tính toán vật liệu đệm-kỹ thuật xử lý khí thải nâng cao

KỸ THUẬT XỬ LÝ KHÍ THẢI NÂNG CAOBÀI TẬP VỀ NHÀ Tính toán đường kính và chiều cao lớp vật liệu đệm cho 1 tháp hấp thụ xử lý khí Methyl mercaptan, đặt ở Quận 8, Tp... Tính đường kính tháp

KỸ THUẬT XỬ LÝ KHÍ THẢI NÂNG CAO

BÀI TẬP VỀ NHÀ

Tính toán đường kính và chiều cao lớp vật liệu đệm cho 1 tháp hấp thụ xử lý khí Methyl mercaptan, đặt ở Quận 8, Tp HCM

I. Các số liệu ban đầu:

BTNMT)

Hằng số henry của CH3SH tại 250 C (ψ

II. Yêu cầu đề bài

1. Tính đường kính tháp đệm.

D = = = 0,0188 x (1)

2. Chiều cao tháp đệm.

H = N oy x H đv ; H đv = h y + x h x (2)

III. Tính toán các điều kiện ban đầu

• Nồng độ khí thải vào tháp :

Ta có công thức tính Hiệu suất quá trình hấp thụ

H X 100

90 = x 100

 C0 = 150 (mg/m3 )

- C1 là nồng độ khí thải Metyl mercaptan còn lại đi ra khỏi tháp hấp thụ

• Các Thông số đầu vào :

Gđ = = = 368,309 (kmol/h)

Giđ = = = 28.125 (mol/h) = 28,125 (kmol/h)

Gtr = Gđ - Giđ = 368,309 - 28,125 = 340,184 (kmol/h)

yiđ = = = 0,0763 (mol CH3SH / mol hh khí)

Yđ = = = = 0,0826

= = 0,71446 (kg/m3)

 0 = 1,399

hhkđ = 0 x x = 1,399 x 1 x = 1,282 (kg/m3)

• Các thông số đầu ra :

Gihp = Giđ X 90% = 28,125 x 90% = 25,3125 (kmol/h)

Gic= Giđ - Gihp = 28,125 – 25,3125 = 2,8125 (kmol/h)

Gc = Gtrơ + Gic = 340,184 + 2,8125 = 342,996 (kmol/h)

yic = = = 8,199 x 10-3 (mol CH3SH / mol hh khí)

Yc = = = 8,267 x 10-3

 Khối lượng riêng của hốn hợp khí đầu ra ở 00C và 1 atm:

= = 0,7670 (kg/m3)

 0 = 1,303

hhkc = 0 x x = 1,303x 1 x = 1,194 (kg/m3)

• Các thông số cần xét

Ytb = = = 0,0454

Nồng độ phần mol trung bình:

y tb = = = 0,047 (kmol CH3HS / kmol hỗn hợp khí)

Lượng khí trơ: Gtrơ =340,184 (kmol/h)

1 (1 )

mX Y

m X

=

+ −

( 1)

Y X

=

m=ψ

hằng số cân bằng pha

ψ

: Hệ số Henry (mmHg)

P : Áp suất chung của hỗn hợp khí P=1atm = 760 mmHg , T=25°C

ψ

= 13,56 (mmHg)

⇒ m = 0,0178

⇒ Phương trình cân bằng :

X = = = 0,734 ( kmol CH3HS /kmol H2O)

• Phương trình đường làm việc

Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kỳ tới phần trên của thiết bị

Gtr(Y – Yc) = Gx(X – Xd)

Trong đó :

(kmol CH3HS/kmol H2O)

Yc: nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí

(kmol/kmol khí trơ)

Gx: lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h)

Gtr:: lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h)

Từ phương trình cân bằng vật liệu ta có:

- Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi:

Xc = 0,734 ( kmol CH3HS /kmol H2O)

- Lượng dung môi tiêu tốn thực tế:

- Lưu lượng dung môi đi vào thiết bị Gx:

Gx = l.Gtrơ = 0,1 * 340,184 = 34 (kmol/h)

- Phương trình đường làm việc cho một đoạn tháp bất kỳ:

Gtrơ(Y - Yc) = Gx(X - Xd)

=>

c c

tro

G

G

⇒ Phương trình đường làm việc: Y = 0,1.X + 8,267 x 10-3

IV. Tính các thông số của tháp

1 Tính đường kính tháp đệm.

a Tính khối lượng riêng trung bình

Áp dụng công thức: +

xtb

ρ

: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3

: khối lượng riêng của CH3HS và H2O ở 25°C, kg/m3

H O

ρ

= 1000 (kg/m3) (25°C)= 960 (kg/m3) ,

⇒ xtb = 0,367( kmol CH3HS /kmol H2O)

⇒ = 0,607

Vậy Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng

xtb

ρ

= 975,33 (kg/m3)

Áp dụng công thức:

.

i

m

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp:

3 0

0

.

