Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị
LỜI MỞ ĐẦU
Benzene là một chất lỏng không màu có mùi thơm đặc trưng và bốc hơi rất
nhanh vào không khí, hơi tan trong nước. Là một nguyên liệu quan trọng và được
ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chất dẻo, thuốc nhuộm, bột giặt, dược
phẩm, sợi nhân tạo, thuốc nổ, nhiên liệu động cơ, các đồ dùng gia dụng…Và
chúng ta ngày càng có xu hướng xử dụng các loại sản phẩm này ngày càng
nhiều. Điều này đồng nghĩa với lượng benzene thải ra môi trường ngày càng lớn.
Tuy benzene có nhiều ứng dụng đối với chúng ta nhưng ảnh hưởng của nó đến
môi trường cũng rất lớn. Theo như nghiên cứu của các nhà khoa học thì khi
nhiễm độc benzene tuỳ mức độ hàm lượng mà có thể gây ra cho con người các
triệu chứng như gây hại cho tuỷ xương, chóng mặt, buồn ngủ, buồn nôn, bất tỉnh,
co giật, tử vong. Nếu nhiễm độc lượng nhỏ trong thời gian dài sẽ tích tụ gây ung
thư…Và phần lớn các trường hợp nhiễm độc là do hít thở không khí bị nhiễm
benzene. Do đó thu hồi hơi benzene trong không khí là việc hết sức cần thiết và
cấp bách.
Đề tài: “Thiết kế thiết bị hấp phụ tầng sôi để hấp phụ benzene trong không
khí bằng than hoạt tính” là một đề tài hay, nó đã và đang được ứng dụng trong
thực tế để xử lý không khí bị nhiễm độc benzene và có ý nghĩa quan trọng đối
với con người cũng như các loài sinh vật khi mà môi trường bị ô nhiễm như hiện
nay.
Trong quá trình làm đồ án này, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng kinh nghiệm
còn non kém nên sẽ không tránh khỏi những sai sót, nhóm chúng em rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn để đồ án này được
hoàn hảo hơn.
Nhóm chúng em cũng xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Nguyễn Văn Thông
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cho chúng em hoàn thành tốt đồ án này.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện.
GVHD: Nguyễn Văn Thông Page 1
Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị

4. Các giai đoạn hấp phụ:
• Khuếch tán cơ chất ngoài
mao quản
• Khuếch tán cơ chất trong
mao quản
• Hấp phụ lên chất xúc tác
• Quá trình phản ứng xảy ra
GVHD: Nguyễn Văn Thông Page 2
Đồ án môn học: Các quá trình và thiết bị
• Nhả hấp phụ sản phẩm
• Khuếch tán sản phẩm trong
mao quản
• Khuếch tán sản phẩm ngoài
mao quản
5. Yêu cầu đối với chất hấp phụ:
• Có bề mặt riêng lớn
• Có tính chọn lọc
• Có thể hoàn nguyên dễ
dàng
• Thời gian sống lâu
• Bền cơ học
GVHD: Nguyễn Văn Thông Page 3
6. Các chất hấp phụ thường dùng:
• Than hoạt tính
• Silicagen
• Zeolit
• Chất dẻo xốp
• Nhôm oxit hoạt tính…
7. Thiết bị hấp phụ:
7.1. Hấp phụ tĩnh:

4
5
6
7
8
9
10
11
- Chất hấp phụ là pha lỏng nên dễ vân chuyển từ thiết bị này sang
thiết bị khác.
2. Nhược điểm:
- Vì có sự trộn lẫn các hạt chưa làm việc và các hạt đã hấp
phụ rồi nên động lực của quá trình giảm.
- Hạt chóng mòn, đòi hỏi hạt có độ bền cơ học cao.
- Khi các hạt chất hấp phụ chuyển động mạnh như vậy sẽ
làm cho thành thiết bị cũng bị bào mòn.
III) Ý nghĩa kinh tế và kỹ thuật
- Hệ thống làm việc đơn giản, dễ giám sát.
- Có thể tự động hóa trong sản xuất.
- Chi phí lắp đặt hệ thống không cao.
- Hiệu suất làm việc cao.
- Có thể thu hồi bezene phục vụ cho mục đích công nghiệp.
- Góp phần làm giảm ô nhiễm môi trường.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.

