Đồ án Xử lý khí nh3 bằng phương pháp hấp thụ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XỬ LÝ KHÍ NH3 BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 1 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NH3 ....... 3 1.1 Tính chất ................................................................................................................................ 3 1.1.1 Amoniac là gì? .............................................................................................................. 3 1.1.2 Tính chất vật lí .............................................................................................................. 3 1.1.3 Tính chất hóa học ......................................................................................................... 3 1.1.4 Tính bazo ...................................................................................................................... 3 1.1.5 Tác dụng với O2 ............................................................................................................ 3 1.1.6 Tác dụng với khí Clor .................................................................................................. 4 1.1.7 Tính acid ....................................................................................................................... 4 1.1.8 Điều chế ........................................................................................................................ 4 1.2 Ứng dụng ................................................................................................................................ 5 1.3 Độc tính .................................................................................................................................. 5 1.4 Cấp cứu và điều trị ................................................................................................................. 6 1.5 Các vấn đề môi trƣờng liên quan đến NH3 ............................................................................ 6 1.6 Các loại tháp hấp thụ ............................................................................................................. 8 1.6.1 tháp đĩa ......................................................................................................................... 8 1.6.2 Tháp phun .................................................................................................................. 10 1.6.3 Tháp đệm .................................................................................................................... 11 1.6.4 Tháp màng .................................................................................................................. 12 CHƢƠNG 2: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ ............................................................................................ 14 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP MÂM XUYÊN LỖ ............................................ 15 3.1 Số liệu thiết kế ban đầu ........................................................................................................ 15 3.2 Tính toán các số liệu thiết kế ................................................................................................ 15 3.2.1 Sơ đồ cân bằng vật chất của tháp mâm xuyên lỗ ....................................................... 15 3.2.2 Đƣờng cân bằng .......................................................................................................... 16 3.2.3 Đƣờng cân bằng vật chất ............................................................................................ 17 3.2.3.2 Nồng độ đầu ra của NH3 ............................................................................................. 17 3.2.3.3 Hiệu suất ..................................................................................................................... 