
150mm
330. Trong đó l
2
khoảng cách tối thiểu giữa các chóp (thường chọn
35 mm).
331. Với đường kính chóp 1,2m và 14 chóp ta bố trí chóp theo hình
tam giác với bước 230mm, xếp thành 5 hàng.
332. Số chóp trên đường kính là 4.
333. Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm của chóp gần
nhất:
334.
335. Trong đó: l
1
là khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy
chuyền
336. d
c
là đường kính của ống chảy chuyền. ta thừa nhận d
c
=
29mm.
337. Chiều cao gờ: chọn 50mm.
1.1.10 Tính toán mâm xuyên lỗ
- Cấu tạo mâm lỗ
• Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm.
• Đường kính lỗ 9 mm.
• Chiều cao gờ chảy tràn 30 mm.
• Diện tích của hai bán nguyệt bằng 20% diện tích của mâm.
• Lỗ bố trí theo hình tròn đồng tâm.

• Khoảng cách giữa hai tâm lỗ bằng 40 mm.
• Bề dày mâm bằng 4mm.
• Mâm được làm bằng thép CT3.
• Số lỗ trên 1 mâm:
338.
- Trở lực của mâm:
339. Độ giảm áp của pha khí qua một mâm
340. Độ giảm áp tổng cộng của pha khí (tính bằng mm.chất
lỏng ) là tổng các độ giảm áp của pha khí qua mâm khô và các
độ giảm áp do pha lỏng: htl = hk + hl + hr (mm chất lỏng)
341. Với :
342. + hk :độ giảm áp qua mâm khô (mm chất lỏng).
343. + hl : độ giảm áp do chiều cao lớp chất lỏng trên
mâm(mm chất lỏng).
344. +hr : độ giảm áp do sức căng bề mặt (mm chất lỏng).
345. Trong tháp mâm xuyên lỗ, gradien chiều cao mực chất
lỏng trên mâm D là không đáng kể nên có thể bỏ qua .
346. Độ giảm áp qua mâm khô:
347. Độ giảm áp của pha khí qua mâm khô được tính dựa
trên cơ sở tổn thất áp suất do dòng chảy đột thu , đột mở và do
ma sát khi pha khí chuyển động qua lỗ.
348.
349. Trong đó:
350. ζ là hệ số trở lực, ζ = 1,82 đối với đĩa có diện tích tự do
từ 7 – 10%.
351. ω
o
là tốc độ khí qua lỗ, ω
o
= ω/ 0,08 = 6,75 m/s

352. ρ
y
là khối lượng riêng trung bình của pha khí.
353.
354.
1.2Tính toán cơ khí:
1.2.1 Tính thân hình trụ
355. Thân hình trụ là bộ phận chủ yếu để tạo nên thiết bị, tùy theo
điều kiện ứng dụng mà thân hình trụ có thể đặt nằm ngang hay thẳng
đứng. Đa số nên đặt thẳng đứng đối với các thiết bị có vỏ mỏng và
làm việc ở áp suất không lớn lắm.
356. Người ta có thể chế tạo thân thiết bị bằng cách: hàn, rèn, đúc…
357. Thân hình trụ bằng vật liệu dẻo (thép, kim loại màu…) làm
việc đến áp suất 10.10
6
N/m2 được chế tạo bằng cách quấn tấm vật
liệu với kích thước đã định sau đó ghép mối lại.
358. Thân hình trụ bằng vật liệu dẻo (chủ yếu là thép) làm việc ở áp
suất cao được chế tạo bằng cách rèn hay cuốn nhiều lớp bọc nhau.
359. Thân hình trụ bằng vật liệu giòn (gang, đồng thanh…) thường
làm việc ở áp suất không cao lắm (<0,8.106 N/m2) được chế tạo
bằng cách đúc sau đó gia công bề mặt bên trong hoặc không gia
công. Người ta thường đúc thân liền với đáy. Trong nhiều trường hợp
người ta vẫn đúc thân hình trụ từ vật liệu dẻo.
360. Khi thiết kế thân hình trụ ta có thể dựa vào đường kính trong
bảng XIII.6 hoặc đường kính ngoài bảng XIII.7
361. Quan hệ giữa chiều cao H và đường kính Dt đối với thiết bị đặt
thẳng đứng và quan hệ giữa chiều dài L và đường kính Dt đối với
thiết bị đặt nằm ngang được xác định theo yêu cầu của công nghệ sản
xuất hóa chất:

