Tài liệu THIẾT KẾ THÁP ĐỆM DÙNG ĐỂ HẤP THU KHÍ SO2 BẰNG DUNG MÔI NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT 1000 m3/h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC Đề tài: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM DÙNG ĐỂ HẤP THU KHÍ SO2 BẰNG NƯỚC VỚI NĂNG SUẤT 1000 m3/h GVHD : SVTH : Lớp : MSSV : Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG NGUYỄN VŨ TRỌNG 03ĐHHH3 2004120301 TP.HCM, THÁNG 06/2015 Ngành công nghiệp nƣớc ta ngày càng phát triển. Các nhà máy,xí nghiệp, khu công nghiệp mọc lên ngày càng nhiều, mở rộng cả về qui mô lẫn diện tích. Hàng năm công nghiệp sản xuất ra một khối lƣợng sản phẩm, hàng hóa rất lớn cho nhu cầu trong nƣớc và xuất khẩu song song với lƣợng hàng hóa này nghành công nghiệp cũng thải ra một lƣợng lớn khí thải vào môi trƣờng sống của chúng ta, chƣa kể khí thải từ hoạt động nông nghiệp, giao thông cũng nhƣ các nguồn khác. Trong đó SO2 là khí thải phổ biến nhất, vấn đề ô nhiễm khí quyển bởi SO2 từ lâu đã trở thành mối hiểm họa của nhiều nƣớc. Từ đó việc xử lý khí SO2 nói riêng và khí thải nói chung trở nên cần thiết và cấp bách hơn bao giờ hết. Công nghệ xử lý SO2 trong khí thải đã đƣợc nghiên cứu từ rất lâu và các nhà khoa học cũng đã thử nghiệm nhiều công nghệ xử lý SO2. Một trong những công nghệ đó là phƣơng pháp hấp thu SO2 bằng tháp đệm. Sau thời gian học tại trƣờng, đƣợc sự hƣớng dẫn chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong khoa Công nghệ hóa học trƣờng Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM em đã hoàn thành bộ môn quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học. Đƣợc sự phân công của nhà trƣờng và thầy cô trong khoa em đƣợc giao đề tài đồ án môn học:”Thiết kế tháp đệm dùng để hấp thu SO2 bằng nước với năng suất 1000m3/h” Qua quá trình tìm hiểu, với sự nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của cô Ths Võ Phạm Phƣơng Trang, em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Do lần đầu làm đồ án và trình độ bản thân cũng còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc sự góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Võ Phạm Phƣơng Trang, các thầy cô trong khoa Công nghệ hóa học trƣờng Đại học Công nghiệp thực phẩm TP.HCM đã giúp đỡ em trong thời gian qua. TP.HCM, ngày 20, tháng 6, năm 2015 Sinh viên thực hiện MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2 1. Tính chất hóa lý SO2…………………………………………………….. 2. Tác hại của khí SO2 ……………………………………………………... 3. Các nguồn tạo ra SO2..……………………….………………………….. II. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SO2 1. Hấp thụ khí SO2 bằng nƣớc. 2. Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sữa vôi 3. Xử lý khí khí SO2 bằng ammoniac……………………………………… 4. Xử lý khí SO2 bằng magie oxit. ………………………………………… 5. Xử lý khí SO2 bằng kẽm oxit….………………………………………… 6. Xử lý SO2 bằng kẽm oxit kết hợp natri sunfit. ……………………..…… 7. Xử lý khí SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ. ………………………….. 8. Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính ………………………….……… 9. Hấp phụ khí SO2 bằng vôi, đá vôi, đolomit……………………...……… 1 1 3 4 4 5 6 8 8 8 10 10 CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I. CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ………………………...…………….. 11 II. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ……………………………. 