xử lý CO2 bằng phương pháp hấp thụ trong dung môi là monoetanolamin (MEA)

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 H 2S
gây ô nhiễm môi trường, ăn mòn thiết bị, đặc biệt là khí CO 2 làm giảm phần lớn nhiệt trị
của Biogas, làm giảm hiệu quả sử dụng. Xử lý CO 2, 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 H 2S 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 1: TỔNG QUAN

1.1.

KHÁI QUÁT VỀ BIOGAS:
Biogas hay khí sinh học là sản phẩm khí của quá trình lên men kị khí phân giải các

hợp chất hữu cơ phúc tạp thành những hợp chất hữu cơ đơn giản trong đó sản phẩm chính
mà chúng ta cần là khí Methane( CH4), khí này có thể sử dụng như là một loại nhiên liệu
dùng để sinh nhiệt. 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:
- Về mặt môi trường: Giảm lượng khí phát thải C02, do đó giảm được lượng khí thải
là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính, tránh các thảm họa về môi trường;
Không có hoặc chưa rất ít các hợp chất của lưu huỳnh( <0,001% so với 0,2%
trong dầu Diesel); Không chứa HC thơm nên không gây ung thư; Khí thiên nhiên
Biogas không chứa chì gây tác hại đến sức khỏe con người, không gây ô nhiễm
môi trường không khí; Có khả năng tự phân hủy và không độc( phân hủy nhanh
hơn Diesel 4 lần, phân hủy từ 85-88% trong nước sau 28 ngày); Giảm ô nhiễm
môi trường nước, đất và sự tiêu dùng các sản phẩm dầu mỏ.
- Về mặt kỹ thuật: Biogas rất linh động có thể trộn với diesel theo bất kì tỉ lệ nào
- Về mặt kinh tế: Sử dụng nhiên liệu Biogas ngaoif vẫn đề giải quyết ô nhiễm môi
trường nó còn thức đẩy ngành nông nghiệp phát triển, tận dụng tiềm năng sẵn
có của ngành nông nghiệp như thúc đẩy phát triển chăn nuôi trang trại, tận dụng
các nguồn rác thải sẵn có; đồng thời đa dạng hóa nền nông nghiệp va tăng thu
nhập ở vùng miền nông thôn; hạn chế nhập khẩu nhiên liệu chế biến từ dầu mỏ,
góp phần tiết kiệm cho quốc gia một khoảng ngoại tệ lớn.
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:
Biogas từ các nguồn khác nhau thì có chất lượng tương đối khác nhau và phụ thuộc
vào số yêu tố nhất định. Thành phần của Biogas phụ thuộc vào loại chất thải bị phân hủy,
độ dài của thời gian lưu trong đó chất thải trải qua quá trình phân hủy. Biogas sinh ra từ
quá trình phân hủy kỵ khí là hỗn hợp của nhiều loại khí
Thành phần của biogas: (tính theo phần trăm thể tích)
Trang 2


- Thành phần chính: Khí metan (CH4): 50% – 70%.
- Thành phần phụ:
+ Khí cacbon dioxit (CO2): 30% – 45%.
+ Khí hydro sunfua (H2S): 0% – 3%.
+ Các khí khác: nitơ (N2), oxy (O2), hidro(H2): 0% – 3% nguồn
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.

1.1.2. Tính chất của biogas:
-

Khối lượng riêng: là khối lượng của một đơn vị thể tích khí trong điều kiện
nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, 0 0C và 1 atm = 760 mm Hg. Khí sinh học với tỷ

-

lệ 60% CH4 và 40% CO2 có khối lượng riêng là 1,2196 kg/m3.
Tỷ trọng đối với không khí: Tỷ trọng đối với không khí của một chất khí là tỷ số
giữa khối lượng riêng của khí đó với khối lượng riêng của không khí ở cùng
một nhiệt độ và áp suất. Khí sinh học với tỷ lệ 60% CH4 và 40% CO2 có tỷ

-

trọng là 0,94. Như vậy khí sinh học nhẹ hơn không khí một chút.
Nhiệt trị: Nhiệt trị của một chất khí là nhiệt lượng do một đơn vị thể tích của
chất khí đó khi cháy tỏa ra. Khí sinh học với tỷ lệ 60% CH 4 và 40% CO2 có
nhiệt trị là 8576 kcal/m3 x 0,6 = 5146 kcal/m3 Ta có thể làm tròn thông số nhiệt
trị là 5200 kcal/m3 .

