xử lý CO2 bằng phương pháp hấp thụ trong dung môi là monoetanolamin (MEA)

Hiện nay, nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, một trong những loại năng lượng đang nhận được nhiều sự quan tâm của các quốc gia trên thế giới là khí đốt. Ở Việt Nam, nguồn tài nguyên khí đốt đang được tìm kiếm và khai thác, không những từ các nguồn khí ngoài khơi mà còn khai thác các nguồn khí từ sản xuất nông nghiệp, trong đó có Biogas. Biogas có nguồn gốc hoàn toàn từ tự nhiên, dễ sản xuất đồng thời nhiệt trị cao đang giúp cho Biogas dần dần được thay thế các dạng nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Thành phần của Biogas phần lớn là khí metan, ngoài ra còn có một lượng đáng kể tạp chất như khí CO2, H2S, H2O,… Do đó khi đốt trực tiếp Biogas, lượng tạp chất như H2S gây ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị, đặc biệt là khí CO2 làm giảm phần lớn nhiệt trị của Biogas, làm giảm hiệu quả sử dụng. Xử lý CO2, H2S có nhiều phương pháp khác nhau. Và việc lựa chọn phương pháp nào sẽ phụ thuộc chủ yếu vào hiệu quả và tính kinh tế của phương pháp đó. Trong đồ án này sẽ khảo sát phương án: xử lý CO2 bằng phương pháp hấp thụ trong dung môi là monoetanolamin (MEA) (sau khi Biogas đã loại H2S bằng hấp phụ trên sắt oxit) nhằm tìm hiểu xem quá trình xử lý này có đạt hiệu quả và kinh tế không, để có thể đưa vào hệ thống xử lý Biogas trước khi sử dụng, nâng cao hiệu quả kinh tế. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô thuộc Bộ môn Quá trình và thiết bị đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đồ án môn học này. Trong quá trình làm đồ án sẽ không tránh khỏi những sai sót, tôi kính mong nhận được sự góp ý, chỉnh sửa của quý thầy cô để bổ sung, hoàn thiện hơn quyển đồ án này.   Hiện nay, nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, một trong những loại năng lượng đang nhận được nhiều sự quan tâm của các quốc gia trên thế giới là khí đốt. Ở Việt Nam, nguồn tài nguyên khí đốt đang được tìm kiếm và khai thác, không những từ các nguồn khí ngoài khơi mà còn khai thác các nguồn khí từ sản xuất nông nghiệp, trong đó có Biogas. Biogas có nguồn gốc hoàn toàn từ tự nhiên, dễ sản xuất đồng thời nhiệt trị cao đang giúp cho Biogas dần dần được thay thế các dạng nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Thành phần của Biogas phần lớn là khí metan, ngoài ra còn có một lượng đáng kể tạp chất như khí CO2, H2S, H2O,… Do đó khi đốt trực tiếp Biogas, lượng tạp chất như H2S gây ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị, đặc biệt là khí CO2 làm giảm phần lớn nhiệt trị của Biogas, làm giảm hiệu quả sử dụng. Xử lý CO2, H2S có nhiều phương pháp khác nhau. Và việc lựa chọn phương pháp nào sẽ phụ thuộc chủ yếu vào hiệu quả và tính kinh tế của phương pháp đó. Trong đồ án này sẽ khảo sát phương án: xử lý CO2 bằng phương pháp hấp thụ trong dung môi là monoetanolamin (MEA) (sau khi Biogas đã loại H2S bằng hấp phụ trên sắt oxit) nhằm tìm hiểu xem quá trình xử lý này có đạt hiệu quả và kinh tế không, để có thể đưa vào hệ thống xử lý Biogas trước khi sử dụng, nâng cao hiệu quả kinh tế. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô thuộc Bộ môn Quá trình và thiết bị đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đồ án môn học này. Trong quá trình làm đồ án sẽ không tránh khỏi những sai sót, tôi kính mong nhận được sự góp ý, chỉnh sửa của quý thầy cô để bổ sung, hoàn thiện hơn quyển đồ án này.   Hiện nay, nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, một trong những loại năng lượng đang nhận được nhiều sự quan tâm của các quốc gia trên thế giới là khí đốt. Ở Việt Nam, nguồn tài nguyên khí đốt đang được tìm kiếm và khai thác, không những từ các nguồn khí ngoài khơi mà còn khai thác các nguồn khí từ sản xuất nông nghiệp, trong đó có Biogas. Biogas có nguồn gốc hoàn toàn từ tự nhiên, dễ sản xuất đồng thời nhiệt trị cao đang giúp cho Biogas dần dần được thay thế các dạng nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Thành phần của Biogas phần lớn là khí metan, ngoài ra còn có một lượng đáng kể tạp chất như khí CO2, H2S, H2O,… Do đó khi đốt trực tiếp Biogas, lượng tạp chất như H2S gây ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị, đặc biệt là khí CO2 làm giảm phần lớn nhiệt trị của Biogas, làm giảm hiệu quả sử dụng. Xử lý CO2, H2S có nhiều phương pháp khác nhau. Và việc lựa chọn phương pháp nào sẽ phụ thuộc chủ yếu vào hiệu quả và tính kinh tế của phương pháp đó. Trong đồ án này sẽ khảo sát phương án: xử lý CO2 bằng phương pháp hấp thụ trong dung môi là monoetanolamin (MEA) (sau khi Biogas đã loại H2S bằng hấp phụ trên sắt oxit) nhằm tìm hiểu xem quá trình xử lý này có đạt hiệu quả và kinh tế không, để có thể đưa vào hệ thống xử lý Biogas trước khi sử dụng, nâng cao hiệu quả kinh tế. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô thuộc Bộ môn Quá trình và thiết bị đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đồ án môn học này. Trong quá trình làm đồ án sẽ không tránh khỏi những sai sót, tôi kính mong nhận được sự góp ý, chỉnh sửa của quý thầy cô để bổ sung, hoàn thiện hơn quyển đồ án này.  