11 CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU………………………..……………………. 11 II. TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT……………...…………………………… 12 III. TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG………………………………………. 15 CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ I. TÍNH KÍCH THƢỚC THÁP HẤP THU 1. Tính đƣờng kính tháp hấp thụ…………………………………………… 2. Tính chiều cao tháp hấp thụ………...…………………………………… 3. Tính trở lực tháp…………………………………………………………. II. TÍNH CƠ KHÍ 1. Tính thân tháp…………………………………………………………… 2. Tính nắp và đáy tháp…………………………………………………….. 3. Tính ống dẫn lỏng và ống dẫn khí……………………………………….. 4. Tính các bích ghép nối………………….……………………………….. 5. Tính lƣới đỡ đệm và đĩa phân phối lỏng……...…………………………. 6. Tính cửa nhập liệu và tháo liệu, kính quan sát….………………………. 7. Tính chân đỡ và tai đeo………………………………………………….. III. TÍNH THIẾT BỊ PHỤ 1. Tính công suất quạt…….………………………………………………... CHƯƠNG V: KẾT LUẬN…………………………………………………... TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………….. 17 21 28 30 32 33 34 36 37 38 39 42 43 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN I. TỔNG QUAN VỀ KHÍ SO2 1. Tính chất hóa lý SO2 : - SO2 là chất khí không màu, mùi kích thích mạnh, dễ hóa lỏng, dễ hòa tan trong nước (ở điều kiện bình thường 1 thể tích nước hòa tan 40 thể tích SO2) - Khi hòa tan trong nước tạo thành dung dịch sunfurơ và tồn tại ở 2 dạng :chủ yếu là SO2.nH2O và phần nhỏ là H2SO3. - SO2 có nhiệt độ nóng chảy ở –750 C và nhiệt độ sôi ở –100C . - Nguyên tử S trong phân tử SO2 có cặp electron hóa trị tự do linh động và ở trạng thái oxy hóa trung gian (+4) nên SO2 có thể tham gia phản ứng theo nhiều kiểu khác nhau: - Cộng không thay đổi số ôxy hóa : SO2 + H2O = H2SO3 -Thực hiện phản ứng khử : SO2 + 2CO  2CO2 + S ↓ -Thực hiện phản ứng oxy hóa : SO2 + Cl2 + H2O  H2SO4 + HCl Trong môi trường không khí , SO2 dễ bị ôxy hóa và biến thành SO3 trong khí quyển. SO3 tác dụng với H2O trong môi trường ẩm và biến thành acid hoặc muối sunfat. Chúng sẽ nhanh chóng tách khỏi khí quyển và rơi xuống gây ô nhiểm môi trường đất và môi trường nước . 2. Tác hại của khí SO2 :  Đối với sức khỏe con ngƣời - SO2 là chất có tính kích thích, ở nồng độ nhất định có thể gây co giật ở cơ trơn của khí quản. Ở nồng độ lớn hơn sẽ gây tăng tiết dịch niêm mạc đường khí quản. Khi tiếp xúc với mắt, chúng có thể tạo thành axit. Bảng: Liều lƣợng gây độc mg SO2/m3 Tác hại 20-30 50 130-260 1000-1300 Giới hạn gây độc tính Kích thích đường hô hấp, ho Liều nguy hiểm sau khi hít thở (30 - 60 phút) Liều gây chết nhanh (30 - 60 phút) SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 1 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG - SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể con người qua các cơ quan hô hấp hoặc các cơ quan tiêu hóa sau khi được hòa tan trong nước bọt. Cuối cùng, chúng có thể xâm nhập vào hệ tuần hoàn. - Khi tiếp xúc với bụi , SO2 có thể tạo ra các hạt axit nhỏ có khả năng xâm nhập vào các huyết mạch nếu kích thước của chúng nhỏ hơn 2-3 μm. - SO2 có thể xâm nhập vào cơ thể qua da và gây ra các chuyển đổi hóa học. Kết quả là hàm lượng kiềm trong máu giảm, ammoniac bị thoát qua đường tiểu và có ảnh hưởng đến tuyến nước bọt. - Trong máu, SO2 tham gia nhiều phản ứng hóa học, gây rối loạn chuyển hóa đường và protein, gây thiếu vitamin B và C, ức chế enzyme oxydaza, tạo ra methemoglobine để chuyển Fe2+ (hòa tan) thành Fe3+ (kết tủa) gây tắc nghẽn mạch máu cũng như làm giảm khả năng vận chuyển oxy của hồng cầu,gây co hẹp dây thanh quản, khó thở.  