Bảng 1.1. Một số tính chất của CH4, CO2, H2S trong Biogas ([2], p.15)

Trang 3


Các tính chất vật lý

Methane
CH4

Carbon Dioxide
CO2

Hidro sulfua
H2 S

Trọng lượng phân tử( kg/kmol)

16.03

44.00

34.08

Khối lượng riêng p.103(kg/l)

0.7167

1.9768

1.5392

2,23

0,838

1,060

1,70

0,654

0,804

Nhiệt độ sôi ở P=1atm( 0C)

-161,6

-78,2

-60,2

Nhiệt hóa hơi ở P=1 atm(kj/kg)

511

574,0

549

Nhiệt dung riêng ở
T=20OC và áp suất
1at
(Kj/kg.oK)

Cp
Cv

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 tái sinh, công nghệ và thiết bị đơn
giản…
 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 CO 2 từ 34% xuống còn 0,05%
khi tổng hợp NH3.
Dung dịch phục hồi bằng cách đun nóng.

Trang 4


•

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.
 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:
•

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 tốt dựa vào các tính chất sau:
- Độ hòa tan chọn lọc

- Độ bay hơi tương đối: Dung môi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau quá
trình hấp thu sẽ bao hòa hơi dung môi do đó dung môi bị mất.

Trang 5


- Tính ăn mòn của dung môi: Dung môi nên có tính ăn mòn thấp để vật liệu
chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền.
- Chi phí: Dung nôi dễ tìm và rẻ để sự thất thoát không tốn kém nhiều.
- Độ nhớt: Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điều
kiện ngập lụt trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt.
- Các tính chất khác: Dung môi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệt
khi hoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn
làm tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc.
•

1.2.1.2. 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:
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:
Bảng 1.2. Các thiết bị dùng trong hấp thu([4],p.)
Tháp hấp thụ
Tháp màng

Tháp đệm

Tháp đĩa

Ưu điểm
Trở lực pha khí nhỏ,
có thể biết được bề
mặt
tiếp
xúc
pha( chảy màng), có
thể thực hiện trao
đổi nhiệt.
Cấu tạo đơn giản,
trở lực theo pha khí(
chế độ màng/quá
độ) nhỏ.
Tháp đĩa lỗ: Hiệu
suất khá cao, trở lực
tương đối thấp, kết
cấu khá đơn giản.
Tháp chóp: khá ổn
định,hiệu
suất

Nhược Điểm
Năng suất theo pha
lỏng nhỏ, hiệu suất
thấp khi chiều cao

lớn, Khó phân bố đều
chất lỏng.

Ứng dụng
trong
phòng
thí
nghiệm, trường hợp có
năng suất thấp và hệ
thống trở lực thấp( hút
chân không).

Hoạt động kém ổn
định, hiệu suất thấp,
hiệu ứng thành, khó
tách nhiệt, khó thấm
ướt.
Khoảng làm việc hẹp
về lưu lượng hơn tháp
chóp, không làm với
chất lỏng bẩn.
Trở lực lớn, kết cấu
phức tạp, tiêu tốn

Năng suất thấp( hấp
thụ khí, chưng cất,...),
hệ thống trở lục
nhỏ( hút chân không,
…).
Năng suất lớn

Trang 6


Tháp phun

cao( hơn tháp đĩa
lỗ)
Cấu tạo đơn giản,
chiếm ít diện tích,
có thể làm việc với
chất lỏng bẩn

nhiều vật tư kim loại
chế tạo.
Tốc độ pha thấp, Khi dung môi là huyền
chiều cao đơn vị phù
truyền khối lớn( 56m), cường độ truyền
khối không cao

