Việc tính toán thiết kế thiết bị hấp phụ hơi thủy ngân còn phụ thuộc vào các yếu tốmôi trường khi đưa thiết bị ra thực tế ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm, diện tích chiều cao. Trong thiết bị phần quan trọng nhất là cột hấp phụ, mục đích chính của phần thiết kế này là tính toán thể tích của tầng hấp phụ từ đó đưa ra những thông số về kích thước, đường kính, chiều cao của cột hấp phụ để lựa chọn thông số thích hợp nhất phù hợp với yêu cầu của đề tài, do đây là mô hình thử nghiệm và đặt ở môi trường có các chất oxi hóa mạnh nên để giảm bớt chi phí, ống dẫn khí, cột rửa và cột hấp phụ chúng tôi chọn vật liệu là nhựa PVC.
3.1.3.1. Tính đƣờng kính và chiều cao cột rửa khí bổ sung
Làm việc tại những môi trường có nhiệt độ cao, nguồn cung cấp khí thải thường có nhiệt độlớn kèm theo rất nhiều bụi bẩn nên việc hạ nhiệt độ của hơi nóng và loại bỏ bụi bẩn là hết sức cần thiết, cột số 1 sẽ đảm nhiệm vai trò này.
23 Áp dụng công thức:[1]
Trong đó:
S: Tiết diện cột rửa khí
Q: Công suất xử lí hơi thủy ngân v: Tốc độ dòng khí
R: Bán kính cột rửa khí Thông số ban đầu:
Tốc độ dòng khí: v= 0,05m/s= 180 m/h (tối ưu nhất 0,05 →0,2 m/s) [1] Thời gian lưu khí: 20s
Công suất xử lí: Q= 3 m3/h Tiết diện cột rửa khí:
S = 𝑄
𝑣= 3
180 = 0,01667𝑚2
Suy ra đường kính cột rửa: d= 4𝑆
𝜋 = 4.0,016673,14 = 0,145m
Vật liệu để thiết kế thiết bị là nhựa PVC là những vật liệu đã có sẵn về kích thước nên ta sẽ lấy ống có đường kính gần với d= 0,145m là ống có d= 0,16m
Theo những nghiên cứu trước đó[1], chiều cao tối ưu của cột này thường có giá trị lớn hơn hoặc bằng 5 lần đường kính của nó. Suy ra chiều cao tối ưu của cột rửa khí h= 0,80m. Hơn nữa phía phía trên của cột ta thiết kế một bộ chăn sol khí mục đích loại bụi bẩn vậy nên chiều cao của cột h= 1,2m.
S = 𝑄(𝑚3/ℎ)
24
Hình 3.2. Cột rửa khí
Quá trình đốt rác thải có nhiệt độ rất cao vì vậy mà hệ thống xử lý hơi thủy ngân không thể xử lý trực tiếp các khí đó từ lò đốt được. Do vậy, nguồn khí chứa hơi thủy ngân cung cấp cho thiết bị xử lí, là nguồn khí được lấy từ ống xả khí của lò đốt rác, hoặc dòng khí hơi thủy ngân được lấy từ thiết bị xử lý bóng đèn huỳnh quang nhiệt độ lúc này sau khi qua rất nhiều công đoạn chỉ còn khoảng 500C. Thêm vào đó, những khí thải này đã được loại bỏ những khí độc hại và các loại oxit axit ở quá trình trước đó. Vì vậy, nó có thể giảm bớt lượng công việc mà thiết bị này phải làm.
3.1.3.2. Tính đƣờng kính và chiều cao cột hấp phụ
Cột hấp phụ là phần thứ hai của hệ thống xử lý hơi thủy ngân. Cột này đóng một vai trò quan trọng trong việc xử lý hơi thủy ngân. Tại đây sẽ xảy ra hiện tượng hấp phụ giữa than hoạt tính và hơi thủy ngân. Cột hấp phụ nên có hai cột để có thể tiết kiệm thời gian và để quá trình này sẽ diễn ra liên tục. Bởi vì khi cột thứ nhất hấp
25
phụ một lượng hơi thủy ngân tối đa thì quá trình này sẽ được tiếp tục với cột thứ hai trong khi đó than hoạt tính mới lại được đưa vào cột thứ nhất.