53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
64.
65.
b) Thuyết minh sơ đồ công nghệ:
66. Hỗn hợp ban đầu được đưa vào tháp hấp phụ (9) bằng
quạt đẩy (1), có hai quạt đẩy: 1 cái làm việc, 1 cái dự trữ nhằm mục đích
tránh trường hợp thải hơi độc ra không khí. Sau đó được đưa qua thiết bị
lọc tay áo (2) để lọc qua tạp chất cơ học. Do sử dụng chất hấp phụ là
than hoạt tính nên rất dễ tạo hỗn hợp nổ với hỗn hợp không khí đưa vào,
vì vậy phải đưa qua thiết bị phòng lửa có những màng mỏng sẽ chia nhỏ
hỗn hợp khí. Sau đó được đưa qua thiết bị làm lạnh (4), thiết bị này có
Chú thích:
1,11: Quạt
2: Thiết bị lọc
3:Thiết bị phòng cháy
4,6: Thiết bị làm lạnh
5: Bể chứa
7: Thiết bị ngưng tụ
8: Thiết bị phân ly
9: Tháp hấp phụ

76.
77. Bảng 3.1: Đặc trưng của than hoạt tính CKT-6A
78.
Mã
than
79.
Mật
độ rót
ρ
H.
Kg/m
80. T
hành
phần
81. ứng dụng 82.
Độ
bền
83. H
ằng số
cấu
trúc.
B.10
6
,
84. G
iá trị
thươn
g
phẩm,
88.

65
100. 1
.05
101. 1
310
102.
103. Từ bảng 3.1 ta có:
104. Đường kính hạt trung bình: d
h
= 1.10
-3
105. Mật độ rót ρ
h
= 470 kg/m
3
106.
1.1.1 Xác định vận tốc dòng khí
- Tốc độ dòng khí có thể được tính theo công thức:
107.
108. Trong đó:
109. Re: hằng số reynold
110. D
h
: đường kính trung bình của hạt hấp phụ (m).
111. ω : vận tốc của dòng khí tính theo tiết diện ngang của thiết bị
(m/s).
112. υ: độ nhớt động học của hỗn hợp khí (m
2
/s).
- Đối với chế độ làm việc tầng sôi:

130.
131. = = 1,16 (kg/m
3
)
132.
133. Theo dữ kiện của đề bài ta sử dụng thiết bị hấp phụ tầng sôi nên độ xốp
của than ε = (0,5 – 0.65). Trong trường hợp này ta thừa nhận ε=0,55.
134. Thay các giá trị vào (III.2) ta được:
135. = 27249
136.
137. = 37,96
138.
139. → = 0,57 (m/s)
1.1.2 Tính đường kính thiết bị
140.
141. Ta có thể tính đường kính thiết bị dựa vào công thức sau:
142.
143.
144.
145. Trong đó:
146. D là đường kính thiết bị (m)
147. G là lưu lượng khí đưa vào, theo đề G= 2200m
3
/h =
0,611m
3
/s
148. ω là tốc độ dòng khí trong thiết bị đã tính ở trên
149.
150. Thay số ta được:

3
170.
171. Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn quá trình hấp phụ benzene bằng than hoạt tính
CKT-6A.
172. Trong đó:
173. (1): là đường làm việc
174. (2): là đường cân bằng
175.
176. Khi đó theo phương trình cân bằng vật chất, ta có:
177.
178. = = 4,9.10
-5
179. Trong thực tế do chất hấp phụ (CKT-6A) bị tiêu hao 3% so với
lý thuyết do bị ăn mòn và mất mát, do đó lượng chất hấp phụ phải
đưa vào là: L = 1,3L’ = 4,9.10
-5
.1,3 = 6,37.10
-5
(m
3
/s).
180.
181. 3.1.4 Xác định hệ số chuyển khối theo thể tích
182. Thể tích chất hấp phụ trong tháp hấp phụ được tính theo
phương trình:
183. trong đó:
184.
185. K
v
là hệ số chuyể khối theo thể tích tính cho 1 thể tích hạt của

h
là đường kính hạt chủa chất hấp phụ.
197.
198. là số phức hợp không thứ nguyên.
199. L
th
: Tiêu hao riêng phần của chất hấp phụ ( m
3
/m
2
.s).
200.
201. y
bh
: Nồng độ hơi bảo hòa của chất bị hấp phụ (kg/m
3
).
202. β : Hệ số ái lực của benzene (xem bảng 3.2)
203. B : Hằng số cấu trúc của than hoạt tính CKT-6A, (l/g.rad
2
)
(xem bảng 3.1).
204. H : Chiều cao lớp hấp phụ không chuyển động trên đĩa (m).
thông thường H = 0,05m
205. T : Nhiệt độ tuyệt đối (
o
K).
206.
207. Thay các giá trị vào (III.3) ta được:
208.

223. y
*
224. y
-y*
225. 1/
(y-y*)
226.
0,025
227.
233. 0
,0010
234. 0
240. 0
,0240
241. 0
247. 4
1,67
248. 4
254.
0,018
255.
261. 0
,0004
262. 0
268. 0
,0176
269. 0
275. 56,
82
276. 59,

242. 0
,0222
243. 0
,0313
244. 0
,0204
245. 0
,0194
246. 0
,0185
3,29
249. 4
5,04
250. 4
6,95
251. 4
9,02
252. 5
1,55
253. 5
4,05
0,017
256.
0,016
257.
0,015
258.
0,010
259.
0,004

0,00
280. 25
0,00
281. 10
00,00
282.
283. Bằng phương pháp tích phân đồ thị ( hình 3.2) ta tìm được số
đơn vị chuyển khối:
284. = 4,5
285.
286.
287.
288.
289.
290.
291.
292.
293.
294.
295.
296.
297.
298.
299.
300.
1.1.5 Xác định thể tích của tháp chứa chất hấp phụ
301. Thể tích của tháp chứa chất hấp phụ được tính theo công thức:
302. m
3
1.1.6 Xác định thể tích của lớp chất hấp phụ

313. ε
n
: độ xốp của than hoạt tính chuyển động = 0,55
314. Suy ra chiều cao lớp than chuyển động:
315. (m)
- Để dự trữ người ta tính toán khoảng cách giữa các đĩa là H
0
= 0,4m.
- Do vậy, chiều cao phần có đĩa của tháp hấp phụ được tính:
316. H
t
= H
0
(n - 1) = 0,4(5-1) = 1,6 m.
- Khoảng cách từ nắp thiết bị cho đến đĩa trên cùng và dưới
cùng được xác định tùy thuộc vào cấu trúc của bộ phận phân
phối và nạp liệu, thừa nhận những khoảng cách đó là 2H
0.
- Do vậy chiều cao của tháp hấp phụ là:
317. H
a
= H
t
+ 2.2H
0
= 1,6 + 2.2.0,4 = 3,2 m.
318.
1.1.9 Tính toán chóp
319. Đường kính ống hơi của chóp: chọn d
h

= 0,15m =
150mm
330. Trong đó l
2
khoảng cách tối thiểu giữa các chóp (thường chọn
35 mm).
331. Với đường kính chóp 1,2m và 14 chóp ta bố trí chóp theo hình
tam giác với bước 230mm, xếp thành 5 hàng.
332. Số chóp trên đường kính là 4.
333. Khoảng cách từ tâm ống chảy chuyền đến tâm của chóp gần
nhất:
334.
335. Trong đó: l
1
là khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy
chuyền
336. d
c
là đường kính của ống chảy chuyền. ta thừa nhận d
c
=
29mm.
337. Chiều cao gờ: chọn 50mm.
1.1.10 Tính toán mâm xuyên lỗ
- Cấu tạo mâm lỗ
• Tiết diện tự do bằng 8% diện tích mâm.
• Đường kính lỗ 9 mm.
• Chiều cao gờ chảy tràn 30 mm.
• Diện tích của hai bán nguyệt bằng 20% diện tích của mâm.
• Lỗ bố trí theo hình tròn đồng tâm.

