ĐỀ TÀI: SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ RÁC THẢI pot

Khi này hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng nhắm mục đích hòa tan chọn lựa môt hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các ccấu tử trong chất lỏng.. Cơ chế quá

Luận Văn

ĐỀ TÀI:

SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ

RÁC THẢI

MỤC LỤC

1 Cơ sở lý thuyết 3

1.1 Khái niệm 3

1.2 Áp dụng của hấp thu 3

1.3 Lựa chọn dung môi 3

1.4 Quá trình hấp thụ 4

Cơ chế quá trình 4

1.4.2 Qúa trình trao đổi chất 5

1.4.3 Có 2 phương pháp hấp thụ 6

1.4.4 Áp suất quá trình 8

1.5.2 Cân bằng nhiệt lượng 12

1.5.3 Các loại tháp hấp thu 12

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu 14

2 Tính toán công nghệ tháp hấp thụ xử lý SO2 14

2.1 Xác định các thông số đầu vào 14

2.2 Xác định các dòng vật chất – Đường cân bằng pha 20

2.2.3 Tính bề dày thân 30

2.2.4 Tính nắp và đáy thiết bị 32

2.2.7 Tính tai treo 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

1 Cơ sở lý thuyết

1.1 Khái niệm

Hấp thu là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả khí Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau

Qúa trình hấp thu tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng) Khi này hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng nhắm mục đích hòa tan chọn lựa môt hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các ccấu tử trong chất lỏng

- Khí được hấp thu goi là chất bị hấp thụ

- Chất lỏng dùng để hấp thu gọi là dung môi (chất hấp thụ)

- Khí không bị hấp thu goi là khí trơ

1.3 Lựa chọn dung môi

Nếu mục đích của quá trình là tách các cấu tử hỗn hợp khí thì khi đó việc lựa chọn dung môi tốt phụ thuộc vào các yếu tố sau:

a) Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách

và hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại Đây là điều kiện quan trọng nhất

b) Độ nhớt của dung môi: càng bé thì trở lại quá trình càng ngỏ, tăng tốc

độ hấp thu và có lợi cho quá trình truyền khối

c) Nhiệt dung riêng: bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi

d) Nhiệt độ sôi: khác xa với nhiêt độ sôi của chất hòa tan sẽ dễ tách các cấu tử ra khỏi dung môi

e) Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc nghẽn thiết bị, không tạo kết tủa, không độc và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn

f) It bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm và không độc haị với người và không ăn mòn thiết bị

1.4 Quá trình hấp thụ

Cơ chế quá trình

Hấp thu là quá trình quan trọng để xử lý khí vvà ứng dụng trong rất nhiều quá trình khác Hấp thu trên cơ sở của quá trình truyền khối, được

mô tả và tính toán dựa vào phân chia 2 pha (cân bằng pha, khuếch tán)

Cơ chế quá trình có thể chia thành 3 bước

+ Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễm thể khí trong khối khí thải đến

bề mặt của chất lỏng hấp thụ Nồng độ phân tử ở phía chất khí phụ thuộc vào cả 2 hiện tượng khuếch tán:

Khuếch tán rối: có tác dụng làm nồng độ phân tử được đều đặn trong

khối khí

Khuếch tán phân tử: làm cho các phân tử khí chuyển động về phía lớp

biên

Trong pha lỏng cũng xảy ra hiện tượng tương tự như thế:

Khuếch tán rối: được hình thành để giữ cho nồng độ được đều đặn trong

toàn bộ khối chất lỏng

Khuếch tán phân tử: làm dịch chuyển các phân tử đến lớp biên hoặc từ

lớp biên đi vào pha khí

+ Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt ủa chất hấp thụ

+ Khuếch tán chất khí đã hòa tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu lòng chất lỏng hấp thụ

Qúa trình hấp thụ phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí

1.4.2 Qúa trình trao đổi chất

Khi chất ô nhiễm từ khí thải vào chất lỏng hấp thụ các phân tử được trao đổi qua vùng ranh giới gọi là lớp biên (máng, phim) Các phân tử đi qua lớp biên từ cả 2 phía, một số chất từ phía chất khí, một số chất từ khối chất lỏng

