Đồ án Xử lý khí SO2 bằng nước

với dung dịch loãng chảy ra từ bộ lọc chân không số 3 cùng với 1 lượng nước bổ sung để được dung dịch sữa vôi mới. Hiệu quả hấp thụ SO2 bằng sữa vôi đạt 98%. Sức cản khí động của hệ thống không vượt quá 20 mm H2O. Nguyên liệu vôi được sử dụng một cách hoàn toàn, cụ thể là cặn bùn từ hệ thống xử lý thải ra có thể được sử dụng làm chất kết dính trong xây dựng sau khi chuyển sunfit thành sunfat trong lò nung. Ưu điểm: công nghệ đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không lớn, 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. Hấp thụ SO2 bằng NH3: Amoniac và khí SO2 trong dung dịch nước có phản ứng với nhau và tạo ra muối trung gian amoni sunfit, sau đó muối amoni sunfit lại tác dụng tiếp với SO2 và H2O để tạo ra muối amoni bisunfit theo phản ứng sau: SO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2SO3 (NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2NH4HSO3 Lượng bisunfit tích tụ dần trong dung dịch có thể hoàn nguyên bằng cách nung nóng trong chân không, kết quả thu được amoni sunfit và SO2. Amoni sunfit này lại có thể sử dụng tiếp để khử SO2 nung nóng 2NH4HSO3 (NH4)2SO3 + SO2↑ + H2O Ngoài ra trong dung dịch còn có thể xảy ra sự phân hủy sunfit và bisunfit amoni thành sunfat amoni và lưu huỳnh đơn chất theo phản ứng sau: 2NH4HSO3+ (NH4)2SO3 = 2(NH4)2SO4 + S + H2O Lưu huỳnh đơn chất hình thành theo phản ứng trên đến lượt của mình lại tác dụng với amoni sunfit và tạo ra thiosunfat: (NH4)2SO3 + S = (NH4)2S2O3 Sau đó thiosunfat lại kết hợp với amoni bisunfit và tạo ra lưu huỳnh đơn chất nhiều gấp 2 lần: (NH4)2S2O3+ 2NH4HSO3 = 2(NH4)2SO4 + 2S + H2O Lưu huỳnh đơn chất lại tác dụng với sunfit. Cứ như vậy tốc độ phản ứng phân hủy dung dịch làm việc tăng dần và dung dịch làm việc sẽ hoàn toàn biến thành amoni sunfat và lưu huỳnh đơn chất. Có các phương pháp xử lý sau: Hệ thống xử lý SO2 bằng NH3 theo chu trình. Hệ thống xử lý SO2 bằng NH3 có chưng áp. Hệ thống xử lý SO2 bằng NH3 và vôi. Hấp thụ SO2 bằng MgO: Về khả năng sử dụng sữa MgO để khử SO2 khói thải đã được biết từ lâu, nhưng nghiên cứu ứng dụng trong công nhgiệp mới được thực hiện gần đây chủ yếu là do các nhà khoa học – công nghệ của Liên Xô cũ. SO2 được hấp thụ bởi oxit –hydroxit magiê, tạo thành tinh thể ngậm nước sunfit magiê. Trong thiết bị hấp thụ xảy ra các phản ứng sau: MgO + SO2 = MgSO3 MgO + H2O = Mg(OH)2 MgSO3 + H2O + SO2 = Mg(HSO3)2 Mg(OH)2 + Mg( HSO3)2 = 2MgSO3 â + 2H2O Độ hòa tan của sunfit magiê trong nước bị giới hạn, nên lượng dư ở dạng MgSO3.6H2O và MgSO3.3H2O rơi xuống thành cặn lắng. Tỉ lệ rắn: lỏng trong huyền phù là 1:10. Độ pH ở đầu vào là 6,8 – 7,5; còn ở đầu ra là 5,5 – 6,0. Sunfat magiê được hình thành do oxit hóa sunfit magiê. MgSO3 + O2 à MgSO4 Tái sinh oxit magie trong lò nung: Than cốc t0=9000C MgSO3 MgO + SO2 SO2 thoát ra là 7-15% được làm nguội, tách bụi và sương mù axit sunfuric dùng để sản xuất axit sunfuric. Có các phương pháp hấp thụ sau: Phương pháp magie oxit “kết tinh” theo chu trình. Phương pháp magie oxit “không kết tinh”. Phương pháp magie oxit “sủi bọt”. Phương pháp magie oxit kết hợp với