Thực hành môn ô nhiễm không khí và xử lý khí thải

VIỆN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO: THỰC HÀNH MÔN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ & XỬ LÝ KHÍ THẢI MỤC LỤC Chương 1: MỞ ĐẦU Giới thiệu tháp phun rỗng 5 cấu tạo tháp phun rỗng 5 nguyên tác hoạt động 6 các kiểu công nghệ 6 Chương 2: XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ CHO XỬ LÝ KHÍ THẢI NHÀ MÁY BIA Sơ đồ công nghệ 9 Thuyết minh sơ đồ công nghệ 10 Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ Nồng độ buị 11 Xyclon 14 Tháp Phun Rỗng 16 Tính toán tháp 16 Đường kính ống dẫn dung môi vào & ra 18 Bề dày thân 20 Đáy và nắp 23 Tính bích 24 Lượng dung môi hấp thu 27 Phương trình đường làm việc của TPR 30 Chân đỡ 32 Ống khói 33 Bể chứa bùn và dung môi 33 Chương 5. KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ Kết luận 34 Kiến nghị 34 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng trích dẫn TCVN 5939 – 2005 về nồng độ phát thải cho phép của một số chất độc hại Bảng 2.1: Thông số thiết kế xyclon Bảng 2.2: Hiệu quả thu bịu xyclon Bảng 3.1: Thông số của bích dùng để ghép lắp với thân thiết bị Bảng 3.2: Thông số của bích nối ống dẩn lỏng vào thân thiết bị Bảng 3.3: Tính măt bích nối ống dẫn khí vào ra Bảng 3.4: Bộ phận phân phối lỏng Bảng 3.5: Các thông số về chân đỡ TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TSKH NGUYỄN BIN, PGS.TS ĐỖ VĂN ĐÀI, KS LONG THANH HÙNG, TS. ĐINH VĂN HUỲNH, PGS.TS NGUYỄN TRỌNG KHUÔN, TS. PHAN VĂN THƠM, TS. PHẠN XUÂN TOÀN, TS. TRẦN XOA - Sổ tay quá trình thiết bị công nghệ hóa chất tâp 2 – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội GS.TS TRẦN NGỌC CHẤN - Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội ,2004 CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU Giới thiệu tháp phun rỗng: Cấu tạo tháp phun rỗng Tiết diện tháp có thể là hình tròn hay hình chữ nhật. Dòng khí và dung dịch tưới trong tháp có thể chuyển động cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt nhau. Các mũi phun có thể bố trí một tầng hay nhiều tầng, hoặc dặt dọc theo trục thiết bị. Các tháp rửa khí rỗng hoạt động có hiệu quả khi bụi có kích thước lớn hơn 10 micromet và kém hiệu quả khi bụi có kích thước nhỏ hơn 5 micromet. Cấu tạo tháp phun: Vỏ thiết bị Tấm phân phối khí Vòi phun nước Tấm chắn nước Nguyên tắc hoạt động: Dòng khí chứa bụi đi vào thiết bị và được rửa bằng chất lỏng. Các hạt bụi đực tách ra khỏi khí nhờ va chạm với các giọt chất lỏng. Chất lỏng tưới ướt bề mặt làm việc của thiết bị, còn dòng khí tiếp xúc với bề mặt này. Khí ra Dòng khí bụi được sục vào nước và bị chia thành các bọt khí. Các hạt bụi dính ướt và loại ra khỏi khí. Dung môi Khí vào Các kiểu công nghệ: Theo hướng chuyển động của khí và dịch thể tháp được chia làm 3 loại: Ngược dòng Cùng dòng Chính giao Tháp phun rỗng ngược dòng: Vk: 0,6 – 1,2 m/s Để phân bố khí dều theo tiết diện tháp đặt ở phần dưới tháp một lưới phân bố khí. Tháp phun rỗng cùng dòng: Đường đi của khí và dịch thể cùng chiều nhau. Tháp phun