công nghệ xử lý khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU Giáo viên giảng dạy: PGS.TS Phạm Xuân Núi XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ Khái niệm Hấp thụ khí bằng chất lỏng là quá trình chuyển cấu tử khí từ pha khí vào trong pha lỏng thông qua quá trình hòa tan chất khí trong chất lỏng khi chúng tiếp xúc với nhau. Phân loại Hấp thu vật lý: không tương tác hóa học là quá trình thuận nghịch. Hấp thu hoá học: có phản ứng hóa học

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU

Giáo viên giảng dạy: PGS.TS Phạm Xuân Núi

HÀ NỘI, 8 - 2009

XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG

PHÁP HẤP THỤ

Hấp thụ - Absorption

Khái niệm

Hấp thụ khí bằng chất lỏng là quá trình chuyển cấu tử khí từ pha khí vào trong pha lỏng thông qua quá trình hòa tan chất khí trong chất lỏng khi chúng tiếp xúc với nhau.

 Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễm thể khí trong khối khí thải đến bề mặt của dung dịch hấp thụ.

 Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của dung dịch hấp thụ.

 Khuếch tán chất khí đã hòa tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu trong lòng chất lỏng hấp thụ.

 Hấp thu đẳng nhiệt

Có giải nhiệt

 Hấp thu không đẳng nhiệt

Tỏa nhiệt Đoạn nhiệt

 Hiệu ứng nhiệt của quá trình hấp thụ tra trong sổ tay hoá

lý hoặc tính theo phương trình.

 Nhiệt của phản ứng hoà tan

Cơ chế của quá trình có thể chia thành 3 bước

 Xử lý khí ô nhiễm

 Lưu lượng khí cần xử lý lớn

 Nồng độ chất ô nhiễm không quá nhỏ

 Thường xử lý SOx, HCl, H2S, HF, Cl2, NOx, axeton,…

 Áp dụng phương pháp này trong quá trình xử

lí khí thải sẽ đạt hiệu quả kinh tế cao

 Thu hồi được các chất để tuần hoàn hoặc chuyển sang các công đoạn sản xuất khác.

Ứng dụng

Phụ thuộc vào các yếu tố

PHÂN LOẠI THIẾT BỊ HẤP THỤ

Phân loại theo dòng chảy

Ngược dòng

Giao dòng - Crossflow

Tháp phun

o Tháp có dạng hình trụ đặt thẳng đứng, được sử dụng trên nguyên tắc tạo ra sự tiếp xúc giữa chất ô nhiễm và dòng nước phun Dung dịch hấp thụ được phun thành giọt nhỏ xuyên qua dòng khí bốc lên trong thể tích rỗng của thiết bị

THÁP PHUN

Tháp phun rỗng Tháp phun dạng đĩa quay Jet tower

Tháp đệm

Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo

ra bề mặt ướt của lớp vật liệu đệm cho dòng khí từ dưới đi lên

Khó khăn trong khâu rửa vật liệu đệm

Dễ gây tắc nghẽn vật liệu đệm do tích tụ cặn, làm tăng trở lực quá trìnhhấp thụ

Phân phối dung dịch hấp thụ phải đều khắp tiết diện tháp

CÁC LOẠI THIẾT BỊ HẤP THỤ

Tháp mâm

Tháp hình trụ thẳng đứng, trong có gắn các mâm có cấu tạo khác nhau, trên đó pha lỏng và pha khí được cho tiếp xúc với nhau Quá trình chung của cả tháp là sự tiếp xúc pha nghịch dòng mặc dù trên mỗi mâm hai pha khí và lỏng tiếp xúc giao dòng

Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâmchóp Tháp mâmvan

THÁP MÂM

Ưu điểm

o Có thể sử dụng cho cả quá trình chưng cất lẫn hấp thụ

o Hiệu suất không thay đổi nhiều theo lưu lượng hơi

Nhược điểm

o Khi vận tốc khí lớn có thể gây nên sự lôi cuốn cơ học các giọt lỏng trongdòng hơi từ mâm dưới lên mâm trên làm giảm sự biến đổi nồng độ tạo nênbởi quá trình truyền khối, làm giảm hiệu suất

o Ngoài ra còn tạo độ giảm áp lớn cho pha khí làm tăng công suất máynén khí cho tháp

