thiết kế hệ thống hấp thụ co2 từ khí biogas
DESCRIPTION
thiết kế hệ thống tháp hấp thụ khí CO21. Khái niệm hấp thụ2. Các thông số ban đầu2. Tính toán thông số3. Tính toán thiết bị4. Thiết kế thiết bị5. Kết luận6. Hướng ứng dụngTRANSCRIPT
LỜI MỞ ĐẦU
Việc giáo dục ở Nhà trường với mục đích chính là đem lại những kiến thức căn bản
nhất cho mỗi sinh viên. Từ những kiến thức ấy, sẽ là hành trang, là cầu nối để sinh viên áp
dụng vào trong công việc thưc tế sau này. Đồ án Quá trình thiết bị là một trong những cầu
nối giúp cho sinh viên hiểu rõ hơn về các quy trình công nghệ trong thực tế, nâng cao khả
năng vận dụng kiến thức, đặc biệt là rèn luyện khả năng tư duy, ý tưởng để thiết kế một
thiết bị nào đó áp dụng vào một công đoạn của quy trình công nghệ.
Hiện nay, nhu cầu về năng lượng là rất cần thiết, một trong những loại năng lượng
đang nhận được nhiều sự quan tâm của các quốc gia trên thế giới là khí đốt. Ở Việt Nam,
nguồn tài nguyên khí đốt đang được tìm kiếm và khai thác, không những từ các nguồn khí
ngoài khơi mà còn khai thác các nguồn khí từ sản xuất nông nghiệp, trong đó có Biogas.
Biogas có nguồn gốc hoàn toàn từ tự nhiên, dễ sản xuất đồng thời nhiệt trị cao đang giúp
cho Biogas dần dần được thay thế các dạng nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt.
Thành phần của Biogas phần lớn là khí metan, ngoài ra còn có một lượng đáng kể
tạp chất như khí CO2, H2S, H2O,… Do đó khi đốt trực tiếp Biogas, lượng tạp chất như H2S
gây ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị, đặc biệt là khí CO2 làm giảm phần lớn nhiệt trị
của Biogas, làm giảm hiệu quả sử dụng. Xử lý CO2, H2S có nhiều phương pháp khác nhau.
Và việc lựa chọn phương pháp nào sẽ phụ thuộc chủ yếu vào hiệu quả và tính kinh tế của
phương pháp đó. Trong đồ án này sẽ khảo sát phương án: xử lý CO 2 bằng phương pháp
hấp thụ trong dung môi là monoetanolamin (MEA) (sau khi Biogas đã loại H2S bằng hấp
phụ trên sắt oxit) nhằm tìm hiểu xem quá trình xử lý này có đạt hiệu quả và kinh tế không,
để có thể đưa vào hệ thống xử lý Biogas trước khi sử dụng, nâng cao hiệu quả kinh tế.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô thuộc Bộ môn Quá trình và thiết bị đã tận tình
hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đồ án môn học này. Trong
quá trình làm đồ án sẽ không tránh khỏi những sai sót, tôi kính mong nhận được sự góp ý,
chỉnh sửa của quý thầy cô để bổ sung, hoàn thiện hơn quyển đồ án này.
Trang 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN VỀ BIOGAS:
Biogas hay khí sinh học là hỗn hợp khí methane (CH4) và một số khí khác phát sinh
từ sự phân huỷ các vật chất hữu cơ. CH4 là một khí gây hiệu ứng nhà kính, trung bình cứ
100 năm mỗi kg metan làm ấm trái đất gấp 23 lần 1kg CO2. Khí Biogas hiện nay có thể
được tạo ra bằng 2 phương pháp: phương pháp lên men trong hầm biogas và lên men trong
thiết bị. Về thực chất 2 phương pháp này đều sản xuất ra Biogas bằng cách phân hủy các
hợp chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật yếm khí, xúc tác ở nhiệt độ từ 20oC đến 40oC.
Ưu điểm của việc sử dụng khí Biogas: giá thành rẻ, an toàn và thân thiện với môi
trường, rất thích hợp với các nước chăn nuôi nhiều như Việt Nam. Hiện nay Biogas đang
được phát triển hết sức rộng rãi, đặc biệt là các nước Châu Âu với quy mô ngày càng lớn.
Đây là một nguồn nhiên liệu được xem là hết sức quan trọng trong tương lai khi mà nguồn
năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt.
Khí Biogas sau khi được sản xuất sẽ tiếp tục được đem đi xử lý, làm sạch, sau đó
đem đi sử dụng. Ứng dụng chủ yếu là làm chất đốt: đun nấu, sưởi ấm… Đặc biệt là nén lại
làm nhiên liệu cho các phương tiện giao thông.
1.1.1. Thành phần của biogas:
Thành phần của biogas: (tính theo phần trăm thể tích)
- Thành phần chính: Khí metan (CH4): 50% – 75%.
- Thành phần phụ:
+ Khí cacbon dioxit (CO2): 20% – 40%.
+ Khí hydro sunfua (H2S): 0% – 2%.
+ Hơi nước (H2O): 0% – 3%.
+ Các khí khác: nitơ (N2), oxy (O2),…: 0% – 2%.
Khí H2S mặc dù chiếm tỉ lệ rất thấp, nhưng là khí có hại nhất. Khi sử dụng Biogas
để nấu bếp, H2S được dẫn trong ống dẫn gây ăn mòn các ống dẫn, bếp nấu và làm cho
Biogas có mùi hôi khó chịu. H2S khi cháy tạo thành SO2 cũng là khí độc hại đối với sức
khỏe con người. Khi sử dụng cho động cơ, H2S gây ăn mòn các chi tiết của đường ống
nạp-thải và buồng cháy, làm giảm tuổi thọ của động cơ.
Khí CO2 tuy không gây ăn mòn như H2S, nhưng sự hiện diện của nó với hàm lượng
lớn làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu. Thành phần hơi nước cũng gây ảnh hưởng tương tự
như CO2. Ngoài ra, hơi nước khi ngưng tụ tạo thành môi trường thuận lợi cho sự ăn mòn.
Trang 2
1.1.2. Tính chất của biogas:
Biogas có khối lượng riêng khoảng 0.9 – 0.94 kg/m3. Khối lượng riêng này thay đổi
theo tỉ lệ CH4 so với các khí khác trong hỗn hợp.
CH4 có nhiệt trị cao 37,71.103 kJ/m3. 1m3 CH4 khi cháy tỏa ra một nhiệt lượng
tương đương với 1,3 kg than đá, 1,15 lít xăng, 1,7 lit cồn hay 9,7 kWh điện. Nếu sử dụng
biogas làm nhiên liệu thì 1m3 khí biogas tương đương 2 mã lực.
1.1.3. Các phương án hấp thụ xử lý CO2
1.1.3.1. Sử dụng dung môi mono etanolamin (MEA):
2RNH2 + CO2 + H2O = R(NH3)2CO3
R(NH3)2CO3 + CO2 + H2O = 2RNH3HCO3
2RNH2 + CO2 = RNHCOONH3R
Dung dịch sau hấp thụ được phục hồi bằng cách đun nóng.
