Thiết kế tháp đệm dùng để hấp thu khí SO2 bằng nước(Nội dung)

Trong đồ án này sẽ đi khảo sát một phương án: Xử lý S)2 bằng phương pháp hấp thu với dung môi là nước. Nhằm tìm hiểu xem quá trình xử lý có đạt hiệu quả và kinh tế không, để có thể đưa vào hệ thống xử lý khí thỉa trong các ngành sản xuất công nghiệp và sinh hoạt.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG LỜI MỞ ĐẦU Hiện , phát triển nghành công nghiệp tạo sản phẩm phục vụ người , đồng thời tạo lượng chất thải vô lớn làm phá vỡ cân sinh thái gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Trong loại ô nhiễm , ô nhiễm không khí ảnh hưởng trực tiếp đến người , động vật , thực vật công trình xây dựng Sức khỏe tuổi thọ người phụ thuộc nhiều vào độ môi trường Vì , năm gần ô nhiễm không khí từ nghành sản xuất công nghiệp nước ta vấn đề quan tâm không nhà nước mà toàn xã hội mức độ nguy hại lên đến mức báo động SO2 chất ô nhiễm không khí sản sinh nhiều nghành sản xuất công nghiệp sinh hoạt Việc xử lý SO2 có nhiều phương pháp khác Phương pháp áp dụng để xử lý tùy thuộc vào hiệu tính kinh tế phương pháp Ví , đồ án môn học với nhiệm vụ thiết kế tháp đệm hấp thu SO2 phương án ghóp phần vào việc xử lý khí thải ô nhiễm Trong đồ án khảo sát phương án : Xử lý SO2 phương pháp hấp thu với dung môi nước Nhằm tìm hiểu xem trình xử lý có đạt hiệu kinh tế không , để đưa vào hệ thống xử lý khí thải nghành sản xuất công nghiệp sinh hoạt Nội dung khảo sát : thiết kế tháp đệm xử lý SO2 với suất 2000m3/h , nồng độ SO2 dòng khí đầu vào 1% thể tích , nồng độ SO2 dòng khí đầu đạt tiêu chuẩn loại A (1500mg/m3) thải vào môi trường Em xin chân thành biết ơn cô Cao Thị Nhung , thầy cô môn Máy & Thiết bị tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đồ án môn học SVTH : Nguyễn Duy Nghóa ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG CHƯƠNG I PHẦN A MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2 I.1 Tính chất hóa lý SO2 : SO2 chất khí không màu, mùi kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan nước (ở điều kiện bình thường thể tích nước hòa tan 40 thể tích SO2) Khi hoà tan nước tạo thành dung dịch sunfurơ tồn dạng : chủ yếu SO2.nH2O phần nhỏ H2SO3 SO2 có nhiệt độ nóng chảy – 750 C nhiệt độ sôi – 100C Nguyên tử S phân tử SO2 có cặp electron hóa trị tự linh động trạng thái oxy hóa trung gian (+4) nên SO2 tham gia phản ứng theo nhiều kiểu khác nhau: - Cộng không thay đổi số ôxy hóa : SO2 + H2O = H2SO3 -Thực phản ứng khử : o SO2 + 2CO 500 C 2CO2 + S  -Thực phản ứng oxy hóa : V2 O5 SO2 + O2 o SO3 t SO2 + Cl2 + H2O = H2SO4 + HCl Trong môi trường không khí , SO2 dễ bị ôxy hóa biến thành SO3 khí SO3 tác dụng với H2O môi trường ẩm biến thành acid muối sunfat Chúng nhanh chóng tách khỏi khí rơi xuống gây ô nhiểm môi trường đất môi trường nước I.2 Tác hại khí SO2 : -SO2 khí thải công nghiệp thành phần gây ô nhiểm không khí Nồng độ cho phép khí SO2 có môi trường xung quanh nhỏ( H+ + HSO3Do độ hòa tan SO2 nước thấp nên phải cần lưu lượng nước lớn thiết