Đồ án môn học: Thiết kế chi tiết tháp đệm hấp thu Amoniac (NH3) bằng nước

Phân tích toàn diện Đồ án Thiết kế Tháp đệm Hấp thu NH3 bằng nước (Full) ứng dụng cao trong học thuật và nghiên cứu thực tiễn hỗ trợ đào tạo hiệu quả

• Tác giả: Bùi Mạnh Trình
• Người hướng dẫn: Huỳnh Lê Huy Cường
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Thiết Kế Tháp Đệm Hấp Thu NH3 Bằng Nước
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2014

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Thiết kế Tháp đệm Hấp thu NH3

Đồ án thiết kế tháp đệm hấp thu NH3 bằng nước là một công trình quan trọng trong lĩnh vực xử lý khí thải công nghiệp. Amoniac (NH3) là một hóa chất được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như sản xuất phân bón, điều chế than cốc, chăn nuôi và hệ thống làm lạnh. Tuy nhiên, khí thải chứa amoniac gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Tháp đệm hấp thu là phương pháp hiệu quả để loại bỏ amoniac từ khí thải bằng cách sử dụng nước làm chất hấp thụ. Đồ án này trình bày quy trình thiết kế chi tiết, tính toán các thông số kỹ thuật và lựa chọn các thiết bị phụ trợ cần thiết để vận hành hệ thống một cách hiệu quả và an toàn.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của hấp thu NH3

Hấp thu NH3 là quá trình loại bỏ amoniac từ khí hỗn hợp bằng cách sử dụng chất lỏng hấp thụ, trong trường hợp này là nước. Quá trình này diễn ra trong tháp đệm, nơi khí và chất lỏng tiếp xúc trực tiếp. Tầm quan trọng của việc hấp thu amoniac nằm ở khả năng giảm thiểu ô nhiễm không khí, bảo vệ sức khỏe lao động và tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường quốc tế.

1.2. Ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp

Tháp đệm hấp thu NH3 được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất phân bón, nhà máy chế biến hóa chất, cơ sở chăn nuôi và các hệ thống làm lạnh. Phương pháp này giúp khôi phục và tái chế các dòng thải, nâng cao giá trị kinh tế của sản phẩm đồng thời bảo vệ môi trường.

II. Thông số và Điều kiện Vận hành

Để thiết kế tháp đệm hấp thu NH3, cần xác định rõ các thông số ban đầu và điều kiện vận hành. Trong đồ án này, khí hỗn hợp ban đầu có lưu lượng 2000 kg/h với nồng độ amoniac ban đầu là 7%. Sau quá trình hấp thu, nồng độ amoniac phải giảm xuống còn 0,02%, tương ứng với hiệu suất hấp thu rất cao. Nhiệt độ ban đầu của khí hỗn hợp là 30°C. Các thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước tháp, lượng nước sử dụng, năng lượng cần thiết và các thiết bị phụ trợ. Hiểu rõ các điều kiện vận hành giúp tối ưu hóa hiệu suất hấp thu amoniac và đảm bảo hoạt động an toàn của hệ thống.

2.1. Dữ liệu đầu vào của quá trình

Dữ liệu đầu vào bao gồm: lưu lượng khí hỗn hợp là 2000 kg/h, nồng độ amoniac ban đầu (yd) là 7%, nồng độ sau hấp thu đạt 0,02%, và nhiệt độ ban đầu là 30°C. Những dữ liệu này là cơ sở cho các phép tính cân bằng vật chất và năng lượng.

2.2. Yêu cầu hiệu suất và chất lượng sản phẩm

Hiệu suất hấp thu phải đạt khoảng 99,7% để đảm bảo nồng độ amoniac tại lối ra không vượt quá 0,02%. Chất lượng nước hấp thụ sau quá trình cũng cần được kiểm soát để có thể tái sử dụng hoặc xử lý tiếp theo. Các yêu cầu này ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế của tháp đệm và hệ thống xử lý nước.