Potas (kali cacbonat). Ưu điểm: Có thể làm sạch khí nóng mà không cần làm lạnh sơ bộ. Thu được axit sunfuric. Hiệu quả làm sạch cao. Nhược điểm: Quy trình công nghệ phức tạp. Không phân giải hoàn toàn sulfat khi nung. Tổn hao MgO khá nhiều. Hấp thụ SO2 bằng ZnO: Xử lí khí SO2 bằng kẽm oxit (ZnO) cũng tương tự như phương pháp oxit magiê tức là dùng phản ứng giữa SO2 với kẽm oxit để thu các muối sunfit và bisunfit, sau đó dùng nhiệt để phân ly thành SO2 và ZnO. Trong phương pháp này, chất hấp thụ là kẽm oxit. Phản ứng hấp thụ như sau: SO2 + ZnO + 2,5H2O àZnSO3.2,5H2O Khi nồng độ SO2 lớn: 2SO2 + ZnO + H2O à Zn(HSO3)2 Sunfit kẽm tạo thành không tan trong nước được tách ra bằng xyclone ướt và sấy khô.Tái sinh ZnO bằng cách nung sunfit ở 350oC. ZnSO3.2,5H2O àSO2 + ZnO + 2,5H2O SO2 được chế biến tiếp tục, còn ZnO quay lại hấp thụ. Có các phương pháp hấp thụ sau: Phương pháp kẽm oxit đơn thuần. Phương pháp kẽm oxit kết hợp với natri sunfit. Ưu điểm: Quá trình phân ly kẽm sunfit ZnSO3 thành SO2 và ZnO xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với quá trình phân ly bằng nhiệt đối với MgSO3. Có khả năng xử kí khí ở nhiệt độ cao (200 – 250oC). Nhược điểm: Có khả năng hình thành sunfit kẽm (MgSO4) làm cho việc tái sinh ZnO bất lợi về kinh tế nên phải tách chúng ra và bổ sung ZnO. Xử lý SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ: Xử lí khí SO2 trong khí thải bằng các chất hấp thụ hữu cơ được áp dụng nhiều trong công nghiệp luyện kim màu. Chất hấp thụ khí SO2 được sử dụng phổ biến là các amin thơm như anilin C6H5NH2, toluđin CH3C6H4NH2, xyliđin (CH3)2C6H3NH2, và đimety-anilin C6H5N(CH3)2. Quá trình xử lí theo phương pháp trên là: Quá trình sunfidin: Quá trình này được các hãng công nghiệp hóa chất và luyện kim của Đức nghiên cứu và áp dụng ở nhà máy luyện kim Hamburg để khử SO2 trong khói thải của lò thổi luyện đồng. Nồng độ của khí trong khói thải dao động trong phạm vi 0,5 ÷ 8%, trung bình là 3,6%.Chất hấp thụ là hỗn hợp xylidin và nước tỉ lệ ≈ 1:1. Quá trình khử SO2 bằng dimetylanilin – Quá trình ASARCO: quá trình này được nghiên cứu và áp dụng ở nhiều các nhà máy luyện kim. Xử lý SO2 bằng natri cacbonat: Nguyên tắc: Na2CO3 + SO2 à Na2SO3 + CO2 Na2SO3 + SO2 + H2O à 2NaHSO3 Cho ZnO vào dung dịch tạo thành NaHCO3 + ZnO à ZnSO3 + NaOH Nung ZnSO3 để thu khí SO2 và ZnO dùng lại Ưu điểm: Dùng chất hấp thụ có hoạt độ hấp thụ mạnh. Dùng được cho các khí với nồng độ SO2 bất kỳ. Nhược điểm: Giá thành cao nên chỉ chỉ thích hợp cho hệ thống nhỏ. Xử lý SO2 bằng các chất hấp phụ thể rắn: Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính: Khói thải đi vào tháp hấp thụ gồm nhiều tầng, khí SO2 được giữ lại trong lớp than hoạt tính của các tầng hấp thụ, sau đó khói đi qua cyclone để lọc sạch tro bụi trước khi thải ra khí quyển. Than hoạt tính được hoàn nguyên bằng cách nâng nhiệt độ lên 400-450oC. Khí SO2 thoát ra từ quá trình hoàn nguyên có nồng độ 40-50% và đạt khoảng 96-97% lượng khí SO2 có trong khói thải. Sau khi hoàn nguyên than hoạt tính được sàn chọn lại để loại bỏ phần than quá vụn nát và bổ sung thêm than mới để đưa lên hấp phụ trở