bị hấp thụ tích lớn + Hấp thụ huyền phù CaCO3 Ưu điểm phương pháp quy trình công nghệ đơn giản chi phí hoạt động thấp, chất hấp thụ dể tìm rẽ, có khả xữ lý mà không cần làm nguội xử lý sơ Nhược điểm: thiết bị đóng cặn tạo thành CaSO4 CaSO3 + Phương pháp Magie (Mg): SVTH : Nguyễn Duy Nghóa ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG SO2 hấp thụ oxit – hydroxit magie, tạo thành tinh thể ngậm nước Sunfit magie Ưu điểm : làm khí nóng , không cần lọc sơ bộ, thu sản phẩm tận dụng H2SO4 ; MgO dể kiếm rẻ , hiệu xử lý cao Nhược điểm :vận hành khó, chi phí cao tốn nhiều MgO + Phương pháp kẽm : phương pháp chất hấp thụ kẽm SO2 + ZnO + 2,5 H2SO4 > ZnSO3 + H2O Ưu điểm :của phương pháp khả xử lý nhiệt độ cao (200 – 250 C) Nhược điểm : hình thành ZnSO4 làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi kinh tế nên phải thường xuyên tách chúng bổ sung thêm ZnO + Hấp thụ chất hấp thụ sở Natri : Ưu điểm : phương pháp ứng dụng chất hấp thụ hóa học không bay, có khả hấp thụ lớn + Phương pháp Amoniac : SO2 hấp thụ dung dịch Amoniac dung dịch Sunfit-biSunfit amôn Ưu điểm : phương pháp hiệu cao, chất hấp thụ dễ kiếm , thu sản phẩm cần thiết (Sunfit biSunfit amon) + Hấp thụ hổn hợp muối nóng chảy: Xử lý nhiệt độ cao dùng hổn hợp Cacbonat kim loại kiềm có thành phần sau: LiCO3 32%, Na2CO3 33%, K2CO3 35% + Hấp thụ Amin thơm : Để hấp thụ SO2 khí thải luyện kim màu (nồng độ SO2 khoảng 1-2% thể tích) Người ta sử dụng dung dịch: C6H3(CH3)2 NH2 (tỉ lệ C6H3(CH3)2 NH2 : nước = 1- 1) C6H3(CH3)2 NH2 không trộn lẩn với nước liên kết với SO2 tạo thành (C6H3(CH3)2 NH2)2 SO2 tan nước I.4.2 Phương pháp hấp phụ : SO2 giữ lại bề mặt chất rắn , thu dòng khí qua bề mặt rắn Chất hấp phụ công nghiệp than hoạt tính , silicagen , zeonit ionit (chất trao đổi ion) Nhược điểm : cần thiết phải tái sinh chất hấp phụ để thu hồi cấu tử bị hấp phụ phục hồi khả hấp phụ chất hấp phụ Chi phí tái sinh chiếm khoảng 40 – 70% tổng chi phí trình làm khí I.4.3 Xử lý SO2 phương pháp nhiệt xúc tác : Bản chất trình xúc tác để làm khí thực tương tác hóa học , nhằm chuyển hóa tạp chất độc thành sản phẩm khác với có mặt chất xúc tác đặt biệt SVTH : Nguyễn Duy Nghóa ĐỒ ÁN MÔN HỌC PHẦN B GVHD : CAO THỊ NHUNG QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ I.5 Chọn qui trình công nghệ : Chọn nguồn xử lý khí từ ống khói nhà máy sản xuất acid H2SO4 Khí xử lý sơ trước vào tháp Chọn dung môi hấp thu nước nước dung môi hấp thu rẻ tiền , dễ tìm , không ăn mòn thiết bị Tháp hấp thu tháp đệm nên dung môi hấp thu nước để không tạo cặn lắng làm cản trở dòng khí lỏng I.6 Thuyết minh qui trình công nghệ : Dòng khí thải từ nhà máy thải xử lý sơ Sau quạt thổi qua lưu lượng kế đo lưu lượng vào tháp đệm thực trình hấp thu Tháp hấp thu làm việc nghịch dòng Dung môi hấp thu nước Nước từ bể chứa bơm lên bồn cao vị Sau qua lưu lượng kế đo lưu lượng dòng chảy vào tháp hấp thu , nước chảy từ xuống Khí SO2 thổi từ đáy tháp lên , trình hấp thu thực Khí sau hấp thu đạt TCVN thải phát tán môi