III. Tính toán Cân bằng Vật chất và Năng lượng

Tính toán cân bằng vật chất là bước quan trọng nhất trong thiết kế tháp đệm hấp thu NH3. Quá trình này xác định lượng nước cần thiết, lượng amoniac được hấp thu, và thành phần của các luồng vào-ra của hệ thống. Dựa trên dữ liệu đầu vào, ta tính được lượng amoniac trong khí hỗn hợp ban đầu, lượng amoniac còn lại tại lối ra, và từ đó suy ra lượng amoniac được hấp thu. Đồng thời, tính toán cân bằng năng lượng xác định lượng nhiệt được tỏa ra trong quá trình hấp thu (do amoniac tan trong nước là quá trình tỏa nhiệt). Công việc này giúp xác định các thiết bị làm lạnh cần thiết để duy trì nhiệt độ hoạt động của tháp đệm.

3.1. Phương pháp tính cân bằng vật chất

Cân bằng vật chất dựa trên nguyên lý bảo toàn khối lượng. Khối lượng amoniac đầu vào = khối lượng amoniac đầu ra + khối lượng amoniac được hấp thu. Từ dữ liệu: khối lượng amoniac đầu vào = 2000 × 7% = 140 kg/h, khối lượng amoniac đầu ra = 2000 × 0,02% ≈ 0,4 kg/h, vậy khối lượng amoniac được hấp thu ≈ 139,6 kg/h.

3.2. Tính toán cân bằng năng lượng

Cân bằng năng lượng tính toán lượng nhiệt tỏa ra khi amoniac hòa tan trong nước. Quá trình này tỏa nhiệt, do đó cần sử dụng các thiết bị làm lạnh để duy trì nhiệt độ và nâng cao hiệu suất hấp thu. Phép tính này yêu cầu biết enthalpy của amoniac ở các trạng thái khác nhau và điều kiện vận hành của tháp đệm.

IV. Thiết kế Thiết bị và Bản vẽ Kỹ thuật

Sau khi hoàn thành các phép tính, bước tiếp theo là thiết kế chi tiết tháp đệm và lựa chọn các thiết bị phụ trợ. Thiết kế tháp đệm bao gồm xác định đường kính, chiều cao, loại đệm (có thể là đệm ramdom hoặc đệm cấu trúc hình), và các thông số hydraulic của tháp. Các thiết bị phụ trợ bao gồm: máy bơm để cấp nước hấp thụ, thiết bị làm lạnh để kiểm soát nhiệt độ, thùng chứa nước, bộ lọc để loại bỏ các tạp chất, và các ống kết nối. Bước này đòi hỏi kiến thức sâu về các chuẩn thiết kế, tính chất vật liệu, và khả năng cấp ứng của thị trường. Cuối cùng, cần vẽ bản vẽ kỹ thuật chi tiết bao gồm bản vẽ tổng quan quy trình và bản vẽ chi tiết thiết bị để hỗ trợ quá trình sản xuất và lắp ráp.

4.1. Tính toán thông số tháp đệm hấp thu

Thông số tháp đệm bao gồm: đường kính tháp (D), chiều cao tháp (H), lưu lượng khí qua tháp, lưu lượng nước qua tháp, và tốc độ khí/nước trong tháp. Các thông số này được tính dựa trên dữ liệu vân hành, tính chất amoniac và nước, cũng như các điều kiện động lực học của quá trình hấp thu.

4.2. Lựa chọn thiết bị phụ trợ và bản vẽ kỹ thuật

Các thiết bị phụ trợ cần được lựa chọn dựa trên công suất yêu cầu và điều kiện vận hành. Bản vẽ tổng quan quy trình thể hiện toàn bộ hệ thống hấp thu NH3 từ lối vào khí đến lối ra sản phẩm. Bản vẽ chi tiết thiết bị cung cấp các kích thước chính xác, vị trí lắp ráp, và các thông số kỹ thuật cần thiết cho quá trình sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ NH3 1.1 Giới thiệu về NH3 - Amoniac là một hợp chất của nitơ và hydro với công thức NH3, có tên quốc tế (theo IUPAC) là “Azane”, “Amoniac”, “Hydrogen nitride” và một số tên khác. Amoniac không màu, dạng khí có mùi cay nồng đặc trưng. Nó nhẹ hơn không khí, mật độ của nó là 0,589 lần so với không khí. Nó có thể dễ dàng hóa lỏng do sự liên kết mạnh mẽ giữa các phân tử hydro, nó có nhiệt độ sôi là -33,34°C và nhiệt độ nóng chảy là -77,7°C.