( / )

22, 4

ytb

kg m

ρ

Với:

ytb

ρ

: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp

T0: Nhiệt độ ở đktc T0=273°K

T: Nhiệt độ làm việc của tháp T= 273+25=298 °K

P0: Áp suất ở đktc P0=1 atm

P: Áp suất làm việc của tháp P= 1atm

Tính My

My = ytb + (1 - ytb) KK

M

= 0,047*48 +(1- 0,047).29 = 30 (kg/kmol)

⇒

ytb

ρ

= 1,22 (kg/m3)

µ

* Đối với pha lỏng

Áp dụng công thức:

lgµx

= xtb * lg + (1 – xtb)lg

Trong đó:

- xtb: phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp lỏng,

xtb = 0,367(kmol CH3HS/kmol H2O)

- ; : độ nhớt của CH3HS và H2O ở 250C, Ns/m2

Tra bảng I.102 ( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1, Tr )

Ta có:

O

H2

µ

(250C) = 0,8.10-3 (Ns/m2)

Tra bảng I.101, ta có:

(250C) = 0,279.10-3 (Ns/m2)

=> lgµx

= 0,367.lg (0,279.10-3 )+ (1 – 0,367).lg(0,8.10-3)

=> lgµx

= -3,0976

=> µx

= 7,988.10-4 (Ns/m2)

* Đối với pha khí:

Áp dụng công thức:

= +

Trong đó:

-y

µ

, , µKK

làm việc t = 250C, Ns/m2

Tra đồ thị I-35( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất), ta có:

(250C) = 128.10-7 Ns/m2

KK

µ

(250C) = 181.10-7 Ns/m2

=>

y

µ

= 1,78 x 10-5 (NS / m2)

b Đường kính tháp.

Áp dụng công thức:

4 3600 0,785

D

(m)

- Vytb: lượng khí trung bình đi trong tháp, m3/h

-ytb

ω

: tốc độ khí trung bình đi trong tháp, m/s

* Tính lưu lượng thể tích khí và lỏng trung bình đi trong tháp:

ytb

ytb ytb tb

M G V

ρ

.

=

(m3/h) Trong đó:

- Gytb : lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h

ytb

ρ

: khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp, kg/m3

=>

) 1 (

yc yd ytb G G G Y

Ytb = 0,047 (kmol CH3HS/kmol khí )

- Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp Gytb:

=> Gytb = 340,184 * (1 + 0,047) = 356.172 (kmol/h)

V ytb ==8758(m3/h)

Lượng hơi trung bình trong tháp(kmol/h):

Gy = Gytb Mytb= 356.172* 30 =10685,16 (kg/h)

- Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp:

2

xc xd xtb

G G

(kg/h)

Gxd = 34 (kmol/h)

Gxc = Gxd + GCH3HS bị hấp thụ = 34 + 25,3125 = 59,3125

Gxtb = 46,65 (kmol/h)

Mxtb=xtb.MCH3HS +(1- xtb).MH2O=0,367*48+(1-0,367)*18=29,01

Lượng lỏng trung bình (kg/h)

Gx= Gxtb Mxtb =46,65 ×

29,01= 1353,3165 (kg/h)

Vxtb= = = 1,387 ( m3/h)

*Tính vận tốc của khí đi trong tháp

ytb

ω

, m/s.

Áp dụng công thức:

Y =1,2.e-4X

Với

0,16 2

3

.

Y

g V

 

 

ytb x

y xtb

G X

G

ρ ρ

=    ÷  ÷   ÷ 

s

ω

: tốc độ đảo pha, m/s

Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3

d

σ

: bề mặt riêng của đệm, m2/m3

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

Gy =10685,16 (kg/h) = 2,9681 (kg/s)

Gx= 1353,3165 (kg/h) = 0,3(kg/s)

g: gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2

n

x µ

µ ,

Ns/m2

= 1,005.10-3 (Ns/m2)

= 7,988.10-4(Ns/m2)

ytb

xtb ρ

x ρ

ρ =

= (kg/m3)

ytb

y ρ

= 1,22 (kg/m3)

X = ()1/4()1/8 = 0.2445

Từ phương trình của Y ta có:

= = 0.835 m/s

Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, xong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng nữa sẽ rất khó bảo đảm quá trình ổn định Vì vậy

Tốc độ thích hợp tính theo phương pháp này thường bằng khoảng:

= (0,8 ÷

0,9)

Ta chọn: = 0,85 = 0,85 * 0,835= 0,71 (m/s)

Thay các giá trị ta có đường kính tháp

=> Đường kính của tháp:

D = = = 2,088 (m)

2 Tính chiều cao tháp đệm

Áp dụng công thức xác định chiều cao của lớp đệm:

H = my.h0

Trong đó:

h0 : chiều cao của một đơn vị chuyển khối

* Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối

Ta áp dụng công thức:

h0 = h1 + m h2

Trong đó:

h1, h2 : chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng (m)

Gx, Gy: lưu lượng trung bình của pha lỏng, pha khí (kg/h)

m: hệ số góc của đường cong cân bằng

* Tính h 1

Áp dụng công thức:

0,25 2/3

.

d

d

V

a ψ δ

=

Trong đó:

Vđ: Thể tích tự do của đệm Vđ= 0,79 (m3/m3)

a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm Đệm vòng a= 0,123

Rey : chuẩn số Reynold cho pha hơi

Pry : chuẩn số Prandt cho pha hơi

Ψ: Hệ số thấm ướt của đệm

Ta có:

4 Re

y

ω ρ

δ µ

=

Trong đó:

y

ω

: vận tốc khí đi trong tháp (m/s)

0, 7( / )

ω =ω =

y

ρ

: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (kg/m3)

y

ρ

=

ytb

ρ

= 1,22 (kg/m3)

d

δ

: bề mặt riêng của đệm, δd

= 95 (m2/m3)

y

µ

:độ nhớt trung bình của pha khí, (Ns/m2)

Rey = = = 202

Pry =

Trong đó:

y

µ

: độ nhớt hỗn hợp khí, (Ns/m2)

y

ρ

: khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m3)

Dy : hệ số khuếch tán của pha khí, m2/s

Dy = DCH3HS – kk = *

P = 1 atm

:MCH3HS ; Mkk: khối lượng mol của SO2, không khí (kg/kmol) :uCH3HS ; ukk: thể tích mol của CH3HS, không khí (cm3/mol)

Tra bảng VIII.2 – II

=> uCH3HS = 44,8 (cm2 / mol)

ukk = 29,9(cm3/mol)

Dy = DCH3HS – kk = * = 1,17 x 10-5 (m2 /s)

=> Pry = = 1,247

Tính ψ.

Ψ: phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp

⇒ ψ = 1

Vậy h1 = * 2020,25 * 1,2472/3 = 0.295 m

1/3 2

0,25 0,5

x

ρ

Trong đó:

x

µ

x

ρ

Ta có:

Rex = = = 0.2

Với:

δd

: bề mặt riêng của đệm (m2/m3), δd

= 95(m2/m3)

Gx: lưu lượng trung bình của pha lỏng, Gx= 0,3 (kg/s)

Ft: Diện tích mặt cắt tháp Ft = 0,785,m2

x

µ

: độ nhớt trung bình của pha lỏng = 7,996.10-4 Ns/m2

Pr

.

x x

x xtb

D

µ ρ

=

Trong đó:

xtb

ρ

: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3

Dx25 =

Trong đó:

Dx25: hệ số khuếch tán của dung dịch lỏng ở 250C (m2/s)

: khối lượng mol của CH3HS, H2O (kg/kmol)

= 48 (kg/kmol)

O

H

= 18 (kg/kmol)

A, B: hệ số liên hợp

Với các chất khí tan trong nước A = 1

Với dung môi là nước B = 4,7

O

H2

µ

: độ nhớt của nước ở 250C,

O

H2

µ

= 1cp = 10-3 Ns/s

: thể tích mol của SO2, H2O (cm3/mol)

= 44,8 (cm

3/mol)

O

H

u

2

= 18,9 (cm3/mol)

Dx25 = = 1,52 x10-9 (m2/s)

Trong đó:

3

2

2

,

0

ρ

µH O

b =

O

H2

µ

: độ nhớt của nước ở 250C, H2O

µ

= 1cp = 10-3 Ns/s

ρ

: khối lượng riêng của nước ở 250C

Tra bảng I.5 => ρ

= 998,23 (kg/m3)

=>

02 ,

0 23 , 998

1 2 , 0

=

b

Pr

.

x

x

x xtb

D

µ

ρ

=

= = 134

1/3 2

0,25 0,5

x

ρ

= 256 * * 0,20,25 * 1340,5 = 0,1734 (m)

= 9,83

Vậy Chiều cao của một đơn vị chuyển khối

h0 = h1 + m h2 = 0.295 + 9,83 * * 0,1734 = 17,15 (m)

Số đơn vị truyền khối :

my = = = 1,63

chiều cao của lớp đệm H = my * ho = 1,63 * 17,15 = 28,07 (m) = 28 m chiều cao tháp hấp thụ

Chiều cao phần tách lỏng Hc và đáy Hđ được chon theo bảng sau

(Trích tài liệu kỹ thuật xử lý khí thải – Dư Mỹ Lệ - Quá Trình Hấp Thụ) Chiều cao lớp hấp thụ

Ht = H + Hc + Hđ = 28 +1 + 2,5 = 31,5 (m)