Thiết kế tháp hấp thu khí NH3 bằng nước

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
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 với 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
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN
LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
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 xảy 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 tử 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 yếu 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.
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
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 :
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 4
X
đ

G
x
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
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 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 .
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:
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 5
Nhiệt phân

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
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 tốt
• 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
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 6
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
CHƯƠNG II:

QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 7
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
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 thải 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):
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 8
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
CHƯƠNG III:
TÍNH TỐN CÂN BẰNG VẬT
CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 9
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
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:



III.1.2. Cân bằng vật chất:
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 10
L
d
X
d
G
c
Y
c
L
c
X
c
G

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

N MễN HC GVHD: THY TRN TN VIT
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).
C = 4.186 (1-x) KJ/Kg.
x = x
tb
=
( )
( )
000645.0
2
000129.0
2
=
+
=
+
củ
xx
C = (1 - 0.000645) = 0.999 Kcal/Kg.
SVTH: PHAN HU TI Trang 12
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
( )
.0006.0
999.0
000129.0
17
83.7
0
CT
=

−−
=∆
∆T 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:
( )
[ ]
).(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.
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 13
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
( )
[ ]
./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
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)
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 14