lại. Khí thoát ra từ quá trình hoàn nguyên ngoài SO2 còn có một số loại khí khác như: H2S là 2-4%, lưu huỳnh là 0,1-0,3%. Hấp phụ khí SO2 bằng than hoạt tính có tưới nước – quá trình LURGI: Theo phương pháp này khí thải được làm cho bão hòa hơi nước ở nhiệt độ dưới 100oC đi qua lớp than hoạt tính có tưới nước làm ẩm trong thiết bị hấp phụ. Khí SO2 bị giữ lại trong lớp than hoạt tính và oxy hóa thành SO3 nhờ có oxy trong khí thải. Tiếp theo, SO3 kết hợp với nước biến thành axit sunfuric H2SO4 và theo nước chảy vào thùng chứa. Axit sunfuric thu được trong thùng chứa với nồng độ 20-25%. Hệ thống thử nghiệm ban đầu với lưu lượng khỏi thải 1000-1500 m3/h. Nồng độ ban đầu của SO2 trong khói khi đốt nhiên liêu mazut là 0,1-0,15%. Hiệu quả khử SO2 đạt 98-99%. Chất hấp phụ làm việc trong hơn 3 năm liên tục mà hoạt tính của nó không hề bị giảm sút. Xử lý SO2 bằng nhôm oxit kiềm hóa: Quá trình xử lý khí SO2 bằng nhôm oxit kiềm hóa được dựa trên tính chất hấp phụ của hỗn hợp nhôm oxit (Al2O3) và natri oxit (Na2O)với thành phần natri oxit chiếm 20% khối lượng hỗn hợp. Trong quá trình hấp phụ, khí SO2 bị oxy hóa, sau đó tác dụng với các oxit kim loại để biến thành sunfat. Chất hấp phụ đã bão hòa được hoàn nguyên bằng khí trơ ở nhiệt độ 600-650oC. Xử lý SO2 bằng Mangan oxit: Có 2 phương pháp tiêu biểu của quá trình xử lý SO2 bằng Mangan oxit là “quá trình Mangan” được nghiên cứu áp dụng ở Mỹ và “quá trình DAR Mangan” do hãng Mitsubishi của Nhật Bản đề xuất. Trong quá trình Mangan của Mỹ, chất hấp phụ được sử dụng là Mangan oxit (Mn2O3) dạng hạt được làm khô trong không khí và trong chân không ở nhiệt độ 300-400oC. Quá trình DAR-Mangan của hãng Mitsubishi sử dụng chất hấp phụ là hỗn hợp của một số oxit được gọi là oxit Mangan hoạt tính. Chất hấp phụ thu được bằng cách dùng amoniac để xử lý Mangan sunfat và tiếp theo là oxy hóa hydrat bằng oxy trong không khí và hơi nước: MnSO4 + 2NH4OH à Mn(OH)2 + (NH4)2SO4 Mn(OH)2 + 0,5iO2 + n(n-1)H2O à MnO1+i.nH2O Trong đó: i = 0,5-0,8 và n = 0,1-1,0 Xử lý SO2 bằng vôi và dolomit trộn vào than nghiền Quá trình đốt nhiên liệu than nghiền có trộng bột vôi và dolomit để khử khí SO2 mới được áp dụng trong những năm gần đây và hiện nay vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện. Phản ứng giữa vôi (CaO) và dolomit (CaCO3.MgCO3) với SO2 xảy ra như sau: 2CaO + 2 SO2 +O2 à 2CaSO4 2CaCO3.MgCO3 + 2SO2 + O2 à 2[CaSO4 + MgO] + 4CO2 Phản ứng giữa vôi và SO2 xảy ra mạnh nhất ở nhiệt độ 760-1040oC, còn phản ứng giữa dolomit và SO2 ở nhiệt độ 600-1200oC. Phương pháp này là sự kết hợp giữa quá trình cháy với quá trình khử khí SO2 thành 1 quá trình thống nhất trong buồng đốt của lò mà không đòi hỏi phải lắp đặt thêm nhiều thiết bị phụ trợ khác. Trong một số trường hợp khác, người ta còn dùng vôi dưới dạng vữa (30% chất rắn trong nước theo khối lượng) và phun vào dòng khói thải trong thiết bị gọi là buồng sấy khô kiểu phun đặt trên đường khói của lò. Khí SO2 trong khói thải kết hợp với Ca(OH)2 theo phản ứng: SO2 + Ca(OH)2 à CaSO3 + H2O CaSO3 bị oxy hóa rất nhanh bằng oxy có mặt trong khói thải và tạo thành CaSO4: CaSO3 + ½ O2 à