352. ρ
y
là khối lượng riêng trung bình của pha khí.
353.
354.
1.2Tính toán cơ khí:
1.2.1 Tính thân hình trụ
355. Thân hình trụ là bộ phận chủ yếu để tạo nên thiết bị, tùy theo
điều kiện ứng dụng mà thân hình trụ có thể đặt nằm ngang hay thẳng
đứng. Đa số nên đặt thẳng đứng đối với các thiết bị có vỏ mỏng và
làm việc ở áp suất không lớn lắm.
356. Người ta có thể chế tạo thân thiết bị bằng cách: hàn, rèn, đúc…
357. Thân hình trụ bằng vật liệu dẻo (thép, kim loại màu…) làm
việc đến áp suất 10.10
6
N/m2 được chế tạo bằng cách quấn tấm vật
liệu với kích thước đã định sau đó ghép mối lại.
358. Thân hình trụ bằng vật liệu dẻo (chủ yếu là thép) làm việc ở áp
suất cao được chế tạo bằng cách rèn hay cuốn nhiều lớp bọc nhau.
359. Thân hình trụ bằng vật liệu giòn (gang, đồng thanh…) thường
làm việc ở áp suất không cao lắm (<0,8.106 N/m2) được chế tạo
bằng cách đúc sau đó gia công bề mặt bên trong hoặc không gia
công. Người ta thường đúc thân liền với đáy. Trong nhiều trường hợp
người ta vẫn đúc thân hình trụ từ vật liệu dẻo.
360. Khi thiết kế thân hình trụ ta có thể dựa vào đường kính trong
bảng XIII.6 hoặc đường kính ngoài bảng XIII.7
361. Quan hệ giữa chiều cao H và đường kính Dt đối với thiết bị đặt
thẳng đứng và quan hệ giữa chiều dài L và đường kính Dt đối với
thiết bị đặt nằm ngang được xác định theo yêu cầu của công nghệ sản
xuất hóa chất:

δ, %
370. Độ
nhớt va
đập, a
k
.10
6
J/m
2
373. σ
k
374. σ
ch
377.
CT3
378. 4-
20
379.
380.
380
381. 240 382.
383.
25
384. 0,8
386. 22
-40
388. 230 390. 0,7
392. 45
-60
394. 220

, n
c
, η: lần lượt là: hệ số an toàn theo giới hạn bền, giới hạn
chảy và hệ số điều chỉnh được cho trong bảng 3.3 và bảng 3.4:
403. Bảng 3.3: Giá trị của hệ số hiệu chỉnh η [1]
404. N
hóm
thiết bị
405. Điều kiện sản xuất 406. Thiết bị
loại
409.
I
410. I
I
411.
412. 1
413. Các chi tiết hoặc các bộ
phận đốt nóng trực tiếp bằng
ngọn lửa, khí lò, điện trở…
414.
415.
0,75
416.
417. 0
,9
418.
419. 2
420. Các chi tiết hoặc các bộ
phận không bị đốt nóng hay bị
cách ly với nguồn nhiệt đốt

448. Chọn giá trị nhỏ trong hai giá trị trên thay vào công thức (III.4)
ta được:
449.
450. Với c = c
1
+ c
2
+ c
3
451. Trong đó:
- c
1
: số bổ sung do ăn mòn, xuất phát từ điều kiện ăn mòn vật
liệu của môi trường và thời gian làm việc của thiết bị.
- c
2
: đại lượng bổ sung do hao mòn, chỉ cần tính đến trong các
trường hợp có hạt rắn chuyển động với tốc độ lớn. Đa số trong
các trường hợp tính toán thiết bị hóa chất ta bỏ qua c
2
.
- c
3
: đại lượng bổ sung do dung sai của chiều dày tấm kim loại.
452. Đối với vật liệu bền (0,05 – 0,1 mm/năm) thì c
1
= 1mm, c
2
= 0,
c

