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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA – VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
---- -----

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÁC QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
VÀ THỰC PHẨM.
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ THIẾT BỊ HẤP PHỤ TẦNG SÔI ĐỂ THU HỒI
BENZENE TRONG KHÔNG KHÍ BẰNG THAN HOẠT TÍNH.

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Nguyễn Văn Thông
Sinh viên thực hiện
: Trần Tiến Din - Nguyễn Văn Đoàn
Mã sinh viên
: 0952010031 - 0952010032
Lớp
: DH09H1

Vũng Tàu, ngày 22 tháng 2 năm 2012

---- -----


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA HOÁ & CNTP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ TRONG CNHH VÀ THỰC PHẨM
1. Họ và tên nhóm sinh viên thực hiện:
Trần Tiến Din
Nguyễn Văn Đoàn
Lớp DH09H1
Ngành công nghệ kỹ thuật hoá học – chuyên ngành hoá dầu
2. Nhiệm vụ thiết kế:
Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để thu hồi benzene trong không khí bằng
than hoạt tính.
3. Dữ liệu ban đầu:
Lưu lượng hỗn hợp hơi – không khí, G
Nhiệt độ, T
Áp suất, P
Nồng độ đầu của benzene trong không khí, yD
Nồng độ cuối của benzene trong không khí, yc

2200m3/h
20oC
735 mmHg
25.10-3
1.10-3

4. Nội dung thuyết minh.
4.1 Lời nói đầu
4.2 Ý nghĩa kinh tế kỹ thuật của đồ án
4.3 Dây chuyền công nghệ sản xuất
4.4 Nội dung tính toán
4.5 Kết luận

4.6 Tài liệu tham khảo
4.7 Mục lục
6.

Bản vẽ
6.1 Dây chuyền công nghệ trong quá trình sản xuất
6.2 Thiết bị chính

7.

Ngày giao đồ án: ngày …………tháng………….năm 2012.


8.

Ngày hoàn thành đồ án: ngày…………tháng…………năm 2012.

9.

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Thông.

10. Xác nhận của giảng viên hướng dẫn:
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………..
11. Xác nhận của trưởng khoa cho phép bảo vệ:
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
12. Thành phần hội đồng bảo vệ:
1……………………………………………………………………………..
2……………………………………………………………………………..
3………………………………………………………………………………
4……………………………………………………………………………...

Điểm: bằng số………; bằng chữ……………..
Vũng tàu, ngày………..tháng………năm 2012

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.

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-LỏngRắn 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

• 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


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.


- 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
III)
-

cho thành thiết bị cũng bị bào mòn.
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.
7
Góp phần6 làm giảm ô nhiễm môi
trường.
18.
8
19.
20.
21.
22.
23.
24. 5
25.
26.
9
27.

28.
29.
30.
31.
4
32.
33.
34.
35.
10
36.
37.
38.
3
39. Chương 2: DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ VÀ QUÁ
TRÌNH SẢN XUẤT
a) Sơ đồ công nghệ:

40.

2

1

11


41.
42.
43.

44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
Chú thích:
1,11: Quạt
60.
2: Thiết bị lọc
Hình 1: Sơ đồ công nghệ hấp phụ hơi benzene trong không khí bằng hệ thống
hấp
phụ
tầng
sôi
sử
3:Thiết bị phòng cháy dụng than
hoạt tính.
61. bị làm lạnh
4,6: Thiết

5: Bể chứa
62.
7: Thiết bị ngưng tụ
8: Thiết bị phân ly
63.
9: Tháp hấp phụ thứ nhất
10: Tháp hấp phụ thứ hai
64.
65.
b)

Hình 1: sơ đồ công nghệ thu hồi hơi benzene trong không khí bằng thiết bị hấp phụ tầng sôi

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


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.
Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

73.

74.
3.1 Tính toán thiết bị chính
75.
Ta có đặc trưng của than hoạt tính CKT-6A được đưa ra trong bảng

sau:
76.
77.