rỗng chính giao: Dịch thể đưa vào dưới góc vuông với hướng của dòng khí ( loại này ít được sử dụng). CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ CHO XỬ LÝ KHÍ THẢI NHÀ MÁY BIA Sơ đồ công nghệ: Thuyết minh sơ đồ công nghệ Xử lý khí thải của nhà máy bia với lượng than đốt là 5kg/h thì lượng khí thải sinh ra sẽ chứa nhiều bụi và khí SO2. Lượng khí này thải ra môi trường sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe con người, vì thế để hiệu quả xử lý đạt hiệu xuất cao chúng ta phải cho khí thải di qua xyclon để giảm bớt lượng bụi do quá trình đốt than sinh ra. Sau đó cho khí đi tiếp qua hệ thống xử lý tháp phun rỗng để xử lý hiệu quả khí SO2 và nồng độ bụi đầu ra đạt TCVN CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ Nồng độ bụi: Xử lý khí thải của nhà máy bia với công suất 12,5 l/h. Với lượng than đốt là 5kh/h. Cp=64,8% , Hp=3,8% , Np=0,9, Op=6,7%, Sp=0,8%, Ap=15,0%, Wp=8% Lượng nhiên liệu tiêu thụ B=5kg/h Hệ số thừa không khí: =1,4 Hệ số cháy không hoàn toàn: h=0,6% Hệ số tro bụi bay theo khói : a=0,5, tkhói=700C (nguồn sách Ô NHIỂM KHÔNG KHÍ VÀ XỦ LÝ KHÍ THẢI – tập 3) Nhiệt năng : Lượng không khí khô lý thuyết: Vo= 0,089×Cp + 0,246×Hp – 0,0333× (Op – Sp) Lượng không khí ẩm lý thuyết d=17g/kg (t=300C, φ=65%): Lượng không khí ẩm thực tế: Vt=α× Va =1,4×6,753=9,454 (m3 /kg) Lượng khí SO2 trong SPC: V so2=0,683×10-2 ×Sp=(0,683×10-2)×0,8=5,464×10-3(m3/kg) Lượng khí CO trong SPC h=0.006 : V co= 1,865×10-2×η×Cp = 1,865×10-2×0,006×64,8=7,251×10-3 (m3/kg) Lượng khí CO2 trong SPC: V co2=1,853×10-2(1-h)×Cp=1,853×10-2(1-0,006)×64,8=1,194( m3/kg) Lượng hơi nước trong SPC: VH2O = 111Hp+0,0124Wp+0,0016Vt = lượng khí N2 trong SPC: lượng khí O2 trong khí thừa: lượng khí NOX trong SPC Pno2=2,054 (kg/m3 ): Quy đổi ra m3/kg : Thể tích khí N2 tham gia vào phản ứng của NOx. VN2(NOx) = 0,5×VNOx = 0,5×7,359×10=3,68×10-4(kg/h) Thể tích khí O2tham gia vào phản ứng của NOx: (kg/h) lượng SPC : VSPC= V so2+ V co2+ VCO+ VH2O+VNO2 + Vo2+VNox+VVO2(NOx) Lưu lương khói SPC ở điều kiện Tkhói = 70oC tải lượng SO2 ρSO2 =2.926 kg/m3 : lưu lượng CO, ρco=1,25 tải lượng CO2 , ρco2=1,977(kg/m3) tải lượng tro bụi α =0.5 nồng độ chất ô nhiễm: SO2: CO: CO2: NOx: Bụi: Đối chiếu với giới hạn tối đa cho phép của bụi và các chất vô cơ trong khí thải công nghiệp theo TCVN 5939 – 2005 được trích dẫn ở bảng 1.1 ,cơ sở sản xuất phải đạt loại B thì Bụi và SO2 vượt quá tiêu chuẩn cho phép Bảng 1.1:trích dẫn TCVN 5939 – 2005 về nồng độ cho phép của một số yếu tố độc hại Thứ tự Chất Giới hạn tối đa cho phép mg/m3 đối với lọai cơ sở sản xuất A B 1 2 3 4 Khí SO2 Bụi CO NOx 1500 400 1000 1000 500 200 1000 850 Cyclon: Lưu lượng bụi: Lb = Lk = 64,8 (m3/h) = 1,08 (m3/ph) Nồng độ bụi: Cb = 5,78(g/m3) Chọn đường kính xyclon = 0,1 m Khối lượng riêng của bụi = 2200 (kg/m3) Khối lượng riêng của không khí = 1,01( kg/m3) Mối tương quan giữa đường kính xyclon và các kích thước khác của xyclon được cho trong bảng sau ( theo cột 5 của Lapple,1951) Bảng 2.1:thông số thiết kế xyclon Thông