1.3. Lý Thuyết hấp thụ
1.3.1. Hấp phụ
Quá trình hấp phụ là quá trình hút chọn lựa các cấu tử trong pha khí hay pha
lỏng lên bề mặt chất rắn. Chất rắn mà ở trên bề mặt của nó xảy ra sự hấp phụ
được gọi là chất hấp phụ và chất khí hay hơi bị thu hút và giữ trên bề mặt của
chất hấp phụ được gọi là chất bị hấp phụ. Thường chất hấp phụ là những chất có
nhiều lỗ xốp, các chất có độ phân tán cao với bề mặt riêng lớn.
 Hấp phụ được chia thành:
-

Hấp phụ vật lý( Van der Wall): hiện tượng tương tác thuận nghịch của các lực
hút giữa cac phân tử của chất rắn và của chất bị hấp phụ. Có thể giải hấp dễ
dàng bằng nhiệt hoặc chân không. Thường thuận nghịch.

-

Hấp phụ hóa học( hoạt hóa): kết quả của sự tương tác hóa học giữa chất rắn và
chất bị hấp phụ. Giuwx chất bị hấp phụ tốt hơn và khó nhả hấp nên cần cung
cấp nhiều năng lượng hơn để nhả hấp. Thường không thuận nghịch.

1.3.2. Bản chất của chất hấp phụ:

Chất rắn hấp phụ thường được dùng ở dạng hạt có kích thước thay đổi từ đường
kính 12.5 mm( thô) đến đường kính 50. Các chất rắn phải có một số tính chất
kỹ thuật nhất định tùy thuộc vào điều kiện sử dụng.

1.3.3. Các loại chất hấp phụ

Bảng 1.3. Các loại chất hấp phụ
Trang 7


Chất hấp phụ

Than hoạt tính

Đặc tính
Bề mặt kỵ
nược hấp phụ
các chất hữu

cơ trong nước
và không khí
Háo nước,
năng suất cao

Ưu điểm
Không độc, giá
thành rẻ nhất
dùng trong xử lí
môi trường

Bề mặt hút
nước, phân
cực, rãnh đều
đặn

Phân riêng dựa
trên phân cực,
hình học

Năng suất cao
hơn Zeolite

Silica gel( SiO2)

Zeolite( ZMS)

Năng suất cao,
háo nước
Alumina hoạt tính

Nhược điểm
Khó tái sinh nếu
bị đóng cặn, có
thể bắt cháy khi
tái sinh

Ứng dụng
Tách các chất
ô nhiễm có
gốc hữu cơ

Không iểu quả Làm khô dòng
bằng Zeolite khi
khí, khử
tách các vết H2O sulfur, đôi khi
trong dòng khí
tách HC từ
dòng khí
Năng suất thấp
Khử nước,
hơn các loại chất
phân riêng
hấp phụ khác
không khí

Không hiệu quả Làm khô dòng
bằng Zeolite khi
khí,
Năng suất cao tach các vết locjfluoride,

hơn Zeolite
nước trong dòng
arsenic,
khí
selenuim
trong nước
uống.

Trang 8


Chương 2: ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.1. Yêu cầu thiết kế
Thiết kế tháp đệm hấp thu khí CO2 từ Biogas sử dụng dung môi là MEA
- Lưu lượng dòng Biogas:

Gy = 2000 m3/h

- Nồng độ CO2 đầu vào:

yd = 30 %

- Nồng độ CO2 đầu ra:

yc = 30 %

- Nhiệt độ làm việc:

t = 40 oC

- Áp suất làm việc:

P = 1 atm

2.2. Đề xuất quy trình công nghệ xử lý
 Chọn nguồn xử lý khí CO2: Từ hầm Biogas của 1 trang trại nông nghiệp
 Chọn loại tháp hấp thu: Tháp đệm
 Vật liệu chế tạo tháp: Do phải chịu tác dụng hoá học với khí thải và dung
dịch có tính ăn mòn cao nên vật liệu chế tạo tháp hấp thu và các đường ống
dẫn khí được chọn là loại thép hợp kim đặc biệt thuộc nhóm thép không gỉ
và chúng có tính chống ăn mòn cao trong điều kiện làm việc của thiết bị. Do
đó, chọn loại thép không gỉ X18H10T.
 Chọn vật liệu đệm: Chọn Rasching sứ vì:
- Có khả năng chịu đựng môi trường hoá chất và nhiệt độ cao.
- Lớp đệm có tác dụng tăng diện tích và thời gian tiếp xúc giữa 2 pha khí lỏng để quá trình hấp thu xảy ra triệt để hơn. Bố trí chuyển động ngược
-

chiều: khí chuyển động từ dưới lên, dung dịch từ trên xuống.
Ngoài ra lớp đệm vòng sứ còn có tác dụng va đập, kết dính bụi và kim
loại nặng trong khí thải vào dung dịch hấp thu sau đo được tách ra ở dạng

-

cặn trong bể lắng.
Có tấm thép chống gỉ đục lỗ để đỡ và phân phối đều khí qua tiết diện
ngang của tháp.

 Lựa chọn dung dịch hấp thụ CO2 là dung môi MEA, vì:
Mono Etanol Amin( MEA) là amin có tính bazơ mạnh nhất trong các Alkanol amin dùng
làm dung môi hấp thụ, ở nhiệt dộ thấp nó có thể phản ứng rất nhạy với các acid. MEA có

khối lượng phân tử nhỏ nhất trong các Alkanol amin nên nhiệt tỏa ra trong phản ứng hấp
thụ các khí acid là lớn nhất trong các Alkanol amin khác. Đồng thời MEA bền về mặt hóa
học, dd MEA ít bị phân hủy, phản ứng không thuận nghịch với các COS VÀ CS2 tạo
thành các sản phẩm bền không tái sinh hoặc khó tái sinh.

Trang 9


Bảng 2.1. Một số tính chất hóa lý cơ bản của các Alkanol amin([7])
MEA
61

DEA
105.1

Khối lượng riêng(kg/m3)
Nhiệt độ
110 Pa
sôi(0C) ở áp
660 Pa
suất Pa
1320 Pa
Áp suất hơi bão hòa ở 200C,
Pa

1018
171
100
69
48

1090
187
150
1.33

248.7
167
133
1.33

Nhiệt độ đông đặc( 0C)

10.5
0.241
( ở 20 0C)
Hoàn toàn

28
0.380
( ở 30 0C)
96.4

42
0.198
( ở 45 0C)
87

1486.4

1205.9

722.5

Khối lượng phân tử

Độ nhớt tuyệt đối( Pa.s)
Độ hòa tan trong H2O ở
200C( %khối lượng)
Nhiệt hóa hơi ở 1.105
( Pa.j/kg)

DIPA
989

2.3. 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:

Khí Biogas

Tháp hấp phụ
H2 S

Tháp hấp phụ C02(

Dung môi

tháp đệm)

MEA

Tháp hoàn
nguyên MEA
Trang 10


Khí thải CO2
Hình 2.1: Quy trình công nghệ xử lý Biogas.
2.4. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Khí Biogas thô đi vào quy trình với thành phần thể tích như sau: 67% CH 4, 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.
2.4.1. 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.
 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 CO 2 và
hoàn lưu lỏng MEA .
2.4.2. Chi tiết quy trình công nghệ
2.4.2.1. Giai đoạn I - Xử lý H2S: Sử dụng chất hấp phụ rắn

Có nhiều chất hấp phụ H 2S đã được sử dụng, nhưng hiện tại để xử lí một lượng H 2S có
mặt trong khi biogas với hàm lượng không lớn lắm thì chất hấp phụ kẽm oxit thay thế cho
sắt là cách lựa chọn tối ưu nhất vì kẽm có độ chọn lọc đối với hydro sulfua hơn sắt oxit.
Khí Biogas trước tiên sẽ đưc xử lý bằng cách loại H 2S. 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
có diện tích bề mặt là 9,9 m2/g, thể tích lỗ xốp là 0.014 cm3/g, kích thước lỗ xopps trung

Trang 11


bình là 279 A0. 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 được hoạt động luân phiên nhau. Khi bình này
ngưng hoạt động để tái sinh 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.
2.4.2.2.

