CHƯƠNG 3 : XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
3.3. Tính tốn thiết bị
3.3.2. Tính tốn thiết bị phụ
Từ dữ kiện tính tồn ở mục 3.3, chúng ta có thể tóm tắt số liệu để tính tốn cho thiết bị phụ như sau:
- Lưu lượng khí: 0,325m3/ngày = 0,0135 m3/h.
- Thành phần khí 60% CH4, 35% CO2, 3% H2S, 2% khí khác. - Áp suất ban đầu là 1,5 atm.
Yêu cầu:
- Nồng độ của nước sau khi tách CO2 là 1%. - Hiệu suất của quá trình là 60%.
a. Tính tốn tháp đệm tách CO2
❖ Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc
- Do hỗn hợp cần xử lý là khí nên phần trăm thể tích cũng là phần trăm mol
⇨yd = 0,35 (Kmol CO2/Kmol hỗn hợp).
- Nồng độ phần mol tương đối đầu của CO2 trong hỗn hợp khí
mol - Nồng độ cuối của CO2 trong pha khí:
Ta có: mol
yc: nồng độ phần mol của khí cần hấp thụ trong hỗn hợp
- Nồng độ phần mol trung bình:
- Lưu lượng hỗn hợp khí:
(kmol/h) - Lượng khí trơ:
Gtr = Gy(1 - yd) = 0,00067(1 - 0,35) = 0,00044 kmol/h - Lượng CO2 được hấp thụ:
= Gy.yd.H = 0,00067.0,35.0,6 = 0,00014 kmol/h - Nồng độ đầu của CO2 trong nước ta xem như bằng 0.
- Nồng độ cuối của CO2 trong nước ta chọn bằng x’c = 1% khối lượng.
⇨nồng độ phần mol của CO2 trong dung môi:
(kmolCO2/kmolH2O) - Nồng độ phần mol tương đối của CO2 trong nước:
kmol
- Xây dựng đường cân bằng và làm việc như sau: - Phương trình đường cân bằng có dạng: [13;140]
kmolCO2/kmol khí
kmolCO2/kmol khí
Trong đó:
là hằng số cân bằng pha là hệ số Henry
P là áp suất chung của hỗn hợp khí = 1,5 atm, 30oC Tra bảng IX.1 [13 ;139]ta có:
mmHg
⇨ Phương trình cân bằng:
- Phương trình đường làm việc đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một thiết diện bất kì đến phần trên của thiết bị:
Gtr(Yd – Yc) = Gx(Xc – Xd) [13;140]
Trong đó:
Xd là nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi. Yc là nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí. Gx là lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ.
Gtr là lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ. - Lượng dung môi tiêu tốn thực tế:
kmolH2O/kmol khí [13;141] - Lưu lượng dung mơi đi vào thiết bị hấp thụ:
Gx = l.Gtr = 81.0,00044 = 0,0356 kmol/h
- Phương trình đường làm việc: Gtr(Y – Yc) = Gx(X – Xd) [13;140]
=> Y = 81.X + 0,216
Như vậy ta đã xây dựng được đường cân bằng: Và đường làm việc: Y = 81.X + 0,216 X Y Ycb 0.0001 0.2241 0.1411 36 0.0002 0.2322 0.3286 56 0.0003 0.2403 0.5899 26 0.0004 0.2484 0.9791 01 0.0005 0.2565 1.6205 45 0.0006 0.2646 2.8771 71 0.0007 0.2727 6.4493 44
❖ Tính đường kính thiết bị:
- Tính khối lượng riêng trung bình: Đối với pha lỏng, áp dụng công thức:
Trong đó:
ρxtp : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3
: phần khối lượng trung bình của CO2 trong hỗn hợp. , : khối lượng riêng của CO2 và H2O ở 300C kg/m3
Tra bảng I.5 và I.2 [14;9;11]
=1,83 kg/m3
= 995,68 kg/m3
- Phần khối lượng trung bình của CO2 trong pha lỏng:
Trong đó:
Suy ra:
Suy ra khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng:
Đối với pha khí:
Áp dụng cơng thức:
→ Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp:
[14;5]
Với:
: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp Mytb: phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí
T0: nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn (2730K)
T: là nhiệt độ làm việc của tháp,T= 273 + 30 = 3030K P0: là áp suất tiêu chuẩn, P0= 1atm
P: là áp suất làm việc của tháp, P = 1,5 atm
Ta có Mytb = ytb.MCO2 + (1 - ytb).MCH4 = 0,27. 44 + (1 – 0,27).16 = 23,56 (xem hỗn hợp khí ban đầu chỉ chứa CO2 và CH4).
