Luận văn Sản xuất năng lượng từ rác thải

Luận Văn ĐỀ TÀI: SẢN XUẤT NĂNG LƯỢNG TỪ RÁC THẢI MỤC LỤC 1. Cơ sở lý thuyết 1.1. Khái niệm Hấp thu là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta cĩ quá trình nhả khí. Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau. Qúa trình hấp thu tách bỏ một hay nhiều chất ơ nhiễm ra khỏi dịng khí thải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng). Khi này hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng nhắm mục đích hịa tan chọn lựa mơt hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các ccấu tử trong chất lỏng. Khí được hấp thu goi là chất bị hấp thụ. Chất lỏng dùng để hấp thu gọi là dung mơi (chất hấp thụ) Khí khơng bị hấp thu goi là khí trơ. 1.2. Áp dụng của hấp thu Trong cơng nghiệp hĩa chất, thực phẩm, quá trình hấp thu đươc dùng để: Thu hồi cấu tử quý trong pha khí. Làm sạch pha khí - Tách hỗn hợp thành các cấu tử riêng biệt Tạo thành một dung dịch sản phẩm. 1.3. Lựa chọn dung mơi Nếu mục đích của quá trình là tách các cấu tử hỗn hợp khí thì khi đĩ việc lựa chọn dung mơi tốt phụ thuộc vào các yếu tố sau: Độ hịa tan tốt: cĩ tính chọn lọc nghĩa là chỉ hịa tan cấu tử cần tách và hịa tan khơng đáng kể các cấu tử cịn lại. Đây là điều kiện quan trọng nhất. Độ nhớt của dung mơi: càng bé thì trở lại quá trình càng ngỏ, tăng tốc độ hấp thu và cĩ lợi cho quá trình truyền khối . Nhiệt dung riêng: bé sẽ tốn ít nhiệt khi hồn nguyên dung mơi. Nhiệt độ sơi: khác xa với nhiêt độ sơi của chất hịa tan sẽ dễ tách các cấu tử ra khỏi dung mơi. Nhiệt độ đĩng rắn: thấp để tránh tắc nghẽn thiết bị, khơng tạo kết tủa, khơng độc và thu hồi các cấu tử hịa tan dễ dàng hơn. It bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm và khơng độc haị với người và khơng ăn mịn thiết bị. 1.4. Quá trình hấp thụ Cơ chế quá trình Hấp thu là quá trình quan trọng để xử lý khí vvà ứng dụng trong rất nhiều quá trình khác. Hấp thu trên cơ sở của quá trình truyền khối, được mơ tả và tính tốn dựa vào phân chia 2 pha (cân bằng pha, khuếch tán). Cơ chế quá trình cĩ thể chia thành 3 bước + Khuếch tán các phân tử chất ơ nhiễm thể khí trong khối khí thải đến bề mặt của chất lỏng hấp thụ. Nồng độ phân tử ở phía chất khí phụ thuộc vào cả 2 hiện tượng khuếch tán: Khuếch tán rối: cĩ tác dụng làm nồng độ phân tử được đều đặn trong khối khí. Khuếch tán phân tử: làm cho các phân tử khí chuyển động về phía lớp biên. Trong pha lỏng cũng xảy ra hiện tượng tương tự như thế: Khuếch tán rối: được hình thành để giữ cho nồng độ được đều đặn trong tồn bộ khối chất lỏng. Khuếch tán phân tử: làm dịch chuyển các phân tử đến lớp biên hoặc từ lớp biên đi vào pha khí. + Thâm nhập và hịa tan chất khí vào bề mặt ủa chất hấp thụ. + Khuếch tán chất khí đã hịa tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu lịng chất lỏng hấp thụ. Qúa trình hấp thụ phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí. 1.4.2. Qúa trình trao đổi chất Khi chất ơ nhiễm từ khí thải vào chất lỏng hấp thụ các phân tử được trao đổi qua vùng ranh giới gọi là lớp biên (máng, phim). Các phân tử đi qua lớp biên từ cả 2 phía, một số chất từ phía chất khí, một số chất từ khối chất lỏng. Cường độ trao đổi phụ thuộc vào các yếu tố tác động lên hệ thống như áp suất, nhiệt độ, nồng độ và độ hịa tan của phân tử. Cường độ trao đổi sẽ tăng nếu giữa pha lỏng và pha khí cĩ diễn ra phản ứng hĩa học hay các phân tử khí khơng thể quay trở về khối khí khi cĩ tác động của các quá trình vật lý. Qúa trình hấp thụ kèm theo sự tỏa nhiệt và làm tăng nhiệt độ của hệ thống. Khi pha khí phân tán vào pha