362. H/Dt ≤ 30 và L/Dt ≤ 10.
363. Từ những cơ sơ trên và dữ kiện đề tài yêu cầu ( P < 1,6.10
6
N/m
2
, t < 450
o
C), ta thiết kế thân hình trụ của thiết bị với các đặc
điểm như sau:
- Sử dụng vật liệu : thép CT3 (bảng 3.2)
- Chế tạo bằng cách hàn : chỉ hàn giáp mối, đảm bảo đường hàn
càng ngắn càng tốt, bố trí các đường hàn cách nhau ít nhất
100mm, bố trí mối hàn ở vị trí dễ quan sát, không khoan lỗ qua
mối hàn.
364. Bảng 3.2 Tính chất cơ học của thép CT3 [1]
365.
Mã
thép
366. C
hiều dày
tấm
thép,
mm
367. Giới hạn bền σ.10
-
6
, N/m
2
368.
369.

δ, %
370. Độ
nhớt va
đập, a
k
.10
6
J/m
2
373. σ
k
374. σ
ch
377.
CT3
378. 4-
20
379.
380.
380
381. 240 382.
383.
25
384. 0,8
386. 22
-40
388. 230 390. 0,7
392. 45
-60
394. 220

397.
• Bề dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong được tính
theo công thức:
398. (III.4)
399. Trong đó:
- Dt : đường kính trong (m).
- φ : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc (φ = φ
h

=0,95 ).
- c : số bổ sung do ăn mòn, bào mòn và dung sai về chiều dày
(m).
- P : áp suất trong thiết bị (N/m
2
); P = 735 mmHg = 0,09.10
6

(N/m
2
)
- được tính như sau:
 Ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền xác
định theo công thức:
400. (III.5)
 Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy được xác định
theo công thức:
401. (III.6)
402. Trong đó:
- n
k

, n
c
, η: lần lượt là: hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn
chảy và hệ số điều chỉnh được cho trong bảng 3.3 và bảng 3.4:
403. Bảng 3.3: Giá trị của hệ số hiệu chỉnh η [1]
404. N
hóm
thiết bị
405. Điều kiện sản xuất 406. Thiết bị
loại
409.
I
410. I
I
411.
412. 1
413. Các chi tiết hoặc các bộ
phận đốt nóng trực tiếp bằng
ngọn lửa, khí lò, điện trở…
414.
415.
0,75
416.
417. 0
,9
418.
419. 2
420. Các chi tiết hoặc các bộ
phận không bị đốt nóng hay bị
cách ly với nguồn nhiệt đốt

nóng trực tiếp ở nhóm 1
421.
422.
0,9
423.
424. 1
,0
425.
426.
427. Bảng 3.4: Giá trị hệ số an toàn bền của thép không
gỉ [1]
428. Hệ số an
toàn bền
429. Thép cacbon thường và không gỉ
431. Cán, rèn, dập 432. đúc
433. n
k
434. 2,6 435. 3,5
436. n
c
437.
438. 1,5
439.
440. 2,0
441. n
bl
444.
445. Thay các dữ kiện vào (III.5) và (III.6) ta được:
446.
447.

448. Chọn giá trị nhỏ trong hai giá trị trên thay vào công thức (III.4)
ta được:
449.
450. Với c = c
1
+ c
2
+ c
3
451. Trong đó:
- c
1
: số 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.
- c
2
: đại lượng bổ sung do hao mòn, chỉ cần tính đến trong các
trường hợp có hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn. Đa số trong
các trường hợp tính toán thiết bị hóa chất ta bỏ qua c
2
.
- c
3
: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày tấm kim loại.
452. Đối với vật liệu bền (0,05 – 0,1 mm/năm) thì c
1
= 1mm, c
2
= 0,
c

3
= 0,8mm
453. Do đó: c = 1,8.10
-3
m
454. Vậy chiều dày của thiết bị S = 3,9.10
-4
+ 1,8.10
-3
= 2,2 (mm)
455. Vậy ta chọn chiều dày thiết bị theo quy chuẩn là 4 (mm)
456. Đường kính ngoài của thiết bị: Dn = Dt + 2S = 1,2 + 2. 4.10
-3
=
1,208(m)
457. Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử bằng
nước:
458. P
o
≈ P
th
= 1,25P = 1,25 . 0,09.10
6
= 112500 (N/m
2
)
459. Ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử:
460.
461. Ta thấy: σ =592369 < σ
c