17 3.2.4 Lập đƣờng làm việc của NH3 ..................................................................................... 17 ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 2 3.2.5 Tính đƣờng kính tháp ................................................................................................ 19 3.2.6 Tính chiều cao tháp tính từ hai mép nối nắp và đáy ................................................. 20 3.2.7 Thuyết kế lổ trên mâm ............................................................................................... 21 3.2.8 Tính toán trở lực ........................................................................................................ 21 Chƣơng 4:TÍNH TOÁN CƠ KHÍ VÀ CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ ............................................. 24 4.1 Tính thân thiết bị.................................................................................................................. 24 4.2 Tính đáy nắp elip có gờ ........................................................................................................ 26 4.3 Tính toán ống dẫn tháo liệu ................................................................................................. 27 4.3.1 Tính toán ống dẫn khí vào.......................................................................................... 27 4.3.2 Tính toán ống dẫn khí ra ............................................................................................ 27 4.3.3 Đƣờng kính ống dẫn lỏng ........................................................................................... 28 4.3.4 Vòi phun ..................................................................................................................... 28 4.4 Tính mặt bích ....................................................................................................................... 28 4.4.1 Bích nối các thân của thiết bị ..................................................................................... 28 4.4.2 Bích nối ống dẫn với thiết bị ...................................................................................... 29 4.5 Khối lƣợng tháp ................................................................................................................... 29 4.6 Chân đỡ ................................................................................................................................ 30 4.6.1 Chọn chân đỡ có 3 chân ............................................................................................. 30 4.6.2 Chọn tai treo ............................................................................................................... 31 4.7 Tính toán thiết bị phụ trợ .................................................................................................... 32 4.7.1 Tính toán quạt thổi khí............................................................................................... 32 4.7.2 Tính toán chọn bơm ................................................................................................... 33 4.8 Tính toán ống khói ............................................................................................................... 35 ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NH3 1.1 Tính chất 1.1.1 Amoniac là gì? Thuật ngữ 'amôniăc' có nguồn gốc từ một liên kết hoá học có tên là 'clorua ammoni' đƣợc tìm thấy gần đền thời thần Mộc tinh Ammon ở Ai Cập.Ngƣời đầu tiên chế ra amôniăc nguyên chất là nhà hoá học Dzozè Prisly.Ông đã thực hiện thành công thí nghiệm của mình vào năm 1774 và khi đó ngƣời ta gọi amôniăc là 'chất khí kiềm'. 