tính toán vật liệu đệm-kỹ thuật xử lý khí thải nâng cao

KỸ THUẬT XỬ LÝ KHÍ THẢI NÂNG CAO
BÀI TẬP VỀ NHÀ
Tính toán đường kính và chiều cao lớp vật liệu đệm cho 1 tháp hấp thụ xử lý khí
Methyl mercaptan, đặt ở Quận 8, Tp. HCM.

I.

Các số liệu ban đầu:

Hỗn hợp khí cần tách

: Metyl mercaptan - không khí.( CH3SH – không khí)

Dung môi

: H2O

Lưu lượng khí thải vào tháp (m3/h)

: 9.000

Ở Nhiệt độ

: 25 0 C = 2980 K

Nồng độ khí thải vào tháp

(mg/Nm3)

Nồng độ tối đa cho phép của CH3SH (mg/Nm3)
BTNMT)

: 150
: 15 (Theo QCVN 20 : 2009

Hiệu suất quá trình hấp thụ (%)

: 90

Vật liệu đệm

: Vòng sứ Rasig 50 x 50 x 5 mm

 Bề mặt riêng (m2/m3 )

: 95

 Thể tích tự do vật liệu đệm (m3/m3)

: 0,79

 Số vòng đệm trong 1m3

: 58 x102

 Khối lượng riêng xốp ( kg/m3)

: 500

Áp suất (Pt)

: 1 atm = 760 mmHg.

Khối lượng riêng của nước : kg/m3

: 1000

Độ nhớt của nước (Cps)

: 1,005

Khối lượng riêng của CH3SH : kg/m3

: 960

Khối lượng riêng của không khí : kg/m3

ψ
Hằng số henry của CH3SH tại 25 C ( )
0

: 1,293
: 13,56 mmHg.

Chọn điều kiện hỗn hợp khí chỉ bao gồm Metyl mercaptan (CH3SH) và không khí.


II.

Yêu cầu đề bài

1. Tính đường kính tháp đệm.

D=

= = 0,0188 x

(1)

 Trong đó:
-

D: đường kính tháp hấp thu, (m)

-

Vtb: lưu lượng trung bình pha khí, (m3/h)

-

ωtb: tốc độ pha khí trung bình trong tháp, (m/s)

-

Gtb: lưu lượng trung bình pha khí, (kg/h)

-

ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m3)
2. Chiều cao tháp đệm.

H = Noy x Hđv ; Hđv = hy + x hx

(2)

 Trong đó:
-

H: tổng chiều cao đệm, (m)

-

NOY : số đơn vị (bậc) truyền khối

-

Hđv : chiều cao đơn vị truyền khối, (m).

-

hy: chiều cao đơn vị truyền khối theo pha khí, (m).

-

hx: chiều cao đơn vị truyền khối theo pha lỏng, (m).

-

m: độ dốc tiếp tuyến với đường cân bằng.

-

Gtb: lưu lượng trung bình pha khí, (kg/s).

-

Ltb: lưu lượng trung bình pha lỏng, (kg/s).

III. Tính toán các điều kiện ban đầu
• Nồng độ khí thải vào tháp :
Ta có công thức tính Hiệu suất quá trình hấp thụ.
H X 100.
90 = x 100.
 C0 = 150 (mg/m3 ).
- C0 là nồng độ khí thải Metyl mercaptan đầu vào.
- C1 là nồng độ khí thải Metyl mercaptan còn lại đi ra khỏi tháp hấp thụ.


• Các Thông số đầu vào :
 Suất lượng mole của hỗn hợp khí đi vào tháp.

Gđ = = = 368,309 (kmol/h).
 Suất lượng mole của CH3SH trong pha khí.

Giđ = = = 28.125 (mol/h) = 28,125 (kmol/h)
 Suất lượng mole của cấu tử trơ trong pha khí.

Gtr = Gđ - Giđ = 368,309 - 28,125 = 340,184 (kmol/h)
 Nồng độ phần mole của CH3SH trong hỗn hợp khí.

yiđ = = = 0,0763 (mol CH3SH / mol hh khí)

 Tỷ số mole của CH3SH đầu vào.

