thiết kế hệ thống xử lý hỗn hợp khí thải ơ nhiễm bụi và hơi nicotine từ lị sấy thuốc của dy chuyền sản xuất thuốc l

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ HỖN HỢP KHÍ THẢI Ô NHIỄM BỤI VÀ HƠI
NICOTINE
TỪ LÒ SẤY THUỐC CỦA DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT THUỐC LÁ

Mục lục
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Các phương pháp xử lý khí thải
Chương 3: Tính toán thiết kế
Chương 4: Tính chi phí
Tài liệu tham khảo

1


Chương 1: Tổng quan
I.

Tổng quan nicotine:

Nguồn gốc phát sinh nicotine :
Nicotine là một ancaloit tìm thấy trong các cây họ Cà (Solanaceae), chủ yếu trong cây thuốc lá.
Cấu trúc hóa học của chất nicotine đã được xác định vào năm 1843 bởi nhà hóa học người Bỉ và
nhà vật lý Louise Melsens (1814-1886) và hợp chất lần đầu tiên được tổng hợp bởi nhóm nghiên
cứu của A. Pictet và A. Rotschy vào năm 1904. Nicotin chiếm 0,3 đến 5% của cây thuốc lá khô,
được tổng hợp và tích luỹ trên lá. Nguồn gốc phát sinh chủ yếu từ các nhà máy thuốc lá.Trong
quá trình từ thu hái lá, chế biến sợi cho đến sản xuất thuốc lá điếu, người lao động có nguy cơ
nhiễm độc nicotin rất cao.
Tác hại: nicotine là một chất độc có độc tính cao trước đây nicotine được sử dùng làm thuốc trừ
sâu. Ở liều cao, nó có thể làm chết người. Liều thấp của nicotine có thể gây chóng mặt, buồn nôn,

và nôn mửa. Nicotin dễ dàng hấp thu vào cơ thể qua da lành và niêm mạc.
Tình hình ô nhiễm:
Hiện nay ở Việt Nam cũng có rất nhiều nhà máy sản xuất thuốc lá với hàng ngàn người lao động
hàng ngày tiếp xúc trực tiếp với thuốc lá.Do đó người lao động có nguy cơ cao nhiễm độc nicotin
nghề nghiệp. Thông thường là nhiễm độc mãn tính do phải tiếp xúc thường xuyên với thuốc lá có
nồng độ nicotin cao trong điều kiện vệ sinh kém.
Theo số liệu điều tra của Trung tâm Y tế - Môi trường Lao động Bộ Công nghiệp tại 5 nhà máy
sản xuất thuốc lá (năm 1995) tỉ lệ nhiễm độc nicotin nghề nghiệp ở công nhân từ 14,58 - 33,9%.
Theo kết quả xét nghiệm 1.285 mẫu nicotin niệu của Viện Vệ sinh - Y tế Công cộng trong năm
2002 cho thấy tỉ lệ công nhân có biểu hiện thấm nhiễm nicotin rất cao (62,6%) với các mức độ
khác nhau, thậm chí có công nhân có lượng nicotin niệu vượt gấp hơn 10 lần tiêu chuẩn cho phép.
Một nghiên cứu trên Tạp chí Công nghệ Hóa học và Sinh học Hoa Kỳ cho thấy, các cơ sở chế
biến thuốc lá sản sinh ra một lượng khí thải lớn có chứa mùi hôi và các hợp chất dễ bay hơi có thể
gây hại. Các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp GC - MS (sắc ký khí kết hợp với khối phổ)
phân tách hỗn hợp hóa chất thành một mạch theo từng chất tinh khiết và xác định định tính, định
lượng từng chất có mặt trong hỗn hợp không khí đó. Phương pháp này đã xác định có tới 80 hợp
chất tồn tại trong hỗn hợp khí thải mùi thuốc lá bay ra từ các nhà máy sản xuất thuốc lá.
II. Tính chất nicotine:
Tính chất vật lý:
2


Nicotine ở dạng tinh khiết là chất lỏng, không màu, chuyển sang màu nâu khi tiếp xúc
không khí, tan trong nước (106 mg/l ở 20 ºC) cồn ethyl (50 mg/mL), ether, và chloroform6
Khối lượng riêng 1,01 g/ml (ở 200C)
Nhiêt độ nóng chảy -79 ºC
Nhiêt độ sôi 247 ºC.
Áp suất hơi tại 25ºC 5620 mPa thuộc VOCs [3]
LEL 0,7%(7000ppm)
UEL 4%(40000ppm)

Tính chất hóa học:

Nicotine là một loại alkaloid (bazơ gốc nitơ)
IUPAC Name (S)-3-(1-methylpyrrolidin-2-yl)pyridine
CTPT C10H14N2
Phân tử gam : 162.23 g/mol.
CAS RN 54-11-5
EC number 200-193-3
III.