1.1.2 Tính chất vật lí Amôniăc là một chất không màu, mùi khai và xốc, nhẹ hơn không khí (Khối lƣợng riêng D = 0,76g/l. Amôniăc hoá lỏng ở -34oC và hoá rắn ở -78oC. Trong số các khí, amôniăc tan đƣợc nhiều nhất trong nƣớc. Một lít nƣớc ở 20oC hoà tan đƣợc 800 lít NH3. Hiện tƣợng tan đƣợc nhiều giải thích do có tƣơng tác giữa NH3 và H2O, là những chất đều có phân tử phân cực. 1.1.3 Tính chất hóa học Sự phân huỷ nhƣ đã biết, phản ứng tổng hợp NH3 là thuận nghịch. Điều này có nghĩa, amôniăc có thể phân huỷ sinh ra các đơn chất N2 và H2. Amôniăc phân huỷ ở nhiệt độ 600 – 700oC và áp suất thƣờng. Phản ứng phân huỷ là phản ứng thu nhiệt và cũng thuận nghịch. 2NH3  3H2 + N2 1.1.4 Tính bazo Nhúng hai đũa thuỷ tinh vào hai bình đựng dung dịch HCl đặc và dung dịch NH3 đặc sau đó đƣa hai đầu đũa thủy tinh lại gần nhau thì sẽ thấy khói màu trắng. Khói màu trắng là những hạt nhỏ của tinh thể muối amoni clorua . Chất này đƣợc tạo do hai khí HCl và NH3 hoá hợp với nhau theo phƣơng trình phản ứng: NH3 + HCl  NH4Cl 1.1.5 Tác dụng với O2 Đốt amôniăc trong oxi, nó cháy với ngọn lửa màu vàng tƣơi NH3 bị oxi hoá bởi oxi tạo ra N2 và H2O . 4NH3 + 3O2  2N2 + 6H2O + Q ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 4 Trong thí nghiệm hỗn hợp NH3 và O2 đƣợc dẫn đi qua ống đựng chất xúc tác Pt nung nóng. Khí NO sinh ra, đi tới bình cầu là nơi có nhiệt độ thƣờng, thì hoá hợp với trong không khí tạo ra khí NO2 màu nâu đỏ. NH3 + 5O2 4NO + 6H2O NO2 2NO + O2 1.1.6 Tác dụng với khí Clor Dẫn khí NH3 vào bình khí Cl2, hỗn hợp khí tự bốc cháy tạo ra ngọn lửa có khói trắng . Phƣơng trình phản ứng: 2NH3 + 3Cl2  6HCl + N2 Khói trắng là những hạt nhỏ tinh thể NH4Cl đƣợc tạo nên do HCl sau khi sinh ra lại hoá hợp ngay với NH3: NH3 + HCl  NH4Cl . 1.1.7 Tính acid Nhƣ ta đã biết NH3 là một bazơ tuy nhiên nó còn là một acid: Li3N(s)+ 2NH3 (l)  3Li + (am) + 3 NH2 − (am) NH3 nhƣ là Ligand Tetraamminecopper(II), [Cu(NH3)4]2 +, có màu xanh dƣơng đậm khi thêm ammonia vào trong dung dịch muối đồng (II). Diamminesilver(I), [Ag(NH3)2] +, đƣợc gọi là tác chất Tollens' reagent. 1.1.8 Điều chế  Tổng hợp từ thiên nhiên: Trong không khí có một lƣợng amôniăc không đáng kể sinh ra do quá trình phân rã của động vật và thực vật. NH3 đƣợc sản xuất từ N2 trong không khí dƣới xúc tác của các enzim nitrogenases. Trong cơ thể các động vật trong quá trình trao đổi chất sinh ra NH3 và nó ngay lập tức chuyển thành Urê.  Tổng hợp hoá học NH3 đƣợc sản xuất bằng cách chƣng cất than tạo muối amôni sau đó đem tác dụng với vôi sống: 2 NH4Cl + 2 CaO  CaCl2 + Ca(OH)2 + 2 NH3 Trong công nghiệp ngƣời ta điều chế NH3 từ H2 (đƣợc điều chế bằng nhiều cách khác nhau) sau đó đem tác dụng với N2 lấy từ không khí. Phản ứng xảy ra thuận nghịch nên phải thêm xúc tác để cho sản phẩm và hiệu suất mong muốn ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 5 3H2 + N2  2 NH3 1.2 Ứng dụng a. Làm phân bón NH3 đƣợc xem nhƣ là thành phần của phân bón. NH3 có thể đƣợc bón trực tiếp lên ruộng đồng bằng cách trộn với nƣớc tƣới mà không cần thêm một quá trình hoá học nào. NH3 tác dụng với acid (HCl, HNO3 …) tạo muối là thành phần chính của phân bón hoá học. Amôni Sunphat là một loại phân bón tốt. Amôni Nitrat cũng đƣợc sử dụng nhƣ một loại phân bón và còn nhƣ một dạng thuốc nổ. Khi cho amôniăc tác dụng với CO2 ở nhiệt độ 180-200 oC, dƣới áp suất khoảng 200atm ta điều chế Urê (NH2)2CO là chất rắn màu trắng, tan tốt trong nƣớc, chứa khoảng 46%N : CO2 + 2NH3  (NH2)2CO + H2O Trong đất dƣới tác dụng của các vi sinh vật urê bị phân hủy cho thoát ra amoniac, hoặc chuyển dần thành muối amonicacbonat khi tác dụng với nƣớc: (NH2)2CO + 2H2O  (NH4)2CO3 b. Kỹ nghệ làm lạnh NH3 là chất thay thế CFCs, HFCs bởi vì kém độc và ít bắt cháy. Trong phòng thí nghiệm và phân tích NH3 đƣợc xem nhƣ là hỗn hợp khí chuẩn cho việc kiểm soát phát thải môi trƣờng, kiểm soát vệ sinh môi trƣờng,các phƣơng pháp phân tích dạng vết. c. Kỹ nghệ điện tử NH3 đƣợc sử dụng trong công nghệ sản xuất chất bán dẫn và một số vật liệu cao cấp khác thông qua sự ngƣng tụ silicon nitride (Si3N4) bằng phƣơng pháp ngƣng tự bốc hơi hoá học: Chemical Vapor Deposition (CVD). d. Một số ứng dụng khác NH4Cl đƣợc sử dụng trong công nghệ hàn, chế tạo thức ăn khô và trong y học… NH3 đƣợc sử dụng trong công nghiệp dầu khí, thuốc lá, và trong công nghệ sản xuất các chất gây nghiện bất hợp pháp. 1.3 Độc tính a. Độc tính của amôniăc Trong phần này chúng tôi nói tới độc tính chung cho 3 dạng của amoniac:  Khí amoniac (NH3). ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 6  Khí amoniac hóa lỏng.  Dung dich amoniac (NH4OH). b. Đối với động vật thuỷ sinh NH3 đƣợc xem nhƣ là một trong những “kẻ giết giết hại” chính thế giới thuỷ sinh, sự nhiễm độc NH3 thƣờng xảy ra đối với những hồ nuôi mới hoặc những hồ nuôi cũ nhƣng có mật độ nuôi lớn. c. Triệu chứng Cá thở dốc trên mặt nƣớc, mang cá bị tím hoặc đỏ bầm, Cá bị hôn mê và mất phản xạ, Cá bị chết chìm ở đáy nƣớc, Cá bị ghẻ xƣớc ở vây hoặc cơ thể.  Đối với ngƣời: Khi hít phải hoặc tiếp xúc trực tiếp với NH3. Thở khó, ho, hắt hơi khi hít phải, Cổ họng bị rát, mắt, môi và mũi bị phỏng, tầm nhìn bị hạn chế, Mạch máu bị giảm áp nhanh chóng, Da bị kích ứng mạnh hoặc bị phỏng.Trong một số trƣờng hợp nếu hít phải NH3 nồng độ đậm đặc có thể bị ngất, thậm chí bị tử vong.  Nhiễm độc cấp tính: Nồng độ khí NH3 trên 100 mg/m 3 gây kích ứng đƣờng hô hấp rõ rệt.Trị số giới hạn cho phép làm việc với đủ phƣơng tiện phòng hộ trong một giờ là từ 210-350 mg/m3. 1.4 Cấp cứu và điều trị Trong trƣờng hợp hít phải NH3 cần đƣa nhanh nạn nhân ra khỏi môi trƣờng độc hại, cho nằm nghỉ, thở oxi, điều trị triệu chứng; quan sát y học liên tục 24giờ trở lên để phát hiện các biến đổi hô hấp. Trƣờng hợp bị ô nhiễm da cần nhanh chóng rửa sạch bằng nƣớc hoặc dung dịch có tác dụng trung hòa để bảo vệ da, điều trị triệu chứng.Trƣờng hợp bị ô nhiễm mắt phải khẩn trƣơng rửa mắt thật kỹ. 1.5 Các vấn đề môi trƣờng liên quan đến NH3 - Trong quá trình nuôi tôm ,cá, các quá trình xử lý nƣớc thải: nƣớc thải, khí thải và bùn do phân hữu cơ, xác động vật, xác(vỏ) tôm sau khi tiêu hoá thức ăn thì chúng đƣợc thải ra trong điều kiện kỵ khí dƣới sự tác dụng của vi khuẩn trong nƣớc xuất hiện H2S, NH3, CH4 … các chất này rất độc cho ao nuôi và các động vật thuỷ sinh. - Các trƣờng học trƣớc đây thƣờng không quan tâm đến vấn đề vệ sinh môi trƣờng trong việc thiết kế và vận hành các nhà vệ sinh (ô nhiễm NH3 trầm trọng) gây ảnh hƣởng đến sức khoẻ và tâm sinh lý của học sinh. - Các vụ rò rĩ khí NH3 từ các nhà máy phân bón, SX nƣớc đá, đông lạnh… cũng ảnh hƣởng lớn đến sức khoẻ công nhân và cộng đồng xung quanh.... ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 7 a. Nguồn phát thải  Làm phân bón.  Kỹ nghệ làm lạnh.  Kỹ nghệ điện tử.  NH4Cl đƣợc sử dụng trong công nghệ hàn.  NH3 đƣợc sử dụng trong công nghiệp dầu khí, thuốc lá, và trong công nghệ sản xuất các chất gây nghiện bất hợp pháp. b. Các cộng nghệ xử lý:  Xử lý hoá học Dựa vào tính chất hoá học của NH3 ta có thể xử lý NH3 bằng các phun các dung dịch acid loãng (HCl, H2SO4..) để hấp thụ hoá học NH3. 2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4  Xử lý sinh học Bể sinh học màng vi lọc (MBR) xử lý nitơ, ammonia trong nƣớc thải. Việc khử chất ô nhiễm này chỉ thực hiện duy nhất một quá trình là khử nitrit. “Quá trình này gồm hai giai đoạn chính đó là giai đoạn nitrit hóa bán phần và khử nitrit thông qua hệ thống màng vi lọc”.Trong đề tài “ Bƣớc đầu nghiên cứu phân lập vi khuẩn có khả năng sử dụng NH3, H2S trong khí thải nhƣ là nguồn cơ chất để dinh dƣỡng” sử dụng chủng vi khuẩn arthobacter cho việc xử lý NH3. Xử lý NH3 bằng hồ tuỳ tiện có thêm các chất trao đổi ion nhƣ Zeolit. NH3 là một khí độc, và cũng là một khí có nhiều ứng dụng trong kỹ nghệ.Tuy nhiên so với những chất khí thải khác thì NH3 ít độc hại và xử lý tƣơng đối đơn giản. Vấn đề quan trọng là trong kỹ thuật làm lạnh chúng ta cố gắng hạn chế tối đa sự cố môi trƣờng xảy ra, đồng thời luôn có biện pháp đối phó để giảm thiểu thiệt hại và ảnh hƣởng môi trƣờng xung quanh.  