đồ án 1 thiết kế tháp hấp thụ h2s với dung môi h2o

MỞ ĐẦUÔ nhiễm môi trường là sự thay đổi tính chất vật lý, hóa học, sinh học của đất, nước, không khí gây ảnh hưởng không có lợi đến hiện tại hoặc tương lai của đời sống hệ động thực vật,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIVIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

ĐỒ ÁN 1

THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ H S VỚI DUNG MÔI H O22

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Phạm Hồng LiênSinh viên thực hiện: Dương Trọng Đạo

Mã số sinh viên: 20193354Lớp: Môi trường 01-K64

Hà nội, tháng 4 năm 2022

H và tên: Dọương Tr ng Đ o Sốố hi u sinh viên: 20193354ọạệ

L p: Mối trớường 01 Khóa: K64Vi n Khoa h c và Cống ngh Mối trệọệườngNgành: ………

1 Đầầu đêầ thiêốt kêố

Thiêốt kêố tháp hầốp th Hụ 2S bằầng dung mối là nước 2 Các sốố li u ban đầầuệ

Hốỗn h p khí cầần tách Hợ 2S – Khống khíL u lư ượng khí th i vào tháp Q = 10,000 Nmả 3/hDung mối H O2

Nốầng đ khí th i vào tháp (% th tích) yộảể đ = 3%Hi u suầốt hầốp th ệụ = 85%Điêầu ki n làm vi c T = 25ệệ oC, p = 1 atm.Thiêốt b hầốp th Tháp chópịụ

3 N i dung các phầần thuyêốt minh tính toán ộ

3.1 Thiêốt b chínhị

Đường kínhChiêầu caoTr l cở ự

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm môi trường là sự thay đổi tính chất vật lý, hóa học, sinh học của đất, nước, không khí gây ảnh hưởng không có lợi đến hiện tại hoặc tương lai của đời sống hệ động thực vật, con người, đến các công trình, quá trình sản xuất trong công nghiệp, nông nghiệp, đến các trạng thái của nguồn tài nguyên thiên nhiên.

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm không khí là vấn đề toàn cầu, cấp bách và ngày càng được quan tâm một cách sâu sắc Ở Việt Nam, tuy nền công nghiệp chưa phát triển mạnh mẽ nhưng do nhiều nguyên nhân chủ quan và kháchquan, làm cho môi trường nước ta ngày càng ô nhiễm Việc chặt phá rừng cùng những hoạt động của các nhà máy công nghiệp đã thải ra môi trường rất nhiều chất ô nhiễm Cũng như nhiều nước trên thế giới hiện nay, vấn đềxử lý các chất gây ô nhiễm ở nước ta đang gặp nhiều khó khăn Nguyên nhân của ô nhiễm môi trường là do các chấtthải từ nhà máy, khu công nghiệp và các hoạt động khác Một trong những chất khí gây ô nhiễm môi trường là H2S.

Hiện nay, một phương pháp được sử dụng khá phổ biến để xử lý khí thải trong các nhà máy, đo là phương

pháp hấp thụ (là quá trình hút khí bằng chất lỏng) Mục đích của phương pháp này là thu hồi cấu tử quý, tách hỗn hợp khí thành các cấu tử và làm sạch khí.

Phần 1 Tổng quan 1 Tổng quan về khí H S2

1.1 Tính chất của khí H S2

a, Tính chất vật lý

Khí H S là 1 chất khí không màu, có mùi thối khó chịu (mùi 2trứng thối) và rất độc, nặng hơn không khí Cấu trúc phân tử của H S tương tự cấu trúc phân tử của nước, H S bị phân cực, 22khả năng tạo thành liên kết Hydro của H S yếu hơn nước H S ít 22tan trong nước nhưng tan nhiều trong dung môi hữu cơ.

b, Trong sản xuất công nghiệp

H2S sinh ra do quá trình sư dụng nhiên liệu có chứa lưu huỳnh, chế biến xenlulozo, sợi nhân tạo, nấu bột giấy, thuốc da,nấu thuốc nhuộm, xử lý nước thải… Ước lượng khí H S sinh ra 2trong quá trình sản xuất công nghiệp là khoảng 3 triệu tấn mỗi năm.