- Tính đường kính tháp:
Áp dụng cơng thức: [13;181]
Trong đó:
Vytb: lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h ωytb :tốc độ khí trung bình đi trong tháp, m/s
Tính lưu lượng thể tích khí và lỏng trung bình đi trong tháp:
Trong đó:
GYtb: lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h
Gytb = Gtr(1+Ytb) = 0,00044.(1 + 0,378) = 0,00061 kmol/h [13;141] Mytb: khối lượng phân tử trung bình đi trong tháp, kg/kmol ρYtb: khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp, kg/m3
=> kmol/h
- Tốc độ khí trong tháp được tính như sau: Áp dụng công thức: Y = 1,2e-4X [14;187]
Với:
Trong đó:
Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3
σd: bề mặt riêng của đệm, m2/m3
Vì tháp hấp thụ chứa dung dịch H2CO3 nên có tính axit, do đó ta chọn loại đệm Rasig (đệm bằng sứ) có thơng số như sau:
- Kích thước đệm: 5 x 5 x 1 mm - Vđ: 0,62 m3/m3
- σd : 1000 m2/m3
Gx, Gy: lượng lỏng và hơi trung bình (kg/s)
Với Gxc = Gxd + GCO2
kmol/h = 9,92.10-6 kmol/s Gy = 0,00067 kmol/h = 1,86.10-7 kmol/s
Thay các giá trị trên vào(*)
Từ phương trình của Y ta có: Y = 1,2.e-4.1,4
- μx, μn lần lượt là độ nhớt của dung dịch và của nước ở nhiệt độ trung bình được xác định như sau:
μCO2 và μH2O: độ nhớt của CO2 và H2O.
Tra bảng I.102 [14,94] ta được μn = 0,8007.10-3
Tra bảng I.108[14,] ta được μCO2 = 1,52.10-6
lgμx = 0,002.lg(1,52.10-6) + (1 – 0,002).lg(0,8007.10-3) μx= 0,791.10-3
Thay các giá trị vào công thức biến đổi sau:
m/s
Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, song thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng lên nữa sẽ rất khó cho q trình ổn định. Do vậy thường người ta chọn tốc độ làm việc ωy =(0,8-0,9)ωs. chọn ωy = 0,8ωs = 0,045.0,8 = 0,036 m/s
Đường kính của tháp:
m = 31mm Ta chọn đường kính tháp là 50mm ❖ Tính chiều cao của tháp
Áp dụng cơng thức tính chiều cao của lớp đệm: [13;175] Hd = my.hdv , (m )
Trong đó:
my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi hdv: chiều cao trong một đơn vị chuyển khối
Ta áp dụng cơng thức:
[13;177]
Trong đó:
h1,h2: chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng. Gx, Gy: lưu lượng trung bình của pha lỏng, pha khí
m: hệ số góc của đường cong cân bằng - Tính h1:
[13;177]
Trong đó:
Vđ: thể tích tự do của đệm, Vđ = 0,62.
a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, ở đây ta chọn loại đệm vòng nên a = 0,123 [13;177]
Rey: chuẩn số Reynol pha hơi được tính như sau:
[13;188]
Với: ωy = ωytb = 0,036 m/s
ρy: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí trong tháp ρy = ρytb = 1,42
σd: bề mặt riêng của đệm, σd = 1000 μy: độ nhớt trung bình của pha khí.[13;85]
=>
[13;163]
μy: độ nhớt của hỗn hợp khí (Ns/m2).
ρy: khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m3) Dy: hệ số khuếch tán của pha khí, m2/s
: Thể tích mol của CO2 và CH4 [13;127]
[13;127]
(m2/s)
Suy ra
Ψ thường được chọn bằng 1 khi tỉ số của mật độ tưới/thiết diện tháp lớn hơn 1[13,178]
=>
- Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha lỏng
Trong đó: μx, ρx : lần lượt là độ nhớt trung bình và khối lượng riêng trung bình của
pha lỏng.