Là phân tử có cực, amoniac là một chất khí khá nhẹ (d=0,596g/cm3), tan nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa tan được 1200/ khí NH3, ở 20°C là 700/ khí NH3. Hiện tượng tan nhiều của NH3 ở trong nước được giải thích bằng sự liên kết hydro giữa phân tử NH3 và phân tử H2O. - Amoniac đóng góp đáng kể vào dinh dưỡng nhu cầu của các sinh vật trên mặt đất bằng cách phục vụ như là một tiền thân của thực phẩm và phân bón. Amoniac trực tiếp hay gián tiếp cũng là một khối xây dựng để tổng hợp nhiều dược phẩm.

- Amoniac được sử dụng trong thương mại thường được gọi là khan amoniac. Thuật ngữ này nhấn mạnh đến sự vắng mặt của nước trong vật liệu. Bởi vì NH3 sôi ở -33,34°C (-28,012°F), chất lỏng phải được lưu trữ dưới áp lực cao hoặc ở nhiệt độ thấp.2 Phân loại Amoniac có hai loại, loại 1 dùng cho các máy lạnh và loại 2 dùng làm nguyên liệu trong công nghiệp hóa chất. Chúng có yêu cầu về chất lượng khác nhau: Hàm lượng các chất Đơn vị Loại 1 Loại 2 Amoniac % 99,9 99,6 Lượng tạp chất tối đa Hơi ẩm % 0,1 0,4 SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192 Trang: 5 Dẩu mg/l 10 35 Sắt - 2 Không quy định 1.3 Tính chất vật lý của amoniac - NH3 tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có d < 1 (dung dịch NH3 25% có d = 0,91g/cm3).

Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH3 trong dung dịch bay hơi hết. - Amoniac có tác dụng kích thích làm chảy nước mắt, nhẹ hơn không khí. Nhiệt độ tới hạn của amoniac rất cao 405,55°K nên amoniac dễ hóa lỏng. Amoniac hóa lỏng ở 239,75°K và hóa rắn ở 195°K.

Amoniac lỏng không màu, ở gẩn nhiệt độ sôi có hằng số điện môi = 22. Amoniac lỏng là dung môi rất tốt cho nhiều muối vô cơ. Các kim loại kiềm và kiềm thổ hòa tan trong amoniac lỏng. Amoniac lỏng có entapi bốc hơi lớn, vì vậy được dùng để nạp các máy lạnh.

- Ở trạng thái rắn amoniac kết tinh mạng lập phương tâm mặt: Phân tử NH3 có cấu tạo hình tháp tam giác với dN-H = 1,015 và góc hóa trị HNH = 10703, tương ứng cấu hình electron như sau: Do sự lai hóa sp3 của nguyên tử nitơ mà cặp electron hóa trị tự do (ở N) phân bố trên 1 sp3 được định hướng rõ rệt trong không gian, vì vậy phân tử NH3 rất dễ cho cặp electron đó tạo nên liên kết cho - nhận (liên kết phối trí) với các nguyên tử khác và liên kết có độ phân cực lớn. Cặp electron hóa trị tự do và tính phân cực của liên kết N-H tạo nên liên kết hidro giữa các phân tử NH3, vì vậy NH3 dễ bị nén, có nhiệt bay hơi cao và tan nhiều trong nước. Ở nhiệt độ thường chỉ cẩn áp suất 67 atm là có thể hóa lỏng nó.4 Tính chất hóa học của amoniac Cũng do có cặp electron hóa trị tự do và ít bền mà NH3 có hoạt tính hóa học cao. Nó có thể cho ba loại phản ứng: phản ứng cộng, phản ứng khử và phản ứng thế, trong đó đặc trưng hơn cả là phản ứng cộng.

