tính toán vật liệu đệm-kỹ thuật xử lý khí thải nâng cao

KỸ THUẬT XỬ LÝ KHÍ THẢI NÂNG CAO BÀI TẬP VỀ NHÀ Tính toán đường kính chiều cao lớp vật liệu đệm cho tháp hấp thụ xử lý khí Methyl mercaptan, đặt Quận 8, Tp HCM I Các số liệu ban đầu: Hỗn hợp khí cần tách : Metyl mercaptan - không khí.( CH3SH – không khí) Dung môi : H2O Lưu lượng khí thải vào tháp (m3/h) : 9.000 Ở Nhiệt độ : 25 C = 2980 K Nồng độ khí thải vào tháp (mg/Nm3) Nồng độ tối đa cho phép CH3SH (mg/Nm3) BTNMT) : 150 : 15 (Theo QCVN 20 : 2009 Hiệu suất trình hấp thụ (%) : 90 Vật liệu đệm : Vòng sứ Rasig 50 x 50 x mm  Bề mặt riêng (m2/m3 ) : 95  Thể tích tự vật liệu đệm (m3/m3) : 0,79  Số vòng đệm 1m3 : 58 x102  Khối lượng riêng xốp ( kg/m3) : 500 Áp suất (Pt) : atm = 760 mmHg Khối lượng riêng nước : kg/m3 : 1000 Độ nhớt nước (Cps) : 1,005 Khối lượng riêng CH3SH : kg/m3 : 960 Khối lượng riêng không khí : kg/m3 ψ Hằng số henry CH3SH 25 C ( ) : 1,293 : 13,56 mmHg Chọn điều kiện hỗn hợp khí bao gồm Metyl mercaptan (CH3SH) không khí II Yêu cầu đề Tính đường kính tháp đệm D= = = 0,0188 x (1)  Trong đó: - D: đường kính tháp hấp thu, (m) - Vtb: lưu lượng trung bình pha khí, (m3/h) - ωtb: tốc độ pha khí trung bình tháp, (m/s) - Gtb: lưu lượng trung bình pha khí, (kg/h) - ρytb: khối lượng riêng trung bình pha khí, (kg/m3) Chiều cao tháp đệm H = Noy x Hđv ; Hđv = hy + x hx (2)  Trong đó: - H: tổng chiều cao đệm, (m) - NOY : số đơn vị (bậc) truyền khối - Hđv : chiều cao đơn vị truyền khối, (m) - hy: chiều cao đơn vị truyền khối theo pha khí, (m) - hx: chiều cao đơn vị truyền khối theo pha lỏng, (m) - m: độ dốc tiếp tuyến với đường cân - Gtb: lưu lượng trung bình pha khí, (kg/s) - Ltb: lưu lượng trung bình pha lỏng, (kg/s) III Tính toán điều kiện ban đầu • Nồng độ khí thải vào tháp : Ta có công thức tính Hiệu suất trình hấp thụ H X 100 90 = x 100  C0 = 150 (mg/m3 ) - C0 nồng độ khí thải Metyl mercaptan đầu vào - C1 nồng độ khí thải Metyl mercaptan lại khỏi tháp hấp thụ • Các Thông số đầu vào :  Suất lượng mole hỗn hợp khí vào tháp Gđ = = = 368,309 (kmol/h)  Suất lượng mole CH3SH pha khí Giđ = = = 28.125 (mol/h) = 28,125 (kmol/h)  Suất lượng mole cấu tử trơ pha khí Gtr = Gđ - Giđ = 368,309 - 28,125 = 340,184 (kmol/h)  Nồng độ phần mole CH3SH hỗn hợp khí yiđ = = = 0,0763 (mol CH3SH / mol hh khí)  Tỷ số mole CH3SH đầu vào Yđ = = = = 0,0826  Khối lượng riêng hốn hợp khí đầu vào 00C atm: = = 0,71446 (kg/m3)  = 1,399  Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu vào 250C 1atm hhkđ = x x = 