Công nghệ thu hồi CO2 từ khói thải

Công nghệ thu hồi CO2 từ khói thải

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHẦN I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH HẤP THỤ Quá trình thu hồi CO 2 dựa trên cơ sở của hai quá trình chuyển khối cơ bản là : Hấp thụ và giải hấp thụ I.1. Khái niệm quá trình hấp thụ Hấp thụ : Là quá trình xảy ra khi một cấu tử pha khí khuếch tán vào pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. - Khí được hấp thụ gọi là chất hấp thụ - Chất lỏng hấp thụ gọi là dung môi hấp thụ Mục đích của quá trình là hòa tan một hay nhiều cấu tử khí vào trong dung môi tạo nên dung dịch các cấu tử trong chất lỏng.Quá trình yêu cầu sự truyền chất từ pha khí vào pha lỏng.Nếu quá trinh xảy ra ngược lại, nghĩa là có sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí ta có quá trình nhả khí.Nguyên lý của hai quá trình là giống nhau. Trong công nghiệp hóa chất, hấp thụ được dùng để : 1) Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí 2) Làm sạch pha khí 3) Tách hỗn hợp thành các cấu tử riêng biệt 4) Tạo thành một dung dịch sản phẩm Quá trình hấp thụ bao gồm hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học - Hấp thụ vật lý : Dựa trên cơ sở là khả năng hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng - Hấp thụ hóa học : Giữa cấu tử trong pha khí và pha lỏng xảy ra phản ứng hóa học. Các quá trình xử lý khí với mục đích tách cấu tử khí ra khỏi hỗn hợp thì lựa chọn dung môi phù hợp phụ thuộc vào các yếu tố sau : * Độ hòa tan tốt, có tính chọn lọc cao cấu tử cần tách. * Độ nhớ dung môi càng bé thì trở lực càng nhỏ và thuận lợi cho quá trình chuyển khối. * Nhiệt dung riêng bé sẽ tiêu tốn ít nhiệt lượng cho quá trình hoàn nguyên dung môi. * Nhiệt độ sôi khác xa so với nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan để có thể dễ dàng tách hoàn toàn cấu tử hòa tan ra khỏi dung môi. * Nhiệt độ đóng rắn thấp để không làm tắc thiết bị * Dung môi ít bay hơi, không độc hại với người, dung môi dễ kiếm, rẻ tiền và không ăn mòn thiết bị. I.2. Cơ sở lý thuyết I.2.1. Cân bằng pha Định luật Herry : Thành phần cân bằng của các pha trong hệ khí – dung dịch lỏng hòa tan khí đối với khí lý tưởng có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ giới hạn của nó được xác định theo nhiệt độ Herry : P = Ψ . x (1) Nghĩa là áp suất riêng phần của khí trên bề mặt thoáng chất lỏng tỷ lệ với phần mol của nó hòa tan trong dung dịch. Trong phương trình trên : x - Là nồng độ phần mol của khí hòa tan trong dung dịch; P – Áp suất riêng phần của khí bên trên bề mặt thoáng chất lỏng Ψ – Hằng số Herry Ψ phụ thuộc vào tính chất của khí và của chất lỏng cũng nhiệt độ và đơn vị áp suất.Nếu nhiệt độ tăng lên thì ψ tăng lên, khả năng hòa tan của khí trong dung dịch giảm. Nếu ta gọi y * i là nồng độ cấu tử i cân bằng khi dung dịch có nồng độ là x i và áp suất chung của hỗn hợp là P thì ta có : P i = y * i . P Thay vào phương trình (1) ta có : y * i . P = Ψ . x i → y * i = (Ψ/P) . x i → y * i = m.x i m = Ψ/P gọi là hằng số không thứ nguyên Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa y * i và x i theo định luật Herry chỉ đúng với