78.

Mã

Bảng 3.1: Đặc trưng của than hoạt tính CKT-6A
79.

Mật

than độ rót
ρH.
Kg/m

T

80.

81.

ứng dụng

82.

83.

H 84.

G

hành

Độ

ằng số

iá trị

phần

bền

cấu

thươn

trúc.

g

B.106,

phẩm,

88.

89.

Cấ

%

3

p

l/g.rad 85.
2

hạt,

R

up/tấn

mm
94.

95.

CK

470

T-

96.

0.5 15
-1

6A

97.

98.

Đặc trưng cho loại 99.

hạt có cấu trúc xốp phát

65

100.

.05

1 101. 1
310

triển và độ xốp tổng cộng
cao, hoạt tính động học
cao. Được ứng dụng để
tách hơi các hợp chất hữu
cơ
102.

103.
104.
105.

Từ bảng 3.1 ta có:
Đường kính hạt trung bình: dh = 1.10-3
Mật độ rót ρh = 470 kg/m3

106.
3.1.1 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.
Dh: 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).
υ: độ nhớt động học của hỗn hợp khí (m2/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 20oC
121. υ = 1,5.10-5 Kg/m.s
122. ρt là khối lượng riêng chất hấp phụ ở nhiệt độ làm việc = 670 kg/m3.
123. µ: độ nhớt của khí ở nhiệt độ làm việc = 1,5.10-5 kg/m.s
124. ρk: là khối lượng riêng của chất khí ở nhiệt độ làm việc. Được tính như
112.

sau:


125.
126.
127.

Ta có:
PV = nRT
Suy ra:
= 24,6 (mol)

128.
129.

m = n.M = 24,6. 29 = 713,38 (kg)

130.
131.
132.
133.

= = 1,16 (kg/m3)

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)
3.1.2 Tính đường kính thiết bị
140.
141. Ta có thể tính đường kính thiết bị dựa vào công thức sau:
142.
143.

144.
145.
146.
147.

Trong đó:
D là đường kính thiết bị (m)
G là lưu lượng khí đưa vào, theo đề G= 2200m3/h =

0,611m3/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.

3.1.3 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*.yD.
155. Theo đường hấp phụ đẳng nhiệt (hình 3.1) ta có:
156. x*. 25.10-3 =300 (kg/m3
157.
158.
x.10-3 , Kg/m3
159.
0,4
160.

161.
162.

0,3

2


163.
164.

165.

0,2

166.
167.

1
0,1

168.
10

169.

y.10-3 , Kg/m3

170.
171.

Hình 3.1 Đồ thị biểu diển quá trình hấp phụ benzene bằng than hoạt tính

CKT-6A.

172.

Trong đó:
173.
174.

(1): là đường làm việc
(2): là đường cân bằng

175.
176.

Khi đó theo phương trình cân bằng vật chất, ta có:

177.
178.
179.

= = 4,9.10-5
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 (m3/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. Kv là hệ số chuyể khối theo thể tích tính cho 1 thể tích hạt của
chất hấp phụ, s-1.
186. Hệ số Kv 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 βo bằng hệ số chuyển khối theo thể tích Kv.
187. Tức là βo = Kv
188. Hệ số chuyển khối trung bình β0 trong lớp chất hấp phụ tầng sôi
được tính theo phương trình:
189.

190.

191.

Hoặc
(III.3)

192.
194.

193.
Trong đó:
195.
là chỉ số Nu
196. dh là đường kính hạt chủa chất hấp phụ.
197.
198. là số phức hợp không thứ nguyên.
199. Lth : Tiêu hao riêng phần của chất hấp phụ ( m3/m2.s).
200.
201.
202.
203.

ybh : Nồng độ hơi bảo hòa của chất bị hấp phụ (kg/m3).
β : Hệ số ái lực của benzene (xem bảng 3.2)
B : Hằng số cấu trúc của than hoạt tính CKT-6A, (l/g.rad2)

(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 (oK).
206.
207. Thay các giá trị vào (III.3) ta được:
208.
209. βo = Kv
210.
211.