CaSO4 Cả canxi sunfit và canxi sunfat đều rất ít hòa tan trong nước. Khi các giọt vữa được làm khô bằng nhiệt của khói thải, chúng sẽ trở thành những hạt rắn có nhiều lỗ rỗng và được tách Ra khỏi khói thải trong thiết bị lọc bụi. Người ta gọi đó là phương pháp rửa khí ướt-khô hỗn hợp bằng đá vôi. Các loại thiết bị hấp thụ: Tháp rỗng: Là tháp có cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất trong đó chất lỏng được phun thành những giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dòng khí đi qua. Tháp phun đươc sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn. Tháp đệm: Sơ đồ cấu tạo: Cấu tạo gồm: thân tháp rỗng bên trong đổ đầy đệm làm từ vật liệu khác nhau (gỗ, nhựa, kim loại, gốm,...) với những hình dạng khác nhau (trụ, cầu, tấm, yên ngựa, lò xo,...); lưới đỡ đệm, ống dẫn khí và lỏng vào ra. Để phân phối đều chất lỏng lên khối đệm chứa trong tháp, người ta dùng bộ phận phân phối dạng: lưới phân phối (lỏng đi trong ống – khí ngoài ống; lỏng và khí đi trong cùng ống); màng phân phối, vòi phun hoa sen (dạng trụ, bán cầu, khe); bánh xe quay (ống có lỗ, phun quay, ổ đỡ) ... Các phần tử đệm được đặc trưng bằng: đường kính d, chiều cao h, bề dày δ. Đối với đệm trụ, h = d chứa được nhiều phần tử nhất trong 1 đơn vị thể tích. Khối đệm được đặc trưng bằng các kích thước: bề mặt riêng a (m2/m3); thể tích tự do ε (m3/m3); đường kính tương đương d (tđ) = 4r(thủy lực) = 4.S/n = 4 ε/a; tiết diện tự do S (m2/m3) . Khi chọn đệm cần lưu ý: thấm ướt tốt chất lỏng; trở lực nhỏ, thể tích tự do và và tiết diện ngang lớn; có thể làm việc với tải trọng lớn của lỏng và khí khi ε và S lớn; khối lượng riêng nhỏ; phân phối đều lỏng; có tính chịu ăn mòn cao, rẻ tiền, dễ kiếm... Để làm việc với chất lỏng bẩn nên chọn đệm cầu có khối lượng riêng nhỏ. Nguyên lý hoạt động: Chất lỏng chảy trong tháp theo đệm dưới dạng màng nên bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt thấm ướt của đệm. Tháp đệm làm việc ngược chiều có các chế độ thủy động lực sau: Chế độ màng OA: khi mật độ tưới không lớn, tốc độ khí nhỏ, chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt đệm, khí đi ở khe giữa các màng. Chế độ hãm AB: từ A tăng tốc độ khí sẽ làm tăng ma sát của dòngkhí với bề mặt lỏng và kìm hãm sự chảy của màng lỏng, lượng lỏng giữ lại trong đệm tăng. Khi tăng tốc độ khí làm tăng xoáy đảo màng lỏng trên đệm nên tăng cường quá trình truyền khối. Chế độ nhũ tương BC: Khí-lỏng tạo thành hệ nhũ tương không bền 2 pha liên tục-gián đoạn của khí-lỏng đổi vai trò cho nhau liên tục, làm tăng bề mặt tiếp xúc pha và cường độ truyền khối lên cực đại, đồng thời trở lực thủy lực cũng tăng nhanh; chế độ này duy trì rất khó mặc dù cường độ truyền khối lớn. Chế độ cuốn theo: quá giới hạn sặc, nếu tăng tốc độ khí, toàn bộ chất lỏng sẽ bị giữ lại trong tháp và cuốn ngược trở ra theo dòng khí. Hiệu ứng thành thiết bị (channeling effect): Chất lỏng có xu hướng chảy từ tâm ra thành thiết bị, gây giảm hiệu suất do tiếp xúc pha kém. Khắc phục bằng cách: Nếu chiều cao đệm lớn hơn 5 lần đường kính đệm thì chia đệm thành từng đoạn; giữa các đoạn đệm đặt bộ phận phân phối lại