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192 Trang: 6 Amoniac bền ở nhiệt độ thường. Khi đun nóng có xúc tác amoniac tự phân hủy theo chiều ngược lại của phương trình tổng hợp. Phản ứng ở trạng thái cân bằng xác định. Amoniac bị phân hủy khi chiếu xạ bằng tia tử ngoại.

Trong oxi nguyên chất, amoniac cháy với ngọn lửa vàng nhạt tạo thành N2 và H2O. Dưới áp suất lớn, hỗn hợp amoniac và oxi có thể nổ: Nếu có chất xúc tác là platin hay hợp kim platin - rodi ở 800 - 900oC thì khí amoniac bị O2 không khí oxi hóa thành nito oxit: Các chất oxi hóa khác như nước oxy già, axit cromic, kalipemanganat oxi hóa amoniac một cách dễ dàng. Khí amoniac và dung dịch cháy trong clo, brom tạo thành N2. Amoniac cộng hợp được với rất nhiều chất: nước, axit, muối.

Quan trọng nhất là phản ứng cộng với nước. Khi tan trong nước NH3 tác dụng với nước theo sơ đồ sau: NH3 + HOH — NH4+ + OH- Sự xuất hiện ion OH- tạo nên môi trường bazơ của dung dịch (nhưng là bazơ yếu vì có hằng số điện li K = 1,8. Trong dung dịch amoniac luôn có một cân bằng kép: NH3 + HOH —— NH4OH —— NH4+ + OH- Vì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH3 và có thể xem không có NH4OH. Ngay ở trạng thái khí, cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thành muối amoni clorua: NH3 + HCl = NH4Cl Ngoài những loại phản ứng cộng như trên đã nói, NH3 còn cho một loại phản ứng kết SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192 Trang: 7 hợp đặc biệt với các muối tạo thành những hợp chất có thành phẩn giống như các hydrat gọi là các amoniacat, ví dụ: AgNO3.hoặc tạo thành các hợp chất phức với nhiều muối.

Trong khi đó bản thân NH3 khan lại là một axit rất yếu, có thể mất 1 proton H+ tạo thành anion amid NH2-. Ví dụ cho liti nitrua vào NH3 lỏng người ta nhận được anion amid (NH2-): LĨ3N(S) + 2 NH3 (í) — 3 Li+(am) + 3 NH2 (am) Hydro trong NH3 có thể bị các kim loại mạnh đẩy ra và thế chỗ để tạo ra các nitrua như magie có thể cháy trong NH3 để tạo magie nitrua Mg3N2. Natri hoặc kali kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH2, KNH2) khi tác dụng với NH3. NH bền ở nhiệt độ thường nhưng khi đun nóng lên 300°C nó bắt đẩu phân hủy và ở 600°C nó phân hủy gẩn như hoàn toàn: H2 tạo thành làm cho NH3 nóng có tính khử mạnh.

N3- có thể bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn của nitơ, đặc biệt là dễ bị oxy hóa lên N0 (N2) và N2+ (NO). Các chất oxy hóa như CuO, nước javen oxy hóa được NH3 thành N2: Phản ứng này được dùng để khử sạch lớp oxit kim loại trên bề mặt kim loại khi hàn. Các nguyên tử hydro của amoniac có thể được thay thế bằng các nguyên tử kim loại. Phản ứng giữa amoniac và kim loại hình thành các hợp chất amidua (), imidua () và nitrua () trong số các amidua, phổ biến nhất là amidua của kim loại kiềm và kiềm thổ.