số Tỷ lệ Kết quả (m) Đường kính D/D 1 0,1 Chiều cao ống vào H/D 0,75 0,075 Chiều rộng ống vào W/D 0,375 0,0375 Đường kính ống dẫn khí ra De/D 0,75 0,075 Chiều cao ống dẫn khí ra S/D 0,875 0,0875 Chiều cao thân Lb/D 0,15 0,15 Chiều cao phần phễu Lc/D 0,25 0,25 Đường kính ống thu bụi Dd/D 0,375 0,0375 Số vòng xoáy trong xyclon: Vận tốc dòng khí vào xyclon: Vận tốc khí ra khỏi xyclon: Thời gian lưu khí trong xyclon: Vận tốc dòng khí trong xyclon: Đường kính phân tử mà hiệu quả thu bụi đạt 50% Hiệu quả thu bụi của phân tử có kích thước bất kỳ: Hiệu quả thu bụi của tất cả các phân tử: Bảng 2.2: hiệu quả thu bụi của xyclon: j nj mi/µ% nj. mj/µ% 1 0→2 1 4,46 0,05 1 0,05 2 2→4 3 1,49 0,31 9 2,79 3 4→6 5 0,89 0,56 10 5,6 4 6→10 8 0,56 0,76 30 22,8 5 10→18 14 0,32 0,91 30 27,3 6 18→36 24 0,19 0,97 14 13,58 7 30→50 40 0,11 0,99 5 4,95 8 50→100 75 0,06 1 1 1 78,6% Nồng độ bụi ra ở cyclon: Vậy nồng độ bụi vào tháp phun rỗng Cb=1237(mg/m3) Tháp phun rỗng: Tính toán tháp Lk=0.018(m3/s)=64.8(m3/h) Vk=0.8(m/s) (0.6→1.2) Diện tích tiết diện ngang : Đường kính tháp: =>chọn D=20(cm) Chiều cao tháp: =>chọn H=50(cm) Lưu lượng dung môi toàn phần để phun tưới: Lưu lượng riêng toàn phần của dung môi m = 8 – 11( l/m3 khí) → Chọn m = 8 (l/m3 khí). Vận tốc dòng dung môi: Chọn tỷ lệ giọt dung môi trong dòng khí α = 0,01 có. Thể tích tổng cộng của những giọt dung môi trong dòng khí: Đường kính giọt dung môi đi vào thiết bị: Chọn ηe=0,8 Khối lượng bụi giữ lại trong tháp: Số giọt dung môi chứa trong tháp: (giọt) Hiệu quả lọc bụi của thiết bị: Vậy hiệu suất xử lý của thiết bị là 86% Nồng độ bụi sau xử lý: Cbụi ra = Cbụi× (1- η) = 1237 × (1- 0,86) =173,2 (mg/m3) → Đạt tiêu chuẩn loại B TCVN 5939 – 2005. Đường kính lỗ đưa dung môi vào → chọn d = 10 mm Đường kính ống dẫn dung môi vào và ra: Đường kính ống: Vận tốc thực trong ống: Đường kính ống dẫn khí vào và ra: Vk = 0,8 Chọn d = 30mm Dung môi sử dụng để xử lý bụi là Na2CO3 Áp suất toàn phần cần thiết để khắc phục tất cả sức cản thủy lực trong hệ thống: Khối lượng riêng của không khí ở 70oC: Chuẩn số Renol: vk : vận tốc khí đi trong ống vk = 10m/s Áp suất khắc phục trở lực ma sát: chọn chiều dài ống L = 1(m) Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực cục bộ: Áp suất cần thiết để khắc phục áp suất thủy tĩnh: Áp suất cần thiết để khắc phục trở lực trong tháp: Áp suất bổ sung ở cuối ống dẫn trong những trường hợp cần thiết: Vậy : Tính công suất quạt ly tâm: Tính công suất bơm: Tính bề dày thân: Thiết bị làm việc ở 70oC Áp suất làm việc Plv = 1at = 0,1013(N/mm2) Chọn vật liệu là thép không gỉ Kí hiệu thép: CT3 Giới hạn bền: σb = 380×106 (N/m2) Giới hạn chảy: σc = 240×106 (N/m2) Chiều dày tấm thép: b = 4 – 20 (mm) Độ dãn tương đối: δ = 25% Hệ số dẫn nhiệt: λ = 16,3 (W/moC) Khối lượng riêng: p = 7850(kg/m3) Chọn công nghệ gia công là hàn bằng tay hồ quang điện bằng cách hàn giáp mối hai bên. Hệ số hiệu chỉnh: η = 1 Hệ số an toàn bền kéo: ηk = 2,6 Hệ số an toàn bền chảy: ηc = 1,5 Hệ số bền mối hàn φ: thân hình trụ hàn