BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
***
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
______________
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRONG CNMT
Họ và tên:Nguyễn Văn Vượng Số hiệu sinh viên: 20083572
Lớp: KTMT Khoá:53
Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường
Ngành: Kỹ thuât môi trường.
1.Đầu đề thiết kế:
Thiết kế hệ thống hấp thụ cho hỗn hợp khí NH
3
-không khí

.
2. Các số liệu ban đầu:
Hỗn hợp khí vào tháp hấp thụ: NH
3
và không khí.
Lưu lượng hỗn hợp đầu vào tháp: 7000Nm
3
/h
Thành phần hỗn hợp theo phần thể tích: 12 %
Áp suất,nhiệt độ: Tự chọn
Thiết bị hấp thụ loại : Tháp đệm.
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
1. Mở đầu
2. Tính toán thiết kế tháp đệm (Mô phỏng theo một số điều kiện)

I. Đường kính tháp.
1. Lượng khí trung bình đi trong tháp.
2. Tốc độ khí trung bình đi trong tháp .
3. Đường kính tháp.
II. Chiều cao làm việc của tháp.
1. Chiều cao của một đơn vị chuyển khối.
2. Số đơn vị chuyển khối .
3. Chiều cao tháp :
Bảng mô phỏng.
PHẦN 3 : TRỞ LỰC CỦA THÁP.
1. Hệ số Re.
2. Tổn thất áp suất (trở lực ) của đệm khô.
3. Sức cản thuỷ học của tháp đệm đối với hệ khí _ lỏng và hơi lỏng ở điểm
4. Sức cản thuỷ lực trên điểm đảo pha trong chế độ nhũ tương.
5.Sức cản thuỷ lực ở dưới điểm đảo pha.
PHẦN 4 : THIẾT BỊ PHỤ.
I.Bơm chất lỏng.
1. Áp suất toàn phần của bơm.
2. Năng suất của bơm.
3. Hiệu suất chung của bơm .
4. Công suất động cơ điện.
II. Vận chuyển khí .
1. Áp suất toàn phần của quạt.
2.Công suất lý thuyết của quạt.
3. Công suất thực tế của quạt .
PHẦN 5 : TÍNH TOÁN CƠ KHÍ.
I. Tính thân hình trụ.
1. Chiều dày của thân hình trụ được tính theo công thức .
2. Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử .
II. Tính đáy và nắp thiết bị.

dễ hoà tan thành NH
4
OH gây nhiễm
độc cá và các sinh vật thuỷ sinh . NH
3
còn có khả năng tạo thành các sol khí và bụi lơ
long có tác dụng hấp thụ và khuếch tán ánh sáng mặt trời , làm giảm độ trong suốt của
khí quyển . Trong không khí NH
3
kết hợp với O
2
dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời
tạo NO
x
là tác nhân làm thủng tầng ozon , gây hiện tượng hiệu ứng nhà kính , mưa axít
.
Với sự gia tăng và ảnh hưởng ngày càng lớn của NH
3
tới môi trường . Đồng thời
tận dụng ưu điểm của NH
3
trong một số ngành công nghệ sản thì việc thu hồi và xử lý
NH
3
bằng mộ hệ thống thiết bị hấp thụ bằng tháp đệm là hết sức cần thiết , do đó đặt
ra một yêu cầu thiết kế sao cho hệ thống này đạt hiệu quả và năng suất cao nhất được
đưa ra .
Hấp thụ là quá trình hút khí ( hoặc hơi ) bằng chất lỏng , trong đó vật chất di
chuyển từ pha khí vào pha lỏng . Khí dược hút được gọi là chất được hấp thụ , chất
lỏng để hút gọi là dung môi ( hay chất hấp thụ ) , khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ .

trong công nghệ môi trường để hấp thụ các chất khí gây ô nhiễm như : NH
3
, H
2
S ,
SO
2
… bởi tháp đệm có những ưu điểm sau :


Cấu tạo đơn giản , dễ thiết kế , gia công , chế tạo và vận hành đơn
giản.


Bề mặt tiếp xúc pha lớn , hiệu suất cao .


Trở lực trong tháp không quá lớn .