Ưu điểm: khả năng phản ứng cao, ổn định, dễ phục hồi…
Nhược điểm:
Áp suất hơi cao, dung dịch tham gia phản ứng không thuận nghịch với COS.
Để giảm áp suất hơi người ta dùng nước rửa khí thu hồi hơi mono etanolamin.
1.1.3.2. Sử dụng dung dịch NH3:
2NH3 + CO2 = NH2COONH4
2NH3 + CO2 = NH4HCO3
2NH3 + CO2 = (NH4)2CO3
Phương pháp này dùng xử lý khí thải chứa khoảng 30% CO2.
Trong thực tế phương pháp này dùng giảm nồng độ CO2 từ 34% xuống còn 0,05%
khi tổng hợp NH3.
Dung dịch phục hồi bằng cách đun nóng.
1.1.3.3. Sử dụng dung dịch kiềm:
Na2CO3 + CO2 + H2O = 2NaHCO3
Nhược điểm:
- Vận tốc hấp thụ nhỏ. Để tăng vận tốc người ta dùng xúc tác: methanol,
etanol, đường,… Dung dịch phục hồi bằng cách đun nóng bằng hơi nước.
- Hiệu quả thấp, tốn nhiều hơi nước để phục hồi dung dịch.
Trang 3
Dung dịch có thể được làm tăng hiệu quả hấp thụ bằng cách cho vào lượng
dư NaOH vào. Khi đó dung dịch không tái sinh được mà dùng vào việc
khác.
1.1.3.4. Sử dụng H2O:
H2O + CO2 = H+ + HCO3-
Có ý nghĩa trong công nghiệp xử lý chất thải ở áp suất cao.
Ưu điểm: thiết bị đơn giản, không tốn nhiệt, dung môi rẻ, nước trơ với các khí khác
như COS, O2 và các tạp chất khác.
Nhược điểm: H2O hấp thụ H2 trong không khí, phải dùng bơm công suất lớn, khả
năng hấp thụ thấp, CO2 thu được không đạt độ tinh khiết.
1.2. LÝ THUYẾT HẤP THỤ:
1.2.1. Hấp thụ:[3]
1.2.1.1. Khái niệm:
Quá trình hấp thụ là quá trình trong đó một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất
lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên
một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng.
Chất lỏng được sử dụng gọi là dung môi hay tác nhân.
Cấu tử tách từ hỗn hợp khí gọi là cấu tử bị hấp thụ, khí không hòa tan gọi là khí trơ.
Hấp thụ được chia thành:
- Hấp thụ vật lý: không có phản ứng giữa chất bị hấp thụ và chất hấp thụ.
- Hấp thụ hóa học: có phản ứng giữa chất bị hấp thụ và chất hấp thụ.
Lựa chọn dung môi hấp thụ dựa vào các tiêu chí:
- Có tính chọn lọc cao.
- Độ nhớt, nhiệt dung riêng của dung môi bé.
- Dễ tái sinh.
- Ít độc hại.
- Rẻ tiền, dễ kiếm, ổn định,…
1.2.1.2. Nguyên lý của hấp thụ:
Nguyên lý của quá trình hấp thụ là do sự chênh lệch về hóa thế của một cấu tử
trong hai pha tiếp xúc nhau (y - x). Khi hai pha đạt cân bằng, hóa thế của hai pha bằng
nhau (y = x).
Trang 4
Gọi là hóa thế trong cân bằng với , ta có biểu thức biểu diễn động lực
của quá trình truyền khối:
Tương tự, thay hóa thế y bằng hóa thế trong pha lỏng cân bằng với nó , ta được:
Trong tính toán thực thế, hóa thế được thay bằng nồng độ. Nồng độ là đại lượng
đơn giản và dễ xác định. Nó cũng có thể biểu diễn sự sai lệch so với trạng thái cân bằng
của hai pha và .
1.2.1.3. Ứng dụng của hấp thụ:
Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, quá trình hấp thụ được dùng để:
- Thu hồi các cấu tử có giá trị trong pha khí.
- Làm sạch pha khí.
- Tách hỗn hợp thành các cấu tử riêng biệt.
- Tạo thành một dung dịch sản phẩm.
1.2.2. Thiết bị hấp thụ: [2]
Trong sản xuất, người ta dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình
hấp thụ. Tuy nhiên, chúng có cùng yêu cầu căn bản là có bề mặt tiếp xúc pha lớn để tăng
hiệu suất của quá trình. Các thiết bị thường dùng trong sản xuất là:
1.2.2.1. Tháp màng:
Ưu điểm:
- Đơn giản.
- Có trở lực theo pha khí thấp.
- Có thể xác định bề mặt tiếp xúc pha.
Khuyết điểm:
- Năng suất theo pha lỏng thấp.
- Hiệu suất thấp khi chiều cao lớn.
- Khó phân bố đều chất lỏng.
Ứng dụng: dùng trong phòng thí nghiệm để xác định hệ số cấp khối và hệ số truyền
khối.
Trang 5
1.2.2.2. Tháp đệm:
Ưu điểm:
- Cấu tạo khá đơn giản.
- Trở lực theo pha khí thấp.
Nhược điểm:
- Hiệu ứng thành.
- Độ ổn định kém.
- Thiết bị nặng.
Ứng dụng: Sử dụng trong khoảng năng suất không lớn.
1.2.2.3. Tháp đĩa:
Ưu điểm:
- Hiệu suất cao.
- Năng suất lớn.
Khuyết điểm:
- Trở lực lớn.
- Cấu tạo phức tạp.
Ứng dụng: Sử dụng trong khoảng năng suất lớn.
1.2.2.4. Tháp phun:
Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn giản.
- Làm việc được với chất lỏng bẩn.
Khuyết điểm:
- Trở lực lớn.
- Hiệu suất thấp.
Ứng dụng: dùng trong hấp thụ khi dung môi là huyền phù.
Trang 6
CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Như đã trình bày thì việc xử lý biogas sau khi sản xuất là một quá trình hết
sức quan trọng trước khi đưa Biogas vào sử dụng. Quá trình này thực chất là loại
gần như hoàn toàn các tạp chất trong khí Biogas và sản phẩm Biogas sau khi xử lí
đạt được > 96% hàm lượng CH4.
Sở đồ quy trình công nghệ mà đồ án đề xuất
Hình 2.2: Quy trình công nghệ xử lý Biogas.
2.2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Khí Biogas thô đi vào quy trình với thành phần thể tích như sau: ~67% CH4, ~30%
CO2, ~1% H2S, ~1% O2, ~1% N2.
Khí biogas ra khỏi hệ thống xử lý sẽ đạt được thành phần thể tích như sau: ~96%
CH4, ~1% CO2, ~1.5% O2, ~1.5% N2.
2.2.1. Tổng quát quy trình công nghệ
Về cơ bản quá trình xử lý Biogas gồm 3 giai đoạn cơ bản:
Giai đoạn 1: Xử lý H2S.