= 11,3 (s-1).

212.
3.1.4 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.
216.

230 kg/m3
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.

219.

y

*

226.

233.

0,025

,0010

227.

234.

y

220.

y

221.

1

222.

223.

y

*

0

/(y-y*)
247. 4

254.

261.

0,018

,0004

255.

262.

-y*
0

240.

,0240
0

241.

1,67

0

248.

4

y

224.

y

225.

0

(y-y*)
275. 56,

-y*
0

268.

,0176
0

269.

1/

82
0

276.

59,


0,024

,0009

228.

235.

0,023

,0008

229.

236.

0.022

,0007

230.

237.

0,021

,0006

231.

238.

0,020

,0006

232.

239.

0,019

,0005
282.
283.

,0231
0

242.

3,29
0

,0222
0

243.
244.

0

245.

0

246.

4

251.

4

9,02
0

,0194
0

250.

6,95

,0204
0

4

5,04

,0313
0

249.

252.

5

1,55
0

,0185

253.

4,05

5

0,017

,0003

256.

263.

0,016

,0002

257.

264.

0,015

,0001

258.

265.

0,010

.0000

259.

266.

0,004

,0000

260.

267.

0,001

,0000

,0167
0

270.

88
0

,0158
0

271.
272.

0

273.
274.

67,

0

279.

0

0,00
280. 25

0

0,00
281. 10

,0040
0

278.

11

,0100
0

63,

29

,0149
0

277.

,0010

00,00

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.
800
289.
290.
291.
292.
600
293.
294.

295.

400
296.
297.
298.
299.
200
300.
Đồtháp
thị xác
định số
đơnhấp
vị chuyển
3.1.5 Xác định thểHình
tích3.2:
của
chứa
chất
phụ khối
301. Thể tích của tháp chứa chất hấp phụ được tính theo công thức:
302. m3
Kg/m3
10 lớp chất hấp
y.103phụ
3.1.6 Xác định thể tích của
303. Thể tích của lớp chất hấp phụ được tính:
304. (m3)
- Trong đó:
305. ρt : Khối lượng riêng tính theo độ xốp = 670 kg/m3
306. ρh : Khối lượng riêng thực = 470 kg/m3

10


3.1.7 Xác định số đĩa trong tháp hấp phụ
307.
308. → số đĩa 5 đĩa.
3.1.8 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 - εn) Hs
- 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.
314.
315.

εn : độ xốp của than hoạt tính chuyển động = 0,55
Suy ra chiều cao lớp than chuyển động:
(m)
- Để dự trữ người ta tính toán khoảng cách giữa các đĩa là H0 = 0,4m.
- Do vậy, chiều cao phần có đĩa của tháp hấp phụ được tính:
316.
Ht = H0(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 2H0.
- Do vậy chiều cao của tháp hấp phụ là:

317.
Ha = Ht + 2.2H0 = 1,6 + 2.2.0,4 = 3,2 m.
3.2 Tính toán cơ khí:
3.2.1 Tính thân hình trụ
318. 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.
319. Người ta có thể chế tạo thân thiết bị bằng cách: hàn, rèn, đúc…
320. Thân hình trụ bằng vật liệu dẻo (thép, kim loại màu…) làm
việc đến áp suất 10.106 N/m2 được chế tạo bằng cách quấn tấm vật
liệu với kích thước đã định sau đó ghép mối lại.
321. 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.
322. 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.
323. Khi thiết kế thân hình trụ ta có thể dựa vào đường kính trong
bảng XIII.6 hoặc đường kính ngoài bảng XIII.7
324. 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:
325. H/Dt ≤ 30 và L/Dt ≤ 10.
326. Từ những cơ sơ trên và dữ kiện đề tài yêu cầu ( P < 1,6.10 6
N/m2, t < 450 oC), 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
327.

mối hàn.
Bảng 3.2 Tính chất cơ học của thép CT3 [1]
C

328.