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 đi vào tháp
đệm thực hiện quá trình hấp thụ CO 2, 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 CO 2 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
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 CO 2 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.

Trang 12


Chương 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ
3.1. 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

Trang 13


3.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
3.2.1. CÁC KÝ HIỆU:
3.2.1.1. Dòng khí:
Gd, Gc : lưu lượng đầu, đầu ra dòng khí.( kmol/h)
Gtr

: lưu lượng dòng khí trơ .( kmol/h)

Gtb

: lưu lượng trung bình dòng khí. ( kmol/h)

yd,yc

: thành phần mol đầu vào, đầu ra.

Yd, Yc : thành phần mol tương đối đầu vào, đầu ra

3.2.1.2. Dòng lỏng:
Ld, Lc

: lưu lượng đầu vào, đầu ra dòng lỏng.

LH20, LMEA : lưu lượng nước, MEA.
Xd , X c

: thành phần mol tương đối đầu vào, đầu ra dòng lỏng

3.2.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT

Gtr

Ld

Yc

Xd

Yd

Xc

Gtr

Lc

3.2.2.1. Lưu lượng và thành phần khí Biogas vào tháp:
Sau khi đi ra từ thiết bị hấp thụ H2S bằng kẽm Oxit thì lưu lượng khí Biogas là

2000m3/h và có thành phần( phần thể tích bằng phần mol):
Thành
phần
CH4

CO2
N2
O2

Phần trăm thể
tích(%)
68
30
1
1

Phần mol

Lưu lượng trong 2000 m3/h (m3/h)

0.680
0.300
0.010
0.010

1360
600
20
20

Trang 14


 Các thông số của dòng khí:
-

([1], chương 6, p.142)
Tỷ số mol của CH4 trong hỗn hợp khí đi vào tháp :
( kmolCH4/kmol khí trơ)

-

Tỷ số mol của CO2 trong hỗn hợp khí đi vào tháp:
( kmolCH4/kmol khí trơ)

-

Tỷ số mol của N2 trong hỗn hợp khí đi vào tháp:
( kmolCH4/kmol khí trơ)
Tỷ số mol của O2 trong hỗn hợp khí đi vào tháp:
( kmolCH4/kmol khí trơ)
Bảng 3.2. Phần mol tương đối của cấu tử vào tháp
Thành phần
CH4
CO2
N2
O2

-

Phần mol tương đối
2,125
0,4285
0,0101
0,0101

Suất lượng mol của hỗn hợp khí vào tháp ở 40oC:
(kmol/h)

-

Suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp:

(kmol khí trơ)
-

Suất lượng CO2 đầu vào:
(kmol/h)

3.2.2.2. Lưu lượng và thành phần khí Biogas ra tháp:
 Tỷ số mol trong hỗn hợp khí ra khỏi tháp :
( kmolCO2/kmol khí trơ) (1)
 Lưu lượng khí ra khỏi tháp :
(m3/h)
 Phần mol các cấu tử ra khỏi đỉnh tháp :
Trong đó : Li- Lưu lượng của cấu tử thứu i
ΣLi- Lưu lượng tổng của hỗn hợp khí
(phần mol)
(phần mol)
Trang 15

(phần mol)
YO₂=0
Ta có: Bảng 3.. Bảng nồng độ phần mol các cấu tử khí ra khỏi tháp theo tính toán
Thành phần
O2
CH4
CO2
N2

