CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



Ta có: ycb =



Y

1+Y



, x=



Thay vào (1) ta có:



Ycb =



X

1+X



Ycb

X

=m

1 + Ycb

1+ X



m. X

3,17. X

3,17. X

=

=

1 + (1 − m ). X 1 + (1 − 3,17 ). X 1 − 2.17. X



Ycb =

Vậy PTCB :



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



3,17. X

1 − 2,17. X



Trong đó:

X: nồng độ NH3 trên cơ bản cấu tử trơ, kmol NH3/kmol H2O.

Ycb: nồng độ NH3 trên cơ bản không khí ở điều kiện cân bằng, kmol NH 3/ kmol

khí trơ.



4.2 Các thông số dòng khí

Nồng độ thể tích ban đầu: yd = 7% = 0,07

Nồng độ đầu theo tỉ lệ mol:

Yd =



yd

0,1

=

= 0,075

1 − y d 1 − 0,07



(kmol NH3/kmol khí trơ)



Hiệu suất hấp thụ :



η = (Yd − Yc ) / Yd = (0,07 − 0.0002) / 0.07 = 99,7%

Nồng độ thể tích đầu ra:

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 31



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



Yc =



yc

0,0002

=

= 0,0002

1 − y c 1 − 0,0002



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



(kmol NH3/kmol khí trơ)



Mhh, M1, Mkk: khối lượng phân tử của hỗn hợp khí, NH3, không khí (kg).



M hh = y d .M 1 + (1 − y d ).M kk = 0,07.17 + (1 − 0,07 ).28,84



= 28,01( g / mol )



Suất lượng dòng khí vào tháp:



Gy =



G

2000

=

= 71,4( kmol/h)

M hh 28,01



Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp khí:



Gtr = G y .(1 − y d ) = 71.4(1 − 0,07 ) = 66,4( kmol/h)

Khối lượng riêng trung bình của pha khí: [ IX.102] trang 183 sổ tay QTVTB hóa chất

tập 2 .



ρ ytb =



Trong đó: M1, M



α



[ y tb .M1 + (1 − y tb ).M α ].273

22,4.T



: khối lượng mol của NH3 và không khí.



T: nhiệt độ làm việc trung bình của tháp, t = 300C

 T = 30 + 273 = 303 (0K)

ytb: nồng độ mol của NH3 lấy theo giá trị trung bình.



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 32



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



ytb =



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



yd + yc

2



Với yd, yc là nồng độ phần mol NH3 vào và ra khỏi tháp.

yd = 0,07



yc = y d .(1 − η ) = 0,1.(1 − 0,997 ) = 2,1.10 −4







0,07 + 2,1.10 −4

ytb =

= 0,035

2

M 1 = M NH 3 = 17

M kk = 28,84 ( g / mol )



ρ ytb =



[ 0,035.17 + (1 − 0,035).28,84 ].273 = 1,14( kg / m 3 )

22,4.303



Suy ra:

Lưu lượng thể tích khí trung bình đi trong tháp hấp thu:[IX.101/183] sổ tay

QTVTB hóa chất tập 2



V ytb =



V yd + V yc

2



Vyd, Vyc: lưu lượng khí vào, ra khỏi tháp m3/h.

Vyd = 2000kg/h : 1,14 kg/m3 = 1754,4 m3/h



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 33



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



V yc = Vtr .(1 + Yc )



Mà : Vtr = V yd .(1 − Yd )



(



Nên : V yc = V yd .(1 − Yd ).(1 + Yc ) = 1754,4.(1 − 0,075).(1 + 0,0002 ) = 1623,14 m 3 / h



⇒ V ytb =



V yd + V yc

2



=



)



1754,4 + 1623,14

= 1688,8( m 3 / h )

2



Độ nhớt trung bình của pha khí: [I.18] trang 18 sổ tay QTVTB hóa chất tập 1



M hh m1 .M 1 mkk .M kk

=

+

µ hh

µ1

µ kk

Mhh, M1, Mkk: khối lượng phân tử của hỗn hợp khí, NH3, không khí (kg).

m1, mα: nồng độ thể tích của NH3 và không khí.

m1 = ytb = 0,035

mkk = 1 - ytb = 1 - 0,035 = 0,965



µ NH 3 (300 C ) = 1,04.10 −5 NS / m 2

Với:



