Do đó, với tính cấp thiết của yêu cầu trên mà Đồ án môn học mangnhiệm vụ thiết kế tháp mâm xuyên lỗ xử lý NH3, là một trong những phương phươngpháp góp phần vào việc xử lý khí thải ô nhi
TỔNG QUAN NH 3
Giới thiệu về khí thải NH 3
Amoniac là một chất khí không màu có mùi rất khó chịu, là chất khí có tính kiềm yếu Nhẹ hơn không khí, có nhiệt độ sôi là -33,34 o C và nhiệt độ nóng chảy là-77,7 o C Là phân tử có cực, tan nhiều trong nước, và hiện tượng này được giải thích bởi liên kết hydro giữa phân tử NH3 và phân tử H2O.
NH3 ở hàm lượng cao là một chất độc đối với con người và các sinh vật khác, nếu hít phải hoặc tiếp xúc trực tiếp với NH3, có thể gây ra các triệu chứng Thở khó, ho, hắt hơi khi hít phải, Cổ họng bị rát, mắt, môi và mũi bị phỏng, tầm nhìn bị hạn chế Tuy nhiên không có bằng chứng cho thấy việc tiếp xúc với nồng độ amoniac cao có thể gây ra dị tật bẩm sinh hoặc các hiệu ứng phát triển bất bình thường trên cơ thể con người.
Tuy vậy, amoniac vẫn có những đóng góp đáng kể vào nhu cầu dinh dưỡng của các sinh vật sống, là hợp chất quan trọng trong ngành phân bón và thực phẩm. Amoniac trực tiếp hoặc gián tiếp cũng tham gia vào các quá trình tổng hợp dược phẩm.
Là chất khí không màu, mùi khai và sốc, tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có tính kiềm yếu Nếu đun nóng lên 100 o C thì tất cả NH3 trong dung dịch sẽ bay hơi hết NH3 hóa lỏng ở 239,75 o K và hóa rắn ở 195 o K
Cặp electron hóa trị tự do và mang tính phân cực của liên kết N-H tạo nên liên kết hidro giữa phân tử NH3, do đó mà NH3 có nhiệt bay hơi cao và tan nhiều trong nước, dễ dàng bị nén và hóa lỏng ở nhiệt độ thường và áp suất khoảng 70 atm
NH3 vẫn còn 1 cặp electron tự do nên có thể tham gia vào các phản ứng: phản ứng cộng phản ứng cộng, phản ứng khử và phản ứng thế a Sự phân huỷ
Phản ứng tổng hợp NH3 là thuận nghịch, và khi đun nóng có xúc tác thì amoniac có thể phân huỷ sinh ra các đơn chất N2 và H2, phản ứng ở trạng thái cân bằng xác định
Amoniac phân huỷ ở nhiệt độ 600 – 700 0 C và áp suất thường.
Phản ứng phân huỷ là phản ứng thu nhiệt và cũng là phản ứng thuận nghịch :
H2 tạo thành làm cho NH3 nóng có tính khử mạnh. b.Tác dụng với axit
Khi ở trạng thái khí NH3 cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thành muối amoni clorua:
NH3 + HCl → NH4Cl Ngoài phản ứng trên, NH3 còn cho loại phản ứng kết hợp với muối tạo thành các amoniacat như: AgNO3.2NH3, CuSO4.4NH3 c Tác dụng với oxy
Trong oxy nguyên chất, amoniac cháy với ngọn lửa vàng nhạt tạo thành N2 và
H2O, dưới áp suất lớn, hỗn hợp này rất dễ phát nổ
1.1.3 Các vấn đề MT liên quan đến NH 3
Trong quá trình nuôi tôm, cá, các quá trình xử lý nước thải: nước thải, khí thải và bùn do phân hữu cơ, xác động vật, xác(vỏ) tôm sau khi tiêu hoá thức ăn thì chúng được thải ra trong điều kiện kỵ khí dưới sự tác dụng của vi khuẩn trong nước sinh ra
H2S, NH3, CH4 … các chất này rất độc cho ao nuôi và các động vật thuỷ sinh.
Các vụ rò rĩ khí NH3 từ các nhà máy phân bón, SX nước đá, đông lạnh… cũng ảnh hưởng lớn đến môi trường xung quanh.
KHÁI NIỆM 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 lý của 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
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 vật lý và hấp thu hóa học.
Hấp thu vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng.
Hấp thu hóa học : giữa hỗn hợp khí và dung môi có xảy ra phản ứng hóa học.