Sơ đồ hệ thống xử lí SO2 bao gồm 2 giai đoạn:

Hấp thụ khí SO2 bằng cách phun nước vào dòng khí thải hoặc chodòng khí thải đi qua lớp vật liệu đệm rỗng có tưới nước Quá trìnhhấp thụ SO2 bằng nước diễn ra theo phương trình:

SO2 + H2O  H+ + HSO3

- Giải thoát SO2 ra khỏi chất

o Ưu điểm

Cấu tạo đơn giản

Có thể thu hồi SO2 dùng cho các mục đích khác (sản xuất axít H2SO4)

o Nhược điểm

Cần lưu lượng nước lớn, thiết bị hấp thụ có thể tích lớn

Loại SO2 ra khỏi dung dịch thực hiện bằng cách đun nóng

nó đến 1000 C, cần chi phí nhiệt lớn.

Xử lý SO 2

Xử lý SO2

Hấp thụ bằng huyền phù CaCO 3 (thành phần rắn:lỏng = 1:10, kíchthước hạt CaCO3 0,1mm) diễn ra theo các giai đoạn:

Ca(HSO4)2 + 2CaSO3 = Ca(HSO3)2 + 2CaSO4

Ca(HSO4)2 + 2CaCO3 = Ca(HCO3)2 + 2CaSO4

Ca(HSO4)2 + Ca(HSO3)2 = 2CaSO4 + H2SO3

CaSO3 +0,5H2O = CaSO3.0,5H2O

CaSO4 + 2H2O = CaSO4.2H2O

Xử lý SO2

MgO + SO2 = MgSO3

MgO + H2O = Mg(OH)2

MgSO3 + SO2 + H2O = Mg(HSO3)2

Mg(OH)2 + Mg(HSO3)2 = 2MgSO3 + 2H2O

Hấp thụ bởi oxit – magie hydroxit

(Tỉ lệ rắn:lỏng trong huyền phù là 1:10, pH = 6,8 – 7,5) SO2 được hấpthụ bởi oxit – magie hydroxit, tạo thành tinh thể ngậm nước MgSO3

Độ hòa tan của sunfit magie trong nước bị giới hạn, nên lượng dư ởdạng MgSO3.6H2O và MgSO3.3H2O rơi xuống thành cặn lắng

2MgSO3 + O2 = 2MgSO4

Sự hình thành MgSO4 không có lợi cho việc tái sinh MgO nên cần hạnchế phản ứng trên bằng cách giảm thời gian tiếp xúc giữa pha khí vàpha lỏng hoặc dùng hóa chất giảm tính oxi hóa

Tái sinh MgO

Thực hiện trong lò nung ở nhiệt độ 9000C với xúc tác là than cốc

Ưu điểm

Có thể xử lý khí nóng không cần làmnguội sơ bộ

Thu được sản phẩm tận dụng sản xuất axit sunfuric

MgO sẵn có, rẻ tiền, hiệu quả xử lý cao

Hấp thụ bởi oxit – magie hydroxit

Tái sinh ZnO

Nung sunfit ở nhiệt độ 3500C

Xử lý SO2

Nếu dùng soda phản ứng xảy ra:

Na2CO3 + SO2 = Na2SO3 + CO2

Na2SO3 + SO2 + H2O= 2NaHSO3Khí tham gia phản ứng với sunfit và bisunfit làm tăng nồng độ bisunfit

SO2 + NaHCO3 + Na2SO3 + H2O = 3NaHSO3Dung dịch hình thành tác dụng với oxit kẽm tạo thành sunfit kẽm

NaHSO3 + ZnO = ZnSO3 + NaOH

Ưu điểm

Ứng dụng chất hấp thụ hóa học không bay hơi, có khả năng hấp thụ lớn.Ứng dụng để loại SO2 ở các nồng độ khác nhau