/1,2 = 240.10
6
/1.2 = 200.10
6

nên đảm
bảo điều kiện bền. Vậy chọn loại thép CT3 có chiều dày 4mm.
462.
463.
1.2.2 Tính đáy và nắp thiết bị (đáy và nắp elip có gờ).
464.
465. Nắp và đáy cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị và
thường được chế tạo cùng loại với thân thiết bị.
466. Đáy, nắp có thể gắn với thân thiết bị bằng cách hàn, ghép bích
hoặc hàn liền với thân.
467. Đáy, nắp thiết bị có nhiều dạng: elip, nón, cầu, phẳng… tùy
thuộc vào
468. Hình dạng của thân và áp suất trong thiết bị, đồng thời phải
chú ý đến yêu cầu công nghệ.
469. Tính toán đáy và nắp thiết bị hoàn toàn giống nhau
470. Chiều dày S được xác định theo công thức:
471. (III.7)
472. Trong đó:
473. φ
h
: hệ số bền của mối hàn hướng tâm
474. h
b
: chiều cao phần lồi của đáy
475. k : hệ số không thứ nguyên được xác định như sau:

476.
477. Với: đường kính lớn nhất của lổ không tăng cứng. Đối với đáy
không có lổ hoặc có lổ được tăng cường thì k = 1.
478. h
b
= 0,25D
t
= 0,25.1,2 = 0,3 (m).
479. Tra bảng XIII.10 [1] ta được các giá trị φ
h
= 0,95.
480. Thay vào công thức (III.7):
481.
482. = 4.10
-4

+ c (m)
483. ↔ s – c = 4.10
-4

= 0,4 mm < 10 mm nên tăng c thêm 2 mm
484. Do đó c = 1,8.10
-3
+ 2.10
-3
= 3,8.10
-3
485. Vậy S = 4.10
-4

+ 3,8.10
-3
= 4,2 mm
486. Vậy chọn S = 5mm.
487. Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thủy lực:
488.
489.
490. Ta thấy σ < σ
c
/1,2 = 200.10
6
nên thỏa mãn điều kiện bền cho
phép.
491. Vậy ta có bảng thông số của đáy và nắp thiết bị như sau:
492. s 493. Dt 494. Dn 495. h 496. ht
497. mm
498. 5 499. 120
0
500. 121
0
501. 500 502. 300
1.2.3 Chọn mặt bích
503. Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết
bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị công nghệ chế tạo mặt
bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo, phương pháp nối và áp suất của
môi trường. Có các kiểu mặt bích: bích liền, bích tự do, bích ren.
504. Với điều kiện làm việc của thiết bị ta chon bích liền bằng thép
với các thông số như sau:
505.
20

9
24
12
10
60
506.
507.
1.2.4 Tính toán chân đỡ và tai treo.
508. Tính chân đỡ:
509.
510.
Truïc thieát bò
Theo ñaùy
thieát bò
511. Tra bảng XIII.II, Ta có giá trị khối lượng của đáy thiết bị:
512. m
1
= 64,2 . 1,01 = 64,8 (kg).
513. Vì đáy và nắp của thiết bị có khối lượng tương đương nhau
nên tổng khối lượng của đáy và nắp là: 64,8 .2 = 129,6 (kg).
514. Khối lượng của thân thiết bị:
515. m
2
= H
t
.П.D
t
.S.ρ
thép
.1,01 = 1,6.3,14.1,2.4.10

-3
.7,85.10
3
.1,01 =
49,4 (kg).
516. Khối lượng của than hoạt tính trong thiết bị:
517. m
3
= V
l
.ρ
than
= 0,35.670 = 234,5 (kg).
518. Khối lượng của đĩa:
519. m
4
=12.(π600
2
-π.1422.9
2
).5.10
-9
.7,85.10
3
.1,01 = 365kg
520. Vậy tổng khối lượng của thiết bị lúc này là:
521. m = m
1
+ m
2

+ m
3
+ m
4
≈ 780 (kg).
522. chọn chân đỡ: tháp được đỡ trên 3 chân, vật liệu làm chân đỡ
là thép CT3. Ta có tải trọng cho phép trên một chân đỡ là:
523.
524. Để đảm bảo an toàn chọn G
c
= 0,8 . 2550 = 2040 (N).
525. Tra bảng XIII.35 [1], ta chọn chân đỡ có các thông số
sau:
526.
F.10
4
527. q
.10
-6
528.
L
529.
B
530.
B
1
531.
B
2
532.