Phần mol
0,0000
0,9714
0,0429
0,0143

3.2.2.3. Các tính chất của Biogas
 Khối lương riêng hỗn hợp Biogas khi vào tháp ở 40oC:

( kg/m3) (4, p.183)
(kg/m3)
 Khối lương riêng hỗn hợp Biogas ra khỏi tháp ở 40oC

(kg/m3)
 Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí:

(kg/m3)
 Khối lượng phân tử trung bình của khí Biogas vào tháp:
yid: Nồng độ phần mol của cấu tử khí I trong hỗn hợp khí

Mi: Khối lượng phân tử của cấu tử thứ i trong hỗn hợp khí

= 24,70 (kg/kmol)
 Khối lượng phân tử trung bình của khí Biogas ra khỏi tháp:

=17,860 (kg/kmol)
3.3.3. Lập phương trình đường cân bằng:
Mối quan hệ giữa nồng độ của CO2 trong pha hí và pha lỏng được biểu thị bằng
định luật Henry:
p* = P*x hoặc y* m*x (tk, p.140-141)
Trong đó:
Trang 16


y* : nồng độ phân mol của khí trong dòng khí ở điều kiện cân bằng .
x : nồng độ phân mol khí trong pha lỏng .
p* : áp suất riêng phần của cấu tử khí ở trạng thái cân bằng với pha
lỏng (mmHg).
Pt : áp suất tổng của hệ hấp thu (mmHg) .
H : hệ số Henry (mmHg).
m=: hệ số phân bố hay hằng số cân bằng pha
Tra bảng IX.1, p.140 stt2: ở 40oC thì HCO2 =1,77.106 (mmHg)
 Phương trình đường cân bằng :
Y* = (tvd, p.57)
 Lập bảng giá trị: (1, p.7)
Bảng 3.2. Bảng giá trị đường cân bằng CO2-MEA
X
0
0.102
0.206

0.25
0.337
0.353
0.401
0.417
0.421
0.433
0.447
0.464
0.476
0.485
0.489
0.516
0.524
0.538
0.560

Y
0
2.2E-05
0.000123
0.00024
0.000603
0.000852
0.001838
0.002937
0.003198
0.003824
0.005735
0.010777

0.018668
0.023744
0.029418
0.093593
0.133941
0.251933
0.573734

Trang 17


Đường cân bằng CO2-MEA
Y (kmolCO2/kmol KHÍ trơ)

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

X (kmolCO2/kmol MEA)

Hình 3. . Đồ thị đường cân bằng C02-MEA
3.3.4. Xác định đường làm việc
 Tính lượng dung môi tiêu tốn
- Phương trình cân bằng vật chất cho thiết bị:
Ltr(X-Xd)=Gtr(Yd-Y) (*) (tk, IX.6, p.140)
-

Từ (*) suy ra:
Y=

(tk, IX.7, p.140)

Chọn Yd=YCO2=0,4285 (kmolCO2/kmol khí trơ). Kẻ đường Yd=0,4285 (kmolCO2/kmol khí
trơ) cắt đường cân bằng sẽ xác định được X dcb=0,545 (kmol kmol CO2 / kmol MEA) với
Xdcb là nồng độ cân bằng ứng với nổng độ đầu của hỗn hợp khí.

Đường cân bằng - Đường làm việc
Y*(Kmol CO2/kmol khí trơ)

0.7
0.6

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

X(kmol CO2/kmol MEA)
Đường Y=0,428

Đường phụ

Đường cân bằng

Hấp thụ CO2 bằng

MEA 30% ( khối lượng), chọn dung môi có xd=1% CO2 (khối lượng) khi vào tháp .