/1,2 = 240.10
6
/1.2 = 200.10
6

nên đảm
bảo điều kiện bền. Vậy chọn loại thép CT3 có chiều dày 4mm.
462.
463.
1.2.2 Tính đáy và nắp thiết bị (đáy và nắp elip có gờ).
464.
465. Nắp và đáy cũng là những bộ phận quan trọng của thiết bị và
thường được chế tạo cùng loại với thân thiết bị.
466. Đáy, nắp có thể gắn với thân thiết bị bằng cách hàn, ghép bích
hoặc hàn liền với thân.
467. Đáy, nắp thiết bị có nhiều dạng: elip, nón, cầu, phẳng… tùy
thuộc vào
468. Hình dạng của thân và áp suất trong thiết bị, đồng thời phải
chú ý đến yêu cầu công nghệ.
469. Tính toán đáy và nắp thiết bị hoàn toàn giống nhau
470. Chiều dày S được xác định theo công thức:
471. (III.7)
472. Trong đó:
473. φ
h
: hệ số bền của mối hàn hướng tâm
474. h
b
: chiều cao phần lồi của đáy
475. k : hệ số không thứ nguyên được xác định như sau:

+ 3,8.10
-3
= 4,2 mm
486. Vậy chọn S = 5mm.
487. Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thủy lực:
488.
489.
490. Ta thấy σ < σ
c
/1,2 = 200.10
6
nên thỏa mãn điều kiện bền cho
phép.
491. Vậy ta có bảng thông số của đáy và nắp thiết bị như sau:
492. s 493. Dt 494. Dn 495. h 496. ht
497. mm
498. 5 499. 120
0
500. 121
0
501. 500 502. 300
1.2.3 Chọn mặt bích
503. Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng để nối các phần của thiết
bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị công nghệ chế tạo mặt
bích phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo, phương pháp nối và áp suất của
môi trường. Có các kiểu mặt bích: bích liền, bích tự do, bích ren.
504. Với điều kiện làm việc của thiết bị ta chon bích liền bằng thép
với các thông số như sau:
505.
20

-3
.7,85.10
3
.1,01 =
49,4 (kg).
516. Khối lượng của than hoạt tính trong thiết bị:
517. m
3
= V
l
.ρ
than
= 0,35.670 = 234,5 (kg).
518. Khối lượng của đĩa:
519. m
4
=12.(π600
2
-π.1422.9
2
).5.10
-9
.7,85.10
3
.1,01 = 365kg
520. Vậy tổng khối lượng của thiết bị lúc này là:
521. m = m
1
+ m
2

H
533.
h
534.
s
535.
l
536.
d
537.
m
2
538. N
/m
2
539. mm
540.
85,5
541. 0
,29
542.
110
543.
8
0
544.
9
5
545.
110

-4
.7850 = 2,2 (kg)
560. Vậy khối lượng của 3 chân đỡ: 6,6 (kg).
561. Chọn tai treo: tai treo gắn trên thân tháp và tựa vào giàn đỡ để
giữ vững tháp trong quá trình làm việc, chọn vật liệu làm tai treo là
thép CT3. Tải trọng lên một tai treo tương đương với tải trọng tác
dụng lên một chân đỡ = 1082 (N).
562.
563. Tra bảng XIII.36 [1] ta được bảng số liệu của tai treo như sau:
564.
F.10
4
565. q.
10
-6
566.
L
567.
B
568.
B
1
569.
H
570.
h
571.
s
572.
l

6
587.
3
5
588.
1
5
589.
1
4
590.
1
591.
592.
1.2.5 Tính toán đường ống:
593. Ống dẫn khí:
594. Ta có: Q = 2200m
3
/h = 0,611m
3
/s
595. Chọn v = 35m/s
596.
597. Ống dẫn than:
598. Thiết kế ống dẫn than thỏa mãn:
599. Lưu lượng than: 0,5m
3
/s
600. Tốc độ 15 m/s
601.