Để loại được H2S (< 0.15%) ta sử dụng phương pháp hấp phụ rắn kẽm oxit ( ZnO)
Giai đoạn 2: Xử lý CO2 thu khí Biogas sạch
Để loại khí CO2 ra khỏi biogas ta sử dụng phương pháp hấp thụ CO2 trong dung dịch MEA
30% khối lượng bằng tháp đệm ở 40oC, 1atm
Trang 7
Giai đoạn 3: Hoàn nguyên dung môi MEA và thu khí CO2
Quá trình hoàn nguyên MEA được thực hiện trong tháp đĩa giống như quá trình chưng cất
loại đĩa. Sản phẩm đỉnh chứa CO2 và 1 ít hơi MEA được ngưng tụ, tách pha để thu CO2 và
hoàn lưu lỏng MEA .
2.2.2. Chi tiết quy trình công nghệ
Giai đoạn I - Xử lý H2S: Sử dụng chất hấp phụ rắn
Có nhiều chất hấp phụ H2S đã được sử dụng, nhưng hiện tại để xử lí một lượng H2S có
mặt trong khi biogas với hàm lượng không lớn lắm thì chất hấp phụ ZnO là cách lựa chọn
tối ưu nhất
+ Khí Biogas trước tiên sẽ được xử lý bằng cách loại H2S. Để loại H2S, chúng ta sử dụng
phương pháp hấp phụ bằng kẽm oxit
ZnO + H2S ZnS + H2O
+ Để thực hiện quá trình hấp phụ nêu trên, trong công nghiệp oxit kẽm được sản xuất
dưới dạng viên như viên thuốc đường kính 7-8 mm, độ rỗn chiếm 40-50% thể tích,
diện tích bề mặt lỗ rỗng đạt 60-80 m2/g. Khi loại vật liệu này hết tác dụng người ta
thay mới chứ không hoàn nguyên vì quá trình hoàn nguyên phức tạp, không kinh tế
+ Ở mô hình này có 2 bình hấp phụ H2S (số 1) được hoạt động luân phiên nhau. Khi
bình này ngưng hoạt động để tái sinh phoi sắt thì bình còn lại hoạt động để đảm bảo
hệ thống được vận hành liên tục. Hàm lượng H2S sau hấp phụ sẽ đạt tiêu chuẩn là <
0,15% thể tích.
Giai đoạn II – Xử lý CO2
+ Hấp thụ CO2 trong Biogas bằng dung dịch MEA 30% khối lượng trong tháp đệm.
Dòng khí sau khi ra khỏi tháp hấp phụ được quạt thổi thổi qua lưu lượng kế (số 2) đi
vào tháp đệm (số 4) thực hiện quá trình hấp thụ CO2, quá trình diễn ra ở áp suất
thường. Khí đi từ dưới lên, dung dịch hấp thụ MEA đi từ trên xuống thực hiện quá
trình truyền khối ngược chiều. Mục tiêu đạt được là khí Biogas sau xử lý có hàm
lượng CO2 nhỏ hơn 1% thể tích. Đồng thời, ở giai đoạn này một lượng rất nhỏ H2S
còn sót lại cũng được hấp thụ tại đây.
Tại giai đoạn này khí biogas sạch đã hoàn toàn được xử lý.
Giai đoạn 3 - Hoàn nguyên dung môi MEA và thu khí CO2
Quá trình thu CO2 và hoàn nguyên dung dịch MEA: được thực hiện trong tháp Stripper
dạng đĩa (số 5) tại nhiệt độ 120oC. Nguyên tắc hoạt động của tháp Stripper cũng giống như
tháp chưng cất loại đĩa
Trang 8
Dung dịch MEA sau hấp thụ sẽ được chứa vào trong bồn chứa (số 8), sau đó dùng bơm
bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (số 7) để trao đổi nhiệt với dòng dung dịch MEA
sau giải hấp đang có nhiệt độ cao nhằm mục đích nâng nhiệt độ dòng MEA đem đi giải
hấp và giảm nhiệt độ dung dịch MEA sau giải hấp đi vào bồn chứa (số 10).
Tại tháp Stripper, sản phẩm đỉnh chứa CO2 có lẫn một ít hơi dung dịch MEA. Sau đó tiến
hành ngưng tụ hỗn hợp này. Hỗn hợp sau ngưng tụ được chứa trong bình chứa sản phẩm
để thực hiện tách pha. Sau đó CO2 được thu lại và sử dụng. Dung dịch MEA lỏng được
hoàn lưu trở lại tháp.
Sau khi được nhả hấp, dung dịch MEA sẽ được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm
và qua một thiết bị làm mát (số 7) để đưa về nhiệt độ bình thường. Sau đó dung dịch được
đưa vào bồn chứa dung dịch, tại đây sẽ có sự bổ sung dung dịch mới vào sau một thời gian
hoạt động.
2.3 CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHO THÁP HẤP THỤ:
- Lưu lượng dòng biogas: Gy = 2000 m3/h
- Nồng độ CO2 đầu vào: yd = 30 %
- Nồng độ CO2 đầu ra: yc = 1 %
- Nhiệt độ làm việc: t = 40 oC
- Áp suất làm việc: P = 1 atm
2.4 THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
Bảng: Bảng thực nghiệm cân bằng của quá trình hấp thụ CO2 bằng MEA [1]
X 0 0,051 0,102 0,206 0,25 0,337 0,353
P(kPa) 0 0,001046 0,002229 0,012461 0,024312 0,061099 0,086228
y* 0 1,03E-05 2,2E-05 0,000123 0,00024 0,000603 0,000851
Y* 0 1,03E-05 2,2E-05 0,000123 0,00024 0,000603 0,000852
X 0,401 0,417 0,421 0,433 0,447 0,464 0,476
P(kPa) 0,185931 0,29668 0,323024 0,385947 0,577755 1,080327 1,856882
y* 0,001835 0,002928 0,003188 0,003809 0,005702 0,010662 0,018326
Y* 0,001838 0,002937 0,003198 0,003824 0,005735 0,010777 0,018668
X 0,485 0,489 0,516 0,524 0,538 0,56
Trang 9
P(kPa) 2,350031 2,895565 8,671697 11,96851 20,39016 36,93993
y* 0,023193 0,028577 0,085583 0,11812 0,201235 0,364569
Y* 0,023744 0,029418 0,093593 0,133941 0,251933 0,573734
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Đường cân bằng
X(kmolCO2/kmolMEA)
Y*(
Km
olC
O2/
kmol
khit
ro)
Đồ thị đường cân bằng CO2 – MEA.
Trang 10
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.1 CÁC KÝ HIỆU:
3.1.1 Dòng khí:
- lưu lượng đầu của dòng khí.
- lưu lượng đầu ra dòng khí.
- lưu lượng dòng khí trơ.
- lưu lượng trung bình dòng khí.
, - thành phần mol đầu vào, đầu ra.
, - thành phần mol tương đối đầu vào, đầu ra
3.1.2. Dòng lỏng:
- lưu lượng lỏng đầu vào
- lưu lượng đầu ra dòng lỏng.
- lưu lượng nước, MEA.
- thành phần mol tương đối đầu vào.
- thành phần mol tương đối đầu ra.
3.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT
3.2.1 Dòng khí
Tính Gy
77,86kmol/h
Với
Gd = 2000 m3/h
Khối lương riêng hỗn hợp Biogas ở 40oC
Trong đó:
Trang 11
Thay vào ta được:
= 24,68 (kg/kmol)
Tính Yd, Yc
Nồng độ đầu của hỗn hợp khí:
=0.428 kmol CO2/kmol khí trơ
Nồng độ cuối của hỗn hợp khí:
=0,0101 kmol CO2/kmol khí trơ
Lượng CO2 ban đầu trong dòng khí vào đáy tháp: 2000 × 0,3 = 600 m3/h.