LỜI MỞ ĐẦU

Việc giáo dục ở Nhà trường với mục đích chính là đem lại những kiến thức căn bảnnhất cho mỗi sinh viên Từ những kiến thức ấy, sẽ là hành trang, là cầu nối để sinh viên ápdụng vào trong công việc thưc tế sau này Đồ án Quá trình thiết bị là một trong những cầunối giúp cho sinh viên hiểu rõ hơn về các quy trình công nghệ trong thực tế, nâng cao khảnăng vận dụng kiến thức, đặc biệt là rèn luyện khả năng tư duy, ý tưởng để thiết kế mộtthiết bị nào đó áp dụng vào một công đoạn của quy trình công nghệ

Hiện nay, nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, một trong những loại năng lượngđang nhận được nhiều sự quan tâm của các quốc gia trên thế giới là khí đốt Ở Việt Nam,nguồn tài nguyên khí đốt đang được tìm kiếm và khai thác, không những từ các nguồn khíngoài khơi mà còn khai thác các nguồn khí từ sản xuất nông nghiệp, trong đó có Biogas.Biogas có nguồn gốc hoàn toàn từ tự nhiên, dễ sản xuất đồng thời nhiệt trị cao đang giúpcho Biogas dần dần được thay thế các dạng nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt

Thành phần của Biogas phần lớn là khí metan, ngoài ra còn có một lượng đáng kểtạp chất như khí CO2, H2S, H2O,… Do đó khi đốt trực tiếp Biogas, lượng tạp chất như H2Sgây ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị, đặc biệt là khí CO2 làm giảm phần lớn nhiệt trịcủa Biogas, làm giảm hiệu quả sử dụng Xử lý CO2, H2S có nhiều phương pháp khác nhau

Và việc lựa chọn phương pháp nào sẽ phụ thuộc chủ yếu vào hiệu quả và tính kinh tế củaphương pháp đó Trong đồ án này sẽ khảo sát phương án: xử lý CO2 bằng phương pháphấp thụ trong dung môi là monoetanolamin (MEA) (sau khi Biogas đã loại H2S bằng hấpphụ trên sắt oxit) nhằm tìm hiểu xem quá trình xử lý này có đạt hiệu quả và kinh tế không,

để có thể đưa vào hệ thống xử lý Biogas trước khi sử dụng, nâng cao hiệu quả kinh tế

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô thuộc Bộ môn Quá trình và thiết bị đã tận tìnhhướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đồ án môn học này Trongquá trình làm đồ án sẽ không tránh khỏi những sai sót, tôi kính mong nhận được sự góp ý,chỉnh sửa của quý thầy cô để bổ sung, hoàn thiện hơn quyển đồ án này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 KHÁI QUÁT VỀ BIOGAS:

Biogas hay khí sinh học là sản phẩm khí của quá trình lên men kị khí phân giải cáchợp chất hữu cơ phúc tạp thành những hợp chất hữu cơ đơn giản trong đó sản phẩm chính

mà chúng ta cần là khí Methane( CH4), khí này có thể sử dụng như là một loại nhiên liệudùng để sinh nhiệt Khí Biogas hiện nay có thể được tạo ra bằng 2 phương pháp: phươngpháp lên men trong hầm biogas và lên men trong thiết bị Về thực chất 2 phương pháp nàyđều sản xuất ra Biogas bằng cách phân hủy các hợp chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật yếmkhí, xúc tác ở nhiệt độ từ 20oC đến 40oC

 Ưu điểm của việc sử dụng khí Biogas:

- Về mặt môi trường: Giảm lượng khí phát thải C02, do đó giảm được lượng khí thải

là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh các thảm họa về môi trường;Không có hoặc chưa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh( <0,001% so với 0,2% trong dầu Diesel); Không chứa HC thơm nên không gây ung thư; Khí thiên nhiên Biogas không chứa chì gây tác hại đến sức khỏe con người, không gây ô nhiễm môi trường không khí; Có khả năng tự phân hủy và không độc( phân hủy nhanh hơn Diesel 4 lần, phân hủy từ 85-88% trong nước sau 28 ngày); Giảm ô nhiễm môi trường nước, đất và sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ

- Về mặt kỹ thuật: Biogas rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào

- Về mặt kinh tế: Sử dụng nhiên liệu Biogas ngaoif vẫn đề giải quyết ô nhiễm môi

trường nó còn thức đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn

có của ngành nông nghiệp như thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụngcác nguồn rác thải sẵn có; đồng thời đa dạng hóa nền nông nghiệp va tăng thunhập ở vùng miền nông thôn; hạn chế nhập khẩu nhiên liệu chế biến từ dầu mỏ,góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ lớn

Khí Biogas sau khi được sản xuất sẽ tiếp tục được đem đi xử lý, làm sạch, sau đóđem đi sử dụng Ứng dụng chủ yếu là làm chất đốt: đun nấu, sưởi ấm… Đặc biệt là nén lạilàm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông

Khí CO2 tuy không gây ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượnglớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Thành phần hơi nước cũng gây ảnh hưởng tương tựnhư CO2 Ngoài ra, hơi nước khi ngưng tụ tạo thành môi trường thuận lợi cho sự ăn mòn.

1.1.2. Tính chất của biogas:

- Khối lượng riêng: là khối lượng của một đơn vị thể tích khí trong điều kiệnnhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, 00C và 1 atm = 760 mm Hg Khí sinh học với tỷ

lệ 60% CH4 và 40% CO2 có khối lượng riêng là 1,2196 kg/m3

- Tỷ trọng đối với không khí: Tỷ trọng đối với không khí của một chất khí là tỷ sốgiữa khối lượng riêng của khí đó với khối lượng riêng của không khí ở cùngmột nhiệt độ và áp suất Khí sinh học với tỷ lệ 60% CH4 và 40% CO2 có tỷtrọng là 0,94 Như vậy khí sinh học nhẹ hơn không khí một chút

- Nhiệt trị: Nhiệt trị của một chất khí là nhiệt lượng do một đơn vị thể tích củachất khí đó khi cháy tỏa ra Khí sinh học với tỷ lệ 60% CH4 và 40% CO2 cónhiệt trị là 8576 kcal/m3 x 0,6 = 5146 kcal/m3 Ta có thể làm tròn thông số nhiệttrị là 5200 kcal/m3

Bảng 1.1 Một số tính chất của CH 4 , CO 2 , H 2 S trong Biogas ([2], p.15)

Nhiệt dung riêng ở

1.1.3 Các phương án hấp thụ xử lý CO 2

• 1.1.3.1 Sử dụng dung môi mono etanolamin (MEA):

2RNH2 + CO2 + H2O = R(NH3)2CO3R(NH3)2CO3 + CO2 + H2O = 2RNH3HCO32RNH2 + CO2 = RNHCOONH3R

 Dung dịch sau hấp thụ được phục hồi bằng cách đun nóng

 Ưu điểm: khả năng phản ứng cao, ổn định, dễ tái sinh, công nghệ và thiết bị đơngiản…

 Nhược điểm:

Áp suất hơi cao, dung dịch tham gia phản ứng không thuận nghịch với COS

 Để giảm áp suất hơi người ta dùng nước rửa khí thu hồi hơi mono etanolamin

• 1.1.3.2 Sử dụng dung dịch NH 3:

2NH3 + CO2 = NH2COONH4 2NH3 + CO2 = NH4HCO32NH3 + CO2 = (NH4)2CO3 Phương pháp này dùng xử lý khí thải chứa khoảng 30% CO2

Trong thực tế phương pháp này dùng giảm nồng độ CO2 từ 34% xuống còn 0,05%khi tổng hợp NH3

Dung dịch phục hồi bằng cách đun nóng

- Hiệu quả thấp, tốn nhiều hơi nước để phục hồi dung dịch.

 Dung dịch có thể được làm tăng hiệu quả hấp thụ bằng cách cho vào lượng

dư NaOH vào Khi đó dung dịch không tái sinh được mà dùng vào việckhác

• 1.1.3.4 Sử dụng H2O:

H2O + CO2 = H+ + HCO3

-Có ý nghĩa trong công nghiệp xử lý chất thải ở áp suất cao

 Ưu điểm: thiết bị đơn giản, không tốn nhiệt, dung môi rẻ, nước trơ với các khíkhác như COS, O2 và các tạp chất khác

 Nhược điểm: H2O hấp thụ H2 trong không khí, phải dùng bơm công suất lớn,khả năng hấp thụ thấp, CO2 thu được không đạt độ tinh khiết

Chất lỏng được sử dụng gọi là dung môi hay tác nhân

Cấu tử tách từ hỗn hợp khí gọi là cấu tử bị hấp thụ, khí không hòa tan gọi là khí trơ.Hấp thụ được chia thành:

- Tính ăn mòn của dung môi: Dung môi nên có tính ăn mòn thấp để vật liệuchế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền

- Chi phí: Dung nôi dễ tìm và rẻ để sự thất thoát không tốn kém nhiều

- Độ nhớt: Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điềukiện ngập lụt trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt

- Các tính chất khác: Dung môi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệtkhi hoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắnlàm tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc

• 1.2.1.2 Ứng dụng của hấp thụ:

Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, quá trình hấp thụ được dùng để:

- Thu hồi các cấu tử có giá trị trong pha khí

Bảng 1.2 Các thiết bị dùng trong hấp thu([4],p.)

Tháp màng

Trở lực pha khí nhỏ,

có thể biết được bềmặt tiếp xúcpha( chảy màng), cóthể thực hiện traođổi nhiệt

Năng suất theo phalỏng nhỏ, hiệu suấtthấp khi chiều caolớn, Khó phân bố đềuchất lỏng

trong phòng thínghiệm, trường hợp cónăng suất thấp và hệthống trở lực thấp( hútchân không)

Tháp đệm

Cấu tạo đơn giản,trở lực theo pha khí(

chế độ màng/quáđộ) nhỏ

Hoạt động kém ổnđịnh, hiệu suất thấp,hiệu ứng thành, khótách nhiệt, khó thấmướt

Năng suất thấp( hấpthụ khí, chưng cất, ),

hệ thống trở lụcnhỏ( hút chân không,

…)

Tháp đĩa

Tháp đĩa lỗ: Hiệusuất khá cao, trở lựctương đối thấp, kếtcấu khá đơn giản

Tháp chóp: khá ổnđịnh,hiệu suất

Khoảng làm việc hẹp

về lưu lượng hơn thápchóp, không làm vớichất lỏng bẩn

Trở lực lớn, kết cấuphức tạp, tiêu tốn

Năng suất lớn

cao( hơn tháp đĩalỗ) nhiều vật tư kim loạichế tạo.

Tháp phun

Cấu tạo đơn giản,chiếm ít diện tích,

có thể làm việc vớichất lỏng bẩn

Tốc độ pha thấp,chiều cao đơn vịtruyền khối lớn( 5-6m), cường độ truyềnkhối không cao

Khi dung môi là huyềnphù

1.3 Lý Thuyết hấp thụ

1.3.1 Hấp phụ

Quá trình hấp phụ là quá trình hút chọn lựa các cấu tử trong pha khí hay pha lỏng lên bề mặt chất rắn Chất rắn mà ở trên bề mặt của nó xảy ra sự hấp phụ được gọi là chất hấp phụ và chất khí hay hơi bị thu hút và giữ trên bề mặt của chất hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ Thường chất hấp phụ là những chất cónhiều lỗ xốp, các chất có độ phân tán cao với bề mặt riêng lớn

