Phương pháp hấp thu khí H2S bằng nước

Các ngành công nghiệp chiếm vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế nước ta

Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Đặt vấn đề Các ngành công nghiệp chiếm vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế nước ta. Nó phát triển cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội và ngày nay nhu cầu của con người ngày càng tăng cao, kéo theo sự phát triển của một số ngành liên quan như: Tự động hóa, công nghệ hóa chất… Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp này thì một lượng lớn khí thải từ các nhà máy đã thải vào môi trường, nếu lượng khí thải do các máy này thải ra mà không qua sử lý sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, độc tính từ các dòng khí thải do nhà máy sản xuất thải ra ngây thiệt hại nhiều đến sức khỏe của con người. Do đó việc xử lý khí thải trước khi thải ra môi trường không khí là một điều tất yếu. 1.2. Nhiệm vụ của đồ án  Tổng quan về phương pháp hấp thu khí H 2 S bằng nước.  Tìm hiểu nguồn gốc, tính chất đặc trưng, khả năng gây ô nhiễm của khí thải – khí HCl.  Tính toán thiết bị xử lý phù hợp. GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 1 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 2.1. Khái niệm Hấp thu là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả khí. Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau. Quá trình hấp thu tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng). Khi này hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan có chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng. Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thu Chất lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi (chất hấp thu) Khí không bị hấp thu gọi là khí trơ. Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, quá trình hấp thu được dùng để:  Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí  Làm sạch pha khí  Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt  Tạo thành một dung dịch sản phẩm. GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 2 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Có 2 phương pháp hấp thu:  Hấp thu vật lý: được dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng.  Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học giữa chất bị hấp thu và chất hấp thu. Nếu quá trình hấp thu khí với mục đích của quá trình là tách các cấu tử hỗn hợp khí thì khi đó việc lựa chọn dung môi tốt phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại. Đây là điều kiện quan trọng nhất. - Độ nhớt của dung môi: càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ, tăng tốc độ hấp thu và có lợi cho quá trình chuyển khối. - Nhiệt dung riêng: bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi. - Nhiệt độ sôi: khác xa với nhiệt độ sôi của chất hoà tan sẽ dễ tách các cấu tử ra khỏi dung môi. - Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn. Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mòn thiết bị. Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được tất cả các chỉ tiêu đã nêu. Vì vậy, khi chọn dung môi ta phải dựa vào những điều kiện cụ thể của sản xuất. GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 3 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm 2.2. Cơ sở lý thuyết 2.2.1. Định luật Henry Thành phần cân bằng của các pha trong hệ khí – dung dịch chất lỏng hòa tan khí đối với các khí lý tưởng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn được xác định theo định luật Henry: p = Hx (2.1) Nghĩa là áp suất riêng phần của khí trên mặt thoáng chất lỏng tỉ lệ với nồng độ phần mol của nó trong dung dịch Trong phương trình (2.1) x : Nồng độ phần mol của khí bị hấp thu trong dung dịch p: Áp xuất riêng phần của khí bị hấp thu trong hỗn hợp khí trên mặt thoáng dung dịch ở điều kiện cân bằng. H: Hệ số Henry, có cùng thứ nguyên với áp suất, giá trị của nó phụ thuộc vào tính chất của khí và của chất lỏng, vào nhiệt độ và đơn vị đo. Khi nhiệt độ tăng thì H tăng, độ hòa tan của khí trong chất lỏng sẽ giảm xuống. Đối với khí lý tưởng thì phương trình trên được biểu thị bằng đường thẳng. Đối với khì thực thì hệ số Henry còn phụ thuộc vào nồng độ và đường biểu diễn trong trường hợp này là đường cong. Nếu khí thực có nồng độ khí không lớn lắm và độ hòa tan của nó trong chất lỏng nhỏ thì đường biểu diễn của phương trình (2.1) cũng là một đường thẳng. Mặt khác, áp suất riêng phần cân bằng của khí cũng có thể xác định theo phương trình sau: p = y cb .P (2.2) GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 4 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Trong đó y cb : Nồng độ phần mol của cấu tử bị hấp thu trong hỗn hợp khi cân bằng với áp suất lỏng . P: Áp suất tổng cộng của hỗn hợp khí. So sánh hai phương trình (2.1) và (2.1), ta có: y cb = x , y cb = m x , (2.3) Trong đó m = hằng số cân bằng pha hay hệ số phân bố, là một đại lượng không đổi. 2.2.2. Cân