Phương pháp hấp thu khí H2S bằng nước

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

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Đặt vấn đề

Các ngành công nghiệp chiếm vị trí rất quan trọng trong nền kinh tếnước ta Nó phát triển cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội và ngày naynhu cầu của con người ngày càng tăng cao, kéo theo sự phát triển của một sốngành liên quan như: Tự động hóa, công nghệ hóa chất… Cùng với sự pháttriển của các ngành công nghiệp này thì một lượng lớn khí thải từ các nhàmáy đã thải vào môi trường, nếu lượng khí thải do các máy này thải ra màkhông qua sử lý sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, độc tính từ các dòngkhí thải do nhà máy sản xuất thải ra ngây thiệt hại nhiều đến sức khỏe củacon 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 H2S bằng nước

 Tìm hiểu nguồn gốc, tính chất đặc trưng, khả năng gây ô nhiễm củakhí thải – khí HCl

 Tính toán thiết bị xử lý phù hợp

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 vàopha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng Nếu quá trình xảy ra ngượclại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trìnhnhả 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 khíthải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng) Khi này hỗn hợp khíđược cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan có chọn lựa một haynhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chấtlỏng

Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thuChất 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 dùngđể:

 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

- Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cầntách và hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại Đây là điều kiện quan trọngnhất.

- Độ nhớt của dung môi: càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ, tăngtốc 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 cáccấu tử ra khỏi dung môi

- Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bị, không tạo kết tủa, khôngđộc 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 ănmòn thiết bị

Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được tất cả cácchỉ tiêu đã nêu Vì vậy, khi chọn dung môi ta phải dựa vào những điều kiện

cụ thể của sản xuất

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 lỏnghòa tan khí đối với các khí lý tưởng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn đượcxác định theo định luật Henry:

Nghĩa là áp suất riêng phần của khí trên mặt thoáng chất lỏng tỉ lệ vớinồng 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 khítrên 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

Mặt khác, áp suất riêng phần cân bằng của khí cũng có thể xác địnhtheo phương trình sau:

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 giữahai pha Cấu tử không khuếch tán giữa hai pha gọi là cấu tử trơ Ký hiệu:

Lđ , Lc: Suất lượng mol tổng cộng của pha L vào và ra khỏi thiết

Xđ , Xc:Tỉ số mol của dung chất trong pha L vào và ra khỏi thiết

bị

Yđ , Yc: 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 (m2 tiết diện tháp)

y Là phần mol của dung chất khuếch tán A

Y = = (2.4)

G tr = G( 1 - y ) = (2.5)Tương tự cho pha lỏng:

L tr = L( 1 - x ) = (2.7)

Vì cấu tử trơ trong pha khí và trong pha lỏng có suất lượng không đổikhi đi qua tháp nên ta viết phương trình cân bằng vật chất trên căn bản cấu tửtrơ 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 Ltr /G tr và đi qua điểm (X1 /Y 1 ) Nếu thay X, Y bằng X 2 /Y 2 thì đường biểu diễn cũng đi qua điểm (X2 /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 trìnhkhi đó là:

G tr ( - ) = Gtr ( - ) = Ltr ( - ) (2.9)

Với Pt 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 đạilượng sau:

− Suất lượng pha khí G hay Gtr

− Nồng độ hai đầu pha khí Y1 và Y2 nồng độ của pha lỏng ban đầu

X 2

Suất lượng dung môi lỏng được chọn phụ thuộc vào các đại lượngtrên.

Hình 2.3a, đường làm việc phải đi qua điểm D và chấm dứt tại đường

có tung độ Y1 Nếu suất lượng dung môi sử dụng tương ứng với đường DE, nồng độ pha lỏng trong dòng ra sẽ là X1 Nếu lượng dung môi sử dụng ít hơn,

thành phần pha lỏng đi ra sẽ lớn hơn (điểm F) nhưng động lực khuếch tán sẽnhỏ 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 tốithiểu khi tiếp xúc với đường cân bằng tại P Tại P động lực khuếch tán bằngkhông, thời gian tiếp xúc pha không xác định và tháp có chiều cao không xácđịnh Điều này là điệu kiện giới hạn cho lượng dung môi sử dụng

Y

XĐường cân bằng

Hình 2.2 Đường làm việc cho quá trình hấp thu

Thường thì đường cân bằng lõm như hình 2.3b, đường làm việc ứngvới lượng dung môi tối thiểu tương ứng với nồng độ dòng lỏng ra cân bằngvới nồng độ dòng khí vào Như vậy ta có:

L tr min = Gtr (2.10)

Với X1max 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 môitối 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

Hình 2.3 Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu

Lđ , Lc: Lượng dung dịch đầu và cuối, (kg/h)

Tđ, Tc: Nhiệt độ khí ban đầu và cuối, (0C)

Iđ,Ic: Entalpy hỗn hợp khí ban đầu và cuối, (kJ/kg)