 Hấp phụ được chia thành:

- Hấp phụ vật lý( Van der Wall): hiện tượng tương tác thuận nghịch của các lực

hút giữa cac phân tử của chất rắn và của chất bị hấp phụ Có thể giải hấp dễ dàng bằng nhiệt hoặc chân không Thường thuận nghịch

- Hấp phụ hóa học( hoạt hóa): kết quả của sự tương tác hóa học giữa chất rắn và

chất bị hấp phụ Giuwx chất bị hấp phụ tốt hơn và khó nhả hấp nên cần cung cấp nhiều năng lượng hơn để nhả hấp Thường không thuận nghịch

Chất hấp phụ Đặc tính Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng

Than hoạt tính

Bề mặt kỵnược hấp phụcác chất hữu

cơ trong nước

và không khí

Không độc, giáthành rẻ nhấtdùng trong xử límôi trường

Khó tái sinh nếu

bị đóng cặn, cóthể bắt cháy khitái sinh

Tách các chất

ô nhiễm cógốc hữu cơ

Silica gel( SiO2)

Háo nước,năng suất cao

Năng suất caohơn Zeolite

Không iểu quảbằng Zeolite khitách các vết H2Otrong dòng khí

Làm khô dòngkhí, khửsulfur, đôi khitách HC từdòng khíZeolite( ZMS)

Bề mặt hútnước, phâncực, rãnh đềuđặn

Phân riêng dựatrên phân cực,hình học

Năng suất thấphơn các loại chấthấp phụ khác

Khử nước,phân riêngkhông khí

Làm khô dòngkhí,locjfluoride,arsenic,selenuimtrong nướcuống

Chương 2: ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế tháp đệm hấp thu khí CO2 từ Biogas sử dụng dung môi là MEA

- Lưu lượng dòng Biogas: Gy = 2000 m3/h

- Nồng độ CO2 đầu ra: yc = 30 %

- Nhiệt độ làm việc: t = 40 oC

2.2 Đề xuất quy trình công nghệ xử lý

 Chọn nguồn xử lý khí CO2: Từ hầm Biogas của 1 trang trại nông nghiệp

 Chọn loại tháp hấp thu: Tháp đệm

 Vật liệu chế tạo tháp: Do phải chịu tác dụng hoá học với khí thải và dung

dịch có tính ăn mòn cao nên vật liệu chế tạo tháp hấp thu và các đường ốngdẫn khí được chọn là loại thép hợp kim đặc biệt thuộc nhóm thép không gỉ

và chúng có tính chống ăn mòn cao trong điều kiện làm việc của thiết bị Do

đó, chọn loại thép không gỉ X18H10T

 Chọn vật liệu đệm: Chọn Rasching sứ vì:

- Có khả năng chịu đựng môi trường hoá chất và nhiệt độ cao

Lớp đệm có tác dụng tăng diện tích và thời gian tiếp xúc giữa 2 pha khí lỏng để quá trình hấp thu xảy ra triệt để hơn Bố trí chuyển động ngượcchiều: khí chuyển động từ dưới lên, dung dịch từ trên xuống

Ngoài ra lớp đệm vòng sứ còn có tác dụng va đập, kết dính bụi và kimloại nặng trong khí thải vào dung dịch hấp thu sau đo được tách ra ở dạngcặn trong bể lắng

- Có tấm thép chống gỉ đục lỗ để đỡ và phân phối đều khí qua tiết diệnngang của tháp

 Lựa chọn dung dịch hấp thụ CO2 là dung môi MEA, vì:

Mono Etanol Amin( MEA) là amin có tính bazơ mạnh nhất trong các Alkanol amin dùng làm dung môi hấp thụ, ở nhiệt dộ thấp nó có thể phản ứng rất nhạy với các acid MEA có khối lượng phân tử nhỏ nhất trong các Alkanol amin nên nhiệt tỏa ra trong phản ứng hấp thụ các khí acid là lớn nhất trong các Alkanol amin khác Đồng thời MEA bền về mặt hóa học, dd MEA ít bị phân hủy, phản ứng không thuận nghịch với các COS VÀ CS2 tạo thành các sản phẩm bền không tái sinh hoặc khó tái sinh

Bảng 2.1 Một số tính chất hóa lý cơ bản của các Alkanol amin([7])

0.380( ở 30 0C)