Những khí thải có chứa hơi thủy ngân sau khi đã qua xử lí khí sẽ đi đến cột hấp phụ với tốc độ lưu lượng khí (Q) được đặt ở mức 3 (m3/h). Theo như những nghiên cứu và thí nghiệm trước đó [1], về tải trọng cân bằng của vật liệu than hoạt tính được tẩm Br, nồng độ thủy ngân đầu vào tối đa …., đã được xác định đây là những thông số cần thiết xây dựng cột hấp phụ.
Nồng độ Hg đầu vào tối đa: 386,9 mg/m3 Tải trọng cân bằng: 284,4 mg/g.
Cần xử lí Vl khí thải/ 60 ngày thay than một lần Công suất Q= 3m3/h
Khối lượng riêng than hoạt tính biến tính: d= 300(g/l)= 0,3(g/m3) Mỗi ngày yêu cầu thiết bị làm việc 8h/ngày
Hiệu suất H= 98%. Tổng thể tích khí mà cột hấp phụ phải làm việc là: Vkhí = 60.8.3= 1440m3 → mHg = 1440.0,98.386,9= 545993,28 mg(Hg) → mthan(than)= 545993,28 248,4 = 1919,8g ≈2kg than. Thể tích cột hấp phụ :V= 2 0,3 = 6,67 𝑙í𝑡
Vật liệu để thiết kế thiết bị là nhựa PVC là vật liệu đã có sẵn kích thước nên chọn ống phù hợp có d= 0,11m → 𝑟 = 0,055𝑚
→ 𝑆 = 𝜋. 𝑟2 = 0,0095𝑚2 → h =𝑉
𝑆 = 6,67
0,0095.1000 = 0,70 𝑚.
Thêm vào đó như những thí nghiệm trước, chiều cao tối ưu của lớp hấp thụ phải bằng hoặc lớn hơn 5 lần đường kính của nó hơn nữa trong cột hấp phụ ta đặt thêm hai giá đỡ nên chiều cao của cột hấp phụ ta lấy tăng lên là 1m.
26
Hình 3.3. Sơ đồ cột hấp phụ
Chúng tôi đã thiết kế hai cột hấp phụ giống nhau, mục đích để thử nghiệm sự hấp phụ của than hoạt tính bằng cách lần lượt cho từng cột chạy luân phiên nhau, cột một sau khi than hoạt tính đã no, tiếp tục chạy thử nghiệm với cột hai. Khí sau khi được xử lý sẽ thoát ra môi trường bên ngoài, và để xác định được chính xác hơi thủy ngân sau khi xử lí, khí thoát ra khí sẽ được hấp thụ vào 20ml dung dịch KMnO4 trong HNO3nồng độ 0,1M và được xác định sau bằng máy hấp thụ nguyên tử.
3.1.3.3. Tính toán các thiết bị phụ trợ
Khung: Làm việc môi trường có tính oxi hóa cao, và tiện cho việc vận chuyển nên chúng tôi chọn vật liệu làm khung cho thiết bị là sắt hộp mạ kẽm kích thước 20mm x20mm.
Bơm: Nước được bơm từ thùng số 9 qua hệ thống phun giàn mưa 3 sẽ do máy bơm ở vị trí số 8 đảm nhiệm nên chọn bơm li tâm công suất phù hợp.
27
Máy hút khí: Máy hút khí đóng vai trò cũng khá quan trọng toàn bộ lượng khí đi vào hệ thống sẽ do máy hút khí đặt phía sau thiết bị đảm nhiệm.
