[ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP] THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOGAS CUNG CẤP CHO HỘ GIA ĐÌNH CÔNG SUẤT 10m3

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Các tính chất của các thành phần Biogas Bảng 2.2: Đặc tính và lượng khí sinh ra của một số nguyên liệuBảng 2.3: Ảnh hưởng của các loại phân đến sản lượng và thành

Tổng quan về đề tài

Tính cấp thiết của đề tài

Thực tại ô nhiễm môi trường trong những thập niên gần đây đang là một vấn đề cấp bách của xã hội, hiện tượng ô nhiễm môi trường đang diễn ra khắp mọi nơi Hiện nay, ô nhiễm trong nông nghiệp chăn nuôi là một vấn đề cấp thiết đặt ra nhiều thử thách cho các nhà môi trường Cùng với việc tăng số lượng gia súc đã làm tăng số lượng chất thải chăn nuôi và gây ô nhiễm môi trường Do đó, vấn đề đặt ra là việc quản lý chất thải chăn nuôi để vừa ngăn chặn tác nhân gây ô nhiễm từ chất thải này vừa tái tạo năng lượng phục vụ sản xuất đang là vấn đề đặt ra cho ngành chăn nuôi và các ngành công nghệ khác

Công nghệ biogas nói riêng và công nghệ khí sinh học nói chung đã vạch ra cho người chăn nuôi một hướng giải quyết mới trong việc lựa chọn phương án thiết kế thi công một công trình xử lý chất thải chăn nuôi một cách hiệu quả nhất Khí biogas sau khi tạo thành được sử dụng rộng rãi thay thế cho nhiên liệu, chất đốt trong các hộ gia đình, chạy máy phát điện Hơn nữa, chất thải sau khi xử lý bằng công nghệ biogas đã được kiểm nghiệm và cho thấy đây là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho cây trồng, vật nuôi và các loại động thực vật thủy sinh Ngược lại, nếu chưa được xử lý, chất thải chăn nuôi sẽ là nơi chứa nhiều mầm bệnh của các loại vi khuẩn gây bệnh, các chất hữu cơ, các chất chứa ni-tơ và axit photphoric…Chúng có thể gây ô nhiễm nguồn nước mặt lẫn nước ngầm Nước ô nhiễm chảy xuống sông, suối, ao hồ làm giàu các chất dinh dưỡng, gây ô nhiễm nguồn nước Khi phân hủy sẽ tạo ra mêtan và amôniắc, hidrosunfua là những chất có mùi hôi thối, đồng thời gây hiện tượng nóng lên của toàn cầu Vì thế, việc quản lý chất thải chăn nuôi bằng công nghệ biogas đã làm hạn chế đáng kể lượng phát thải, mang lại lợi ích thiết thực cho người sử dụng, và đặc biệt là mang lại một nguồn lợi ích không nhỏ cho người chăn nuôi

Vì vậy, việc thiết kế một hệ thống biogas quy mô gia đình sao cho nó hoạt động có hiệu quả, phục vụ cho sinh hoạt mang lại hiệu quả kinh tế và giảm các tác hại của chất thải trong chăn nuôi là vấn đề cấp thiết cần được giải quyết trong đề tài này

Chuyên ngành Hóa dầu 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm

- Thiết kế một hệ thống tạo biogas cho quy mô hộ gia đình

1.1.2 Mục tiêu của đề tài

Giải quyết được các vấn đề về môi trường

Công suất của hệ thống biogas này là 10m 3

- Tổng quan về công nghệ biogas, các mô hình biogas

- Công nghệ biogas dùng hầm biogas composite hiện nay

- Tính toán thiết kế một hệ thống biogas hoàn chỉnh cho hộ gia đình công suất

- Dự đoán khả năng làm việc và hiệu quả khi đưa vào thực tế

1.1.4 Phương pháp thực hiện đề tài

- Phương pháp thu thập, tổng hợp thông tin từ sách vở, tài liệu, báo chí

- Phương pháp khảo sát tình hình dựa trên thực tế

- Phương pháp phân tích, lựa chọn tính toán

1.1.5 Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa thực tiễn

- Khi thực hiện đề tài này sẽ giúp các hộ gia đình giải quyết vấn đề chất thải trong chăn nuôi từ đó tạo ra được khí gas phục vụ trong sinh hoạt của hộ gia đình

- Giúp các hộ chăn nuôi thấy được lợi ích của việc sử dụng hệ thống biogas trong việc sử lý chất thải, góp phần bảo vệ môi trường, nâng cao hiệu quả kinh tế, phát triển xã hội

