Tháp hấp thụ xử lý khí SO2

Hoạt động công nghiệp đã thải ra môi trường nhiều dạng chất ô nhiễm mà một trong số đó là ô nhiễm không khí.. Sunfu đioxit SO2 sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoá thạch, sự p

PHẦN 1:

MỞ ĐẦU

Nền công nghiệp phát triển đã làm cho vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn

Các chất gây ô nhiễm được phát sinh từ rất nhiều nguồn khác nhau, đặc biệt từ các nguồn ô nhiễm công nghiệp Hoạt động công nghiệp đã thải ra môi trường nhiều dạng chất ô nhiễm mà một trong số đó là ô nhiễm không khí Chất gây ô nhiễm không khí mà chúng ta xét

là SO2

Sunfu đioxit (SO2) sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoá thạch, sự phân huỷ

và đốt cháy các hợp chất hữu cơ, các hoạt động của núi lửa hoặc từ các xí nghiệp hóa chất, nhà máy luyện kim, nhà máy vật liệu xây dựng…

Khí SO2 là loại khí tương đối nặng nên thường ở gần mặt đất ngang tầm sinh hoạt của con người Khí SO2 không màu có mùi hăng cay khi nồng độ trong khí quyển là 1 ppm, dễ hoà tan trong nước…Trong các chất ô nhiễm không khí thường gặp thì SO2 là chất gây tác hại

đã từng xảy ra ở nhiều nơi nhất trên thế giới

Khí SO2 gây tổn thương lớp mô trên cùng của bộ máy hô hấp, gây bệnh khí thũng và suy tim Đối với thực vật, khí SO2 thâm nhập vào các mô của cây và kết hợp với nước tạo thành axit sunfurơ H2SO3 gây tổn thương màng tế bào và làm suy giảm khả năng quang hợp Ngoài ra khí SO2 còn là tác nhân gây han gỉ mạnh đối với kim loại, gây tác hại mạnh đối với giấy và gia thuộc, làm cho độ bền , độ dai của chúng bị giảm sút…Chính vì vậy mà trước khi thải ra môi trường dòng khí thải cần phải được xử lý để làm giảm nồng độ khí thải tới giới hạn cho phép để không gây hại cho người động vật và thực vật Một trong những phướng pháp để xử lý là phương pháp hấp thụ Hấp thụ là quá trình dùng một chất lỏng để hút một hoặc nhiều cấu tử trong khí

Trong đồ án môn học nàythiết bị hấp thụ được chọn là loại tháp đệm để tách riêng hỗn hợp khí SO2- không khí, sử dụng dung môi là H2O với số liệu như sau:

Lưu lượng khí thải vào tháp (m3/h): 10000 (ở 1atm, 30oC )

Nồng độ khí thải vào tháp ( thể tích): 3.5

hạn làm việc của tháp đệm tương đối rộng nhưng khó làm ướt đều đệm.Tuỳ theo vận tốc khí

mà tháp có thể làm việc ở các chế độ khác nhau

 Nguyên tắc làm việc của tháp hấp thụ

Chất lỏng từ bể chứa 1 nhờ bơm 2 bơm thẳng lên tháp 4 Trong tháp chất lỏng được tưới từ trên xuống đều trên bề mặt đệm nhờ thiết bị phân phối chất lỏng 3 Dòng khí cần xử lý được hút vào máy nén 5,tại đây áp suất của dòng khí được nâng lên tới áp suất làm việc Sau

đó dòng khí được đẩy vào tháp dòng khí đi từ dưới lên tiếp xúc với chất lỏng chảy từ trên xuống trên bề mặt đệm Khí sau khi xử lý đi ra khỏi tháp qua cửa 6, chất lỏng sau hấp thụ ra khỏi tháp theo cửa 7 xuống bể chứa hoặc mương dẫn 8

Sơ đồ như hình vẽ 1

PHẦN II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG THÁP HẤP THỤ

I Cân bằng vật liệu của quá trình hấp thụ:

Nồng độ của SO2 trong khí thải là 3,5% thể tích

yđ = 0,035 (Kmol SO2/ Kmol hỗn hợp)

Yđ =

d

d y

y



1 = 1 0,035

035 , 0

 = 0,03627 (Kmol SO2/ Kmol khí trơ) Hiệu suất:  =

d

c d

Y

Y

Suy ra Yc = Yd (1-) = 0,03727(1-0,78)

= 0,007979 (Kmol SO2/ Kmol khí trơ)

Suy ra yc =

c

c

Y

Y



1 = 0,007916 (Kmol SO2/ Kmol hỗn hợp) Điều kiện làm việc: to = 300C, p = 5atm

áp dụng phương trình khí lý tưởng để tính dòng khí thải ở điều kiện làm việc

P1V1=P2V2

trong đó: P1, V1 là áp suất và thể tích khí thải ở điều kiện đầu vào

P2, V2 là áp suất và thể tích khí thải ở điều kiện làm việc

Suy ra V2 =

2

1 1

P

V P

= 5

10000

1

= 2000 (m3/h)

Ta có: PV=Gy RT

trong đó: Gy: số Kmol khí

R: hằng số khí lý tưởng có giá trị R= 8314(KJ/ Kmol 0K)

T: nhiệt độ làm việc

Suy ra Gy =

303 8314

2000 10

013 1

x

x x x RT

PV

*Phương trình cân bằng:

Y=

X m

mX

) 1 (

1  II-140

m= He

M =

760 5

36400

 = 9,5789

Phương trình đường cân bằng: Y =

X

X

5789 , 8 1

5789 , 9



Suy ra Xcb =

Y

Y

5789 , 8 5789 ,

Thay Yđ = 0,03627 tacó Xcbc=

d

d

Y

Y

5789 , 8 5789 ,

=

03627 , 0 5789 , 8 5789 , 9

03627 , 0





= 0,003667 (Kmol SO2/ Kmol dung môi)

Cho X một số giá trị nằm trong khoảng  Xđ ; Xc  ta có bảng giá trị cho đường cân bằng:

0001

0

0002

0

0003

0

0004

0 0005

0

0006 Y

cb

000959

0

001919

0

002881

0

003845

0 00481

0

005777

0007

0

0008

0

0009

0

001

0

002

0 003

0

003056 Y

cb

0

00675

0

007716

0

008688

0

009662

0

01959

0 0295

0

030061

*Tính lượng dung môi tối thiểu: GXmin = Gtrơ

d cbc

c d

X X

Y Y



 II-141

Gtrơ = GY

d

Y

 1

1 II-141

= 402,121

03627 , 0 1

1

GXmin = 388,0466

003667 ,

0

007979 ,

0 03627 ,

= 2993,7896 (Kmol/h)

*Lượng dung môi thích hợp:

= G

thường chọn = 1,2

suy ra GX= 1,2 x 2993,7896 = 3592,5475 (Kmol/h)

= 64665,855 (Kg/h)

Cân bằng vật liệu cho toàn tháp:

Gtrơ(Yđ -Yc) = GX(Xc-Xđ)

Xc = ( d c)

x

tr

Y Y G

G

 = (0,03627 0,007979)

5475 , 3592

0466 , 388

 = 0,003056 (Kmol SO2/ Kmol dung môi)

suy ra xc =

c

c

X

X



1 = 0,003047 (Kmol/ Kmol hỗn hợp) Cân bằng vật liệu cho phần thể tích thiết bị giới hạn bởi một tiết diện bất kỳ của tháp với phần trên của tháp:

Gtrơ (Y-Yc) = Gx(X- Xđ)

Suy ra phương trình đường làm việc:

Y = X Y c

Gtr

Gx 

= 0,007979

0466 , 388

5475 ,

Cho X một vài giá trị trong khoảng Xđ ; Xc ta có bảng giá trị sau:

0001

0

0002

0

0003

0

0004

0

0005

0

0006 Y

lv

0

007979

0

00891

0

00983

0

01076

0

01168

0

01261

0

01353

0007

0

0008

0

0009

0

001

0

002

0

003

0

003056 Y

lv

0

01446

0

01539

0

01631

0

01724

0

0265

0

03575

0

03627

Vtb =

2

c

V 

Vđ = 2000 (m3/h)

Vc = Vtrơ(1+Yc) II-183

Vtrơ =

P

TR

G tr

= 5

10 013 , 1 5

303 8314 0466 , 388







= 1929,999 (m3/ h)

Vc = 1929,999(1+ 0,007979) = 1945,3985 (m3/h)

Vtb =

2

3985 , 1945

2000

= 1972,6993 (m3/h)

2 Tính tb:

Y= 1,2e-4X II-187

2

) (

n x

xtb d

ytb d s

V



















X = ( )1/4 ( )1/8

xtb ytb

y

x G

G





 trong đó:

Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình (kg/s)

xtb, ytb: khối lượng riêng trung bình pha lỏng và pha lỏng (kg/m3) x, y: độ nhớt của pha lỏng theo t0 trung bình và độ nhớt của nước ở 200C (Ns/m2)

g: gia tốc trọng trường

Vđ: Thể tích tự do của đệm (m3/ m3)

đ: tiết diện tự do đệm (m2/m3)

* Tính G X :

2

Xcuoi Xdau

X

G G



GX đầu = 64665,855 (Kg/h)

GXcuối = GX đầu + G hấp thụ

Ghấp thụ = Gtrơ(Yđ - Yc)

= 388,0466(0,03627-0,007979) =10,9782(Kmol

SO2/h)

= 702,6065 (Kg SO2/h)

GX cuối =

2

4615 , 5368 855

,

64665 

= 65017,1583 (Kg/h)

*Tính G y

2

yc yd y

G G



Mhỗn hợp đầu = MSO2 x Yđ + Mkk(1- Yđ)

= 64 x 0,035 + 29(1 - 0,035)

= 30,225 (Kg/Kmol hỗn hợp)

GYđầu = 402,121 x Mhhđầu

= 402,121 x 30,225 = 12154,1072 (kg/h)

GXcuối = GYđầu - GYhấpthụ

= 12154,1072 – 702,605 = 11451,5007 (kg/h)

2

1072 , 12154 5007

,



Y

* Tính Yth :

ytb =

2

c

y 

=

2

007916 ,

0 035 ,

= 0,02146 (Kmol/Kmol hỗn hợp)

khí =

1

273 4 ,





T

P

M khi

SO2 =

303

5 273 4 , 22

= 12,8713(kg/m3)

kk =

303

5 273 4 , 22

= 5,8323 (kg/m3) Yhh = SO2 x ytb + kk (1-ytb)

= 12,8713 x 0,02146 + 5,8323(1- 0,02146) = 5,9834 (kg/m3)

* Tính Xtb

tb

a 1 1













ac =

) 1 (

2 2

2

c O

H c SO

c SO

x M

x M

x M











=

) 003047 ,

0 1 ( 18 003047 ,

0 64

003047 ,

0 64









=0,01075 (kg/kg hỗn hợp)

suy ra atb =

2

01075 , 0

= 0,005375 (Kg/ Kg hỗn hợp) tra bảng ta có: (H2O, 300C) = 995,8 (kg/m3)

C

Khối lượng riêng của SO2

27 nội suy (SO2 lỏng, 300C) = 1355 (kg/m3)

68 , 995

005375 ,

0 1 1355

005375 ,

0

xtb

 suy ra Xtb = 997,1012 (kg/m3)

*Tính X:

lgX = x tb SO x tb H O

2

2 (1 )lg

tra (SO2, 300C) = 0,279.10-3 (Ns/m2)