Trang 12
Lượng CO2 trong dòng khí ra khỏi tháp:
Lượng CO2 bị hấp thụ: 600 – 14,14 = 585,859 m3/h
Lưu lượng khí trơ:
=(77,86 kmol/h)(1-0,03 kmol CO2/kmol hỗn hợp)=54,5 kmol khí trơ-
3.2.2 Dòng lỏng:
Hấp thụ CO2 bằng MEA 30% ( khối lượng), chọn dung môi có xd=1% CO2 (khối
lượng) khi vào tháp .
Đường Y=0,428 (kmol CO2/kmolMEA) cắt đường cân bằng sẽ xác định được Xcb.d
Hình . Đồ thị Đường cân bằng – Đường làm việc
Xác định được: Xcb.d = 0,545 (kmol kmol CO2 / kmol MEA), với Xcb.d là nồng độ cân bằng
ứng với nổng độ đầu của hỗn hợp khí.
Lượng MEA tiêu hao riêng tối thiểu cần dùng:
Trang 13
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Đường cân bằng - Đường làm việc
Đường Y=0,428
Đường phụ
Đường cân bằng
X(kmol CO2/kmol MEA)
Y*(
Km
ol C
O2/
kmol
khí
trơ)
=0,838 kmol MEA/kmol khí trơ
Chọn α = 1,3 Ta tính được lượng MEA tiêu hao riêng cần thiết:
=1,09 kmol MEA/kmol khí trơ
Lưu lượng khối lượng MEA cần thiết:
=59,41 kmol MEA/h=59,41 (kmol/h)x61(kg/kmol)=3624 kg MEA/h
(Khối lượng phân tử của MEA là 61 kg/kmol)
Xác định nồng độ dung dịch cuối ra khỏi tháp
Tọa độ đường làm việc
- Điểm đầu A = (Xd ; Yc) = ( 0,0461 ; 0,0101)
- Điểm cuối B = (Xc ; Yd) = ( 0,43 ; 0,428)
Phương trình đường làm việc: Y = 1,0901X -0,0402
Đồ thị Đường cân bằng – đường làm việc
Trang 14
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Đường cân bằng - Đường làm việc
Đường làm việc
Đường cân bằng
X
Y*
3.3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt, sẽ làm nhiệt độ trong tháp tăng lên, làm thay đổi cân
bằng pha do đó làm giảm động lực của quá trình. Để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ lên
quá trình hấp thụ, ta dùng phương trình cân bằng nhiệt.
Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Trong đó:
Gd, Gc: hỗn hợp khí đầu và cuối, kg/h.
Ld, Lc: lượng dung dịch đầu và cuối, kg/h.
td, tc: nhiệt độ dung dịch ban đầu và cuối, oC.
Id, Ic: enthalpy hỗn hợp khí ban đầu và cuối, kJ.
Qo: nhiệt mất mát, kJ/h.
Qs: nhiệt phát sinh do hấp thu khí, kJ/h.
Để đơn giản hóa tính toán, ta giả thuyết như sau:
Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh không đáng kể, Qo = 0.
Nhiệt độ hỗn hợp khí ra bằng nhiệt độ dung dịch vào, tc = td.
Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thụ và cho bằng tỉ
nhiệt của dd MEA 30%.
Cd = Cc = C
Kí hiệu q là nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử bị hấp thụ, ta sẽ có:
Coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thụ.
Bây giờ phương trình cân bằng nhiệt sẽ có dạng:
Hay:
Bỏ qua mức độ biến đổi nhiệt của pha khí:
Ta có:
Trong đó:
Trang 15
Khối lượng CO2 bị hấp thụ:
Lượng CO2 bị hấp thụ tính theo kmol/h:
Khối lượng riêng CO2 tại 40oC: 1,713 kg/m3 (đã tính ở trên).
Như vậy công thức tính nhiệt độ cuối Tc của dung dịch theo sẽ có giá trị:
Trong đó:
q= 85000 kJ/kmol CO2 (dựa vào đồ thị)
L = 22,81 kmol/h.
C = 3,85 kJ/kg.K
Ta có: tc = 51,7 oC > td = 40 oC
Khi td và tc khác như vậy thì em phải hiệu chỉnh đường cân bằng cho từng khoản
nhiệt độ, thế nhưng với số liệu đường cân bằng của em trình bài ở phía trên là số
liệu có được từ thực nghiệm nên đã bao hàm việc gia tăng nhiệt độ đó rồi nên em
không hiệu chỉnh lại đường cân bằng
Trang 16
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ
4.1 CÁC THÔNG SỐ:
4.1.1 Các thông số pha khí:
a. Lưu lượng thể tích trung bình dòng khí đi trong tháp:
b. Khối lượng riêng của hỗn hợp tại điều kiện làm việc:
Tại 40oC:
Tại 52oC:
Tại :
=
c. Độ nhớt trung bình của pha khí:
Trang 17
D Lưu lượng khối lượng trung bình dòng khí đi trong tháp:
4.1.2 Các thông số pha lỏng:
a. Khối lượng riêng:
40oC: khối lượng riêng của dung dich MEA 30% có lẫn 1% CO2 khối lượng
Sao khi hấp thụ thì thể tích dung dịch lỏng không đổi chỉ có khối lượng dung dịch
thay đổi. Vậy:
Vì
b. Độ nhớt:
Độ nhớt trung bình dung dịch MEA
Tại
Trang 18
270 280 290 300 310 320 330 340 350 3600
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Độ nhớt của MEA theo nhiệt độ
Độ nhớt MEA 30%Đường phụLinear (Đường phụ)
T(K)
µ M
EA
c. Lưu lượng:
Vì hỗn hợp ban đầu lẫn 1% lẽ ra phải tính lại thành phần trăm của MEA và H 2O.
Tuy nhiên lượng CO2 trong dung dịch chỉ có 1% không đáng kể nên sự thay thành phần
phần trăm của MEA và H2O xem như không đổi
Lưu lượng khối lượng trung bình pha lỏng:
, kg/s
Trang 19
4.1.3 Thông số vật đệm:
Chọn đệm vòng Raschig bằng sứ, kích thước đệm 30x30x3,5 mm, xếp ngẫu nhiên.
Các thông số của đệm:
: bề mặt riêng của đệm, m2/m3
: thể tích tự do của đệm, m3/m3
: khối lượng riêng xốp của đệm, kg/m3
4.2 ĐƯỜNG KÍNH THÁP HẤP THỤ:
Vận tốc đảo pha ws (m/s) được xác định theo công thức:
Trong đó:
Ltb, Gtb: lưu lượng dòng lỏng và khí trung bình đi trong tháp, kg/s
Khối lượng riêng dòng lỏng và khí trung bình đi trong tháp, kg/m3
độ nhớt trung bình pha lỏng, N.s/m2
độ nhớt của nước ở 20oC, N.s/m2
A : hệ số.