Đối với thực vật - Các loài thực vật nhạy cảm với khí SO2 là rêu và địa y. Bảng: Nồng độ gây độc Nồng độ Tác hại (ppm) 0,03 Ảnh hưởng đến sinh trưởng của rau quả 0,15 – 0,3 Gây độc kinh niên 1–2 Chấn thương lá cây sau vài giờ tiếp xúc  Đối với môi trƣờng - SO2 bị oxy hóa ngoài không khí và phản ứng với nước mưa tạo thành axit sulfuric hay các muối sulfate gây hiện tượng mưa axit, ảnh hưởng xấu đến môi trường. * Quá trình hình thành mƣa axit của SO2 - Phản ứng hoá hợp giữa lưu huỳnh điôxít và các hợp chất gốc hiđrôxyl: SO2 + OH· → HOSO2· - Phản ứng giữa hợp chất gốc HOSO2· và O2 sẽ cho ra hợp chất gốc HO2· và SO3 : HOSO2· + O2 → HO2· + SO3 - Lưu huỳnh triôxít SO3 sẽ phản ứng với nước và tạo ra H2SO4. Đây chính là thành phần chủ yếu của mưa axít. SO3(k) + H2O(l) → H2SO4(l) * Các tác hại của mƣa axit SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 2 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG - Nước hồ bị axit hóa: mưa axit rơi trên mặt đất sẽ rửa trôi các chất dinh dưỡng trên mặt đất và mang các kim loại độc hại xuống ao hồ, gây ô nhiễm nguồn nước trong hồ, phá hỏng các loại thức ăn , uy hiếp sự sinh tồn của các loài cá và các sinh vật khác trong nước - Các ảnh hƣởng của pH đến hệ thủy sinh vật pH<6, 0 Các sinh vật bậc thấp của chuỗi thức ăn bị chết (phù du…), đây là nguồn thức ăn quan trọng của cá. pH<5,5 Cá không thể sinh sản được . Cá con khó sống sót. Cá lớn bị dị dạng do thiếu dinh dưỡng. Cá bị chết do ngạt. pH<5, 0 Quần thể cá bị chết. pH<4, 0 Xuất hiện các sinh vật mới khác với các sinh vật ban đầu. - Rừng bị hủy diệt và sản lượng nông nghiệp bị giảm: mưa axit làm tổn thương lá cây, gây trở ngại quá trình quang hợp, làm cho lá cây bị vàng và rơi rụng, làm giảm độ màu mỡ của đất và cản trở sự sinh trưởng của cây cối. - Làm tổn hại sức khỏe con người: các hạt sulfate, nitrate tạo thành trong khí quyển làm hạn chế tầm nhìn. Hơn nữa, do hiện tượng tích tụ sinh học, khi con người ăn các loại cá có chứa độc tố, các độc tố này sẽ tích tụ trong cơ thể lâu dần gây nguy hiểm đối với sức khỏe con người. -Gây ăn mòn vật liệu và phá hủy các công trình kiến trúc 3. Các nguồn tạo ra SO2 : - Khí SO2 tạo ra là do sự đốt cháy các hợp chất chứa lưu huỳnh hay nguyên tử lưu huỳnh . Ví dụ : các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh trong than , dầu mỏ, quặng Pirit (FeS2) , hơi đốt chứa nhiều khí H2S , các quặng sunfua . . . - Khí SO2 là loại chất gây ô nhiểm phổ biến nhất trong sản xuất công nghiệp và sinh hoạt . Nguồn thải SO2 chủ yếu từ : + Các nhà máy nhiệt điện . + Các lò nung , nồi hơi đốt bằng nhiên liệu than đá , khí đốt , dầu hỏa và khí đốt có chứa lưu huỳnh . + SO2 sinh ra từ các nghành sản xuất công nghiệp : nhà máy lọc dầu , nhà máy luyện kim , lò đúc , nhà máy sản xuất H2SO4 . . . SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 3 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG II. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ SO2 1. Hấp thụ khí SO2 bằng nước - Là phương pháp đơn giản được áp dụng sớm nhất để loại bỏ khí SO2 trong khí thải, nhất là trong khói từ các lò công nghiệp. - Ưu điểm: rẻ tiền, dễ tìm, hoàn nguyên được. SO2 + H2O ↔ H+ + HSO3- Nhược điểm: do độ hòa tan của khí SO2 trong nước quá thấp nên thường phải dùng một lượng nước rất lớn và thiết bị hấp thụ phải có thể tích rất lớn, cồng kềnh. Để tách SO2 khỏi dung dịch phải nung nóng lên đến 1000C nên tốn rất nhiều năng lượng, chi phí nhiệt lớn. ( Trang 93 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn ) 2. Hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch sữa vôi - Là phương pháp được áp dụng rất rộng rãi trong công nghiệp vì hiệu quả xử lý cao, nguyên liệu rẻ tiền và sẵn có ở mọi nơi. CaCO3 + SO2↔CaSO3 + CO2 CaO + SO2↔ CaSO3 2CaSO3 + O2 ↔2CaSO4 - Ưu điểm: công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, chi phí vận hành thấp, chất hấp thụ rẻ, dễ tìm, làm sạch khí mà không cần phải SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 4 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG làm lạnh và tách bụi sơ bộ, có thể chế tạo thiết bị bằng vật liệu thông thường, không cần đến vật liệu chống axit và không chiếm nhiều diện tích xây dựng. - Nhược điểm: đóng cặn ở thiết bị do tạo thành CaSO4 và CaSO3, gây tắc nghẽn các đường ống và ăn mòn thiết bị ( Trang 95 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn ) 3. Xử lý khí khí SO2 bằng ammoniac - Phương pháp này hấp thụ khí SO2 bằng dung dịch ammoniac tạo muối amoni sunfit và amoni bisunfit theo phản ứng sau: SO2 + 2NH3 + H2O ↔(NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O ↔ 2NH4HSO3 - Ưu điểm: hiệu quả rất cao, chất hấp thụ dễ kiếm và thu được muối amoni sunfit và amoni bisunfit là các sản phẩm cần thiết. - Nhược điểm: rất tốn kém, chi phí đầu tư và vận hành rất cao. SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 5 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG (Trang 100 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn) 4. Xử lý khí SO2 bằng magie oxit - Các phản ứng xảy ra như sau: MgO + SO2 ↔MgSO3 MgSO3 + SO2 + H2O ↔ Mg(HSO3)2 Mg(HSO3)2 + MgO ↔2MgSO3 + H2O - Ưu điểm: có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm lạnh sơ bộ, thu được axit sunfuric như là sản phẩm của sự thu hồi, hiệu quả xử lý cao, MgO dễ kiếm và rẻ. - Nhược điểm: quy trình công nghệ phức tạp, vận hành khó, chi phí cao, tổn hao MgO khá nhiều. SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 6 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG (Trang 105 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn) (Trang 106 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn) SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 7 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG 5. Xử lý khí SO2 bằng kẽm oxit - Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau: SO2 + ZnO + 2,5 H2O ↔ZnSO3 . 2,5H2O ZnSO3 . 2,5H2O => ZnO + SO2 + 2,5H2O - Ưu điểm: có thể làm sạch khí ở nhiệt độ khá cao (200 - 2500C). - Nhược điểm: có thể hình thành ZnSO4 làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi về kinh tế nên phải thường xuyên tách chúng ra (cho bốc hơi) và bổ sung lượng ZnO tương đương. 