HẤP THU CO2

9 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ Các phận quy trình: - Bơm chất lỏng – Lưu lượng kế lỏng – Thiết bị hấp thu – Áp kế chữ U – Lưu lượng kế khí – Quạt thổi khí – Bồn chứa dung môi trước hấp thu – Bồn chứa dung môi sau hấp thu – Bồn cao vị Thuyết minh quy trình cơng nghệ: Nguồn khí thải có chứa CO2 cần hấp thu từ phía thấp đệm di chuyển theo chiều lên qua lớp đệm nhờ hệ thống quạt thổi Lưu lượng dịng khí vào thấp đệm điều chỉnh van dựa vào lưu lượng kế khí Dịng khí ngược lên tiếp xúc với pha lỏng từ chảy xuống Dòng chất lỏng NaOH bơm từ bồn chứa lên bồn cao vị với mục đích ổn định lưu lượng sau chảy qua van để điều chỉnh lưu lượng cho vào tháp từ xuống Qúa trình tiếp xúc pha xảy tháp pha ngược chiều dòng nước từ xuống dịng khí từ lên dẫn đến xảy q trình hấp thu Nguồn khí thải sau hấp thu thải theo ống khói,dung dịch hấp thu chứa bồn thêm NaOH để đạt nồng độ sau đem hồi lưu lại Trong quy trình có gắn áp kế chữ U nhằm mục đích để đo áp suất CHƯƠNG 3: TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 3.1 Các thông số ban đầu: Nhập liệu : Hỗn hợp khí ban đầu 5000 m3/h Nồng độ đầu: 1% thể tích hỗn hợp khí Hiệu suất hấp thu: 95% Nhiệt độ ban đầu : 300C Nồng độ dung môi NaOH: 10% 3.2 Cân vật chất Phương trình cân dung dịch hấp thu CO2 H2O biểu diễn theo định luật Henri Trong đó: y* : nồng độ phần mol CO2 pha khí trang thái cân x*: nồng độ phần mol CO2 pha lỏng trang thái cân pha P: áp suất riêng phần cấu tử khí hịa tan cân Pt: áp suất tổng hệ hấp thu H: Hệ số Henry m: hệ số phân bố Cách tính hệ số Henri: Hệ số Henry CO2 với H2O 30 ̊ C Hệ số Henri CO2 với NaOH: Trong đó: Bảng 1: Các tham số cho cân (2), (3) Ion Na+ OHHCO3CO32- 0.1143 0.0839 0.0967 0.1423 Gas A CO2 -0.0172 Quy đổi NaOH 10% sang nồng độ mol: Khối lượng riêng NaOH 10% 30 ̊ C: ρ = 1104 (kg/m3) = 509409,6 (mmHg) Thay vào (1) ta được: -0.338.10-3 Đầu vào: Nồng độ phần mol khí CO2 pha khí vào tháp: Tỉ số mol khí CO2 vào tháp: Tỉ số mol khí CO2 khỏi tháp: Suất lượng dịng khí vào tháp: Suất lượng dịng khí CO2 vào tháp: Suất lượng dịng khí trơ hỗn hợp khí vào tháp: Đầu ra: Tỉ số mol khí CO2 khỏi tháp: Suất lượng mole CO2 hấp thụ: Suất lượng mole CO2 lại hỗn hợp khí đầu ra: Suất lượng mole khí đầu ra: Phương trình cân vật chất có dạng: Gtr.Yd + Gx.Xd = Gtr.Yc + Gx.Xc Hấp thu CO2 NaOH, chọn dung môi vào tháp nên: Xd=0 Với Xd: nồng độ đầu pha lỏng, kmolCO2/kmolNaOH Giả thiết nồng độ cuối dung môi đạt đến nồng độ cân (Xc=X*) Thay Yd=0,0101 vào phương trình đường cân (5) → X*=1,49.10-5 Lượng dung môi thối thiểu cần thiết để hấp thụ: Ta có :Gx=αGxdmin ( α:1,2-1,5) Chọn α=1,2→Gx=1,2Gxmin=1,2.128294,2942=153953,153 (kmolNaOH/h) Phương trình đường làm việc: Bảng số liệu tọa độ đường làm việc đường cân bằng: X Ycb Ylv 0 5,05.10-4 4.10-6 2,69.10-3 3,6.10-3 8.10-6 5,39.10-3 6,69.10-3 1,2.10-5 8,11.10-3 