DO AN MON HOC HAP THU SO2

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN I KHÁI NIỆM: Khái niệm: Hấp thu trình xảy cấu tử pha khí khuếch tán vào pha lỏng tiếp xúc hai pha khí lỏng Nếu trình xảy ngược lại, nghóa cần truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có trình nhả khí Nguyên lý hai trình giống Quá trình hấp thu tách bỏ hay nhiều chất ô nhiễm khỏi dòng khí thải (pha khí) cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng) Khi hỗn hợp khí cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa hay nhiều cấu tử hỗn hợp khí để tạo nên dung dòch cấu tử chất lỏng Khí hấp thụ gọi chất bò hấp thụ Chất lỏng dùng để hấp thu gọi dung môi (chất hất thụ ) Khí không bò hấp thụ gọi khí trơ p dụng hấp thu: Trong công nghiệp hóa chất ,thực phẩm, trình hấp thu dùng để: Thu hồi cấu tử quý pha khí Làm pha khí Tách hổn hợp tạo thành cấu tử riêng biệt Tạo thành dung dòch sản phẩm Lựa chọn dung môi: Nếu mục đích trình tách cấu tử hỗn hợp khí việc lựa chọn dung môi tốt phụ thuộc vào yếu tố sau: 1) Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghóa hòa tan cấu tử cần tách hòa tan không đáng kể cấu tử lại Đây điều kiện quan trọng 2) Độ nhớt dung môi: bé trở lực trình nhỏ, tăng tốc độ hấp thu có lợi cho trình chuyển khối 3) Nhiệt dung riêng: bé tốn nhiệt hoàn nguyên dung môi 4) Nhiệt độ sôi: khác xa với nhiệt độ sôi chất hoà tan dễå tách cấu tử khỏi dung môi Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN 5) Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bò, không tạo kết tủa, không độc thu hồi cấu tử hòa tan dễ dàng 6) Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm không độc hại với người không ăn mòn thiết bò II QUÁ TRÌNH HẤP THỤ: Cơ chế trình: Hấp thu trình quan trọng để xử lý khí ứng dụng nhiều trình khác Hấp thu sở trình truyền khối ,được mô tả tính toán dựa vào phân chia pha (cân pha, khuếch tán) Cơ chế trình chia thành bước: + Khuếch tán phân tử chất ô nhiễm thể khí khối khí thải đến bề mặt chất lỏng hấp thụ Nồng độ phân tử phía chất khí phụ thuộc vào tượng khuếch tán: Khuếch tán rối: có tác dụng làm nồng độ phân tử đặn khối khí Khuếch tán phân tử: làm cho phân tử khí chuyển động phía lớp biên Trong pha lỏng xảy tượng tương tự thế: Khuếch tán rối: hình thành để giữ cho nồng độ đặn toàn khối chất lỏng Khuếch tán phân tử: làm dòch chuyển phân tử đến lớp biên từ lớp biên vào pha kh + Thâm nhập hòa tan chất khí vào bề mặt chất hấp thụ + Khuếch tán chất khí hòa tan bề mặt nhăn cách vào sâu lòng chất lỏng hấp thụ Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào tương tác chất hấp thụ chất bò hấp thụ pha khí Quá trình trao đổi chất: Khi chất ô nhiễm từ khí thải vào chất lỏng hấp thụ phân tử trao đổi qua vùng ranh giới gọi lớp biên (màng, phim) Các phân tử qua lớp biên từ phía, số từ phía chất khí, số từ phía chất lỏng Cường độ trao đổi phụ thuộc vào yếu tố tác động lên hệ thống áp suất, nhiệt độ, nồng độ độ hòa tan phân tử Cường độ trao đổi tăng pha lỏng pha khí có diễn phản ứng hóa học hay phân tử khí không hể quay trở khối khí có tác động trình vật lý Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN Quá trình hấp thụ kèm theo tỏa nhiệt làm tăng nhiệt độ hệ thống Khi pha khí phân tán vào pha lỏng xảy tượng dẫn nhiệt làm lượng cấu tử pha khí bò giảm Hiện tượng xảy chuyển động hỗn loạn phân tử khí, làm cho phân tử bò xáo trộn từ dẫn tới cân lượng hai pha Nhờ có chuyển động mà khác biệt cục nồng độ chất khí hỗn hợp giảm dần can thiệp ngoại lực quấy, lắc Mặt khác tổng thể tích hệ thống trình hấp thụ bò giảm thể tích pha khí giảm Theo Nguyên lý Le Chartelier: độ hòa tan khí chất lỏng tăng tăng áp suất giảm nhiệt độ trình Trong thực tế có tượng hấp thụ: Hấp thụ đẳng nhiệt: tiến hành với giải nhiệt pha lỏng thiết bò truyền nhiệt bố trí tháp hấp thụ Nếu nồng độ ban đầu không lớn lưu lượng chất lỏng lớn thay đổi nhiệt độ chất lỏng không đáng kể Hấp thụ đẳng áp: diễn trao đổi với môi trường bên ngoài, cấu thiết bò đơn giản hóa điều kiện cân không tốt Có phương pháp hấp thụ: Hấp thụ vật lý: dựa hòa tan cấu tử pha khí pha lỏng truyền vật chất pha xác đònh phương trình truyền khối ổn đònh: G = βkF(y – yp) = βlF(x – xp) Còn trình vận chuyển vật chất từ pha sang pha khác sử dụng phương trình: G = KkF(y – y*) = KlF(x – x*) Trong đó: G: số mol vật chất chuyển đơn vò thời gian, mol/s F: bề mặt tiếp xúc pha, m2 y, x: nồng độ mol chất bò hấp thụ pha khí pha lỏng, mol/m3 yp, xp: nồng độ chất bò hấp thụ bề mặt phân chia pha pha khí pha lỏng, mol/m3 y*, x*: nồng độ cấu tử pha khí pha lỏng cân với nồng độ pha khí pha lỏng tương ứng, mol/m3 βk, βl: hệ số truyền khối pha khí lỏng, m/s Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN Kk, Kl: hệ số truyền khối tổng quát pha khí lỏng, m/s Quan hệ hệ số truyền khối β hệ số truyền khối tổng quát sau: 1 = + Kk βk βl 1 = + K l mβ k β l Trong m số cân pha Nếu hệ thống có độ hoà tan cao m (hằng số cân pha) → 0, Kk ≈ βk Khi đó, trở lực trình truyền khối tập trung pha khí Khi độ hòa tan nhỏ m có giá trò lớn ⇒ Kl ≈ βl Khi đó, trở lực trình truyền khối tập trung pha lỏng Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học chất bò hấp thụ chất hấp thụ Khi hiệu nồng độ bề mặt phân chia pha tăng, vận tốc hấp thụ hóa học tăng hấp thụ vật lý Vận tốc phản ứng hóa học tăng, vận tốc hấp thụ hóa học tăng p suất trình: Nếu nồng độ phần mol chất ô nhiễm hòa tan chất lỏng hấp thụ thấp áp suất riêng phần cân chất ô nhiễm hòa tan biểu diễn đònh luật Henry: p* = Hx (1) Trong đó: p*: áp suất riêng phần chất hòa tan pha khí cân với pha lỏng x: nồng độ phần mol chất hòa tan chất lỏng, kmol/kmol H: số đònh luật Henry p suất riêng phần p đònh nghóa tích số phần mol pha khí y áp suất tổng cộng P: p = yP (2) * * Dùng giá trò p = y P từ phương trình (2) để thay vào (1) ta được: y* = H x = mx (3) P Trong đó: y*: nồng độ phần mol chất hòa tan pha khí cân với pha lỏng m= H : hệ số vô thứ nguyên có giá trò không đổi cho P hệ lỏng – khí t = const P = const Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN Mặt khác theo đònh luật Raoult ta có: p* = P0x (4) Trong đó: p*: áp suất riêng phần chất hòa tan hỗn hợp khí cân với pha lỏng P0: áp suất bão hòa cấu tử nguyên chất, có giá trò thay đổi theo nhiệt độ x: nồng độ phần mol chất hòa tan chất lỏng, kmol/kmol Thay p* (4) vào (2) ta được: y* = P0 x P (5) Phương trình đường cân trình hấp thu biểu diễn sau: H P0 y = = mx = x (5) P P * Phương trình đường cân trình hấp thu cho dung dòch loãng thành phần không phản ứng với Đây phương trình đường thẳng với hệ số gốc m Trong trường hợp chất khí ô nhiễm phản ứng phân ly dung dòch hấp thụ (hấp thụ hóa học), đường cân đường cong thiết lập dựa công thức thực nghiệm III THÁP HẤP THU: Cân vật chất đường làm việc tháp: Ta xét sơ đồ tính toán cân vật chất cho tháp: Chất lỏng vào Lđ , x đ Ltr, Xđ Gtr, Yc Khí G c , yc Z x L y G X Ltr Y Gtr dZ Chất lỏng Khí vào Lc , x c G đ , Ltr, Xc Gtr, Xét trình hấp thụ xảy thiết bò hấp thụ có chất hòa tan (chất ô nhiễm) A khuếch tán hai pha Pha lỏng ký hiệu L, pha khí ký hiệu G ta quan niệm pha khí pha lỏng gồm Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN thành phần: khí trơ + khí A chất lỏng trơ + khí A (chất hòa tan) Ta ký hiệu sau: Lđ, Lc: suất lượng mol tổng cộng pha lỏng vào khỏi thiết bò, mol/h Gđ, Gc: suất lượng mol tổng cộng pha khí vào khỏi thiết bò, mol/h Ltr, Gtr: : suất lượng mol tổng cộng phần trơ pha lỏng pha khí, mol/h Xđ, xc: phần mol chất A pha lỏng vào khỏi thiết bò Xđ,Xc: tỷ số mol chất A chất trơ pha lỏng , yc: phần mol chất A pha khí vào khỏi thiết bò ,Yc: tỷ số mol chất A chất trơ pha khí Pt: áp suất tổng Ta thấy L,G thay đổi theo vò trí chiều cao tháp có di chuyển khí A từ pha khí sang pha lỏng phần trơ số Cân vật chất cho toàn tháp: Gđ + Lc = Gđ + Lđ (11) Cân vật chất chất A khuếch tán pha: Gđ + Lcxc = Gcyc+ Lđxđ (12) Ta có tỷ số mol chất A pha khí Y= y p = − y Pt − p Tương tự cho pha lỏng: X = x 1− x Phương trình cân bằng: G.+LXđ=G.Yc+L.Xc Ta coù: Y − Yc L = d G Xc − Xd Gtr = Ghh (1 − y ) = G hh +Y Ltr = L(1 − x ) = L 1+ X Ta có phương trình đường thẳng (đường làm việc) tọa độ X, Y, hệ số góc L tr/Gtr qua điểm (X đ, Yc) (Xc, ): Y Gtr( - Yc) = Ltr(Xc - Xñ) A Yñ Yc B Xñ Trang Xc X* X ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN Lượng dung môi tối thiểu cho trình hấp thu: Lmin Y −Y Lmin = d* c G X c −X d Yd − Yc Ltr = Gtr X cmax − X d Trong X1max nồng độ pha lỏng cực đại ứng với lượng dung môi tối thiểu hay nồng độ pha lỏng cân với nồng độ vào pha khí Theo thực nghiệm ta thấy: L = (1,2÷ 1,3)Lmin Cân nhiệt lượng: Ta có phương trình cân nhiệt lượng: GđIđ + LñCñTñ + Qñ = GcIc + LcCcTc +Qc Trong : Gđ, Gc : hỗn hợp khí đầu cuối (kg/h) Lđ, Lc : lựong dung dòch đầu cuối (kg/h) Tđ, Tc :nhiệt độ khí ban đầu cuối (oC) Iđ, Ic : entanpi hỗn hợp khí ban đầu cuối(kj) Qo: nhiêt mát (kj/h) Qs:nhiệt phát sinh hấp thu khí(kj/h) Các lọai tháp hấp thụ: Thiết bò hấp thụ có chức tạo bề mặt tiếp xúc hai pha khí lỏng lớn tốt Có nhiều dạng tháp hấp thu: a) Tháp phun: Là tháp có cấu phun chất lỏng học hay áp suất chất lỏng phun thành giọt nhỏ thể tích rỗng thiết bò cho dòng khí qua Tháp phun đươc sử dụng yêu cầu trở lực bé khí có chứa hạt rắn b) Tháp sủi bọt: Khí cho qua đục lỗ bên có chứa lớp nước mỏng c) Tháp sục khí: Trang ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN Khí