Giới hạn làm việc tương đối rộng .
tuy nhiên tháp đệm có nhược điểm là khó thấm ướt đều đệm .
Nguyên lý làm việc của tháp đệm rất đơn giản , trong tháp đệm , đệm được đổ đầy
trong thân hình trụ , chất lỏng đi từ trên xuống , phân bố đều trên bề mặt đệm , chất khí
đi từ dưới lên , phân tán trong pha lỏng và quá trình chuyển khối diễn ra .
Sau 12 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy
cô giáo trong Viện. Đây là Đồ án đầu tiên của em, do có nhiều hạn chế về tài liệu và
kinh nghiệm tính toán, nên không thể tránh khỏi những sai sót, em mong nhận được ý
kiến đóng góp của các thầy cô giáo để đồ án sau có kết quả tốt hơn.
Nguyễn Văn

Hỗn hợp khí cần xử lý ( NH
3
và không khí ) được quạt thổi khí đưa vào ở đáy tháp
, trên đường ống có van an toàn , van điều chỉnh để điều chỉnh lưu lượng phù hợp yêu
cầu .
Nước từ bể chứa được bơm ly tâm bơm lên trên đỉnh tháp , trên đường ống dẫn lỏng
có van điều chỉnh như ống dẫn khí .
Quá trình hấp thụ xảy ra , không khí chứa NH
3
sau khi được hấp thụ đi lên nắp tháp
và đi ra ngoài . Nước hấp thụ NH
3
đi xuống đáy và qua van tháo đi vào bể chứa .
PHẦN 1 : CÂN BẰNG VẬT LIỆU.
1. Điều kiện làm việc của tháp.

∗
Một số kí hiệu :



d
X
_nồng độ phần mol tương đối ban đầu của cấu tử hấp thụ trong dung môi.
kmol NH
3
/kmol dung môi.







y
G
_ lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ , kmol/h.



tr
G
_lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ , kmol/h.

∗
Điều kiện làm việc của tháp.


Nhiệt độ :
Ct
0
25
=
hay
KT
0
298=
.


Áp suất :

12,01
12,0
−
=
1364,0
(kmol/kmol khí trơ).


Hiệu suất hấp thụ :
η
=
90,090
0
0
=
.

⇒

dc
YY ).1(
η
−=
=
01364,01364,0).90,01(
=−
(kmol/kmol khí trơ).


Lưu lượng khí thải vào tháp :

1
1
=
y
G
)1(
d
y
−
(IX.9_T2).
=
5,312
.
)12,01( −
=275 (kmol/h)


β
=
20,1
_lượng dung môi tiêu tốn so với lượng dung môi tối thiểu.
2. Thiết lập phương trình đường cân bằng.

∗
Theo địng luật Henrry :
p
=
ψ
x ; ( IX.1_T2 ).
Và từ công thức tính áp suất riêng phần của khí :

_ nồng độ phần mol của cấu tử bị hấp thụ trong hỗn hợp khi cân
bằng với chất lỏng.



P
_ áp suất chung của hỗn hợp khí.

∗
Đặt
m
=
P
ψ
hằng số cân bằng pha hay hệ số pha loãng , ta có phương
9
9
trình (1) trở thành : y
cb
=
m
x ; (2).
đổi sang nồng độ mol tương đối , phương trình (2) có dạng :

cb
Y
=
Xm
mX
)1(1 −+


at
=
736

mmHg
.

⇒

m
=
P
CNH )25(
0
3
ψ
=
736
10.00223,0
6
=
03,3
.
Thay vào phương trình (3) ta được :

cb
Y
=
Xm

X
như sau :

minx
G
=
tr
G
.
dcbc
cd
XX
YY
−
−
; (5).
Từ phương trình đường cân bằng rút ra :

X
=
03,3.03,2 +
cb
cb
Y
Y
, nên ứng với
d
Y
=
1364,0

.
00412,0
01364,01364,0
−
−
=
39,189

)/( hkmol
.