A = 0,022
Thay số vào, ta tính được:
Trang 20
Chọn vận tốc làm việc của dòng khí:
Đường kính tháp làm việc được xác định theo công thức:
Chọn đường kính tháp: D = 0,80 m.
Tính toán lại vận tốc làm việc của dòng khí:
Vận tốc làm việc của tháp nằm trong khoảng 0,7÷0,95 , đạt yêu cầu.
4.3 CHIỀU CAO CỘT ĐỆM:
4.3.1 Hệ số thấm ướt đệm:
Hệ số thấm ướt đệm Ψ phụ thuộc vào tỉ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện
ngang của tháp và mật độ tưới thích hợp.
Mật độ tưới thực tế:
Trong đó:
Mật độ xối tưới thích hợp:
Giá trị của hệ số B trong quá trình hấp thụ CO2 bằng nước:
B = 0,158 m3/(m.h)
Trang 21
Vậy:
Dựa vào hình IX.16 [5], ta xác định được: Ψ = 0,825%
4.3.2 Hệ số khuếch tán:
a. Pha lỏng DL:
Hệ số khuếch tán trong dung dịch loãng được tính theo công thức:
Trong đó:
- khối lượng mol dung môi.
- hệ số kết hợp dung môi.
- nhiệt độ khuếch tán.
- độ nhớt của dung dịch.
- thể tích mol của CO2.
Thay số vào (4.14), ta tính được:
b. Pha khí DG:
(4.12)Trong đó:
- nhiệt độ khuếch tán.
- áp suất khuếch tán.
- khối lượng mol của CO2.
- khối lượng phân tử trung bình của không khí.
- thể tích mol của CO2.
Trang 22
- thể tích mol của không khí.
Thay số vào (4.12), ta tính được:
4.3.3 Các chuẩn số đồng dạng Re , ReG , PrL , PrG:
4.3.4 Chiều cao một đơn vị truyền khối theo các pha:
a. Pha hơi:
b. Pha lỏng:
c. Lượng dung môi tiêu hao riêng
(kmol MEA/kmol khí trơ)
Trang 23
d. Hệ số góc đường cân bằng:
Dựa vào đồ thị đường cân bằng, ta xác định được hệ số góc đường cân bằng:
m = 0,48
e. Chiều cao của một đơn vị truyền khối:
Chiều cao của một đơn vị truyền khối phụ thuộc vào đặc trưng của đêm và trạng
thái pha và được xác định theo công thức:
Trong đó:
hG : chiều cao một đơn vị truyền khối đối với pha hơi, m.
hL : chiều cao một đơn vị truyền khối đối với pha lỏng, m.
m: hệ số góc đường cân bằng.
l : lượng dung môi tiêu hao riêng.
Suy ra:
F. Số đơn vị truyền khối:
Phương trình đường làm việc của tháp:
Suy ra:
Trang 24
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Đường cân bằng-đường làm việc
X (kmolCO2/kmolMEA)
Y*(
kmol
CO
2/K
mol
khí
trơ)
Số đơn vị truyền khối được xác định theo công thức:
Trang 25
Bảng tích phân
xác định số đơn vị
truyền khối
Trang 26
X Y Y*
1/(Y-
Y*)
Debtal
Y S
0,04612
0,0101
31
5,08E-
05
9,92E+
01
0,05
0,0143
15
5,51E-
05
7,01E+
01
0,0041
84
0,3542
21
0,06
0,0250
98
6,61E-
05
3,99E+
01
0,0107
83
0,5934
73
0,07
0,0358
81
7,71E-
05
2,79E+
01
0,0107
83
0,3659
69
0,08
0,0466
64
8,81E-
05
2,15E+
01
0,0107
83
0,2903
41
0,09
0,0574
47
9,91E-
05
1,74E+
01
0,0107
83
0,2397
7
0,1
0,0682
3
1,10E-
04
1,47E+
01
0,0107
83
0,1931
61
0,11
0,0790
13
1,19E-
04
1,27E+
01
0,0107
83
0,1574
86
0,12
0,0897
96
1,28E-
04
1,12E+
01
0,0107
83
0,1284
66
0,13
0,1005
79
1,37E-
04
9,96E+
00
0,0107
83
0,1138
05
0,14
0,1113
62
1,46E-
04
8,99E+
00
0,0107
83
0,1021
55
0,15
0,1221
45
1,55E-
04
8,20E+
00
0,0107
83
0,0926
74
0,16
0,1329
28
1,64E-
04
7,53E+
00
0,0107
83
0,0848
06
0,17
0,1437
11
1,73E-
04
6,97E+
00
0,0107
83
0,0781
71
0,18
0,1544
94
1,82E-
04
6,48E+
00
0,0107
83 0,0725
0,19
0,1652
77
1,91E-
04
6,06E+
00
0,0107
83
0,0675
98
0,2
0,1760
6
2,00E-
04
5,69E+
00
0,0107
83
0,0633
17
0,21
0,1868
43
1,42E-
03
5,39E+
00
0,0107
83
0,0597
35
Từ bảng tính tích phân, ta vẽ được đồ thị:
Đồ thị tích phân xác định số đơn vị truyền khối.
Trang 27
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.450.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
Y
1/(Y
-Y*)
Cách 2: Xác định số đơn vị truyền khối dựa vào đường công phụ
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Đồ thị xác định số đơn vị truyền khối
Cân bằngLàm việcLinear (Làm việc)
X(kmol CO2/kmol MEA)
Y*(
kmol
CO
2/km
ol k
hí tr
ơ)
Ta thấy số đơn vị truyền khối cần thiết: mG = 3,882 đơn vị.
Chiều cao cột đệm:
Chọn chiều cao H = 4,00 m
Để hạn chế hiệu ứng thành xảy ra trong tháp đệm thì
Chia đệm thành 2 đoạn mỗi đoạn 2m và sử dụng đĩa phân phối lại lỏng.
4.4 LỰC CỘT ĐỆM:
4.4.1 Trở lực cột đệm khô:
Đối với tháp đệm khô, ta có thể coi dòng khí chảy qua giống như chuyển động qua
các rãnh song song có chiều dài bằng chiều cao lớp đệm. Như vậy, trở lực lớp đệm khô
trong tháp đệm có thể tính bởi công thức:
kk
Hệ số ma sát được tính dựa vào chuẩn số .
Đối với đệm vòng,
Trang 28
Suy ra:
4.4.2 Trở lực cột đệm ướt:
Đối với trở lực đệm ướt, do ảnh hưởng của dòng chất lỏng thấm ướt bề mặt đệm
làm giảm bề mặt tự do, làm tăng vận tốc khí, nên trở lực cũng tăng lên. Do đó, mật độ tưới
càng lớn, trở lực càng tăng
Sức cản thủy động lực học ngay điểm đảo pha có thể:
Tính để chọn hệ số A, m, n, c.
<0,5
Vậy:
A=8,4
m=0,405
n=0,225
c=0,015
=3245.46 N/m2
Trang 29
CHƯƠNG 5 : TÍNH CƠ KHÍ
5.1 BỀ DÀY THÂN:
Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn, nhiệt độ làm việc 40 oC, Pmt = 1 atm =
101325 N/m2. Ta chọn vật liệu là thép không rỉ để chế tạo thiết bị.
Chọn thép: X18H10T.