Cường độ trao đổi phụ thuộc vào các yếu tố tác động lên hệ thống như áp suất, nhiệt độ, nồng độ và độ hòa tan của phân tử Cường độ trao đổi sẽ tăng nếu giữa pha lỏng và pha khí có diễn ra phản ứng hóa học hay các phân tử khí không thể quay trở về khối khí khi có tác động của các quá trình vật lý

Qúa trình hấp thụ kèm theo sự tỏa nhiệt và làm tăng nhiệt độ của hệ thống

Khi pha khí phân tán vào pha lỏng xảy ra hiện tượng dẫn nhiệt làm năng lượng của cấu tử pha khí bị giảm Hiện tượng này xảy ra do sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí, làm cho các phân tử này bị xáo trộn, từ

đó dẫn tới sự cân bằng năng lượng giữa 2 pha Nhờ có chuyển động này mà

sự khác biệt cục bộ về nồng độ chất khí trong hỗn hợp sẽ đượ giảm dần ngay ả khi không ó sự can thiệp của ngoai lực như quấy, lắc

Mặt khác tổng thể tích của hệ thống trong quá trình hấp thụ cũng bị giảm Theo nguyên lý Le Chartelier: độ hòa tan của khí trong chất lỏng tăng nếu tăng áp suất và giảm nhiệt độ của quá trình

Trong thực tế có 2 hiện tượng hấp thụ

Hấp thụ đẳng nhiệt: được tiến hành với sự giải nhiệt pha lỏng bằng thiết bị

truyền nhiệt bố trí trong tháp hấp thụ Nếu nồng độ ban đầu không lớn hoặc khi lưu lượng chất lỏng lớn thì sự thay đổi nhiệt độ của chất lỏng không đáng kể

Hấp thụ đẳng áp: diễn ra khi không có sự trao đổi với môi trường bên

ngoài, khi này cơ cấu thiết bị được đơn giản hóa nhưng điều kiện cân bằng không tốt

1.4.3 Có 2 phương pháp hấp thụ

Hấp thụ vật lý: được dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng.

Ở đây sự truyền ật chất trong mỗi pha được xác định bằng phương trình truyền khối ổn định:

y, x: nồng độ mol chất bị hấp thu trong pha khí và pha lỏng, mol/m3

yp, xp; nồng độ chất bị hấp thu trên bề mặt phân chia trong pha khí và pha lỏng, mol/m3

y*, x*: nồng độ cấu tử trong pha khí và pha lỏng cân bằng với nồng độ trong pha khí và pha lỏng tương ứng, mol/m3

k

β , βl: hệ số truyền khối trong pha khí và lỏng, m/s

Kk, Kl: hệ số truyền khối trong pha khí và lỏng, m/s

Quan hệ giữa hệ số truyền khối β và hệ số truyền khối tổng quát như sau:

k k

Trong đó m là hằng số cân bằng pha

Nếu hệ thống có độ hòa tan cao m (hằng số cân bằng pha) → 0, vì vậyKk ≈

βk

Khi đó trở lực của quá trình truyền khối tập trung trong pha khí

Khi độ hòa tan nhỏ m có giá trị lớn ⇒K1 ≈ β1 Khi đó trở lực của quá trình truyền khối tập trung trong pha lỏng

Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học giữa chất bị hấp thu và chất hấp thụ

Khi này hiệu nồng độ ở bề mặt phân chia pha tăng, vận tốc hấp thụ hóa học tăng hơn khi hấp thu vât lý Vận tốc phản ứng hóa học càng tăng, vận tốc hấp thụ hóa học càng tăng

1.4.4 Áp suất quá trình

Nếu nồng độ phần mol của chất ô nhiễm hòa tan trong chất lỏng hấp thụ thấp thì áp suất riêng phần cân bằng của chất ô nhiễm hòa tan được biểu diễn bằng định luật Henry:

P0: áp suất hơi bão hòa của cấu tử nguyên chất, có giá trị thay đổi theo nhiệt độ

x: nồng độ phần mol của chất hòa tan trong chất lỏn, kmol/kmol

Thay p* trong (4) vào (2) ta được:

1.5 Tháp hấp thụ

1.5.1 Cân bằng vật chất và đường làm việc của tháp

Ta xét sơ đồ tính toán và cân bằng vật chất cho tháp

Xét quá trình hấp thụ xảy ra trong thiết bị hấp thụ chỉ có một chất hòa tan (chất ô nhiễm) A khuếch tán giữa hai pha Pha lỏng kí hiệu là L, và pha khí

kí hiệu là G,ta quan niệm rằng pha khí cũng như pha lỏng đều gồm 2 thành phần: khí trơ + khí A và chất lỏng trơ + khí A (chất hòa tan)

