BÁO CÁO đồ án QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ THIẾT KẾ THÁP đệm HẤP THỤ SO2 BẰNG NƯỚC NĂNG SUẤT 1010 m3 h

Đối với môi trường SO2 bị oxi hóa ngoài không khí và phản ứng vơi nước mưa tạo thành acidsulfuric hay các muối sulfate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến môi trường.Mưa axit rơi

 q BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA CÔNG NGHỆ

 BÁO CÁO ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ

Ngành: CN Kỹ thuật hóa học K44

Tháng 12/2021

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập tại trường, được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của các thầy

cô trong bộ môn Công nghệ kỹ thuật hóa học, em đã hoàn thành Đồ án Quá trình vàthiết bị

Qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu với sự nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sựgiúp đỡ tận tình của thầy PGS TS Đoàn Văn Hồng Thiện, em đã hoàn thành đồ ánđúng thời hạn Do lần đầu làm đồ án, và trình độ bản thân còn hạn chế nên không tránhkhỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô vàcác bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS TS Đoàn Văn Hồng Thiện vàcác thầy cô trong bộ môn đã giúp đỡ em trong thời gian qua

Cần Thơ, ngày 12 tháng 12 năm 2021

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2 5

1.1.1 Tính chất hóa lý 5

1.1.2 Tác hại của khí SO2 5

1.1.3 Các nguồn tạo ra SO2 6

1.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP XỦ LÝ SO2 7

1.2.1 Sơ lược về phương pháp hấp thụ 7

1.2.2 Các phương pháp xử lý SO2 8

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 11

2.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 11

2.2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 11

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 13

3.1 Các thông số ban đầu 13

3.2 Cân bằng vật chất 13

3.3 Các thông số của dòng khí 14

3.4 Các thông số dòng lỏng 16

3.5 Tính đường kính thiết bị 18

3.6 Tính chiều cao cột đệm theo một đơn vị truyền khối 19

3.7 Tính chiều cao thân tháp 23

3.8 Tính cân bằng năng lượng 23

CHƯƠNG 4: TÍNH CƠ KHÍ 26

4.1 Tính trở lực 26

4.2 Tồn thất áp suất của đệm ướt 27

4.3 Chiều dày thân tháp 28

4.4 Tính chiều dày đáy, nắp 29

4.5 Tính ống dẫn lỏng và ống dẫn khí 29

4.5.1 Ống dẫn khí 29

4.5.2 Ống dẫn lỏng: 29

4.6 Tính các ghép bích nối 30

4.7 Tính lưới đỡ đệm và đĩa phân phối lỏng 32

4.8 Tính chân đỡ và tay treo 34

4.8.1 Khối lượng đáy, nắp tháp 34

4.8.2 Khối lượng thân tháp 34

4.8.3 Tổng khối lượng tháp hấp thu 34

4.8.4 Tải trọng tháp 35

CHƯƠNG 5: TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 36

5.1 Tính bồn cao vị 36

5.2 Tính công suất quạt 38

5.3 Tính công suất bơm 40

CHƯƠNG 6: TÍNH KINH TẾ CHO QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 43

6.1 Tính cho thiết bị chính 43

6.2 Tính cho thiết bị phụ 43

6.3 Tổng số tiền đầu tư 43

SO2.nH2O và phẩn nhỏ H2SO3.

SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở - 75oC và nhiệt độ sôi ở 10oC

Nguyên tử S trong phân tử SO2 có cặp electron hóa trị tự do linh động và ở trạngthái oxi hóa trung gian (+4) nên SO2 có thể tham gia phản ứng theo nhiều kiểu khácnhau

Trong môi trường không khí, SO2 dễ bị oxi hóa và biến thành SO3 trong khíquyển SO3 tác dụng với H2O trong môi trường ẩm và biến thành acid hoặc muốisunfat Chúng sẽ nhanh chóng tách khỏi khí quyển và rơi xuống gây ô nhiễm cho môitrường đất và môi trường nước

1.1.2 Tác hại của khí SO2

a Đối với sức khỏe con người

SO2 là chất có tính kích thích, ở nồng độ nhất định có thể gây co giật ở cơ trơncủa khí quản Ở nồng độ lớn hơn sẽ gây tăng tiết dịch niêm mạc đường khí quản Khitiếp xúc với mắt, chúng có thể tạo thành axit