Tra các thông số của vật liệu dựa vào bảng XII.4 trang 309 sổ tay tập 2
Giới hạn bền:
Giới hạn chảy:
Chiều dày tấm thép: b = (4 – 25) mm.
Độ dãn tương đối:
Hệ số dẫn nhiệt:
Khối lượng riêng:
Chọn công nghệ gia công là hàn tay bằng hồ quang điện, bằng cách hàn giáp mối 2
bên, các thông số mối hàn tra bảng
Hệ số hiệu chỉnh:
Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2,6
Hệ số an toàn bền chảy: nc = 1,5
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn đối với thép X18H10T ở 40oC:
Theo công thức
Vậy dùng để tính toán
Áp suất tính toán:
Chọn hệ số bền mối hàn
Do
nên bề dày tối thiểu của thân trụ hàn chịu áp suất được tính theo:
Trang 30
Hệ số bổ sung bề dày C, mm:
C = Ca + Co + Cb + Cc
Trong đó:
- Ca: hệ số bổ sung do ăn mòn hoá học của môi trường, mm.
Thời hạn sử dụng là 20 năm, tốc độ ăn mòn là 0,1 mm/năm.
Vậy Ca = 20 0,1 = 2 (mm)
- Cb: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, mm.
Đối với thiết bị hoá chất: Cb = 0 (mm).
- Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, có thể bỏ qua.
- Co: hệ số bổ sung quy tròn kích thước, mm.
Co = 1,54 mm
C = 2 mm + 1,654 mm = 3,54 mm
Bề dày thân thiết bị:
S = S’ + C = 0,46 mm + 3.54 mm = 4 mm
Kiểm tra điều kiện:
1. Điều kiện bề dày:
Kiểm tra áp suất tính toán cho phép bên trong thiết bị:
Hai điều kiện trên đều thỏa. Vậy bề dày thân tháp: St = 4 mm
5.2 BỀ DÀY ĐÁY, NẮP:
Chọn đáy, nắp elip tiêu chuẩn.
Chọn bề dày đáy, nắp bằng bề dày thân.
Chọn:
Bán kính cong bên trong ở đỉnh đáy elip tiêu chuẩn:
Kiểm tra điều kiện:
Trang 31
1. Điều kiện bề dày:
Điều kiện áp suất dư cho phép tính toán:
Hai điều kiện trên đều thỏa. Vậy bề dày đáy và nắp:
5.3. ỐNG DẪN LỎNG, DẪN KHÍ:
5.3.1. Ống dẫn khí vào tháp:
Đường kính của ống dẫn khí vào tháp được xác định theo công thức:
Trong đó: υ - vận tốc dòng khí trong ống dẫn, m/s.
Vận tốc dòng khí trong ống dẫn của quạt:
Chọn vận tốc khí:
Thay số vào, ta được:
Chọn đường kính ống dẫn khí vào tháp có đường kính trong dGv= 250 mm
Tính lại vận tốc dòng khí chuyển động trong ống:
5.3.2 Ống dẫn khí ra tháp:
Đường kính của ống dẫn khí ra khỏi tháp được xác định theo công thức:
Sau hấp thụ giả sử vận tốc dòng khí giảm còn 10 m/s
Trang 32
Ta được:
Chọn đường kính ống dẫn khí ra tháp: dGv= 250 mm
Tính lại vận tốc dòng khí chuyển động trong ống:
5.3.3. Ống dẫn lỏng vào tháp:
Đường kính của ống dẫn lỏng vào tháp được xác định theo công thức:
Trong đó: υ - vận tốc dòng lỏng trong ống dẫn, m/s.
Vận tốc dòng lỏng trong ống đẩy của bơm:
Chọn vận tốc lỏng:
Thay số vào, ta được:
Chọn đường kính ống dẫn khí ra tháp: dGv= 50 mm
Tính lại vận tốc dòng lỏng chảy trong ống:
5.3.4 Ống dẫn lỏng ra tháp:
Chọn đường kính ống dẫn khí ra tháp: dGv= 50 mm
Tính lại vận tốc dòng lỏng chảy trong ống:
5.4 BÍCH GHÉP THÂN, ĐÁY, NẮP:
Mặt bích là một bộ phận quan trọng dùng để nối các bộ phận của thiết bị với nhau
cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị.
Trang 33
Chọn loại bích liền không cổ để nối thân tháp, đáy tháp, nắp tháp. Bảng XIII.27 [5]
Vật liệu chế tạo bích: thép X18H10T.
Bảng thông số bích ghép thân, đáy, nắp
Dt Dn Db D1 hBu lông
db Z
mm cái
800 930 880 850 22 20 24
5.5. BÍCH NỐI ỐNG DẪN LỎNG, ỐNG DẪN KHÍ VỚI THÂN: [5]
Chọn bích liền, không cổ bằng thép CT3 để nối các ống dẫn lỏng, ống dẫn khí với
thân. Bảng XIII.26 [5]
5.5.1. Bích nối đường ống dẫn lỏng với thân:
Đường kính ống dẫn lỏng vào và ra là Dt = 50 mm. Chọn bích có thông số như sau:
Bảng . Bảng thông số bích nối ống dẫn lỏng
Dy Dn D Dt D1 hBu lông
db Z
mm cái
50 57 140 110 90 12 12 4
5.5.2. Bích nối đường ống dẫn khí vào tháp với thân:
Đường kính ống dẫn dẫn khí vào tháp là Dt = 250 mm. Chọn bích có thông số như
sau:
Bảng . Bảng thông số bích nối đường ống dẫn khí vào tháp
Dy Dn D Dt D1 hBu lông
db Z
mm cái
250 273 370 335 312 22 18 12
Trang 34
5.5.3. Bích nối đường ống dẫn khí ra tháp với thân:
Đường kính ống dẫn dẫn khí ra tháp là Dt = 250 mm. Chọn bích có thông số như
sau:
Bảng Bảng thông số bích nối đường ống dẫn khí ra tháp
Dy Dn D Dt D1 hBu lông
db Z
Mm cái
250 273 370 335 312 22 18 12
5.6. LƯỚI ĐỠ ĐỆM VÀ ĐĨA PHÂN PHỐI LỎNG: [5]
5.6.1. Lưới đỡ đệm:
Ta chia lớp đệm của tháp thành 2 đoạn đệm mỗi đoạn 2 m.
Chọn vật liệu làm lưới đỡ đệm là thép hợp kim X18H10T. Các thanh đỡ đệm có tiết
diện chữ nhật, 1 cạnh có bề rộng b = 4 mm.
Ứng suất cho phép của thép X18H10T ở 40oC:
Đường kính trong tháp: Dt = 800 mm.
Đường kính lưới đỡ đệm :
Chiều rộng bước lưới .
Số thanh đỡ đệm n:
780=(25+4)n+25
N= 26
Diện tích lưới đỡ đệm:
Tổng khối lượng mà lưới phải chịu:
(5.21)
Trong đó:
m1: khối lượng vật chêm khô trên một đĩa, kg.
(5.22)
Với: , khối lượng riêng xốp của đệm .
Trang 35
: thể tích của đệm .