Yđ = = = = 0,0826
 Khối lượng riêng của hốn hợp khí đầu vào ở 00C và 1 atm:

= = 0,71446 (kg/m3)


0

= 1,399

 Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu vào ở 250C và 1atm.
hhkđ

= 0 x x = 1,399 x 1 x = 1,282 (kg/m3).

• Các thông số đầu ra :
 Suất lượng mole của CH3SH được hấp thụ.

Gihp = Giđ X 90% = 28,125 x 90% = 25,3125 (kmol/h).
 Suất lượng mole của CH3SH đầu ra.

Gic= Giđ - Gihp = 28,125 – 25,3125 = 2,8125 (kmol/h).
 Suất lượng mole của hỗn hợp khí đầu ra.

Gc = Gtrơ + Gic = 340,184 + 2,8125 = 342,996 (kmol/h).
 Nồng độ phần mole của CH3SH trong hỗn hợp khí đầu ra

yic = = = 8,199 x 10-3 (mol CH3SH / mol hh khí)

 Tỷ số mole của CH3SH đầu ra.

Yc = = = 8,267 x 10-3


 Khối lượng riêng của hốn hợp khí đầu ra ở 00C và 1 atm:

= = 0,7670 (kg/m3)


0

= 1,303

 Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu ra ở 250C và 1atm.
hhkc

= 0 x x = 1,303x 1 x = 1,194 (kg/m3).

• Các thông số cần xét
Ytb =

= = 0,0454

Nồng độ phần mol trung bình:
ytb = =

= 0,047 (kmol CH3HS / kmol hỗn hợp khí).

Lượng khí trơ: Gtrơ =340,184 (kmol/h)

Lượng CH3HS được hấp thụ: Gihp = 25,3125 (kmol/h)
Nồng độ đầu của CH3HS trong nước :
Cho Rằng Nồng độ cuối của CH3HS trong nước : XCB
• Phương trình đường cân bằng có dạng

Y=

mX
1 + (1 − m) X

X=

Y
(m − 1)Y + m

m=

Với

ψ

ψ
P

hằng số cân bằng pha.

: Hệ số Henry (mmHg)

P : Áp suất chung của hỗn hợp khí. P=1atm = 760 mmHg , T=25°C.

ψ

= 13,56 (mmHg).

⇒ m = 0,0178
⇒ Phương trình cân bằng :
Y = (kmol CH3HS /kmol khí )
X =

= = 0,734 ( kmol CH3HS /kmol H2O)


• Phương trình đường làm việc
Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kỳ tới
phần trên của thiết bị
Gtr(Y – Yc) = Gx(X – Xd)
Trong đó :
Xd: nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi.
(kmol CH3HS /kmol H2O)
Yc: nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí
(kmol/kmol khí trơ)
Gx: lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h).
Gtr:: lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ (kmol/h).
Từ phương trình cân bằng vật liệu ta có:
- Nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi:
Xc = 0,734 ( kmol CH3HS /kmol H2O)
- Lượng dung môi tiêu tốn thực tế:
l = = = 0,1 (kmol H2O/kmol không khí)
- Lưu lượng dung môi đi vào thiết bị Gx:
Gx = l.Gtrơ = 0,1 * 340,184 = 34 (kmol/h)

- Phương trình đường làm việc cho một đoạn tháp bất kỳ:
Gtrơ(Y - Yc) = Gx(X - Xd)

Y=

Gx
X + Yc = l. X + Yc
Gtro

=>
-3
⇒ Phương trình đường làm việc: Y = 0,1.X + 8,267 x 10

IV. Tính các thông số của tháp
1. Tính đường kính tháp đệm.
a. Tính khối lượng riêng trung bình
• Đối với pha lỏng
Áp dụng công thức: +

ρ xtb

: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3.

: Phần khối lượng trung bình của CH3HS trong hỗn hợp.
: khối lượng riêng của CH3HS và H2O ở 25°C, kg/m3


ρ H 2O

= 1000 (kg/m3)

(25°C)= 960 (kg/m3) ,
Phần khối lượng trung bình của CH3HS trong pha lỏng.