6. Xử lý SO2 bằng kẽm oxit kết hợp natri sunfit - Phương pháp này dựa theo các phản ứng sau: Na2CO3 + SO2 ↔ Na2SO3 + CO2 Na2SO3 + SO2+H2O ↔ 2NaHSO3 2NaHSO3 + ZnO ↔ZnSO3 + Na2SO3 + H2O - Ưu điểm: không đòi hỏi làm nguội sơ bộ khói thải, hiệu quả xử lý cao. - Nhược điểm: hệ thống xử lý khá phức tạp và tiêu hao nhiều muối natri. (Trang 110 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn) 7. Xử lý khí SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ - Phương pháp này được áp dụng nhiều trong xử lý khí thải từ các nhà máy luyện kim màu. - Chất hấp thụ chủ yếu được dùng là xyliđin và đimetylanilin. SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 8 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG Quá trình sunfiđin - Chất hấp thụ được sử dụng là hỗn hợp xyliđin và nước theo tỉ lệ 1:1 2C6H3(CH3)2NH2 + SO2 ↔2C6H3(CH3)2NH2 . SO2 - Nếu khí thải có nồng độ SO2 thấp thì quy trình này không kinh tế vì tổn hao xyliđin. (Trang 112 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn) Quá trình khử SO2 bằng đimetylanilin - Với khí thải có trên 35% (thể tích) khí SO2 thì dùng đimetylanilin làm chất hấp thụ sẽ có hiệu quả hơn dùng xyliđin. (Trang 113 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn) SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 9 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG 8. Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính - Phương pháp này có thể áp dụng rất tốt để xử lý khói thải từ các nhà máy nhiệt điện, nhà máy luyện kim và sản xuất axit sunfuric với hiệu quả kinh tế đáng kể. - Ưu điểm: sơ đồ hệ thống đơn giản và vạn năng, có thể áp dụng được cho mọi quá trình công nghệ có thải khí SO2 một cách liên tục hay gián đoạn, cho phép làm việc được với khí thải có nhiệt độ cao (trên 1000C). - Nhược điểm: tùy thuộc vào quá trình hoàn nguyên có thể là tiêu hao nhiều vật liệu hấp phụ hoặc sản phẩm thu hồi được có lẫn nhiều axit sunfuric và tận dụng khó khăn, phải xử lý tiếp mới sử dụng được. (Trang 116 – Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, tập 3 – Trần Ngọc Chấn) 9. Hấp phụ khí SO2 bằng vôi, đá vôi, đolomit - Ưu điểm: hiệu suất hấp phụ cao. -Nhược điểm : chi phí đầu tư lớn do vật liệu chế tạo đắt ( làm việc trong môi trường ăn mòn mạnh và nhiệt độ cao) SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 10 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG CHƢƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ I. II. CHỌN QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Chọn nguồn khí thải SO2 từ lò hơi. Khí được xử lý sơ bộ về nhiệt và thu hồi bụi trước khi vào tháp. Dung môi hấp thu yêu cầu là nước có đặc điểm rẻ, dễ tìm, không ăn mòn thiết bị. Thiết bị hấp thu dạng tháp đệm nên dung môi là nước sạch đẻ không tạo ra cặn lắng làm cản trở dòng khí và lỏng. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ Dung môi hấp thu là nước , nước sạch từ bể chứa được bơm lên bồn cao vị, nước theo ống dẫn lỏng đi qua lưu lượng kế điều chỉnh lưu lượng phù hợp rồi đi vào tháp hấp thu. Nhờ đĩa phân phối lỏng nước được phân phối đều khắp bề mặt đệm. Dòng khí thải từ lò hơi được xử lý sơ bộ: lọc bụi bằng cyclone, giải nhiệt bằng thiết bị ống chùm. Sau đó được quạt thổi qua lưu lượng kế điều chỉnh lưu lượng rồi mới vào tháp hấp thu Dòng khí đi từ đáy tháp lên đỉnh tháp, dòng lỏng đi từ đỉnh xuống đáy tháp hai dòng lưu chất tiếp xúc tại bề mặt vật liệu đêm và xảy ra quá trình truyền khối. khí sau hấp thu đạt tiêu chuẩn loại A theo ống khí trên nắp tháp thải ra môi trường. Dung dịch nước sau hấp thu chảy