Hấp thụ bởi dung dịch amoniac (sunfit – bisunfit amon)

ở 1000C

N2O3 + H2O2 = N2O4 + H2O

N2O4 + H2O= HNO3 + HNO2Quá trình hấp thụ NOx thành HNO3 tăng theo độ tăng nồng độ axit và ápsuất riêng phần của NOx Để thúc đẩy quá trình có thể dùng chất xúctác, hiệu quả xử lý đạt 97%

Khi hấp thụ N2O3 hoạt độ của dung dịch kiềm giảm theo thứ tự:

KOH > NaOH > Ca(OH)2 > Na2CO3 > K2CO3 > Ba(OH)2 > NaHCO3 >KHCO3 > MgCO3 > BaCO3 > CaCO3 > Mg(OH)2

Sử dụng dung dịch Na2S2O3, NaHCO3, (NH2)2CO sẽ tạo thành N2:

Na2S2O3 + 6NO= 3N2 + 2Na2SO4 + 2SO22NaHSO3 +2NO = N2 + 2NaHSO4

2(NH2)2CO+ 6NO = 5N2 + 4H2O + 2CO2

Hấp thụ chọn lọc

Ở nhiệt độ cao hơn 2000C, NO liên kết với NH3 theo phản ứng:

4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2OAxit sunfuric sẽ hấp thụ NO2 và N2O3

H2SO4 + 2NO2 = HNSO5 + HNO22H2SO4 + N2O3 = 2HNSO5 + H2OKhu đun nóng hoặc pha loãng bằng nước HNSO5 sẽ sinh ra NOx:

HNSO5 + H2O= 2H2SO4 + NO + NO2Tương tác giữa NOx với chất hấp thụ hiệu quả nhất ở nhiệt độ 20 – 400C

Khí thải chứa đồng thời SO2 và NO2 sinh ra khi đốt cháy nhiên liệu có chứa lưu huỳnh.

Xử lý đồng thời SOx và NOx sử dụng dung dịch hấp thụ là dung dịch kiềm hoặc huyền phù.

Hiệu quả xử lý:

SO2 khoảng 90%

NOx khoảng 70 – 90%

Phương pháp hấp thụ đồng thời NOx, SO2

-3SiF4 + 2H2O = 2H2SiF6 + SiO2Thu được H2SiF6 10 – 22% dùng sản xuất SiO2, CaF2, AlF, NaF, Na3AlF6.

Hiệu quả xử lý 90 – 95%

Xử lý halogen và các hợp chất của chúng

Các phản ứng xảy ra:

HF + (NH4)2CO3 = 2NH4F + CO2 + H2O

HF + NH4HCO3 = NH4F+ CO2 + H2O

HF + NH3 = NH4F 2SiF4 + 2NaF = Na2SiF6

NH4F được xử lý như sau:

2NH4F +Na2CO3 = (NH4)2CO3 + NaF (NH4)2CO3 + H2O = 2NH4OH + CO2

NH4OH = H2O + NH3NaF là chất rắn được tách ra bằng lắng, lọc.

Xử lý halogen và các hợp chất của chúng

Hấp thụ bằng dung dịch muối amoni

Hấp thụ bằng dung dịch K 2 CO 3

Phản ứng hấp phụ

HF + K2CO3 → 2KF + CO2 + H2OPhản ứng phục hồi chất hấp thụ:

Xử lý clo và hydro clorua

Hấp thụ clo với các dung dịch kiềm

Cl2 + 2NaOH → NaOCl +NaCl + H2O 2Ca(OH)2 + 2Cl2 → CaCl2 + Ca(OCl)2 + H2O

Na2CO3 +Cl2 + H2O → NaCl + NaOCl + CO2 + H2O Dung dịch NaOH được dùng với hàm lượng 100 – 150g/l

Huyền phù Ca(OH)2 là 100 – 110g/l

Hấp thụ clorua hydro bằng dung dịch kiềm và nước:

Sử dụng NaOH, Ca(OH)2 hoặc Na2CO3 để hấp thụ HCl

Nhược điểm khi dùng nước hấp thụ bằng nước tạo sương

mù các giọt axit lỏng, hiệu quả thu hồi không cao.