SO2 xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua đường hô hấp và qua tiếp xúc dagây ra một số biến đổi trong cơ thể làm rối loạn chức năng của một số cơ quan

Bảng: Liều lượng gây độc [1]

130 – 260 Liều nguy hiểm sau khi hít thở (30 – 60 phút)

1000 – 1300 Liều gây chết nhanh (30 – 60 phút)

SO2 xâm nhập vào cơ thể qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học làm hàmlượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát ra đường tiểu và có ảnh hưởng đếntuyến nước bọt SO2 tham gia nhiều phản ứng hóa học, gây rối loạn chuyển hóa đường

và protein, gây thiếu vitamin B và C, ức chế enzym oxydaza, tạo ra methemoglobine

để chuyển Fe2+ (hòa tan) thành Fe3+ (kết tủa) gây tắc nghẽn mạch máu

b Đối với thực vật

Các loài thực vật nhạy cảm với khí SO2 là rêu và địa y

Bảng: Nồng độ gây độc

Nồng độ (ppm) Tác hại

0,03 Ảnh hưởng đến sinh trưởng của rau quả

0,15 – 0,3 Gây độc kinh niên

1 - 2 Chấn thương lá cây sau vài giờ tiếp xúc

c Đối với môi trường

SO2 bị oxi hóa ngoài không khí và phản ứng vơi nước mưa tạo thành acidsulfuric hay các muối sulfate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến môi trường.Mưa axit rơi trên mặt đát sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡng trên mặt đất và mangcác kim loại độc hại xuống ao hồ, gây ô nhiễm nguồn nước trong hồ, phá hỏng các loạithức ăn, uy hiếp sự sinh tồn của các loài sinh vật sống trong nước

Các ảnh hưởng của pH đến hệ thủy sinh vật [2]:

pH < 6,0: Các sinh vật của chuỗi thức ăn bị chết (phù du,…), đây là nguồn thức

ăn quan trọng của cá

pH < 5,5: Cá không thể sinh sản được Cá con khó sống sót Cá lớn bị dị dạng

pH < 5: Quần thể cá bị chết

pH < 4: Xuất hiện sinh vật mới khác với sinh vật ban đầu

Mưa axit làm tổn thương lá cây, gây trở ngại quá trình quang hợp, làm cho lá cây

bị vàng và rơi rụng, làm giảm độ màu mỡ của đất và cản trở sự sinh trưởng của câycối

Gây ăn mòn và phá hủy các công trình kiến trúc

1.1.3 Các nguồn tạo ra SO2

Khí SO2 tạo ra là do sự đốt cháy của các hợp chất chứa lưu huỳnh hay nguyên tửlưu huỳnh

Hiện này các nguồn tạo ra khí SO2 bao gồm:

+ Các nhà máy nhiệt điện

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

+ SO2 sinh ra từ các ngành sản xuất công nghiệp: nhà máy lọc dầu, nhà máyluyện kim, lò đúc, nhà máy sản xuất H2SO4

1.2 Cơ sở lý thuyết của các phương pháp xử lý SO2

1.2.1 Sơ lược về phương pháp hấp thụ

Hấp thụ là phương pháp làm sạch khí thải độc hại (chất bị hấp thụ) vào trong môitrường lỏng (dung môi hấp thụ) Khi tiếp xúc với khí thải, chất độc hại sẽ tác dụng vớicác chất trong môi trường lỏng và được giữ lại theo 2 cách: hấp thụ vật lý và hấp thụhóa học

Hấp thụ vật lý: là sự hòa tan các chất bị hấp thụ vào trong môi trường hấp thụ,

chấ khí hòa tan không tạo ra hợp chất hóa học với dung môi, nó chỉ thay đổi trạng tháivật lý từ thể khí biến thành dung dịch lỏng (quá trình hòa tan đơn thuần)

Hấp thụ hóa học: trong quá trình này chất bị hấp thụ sẽ tham gia vào một số

phản ứng hóa học với dung môi hấp thụ Chất khí độc hại sẽ bị biến đổi về bản chấthóa học và trở thành chất khác