Với xtb là nồng độ phần mol trung bình của cấu tử cần hấp thụ trong pha lỏng.
( kmol CH3HS /kmol H2O)
⇒ xtb = 0,367 ( kmol CH3HS /kmol H2O)
⇒ = 0,607
Vậy Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng

ρ xtb

= 975,33 (kg/m3)

• Đối với pha khí

Pj =
Áp dụng công thức:

mi
mj
V

.RT ⇒

mj
V

= ρj =

Pj .M

j

RT

Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp:

⇒ ρ ytb =

P.M y
RT

=

M y T0 P
. . (kg / m3 )
22, 4 T P0

Với:

ρ ytb
: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp.
My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí.
T0: Nhiệt độ ở đktc. T0=273°K.
T: Nhiệt độ làm việc của tháp. T= 273+25=298 °K.
P0: Áp suất ở đktc P0=1 atm.
P: Áp suất làm việc của tháp P= 1atm.
Tính My .

My = ytb. + (1 - ytb).

M KK

= 0,047*48 +(1- 0,047).29 = 30 (kg/kmol)

ρ ytb
⇒

= 1,22 (kg/m3)
µx , µy

Tính độ nhớt
* Đối với pha lỏng
Áp dụng công thức:
lg

µx

= xtb * lg + (1 – xtb)lg

Trong đó:
- xtb: phần mol trung bình của SO2 trong hỗn hợp lỏng,
xtb = 0,367 (kmol CH3HS/kmol H2O)
- ; : độ nhớt của CH3HS và H2O ở 250C, Ns/m2.
Tra bảng I.102 ( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1, Tr )
Ta có:
µH O
(250C) = 0,8.10-3 (Ns/m2)

Tra bảng I.101, ta có:
(250C) = 0,279.10-3 (Ns/m2)
2

=> lg
=> lg

µx

µx

µx

= 0,367. lg (0,279.10-3 )+ (1 – 0,367).lg(0,8.10-3)
= -3,0976

=>
= 7,988.10-4 (Ns/m2)
* Đối với pha khí:
Áp dụng công thức:
= +
Trong đó:
µ y µ KK
,,
: độ nhớt trung bình của pha khí, của CH 3HS và của không khí ở nhiệt độ
làm việc t = 250C, Ns/m2.
- : khối lượng phân tử của pha khí, của CH3HS và của không khí ở 250C, P = 1 atm.
Tra đồ thị I-35( Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất), ta có:
(250C) = 128.10-7 Ns/m2
µ KK

(250C) = 181.10-7 Ns/m2


µy

= 1,78 x 10-5 (NS / m2)

=>

b. Đường kính tháp.

D=
Áp dụng công thức:

4Vtb
Vtb
=
π .3600ωtb
0,785ωtb

(m)

Vytb: lượng khí trung bình đi trong tháp, m3/h.
ω ytb
: tốc độ khí trung bình đi trong tháp, m/s.
* Tính lưu lượng thể tích khí và lỏng trung bình đi trong tháp:
-

Vtb =

G ytb .M ytb

ρ ytb

(m3/h)

Trong đó:
- Gytb : lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h
- Mytb: khối lượng phân tử trung bình của khí trong tháp, kg/kmol
ρ ytb
: khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp, kg/m3
G + G yc
G ytb = yd
= Gtro (1 + Ytb )
2
=>
Ytb = 0,047 (kmol CH3HS/kmol khí )
- Lưu lượng khí trung bình đi trong tháp Gytb:
=> Gytb = 340,184 * (1 + 0,047) = 356.172 (kmol/h)
Vytb==8758(m3/h)
Lượng hơi trung bình trong tháp(kmol/h):
Gy = Gytb. Mytb= 356.172* 30 =10685,16 (kg/h).
- Lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp:
G + G xc
G xtb = xd
2
(kg/h)
Gxd = 34 (kmol/h)
Gxc = Gxd + GCH3HS bị hấp thụ = 34 + 25,3125 = 59,3125
Gxtb = 46,65 (kmol/h)

Mxtb=xtb.MCH3HS +(1- xtb).MH2O=0,367*48+(1-0,367)*18=29,01
Lượng lỏng trung bình (kg/h).
×

Gx= Gxtb. Mxtb =46,65 29,01= 1353,3165 (kg/h)
Vxtb= = = 1,387 ( m3/h)


ω ytb

*Tính vận tốc của khí đi trong tháp

, m/s.