1,399 x x = 1,282 (kg/m3) • Các thông số đầu :  Suất lượng mole CH3SH hấp thụ Gihp = Giđ X 90% = 28,125 x 90% = 25,3125 (kmol/h)  Suất lượng mole CH3SH đầu Gic= Giđ - Gihp = 28,125 – 25,3125 = 2,8125 (kmol/h)  Suất lượng mole hỗn hợp khí đầu Gc = Gtrơ + Gic = 340,184 + 2,8125 = 342,996 (kmol/h)  Nồng độ phần mole CH3SH hỗn hợp khí đầu yic = = = 8,199 x 10-3 (mol CH3SH / mol hh khí)  Tỷ số mole CH3SH đầu Yc = = = 8,267 x 10-3  Khối lượng riêng hốn hợp khí đầu 00C atm: = = 0,7670 (kg/m3)  = 1,303  Khối lượng riêng hỗn hợp khí đầu 250C 1atm hhkc = x x = 1,303x x = 1,194 (kg/m3) • Các thông số cần xét Ytb = = = 0,0454 Nồng độ phần mol trung bình: ytb = = = 0,047 (kmol CH3HS / kmol hỗn hợp khí) Lượng khí trơ: Gtrơ =340,184 (kmol/h) Lượng CH3HS hấp thụ: Gihp = 25,3125 (kmol/h) Nồng độ đầu CH3HS nước : Cho Rằng Nồng độ cuối CH3HS nước : XCB • Phương trình đường cân có dạng Y= mX + (1 − m) X X= Y (m − 1)Y + m m= Với ψ ψ P số cân pha : Hệ số Henry (mmHg) P : Áp suất chung hỗn hợp khí P=1atm = 760 mmHg , T=25°C ψ = 13,56 (mmHg) ⇒ m = 0,0178 ⇒ Phương trình cân : Y = (kmol CH3HS /kmol khí ) X = = = 0,734 ( kmol CH3HS /kmol H2O) • Phương trình đường làm việc Phương trình cân vật liệu khoảng thể tích thiết bị kể từ tiết diện tới phần thiết bị Gtr(Y – Yc) = Gx(X – Xd) Trong : Xd: nồng độ ban đầu cấu tử cần hấp thụ dung môi (kmol CH3HS /kmol H2O) Yc: nồng độ cuối cấu tử cần hấp thụ hỗn hợp khí (kmol/kmol khí trơ) Gx: lưu lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h) Gtr:: lượng khí trơ vào thiết bị hấp thụ (kmol/h) Từ phương trình cân vật liệu ta có: - Nồng độ cuối cấu tử cần hấp thụ dung môi: Xc = 0,734 ( kmol CH3HS /kmol H2O) - Lượng dung môi tiêu tốn thực tế: l = = = 0,1 (kmol H2O/kmol không khí) - Lưu lượng dung môi vào thiết bị Gx: Gx = l.Gtrơ = 0,1 * 340,184 = 34 (kmol/h) - Phương trình đường làm việc cho đoạn tháp bất kỳ: Gtrơ(Y - Yc) = Gx(X - Xd) Y= Gx X + Yc = l X + Yc Gtro => -3 ⇒ Phương trình đường làm việc: Y = 0,1.X + 8,267 x 10 IV Tính thông số tháp Tính đường kính tháp đệm a Tính khối lượng riêng trung bình • Đối với pha lỏng Áp dụng công thức: + ρ xtb : khối lượng riêng trung bình hỗn hợp lỏng, kg/m3 : Phần khối lượng trung bình CH3HS hỗn hợp : khối lượng riêng CH3HS H2O 25°C, kg/m3 ρ H 2O = 1000 (kg/m3) (25°C)= 960 (kg/m3) , Phần khối lượng trung bình CH3HS pha lỏng Với xtb nồng độ phần mol trung bình cấu tử cần hấp thụ pha lỏng ( kmol CH3HS /kmol H2O) ⇒ xtb = 0,367 ( kmol CH3HS /kmol H2O) ⇒ = 0,607 Vậy Khối lượng riêng trung bình hỗn