đồ án hấp thu SO2 bằng tháp mâm xuyên lỗ

Ngoài ra, một số công đoạn sản xuất trong công nghiệp hóa chất, luyện kim,cũng thải vào bầu khí quyển một lương SO2 đáng kể.. 1.1 Tính chất SO 2 - SO2 là một khí vô cơ không màu, mùi kíc

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2 1

1.1 Tính chất SO2 1

1.2 Các nguồn phát sinh SO2 : 1

1.3 Tác hại khí SO2 2

1.4 Ứng dụng 3

1.5 Ý nghĩa 3

1.6 Các phương pháp xử lý SO2 3

1.6.1 Phương pháp hấp thu 3

1.6.2 Phương pháp hấp phụ : 5

1.6.3 Xử lý SO2 bằng phương pháp nhiệt và xúc tác : 5

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CƠNG NGHỆ 6

2.1 Quy trình cơng nghệ xử lý: 6

2.2 Thuyết minh quy trình 7

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN 8

3.1 Sơ đồ cân bằng vật chất của tháp mâm xuyên lỗ 8

3.2 Tính cân bằng vật chất : 9

3.3 Thiết kế tháp 12

3.3.1 Đường kính tháp 12

3.3.2 Tính chiều cao tháp tính từ hai mép nối nắp và đáy 14

3.3.3 Thiết kế lỗ trên mâm 14

3.3.4 Tính trở lực qua tháp 14

3.4 Tính tốn cơ khí và các thiết bị phụ trợ 16

3.4.1 Tính chiều dày thân 16

3.4.2 Tính đáy và nắp thiết bị 18

3.4.3 Tính tốn ống dẫn nhập tháo liệu 20

3.5 Tính mặt bích 20

3.6 Tính khối lượng tháp 21

3.6.1 Khối lượng thép làm thân 21

3.6.2 Khối lượng đáy và nắp 21

3.6.3 Khối lượng mâm 22

3.6.4 Khối lượng bích nối thân 22

3.6.5 Khối lượng bích ống dẫn khí với thân 22

3.6.7 Khối lượng lỏng chứa trong tháp 22

3.7 Chân đỡ 23

3.8 Chọn tai treo 23

3.9 Tính tốn thiết bị phụ trợ 24

3.9.1 Tính bồn cao vị : 24

3.9.2 Tính công suất bơm : 27

3.9.3 Tính công suất của quạt : 30

KẾT LUẬN 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

LỜI MỞ ĐẦU

Sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của các ngành sảnxuất công nghiệp, làm cho xã hội loài người biến đổi rõ rệt Các nhà máy, xí nghiệp,các khu công nghiệp, trại chăn nuôi tập trung được hình thành tất cả sự phát triển nàyđều hướng tới tạo ra sản phẩm mới, đáp ứng nhu cầu của con người tạo điều kiện sốngtốt hơn Nhưng đồng thời thải ra các loại thất thải khác nhau làm cho môi trường ngàycàng trở nên xấu đi Các chất thải độc hại có tác động xấu tới con người, sinh vật, hệsinh thái, các công trình nhân tạo Nếu môi trường tiếp tục suy thoái thì có thể dẫn hậuquả nghiêm trọng cho loài người Vì vậy việc bảo vệ môi trường, giảm thiểu tác động

có hại của các chất ô nhiễm là vấn đề của toàn cầu Khí thải từ ống khói các nhà máy,

xí nghiệp, khu công nghiệp được xem là nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ônhiễm không khí Các chất khí độc hại như: SOx, NOx, VOC, CO, CO2, hydocacbon,bụi đang dần gia tăng trong bầu khí quyển Gây nên các hiện tượng, hiệu ứng nhàkính, mưa xít, sương mù quang hóa tác động xấu đến con người, sinh vật và các hệsinh thái, hoạt động lao động sản xuất

Để bảo vệ môi trường và bảo vệ cho cuộc sống của con người, sinh vật thì khí thải từống khói nhà máy, từ hoạt động khác cần được xử lý trước khi thải vào môi trườngkhông khí

 Tính toán xử lý SO2 bằng phương pháp sủi bọt

 Tính toán thiết bị, chọn quạt gió và ống khói

 Xây dựng quy trình vận hành, bảo trì

 Với lưu lượng khí thải là 15000m3/h, nồng độ khí SO2 là 15.2g/m3, nhiệt độ khíthải là 500C

 Nghiên cứu lý thuyết trong các sách, giáo trình chuyên ngành

 Sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn

 Tìm và tham khảo tài liệu trên Website có liên quan

 Tham khảo các đồ án xử lý khí SO2 đã thực hiện

 Tính toán các công trình đơn vị trong hệ thống xử lý nước thải

 Xử lý thông tin đưa vào chương trình tin học: word, autocad

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2

Sunfua dioxit là một hợp chất hóa học có công thức SO2 Chất khí quan trọngnày là sản phẩm chính của sự đốt cháy hợp chất lưu huỳnh và nó là một mối lo môitrường đáng kể SO2 thường được mô tả là "mùi hôi của lưu huỳnh bị đốt cháy" Nó làsản phẩm tạo thành trong quá trình núi lửa hoạt động và một số hoạt động công nghiệpkhác nhau

SO2 là loại chất ô nhiễm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp cũng nhưtrong sinh hoạt của con người Nguồn phát thải SO2 chủ yếu là từ Các trung tâm nhiệtđiện, các loại lò nung, lò hơi khi đốt nhiên liệu than, dầu và khí đốt có chứa lưu huỳnhhoặc các hợp chất lưu huỳnh

Ngoài ra, một số công đoạn sản xuất trong công nghiệp hóa chất, luyện kim,cũng thải vào bầu khí quyển một lương SO2 đáng kể Trên thế giới hàng năm tiêu thụgần 2 tỷ tấn than đá các loại và gần 1 tỷ tấn dầu mỏ Khi thành phần lưu huỳnh trongnhiên liệu trung bình chiếm 1% thì lượng khí SO2 thải vào khí quyển là 60 triệutấn/năm Đó là chưa kể lượng SO2 thải ra từ các ngành công nghiệp khác

1.1 Tính chất SO 2

- SO2 là một khí vô cơ không màu, mùi kích thích mạnh, không cháy, có vị hăng cay

dễ hóa lỏng, dể hòa tan trong nước với nồng độ thấp

- SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở –750C và nhiệt độ sôi ở –100C

- SO2 rất bền nhiệt (H0

tt = - 296,9 kJ/mol)

- SO2 oxy hóa chậm trong không khí sạch, do quá trình quang hoá hay do sự xúc táckhí SO2 dễ dàng bị oxy hoá biến thành SO3 trong khí quyển và hòa tan trong nướctạo thành axit H2SO4

- Nó có khả năng làm mất màu dung dịch Brom và làm mất màu cánh hoa hồng

- SO2 tan trong nước tạo thành axit yếu

 Khí SO2 là loại chất gây ô nhiễm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp vàsinh hoạt Nguồn thải SO2 chủ yếu từ:

Các nhà máy nhiệt điện

Các lò nung , nồi hơi đốt bằng nhiên liệu than đá, khí đốt, dầu hoả và khí đốt cóchứa lưu huỳnh

SO2 sinh ra từ các ngành sản xuất công nghiệp, nhà máy luyện kim, lò nung , nhàmáy sản xuất H2SO4

Khí thải giao thông

1.3 Tác hại khí SO 2

Khí SO2, SO3 gọi chung là SOx, là những khí thuộc loại độc hại không chỉ đốivới sức khoẻ con người, động thực vật, mà còn tác động lên các vật liệu xây dựng, cáccông trình kiến trúc, là một trong những chất gây ô nhiễm môi trường Trong khíquyển, khí SO2 khi gặp các chất oxy hóa hay dưới tác động của nhiệt độ, ánh sángchúng chuyển thành SO3 nhờ oxy có trong không khí Khi gặp H2O, SO3 kết hợp vớinước tạo thành H2SO4 Đây chính là nguyên nhân tạo ra các cơn mưa acid mưa axit ănmòn các công trình, làm cho thực vật, động vật bị chết hoặc chậm phát triển, biến đấtđai thành vùng hoang mạc Khí SO2 gây ra các bệnh viêm phổi, mắt, da Nếu H2SO4 cótrong nước mưa với nồng độ cao làm bỏng da người hay làm mục nát quần áo

SO2 và hợp chất của SO2 là những chất có tính kích thích, ở nồng độ nhất định cóthể gây co giật cơ trơn của khí quản Ở nồng độ lớn hơn sẽ gây tăng tiết dịch niêm mạcđường khí quản Khi tiếp xúc với mắt chúng có thể tạo thành axit

SOx có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơquan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt Và cuối cùng chúng có thể xâmnhập vào hệ tuần hoàn Khi tiếp xúc với bụi, SOx có thể tạo ra các hạt axit nhỏ, các hạtnày có thể xâm nhập vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2-3 μm.m

SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể của người qua da và gây ra các chuyển đổi hóahọc, kết quả của nó là hàm lượng kiềm trong máu giảm, amoniac bị thoát qua đườngtiểu và có ảnh hưởng đến tuyến nước bọt Hầu hết dân cư sống quanh khu vực nhà máy

có nồng độ SO2, SO3 cao đều mắc bệnh đường hô hấp Nếu hít phải SO2 ở nồng độ cao

có thể gây tử vong

SOx bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axitsulfuric là tác nhân chính gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến sự phát triểnthực vật Khi tiếp xúc với môi trường có chứa hàm lượng SO2 từ 1 - 2ppm trong vài giờ

có thể gây tổn thương lá cây Đối với các loại thực vật nhạy cảm như nấm, địa y, hàmlượng 0,15 - 0,30 ppm có thể gây độc tính cấp

Sự có mặt của SOx trong không khí ẩm tạo thành axit là tác nhân gây ăn mònkim loại, bê-tông và các công trình kiến trúc SOx làm hư hỏng, làm thay đổi tính năngvật lý, làm thay đổi màu sắc vật liệu xây dựng như đá vôi, đá hoa, đá cẩm thạch; phá

hoại các tác phẩm điêu khắc, tượng đài Sắt, thép và các kim loại khác ở trong môitrường khí ẩm, nóng và bị nhiễm SOx thì bị han gỉ rất nhanh SOx cũng làm hư hỏng vàgiảm tuổi thọ các sản phẩm vải, nylon, tơ nhân tạo, đồ bằng da và giấy

Khí SO2 được sử dụng trong nghành công nghiệp chế biến rượu vang Tuy tỷ lệ rất

ít, đóng vai trò như một chất kháng khuẩn và chống oxy hóa Tùy từng quốc gia, cóthể cho phép nồng độ SO2 trong rượu ở một mức độ nhất định Ở Mỹ là 350 ppm,

EU là 160 ppm và 210 ppm đối với rượu vang đỏ và trắng, hồng Ở nồng độ thấpdưới 50 ppm SO2 không ảnh hưởng đén mùi vị của rượu, nhưng nếu nồng độ caohơn, nó cũng tạo ra một hương vị khác

SO2 còn được dùng trong quá trình vệ sinh thiết bị trong các nhà máy sản xuất rượu

Chống nấm mốc

Làm tác nhân khử: Điôxít lưu huỳnh cũng là một chất khử Trong nước, sulfurdioxide có thể làm phai màu Cho nên nó thường được sử dụng để làm chất tẩy quần

áo, tẩy trắng giấy, bột giấy Ngoài ra, nó còn được sử dụng để xử lý nước thải

Làm thuốc thử và dung môi trong các phòng thí nghiệm: Lưu huỳnh dioxit làmột dung môi trơ đa năng đã được sử dụng rộng rãi cho các muối hòa tan oxy hóacao Nó cũng đôi khi được sử dụng như là một nguồn của nhóm sulfonyl trong tổnghợp hữu cơ

1.5 Ý nghĩa

Vấn đề ô nhiễm bầu khí quyển bởi khí SO2 từ lâu đã trở thành mối hiểm họa củanhiều quốc gia, nhất là các nước phát triển trên thế giới Vì những lý do nêu trên, côngnghệ xử lý khí SO2 trong khí thải công nghiệp đã được nghiên cứu rất sớm và pháttriển mạnh mẽ

Ngoài tác dụng làm sạch bầu khí quyển, bảo vệ môi trường, xử lý khí SO2 còn

có ý nghĩa kinh tế to lớn của nó bởi vì SO2 thu hồi được từ khí thải là nguồn cung cấpnguyên liệu cho các nhà máy sản xuất axit Sunfuric (H2SO4) và lưu huỳnh nguyên chất

-Do độ hòa tan của SO2 trong nước thấp nên phải cần lưu lượng nước lớn vàthiết bị hấp thụ có thể tích lớn.

 Hấp thụ bằng huyền phù CaCO3

Ưu điểm của phương pháp này là quy trình công nghệ đơn giản, chi phí hoạtđộng thấp, chất hấp thụ dể tìm và rẻ, có khả năng xử lý mà không cần làm nguộivà xử lý sơ bộ

Nhược điểm: thiết bị đóng cặn do tạo thành CaSO4 và CaSO3

 Phương pháp Magie (Mg):

SO2 được hấp thụ bởi oxit – hydroxit magie, tạo thành tinh thể ngậmnước Sunfit magie

Ưu điểm : làm sạch khí nóng , không cần lọc sơ bộ, thu được sản phẩm tậndụng là H2SO4 ; MgO dể kiếm và rẻ , hiệu quả xử lý cao

Nhược điểm :vận hành khó, chi phí cao tốn nhiều MgO

 Phương pháp kẽm : trong phương pháp này chất hấp thụ là kẽm

 Hấp thụ bằng chất hấp thụ trên cơ sở Natri :

Ưu điểm : của phương pháp này là ứng dụng chất hấp thụ hóa họckhông bay, có khả năng hấp thụ lớn

 Phương pháp Amoniac : SO2 được hấp thụ bởi dung dịch Amoniac hoặcdung dịch Sunfit-biSunfit amôn

Ưu điểm : của phương pháp này là hiệu quả cao, chất hấp thụ dễ kiếm, thu được sản phẩm cần thiết (Sunfit và biSunfit amon)

 Hấp thụ bằng hổn hợp muối nóng chảy:

Xử lý ở nhiệt độ cao dùng hổn hợp Cacbonat kim loại kiềm có thànhphần như sau:

LiCO3 32%, Na2CO3 33%, K2CO3 35%.

 Hấp thụ bằng các Amin thơm :

Để hấp thụ SO2 trong khí thải của luyện kim màu (nồng độ SO2 khoảng 1-2% thểtích)

Người ta sử dụng dung dịch:

C6H3(CH3)2 NH2 (tỉ lệ C6H3(CH3)2 NH2 : nước = 1- 1)

C6H3(CH3)2 NH2 không trộn lẩn với nước nhưng khi liên kết với SO2 tạo thành(C6H3(CH3)2 NH2)2 SO2 tan trong nước

1.6.2 Phương pháp hấp phụ :

SO2 được giữ lại trên bề mặt chất rắn , thu được dòng khí sạch khi đi qua bề mặtrắn

Chất hấp phụ công nghiệp cơ bản là than hoạt tính , silicagen , zeonit và ionit(chất trao đổi ion)

Nhược điểm : cần thiết phải tái sinh chất hấp phụ để thu hồi cấu tử bị hấpphụ và phục hồi khả năng hấp phụ của chất hấp phụ Chi phí tái sinh chiếm khoảng

40 – 70% tổng chi phí của quá trình làm sạch khí

1.6.3 Xử lý SO 2 bằng phương pháp nhiệt và xúc tác :

Bản chất của quá trình xúc tác để làm sạch khí là thực hiện các tương táchóa học , nhằm chuyển hóa tạp chất độc thành sản phẩm khác với sự có mặt củachất xúc tác đặt biệt

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

2.1 Quy trình công nghệ xử lý:

Chú Thích:

1.Bồn chứa nước 7 Tháp mâm xuyên lỗ

2.Bơm ly tâm 8 Thùng chứa nước sau hấp thu

3.Van 9 Quạt khí

4.Bồn cao vị 10 Lưu lượng kế khí

5.Ống chảy tràn 11 Ống khói xả khí

6.Ống lưu lượng kế lỏng 12 Thiết bị chứa SO2

 Hấp thụ khí SO 2 bằng nước

Dung mơi sử dụng là dung dịch nước vì:

 Dung môi hấp thu là nước sạch để không tạo ra cặn lắng làm cản trởdòng khí và lỏng

 Là loại dung dịch rẻ tiền, dễ kiếm

 Tính ăn mịn thiết bị yếu ít gây nguy hại cho thiết bị xử lý

 Dung dịch này ngồi nhiệm vụ hấp thụ các acid SO2, CO2, cịn cĩ tácdụng làm nguội khí thải đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn về nhiệt độ khí thải đầu racủa ống khĩi

Do phải chịu tác dụng hố học với khí thải và dung dịch cĩ tính ăn mịn cao nên vậtliệu chế tạo tháp hấp thu và các đường ống dẫn khí được chọn là loại thép hợp kim đặcbiệt thuộc nhĩm thép khơng gỉ, chúng cĩ tính chống ăn mịn cao trong điều kiện làmviệc của thiết bị

Nhược điểm chính là phát sinh một lượng nước thải Nhược điểm này cĩ thể khắc phụcbằng cách sử dụng tuần hồn dung dịch xử lý nhằm triệt để lượng hố chất trong dungdịch và giảm lượng nước thải ra ngồi Theo phương pháp này, dung dịch xử lý được

sử dụng tuần hồn theo một chu trình kín, chỉ thải bỏ một lượng nhỏ khi tháo cặn bùn

từ bể lắNh

2.2 Thuyết minh quy trình

Dòng khí thải từ nhà máy thải ra được xử lý sơ bộ Sau đó được quạt thổi qua lưulượng kế đo lưu lượng và đi vào tháp thực hiện quá trình hấp thu Tháp hấp thu làmviệc nghịch dòng

Dung môi hấp thu là nước Nước sạch từ bể chứa được bơm lên bồn cao vị Sau đó đi qua lưu lượng kế đo lưu lượng dòng chảy và đi vào tháp hấp thu , nướcđược chảy từ trên xuống Khí SO2 được thổi từ đáy tháp lên , quá trình hấp thu đượcthực hiện

Khí sau khi hấp thu đạt TCVN được thải phát tán ra môi trường Dung dịchnước sau khi hấp thu được cho chảy vào bể chứa thực hiện quá trình trung hòa vàthải ra môi trường

Xđ - Tỷ số mol khí trong dòng lỏng vào tháp hấp thụ ( kmolSO2/kmolH2O).

Xc - Tỷ số mol khí trong dòng lỏng ra tháp hấp thụ (kmolSO2/ kmolH2O)

Yđ - Tỷ số mol khí trong hỗn hợp khí thải vào tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolkk )

Yc - Tỷ số mol khí trong hỗn hợp khí thải ra tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolkk )

xđ - Phần mol khí trong pha lỏng đi vào tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolhh )

xc - Phần mol khí trong pha lỏng ra khỏi tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolhh )

yđ - Phần mol khí trong dòng khí khi đi vào tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolhh )

yc - Phần mol khí trong dòng khí khi đi ra tháp hấp thụ (kmolSO2/kmolhh )

G - Suất lượng hỗn hợp khí ( kmolhh/h )

Gtr-Suất lượng khí trơ (kmoltrơ/h )