Công suất : 5 – 20m3/h
Nhãn hiệu: Made in China Giá:1000000vnđ
Lƣu lƣợng kế khí và nƣớc: Đế có thể xác định chính xác, hoặc điều chỉnh được công suất của máy bơm và lượng khí thải đưa vào thiết bị rất cần đến hai bộ phận này, lưu lượng kế nước sẽ được đặt trước vị trí bơm số 8, lưu lượng kế khí sẽ được đặt ở phía trước máy hút khí, tùy vào công suất nghiên cứu mà ta có thể tùy chỉnh cho phù hợp.
Hãng sản xuất : Selton Công suất : 70W
Lưu lương (L/phút) : 160 Xuất xứ: Việt Nam
28
3.1.4.Kết quả chế tạo thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân
Khung thiết bị Hình 3.4. Phần khung thiết bị Công suất: 16m3/h Sản xuất: China Công suất: 160L/P Sản xuất: China
29
- Số liệu kỹ thuật của khung thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân này là 0,50 ×1,160 × 1,530 (m).
- Đường ống dẫn khí được sản xuất bằng nhựa Tiền Phong PVC, UPVC C2 D34 với đường kính là 0.034m.
- Bơm ly tâm với lưu lượng nước là 160 (L/phút).
- Quạt hút khí với lưu là 300 (L/phút), xấp xỉ 18 (m3/h). - Đồng hồ đo lưu lượng khí có lưu lượng tối đa là 16 (m3/h). - Đồng hồ đo lưu lượng nước có lưu lượng tối đa là 160 (L/phút).
- Cột rửa có chiều cao là 1,2 (m) và đường kính là 0,16 (m) được sản xuất bằng nhựa Tiền Phong PVC, UPVC C2 D160
- Cột hấp phụ có chiều cao là 1(m) và đường kính là 0,11 (m) được sản xuất bằng nhựa Tiền Phong PVC, UPVC C2 D110
Mô hình thiết bị
Hình 3.5. Mô hình hệ thống xử lý hơi thủy ngân
Cột rửa khí Bơm Nước Cột hấp phụ Máy hút khí
30 Hoàn thành thiết bị
Hình 3.6. Hình ảnh thiết bị thực tế
Sau một thời gian làm việc, nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của bộ môn công nghệ hóa học chúng tôi đã chế tạo thành công thiết bị xử lý hơi thủy ngân và sẵn sàng cho những thử nghiệm tiếp theo.
Để đáp ứng những yêu cầu trên, hơi thủy ngân được tạo ra bằng cách sử dụng áp suất hơi thủy ngân bão hòa ở những giá trị nhiệt độ xác định. Khi đưa vào nghiên cứu có thay đổi nồng độ hơi thủy ngân được thực hiện bằng cách pha loãng với khí sạch ở cùng nhiệt độ. Các khí ảnh hưởng được đưa vào hệ thống bằng các đường dẫn nối với các nguồn khí bên ngoài. Luồng khí khô có cùng nhiệt độ sẽ mang hơi
Lưu lượng kế khí Lưu lượng kế nước
31
thủy ngân bão hòa bên trên bề mặt thủy ngân lỏng đi qua cột hấp phụ. Lượng thủy ngân trước và sau hấp phụ sẽ được hấp thụ vào dung dịch oxi hóa mạnh để chuyển Hg thành Hg2+và giữ lại trong dung dịch. Toàn bộ hệ thống thiết bị sẽ làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất bên ngoài nhờ máy hút khí đặt ở cuối đường ống. Chính điều này đã làm hơi thủy ngân không rò rỉ ra bên ngoài.