607. Ta có chuẩn số Re:
608.
609. Nghĩa là chế độ chảy trong ống là chảy rối.
610. Trong đó:
611. ω: vận tốc dòng chảy
612. ρ: khối lượng riêng của nước
613. µ: độ nhớt của nước
614. Độ gồ ghề tuyệt đối của đường ống là ∆=2.10
-4
m. Khi đó:
615.
616. Và
617.
618.
619. Vậy: 4410 < Re < 247000. Như vậy ma sát trong đường
ống là hỗn hợp. Ta tính λ theo công thức:
620. = 0,025
c) Xác định tổng hệ số trở lực cục bộ đối với đường ống hút và đẩy
riêng biệt
621. Đối với đường ống hút:
• Cửa vào ống (mép sắc nhọn) ζ
1
= 0,5
• Van một chiều: d=0,076 ζ = 0,6
622. d=0,1 ζ = 0,5
623. nội suy đối với d=0,088 ζ = 0,55.
624. Nhân với hệ số hiệu chỉnh k = 0,925 ta có: ζ
2
= 0,51
• Cửa: hệ số A = 1, B= 0,09 ζ

2
= 0,09
• Van thường: với d = 0,08 m ζ = 4,0
638. Với d = 0,1 m ζ = 4,1
639. Ta thừa nhận với d = 0,088 m ζ = 4,04
• Cửa ra ống: ζ
4
= 1
640. Tổng hệ số trở lực cục bộ trên đường ống đẩy:
641. Cũng áp dụng công thức như đã tính đường ống hút, ta
được:
642. (m)
643. Tổng mất mát áp lực: h
m
= h
mh
+ h
md
= 0,962 + 4,396 =
5,358
d) Chọn bơm
644. Xác định áp lực bơm theo công thức:
645.
646. Trong đó:
647. P
1
: áp suất trong máy từ đây chất lỏng được bơm đi
648. P
2
: áp suất chất lỏng trong máy mà chất lỏng được bơm

(kW)
666.
η
d
667. X
45/31
668. 1,25
.10
-2
669. 1
9,8
670. 4
8,3
671.
0,60
672. AO2-
52-2
673. 1
3
674.
0,89
675. Khi sử dụng bơm ly tâm ta phải chú ý các trường hợp sau:
• Bơm dùng để vận chuyển các chất lỏng hoạt động và trung tính
về mặt hóa học. Không có tạp chất kể cả tạp chất rắn đến 0,2%,
khi kích thước hạt nhỏ hơn 0,2 mm
• Mỗi bơm được chế tạo với 3 đường kính khác nhau của bánh xe
công tác tương ứng với 3 áp lực trong miền tối ưu η
b
.
676. Ta chọn bơm ly tâm vì nó phổ biến rộng rãi trong công nghiệp,

)
2/3
= 0,3. (0,012.48,3
2
)
2/3
= 2,77 (m)
690. Theo bảng áp mất của hơi nước bảo hòa [2] ta có ở 20
o
C Pt =
2,35.10
3
pa. Thừa nhận áp mất của khí quyển P1 = 10
5
pa. Đường
kính ống hút bằng đường kính ống dẫn, kkhi đó chiều cao ống
hút được xác định theo công thức:
691.
692.
693. Như vậy ta có thể đặt bơm ở độ cao 4m trên mực chất lỏng.
694. 3.3.2. Tính toán quạt
695. Chọn quạt để bơm không khí qua máy hấp phụ với yêu cầu sau:
696. Tiêu hao không khí 0,5 m
3
/s, nhiệt độ 25
o
C, không khí đưa vào
phần dưới của máy hấp phụ. Áp suất không khí đưa vào và phía trên lớp