9,78.10-3 1,6.10-5 1,08.10-2 1,29.10-2 2.10-5 1,36.10-2 1,6.10-2 Ta xây dựng đường nồng độ làm việc đường cân vật liệu cho trình hấp thu : 3.3 Tính kích thước thiết bị hấp thụ 3.3.1 Tính đường kính tháp hấp thụ Trong : • Vtb : lượng trung bình tháp ( m3/h ) • tb : tốc độ trung bình tháp ( m/s ) Xác định tốc độ khí tháp đệm sau: Trong : • Gx, Gy : lượng lỏng lượng trung bình ( kg/s ) • g : Gia tốc trọng trường • ws : tốc độ sặc ( m/s ) • pxtb, pytb : khối lượng riêng trunng bình pha lỏng ( kg/m3 ) • µx, µn : độ nhớt pha lỏng theo nhiệt dộ trung bình độ nhớt nước 20oC ( N.s/m2 ) • σd : bề mặt riêng đệm ( m2/m3 ) • Vd : thể tích tự đệm ( m3/m3 ) • A: hệ số phụ thuộc dạng trình, trình hấp thụ ( A = 0,022 cho vật liệu đệm vịng hay xoắn ) • Vận tốc làm việc pha khí xác định theo cơng thức sau: wtb = (0,75 − 0,9) ws Tính tốn Chọn vật liệu đệm vòng sứ Rasiga đổ lộn xộn thép có thơng số: - Kích thước: 100 x 100 x 1,5 (mm) - Bề mặt riêng: σ = 48 (m2 /m3 ) - Thể tích tự do: Vd = 0,96 (m3 /m3 ) - Khối lượng riêng đệm: 310 kg/m3 ( Trích Sổ Tay Q trình Và Thiết Bị Cơng Nghệ Hóa Chất- Tập – Trang 193) Khối lượng riêng trung bình hỗn khí xác định : Đối với pha khí: Vậy : : Khối lượng trung bình pha lỏng: Với: atb1 phần khối lượng trung bình cấu tử pha lỏng Khối lượng riêng CO2: Khối lượng riêng pha lỏng: Suất lượng dòng lỏng đầu ra: Lc = Lđ + M =153953,153 + 1,9118 =153955,0648 (kmol/h) Khối lượng phân tử pha lỏng: 19,0476 Lưu lượng khối trung bình pha lỏng xác định sau : Lưu lượng khối trung bình pha khí xác định sau : - Khối lượng mol hỗn hợp khí: Mhh = ytb.MCO2 + (1-ytb).Mkk =5,25.10-3.44+(1-5,25.10-3).29=29,0788 g/mol Độ nhớt nước nhiệt độ 20oC : 1,005 ( N.s/m2 ) Độ nhớt pha lỏng nhiệt độ 30oC : 1,45 ( N.s/m2 ) Vậy từ ta có: → ws = 0,2346 ( m/s ) Tốc độ làm việc : wtb = 0.85.ws = 0.85.0,2346 = 0,1994 m/s ) Vậy ta tính đường kính tháp : Ta chọn đường kính tháp : ( m ) Kiểm tra điều kiện làm việc tháp: 3.3.2 Tính chiều cao thiết bị hấp thu Độ nhớt khơng khí nhiệt độ làm việc là: Độ nhớt pha khí: • Xác định số đơn vị truyền khối tổng quát pha khí NOG Vì đường cân đường thẳng nên ta tính NOG theo cách sau: Động lực q trình đáy tháp hấp thụ: Với tính theo phương trình cân với X=Xc=1,24.10-5 -Động lực trình đỉnh tháp hấp thụ: Với tính theo phương trinh cân với X=Xd=0 Xét tỉ số :Động lực trung bình trình: Số đơn vị truyền khối tổng quát NOG: • Xác định chiều cao tổng quát đơn vị truyền khối HOG Trong đó: m: hệ số góc đường cân hy : chiều cao đơn vị truyền khối theo pha khí hx : chiều cao đơn vị truyền khối theo pha lỏng Tính hy Trong đó: Vt: thể tích tự đệm (m3 /m3 ) σ: bề mặt riêng đệm (m2 /m3 ) ψ: hệ số thấm ướt đệm b: hệ số phụ thuộc dạng đệm Đối với vòng Raschig b = 0,123 Chuẩn số Reynolds: Hệ số khuếch tán CO2 pha khí 00 C, 1atm :D0=0,138.10-4 m2/s Hệ số khuếch tán CO2 pha khí 400 C, 1atm: -Chuẩn