thiết kế hệ thống xử lý h2s bằng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền với dung môi là nước

thiết kế hệ thống xử lý h2s bằng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền với dung môi là nước

Sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nhiệp đã tạo ra một lượng chất thải vôcùng lớn, gây mất cân bằng sinh thái và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trong đóbao gồm ô nhiễm không khí Hydrosunfua- H2S cũng là một trong những khí ônhiễm sản sinh chủ yếu từ các ngành công nghiệp Việc xử lý H2S có nhiều phươngpháp khác nhau, khi áp dụng cần dựa vào hiệu quả và tính kinh tế của từng phươngpháp.

Đồ án môn học là bước đầu để sinh viên ngành môi trường vận dụng những kiếnthức đã học để tiếp cận với việc giải quyết những vẫn đề kỹ thuật thực tế một cáchtổng hợp Nhận nhiệm vụ của đồ án: “Thiết kế hệ thống xử lý H2S bằng tháp đĩa lỗ

có ống chảy chuyền với dung môi là nước”, sau gần 15 tuần tìm hiểu, tính toán, em

đã bước đầu tiếp cận và thiết kế một hệ thống xử lý sơ bộ

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô trong Viện và cácbạn sinh viên đã giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, do chưa có kinh nghiệmnên trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong quýthầy cô góp ý và chỉ dẫn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 21 tháng 05 năm 2015

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

1.1.2 Ảnh hưởng của H2S đến con người và môi trường 5

1.2.1 Xử lý H2S bằng muối cacbonat, muối photphat (Na2CO3, ( NH4)CO3,

2.3 Tính toán thiết kế tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền 15

I MỞ ĐẦU

I.1 Tổng quan về khí H2S

Hydro sunfua (H2S) là một chất khí không màu, có mùi đặc trưng (mùi trứng thối),rất độc, không kém gì xyanua (HCN) H2S kém bền, ít tan trong nước, tan nhiềutrong dung môi hữu cơ Trong đô thị, nồng độ H2S thường dưới 0,001ppm (1,391µg/m3), nhưng ở gần các khu công nghiệp nồng độ khí H2S có thể lên đến 0,13ppm(180,881µg/m3) Ngưỡng nhận biết bằng mùi của H2S ở nồng độ thấp, trong khoảng0,13 ppm (0,18 mg/m3) , nhưng sẽ khó nhận ra khi ở nồng độ cao (trên 150ppm) do

cơ quan khứu giác đã bị tê liệt.[1]

I.1.1 Nguồn phát sinh:

a,Trong tự nhiên: ảnh hưởng của H2S trong tự nhiên đến môi trường không đáng kể,

do H2S không tích tụ trong không khí, mặc dù mỗi ngày có rất nhiều nguồn phátsinh ra H2S (sự phân hủy xác động – thực vật; phân hủy chất hữu cơ ở các ao tù,cống rãnh; trong hầm lò khai thác than,…

b, Trong sản xuất công nghiệp:

Trong công nghiệp, nguồn phát sinh H2S chủ yếu do các hoạt động sử dụng nguyênliệu có chứa S: trong các quá trình khoan hay thử vỉa, trong các quá trình lọc và tinhchế dầu mỏ, luyện cốc , sản xuất ure (nhà máy phân đạm Hà Bắc),…; do sự phânhủy các chất hữu cơ được tập trung thành nguồn lớn: trong sản xuất giày da (phânxưởng đế, phân xưởng chặt- may, phân xưởng hoàn thiện); sản xuất giấy (hơi khí từquá trình nấu bột giấy, quá trình hoàn nguyên bột giấy); trong nuôi trông thủy sản(nuôi tôm); ngâm gỗ, rò rỉ từ các hệ thống xử lý nước thải, chất thải rắn; H2S cònđược thải ra từ các nhà máy hóa chất: tái sinh sợi, nấu thuốc nhuộm

H2S thải vào môi trường từ các hoạt động sản xuất công nghiệp có ảnh hưởng trựctiếp đến sức khỏe, đời sống của con người

sinh học, làm ngăn chặn hô hấp tế bào Cơ quan đích mà H2S tấn công chính là thầnkinh trung ương và hô hấp Ngộ độc H2S thường xảy ra do tai nạn nghề nghiệp.Các triệu chúng ngộ độc H2S:

Ngộ độc nhẹ: chảy mước mắt, ngứa mắt, cảm giác có dị vật, chảy nước mũi, nóngrát trong mũi và cổ họng; chóng mặt, nhức đầu, mệt mỏi,