Xử lý cơ học Nhờ vào khả năng hoà tan tốt trong H2O, Khi sự cố môi trƣờng xảy ra (rò rĩ khí amoniac) thì biện pháp đơn giản nhất đó là cách ly ngƣời dân và phun nƣớc pha loãng. ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 8 1.6 Các loại tháp hấp thụ 1.6.1 tháp đĩa a. Tháp đĩa có ống chảy chuyền 1. Tháp mâm chóp Tháp đĩa thƣờng cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm ngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định. Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngƣợc hoặc chéo chiều:lỏng từ trên xuống (hoặc đi ngang), khí đi từ dƣới lên hoặc xuyên qua chất lỏng chảy ngang; ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa.Tùy thuộc cấu tạo của đĩa chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tƣởng hay là dòng chảy qua. Trên đĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dƣới theo đƣờng riêng gọi là ống chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng đáy tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí (hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩa trên. Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lƣới,hay khe xupap sục vào pha lỏng trên đĩa. Để phân phối đều chất lỏng ngƣời ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiều cao mức chất lỏng trên đĩa. + Ƣu điểm: Hiệu suất truyền khối cao, hoạt động ổn định, làm việc với chất lỏng bẩn, ít tiêu hao năng lƣợng. + Nhƣợc điểm: cấu tạo hức tạp, trở lực lớn, nặng. ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 9 2. Tháp mâm lỗ Tháp đĩa lƣới hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có lỗ tròn, hoặc rảnh. Chất lỏng chảy từ trên xuống qua các ống chảy chuyền. Khi đi từ dƣới lên qua các lỗ hoặc rảnh đĩa. Đĩa có thể lấp cân bằng hoặc xuyên một góc với độ dóc 1/45- 1/50. + Ƣu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sing dễ dàng, trở lực ít hơn tháp chớp, ít tốn kim loại hơn tháp chớp. + Nƣợc điểm: yêu cấu lấp đặt cao, mâm lấp phải rất phẳn. b. Tháp đĩa không có ống chảy chuyền Trong trƣờng hợp này khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, vì vậy không có hiện tƣợng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa nhƣ trong các loại tháp có ống chảy chuyền, và tất cả bề mặt đĩa dều làm việc, nên hiệu quả của đĩa cao hơn. Vì vậy trong những năm gần đây loại tháp này đƣợc sử dụng rộng rải. Tháp đĩa không có ống chảy chuyền cũng có nhiều loại nhƣng chủ yếu có hai loại: đĩa lỗ và đĩa rảnh. Đĩa lỗ đƣợc cấu tạo bởi các tấm ngăn và tấm phẳng, trên có nhiều lỗ tròn đƣợc bố trí đều. Lỗ có đƣờng kính 2-8mm phụ thuộc vào chất lỏng. Tháp đĩa rãnh là đĩa gồm nhiều thanh hoặc là nhiều ống ghép lại với nhau tạo thành các khe hở 3-4mm . ngoài ra đĩa còn có cấu tạo hình sống, trên có lỗ. Các sống gần nhau hợp thành góc 900. Hơi đi từ dƣới lên qua lỗ ở phần sống lồi, còn lỏng đi từ trên xuống qua phần sống lõm. ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 10 1.6.2 Tháp phun Loại này gồm thân và 1 ống vòi phun 2. Những hạt chất lỏng sẻ đƣợc phun ra và tiếp xúc với dòng khí đi từ dƣới lên và quá trình hấp thụ xảy ra. Loại thiết bị này không phù hợp với các loại khí khó hoà tan. Ngoài ra còn có những loại hấp thu cơ học. Chất lỏng bắn ra trong các phễu, ở đó khí sẻ đƣơc tiếp xúc với chất lỏng và có quá trình hấp thụ. Khí chuyển động qua thiết bị theo đƣờng ngoằn ngoèo giữa các bậc. Chất lỏng chảy từ trên xuống và lấy ra ở đáy. Bộ phận bắn tung chất lỏng đƣợc gắn vào một trục quay, có tác dụng trì hoãn sự chảy của chất lỏng trong phễu, tạo khả năng tiếp xúc tốt với pha khí. + Ƣu điểm: Tháp hấp thụ rỗng đƣợc thiết kế để dòng khí chuyển động theo tuyến đặc biệt và vòi phun đặt dọc theo chiều cao tháp có thể đạt hiệu quả hấp thụ rất cao. + Khuyết điểm: yêu cấu lấp đặt cao, mâm lấp phải rất phẳn. ĐỒ ÁN XỬ LÝ KHÍ GVHD: VÕ THỊ THU NHƢ SVTH: TRẦN VĂN BÉ BA-NGUYỄN PHÚC THỊNH TRANG 11 1.6.3 Tháp đệm Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên trong đổ đầy