phân tán dạng bong bóng qua lớp chất lỏng Quá trình phân tán khí thực cách cho khí qua xốp, đục lỗ cách khuấy học d) Tháp đệm: Chất lỏng tưới lớp đệm rỗng chảy xuống tạo bề mặt ướt lớp đệm để dòng khí tiếp xúc từ lên Tháp đệm thường sử dụng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi hấp thụ không tạo cặn lắng e) Tháp đóa: Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh tế tháp khác Được sử dụng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ môi trường không ăn mòn Tháp hấp thụ phải thoả mãn yêu cầu sau: hiệu có khả cho khí qua, trở lực thấp ( 50 Xét: h P 17,572.10 Nên công thức tính bề dày thân thiết bò: Trang 25 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI S= GVHD: TRẦN Dt P 1,8.17,572.10 +C = + C = 1,285.10 −3 + C (m) 2.[σ k ].ϕ h 2.146,667.10 0,839 Với C = C0 + C1 + C2 + C3 C0 = 1,05 (mm): hệ số quy tròn kích thước C1 = 1,5 (mm): hệ số bổ sung bào mòn hóa học thời hạn sử dụng thiết bò 15 năm với tốc độ ăn mòn 0.1mm/năm C2 = 0: hệ số bổ sung bào mòn học C3 = 0,8 (mm): hệ số bổ sung dung sai âm (tra bảng XIII – – tập sổ tay thiết bò) ⇒ C = 3,35 mm ⇒ S = 4,635 mm Choïn S = mm d) Kiểm tra lại ứng suất thành thiết bò theo áp suất thử tính toán: p suất thử P0 tính theo công thức bảng XIII – – tập sổ tay thiết bò: P0 = 1,5.P = 1,5.17,572 = 26,358.10 (N/m2) ng suất theo áp suất thử tính toaùn: σ [ D + ( S − C )].P = 2.( S − D).ϕ h [1,8 + (8 − 3,35).10 ].26,358.10 = −3 −3 2.(8 − 3,35).10 0,839 = 57,276.10 (N/m2) σ c 220.10 = = 183,33.10 (N/m2) > σ 1,2 1,2 Vaäy S = mm hợp lý Xét: Tính nắp đáy thiết bò: a) Chọn nắp đáy thiết bò dạng elip tiêu chuẩn, có gờ Tra bảng XIII – 11 – tập sổ tay thiết bò, ta có: Chiều cao gờ h = 25 mm Bề mặt F = 3,65 m2 mm Tra baûng XIII – 10 – tập sổ tay thiết bò, ta có h b = 450 Xeùt: [σ ] k.ϕ P h = 146,667.10 0,778.0,839 = 544,82 > 30 17,572.10 Trong k hệ số vô thứ nguyên k = 1− b) D2 400 = 1− = 0,778 Dt 1800 Chiều dày nắp, đáy: Trang 26 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI S= GVHD: TRẦN Dt P D 1,8.17,572.10 1,8 t +C = + C = 1,739.10 −3 + C 3,8.[σ k ].k ϕ h 2.hb 3,8.146,667.10 0,778.0,839 2.0,45 Lấy C giống tính bề dày thân S = 1,739.10-3 + 3,35 = 5,089 (mm) Chọn S = mm c) Kiểm tra ứng suất cho phép theo áp suất thử P σ = [ Dt + 2.hb ( S − C )].P 7,6.k ϕ h hb ( S − C ) = [1,8 + 2.0,45.( − 3.35).10 ].26,358.10 −3 7,6.0,788.0,839.0,45.( − 3,55).10 −3 = 45,705.10 < σ / 1,2 Vậy chọn S=8 (mm)là hợp lý Tra bảng XIII – 11 – tập sổ tay thiết bò Tính bích: a) Tính bích nối đáy tháp với thân, chọn bích liền thép để nối thiết bò: Đường kính trong:Dt =1800 mm Đường kính Do=1800+2.8=1816(mm) Đường kính bích :D =1940 Đường kính tâm bu lon:Dz=1890 Đường kính mép vát :Dl=1860 mm Đường kính Bulon db=M20 Số bulon :z=40 Chiều cao bích: h = 28 mm Khối lượng bích: (kg) π m1 = (1,94 − 1,816 ).0,028.7,9 × 10 = 80,9 b) Tính mặt bích nối ống dẫn thiết bò:  ng dẫn lỏng vào: D = 50 mm Chọn loại bích liền kim loại đen để nối Đường kính Do=57 (mm) Đường kính bích :D =1940 Đường kính tâm bu lon:Dz=1890 Đường kính mép vát :Dl=1860 mm Đường kính Bulon db=M20 Số bulon :z=40 Chiều cao