Đề tài Tính toán thiết kế tháp hấp phụ xử lý khí thải

hà kính. Phương pháp xúc tác: Bản chất của quá trình xúc tác để làm sạch khí thải là thực hiện các tương tác hóa học nhằm chuyển các chất độc hại thành các sản phẩm không độc hoặc ít độc hơn của các chất trên bề mặt chất xúc tác rắn. Các chất xúc tác không làm thay đổi mức năng lượng của các phân tử chất tương tác và không làm dịch chuyển cân bằng phản ứng đơn giản. Vai trò của chúng là làm tăng vận tốc tương tác hoá học. Các chất xúc tác trong xử lý khí thải công nghiệp là các chất tiếp xúc trên cơ sở các kim loại quý: Pt, Pd, Ag … , các oxit Mangan, Đồng, Cobalt … Hiệu quả xử lý của phương pháp này chủ yếu phụ thuộc vào hoạt tính của chất xúc tác. Nhược điểm: của phương pháp này là tốn kém và hiệu suất không ổn định. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HƠI TOLUEN BẰNG THAN HOẠT TÍNH. Khái niệm: Hấp phụ là quá trình phân ly khí dựa trên ái lực của một số chất rắn đối với một số loại khí có mặt trong hỗn khí nói chung và trong khí thải nói riêng, trong quá trình đó các phân tử chất ô nhiễm trong khí thải bị giữ lại trên bê mặt của vật liệu rắn .vật liệu rắn sử dụng trong quá trình này được gọi là chất hấp phụ, còn khí bị giữ laị trong chất hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ. Hấp phụ là quá trình gây ra hiện tượng tăng nồng độ của chất trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (rắn-khí, rắn-lỏng). Hấp phụ là sự hút các phân tử khí, hơi bởi bề mặt chất hấp phụ. Phương pháp hấp phụ: Hấp phụ vật lý: Là quá trình xảy ra thuận nghịch, là loại hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa các phần tử, lực tương tác là lực Van Đơ Van. Ưu điểm: quá trình thuận nghịch bằng, cách hạ thấp áp suất riêng của chất bị hấp phụ hay nhiệt độ, chất bị hấp nhanh chóng được nhả ra mà bản chất hóa học của nó không hề thay đổi. Hấp phụ vật lý có tốc độ hấp phụ diễn ra rất nhanh. Hấp phụ hoá học: Là quá trình không thuận nghịch là hấp phụ đơn phân tử (hấp phụ một lớp), lực liên kết là lực liên kết hóa học, tạo thành hợp chất bề mặt. Lực liên kết trong hấp phụ hóa học mạnh hơn nhiều so với hấp phụ vật lý. Do đó lượng nhiệt tỏa ra lớn, khoảng 20 – 400 kJ/g.mol. Tốc độ của quá trình hấp phụ hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ. Ưu điểm: nhiệt lượng hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới 800 KJ/mol, năng lượng cần cho phản ứng. Các yếu tố ảnh hưởng: Ảnh hưởng của môi trường: Giữa môi trường và chất tan thường có sự canh tranh sự hấp phụ lên bề mặt rắn. Về mặt nhiệt động học, cấu tạo nào có sức căng bề mặt bé hơn sẽ bị hấp phụ mạnh hơn lên bề mặt vật rắn, tuy nhiên, trong thực tế còn có sự tác động của cáo yếu tố khác. Ảnh hưởng của bản chất hấp phụ: Bản chất và độ xốp của vật hấp phụ ảnh hưởng lớn đến sự hấp phụ. Vật hấp phụ không phân cực thì hấp phụ chất không phân cực tốt, vật hấp phụ phân cực hấp phụ tốt với chất phân cực. Tính chất của chất bị hấp phụ: Quá trình hấp phụ diễn ra theo hướng làm san bằng sự phân cực giữa các pha. Độ chênh lệch của sự phân cực càng lớn thì sự hấp phụ diễn càng mạnh. Quy tắc này cho phép xác định cấu trúc lớp bề mặt và chỉ ra điều kiện chon chất hấp phụ thích hợp nhất trong trường hợp cụ thể. Quy tắc phân tử lượng đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch: Chất hấp phụ có phân tử lượng càng lớn thì sự hấp phụ càng tăng nhanh. Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm: Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn trong pha khí vì sự thay đổi nồng độ trên bề mặt phân chia pha được thực hiện bởi quá trình khuếch tán. Tốc độ khuếch tán trong pha khí diễn ra nhanh hơn trong pha lỏng. Khi nhiệt độ tăng lên, khả năng khuếch tán vật chất vào dung dịch giảm xuống dần đến giảm sự hấp phụ. Áp suất: áp suất càng cao, khả năng hấp phụ càng tốt. Độ ẩm: độ ẩm càng thấp, khả năng hấp phụ càng tốt. Thiết bị hấp phụ: Yêu cầu cần thiết: Đảm bảo thời gian chu kỳ làm việc thích hợp. Có xử lý sơ bộ đối với khí thải. Xử lý làm giảm bớt nồng độ ban đầu. Phân phối dòng khí đi qua lớp vật liệu hấp phụ đều đặn Đảm bảo khà năng thay thế mới hay hoàn nguyên vật liệu hấp phụ. Thiết bị với lớp hấp phụ hạt tầng mỏng: Dùng than hoạt tính làm chất hấp phụ theo lớp mỏng (độ dày khoảng 12 – 15cm) được giữ lại bởi một lực cơ học, bởi vì khả năng chống lại lực đẩy của dòng khí rất yếu. Chất hấp phụ có thể được đựng trên những đĩa dạng lưới hoặc là những phần tử cứng. Thiết bị hấp phụ mỏng thường được áp dụng để lọc sạch lượng dưỡng khí cấp vào cho những căn hộ. Không khí trong khí quyển, mặc dù lượng chất ô nhiễm thải vào là rất lớn, nhưng tính pha loãng của khí quyển cũng rất tốt, bởi vậy nồng độ chất ô nhiễm trong khí quyển thường là rất nhỏ (dạng vết). Tốc độ hấp phụ của loại thiết bị này nhanh, lượng chất ô nhiễm không thể nhanh chóng tập trung trên bề mặt chất hấp phụ, đủ để làm giảm. Thiết bị với lớp hấp phu hạt tầng dày: Sử dụng than củi làm chất hấp phụ với độ dày lớn hơn 1/2 inch (khoảng 12 cm), với đô dày này sẽ đủ sức giữ được một khoảng trống tối thiểu và thường làm đơn giản hơn lớp hấp phụ mỏng, dễ dàng xác định lượng than hoạt tính sử dụng. Thiết bị hấp phụ với lớp dày sẽ được sử dụng ở những nơi có yêu cầu sử dụng được trong thời gian dài, ít phải thay đổi lớp hấp phụ. Ví dụ dùng để lọc sạch các khí thải từ các ống thải của các lò sưởi dùng trong nhà, mức độ tập trung chất ô nhiễm cao. Việc hấp phụ chất ô nhiễm trên bề mặt lớp hấp phụ là quá nhanh so với hấp phụ lớp mỏng, do vậy không bị bít kín các lỗ hổng. Nhược điểm chung của 2 thiết bị trên: Tạo vùng khí bão hòa Khi hơi đạt tiêu chuẩn xử lý, cần phải thay hay hoạt hóa lại toàn bộ than, kể cả lượng than chưa bão hòa. Thiết bị hấp phụ tầng sôi: Khi một dòng khí được thổi qua tầng hấp phụ chứa các chất hấp phụ dạng hạt thì sự giảm áp suất do tầng này sẽ theo chiều ngược lại với khối lượng của chính nó. Khi vận tốc dòng khí đủ cao, độ giảm áp sẽ bằng với khối lượng của tầng hấp phụ và chất hấp phụ trong đó bắt đầu chuyển động, nghĩa là bắt đầu quá trình sôi. Ở tốc độ khí cao hơn (khoảng 259ft./phút), các hạt chất hấp phụ có thể chuyển động không ngừng. Độ giảm áp cần để có hiện tượng sôi tỷ lệ thuận vào độ dày tầng hấp phụ và mật độ dòng khí, mật độ các hạt rắn. Hệ thống tầng xoay: Để giảm lượng Cacbon không sử dụng và giữ tổn thất năng lượng ở mức thấp nhất, cần hướng cho dòng khí chỉ đi