lỏng xảy ra hiện tượng dẫn nhiệt làm năng lượng của cấu tử pha khí bị giảm. Hiện tượng này xảy ra do sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí, làm cho các phân tử này bị xáo trộn, từ đĩ dẫn tới sự cân bằng năng lượng giữa 2 pha. Nhờ cĩ chuyển động này mà sự khác biệt cục bộ về nồng độ chất khí trong hỗn hợp sẽ đượ giảm dần ngay ả khi khơng ĩ sự can thiệp của ngoai lực như quấy, lắc. Mặt khác tổng thể tích của hệ thống trong quá trình hấp thụ cũng bị giảm. Theo nguyên lý Le Chartelier: độ hịa tan của khí trong chất lỏng tăng nếu tăng áp suất và giảm nhiệt độ của quá trình. Trong thực tế cĩ 2 hiện tượng hấp thụ Hấp thụ đẳng nhiệt: được tiến hành với sự giải nhiệt pha lỏng bằng thiết bị truyền nhiệt bố trí trong tháp hấp thụ. Nếu nồng độ ban đầu khơng lớn hoặc khi lưu lượng chất lỏng lớn thì sự thay đổi nhiệt độ của chất lỏng khơng đáng kể. Hấp thụ đẳng áp: diễn ra khi khơng cĩ sự trao đổi với mơi trường bên ngồi, khi này cơ cấu thiết bị được đơn giản hĩa nhưng điều kiện cân bằng khơng tốt. 1.4.3. Cĩ 2 phương pháp hấp thụ Hấp thụ vật lý: được dựa trên sự hịa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. Ở đây sự truyền ật chất trong mỗi pha được xác định bằng phương trình truyền khối ổn định: G = F(y – yp) = 1F(x – xp). Cịn quá trình vận chuyển vật chất từ pha này sang pha khác sử dụng phương trình: G = F(y – y*) = K1F(x – x*) Trong đĩ: G: số mol vật chất được chuyển trong một đơn vị thời gian, mol/s F: bề mặt tiếp xúc pha, m2 y, x: nồng độ mol chất bị hấp thu trong pha khí và pha lỏng, mol/m3 yp, xp; nồng độ chất bị hấp thu trên bề mặt phân chia trong pha khí và pha lỏng, mol/m3 y*, x*: nồng độ cấu tử trong pha khí và pha lỏng cân bằng với nồng độ trong pha khí và pha lỏng tương ứng, mol/m3 , : hệ số truyền khối trong pha khí và lỏng, m/s Kk, Kl: hệ số truyền khối trong pha khí và lỏng, m/s Quan hệ giữa hệ số truyền khối và hệ số truyền khối tổng quát như sau: =+ =+ Trong đĩ m là hằng số cân bằng pha Nếu hệ thống cĩ độ hịa tan cao m (hằng số cân bằng pha) 0, vì vậyKkk. Khi đĩ trở lực của quá trình truyền khối tập trung trong pha khí. Khi độ hịa tan nhỏ m cĩ giá trị lớn K11. Khi đĩ trở lực của quá trình truyền khối tập trung trong pha lỏng. Hấp thụ hĩa học: cĩ phản ứng hĩa học giữa chất bị hấp thu và chất hấp thụ. Khi này hiệu nồng độ ở bề mặt phân chia pha tăng, vận tốc hấp thụ hĩa học tăng hơn khi hấp thu vât lý. Vận tốc phản ứng hĩa học càng tăng, vận tốc hấp thụ hĩa học càng tăng. 1.4.4. Áp suất quá trình Nếu nồng độ phần mol của chất ơ nhiễm hịa tan trong chất lỏng hấp thụ thấp thì áp suất riêng phần cân bằng của chất ơ nhiễm hịa tan được biểu diễn bằng định luật Henry: p* = Hx (1) Trong đĩ: p*: áp suất riêng phần của chất hịa tan trong pha khí cân bằng với pha lỏng x: nồng độ phần mol của chất hịa tan trong chất lỏng, kmol/kmol H: hằng số định luật Henry Ap suất riêng phần p được định nghĩa bằng tích số phần mol pha khí y và áp suất tổng cộng P: p = yP (2) Dùng giá trị p* = y*P từ phương trình (2) để thay vào (1) ta được: y* = x = mx (3) Trong đĩ y* : nồng độ phần mol của chất hịa tan trong pha khí cân bằng với pha lỏng m = : hệ số ơ thứ nhuyên cĩ giá trị khơng đổi cho một hệ lỏng – khí ở t = const và P = const Mặt khác theo định luật Rauolt ta cĩ: p* = P0X (4) Trong đĩ: p*: áp suất riên phần của chất hịa tan trong hỗn hợp khí cân bằng ới pha lỏng P0: áp suất hơi bão hịa của cấu tử nguyên chất, cĩ giá trị thay đổi theo nhiệt độ x: nồng độ phần mol của chất hịa tan trong chất lỏn, kmol/kmol Thay p* trong (4) vào (2) ta được: y* = x (5) Phương