chất khí và thường được ứng dụng để tính toán quá trình hấp thụ khí. Hình 1 : Đường cân bằng pha của hệ khí – lỏng Đối với khí lý tưởng thì đường biểu diễn phương trình trên là đường thẳng, đối khí thực thì hằng số Herry còn phụ thuộc vào nồng độ của và đường biểu diễn lúc này là đường cong.Nếu khí thực có nồng độ không lớn lắm và độ hòa tan của nó trong chất lỏng kém thì đường biểu diễn phương trình có thể coi là đường thẳng. I.2.2. Các phương trình cơ bản của quá trình hấp thụ I.2.2.1. Phương trình cân bằng vật chất Phương trình cân bằng vật liệu có dạng : G Y Y Đ + G X X Đ = G X X C + G Y Y C Trong đó : G X : Lượng khí trơ không đồi khi vận hành (kmol/h) G Y : Lượng dung môi không đổi khi vận hành (kmol/h) Y Đ , Y C : Nồng độ đầu và cuối của pha khí (kmol/kmol khí trơ) X Đ , X C :Nồng độ đầu và cuối của cấu tử cần hấp thụ trong pha lỏng (kmol/kmol dung dịch) Phương trình cân bằng vật liệu đối với một khoảng thể tích thiết bị tính từ một tiết diện bất kì đến phần trên thiết bị : G X ( Y - Y C ) = G Y ( X - X Đ ) Từ phương trình trên ta rút ra phương trình đường làm việc của thiết bị hấp thụ như sau : Y = (G Y / G X ). X - (G Y / G X ). X Đ Phương trình đường làm việc của tháp hấp thụ có dạng đường thẳng Y = A.X + B Lượng dung môi tiêu tốn lý thuyết tính theo công thức sau : G Y = G X ( Y Đ - Y C )/ ( X C - X Đ ) Xác định lượng dung môi tối thiểu dùng để hấp thụ với giả thiết nồng độ chất hấp thụ đạt đến nồng độ cân bằng, tức là X C = X Cb G Ymin = G X ( Y Đ - Y C )/ ( X Cb – X Đ ) Trong thực tế quá trình hấp thụ không bao giờ đạt đến cân bằng giữa các pha, nghĩa là nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng độ thực tế vì vậy lượng dung môi hấp thụ cần thiết luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu.Thông thường lượng dung môi thực tế được lấy hơn 20% so với lượng dung môi tối thiểu. I.2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước thiết bị trong quá trình hấp thụ Bây giờ ta xét mối quan hệ giữa lượng dung môi tiêu thụ với kích thước thiết bị dựa vào phương trình chuyển khối cơ bản : G = K y .F.ΔY tb Trong điều kiện làm việc nhất định thì lượng khí bị hấp thụ G tk là không đổi và có thể coi hệ số chuyển khối K v là không đổi.Như vậy bề mặt F chỉ thay đổi tương ứng với sự thay đổi của ΔY tb sao cho tích số ( F.ΔY tb ) là không đổi. Bề mặt F quyết định kích thước thiết bị, do đó khi F thay đổi thì kích thước thiết bị thay đổi theo Ta có thể khảo sát sự thay đổi của động lực chuyển khối trung bình ΔY tb trên đồ thị Y-X.Rõ ràng khi Y Đ , Y C và X Đ không đổi thì giá trị nồng độ cuối của dung môi quyết định động lực trung bình của quá trình, điểm cuối của đường làm việc chỉ được dịch chuyển từ điểm A đến A 4 . Ví dụ : Điểm A 4 nằm gần sát đường cân bằng lúc đó độ dốc của đường làm việc thấp nhất tương ứng với động lực trung bình thấp nhất (Y-Y cb giảm).Như vậy để tích số ( F.