H
533.
h
534.
s
535.
l
536.
d
537.
m
2
538. N
/m
2
539. mm
540.
85,5
541. 0
,29
542.
110
543.
8
0
544.
9
5
545.
110

546.
180
547.
120
548.
6
549.
4
0
550.
19
551.
552. Tính tai treo:
553.
554.
555. Ta có khối lượng gần đúng của 1 chân đỡ được tính
như sau:
556. V = [2.(H-s).s.B
2
+ L.s.B] . 10
-9
557. = [2.(180-6).6.110 + 110.6.80].10
-9
558. = 2,8.10
-4

(m
3
)
559. Vậy khối lượng của 1 chân đỡ: 2,8.10

-4
.7850 = 2,2 (kg)
560. Vậy khối lượng của 3 chân đỡ: 6,6 (kg).
561. Chọn tai treo: tai treo gắn trên thân tháp và tựa vào giàn đỡ để
giữ vững tháp trong quá trình làm việc, chọn vật liệu làm tai treo là
thép CT3. Tải trọng lên một tai treo tương đương với tải trọng tác
dụng lên một chân đỡ = 1082 (N).
562.
563. Tra bảng XIII.36 [1] ta được bảng số liệu của tai treo như sau:
564.
F.10
4
565. q.
10
-6
566.
L
567.
B
568.
B
1
569.
H
570.
h
571.
s
572.
l

573.
a
574.
d
575.
m
576.
m
2
577. N
/m
2
578. mm
579.
57,0
580. 0,
44
581.
90
582.
6
5
583.
7
5
584.
140
585.
35
586.

6
587.
3
5
588.
1
5
589.
1
4
590.
1
591.
592.
1.2.5 Tính toán đường ống:
593. Ống dẫn khí:
594. Ta có: Q = 2200m
3
/h = 0,611m
3
/s
595. Chọn v = 35m/s
596.
597. Ống dẫn than:
598. Thiết kế ống dẫn than thỏa mãn:
599. Lưu lượng than: 0,5m
3
/s
600. Tốc độ 15 m/s
601.

1.3 Tính toán thiết bị phụ
1.3.1 Tính toán bơm
602. Chọn bơm để bơm nước ở 20
o
C từ bình chứa hở và máy làm việc dưới
áp suất dư 0,1Mpa. Tiêu hao nước 1,2.10
-2
m
3
/s. Chiều cao cột nước 15m.
Chiều dài ống dẫn trên đường hút 10m, trên đường đẩy 40m. Trên đường
đẩy có hai ống nhánh nghiêng 120
o
và 10 ống nhánh góc 90
o
với đường
kính quay bằng 6 lần đường kính ống và 2 van bình thường. Trên đường
ống hút đặt 2 van một chiều, 4 ống nhánh góp 90
o
với đường kính quay
bằng 6 lần đường kính ống.
603. Kiểm tra khả năng đặt bơm ở chế độ 4m so với nước ở trong bình
chứa.
a) Chọn ống:
604. Chọn tốc độ chảy của nước trong ống hút và ống đẩy đều
bằng 2m/s. Khi đó đường kính ống được tính:
605. = = 0,088 (m)
606. Chọn vật liệu làm ống bằng thép, bị ăn mòn không đáng
kể.
b) Xác định mất mát do ma sát và trở lực cục bộ

607. Ta có chuẩn số Re:
608.
609. Nghĩa là chế độ chảy trong ống là chảy rối.
610. Trong đó:
611. ω: vận tốc dòng chảy
612. ρ: khối lượng riêng của nước
613. µ: độ nhớt của nước
614. Độ gồ ghề tuyệt đối của đường ống là ∆=2.10
-4
m. Khi đó:
615.
616. Và
617.
618.
619. Vậy: 4410 < Re < 247000. Như vậy ma sát trong đường
ống là hỗn hợp. Ta tính λ theo công thức:
620. = 0,025
c) Xác định tổng hệ số trở lực cục bộ đối với đường ống hút và đẩy
riêng biệt
621. Đối với đường ống hút:
• Cửa vào ống (mép sắc nhọn) ζ
1
= 0,5
• Van một chiều: d=0,076 ζ = 0,6
622. d=0,1 ζ = 0,5
623. nội suy đối với d=0,088 ζ = 0,55.
624. Nhân với hệ số hiệu chỉnh k = 0,925 ta có: ζ
2
= 0,51
• Cửa: hệ số A = 1, B= 0,09 ζ