trình đường cân bằng của quá trình hấp thu cĩ thể biểu diễn như sau: y* = = mx = x Phương trình đường cân bằng của quá trình hấp thu chỉ đúng cách cho dung dịch lỗng và các thành phjấn khơng phản ứng với nhau. Đây là phương trình đường thẳng với hệ số gốc là m. Trong trường hợp các chất khí ơ nhiễm phản ứng hoặc phân ly trong dung dịch hấp thụ (hấp thụ hĩa học), đường cân bằng là đường cong và được thiết lập dựa trên các cơng thức thực nghiệm 1.5. Tháp hấp thụ 1.5.1. Cân bằng vật chất và đường làm việc của tháp Ta xét sơ đồ tính tốn và cân bằng vật chất cho tháp G Gtr L Ltr Gđ, yđ Lc,xc Gc, yc Lđ,xđ Xét quá trình hấp thụ xảy ra trong thiết bị hấp thụ chỉ cĩ một chất hịa tan (chất ơ nhiễm) A khuếch tán giữa hai pha. Pha lỏng kí hiệu là L, và pha khí kí hiệu là G,ta quan niệm rằng pha khí cũng như pha lỏng đều gồm 2 thành phần: khí trơ + khí A và chất lỏng trơ + khí A (chất hịa tan). Ta kí hiệu như sau: Lđ, Lc: suất lượng mol tổng cộng của pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị, mol/h Gđ, Gc:suất lượng mol tổng cộng của pha khí vào và ra khỏi thiết bị, mol/h. Ltr, Gtr: suất lượng mol tổng cộng của phần trơ trong pha lỏng và pha khí, mol/h xđ, xc: phần mol của chất A trong pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị Xđ, Xc: tỷ số mol của chất A và chất trơ trong pha lỏng yđ, yc: phần mol của chất A trong pha khí vào và ra khỏi thiết bị Yđ, Yc:tỷ số mol của chất A và chất trơ trong pha khí Pt: áp suất tổng Ta thấy L, G thay đổi theo từng vị trí trên chiều cao của tháp vì cĩ sự c\di chuyển khí A từ pha khí sang pha lỏng khi này phần trơ là hằng số. Cân bằng vật chất cho tồn bộ tháp: Gđ + Lc = Gc + Lđ Cân bằng vật chất chất A khuếch tán giữa 2 pha: Gđ yđ + Lcxc = Gcyc + Lđxđ Ta cĩ tỷ suất mol của chất A trong pha khí Tương tụ cho pha lỏng Phương trình cân bằng Gđ.Yđ + Lc.Xc = Gc.Yc + Lđ.Xđ Ta cĩ Ta cĩ phương trình đường thẳng(đường làm việc) trên tọa độ X,Y cĩ hệ số gĩc là Ltr/Gtr và đi qua 2 điểm (Xđ, Yc) và (Xc, Yđ) A Yđ Yc Xđ Xc X* X Y B Lượng dung mơi tối thiểu cho quá trình hấp thu là: Lmin Trong đĩ Xcmax là nồng độ của pha lỏng cực đại ứng với lượng dung mơi tối thiểu hay nồng độ của pha lỏng cân bằng với nồng độ của pha khí. Lượng dung mơi cần thiết trong thực nghiệm được lấy L = (1,2 : 1,5)Lmin 1.5.2. Cân bằng nhiệt lượng Ta cĩ phương trình cân bằng nhiệt lượng: GđIđ + LđCđTđ + Qđ = GcIc + LcCcTc + Qc Trong đĩ: Gđ, Gc: hỗn hợp khí đầu và cuối(kg/h) Lđ, Lc: lượng dung dịch đầu và cuối(kg/h) Tđ, Tc: nhiệt độ khí ban đầu và cuối(oC) Iđ, Ic: entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối(kj) Qo: nhiệt mất mát(kj/h) QS: nhiệt phát sinh do hấp thu khí(kj/h) 1.5.3. Các loại tháp hấp thu Thiết bị hấp thu cĩ chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng càng lớn càng tốt. Cĩ nhiều dạng hấp thu: Tháp phun: Là tháp cĩ cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất trong đĩ chất lỏng được phun thành những giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dịng khí đi qua. Tháp phun được sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí cĩ chứa hạt rắn. Tháp sủi bọt: Khí được cho qua tấm đục lỗ bên trên cĩ chứa lớp nước lỏng. Tháp sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bĩng đi qua lớp chất lỏng. Qúa trình phân tán khí cĩ thể thực hiện bằng cách cho khí đi qua tấm xốp, tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học. Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dịng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên. Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, mơi trường ăn mịn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí khơng chứa bụi và hấp thụ khơng tạo ra cặn lắng. Tháp đĩa: Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh tế hơn những tháp khác. Được sử dụng khi năng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ và mơi trường khơng ăn mịn. Tháp hấp thụ phải thỏa mãn những yêu cầu sau: hiệu quả và cĩ khả năng cho khí đi qua, trở lực thấp(<3000Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, khơng bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thu. Khi đồng thời hấp thụ nhiều khí, vận tốc hấp thụ của mỗi khí bị giảm xuống. Khí hấp thụ hĩa học trong tháp xuất hiện đối lưu bề mặt, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha xuất hiện dịng đối lưu cưỡng bức thúc đẩy quá trình truyền khối. 1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu Ảnh hưởng của nhiệt độ Khi các điều kiện khác khơng đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henry sẽ tăng. Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng chuyển dịch về phía trục tung. Nếu đường làm việc AB khơng đổi thì động lực trung bình sẽ giảm, số đĩa lí thuyết sẽ tăng và chiều cao thiết bị sẽ tăng. Thậm chí cĩ khi tháp khơng làm việc được vì nhiệt độ tăng quá so với yêu cầu kĩ thuật. Nhưng nhiệt độ tăng cũng cĩ lợi là làm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng giảm. Ảnh hưởng của áp suất Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng sẽ tăng và cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hồnh. Khi đường làm việc AB khơng đổi dẫn đến động lực trung bình tăng quá trình truyền khối sẽ tốt hơn vì thế số đĩa lí thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp thấp hơn. Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ. Mặt khác, sự tăng áp suất cũng gây khĩ khăn trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thụ. Các yếu tố khác Tính chất của dung mơi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác của dụng cụ đo, chế độ vận hành tháp…đều ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu. 2. Tính tốn cơng nghệ tháp hấp thụ xử lý SO2 2.1. Xác định các thơng số đầu vào Đốt 2 lít dầu F.O cĩ thành phần trọng lượng cĩ thành phần sử dụng của nhiên liệu được cho trong bảng sau: Thành phần cháy C H O N S % trọng lượng 84.6 11 0.3 0.2 1.6 Độ tro(A) 0.3 Độ ẩm(W) 2 Khối lượng riêng của dầu F.O ở 150C: d = 0,97kg/l Lượng dầu cần đốt trong 1 giờ: B = 2 * 0,97 = 1,94 kg/h Các đại lượng của quá trình cháy được tính tốn theo bảng sau: Đại lượng cần tính Đơn vị Cơng thức tính Giá trị Lượng kk khơ cần thiết cho quá trình cháy m3chuẩn/ kg nhiên liệu 10,476 Lượng khơng khí ẩm cần thiết cho quá trình cháy t = 300C,φ = 65% => d = 17 (g/kg) m3chuẩn/ kg nhiên liệu 10,760 Lượng kk ẩm thực tế với hệ số thừa kk α = 1,4 m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 15,064 Lượng khí SO2 trong spc m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 0,011 Lượng khí CO trong spc với hệ số cháy khơng hồn tồn η = 0,06 m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 9,467x10-3 Lượng CO2 trong spc m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 1.158 Lượng hơi nước trong spc m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 1,655 Lượng N2 trong spc m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 11,902 Lượng O2 trong khơng khí thừa m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 0,60304 Lượng NOx trong spc m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 9,451x10-4 Lượng N2 tham gia phản ứng tạo NOx m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 