ΔY tb ) không đổi thì F phải tăng lên đạt giá trị lớn nhất.Nhìn vào đồ thị ta thấy nếu đường làm việc càng tiến gần về phía trục tung tức là độ dốc đường làm việc tăng lên, động lực trung bình càng tăng thì khi đó bề mặt tiếp xúc F giảm. Với α là góc nghiêng giữa đường làm việc với trục hoành Ta có : tgα = G Y /G X Nên ta thấy lượng dung môi hấp thụ thay đổi theo tỷ lệ thuận với độ dốc đường làm việc nên khi giá trị góc nghiêng nhỏ nhất ( α min ở A 4 ) thì lượng dung môi tiêu tốn là nhỏ nhất. Ngược lại, giá trị góc nghiêng lớn nhất (α ≈ 90 0 ở A) thì lượng dung môi tiêu tốn là lớn nhất. Vậy bề mặt F tỷ lệ nghịch với động lực trung bình ΔY tb , và do đó tỷ lệ nghịch với lượng dung môi tiêu tốn. Đường OA và OA 4 là hai đượng giới hạn. Nếu chọn lượng dung môi ít nhất thì thiết bị sẽ có chiều cao lớn, nhưng nếu chọn lượng dung môi quá lớn để giảm bề mặt tiếp xúc F thì không có hiệu quả kinh tế (nồng độ dung môi quá loãng).Vì vậy cần lựa chọn lượng dung môi thích hợp để vừa đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế. I.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ a. Ảnh hưởng của áp suất : Khi áp suất tăng, áp suất riêng phần của cấu tử hấp thụ sẽ tăng dẫn đến động lực của quá trình hấp và quá trình hấp thụ tốt hơn Hình 2 : Ảnh hưởng của áp suất : P 1 >P 2 >P 3 >P 4 b. Ảnh hưởng của nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng thì đông lực cân bằng giảm xuống, đường cân bằng dịch chuyển gần về phía đường làm việc dẫn đến động lực hấp thụ giảm, khả năng hấp thụ kém hơn. Hình 3 : Ảnh hưởng của nhiệt độ : t 1 <t 2 <t 3 II. CÁC LOẠI THIẾT BỊ HẤP THỤ Thiết bị hấp thụ là các thiết bị thực hiện quá trình hấp thụ.Các thiết bị hấp thụ có cấu tạo đa dạng nhưng phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây : - Có bề mặt tiếp xúc pha lớn, năng suất cao và khả năng làm mát tốt. - Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt, vận hành và sửa chữa. - Vật liệu chế tạo thiết bị không bị ăn mòn và giá cả hợp lý. Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo và hoạt động của thiết bị hấp thụ ta có : Thiết bị hấp thụ bề mặt, thiết bị hấp thụ chảy màng, thiết bị hấp thụ kiểu phun, thiết bị hấp thụ cơ học, thiết bị hấp thụ bằng đệm. II.1. Thiết bị hấp thụ chảy màng Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt vật rắn thường là thẳng đứng.Bề mặt vật rắn có thể là ống, tấm song song hoặc là đệm tấm. - Thiết bị chảy màng loại ống : Có cấu tạo tương tự như thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm, gồm có ống tạo màng được giữ vào hai vỉ ống ở hai đầu, khoảng không giữa ống và vỏ dùng để tách khi cần thiết.Chất lỏng chảy thành màng theo thành ống từ trên xuống, dòng khí (hơi) đi theo không gian trong màng chất lỏng từ dưới lên. Nguyên lý làm việc : Chất lỏng hấp thụ từ trên đỉnh tháp đi vào các ống, nhờ cấu tạo các ống cao hơn mực chất lỏng vào nên chất lỏng chảy thành màng bên trong ống và đi xuống dưới.Hỗn hợp khí đi từ dưới lên tiếp xúc với màng chất lỏng và xảy ra quá trình hấp thụ.Bề mặt hấp thụ coi như bằng tổng bề mặt trong của các ống.Khí trơ được đưa ra ngoài ở trên đỉnh thiết bị. Hình 4 : Thiết bị hấp thụ màng kiểu ống - Thiết bị hấp thụ màng kiểu tấm : Trong thiết bị có các bản thẳng đứng song song với nhau, chất lỏng đi từ trên xuống chảy thành màng trên các tấm, chất khí đi từ dưới lên ngược chiều. - Thủy động lực học trong thiết bị dạng màng : + Khi Re (Chuẩn số Reynol) < 300 =>> Chảy màng với bề mặt pha nhẵn trơn + Khi 300 < Re < 1600 =>> Chảy màng bắt đầu có gợn sóng + Khi Re > 1600 =>> Chế độ chảy rối Khi có dòng khí chuyển động ngược chiều sẽ ảnh hướng lớn đến chế độ chảy của màng.Khi đó lực ma sát giữa khí và lỏng khiến sự cản trở của dòng khí mạnh dẫn đến bề dày màng tăng lên, trở lực dòng khí tăng.Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí sẽ dẫn đến cân bằng giữa trọng lực của màng lỏng và lực ma sát dẫn đến chế độ sặc.Khi tốc độ vượt quá tốc độ sặc sẽ làm kéo theo chất lỏng theo pha khí ra ngoài. + Ưu điểm : - Trở lực theo pha khí nhỏ - Có thể biêt được bề mặt tiếp xúc pha ( Trong trường hợp chất lỏng chảy thành màng) - Có thể thực hiện được quá trình trao đổi nhiệt + Nhược điểm : - Năng suất tính theo pha lỏng nhỏ - Cấu tạo phức tạp, khi vận hành dễ bị sặc + Ứng dụng : - Trong phòng thí nghiệm - Trường hợp hấp thụ với năng suất thấp - Trong những hệ thống cần trở lực thấp (Hệ thống hút chân không ) II.2. Thiết bị hấp thụ kiểu phun Thiết bị hấp thụ loại này có thân hình trụ đứng, bên trong có lắp nhiều vòi phun.Các vòi phun được bố trí xem kẽ, cách nhau một khoảng để tạo mưa đều khắp không gian trong tháp. Hỗn hợp khí được cấp vào đáy tháp rồi đi ra ở đỉnh tháp.Bề mặt tiếp xúc pha chính là tổng bề mặt các hạt lỏng nên có giá trị lớn.Dung dịch gồm chất hấp thụ và chất bị hấp thụ đi ra ở đáy tháp, để chất khí không phun ra ngoài theo dung dịch cần có khóa thủy lực. + Ưu điểm : - Cấu tạo đơn giản [...]... Chế độ sủi bọt IV-V : Chất lỏng bị cuốn theo khí ra ngoài PHẦN II : CÔNG NGHỆ CỤM THU HỔI CO2 TỪ KHÓI THẢI I SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CỤM THU HỒI CO2 TỪ KHÓI THẢI Dòng khói thải flue gas với áp suất -0,002 barg từ lò đốt refoming được đưa sang thiết bị làm mát 10-T1001, tại đây khói thải được làm mát tới nhiệt độ 42oC bằng dòng nước làm mát đi từ trên đỉnh tháp xuống.Dòng nước làm mát được bơm tuần hoàn bằng... được tháo ra sau khi kết thúc công đoạn tái sinh II MÔ TẢ CÔNG NGHỆ Cụm thu hồi CO2 bao gồm 03 công đoạn chính: - Làm nguội khói thải (flue gas) - Thu hồi CO2 - Giải hấp (tái sinh dung môi) II.1 .Công đoạn làm nguội khói thải Thiết bị làm nguội khói thải 10-T-1001 là một tháp hình trụ với đệm cấu trúc bên trong Vì nhiệt độ khói thải ra khỏi 10-H-2001 rất cao, phản ứng hấp thụ CO2 là phản ứng tỏa nhiệt,... HỆ THỐNG CUNG CẤP KHÓI THẢI V.1.1 Theo dõi nhiệt độ, lưu lượng và áp suất của khói thải Khi lượng khói thải lớn, nhiệt sinh ra bởi quá trình hấp thụ của các amin lớn và khi lưu lượng khói thải thấp, lượng CO2 thu hồi thấp hoặc phải tiêu tốn lượng hơi lớn để đảm bảo công suất CO2 thu hồi Vì vậy lưu lượng khói thải cần phải được điều chỉnh bằng van đầu hút để luôn giữ lưu lượng thu hồi khoảng 90% V.1.2... CO2 và phần trên dùng để rửa khói thải đã qua xử lý a Hấp thụ CO2 Khói thải sau khi làm nguội trong thiết bị 10-T-1001 sẽ được nạp liệu vào đáy thiết bị hấp thụ CO2 10-T-1002 Khói thải sẽ đi lên trên đỉnh tháp qua các tầng đệm và tiếp xúc ngược chiều với dòng dung dịch nghèo CO2 từ trên xuống qua bề mặt đệm, tại đây CO2 trong dòng khói thải sẽ bị hấp thụ bởi dung