- Giảm thiểu các vấn đề về ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí, giảm hiệu ứng nhà kính Ý nghĩa khoa học

Khí Biogas là khí thiên nhiên được sản xuất khá rộng rải ở nước ta hiện nay, đặc biệt ở vùng nông thôn vì vậy việc sử dụng nhiên liệu khí Biogas để phục vụ nhu cầu sử dụng của các hộ gia đình sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO2, NO x , HC, CO góp phần thực hiện các công ước quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia

Tìm ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà hiện nay chúng ta đang lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu này Đưa ra các đề xuất khác mang lại hiệu quả cao trong xử lý chất thải trong chăn nuôi, sinh hoạt…

Một số ưu điểm của nhiên liêu Biogas

Về mặt môi trường

 Giảm lượng khí phát thải CO2, do đó giảm được lượng khí thải là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh được các thảm họa về môi trường

 Không có hoặc chứa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh ( 20 con lợn + nhà vệ sinh gia đình

 Hầm bể Biogas Composite có đường kính 2,25m: Loại bể này phù hợp với mức độ chăn nuôi từ 5-> 50 con lợn + nhà vệ sinh gia đình

 Hầm bể Biogas Composite có đường kính 2,4m: Loại bể này phù hợp với mức độ chăn nuôi từ 15-> 100 con lợn + nhà vệ sinh gia đình

 Hầm bể Biogas Composite có đường kính 2,7m: Loại bể này phù hợp với mức độ chăn nuôi từ 50 -> 300 con lợn + nhà vệ sinh gia đình

 Từ những ưu, nhược điểm của các loại hầm khi thiềt kế hệ thống biogas gia đình ta chọn loại hầm bể biogas composite vì:

- Hầm được làm bằng nguyên liệu composite nên có độ cứng, độ bền cao, có khả năng chịu nhiệt và sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Ngoài ra, vật liệu composite nhẹ nên dễ dàng lắp đặt, sử dụng

Dưới đây thể hiện rõ ưu điểm của vật liệu composite dùng làm hầm bể biogas mà

Trung Tâm Kỹ Thuật Tiêu Chuẩn Đo Lường Chất Lượng 1 đã kiểm định Số 09/0349/TN3 - CS ngày 15/04/2009

Bảng 2.4: Thông số kĩ thuật vật liệu composite

STT Tên Chỉ Tiêu Đơn Vị Phương Pháp Thử Kết Quả

1 Độ bền kéo đứt N / cm 2 ISO 527: 1997 10421

2 Độ bền uốn N / mm 2 ISO 178: 2000 192

3 Độ bền va đập KJ / m 2 ISO 179: 2001 90,11

- Nhanh chóng thu hồi vốn đầu tư ban đầu Việc lắp đặt rất đơn giản, chỉ từ 2 đến 3 giờ là có thể đưa vào sử dụng, lên gas trong 7 ngày Lượng nước xử lý không quá 1.0 - 1.2 m3/ngày đêm

- Hiệu suất sinh khí gấp 2-2,5 lần so với bể xây gạch cùng thể tích, áp suất khí gas cho từ 12 KPa - 25 KPa Mức độ sinh khí nhanh, sản lượng khí cao, ổn định trong mọi điều kiện thời tiết Trong khi đó Biogas xây bằng gạch không kiểm tra được các lỗ châm kim, dễ bị lún, nứt và làm dò khí ra ngoài không khắc phục được dùng một thời gian do nhiệt độ nóng lên bị axít ăn mòn bề mặt bê tông làm dò khí ra ngoài (chính hiện tượng dò khí làm cho áp suất trong bình giảm xuống dẫn đến ít gas và không đẩy được bả ra ngoài)

- Có khả năng chống kết váng, chuyển hoá lên men trong điều kiện yếm khí cao, nhiệt độ ổn định từ 28 0 C – 40 0 C, luôn duy trì được độ pH = 7.2 - 7.5

THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIOGAS GIA ĐÌNH

Hầm biogas

3.1.1 Lựa chọn hầm kích thước hầm biogas

Hầm biogas với công suất 10m 3 phục vụ sinh hoạt hộ gia đình như: nấu nướng, chạy máy phát điện, điện thắp sáng và các thiết bị điện khác…Dựa vào đặc tính của nguyên liệu:

Xem xét số lượng gia cầm vào nhu cầu sử dụng khí :

Bảng 3.1: Thể tích hầm composite theo số luợng vật nuôi ( Nguồn [10] )