4,725x10-4 Lượng O2 tham gia phản ứng tạo NOx m3 chuẩn/ kg nhiên liệu 9,451x10-4 Lượng spc tổng cộng ở điều kiện chuẩn m3chuẩn/ kg nhiên liệu 16,034 Lưu lượng khĩi spc ở đk thực tế (tkhĩi=1500C) m3/s 0,0133 Tải lượng SO2, ρ = 2,926 g/s 0,0173 Tải lượng CO ρ = 1,25 g/s 6,377x10-3 Tải lượng CO2 ρ = 1,977 g/s 1,659 Tải lượng NOx g/s 1,046.10-3 Tải lượng tro bụi a = 0,3 g/s 3,233x10-4 Với (kg/h) Nồng độ phát thải các chất ơ nhiễm Đơn vị Cơng thức tính Giá trị SO2 g/m3 1,3 CO g/m3 0,479 CO2 g/m3 124,736 NOx g/m3 0,786 Bụi g/m3 21,697 Tiến hành làm lạnh hạ nhiệt độ khĩi thải xuống 600C ta xác định lại lưu lượng thực tế và xác định các thơng số về nồng độ các chất khi trong khĩi thải ta cĩ số liệu như sau: Lưu lượng khĩi spc ở đk thực tế (tkhĩi=600C) Nồng độ các chất ơ nhiễm ở 600C CSO2 = 1647,62(mg/m3) CCO = 607,33(mg/m3) CCO2 = 158 000(mg/m3) CNOx = 99,619(mg/m3) So sánh với TCVN 5939-2005 Nhận thấy: SO2 vượt tiêu chuẩn cho phép, cần phải xử lý trước khi thải ra mơi trường * Các thơng số ban đầu: Lưu lượng dịng khí thải V =37,8 m3/h Nồng độ SO2 ban đầu C =1,64762 g/m3 Nhiệt độ dịng khí thải đầu vào t1 = 600C Chọn nhiệt độ làm việc của thiết bị tk =320C Chọn dung mơi phun vào tháp đệm là nước Nhiệt độ nước đi vào tháp t = 250C Áp suất làm việc của thiết bị p = 800 mmHg Hỗn hợp khí xem như gồm SO2 và khí thải 2.2. Xác định các dịng vật chất – Đường cân bằng pha - Pha khí Suất lượng hỗn hợp khí thải Nồng độ hỗn hợp khí thải Nồng độ SO2 ban đầu Nồng độ phần mol SO2 đầu vào Tỷ suất mol SO2 trong pha khí Nồng độ mol SO2 đầu ra Lấy theo tiêu chuẩn Việt Nam 5939 – 2005 CSO2ra = 0,5(g/m3) Nồng độ phần mol SO2 đầu ra Tỷ suất mol SO2 đầu ra (mol SO2/mol khí) Suất lượng SO2 ban đầu Suất lượng mol của cấu tử trơ Gtr = Ghh.(1 - Yđ) = 1456*(1 – 0,668*10-3) = 1455,027 (mol/h) Hiệu quả của quá trình hấp thu Lượng SO2 bị hấp thụ Lượng SO2 cịn lại Suất lượng hỗn hợp khí thải đầu ra Khối lượng riêng của hỗn hợp khí thải Khối lượng mol của hỗn hợp khí Phương trình đường cân bằng cho quá trình hấp thụ khi hấp thụ SO2 bằng nước (t=320C, H =38000) Trong đĩ: H là hằng số Henry để xác định đường cân bằng Phương trình đường cân bằng y*= mx Xác định điểm Xcmax Giả sử dung mơi ban đầu đi vào tháp đệm là nước sạch, Xđ =0 Ta xét giao điểm đường làm việc với đường cân bằng là điểm (Xc,Yd) Lúc này Y*cb = Yd = 0,668 * 10-3(mol/h) thế vào phương trình đường làm việc ta cĩ Xác định lượng dung mơi tối thiểu cần cho tháp Lượng dung mơi cần thiết Vì trong các thiết bị hấp thụ khơng bao giờ đạt được cân bằng giữa các pha điều đĩ cĩ nghĩa nồng độ cân bằng luơn lớn hơn nồng độ thực tế Lượng dung mơi cần thiết lấy bằng 1,5 lượng dung mơi tối thiểu Ltt = 1,5 * Lmin = 1,5 * 48197 = 72295,5 (mol/h)=1301,319(kg/h) = 0,3615(kg/s) Nồng độ dung dịch ra khỏi tháp Xc = 9,366*10-6 (mol SO2/molhp) Phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm A(0 ; 0,2026 * 10-3), B(9,366 * 10-6 ; 0,668 * 10-3) Chọn vật liệu đệm Vịng sứ xếp ngẫu nhiên Kích thước 20 x 20 x 2,2 Bề mặt riêng σ =240 m2/m3 Thể tích tự do Vđ =0,73 m3/m3 Số đệm trong 1 m3 = 95 * 103 Khối lượng riêng 650kg/m3 Vận tốc khí đi trong tháp Tháp đệm cĩ thể làm việc ở các chế độ thủy động khác nhau: chế độ màng, chế độ treo và chế độ nhũ tương. Nếu sử dụng chế độ nhũ tương gây ra hiện tượng khuấy trộn ngước, cịn chế độ treo sẽ khĩ khăn vì chế độ này sẽ tồn tại 1 khoảng rất hẹp. Vì vậy chế độ màng thường được chọn cho sự làm việc của tháp nên vận tốc làm việc được chọn = (80% ¸ 90%) vận tốc sặc ws Vận tốc sặc ứng với điểm đảo pha được tính bằng cơng thức