Cđ, Cc: Tỷ nhiệt của dung dịch đầu và cuối, (kJ/kg độ)

Q0: Nhiệt mất mát, (kJ/h)

Qs: 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 quátrình

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 đườnglàm việc PQ không đổi, nếu nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽgiảm, do đó tốc độ truyền khối sẽ giảm Nếu tăng nhiệt độ lên một giới hạnnào đó thì không những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trìnhcủng không thực hiện được theo đường làm việc PQ cho trước Mặt khácnhiệt độ tăng cũng có ảnh hưởng tốt vì làm độ nhớt của dung môi giảm (cólợi đối với trường hợp trở lực khuếch tán chủ yếu nằm trong pha lỏng)

Ảnh hưởng của áp suất:

Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất của hỗn hợpkhí thì hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó đường cân bằng sẽ dịch chuyển vềphía trục hoành Như vậy nếu tăng áp suất thì quá trình truyền khối sẽ tốt hơn

vì động lực tốt hơn

Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ Mặtkhác, sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vận hành củatháp hấp thu

Các yếu tố khác:

Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác củadụng cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suấthấp thu

t1 t2 t3 t4

P

Qy

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) Nhiệt độ nóng chảy -114,70C, nhiệt độ sôi -85,20C.Nhiệt độ tới hạn 51,250C, áp suất tới hạn 86 at Tỷ trọng HCl lỏng ở -1130C

là 1,267, ở -1100C là 1,206 Ngoài không khí ẩm bốc thành sa mù do tạo ranhững hạt nhỏ acid clohydrit Tan nhiều trong nước và phát nhiệt Tan trongrượu, trong benzen (2% ở 180C), trong ete (35% ở 00C) Hằng số phân ly củaacid clohydrit ở 00C bằng 2,5.107

- Tính chất hóa học

Phân tử clorua hiđrô (HCl) là một phân tử hai nguyên tử đơn giản, baogồm một nguyên tử hiđrô và một nguyên tử clo kết hợp với nhau thông qua mộtliên kết đơn cộng hóa trị Do nguyên tử clo có độ âm điện cao hơn so với nguyên

tử hiđrô nên liên kết cộng hóa trị này là phân cực rõ ràng Do phân tử tổng thể cómômen lưỡng cực lớn với điện tích một phần âm δ- tại nguyên tử clo và điện tíchdương δ+ tại nguyên tử hiđrô, nên phân tử hai nguyên tử clorua hiđrô là phân tửphân cực mạnh Vì thế, nó rất dễ dàng hòa tan trong nước cũng như trong cácdung môi phân cực khác

Khi tiếp xúc với nước, nó nhanh chóng bị ion hóa, tạo thành các cation làhiđrônium (H3O+) và các anion clo (Cl-) thông qua phản ứng hóa học thuậnnghịch sau:

HCl + H2O → H3O+ + Cl

-Như các loại axít khác, HCl có khả năng tác dụng với:

• Kim loại: Giải phóng khí hiđrô và tạo muối clorua (trừ các kim loạiđứng sau hiđro trong dải hoạt động hóa học như Cu, Hg, Ag, Pt, Au).

2KMnO4(đặc) + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8 H2OMnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O

+ Tháp sủi bọt: Khí được cho qua tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nướclỏng

+ Tháp sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớpchất lỏng Quá trình phân tán khí có thể thực hiện bằng cách cho khí đi quatấm xốp, tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học.

+ Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dướitạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên Thápđệm 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 nhỏ,kinh tế hơn những tháp khác, được sử dụng khi năng suất lớn, lưu lượng lỏngnhỏ và môi trường không ăn mòn

Tháp hấp thụ phải thảo mãn những yêu cầu sau: Hiệu quả và có khả năngcho khí đi qua, trở lực thấp (< 3000 Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuậntiện, khối lượng nhỏ, không bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấpthụ

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, nghĩa là trên bề mặtphân chia pha xuất hiện dòng đối lưu cưỡng bức thúc đẩy quá trình truyềnkhối

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

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 dùnghấp thụ là nước Tháp hấp thụ làm việc nghịch chiều: Nước được bơm lênbồn cao vị (với mục đích để ổn định lưu lượng), từ đó cho vào tháp từ trên đixuống, hỗn hợp khí được thổi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra Hấpthụ xảy ra trong đoạn tháp có bố trí các mâm Hỗn hợp khí trơ đi ra ở đỉnhtháp sẽ được cho đi qua ống khói để phát tán khí ra ngoài mà không gây ảnhhưởng đến công nhân Dung dịch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồnchứa Tại đây, dung dịch lỏng này có thể được đưa qua tháp tái sinh để tái sửdụng hoặc sẽ được sử lý để sau cho nồng độ cùa nước thải đạt được nồng độcho phép để có thể thải ra môi trường Nếu trong khu công nghiệp thì xử lýsau cho nước thải đạt tiêu chuẩn loại B (1mg/l) hoặc nếu đặt trong khu sinhhoạt thì phải xử lý cho đến khi đạt tiêu chuẩn loại A (0.1mg/l)