Áp dụng công thức:
Y =1,2.e-4X
0,16

Với

ωs2 .σ d .ρ ytb  µ x 
Y=
 ÷
g .Vd3 .ρ xtb  µn 

 Gx
X =
G
 y
ωs

1
4

1
8

  ρ ytb 
÷
÷ ρ ÷
  xtb 

: tốc độ đảo pha, m/s

Vđ: thể tích tự do của đệm, m3/m3
σd

: bề mặt riêng của đệm, m2/m3

Tháp hấp thụ CH3HS chọn Vật liệu đệm

: Vòng sứ Rasig 50 x 50 x 5 mm

 Bề mặt riêng (m2/m3 )

: 95

 Thể tích tự do vật liệu đệm (m3/m3)

: 0,79

 Số vòng đệm trong 1m3

: 58 x102

 Khối lượng riêng xốp ( kg/m3)

: 500

Gx, Gy: lượng lỏng và lượng hơi trung bình (kg/s).
Gy =10685,16 (kg/h) = 2,9681 (kg/s).
Gx= 1353,3165 (kg/h) = 0,3(kg/s).
g: gia tốc trọng trường, g=9,81m/s2

µ x , µn

: độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình và độ nhớt của nước ở 25 0C,

Ns/m2.
= 1,005.10-3 (Ns/m2)
= 7,988.10-4(Ns/m2)
ρ xtb , ρ ytb
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha khí (kg/m3)


ρ x = ρ xtb

= (kg/m3)

ρ y = ρ ytb

= 1,22 (kg/m3)
X = ()1/4()1/8 = 0.2445
Từ phương trình của Y ta có:
= = 0.835 m/s
Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt là tốt nhất, xong thực tế tháp
đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha vì nếu tăng nữa sẽ rất khó bảo đảm quá trình ổn định. Vì
vậy
Tốc độ thích hợp tính theo phương pháp này thường bằng khoảng:
÷
= (0,8 0,9)
Ta chọn: = 0,85. = 0,85 * 0,835= 0,71 (m/s)
Thay các giá trị ta có đường kính tháp.
=> Đường kính của tháp:
D = = = 2,088 (m)
 Chọn D = 2,1 (m)

2. Tính chiều cao tháp đệm
Áp dụng công thức xác định chiều cao của lớp đệm:
H = my.h0
Trong đó:
my : số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi (khí)
h0 : chiều cao của một đơn vị chuyển khối.
* Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối
Ta áp dụng công thức:
h0 = h1 + m h2
Trong đó:
h1, h2 : chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng (m)
Gx, Gy: lưu lượng trung bình của pha lỏng, pha khí (kg/h)
m: hệ số góc của đường cong cân bằng

* Tính h1.

h1 =
Áp dụng công thức:

Vd
Re0,25
.Pry2/3 , m
y
a.ψ .δ d

Trong đó:
Vđ: Thể tích tự do của đệm Vđ= 0,79 (m3/m3)
a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm. Đệm vòng a= 0,123.
Rey : chuẩn số Reynold cho pha hơi.
Pry : chuẩn số Prandt cho pha hơi.
Ψ: Hệ số thấm ướt của đệm

Re y =

4.ω y .ρ y

δ d .µ y

Ta có:
Trong đó:
ωy

: vận tốc khí đi trong tháp (m/s)

ω y = ω ytb = 0, 7( m / s)
ρy

: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí trong tháp (kg/m3)

ρ y ρ ytb
=

δd

= 1,22 (kg/m3)

: bề mặt riêng của đệm,

δd

= 95 (m2/m3)

µy

:độ nhớt trung bình của pha khí, (Ns/m2)
Rey = = = 202
Pry =
Trong đó:
µy
: độ nhớt hỗn hợp khí, (Ns/m2)
ρy
: khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m3)