( Nguồn : Văn phòng phát triển nông nghiệp khu vực phía Bắc Cục phát triển nông nghiệp Chương trình biogas Thái Lan- Đức)

- Biogas hộ gia đình dùng hầm 10m 3 với số lượng khoảng 20 con heo

Bảng 3.2: Thể tích và kích thước hầm composite ( Nguồn [19] )

Ta thiết kế hệ thống biogas gia đình công suất 10m 3 nên ta dùng hầm có đuờng kính

Kích thước các bộ phận hầm biogas composite đường kính 2,4 m

Cấu trúc hầm có dạng hình cầu vì với dạng cầu thì áp lực của khí gas sinh ra phân bố đều trên toàn bộ bề mặt hầm đảm bảo độ kín và an toàn

Với hầm composite 10m 3 lượng khí sinh ra khoảng 4-5 m 3 khí biogas

3.1.2 Cấu tạo và chức năng từng bộ phận

Ki ểu dáng h ình h ọc và kích thước:

Hình 3.2: Kiểu dáng hình học hầm biogas composite ( Nguồn [19] )

 Kiểu dáng: Hình cầu và có mầu trắng của chất liệu tinh khiết và được chia thành 4 phần:

Hầm ủ (vị trí 1): Là bán cầu phần nằm dưới của hầm bể, chứa dịch lên men, hầm ủ được thiết kế theo kiểu lên men liên tục dạng hỗn hợp

Bầu khí (Vị trí 2): Là một nửa bán cầu (có độ lõm ở hai cột điều áp) nằm ở phía trên hầm ủ Phần này có tác dụng trữ khí sinh gas Hai phần này gắn liền nhau có dạng tròn xoay

Hai cột điều áp (Vị trí 3 và 4) Hai cột điều áp có dạng hình trụ nằm theo phương thẳng đứng ở hai bên Bầu khí và thông xuống Hầu ủ bằng 2 lỗ hình elíp, tạo nên hình chóp ngược Hai cột điều áp này có tác dụng đẩy khí tạo áp lực sinh gas, điều hoà áp suất, nạp phân và đẩy bã ra

Hầm sinh khí: được thiết kế theo kiểu lên men liên tục có kiểu dáng hỗn hợp chỏm

Chuyên ngành Hóa dầu 26 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm cầu - Trụ tròn xoay - Bán cầu (có kích thước như hình vẽ)

Cửa vào và cửa ra:

+ Cửa vào: được nối liền giữa Cột điều áp (đầu vào) và hố ga của chuồng gia súc, nhà vệ sinh bằng ống nhựa PVC φ 110 Phía trên cửa vào được đậy kín bằng nắp bêtông

+ Cửa ra: Cột điều áp (Lối ra) được nối thẳng ra hố gas bằng ống nhựa PVC φ 110

Cửa vào và cửa ra đều là cột tạo áp lực theo phương thẳng đúng

- Ống dẫn khí được dùng là loại ống mềm dùng bằng ống nhựa PE φ 20 màu đen, là loại nhựa chịu được ánh nắng mặt trời, có độ bền cao, được bắt chếch theo phương nằm ngang 45 o để trách bị tắc Ống dẫn khí đi ngoài trời được để trên không để trách hơi nước hấp thụ

3.1.3 Tính toán các phần của hầm biogas composite

Kích thước hầm biogas composite 2.4m

Hình 3.3: Kích thước các bộ phận hầm biogas composite

Là phần nửa bán cầu phía dưới chứa dịch lên men

Chuyên ngành Hóa dầu 27 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đường kính 2,4 m R=1,2 m

Bán cầu phía trên có tác dụng trữ khí gas sinh ra

Cửa nạp có đường kính 0,77 m, ta giả sử phần khuyết của bầu sinh khí là nửa hình trụ có bán kính 0,17m , chiều cao là 1.57 m

Cửa tháo bã có đường kính 0,91m, ta giả sử phần khuyến của bầu sinh khí chỗ cửa tháo bã là nửa hình trụ có bán kính 0,25m, chiều cao là 1,57m

Thể tích thực của bầu sinh khí là:

Là hình trụ đứng có đường kính 0,77m R= 0,38m, chiều cao 1,57m

Là hình trụ có đường kính 0,91m R = 0.45m, chiều cao 1,57m

3.1.3.5 Tổng thể tích của hầm composite 2,4m

Hình 3.4: Cấu tạo hầm biogas composite ( Nguồn [17] )