Ngộ độc vừa phải: ngay lập tức chóng mặt, nhức đầu, buồn nôn, mất điều hòa, ho,khó thở, ngực áp bức, kích ứng mắt, sợ ánh sáng,…

Nhiễm độc nặng: chóng mặt, đánh trống ngực, khó thở, rối loạn ý thức, nôn, co giật,nhanh chóng rơi vào tình trạng hôn mê, phù phổi, phù não, cuối cùng có thể tê liệt

>1000 Tử vong trong thời gian ngắn

700 Nguy hiểm đến tính mạng, có thể gây tổn thương não

vĩnh viễn, chết trong vòng 1 giờ

400-700 Ho, suy sụp, bất tỉnh, có thể tử vong

Gây ảnh hưởng tối thiểu trong 8h

0,41 Ngửi thấy mùi khó chịu

0,00041 Bắt đầu ngửi thấy mùi đặc trưng (mùi trứng thối)

Giá trị giới hạn của khí H2S là 10ppm Các hoạt động khi có sự tồn tại của khí H2Svới hàm lượng cao hơn không được phép kéo dài quá 8 giờ Hầu hết các thông báochỉ dẫn đều nhấn mạnh 6-7ppm là hàm lượng tối đa mà H2S được phép tồn tại,nhưng không quá 12 giờ Riêng trong ngành dầu khí, hàm lượng H2S ảnh hưởng rấtnhiều đến công tác khoan

b, Ảnh hưởng đến thực vật: gây thương tổn lá cây, rụng lá, suy giảm sinh trưởng,…

c, Ảnh hưởng đến vật liệu: gây ăn mòn nhanh các loại máy móc và đường ống dẫn,như hệ thống đường ống cấp-thoát nước (do có tính axit).

d, Một số ví dụ về ảnh hưởng của H2S đến sức khỏe và đời sống:

Ở Việt Nam:

Nhà máy xử lý khí thải Bình Hưng, thuộc công ty TNHH MTV thoát nước đô thịHCM (huyện Bình Chánh, quận 8, TP HCM): chất lượng không khí xung quanhkhu vực nhà máy có chỉ tiêu vượt ngưỡng cho phép, trong đó có H2S: do thiết kếcách đây nhiều năm, hoạt động với công suất 130.000m3/ngày đêm, sắp tới lên đến500.000m3/ngày đêm, công nghệ xử lý bùn tại nhà máy là công nghệ hở, nên nồng

độ H2S phát tán vào không khí xung quanh lớn, ảnh hưởng đến đời sống người dân.Bãi chôn lấp Phước Hiệp (TP.HCM) có nồng độ H2S vượt 80 lần giá trị quy chuẩncho phép (QCVN06-2009/BTNMT về một số chất độc trong không khí xungquanh : nồng độ H2S cho phép là 42µg/m3)

Ngày 18/06/2012, 4 thợ lặn đã tử vong trong khoang tàu Onnekas One (Malaysia)trên biển xã Vĩnh Thanh, huyện Phú Vang, TT- Huế, nguyên nhân chính là do hàmlượng H2S trong khoang tàu cao gấp 103 lần so với quy chuẩn Việt Nam

Kết quả phân tích mẫu không khí ở khu vực bãi rác Đồng Ngo của sở tài nguyênMôi trường Bắc Ninh (năm 2013) có nồng độ H2S và NH3 cao gấp nhiều lần so vớiquy chuẩn cho phép

Tên thế giói: Năm 1950, tại Mexico, một nhà máy hóa chất thải ra và môi trườngmột lượng H2S trong vòng 30 phút làm chết 22 người và 320 người dân của thànhphố Pozarica bị nhiễm độc

I.2 Các phương pháp xử lý H2S hiện nay

I.2.1 Xử lý H2S bằng muối cacbonat, muối photphat (Na2CO3, ( NH4)CO3, K3PO4

Phương án thay thế cho natri cacbonat là dùng Kali photphat với ưu điểm là tínhbền vững, phản ứng với H2S mang tính chọn lựa khi có mặt của SO2 trong khí thải.Sau đó dùng hơi nước để làm bay hơi và thu hồi H2S.