vào bể chứa được xử lý trung hòa trước khi thải ra môi trường. =//=//=//=//=//=//=//=//=//=//= CHƢƠNG III: TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH HẤP THỤ I. CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU Lưu lượng khí thải: 1000 m3/h Nồng độ SO2 cần xử lí: 2% thể tích Nồng độ SO2 sau xử lí đạt tiêu chuẩn loại A: 1500 mg/m3 Chọn nhiệt độ của nước hấp thu là 30oC SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 11 ĐỒ ÁN QTTB II. GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT Phương trình cân bằng của hệ SO2 – H2O được biểu diễn theo định luật Henry: P  H .x    y*  H  m. x  Pt (1) Trong đó: y*: phần mol của SO2 trong dòng khí ở điều kiện cân bằng x: nồng độ phần mol khí hòa tan trong pha lỏng P: áp suất riêng phần của cấu tử khí SO2 hòa tan khi cân bằng Pt: áp suất tổng của hệ hấp thu (mmHg) H: hằng số Henry (300C) H = 0.0364.106 mmHg [2,Bảng IX.1,139] m: hằng số cân bằng pha hay hệ số phân bố, là một đại lượng không có thứ nguyên Khi tính toán hấp thụ, ta thường dùng nồng độ phần mol tương đối. y Y 1Y ; x X 1 X Thay vào (1) ta được: Y* X  m. 1Y * 1 X Do đó phương trình (1) có dạng: Y *  Vậy phương trình cân bằng là: Y *  m. X 47,8947. X  1  (1  m) X 1  (1  47,8947) X 47,8947. X 1  (1  47,8947) X Trong đó: X: nồng độ SO2 cần hấp thụ trong dung môi nước (kmol SO2/kmol H2O) Y*: nồng độ SO2 cần hấp thu trong hỗn hợp khí (kmol SO2/kmol khí trơ) SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 12 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG Đường cân bằng: X Ycb 0 0 0.00004 0.00180 0.00008 0.00361 0.00011 0.00543 0.00015 0.00725 0.00019 0.00908 0.00023 0.01092 0.00026 0.01276 0.00030 0.01461 0.00034 0.01646  Phương trình đường làm việc: Nồng độ thể tích ban đầu của dòng khí: yđ=2%=0,02 Nồng độ ban đầu của pha khí theo tỉ số mol: Yđ  yđ  0,0204 (kmol 1 yđ SO2/kmol Khí trơ) Nồng độ cuối của pha khí theo tỉ số mol: 1500 1 ( g ). 1000 64( g / mol ) Yc  1( at ) 1 1( m 3 ).10 3 (l / m 3 ). . (K ) 0,082(lit .at / mol.K ) ( 273  30)  0,0005823 ( kmolSO2 / kmolkhítro) Nồng độ đầu của pha lỏng theo tỉ số mol: Chọn dung môi hấp thu là nước sạch nên: Xđ=0 (kmolSO2/kmolH2O)  Ltr  G tr Xác định tỉ lệ   Ltr   G tr   :  min  Y  Yc   đ  min X *  X đ Trong đó: Gtr : Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp X* : Nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với Xđ Lượng SO2 được hấp thu: Yhth=Yđ-Yc=0,0204-0,0005823=0,0198177 Thay vào phương trình đường cân bằng: SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 13 ĐỒ ÁN QTTB X*  GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG Y hth 0,0198177  m  (1  m)Y hth 47,8947  (1  47,8947).0,0198177 X *  4,059.10  4 (kmolSO2 / kmolH 2O )  Ltr   Gtr  Y  Yc 0,0204  0,0005823   đ   48,824 4,059.10  4  0  min X *  X đ Thông thường lấy lượng dung môi thực tế lớn hơn dung môi tối thiểu 20% [2,141]  Ltr=1,2Ltr_min (kmol/h) Ltr : Lượng dung môi không đổi khi vận hành:  Ltr L  1,2. tr G tr  G tr    1,2.48,824  58,5888  min Lưu lượng hỗn hợp khí vào tháp hấp thu: G hh  P.V 1.1000   40,2479 (kmol/h) R.T 0,082.