Quá trình hấp thụ mạnh hay yếu là tùy thuộc vào bản chất hóa học của dung môi

và các chất ô nhiễm trong khí thải Để hấp thụ được một số chất nào đó ta phải dựavào độ hòa tan chọn lọc của chất khí trong dung môi để chọn lọc dung môi cho thíchhợp hoặc chọn dung dịch thích hợp (trong trường hợp hấp thụ hóa học) Quá trình hấpthụ tốt hay xấu phần lớn là do tính chất dung môi quyết định

Ưu điểm:

Rẻ tiền, nhất là khi sử dụng H2O làm dung môi hấp thụ các khí độc hại như SO2,

H2S, NH3, HF,… có thể được xử lý rất tốt với phương pháp này với dung môi nước vàcác dung môi thích hợp

Có thể sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi, khi trong khí thải có chứa

cả bụi lẫn các khí độc hại mà các chất khí có khả năng hòa tan tốt trong nước rửa

Nhược điểm:

Hiệu suất làm sạch không cao, hệ số làm sạch giảm khi nhiệt độ dòng khí cao nênkhông thể dùng xử lý các dòng khí thải có nhiệt độ cao, quá trình hấp thụ là quá trìnhtỏa nhiệt nên khi thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống thiết bị hấp thụ xử lý khí thảinhiều trường hợp ta phải lắp đặt thêm thiết bị trao đổi nhiệt trong tháp hấp thụ để làmnguội thiết bị tăng hiệu quả của quá trình xử lý Thiết bị sẽ trở nên cồng kềnh, phứctạp

Việc lựa chọn dung môi thích hợp sẽ rất khó khăn, khi chất xử lý không có khảnăng hòa tan trong nước Kèm theo đó là một số yếu tố: Dung môi có độc hại chongười sử dụng và môi trường hay không? Việc lựa chọn dung môi thích hợp là bàitoán hóc búa mang tính kinh tế và kỹ thuật, giá thành dung môi quyết định lớn đến giáthành xử lý và hiệu quả xử lý

Phải tái sinh dung môi (dòng chất thải thứ cấp) khi sử dụng dung môi đắt tiền.Chất thải gây ô nhiễm nguồn nước hệ thống càng trở nên cồng kềnh, phức tạp.

Khi làm việc, hiện tượng “sặc” rất dễ xảy ra khi ta khống chế, điều chỉnh mật độtưới của pha lỏng không tốt, đặc biệt khi dòng khí thải có hàm lượng bụi lớn

1.2.2 Các phương pháp xử lý SO2

a Hấp thụ khí SO 2 bằng nước

Là phương pháp đơn giản được ứng dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO2 trong khíthải, nhất là trong khói từ các lò công nghiệp

Ưu điểm: rẻ tiền, dễ tìm, hoàn nguyên được.

Nhược điểm: Do độ hòa tan của khí SO2 trong nước quá thấp nên thường phảidùng một lượng nước rất lớn và thiết bị hấp thụ phải có thể tích rất lớn, cồng kềnh Đểtách SO2 khỏi dung dịch phải nung nóng đến 1000C nên tốn rất nhiều năng lượng, chiphí nhiệt lớn

b Hấp thụ khí SO 2 bằng sữa vôi

Đây là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử

lý cao, nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có ở mọi nơi

Nhược điểm: đóng cặn ở thiết bị do tạo thành CaSO4 và CaSO3, gây tắc nghẽncác đường ống và ăn mòn thiết bị

Ưu điểm: hiệu quả rất cao, chất hấp thụ dễ kiếm và thu được muối amoni sulfit

và amoni bisulfit là các sản phẩm cần thiết

Nhược điểm: rất tốn kém, chi phí đầu tư và vận hành rất cao.

d Xử lý SO 2 bằng magie oxit

Các phản ứng xảy ra như sau:

MgO + SO2  MgSO3

MgSO3 + SO2 + H2O  Mg(HSO3)2

Mg(HSO3)2 + MgO  2MgSO3 + H2O

Ưu điểm: có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm lạnh sơ bộ, thu được axit

sulfuric như là sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả xử lý cao, MgO dễ kiếm và rẻ

Nhược điểm: quy trình công nghệ phức tạp, vận hành khó, chi phí cao, tổn hao

Ưu điểm: có thể làm sạch khí ở nhiệt độ khá cao (200 – 2500C)

Nhược điểm: có thể hình thành ZnSO4 làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi về kinh

tế nên phải thường xuyên tách chúng ra (cho bốc hơi) và bổ sung lượng ZnO tươngđương

f Xử lý SO 2 bằng kẽm oxit kết hợp với natri sulfit

Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau:

Na2CO3 + SO2  Na2SO3 + CO2

Na2SO3 + SO2 + H2O  2NaHSO3

2NaHSO3 + ZnO  ZnSO3 + Na2SO3 + H2O

Ưu điểm: không đòi hỏi làm nguội sơ bộ khói thải, hiệu quả xử lý cao.