qua vùng hoạt động của tầng hấp phụ, trong khi đó Cacbon bão hòa đượng hoàn nguyên để tận dụng lại. thiết bị hấp phụ tầng xoay gồm 4 hình trụ. Toàn bộ hệ thồng sẽ xoay ở một góc độ sao cho các đoạn của tầng hấp phụ sẽ chuyển từ hấp phụ sang giải hấp ngay sau khi nó đạt mức bão hòa. Nhược điểm: tuy việc sử dụng than đã được cải tiến nhưng việc sử dụng hoi lại trở nên kém hiệu quả. Việc bảo trì các mối hàn kín và những bộ phận chuyển động cũng tốn kém hơn bảo trì thiết bị hấp phụ có tầng hấp phụ tĩnh. Một số loại khác Có thể bao gồm cả hai loại chất hấp phụ trong một hình trụ đứng hoặc trong một hình trụ nằm ngang; một lớp hấp phụ chuyển động được chứa trong một tang trống quay. Mỗi hình thức thích hợp với từng trường hợp cụ thể. Ứng dụng của thiết bị hấp phụ, bao gồm một số các ứng dụng sau: Thu hồi rượu đẳng propyl từ các quá trình chế biến nước cam – quýt. Thu hồi metylclorua từ các nhà máy sản xuất phim ảnh. Thu hồi hơi rượu etyl từ các lò nấu rượu Whisky. Làm sạch khí thải từ các ống khói nhà bếp. Làm sạch chất bẩn có trong không khí khi cung cấp dưỡng khí cho phòng mổ hoặc phòng điều khiển điện. Chọn thiết bị: Ta chọn thiết bị hấp phụ tầng cố định. Đây là thiết bị trong đó pha khí được cho chuyển động qua tầng hạt chất hấp phụ cố định, được sử dụng nhiều lĩnh vực như thu hồi hơi dung môi có giá trị từ các chất khí, khử nước trong pha khí hoặc lỏng, khử màu các loại dầu khoáng dầu thực vật … Các hạt chất hấp phụ được đặt trong tầng có chiều cao từ 0,3 – 1,2m trên tấm đỡ có đục lỗ, dòng khí nhập liệu được thổi từ trên xuống. Loại thiết bị này có ba phương thức làm việc: Phương thức bốn giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, sấy, làm lạnh. Phương thức ba giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, làm lạnh . Phương thức hai giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp . Khi chọn phương thức làm việc cho thiết bị, cần căn cứ vào đặc trưng của chất bị hấp phụ cần thu hồi và nồng độ đầu của nó trong hỗn hợp khí: Khi nồng độ đầu khá cao thì dùng phương thức bốn giai đoạn. Khi nồng độ đầu trung bình v nhỏ (2 – 3 g/m3) thì dùng phương thức ba giai đoạn. Khi nhiệt độ của hỗn hợp khí thiết bị tương đối đồng nhất và thấp (<35oC) và chất bị hấp phụ không tan trong nước thì dùng phương thức hai giai đoạn. Thiết bị tầng cố định có loại thẳng đứng, loại nằm ngang, loại hình vành khăn. Vật liệu hấp phụ: Chất hấp phụ thường là các loại vật liệu dạng hạt có đường kính từ 6 – 10 mm đến 200µm, có độ rỗng lớn được hình thành do những mạch mao quản li ti nằm bên trong khối vật liệu. Đường kính của mao quản chỉ cần lớn hơn đường kính phân tử của chất bị hấp phụ thì chất hấp phụ mới có hiệu quả. Do chứa nhiều mao quản nên bề mặt tiếp xúc của chất hấp phụ rất lớn. Yêu cầu: Có khả năng hấp phụ cao. Phạm vi tác dụng rộng. Có độ bền cơ học cần thiết. Có khả năng hoàn nguyên dễ dàng. Rể tiền. Than hoạt tính: Là chất hấp phụ dạng rắn, xốp không phân cực và có bề mặt riêng rất lớn. Than hoạt tính có tác dụng hấp phụ rất tốt đối với chất không hoặc phân cực kém ở dạng khí hoặc dạng lỏng. Đối với than hoạt tính khi đã hấp phụ no, không còn hấp phụ được nữa thì ta có thể tái sinh và sử dụng