Tiêu chuẩn xả thải:

Nồng độ nicotine dưới 0,5 mg/m3 trong vùng làm việc trung bình 8 giờ (TCVS
3733:2002/QĐ BYT).
Hàm lượng bụi dưới 200 mg/Nm 3(theo QCVN 19:2009 BTNMT quy định cột B cho
các cơ sở sản xuất kinh doanh hoạt đông từ tháng 1 năm 2007).

3


Chương 2: Các phương pháp xử lý khí thải
I.

Phương pháp lọc sinh học

Đây là một phương pháp để xử lý các chất khí có mùi hôi và các hợp chất hữu cơ bay hơi có nồng
độ thấp.
Nguyên tắc hệ thống xử lý là tạo điều kiện cho vi khuẩn tiếp xúc với các chất ô nhiễm trong khí
thải. Hệ thống lọc khí thải này là nơi chứa các nguyên liệu lọc và nơi sinh sản cho các vi sinh vật.
Trong hệ thống này, các vi sinh vật sẽ tạo thành một màng sinh học (biofilm), đây là một màng

mỏng và ẩm bao quanh các nguyên liệu lọc.
Chất hữu cơ gây ô nhiễm + O2  CO2 + H2O + nhiệt + sinh khối
Mô tả quá trình xử lý
Hệ thống lọc sinh học cung cấp môi trường cho vi sinh vật phát triển và phân hủy các chất khí có
mùi hôi và các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong khí thải. Hệ thống lọc bao gồm một buồng kín chứa
các vi sinh vật và hấp thụ hơi nước, giữ chúng lại trong nguyên liệu lọc. Nguyên liệu lọc được
thiết kế sau cho có khả năng hấp thụ nước lớn, độ bền cao, và ít làm suy giảm áp lực luồng khí đi
ngang qua nó.
Khi chất khí đi ngang qua lớp nguyên liệu lọc, các chất ô nhiễm bị hấp thụ và phân hủy.
Khí thải sau khi đã lọc sạch được phóng thích vào khí quyển từ bên trên của hệ thống lọc.
Hầu hết những hệ thống lọc sinh học hiện nay có công suất xử lý mùi và các chất hữu cơ
bay hơi lớn hơn 90%. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là chỉ xử lý được những
khí thải có nồng độ chất ô nhiễm thấp (<1000 ppm) và lưu lượng khí xử lý chỉ nằm trong
giới hạn 300-500 ft3/ft2-giờ.



Ưu và khuyết điểm của hệ thống lọc sinh học
Ưu điểm






Ưu điểm chính là giá thành thấp, giá vận hành thấp, ít sử dụng hóa chất.
Thiết kế linh động, do đó có thể thích nghi với mọi loại hình công nghiệp và diện tích của
xí nghiệp.
Hệ thống lọc sinh học linh động trong việc xử lý mùi hôi, các hợp chất hữu cơ bay hơi
và các chất độc. Hiệu suất xử lý thường lớn hơn 90% đối với các khí thải có nồng độ các

chất ô nhiễm < 1000 ppm.
Nhiều loại nguyên liệu lọc, vi sinh vật và điều kiện vận hành khác nhau có thể áp dụng
để đáp ứng nhu cầu xử lý.

Khuyết điểm

4







Hệ thống lọc sinh học không thể xử lý được các chất ô nhiễm có khả năng hấp phụ thấp
và tốc độ phân hủy sinh học chậm ví dụ như các hợp chất hữu cơ bay hơi có chứa chlor.
Các nguồn ô nhiễm có nồng độ hóa chất cao cần các hệ thống lớn và diện tích lớn để lắp
đặt hệ thống lọc sinh học.
Nguồn gây ô nhiễm có mức độ phóng thích chất ô nhiễm biến động cao sẽ gây ảnh
hưởng đến hệ vi sinh vật cũng như hiệu suất xử lý của chúng.
Thời gian để cho các vi sinh vật thích nghi với môi trường và tạo thành các màng sinh
học (biofilm) có thể kéo dài hàng tuần đến hàng tháng, đặc biệt là đối với việc xử lý các
chất hữu cơ bay hơi.
II.