0.198( ở 45 0C)

Độ hòa tan trong H2O ở

Nhiệt hóa hơi ở 1.105

2.3 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Như đã trình bày thì việc xử lý biogas sau khi sản xuất là một quá trình hếtsức quan trọng trước khi đưa Biogas vào sử dụng Quá trình này thực chất là loạigần như hoàn toàn các tạp chất trong khí Biogas và sản phẩm Biogas sau khi xử líđạt được > 96% hàm lượng CH4

 Sở đồ quy trình công nghệ:

Khí Biogas

Tháp hấp phụH2S

Dung môiMEA

Tháp hấp phụ C02(

tháp đệm)

Tháp hoàn

Hình 2.1: Quy trình công nghệ xử lý Biogas.

2.4 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

Khí Biogas thô đi vào quy trình với thành phần thể tích như sau: 67% CH4, 30%CO2, 1% H2S, 1% O2, 1% N2

Khí biogas ra khỏi hệ thống xử lý sẽ đạt được thành phần thể tích như sau: 96%CH4, 1% CO2, 1.5% O2, 1.5% N2

2.4.1 Tổng quát quy trình công nghệ

Về cơ bản quá trình xử lý Biogas gồm 3 giai đoạn cơ bản:

 Giai đoạn 1: Xử lý H 2 S.

Để loại được H2S (< 0.15%) ta sử dụng phương pháp hấp phụ rắn kẽm oxit ( ZnO)

 Giai đoạn 2: Xử lý CO 2 thu khí Biogas sạch

Để loại khí CO2 ra khỏi biogas ta sử dụng phương pháp hấp thụ CO2 trong dung dịch MEA30% khối lượng bằng tháp đệm ở 40oC, 1atm

 Giai đoạn 3: Hoàn nguyên dung môi MEA và thu khí CO 2

Quá trình hoàn nguyên MEA được thực hiện trong tháp đĩa giống như quá trình chưng cấtloại đĩa Sản phẩm đỉnh chứa CO2 và 1 ít hơi MEA được ngưng tụ, tách pha để thu CO2 vàhoàn lưu lỏng MEA

2.4.2 Chi tiết quy trình công nghệ

2.4.2.1. Giai đoạn I - Xử lý H 2 S: Sử dụng chất hấp phụ rắn

Có nhiều chất hấp phụ H2S đã được sử dụng, nhưng hiện tại để xử lí một lượng H2S cómặt trong khi biogas với hàm lượng không lớn lắm thì chất hấp phụ kẽm oxit thay thế chosắt là cách lựa chọn tối ưu nhất vì kẽm có độ chọn lọc đối với hydro sulfua hơn sắt oxit Khí Biogas trước tiên sẽ đưc xử lý bằng cách loại H2S Để loại H2S, chúng ta sử dụngphương pháp hấp phụ bằng kẽm oxit:

ZnO+ H2S → ZnS+ H2O

Để thực hiện quá trình hấp phụ nêu trên, trong công nghiệp oxit kẽm được sản xuất

có diện tích bề mặt là 9,9 m2/g, thể tích lỗ xốp là 0.014 cm3/g, kích thước lỗ xopps trung

Khí thải CO2

bình là 279 A0. Khi loại vật liệu này hết tác dụng người ta thay mới chứ không hoànnguyên vì quá trình hoàn nguyên phức tạp, không kinh tế.

Ở mô hình này có 2 bình hấp phụ H2S được hoạt động luân phiên nhau Khi bình nàyngưng hoạt động để tái sinh thì bình còn lại hoạt động để đảm bảo hệ thống được vận hànhliên tục Hàm lượng H2S sau hấp phụ sẽ đạt tiêu chuẩn là < 0,15% thể tích

2.4.2.2. Giai đoạn II – Xử lý CO2

Hấp thụ CO2 trong Biogas bằng dung dịch MEA 30% khối lượng trong tháp đệm.Dòng khí sau khi ra khỏi tháp hấp phụ được quạt thổi thổi qua lưu lượng kế đi vào thápđệm thực hiện quá trình hấp thụ CO2, quá trình diễn ra ở áp suất thường Khí đi từ dướilên, dung dịch hấp thụ MEA đi từ trên xuống thực hiện quá trình truyền khối ngược chiều.Mục tiêu đạt được là khí Biogas sau xử lý có hàm lượng CO2 nhỏ hơn 1% thể tích Đồngthời, ở giai đoạn này một lượng rất nhỏ H2S còn sót lại cũng được hấp thụ tại đây