(273  30) Suât lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp: Gtr  Ghh (1  y đ )  40,2479(1  0,02)  39,4430 (kmol/h) Suất lượng dung môi làm việc: Ltr  58,5888.Gtr  58,5888.39.443  2310,918 (kmolH2O/h) Phương trình cân bằng vật chất có dạng: GtrYđ  Ltr X đ  GtrYc  Ltr X c  Ltr Y  Yc  đ Gtr X c  X đ  Xc   Yđ  Yc  Xđ Ltr Gtr 0,0204  0,0005823 0 58,5888  3,3825.10 4 ( kmolSO2 / kmolH 2O ) SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 14 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG  Phương trình đường làm việc: Y đ  0,0005823 58,5888 hay Y  58,5888 X  0,0005823 X  Phương Trình Đường Cân Bằng Và Đường Làm Việc 0.025 0.02 y = 58.589x + 0.0006 R² = 1 0.015 Y* y = 48.6x - 4E-05 R² = 1 0.01 0.005 0 0 0 0 0 -0.005 0 0 0 0 0 X III. TÍNH CÂN BẰNG NĂNG LƢỢNG Phương trình cân bằng nhiệt lượng có dạng : GđIđ + LđCđTđ + Qs = GcIc + LcCcTc + Q0 Trong đó : Gđ , Gc : Lợng hổn hợp khí đầu và cuối. Lđ , Lc : Lượng dd đầu và cuối. SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 15 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG tc , tc : nhiệt độ khí ban đầu và cuối (o C) Tđ , Tc : nhiệt độ dung dịch đầu và cuối (o C) Iđ , Ic : entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối (kj/kg) Q0 : nhiệt mất mát ( kj/h) Qs : nhiệt lượng phát sinh do hấp thụ khí (kj/h) Để đơn giản hoá vấn đề tính toán , ta có thể giả thiết như sau : + Nhiệt độ mất mát ra môi trường xung quanh không đáng kể , Q0 = 0 . + Nhiệt độ của hổn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào tháp : tc = tđ = 30oC . + Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thu : Cđ = Cc = CH2O Gọi q : Nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử khí bị hấp thu Qs=q.Ltr(Xc-Xđ) (Gần đúng: coi q không đổi) Gđ.Iđ  Lđ .C.Tđ  q.Ltr.Xc  Xd   Gc.Ic  Lc.C.Tc Hoặc : Tc  Lđ G .I  Gc I c qL X đ  X c  tđ  đ đ  Lc Lc .C Lc C (Vì lượng khí hoà tan trong dung dịch nhỏ nên có thể lấy gần đúng: Lđ 1) Lc Bỏ qua mức độ biến đổi nhiệt của pha khí: Gđ Iđ-GcIc≈0 Vậy Tc  Tđ  q.Ltr X c  X đ  Lc .C Do lượng cấu tử hoà tan trong dung dịch nhỏ nên : Lđ = Lc = Ltr Tc  Tđ  q (X c  X đ ) C Phương trình hấp thu của SO2 trong dung môi nước . SO2 + H2O  H+ + HSO3Tra sổ tay hóa lý: Nhiệt sinh của : SO2 : SO2 = -70.96 (kcal/mol) . H2O : H2O= - 68.317 (kcal/mol) H+: =0 (kcal/mol) . HSO3- : HSO3- = -12157.29 (kcal/mol) Nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử SO2 bị hấp thu : q = (-70.96 - 68.317) – ( 0 – 12157.29) = 12018.013 (kcal/mol) SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 16 ĐỒ ÁN QTTB GVHD: Ths VÕ PHẠM PHƯƠNG TRANG Nhiệt độ cuối của dung dịch ra khỏi tháp : q X c  X đ  C 12018,013.10 3.4,1858  30  (3,3826.10  4  0) 4200.18  30,225 o C Tc  Tđ  Vậy Tc  Tđ = 30oC . Ta xem như quá trình hấp thu là đẳng nhiệt . =//=//=//=//=//=//=//= CHƢƠNG IV: TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ I. 1.   TÍNH KÍCH THƢỚC THÁP HẤP THU Tính đƣờng kính tháp hấp thụ Các thông số vật lý của dòng khí Lƣu lƣợng trung bình của dòng khí đi trong tháp V ytb  Vđ  Vc 2 Trong đó Vđ, Vc : Lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp (m3/h) Vc  Vtr 1  Yc   Vđ 1  y đ  . 1  Yc   10001  0,02  . 1  0,0005823  980,57m 3 / h   V ytb  1000  980,57  990.29m 3 / h  2  Khối lƣợng riêng trung bình của pha khí  ytb  ytb1  M 1  1  ytb1   M 2   273 22,4  T Trong đó: M1, M2 : Khối lượng mol của SO2 và không khí M1= MSO2 = 64 (g/mol) M2= Mkk = 28,8 (g/mol) T : Nhiệt độ làm việc trung bình của tháp (T=30oC) Ytb1 : Nồng độ phần mol của SO2 lấy theo giá trị trung bình SVTH: Nguyễn Vũ Trọng Page 17