329.

Mã

hiều dày

thép

tấm

330.

Giới hạn bền σ.106

336.

σ

, N/m2
337.

333.

Độ

nhớt va
σch

332.

δ, %

k

thép,

331.

đập, ak.106
J/m2

mm
341.
340.

CT3

4-

20
349.

22

342.

45

380

-40
355.

343.

344.

240

345.

347.

0,8

351.

230

346.

353.

0,7

25
357.

220

-60
360.
• Bề dày của thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong được tính
theo công thức:
361. (III.4)


362.

Trong đó:
- Dt : đường kính trong (m).
- φ : hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc (φ = φh =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/m2); P = 735 mmHg = 0,09.106
(N/m2)

- được tính như sau:
 Ứng suất cho phép của thép CT3 theo giới hạn bền xác
định theo công thức:
(III.5)
 Ứng suất cho phép theo giới hạn chảy được xác định
363.

theo công thức:
(III.6)

364.
365.

Trong đó:
- nk, nc, 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:
366. Bảng 3.3: Giá trị của hệ số hiệu chỉnh η [1]
N

367.

368.

Điều kiện sản xuất

369.

hóm

loại

thiết bị
374.
375.

376.

1

Các chi tiết hoặc các bộ

381.

383.

2

372.

373.

I
377.

I
379.
380.

phận đốt nóng trực tiếp bằng
ngọn lửa, khí lò, điện trở…

382.

Thiết bị

Các chi tiết hoặc các bộ

378.

0,75
384.

cách ly với nguồn nhiệt đốt

385.

0

,9
386.
387.

phận không bị đốt nóng hay bị

I

1

,0

0,9
nóng trực tiếp ở nhóm 1
388.
389.
390.
Bảng 3.4: Giá trị hệ số an toàn bền của thép không gỉ
[1]


391.

Hệ số an

392. Thép cacbon thường và không gỉ
394. Cán, rèn, dập
395. đúc

toàn bền
396. nk
397. 2,6
398. 3,5
399. nc
400.
402.
401. 1,5
403. 2,0
404. nbl
407.
408. Thay các dữ kiện vào (III.5) và (III.6) ta được:
409.

410.
411.

Chọn giá trị nhỏ trong hai giá trị trên thay vào công thức (III.4)

ta được:
412.
413.
414.
-

Với c = c1 + c2 + c3
Trong đó:
c1: 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.
- c2 : 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 c2.
- c3 : đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày tấm lim loại.
415. Đối với vật liệu bền (0,05 – 0,1 mm/năm) thì c1 = 1mm, c2 = 0,
c3 = 0,8mm
416. Do đó: c = 1,8.10-3 m
417. Vậy chiều dày của thiết bị S = 3,9.10-4 + 1,8.10-3 = 2,2 (mm)
418. Vậy ta chọn chiều dày thiết bị là 4 (mm)
419. Đường kính ngoài của thiết bị: Dn = Dt + 2S = 1,2 + 2. 4.10-3 =
1,208(m)
420. Kiểm tra ứng suất của thành thiết bị theo áp suất thử bằng
nước:
421. Po ≈ Pth = 1,25P = 1,25 . 0,09.106 = 112500 (N/m2)

422. Ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử:
423.
424.

Ta thấy: σ =592369 < σc /1,2 = 240.106 /1.2 = 200.106 nên đảm

bảo điều kiện bền. Vậy chọn loại thép CT3 có chiều dày 4mm.
425.
426.
3.2.2 Tính đáy và nắp thiết bị (đáy và nắp elip có gờ).


427.
428.