Các nguồn thải của các ngành công nghiệp hiện nay:+ Nguồn điểm

+ Nguồn đường+ Nguồn mặt

+ Nguồn cao hay thấp

+ Loại có tổ chức hay không có tổ chức

+ Loại ổ định thường xuyên hay thải theo chu kỳ+ Nguồn nóng hay nguồn thải nguội

Đặc điểm của các chất thải do hoạt động công nghiệp gây ra là nồng độ chất độc hại cao và tập trung.

1.3 Khả năng gây ô nhiễm của khí hydrosunfua

H2S ở nồng độ thấp thì khí có thể gây nhức đầu, khó chịu, ở nồng độ cao (> 150ppm) gây tổn thương màng nhầy của cơ quan hô hấp, viêm phổi, ở nồng độ khoảng 700ppm đến 900ppm có thể xuyên màng phổi, xâm nhập mạch máu dẫn đến tử vong Đối với thực vật, H S làm rụng lá, giảm khả năng 2sinh trưởng.

1.4 Tác hại của khí H S tới sức khỏe con người trong 2

tổng quan về khí hydrosunfua

Hình 1 Quá trình phân hủy khí hydrosunfua

Nếu khí H S ở nồng độ rất cao có thể hại cho sức khỏe, thậm 2chí có thể dẫn đến chết người Khí H S thường không tích lũy 2trong cơ thể, nó chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người khi nồng độ khí qua mức giới hạn cho phép của cơ thể.

H2S là chất khí cực độc (độc tính ngang với HCN và cao hơn CO từ 5 đến 6 lần) Người lao động khi làm việc trong môi trường có khí H S, có thể quen với mùi và không nhận ảnh 2hưởng đến đường hô hấp, niêm mạc và giác mạc Với hàm lượng cao, H S làm tê liệt thần kinh khứu giác, bất tỉnh và có 2thể dẫn đến tử vong Dưới đây là bảng phân loại các ảnh hưởngcủa khí H S theo nồng độ 2

Hàm

lượng(ppm) Biểu hiện

Cần đưa ngay tới nơi có không khí trong lành.

400 – 700 Ho, suy sụp, bất tỉnh, có thể tử vong.700 – 1000 Nguy hiểm đến tính mạng.

Trên 1000 Bất tỉnh ngay lập tức, tử vong trong vài phút.

Đối với thực vật, H S có thể rụng lá, giảm khả năng sinh 2trưởng của thực vật Những thương tổn do khí H S thoát ra đột 2ngột ở các cơ sở sản xuất thường có nồng độ lớn hơn rất nhiều so với nồng độ ở khu vực dân cư Khí H S cũng là nguyên nhân 2gây ra việc ăn mòn nhanh chóng các loại thiết bị máy móc và các đường ống dẫn.

2 Hấp thụ và tháp chóp2.1 Hấp thụ

Đây là phương pháp phổ biến được dùng để tách các khí độc hại

Ưu điểm:

- Rẻ tiền, nhất là khi sử dụng nước làm dung môi hấp thụ, các khí độc hại như SO , H S, NH , HF, có thể được xử lý rất223tốt với phương pháp này với dung môi nước và các dung môi thích hợp khác.

- Có thể sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi, khi trong khí thải có chứa cả bụi lẫn khí thải 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 khinhiệt độ dòng khí cao nên không thể dùng xử lí các dòngkhí thải có nhiệt độ cao, quá trình hấp thụ là quá trình tỏanhiệt nên khi thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thốngthiết bị hấp thụ xử lí khí thải nhiều trường hợp ta phải lắpđặt thêm thiết bị trao đổi nhiệt trong tháp hấp thụ để làmnguội thiết bị, tăng hiệu quả của quá trình xử lí Như vậy,thiết bị sẽ trở nên cồng kềnh, vận hành phức tạp.

- Khi làm việc, điều chỉnh mật độ tưới của pha lỏng khôngtốt, đặc biệt khi dòng khí thải có hàm lượng bụi lớn.- Việc lựa chọn dung môi thích hợp sẽ rất khó khăn, khichất khí cần xử lí không có khả năng hòa tan trong nước.Lựa chọn dung môi hữu cơ sẽ nảy sinh vấn đề: các dungmôi này có độc hại cho người sử dụng và môi trường haykhông? Việc lựa chọn dung môi thích hợp là bài toán hócbúa mang tính kinh tế và kĩ thuật, giá thành dung môiquyết định lớn đến giá thành xử lý và hiệu quả xử lý.- Phải tái sinh dung môi (dòng chất thải thứ cấp) khi sửdụng dung môi đắt tiền Chất thải gây ô nhiễm nguồnnước hệ thống càng trở nên cồng kềnh phức tạp.