(H2O, 200C) = 1,005.10-3 (Ns/m2)

(H2O, 300C) = 0,8007.10-3 (Ns/m2)

xtb =

2

c

x 

= 2

003047 ,

0

= 0,001524 (Kmol/ Kmol hỗn hợp) thay số vào ta có:

lgX = 0,001524lg0,279.10-3 + (1-0,001524)lg0,8007.10-3 suy ra X = 0,7994.10-3 (Ns/m2)

* Tính y:

kk

kk tb

SO

SO tb

hh

M







) 1 (

2

2 





(không khí, 300C

) = 183.10-7(Ns/m2) (SO2, 00C) = 116.10-7(Ns/m2; C= 306

áp dụng công thức:

2 / 3

273C T



trong đó: 0: độ nhớt động lực của không khí ở O0C

C: hằng số

suy ra (SO2, 300C) = 116.10-7 )3/2

273

303 ( 306 303

360 273





= 129.10-7 (Ns/m2)

ytb = 0,02146 (Kmol/ Kmol hỗn hợp)

Mhh = ytb.MSO2 + (1- ytb)Mkk = 0,02146 x64 + (1+0,2146)29 = 29,7511 (Kg/ Kmol hỗn hợp)

10 183

29 ) 02146 , 0 1 ( 10

129

64 02146 , 0 1













hh

M

suy ra Mhh = 179,531.10-7 (Ns/m2)

X=

125 , 0 25

, 0

1012 , 997

9834 , 5 804

, 11802

1583 , 65017



























= 0,8082 suy ra Y = 0,04734

16 , 0

3

1

























n

x ytb

d

xtb d

s

V g Y













chọn một số đệm ta có bảng mô tả sau (chọn lv = 0,9 s)

Loại

đệm

d

đ



sặc



lv

quy chuẩn



tính lại

5x5x

1,0

1

000

0 ,62

0 ,138

0 ,12

2 ,41

2 ,4

0 ,12 8x8x

1,5

5

50

0 ,65

0 ,2

0 ,18

1 ,969

,17 15x1

5x2

3

10

0 ,71

0 ,3

0 ,27

1 ,607

1 ,6

0 ,27 25x2

5x3,0

1

95

0 ,75

0 ,42

0 ,38

1 ,355

1 ,3

0 ,41 35x3

5x4,0

1

35

0 ,78

0 ,53

0 ,49

1 ,193

1 ,2

0 ,48

Sử dụng công thức: H = my hy II-177

trong đó: my: số dơn vị chuyển khối pha khí

hy: chiều cao một dơn vị chuyển khối pha khí

hy = h1 + h2

G

G m

x

y

[II- 177]

trong đó: h1: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha hơi

h2: chiều cao của một đơn vị chuyển khối đối với pha lỏng

h1 = Rey0.25 Pry 3

d

d a

V





3 / 2

Pr Re

x















(m)

Rex =

x d t

x F

G



 

 4

Rey =

d y

s y











 4

Prx =

x x

x

D







Pry =

y y

y D







trong đó: x,y: độ nhớt của pha lỏng và pha khí (Ns/m2)

Px, Py: hệ số khuyếch tán pha lỏng, khí (m2/s)

: hệ số thấm ướt của đệm

a: hệ số phụ thuộc hình dạng của đệm

đệm vòng: a=0,123

Nếu Utt > 5 m3/m2h thì hệ số thấm uớt của đệm:  = 1 [III- 90]

*Tính hệ số khuyếch tán pha khí:

DY =

kk SO

kk

v P

) (

10 0043 , 0

2 2

2 3 / 1 3

/ 1

5 , 1 4









(m2/s) [II- 127]

trong đó: T: nhiệt độ tuyệt đối ở diều kiện làm việc (0K)

vSO2, vkk: thể tích mol của khí SO2 và không khí (cm3/mol)

P: áp suất làm việc (at)

tra bảng ta có: vSO2 = 44,8 (cm3/mol)