K3PO4 + H2S  K2HPO4 + KHS

Ngoài ra, người ta có thể dùng các muối cacbonat của amoni hoặc kali làm dungdịch hấp thụ H2S thay cho Natri cacbonat Với amoni cacbonat, phản ứng xảy ranhư sau:

(NH4)2CO3 + H2S  (NH4)2S + H2O + CO2

Phương án thay thế cho natri cacbonat là dùng Kali photphat với ưu điểm là tínhbền vững, phản ứng với H2S mang tính chọn lựa khi có mặt của SO2 trong khí thải.Sau đó dùng hơi nước để làm bay hơi và thu hồi H2S

Amoni sunfua sau khi ra khỏi tháp hấp thụ sẽ được phân hủy thành NH3 và H2S.dung dịch NH3 quay trở lại chu trình, kết hợp với CO2 và H2O tạo thành (NH4)2CO3,

và phản ứng trên tiếp tục xảy ra

I.2.2 Xử lý H2S bằng NaOH (xút)

Các phản ứng xảy ra:

H2S + NaOH  Na2S + 2H2O

Na2S + H2S  2NaHS

Na2S + H2O  NaHS +NaOH

Ngoài ra xút còn có tác dụng với CO2:

CO2 + NaOH  NaHCO3

NaHCO3 + NaOH  Na2CO3 + H2O

Trong dung dịch còn xảy ra các quá trình oxy hóa góp phần làm giảm nhẹ khâu xử

lý dung dịch đã dùng trước khi thải ra hệ thống thoát nước

Có thể dùng sữa vôi để thay thế NaOH Lúc đó kết tủa thu được từ quá trình xử lýH2S theo quá trình tương tự như trường hợp dùng NaOH là chất cặn nhão có chứaCaS cần được xử lý trước khi thải ra ngoài.

NaOH đã dùng, chất cặn nhão sẽ được xử lý bằng Clorua vôi Ca(ClO)2 để oxy hóacác liên kết sunfit (dùng 6,3kg Clorua vôi 35% quy về cho 1kg lưu huỳnh)

Nồng độ kiềm đi vào tháp hấp thụ (scrubơ) được khống chế ở mức 7g/l; vân tốc khítrong tháp là 0,6m/s; lượng NaOH hoặc CaO tiêu hao quy về cho 1kg lưu huỳnh là8kg

Phương pháp này đảm bảo khử được 100% H2S trong khí thải Hệ thống xử lýkhông đòi hỏi chế tạo bằng vật liệu chống axit do nhược điểm của phương pháp làgây ăn mòn thiết bị

I.2.3 Xử lý H2S bằng Amoniac

Khử H2S bằng amoniac là qua trình rất đơn giản, được áp dụng rộng rãi Trong tháphấp thụ, H2S trong khí thải tiếp xúc trực tiếp với dung dịch amoniac và kết hợp vớinhau theo phản ứng:

NH3 + H2S  (NH4)2S

Ở nhiệt độ và áp suất thích hợp, Amoni sunfua phân giải thành NH3 và H2S NH3quay lại chu trình làm việc, còn H2S được đưa sang công đoạn điều chế axit hoặclưu huỳnh đơn chất Đây là quá trình tuần hoàn 100% dung dịch hấp thụ

I.2.4 Xử lý H2S bằng dung dịch Natri thioasenat (Na4As2S5O2)

Phản ứng hấp thụ:

H2S + Na2As2S5O2  Na4As2S6O + H2O

Phản ứng tai sinh Natri thioasenat (Na4As2S5O2):

2Na4As2S6O + O2  2Na4As2S5O2 +2S

Hai phản ứng trên xảy ra rất nhanh và là các phản ứng chủ yếu trong hầu hết cácđiều kiện vận hành

Cacbonat và Bicacbonat, Natri Asenit và Axit Asenic, các chất trên sẽ phản ứng xen

kẽ với H2S và oxy để tạo thành Natri Thioasenat Na4As2S5O2

Hiệu quả của hệ thống có thể đạt 85- 95%

I.2.5 Xử lý H2S bằng chất hấp phụ oxit sắt Fe2O3

Đây là phương pháp cổ điển nhất, dựa trên cơ sở các phản ứng sau:

Fe2O3 + 3 H2S - Fe2S3 + 3H2O

2Fe2S3 + 3O2  2Fe2O3 + 6S

Sau khi hòa tan H2S, oxit sắt được tái sinh lại bằng không khí (cấp oxy) để thu lưuhuỳnh Tốc độ phản ứng hấp thụ H2S của oxit sắt phụ thuộc vào mức độ tiếp xúcgiữa khí và bề mặt vật liệu hấp thụ Do đó để nâng cao tốc độ phản ứng, độ rỗng củavật liệu hấp thụ phải lớn Độ rỗng của oxit sắt thường không nhỏ hơn 50%

Điều kiện tốt nhất của quá trình hấp thụ khí H2S của oxit sắt là ở khoảng nhiệt độnằm trong khoảng 28 – 300C, độ ẩm của vật liệu hấp thụ khoảng 30%

Fe2O3 được hoàn nguyên bằng các cách:

- Oxy hóa vật liệu hấp phụ bằng oxy trong không khí

- Thổi hỗn hợp khí có chứa 2-3% oxy qua lớp vật liệu hấp phụ Nhiệt độ hoànnguyên từ 600 đến 800oC

Hoàn nguyên liên tục khối vật liệu hấp phụ bằng cách bổ sung vào dòng khí cần xử

lý một thể tích không khí với tính toán sao cho lượng oxy trong hỗn hợp khí gấp 1,5lần lượng oxy lý thuyết cần cho quá trình oxy hóa Quá trình hoàn nguyên sẽ xảy rasong song với quá trình hấp phụ Khi nồng độ H2S dưới 0,5% (tức dưới 7,5g/m3) cóthể sử dụng quặng bùn có chứa Fe(OH)3 làm vật liệu hấp phụ, điều kiện làm việc ở28-30oC, độ ẩm vật liệu không dưới 30%

I.2.6 Xử lý H2S bằng than hoạt tính

Quá trình hấp phụ xảy ra theo phản ứng:

H2S + 1/2O2  H2O + S + 222 KJ/mol

Để thúc đẩy quá trình oxy hóa người ta thêm vào khí cần lọc một lượng nhỏAmoniac (0,2g/m3)

Lưu huỳnh được giải phóng ra trong phản ứng oxy hóa nêu trên dần dần tích tụtrong lớp than và làm cho vật liệu hấp thụ trở nên bão hòa,lúc đó cần tiến hành hoànnguyên vật liệu hấp thụ bằng Amoni sunfua (NH4)2S:

Thường người ta sản xuất than có cỡ hạt 1 – 2 mm.

Hệ thống xử lý H2S bằng than hoạt tính làm việc theo chu trình kín vào liên tục

Các phương pháp xử lý H2S ở trên đều yêu cầu phải sử dụng thêm nhiều loại hóachất hay vật liệu khác (than hoạt tính) khiến kinh phí đầu tư lớn, ngoài ra còn thải rangoài môi trường lượng hóa chất sau khi sử dụng, cần có thêm công đoạn xử lýtrước khi thải trực tiếp vào môi trường Để tiết kiệm kinh phí, ta có thể dùng dungmôi là nước để hấp thụ khí H2S trong khí thải mà vẫn đảm bảo hiệu suất cao bằngviệc điều chỉnh điều kiện làm việc Lượng nước sau khi hấp thụ dễ xử lý hơn, và cóthể tái sử dụng Ở đồ án này, em xin trình bày phương pháp hấp thụ H2S với dungmôi là nước bằng thiết bị tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

II TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ.

II.1 Nhiệm vụ đồ án

Thiết kế hệ thống hấp thụ H2S bằng tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền, dung môi lànước

Số liệu ban đầu:

Lưu lượng dòng khí ô nhiễm: 15000 Nm3/h

Nồng độ chất ô nhiễm: 0,01 mol/mol

Hiệu suất hấp thụ: 85%

Nhiệt độ khí vào tháp: 30oC

Nhiệt độ dung môi (nước sạch): 25oC

Áp suất làm việc: 15at

Lượng dung môi tiêu tốn so với lượng dung môi tối thiểu là 1,3

II.2 Sơ đồ công nghệ (Hình 2.1)

II.3 Tính toán thiết kế tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền.

II.3.1 Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng

Nhiệt độ dung môi (nước) vào tháp là: t2= 25℃

Suy ra nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ: 25 ≤ t lv ≤ 30(℃)

Lưu lượng khí trơ: G tr=G y (1− y đ)=624,324.(1−0,01)=618,08 (kmol /h)

Phương trình đường cân bằng:

Cân bằng nhiệt lượng:

Bỏ qua trao đổi nhiệt với bên ngoài, ta có: Q t=Q th(2.10)

Nhiệt lượng khí tỏa ra: Q t=m y ,tb c y , tb (t¿¿y , v−t cb)( J / h)(2.13)¿

 Nhiệt lượng lỏng thu vào:

Khối lượng lỏng: m x , tb=M H2S G x x tb+M H2O G x (1−x tb)¿

Nhiệt dung riêng của lỏng: c x, tb=x tb c p , H2S+(1−x tb) c p , H2O¿

Nhiệt lượng lỏng thu vào: Q th=m x c x ,tb (t cb−t¿¿x , v)(J /h)(2.16)¿

Từ (2.13), (2.16) suy ra nhiệt độ cân bằng: t cb=m x , tb c x , tb t x , v+m y , tb c y ,tb t y , v

Bảng 2.1 Lựa chọn nhiệt độ làm việc thích hợp trong tháp.