chất lỏng. Chọn d/Φ = đường kính đệm/đường kính tháp = 1/15 – 1/8. Xếp đệm: nếu d 50mm: xếp thứ tự. Tưới lỏng và phun khí ngay từ đầu. Ưu – nhược điểm - ứng dụng: Ưu điểm: cấu tạo đơn giản; trở lực theo pha khí (hoạt động ở chế độ màng/quá độ) nhỏ. Nhược điểm: hoạt động kém ổn định, hiệu suất thấp; dễ bị sặc; khó tách nhiệt, khó thấm ướt. Ứng dụng: Dùng trong các trường hợp năng suất thấp: tháp hấp thụ khí, tháp chưng cất,... Dùng trong các hệ thống trở lực nhỏ (như hệ thống hút chân không,...) Tháp mâm: Sơ đồ cấu tạo: Tháp đĩa thường cấu tạo gồm thân hình trụ thẳng đứng, bên trong có đặt các tấm ngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định. Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược hoặc chéo chiều:lỏng từ trên xuống (hoặc đi ngang), khí đi từ dưới lên hoặc xuyên qua chất lỏng chảy ngang; ở đây tiếp xúc pha xảy ra theo từng bậc là đĩa.Tùy thuộc cấu tạo của đĩa chất lỏng trên đĩa có thể là khuấy lý tưởng hay là dòng chảy qua. Tháp đĩa có ống chảy chuyền: bao gồm tháp đĩa, chóp, lỗ, xupap, lưới,...Trên đĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng gọi là ống chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng đáy tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí (hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩa trên. Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lưới,hay khe xupap sục vào pha lỏng trên đĩa. Để phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiều cao mức chất lỏng trên đĩa. Tháp đĩa không có ống chảy chuyền: khi đó khí (hơi hay lỏng) và lỏng đi qua cùng một lỗ trên đĩa. Ưu – nhược điểm và ứng dụng: Tháp đĩa lỗ: ưu điểm là kết cấu khá đơn giản, trở lực tương đối thấp, hiệu suất khá cao. Tuy nhiên không làm việc được với chất lỏng bẩn, khoảng làm việc hẹp hơn tháp chop (về lưu lượng khí). Tháp chóp: có thể làm việc với tỉ trọng của khí, lỏng thay đổi mạnh, khá ổn định. Song có trở lực lớn, tiêu tốn nhiều vật tư kim loại chế tạo, kết cấu phức tạp. Nói chung tháp chop có hiệu suất cao hơn tháp đĩa lỗ. Tháp xupap: dùng trong chưng cất dầu mỏ. Tháp màng: Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt chất lỏng chảy thành màng theo bề mặt vật rắn thường là thẳng đứng. Bề mặt vật rắn có thể là ống, tấm song song hoặc đệm tấm. Tháp màng dạng ống: Có cấu tạo tương tự thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm, gồm có ống tạo màng được giữ bằng hai vĩ ống ở hai đầu, khoảng không giữa ống và vỏ thiết bị để tách khi cần thiết. Chất lỏng chảy thành màng theo thành ống từ trên xuống, chất khí (hơi) đi theo khoảng không gian trong màng chất lỏng từ dưới lên. Tháp màng dạng tấm phẳng: Các tấm đệm đặt ở dạng thẳng đứng được làm từ những vật liệu khác nhau (kim loại, nhựa, vải căng treo trên khung...) đặt trong thân hình trụ. Để đảm bảo thấm ướt đều chất lỏng từ cả 2 phía tấm đệm ta dùng dụng cụ phân phối đặc biệt có cấu tạo răng cưa. Tháp màng dạng ống khi lỏng và khí đi cùng chiều: Cũng có cấu tạo từ các ống cố định trên 2 vỉ, khí đi qua thân gồm các ống phân phối tương ứng đặt đồng trục với ống tạo màng. Chất lỏng đi vào ống tạo màng qua khe giữa 2 