bằng vật chất trong quá trình hấp thu Xét một quá trình xảy ra với một pha ký hiệu là L và pha ký hiệu là G. Trong thiết bị hai pha tiếp xúc nhau và chỉ có dung chất A khuếch tán giữa hai pha. Cấu tử không khuếch tán giữa hai pha gọi là cấu tử trơ. Ký hiệu: L đ , L c : Suất lượng mol tổng cộng của pha L vào và ra khỏi thiết bị. G đ , G c : Suất lượng mol tổng cộng của pha G vào và ra khỏi thiết bị. L tr , G tr : Suất lượng mol của cấu tử không khuếch tán (trơ) trong pha lỏng, pha khí. x đ , x c : Phần mol của dung chất trong pha L vào và ra khỏi thiết bị. y đ , y c : Phần mol của dung chất trong pha G vào và ra khỏi thiết bị. GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 5 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm X đ , X c :Tỉ số mol của dung chất trong pha L vào và ra khỏi thiết bị. Y đ , Y c : Tỉ số mol của dung chất trong pha G vào và ra khỏi thiết bị. Hình 2.1 trình bày quá trình tiếp xúc nghịch dòng cho một tháp bất kỳ. Gọi: G Là suất mol tổng cộng/h (m 2 tiết diện tháp) y Là phần mol của dung chất khuếch tán A p Là áp suất riêng phần Y Là tỉ số mol G tr Là suất lượng mol của cấu tử trơ/h.m 2 Tại một vị trí bất kỳ trong tháp: GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 6 L đ x đ L tr x đ G c G tr Y c y c x L x L tr G y G tr y L c L tr x c x c G đ G tr y đ y đ Hình 2.1. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu Bao hình 1 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Y = = (2.4) G tr = G( 1 - y ) = (2.5) Tương tự cho pha lỏng: X = (2.6) L tr = L( 1 - x ) = (2.7) Vì cấu tử trơ trong pha khí và trong pha lỏng có suất lượng không đổi khi đi qua tháp nên ta viết phương trình cân bằng vật chất trên căn bản cấu tử trơ. Cân bằng dung chất cho phần dưới tháp đến vị trí bất kỳ (bao hình 1) là: G tr (Y 1 - Y ) = L tr (X 1 – X ) (2.8) Đây là phương trình đường thẳng (đường làm việc) trên tọa độ X, Y, hệ số góc là L tr /G tr và đi qua điểm (X 1 /Y 1 ). Nếu thay X, Y bằng X 2 /Y 2 thì đường biểu diễn cũng đi qua điểm (X 2 /Y 2 ). Đường làm việc là đường thẳng khi vẽ theo tọa độ tỉ số mol X,Y hoặc tỉ số khối lượng ,. Nếu biểu diễn theo phần mol hoặc áp suất riêng phần, đường làm việc sẽ là đường cong, phương trình khi đó là: G tr ( - ) = G tr ( - ) = L tr ( - ) (2.9) Với P t là áp suất tổng được xem như không đổi trong suốt cả tháp. 2.2.3. Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu Trong việc tính toán quá trình hấp thu, ta thường biết trước các đại lượng sau: − Suất lượng pha khí G hay G tr − Nồng độ hai đầu pha khí Y 1 và Y 2 nồng độ của pha lỏng ban đầu X 2 GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 7 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Suất lượng dung môi lỏng được chọn phụ thuộc vào các đại lượng trên. Hình 2.3a, đường làm việc phải đi qua điểm D và chấm dứt tại đường có tung độ Y 1 . Nếu suất lượng dung môi sử dụng tương ứng với đường DE, nồng độ pha lỏng trong dòng ra sẽ là X 1 . Nếu lượng dung môi sử dụng ít hơn, thành phần pha lỏng đi ra sẽ lớn hơn (điểm F) nhưng động lực khuếch tán sẽ nhỏ hơn, quá trình thực hiện khó hơn, thời gian tiếp xúc pha sẽ lâu hơn, do đó thiết bị hấp thụ phải cao hơn. Đường làm việc ứng với lượng dung môi tối thiểu khi tiếp xúc với đường cân bằng tại P. Tại P động lực khuếch tán bằng không, thời gian tiếp xúc pha không xác định và tháp có chiều cao không xác định. Điều này là điệu kiện giới hạn cho lượng dung môi sử dụng. GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 8 Y X Đường cân bằng Hình 2.2. Đường làm việc cho quá trình hấp thu Đường làm việc L tr /G tr Đỉnh Đáy Y 1 0 Y 2 X 2 X 1 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Thường thì đường cân bằng lõm như hình 2.3b, đường làm việc ứng với lượng dung môi tối thiểu tương ứng với nồng độ dòng lỏng ra cân bằng với nồng độ dòng khí vào. Như vậy ta có: L tr min = G tr (2.10) Với X 1max là nồng độ ra của pha lỏng cực đại ứng với lượng dung môi tối thiểu hay nồng độ ra của pha lỏng cân bằng với nồng độ vào của pha khí. Trong thực tế, lượng dung môi sử dụng luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu và nồng độ ra của pha lỏng nhỏ hơn nồng độ cực đại. 2.2.4. Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình hấp thu Phương trình cân bằng nhiệt lượng G đ I đ + L đ C đ T đ + Q s = G c I c + L c C c T c + Q 0 Trong đó G đ , G c : Hỗn hợp khí đầu và cuối, (kg/h) GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 9 Y X Đường cân bằng Hình 2.3. Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu E Y 1 0 Y 2 X 2 X 1max Y 1 X 2 X 1max X Đường cân bằng L trmin /G tr X 1 F M D P Y 2 0 a) b) Y Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm L đ , L c : Lượng dung dịch đầu và cuối, (kg/h) T đ , T c : Nhiệt độ khí ban đầu và cuối, ( 0 C) I đ , I c : Entalpy hỗn hợp khí ban đầu và cuối, (kJ/kg) C đ , C c : Tỷ nhiệt của dung dịch đầu và cuối, (kJ/kg độ) Q 0 : Nhiệt mất mát, (kJ/h) Q s : Nhiệt phát sinh do hấp thu khí, (kJ/h) 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp thu Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp thu. Cụ thể là chúng có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình. Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi các điều kiện khác không đổi nếu nhiệt độ tăng thì giá trị của hệ số Henry tăng, đường cân bằng sẽ chuyển dịch về trục tung. Giả sử đường làm việc PQ không đổi, nếu nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm, do đó tốc độ truyền khối sẽ giảm. Nếu tăng nhiệt độ lên một giới hạn nào đó thì không những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình củng không thực hiện được theo đường làm việc PQ cho trước. Mặt khác nhiệt độ tăng cũng có ảnh hưởng tốt vì làm độ nhớt của dung môi giảm (có lợi đối với trường hợp trở lực khuếch tán chủ yếu nằm trong pha lỏng). GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 10 [...]... 3.1 Thuyết minh quy trình công nghệ Khí cần xử lý cần được lấy từ các nhà máy, sẽ được thu hồi lại rồi sau đó dùng quạt thổi khí vào tháp hấp thụ (tháp mâm xuyên lỗ) Dung dịch dùng hấp thụ là nước Tháp hấp thụ làm việc nghịch chiều: Nước được bơm lên bồn cao vị (với mục đích để ổn định lưu lượng), từ đó cho vào tháp từ trên đi xuống, hỗn hợp khí được thổi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra Hấp. .. lưu lượng lỏng nhỏ và môi trường không ăn mòn Tháp hấp thụ phải thảo mãn những yêu cầu sau: Hiệu quả và có khả năng cho khí đi qua, trở lực thấp (< 3000 Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thu n tiện, khối lượng nhỏ, không bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ Khi đồng thời hấp thụ nhiều khí, vận tốc hấp thụ của mỗi khí bị giảm xuống Khí hấp thụ hóa học trong tháp xuất hiện đối lưu bề mặt,... thể hiện tính khử bằng cách khử một số hợp chất như KMnO4 (đặc), MnO2, KClO3 giải phóng khí clo 2KMnO4(đặc) + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8 H2O MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O 2.5 Thiết bị hấp thụ Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng càng lớn càng tốt Có nhiều dạng tháp hấp thu: + Tháp phun: Là tháp có cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất trong... dòng khí đi qua Tháp phun được sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn + Tháp sủi bọt: Khí được cho qua tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nước lỏng GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 13 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án môn học + Tháp sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất lỏng Quá trình phân tán khí có thể thực hiện bằng cách cho khí. .. Đồ án môn học CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 4.1 Tính cân bằng vật chất cho tháp hấp thu 4.1.1 Các thông số ban đầu − Công suất của hệ thống V0 = 5 m3/s = 18000 m3/h (điều kiện tiêu chuẩn) − Nồng độ khí HCl trong khí thải (điều kiện tiêu chuẩn) Nồng độ khí vào yđ = 3 g/m3 Nồng độ khí ra yc = 100 mg/m3 = 0,1 g/m3 − Nồng độ ban đầu của HCl trong nước Xđ = 0 − Nhiệt độ làm việc trung... P3 p4 Q P t1 < t 2 < t 3 < t 4 X P1 < P 2 < P 3 < P 4 X Hình 2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình hấp thu Hình 2.5 Ảnh hưởng của áp suất lên quá trình hấp thu Ảnh hưởng của áp suất: Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất của hỗn hợp khí thì hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hoành Như vậy nếu tăng áp suất thì quá trình truyền khối sẽ tốt hơn... khí đi qua tấm xốp, tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học + Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng + Tháp đĩa: Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối... tháp hấp thu Các yếu tố khác: Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác của dụng cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 11 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án môn học 2.4 Tính chất của HCl HCl là một chất khí không màu có mùi xốc, trọng lượng riêng 1,264 ở 170C (so với không khí) ... hợp khí trơ đi ra ở đỉnh tháp sẽ được cho đi qua ống khói để phát tán khí ra ngoài mà không gây ảnh hưởng đến công nhân Dung dịch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồn chứa Tại đây, dung dịch lỏng này có thể được đưa qua tháp tái sinh để tái sử dụng hoặc sẽ được sử lý để sau cho nồng độ cùa nước thải đạt được nồng độ cho phép để có thể thải ra môi trường Nếu trong khu công nghiệp thì xử lý sau cho nước. .. Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án môn học 4.2 Tính cân bằng năng lượng cho tháp hấp thu ………………………… CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 5.1 Đường kính tháp D= (IV - 162) Trong đó Vtb lưu lượng khí trung bình đi trong tháp GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 19 Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm wy Đồ án môn học vận tốc khí đi trong tháp Tính vận tốc đi trong tháp ( ρwy ) = 0,65