Nắp và đáy cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị và

thường được chế tạo cùng loại với thân thiết bị.
429. Đáy, nắp có thể gắn với thân thiết bị bằng cách hàn, ghép bích
hoặc hàn liền với thân.
430. Đáy, nắp thiết bị có nhiều dạng: elip, nón, cầu, phẳng… tùy
thuộc vào
431. Hình dạng của thân và áp suất trong thiết bị, đồng thời phải chú
ý đến yêu cầu công nghệ.
432. Tính toán đáy và nắp thiết bị hoàn toàn giống nhau
433. Chiều dày S được xác định theo công thức:
434.
(III.7)
435. Trong đó:
436. φh : hệ số bền của mối hàn hướng tâm

437. hb : chiều cao phần lồi của đáy
438. k : hệ số không thứ nguyên được xác định như sau:
439.
440.

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.
441. hb = 0,25Dt = 0,25.1,2 = 0,3 (m).
442.
443.

Tra bảng XIII.10 [1] ta được các giá trị φh = 0,95.
Thay vào công thức (III.7):

444.
445.
446.
447.
448.
449.
450.

451.
452.

= 4.10-4 + c (m)
↔ s – c = 4.10-4 = 0,4 mm < 10 mm nên tăng c thêm 2 mm
Do đó c = 1,8.10-3 + 2.10-3 = 3,8.10-3

Vậy S = 4.10-4 + 3,8.10-3 = 4,2 mm
Vậy chọn S = 5mm.
Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thủy lực:


453.

Ta thấy σ < σc/1,2 = 200.106 nên thỏa mãn điều kiện bền cho

phép.
454.
3.2.3 Chọn mặt bích
455. 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.
456. Với điều kiện làm việc của thiết bị: nhiệt độ cao nên chon loại
bích tự do bằng thép là phù hợp nhất.
3.2.4 Tính toán chân đỡ và tai treo.
457. Tính chân đỡ:
458.

Truïc thieát bò

Theo ñaùy
thieát bò

459.
460. Tra bảng XIII.II, Ta có giá trị khối lượng của đáy thiết bị:
461. m1 = 64,2 . 1,01 = 64,8 (kg).

462. 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).
463. Khối lượng của thân thiết bị:
464. m2 = Ht.П.Dt.S.ρthép.1,01 = 1,6.3,14.1,2.4.10-3.7,85.103.1,01 =
49,4 (kg).
465. Khối lượng của than hoạt tính trong thiết bị:
466. m3 = Vl.ρthan = 0,35.670 = 234,5 (kg).
467. Vậy tổng khối lượng của thiết bị lúc này là:
468. m = m1 + m2 + m3= 413,5 (kg).


469.

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:
470.
471.

Để đảm bảo an toàn chọn Gc = 0,8 . 1352 = 1082 (N).

472.
473.

Tra bảng XIII.35 [1], ta chọn chân đỡ có các thông số

sau:
q 476.

474.

475.

F.104

.10-6

485.

486.

m2

/m2

488.

489.

0 490.

85,5

,29

110

L

477.

478.

479.

B

B1

B2

491.

492.

493.

494.

495.

496. 497.

498.

8

9

110

180

120

6

19

0

5

N

499.
500.
501.
502.
503.
504.
505.
506.
507.
508.

509.

Tính tai treo:

480.

481.

H
h
487. mm

482. 483.

484.

s

d

l

4
0


510.
511.

Ta có khối lượng gần đúng của 1 chân đỡ được tính

như sau:
512. V = [2.(H-s).s.B2 + L.s.B] . 10-9

513.
= [2.(180-6).6.110 + 110.6.80].10-9
514.
515.
516.
517.

= 2,8.10-4 (m3)
Vậy khối lương của 1 chân đỡ: 2,8.10-4.7850 = 2,2 (kg)
Vậy khối lượng của 3 chân đỡ: 6,6 (kg).
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).
518. Tra bảng XIII.36 [1] ta được bảng số liệu của tai treo như sau:
519.
520.

521.

F.104

10-6

532.

533.

m2

/m2

535.

536.

57,0

44

q.

522.

523.

524.

525.

526.

L

B

B1

H

h

537.

538.

539.

540.

541.