thực nghiệm Trong đĩ: Tháp đệm A = 0,022 : khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí trong tháp, kg/m3 : độ nhớt của nước ở 320C và 250C, Ns/m2 Ltb, Gtb: Suất lượng trung bình của pha lỏng và pha khí trong tháp(kg/s) Độ nhớt của nước ở 250C =0,8937 * 10-3 Ns/m2 Độ nhớt của nước ở 320C = 0,7679 * 10-3 Ns/m2 Suất lượng trung bình của hỗn hợp khí thải Chọn lượng dung mơi và ra khỏi tháp gần như bằng nhau Vậy vận tốc dịng khí đi trong tháp = 0,45(m/s) Đường kính tháp (m) Chọn D = 0,2 (m) = 20 (cm) Tiết diện của tháp Kiểm tra chế độ làm việc Với D =0,2 m Vậy chế độ thuỷ động trong tháp ở chế độ chuyển tiếp Vtb: Lưu lượng khí trung bình đi qua tháp Xác định chiều cao lớp đệm H =noy*hoy Tính số đơn vị truyền khối noy Ta cĩ phương trình đường làm việc: Phương trình đường cân bằng Bằng phương pháp tích phân số ta tính được noy = 2,214 Chiều cao một đơn vị chuyển khối Độ nhớt của hỗn hợp khí Chuẩn số Reynolds Trong đĩ: : Độ nhớt trung bình của pha khí Chiều cao tương đương của 1 đơn vị chuyển khối theo Kafarov- Đưneski Chiều cao của lớp đệm h = htd * noy = 2,214 * 0.263=0.58 (m) Chọn h = 0,60 m Chiều cao của tháp đệm H =noy*htd + (0,8 -1) = h + 0,9 =0,6 +0,9 = 1,5 m Tính trở lực tháp Trở lực tháp đệm khơ Trở lực của tháp đệm ướt Theo bảng IX.7 Trang 189 - Sổ tay quá trình và thiết bị cơng nghệ hĩa chất tập 2, ta cĩ A = 10, m = 0,945, n = 0,525, c=0,105 Chiều cao cột chất lỏng trong tháp Gọi hc là chiều cao cột chất lỏng trong tháp (nhằm tạo ra áp lực lớn hơn tổn thất áp suất trong tháp để giữ cho dịng khí thải vào tháp khơng đi ra ở đáy tháp). Do đĩ: r.g.h ³DPpư Þ hc ³ 0,06 m 2.2. Tính tốn cơ khí 2.2.1. Tính đường ống dẫn khí Ta chọn vận tốc khí vào bằng vận tốc khí ra bằng vận tốc khí vào: Chọn vận tốc khí vào là 10 m/s Vì lượng khí hịa tan vào dịng lỏng rất ít nên ta coi như Vd= Vc Chọn đường kính ống dẫn khí là 4cm Bề dày đường ống dẫn khí 4mm 2.2.2 Tính đường ống dẫn lỏng Vận tốc dẫn dịng lỏng khoảng 1-3 m/s Chọn vận tốc chất lỏng khoảng 2m/s a) Đường ống dẫn nước vào Chọn đường ống dẫn nước vào cĩ đường kính là 2cm Bề dầy của đường ống dẫn nước vào khoảng 3mm b) Đường ống dẫn nước ra Lưu lượng dịng lỏng tại đầu vào và đầu ra khơng chênh lệch nhiều nên ta cĩ thể xem lưu lượng dịng vào bằng lưu lượng dịng ra. Chọn vận tốc nước ra khoảng 1,2m/s Chọn đường ống dẫn nước ra cĩ đường kính 2cm, bề dày của đường ống là 3mm 2.2.3. Tính bề dày thân a) Chọn vật liệu Thiết bị làm việc ở mơi trường ăn mịn Nhiệt độ làm việc 320C Áp suất làm việc 800mmHg = 1,05at = 1,03.105 N/m2 Chọn vật liệu là thép khơng rỉ ( inox) X18H10T gồm cĩ thành phần C<0.1%, Crơm 18%, Niken 12%, Molipden 2%, Titan 1-1.5%, thành phần cịn lại là Fe , thân tháp phần vật liệu chứa đệm được làm bặng nhựa Acrylic trong suốt để tiện cho quan sát trong quá trình thí nghiệm. Giới hạn bền Giới hạn chảy sc = 220.106 (N/m2) Chiều dày tấm thép : b = 4-25 (mm) Độ giãn tương đối d = 40% Hệ số dẫn nhiệt : l = 16,3 (W/m.0C) Khối lượng riêng r = 7900 (kg/m3) Chọn cơng nghệ gia cơng là hàn bằng tay, bằng cách hàn giáp mối hai bên. Hệ số hiệu chỉnh Hệ số an tồn bền kéo : nk = 2,6 Hệ số an tồn bền chảy : nc = 1,5 Hệ số bền mối hàn: Cơng thức XIII – 16 - tập 2 Sổ tay thiết bị Lấy giá trị Với d là tổng đường kính của các ống lỗ, do tren thân cĩ bố trí các lỗ: Một cửa tháo đệm f = 80 mm Một ống dẫn khí vào f = 40 mm Một ống dẫn lỏng vào f = 20 mm Ứng suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bền (N/m2) (N/m2) Ta lấy giá trị bé hơn trong hai giá trị trên để tính tốn. b) Chiều dày thân Áp suất tĩnh trong phần