lại chúng bằng phương pháp giải hấp nhiệt. Kih ở trong môi trường nhiệt độ cao các chất hữu cơ cũng như các phân tử axit bay hơi và tách khỏi bề mặt của than. Ứng dụng: Than hoạt tính thường dung làm mặt nạ phòng độc, làm sạch mùi và khử màu từ các sản phẩm dầu mỡ. Dung làm sạch nước để uống, xử lý nước để sinh hoạt hoặc xử lý nước thải ít bị nhiễm bẩn. Xử lý nước thải công nghiệp. Trong trường hợp này nó đóng vai trò như là quá trình tiền xử lý cho các bước xử lý sinh học tiếp theo. Silicagel: Silicagel là gel của anhydrite axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển. Bề mặt của gel thay vì các nguyên tử oxy được thay bằng các nhóm hydroxyl (OH-), điều đó quyết định tính chất hấp phụ của silicagel. Silicagel dễ dàng hấp phụ các chất dễ phân cực cũng như các chất có thể tạo với hydroxyl các lien kết kiểu cầu hydro. Với các chất không phân cực, sự hấp phụ trên silicagel chủ yếu tác dụng của lực mao dẫn trong các lỗ xốp nhỏ. Chúng cũng như các chất hấp phụ khác có thể tái sinh. Tái sinh chúng thường ở nhiệt độ dưới 2000C. Nếu trên nhiệt độ này sẽ dẫn đến thay đổi bất thuân nghịch của cấu trúc bề mặt và làm mất khả năng hoạt động của chúng. Việc giải hấp phụ của silicagel cần phải lưu ý nhiều hơn so với than hoạt tính. Zeolit: Zeolit là hợp chất aluminosilicat có tinh thể. Tính chất của Zeolit phu thuộc vào tỉ lệ Si và Al và mức độ tinh thể của sản phảm cuối cùng. Đồng thời còn chịu ảnh hưởng của các cation kim loại khác được nhận thêm vào trong quá trình hình thành sản phẩm. Zeolit thể hiện tính nhạy cảm rất rỏ với đối với nhiệt độ. Ví dụ như zeolit chứa Ca chỉ bị mất tính hấp phụ khi nhiệt độ lên tới 8000C, chứa Na bị mất tính hoạt động khi nhiệt độ 7000C, còn chứa Li thì ở 6400C. Phương pháp hoàn nguyên vật liệu hấp phụ: Hoàn nguyên bằng nhiệt: Phổ biến nhất là dùng không khí nóng hoặc hơi nước để sấy nóng vật liệu làm cho khả năng hấp phụ giảm xuống đến mức thấp nhất và lúc đó chất khí đã bị hấp phụ sẽ thoát ra ngoài. Sau khi hoàn nguyên bằng nhiệt, vật liệu hấp phụ cần được làm nguội trước khi đưa vào sử dụng lại. Hoàn nguyên bằng áp suất: Ở nhiệt độ không đổi, nế giảm áp suất thì khả năng hấp phụ giảm và do đó chất khí đã bị hấp phị sẽ thoát khỏi bề mặt của vật liệu. Hòa nguyên bằng khí trơ: Dung khí trơ không chứa chất khí đã bị hấp phụ thổi qua lớp vật liệu hấp phụ. Trong trường hợp này áp suất riêng của chất bị hấp phụ trong pha khí sẽ thấp hơn hoặc bằng không, như vậy sẽ tạo được gradian r ngược chiều so với quá trình hấp phụ và do đó chất bị hấp phụ trong pha rắn sẽ khuếch tán ngược trở lạn vào pha khí – tức giải hấp phụ (desorption). Trong các phương pháp trên thì phương pháp hoàn nguyên bằng nhiệt được áp dụng rộng rãi nhất. Ưu điểm: Đơn giản, ít tốn kém, hiệu quả cao. Ở nhiệt độ cao (1000C) hơi có thể giải thoát được hầu hết các chất khí ô nhiễm đã bị hấp phụ trong pha rắn, không làm hỏng các vật liệu hấp phụ cũng như chất khí được giải thoát. Hơi nước ngưng tụ lại và nhả nhiệt ngưng tụ trong lớp vật liệu hấp thụ càng thúc đẩy qua trình giải hấp phụ. Có thể thu hồi được các chất bị hấp phụ trong hơi bằng cách cho hơi ngưng tụ. Hơi nước có Entanpy cao hơn nhiều so với không khí