Nhược điểm: hệ thống xử lý khá phức tạp và tiêu hao nhiều muối natri.

Với khí thải có trên 35% (thể tích) khí SO2 thì dùng đimetylanilin làm chất hấpthụ sẽ có hiệu quả hơn dùng xyđilin.

h Hấp thụ khí SO 2 bằng than hoạt tính

Phương pháp này có thể áp dụng rất tốt để xử lý khói thải từ các nhà máy nhiệtđiện, nhà máy luyện kim và sản xuất axit sulfuric với hiệu quả kinh tế đáng kể

Ưu điểm: sơ đồ hệ thống đơn giản và vạn năng, có thể áp dụng được cho mọi

quá trình công nghệ có thải khí SO2 một cách liên tục hay gián đoạn, cho phép làmviệc với khí thải có nhiệt độ cao (trên 100oC)

Nhược điểm: tùy thuộc vào quá trình hoàn nguyên có thể là tiêu hao nhiều vật

liệu hấp thụ hoặc sản phẩm thu hồi được có lẫn nhiều axit sulfuric và tận dụng khókhăn, phải xử lý tiếp mới sử dụng được

i Hấp thụ khí SO 2 bằng vôi, đá vôi, đolomit

Ưu điểm: hiệu suất hấp phụ cao.

Nhược điểm: chi phí đầu tư lớn cho vật liệu chế tạo đắt (làm việc trong môi

trường ăn mòn mạnh và nhiệt độ cao

Trong đồ án đã giới thiệu được phương pháp hấp thụ là phương pháp tối ưu đểloại bỏ khí độc, ngoài ra còn có nhiều ưu điểm như: giá thành chế tạo không cao, dễchế tạo, dễ vận hành, có nhiều lựa chọn cho dung môi hấp thụ, tuy nhiên mỗi phươngpháp lại có ưu và nhược điểm khác nhau Tùy vào điều kiện, ta phải lựa chọn thiết bị

và phương pháp phù hợp để đạt được hiệu xuất cao nhất

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Quy trình công nghệ tháp đệm hấp thụ khí SO2 được tính toán cụ thể dựa trên lýthuyết để đảm bảo hoạt động theo yêu cầu

Tháp đệm ngày nay rất phổ biến trong công nghệ hóa chất

Dung môi hấp thu là nước yêu cầu có đặc điểm rẻ, dễ tìm, không ăn mòn thiết bị.Thiết bị hấp thụ dạng tháp đệm nên dung môi là nước sạch để không tạo ra cặn lắnglàm cản trở dòng khí và lỏng

Tóm tắt quy trình hấp thụ như sau:

Dung môi hấp thụ là nước, nước sạch được chứa trong bể được bơm lên bồn cao

vị nhờ máy bơm, nước theo ống dẫn lỏng đi qua lưu lượng kế điều chỉnh lưu lượngphù hợp rồi đi vào tháp hấp thụ Nước sau khi đi vào tháp được phân phối đều khắp bềmặt đệm nhờ đĩa phân phối lỏng

Dòng khí thải từ các nhà máy được xử lý sơ bộ: dòng khí được lọc bụi bằngcyclon, sau đó đi qua thiết bị giải nhiệt bằng ống chùm, sau đó được thổi nhờ quạt thổikhí qua lưu lượng kế điều chỉnh lưu lượng thích hợp rồi mới vào thấp hấp thụ.