ống. Khi tốc độ khí lớn sẽ kéo theo chất lỏng từ dưới lên chuyển động dưới dạng màng theo thành ống tạo màng. Khi cần tách nhiệt có thể cho tác nhân lạnh đi vào khoảng không gian giữa vỏ và ống. Để nâng cao hiệu suất người ta dùng thiết bị nhiều bậc giống nhau. Thủy động lực trong thiết bị dạng màng: Khi Re < 300 – chảy màng , bề mặt pha nhẵn trơn. Khi 300 < Re < 1600 – chảy màng bắt đầu có gợn sóng. Khi Re > 1600 – chảy rối. Khi có dòng khí chuyển động ngược chiều sẽ ảnh hưởng lớn đến chế độ chảy của màng. Khi đó, do lực ma sát giữa khí và lỏng sẽ có cản trở mạnh của dòng khí làm bề dày màng tăng lên, trở lực dòng khí tăng. Tiếp tục tăng vận tốc dòng khí sẽ dẫn đến cân bằng giữa trọng lực của màng lỏng và lực ma sát và dẫn đến chế độ sặc (nhiều khi pha khí chỉ 3-6m/s đã xảy ra sặc). Khi tốc độ vượt qua tốc độ sặc sẽ làm kéo chất lỏng theo pha khí ra ngoài. Ưu và nhược điểm của tháp màng: Ưu điểm: Trở lực theo pha khí nhỏ. Có thể biết được bề mặt tiếp xúc pha (trong trường hợp chất lỏng chảy thành màng). Có thể thực hiện trao đổi nhiệt. Nhược điểm: Năng suất theo pha lỏng nhỏ. Cấu tạo phức tạp, khi vận hành dễ bị sặc. Ứng dụng: Trong phòng thí nghiệm. Trong trường hợp có năng suất thấp. Trong những hệ thống cần trở lực thấp (hệ thống hút chân không,...). CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Chọn phương pháp xử lý SO2: hấp thụ bằng H2O. Vì tính chất nước sau hấp thụ không có cặn ( nước sau hấp thụ là H2SO3) nên chọn tháp hấp thụ bằng tháp đệm. SO2 là chất khí khó hấp thụ ở nhiệt độ cao (>60oC), do đó phải giải nhiệt khí thải trước khi cho vào tháp hấp thụ. Sơ đồ công nghệ. BỒN CAO VỊ BỂ CHỨA NƯỚC BỂ TRUNG HÒA 1 2 1-Vật liệu đệm; 2-Bơm; Sơ đồ hấp thụ SO2 bằng nước Thuyết minh sơ đồ công nghệ: Nước ở bể chứa được bơm lên bồn cao vị. Tại đây nước được dẫn vào tháp bằng một đường ống khác. Nước được phun từ trên tháp xuống trải đều trên lớp vật liệu đệm thông qua hệ thống vòi phun. Khí thải được quạt thổi vào tháp, đi từ dưới lên trên qua lớp vật liệu đệm. Tại lớp vật liệu đệm sẽ xảy ra quá trình tiếp xúc pha giữa nước và khí thải. SO2 sẽ được nước hấp thụ. Nước sau khi hấp thụ SO2 sẽ tạo thành H2SO3 rơi xuống đáy tháp đệm và được bơm đến bể trung hòa. Tại bể trung hòa, H2SO3 được trung hòa trước khi xả thải ra môi trường. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ Số liệu thiết kế ban đầu: Năng suất: 2500m3/h. Nồng độ SO2 trong khí thải: 1% theo khối lượng. Nhiệt độ đầu vào: 30oC Nhiệt độ đầu ra: 30oC Kí hiệu tính toán: Xv – Tỷ số mol khí trong dòng lỏng vào tháp hấp thụ, (kmolSO2/kmolH2O). Xr – Tỷ số mol khí trong dòng lỏng ra tháp hấp thụ, (kmolSO2/kmolH2O). Yv – Nồng độ mol tương đối của khí trong hỗn hợp khí thải vào tháp hấp thụ, (kmolSO2/kmolkk). Yr – Nồng độ mol tương đối của khí trong hỗn hợp khí thải khi đi ra tháp hấp thụ, (kmolSO2/kmolkk). xv – Phần mol khí trong pha lỏng đi vào tháp hấp thụ, (kmolSO2/kmolhh). xr – Phần mol khí trong pha lỏng ra khỏi tháp hấp thụ, (kmolSO2/kmolhh). yv – Phần mol khí trong dòng khí khi đi vào tháp hấp thụ, (kmolSO2/kmolkk). yr – Phần mol khí trong dòng khí khi đi ra tháp hấp