[13;178]
Với: Ft: diện tích mặt cắt của tháp, Ft = 3,14.0,0252 = 1,96.10-3 (m2)
[13,178]
Với: Dx là hệ số khuếch tán trong pha lỏng được tính như sau:
(m2/s) [13;133]
Với:
A,B là hệ số liên hợp:
Các chất khí tan trong nước: A =1. [13 ;134] Với dung môi là nước: B =4,7 [13 ;134]
νCO2, νH2O lần lượt là thể tích mol của CO2 và H2O [13 ;127] μH2O là độ nhớt cuả nước ở 200C, μH2O =1,005.10-3 Ns/m2
νCO2 = 34, νH2O = 18,9 Thay các giá trị ta được:
(m2/s) Áp dụng công thức:
[13,134]
Từ phương trình đường cân bằng, ta có m=0,04
⇨ Chiều cao một đơn vị chuyển khối
- Tính số đơn vị chuyển khối xác định theo pha khí:
Giải tích phân này ta được my . Trong thực tế số đơn vị chuyển khối trong khoảng (5 – 7 ). Chọn my = 7.
Vậy chiều cao lớp đệm Hd = 4,79.10-3.7 = 0,034 (m)
Vậy chiều cao của tháp Ht = Hd + Hd-nắp + Hd-đáy = 0,034 + 0,05 + 0,05 = 0,134 (m) Qui tròn thành 0,15 (m).
Như vậy sau khi qua tháp hấp thụ CO2, thơng số của hỗn hợp khí gồm: Lưu lượng: G = Gd – GCO2 = 0,0067 – 0,00014 = 0,00656 kmol/h Hàm lượng H2S = 3%
Áp suất: P = 1,5 atm (Do chiều cao tháp nhỏ nên có thể bỏ qua trở lực). b. Tính tốn tháp hấp phụ tách H2S
Từ bảng X.1 [13;244]
Ta có: Đường kính hạt trung bình: dh = 4 mm Độ xốp: 22%
Khối lượng riêng ρh = 1440 kg/m3
Diện tích bề mặt riêng: S = 20 m2/g ❖ Xác định vận tốc dịng khí
Vận tốc dịng khí đi vào tháp hấp phụ theo thực nghiệm giá trị tối ưu trong khoảng (0,007-1) m/s. Ta chọn ω = 0,007 m/s.
❖ Tính đường kính thiết bị:
Trong đó:
D là đường kính thiết bị (m)
G là lưu lượng khí đưa vào, G= 0,00656 kmol/h = 0,1469 m3/h = 4,081.10-5 (m3/s). ω là tốc độ dịng khí trong thiết bị đã tính ở trên
Thay số ta được:
Ta chọn: D = 30 mm. ❖ Tính chiều cao thiết bị
Chiều cao lớp hấp phụ được tính theo cơng thức: H=hy.m
Với:
V: là lưu lượng hỗn hợp hơi, m3/s
S: là diện tích thiết diện ngang của lớp hấp phụ, m2
Ky: là hệ số truyền khối được tính như sau:
Trong đó:
ωk: tốc độ dịng khí.
dh: đường kính trung bình hạt hấp phụ, dh = 4 mm (~ sợi 2x100 mm) D: là hệ số khuếch tán pha khí:
là thể tích mol cuả H2S, = 32,9 là thể tích mol cuả CH4, = 29,6
Nhiệt độ làm việc ở 300C, áp suất làm việc 1,5 at.
νk: độ nhớt của hỗn hợp khí được tính như sau: yd = 0,03
Hiệu suất của quá trình tách 70% nên ta có:
Nồng độ mol tương đối trung bình:
Với
: độ nhớt của H2S, = 1,3.10-5 Ns/m2
Theo thực nghiệm thì với quy mơ của mơ hình như thế này thì m = (2 - 3), chọn m =2. Như vậy ta có chiều cao của tháp hấp phụ H = m.hy = 2.0,52 =1,04 m
KẾT LUẬN
Những lý do để phát triển nguồn năng lượng sinh khối:
Những phát triển nguồn năng lượng sinh khối tại Việt Nam như:
- Mức độ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng không chỉ ở các thành thị (vốn phát triển nhiều các nhà máy chế biến, sản xuất, q trình đơ thị hóa…) mà cịn diễn ra ở các vùng nơng thơn (ơ nhiễm nguồn nước, đất, khơng khí do tình hình chăn ni gia súc, phế thải nơng nghiệp, hóa chất từ sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật).
- Việt Nam là một nước có tỉ trọng nơng nghiệp cao, tình hình chăn ni phát triển, do đó các phụ phẩm, phế phẩm từ nơng nghiệp rất nhiều. (Như: trấu, thân bắp,..............)