Ví du: Ở 3500C, natri tác dụng với NH3 cho amiđua natri NaNH2: 2Na + 2H3N = 2NaNH + H2 SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192 Trang: 8 NH3 tự bốc cháy ở 651°C và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí khi nồng độ nằm trong vùng 16 - 25%. NH3 có tính ăn mòn các kim loại và hợp kim chứa đồng (Cu), kẽm (Zn), nhôm (Al), vàng (Au), bạc (Ag), thủy ngân (Hg). Vì vậy trong thực tế người ta khuyến cáo không nên để hơi hoặc dung dịch amoniac tiếp xúc với các vật dụng có chứa các kim loại hoặc hợp kim này. Khi NH3 tiếp xúc lâu dài với một số kim loại (Au, Ag, Hg, Ge, Te, Sb.) thì có thể tạo ra các hợp chất kiểu fuminat dễ gây nổ nguy hiểm.

Amoniac lỏng phá hủy các chất dẻo, cao su, gây phản ứng trùng hợp nổ của etylen oxit.5 Ứng dụng - Phân bón: Khoảng 73% (tính đến 2004) amoniac được sử dụng làm phân bón trên toàn thế giới nhằm cung cấp đạm cho cây. Vì vậy ngành công nghiệp sản xuất phân bón dựa vào amoniac là một thành phẩn quan trọng của ngân sách thế giới. - Tiền thân để tổng hợp các hợp chất nitơ: Amoniac trực tiếp hoặc gián tiếp là tiền thân của các hợp chất chứa nitơ nhất. Hẩu như tất cả các hợp chất nitơ tổng hợp có nguồn gốc từ amoniac.

Một dẫn xuất quan trọng là acid nitric, acid nitric được tạo ra thông qua quá trình Ostwald bởi quá trình oxy hóa của amoniac với không khí trên một đĩa bạch kim có xúc tác ở 700 - 850°C, ~ 9 atm. Nitric oxide là một trung gian trong việc chuyển đổi này: NH3 + 2O2 HNO3 + H2O .Axit nitric được sử dụng để sản xuất phân bón, vật liệu nổ và các hợp chất nhiều organonitrogen. - Dung dịch amoniac đặc 25% được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm. - Cleaner: NH3 trong nước (amoni hydroxit) được sử dụng như là một mục đích chung cho các bề mặt sạch hơn, như nó được sử dụng để làm sạch kính, sứ, thép không gỉ và nó cũng thường được sử dụng để làm sạch lò vì amoniac có khả năng hòa tan kim loại oxit.

- Lên men: Amoniac là giải pháp (ở 16 - 25%) được sử dụng trong ngành công nghiệp lên men như là một nguồn cung cấp nitơ cho vi sinh vật cũng như để điều chỉnh pH trong quá trình lên men này. - Chất làm lạnh R717: Do tính chất bay hơi thuận lợi của nó, amoniac là chất làm lạnh. SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192 Trang: 9 Amoniac khan được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện lạnh công nghiệp. - Điều chế hidrazin N2H4 (chất đốt cho tên lửa).

CHƯƠNG II: TỔNG QUÁT VỀ THÁP HẤP THU DẠNG ĐỆM 2.1 Định nghĩa hấp thu Trong quá trình sản xuất hóa học thường chúng ta thu được hỗn hợp khí nhiều cấu tử, muốn tiếp tục gia công chế biến chúng ta phải tách chúng ta thành từng cấu tử. Ví dụ: như sau khi hóa than ta thu được hỗn hợp khí các chất N2, H2, H2S, NH3, CO, CO2.muốn dùng hỗn hợp ấy để tổng hợp NH3 để sản xuất phân đạm (Ure) ta phải tách chúng ra. Có nhiều phương pháp để tách hỗn hợp khí thành cấu tử. + Phương pháp hóa học.

+ Phương pháp cơ lý (dựa trên chính chất hóa lỏng ở các nhiệt độ khác nhau). + Phương pháp hút: dùng chất lỏng hay chất rắn xốp để hút. Nếu dùng chất lỏng gọi là quá trình hấp thu, nếu dùng chất rắn gọi là quá trình hấp phụ. Như vậy hấp thu là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thu, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (còn gọi là chất hấp thu), khí không bị hấp thu gọi là khí trơ.

Quá trình như vậy cẩn sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng.