Thiết kế hệ thống hấp thụ CO2 từ khí biogas

Thiết kế hệ thống hấp thụ CO2 từ khí biogas

LỜI MỞ ĐẦU

Việc giáo dục ở Nhà trường với mục đích chính là đem lại những kiến thức căn bản nhất cho mỗi sinh viên Từ những kiến thức ấy, sẽ là hành trang, là cầu nối để sinh viên áp dụng vào trong công việc thưc tế sau này Đồ án Quá trình thiết bị là một trong những cầu nối giúp cho sinh viên hiểu rõ hơn về các quy trình công nghệ trong thực tế, nâng cao khả năng vận dụng kiến thức, đặc biệt là rèn luyện khả năng tư duy, ý tưởng để thiết kế một thiết bị nào đó áp dụng vào một công đoạn của quy trình công nghệ

Hiện nay, nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, một trong những loại năng lượng đang nhận được nhiều sự quan tâm của các quốc gia trên thế giới là khí đốt Ở Việt Nam, nguồn tài nguyên khí đốt đang được tìm kiếm và khai thác, không những từ các nguồn khí ngoài khơi mà còn khai thác các nguồn khí từ sản xuất nông nghiệp, trong đó có Biogas Biogas có nguồn gốc hoàn toàn từ tự nhiên, dễ sản xuất đồng thời nhiệt trị cao đang giúp cho Biogas dần dần được thay thế các dạng nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt

Thành phần của Biogas phần lớn là khí metan, ngoài ra còn có một lượng đáng kể tạp chất như khí CO2, H2S, H2O,… Do đó khi đốt trực tiếp Biogas, lượng tạp chất như H2S gây ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị, đặc biệt là khí CO2 làm giảm phần lớn nhiệt trị của Biogas, làm giảm hiệu quả sử dụng Xử lý CO2, H2S có nhiều phương pháp khác nhau

Và việc lựa chọn phương pháp nào sẽ phụ thuộc chủ yếu vào hiệu quả và tính kinh tế của phương pháp đó Trong đồ án này sẽ khảo sát phương án: xử lý CO2 bằng phương pháp hấp thụ trong dung môi là monoetanolamin (MEA) (sau khi Biogas đã loại H2S bằng hấp phụ trên sắt oxit) nhằm tìm hiểu xem quá trình xử lý này có đạt hiệu quả và kinh tế không,

để có thể đưa vào hệ thống xử lý Biogas trước khi sử dụng, nâng cao hiệu quả kinh tế

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô thuộc Bộ môn Quá trình và thiết bị đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đồ án môn học này Trong quá trình làm đồ án sẽ không tránh khỏi những sai sót, tôi kính mong nhận được sự góp ý, chỉnh sửa của quý thầy cô để bổ sung, hoàn thiện hơn quyển đồ án này

Trang 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN1.1 TỔNG QUAN VỀ BIOGAS:

Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh

từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ CH4 là một khí gây hiệu ứng nhà kính, trung bình cứ

100 năm mỗi kg metan làm ấm trái đất gấp 23 lần 1kg CO2 Khí Biogas hiện nay có thể được tạo ra bằng 2 phương pháp: phương pháp lên men trong hầm biogas và lên men trong thiết bị Về thực chất 2 phương pháp này đều sản xuất ra Biogas bằng cách phân hủy các hợp chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật yếm khí, xúc tác ở nhiệt độ từ 20oC đến 40oC

Ưu điểm của việc sử dụng khí Biogas: giá thành rẻ, an toàn và thân thiện với môi trường, rất thích hợp với các nước chăn nuôi nhiều như Việt Nam Hiện nay Biogas đang được phát triển hết sức rộng rãi, đặc biệt là các nước Châu Âu với quy mô ngày càng lớn Đây là một nguồn nhiên liệu được xem là hết sức quan trọng trong tương lai khi mà nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt

Khí Biogas sau khi được sản xuất sẽ tiếp tục được đem đi xử lý, làm sạch, sau đó đem đi sử dụng Ứng dụng chủ yếu là làm chất đốt: đun nấu, sưởi ấm… Đặc biệt là nén lại làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông

Khí H2S mặc dù chiếm tỉ lệ rất thấp, nhưng là khí có hại nhất Khi sử dụng Biogas

để nấu bếp, H2S được dẫn trong ống dẫn gây ăn mòn các ống dẫn, bếp nấu và làm cho Biogas có mùi hôi khó chịu H2S khi cháy tạo thành SO2 cũng là khí độc hại đối với sức khỏe con người Khi sử dụng cho động cơ, H2S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống nạp-thải và buồng cháy, làm giảm tuổi thọ của động cơ

Khí CO2 tuy không gây ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượng lớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Thành phần hơi nước cũng gây ảnh hưởng tương tự

1.1.3 Các phương án hấp thụ xử lý CO 2

1.1.3.1 Sử dụng dung môi mono etanolamin (MEA):

2RNH2 + CO2 + H2O = R(NH3)2CO3R(NH3)2CO3 + CO2 + H2O = 2RNH3HCO32RNH2 + CO2 = RNHCOONH3R

Dung dịch sau hấp thụ được phục hồi bằng cách đun nóng

Ưu điểm: khả năng phản ứng cao, ổn định, dễ phục hồi…

Nhược điểm:

Áp suất hơi cao, dung dịch tham gia phản ứng không thuận nghịch với COS

 Để giảm áp suất hơi người ta dùng nước rửa khí thu hồi hơi mono etanolamin.1.1.3.2 Sử dụng dung dịch NH3:

2NH3 + CO2 = NH2COONH42NH3 + CO2 = NH4HCO32NH3 + CO2 = (NH4)2CO3Phương pháp này dùng xử lý khí thải chứa khoảng 30% CO2

Trong thực tế phương pháp này dùng giảm nồng độ CO2 từ 34% xuống còn 0,05% khi tổng hợp NH3

Dung dịch phục hồi bằng cách đun nóng

1.1.3.3 Sử dụng dung dịch kiềm:

Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3Nhược điểm:

- Vận tốc hấp thụ nhỏ Để tăng vận tốc người ta dùng xúc tác: methanol, etanol, đường,… Dung dịch phục hồi bằng cách đun nóng bằng hơi nước

- Hiệu quả thấp, tốn nhiều hơi nước để phục hồi dung dịch

 Dung dịch có thể được làm tăng hiệu quả hấp thụ bằng cách cho vào lượng

dư NaOH vào Khi đó dung dịch không tái sinh được mà dùng vào việc khác

1.1.3.4 Sử dụng H2O:

H2O + CO2 = H+ + HCO3

-Có ý nghĩa trong công nghiệp xử lý chất thải ở áp suất cao

Ưu điểm: thiết bị đơn giản, không tốn nhiệt, dung môi rẻ, nước trơ với các khí khác như COS, O2 và các tạp chất khác

Nhược điểm: H2O hấp thụ H2 trong không khí, phải dùng bơm công suất lớn, khả năng hấp thụ thấp, CO2 thu được không đạt độ tinh khiết

Chất lỏng được sử dụng gọi là dung môi hay tác nhân

Cấu tử tách từ hỗn hợp khí gọi là cấu tử bị hấp thụ, khí không hòa tan gọi là khí trơ.Hấp thụ được chia thành:

Gọi

μ*y

là hóa thế trong

Φy cân bằng với

Φx, ta có biểu thức biểu diễn động lực của quá trình truyền khối:

Δμy = - μ*y μy

Tương tự, thay hóa thế µy bằng hóa thế trong pha lỏng cân bằng với nó

μ*x, ta được:

Δμx = - μx μ*xTrong tính toán thực thế, hóa thế được thay bằng nồng độ Nồng độ là đại lượng đơn giản và dễ xác định Nó cũng có thể biểu diễn sự sai lệch so với trạng thái cân bằng của hai pha

Φx

và

Φy.1.2.1.3 Ứng dụng của hấp thụ:

Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, quá trình hấp thụ được dùng để:

- Thu hồi các cấu tử có giá trị trong pha khí

- Năng suất theo pha lỏng thấp

- Hiệu suất thấp khi chiều cao lớn

- Khó phân bố đều chất lỏng

Ứng dụng: dùng trong phòng thí nghiệm để xác định hệ số cấp khối và hệ số truyền khối.

- Cấu tạo đơn giản

- Làm việc được với chất lỏng bẩn

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 2.1 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Như đã trình bày thì việc xử lý biogas sau khi sản xuất là một quá trình hết sức quan trọng trước khi đưa Biogas vào sử dụng Quá trình này thực chất là loại gần như hoàn toàn các tạp chất trong khí Biogas và sản phẩm Biogas sau khi xử lí đạt được > 96% hàm lượng CH4

Sở đồ quy trình công nghệ mà đồ án đề xuất

Hình 2.2: Quy trình công nghệ xử lý Biogas.

2.2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Khí Biogas thô đi vào quy trình với thành phần thể tích như sau: ~67% CH4, ~30%

CO2, ~1% H2S, ~1% O2, ~1% N2.

Khí biogas ra khỏi hệ thống xử lý sẽ đạt được thành phần thể tích như sau: ~96%

CH4, ~1% CO2, ~1.5% O2, ~1.5% N2.

2.2.1 Tổng quát quy trình công nghệ

Về cơ bản quá trình xử lý Biogas gồm 3 giai đoạn cơ bản:

Giai đoạn 1: Xử lý H 2 S.

Để loại được H2S (< 0.15%) ta sử dụng phương pháp hấp phụ rắn kẽm oxit ( ZnO)

Giai đoạn 2: Xử lý CO 2 thu khí Biogas sạch

Để loại khí CO2 ra khỏi biogas ta sử dụng phương pháp hấp thụ CO2 trong dung dịch MEA 30% khối lượng bằng tháp đệm ở 40oC, 1atm

Giai đoạn 3: Hoàn nguyên dung môi MEA và thu khí CO 2

Quá trình hoàn nguyên MEA được thực hiện trong tháp đĩa giống như quá trình chưng cất loại đĩa Sản phẩm đỉnh chứa CO2 và 1 ít hơi MEA được ngưng tụ, tách pha để thu CO2 và hoàn lưu lỏng MEA

2.2.2 Chi tiết quy trình công nghệ

Giai đoạn I - Xử lý H 2 S: Sử dụng chất hấp phụ rắn

Có nhiều chất hấp phụ H2S đã được sử dụng, nhưng hiện tại để xử lí một lượng H2S có mặt trong khi biogas với hàm lượng không lớn lắm thì chất hấp phụ ZnO là cách lựa chọn tối ưu nhất

+ Khí Biogas trước tiên sẽ được xử lý bằng cách loại H2S Để loại H2S, chúng ta sử dụng phương pháp hấp phụ bằng kẽm oxit

ZnO + H2S  ZnS + H2O+ Để thực hiện quá trình hấp phụ nêu trên, trong công nghiệp oxit kẽm được sản xuất dưới dạng viên như viên thuốc đường kính 7-8 mm, độ rỗn chiếm 40-50% thể tích, diện tích bề mặt lỗ rỗng đạt 60-80 m2/g Khi loại vật liệu này hết tác dụng người ta thay mới chứ không hoàn nguyên vì quá trình hoàn nguyên phức tạp, không kinh tế+ Ở mô hình này có 2 bình hấp phụ H2S (số 1) được hoạt động luân phiên nhau Khi bình này ngưng hoạt động để tái sinh phoi sắt thì bình còn lại hoạt động để đảm bảo

hệ thống được vận hành liên tục Hàm lượng H2S sau hấp phụ sẽ đạt tiêu chuẩn là < 0,15% thể tích

Giai đoạn II – Xử lý CO2

+ Hấp thụ CO2 trong Biogas bằng dung dịch MEA 30% khối lượng trong tháp đệm Dòng khí sau khi ra khỏi tháp hấp phụ được quạt thổi thổi qua lưu lượng kế (số 2) đi vào tháp đệm (số 4) thực hiện quá trình hấp thụ CO2, quá trình diễn ra ở áp suất thường Khí đi từ dưới lên, dung dịch hấp thụ MEA đi từ trên xuống thực hiện quá trình truyền khối ngược chiều Mục tiêu đạt được là khí Biogas sau xử lý có hàm lượng CO2 nhỏ hơn 1% thể tích Đồng thời, ở giai đoạn này một lượng rất nhỏ H2S còn sót lại cũng được hấp thụ tại đây

Tại giai đoạn này khí biogas sạch đã hoàn toàn được xử lý

Giai đoạn 3 - Hoàn nguyên dung môi MEA và thu khí CO 2

Quá trình thu CO2 và hoàn nguyên dung dịch MEA: được thực hiện trong tháp Stripper dạng đĩa (số 5) tại nhiệt độ 120oC Nguyên tắc hoạt động của tháp Stripper cũng giống như tháp chưng cất loại đĩa

Dung dịch MEA sau hấp thụ sẽ được chứa vào trong bồn chứa (số 8), sau đó dùng bơm bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (số 7) để trao đổi nhiệt với dòng dung dịch MEA sau giải hấp đang có nhiệt độ cao nhằm mục đích nâng nhiệt độ dòng MEA đem đi giải hấp và giảm nhiệt độ dung dịch MEA sau giải hấp đi vào bồn chứa (số 10)

Tại tháp Stripper, sản phẩm đỉnh chứa CO2 có lẫn một ít hơi dung dịch MEA Sau đó tiến hành ngưng tụ hỗn hợp này Hỗn hợp sau ngưng tụ được chứa trong bình chứa sản phẩm

để thực hiện tách pha Sau đó CO2 được thu lại và sử dụng Dung dịch MEA lỏng được hoàn lưu trở lại tháp

Sau khi được nhả hấp, dung dịch MEA sẽ được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và qua một thiết bị làm mát (số 7) để đưa về nhiệt độ bình thường Sau đó dung dịch được đưa vào bồn chứa dung dịch, tại đây sẽ có sự bổ sung dung dịch mới vào sau một thời gian hoạt động

2.3 CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHO THÁP HẤP THỤ:

- Lưu lượng dòng biogas: Gy = 2000 m3/h

P(kPa) 0,185931 0,29668 0,323024 0,385947 0,577755 1,080327 1,856882y* 0,001835 0,002928 0,003188 0,003809 0,005702 0,010662 0,018326Y* 0,001838 0,002937 0,003198 0,003824 0,005735 0,010777 0,018668

y* 0,023193 0,028577 0,085583 0,11812 0,201235 0,364569Y* 0,023744 0,029418 0,093593 0,133941 0,251933 0,573734

Đồ thị đường cân bằng CO 2 – MEA.

CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG3.1 CÁC KÝ HIỆU:

4 4

d

y Y

y Y

Lượng CO2 ban đầu trong dòng khí vào đáy tháp: 2000 × 0,3 = 600 m3/h

Lượng CO2 trong dòng khí ra khỏi tháp:

3

(2000 600) 0,01

14,14 m /h(1 0, 01)

Lượng MEA tiêu hao riêng tối thiểu cần dùng:

min min

0162

Phương trình đường làm việc: Y = 1,0901X -0,0402

Đồ thị Đường cân bằng – đường làm việc

3.3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt, sẽ làm nhiệt độ trong tháp tăng lên, làm thay đổi cân bằng pha do đó làm giảm động lực của quá trình Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình hấp thụ, ta dùng phương trình cân bằng nhiệt

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:

G I +L C t +Q =G I +L C t +Q

Trong đó:

Gd, Gc: hỗn hợp khí đầu và cuối, kg/h

Ld, Lc: lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h

td, tc: nhiệt độ dung dịch ban đầu và cuối, oC

Id, Ic: enthalpy hỗn hợp khí ban đầu và cuối, kJ

Qo: nhiệt mất mát, kJ/h

Qs: nhiệt phát sinh do hấp thu khí, kJ/h

Để đơn giản hóa tính toán, ta giả thuyết như sau:

 Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh không đáng kể, Qo = 0

 Nhiệt độ hỗn hợp khí ra bằng nhiệt độ dung dịch vào, tc = td

 Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thụ và cho bằng tỉ nhiệt của dd MEA 30%

 Bây giờ phương trình cân bằng nhiệt sẽ có dạng:

0,3

MEA d

44

CO CO

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ 4.1 CÁC THÔNG SỐ:

4.1.1 Các thông số pha khí:

a Lưu lượng thể tích trung bình dòng khí đi trong tháp:

2

d c tb

3

(1 ) (1 )(1 ) 2000.(1 0,3).(1 0,0101) 1414,14 /

o tb

C

tb C

c Độ nhớt trung bình của pha khí:

o tb

Lưu lượng khối lượng trung bình pha lỏng:

2

d c tb

30,76 m /m

V =ñ

Gtb Ltb

Khối lượng riêng dòng lỏng và khí trung bình đi trong tháp, kg/m3

0,7951045,78 /

Gtb

ρρ

y s

G D

w

π

=

34

0,789 m360

2000 m /s

1,14 m/s0

L U F

tt t

L U F

30,158 m / m.h 195 m /m = 30,81m /(m h)