dịch trên Dòng dung dịch giàu CO2 từ. .. để luôn giữ lưu lượng thu hồi khoảng 90% V.1.2 Theo dõi nồng độ CO2 trong dòng khói thải Nồng độ CO2 trong dòng khói thải thấp thì lượng CO2 thu hồi sẽ thấp Trong trường hơp này cần tăng lưu lượng khói thải bằng cách điều chỉnh van đầu hút của quạt thổi V.1.3 Theo dõi nồng độ NOx và SOx trong khói thải Nồng độ SOx và Nox trong dòng khói thải cao sẽ làm suy giảm chất lượng của dung môi Trong trường hợp... 10H2001 và được đưa đến phân xưởng thu hồi CO2 bằng quạt 10-K-1001 được lắp đặt tại đầu ra của tháp làm nguội 10-T-1001 Khói thải này được xả trực tiếp ra ngoài qua ống khói 10SK2001 của xưởng NH3 trong trường hợp quạt 10-K-1001 bị sự cố Vì vậy, nhà máy sẽ không bị ảnh hưởng trong trường hợp phân xưởng thu hồi CO2 bị sự cố II.2 Công đoạn thu hồi CO2 Tháp hấp thụ CO2 10-T-1002 là một tháp hình trụ sử... KS-1 của phân xưởng thu hồi CO2 trong thời gian phân xưởng ngừng hoạt động Bồn chứa 10-TK-1002 được sử dụng nhằm mục đích thu hồi dung dịch KS-1 sau khi xả thải và dùng để bổ sung dịch KS-1 III Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến quá trình hoạt động của phân xưởng thu hồi CO2 III.1 Ảnh hưởng của tạp chất a SO2 Nếu SO2 được nạp liệu vào tháp hấp thụ CO2 10-T-1002 cùng với khói thải, SO2 sẽ phản ứng... KS1 tiêu thụ, dòng khói thải trước khi vào tháp hấp thụ 10-T-1002 cần phải được làm nguội Trong tháp 10-T-1001, dòng khói thải sẽ được làm nguội bằng cách tiếp xúc trực tiếp với dòng nước tuần hoàn từ đỉnh tháp 10-T- 1001 trước khi đưa vào tháp hấp thụ CO2, dòng nước tuần hoàn này được làm nguội qua thiết bị làm nguội nước làm mát khói thải 10-E-1001 Khói thải được lấy ra từ ống khói thải của 10H2001... 10-E1001 Khói thải sau khi làm mát được hút qua thiết bị hấp thụ 10-T1002 bằng quạt hút 10K1001.Tại thiết bị hấp thụ, dòng khói thải đi từ dưới lên tiếp xúc trực tiếp với dòng dung dịch KS-1 đi từ trên xuống, CO2 được hấp thụ vào KS-1 ở áp suất thường.Sau khi ra khỏi đoạn hấp thụ, khói thải đi vào đoạn rửa phía trên, tại đây khói thải được làm mát và thải ra ngoài không khí Dòng dịch KS-1 giàu CO2 được... Điều chỉnh việc nạp liệu khói thải Việc nạp liệu quá dư khói thải dẫn đến việc thất thoát dung dịch KS-1 tăng lên Do vậy cần phải điều chỉnh lượng nạp liệu này theo điều kiện vận hành • Làm mát khói thải Nhiệt độ dòng khói thải vào tháp hấp thụ CO2 cao thì hiệu suất hấp thụ CO2 sẽ giảm Đồng thời nhiệt độ cao cũng sẽ làm tăng lượng mất mát dung dịch KS-1 do nhiệt độ của khói thải đã xử lý ra khỏi đỉnh . theo khí ra ngoài PHẦN II : CÔNG NGHỆ CỤM THU HỔI CO 2 TỪ KHÓI THẢI I. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CỤM THU HỒI CO 2 TỪ KHÓI THẢI Dòng khói thải flue gas với áp suất -0,002 barg từ lò đốt refoming được đưa. thúc công đoạn tái sinh. II. MÔ TẢ CÔNG NGHỆ Cụm thu hồi CO2 bao gồm 03 công đoạn chính: - Làm nguội khói thải (flue gas) - Thu hồi CO2 - Giải hấp (tái sinh dung môi) II.1 .Công đoạn làm nguội khói. thụ CO2, dòng nước tuần hoàn này được làm nguội qua thiết bị làm nguội nước làm mát khói thải 10-E-1001. Khói thải được lấy ra từ ống khói thải của 10H2001 và được đưa đến phân xưởng thu hồi CO2