Trang 18


=0,04621 (kmolCO2/kmolMEA)
Hình 3. . Đồ thị đường cân bằng CO2-MEA và đường Yd với Xdcb
-

Lượng MEA tiêu hao riêng tối thiểu cần dùng:
(tvd, p.58)

Suy ra:
(kmolMEA/kmol khí trơ)
Chọn α = 1,2 Ta tính được lượng MEA tiêu hao riêng cần thiết:
(tvd, p.58) =1.1*275,301=302,831 (kmolMEA/kmol khí trơ)
-

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) = ( 0,1213 ; 0,4285)
 Phương trình đường làm việc: Y = 5,564X -0,246
Đường cân bằng và làm việc của CO2-MEA

Đường cân bằng Co2-MEA
0.7
Y (kmolCO2/kmol trơ)

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

X (kmolCO2/kmol MEA
Đường làm việc

Đường cân bằng

Hình 3.4. Đồ thị Đường cân bằng – đường làm việc của CO2-MEA
3.3.3. 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:
Trang 19


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=40oC
- Tỷ nhiệt của dung dịch không đổi trong suốt quá trình hấp thụ và cho
bằng tỉ nhiệt của dd MEA 30%.
Cd = Cc = CMEA
-

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:
-

Lưu lượng CO2 bị hấp thụ : P.V=n.R.T
 (m3/kmolCO2)

Khối lượng CO2 bị hấp thụ:

Lượng CO2 bị hấp thụ tính theo kmol/h:
Khối lượng riêng CO2 tại 40oC:

Trang 20



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 21


CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ
4.1. CÁC THÔNG SỐ:
4.1.1. Các thông số pha khí:
 Lưu lượng thể tích trung bình dòng khí đi trong tháp:
(2, IX.101,p.183)
Vd , Vc – lưu lượng khí vào và ra khỏi tháp , m3/h .
→
 Khối lượng riêng của hỗn hợp tại điều kiện làm việc:
(2, IX.101, P.183)
Trong đó :
-

M1 , M2 : Khối lượng mol của CO2 và không khí .
T : nhiệt độ làm việc trung bình của tháp hấp thu .
ytb1 : nồng độ phần mol của CO2 lấy theo giá trị trung bình.

Với yd1 , yc1 : nồng độ phần mol của CO2 vào và ra khỏi tháp .
0.0101
Suy ra :
→ T = 40oC:
(kg/m3)

 Độ nhớt trung bình của pha khí:
(*)

(stt1,I.18, p.85)

Trong đó:
Mhh , M1 , M2 : khối lưượng phân tử của hổn hợp khí , SO 2 và không khí
kg/kmol .
m1 , m2 : nồng độ phần hể tích của CO2 và không khí.
1, 2: độ nhớt của CO2, không khí
Ta có:

Trang 22


(kg/kmol)
m1=ytb1=0,02005
m2 = 1 – ytb1=1-0,02005=0,97995
Tại T=40oC:
1=CO2= 0,017.10-3
2=kk=0,01285.10-3 (kg/m.s)

(tk, I.35, p.117)

Thay vào (*) ta được:
Suy ra:

 Lưu lượng khối lượng trung bình dòng khí đi trong tháp:
(kg/s)
Gyd , Gyc : lưu lượng khối lượng dóng khí vào và ra khỏi tháp , kg/s
=1579,4198 kg/h =0,4387 kg/s
= 1593,8198 kg/h = 0,4427 kg/s
Suy ra:
(kg/s)
4.1.2 Các thông số pha lỏng:

•

Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng:
[2, IX.104, 183]

tb1, tb2: 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.
 Độ nhớt:
Độ nhớt trung bình dung dịch MEA (stt1,I.33, p.114)

Trang 23


•

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

=

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:
Tốc độ bắt đầu tạo nhũ tương hay vận tốc đảo pha ws (m/s) được xác định theo công
thức:
(*)

[2,(IX-115),187]

Trong đó:
Gtb, Gtb: lưu lượng khối lượng trung bình dòng lỏng và khí đi trong tháp, kg/s

xtb

, ytb : Khối lượng riêng dòng lỏng và khí trung bình đi trong tháp, kg/m3

Trang 24


xtb=1049,8 kg/m3
ytb= 1,133kg/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:

Chọn vận tốc làm việc của dòng khí: (m/s)
Đường kính tháp làm việc được xác định theo công thức:

Chọn đường kính tháp: D = 1,9 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:
Trang 25