hợp lỏng ρ xtb = 975,33 (kg/m3) • Đối với pha khí Pj = Áp dụng công thức: mi mj V RT ⇒ mj V = ρj = Pj M j RT Khối lượng riêng trung bình hỗn hợp khí tháp: ⇒ ρ ytb = P.M y RT = M y T0 P (kg / m3 ) 22, T P0 Với: ρ ytb : Khối lượng riêng trung bình hỗn hợp khí tháp My: Phân tử lượng trung bình hỗn hợp khí T0: Nhiệt độ đktc T0=273°K T: Nhiệt độ làm việc tháp T= 273+25=298 °K P0: Áp suất đktc P0=1 atm P: Áp suất làm việc tháp P= 1atm Tính My My = ytb + (1 - ytb) M KK = 0,047*48 +(1- 0,047).29 = 30 (kg/kmol) ρ ytb ⇒ = 1,22 (kg/m3) µx , µy Tính độ nhớt * Đối với pha lỏng Áp dụng công thức: lg µx = xtb * lg + (1 – xtb)lg Trong đó: - xtb: phần mol trung bình SO2 hỗn hợp lỏng, xtb = 0,367 (kmol CH3HS/kmol H2O) - ; : độ nhớt CH3HS H2O 250C, Ns/m2 Tra bảng I.102 ( Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1, Tr ) Ta có: µH O (250C) = 0,8.10-3 (Ns/m2) Tra bảng I.101, ta có: (250C) = 0,279.10-3 (Ns/m2) => lg => lg µx µx µx = 0,367 lg (0,279.10-3 )+ (1 – 0,367).lg(0,8.10-3) = -3,0976 => = 7,988.10-4 (Ns/m2) * Đối với pha khí: Áp dụng công thức: = + Trong đó: µ y µ KK ,, : độ nhớt trung bình pha khí, CH 3HS không khí nhiệt độ làm việc t = 250C, Ns/m2 - : khối lượng phân tử pha khí, CH3HS không khí 250C, P = atm Tra đồ thị I-35( Sổ tay trình thiết bị công nghệ hóa chất), ta có: (250C) = 128.10-7 Ns/m2 µ KK (250C) = 181.10-7 Ns/m2 µy = 1,78 x 10-5 (NS / m2) => b Đường kính tháp D= Áp dụng công thức: 4Vtb Vtb = π 3600ωtb 0,785ωtb (m) Vytb: lượng khí trung bình tháp, m3/h ω ytb : tốc độ khí trung bình tháp, m/s * Tính lưu lượng thể tích khí lỏng trung bình tháp: - Vtb = G ytb M ytb ρ ytb (m3/h) Trong đó: - Gytb : lưu lượng khí trung bình tháp, kmol/h - Mytb: khối lượng phân tử trung bình khí tháp, kg/kmol ρ ytb : khối lượng riêng trung bình khí tháp, kg/m3 G + G yc G ytb = yd = Gtro (1 + Ytb ) => Ytb = 0,047 (kmol CH3HS/kmol khí ) - Lưu lượng khí trung bình tháp Gytb: => Gytb = 340,184 * (1 + 0,047) = 356.172 (kmol/h) Vytb==8758(m3/h) Lượng trung bình tháp(kmol/h): Gy = Gytb Mytb= 356.172* 30 =10685,16 (kg/h) - Lưu lượng lỏng trung bình tháp: G + G xc G xtb = xd (kg/h) Gxd = 34 (kmol/h) Gxc = Gxd + GCH3HS bị hấp thụ = 34 + 25,3125 = 59,3125 Gxtb = 46,65 (kmol/h) Mxtb=xtb.MCH3HS +(1- xtb).MH2O=0,367*48+(1-0,367)*18=29,01 Lượng lỏng trung bình (kg/h) × Gx= Gxtb Mxtb =46,65 29,01= 1353,3165 (kg/h) Vxtb= = = 1,387 ( m3/h) ω ytb *Tính vận tốc khí tháp , m/s Áp dụng công thức: Y =1,2.e-4X 0,16 Với ωs2 σ d ρ ytb  µ x  Y=  ÷ g Vd3 ρ xtb  µn   Gx X = G  y ωs   