Ta kí hiệu như sau:

Lđ, Lc: suất lượng mol tổng cộng của pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị, mol/h

Gđ, Gc:suất lượng mol tổng cộng của pha khí vào và ra khỏi thiết bị, mol/h

Ltr, Gtr: suất lượng mol tổng cộng của phần trơ trong pha lỏng và pha khí, mol/h

xđ, xc: phần mol của chất A trong pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị

Xđ, Xc: tỷ số mol của chất A và chất trơ trong pha lỏng

yđ, yc: phần mol của chất A trong pha khí vào và ra khỏi thiết bị

Yđ, Yc:tỷ số mol của chất A và chất trơ trong pha khí

p y

y Y

x X

c d X X

Y Y

Ta có phương trình đường thẳng(đường làm việc) trên tọa độ X,Y có hệ số góc là Ltr/Gtr và đi qua 2 điểm (Xđ, Yc) và (Xc, Yđ)

Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu là: Lmin

B

d c

c d X X

Y Y G

c d tr tr

X X

Y Y G L

1.5.2 Cân bằng nhiệt lượng

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:

GđIđ + LđCđTđ + Qđ = GcIc + LcCcTc + Qc

Trong đó:

Gđ, Gc: hỗn hợp khí đầu và cuối(kg/h)

Lđ, Lc: lượng dung dịch đầu và cuối(kg/h)

Tđ, Tc: nhiệt độ khí ban đầu và cuối(oC)

Iđ, Ic: entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối(kj)

và cho dòng khí đi qua Tháp phun được sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn.

d) Tháp đệm:

Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng

e) Tháp đĩa:

Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh tế hơn những tháp khác Được sử dụng khi năng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ và môi trường không ăn mòn

Tháp hấp thụ phải thỏa mãn những yêu cầu sau: hiệu quả và có khả năng cho khí đi qua, trở lực thấp(<3000Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, không bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thu Khi đồng thời hấp thụ nhiều khí, vận tốc hấp thụ của mỗi khí bị giảm xuống Khí hấp thụ hóa học trong tháp xuất hiện đối lưu bề mặt, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha xuất hiện dòng đối lưu cưỡng bức thúc đẩy quá trình truyền khối

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu

Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henry sẽ tăng Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng chuyển dịch về phía trục tung Nếu đường làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm, số đĩa

lí thuyết sẽ tăng và chiều cao thiết bị sẽ tăng Thậm chí có khi tháp không làm việc được vì nhiệt độ tăng quá so với yêu cầu kĩ thuật Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi là làm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng giảm

Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng sẽ tăng và cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hoành Khi đường làm việc AB không đổi dẫn đến động lực trung bình tăng quá trình truyền khối sẽ tốt hơn vì thế số đĩa lí thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp thấp hơn

Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ Mặt khác,

sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thụ

Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác của dụng cụ đo, chế độ vận hành tháp…đều ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu

2 Tính toán công nghệ tháp hấp thụ xử lý SO2

2.1 Xác định các thông số đầu vào

Đốt 2 lít dầu F.O có thành phần trọng lượng có thành phần sử dụng của nhiên liệu được cho trong bảng sau:

Khối lượng riêng của dầu F.O ở 150C: d = 0,97kg/l

Lượng dầu cần đốt trong 1 giờ: B = 2 * 0,97 = 1,94 kg/h

Các đại lượng của quá trình cháy được tính toán theo bảng sau:

Đại

lượng cần

tính

Đơn vị

) (

0333 , 0 264 , 0 089 , 0

0 ) 0016 , 0 1

V 1 , 853 10 2 ( 1 )

t p

p O

t p

ρ

.

10 723 ,

' ' 2

2 2

2 2 2

+ + + + +

.