2.2 Lý thuyết về tháp đĩa chóp

2.2.1 Cấu tạo tháp đĩachóp

Thân tháp hình trụ, thẳngđứng, phía trong có gắn cácmâm có cấu tạo khác nhau,trên mâm bố trí chóp dạngtròn, xupap, chữ s, … Trên đópha lỏng và pha hơi được chotiếp xúc với nhau qua cácrãnh xung quanh cho khí điqua và ống chảy truyền cóhình tròn

2.2.2 Nguyên lí hoạt độngtháp đĩa chóp

Chất lỏng chuyển động từ đĩanày qua đĩa khác nhờ ốngchảy truyền, khí đi từ dưới lênqua ống hơi rồi xuyên quacác rãnh của chóp và sục vàolớp chất lỏng trên đĩa Hiệu quả của quá trình sục khí phụ thuộcvào vận tốc khí

Nếu vận tốc khí bé thù khả năng sục khí kém, nhưng nếu vậntốc khí quá lớn sẽ làm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo.Hiện tượng bắn chất lỏng phụ thuộc nhiều yêu tố như khoảngcách của đĩa, khoảng cách của chóp, khối lượng riêng, cấu tạovà kích thước chóp của ống chảy truyền

3 Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Chú thích: 1: Thùng chứa khí2: Quạt ly tâm

3: Bể chứa dung dịch hấp thụ (nước)4: Bơm ly tâm

5: Tháp hấp thụ6: Van

7: Bể chứa dung dịch sau hấp thụ

- Hỗn hợp khí cần xử lý chứa H S và không khí được quạt thổi 2khí đưa vào từ phía dưới đáy tháp Nước từ bể chứa được bơm li tâm đưa vào tháp hấp thụ, trên đường ống có van điều chỉnh lưu lượng và đồng hồ đo lưu lượng Nước được bơm vào tháp vớilưu lượng thích hợp, tưới từ trên xuống dưới theo chiều cao tháphấp thụ.

- Hỗn hợp khí sau khi đi qua lớp đệm xảy ra quá trình hấp thụ sẽ đi lên đỉnh tháp và ra ngoài theo đường ống thoát khí Khí sau khi ra khỏi tháp có nồng độ khí H S giảm, mức độ giảm tùy 2thuộc vào hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ.

- Nước sau khi hấp thụ H S đi xuống đáy tháp đi và ra ngoài2theo đường ống thoát chất lỏng Nước sau khi hấp thụ nếu nồngđộ H S cao sẽ được xử lý và tái sử dụng2

Phần 2: Tính toán thiết bị.Các thông số ban đầu:

- Gd: lưu lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ,kmol/h.

- Gc: lưu lượng hỗn hợp khí đi ra khỏi thiết bị hấp thụ,kmol/h.

- Yd: nồng độ đầu của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ.- Yc: nồng độ cuối của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ.- Ld: lưu lượng hỗn hợp lỏng đi vào thiết bị hấp thụ,

- Lc: lưu lượng hỗn hợp lỏng đi ra khỏi thiết bị hấp thụ,kmol/h.

- Lx: lưu lượng dung môi cần sử dụng, kmol/h.

- Xd: nồng độ đầu của hỗn hợp lỏng, kmol/kmol dungmôi.

- Xc: nồng độ cuối của hỗn hợp lỏng, kmol/kmol dungmôi.

- Gtr: lưu lượng khí trơ vào thiết bị, kmol/h.

Số liệu cho trước:

- Lưu lượng khí thải vào tháp Q= 10.000 Nm /h3

- Nồng độ cấu tử tách trong hỗn hợp đầu (% thể tích) y =d 3%

1 Tính toán cân bằng vật liệu

1.1 Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc

Áp dụng định luật Raoul, ta có phương trình đường cân bằng:

Ta có : (Bảng IX.1/139/II)

Thay vào phương trình cân bằng ta được

Thiết lập phương trình đường làm việc :

Ta có nồng độ H S trong hỗn hợp đầu theo % thể tích là 3%2

= 0,031 (kmol/kmol khí trơ)Hiệu xuất hấp thụ

Mà Y = (1-c

Yc = 4,65.10 (kmol/kmol khí trơ)-3 Lưu lượng khí thải vào tháp: Ta đổi ra G = y

Lưu lượng khí trơ đi vào tháp : (kmol/h)