số Prandl: -Mật độ tưới làm việc: Mật độ tưới tối ưu: Trong đó: B hệ số phụ thuộc dàng q trình Với trình hấp thụ B = 0,158 Tỉ số ψ = Chiều cao đơn vị truyền khối theo pha khí hy: Tính hx: Chuẩn Reynolds: Hệ số khuếch tán CO2: Trong đó: DL: hệ số khuếch tán VA, VB: thể tích phân tử dung chất dung môi (cm3 /mol) MA, MB: khối lượng phân tử chất tan dung mơi (kg/kmol) µL : độ nhớt động lực ddNaOH 10% 200 C (mPa.s) (µL =1,86 Cp) A, B: hệ số phụ thuộc tính chất chất tan dung mơi (Chất tan khí CO2 nên A = 1, dung môi dung dịch NaOH nên B = 1) Thể tích phân tử CO2: 34 cm3/mol Thể tích phân tử dung môi: Hệ số khuếch tán CO2 pha lỏng 200C: Hệ số khuếch tán CO2 pha lỏng 300 C Với b tính theo công thức: Chuẩn số Prandl: Chiều cao đơn vị truyền khối theo pha lỏng hx: Chiều cao tổng quát đơn vị truyền khối HOG: -Chiều cao lớp đệm: H = NOG.HOG = 5,7562.1,1329 = 6,5212 m →Chọn chiều cao lớp đệm H = 6,6 m -Chiều cao phần tách lỏng Hc Hd chọn theo bảng sau: D 1-1,8 2-2,6 2,8-4 Hc 0,8 1,0 1,2 Hd 2,0 2,5 3,0 Chiều cao tháp hấp thụ HT: HT = H+Hc+Hd = 6,6+1,2+3 = 10,8 m → Chọn chiều cao tháp HT = 11m Tính trở lực tháp Tổn thất áp suất đệm khô Rek>400 Tổn thất áp suất đệm ướt : Trong : • A1 : 8,4 hệ số • Gx, Gy : lưu lượng lỏng khí ( kg/s ) • px, py : khối lượng riêng lỏng khí ( kg/ m3 ) • , : độ nhớt lỏng khí ( N.s/m2 ) Chương : TÍNH TỐN CƠ KHÍ 3.1 Chọn vật liệu Thiết bị làm việc điều kiện: nhiệt độ 30oC, áp suất atm, có tác nhân ăn mịn NaOH ta chọn vật liệu để chế tạo thiết bị thép không gỉ CT3 Thép CT3 có thơng số sau: ( trang 309, 313, II ) • • • • • • • • • • Giới hạn bền : σk = 380.106 ( N/m2 ) Giới hạn chảy : σc = 220.106 N/m2 ) Chiều dày thép : 4-20 ( mm ) Độ dãn dài tương đối : δ = 25 % Hệ số dẫn nhiệt : λ = 50 ( W/m ) Khối lượng riêng : 7850 ( kg/m3 ) Hệ số hiệu chỉnh : ղ = Hệ số bền an toàn kéo : nk= 2,6 Hệ số bền an toàn chảy:nc=1,5 Hệ số mối hàn : ϕh = 0,95 Tính ứng suất cho phép thép Theo bảng XIII.4 , ta chọn giá trị nhỏ nhất, tính theo cơng thức sau : Theo giới hạn bền kéo Trong : • η: hệ s iu chnh ( = 1) ã [k] = 380ì106 (N/m2) • nk : hệ số an tồn bền ( nk = 2,6) Theo giới hạn bền chảy Trong đó: • η: hệ số điều chỉnh (η = 1) • [c] = 240ì106 (N/m2) ã nc : h s an toàn theo giới hạn chảy (nc = 1,5) Ta lấy giá trị bé hai giá trị vừa tính được: [σ] = 146,15×106 (N/m2) Chiều dày thân tháp Tính áp suất thiết bị Áp suất thiết bị tương ứng với chênh lệch áp suất lớn bên bên tháp (N/m2) p = pmt + ptt Trong đó: • pmt : Áp suất làm việc ( pmt = 101325+ 4,3054+121,4753=101450,7807N/m2 ) • ptt : Áp suất thủy tĩnh cột chất lỏng (N/m2) ptt = x.g.HT ( XIII.10, 360, II ) Trong : • x : khối lượng riêng NaOH (x = 1104 kg/m3) • g: gia tốc trọng trường ( m/s2) • H : chiều cao cột chất lỏng ( H = 11m) ptt = 1104×9,81×11 = 119132,64 (N/m2) Vậy áp suất thiết bị : p= 101450,7807 + 119132,64 = 220583,4207 (N/m2) Ta