L - Suất lượng nước (kmolH2O/h )

THÁP HẤP THU

3.2 Tính cân bằng vật chất :

 Phương trình cân bằng của hệ SO2 -H2O được biểu diễn theo định luậtHenri

p = H×x hoặc y* =H

P t =m×x Trong đó :

y* : nồng độ phân mol của SO2 trong dòng khí ở điều kiện cân bằng

x : nồng độ phân mol khí hòa tan trong pha lỏng

p : áp suất riêng phần của cấu tử khí SO2 hòa tan khi cân bằng (mmHg)

Pt : áp suất tổng của hệ hấp thu(mmHg)

H : hệ số Henry (mmHg)

Ở 30oC : H = 0.0495×106 (mmHg) [2, Bảng IX.1, p.139]

m : hệ số phân bố



Trong đó :

X :nồng độ SO2 trên căn bản cấu tử trơ (kmolSO2/kmolH2O)

Y* :nồng độ SO2 trên căn bản không khí ở điều kiện cân bằng(kmolSO2/kmoltrơ)

Từ phương trình đường cân bằng ta có các số liệu đường cân bằng:

 Các thông số của dòng khí :

Nồng độ thể tích ban đầu :

yđ = 18% = 0,18Nồng độ đầu vào theo tỷ số mol :

Yđ =

y d

1− y d = 0,22 (KmolSO2/Kmolkhítrơ)

yc= 0,1 yđ = 0,1×0,22 = 0,022 (KmolSO2/Kmolkhítrơ)

 Các thông số dòng lỏng :

Hấp thu SO2 bằng nước , chọn dung môi sạch khi vào tháp nên : Xđ = 0 Với Xđ : nồng độ đầu của pha lỏng , KmolSO2/KmolH2O

 Lượng dung môi tối thiểu được sử dụng :

Gtr : suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp

X* : nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với Yđ (kmol/kmolH2O)

Từ đồ thị đường cân bằng ta xác định được :

Với Ltr : lượng dung môi không đổi khi vận hành , kmol/h

• ρx, ρy (kg/m3) khối lượng riêng của pha lỏng khí.

• Gx, Gy (kg/h) lưu lượng pha lỏng, khí

0,16 2

 ωk =

G tb

0,3790,785 0,71 = 0,96 (m/s)

3.3.2 Tính chiều cao tháp tính từ hai mép nối nắp và đáy

 Hcp (0,8 ÷ 1m): khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị với Hcp gồm :

• h1 khoảng cách cho phép ở mép dưới nối nắp đến thiết bị phân phối lỏng( chọn h1= 0,25 m )

• h2 khoảng cách từ thiết bị phân phối lỏng đến mâm thứ I (chọn h2 = 0,3m)

• h3 khoảng cách từ mâm cuối cùng tới mép trên nối đáy tháp ( chọn

3.3.4 Tính trở lực qua tháp

Trở lực trong tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền được tính theo công thức

• ρy (kg/m3 ) khối lượng riêng của khí

• ξ hệ số trở lực ( đối với đĩa lỗ ξ = 2,1, đối với đĩa lưới ξ = 1,4 ÷ 1,5, đối với đĩalưới ống làm bằng các đoạn lưới ống trên đĩa ξ = 0,9 ÷ 1) Chọn ξ = 2,1

3.4 Tính toán cơ khí và các thiết bị phụ trợ

3.4.1 Tính chiều dày thân

Áp suất làm việc của tháp:

P = ∆Ptháp + P1 + P mtTrong đó:

Khi chế tạo loại này cần chú ý:

 Đảm bảo đường hàn càng rắn càng tốt, Chỉ hàn giáp nối

 Bố trí các đường hàn dọc ở các đoạn thân trụ riêng biệt lân cận cách nhau ítnhất 100mm

 Bố trí các mối hàn ở các vị trí dễ quan sát

 Không khoan lỗ qua mối hàn

 Ký hiệu thép: CT3

 Giới hạn bền: b = 380 x106 (N/m2)