Lưu lượng H S bị hấp thụ: 2Lượng dung môi tiêu hao riêng: Trong đó, thường chọn

Lượng dung môi cần thiết:

Từ phương trình đường cân bằng ta có:

Với: Y nồng độ phần mol của H S lấy theo giá trị trung tb 2bình

(kg/m )3

Pha lỏng :

Vì khí H S là khí ít tan trong nước nên nồng độ khí trong 2nước gần như không đáng kể vậy có thể coi khối lượng riêng của pha lỏng là khối lượng riêng của dung môi nước

kg/m3

Công thức tính tốc độ khí đi trong tháp chóp: (IX.105/184/II)

Với D 1,2m-1,8m thì h = 0,35 0,45 (Bảng trang 184, Sổ tay quá trình và thiết bị hóa chất tập II) Ta chọn h = 0,4 – hệ số tính đến sức căng bề mặt

75,6 /cm > 20 /cm (I.242/301/I) nên

1.2.2 Lưu lượng khí trung bình đi vào tháp

Ta có :

Trong đó : + : lưu lượng hỗn hợp khí đầu ở điều kiện làm việc (m /h)3

+ : lưu lượng khí thải ra khỏi tháp (m3/h)

Vậy lưu lượng khí trung bình đi trong tháp là:

Từ những tính toán trên đường kính tháp là:

Quy chuẩn D = 1,7 m, phù hợp với cách chọn h = 0,4

2 Thiết kế đĩa chóp2.1 Thiết kế đĩa :

SOMN = (m )2

- Số chóp phân bố trên đĩa :

- Đường kính chóp :

Trong đó : - chiều dày chóp, thường lấy Chọn

Quy chuẩn

- Chiều cao chóp phía trên ống dẫn hơi:

- Khoảng cách từ mặt đĩa đến chân chóp: S = 25mm = 0,025m- Chiều cao mực chất lỏng trên khe chóp:

- Chiều cao khe chóp:

Trong đó: ;

: lưu lượng hơi đi trong tháp,

: hệ số trở lực của đĩa chóp, thường lấy ; : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi kg/m 3

- Số lượng khe hở của mỗi chóp:

Trong đó: c-khoảng cách giữa các khe, c = 34mm; b-chiều cao khe chóp;

a-chiều rộng khe chóp, a =27mm

Chọn c = 4mm = 4.10 m; a = 5mm = 5.10 m.-3-3

Lưu lượng lỏng trong tháp:

- Đường kính ống chảy chuyền: u: vận tốc dòng chảy trong ống

- Khoảng cách từ đĩa đến chân ống chảy truyền:

- Chiều cao ống chảy truyền trên đĩa:

Với: - chiều cao mức chất lỏng ở bên trên ống chảy truyền

- thể tích chất lỏng chảy qua, m /h; -tốc độ chất lỏng chảy 3chuyền, chọn

Quy chuẩn:

- Chiều cao lớp bọt trên đĩa:

Trong đó: -chiều cao đoạn ống chảy truyền nhô lên trên đĩa- chiều cao của lớp chất lỏng trên ống chảy chuyền, - chiều cao lớp chất lỏng không lẫn bọt trên đĩa, - diện tích phần bề mặt đĩa có gắn chóp, - khối lượng riêng của bọt (thường lấy khoảng )

- tổng diện tích các chóp trên đĩa

- đường kính ngoài của chóp,

- khối lượng riêng trung bình của pha lỏng,

- chiều cao của chóp

=0,07 (m)

- Bước tối thiểu của chóp trên đĩa:

Trong đó: - khoảng cách nhỏ nhất giữa các chóp => = 50 mm

- Đường kính tương đương của khe chóp:

- Khoảng cách từ tâm ống chảy truyền đến tâm chóp gần nhất:

Trong đó: - bề dày ống chảy truyền, thường lấy

- khoảng cách nhỏ nhất giữa chóp và ống chảy truyền, thường chọn = 75mm

3 Trở lực

- Trở lực đĩa khô:

Trong đó: - hệ số trở lực, thường lấy trong khoảng 4,5

- khối lượng riêng của pha khí (kg/m3)- tốc độ khí qua rãnh chóp (m/s)m- số lượng khe chóp, m = i = 55 khe Với

- Trở lực đĩa do sức căng bề mặt

Với: - Sức căng bề mặt (N/m2)Ở

- Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh):