nóng do đó nhiệt độ của vật liệu hấp phụ được nâng cao một cách nhanh chóng. Vật liệu hấp phụ có độ ẩm cao sau khi hoàn nguyên bằng bằng hơi nước có thể được làm khô bằng cách thổi khí lạnh và khô vào. Đề xuất quy trình công nghệ: Tóm tắt sơ lược về quy trình công nghệ xử lý khí Toluen: Đầu tiên là khí từ bồn chứa sẽ được hút vào tháp hấp phụ bằng quạt. Dòng khí vào trong tháp sẽ đi từ dưới lên đi qua vật liệu hấp phụ và đi ra ngoài qua ống khói. Khi đã hấp phụ nhiều lần thì vật liệu hấp phụ sẽ trở nên bão hòa. Lúc này dòng hơi quá nhiệt sẽ được cấp vào hoàn nguyên vật liệu hấp phụ lúc đó sẽ tái sử dụng lại tránh hiện tượng lãng phí. Lượng nước ngưng tụ trong quá trình nhả hấp sẽ được đưa tới hệ thống xử lý nước thải. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ HẤP PHỤ: Thiết lập đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen: Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt của Benzen (hình X.1 trang 245 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 2) ta xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen theo công thức: a2*=a1*V1V2 (4.1) lgp2=lgps,2-βT1T2lgps,1p1 (4.2) Trong đó: a1*, a2*: Nồng độ của Benzen và Toluen bị hấp phụ (kg chất bị hấp phụ/kg than). V1, V2: Thể tích mol Benzen và Toluen ở dạng lỏng (m3/kmol). p1, p2: Áp suất riêng phần của hơi Benzen và Toluen (mmHg). ps,1, ps,2: Áp suất hơi bão hoà của hơi Benzen ở 20oC và Toluen ở 25oC (mmHg). T1, T2:Nhiệt độ của Benzen và Toluen khi hấp phụ (oK). b: Hệ số ái lực (hệ số aphin). Ta có: T1 = 293 (oK) T2 = 298 (oK) Tra hình XXIII, XXIV trang 466 (Sách Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học – Tập 10 – Ví dụ và Bài tập): ps,1 = 75 (mmHg) ps,2 = 50 (mmHg) Tra bảng 4 trang 397 (Sách Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học – Tập 10 – Ví dụ và Bài tập): r1 = 879 (kg/m3). r2 = 861 (kg/m3). Thể tích mol của Benzen và Toluen: V1=M1ρ1=78879=0.0887 (m3/kmol) V2=M2V2=92861=0.1069 (m3/kmol) Hệ số ái lực: β=V1V2=0.08870.1069=0.8297 Ta lấy một số điểm trên đường đẳng nhiệt hấp phụ của Benzen, theo công thức (4.1, 4.2) ta tính tọa độ của điểm tương ứng trên đường đẳng nhiệt hấp phụ của Toluen. Điểm thứ nhất: a1*=0.103 (kmol / kg). a2*=a1*V1V2=0.103780.08870.106992=0.1008 (kg/kg). ρ1=0.105(mmHg) lgρ2=lgρs,2-βT1T2lgρs,1ρ1=lg50-0,8297293298lg750.105=-0.6292. ρ2=0.235 mmHg. Tương tư tính toán như trên ta có thể xác định đoược hoành độ và tung độ của đường đẳng nhiệt hấp phụ của Toluen. Ta được bảng số liệu: Đường hấp phụ đẳng nhiệt của Benzen Đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen a1*, kg/kg ρ1, mmHg a2*, kg/kg ρ2, mmHg 0.103 0.105 0.1008 0.235 0.122 0.223 0.1194 0.434 0.208 1 0.2036 1.477 0.233 3 0.2280 3.619 0.262 8 0.2564 8.056 0.276 13 0.2701 11.97 0.294 19 0.2877 16.312 0.318 33 0.3112 25.592 0.338 42 0.3308 35.153 0.359 50 0.3513 35.92 Dựa vào các điểm tìm được, ta vẽ đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen: Theo QCVN 20 2009/BTNMT, tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với các chất hữu cơ, nồng độ cho phép của Toluen: Cc=750 (mg/m3). Vì hiệu suất h=90%, nồng độ khối lượng ban đầu của Toluen trong hỗn hợp: Cd=Cc1-h=750*10-61-0.9=7.5*10-3(kg/m3) Áp suất riêng phần của hơi Toluen tương ứng với Cd: pm=Cd*R*T=7.5*10-3*22.4273*92*298*760=1.515 mmHg. Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen, ta có am*=0.203 (kg/kg). Tính cân bằng vật chất: Trong hỗn hợp khí đầu vào thiết bị: Phần mol hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu vào: yd=Cc*R*TM2*P=7.5*10-3*22.4273*29892*1=0.002(kmol Toluen/kmol hỗn hợp). Phần khối lượng hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu vào: yd=yd*M2yd*M2+1-yd*MK=0.002*920.002*92+1-0.002*29 =0.0063(kg Toluen/kg hỗn hợp). Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu vào: ρd=M2*yd+MK1-ydTo*Pt22.4*T*Po=92*0.002+291-0.002273*122.4*298*1=1.1912(kg/m3). Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp khí đầu vào: Gd=Vd*ρd=5000*1.1912=5956(kg/h)=1.654(kg/s). Lưu lượng khối lượng của hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu vào: GTd=Gd*yd=Gd*Cd=5956*0.0063=37.5(kg/h)=0.0104(kg/s). Lưu lượng khối lượng của không khí trong hỗn hợp khí đầu vào: GKd=Gd*1-yd=GMd=Gd*GMd =5956*1-0.0063=5918.5(kg/h)=1.644(kg/s). Trong hỗn hợp khí đầu ra thiết bị: Phần mol hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu ra: yc=Cc*R*TM2*P=yd1-h =0.0021-0.9=0.0002(kmol Toluen/kmol hỗn hợp) Phần khối lượng hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu ra: yc=yc*M2yc*M2+1-yc*MK=0.0002*920.0002*92+1-0.0002*29 =0.00063 (kmol Toluen/kmol hỗn hợp). Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu ra: ρc=M2*yc+MK1-ycTo*Pt22.4*T*Po=92*0.0002+291-0.0002273*122.4*298*1=1.1865(kg/m3). Khối lượng hơi Toluen bị hấp phụ bởi than hoạt tính: M=GTd*h=0.0104*0.9=9.36*10-3(kg/s). Lưu lượng khối lượng của hơi Toluen trong hổn hợp khí đầu ra: GTc=GTd-M=GTd1-h=1.04*10-3=0.00104(kg/s). Lưu lượng khối lượng của hổn hợp khí đầu ra: Gc=GKc+GTc=1.644+0.00104=1.64504(kg/s). Tính đường kính tháp: Đường kính tháp hấp phụ: Dt=Gtb0.785*vhh*ρhh Với Gtb=Gd+Gc2=1.654+1.645042=1.6495(kg/s). ρtb=ρd+ρc2=1.1912+1.18652=1.18885(kg/m3). vhh=0.5(m/s). →Dt=1.64950.785*0.5*1.18885=≈1.88m. Để dễ gia công, ta chọn Dt = 2 Vận tốc dòng khí qua tháp : vhh=Gtb0.785*ρhh*Dt2=1.64950.785*1.18885*22=0.442(m/s). Tính hệ số truyền khối: Với điều kiện quá trình hấp phụ đẳng nhiệt được biểu diễn bằng phương trình Langmuir : Sh=1.6*Re0.54 (4.3) Trong đó: Sh=ky*dg2D (4.4) Re=vhh*dgγ (4.5) Từ (4.3), (4.4), (4.5), ta suy ra: ky=1.6*D*vhh0.54γ0.54*dg1.46 (4.6) Với : dg : đường kính trung bình của hạt hấp phụ (m). D : hệ số khuếch tán của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ của quá trình (m2/s). vhh : vận tốc của dòng hơi khí tính theo tiết diện ngang tự do của thiết bị (m/s). γ : độ nhớt động học của hổn hợp hơi khí (m2/s). ky : hệ số truyền khối (m/s). Đường kính trung bình của than dg = 0.004 (m) Độ nhớt động học của hổn hợp hơi khí: γ=μhhρhh ytb=yd+yc2=0.002+0.00022=0.0011(kmol Methanol/kmol hỗn hợp). Mhh=92*ytb+291-ytb=92*0.0011+291-0.0011=29.0693(kg/mol). Mhhμhh=ytb*MTμT+(1-ytb)MKμK→μhh=1.79*10-5Pa.s. Với μT = 0,0068.10-3 (Pa.s). μK = 0,018.10-3 (Pa.s). (tra Hình I.35 trang 117 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất–tập 1) ρhh = 1,1666 (kg/m3). →γ=μhhρhh=1.79*10-51.1666=1.53*10-5(m2/s) Hệ số