Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu 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 toàn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó. Bên cạnh đó vấn đề này còn khá mới mẻ đối với mà chúng ta chưa thấy hết mối nguy hiểm của nó, như vậy chúng ta cần một công nghệ hợp lý và an toàn để giải quyết vấn đề hiện nay. Vì vậy đồ án môn học kỹ thuật xử lý chất thải với nhiệm vụ thiết kế tháp hấp thụ khí NH 3 bằng H 2 O là một vấn đề cần làm vào lúc này để giúp giảm ô nhiễm môi trường từ các dòng khí thải. Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ dẫn nhiệt tình của Thầy Trưởng khoa, các Thầy cô bộ môn và các bạn sinh viên giúp nhóm chúng em hoàn thành đồ án này. Nhóm thực hiện. Nhóm: 3 Trang 1 Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 1.Khái niệm: 1.1 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: • Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí . • Làm sạch pha khí . • Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt . • Tạo thành một dung dịch sản phẩm. - Hấp thu bao gồm quá trình hấp thu vạt 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 hổn hợp khí và dung môi có xảy ra phản ứng hóa học. 1.2. 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 : Nhóm: 3 Trang 2 Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu 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 hoàn nguyên dung môi. 4) Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hoà 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. 2. Cơ sở lý thuyết : 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. 2.2. Các quá trình cơ bản của quá trình hấp thu : 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) Nhóm: 3 Trang 3 Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu 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 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 : G đ , G c : hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h) L đ , L c : lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h) T đ , T c :nhiệt độ khí ban đầu và cuối ( o C) Nhóm: 3 Trang 4 Y G x Y c X ñ Y Y ñ AY X B Y c X c Y ñ XX cbñ X c X ñ G y Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu 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) 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu: 2.3.1 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 . 2.3.2 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 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 thường kèm theo sự tăng nhiệt độ. Mặt khác , sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thụ . 2.3.3 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. 2.4. Tính chất của NH 3 : Amoniac là chất khí không màu, có mùi kích thích (mùi khai). Khi tăng áp suất hay làm lạnh đến –33.6 o C nó hoá lỏng và đến – 77.8 o C nó hoá rắn. Dưới áp Nhóm: 3 Trang 5 Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu suất cao NH 3 dễ dàng hoá lỏng ở nhiệt độ thường. Một thể tích nước có thể hoà 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 hoà 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 thoát 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: 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 hoá 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. 2.5. 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 tính hòa tan tốt. Nhóm: 3 Trang 6 Nhiệt phân Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu • 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 cần thoát ra một luợng nhệt lớn. • Thiết bị hấp thu loại phun: thành tia và thiết bị hấp thu cơ khí. Nhóm: 3 Trang 7 Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu CHƯƠNG II: QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ Thiết minh quy trình công nghệ: Khí cần được xử lý được lấy từ các nhà máy sản xuất phân bón, sản xuất phân Urê, 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 ngoài 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: Nhóm: 3 Trang 8 Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu Nhóm: 3 Trang 9 Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho tháp hấp thụ: 3.1.1 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 :12000 m 3 /h. Các thông số khác tự chọn . Nhiệt độ làm việc của tháp T= 30 0 C . Áp suất làm việc 1atm . 