Tính toán hệ thống lọc

Trong thành phần biogas còn chứa các chất có hại như CO2, H 2 S… các tạp chất này vừa làm khí gas có mùi hôi rất khó chịu, khi sử dụng tạo ra các chất gây ảnh huởng tới sức khỏe con người và gây ô nhiễm môi trường Vì thế khí biogas sau khi được tạo thành cần được đưa qua các thiết bị lọc các thành phần trên trước khi đưa vào sử dụng

3.2.1 Tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ H 2 S

3.2.1.1 Cân bằng vật chất cho quá trình hấp phụ

G v : Lưu lượng biogas vào tháp hấp phụ, kg/h

G r : Lưu lượng biogas sau loc H 2 S ra khỏi tháp, kg/h

G H2S : Lượng H 2 S bị hấp phụ trong tháp, kg/h

G Fe : Khối lượng phoi sắt cần dùng, kg ρ v : Khối lượng riêng của hỗn hợp đầu vào ρ r : Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu ra ρtb: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí ở đầu vào và đầu ra của tháp

C yv : Nồng độ đầu vào, kg H2S/m 3 biogas

C yr : Nồng độ pha đầu ra, kg H2S/m 3 biogas

C yv *: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu vào, kg H2S/m 3 biogas

C yr *: Nồng độ pha hơi cân bằng ở đầu ra, kg H2S/m 3 biogas

X r : Nồng độ biogas đầu ra, phần trăm khối lượng

X v : Nồng độ biogas đầu vào, phần trăm khối lượng

Bảng 3.3: Thành phần khí biogas vào và ra khỏi tháp hấp phụ H 2 S

Cấu tử Trước lọc (%V) Sau lọc (% V)

Các số liệu liên quan đến chế độ hoạt động của tháp:

 Áp suất khí vào thiết bị: P = 101325Pa = 1atm

 Ta chọn lưu lượng ra thiết bị: G v =0,74m 3 /h

 Khối lượng riêng của khí biogas nguyên liệu  biogas=0,905 kg/m 3

 Độ nhớt động lực của khí biogas  biogas = 1,24.10 kg/m.s

 Nồng độ khí H2S trong khí biogas chưa xử lý Y0 = 5,32%vol

 Nhiệt độ khí vào thiết bị: 25 ÷ 30 0C, nhiệt độ này thay đổi tuỳ theo nhiệt độ môi trường

 Chất hấp phụ (phoi sắt)

 Khối lượng riêng xốp của chất hấp phụ  hp = 2904,5 kg/m 3

 Khối lượng mol phân tử H2S (Mol Weight H 2 S MWH 2 S): 34,0818 g/mol

 Khối lượng mol phân tử S (Mol Weight Sulfur MWS): 32,066 g/mol

 Áp suất ở điều kiện chuẩn (Standard Pressure P0) P 0 = 101325 N/m 2

 Nhiệt độ ở điều kiện chuẩn (Standard temperature T0) T 0 = 273 K

 Khối lượng riêng biogas của đi vào tháp  biogas=0,905 kg/m 3

Trong 1m 3 khí biogas có chứa :

0,0532 m 3 H 2 S = 0,072 kg H 2 S/ kg biogas = 0,08 % khối lượng Khối lượng riêng của hỗn hợp biogas vào:

Dòng hơi đi ra khỏi tháp có nồng độ H2S rất thấp nên ta coi dòng này là nguyên chất để tính.

Tính cân bằng vật chất cho cấu tử bị hấp phụ là H2S:

Lưu lượng biogas ra khỏi tháp hấp phụ

G r = 0,74m 3 /h = 0,67 kg/h Lưu lượng dòng trơ (biogas) đầu ra

G tr = G r x r = 0,67.0,99 = 0,663 kg/h Lưu lượng H2S đầu ra

G H2S R = 0.67-0.663 = 7.10 -3 kg/h Lưu lượng dòng khí trơ đầu vào cũng và đầu ra không thay đổi (ta coi các thành phần khác trong khí biogas hoàn toàn không bị hấp phụ)

Gọi GH2Sv: Lưu lượng H2S vào tháp, ta có

Lượng H2S bị hấp phụ bởi lớp Fe

G H2S = 0,058-7.10 -3 = 0,051 kg/h Lưu lượng tổng cộng dòng vào

3.2.1.2 Tính toán chiều cao lớp hấp phụ

Chiều cao lớp hấp phụ có thể tính theo nhiều phương pháp tùy vào số liệu đường cân bằng, phương pháp và thiết bị thực hiện quá trình Chiều cao tháp được tính theo phương pháp tổng quát dựa vào số đơn vị truyền khối:

V g : Lưu lượng hỗn hợp đầu vào, m 3 /s k y : hệ số truyền khối, m/s

C y *: Nồng độ cân bằng của H2S trong hỗn hợp biogas g/m 3

S: Tiết diện ngang của tháp, m 2

Chọn đường kính tháp 0,2m, tính lại tốc độ dòng khí ta có ω= 0,7m/s

Ta dùng ống nhựa PVC có độ dày 8mm=0,008m=> đường kính ngoài của thiết bị Dn 0,216m

Phương trình chuẩn số mô tả quá trình truyền khối trong tháp chêm

Sh – chuẩn số Sherwood, Re – chuẩn số Renold, Sc – chuẩn số Schmit

D: hệ số khuếch tán phân tử của hơi nước tại nhiệt độ làm việc k y : hệ số truyền khối, m/s

: tốc độ dòng hơi tính trên toàn tiết diện tháp, m/s d: kích thước của chất hấp phụ, m μ: độ nhớt của hỗn hợp biogas, N.s /m 2

Chuyên ngành Hóa dầu 34 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm ρ: khối lượng riêng biogas, kg/m 3

 Tính hệ số khuếch tán D s

Với: vA, vB: lần lượt là thể tích mol của khí H2S, biogas cm 3 /mol

M A , M B : Khối lượng mol của biogas và H2S

Chiều cao tháp hấp phụ được tính theo công thức tổng quát

Trong vùng đường thẳng của đường đẳng nhiệt thì tích phân trong công thức trên được tính bằng động lực trung bình logarit yc yđ yc yđ y

Trong đó ∆C yđ , ∆C yc là động lực lớn và nhỏ ở hai đầu tháp ∆C yđ = C yđ - C yđ *,

Với khả năng hấp phụ của Fe thì nồng độ cân bằng của biogas có thể đạt

Chọn hệ số dự trữ chiều cao 10% khi đó chiều cao lớp hấp phụ

 Tính toán thời gian hấp phụ

Thời gian hấp phụ trong vùng thứ nhất (vùng đường thẳng) của đường đẳng nhiệt hấp phụ được tính theo công thức yđ y x O yđ x

Với ω: tốc độ dòng hơi biogas tính cho tiết diện của toàn tháp, m/s

Cyđ: nồng độ pha khí đầu vào, kg/m 3 khí trơ

H O : Chiều cao lớp hấp phụ

C x *: nồng độ chất hấp phụ cân bằng với nồng độ pha khí đầu vào (kg/m 3 chất hấp phụ) k y : hệ số truyền khối, m/s b: hệ số được tính theo tỉ số C yc / Cyđ, theo bảng X.6 [2] ta có b = 0,51

Ta chọn thời gian hấp phụ là 4h

 Tính toán lượng Fe cần thiết

Thể tích lớp chất hấp phụ trong tháp

Lớp hấp phụ gồm phoi sắt và mùn cưa có độ ẩm khoảng 30% dùng để hấp phụ H2S

Tỷ lệ mùn cưa trộn với phoi sắt theo tỷ lệ 4:1 về thể tích

Thể tích của phoi sắt thực tế:0,063: 5= 0,0216 m 3

Khối lượng Fe cho tháp kg V

Hình 3.5: Thiết bị lọc khí H 2 S ( Nguồn [4] )

Trước khi sử dụng phoi sắt được oxy hóa để tạo thành một lớp oxyt sắt trên bề mặt Quá trình này có thể thực hiện một cách tự nhiên bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí một thời gian hoặc đốt để tăng tốc độ oxy hóa Phản ứng oxy hóa phoi sắt diễn như sau:

Fe + 1/2 O2  FeO 2Fe + 3/2O 2  Fe 2 O 3 3Fe + 2O 2  Fe 3 O 4

Oxyt sắt tạo thành là hỗn hợp của các oxyt FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 Các phản ứng trên có thể được xúc tiến nhanh hơn bằng cách tưới nước trên phoi sắt Quá trình oxy hóa sắt đạt yêu cầu khi bề mặt phoi sắt chuyển từ màu xám sang màu vàng xốp, hoặc đỏ xốp

Hình 3.6 : Phoi sắt trước khi bị oxy hóa (a) và sau khi bị oxy hóa (b) ( Nguồn [4]

Khi khí biogas đi qua thiết bị lọc chứa oxyt sắt, H2S được tách ra theo các phản ứng sau:

Fe 3 O 4 + 4H 2 S  FeS+Fe2S 3 + 4H 2 O FeO + H 2 S  FeS + H2O

Khả năng tách H 2 S của thiết bị giảm dần theo thời gian Sau 1 tuần sử dụng đầu tiên (trung bình 4 giờ/ngày), khả năng khử của thiết bị đạt trên 99,4% Sau 1 tháng sử dụng, hiệu suất của thiết bị vẫn còn đạt trên 98% Khi hiệu suất của thiết bị giảm thấp, chúng ta có thể tái sinh lõi lọc bằng cách phơi phoi sắt ngoài không khí Phản ứng tái sinh diễn ra như sau:

Phản ứng trên là phản ứng tỏa nhiệt, có thể tự xảy ra trong điều kiện nhiệt độ môi trường Để gia tốc quá trình tái sinh, chúng ta có thể đốt phoi sắt đã sử dụng trong 15 phút Tuy nhiên quá trình này tạo ra chất khí ô nhiễm SO2:

Phoi sắt có thể được tái sử dụng từ 3-5 lần

Phoi sắt sau khi đốt được trộn với vỏ bào cưa với tỉ lệ 4:1 về thể tích, sau đó được cho vào thiết bị lọc Tổn thất áp suất trung bình khi qua thiết bị tách H2S là

3.2.2 Tính toán thiết bị hấp thụ khí CO 2

3.2.2.1 Các thông số đầu vào và ra của khí Biogas

Các thông số hoạt động:

 Lưu lượng và thành phần khí Biogas vào tháp

Sau khi đi ra từ thiết bị hấp thụ H2S bằng phoi sắt thì lưu lượng khí biogas là

0,7m 3 /h và có thành phần như sau (phần thể tích bằng phần mol):

Bảng 3.4: Lưu lượng và thành phần khí đi vào tháp hấp thụ ( Nguồn [10] )

Thành phần Phần trăm thể tích Phần mol

Trong tính toán hấp thụ thông thường người ta dùng phần mol tương đối, phần mol tương đối của khí được tính theo công thức sau: y y

Trong đó: x là nồng độ phần mol của cấu tử trong pha lỏng y là nồng độ phần mol của cấu tử trong pha khí

Chuyên ngành Hóa dầu 41 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm co co co y

Do đó ta có bảng phần mol tương đối của các cấu tử vào tháp như sau:

Thành phần Phần mol tương đối

 Lưu lượng và thành phần khí ra khỏi tháp hấp thụ

Lưu lượng khí ra khỏi tháp là:

Gyc = G yđ – G yđ CO 2 – G yđ H 2 O = 0,7 – 0,1546 – 7,7.10 -3 = 0,5377 (m 3 /h)

0 =0,0220 (kmol/h) Tính phần mol các cấu tử ra khỏi đỉnh tháp:

Li: Lưu lượng của cấu tử thứ i

 Li : Lưu lượng tổng của hỗn hợp

Bảng 3.5: Nồng độ phần mol các cấu tử khí ra khỏi tháp theo tính toán

5.2.2.2 Tính chất của khí Biogas

 Khối lượng riêng của hỗn hợp khí vào tháp

5.3.2.3 Khối lượng riêng của hỗn hợp khí ra khỏi tháp

 Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí

Khối lượng riêng của hỗn hợp khí được xác định theo công thức

 (kg/m 3 ) ([4], tr 183) y tbi : Nồng độ phần mol của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí

M i : Phân tử lượng của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí

Tính nồng độ phần mol trung bình của các cấu tử trong tháp hấp thụ

Bảng 3.6: Nồng độ phần mol trung bình của các cấu tử khí

Thành phần Phần mol trung bình

Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg/m 3 )

 Độ nhớt của hỗn hợp khí vào tháp Độ nhớt của hỗn hợp khí có thể xác định theo công thức

M hh : Trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí

hh, 1, 2…: Độ nhớt của hỗn hợp khí và các cấu tử thành phần

Chuyên ngành Hóa dầu 46 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm m 1 , m 2 ….:Nồng độ phần thể tích (phần mol) của các cấu tử thành phần trong hỗn hợp Độ nhớt của các cấu tử khí Dùng công thức nội suy để xác định độ nhớt

Từ công thức I.18 ta có độ nhớt của hỗn hợp khí là:

 Khối lượng phân tử trung bình của khí biogas vào tháp

M y iđ : Nồng độ phần mol của cấu tử khí i trong hỗn hợp khí

M i : Khối lượng phân tử của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí

 Khối lượng phân tử trung bình của khí biogas ra khỏi tháp

M y c y ic : Nồng độ phần mol của cấu tử khí i trong hỗn hợp khí

M i : Khối lượng phân tử của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí

3.2.2.4 Lập phương trình đường cân bằng

Phương trình đường cân bằng

 là hằng số Henry, tra theo ([4], tr139), ở 25 o C thì  của CO2 và dung dịch nước là 1,24.10 6 (mmHg)

P là áp suất của hỗn hợp khí, P = 760 (mmHg)

● Phương trình đường cân bằng là: 1631, 57 *

3.2.2.5 Tính toán lượng dung môi tiêu tốn và lập phương trình đường làm việc

 Tính lượng dung môi tiêu tốn

Khi tính toán hấp thụ người ta thường cho biết lượng hỗn hợp khí, nồng độ đầu và nồng độ cuối của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí và trong dung môi

G y : Lượng hỗn hợp khí đi vaò thiết bị hấp thụ, kmol/h

Y đ : Nồng độ đầu của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ

Y c : Nồng độ cuốicủa hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ

G x : Lượng dung môi đi vào thiết bị, kmol/h

X đ : Nồng độ đầu của dung môi, kmol/kmol dung môi

X c : Nồng độ cuối của dung môi, kmol/kmol dung môi

G tr : Lượng khí trơ đi vào thiết bị, kmol/h

Lượng CO2 trong hỗn hợp ban đầu là: 0,7.0,2209 = 0,1546 (m 3 /h)

Nồng độ khí CO2 ra khỏi tháp hấp thụ yêu cầu là 7,67 %, nên lượng CO2 còn lại đi ra khỏi đỉnh tháp:

Suy ra lượng CO 2 bị hấp thụ trong nước: 0,1546 – 0,0453 = 0,1093 (m 3 /h)

Lượng nước trong hỗn hợp khí Biogas 0,00045 m 3 /h Ta thiết kế tháp tách H2O sơ bộ sao cho hàm lượng nước khi ra khỏi tháp là 0,055%

Sau khi hỗn hợp đi vào tháp lượng H2O còn lại ra khỏi tháp là:

Suy ra lượng nước rơi xuống đáy tháp = 0,00045 - 0,00032= 0,00013(m 3 /h)

Suy ra phần mol của khi CO2 đi ra ở đỉnh tháp:

Phần mol tương đối của CO2 đi ra ở đỉnh tháp 0.0468 0.0491

● Xác định X c : Chọn X c = 1,405.10 -5 (kmol/kmol) sau đó kiểm nghiệm lại

Từ các kết quả tính ta có bảng sau:

Bảng 3.7: Nồng độ khí CO 2

Các thông số Phần mol tương đối Đơn vị

Y đ =YCO 2 0.284 kmol/kmol khí trơ

Lượng khí trơ được xác định theo công thức sau:

Và phương trình cân bằng vật liệu là:

Từ đây ta xác định được lượng dung môi cần thiết là: c d c d tr x X X

Do đó lượng dung môi thích hợp là

995,867 = 3,86(m 3 /h) (khối lượng riêng của nước ở 25 o C = 995,867 kg/m 3 )

 Lập phương trình đường làm việc

Nếu ta viết phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kỳ nào đó với phần trên của thiết bị thì ta có:

Từ đây rút ra: d tr x c tr x X

Lượng dung môi, lượng khí trơ, cũng như nồng độ đầu và nồng độ cuối là những đại lượng không đổi nên phương trình trên là phương trình đường thẳng có dạng:

A   và B18, 45 Vậy phương trình đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ là:

Bảng 3.8: Cân bằng vật chất của tháp hấp thụ

Thành phần và lưu lượng vào tháp Thành phần và lưu lượng ra khỏi tháp

Khí sạch dùng cho gia đình

Dung môi H 2 O 3,86 Sán phẩm đáy

3.2.2.6 Tính số đĩa lý thuyết

Sử dụng phần mềm PROII 7.0 để xác định số đĩa lý thuyết với các thông số như sau:

Lưu khí lượng vào: 0,7 m 3 /h Áp suất vào: 1,0706 bar, đây chính là áp suất tại đầu ra của thiết bị hấp phụ

Lượng nước còn lại đi ra khỏi đỉnh là 0,000197 (m 3 /h) ứng với nồng độ phần mol của nước là 0,00055 Áp suất dư tại đầu ra của thiết bị hấp phụ là ΔH = 0,585 m (cột nước) ΔH = 0,585.1000.9,81 = 5738,85 (N/m 2 ) Áp suất tuyệt đối P = 5738,85 + 101354 = 107092.85 (N/m 2 ) Áp suất tính theo mmHg là ΔHHg = 43 33