∗
Thực tế các thiết bị hấp thụ thực không bao giờ đạt được cân bằng giữa
các pha , nghĩa là nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng độ thực tế nên
10
10
lượng dung môi tiêu tốn luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu và được
biểu thị bằng công thức :

x
G
=
minx
G
.
β
;
Với
β
=

X

+
c
Y
-
tr
x
G
G
.
d
X

; (6).
Từ các thông số đã tính được ở trên ,thay vào phương trình (6) ta được :

Y
=
275
268,983
.
X
+

01364,0
-
0

⇒

11
PHẦN 2 : KẾT CẤU THÁP.
I. Đường kính tháp.
Đường kính tháp được xác định theo công thức :

D
=
tb
tb
V
ωπ
.3600.
4
,
m
; (IX.89_T2).
Trong đó :


tb
V
_ lượng khí trung bình đi trong tháp ,
hm /
3
.

ω
tb
_ tốc độ khí trung bình đi trong tháp ,
sm /

3
.
∗
Tính
d
V
:

d
V
=
y
G
.
ytb
ytb
M
ρ
,
hm /
3
. (7).
Trong đó :
•
ytb
M
_ khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí ,
kmolkg /
.
•

ytb
M
ρ
=
0
0
.
4,22
TP
TP
thay vào phương trình (7) ta được :

d
V
=
y
G
.
0
0
.
4,22
TP
TP
=
7857,401
.
273.1
298.1.4,22
=

=
tr
G
.
tr
tr
M
ρ

mà
tr
tr
M
ρ
=
0
0
.
4,22
TP
TP
nên ta có :

c
V
=
tr
G
.
0

V
=
2
cd
VV +
=
2
3652,94781755,9824
+
=
2703,9651

)/(
3
hm
.
2. Tốc độ khí trung bình đi trong tháp :
Theo công thức thực nghiệm :
ω
tb
=(0,8
÷
0,9)
s
,
ω
, m/s.
Với
s
,

ytbd
s
Vg
µ
µ
ρ
ρσω
=
75,1
−
A
.
.
4
1








y
x
G
G
8
1


V

=
76,0

33
/ mm
(bảng IX.8_T2).
( Chọn loại đệm vòng Rasiga đổ lộn xộn bằng sứ có kích thước :

5.33535 ××

mm
) .

xtb
ρ
_ khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m
3
.
Với
xtb
ρ
tính theo công thức :

xtb
ρ
1
=
2

; (8).
13
13
Trong đó :



1tb
a
_ phần khối lượng trung bình của NH
3
trong pha lỏng.
Từ phương trình cân bằng vật liệu trong tháp :

)()(
dcxcdtr
XXGYYG −=−⇒

c
X
=
x
tr
G
G
.
)(

.

⇒
x
tb

2
cd
xx +
=
2
c
x
=
2
0106,0
=
0053,0

)/( kmolkmol
.

⇒
khối lượng mol trung bình của pha lỏng :

xtb
M
= x
tb
.

a
=
xtb
NHtb
M
Mx
3
.
=
9947,17
17.0053,0
=
005,0

)/( kgkg
.



1xtb
ρ
_ khối lượng riêng trung bình của NH
3
trong pha lỏng lấy
theo nhiệt độ trung bình , kg/m
3
.

1xtb
ρ

COH
ρ
=
08,997

3
/ mkg
; (bảng I.5_T1).
Thay các thông số ở trên vào phương trình (8) ta được :

xtb
ρ
=
615).0050,01(08,997.0050,0
08,997.615
−+
=
9911,993

)/(
3
mkg
.
14
14

•

ytb
ρ

2
11 cd
yy +
;
Với
1d
y
,
1c
y
_nồng độ tại hai đầu đoạn tháp của NH
3
trong pha khí.
+

1d
y
=
04,0

kmolkmol /
.
+

1c
y

=
c
c

2
M
_ khối lượng mol của NH
3
và không khí :

+

1
M
=
3
NH
M
=
17

kmolkg /
.

+

2
M
=
kk
M
=
29


µµµ
xx
x
+=
; (I.12_T1).
Trong đó :



1
µ
,
2
µ
_ độ nhớt động lực của NH
3
và H
2
O trong pha lỏng ở
25
0
C , N.s/m
2
.


x
1
, x
2

COH
µ
.
15
15
ta có :
+

)25(
0
3
CNH
µ
=
3
10.152,0
−

2
/. msN
; (Hình I.25_T1).