Phương pháp hấp phụ:xử lý mùi hôi khí thải

Khí thải chứa mùi từ nơi phát sinh được thu gom thông qua các chụp hút. Các chụp hút được nối
với hệ thống ống dẫn, dưới tác dụng của lực hút ly tâm khí thải chứa mùi theo hệ thống đường
ống dẫn vào tháp hấp phụ. Quá trình hấp phụ được thực hiện bằng cách cho tiếp xúc hai pha

không hòa tan pha rắn với pha khí. Chất hấp phụ sẽ đi từ pha khí đến pha rắn cho đến khi nồng độ
giữa hai pha đạt đến trạng thái cân bằng. Hiệu quả của phương pháp hấp phụ phụ thuộc vào diện
tích bề mặt của pha rắn và khả năng hấp phụ của vật liệu được chọn. Than hoạt tính là một trong
những vật liệu thường được chọn làm chất hấp phụ. Khí sau khi qua tháp hấp phụ được dẫn ra
ống thải và thoát ra ngoài không khí.
Quy trình công nghệ:
Mùi hôi

Ống
khói
Tháp hấp Phụ

Chụp hút

Hệ thống ống
Quạt hút

Ưu nhược điểm công nghệ xử lý mùi hôi
Ưu điểm:


Công nghệ đề xuất phù hợp với đặc điểm, tính chất của nguồn khí thải;



Nồng độ khí thải sau xử lý đạt QCVN 19:2009/BTNMT.
5




Cấu tạo đơn giản.



Không gian lắp đặt nhỏ.
Nhược điểm: Vận hành phức tạp, đòi hỏi nhân viên vận hành phải có trình độ chuyên
môn cao.
III.

Nguồn thải và công nghệ đề xuất:

Thành phần đặc tính nguồn khí thải :
- Lưu lượng 8000 m3/h phát sinh từ lò sấy thuốc lá trong dây chuyền sản xuất nhà máy.
- Nhiệt độ hỗn hợp khí 500 ºC,khối lượng riêng hỗn hợp khí 1,00484 kg/m 3.Thành phần
gồm bụi đường kính nhỏ hơn 5µm (chiếm 90%), nồng độ bụi 680 mg/m 3 ở điều kiện
áp suất khí quyển.
- Nồng độ nicotine 16,5 mg/m3 .
Tiêu chuẩn xả thải:
- Đối với bụi yêu cầu đối với PM10 là dưới 0,150 mg/m 3 trung bình 24 giờ (theo QCVN
5:2009 BTNMT)
- Đối với khí nicotine giới hạn tối đa trung bình 8 giờ trong vùng làm việc là 0,5 mg/m 3
(TCVS 3733:2002/QĐ-BYT).Yêu cầu thực tế giảm nồng độ nicotine còn 5.10-4 mg/m3
Để xử lý hỗn hợp khí thải phù hợp tiêu chuẩn xả thải đối với bụi hiệu suất xử lý cần
99,98%,đối với hơi nicotine hiệu suất cần 100%.
Đề xuất công nghệ lý:
Sơ đồ khối
Sơ đồ khối xử lý bụi và hơi nicotine
Nguồn thải

Trao
đổi
nhiệt

Lọc túi
vải

Trao
đổi
nhiệt

-

Ống
khói

Tháp
Hấp phụ

Giải thích sơ đồ: Khí sau khi qua bộ phận trao đổi nhiệt sẽ được lọc tinh với thiết bị
lọc túi vải. Hiệu suất xử lí của túi vải cao đạt 99-99,9% đối với bụi có đường kính d <
1m. Dòng khí tiếp tục được cho đi qua ống khói có gắn lớp than hoạt tinh để hấp phụ
nicotine. Vật liệu hấp phụ là than hoạt tính vì nicotine là VOCs nên sẽ bị hấp phụ
mạnh bởi than hoạt tính.Không dùng silicagel vì hút ẩm mạnh,không dùng zeolit vì đắt
tiền. Dòng khí sau khi qua lớp hấp phụ bị tụt áp nên sẽ được quạt hút vào ống khói và
thải ra ngoài. Than sau khi làm việc 1 thời gian sẽ bị bão hòa. Tái sinh than bằng dòng
hơi nước quá nhiệt(do nicotine tan nhiều trong nước) và thu hồi được nicotine bằng
ngưng tụ. Nicotine thu hồi có thể đem cung cấp cho nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu.
6

-

Trạng thái khí qua các giai đoạn :

-

Qua trao đổi nhiệt đưa dòng khí thải về T=3000C,p = 1,2 atm, V=4942 m3/h,
ρk=8000.1,00484/4942=1,62668 kg/m3 ,Cb=8000.680/4942=1101 mg/m3.