Tại giai đoạn này khí biogas sạch đã hoàn toàn được xử lý

Giai đoạn 3 - Hoàn nguyên dung môi MEA và thu khí CO 2

Quá trình thu CO2 và hoàn nguyên dung dịch MEA: được thực hiện trong tháp Stripperdạng đĩa (số 5) tại nhiệt độ 120oC Nguyên tắc hoạt động của tháp Stripper cũng giống nhưtháp chưng cất loại đĩa

Dung dịch MEA sau hấp thụ sẽ được chứa vào trong bồn chứa (số 8), sau đó dùng bơmbơm qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (số 7) để trao đổi nhiệt với dòng dung dịch MEAsau giải hấp đang có nhiệt độ cao nhằm mục đích nâng nhiệt độ dòng MEA đem đi giảihấp và giảm nhiệt độ dung dịch MEA sau giải hấp đi vào bồn chứa (số 10)

Tại tháp Stripper, sản phẩm đỉnh chứa CO2 có lẫn một ít hơi dung dịch MEA Sau đó tiếnhành ngưng tụ hỗn hợp này Hỗn hợp sau ngưng tụ được chứa trong bình chứa sản phẩm

để thực hiện tách pha Sau đó CO2 được thu lại và sử dụng Dung dịch MEA lỏng đượchoàn lưu trở lại tháp

Sau khi được nhả hấp, dung dịch MEA sẽ được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm vàqua một thiết bị làm mát (số 7) để đưa về nhiệt độ bình thường Sau đó dung dịch đượcđưa vào bồn chứa dung dịch, tại đây sẽ có sự bổ sung dung dịch mới vào sau một thời gianhoạt động

Chương 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 3.1 CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHO THÁP HẤP THỤ:

- Lưu lượng dòng biogas: Gy = 2000 m3/h

- Nhiệt độ làm việc: t = 40 oC

3.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

3.2.1 CÁC KÝ HIỆU:

3.2.1.1 Dòng khí:

Gd, Gc : lưu lượng đầu, đầu ra dòng khí.( kmol/h)

Gtr : lưu lượng dòng khí trơ ( kmol/h)

Gtb : lưu lượng trung bình dòng khí ( kmol/h)

yd,yc : thành phần mol đầu vào, đầu ra

Yd, Yc : thành phần mol tương đối đầu vào, đầu ra

3.2.1.2 Dòng lỏng:

Ld, Lc : lưu lượng đầu vào, đầu ra dòng lỏng

LH20, LMEA : lưu lượng nước, MEA

Xd, Xc : thành phần mol tương đối đầu vào, đầu ra dòng lỏng

3.2.2.1 Lưu lượng và thành phần khí Biogas vào tháp:

Sau khi đi ra từ thiết bị hấp thụ H2S bằng kẽm Oxit thì lưu lượng khí Biogas là2000m3/h và có thành phần( phần thể tích bằng phần mol):

 Các thông số của dòng khí:

([1], chương 6, p.142)

- Tỷ số mol của CH4 trong hỗn hợp khí đi vào tháp :

Bảng 3.2 Phần mol tương đối của cấu tử vào tháp

Thành phần Phần mol tương đối

3.2.2.2 Lưu lượng và thành phần khí Biogas ra tháp:

 Tỷ số mol trong hỗn hợp khí ra khỏi tháp :

ΣLi- Lưu lượng tổng của hỗn hợp khí (phần mol)

(phần mol)

 Khối lương riêng hỗn hợp Biogas ra khỏi tháp ở 40oC

(kg/m3)

 Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí:

(kg/m 3)

 Khối lượng phân tử trung bình của khí Biogas vào tháp:

yid: Nồng độ phần mol của cấu tử khí I trong hỗn hợp khí Mi: Khối lượng phân tử của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí

= 24,70 (kg/kmol)

 Khối lượng phân tử trung bình của khí Biogas ra khỏi tháp:

=17,860 (kg/kmol)

3.3.3 Lập phương trình đường cân bằng:

Mối quan hệ giữa nồng độ của CO2 trong pha hí và pha lỏng được biểu thị bằngđịnh luật Henry:

p* = P*x hoặc y* m*x (tk, p.140-141)Trong đó:

y* : nồng độ phân mol của khí trong dòng khí ở điều kiện cân bằng

x : nồng độ phân mol khí trong pha lỏng

p* : áp suất riêng phần của cấu tử khí ở trạng thái cân bằng với pha lỏng (mmHg)