( )0,5

12

2 0,6

7,4 10

, m /s

B L

( )0,5

12

2 0,6

Thay số vào (4.12), ta tính được:

1/2

2 1/3 1/3

ñ

Re Pr

V h

a σ

=Ψ

3 3

2

0 3

,25 2/3

m /m,92 145 m /m

0,76

151 1,220,123.0

0,181m

G

h =

=

b Pha lỏng:

2/3 0,25 0,5

5

2

0,25 3

MEA

L l Gtro

e Chiều cao của một đơn vị truyền khối:

Chiều cao của một đơn vị truyền khối phụ thuộc vào đặc trưng của đêm và trạng thái pha và được xác định theo công thức:

hG : chiều cao một đơn vị truyền khối đối với pha hơi, m

hL : chiều cao một đơn vị truyền khối đối với pha lỏng, m

F Số đơn vị truyền khối:

Phương trình đường làm việc của tháp:

dY m

Y Y∗

=

−

∫

Bảng tích phân xác định số đơn vị truyền khối

0,04612 0,010131 5,08E-05 9,92E+01

0,05 0,014315 5,51E-05 7,01E+01 0,004184

0,354221

0,06 0,025098 6,61E-05 3,99E+01 0,010783

0,593473

0,07 0,035881 7,71E-05 2,79E+01 0,010783

0,3659690,08 0,046664 8,81E-05 2,15E+01 0,010783 0

,29034

0,09 0,057447 9,91E-05 1,74E+01 0,010783

0,23977

0,1 0,06823 1,10E-04 1,47E+01 0,010783

0,193161

0,11 0,079013 1,19E-04 1,27E+01 0,010783

0,157486

0,12 0,089796 1,28E-04 1,12E+01 0,010783

0,1284660,13 0,100579 1,37E-04 9,96E+00 0,010783 0

0,14 0,111362 1,46E-04 8,99E+00 0,010783

0,102155

0,15

0,122145 1,55E-04 8,20E+00 0,010783 0

,092674

0,16

0,132928 1,64E-04 7,53E+00 0,010783 0

,0848060,17 0,143711 1,73E-04 6,97E+00 0,010783 0

,07

0,18 0,154494 1,82E-04 6,48E+00 0,010783

0,0725

0,19 0,165277 1,91E-04 6,06E+00 0,010783

0,067598

0,2 0,17606 2,00E-04 5,69E+00 0,010783

0,0633170,05973

0,22 0,197626 1,56E-03 5,10E+00 0,010783

0,056575

0,23 0,208409 1,70E-03 4,84E+00 0,010783

0,05358

0,24 0,219192 1,84E-03 4,60E+00 0,010783

0,050887

0,25 0,229975 1,98E-03 4,39E+00 0,010783

0,0484520,26 0,240758 9,09E-04 4,17E+00 0,010783 0

,0

0,27 0,251541 9,86E-04 3,99E+00 0,010783

0,043997

0,28 0,262324 1,06E-03 3,83E+00 0,010783

0,042155

0,29 0,273107 1,14E-03 3,68E+00 0,010783

0,040460,3 0,28389 1,22E-03 3,54E+00 0,010783 0

,038

0,31 0,294673 1,29E-03 3,41E+00 0,010783

0,03745

0,32 0,305456 1,37E-03 3,29E+00 0,010783

0,036107

0,33 0,316239 1,45E-03 3,18E+00 0,010783

0,034857

0,34 0,327022 1,02E-03 3,07E+00 0,010783

0,0336650,35 0,337805 1,30E-03 2,97E+00 0,010783 0

0,36 0,348588 0,001016 2,88E+00 0,010783

0,031534

0,37 0,359371 0,001222 2,79E+00 0,010783

0,030566

0,38 0,370154 0,001428 2,71E+00 0,010783

0,0296760,39 0,380937 0,001634 2,64E+00 0,010783 0

,0

0,4 0,39172 0,00184 2,56E+00 0,010783

0,028043

0,41 0,402503 0,002426 2,50E+00 0,010783

0,027305

0,42 0,413286 0,003168 2,44E+00 0,010783

0,0266220,43 0,424069 0,003703 2,38E+00 0,010783 0

,0259