Dòng khí đi từ đáy lên đỉnh tháp, dòng lỏng đi từ đỉnh xuống đáy tháp hai dònglưu chất tiếp xúc tại bề mặt vật liệu đệm và xảy ra quá trình truyền khối, khí SO2 bịdung môi hấp thụ Khí sau khi hấp thụ đạt tiêu chuẩn loại A theo ống khí trên nắp thải

ra môi trường Dung dịch nước sau hấp thu chảy vào bể chứa được sử dụng tổng hợpcác hợp chất cần thiết

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH

3.1 Các thông số ban đầu

Lưu lượng khí thải: 1010 m3/h

Nồng độ SO2 cần xử lý: 10%

Áp suất làm việc:1 at

Chọn nhiệt độ của nước hấp thu là: 30oC

Lượng nước sử dụng lớn hơn 20% lượng tối thiểu

Hiệu suất của quá trình hấp thụ là 98%

3.2 Cân bằng vật chất

Phương trình cân bằng của hệ SO2 – H2O được biểu diễn theo định luật Henry:

P = H.x và ycb = H/Pt = m.x (1)

Trong đó:

ycb: phần mol của SO2 trong dòng khí ở điều kiện cân bằng

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

P: áp suất riêng phần của cấu tử khí SO2 hòa tan khi cân bằng

(IX.4 trang 140 sổ tay QTVTB tập 2)

Vậy phương trình cân bằng là:

Ycb: Nồng độ SO2 trên cơ bản không khí ở điều kiện cân bằng, kmol SO2/ kmolkhí trơ.

00

f(x) = 57.24 x + 0R² = 1

f(x) = 48.7 x − 0R² = 1

Đường cân bằng

3.3 Các thông số của dòng khí

Nồng độ theo thể tích ban đầu: yd = 10% = 0,1

Nồng độ đầu theo tỉ lệ mol:

Y d= y d

0,1

Suất lượng dòng khí vào tháp:

G y=P V

R T=

1.101022,4

Yc = Yd.(1-) = 0,11.(1-0,1) = 0,0022 (kmol SO2/kmol khí trơ)

 Vyc = Vyd.(1-Yd)(1+Yc) = 1010.(1-0,11)(1+0,0022) = 900,878 (m3/h)Suy ra:

X*: nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng Yd

Từ đồ thị đường cân bằng ta có: X* = 0,00226 (kmol SO2/kmol H2O)

Gtr.Yd + Ltr.Xd = Gtr.Yc + Ltr.Xc

kmol H2O)

Đường làm việc của tháp hấp thụ có dạng:

Y = AX + B (IX.8 trang 141 sổ tay QTVTB tập 2)Trong đó:

A= L tr

B=Y c−L tr

Vậy phương trình làm việc là: Y = 57,239X + 0,0022

Lưu lượng khối lượng dòng lỏng trung bình trong tháp hấp thụ:

h1: chiều cao một đơn vị truyền khối đối với pha hơi

h2: chiều cao của một đơn vị truyền khối đối với pha lỏngm: hệ số goc của đường cân bằng m = 48,701

B: hằng số khi hấp thu SO2 bằng nước (Bảng IX.6, trang 177, sổ tay QTVTB tập2)

v SO2, v kk: thể tích mol của SO2 và không khí

(Bảng 2.2, trang 26, Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩmTruyền khối tập 3)

(IX.77 trang 177 sổ tay QTVTB hóa chất tập 2)

M: khối lượng mol của dung môi, M = M H2O = 18 (kg/kmol)

: hệ số kết hợp cho dung môi (Dung môi nước =2,6)

m y=∫

Y c

Y d

dY

Y −Y cb(IX 70 , trang 175 Sổ tay QTVTB hóa ch t ấ t p ậ 2)

Dựa vào phương trình đường cân bằng và đường làm việc ta có:

Ta xác định số đơn vị chuyển khối theo phương pháp phân tích đồ thị Việc tính

tích phân đó dựa vào việc vận dụng đồ thị Y −Y1

cb trong hệ tọa độ Y −Y1

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.120

3.7 Tính chiều cao thân tháp

Chiều cao của lớp đệm là: Hd = 11,7 m

Chiều cao của đáy và nắp: H1 = (1,19.0,25 + 0,025).2 = 0 m

3.8 Tính cân bằng năng lượng

Phương trình cân bằng nhiệt lượng có dạng:

G đ I đ+L đ C đ T đ+Q s=G c I c+L c C c T c+Q0

Trong đó:

G đ ,G c: Lượng hỗn hợp khí đầu và cuối

L đ , L c: Lượng dung dịch đầu và cuối

tđ,tc: Nhiệt độ khí ban đầu và cuối (oC)

Tđ,Tc: Nhiệt dộ dung dịch đầu và cuối (oC)

I đ , I c: entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối, kj/kg