+

)25(
0
2
COH
µ
=

n
µ
_ độ nhớt của nước ở 20
0
C.

n
µ
=
)20(
0
2
COH
µ
=
3
10.005,1
−

2
/. msN

; ( bảng I.102_T1).
A
_ hệ số, khi hấp thụ
022,0
=
A
.
G

y
G
)/( skg
=
3600
)/(.MGy(kmol/h)
ytb
kmolkg
Với
kktbNHtbytb
MyMyM ).1(.
11
3
−+=
=
73,2829).0225,01(17.0225,0 =−+

)/( kmolkg
.
⇒

y
G
=
3600
8,73401,7857.2
=
2065,3

)/( skg

s
Vg
µ
µ
ρ
ρσω
=
75,1
−
A
.
.
4
1








y
x
G
G
8
1



3
2
,
1,005.10
0,8853.10
.
9911,993.76,0.8,9
1749,1.165.
s
ω
=
75,1022,0
−
.
4
1
2065,3
6005,6






.
8
1
9911,993
1749,1


.
91,1
=
72,1

)/( sm
.
3. Đường kính tháp :

D
=
tb
tb
V
ωπ
.3600.
4
=
816,1.3600.14,3
2703,9651.4
=
4083,1

)(m
.
Quy chuẩn :
D
=
4,1


1. Chiều cao của một đơn vị chuyển khối.
Công thức xác định :

dv
h
=
1
h
+
x
y
G
mG
.
2
h
,
m
; (IX.75_T2).
Trong đó :

∗

m
_ hằng số cân bằng pha hay hệ số pha loãng ;
m
=
03,3
.


m
;

1
h
=
d
d
a
V
σψ

.
25,0
Re
y
.
3
2
Pr
y
,
m
; (IX.76_T2).
Với :
•

a
_hệ số phụ thuộc vào dạng đệm : với đệm vòng
a

ht
tt
U
U
.
17
17
Trong đó :



tt
U
=
t
x
F
V
_ mật độ tưới thực tế ,
hmm
23
/
;

+

x
V
_ lưu lượng thể tích của chất lỏng ,
hm /

3
.

+

t
F
_ diện tích mặt cắt tháp , m
2
;

t
F
=
π
2
.4
D
=
4
.
14,3
4,1
2
=
5,2

)(
2
m

;
Với
B
_ hằng số :
B
=
158,0

hmm ./
23
; (bảng IX.6_T2).

⇒

th
U
=
158,0
.
165
=
07,26

)./(
23
hmm
.

⇒


ω
_ vận tốc sặc , m/s ;
Từ công thức :
Y
=
2,1
.
X
e
.4−
; (IX.114_T2).
Trong đó :
+

Y
=
16.0
3
2
.








0147,0
.
2
s
ω
18
18

+

X
=
.
4
1








y
x
G
G
8
1





=
516,0
.
Thay vào công thức (IX.114_T2) ta có :

026,0
.
2
s
ω
=
2,1
.
516,0.4
−
e

⇒
s
ω
=
22,3

sm /
.



+
; (I.18_T1).
trong đó :

+

hh
M
,
1
M
,
2
M
… _ trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí
và của các cấu tử thành phần.

+

hh
µ
,
1
µ
,
2
µ
…_ độ nhớt của hỗn hợp khí và của các cấu
tử thành phần.


My
µ
).1(
1
−

với :
3
NH
µ
=
3
10.0103,0
−

2
/. msN
;

kk
µ
=
3
10.018,0
−

2
/. msN
; (Hình I.35_T1).



⇒

y
Re
=
dytb
sytb
σµ
ωρ
.
4,0
=
165.10.0178,0
22,3.1749,1.4,0
3−
=
4338,506
.

•

y
Pr
=
yy
y
D.
ρ
µ








+
kkNH
MM
11
3
,
sm /
2
.
trong đó : v
3
NH
, v
kk
_thể tích mol của khí NH
3
và không khí .


v
3
NH
=

−
.






+
29
1
17
1
=
4
10.184,0
−

)/(
2
sm
.