4 Chiều cao của tháp:

Trong đó: với D = 0,25m, chọn h là khoảng cách giữa các đĩa: h = 0,4m.

bề dày của đĩa : số đĩa thực tế

- Tính hệ số cấp khối:+ Hệ số cấp khối pha khí: + Hệ số cấp khối pha lỏng:

Trong đó: - tốc độ khí tính cho toàn bộ tiết diện ngang của tháp : sức cản thủy lực của lớp chất lỏng trên đĩa:

- Hệ số phân bố: Đổi m:

Với Y = (phương trình đường làm việc) (phương trình đường cân bằng)

(rút ra từ phương trình đường cân bằng)- Hệ số chuyển khối:

- Số đơn vị chuyển khối của đĩa:

- Vẽ đường cong phụ xác định số đĩa:

Dựng A1C1, A2C2 … song song trục tung (Ai thuộc đường làmviệc, thuộc đường cân bằng), tìm điểm Bi với:

Gọi Y’: tung độ điểm Bi (với X tương ứng) ta có:

Ta có bảng sau:

ĐỒỒ th xác đ nh sốố đĩa lý thuyếốt ịị

Ta có số đĩa lý thuyết:

=> H = 11.(0,4+0,005) +1= 5,455 (m)Quy chuẩn H = 5,5 (m)

Bảng tính mô phỏng:T=25

Chọn bơm dùng là bơm ly tâm, do bơm ly tâm có những ưuđiểm sau :

+ cung cấp đều

+ quay nhanh (Có thể nối trực tiếp với động cơ)+ thiết bị đơn giản

+ có thể bơm các chất lỏng không sạch+ không có supap nên ít bị tắc và hư hỏng

+ sử dụng trong phạm vi áp suất từ trung bình trở xuống và năng suất từ trung bình trở lên

Nguyên tắc hoạt động : Bơm ly tâm làm việc theo nguyên tắc ly tâm Chất lỏng được hút và đẩy cũng như nhận thêmnăng lượng là nhờ tác dụng của lực ly tâm khi cánh guồng quay Bộ phận chính của bơm là cánh guồng trên có gắn

những cánh có hình dạng nhất định, bánh guồng được đặt trong thân bơm và quay với tốc độ lớn Chất lỏng theo ốnghút vào tâm guồng theo phương thẳng góc rồi vào rãnh giữa các guồng và cùng chuyển động với guồng Dưới tác dụng của lực ly tâm, áp suất của chất lỏng tăng lên và văng ra vào thân bơm, vào ống đẩy theo phương tiếp tuyến Khi đó ở tâm guồng tạo nên áp suất thấp Nhờ áp lực mặt thoáng bể chứa, chất lỏng dâng lên trong ống hút vào bơm Khi guồng quay chất lỏng được hút liên tục, do đó chất lỏng được chuyển động đều đặn Đầu ống hút có lắp lưới lọc để ngăn không cho rác và vật rắn theo chất lỏng vào bơm gây tắc bơm và đường ống Trên ống hút có van một chiều giữ cho chất lỏng trên đường

Sơ đồ hệ thống bơm

5.1.1 Công toàn phần của bơm :

Trong đó : Q : Năng suất bơm (): Khối lượng riêng của chất lỏng : g : gia tốc trọng trường

H : áp suất toàn phần của bơm: hiệu suất của bơm.

Chọn :

Chiều cao đẩy: Chiều dài ống hút: Chiều dài ống đẩy:

5.1.2 Năng suất của bơm

5.1.3 Áp suất toàn phần do bơm tạo ra:

(Công thức II.185/438/I)

Với: : áp suất trên bề mặt chất lỏng trong không gian đẩy và hút (N/m )2

p1 = p = 1 (atm) = 1.013*10 (N / m )kk 5 2p2 = p = 1 (atm) = 1.013*10 (N / m )lv 5 2

: khối lượng riêng của chất lỏng cần bơm: = 997.08 (kg / m )3H0: chiều cao nâng của chất lỏng, chọn H = 5 (m)0

hm: áp suất tiêu tốn để thắng toàn bộ trở lực trên đường ốnghút và đẩy (kể cả trở lực cục bộ khi chất lỏng ra khỏi ống đẩy)(m):

+ Cửa ra: d = = = 0,8522 (m)tđ

Với là tốc độ lỏng đi trong ống, chọn ω = 2 (m/s) Quy chuẩn d = 0,85 (m) có ω = 2,01 (m/s)