3.2 Sơ đồ quy trình công nghệ (xem hình ở trang bên)

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 tiêuchuẩn)

− 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 bình của hệ thống là 30 0C

4.1.4 Đường cân bằng pha

Dựa theo định luật Henry:

Ở 30 0C H.10-6 = 0,0022 mmHg

=> m = = = 2,8947

y cb = (*)

Đường cân bằng pha

X 0 0.50E-4 1.00E-4 1.50E-4 2.00E-4 2.50E-4 3.00E-4 3.50E-4 4.00E-4 4.50E-4 5.00E-4

Y 0 0.000145 0.000290 0.000434 0.000579 0.000724 0.000869 0.001014 0.001159 0.001304 0.001449

4.2 Tính cân bằng năng lượng cho tháp hấp thu

……….

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH

5.2 Đường kính, diện tích mặt cắt ống chảy chuyền

Đường kính ống chảy chuyền

Trong đó

Gx lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h

ρx khối lượng riêng của lỏng, kg/m3

Khối lượng đĩa

βx Hệ số cấp khối phía pha lỏng

βy Hệ số cấp khối phía pha khí

Hệ số cấp khối phía pha khí

βy = 3,03.10-4.wy0.76.∆Px (II - 164)Trong đó

∆Ps Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt, N/m2

w0 = = = 13,8046 (m/s)

∆Pk = 1,635 = 112,8999 (N/m2)+ Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (II - 194)

∆Ps = =

= 20,6318 (N/m2)+ Trở lực thủy tĩnh

∆Pt = 1,3.[K.hc + ].g.ρx (II - 194)Trong đó

hc Chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên khỏi đĩa, m

Gx Lưu lượng lỏng, kg/h,

(Gx = = = 42,2231)

Lc Chiều dài cửa chảy tràn, m

m Hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn,

( = = 52,7789 > 5 => m = 10000)

ρx Khối lượng riêng của lỏng, kg/m3

K Tỉ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêngcủa lỏng không bọt, (chấp nhận K = 0,5)

Ky Hệ số chuyển khối, Kmol/m2s

f Diện tích làm việc của đĩa, m2

Gy Lưu lượng khí, Kmol/s

X 0 5.29E-4

Đồ thị X,Y xác định số đĩa lý thuyết

Dựa vào đồ thị X, Y xác định số đĩa lý thuyết theo đường cân bằng vàđường làm việc, số bậc (số tam giác) tạo thành giữa hai đường chính là số đĩa

lý thuyết

Đồ thị X,Y xác định số đĩa thực tế

Dựa vào đồ thị X, Y xác định số đĩa thực tế theo đường cong phụ vàđường làm việc, số bậc (số tam giác) tạo thành giữa hai đường chính là số đĩathực tế

Như vậy số đĩa thực tế là 11

Chiều cao toàn tháp

H = Hd(Nt + 1) + Hday + Hn + Hc + δ

Trong đó

Nt Số đĩa thực tế

Hd Khoảng cách giữa các đĩa, (Hd = 0,5 m) (II - 169)

Hday Chiều cao đáy của thiết bị

Hn Chiều cao nắp của thiết bị

(Hday, Hn = 0,375 m)

Hc Chiều cao của chân đỡ, (Hc = 0,185 m)

δ Khoảng cách bổ sung của đáy tháp, (δ = 0,4 m)

Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn, nhiệt độ làm việc t = 300C,

Plv = 1 at = 98100 N/m2 = 98,1 N/mm2 Nên ta chọn vật liệu là thép không gỉ

để chế tạo thiết bị

Ký hiệu thép: X18H10T (II - 310, 313, 356, 362)Các thông số chính của thép:

Giới hạn bền σk = 550.106 (N/m2)Giới hạn chảy σch = 220.106 (N/m2)Chiều dài tấm thép 4 - 25 (mm)

Hệ số dẫn nhiệt từ 20 ÷ 100 0C: λ = 16,3 (W/m.độ)Khối lượng riêng ρ = 7900 (kg/m3)

Hệ số an toàn bền

nk = 2,6 nc = 1,5 nbl = 1,5

Hệ số hiệu chỉnh η h = 1

Hệ số bền mối hàn ϕh = 0,95Chọn công nghệ gia công: Hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp mốihai bên

6.1 Ứng suất làm việc cho phép theo giới hạn bền

[σk] = .η h = 1 = 211,54.106 (N/m2) (II - 355)

[σc] = .η h = 1 = 146,7.106(N/m2)

Vậy ứng suất cho phép dùng để tính toán

[σ] = [σc] = 146,7.106(N/m2)