⇒

y
Pr
=
yy
y


.
25,0
Re
y
.
3
2
Pr
y
=
165.363,0.123,0
76,0
.
25,0
4338,506
.
3
2
8374,0
=
4346,0

)(m
.

∗

2
h

µ
=
3
10.8853,0
−

2
/. msN

_ độ nhớt của pha lỏng .

•
x
ρ
=
xtb
ρ
=
9911,993

3
/ mkg
_ khối lượng riêng của lỏng.

•
x
Re
_ chuẩn số Râynôn của pha lỏng.

x

x
D.
ρ
µ
_ chuẩn số Pran của pha lỏng.
Trong đó :

x
D
_ hệ số khuếch tán trong pha lỏng , m
2
/s.


ở 20
0
C :

20
D
=
2
3
1
3
1
,
6
3
23

+
A
và
B
là hệ số liên hợp.

A
=
1
;
B
=
7,4
.

+
,
n
µ
_ độ nhớt của nước ở 20
0
C , cP.

,
n
µ
=
3
10
−


kgm /
3
; (Bảng I.5_T1).

⇒

n
v
=
0149,18

molcm /
3
.

⇒

20
D
=
2
3
1
3
1
6
6
0149,188,25.10.005,1.7,4.1
18

.


Ở 25
0
:
Theo công thức tính hệ số khuếch tán ở nhiệt độ t
0
C :

C
D
0
25
=
20
D
.
( )
[ ]
20.1
−+
tb
,
sm /
2
; (VIII.15_T2).
trong đó :
3
,

+
n
ρ
_ khối lượng riêng của nước ở 20
0
C.

n
ρ
=
23,998

3
/ mkg
(Bảng I.5_T1).

⇒

C
D
0
25
=
6
10.3083,2
−
.
( )
[ ]
202510.006,21

⇒

x
Pr
=
xxtb
x
D.
ρ
µ
=
6
3
10.3083,2.9911,993
10.8853,0
−
−
=
385,0
.

⇒

2
h
=
256
.
5,025,0
3




−
=
076,0

)(m
.

dv
h
=
1
h
+
x
y
G
mG
.
2
h

=
4346,0
+
6005,6
2065,3.03,3
.

AP
=
6
+

009,0
004,0
=
4,6
.
Đồ thị xác định số đơn vị chuyển khối theo số đơn vị thể tích :
3. Chiều cao tháp :
22
22

ydv
mhH .
=

53,348,6.547,0 ==

)(m
.
Quy chuẩn :
5,3=H

m
.
23
23


x
Re
=
7158,0
.∗

y
Re
_ chuẩn số Râynôn của pha hơi.

y
Re
=
4338,506
.
2. Tổn thất áp suất (trở lực ) của đệm khô.
Công thức tính :

k
P
∆
=
4
,
λ
.

λ
_ hệ số trở lực của đệm ( bao gồm cả trở lực do ma sát và trở lực
cục bộ).
Do đệm đổ lộn xộn ở ché độ xoáy (
y
Re
=
4338,506

>

40
) nên :

,
λ
=
2,0
Re
16
y
=
2,0
4338,506
16
=
6049,4
.

•

=
d
d
V
σ
.4
,
m
_ đường kính tương đương của đệm .

⇒

td
d
=
165
76,0.4
=
0184,0

)(m
.



y
,
Re
=
57,0

23
3
)10.0178,0(
81,9).1749,19911,993.(1749,1.0184,0
−
−
=
217298163
.

⇒

y
,
Re
=
57,0
217298163.045,0
.
43,0
6005,6
2065,3






=
704,1863

H
σ
.
2
.
2
,
yy
ρω
=
4
6049,4
.
3
76,0
165.5,3
.
2
1749,1.5614,1
2
=
152,2169

)/(
2
mN
.
3. Sức cản thuỷ học của tháp đệm đối với hệ khí _ lỏng và hơi lỏng ở điểm
đảo pha.
Công thức :












+
c
y
x
n
x
y
m
y
x
G
G
A
µ
µ
ρ
ρ
1
,

y
x
x
y
y
x
G
G
µ
µ
ρ
ρ
=
2,0
3
3
8,1
10.0178,0
10.8853,0
.
9911,993
1749,1
.
2065,3
6005,6