thụ, (kmolSO2/kmolkk). G – Suất lượng hỗn hợp khí, (kmolhh/h). Gtr – Suất lượng khí trơ, (kmol khí trơ/h). L – Suất lượng nước, (kmolH2O/h). Ltr – Suất lượng cấu tử lỏng trơ, (kmol trơ/h). Sơ đồ cân bằng vật chất của tháp hấp thụ: THÁP HẤP THỤ Ltr Xr Gtr Yv Ltr Xv Gtr Yr Yv = Yr Xv Xr = X Y Y*=mX Đường làm việc Đường cân bằng Nồng độ của SO2: Nồng độ đầu vào của SO2 Ta có: PV = nRT. Trong đó: P: áp suất khí quyển [at]. V: thể tích không khí [l]. R: hằng số khí lý tưởng = 0,082. n: số mol khí [mol]. n/V = P/RT Ckk = n/V == = 0,0402 (mol/l) = 40,2 (mol hỗn hợp khí/m3). Khối lượng không khí có trong 1 m3: mkk = 40,2 29 = 1166 g. = 1% mkk = 0,011166 = 11,66 g. = 11,66/64 = 0,182 mol. Nồng độ phần mol SO2: yv = = = 0,0045 (molSO2/mol hỗn hợp khí). Nồng độ mol tương đối của SO2: Yv = = = 0,0045( mol SO2/mol khí trơ). Nồng độ đầu ra của SO2 Theo QCVN 19-2009 nồng độ SO2 = 500 mg/m3 (0oC, 1at). Tính cho 1m3: Ở 30oC, 1at: nồng độ SO2= = = 450,5 mg/m3= 0,4505 g/m3. Nồng độ phần mol SO2: yr = = = 0,000175 (mol SO2/mol khí trơ). Nồng độ mol tương đối của SO2: Yr = = = 0,000175 Hiệu suất hấp thụ Hiệu suất hấp thụ: = = = 0,9611 = 96,11 % Lập phương trình đường cân bằng: Đường cân bằng hấp thụ có dạng: Y* = mX Với m = Trong đó: H: hằng số Henrry phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí, mmHg. p: áp suất của khí đang xét, mmHg. à Hằng số Henrry của khí SO2 ở nhiệt độ trung bình t = 30oC: H = 0,0364.106 mmHg = 36400 mmHg (trang 139 Sổ tay quá trình và thiết bị tập 2). p = 1at = 760mmHg. => m = = = 47,9. Vậy đường cân bằng của SO2 ở 30oC có dạng đường thẳng: Y* = mX =47,9X Lập phương trình đường làm việc: Suất lượng mol của hỗn hợp khí thải: G = n Q = 40,2 (mol/m3) 2500 (m3/h) = 100500 (mol/h) = 100,5 (kmol/h). Suất lượng khí trơ: Gtr = G (1 – yv) = 100500 (1 - 0,0045) = 100047,75 (mol khí trơ/h) . Xác định đường làm việc: đi qua 2 điểm (Xv, Yr) và (Xmax, Yv): Nồng độ SO2 cực đại trong dung môi (nước) khi ra khỏi tháp hấp thụ Xmax= ứng với Yv= nằm trên đường cân bằng Y* = 47,9X (đường làm việc cắt đường cân bằng). Yv = 0,0045 => Xmax = = = (mol SO2/mol khí trơ). Lượng dung môi tối thiểu: Với Xv = 0 à Ltr min = Gtr = 100047,75 = 4603260,8 (mol/h). Lượng dung môi thực tế lấy bằng 1,2 lượng dung môi tối thiểu: Ltr = 1,2Ltr min =1,2 4603260,8 = 5523913 (mol/h) = 99,43 (m3/h). => Xr = Gtr = 100047,75 = 7,83 (). Phương trình đường làm việc có dạng: Y = AX + B Với: A = = = 55,2 B = Yr - Xv = 0,000175 0 = 0,000175. Vậy phương trình đường làm việc: Y = 55,2X + 0,000175. Tính toán tháp hấp thụ: Đường kính tháp hấp thụ: D = (*) Với Qtb = Qđ = 2500 m3/h Qc = – Suất lượng SO2 bị hấp thụ = ( Yv – Yr) = 100047,5 (0,0045 – 0,00075) = 432,7 ( mol SO2/h). Lưu lượng SO2 bị hấp thụ: PV = nRT = = = = 24,846 ( l/mol SO2). = 24,846 10-3 (m3/mol SO2). = = 432,7 (mol SO2/h) 24,846 10-3 (m3/mol SO2). = 10,75 (m3/h) Qc = Qđ - = 2500 - 10,75 = 2489,25 ( m3/h). = = = 2494,625 (m3/h). Tốc độ khí đi trong tháp đệm: Y = 1,2 e -4X (1) X =( )1/4 )1/8 (2) Y= )0,16 (3) Trong đó: : tốc độ sặc [m/s]. : bề mặt riêng của đệm [m2/m3]. Vđ: thể tích tự do của đệm [m3/m3]. g: gia tốc trọng trường [m2/s]. Gx; Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình [kg/s]. , : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và hơi [kg/m3]. : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 20oC [N.s/m2]. Khối lượng riêng trung bình pha lỏng: = = 1000 [kg/m3]. Khối lượng riêng của pha khí: = = = 0,0023375 (molSO2/mol hỗn hợp khí). = = = 1,17 [kg/m3]. Lượng dung môi sử dụng: Gx = Ltr = 5523913 ( mol/h) 18 (g/mol) . = 99430434 (g/h) 99430 ( kg/h). Lượng khí qua tháp: Gy = Qtb = 2494,625 (m3/h) 1,17 (kg/m3) 2918,7 (kg/h). (2) àX = ()1/4 ()1/8 = 1,04 (1) Y = 1,2 e -4X = 1,2 = 0,01873 Chọn loại đệm là đệm vòng Rasiga đổ lộn xộn, đệm bằng sứ có kích thước: 60 60 6 (mm). Có: = 78 [m2/m3]. Vđ = 0,74 [m3/m3]. = 0,801 10-3 [N.s/m2]. = 1,0 10 -3 [N.s/m2]. (3) à = )0,16 à = ()0,18 = 0,02206 à = 0,92 (m/s). Ta có: = (0,8 0,9) Chọn = 0,8 = 0,8 0,92 = 0,74 (m/s). (*) à D = à D = = 1,09 (m). Chọn D =1,1 (m). Chiều cao tháp hấp thụ: Mật độ tưới thực tế: Utt = Với : Vx= thề tích pha lỏng [m3/h]. Ft= diện tích mặt cắt [m2]. àUtt = = = 104,68 (m3/m2h). Mật độ tưới thích hợp: Uth =B Với B = 0,158 [m3/m.h] àUth = 0,158 78 = 12,32 [m3/m2.h] Ta có: = >1 (dựa vào đồ thị hình IX.16 tr.178 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2). à = 1 Chiều cao lớp vật liệu đệm: H = noy hoy Với: noy: số đơn vị truyền khối. hoy: chiều cao của một đơn vị truyền khối [m]. noy = Ytb = Với: Y2=Yv=0,0045 Y1=Yr=0,000175 Phương trình cân bằng: Y*=47,9X Xv=0 à= 0 Xr=7,83.10-5 à =0,00375 àYtb= = 3,95.10-4 noy = = = 10,95 hoy = h1 + h2 h1: chiều cao của một đơn vị truyền khối đối với pha hơi [m]. h2: chiều cao của một đơn vị truyền khối đối với pha lỏng [m]. Tính h1: h1 = (4) Với: Vđ = 0,74 a=0,123 =1 =78 Rey = Tính : = Với: = 17,1710-6 (N.s/m2) à= 17,1710-6 = 1,8610-5(N.s/m2) Tính : ==1,17 (kg/m3). à Rey = = = 296,77 Pry= Tính Dy: Dy= +)1/2 [cm2/s]. Trong đó: T: nhiệt độ hỗn hợp khí (T = 303oK). P: áp suất hỗn hợp khí (1atm). , : khối lượng mol của SO2 và không khí. , : thể tích mol của SO2 và không khí. =44,8 (cm3/mol). =29,9 (cm3/mol) (tra bảng 2.2 trang 26 – truyền khối – tập 3 – Vũ Bá Minh). Dy = +1/2 = 0,1146 (cm2/s). = 1,14610-4 (m2/s). àPry = = 1,387 (4)à h1 = = = 0,398 (m) Tính h2: h2 = 256 2/3 (5) Rey = = Rey = 18,62 Prx= Tính Dx: Dx = 7,410-8 Trong đó: M: khối lượng mol nước. V: thể tích mol SO2, = 44,8 (cm3/mol). T: nhiệt độ nước (303oK). : hệ số kể đến sự kết hợp của các phân tử dung môi, =2,6 (tra bảng trang 29 – truyền khối tập 3). Dx = 7,410-8 = 1,95610-2(cm2/s). = 1,95610-6(cm2/s). à Prx= = = 0,41. (5)à h2 = 256 2/3 18,620,25 0,410,5 =2,7310-4 (m). àhoy = h1 + h2 = 0,398+ 2,73 10-4 = 0.3984 (m) à Chiều cao lớp vật liệu đệm: Hđệm = hoy noy = 0,3984 10,95 = 4,36 (m). Chọn chiều cao lớp vật liệu đệm: H= 4,4 (m). Chiều cao của phần tách lỏng Hl và đáy Hđ được chọn phụ thuộc vào đường kính tháp. Như vậy đối với tháp có đường kính nhỏ D = 1,1 m ta chọn Hl = 1,2m và Hđ = 1,5m. Chiều cao tháp: Htháp = Hđệm + Hl + Hđ = 4,4 + 1,3 + 1,5 = 7,2 (m). Tính toán trở lực: Trở lực đệm khô: Pk = Trong đó: : khối lượng riêng pha khí, 1,17 (kg/m3). H: chiều cao lớp đệm