-

Trước khi vào tháp hấp phụ cho trao đổi nhiệt đưa về T=200C, p=1atm,V=2826
m3/h,ρk=1,2kg/m3,nồng độ nicotine vào Cnv =8000.16,5/2826 = 46,71 mg/m3 , nồng độ
nicotine ra Cnr=8000.5.10-4/2826=1,42.10-3 mg/m3
Chương 3: Tính toán thiết kế
1. Tính thiết thiết bị lọc túi vải
1.1 Chọn vật liệu lọc:Chọn vải thủy tinh vì chịu được nhiệt độ cao 2600-3000C
1.2 Diện tích bề mặt lọc:

-

Tổng diện tích túi lọc bụi yêu cầu: F = Q/(A/C) với Q lưu lượng khí thải( m3/h);

A/C=150-180m3/m2h),chọn A/C=180m3/m2h(theo TL [5])
F=4942/180=27,5(m2)
Diện tích của 1 túi:Túi tròn: f = π x D x l(m2) với p chu vi túi (m);D đường kính túi lọc hình trụ
tròn (m) lấy 125-250 mm,chọn 200mm;l chiều dài túi (m) lấy 1,5-2 m,chọn 2m.
f = π x 0,2 x 2 = 1,26 m2
-

Vận tốc lọc
v = A/C= 180 m/h =3m/phút

-

Số ống tay áo

n= F/f = 21,8 chọn số ống n=24 ống
Ta bố trí thành 4 hàng, mỗi hàng 6 ống tay áo.
Khoảng cách giữa các túi là 100 mm(chọn 30-100mm)
Khoảng cách từ ống đến thành thiết bị là 100 mm
-

Chiều dài thiết bị
L = 7.0,1 + 6.0,2 = 1,9 m

-

Chiều rộng thiết bị
B = 5.0,1 + 4.0,2 = 1,3 m

-

Trở lực qua thiết bị lọc 1177-1472 N/m2 [5]. Chu kỳ rũ bụi là 2-3 h.
7


Nồng độ bụi sau khi qua thiết bị lọc túi vải là:
Ta có hiệu suất của thiết bị lọc túi vải là 99,8%

tháp hấp phụ Cb1=3,85 mg/m3 .

 Cb= 1101.(1-0,998)= 2,2 mg/m3 đến

2. Tính toán tháp hấp phụ.
Cơ sở tính toán của thiết bị hấp phụ gián đoạn, nhiệm vụ của quá trình tính toán thiết kế
thiết bị là phải xác định được: kích thước thiết bị, thời gian của 1 chu kỳ hấp phụ và lượng chất
hấp phụ.
Các thông số của khí vào tháp hấp phụ
Q

2826 m3/h

Cnv

46,71mg/m3

Cnr

1,42.10-9 mg/m3

T

20oC

P

760mmHg

ρk

1,2Kg/m3

2.1 Đối với dòng khí đầu vào
- Nồng độ nicotin đầu vào Cnv=46,71mg/ m3 =6,93 ppm < 25% LEL=1750ppman toàn
khi vào tháp.
- Tải lượng của hỗn hợp khí đầu vào thiết bị:
Gd = Q.k
Q : lưu lượng dòng khí vào, Q = 2826 m3/h
Gd = Q.k = 2826.1,2 = 3391,2 kg/h = 0,942 kg/s
- Tải lượng của hơi nicotine trong hỗn hợp khí đầu vào:
Gnd =Q.C0= 2826.46,71.10-6 = 0,132 kg/h ~ 0kg/s
- Tải lượng của không khí trong hỗn hợp khí đầu vào:
Gkd = Gd – Gnd = 0,942 kg/s
2.2 Đối với dòng khí đầu ra
- Tải lượng của hơi nicotine trong dòng khí ra khỏi thiết bị:
Gnr =Q.Cnr = 2826.1,42.10-9 ~ 0 kg/s
8


- Tải lượng của hỗn hợp khí đầu ra:
Gkr=Gkd+Gnr=0,942 kg/s
Đường kính tháp

Chọn vận tốc dòng khí đi vào thiết bị hấp phụ là =1,6 m/s

Chọn Dt=0,8m.
2.3 Đường hấp phụ đẳng nhiệt của nicotine
Lấy Benzen làm chất chuẩn để thiết lập đường hấp phụ đẳng nhiệt của Nicotine, ta có:

Trong đó
a1*, a2* : nồng độ của benzen và nicotine bị hấp phụ, kg chất hấp phụ/kg than hoạt tính,
v1, v2 : thể tích mol benzen và nicotine ở dạng lỏng (m3/kmol)
p1, p2 : áp suất riêng phần của hơi benzen và nicotine, mmHg
ps,1 : áp suất hơi bão hòa của hơi benzen ở 20˚C, mmHg
ps,1 = 75 mmHg
ps,2 : áp suất hơi bão hòa của hơi nicotine ở 20˚C, mmHg
T1, T2 : nhiệt độ của benzen và nicotine khi hấp phụ,
T1 = 293 ˚K, T2 = 293 ˚K
β : hệ số ái lực (hệ số aphin).
ps,2 = 0,04 mmHg
Thể tích mol của benzen và nicotine là:

ρ1 – khối lượng riêng của benzen, ρ1 = 879 kg/m3, ở 20˚C
ρ2 – khối lượng riêng của nicotine, ρ2 = 1010 kg/m3, ở 20˚C
Hệ số aphin là:

9


Dựa vào các công thức trên và số liệu đường đẳng nhiệt của benzen, ta xây dựng được các
số liệu đường đẳng nhiệt của Nicotine như sau:

Đường hấp phụ đẳng nhiệt của benzen

Đường hấp phụ đẳng nhiệt của Nicotine

p1, mmHg

a1*, kg/kg

0,105

0,103

0,223

0,122

1,08.10-06

0,067

1

0,208

1,63. 10-05

0,115

3

0,233

1,1910-04

0,129

8

0,262

0,7.10-03

0,145

13

0,276

0,17. 10-02

0,153

19

0,294

0,33. 10-02

0,163

33

0,318

0,91. 10-02

0,17

42

0,338

1,4. 10-02

0,187

50

0,359

1,9. 10-02

0,199

p2, mmHg
2.78.10-07

a2*, kg/kg
0,057

Đường hấp phụ đẳng nhiệt của Nicotine
a*=0,299 p 0,103(r2=0,959)(*)

10


a*(kg/kg)

0.25
0.2

f(x) = 0.3 x^0.1
R² = 0.96

0.15
0.1
0.05
0

-0.01

0

0

0.01

0.02

0.02

0.03

Áp suất hơi riêng phần của Nicotine trong dòng khí vào là:

Vậy nồng độ cân bằng của nicotine trong pha rắn là:
a0* =(52,68.10-4) 0.103.0.299 = 0,174 kg nicotine/kg than
Thể tích khí xử lý trong 6 ngày(1 tuần) ,mỗi ngày làm việc 8h V=6.8.Q=135648 m3

Khối lượng than để xử lý hết thể tích khí đó:
Gt=V.Cnv/a0*=36,377 kg cộng thêm 80,8% sai khác hệ số ái lực Gt=65,769 kg hay 0,132m3
thanH than là 0,26 m tương ứng Dt=0,8m.
Hệ số truyền khối

Trong đó
 ’ : tốc dòng khí đi vào thiết bị hấp phụ là ’=1,6 m/s
 � : hệ số nhớt động học của không khí ở 200C, � = 15.10-6 m2/s
 dg : đường kính trung bình của than hoạt tính. Chọn than hoạt tính GAC có khối
lượng riêng xốp là 500kg/m3 và có đường kính là dg = 4 mm
 D : hệ số khuếch tán của nicotine ở 200C ([6] trang 13)
Trong đó
VK : thể tích mol của không khí, VK = 29,9cm3/mol
11


VN : thể tích mol của nicotine
Ta có thể tích mol của các nguyên tố là:





N = 15,6 cm3/nguyên tử
H = 3,7 cm3/ nguyên tử
C = 14,8 cm3/ nguyên tử
Hệ số vòng benzen là 15
VN = 10.14,8 + 14.3,7 + 2.15,6 – 15 = 216 cm3/mol

2.4 Thời gian làm việc an toàn của than ([6] trang 114)

Căn cứ vào giá trị của ao* và đường đẳng nhiệt hấp phụ của nicotine, ta thấy điểm đẳng
nhiệt tương ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp hơi – không khí nằm trong khu vực thứ hai. Do đó,
thời gian hấp phụ của quá trình được tính theo công thức.
Trong đó :
  : thời gian làm việc, s
 ω' : tốc độ của dòng khí vào thiết bị, ω'= 1,6 m/s
 H: chiều cao lớp than, m
 Ky : hệ số truyền khối, Ky = 125,706 1/s
 a0 : hoạt độ hấp phụ cân bằng với nồng độ khí đi vào thiết bị, (kg/m3 )
a0 = 0,174.500 = 87,1 kg nicotine/m3 than

: nồng độ ban đầu chất hấp phụ trong pha khí kg/m3

p= , nồng độ cân bằng trong khí khi a=a∞/2
Ta có a∞ /2=0.107 kg/kg từ (*)  P1 = 4,78.10-5 mmHg
= MP1 /RT = 162. 2,25.10-5/[22.4/273.293.760]=4,238. 10-7kg/ m3 nên p = 110,2
(h)

(*)

Với chiều cao lớp than H = 0,26m tương ứng 6 ngày làm việc thì thời gian hấp phụ an
toàn  =45,585 h .Ta để than hấp phụ trong 5 ngày(40 h) sau đó giải hấp,khoảng 5-10 lần
thì thay lớp than mới.Đối với thiết bị hấp phụ hoạt có lớp vật liệu đứng yên, thông thường
thời gian giải hấp và làm nguội lớp than từ (2/3 – ¾).8 h = 5 – 6 h.Thiết bị được giải hấp
bằng hơi nước quá nhiệt trong lúc nghỉ để tái sinh lớp than hoạt tính và thu hồi hơi
nicotine dưới dạng chất lỏng.
12


2.5 Nhiệt hấp phụ ([6], trang 111)

Ta có
Đối với than hoạt tính thì với Ts là nhiệt độ sôi của chất bị hấp phụ.
Nhiệt độ sôi của nicotine là 247 0C (520 K)
Nên nhiệt hấp phụ của than hoạt tính đối với nicotine là
q = 2180. = 49711,65 J/mol nicotine
Lượng nicotine bị hấp phụ trong 1 ngày làm việc
Gn = Q..(C0 - C) = 2826.8.(46,71.10-6 – 1,42.10-9)= 1056 g
Số mol của lượng nicotine đã bị hấp phụ:
nn = 1056/162 = 6,518 mol
Lượng nhiệt phát sinh ra trong cả chu trình
Qh = 49711,65.0,148 = 324,04 KJ
Lượng nhiệt này sẽ tiêu tốn cho việc làm nóng than, thiết bị thất thoát và chủ yếu làm
nóng cho hỗn hợp khí. Nếu giả sử toàn bộ lượng nhiệt này chỉ tiêu hao cho làm nóng than thì
nhiệt độ hỗn hợp sẽ tăng thêm :

C: nhiệt dung riêng của không khí , C= 1,01 Kj/kg.độ
0

C

Do nhiệt hấp phụ tỏa ra không làm thay đổi đáng kể nhiệt độ của dòng khí nên ta có thể bỏ
qua sự tỏa nhiệt của quá trình hấp phụ.
3

Tính toán cơ khí:

3.1 Tính bề dày thân tháp hấp phụ
Thân thiết bị hấp phụ gián đoạn được thiết kế theo kiểu hình trụ hàn, chịu áp suất trong p
= 760 mmHg = 0,1 N/mm2 .
Vì thiết bị làm việc ở điều kiện bình thường và dòng khí không có tính chất ăn mòn nên ta

chọn vật liệu làm thân thiết bị là thép CT3 với các đặc điểm sau:
- Giới hạn bền: K = 380.106 N/m2
- Giới hạn chảy: c = 240.106 N/m2
13


- Chiều dày tấm thép: b = 2 – 20 mm
- Hệ số hiệu chỉnh:  = 1(thiết bị loại 2 bảng XIII.2 [8])
- Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2,6
- Hệ số an toàn bền chảy: nc = 1,5
- Hệ số bền mối hàn: φh =0,95(bảng XIII.8 trang 362 [8])
- Khối lượng riêng:  = 7850 kg/m3
Tính [σ] : ứng suất cho phép của thép CT3,
[σ]= Min ( [K] , [c] )

[σ]= Min ( [k] , [c] = 146,154 N/mm2
Với p là áp suất làm việc trong thân thiết bị p=1 atm = 0,1 N/mm2
Chiều dày nhỏ nhất thân thiết bị là: ([7] trang 118)

 ptt là áp suất tính toán. Vì không có áp suất thuỷ tĩnh nên
ptt= p= 0,1 N/mm2
 Dt : đường kính trong thân thiết bị, Dt = 800 mm
Bề dày thực của thiết bị
S=S’+C
C : hệ số bổ sung ([8] trang 367)
C = C1 +C2+C3
C1 : hệ số bổ sung ăn mòn, C1 = 1 mm(trong 10 năm)
C2 : hệ số bào mòn do cơ học, C2 = 0
C3 : hệ số bổ sung sai lệch kích thước do chế tạo, Cc =0,12mm ([8]bảng
XIII.9 trang 364)

S = 0,3 + 1 + 0,12 = 1,42 mm lấy S=2 mm
Kiểm tra ứng suất thân thiết bị theo áp suất thử tính toán
Áp suất thử p0 = 1,3.N/m2([8]tra bảng XIII.5 trang 358 )
14


N/m2
Chọn S =5 mm  [p]=142.N/ m2 thỏa điều kiện trên.
3.2 Đáy và nắp :


Vật liệu CT3 [ ]=[u ]= 145.106 N/m2 ,p = 1,01.105 N/ m2 các thông số khác như
trên.
Chọn dạng hình nón có gờ có góc α=450 ,đường kính lỗ ở tâm d=0,15m ,bán kính
uốn gờ Rg/Dt> 0,15 ,chọn Rg = 0,15 Dt =0,12 m tra đồ thị y =1.



Bề dày S = +C3m ([8]trang 399)
= + 1,12. 10-3=1,42.10-3 m
Lấy S= 2mm.Tính D’ = Dt – 2[Rg(1-cosα)+10Ssinα]=0,7m phải lớn hơn
0,5[Dt-2[Rg(1-cosα)+d]=0,44m.
Kiểm tra ứng suất thành khi thử thủy lực bằng nước theo XIII.55([8]trang 400)
σ= [ = [106 N/m2 phải nhỏ hơn c /1,2= 200.106 N/m2 (thỏa).

Các thông số tháp:
Thông số

Giá trị (mm)

Chiều cao nắp hình nón

378

Chiều cao đáy hình nón

378

Bề dày đáy và nắp
Chiều cao phần hình trụ
Bề dày thân

2
755
5

Đường kính ống vào

150

Đường kính ống ra

150

Đường kính ống dẫn hơi vào

100

Đường kính ống dẫn hơi ra

100

3.3 Mặt bích


Mặt bích nối thân với nắp tháp hấp phụ .Đáy thiết bị được nối với thân bằng
phương pháp hàn. Nắp thiết bị nối với thân bằng mặt bích, để có thể dễ dàng thay
thế chất hấp phụ.Chọn thép CT3 là vật liệu làm mặt bích và bulon nối nắp và thân
thiết bị, tra bảng XIII.27 ([8] trang 419) ta có các thông số sau

15


D
Db

h

D1
Dt

d

D0

Đường kính trong của thân

Dt = 800 mm

Đường kính ngoài của bích

D = 930 mm

Đường kính ngoài của thân

D0 = 811 mm

Đường kính mép vát

D1 = 850 mm

Đường kính tâm bulon

Db = 880 mm

Chiều cao bích

h = 20 mm

Số bích

2

Loại bulon

M20

Số bulon

z = 24

2.[3,14.(0,932- 0,8112).0,02.7850/4] = 51,1 kg

Khối lượng bích


Mặt bích nối thân tháp với ống dẫn khí vào,ra ([8] bảng XIII.26 trang 414)

chọn kiểu 1, vật liệu làm mặt bích và bulon CT3 nối ống dẫn và thân thiết bị. Đường kính ống dẫn
khí vào : 150 mm
D
Db

h

D1

d

Dy
Dn

16


Đường kính ngoài ống dẫn

Dn = 159 mm

Đường kính ngoài của bích

D = 260 mm

Đường kính mép vát

D1 = 202 mm

Đường kính tâm bulon

Db = 225 mm

Số bích

4

Chiều cao bích

h = 16 mm

Loại bulon

M16

Số bulon

z=8

Khối lượng bích


4.[3,14.(0,262- 0,1592).0,016.7850/4] = 16,7 kg

Mặt bích nối nắp tháp với ống dẫn hơi nước quá nhiệt vào và ra([8] bảng XIII.26
trang 413) Chọn thép CT3 là vật liệu làm mặt bích và bulon nối ống dẫn và nắp
thiết bị. Đường kính ống dẫn khí ra : 100 m

Đường kính ngoài ống dẫn

Dn = 108 mm

Đường kính ngoài của bích

D = 205 mm

Đường kính mép vát

D1 = 148 mm

Đường kính tâm bulon

Db = 170 mm

Chiều cao bích
Số bích

h = 14 mm
4

Loại bulon

M16

Số bulon

z=4

Khối lượng bích

4.[3,14.(0,2052- 0,1082).0,014.7850/4] = 10,48 kg

3.4 Chân đỡ:
Khối lượng tháp là tổng khối lượng của thân, đáy, nắp, bích và khối lượng lớp than
G = G1 + G2 + G3 + G4 + G5
17




Khối lượng thân G1
G1 = Vt. = 0,86.3,14.0,8.0,005.7850= 84,84 kg



Khối lượng đáy G2
G2 = Vd.  =0,00188.7850 = 14,73 kg



Khối lượng nắp G3
G3 = G2 = 14,73 kg



Khối lượng bích G4
G4 =51,1 + 16,7 + 10,48 = 78,28 kg



Khối ượng than: G5 =65,769 kg

Vậy G = 84,84 + 14,73 + 14,73 + 78,28 + 65,769 = 258,4 kg

Chọn số chân đỡ cho tháp hấp phụ là 4 chân
Tải trọng tác dụng lên 1 chân đỡ là :

Chọn tải trọng cho phép trên 1 chân đỡ là G1 = 0,1.104 N([8]bảng XIII.35 trang 437), các
thông số của chân đỡ đã chọn là:
Bề mặt đỡ: F = 40,5.10-4 m2
Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ: q = 0,25.106 N/m2

B1

B2
10

10

H

s

h

s

d

Thông số
Đơn vị

L

B

l
A

L

B1

B2

B

H

h

s

l

d

mm

18


Giá trị

4

70

60

60

90

150

105

4

30

14

Tính toán quạt hút.
-

Chọn đường kính ống trước sau lọc túi vải:D=300mm tốc độ khí v=19,42m/s
Chọn đường kính ống trước sau tháp hấp phụ:D=150mm tốc độ khí v=44,42m/s

Khí sau khi qua thiết bị lọc túi vải và tháp hấp phụ bị giảm tốc do trở lực của tháp nên cần
có quạt để hút và thổi khí vào thiết bị kế tiếp và vào ống khói thải ra ngoài.
-

Quạt sau lọc túi vải: Chọn quạt hút ly tâm:

Ta có công suất quạt([9] công thức 1.11 trang 11)

Ndc = k.N

Trong đó:
 Q : lưu lượng khí thải, Q =1,373 m3/s
 P trở lực lọc túi vải chọn 1447 Pa.
 tr : hiệu suất truyền động, tr = 1 (lắp đặt trực tiếp với trục truyền động)
 q: hiệu suất quạt ly tâm, q = 0,65
 Ndc : Công suất động cơ điện, kW
 k: hệ số dự trữ, k=1,2-1,5 (N = 1- 5kW) ,chọn 1,3.
-

Quạt sau tháp hấp phụ
Chọn quạt hút ly tâm:

Ta có :

Ndc = k.N

Trong đó:
 Q : lưu lượng khí thải, Q =0,785 m3/s
 P trở lực qua tháp:Theo công thức của Ergun
P = f H ρ ω2/dg

 f hệ số ma sát f=(1- ε)/ ε [150(1-ε)/Re+1,75],
19


Re = ω dg / � =1,6.0,004/(15. 10-6 )=426,67
Độ xốp ε =0,34 f = 3,85 và P =3,85.0,26.1,2.1,62/0,004=768,3 Pa
Bảng tính toán 2 loại quạt hút ở sau thiết bị lọc túi vải và sau tháp hấp phụ.

Quạt

Sau lọc túi vải

Sau tháp hấp phụ

Trở lực

1472 Pa

768,3 Pa

N

3,06 kw

1

Ndc

4 kw

1,3

5,3

1,7

Quạt ly tâm VLT 4B

Quạt ly tâm VLT 4B 02

Thông số

Ndc (Hp)
Chọn quạt (Hp)

05

Chương 4: Tính chi phí

Bảng chi phí :
Tên thiết bị

Thông số

Số lượng

Đơn giá

Giá(triêu đồng)

Quạt (sau lọc
túi vải)

VLT 4B 05 5HP

1

10,25

Quạt (sau tháp
hấp phụ)

VLT 4B 02 2HP

1

6,2

Than hoạt tính

500kg/m3,de=4mm

6500m3/h,cột áp
150mmH2O

3200m3/h,cột áp
100mmH2O
65,8Kg

20000

1,316

Bộ lọc túi vải
Thiết bị hấp
phụ
20


-Thép

CT3

258,4Kg

16000

4,1344

Tài liệu tham khảo
[1] />[2] />[3] />[4] />%E1%BA%BFn-lo-s%E1%BA%A5y-thu%E1%BB%91c-la/
[5]TS Phạm Tiến Dũng- Kiểm soát ô nhiễm môi trường không khí

[6]Trịnh Văn Dũng – BT Truyền khối
[7]Lý ngọc Minh – Cơ sở thiết kế chế tạo thiết bị trong công nghệ sản
xuất và môi trường.
[8] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Phạm Xuân Toản – 2006 - Sổ
Tay Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghê Hoá Chất, Tập 2 - NXB Khoa
Học và Kỹ Thuật.
[9]Nguyễn Văn Lục – Hoàng Minh Nam – BT các quá trình cơ học

21