có : Do chiều dày thân tháp hình trụ làm việc với áp suất bên tính: Trong đó: • Dt : đường kính tháp (Dt = 3,0m) • C = C1 + C2 + C3 ( XIII.17, 363, II ) Trong đó: - C1 : hệ số bổ sung ăn mịn Đối với vật liệu thép CT3 có độ bền 0,05→ 0,1mm/năm lấy C1 = 1mm - C2: Đại lượng bổ sung hao mòn, C2= - C3: Đại lượng bổ sung dung sai chiều dày (C3 = 0,18m với chiều dày tầm thép 2mm) Vậy hệ số bổ sung ăn mòn C = + + 0,8 = 1,8(mm) = 1,8ì10-3(m) ã : l h s bn ca thnh thân trụ theo phương dọc, với thân hay có lỗ gia cố hồn tồn φ=φh mối hàn đặc Với hàn tay hồ quang điện, thép khơng gỉ ta có : φ=φh= 0,95 • [σ] : ứng suất cho phép thép • C : hệ số bổ sung ăn mịn (m) • p : áp suất thiết bị (N/m2) Do bỏ qua đại lượng p mẫu số cơng thức tính chiều dày chiều dày : Vậy ta chọn S = 5mm Kiểm tra ứng suất thành theo áp suất thử : Trong : • • • • po: Áp suất thử, xác định theo công thức po= pth + ptt pth : Áp suất thủy lực ( pth = 1,5p = 1,5×220583,4207 = 330875,1311 (N/m2) ptt : Áp suất thủy tĩnh ( ptt = 119132,64 (N/m2) ) po = 330875,1311 + 119132,64 =450007,7711 (N/m2) Bề dày thân tháp mm không thỏa mãnchọn bề dày 6mm Ứng suất thân tháp theo áp suất thử: Vậy S=6mm hợp lí Chiều dày nắp đáy thiết bị Nắp đáy phận quan trọng thiết bị, chế tạo loại vật liệu với thân thiết bị thép CT3, thiết bị đặt thẳng đứng Áp suất p = 220583,4207 > 7.104 (N/m2), người ta thường dùng nắp elip có gờ, chiều cao nắp đáy lấy ứng với đường kính tháp 3,0 (m) • Chọn đáy nắp tháp elip có gờ với chiều cao gờ h = 40mm • Chọn chiều dày nắp đáy elip S =16mm • Theo bảng XIII.10 XIII.11- trang 382,383,384 - Sổ tay q trình thiết bị cơng nghệ hóa chất Tập 2, thông số đáy nắp sau: Dt(mm) ht(mm) Bề mặt trong(m2) Thể tích V.10-3(m3) 3000 750 10,2 3818 Bảng vẽ mơ đáy nắp Tính cho nắp elip - Nắp elip có kht lỗ khơng tăng cứng với d = 400mm Ta có:10mm Gtt=7,5.104 Theo bảng ( XIII.35 437 II ) ta có : Tải trọng cho phép chân đỡ G.10-4 N Bề mặt đỡ F.104 m2 Tải trọng cho phép bề mặt đỡ q.10-6 N 840 0,96 L B B1 B2 H h s l d mm 320 265 270 400 500 275 22 120 34 Theo bảng ( XIII.36 438 II ) ta có : Tải trọng cho phép tai treo G.10-4 N Bề mặt đỡ F.104 m2 Tải trọng cho phép bề mặt đỡ q.10-6 N L B B1 H S l a d Khối lượng tai treo,k g mm 639 1,25 270 240 240 420 14 120 25 34 21,5 ...Thuyết minh quy trình cơng nghệ: Nguồn khí thải có chứa CO2 cần hấp thu từ phía thấp đệm di chuyển theo chiều lên qua lớp đệm nhờ hệ thống quạt thổi Lưu lượng dịng khí vào thấp đệm điều... chiều dòng nước từ xuống dịng khí từ lên dẫn đến xảy trình hấp thu Nguồn khí thải sau hấp thu thải ngồi theo ống khói,dung dịch hấp thu chứa bồn thêm NaOH để đạt nồng độ sau đem hồi lưu lại Trong... suất hấp thu: 95% Nhiệt độ ban đầu : 300C Nồng độ dung mơi NaOH: 10% 3.2 Cân vật chất Phương trình cân dung dịch hấp thu CO2 H2O biểu diễn theo định luật Henri Trong đó: y* : nồng độ phần mol CO2