thân dưới thiết bị : Ptt==1000*9,81*1,65=16186,5 (N/m2) Áp suất tính tốn trong thiết bị: P= Pmt + Ptt = 1,03.105 + 16186,5 = 119449,156 (N/m2) Xét: Cơng thức tính bề dày của thân thiết bị: Với C = C0 + C1 + C2 + C3 C0 = 1,05 (mm): Hệ số quy trịn kích thước C1 = 1,5 (mm): Hệ số bổ sung do bào mịn hố học với tốc độ 0,1mm/năm và thời hạn sử dụng là 15 năm. Hệ số C2 cĩ thể bỏ qua C3= 0,8 (mm) là hệ số bổ sung do dung sai âm C = 3,35 (mm) => Chiều dày của thân tháp 5mm d) Kiểm tra lại ứng suất thành thiết bị theo thơng sồ thử tính tốn Tra trong bảng Sổ tay quá trình thiết bị tập 2, bảng XIII-5 Áp suất thử P0 = 1,5 P=1,5*119449,156=179173,7 (N/m2) Ứng suất theo áp suất thử tính tốn: (N/m2) Xét (N/m2) > s Vậy chọn S=5mm là hợp lý 2.2.4. Tính nắp và đáy thiết bị a) Chọn nắp và đáy thiết bị dạng tiêu chuẩn cĩ gờ Tra bảng XIII-11 Tập 2 Sổ tay thiết bị ta cĩ: Chiều cao của gờ h ≥ 2S nhưng khơng nhỏ hơn 25mm, ta chọn h=25mm Kích thước đáy elip hb= 0,2Dt- 0,25Dt = 40-50mm ta chọn hb bằng 50mm Xét: >30 Với k là hằng số vơ thứ nguyên k = 1- 1- 50/200 =0,75 b) Chiều dày nắp và đáy Lấy C giống phần tính bề dày thân, ta cĩ: S = 3,52mm Chọn S = 5mm c) Kiểm tra ứng suất thử cho phép theo áp suất thử P0 N/m2 Vậy chọn S=5mm là hợp lý 2.2.5. Tính bích a) Tính bích nối đaý tháp với thân, chọn bích liền bằng kim loậi đen để nối thiết bị Đường kính trong thiết bị: Dt = 200 mm Đường kính trong: Dt = 200 + 5.2 = 210 mm Đường kính ngồi của bích: D= 260 mm Đường kính tâm bulon: Dz = 225 mm Đường kính mép vát : D1 = 202 mm Đường kính bulon db= M10 Số bulon cần : 8cái Chiều cao bích h =12 mm Khối lượng bích b) Tính mặt bích nối ống dẫn và thiết bị Ống dẫn lỏng vào d = 20mm Chọn loại bích liền bằng thép khơng rỉ để nối Đường kính ngồi D0 = 20 + 3.2 = 26 mm Đường kính ngồi của bích D = 90 mm Đường kính tâm bu lon Dz = 65 mm Đường kính mép vát: Dl = 50 mm Đường kính bu lon db = M6 Chiều cao bích h1= 12 mm Ống dẫn lỏng ra d = 20mm Chọn loại bích liền bằng thép khơng rỉ để nối Đường kính ngồi D0 = 26 mm Đường kính ngồi của bích D = 90 mm Đường kính tâm bu lon Dz = 65 mm Đường kính mép vát: Dl = 50 mm Đường kính bu lon db = M6 Chiều cao bích h = 12 mm Đường ống dẫn khí vào và ra Chọn loại bích liền bằng thép khơng rỉ để nối Đường kính trong 40 mm Đường kính ngồi D0 = 46 mm Đường kính ngồi của bích D = 130 mm Đường kính tâm bu lon Dz = 100 mm Đường kính mép vát: Dl = 80 mm Đường kính bu lon db = M6 Chiều cao bích h= 12 mm 2.2.6. Lưới đỡ đệm Từ đường kính trong Dt = 200mm Đường kính lưới đỡ đệm chọn d =195mm Chiều rộng lưới b=10mm Chọn chiều dày thanh 20mm Thể tích tự do Vtd = 0,73m3/m3 Khối lượng riêng của vật liệu đệm 650kg/m3 Chiều cao lớp đệm h = 0,6m Đường kính tháp D = 0,2m Khối lượng đệm Khối lượng dung dịch đệm (tính cho trường hợp ngập lụt) Khối lượng tổng cộng mà lưới đỡ đệm phải chịu m = md + mdd =8,944 + 13,76 = 22,704(kg) Diện tích bề mặt lưới đỡ đệm 2.2.7. Tính tai treo 2.2.8. Trở lực trên đường ống dẫn.. Tổng trở lực trên đường ống dẫn Trong đĩ: :trở lực động lực học, tức là áp suất cần thiết tạo tốc độ dịng chảy ra khỏi ống dẫn :trở lực để khắc phục trở lực ma sát trong đường ống :trở lực cần thiết để khắc phục trở lục cục bộ Lưu lượng khí trong ống: 37,8 m/h Vận tốc khí trong ống: 10 m/s Độ nhớt của khí μ = 18.10-6 N.s/m2 Khối lượng riêng của khí ρ = 1.159kg/m3 Đường kính ống D = 40.10-3 m Chọn chiều dài ống dẫn là l = 2 m 2.2.9. Quạt hút Chọn quạt cĩ lưu lượng 37,8 m3/h Chọn hiệu suất quạt 70%. Suy ra, cơng suất quạt: Chọn quạt hút 1 kW Tổn thất áp lực vận chuyển khí từ đáy lên đỉnh tháp, tổn