Dy : hệ số khuếch tán của pha khí, m2/s


Dy = DCH3HS – kk = *
T : nhiệt độ K, T = 273 + 25 = 2980K
P = 1 atm
:MCH3HS ; Mkk: khối lượng mol của SO2, không khí (kg/kmol)
:uCH3HS ; ukk: thể tích mol của CH3HS, không khí (cm3/mol)
Tra bảng VIII.2 – II.
=> uCH3HS = 44,8 (cm2 / mol)
ukk = 29,9(cm3/mol)
Dy = DCH3HS – kk = * = 1,17 x 10-5 (m2 /s).
=> Pry = = 1,247


Tính ψ.
Ψ: phụ thuộc vào tỷ số giữa mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp và mật độ
tưới thích hợp.
⇒ψ=1
Vậy h1 = * 2020,25 * 1,2472/3 = 0.295 m.
* Tính h2 chiều cao của một đơn vị chuyển khối trong pha lỏng
1/3

 µ2 
h2 = 256.  x2 ÷ .Re0,25
.Prx0,5 ( m)
x
 ρx 
Trong đó:

µx
ρx

: độ nhớt trung bình của pha lỏng, Ns/m2
: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng,kg/m3

Ta có:
Rex = = = 0.2
Với:

δd

2

3

: bề mặt riêng của đệm (m /m ),

δd

= 95(m2/m3)

Gx: lưu lượng trung bình của pha lỏng, Gx= 0,3 (kg/s).
Ft: Diện tích mặt cắt tháp. Ft = 0,785,m2.
µx

: độ nhớt trung bình của pha lỏng = 7,996.10-4 Ns/m2

Prx =

µx
Dx .ρ xtb

Trong đó:

ρ xtb

: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng, kg/m3
Dx
: hệ số khuếch tán trong pha lỏng, m2/s
Dx25 =
Trong đó:
Dx25: hệ số khuếch tán của dung dịch lỏng ở 250C (m2/s)


: khối lượng mol của CH3HS, H2O (kg/kmol)
= 48 (kg/kmol)

MH O
2

= 18 (kg/kmol)

A, B: hệ số liên hợp
Với các chất khí tan trong nước A = 1.
Với dung môi là nước B = 4,7.
µH O

µH O

2

2

0

: độ nhớt của nước ở 25 C,
= 1cp = 10-3 Ns/s.
: thể tích mol của SO2, H2O (cm3/mol)
= 44,8 (cm3/mol)
uH O
= 18,9 (cm3/mol)
Dx25 = = 1,52 x10-9 (m2/s)
2

Trong đó:

0,2. µ H O

b=

2

3

ρ

µH O
2

µH O
2

0

: độ nhớt của nước ở 25 C,

= 1cp = 10-3 Ns/s.

ρ

: khối lượng riêng của nước ở 250C.
ρ
Tra bảng I.5 => = 998,23 (kg/m3)

b=

0,2. 1
= 0,02
3
998,23

=>
Prx =

µx
Dx .ρ xtb

= = 134
1/3

 µ x2 
h2 = 256.  2 ÷ .Re0,25
.Prx0,5 ( m)
x
 ρx 

hệ số góc của đường cân bằng

= 256 * * 0,20,25 * 1340,5 = 0,1734 (m).

m

= 9,83


Vậy Chiều cao của một đơn vị chuyển khối
h0 = h1 + m h2 = 0.295 + 9,83 * * 0,1734 = 17,15 (m)
Số đơn vị truyền khối :
my = = = 1,63
chiều cao của lớp đệm H = my * ho = 1,63 * 17,15 = 28,07 (m) = 28 m
chiều cao tháp hấp thụ
Chiều cao phần tách lỏng Hc và đáy Hđ được chon theo bảng sau.
D (m)
Hc (m)
Hđ (m)
1,0 – 1,8
0,8
0,2
2,0 – 2,6

1,0
2,5
2,8 – 4,0
1,2
3,0
(Trích tài liệu kỹ thuật xử lý khí thải – Dư Mỹ Lệ - Quá Trình Hấp Thụ)
Chiều cao lớp hấp thụ.
Ht = H + Hc + Hđ = 28 +1 + 2,5 = 31,5 (m)