3.1.2 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 0.000 4 0.000 6 0.000 8 0.001 0.001 2 0.0014 Y 0 0.0006 3 0.001 3 0.001 9 0.002 5 0.003 2 0.003 8 0.0045 Nhóm: 3 Trang 10 [...].. .Hấp thụ NH3 bằng H2O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu Đường cân bằng: 3.1.3 Cân bằng vật chất: Gc Yc Gd Yd Nhóm: 3 Ld Xd Lc Xc Trang 11 Hấp thụ NH3 bằng H2O  Gd= P.V = RT GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu = 482,975 Kmolhh h Do lượng NH3 =3,5 g/m3 là rất nhỏ:  yd = 3,5.29 10-3 =5,125.10-3(kmolNH3/kmolhh) 17.1,165  Yd= yñ KmolNH 3 =0.005 1 − yñ Kmolhh... vấn đề tính toán, ta có giả thiết như sau: - Nhiệt mất ra môi trường xung quanh không đáng kể ( do điều kiện làm việc ở 300C)⇒ Q0 = 0 - Nhiệt độ của hỗn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào - Nhiệt dung riêng của dung dịch trong suốt quá trình hấp thụ : Cđ = Cc =C - Trong quá trình hấp thụ có thể phát sinh nhiệt do đó kí hiệu q là nhiệt phát sinh của 1 Kmol cấu tử bị hấp thụ Qs = q.Lđ (Xc... 482,975 (1-0,005)=480,56 Kmol ktr/h Lượng khí NH3 ban đầu: 1.0,005.1000.17 MNH3 = 0.082(273 + 30) =3,42(g/m3) Lượng khí sau quá trình hấp thụ là: 0.3(g/m3) =300(mg/m3) Lượng khí bị hấp thu là: 3,42-0,3 =3,12(g/m3) Hiệu suất hấp thu là: η= 3,12 = 91,2% 3,42 Suy ra : Yc= (1- 0,912).Yd= (1- 0,912) 0,005= 0,00044(kmolNH3/kmolhh)  yc=Yc/1+Yc= 0,00044 =0,000439 Kmol NH3/ Kmol ktr 1 + 0,00044  Gc=Gtr(Yc+1)= 480,56... lỏng vào tháp (coi áp suất ở mặt thoáng và áp suất ở đầu ống vào thiết bị là như nhau và bằng áp suất khí quyển) Chuẩn số Reynolds: với: d: đường kính ống dẫn lỏng, d = 70 mm : khối lượng riêng của nước, = 995.68 kg/m3 : độ nhớt của nước ở 30 oC, = 0.8007.10-3N/sm2 v: vận tốc trong ống dẫn lỏng vào thiết bị chọn v = v2 = 3.0 m/s Vậy: Nhóm: 3 Trang 33 Hấp thụ NH3 bằng H2O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu... ⇒C = 4,186.(1 – 0,000634) = 0,999366 4,186 = 4,183 Kcal/Kgđộ ∆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 = 300C) 3.2 Tính toán thiết bị chính: 3.2.1 Đường kính tháp: - Tính vận tốc khí qua tháp: Nhóm: 3 Trang 14 Hấp thụ NH3 bằng H2O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu ρ xtb , ρ ytb − Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng v pha khí tính theo... 7850 Kg/m3 Nhóm: 3 Trang 22 Hấp thụ NH3 bằng H2O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu Hệ số an toàn bền: nk = 2,6 ; Hệ số hiệu chỉnh : nc= 1,5 ; nbl = 1,5 = 1 Hệ số bền mối hàn: = 0.95 Chọn công nghệ gia công : hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp mối hai bên Ứng suất làm việc cho phép theo giới hạn bền: Vậy ứng suất cho phép dùng để tính toán: = 146,7 106 (N/m2) Áp suất tính toán: Ptt = Plv + gh Plv : áp suất... Gtr Xc − Xd X* suy ra bằng cách thay giá trị Y d= 0,005 vào phương trình cân bằng , ta có X* = 0,00152 Nhóm: 3 Trang 12 Hấp thụ NH3 bằng H2O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu Ltr = 1,2 Lmin =1,2 1442,3 = 1730,78 Kmol H2O/h Và: Ltr Yd − Yc = Gtr Xc − Xd xC = XC Kmol NH 3 0,00127 = = 0.001268 1 + X C 0,00127 + 1 Kmol hh Lñ ≈ LC ≈ Ltrô (Vì lượng cấu tử trong dung dịch rất nhỏ) 3.1.4 Cân bằng năng lượng: Gđ... lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt Khi tính toán chấp nhận K= 0,5 Lc: Chiều dài cửa chảy tràn Lc= 0,8 m Gx: lưu lượng lỏng , Gx = 31,28 m3/h g = 9,81 m/s2 = 996 kg/m3 Chọn hc = 0,12(m) Pt = 762,218 (N/m2) Px= Pđ - Pk = Ps + Pt = 762,218 +9,166 = 771,384 (N/m2) Hệ số cấp khối pha khí : Nhóm: 3 Trang 19 Hấp thụ NH3 bằng H2O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu Hệ số cấp khối pha lỏng : Với... bị hấp thụ Qs = q.Lđ (Xc – Xđ ) - Với mức gần đúng ta có thể coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thụ - Vì lượng cấu tử hoà tan trong dung dịch rất nhỏ do đó lượng dung dịch đầu Lđ và cuối Lc không khác nhau nhiều Trong mức độ cho phép ta có thể lấy là: Lc ≈ Lđ ≈ Ltrơ = L Nhóm: 3 Trang 13 Hấp thụ NH3 bằng H2O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu Tra sổ tay hoá lý: ht q≈ ∆H 298 C = −7.83 0 Kcal Kmol Ta biến... 1,7044.105 N/m2,và t0 = 300C • Dt = 1,6 m • Hàn dọc hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp nối 2 mặt (ϕh = 0,95) • Hệ số hiệu chỉnh : η = 1 • Kiểm tra : Nhóm: 3 Trang 23 Hấp thụ NH3 bằng H2O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu • Bề dày tối thiểu của thân trụ : • Bề dày của thân thiết bị : S = S’ + C Trong đó : C = Ca + Cb + Cc + C0 • Ca: hệ số bổ sung ăn mòn hóa học của môi trường Thời hạn sử dụng thiết bị là 10 năm . trong y học. 2.5. 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 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. Hiểu Nhóm: 3 Trang 9 Hấp thụ NH 3 bằng H 2 O GVHD:Th.S Nguyễn Ngọc Hiểu CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho tháp hấp thụ: 3.1.1 Các