ρ ytb  ÷ ÷ ρ ÷   xtb  : tốc độ đảo pha, m/s Vđ: thể tích tự đệm, m3/m3 σd : bề mặt riêng đệm, m2/m3 Tháp hấp thụ CH3HS chọn Vật liệu đệm : Vòng sứ Rasig 50 x 50 x mm  Bề mặt riêng (m2/m3 ) : 95  Thể tích tự vật liệu đệm (m3/m3) : 0,79  Số vòng đệm 1m3 : 58 x102  Khối lượng riêng xốp ( kg/m3) : 500 Gx, Gy: lượng lỏng lượng trung bình (kg/s) Gy =10685,16 (kg/h) = 2,9681 (kg/s) Gx= 1353,3165 (kg/h) = 0,3(kg/s) g: gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2 µ x , µn : độ nhớt pha lỏng theo nhiệt độ trung bình độ nhớt nước 25 0C, Ns/m2 = 1,005.10-3 (Ns/m2) = 7,988.10-4(Ns/m2) ρ xtb , ρ ytb : khối lượng riêng trung bình pha lỏng pha khí (kg/m3) ρ x = ρ xtb = (kg/m3) ρ y = ρ ytb = 1,22 (kg/m3) X = ()1/4()1/8 = 0.2445 Từ phương trình Y ta có: = = 0.835 m/s Theo thực nghiệm trình chuyển khối chế độ sủi bọt tốt nhất, xong thực tế tháp đệm làm việc tốc độ đảo pha tăng khó bảo đảm trình ổn định Vì Tốc độ thích hợp tính theo phương pháp thường khoảng: ÷ = (0,8 0,9) Ta chọn: = 0,85 = 0,85 * 0,835= 0,71 (m/s) Thay giá trị ta có đường kính tháp => Đường kính tháp: D = = = 2,088 (m)  Chọn D = 2,1 (m) Tính chiều cao tháp đệm Áp dụng công thức xác định chiều cao lớp đệm: H = my.h0 Trong đó: my : số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha (khí) h0 : chiều cao đơn vị chuyển khối * Tính chiều cao đơn vị chuyển khối Ta áp dụng công thức: h0 = h1 + m h2 Trong đó: h1, h2 : chiều cao đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng (m) Gx, Gy: lưu lượng trung bình pha lỏng, pha khí (kg/h) m: hệ số góc đường cong cân * Tính h1 h1 = Áp dụng công thức: Vd Re0,25 Pry2/3 , m y a.ψ δ d Trong đó: Vđ: Thể tích tự đệm Vđ= 0,79 (m3/m3) a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm Đệm vòng a= 0,123 Rey : chuẩn số Reynold cho pha Pry : chuẩn số Prandt cho pha Ψ: Hệ số thấm ướt đệm Re y = 4.ω y ρ y δ d µ y Ta có: Trong đó: ωy : vận tốc khí tháp (m/s) ω y = ω ytb = 0, 7( m / s) ρy : khối lượng riêng trung bình hỗn hợp khí tháp (kg/m3) ρ y ρ ytb = δd = 1,22 (kg/m3) : bề mặt riêng đệm, δd = 95 (m2/m3) µy :độ nhớt trung bình pha khí, (Ns/m2) Rey = = = 202 Pry = Trong đó: µy : độ nhớt hỗn hợp khí, (Ns/m2) ρy : khối lượng riêng trung bình pha khí, (kg/m3) Dy : hệ số khuếch tán pha khí, m2/s Dy = DCH3HS – kk = * T : nhiệt độ K, T = 273 + 25 = 2980K P = atm :MCH3HS ; Mkk: khối lượng mol SO2, không khí (kg/kmol) :uCH3HS ; ukk: thể tích mol CH3HS, không khí (cm3/mol) Tra bảng VIII.2 – II => uCH3HS = 44,8 (cm2 / mol) ukk = 29,9(cm3/mol) Dy = DCH3HS – kk = * = 1,17 x 10-5 (m2 /s) => Pry = = 1,247 Tính ψ Ψ: phụ thuộc vào tỷ số mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang tháp mật độ tưới thích hợp ⇒ψ=1 Vậy h1 = * 2020,25 * 1,2472/3 = 0.295 m * Tính h2 chiều cao đơn vị chuyển khối pha lỏng 1/3  µ2  h2 = 256  x2 ÷ Re0,25 Prx0,5 ( m) x  ρx  Trong đó: µx ρx : độ nhớt trung bình pha lỏng, Ns/m2 : khối lượng riêng trung bình pha lỏng,kg/m3 Ta có: Rex = = = 0.2 Với: δd : bề mặt riêng đệm (m /m ), δd = 95(m2/m3) Gx: lưu lượng trung bình pha lỏng, Gx= 0,3 (kg/s) Ft: Diện tích mặt cắt tháp Ft = 0,785,m2 µx : độ nhớt trung bình pha lỏng = 7,996.10-4 Ns/m2 Prx = µx Dx ρ xtb Trong đó: ρ xtb : khối lượng riêng trung bình pha lỏng, kg/m3 Dx : hệ số khuếch tán pha lỏng, m2/s Dx25 = Trong đó: Dx25: hệ số khuếch tán dung dịch lỏng 250C (m2/s) : khối lượng mol CH3HS, H2O (kg/kmol) = 48 (kg/kmol) MH O = 18 (kg/kmol) A, B: hệ số liên hợp Với chất khí tan nước A = Với dung môi nước B = 4,7 µH O µH O 2 : độ nhớt nước 25 C, = 1cp = 10-3 Ns/s : thể tích mol SO2, H2O (cm3/mol) = 44,8 (cm3/mol) uH O = 18,9 (cm3/mol) Dx25 = = 1,52 x10-9 (m2/s) Trong đó: 0,2 µ H O b= ρ µH O µH O : độ nhớt nước 25 C, = 1cp = 10-3 Ns/s ρ : khối lượng riêng nước 250C ρ Tra bảng I.5 => = 998,23 (kg/m3) b= 0,2 = 0,02 998,23 => Prx = µx Dx ρ xtb = = 134 1/3  µ x2  h2 = 256  ÷ Re0,25 Prx0,5 ( m) x  ρx  hệ số góc đường cân = 256 * * 0,20,25 * 1340,5 = 0,1734 (m) m = 9,83 Vậy Chiều cao đơn vị chuyển khối h0 = h1 + m h2 = 0.295 + 9,83 * * 0,1734 = 17,15 (m) Số đơn vị truyền khối : my = = = 1,63 chiều cao lớp đệm H = my * ho = 1,63 * 17,15 = 28,07 (m) = 28 m chiều cao tháp hấp thụ Chiều cao phần tách lỏng Hc đáy Hđ chon theo bảng sau D (m) Hc (m) Hđ (m) 1,0 – 1,8 0,8 0,2 2,0 – 2,6 1,0 2,5 2,8 – 4,0 1,2 3,0 (Trích tài liệu kỹ thuật xử lý khí thải – Dư Mỹ Lệ - Quá Trình Hấp Thụ) Chiều cao lớp hấp thụ Ht = H + Hc + Hđ = 28 +1 + 2,5 = 31,5 (m) ... tháp hấp thụ Chiều cao phần tách lỏng Hc đáy Hđ chon theo bảng sau D (m) Hc (m) Hđ (m) 1,0 – 1,8 0,8 0,2 2,0 – 2,6 1,0 2,5 2,8 – 4,0 1,2 3,0 (Trích tài liệu kỹ thuật xử lý khí thải – Dư Mỹ Lệ -... chiều cao tháp đệm Áp dụng công thức xác định chiều cao lớp đệm: H = my.h0 Trong đó: my : số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ pha (khí) h0 : chiều cao đơn vị chuyển khối * Tính chiều cao. .. Gtb: lưu lượng trung bình pha khí, (kg/s) - Ltb: lưu lượng trung bình pha lỏng, (kg/s) III Tính toán điều kiện ban đầu • Nồng độ khí thải vào tháp : Ta có công thức tính Hiệu suất trình hấp thụ