(5.23)
m2: khối lượng của dung dịch, kg.
(5.24)
Vậy, tổng khối lượng mà lưới phải chịu:
Tải trọng mà lưới đệm chịu theo một đơn vị diện tích:
(5.25)
Tải trọng mà một thanh phải chịu tính theo đơn vị chiều dài :
(5.26)
Ở trên ta chọn thanh dài nhất để tính bền vì theo nguyên tắc các thanh ngắn hơn sẽ
bền nếu thanh dài nhất bền. Để đơn giản ta xét thanh dài nhất trên đĩa, chịu lực phân phối
đều 2 gối đỡ 2 đầu .
Mặt cắt nguy hiểm tại B (mặt cắt ngay chính giữa thanh).
(5.27)
Kiểm tra bền nhân tố ở trạng thái ứng suất đơn:
(5.28)
Trang 36
Với (5.29)
Thay vào ta được:
Theo điều kiện bền:
Vậy chọn chiều dày thanh là 26 mm.
5.6.2. Đĩa phân phối lỏng:
Dựa vào [10, 230] và các bảng 7.34, 7.35 [4, 202-204]:
- Chọn đĩa phân phối lỏng vào – đĩa phân phối loại 2:
Đường kính tháp: Dt = 800 mm.
Đĩa phân phối loại 2: Dd = 500 mm.
Ống dẫn chất lỏng: d × S = 42,5 × 2,5
Chọn thép hợp kim X18H10T, chiều dày đĩa loại 2: S1 = 4 mm
Số lượng ống dẫn chất lỏng: 30
Bước ống: 70 mm.
- Chọn đĩa phân phối lại lỏng – đĩa phân phối loại 1:
Đường kính tháp: Dt = 800 mm.
Đĩa phân phối loại 1: Dd = 500 mm.
Ống dẫn chất lỏng: d × S = 42,5 × 2,5
Chọn thép hợp kim X18H10T.
Số lượng ống dẫn chất lỏng: 37
Bước ống: 70 mm
Trang 37
5.7. CHÂN ĐỠ: [5]
5.7.1. Khối lượng đáy tháp & nắp tháp:
Dựa vào bảng XIII.11 [10, 386]:
Đáy và nắp có Dt = 800 mm, bề dày 4 mm, chiều cao gờ h = 25 mm.
5.7.2. Khối lượng thân tháp:
Khối lượng thân tháp được tính theo công thức:
Trong đó: – khối lượng riêng của thép X18H10T dùng làm đáy nắp.
S – bề dày nắp tháp.
S = 4 mm = 0,004 m
Ft – Diện tích thân tháp.
Thay số vào:
5.7.3. Khối lượng đệm khô:
Tổng khối lượng vật chêm khô được xác định theo công thức:
Với:
m1 - khối lượng vật chêm khô trên 1 đoạn đệm 2 m.
Vậy, tổng khối lượng vật chêm khô:
5.7.4. Khối lượng dung dịch:
Tổng khối lượng dung dịch được xác định theo công thức:
Trang 38
Với: m2 - khối lượng dung dịch trên 1 đoạn đệm 2 m.
Vậy, tổng khối lượng dung dịch:
5.7.5. Khối lượng bích nối thân đáy và thân nắp:
Khối lượng bích nối thân đáy và thân nắp được tính theo công thức:
(5.34)
Trong đó: Dn – đường kính ngoài của bích, m.
Dn = 1,030 m
Dt – đường kính trong của tháp, m.
Dn = 0,90 m
S – bề dày thân, m.
S = 0,004 m
h – bề dày mặt bích, m.
h = 0,022 m
– khối lượng riêng của thép X18H10T dùng làm bích.
Bảng XII.7 [5]
Thay số vào:
5.7.6. Khối lượng bích nối ống dẫn khí với thân & bích tháo nạp đệm:
(5.35)
Trong đó: D – đường kính ngoài của bích, m.
D = 0,370 m
Dn – đường kính ngoài của ống dẫn khí, m.
Dn = 0,273 m
h – bề dày mặt bích, m.
Trang 39
h = 0,022 m
– khối lượng riêng của thép CT3 dùng làm bích.
Thay số vào:
5.7.7. Khối lượng bích nối ống dẫn lỏng với thân:
(5.36)
Trong đó: D – đường kính ngoài của bích, m.
D = 0,140 m
Dn – đường kính ngoài của ống dẫn lỏng, m.
Dn = 0,057 m
h – bề dày mặt bích, m.
h = 0,012 m
– khối lượng riêng của thép CT3 dùng làm bích.
Thay số vào:
5.7.8. Khối lượng lưới đỡ đệm:
(5.37)
Trong đó: Sl – diện tích bề mặt lưới đỡ đệm, m.
Sl = 0,58088 m2
h - bề dày thanh đỡ đệm, m.
h = 0,03 m
– khối lượng riêng của thép X18H10T.
Vậy,
Trang 40
5.7.9. Tổng khối lượng toàn tháp hấp thụ:
(5.39)
5.7.10. Chân đỡ:
Tải trọng toàn tháp:
(5.40)
Tháp được đỡ trên 4 chân đỡ.
Tải trọng tính trên một chân đỡ:
(5.41)
Để đảm bảo an toàn cho thiết bị, ta chọn . Bảng XIII.35 [5]
Chân đỡ được chọn có các kích thước như sau:
Bảng 5.1. Bảng thông số chân đỡ
L B B1 B2 H h s l d
230 165 198 268 325 188 16 95 25
CHƯƠNG VI: THIẾT BỊ PHỤ
6.1. CÔNG SUẤT BƠM: [6]
6.1.1. Tổn thất dọc đường ống:
(6.1)
Trang 41
Trong đó:
(6.2)
(6.3)
λ – hệ số tổn thất ma sát.
λ = 0,03
L – tổng chiều dài ống hút và ống đẩy, m.
L = 15 m
d – đường kính ống dẫn lỏng, m.
d = 0,05 m
v – vận tốc dòng lỏng trong ống, m/s.
v = 1,65 m/s
Ta được:
6.1.2. Tổn thất cục bộ:
Chọn hệ thống ống có:
- 2 khuỷu cong (uốn góc 90o), hệ số tổn thất cục bộ:
- 2 van, hệ số tổn thất cục bộ:
- Đầu vào ống, hệ số tổn thất cục bộ: .
- Đầu ra (cửa vào tháp), hệ số tổn thất cục bộ:
Các hệ số tổn thất cục bộ được tra theo phụ lục 3-4 [6]
- Tổn thất áp suất qua Lưu lượng kế: ∆P = 8500 Pa (tra theo catalog cho các
lưu lượng kế có lưu lượng từ 50 000 m3/h đến 100 000 m3/h).
Ta có:
(6.4)
Trang 42
6.1.3. Cột áp của bơm:
(6.5)
Trong đó:
v1 = v2 (giả sử vận tốc lỏng trước và sau bơm như nhau).
α1 = α2 = 1 (chảy rối).
P1 = P2 = 1 atm.
Phương trình trở thành:
(6.6)
Thay số vào (6.6) ta được:
6.1.4. Công suất của bơm:
Công suất lý thuyết của bơm được xác định theo công thức:
[12] (6.7)
Trong đó:
Q – lưu lượng của bơm, m3/s.