3.2.Khảo sát đánh giá khả năng hoạt động của thiết bị 3.2.1. Chạy thử nghiệm trong phòng thí nghiệm
Thiết bị xử lí hơi thủy ngân sau khi được hoàn thành sẽ được đưa tới các lò đốt rác hoặc khu vực xử lí bóng đèn huỳnh quang để đánh giá khả năng hoạt động, và độ ổn định của thiết bị vì vậy trước khi đưa ra điều kiện thực tế cần phải kiểm tra thận trọng trong phòng thí nghiệm. Trong bước này hệ thống được đánh giá bởi hai dữ liệu:
Ảnh hưởng của lưu lượng nước đến lưu lượng dòng khí
Ảnh hưởng của chiều cao lớp vật liệu hấp phụ đến lưu lượng dòng khí
Thứ nhất, yếu tố ảnh hưởng của lưu lượng nước toàn bộ thiết bị rỗng cả hai cột hấp phụ chưa được nhồi than hoạt tính, thay đổi lưu lượng khí từ 2m3/h đến 10 m3/h, tiếp theo nước được bơm lên cột rửa khí với lưu lượng thay đổi từ 20 L/phút đến 120 L/phút, theo dõi sự thay đổi tốc độ trên lưu lượng kế khí.
Thứ hai, yếu tố ảnh hưởng chiều dày lớp than hoạt tính, chiều cao lớp than sẽ được thay đổi, ban đầu nhồi thanvào cột số 4, khóa van cột số 5. Sau khi đánh giá xong tiếp tục nhồi than vào cả hai cột số 4 và 5, thay đổi chiều cao lớp than từ 10cm đến 52 cm, với lưu lượng của máy hút khí thay đổi từ 2 đến 10m3/h theo dõi sự thay đổi lưu lượng khí thiết bị đo.
3.2.1.1. Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng nƣớc tới lƣu lƣợng dòng khí
Nghiên cứu được tiến hành với cột rửa khí, điều chỉnh công suất của lưu lượng khí tại 5 điểm 2, 3, 5, 6, 10 (m3/h), lưu lượng nước được đưa vào cột rửa thay đổi
32
từ 20 đến 120 L/phút, toàn bộ hệ thống hoạt động trong vòng 30 phút và lưu lượng khí được lấy theo giá trị trung bình sau mỗi 6 phút.
Bảng 3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng nước tới lưu lượng khí
Q(m3/h) 0 20 40 60 80 100 120 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 10 10 10 10 10 10 10 10
Từ các số liệu trên ta có hình sau.
Hình 3.7. Ảnh hưởng lưu lượng nước tới lưu lượng khí
Theo hình 3.7 ta thấy rằng lưu lượng nước không ảnh hưởng đến lưu lượng khí khi ta thay đổi công suất từ 20L/phút đến 120L/phút, ảnh hưởng của cột rửa khí
0 2 4 6 8 10 0 20 40 60 80 100 120 Q(m 3 /h ) LL nƣớc L/phút LL nước L/phút
33
khi phun nước và không phun nước không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống, và do vậy sự ảnh hưởng này là không quan trọng
3.2.1.2. Ảnh hƣởng của chiều cao lớp than đến lƣu lƣợng khí
TN1: Khóa van cột hấp phụ số 5, mở và nhồi than vào cột hấp phụ số 4. Nghiên cứu được tiến hành với than hoạt tính biến tính brom kích thước hạt 0,1- 0,5 mm, độ dày từ 0 đến 52 cm và tốc độ khí được thực hiện tại 5 điểm : 2, 3, 5, 6, 10 (m3/h). Toàn bộ hệ thống hoạt động trong vòng 30 phút, sau 6 phút lưu lượng khí được ghi lại và lấy giá trị trung bình.
Bảng 3.2. Ảnh hưởng của độ dày lớp vật liệu hấp phụ đến lưu lượng khí (mở van số 4, đóng van số 5) Chiềudàythan(cm) Q(m3/h) 0 10 20 30 40 50 52 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 4,99 4,97 4,95 4,91 4,90 6 6 5,99 5,97 5,93 5,89 5,85 5,84 10 10 9,7 9,40 9,15 8,90 8,65 8,50
34
Hình 3.8. Ảnh hưởng của chiều cao lớp than (mở van số 4, đóng van số 5)
Theo như hình 3.8, khi giá trị của lưu lượng khí ở những giá trị nhỏ như 2, 3, 5, 6 (m3/h), thì ảnh hưởng của nó là không đáng kể, lưu lượng khí giảm khoảng 2 hoặc 3%. Ngược lại, lưu lượng khí giảm rõ rệt hơn khi đặt ở mức 10 (m3/h), giảm khoảng 10 – 15%. Vì vậy, giá trị ở mức 3 (m3/h) với độ dày lớp vật liệu lớn nhất hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu nghiên cứu bình thường.