(Bảng 1.113 trang 115 sổ tay QTVTB hóa



chất tập 1



µ KK (30 0 C ) = 1,86 .10 −5 NS / m 2



(Bảng 1.114 trang 118 sổ tay QTVTB hóa chất



tập



28,236 0,035.17 0,965.28,84

=

+

µ hh

1,04.10 −5

1,86 .10 −5



µ hh = 1,83 .10 −5 NS / m 2



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 34



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Lưu lượng khối lượng pha khí trung bình:



G ytb =



G yñ + G yc

2



Gyd, Gyc: lưu lượng khối lượng pha khí vào và ra, kg/h.



G yd = Gtr .M tr + Gtr .M NH 3 .Yd = 66,4.28,84 + 66.4.17.0,075

= 1999,6( kg / h )



G yc = Gtr .M tr + Gtr .M NH 3 .Yc = 66.4.28,84 + 66,4.17.0,0002

= 1915,2( kg / h )



G ytb =

Suy ra:



1999,6 + 1915,2

= 1957,4( kg / h )

2



4.3 Các thông số dòng lỏng:

Hấp thu NH3 bằng H2O, chọn dung môi sạch khi vào tháp đệm với Xd = 0.

Lượng dung môi tối thiểu sử dụng:



Lmin =



G tr (Yd − Yc )

X* − X d



X*: nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng Yd

Từ đồ thị đường cân bằng ta có: X* = 0,023 (kmol NH3/kmol H2O)



Lmin =



66,4.( 0,075 − 0,0002)

= 215,94( kmol/h)

( 0,023 − 0)



Lượng dung môi thực tế cần sử dụng:

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 35



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Ltr = 1,4.Lmin = 1,4.215,94 = 302,32 (kmol/h)

Phương trình cân bằng vật chất: 4.17 trang 84 QTVTB truyền khối tập 3

Gtr .Yd + Ltr.Xd = Gtr.Yc + Ltr.Xc



Xc =

Mà:



Gtr

66,4

.( Yd − Yc ) =

.( 0,075 − 0,0002 )

Ltr

302,32



= 0,016( kmolNH 3 / kmolH 2 O )



Gtr.Yc



Gtr .Yd



Ltr.Xd



Ltr.Xc



Đường làm việc của tháp hấp thụ:

Y = A.X + B

Trong đó :



A=



Ltr 302,32

=

= 4,55

Gtr

66,4



B = Yc −



Ltr

302,32

. X d = 0,0002 −

.0 = 0,0002

Gtr

66.4



Vậy phương trình làm việc là: Y = 4,55X + 0,0002

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 36



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Lưu lượng khối lượng dòng lỏng trung bình trong thiết bị hấp thu:



G xtb =



G xñ + G xc

2



Gxd, Gxc: lưu lượng khối lượng dòng lỏng vào và ra.

Gxd = Ltr .Mtr = 302,32.28,84= 8718,9 (kg/h)



G



xc



= Ltr .Mtr + Ltr. Xc.



M NH 3



= Gxd + Ltr. Xc.



M NH 3



= 8718,9+ 302,32.0,016.17=8801,1 (kg/h)



G xtb =





8718 ,9 + 8801,1

= 8760 ,02( kg / h )

2



Khối lượng riêng pha lỏng, kg/m3:



ρ xtb = ρ xNH 3 .vtb + (1 − vtb ).ρ xH 2O

ρNH3 (300C )=595 kg/m3



Với:



ΡH20 (300C )=995 kg/m3

Bảng I.2 [32.804] trang 9 sổ tay QTVTB hóa chất tập 1

vtb: phần thể tích trung bình của NH3 trong pha lỏng.



vtb =



x d + xc

Xc

0,016

=

=

= 8.87 .10 −3 m 3 / h

2

2(1 + X c ) 2(1 + 0,016 )



(



)



ρ xtb = 595.7,87 .10 −3 + (1 − 7,87 .10 −3 ).995 = 991,85 ( kg / m 3 )

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 37



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



4.4 Tính đường kính

D=



4Vytb

π3600ω tb



IX.89 trang 9 sổ tay QTVTB hóa chất tập 2



Vận tốc làm việc thích hợp là:



ωtb = 0,85 .ωs ωs

(



là vận tốc sặc, m/s)



ωs

được tính theo cách sau:



Y=

Ta có công thức:



ωs2 .σ d .ρ ytb μ x 0,16

.( )

g.Vd3 .ρ xtb μ n



Y = 1,2.e-4X

Và:

1/ 4



 G   ρ ytb 



Mà : X =  xtb  .