khuếch tán của hơi Toluen ở 20oC: D=Do*PoPTTo3/2 Tra bảng VIII.4 trang 131 (Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2) ta có hệ số khuếch tán của hơi Toluen trong không khí ở đkc là Do= 0,0709.104 (m2/s). →D=0.0709*104*112982733/2=808.6 (m2/s). Thế tất cả vào (4.6), ta có hệ số truyền khối : ky=1.6*461.081*0.4420.54(1.53*10-5)0.54*0.0041.46=1052676406 (m/s). Tính thời gian hấp phụ 1 chu kỳ: Từ hình IV.1, ta có aM*=0.203(kg/kg), nằm trong khu vực thứ nhất. Do đó thời gian hấp phụ của quá trình được tính theo công thức: τ=Cx*vhh*Cd*H-bCx*ky*Cd 4.7. Trong đó : Cx*=0.203(kg/kg)*500(kg/m3)=101.5(kg/m3). vhh=0.442 (m/s). Cd=7.5*10-3(kg/m3). b = 0,94 (hệ số được xác định theo bảng 8.3 trang 337( sách quá trình và thiết bị công nghệ hóa học – tập 10- ví dụ và bài tập) với: CcCd=0.75*10-37.5*10-3=0.1 thế vào (4.7), ta có: τ=101.50.442*7.5*10-3*H-0.94101.51052676406*7.5*10-3 Với H = 0.8 (m) à t = 24499 (s) = 6.8 (h) H = 1,2 (m) à t = 36748 (s) = 10.2 (h) t càng lớn thì chất bị hấp phụ càng bị hấp phụ nhiều , ta chọn t = 10.2 (h). Vậy chiều cao lớp than H = 1.2 (m) Thời gian hấp phụ 1 mẻ t = 10.2 (h) Khối lượng than cần: Mthan=π*Dt24*H*ρthan=π*224*1.2*500=1885kg. Tái sinh than hoạt tính: Hấp phụ có một đặc tính quan trọng là hiệu quả hấp phụ giảm khi tăng nhiệt độ dòng khí và có khả năng hấp phụ bão hòa do hoạt độ chất hấp phụ đạt tới cực đại thì không có khả năng hấp phụ thêm, lúc này giữa pha khí và rắn tồn tại một cân bằng động. Trong xử lý ô nhiễm không khí, giai đoạn này là bất lợi cho quá trình người ta phải bỏ chất hấp phụ bão hòa này đi thay bằng chất hấp phụ mới có hoạt độ hấp phụ chưa bão hòa. Khi đó muốn sử dụng lại chất hấp phụ ta phải tiến hành quá trình nhả hấp để phục hồi hoạt tính của chất hấp phụ. Tái sinh than hoạt tính có thể bằng hơi nước bão hòa hoặc quá nhiệt hoặc bằng khí trơ nóng. Nhiệt độ hơi quá nhiệt 200-3000C, còn khí trơ 120-1400C Trong trường hợp chất thải không đáng giá người ta tiến hành phục hồi phân hủy bằng tác nhân hóa học (oxi hóa bằng clo, ozôn hoặc bằng nhiệt…), tái sinh bằng nhiệt được tiến hành trong lò ở nhiệt độ 700-8000C trong dung môi không có oxi Người ta còn nghiên cứu phương pháp tái sinh than bằng vi sinh, trong đó chất thải được oxi hóa bởi vi sinh. Phương pháp này làm tăng thời gian sử dụng than. TÍNH CƠ KHÍ: Theo phần IV.1.5 ta tính được chiều cao lớp than hấp phụ H=0.5 (m). Vậy ta chọn chiều cao thân tháp Ht=3 (m) Tháp hấp phụ có: Đường kính Dt =2 (m). Chiều cao Ht =3 (m). Tính chiều dày thân, đáy, nắp: Chiều dày thân: Ta chọn CT3 là vật liệu làm thân tháp. Tra bảng XII.4 trang 309 (sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 2), thép CT3 với chiều dày tấm thép 4-20 mm: Giới hạn kéo sk = 380 (N/mm2). Giới hạn chảy sc = 240 (N/mm2). Tra bảng XII.7 trang 313 (sổ tay quá trình và công nghệ hóa chất – tập 2) thép CT3 có khối lượng riêng r = 7,85.103 (kg/m3). Ứng suất cho phép của thép CT3: [σk]=σknkh (4.8) [σc]=σcnch (4.9) Trong đó: h là hệ số hiệu chỉnh. Tháp hấp phụ này là thiết bị loại II có các chi tiết không bị đốt nóng, theo bảng XIII.2 trang 356 (sổ tay quá trình và công nghệ hóa chất – tập 2) ta tra được h=1 nk, nc: hệ số an toàn theo