- Công nghiệp chế biến nông sản, thủy sản cũng phát triển (chế biến tinh bột mỳ, chế biến đường)… Việc sử dụng các chất thải từ các nhà máy chế biến trên để tạo điện, năng lượng cho sản xuất của chính các hoạt động của nhà máy…
- Rác thải sinh hoạt (thành phần hữu cơ) theo thống kê chiếm từ 60 – 80% tùy từng khu vực, tỉnh thành là nguồn nguyên liệu để xây dựng hệ thống biogas cung cấp điện năng hoặc nhiệt năng thay thế nguồn năng lượng truyền thống… tại các bãi chôn lấp rác thải
hợp vệ sinh theo quy định của Nhà nước.
- Các nhà máy chế biến thủy hải sản, chế biến thực phẩm đóng hộp, nước trái cây đóng hộp,… ngày càng được xây dựng nhiều cũng là một nguồn nguyên liệu dồi dào để phát triển và ứng dụng tạo khí sinh học cung cấp nhu cầu về điện.
Tổng kết lại cần nhân rộng các mơ hình sử dụng khí sinh học, năng lượng sinh khối ở Việt Nam. Một dạng mơ hình hiệu quả trong tiết kiệm nguồn tài nguyên, xử lý triệt để phế phẩm, rác thải từ nông nghiệp, cung cấp nguồn điện cho sinh hoạt……….
. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Phúc Khải, 2013. Tìm hiều về Biogas. Truy cập trang web: http://luanvan.net.vn/luan-van/de-tai-tim-nhieu-ve-biogas-53297/ [2] http://luanvan.co/luan-van/tim-hieu-ve-tiem-nang-va-hien-trang-su-dung-nang-luong- biogas-tai-thi-xa-son-tay-thanh-pho-ha-noi-3416/ [3] http://www.vuonsinhthaitrungviet.com/HOME/detail.asp?iData=982 [4] http://www.safuna.com/detail.php?id=64&lg=1 [5] http://vi.scribd.com/doc/27597927/CONG-NGH%E1%BB%86-KHI-SINH-H%E1%BB %8CC-VA-PHAT-TRI%E1%BB%82N-NONG-NGHI%E1%BB%86P-NONG-THON [6] http://vnn.vietnamnet.vn/thegioi/201009/dung-phan-cho-thap-sang-den-cong-vien- 936849/ [7] http://www.apocorp.vn/index.php?page=tintuc&macd=166
[8] Cao Nguyễn Thị Thanh Thúy, 2013. Nghiên cứu quy trình chế biến phân Compost từ rác thải sinh hoạt tại Thành phố Đà Lạt. Truy cập trang web: http://doc.edu.vn/tai-lieu/do- an-nghien-cuu-quy-trinh-che-bien-phan-compost-tu-rac-sinh-hoat-tai-thanh-pho-da-lat- 49807/ [9]http://webcache.googleusercontent.com/search? q=cache:PYLb_K_yTH4J:www.dpi.nsw.gov.au/agriculture/horticulture/vegetables/soil/com post-factsheets/Compost-fact-sheet-1-Viet.pdf+&cd=2&hl=zh-TW&ct=clnk&gl=vn [10] http://biogascenter.vn/web/btc/san-pham/den-khi-sinh-hoc/chi-tiet- tin/-/2402/2891844/%C4%91en-khi-sinh-hoc [11]http://webcache.googleusercontent.com/search? q=cache:_MfvKyZr4AAJ:www.biogas.org.vn/vietnam/getattachment/Thu-vien-phim,- anh/An-pham/%25C4%2590ieu-tra-su-dung-thiet-bi-su-dung-Khi-sinh-hoc-201/Khao-sat- thiet-bi-su-dung-KSH-VN-2012.pdf.aspx+&cd=1&hl=vi&ct=clnk&gl=vn [12] http://eccbacninh.gov.vn/index.php?language=vi&nv=news&op=Tin-trong- nuoc/Biogas-o-Viet-Nam-Trien-vong-trong-tam-tay-1181
[13] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, 1978. Sổ tay quá trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất, tập 2. NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[14] Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khng, 1978. Sổ tay q trình và thiết bị cơng nghệ hóa chất, tập 1. NXB Khoa học và Kỹ thuật.
[15] Võ Đình Long, Nguyễn Văn Sơn, 2008. Tập bài giảng Quản lý chất thải rắn và chất thải nguy hại – Đại Học Công Nghiệp Tp.HCM - Viện khoa học công nghệ và Quản lý mơi trường.