trường Dung dịch nước sau hấp thu cho chảy vào bể chứa thực trình trung hòa thải môi trường CHƯƠNG II TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ II.1 Các thông số ban đầu : SVTH : Nguyễn Duy Nghóa ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Lưu lượng khí thải : 2000 m3/h Nồng độ SO2 ban đầu 1% thể tích Nồng độ SO2 sau xử lý đạt tiêu chuẩn loại A :1500 mg/m3 Chọn nhiệt độ nước hấp thu 30oC II.2 Tính cân vật chất : Phương trình cân dung dịch hấp thu SO2 H2O biểu diễn theo định luật Henri : P = H*x H hoaëc y*  P =m*x t Trong : y* : nồng độ phân mol SO2 dòng khí điều kiện cân x : nồng độ phân mol khí hòa tan pha lỏng P : áp suất riêng phần cấu tử khí hòa tan cân Pt : áp suất tổng hệ hấp thu H : hệ số Henry Ở 30oC : H = 0.0364*106 (mmHg) [2,Bảng IX.1,p.139] m : hệ số phân bố H 0.0364 * 10 =47.894 760 Y X y =1Y x = 1 X X Y* Thay vaøo ta : * =m * 1 X 1Y mX 47.894 * X Suy : Y* =  (1  m) X =  (1  47.894) X m= P = t Trong : X: Y: Từ phương trình đường cân ta có số liệu đường cân bằng: X Y* 0.0000 0.0038 0.000 0.0001 0.0001 0.0001 0.000 0.004 0.0063 0.0072 0.0087 0.009 Từ số liệu đường cân ta vẽ đường cân : SVTH : Nguyễn Duy Nghóa 0.0002 0.0121 0.000 0.014 6 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Y* Đồ Thị Cân Bằng Của Dung Dịch Hấp Thu SO Bằng nước 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 X 0 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 Nồng độ thể tích ban đầu dòng khí : = 1% = 0.01 Nồng độ đầu pha khí theo tỷ số mol : yd =  y = 0.0101 (KmolSO2/Kmolkhítrơ) d Nồng độ cuối pha khí theo tỷ số mol : 64( g / mol ) Yc = 1at 1( m ) * 10 (lit / m ) * ( 273  30) o K o 0.082(lit at / mol K ) 1.5( g ) * Yc =0.000582 (KmolSO2/Kmolkhítrơ) Hấp thu SO2 nước , chọn dung môi vào tháp nên : Xđ = Với Xđ : nồng độ đầu pha lỏng , KmolSO2/KmolH2O Lượng dung môi tối thiểu sử dụng : Y  Yc Lmin  d* Gtr X  Xd Gtr : suất lượng dòng khí trơ hỗn hợp X* : nồng độ pha lỏng cân tương ứng với Xđ Từ đồ thị đường cân ta xác định : SVTH : Nguyễn Duy Nghóa ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG X* = 0.00021 (KmolSO2/KmolH2O) Lmin 0.0101  0.000582 Suy : G  0.00021  = 45.324 tr Chọn Ltr = 1.2*Lmin Với Ltr : lượng dung môi không đổi vận hành , kmol/h Ltr Lmin Suy : G 1.2 * G = 1.2*45.324 = 54.3888 tr tr Lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp haáp thu : PV * 2000 Ghh= RT  0.082 * (273  30) 80.496 (Kmol/h) Suất lượng dòng khí trơ hỗn hợp : Gtr = Ghh*(1- ) = (1-0.01)*80.496 = 79.691 (Kmol/h) Suất lượng dung môi làm vieäc : Ltr = 54.3888*Gtr = 54.3888*79.691 = 4334.298 (KmolH2O/h) Phương trình cân vật chất có dạng ; Gtr* + Ltr*Xñ = Gtr*Yc + Ltr*Xc L Y Y tr d c Suy : G  X  X tr c d Yd  Yc 0.0101  0.000582 Ltr = 0.000175 (molSO2/KmolH2O) Suy : Xc = 54.3888 Gtr G tr Yc L Gtr Yñ L tr Xc tr Xđ Xc : nồng độ cuối pha lỏng .3 Cân Bằng Năng Lượng : Ký hiệu : Gđ , Gc – lượng hổn hợp khí đầu cuối Lđ , Lc - lượng dd đầu cuối tc , tc – nhiệt độ khí ban đầu cuối , o C SVTH : Nguyễn Duy Nghóa ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Tđ , Tc – nhiệt độ dung dịch đầu cuối , o C Iđ , Ic – entanpi hỗn hợp khí ban đầu cuối , kj/kg Q0 – nhiệt mát , kj/h Phương trình cân nhiệt lượng có dạng : GđIđ + LđCđTđ + Qs = GcIc + LcCcTc + Q0 Với Qs – nhiệt lượng phát sinh hấp thụ khí , kj/h Để đơn giản hoá vấn đề tính toán , ta giả thiết sau : - Nhiệt độ mát môi trường xung quanh không đáng kể , Q0 = - Nhiệt độ hổn hợp khí khỏi tháp nhiệt độ dung dịch vào tháp : tc = tđ = 300C - Tỷ nhiệt dung dịch không đổi suốt trình hấp thu : Cđ = Cc = C H 2O G tr Yc L tr Xñ Gc tc Ic Gtr Yñ L tr Xc Gtr tñ Iñ Lđ Cđ Tđ Lc Cc Tc Trong trình hấp thu phát sinh nhiệt , ký hiệu q nhiệt phát sinh mol cấu tử bị hấp thu , ta có : Qs = q * Ltr * (Xc – Xđ) Với mức độ gần coi q không đổi suốt trình hấp thu: Gd * I d  Ld * C * Td  q * Ltr *  X c  X d  Gc * I c  Lc * C * Tc Ld Gd * I d  Gc * I c q * L Xc  Xd   Hoaëc : Tc  L * t d  Lc * C Lc * C c L d Vì lượng cấu tử hoà tan dung dịch nhỏ nên lấy : L 1 c SVTH : Nguyễn Duy Nghóa ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD : CAO THỊ NHUNG Đồng thời ta bỏ qua mức độ biến đổi nhiệt pha khí , tức : G d I d  G c I c  Như , công thức tính nhiệt độ cuối Tc dung dịch có dạng sau : Tc Td  q * Ltr Xc  Xd  Lc * C Do lượng cấu tử hoà tan dung dịch nhỏ nên : Lđ = Lc = Ltr Tc Td  q  Xc  Xd  C Phương trình hấp thu SO2 dung môi nước SO2 + H2O  H+ + HSO3Theo sổ tay hóa lý , nhiệt sinh : SO2 :  SO = -70.96 (kcal/mol) H2O :  H O = - 68.317 (kcal/mol) H+ :  H = (kcal/mol) 2  HSO3- :  HSO = -12157.29 (kcal/mol) Nhiệt phát sinh mol cấu tử SO2 bị hấp thu : q = (-70.96 - 68.317) – ( – 12157.29) = 12018.013 (kcal/mol) Nhiệt độ cuối dung dịch khỏi tháp :  q  Xc  Xd  C 12018.013 * 4.18 * 10 * 0.000175 = 30.12oC = 30 + 4200 * 18 Tc Td  Như : Tc  Tđ = 30oC Ta xem trình hấp thu đẳng nhiệt II.4 Tính kích thước tháp hấp thu : II.4.1 Các thông số vật lý dòng khí : - Lưu lượng khí trung bình tháp hấp thu : V ytb  V d  Vc Vd , Vc – lưu lượng khí vào khỏi tháp , m3/h Vc = Vtr* ( + Yc ) = Vd * 1  y d  * 1  Yc  2000 * 1  0.01 * 1  0.000582 1981.2 (m3/h) Suy : Vytb = 2000  1981.2 1990.6 (m3/h) KLR trung bình pha khí :  y * M  1  ytb1  * M  * 273  ytb  tb1 22.4 * T Trong : + M1 , M2 : Khối lượng mol SO2 không khí + T : nhiệt độ làm việc trung bình tháp hấp thu T = 300C + ytb1 : nồng độ phần mol SO2 lấy theo giá trị trung bình SVTH : Nguyễn Duy Nghóa 10 ... xử lý khí từ ống khói nhà máy sản xuất acid H2SO4 Khí xử lý sơ trước vào tháp Chọn dung môi hấp thu nước nước dung môi hấp thu rẻ tiền , dễ tìm , không ăn mòn thiết bị Tháp hấp thu tháp đệm. .. vào tháp đệm thực trình hấp thu Tháp hấp thu làm việc nghịch dòng Dung môi hấp thu nước Nước từ bể chứa bơm lên bồn cao vị Sau qua lưu lượng kế đo lưu lượng dòng chảy vào tháp hấp thu , nước... trình hấp thu đẳng nhiệt II.4 Tính kích thước tháp hấp thu : II.4.1 Các thông số vật lý dòng khí : - Lưu lượng khí trung bình tháp hấp thu : V ytb  V d  Vc Vd , Vc – löu lượng khí vào khỏi tháp