TN 2: Mở cả hai van số 4 và 5, nhồi vật liệu than hoạt tính vào hai cột hấp phụ sau đó lập thực nghiệm như TN1:
Bảng 3.3. Ảnh hưởng chiều cao lớp vật liệu hấp phụ đến lưu lượng khí (khi mở hai van số 4 và 5) Chiềudàythan(cm) Q(m3/h) 0 10 20 30 40 50 52 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 2,99 2,98 2,97 2,96 2,95 5 5 4,95 4,91 4,87 4,85 4,78 4,75 6 6 5,97 5,95 5,91 5,89 5,86 4,85 10 10 9,6 9,40 9,15 8,70 8,15 7,90 0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 Q(m 3 /h)
35 Từ các số liệu trên ta có hình sau:
Hình 3.9. Ảnh hưởng chiều cao lớp than đến lưu lượngkhí ( mở hai van số 4 và 5)
Theo hình 3.9 ta thấy rằng, khi công suất máy hút khí là 2, 3, 5, 6 (m3/h), thì lưu lượng khí không bị ảnh hưởng nhiều bởi chiều dày lớp than hoạt tính, nhưng điều chỉnh lưu lượng kế lên tới các giá trị là 10(m3/h) thì sự ảnh hưởng càng rõ nét hơn, lưu lượng khí giảm 15- 20%, nhưng nếu xét công suất làm việc của thiết bị tại giá trị là 3(m3/h) thì vẫn đáp ứng yêu cầu nghiên cứu.
3.2.2. Thử nghiệm thực tế
Địa điểm: Khu vực xử lý bóng đèn huỳnh quang – Cty TNHH Thương mại Sản xuất Dịch vụ Môi trường xanh - Nam Sách- Hải Dương
Hàng năm công ty tiếp nhận hàng chục nghìn kg bóng đèn các loại, và luôn trong tình trạng quá tải thực tế thiết bị xử lý của công ty mới chỉ đạt công suất nhỏ 5-10kg chưa đáp ứng được nhu cầu. Và do vậy chúng tôi chọn đây là nơi thử nghiệm thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi thủy ngân.
0 2 4 6 8 10 12 0 10 20 30 40 50 Q(m 3 /h)
36
Hình 3.10. Địa điểm đặt thiết bị
Kết nối thiết bị xử lý hơi Hg với thiết bị xử lý bóng đèn huỳnh quang:
Để có được nguồn hơi thủy ngân phục vụ cho quá trình nghiên cứu, chúng tôi kết nối ống dẫn hơi thủy ngân của hai thiết bị với nhau, toàn bộ quá trình được trình bày sơ đồ sau:
37
Hình 3.11. Dòng hơi được dẫn qua thiết bị nghiên cứu hấp phụ hơi Hg
Sau khi bóng đèn được nghiền nát, dòng hơi thủy ngân sẽ đi qua cột rửa khí, bụi bẩn đã được loại bỏ dòng hơi tiếp tục được dẫn qua cột hấp phụ, tại đây Hg sẽ được than hoạt tính biến tính Brom xử lý và khí sạch sẽ đi ra ngoài, phần chất hấp phụ thải sẽ được chứa vào thùng phuy và xử lý sau.
3.2.2.1. Khảo sát nồng độ Hg đầu vào
Nội dung: Khảo sát khả năng xử lý hơi thủy ngân của thiết bị pilot - Ảnh hưởng của nhiệt
38 - Ảnh hưởng của lưu lượng khí
- Ảnh hưởng của các khí