giới hạn kéo và chảy. Theo bảng XII.3 trang 356 ( sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2), ta có nk=2,6 và nc = 1,5. Thế tất cả vào (4.8) và (4.9), ta có: [σk]=σknkh=3802.6*1=146(N/mm2). [σc]=σcnch=2402.5*1=160(N/mm2). σ=minσk,σc=146(N/mm2). Áp suất trong thân thiết bị: P = Plv = 1 (at) = 0,1 (N/mm2). Xác định hệ số bền mối hàn: Tháp có thân trụ hàn giáp mối 2 bên, Dt >700mm Tra bảng XIII.8 trang 362 (sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2) jh = 0,95 Chiều dày nhỏ nhất của thân tháp: Tra bảng 5.1 trang 128 ( sách thiết kế tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất – Hồ Lê Viên), với Dt= 2000mm, chọn bề dày thân nhỏ nhất Smin= 5 (mm) Bề dày thân thiết bị: St= Smin + C St= Smin + (Ca + Cb + Cc + Co) Với Ca: hệ số bổ sung ăn mòn, Ca=1 mm (bảng XII.1 trang 305 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2). Cb : hệ số bào mòn do cơ học, Cb=0. Cc : hệ số bổ sung sai lệch kích thước do chế tạo. Với thép dày 5mm, Cc= -0,5 mm ( bảng XIII.9 trang 364 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2). C0: hệ số làm tròn, C0= 0,5 mm. Vậy St=5+1+0-0.5+0.5=6mm. Kiểm tra bề dày và áp suất làm việc của thân thiết bị: St-CaDt=6-12000=0.0025<0.1 thỏa mãn. P=2*σ*φhSt-CaDt+St-Ca=2*146*0.956-12000+6+1 =0.69108>0.1 thỏa mãn. Vậy thân tháp có chiều dày St = 6 mm. * khối lượng thân tháp : (trang 374 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2). m1=π4Dn2-Dt2Ht*ρ=π42.0122-22*3*7.85*103=890.48kg. Chiều dày đáy, nắp Ta chọn CT3 là vật liệu làm đáy, nắp tháp và đáy, nắp hình elip tiêu chuẩn. Bề dày đáy, nắp : Sdn=Dt*P3.8*σ*k*φh-P*Dt2*ht+C (4.10) Với k: hệ số không thứ nguyên. Đối với đáy và nắp có lỗ được tăng cứng k= 1. Xét σP*k*φh=1460.1*1*0.95=1387>30 ® bỏ qua đại lượng P ở mẫu số. ht:chiều cao phần lồi đáy. Tra bảng XIII.10 trang 382 (sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất –tập 2),với Dt = 2000 mm, ht = 500 mm C: hệ số bổ sung. C được tính như trên nhưng có tăng thêm 2 mm. Khi S – C £ 10 mm, C = 3 mm. Thế vào (4.10),chiều dày đáy, nắp: Sdn=2000*0.13.8*146*1*0.95*20002*500+3=3.76 (mm). Chọn chiều dày đáy, nắp Sdn = 8 mm. Kiểm tra bề dày và áp suất làm việc của đáy, nắp thiết bị: Sdn-CaDt=8-12000=0.0035<0.125 thỏa mãn. P=2σ*φh*Sdn-CaDt+Sdn-Ca=2*146*0.95*8-12000+8-1 =0.97>0.1thỏa mãn. Vậy chiều dày của đáy, nắp Sdn = 8 mm. Khối lượng đáy và nắp Tra bảng XIII.11 trang 384 (sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất –tập 2), m2 = 283.2 = 566 (kg). Tính các thiết bị phụ của tháp: Tính đường kính ống: Đường kính ống dẫn hỗn hợp khí vào: Lưu lượng khối lượng của hổn hợp khí đầu vào: Gd=1.654(kg/s). Khối lượng riêng của hổn hợp khí đầu vào : ρd=1.1912(kg/m3). Suy ra lưu lượng của hổn hợp khí đầu vào: Qd=Gdρd=1.6541.1912=1.389(m3/s). Vận tốc khí trong ống vk = 15 m/s (khoảng cho phép 4 – 15 m/s theo bảng II.2 trang 369 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất –tập 1) Vậy đường kính ống dẫn hỗn hợp khí vào: dk=Qd0.785*vk=1.3890.785*15=0.343.45m=343.45mm. Chọn dk=350 mm. Bề dày của ống, chọn b= 13,5 (mm). Đường kính ống dẫn hỗn hợp khí ra: Ta lấy bằng giá trị trên: Đường kính ống dẫn hỗn hợp khí ra : 350 (mm) Bề dày của