bích: h = 28 mm π m1 = ( 0,14 − 0,057 ).0,012.7,9 × 10 = 1.217 (kg)  ng dẫn lỏng ra: D4 = 70 mm Trang 27 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN Chọn loại bích liền kim loại đen để nối Đường kính Do = 76 (mm) Đường kính bích :D = 160 mm Đường kính tâm bu lon:Dz = 110 mm Đường kính mép vát :Dl = 110 mm Đường kính Bulon db = M12 Số bulon :z = Chiều cao bích: h = 16mm Khối lượng bích: π m2 = ( 0,16 − 0,076 ).0,016.7,9 × 10 = 1,968 (kg)  ng dẫn khí vào ra: D = 400 mm Chọn loại bích liền kim loại đen để nối Đường kính Do = 426 (mm) Đường kính bích :D = 535 mm Đường kính tâm bu lon:Dz = 495 mm Đường kính mép vát :Dl = 465 mm Đường kính Bulon db = M20 Số bulon :z = 16 Chiều cao bích: h = 22 mm Khối lượng bích: π m4 = ( 0,535 − 0,426 ).0,022.7,9 × 10 = 14,3 (kg)  Tính tổng khối lượng bích: mb = m1 + 2.m2 + 2.m3 + m4 = 358,57 (kg) Đóa phân phối Đường kính tháp Dt = 1800 mm Tra bảng IX.22 ta co ù • đường kính đóa Dđ = 1350 mm oỏng daón chaỏt loỷng dì S = 64 × • chọn thép hợp kim không rỉ X18H10T cóchiều dày S = mm • số lượng = 150 • bước t = 92 mm Lưới đỡ đệm: Từ đường kính Dt = 1800 mm Chọn đường lưới 1740 mm Chiều rộng lưới b = 41,5 (đệm 50× 50× 5) Chọn chiều dày 30 mm Tính tai treo đỡ đệm : • khối lượng riêng thép CT3 là: ρo = 7.85.103 kg/m3 Trang 28 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN • khối lượng riêng thép ρ = 1.01× ρo = 7.93× 103 kg/ m3 a) Khối lượng nắp đáy m= 232× = 464 kg b) Khối lượng thân tháp: π 2 Dn − Dt × H × ρ mt = V×ρ = ( ) π × (1,816 − 1,8 ) × 7,74 × 7.93 × 10 = 2778,47 kg c) Khối lượng đệm: mđ = 6857,94 kg = d) khối lượng dung dòch tháp π mdd = × Dt × H × ρ x π = × 1,8 × 7,74 × 1022.305 = 18769,457 (kg) Khối lượng đóa phân phối khí, lưới đỡ đệm, cửa nhập tháo đệm, bulong có khối lượng nhỏ so với khối lượng dung dòch tháp nên bỏ qua Suy khối lượng toàn tháp: 29228,437 kg ⇒ tải trọng toaứn thaựp: P = mì g = 286730,967 (N) Chọn tháp có chân đỡ ống thép tròn ⇒ tải tronïg đặt lên chân đỡ G= ∑ m = 286730,967 = 71682,74( N / m 4 ) ≈ 7,168 × 10 Chọn tải trọng cho phép chân 8N/m Tra bảng sổ tay tập hai ta được: L = 320mm B = 265 mm B1 = 270 mm H = 500 mm S = 22 mm l = 120 mm d = 34 mm h = 275 mm • Tai Treo Chọn tháp có tai treo Suy tải trọng đặt lên tai 7,168.10 N Chọn tải trọng cho phép tai Trang 29 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN KHÔI GVHD: TRẦN G = 8× 104 N Tra bảng ta L = 270 mm B = 240 mm B1 = 240 mm H = 420 mm S = 14 mm l = 120 mm a = 25 mm d = 34 mm Trang 30 ... cân cho trình hấp thu, hấp thu SO2 nước vôi trong: log P * SO2 = 3,58 + 1,87 log[ SO2 ] + 2,24.10 − 2.T − 1960 T Trong đó: P *SO2: áp suất riêng phần SO2 cân (Pa) [SO2} :nồng độ SO2 cân (mol/l) T:... ướt  Lọc sương  Lưới thu giọt sương Xử lý SO2: a) Các tính chất khí SO2: SO2 chất khí không màu, mùi kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan nước với nồng độ thấp (ở Trang 11 ĐỒ ÁN MÔN HỌC TIẾN... bình thường thể tích nước hòa tan 40 thể tích SO2) SO2 có nhiệt độ nóng chảy – 75 0C nhiệt độ sôi – 100C SO2 bền nhiệt (∆H0tt = - 296,9 kJ/mol) b) Tác hại khí SO2: SO2 khí thải công nghiệp thành