thất đường ống 1,5m H2O 2.2.10. Tính chụp hút Gĩc mở của chụp chọn φ = 60o, khoảng cách từ chụp đến chụp hút hs = 0,1 ÷ 0,3 m → chọn hs = 0,2 m Qvào = 37,8m3/h = 0,0105 m3/s vvào = 10 m/s Đường kính ống hút là 4cm như đã tính ở phần trên Đặt chụp hút ngay khu vực tại miệng của lị đốt Vì nguồn tỏa chủ yếu tập trung các loại bụi cĩ kích thước tương đối nên chọn chụp hút cĩ tiết diện hình chữ nhật, làm bằng inox để chống rỉ,… Chọn nguồn tỏa cĩ kích thước hình trịn, đường kính ống khĩi buồng đốt 0,15m Diện tích tiết diện ngang ống khĩi buồng đốt Chọn chụp hút khí dạng phễu Chọn gĩc mở của chụp hút : 600 Chọn đường kính phễu tại miệng chụp hút 0,2 m Vận tốc trung bình vào chụp: Chụp hút làm việc được là nhờ vào áp suất âm mà quạt hút tạo ra trong đường ống Trong dịng khí hút vào cĩ thể lẫn các loại bụi nên chọn loại quạt ly tâm cĩ cánh tỏa trịn. Loại quạt này cĩ thể hoạt động ở lưu lượng thấp mà khơng bị rung động lớn, độ bền cao. 2.2.11. Chọn bơm Lượng nước cần bơm trong 1h là : 1,301 m3/h Tháp cao 1,5m, để bù vào tổn thất ma sát trên đường ống ta chọn bơm cĩ cột áp 4 m Cơng suất bơm : Chọn hiệu suất bơm là 70% Hệ số dự trữ 1,5 – 2 ta cĩ cơng suất bơm cần đạt được là: 20.10-3.2 = 40.10-3 kw Chọn loại bơm 50w, gồm hai cái một cái sử dụng và một cái dự phịng. 2.2.12. Tính bộ phận phân phối nước Chọn cách phân phối bằng vịi phun hoa sen . Vận tốc lỏng là 2m/s và lưu lượng cần thiết là 1,301/3600 = 3,61.10-4 m3/s. Suy ra, tổng diện tích lỗ phân phối là: S=3,61.10-4/2= 1,805.10-4m2. Chọn 9 lỗ, suy ra đường kính một lỗ là: 0,005m. Chấp nhận giả thiết ở trên. 2.2.13. Tính bể chứa dung mơi Lượng dung mơi cần bơm vào tháp Ldd = 1,302 m3/h = 0,0217 m3/phút Chọn bể chứa dung mơi hình trụ cần dùng là 10% thể tích nước cần dùng trong một giờ. V = 1,301*10% = 0,1301 m3= 130,1 lít Chọn đường kính trong của bể chứa d =0,40m Vậy bể chứa dung mơi cần xây dựng cĩ đường kính 0,40m, cao 1m. 2.2.14. Tính bể chứa nước làm lạnh Nhiệt dung riêng của các khí ở 1050C CSO2 = 0,395 kcal/kgđộ CCO = 0,25 kcal/kgđộ CCO2 = 0,2197kcal/kgđộ CNox = 0,172 kcal/kgđộ Nhiệt dung riêng trung bình của hỗn hợp khí (kcal/kgđộ) Ctb = 0,2592 x 4,1868 x 103 = 1085,218 (J/kgđộ) Lưu lượng khĩi spc ở đk thực tế (tkhĩi=1500C) V = 47,88 (m3/h) Lượng nhiệt do khí tỏa ra trong 1h để hạ nhiệt độ từ 1500C xuống 600C Q = G1 x c1 x ( t1d – t1c) = 1,159 x 47,88 x 1085,218 x (150 - 60) = 5419,972(kJ) Lượng nhiệt do nước nhận vào là: Q = G2x c2 x ( t2c – t2d) Trong đĩ : t2đ, t2c : nhiệt độ đầu vào và ra của nước. t2đ = 25oC Giả thiết t2c = 60oC. Nhiệt dung riêng của nước ở 600C CH2O = 0,995(kcal/kgđộ) = 4165,866 (J/kgđộ) Suy ra, G2 = Q/(c2x (t2c-t2d))= 5419,972/(4165,866 x 10-3 x (60 - 25)) = 37,2 (kg/h). Suy ra, lượng nước dùng làm nguội là Chọn bể chứa nước làm mát trong vịng 1h cĩ dung tích 0,038 m3 Chọn dung tích bể cĩ kích thước như sau: L x B x H = 0,4 x 0,4 x 0,25 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS, TSKH Nguyễn Bin và các cộng sự, Sổ tay quá trình và thiết bị cơng nghệ hồ chất, tập 1, Nxb. KHKT, Hà Nội, 2005. [2] GS, TSKH Nguyễn Bin và các cộng sự, Sổ tay quá trình và thiết bị cơng nghệ hồ chất, tập 2, Nxb. ĐHQG TpHCM, 2006. [3] GS, TSKH Nguyễn Bin, Các quá trình và thiết bị trong cơng nghệ quá chất và thực phẩm, tập 4, Nxb. KHKT, 2005. [4] GS,TS Trần Ngọc Chấn, Ơ nhiễm khơng khí và xử lý khí thải, tập 2, Nxb. KHKT, Hà Nội, 2001. [5] GS,TS Trần Ngọc Chấn, Ơ nhiễm khơng khí và xử lý khí thải, tập 3, Nxb. KHKT, Hà Nội, 2001. [6] Bảng tra cứu các quá trình cơ học truyền nhiệt-truyền khối, Nxb. ĐHQG TpHCM.