90

6

7

140

35

5

5

N
0,

547.
548.
3.3 Tính toán thiết bị phụ
3.3.1 Tính toán bơm

527. 528.

529.

530.

531.

a

d

m

542. 543.

544.

545.

546.

6

3

1

1

1

5

5

4

s
534. mm

l


549.

Chọn bơm để bơm nước ở 20oC từ bình chứa hở và máy làm việc dưới

áp suất dư 0,1Mpa. Tiêu hao nước 1,2.10-2m3/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 120o và 10 ống nhánh góc 90o 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 90o với đường kính quay
bằng 6 lần đường kính ống.
550. Kiểm tra khả năng đặt bơm ở chế độ 4m so với nước ở trong bình chứa.

a) Chọn ống:
551.
Chọn tốc độ chảy của nước trong ống hút và ống đẩy đều
bằng 2m/s. Khi đó đường kính ống được tính:
552.
= = 0,088 (m)
553.
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
554.
Ta có chuẩn số Re:
555.
556.
557.

561.

Nghĩa là chế độ chảy trong ống là chảy rối.
Trong đó:
558. ω: vận tốc dòng chảy
559. ρ: khối lượng riêng của nước
560. µ: độ nhớt của nước
Độ gồ ghề tuyệt đối của đường ống là ∆=2.10-4 m. Khi đó:
562.
563.
564.
565.
566.

Và
Vậy: 4410 < Re < 247000. Như vậy ma sát trong đường

ống là hỗn hợp. Ta tính λ theo công thức:
567.
= 0,025
c) Xác định tổng hệ số trở lực cục bộ đối với đường ống hút và đẩy riêng
biệt
568.

Đối với đường ống hút:
• Cửa vào ống (mép sắc nhọn) ζ1 = 0,5
• Van một chiều: d=0,076 ζ = 0,6
569.
d=0,1
ζ = 0,5
570.
nội suy đối với d=0,088
ζ = 0,55.
571.
Nhân với hệ số hiệu chỉnh k = 0,925 ta có: ζ2 = 0,51


• Cửa: hệ số A = 1, B= 0,09 ζ3 = 0,09
572. Tổng cộng các hệ số trở lực cục bộ trên đường ống hút:
573. Σζ = ζ1 + 2ζ2 + 4 ζ3 = 0,5 + 2.1,02 + 0,36 = 1,88
574.
Mất mát áp lực trên đường ống hút được tính theo công

thức:

575.
576.

582.

587.

Trong đó:
577.
λ : hệ số ma sát
578.
l, dtd : chiều dài, đường kính tương đương của ống.
579.
Σζ : tổng hệ số trở lực cục bộ
580.
ρ : mật độ chất lỏng
581.
(m)
Đối với đường ống đẩy:
• Ống nhánh nghiêng 120o
583.
A =1,17; B= 0,09; ζ1 = 0,105
• Ống nhánh nghiêng 90o
584.
ζ2 = 0,09
• Van thường: với d = 0,08 m ζ = 4,0
585.
Với d = 0,1 m
ζ = 4,1
586. Ta thừa nhận với d = 0,088 m ζ = 4,04

• Cửa ra ống: ζ4 = 1
Tổng hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy:
588. Cũng áp dụng công thức như đã tính đường ống hút, ta
được:
589.
590.

(m)
Tổng mất mát áp lực: hm = hmh + hmd = 0,962 + 4,396 =

5,358
d) Chọn bơm
591.
592.
593.

Xác định áp lực bơm theo công thức:

Trong đó:
594.
P1 : áp suất trong máy từ đây chất lỏng được bơm đi
595.
P2 : áp suất chất lỏng trong máy mà chất lỏng được bơm
vào

Hl : chiều cao chất lỏng
597. Thay số ta được: (mH2O)
598.
ứng với áp lực tương đương và công suất đã cho ta chọn
596.

bơm ly tâm (xem bảng 3.5)
599.
600.
Bảng 3.5. Đặc tính kỹ thuật bơm ly tâm [1]