Chọn nhiệt độ làm việc ở 25℃, khi đó lượng dung môi tiêu tốn là ít nhất, nhiệt độcân bằng khi 2 pha khí-lỏng trao đổi nhiệt với nhau chính bằng 25℃ Nước sau khi

sử dụng có thể đưa vào các bể chứa, rồi tiếp tục được tuần hoàn, tái sử dụng

Ở 25℃, khối lượng riêng của nước là: ρ H2O ,25 ℃=997,08 (kg /m3)

Ở điều kiện làm việc:

Lưu lượng khí vào tháp: V y , đ=V y ,0 p0 T lv

T0p lv

=15000.760 298273.11034 =1127,783¿

Lưu lượng khí ra khỏi tháp:

V y , c=G tr (1+Y c) R T lv

p lv =618,08.(1+0,001515 ).

0,082.29814,52 =1041,755¿

C- đại lượng phụ thuộc khoảng cách giữa 2 đĩa và sức căng bề mặt (xác định theo

đồ thị hình IX.20 [4.184] với σ >20 đyn/cm)

H đ- khoảng cách giữa các đĩa,m (phụ thuộc vào đường kính tháp[4.184].)

Từ bảng 2.2 suy ra đường kính tháp D=1,2m là thích hợp Khi đó:

ω y ,tb= 4.V y , tb

D2 π 3600=

4 1084,7691,22 π 3600=0,27¿ ¿.Tiết diện ngang của tháp: F= π D

Với đường kính tháp D=1,2m thì sử dụng đĩa có một đường đi của lỏng, khoảngcách giữa các đĩa thông thường sẽ nằm trong khoảng (0,3-0,6)m, ưu tiên chọnkhoảng cách giữa các đĩa từ (0,3-0,45)m, như đã tính ở trên, ta có: H đ=0,35 m

Vùng chảy chuyền hình viên phân (chiếm khoảng 25% diện tích tiết diện ngang củatháp) có thiết kế đơn giản, ít tốn kém, và tạo điều kiện sử dụng hiệu quả diện tíchcủa đĩa cho chảy chuyền lỏng, khi đó, chiều dài của ngưỡng chảy tràn lỏng thườngnằm trong khoảng 60-80% đường kính tháp, vùng chảy chuyền lỏng tại mỗi bên củađĩa sẽ chiếm khoảng từ 5% đến 15% diện tích tiết diện ngang của đĩa

Hình 2.2- Thiết kế ống chảy chuyền hình viên phân

Chọn phần kênh chảy chuyền sao cho ^AOB=α=90 °

Khi đó chiều dài ngưỡng chảy tràn: L c=D√2

Hình 2.3 Thiết kế sơ bộ mặt đĩa.

Để lắp đĩa vào trong tháp cần để chừa băng không đục lỗ rộng khoảng 5mm ở rìađĩa, ngoài ra cũng để lại về hai phía ngay sát ngưỡng chảy tràn một khoảng khôngđục lỗ rộng 50mm làm cơ cấu kẹp đĩa và ổn định dòng

Chiều dài băng không đục lỗ ở mép đĩa: l1=(1,2−2.0,5 ) π 90

180=1,73(m).Diện tích băng không đục lỗ ở mép đĩa: f1=2 1,73.0,05=0,173(m2

).Chiều dài vùng ổn định dòng: l2=√2 (1,2−0,05)=1,626 (m2)

Diện tích vùng ổn định dòng: f2=2 1,626.0,05=0,1626(m2)

Diện tích phần đục lỗ trên đĩa (xảy ra quá trình hấp thụ):

f =F−f1−f2−2 fch=1,131−0,173−0,1626−2.0,103=0,5894 (m2)

Diện tích sơ bộ của lỗ: f l ≈ 10 % f =0,06 (m2)

Đường kính lỗ d l phổ biến nằm trong khoảng 4-12mm, chọn: d l=5 mm

Khoảng cách từ mép dưới của kênh chảy chuyền tới mặt đĩa thường thấp hơnngưỡng chảy tràn 13mm để đảm bảo kênh chảy chuyền luôn ngập trong lỏng[2]:

h c : chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên đĩa, m.

L c: chiều dài của chảy tràn, m.

K: tỉ số khối lượng riêng giữa bọt và lỏng không bọt, K=0,5

m: hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn: (G L x

c

<5 m3/m.h thì m=6400; G L x

c

>5 m3/m.h thìm=10000)

ω0-tốc độ khí đi qua lỗ: ω0=ω y F

f l=0,27.

1,1310,06 =5,09(m/s)