3
= 0,09
625. Tổng cộng các hệ số trở lực cục bộ trên đường ống hút:
626. Σζ = ζ
1
+ 2ζ
2
+ 4 ζ
3
= 0,5 + 2.1,02 + 0,36 = 1,88
627. Mất mát áp lực trên đường ống hút được tính theo công
thức:
628.
629. Trong đó:
630. λ : hệ số ma sát
631. l, d
td
: chiều dài, đường kính tương đương của ống.
632. Σζ : tổng hệ số trở lực cục bộ
633. ρ : mật độ chất lỏng
634. (m)
635. Đối với đường ống đẩy:
• Ống nhánh nghiêng 120
o
636. A =1,17; B= 0,09; ζ
1
= 0,105
• Ống nhánh nghiêng 90
o
637. ζ

2
= 0,09
• Van thường: với d = 0,08 m ζ = 4,0
638. Với d = 0,1 m ζ = 4,1
639. Ta thừa nhận với d = 0,088 m ζ = 4,04
• Cửa ra ống: ζ
4
= 1
640. Tổng hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy:
641. Cũng áp dụng công thức như đã tính đường ống hút, ta
được:
642. (m)
643. Tổng mất mát áp lực: h
m
= h
mh
+ h
md
= 0,962 + 4,396 =
5,358
d) Chọn bơm
644. Xác định áp lực bơm theo công thức:
645.
646. Trong đó:
647. P
1
: áp suất trong máy từ đây chất lỏng được bơm đi
648. P
2
: áp suất chất lỏng trong máy mà chất lỏng được bơm

vào
649. H
l
: chiều cao chất lỏng
650. Thay số ta được: (mH
2
O)
651. ứng với áp lực tương đương và công suất đã cho ta chọn
bơm ly tâm (xem bảng 3.5)
652. Bảng 3.5. Đặc tính kỹ thuật bơm ly tâm [1]
653. M
ã bơm
654. Q,
(m
3
/s)
655. H
, m
(H
2
O)
656. N
,
(v/ph)
657.
η
b
658. Động cơ điện
664. Loại 665. N
đ

(kW)
666.
η
d
667. X
45/31
668. 1,25
.10
-2
669. 1
9,8
670. 4
8,3
671.
0,60
672. AO2-
52-2
673. 1
3
674.
0,89
675. Khi sử dụng bơm ly tâm ta phải chú ý các trường hợp sau:
• Bơm dùng để vận chuyển các chất lỏng hoạt động và trung tính
về mặt hóa học. Không có tạp chất kể cả tạp chất rắn đến 0,2%,
khi kích thước hạt nhỏ hơn 0,2 mm
• Mỗi bơm được chế tạo với 3 đường kính khác nhau của bánh xe
công tác tương ứng với 3 áp lực trong miền tối ưu η
b
.
676. Ta chọn bơm ly tâm vì nó phổ biến rộng rãi trong công nghiệp,

hệ số tác dụng hữu ích cao, kết cấu gọn, thuận tiện kết nối với
động cơ điện.
677. Công suất hữu ích của bơm được tính theo công thức:
678. N
hi
= ρ.g.Q.H
679. Trong đó:
680. Q: Lưu lượng (tiêu hao)
681. H: áp lực cần bơm (m chiều cao chất lỏng cần bơm)
682. N
hi
= 998.9,81.0,012.30,6 = 3595w
683. Ta thừa nhận: η
td
= 1 là hệ số truyền động từ động cơ điện sang
bơm
684. η
b
= 0,6 là hệ số tác dụng hữu ích của bơm ly tâm
công suất trung bình.
685. Công tiêu hao trên trục động cơ điện:
686.
687. Ta chọn loại bơm ly tâm X45/31 có các đặc tính kỹ thuật như
bảng 3.5
e) Xác định chiều cao hút giới hạn.
688. Để tránh trường hợp xâm thực bơm, chiều cao hút được xác định:
689. H
xt
= 0,3(Q.n
2

)
2/3
= 0,3. (0,012.48,3
2
)
2/3
= 2,77 (m)
690. Theo bảng áp mất của hơi nước bảo hòa [2] ta có ở 20
o
C Pt =
2,35.10
3
pa. Thừa nhận áp mất của khí quyển P1 = 10
5
pa. Đường
kính ống hút bằng đường kính ống dẫn, kkhi đó chiều cao ống
hút được xác định theo công thức:
691.
692.
693. Như vậy ta có thể đặt bơm ở độ cao 4m trên mực chất lỏng.
694. 3.3.2. Tính toán quạt
695. Chọn quạt để bơm không khí qua máy hấp phụ với yêu cầu sau:
696. Tiêu hao không khí 0,5 m
3
/s, nhiệt độ 25
o
C, không khí đưa vào
phần dưới của máy hấp phụ. Áp suất không khí đưa vào và phía trên lớp