Xử lý halogen và các hợp chất của chúng

Xử lý CO

Hấp thụ bằng [Cu(NH 3 ) m (H 2 O) n ] +

[Cu(NH3)m(H2O)n]+ + xNH3 + yCO = [Cu(NH3)m(CO)y(H2O)n]+ + Q

Thường tồn tại ở dạng hóa trị 1

Dung dịch có tính kiềm yếu nên đồng thời hấp thụ CO2

2NH4OH + CO2 = (NH4)2CO3 + H2O(NH4)2CO3 + CO2 + H2O = 2NH4HCO3

Rửa Nitơ lỏng

Đây là quá trình hấp thụ vật lý Quá trình ứng dụng trong côngnghiệp nitơ

Xử lý COx

Hấp thụ bằng dung dịch clorua đồng, nhôm

Ứng dụng khi trong khí thải có O2 và lượng lớn CO2

Hấp thụ hóa học CO bằng dung dịch có nồng độ 20 – 50% CuAlCl4

và 89 -90% toluen

Quá trình thấp thụ:

CuCl2 + AlCl3 + 2C6H5CH3 → (CuAlCl4)(C6H5CH3)2(CuAlCl4)(C6H5CH3)2 + 2CO → (CuAlCl4).2CO + 2C6H5CH3

Hơi nước trong khí thải có thể phá hủy phức sinh ra HCl

2CuAlCl4 + H2O → 2HCl + CuCl + CuAlCl4.AlOCl Cần sấy khô khí trước khi xử lý

Xử lý CO

Hấp thụ bằng dung dịch etanolamin

Quá trình thấp thụ

2RNH2 + CO2 + H2O = (RNH3)2CO3(RNH3)CO3 + CO2 + H2O = 2NH3HCO32RNH2 + CO2 = RNHCOONH3R

Dung dịch hấp thụ được phục hồi bằng cách đun nóng

Ưu điểm: Giá rẻ, khả năng phản ứng cao, ổn định, dễ phục hồi.

Nhược điểm: Áp suất hơi cao và dung dịch tham gia phản ứng không

thuận nghịch với COS

Xử lý CO2

Hấp thụ bằng dung dịch amoniac

Quá trình thấp thụ

2NH3 + CO2 =NH2COONH4

NH3 + CO2 + H2O = 2NH4HCO32NH3 + CO2 + H2O= (NH4)CO3Ứng dụng xử lý khí thải chứa 30% CO2.

Ưu điểm: Cho phép giảm nồng độ CO2 từ 34% còn 0,015%

trong khi tổng hợp NH3.

Dung dịch hấp thu được thu hồi bằng cách đun nóng.

Xử lý CO2

Hấp thụ bằng dung dịch kiềm

Thường sử dụng chất hấp thụ là Na2CO3

Quá trình thấp thụ:

Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3Vận tốc hấp thụ nhỏ, để tăng vận tốc hấp thụ thường dùng xúc tác là: metanol, etanol, đường,…

Dung dịch được hoàn nguyên bằng cách đun nóng bằng hơi nước.

Để tăng hiệu quả hấp thụ, cho vào dung dịch hấp thụ một lượng dư NaOH.

Xử lý CO2

Hấp thụ bằng nước

Phương trình phản ứng

CO2 + H2O → H+ + HCO3

-Sử dụng trong công nghiệp để xử lý khí có áp suất cao

Khả năng hấp thụ của nước cao khi áp suất riêng phần của CO2 là 3 – 4at

Phương pháp cacbonat

Hấp thụ bởi dung dịch Na2CO3 hoặc K2CO3

Phương trình phản ứng

Me2CO3 + H2S = MeHCO3 + MeHSPhục hồi: MeHS + CO2 + H2O= MeHCO3 + H2S

Độ hòa tan của K2CO3, Na2CO3, NaHCO3, KHCO3 khác nhau nên để hấp thụ

sử dụng dung dịch có nồng độ khác nhau

K2CO3 tan nhiều trong nước nên được sử dụng với nồng độ cao

Hấp thụ H2S

Phương pháp kiềm – asen

Dung dịch kiềm– asen tạo thành theo phản ứng:

2Na2CO3 + As2O3 + H2O = 2Na2HAsO3 + 2CO2

Phương trình phản ứng

2Na2HAsO3 + H2S = Na4As2S5 + 6H2O

Na4As2S5 + O2 = Na4As2S5O2

Na4As2S5O2 + H2S = Na2As2S6O + H2O Phục hồi dung dịch bằng oxi của không khí

Na2As2S6O + O2 = 2Na4As2S5O2 + 2S Hấp thụ H 2 S

Phương pháp kiềm – asen

Các phản ứng diễn ra trong tháp hấp thụ

Na2CO3 + H2O = NaOH + NaHCO3

Na2CO3 + H2S = NaHS + NaHCO3

Na2CO3 + 2H2S = 2NaHS + CO2 + H2ONaOH + H2S = NaHS + H2O

Phương pháp soda – sắt

Hấp thụ H2S bằng huyền phù hydroxit sắt II và III

Huyền phù đều chế bằng cách trộn dung dịch 10% Na2CO3 với dungdịch 18% sunfat sắt

Hấp thụ H 2 S

Phương pháp soda – sắt

FeSO4 + Na2CO3 + H2O → Fe(OH)2 + Na2SO4 + CO2Cho không khí qua dung dịch để oxi hóa sắt (II) thành sắt (III)

4Fe(OH)2 + O2 + H2O → 4Fe(OH)3Hấp thụ H2S theo các phản ứng:

H2S + Na2CO3 → NaHS + NaHCO33NaHS + 2Fe(OH)3 → Fe2S3 + 3NaOH + 3H2O3NaHS + 2Fe(OH)3 → 2FeS + S + 3NaOH + 3H2O

Để tái sinh dung dịch, cho không khí qua nó:

2Fe2S3 + 6H2O + 3O2 → 4Fe(OH)3 + 6S4FeS + 6H2O + 3O2 → 4Fe(OH)3 + 4SNaHCO3 + NaOH → Na2CO3 + H2O2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2Khi tái sinh, 70% H2S chuyển thành phân tử S, phần còn lại (ở dạngNaSH) bị oxi hóa thành Na2S2O3 và H2O

2NaHS + 2O2 → Na2S2O3 + H2O

Hấp thụ H 2 S

Phương pháp hydroquinon – kiềm

Hấp thụ H2S bằng dung dịch kiềm – hydroquinon (là chất xúc tác)

Quá trình diễn ra như sau:

H2S + Na2CO3 → NaHS + NaHCO3NaHS + H2O → S + NaOH

Ở nhiệt độ 25–400C phản ứng từ trái sang phải, 1050C phản ứng theochiều ngược lại.

Hấp thụ H 2 S

Xử lý khí thải lò hơi

Giải pháp:

Tăng cường hiệu quả đốt → tiết kiệm nhiên liệu đồng thời làmgiảm NOx SO2 được xử lý bằng phương pháp hấp thụ, dung dịch hấp thụthường (NaOH, Na2CO3), dung dịch ban đầu có pH 11-12, khi pH < 5 bổsung thêm hóa chất

Hiệu quả xử lý đối với SO2 trong công trình thực tế > 90%

Một số hệ thống xử lý khí thải đơn giản

o Cân bằng vật chất - mass balance

o Lưu lượng lỏng, nồng độ pha lỏng

o Động học: đường làm việc – operating line

o Kích thước thiết bị: đường kính, chiều cao

o Trở lực của thiết bị để tính thiết bị phụ như bơm, quạt…

Tính toán thiết bị hấp thụ

o Lựa chọn dung môi hấp thụ

o Đường cân bằng và đường làmviệc.

o Lượng dung môi cần thiết.

o Số đơn vị truyền khối và chiều cao một đơn vị truyền khối cột đệmhoặc xác định số mâm