Q = 11,64 m3/h
Hb – cột áp của bơm, m.
Hb = 11,19 m
ρ – khối lượng riêng của dung dịch MEA 30%, kg/m3.
ρ = 963,2 kg/m3
η – hiệu suất của bơm.
(6.8)
Trong đó :𝜂o – hiệu suất thể tích.𝜂tl – hiệu suất thủy lực.𝜂ck – hiệu suất cơ khí.
Trang 43
Chọn loại bơm ly tâm. Theo bảng II.32 [4], ta chọn:𝜂o = 0,96𝜂tl = 0,85𝜂ck = 0,96
Vậy = 0,96 × 0,85 × 0,96 = 0,783
Thay số vào ta được:
Công suất thực của bơm được xác định theo công thức:
Nthực=β.Nlt [4] (6.9)
Với:
β – hệ số an toàn công suất. [4]
Ta chọn β = 1,8
Vậy công suất thực của bơm:
Nthực=1,8x0,44=0,79 kW
Chọn Nthực = 1 kW.
6.2. CÔNG SUẤT QUẠT: [6]
Công suất trên trục động cơ: Dựa vào công thức II.239b [9, 464]
(6.10)
Trong đó:
Q: năng suất m3/s, Q = 2000/3600= 0,556 m3/s.
H: áp suất toàn phần tính toán dựa vào công thức II.238a [9, 463]:
(6.11)
Với:
Hp: trở lực tính toán của tháp (bỏ qua trở lực trên đường ống dẫn khí, chỉ xét
đến trở lực trong tháp):
(6.12)
Trang 44
B: áp suất tại chỗ đặt quạt
(6.13)
k: khối lượng riêng của hỗn hợp khí tại điều kiện làm việc, kg/m3
: khối lượng riêng của hỗn hợp khí tại điều kiện tiêu chuẩn, kg/m3
(6.14)
Thay vào công thức (6.11) ta được:
Hiệu suất truyền động lắp trực tiếp với động cơ:
Hiệu suất quạt lấy theo đặc tuyến quạt:
Thay vào (6.10) ta được:
Công suất động cơ: (6.15)
k: hệ số dự trữ, k = 1,2
Chọn quạt có công suất 1,6 kW
Trang 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ugochukwu E. Aronu, 2011. Solubility of CO2 in 15, 30, 45 and 60 mass% MEA
from 40 to 120oC and model representation using the extended UNIQUAC framework.
Department of Chemical Engineering, Norwegian University of Science and Technology.
[2] Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, 1997. Quá trình và thiết bị trong công nghệ hóa học &
thực phẩm. Tập 3. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. HCM, Tp. HCM.
[3] Nguyễn Bin, 2008. Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hoá chất và thực phẩm.
Tập 4. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 396 trang.
[4] Tập thể tác giả, 2006. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất. Tập 1. Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 633 trang.
[5] Tập thể tác giả, 2006. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất. Tập 2. Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 448 trang.
[6] Tập thể giảng viên bộ môn cơ lưu chất. Giáo trình cơ lưu chất. Nhà xuất bản Đại
học Bách Khoa Tp. HCM, Tp. HCM. 240 trang.
Trang 46
MỤC LỤCLỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN..........................................................................................2
1.1. TỔNG QUAN VỀ BIOGAS.......................................................................2
1.1.2. Tính chất của biogas.................................................................................3
1.1.3. Các phương án hấp thụ xử lý CO2............................................................3
1.2. LÝ THUYẾT HẤP THỤ.................................................................................4
1.2.1. Hấp thụ......................................................................................................4
1.2.2. Thiết bị hấp thụ.........................................................................................5
CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ................................................................7
2.1 SƠ ĐỒ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ................................................................7
2.2 THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ................................................7
2.2.1. Tổng quát quy trình công nghệ..........................................................7
2.2.2. Chi tiết quy trình công nghệ..............................................................8
2.3 CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CHO THÁP HẤP THỤ..............................9
2.4 THÔNG SỐ QUÁ TRÌNH HẤP THỤ..............................................................9
CHƯƠNG 3: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG.................................11
3.1 CÁC KÝ HIỆU...............................................................................................11
3.1.1 Dòng khí...................................................................................................11
3.1.2. Dòng lỏng................................................................................................11
3.2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT...............................................................................11
3.2.1 Dòng khí...................................................................................................11
Trang 47
3.2.2 Dòng lỏng.................................................................................................13
3.3 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG........................................................................14
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ.............................................................17
4.1 CÁC THÔNG SỐ............................................................................................17
4.1.1 Các thông số pha khí................................................................................17
4.1.2 Các thông số pha lỏng..............................................................................18
4.1.3 Thông số vật đệm.....................................................................................20
4.2 ĐƯỜNG KÍNH THÁP HẤP THỤ..................................................................20
4.3 CHIỀU CAO CỘT ĐỆM................................................................................21
4.3.1 Hệ số thấm ướt đệm.................................................................................21
4.3.2 Hệ số khuếch tán......................................................................................22
4.3.3 Các chuẩn số đồng dạng Re , ReG , PrL , PrG.............................................23
4.4.1 Trở lực cột đệm khô.....................................................................................29
CHƯƠNG 5 : TÍNH CƠ KHÍ.....................................................................................31
5.5. BÍCH NỐI ỐNG DẪN LỎNG, ỐNG DẪN KHÍ VỚI THÂN......................35
5.5.1. Bích nối đường ống dẫn lỏng với thân....................................................35
5.5.2. Bích nối đường ống dẫn khí vào tháp với thân.......................................35
5.5.3. Bích nối đường ống dẫn khí ra tháp với thân..........................................35
5.6. LƯỚI ĐỠ ĐỆM VÀ ĐĨA PHÂN PHỐI LỎNG............................................36
5.6.1. Lưới đỡ đệm............................................................................................36
5.6.2. Đĩa phân phối lỏng..................................................................................38
5.7. CHÂN ĐỠ......................................................................................................38
5.7.1. Khối lượng đáy tháp & nắp tháp.............................................................38
5.7.2. Khối lượng thân tháp..............................................................................38
5.7.3. Khối lượng đệm khô...............................................................................39
5.7.4. Khối lượng dung dịch.............................................................................39
5.7.5. Khối lượng bích nối thân đáy và thân nắp..............................................39
Trang 48
5.7.6. Khối lượng bích nối ống dẫn khí với thân & bích tháo nạp đệm............40
5.7.7. Khối lượng bích nối ống dẫn lỏng với thân............................................41
5.7.8. Khối lượng lưới đỡ đệm..........................................................................41
5.7.9. Tổng khối lượng toàn tháp hấp thụ.........................................................41
5.7.10. Chân đỡ.................................................................................................42
CHƯƠNG VI: THIẾT BỊ PHỤ..................................................................................42
6.1. CÔNG SUẤT BƠM.......................................................................................42
6.1.1. Tổn thất dọc đường ống..........................................................................42
6.1.2. Tổn thất cục bộ........................................................................................43
6.1.3. Cột áp của bơm.......................................................................................43
6.1.4. Công suất của bơm..................................................................................44
6.2. CÔNG SUẤT QUẠT.....................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................47
Trang 49