T

T B V

2 2

T bui L

Tiến hành làm lạnh hạ nhiệt độ khói thải xuống 600C ta xác định lại lưu lượng thực tế và xác định các thông số về nồng độ các chất khi trong khói thải ta có số liệu như sau:

Lưu lượng khói spc ở đk thực tế (tkhói=600C)

) / ( 8 , 37 ) / ( 0105 , 0 273

* 3600

) 60 273 (

* 94 , 1 034 , 16

* Các thông số ban đầu:

 Lưu lượng dòng khí thải V =37,8 m3/h

 Nồng độ SO2 ban đầu C =1,64762 g/m3

 Nhiệt độ dòng khí thải đầu vào t1 = 600C

 Chọn nhiệt độ làm việc của thiết bị tk =320C

 Chọn dung môi phun vào tháp đệm là nước

 Nhiệt độ nước đi vào tháp t = 250C

 Áp suất làm việc của thiết bị p = 800 mmHg

 Hỗn hợp khí xem như gồm SO2 và khí thải

2.2 Xác định các dòng vật chất – Đường cân bằng pha

- Pha khí

Suất lượng hỗn hợp khí thải

456 1

4 , 22

1

* ) 760

800 (

* ) 333

273 (

* 8 37

h mol h

kmol G

5 , 38 )

/ (

0385 ,

0 ) 60 273 (

* 082 , 0

* 760

m mol l

64762 ,

SO (mol 10

* 668 , 0

5 , 38

0257 , 0

2

3 d

1

molhh y

* 668 ,

0

10

* 668 , 0 1

10

* 668 , 0 y - 1

2 3

d

3 3 d

d d

Y

y Y

Nồng độ mol SO2 đầu ra

Lấy theo tiêu chuẩn Việt Nam 5939 – 2005

CSO2ra = 0,5(g/m3)

Nồng độ phần mol SO2 đầu ra

) /

( 10

* 026 , 2 64

* 5 38

5 , 0

3

10

* 2026 , 0 10

* 2026 , 0 1

10

* 2026 , 0 1

, 0

hh 10

.

* 668 , 0

* h hh 1456

*

2

2 3

d

2

2

mol G

mol

molSO mol

y G G

SO

hh SO

Suất lượng mol của cấu tử trơ

Gtr = Ghh.(1 - Yñ) = 1456*(1 – 0,668*10-3) = 1455,027 (mol/h)

Hiệu quả của quá trình hấp thu

% 67 , 69

% 100

* 668 , 0

2026 , 0 668 ,

Y Y

Lượng SO2 bị hấp thụ

( )mol h M

G M

SO

SO SO

6776 , 0

% 67 , 69

* 9726 , 0

*

2

2 2

M G

G

SO

SO SO

SO

295 , 0

6776 , 0 9726 , 0

2

2 2

( )mol h G

G G G

hh

SO hh

322 , 1455

295 , 0 027 , 1455

2

10 2026 , 0 10

* 668 , 0 2

7 6

3

7 7

.

159 , 1

273

32 273

* 4 , 22

29

* 10 353 , 4 1 64

* 10

* 353 , 4

273

273

* 4 , 22

1

2

m kg

t

M y M

y

y

k

kk tb SO

tb y

* 10

* 353 , 4

. 2

=

− +

=

− +

hh

kk tb SO

tb hh

M

M y M

y M

Phương trình đường cân bằng cho quá trình hấp thụ khi hấp thụ SO2 bằng nước

5 47 800

Trong đó: H là hằng số Henry để xác định đường cân bằng

Phương trình đường cân bằng

y*= mx ⇒

X

X X

m

mX Y

) 5 , 47 1 ( 1

5 , 47 )

1 ( 1

*

− +

=

− +

=

Giả sử dung môi ban đầu đi vào tháp đệm là nước sạch, Xđ =0

Ta xét giao điểm đường làm việc với đường cân bằng là điểm (Xc,Yd)

cb = Yd = 0,668 * 10-3(mol/h) thế vào phương trình đường làm việc ta có

) /

( 10

* 405 , 1 )

5 , 47 1 ( 1

5 , 47 10

− +

=

Xác định lượng dung môi tối thiểu cần cho tháp

ñ

ñ trô X X

Y Y G

X X

Y Y G

L

C C

max

* min

( )

( )mol h L

mol

mol h

mol L

48197

hp mol

SO 0

10

* 405 , 1

trô khí mol

SO 10

* 2026 , 0 10

* 668 , 0

* 027

, 1455

min

2 5

2 3

3 min

Lượng dung môi cần thiết

Vì trong các thiết bị hấp thụ không bao giờ đạt được cân bằng giữa các pha điều đó có nghĩa nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng độ thực tế

Lượng dung môi cần thiết lấy bằng 1,5 lượng dung môi tối thiểu

Ltt = 1,5 * Lmin = 1,5 * 48197 = 72295,5 (mol/h)=1301,319(kg/h) = 0,3615(kg/s)

Nồng độ dung dịch ra khỏi tháp

( ) ( ) 49 , 6867 1455,027

72295,5 d

d ô

mol X

X

Y Y G

L

c c tr

hp

⇒ Xc = 9,366*10-6 (mol SO2/molhp)

Phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm A(0 ; 0,2026 * 10-3), B(9,366 *

10-6 ; 0,668 * 10-3)

ra hiện tượng khuấy trộn ngước, còn chế độ treo sẽ khó khăn vì chế độ này

sẽ tồn tại 1 khoảng rất hẹp Vì vậy chế độ màng thường được chọn cho sự làm việc của tháp nên vận tốc làm việc được chọn ωy = (80% ÷ 90%) vận tốc sặc ws

Vận tốc sặc ứng với điểm đảo pha được tính bằng công thức thực nghiệm

8 / 1 4

/ 1 16

, 0 3

2

) (

) (

75 , 1

.

log

x

ytb tb

tb l

x x d

ytb ñ s

G

L A

V

ρ µ

µ ρ

ρ σ ω

322 , 1455 1456

G G

G vào ra

Chọn lượng dung môi và ra khỏi tháp gần như bằng nhau

) / ( 45 , 0

* 9 , 0 )

/ ( 506 , 0

) 1000

159 , 1 (

* ) 012 , 0

362 , 0 (

* 75 , 1 022 , 0 10

* 8937 , 0

10

* 7679 , 0 1000

* 73 , 0

* 81 ,

9

159 , 1 240

*

16 , 0 3

3 3

2

s m s

* 3600

*

7912 , 37

* 4

* 3600

*

=

π ω

) ( 0314 , 0 4

2 , 0

* 4

* 3600

*

7912 , 37

* 4

⇒

π ω

66 , 0 5 , 0

33 ,

Vậy chế độ thuỷ động trong tháp ở chế độ chuyển tiếp

Vtb: Lưu lượng khí trung bình đi qua tháp

) / ( 7912 , 37 2

1

1 2

m Y

Y V V V V

c d d c d

+ +

= +

=

Xác định chiều cao lớp đệm

H =noy*hoy

Tính số đơn vị truyền khối noy

Ta có phương trình đường làm việc:

69 , 49

0002 , 0

0002 0 69 , 49

X Y

Phương trình đường cân bằng

=

− +

10

* 2026 , 0

*

*

*

) 0002 ,

0 (

936 , 0 1

) 0002 ,

0 (

956 , 0

) 0002 ,

0 (

936 , 0 1

) 0002 ,

0 (

956 , 0

69 , 49

0002 ,

0

5 , 47 1 1

69 , 49

0002 ,

0

5 , 47 5

, 47 1 1

5 , 47

Y

Y Y

dY Y

Y

dY

Y

Y Y

Y

Y X

X Y

v

r

Y

Y

Bằng phương pháp tích phân số ta tính được noy = 2,214

Chiều cao một đơn vị chuyển khối

Độ nhớt của hỗn hợp khí

) / ( 10

* 018 , 0

10

* 018 , 0

29

* ) 10

* 4353 , 0 1 ( 10

* 013 , 0

64

* 10

* 4353 0 29

* ) 1 (

*

2 3

3

3 3

3

2 2

m s N

M y M

y Mk

hhk

hhk

kk

kk tb SO

SO tb hhk

=

− +

=

µ

µ

µ µ

µ

Chuẩn số Reynolds

92 , 482 10

* 18

159 , 1 4

* 45 , 0

*

*

* 4

y

y y

y σ µ

ρ ω

Trong đó:

y

µ : Độ nhớt trung bình của pha khí

Chiều cao tương đương của 1 đơn vị chuyển khối theo Kafarov- Đưneski

1

* ) 240

73 , 0 ( 200

1

* ) (

4 0 2

=

ω σ

Chiều cao của lớp đệm

⇒ h = htd * noy = 2,214 * 0.263=0.58 (m)

Chọn h = 0,60 m

Chiều cao của tháp đệm