Quá trình làm sạch pha 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 :
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.
Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thuỷ học càng nhỏ và và có lợi cho quá trình chuyển khối
Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt khi hồn nguyên dung môi
Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hồ tan để dể tách các cấu tử ra khỏi dung môi
Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh tắc thiết bị và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn.
Ít bay hơi, rẻ tiền , dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mòn thiết bị.
1.2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình 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.
1.2.3 các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu: a 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. b 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 hoành Khi đường làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ tăng quá trình 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. c 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.
Các loại tháp hấp thu
Quá trình hấp thu có thẻ thực hiện bằng nhiều thiết bị khác nhau Nếu pha phí phân tán vào pha lỏng thì sẽ sử dụng các loại tháp mâm, nếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun. Để lựa chọn tháp hấp thu phù hợp ta phải xét đến các yêu cầu: diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, hiệu quả và có khả năng cho khí xuyên qua, trở lực thấp ( Xđ= 0
Xđ nồng độ đầu vào pha lỏng
0.06 phương trình đường cân bằng
Phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm A(Xđ,Yc) và B(Xc,Yd)
B=7,35 10 −8 −3,84.0=7,35 10 −8 Phương trình đường làm việc: Y=3,84X+7,35.10 -8
Vẽ đường làm việc và đường cân bằng trên cùng một đồ thị
Từ đồ thị trên ta có số mâm lý thuyết: 9 mâm
3.2.3 Đường cân bằng vật chất:
Ta có: Qđ 00m3/h yd= 0,06 Áp suất làm việc: 1atv0mmHg
Suất lượng mol của dòng khí vào tháp
G d = 1.2000 0,082.303 80,5 kmol /h Suất lượng mol của khí trơ vào tháp
Tỉ lệ mol của NH3 trong pha :
1−0,06 = 0,064 Đầu ra: NH3 đầu ra yêu cầu theo tiêu chuẩn B (0,05g/m 3 ) (QCVN 19:2009/BTNMT)
Nồng độ NH3 đầu ra:
[ NH 3 ] = 0,05 17 =2,94.10 −3 ( mol m 3 ) Nồng độ hỗn hợp khí ban đầu:
Nồng độ cuối của hỗn hợp khí: yc= 2,94.10 −3
Hấp thu NH3 bằng nước, chọn dung môi sạch khi đi vào tháp => xđ=0 xđ nồng độ đầu của pha lỏng
Nồng độ tốc độ trong chất lỏng được xác định theo phương trình
Với Yd=0,064 và dựa vào ptcb ta xác định được X ¿ = 0,02
Lượng dung môi tối thiểu sử dụng
0,02 $1,87(kmol h ) Lượng dung môi tối thiểu được sử dụng
Ltrơ: lượng dung môi không đổi khi vận hành
G trơ = 3,84 Suất lượng dung môi làm việc
L tr =3,84 G trơ )0,57 (kmol H 2 0 h ) Phương trình cân bằng vật chất có dạng :
G trơ Yd+L tr Xd=G trơ Yc+L tr Xc
Với số mâm lý thuyết Nlt= 5 mâm
Hiệu suất của tháp được tính theo phương pháp thực nghiệm o’connell m μ H 20 = 3,16.0,801 = 2,53116 cp
Số mâm thực tế =Nlt/E mâm
Phương trình cân bằng năng lượng
Gđ,Gc: lượng hỗn hợp khí đầu và cuối
Lđ,Lc: lượng dung dịch đầu và cuối
Tđ,Tc: nhiệt độ dung dịch đầu và cuối
Iđ,Ic: entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối
Qs: nhiệt lượng phát sinh do hấp thu khí
Ta giả thiết như sau
+ Nhiệt mất mát ra môi trường không đáng kể: Qo=0
+ Nhiệt của hỗn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào tháp
Tđ=Tc0 o c + Tỷ nhiệt của dung môi không thay đổi trong quá trình hấp thu CđCH20
+ Trong quá trình trình hấp thu có thể phát sinh nhiệt, do đó nếu kí hiệu q là nhiệt phát sinh của 1mol cấu tử hấp thu ta có: hấp thu với mức độ gần đúng coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thu
Do lượng cấu tử hòa tan trong dung môi nhỏ nên L đ
Ta có thể bỏ qua mức độ biến đổi nhiệt của pha khí tức là
Công thưc nhiệt độ cuối cùng của Tc có dạng
Lc C ( Xc− Xđ ) + Do lượng nhiệt cấu tử hòa tan trong dung dịch nhỏ Lđ và Lc không khác nhau nhiều
Lc=Lđ=L trơ + Biến đổi phương trình cân bằng vật chất theo giả thiết
Phương trình hấp thu NH3 trong dung môi H2O
Tra bảng sổ tay hóa lý, nhiệt sinh
Nhiệt phát sinh của 1mol cấu tử NH3 bị hấp thu q=(-11,04-68,317)-(0-133,077)
Vì ∆ T quá bé nên ta xem nhiệt độ dung dịch ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung môi vào tháp và bằng nhiệt độ khí trơ ra khỏi tháp
Quá trình hấp thu là quá trình dẳng nhiệt Tc=Tđ0 o C
3.2.4 Tính kích thước tháp hấp thu
1 các thông số dòng khí
+ lưu lượng khí trung bình đi trong tháp
2 Với: V yd ,V yc : lưu lượng khí vào ra khỏi tháp (m 3 /h)
V ytb 36,065 ( m 3 h ) + Khối lượng riêng trung bình của pha khí (sttt2)
M 1 , M α : khối lượng riêng mol của NH3 và H2O
T: nhiệt độ làm việc của tháp
Ytb: nồng độ mol của NH3
Ytb= Yd−Yc 2 =0,032 Với M1g/mol, M2=Mkk)
22,4.303 = 1,15 kg / m 3 Độ nhớt trung bình pha khí
Mhh=Y tb M NH 3 +( 1 +Y tb ) Mkk = 28,616 ( kmol kg )
Thay vào (1) ta được μhh= 1,837 10 −5 N s /m 2
Với Gđ,Gc lưu lượng khối lượng khí vào ra khỏi tháp (kg/s)
Gđ=Gtr.Mtr+Gtr.MNH3.Yd"76,76(kg/h)=0,632(kg/s)
Gc= Gtr.Mtr+Gtr.MNH3.Yc= 2194,52(kg/h)= 0,609(kg/s)
2 các thông số dòng lỏng
+lưu lượng dòng chảy trung bình
Vxtb: lưu lượng dòng chảy trung bình
Vxtb=Vtr =Gtr Mtr 1 ρtr (stt 2) Với: ρtr khối lượng riêng của nước ở 30o c ρtr = 995 kg /m 3
Mtr: khối lượng phân tử nước
Gtr: lưu lượng nước (kmol/h)
+Lưu lượng khối lượng dòng lỏng trung bình trong thiết bị hấp thu:
Gxtb=(Gxd+Gxc)/2 Gxd=Ltr.Mtr)0,244.2917,076 kg/h
Gxc=Ltr.Mtr+Ltr.Xc.MNH399,48 kg/h
+ Khối lượng riêng pha lỏng
Với ρ xNH3 Y5 kg/m 3 ρ xH 2O 5 kg / m 3
D + Vytb= 1936,065 m 3 /h lượng hơi trung bình đi trong tháp
+ ω tb : tốc độ hơi trung bình đi trong tháp ω gh = 0,05 √ ρ ρ x y = 1,5 m / s
4 chiều cao tháp hấp thu
Hđ=khoảng cách giữa các đĩa tra theo sổ tay tập 2=> Hd=0,45
Chiều cao tháp hấp thu xuyên lỗ
Vậy chiều cao tháp là 6m
5 thiết kế lỗ trên mâm
- Đường kính lỗ trên mâm d lỗ=2,5mm
- Diện tích của 1 mâm: s mâm= π Dt 2
- Số lỗ trên mâm bằng 10% s mâm s lỗ w55 lỗ
- Chọn diện tích cho ống chảy truyền 20% diện tích mâm: 300mm
- Chọn khoảng cách giữa 2 tâm lỗ 2,5 lần đường kính lỗ: 6,25mm
Gọi a là hệ số lục giác
Số lỗ trên đường chéo b*-11
Số lỗ thực tế Nx56 lỗ
Cách phân bố lỗ theo hình lục giác đều tâm
+ trở lực của tháp xuyên lỗ có ống chảy truyền
- Tính trở lực do sức căng bề mặt ∆ Pk
Do d lỗ=2,5mm với σ sức căng bề mặt N/m 2
Thay vào ta được: ∆ Ps,46 N / m 2
+ Trở lực của đĩa khô
Do chọn diện tích đĩa 12,8 => ε = 1,88(stt2.p194)
+ trở lực thủy tĩnh do chất lỏng trên mâm tạo ra
- hc-chiều cao ống chảy truyền nhô lên=0,0011m
- K tỉ số của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt K=0,05(stt2,p194)
Chọn chiều cao phần ống chảy truyền trên mâm 10mm=> Lc=8mm
Trở lực của tháp xuyên lỗ có ống chảy truyền
TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ
bề dày thiết bị
Tháp hấp thu ở áp suất Ptmv0mmHg là ap suất thấp và trung bình nên chọn thân tháp hình trụ hàn
Và chọn thép X18H10T(theo bảng tra XII.4/310 stt2)
Khối lượng riêng ρ= 7,9.10 3 kg/m 3 Áp suất làm việc trong tháp;
các thông số của tháp
- Tốc độ ăn mòn của NH3=0,05mm/năm
- Hệ số bền mối hàn φ : thân hình trụ hàn theo chiều dọc, bằng hồ quang điện, hàn giáp nối 2 bên
Do đường kính thân lớn hơn 700mm
Hệ số bền mối hàn φn= 0,95
+ Xác định ứng suất cho phép thép X18H10T
Theo giới hạn bền (sttt2,p.355,XIII3,356)
Lấy giá trị bé nhất trong 2 ứng suất cho phép ở trên Làm ứng suatass cho phép tiêu chuẩn=> [ σ ]= 146,67 10 6 N /m 2
+ Tính bề dày thân hình trụ hàn làm việc chịu áp suất tính theo lý thuyết:
Bề dày tối thiểu của thân là; s ' = Dt P
Chọn hệ số bổ sung để quy tròn kích thước
Lấy thời hạn sử dụng TB là 10 năm thì có hệ số Ca như sau
- Ca=0 đối với môi trường có độ ăn mòn không lớn 0,05mm/năm
- Co=0,15quy tròn kích thước
- Cc=0,35 hệ số bổ sung sai lệch chế tạo lắp ráp
=> bề dày thực của thân thiết bị
Kiểm tra điều kiện bền
Thỏa mãn điều kiện Áp suất cho phép trong thân thiết bị
Vậy thân thiết bị có bề dày 1,5mm thỏa mãn
Tháp cao 6m đường kính 0,8m dày 1,5mm
Tính đáy nắp elip có gờ
Chiều dày nắp và đáy elip được tính theo công thức
Sử dụng vòng tăng cứng hoàn toàn K=1
Nên tăng thêm chiều dày 2mm
- C1=1mm hệ số bổ sung ăn mòn
- C3=0,4mm hệ số dung sai của chiều dày
Kiểm tra ứng suất thành của đáy theo áp suất thủy tĩnh theo
Thủy tĩnh theo công thức σ = [ Dt 2 +2 hb ( S−C ) ] Po
0,8.10 6 Vậy chọn chiều dày đáy là 4,2
Tính toán ống dẫn tháo liệu
+Tính toán ống dẫn khí vào
Vận tốc khí trong ống khoảng 10-30m/s chọn tốc độ dòng khí vào bằng khí ra v m/s Lưu lượng Gv=Gy 00m 3 /h
Chọn đường kính ống dẫn khí vào 0mm
+Tính toán ống dẫn khí ra
Vận tốc khí trong ống khoảng 10-30m/s chọn tốc độ dòng khí vào bằng khí ra v m/s Lưu lượng khí ra Gr=Gv-GNh380
Vậy đường kính ống khí ra 0mm
Suy ra chọn chiều dài đoạn ống nối l0mm (Stt2/P.434)
+ Đường kính ống dẫn lỏng:
Vận tốc dòng lỏng chảy trong ống vào,ra tháp từ 1,5-2,5m/s (bảng II2 p370, stt1) vận tốc vào là ω= 2 s m d= √ 0,785 V ω =0,03 m
Vậy đường kính ống lỏng 30mm theo tiêu chuẩn 32mm
Suy ra chọn chiều dài đoạn ống nối lmm
Chọn vòi phun hoa sen
Chọn đường kính cho mỗi lỗ là dsmm
mặt bích
Bích nối các thân của thiêt bị
Dựa vào bảng XIII27(Sttt2/417) ứng với Dt0mm và áp suất tính toán Pt=0,177N/mm 2 ) ta chọn mặt bích có các thông số như sau:
Dt D Db D1 H Bu lông db Z
Ta có tổng số mâm giữa 2 mặt bích nd=4 (STT2/170)
Vậy số bích ghép thân -đáy-nắp- là
Theo bảng tra XIII31 tương ứng với bảng XIII27 kích thước bề mặt bích h mm D10 D27 D47
Do Dt0