 (mmHg) Áp suất tuyệt đối tính theo mmHg là PHg = ΔHHg + 760 (mmHg)

= 43,033 + 760 = 803,0326 (mmHg) = 1,057 (atm) = 1,0706 (bar) đây chính là áp suất vào tháp hấp thụ

Sau khi chạy PROII 7.0 Dựa vào kết quả ở ta có số đĩa lý thuyết là 6 đĩa

3.2.2.7 Tính vận tốc của khí đi trong tháp

Chọn kích thước đệm: Vđ = 0,76 (m 3 /m 3 ) và đ = 165 (m 2 /m 3 ) [9, tr193] Đối với tháp đệm thường làm việc ở chế độ thích hợp tốc độ của khí có thể xác định theo [9, tr 188]

 4 là đường kính tương đương của đệm, m

 x ,  y : Lần lượt là khối lượng riêng của pha lỏng và khí ở 25 o C, kg/m 3

V d : Thể tích tự do của đệm, m 3 /m 3

d: Bề mặt riêng của đệm, m 2 /m 3

 y : Độ nhớt của pha khí ở 25 0 C, Ns/m 2

G x , G y : Lưu lượng lỏng và hơi, kg/s

(m/s) Lúc đó vận tốc sặc kí hiệu là s = 1,2.y’ = 0,04.1,2 = 0,048 (m/s)

3.2.2.8 Tính chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ h tđ

Chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ htđ được tính theo [9, tr168]

Số đĩa lý thuyết của thiết bị là 6, giá trị này được xác định bằng công cụ PROII

Tính toán kinh tế

Tính toán hiệu quả kinh tế khi đưa mô hình vào sử dụng:

Khi mô hình biogas gia đình công suất 10m 3 hoàn thành và đưa vào sử dụng kinh tế hộ gia đình sẽ mang lại những hiệu quả:

 Với hầm biogas composite 10m 3 , chi phí xây dựng khoảng 10-12 triệu đồng, sản xuất ra khoảng 500 m 3 biogas/ năm Luợng khí này đủ để cung cấp cho nhu cầu đun nấu và chiếu sáng cho hộ gia đình 5-6 người Trung bình mổi tháng tiết kiệm đuợc từ 500-600 ngàn tiền, tính ra 1 năm tiết kiệm khoảng từ 6-7 triệu

 Vì sử dụng ở quy mô gia đình, hầm 10m 3 có thể dùng khí biogas sinh ra để chạy máy phát điện cỡ nhỏ phục vụ cho sinh hoạt và sản xuất gia đình mổi tháng kiệm đuợc khoảng 200-300 ngàn

 Nếu tính lượng củi sử dụng 1 năm khoảng 2 tấn củi tương đuơng mỗi năm bảo vệ khoảng 800m 2 rừng, góp phần bảo vệ môi truờng tránh đuợc nạn chặt phá rừng

 Tổng chi phí mà một hộ gia đình tiết kiệm đuợc trong 1 tháng khi dùng hầm biogas composite từ 700-900 ngàn Như vậy, trong hơn 1 năm thì hộ gia đình sẽ thu hồi lại đuợc vốn đầu tư ban đầu để xây dựng hệ thống trên

Ngoài ra sử dụng hệ thống biogas composite mau thu hồi đuợc vốn đầu tư ban đầu còn mang lại lợi ích về kinh tế lâu dài Thời gian sử dụng (30-50 năm) Nếu dùng hầm xây bằng gạch tốn chi phí xây dựng nhiều lần do hầm gạch dễ bị hư, sụt lún

Hiệu suất sinh khí lại không cao

Chất thải sau quá trình lên men đã đuợc tiêu diệt các mầm bệnh, xử lý bớt mùi hôi nên có thể dủng để tứơi cây, tưới rau rất tốt từ đó mang lại thêm nguồn thu trong trồng trọt, thúc đẩy phát triển kinh tế gia đình

Mô hình biogas gia đình vừa đem lại hiệu quả kinh tế vừa giúp giải quyết các vấn đề môi truờng do chất thải chăn nuôi đã mở ra hướng mới cho các hộ gia đình Từ đó cần nhân rộng mô hình biogas composite

Tiêu đề	Thiết kế hệ thống Biogas cung cấp cho hộ gia đình
Tác giả	Trần Tuyết Hạnh
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Thanh Thiện
Trường học	Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu
Chuyên ngành	Cơng nghệ kĩ thuật Hĩa học
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp đại học
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Bà Rịa - Vũng Tàu

Định dạng
Số trang	73
Dung lượng	1,98 MB