Pt : áp suất tổng của hệ hấp thu (mmHg)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Đường cân bằng CO2-MEA

 Tính lượng dung môi tiêu tốn

- Phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị:

Đường cân bằng - Đường làm việc

X(kmol CO2/kmol MEA)

=0,04621 (kmolCO2/kmolMEA)

Hình 3 Đồ thị đường cân bằng CO2 -MEA và đường Yd với X dcb

- Lượng MEA tiêu hao riêng tối thiểu cần dùng:

(tvd, p.58)Suy ra:

(kmolMEA/kmol khí trơ)Chọn α = 1,2 Ta tính được lượng MEA tiêu hao riêng cần thiết:

(tvd, p.58) =1.1*275,301=302,831 (kmolMEA/kmol khí trơ)

- Xác định nồng độ dung dịch cuối ra khỏi tháp

 Tọa độ đường làm việc

- Điểm đầu A = (Xd ; Yc) = ( 0,0461 ; 0,0101)

- Điểm cuối B = (Xc ; Yd) = ( 0,1213 ; 0,4285)

 Phương trình đường làm việc: Y = 5,564X -0,246

Đường cân bằng và làm việc của CO2-MEA

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Đường cân bằng Co2-MEA

Hình 3.4 Đồ thị Đường cân bằng – đường làm việc của CO2-MEA

3.3.3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt, sẽ làm nhiệt độ trong tháp tăng lên, làm thay đổi cânbằng pha do đó làm giảm động lực của quá trình Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ lênquá trình hấp thụ, ta dùng phương trình cân bằng nhiệt

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:

Gd, Gc: hỗn hợp khí đầu và cuối, kg/h

Ld, Lc: lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h

td, tc: nhiệt độ dung dịch ban đầu và cuối, oC

Id, Ic: enthalpy hỗn hợp khí ban đầu và cuối, kJ

Qo: nhiệt mất mát, kJ/h

Qs: nhiệt phát sinh do hấp thu khí, kJ/h

 Để đơn giản hóa tính toán, ta giả thuyết như sau:

- Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh không đáng kể, Qo = 0

- Nhiệt độ hỗn hợp khí ra bằng nhiệt độ dung dịch vào, tc = td=40oC

- Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thụ và chobằng tỉ nhiệt của dd MEA 30%

Cd = Cc = CMEA

- Kí hiệu q là nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử bị hấp thụ, ta sẽ có:

Coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thụ

- Bây giờ phương trình cân bằng nhiệt sẽ có dạng:

- Khối lượng CO2 bị hấp thụ:

Lượng CO2 bị hấp thụ tính theo kmol/h:

Khối lượng riêng CO2 tại 40oC:

- M1 , M2 : Khối lượng mol của CO2 và không khí

- T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hấp thu

- ytb1 : nồng độ phần mol của CO2 lấy theo giá trị trung bình

Với yd1 , yc1 : nồng độ phần mol của CO2 vào và ra khỏi tháp

0.0101Suy ra :

m1 , m2 : nồng độ phần hể tích của CO2 và không khí

1,  2: độ nhớt của CO2, không khí

Ta có:

Suy ra:

 Lưu lượng khối lượng trung bình dòng khí đi trong tháp:

(kg/s)Gyd , Gyc : lưu lượng khối lượng dóng khí vào và ra khỏi tháp , kg/s

tb1,  tb2: khối lượng riêng của dung dich MEA 30% có lẫn 1% CO2 khối lượng

Sao khi hấp thụ thì thể tích dung dịch lỏng không đổi chỉ có khối lượng dung dịchthay đổi

 Độ nhớt:

Độ nhớt trung bình dung dịch MEA (stt1,I.33, p.114)

• Lưu lượng

Vì hỗn hợp ban đầu lẫn 1% lẽ ra phải tính lại thành phần trăm của MEA và H2O.Tuy nhiên lượng CO2 trong dung dịch chỉ có 1% không đáng kể nên sự thay thành phầnphần trăm của MEA và H2O xem như không đổi

Lưu lượng khối lượng trung bình pha lỏng:

, kg/s

=

Gtb, Gtb: lưu lượng khối lượng trung bình dòng lỏng và khí đi trong tháp, kg/s

xtb , ytb : Khối lượng riêng dòng lỏng và khí trung bình đi trong tháp, kg/m 3