G 

ρ

ytb

xtb











1/ 8



1/ 4



 8760 ,02   1,14 

=

 .



 1957,4   991,85 



1/ 8



= 0,64



Thế vào phương trình:



Y = 1,2.e −4.0, 64 = 0,09



Chọn đệm là vòng Rasdrig: 5 x 5 x 1mm có



δ d = 1000( m 2 / m3 )



g: gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2.

μx



: độ nhớt pha lỏng ở 300C.



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 38



, Vd = 0,62 m3/m3.



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



μ x = μ n = μ H O(200C)

2



=0,8007.10-3 NS/m2 Bảng I.102 trang 94 sổ tay QTVTB hóa chất tập

1



μn



: độ nhớt của nước ở 300C.



ωs =



Suy ra:



Y .g.Vd3 .ρ xtb

µ 

σ d .ρ ytb . x 

 µn 



⇒ ωtb = 0,85 .ωs



D=



0 ,16



=



0,09.9,81 .0,62 3.991,85

 0,800710

1000.1,14.

−3

 0,8007 .10



−3











0 ,16



= 0,43( m / s )



= 0,85.0,43 = 0,36 (m/s)



4.1688 ,8

= 1,3( m )

π .3600.0,36



Vậy:



4.5 Tính chiều cao cột đệm theo một đơn vị chuyển khối

Hd = my.hdv



hdv = h1 +



m.G ytb

Gxtb



.h2



h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi.

h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng.

m: hệ số phân bố, m = 2,74

Tính h1: IX.76 trang177 sổ tay QTVTB hóa chất tập 2



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 39



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



h1 =



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Vd

2/3

.Re 0,25

y .Pry

a.ψ.σ d



ψ



+



: hệ số thấm ướt đệm.

ψ=



U tt

U t.h



Utt: mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp, m3/m2.h



Ltr .M tr 302,32.28,84

V

ρ tr

995

U tt = x =

=

= 6,6 m 3 / m 2 .h

2

2

Ft

π .D

π .1,3

4

4



(



)



Ut.h: mật độ tưới thích hợp, m3/m2.h



(



U t .h = B.σ d = 0,158.1000 = 158 m3 / m 2 .h



)



(Ở đây: B là hằng số khi hấp thu



amoniac bằng nước).Bảng IX.6 [32.610] trang 177 sổ tay QTVTB hóa chất tập 2



⇒ψ =



6,6

= 0,042

158



Tính Rey, Pry



Re y =



0,4.ρ ytb .ω s



σ d .µ hh



=



0,4.1,14.0,43

= 10,7

1000.1,83 .10 −5



Dy: hệ số khuếch tán của khí bị hấp thu trong pha khí



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 40



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



0,0043.10−4.T1,5

1

1

Dy =

.

+

1/ 3

1/ 3

P(vNH3 + vkk )

M kk M NH3



(2,36 trang25 QTVTB truyền khối tập 3)



vNH3 , vkk :

Với



thể tích mol của NH3 và không khí



VNH3=25,8

VKK=29,9 Bảng 2.2 QTVTB trang 26 truyền khối tập 3

0,0043.10 −4.( 273 + 30 )

Dy =

1. 25,81 / 3 + 29,91 / 3



(



Pry =



1, 5



)



.



(



1

1

+

= 1,9.10 −5 m 2 / s

28,84 17



)



µ hh

1,83 .10 −5

=

= 0,84

ρ ytb .D y 1,14.1,9.10−5



⇒ h1 =



0,62

.10,7 0, 25.0,84 2 / 3 = 0,18m

0,123.0,042.1000



* Tính h2

IX.77 trang 177 sổ tay QTVTB hóa chất tập 2

2/3



µ 

h2 = 256. x  . Re 0x, 25 . Prx0,5

 ρx 



+



0,04.G xtb

Rex =

Ft .σ d .μ x



=



0,04.



8760 ,02

3600



π .1,32

.1000.0,8007 .10 −3

4



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 41



= 0,09