dọc, hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp mối một bên, đường kính D = 200mm → hệ số bền mối hàn φh = 0,8 ( theo bảng XIII8 – trang 362 – sổ tay quá trình và thiết bị hóa học 2) Xác định áp suất làm việc trong tháp: P = Pmt + Plv Trong đó: Pmt: áp suất pha khí trong thiết bị, Pmt = 1at = 0,1013 (N/mm2 )= 101300(N/m2) Plv: áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị H = 0,5(m) = 500(mm) Xác định ứng suất cho phép của CT3 Theo giới hạn bền: Theo giới hạn chảy: → ta chọn áp suất bé trong 2 áp suất trên 146,15( N/mm2) Bề dáy thân hình trụ làm việc chịu áp suất trong, tính theo lý thuyết vỏ mỏng Bề dày tối thiểu của thân Tính C: C = C1 + C2 + C3 C1 = 10-3m: hệ số bổ sung bo bào mòn hóa học trong thời gian sử dụng thiết bị 15 năm, với tốc độ ăn mòn 0,06mm ( bảng XII.1 – trang 305 – sổ tay quá trình và thiết bị hóa học tập 2) C2: hệ số bổ sung do bào mòn cơ học, C2 = 0 C3: hệ số bổ sung do dung sai, C3 = 0,8×10-3m (bảng XIII.9 – trang 364 – sổ tay quá trình và thiết bị hóa học tập 2) → C = 10-3 + 0,8×10-3 = 1,8×10-3m → Bề dày thực của thiết bị → Chọn S = 2(mm) Kiểm tra điều kiện bền: Áp suất cho phép trong thân thiết bị khi bề dày S = 2(mm) → [P]> P(0,10375) → Vậy thân tháp có bề dày S = 2(mm) thỏa mãn điều kiện bền của áp suất làm việc Tính đáy và nắp tháp: Ta có: Phần lồi của đáy: h>=2×S nhưng không nhỏ hơn 25(mm) → chọn h = 30(mm) = 3(cm) Chiều cao toàn thân: H = 2×(h1+h)+H = 2×(5+3)+50 = 66 (cm) Bán kính cong phía trong của đỉnh đáy: Ta chọn đáy và nắp của tháp là elip. Vật liệu là thép không gỉ CT3 → Chọn elip tiêu chuẩn → tỉ số h1/D = 0,25 = 250(mm). H1: chiều cao phần lồi của đáy → h1 = D ×0.25 = 0,2 × 0,25 = 0,05( m) Chiều dày nắp Trong đó k=1 Và có: → Đại lượng P ở mẫu số có thể bỏ qua. Chiều dày: → Chọn S= 2(mm) Kiểm tra điều kiện bền: Áp suất trong thân thiết bị khi S= 2(mm) → [P] >P → bề dày đáy + nắp là S = 2 mm → Chọn đáy và nắp là elip có gờ (chiều cao gờ h =25(mm)) Tính bích: Bích dùng để ghép nắp với thân thiết bị và để nối các phần thiết bị với nhau Chọn bích làm bằng thép Vật liệu là thép không gỉ CT3 Bảng 3.1:Thông số của bích dùng để ghép nắp với thân thiết bị Chọn kiểu bích I (bảng XIII-27-trang 417- sồ tay quá trình và thiết bị hóa chất tập 2): STT Đại lượng Đơn vị Thông số 1 Py 106 N/m2 2 Dt mm 0,1 3 D mm 200 4 Db mm 305 5 Di mm 328 6 Do mm 300 7 Đường kính db mm 261 8 Số bulông 2 Cái 12 9 h mm 10 g khối lượng bích Ống dẫn lỏng vào ra : d = 20(mm) Bảng 3.2: Thông số của bích nối ống dẫn lỏng vào thiết bị: Chọn loại bích liền bằng khối lượng để nối Chọn bích I (bảng XIII 26-trang 410-sổ tay quá trình vả thiết bị hóa chất 2) Đại lượng Thông số Đơn vị Đk ống Dy 20 mm Đk ngoài D0 25 mm Đk ngoài của bích D 90 mm Đk tấm bulong D2 65 mm Đk ngoài mép vắt 50 mm Đk bulong db µ10 mm Số bulong 2 4 cái Chiều cao bích H 14 mm g Khối lượng bích: Bảng 3.3: Tính mặt bích nối ống dẫn khí vào ra : d = 30(mm) Đại lượng Thông số Đơn vị Đk ống Dy 30 mm Đk ngoài D0 38 mm Đk ngoài của bích D 120 mm Đk tấm bulong D2 90 mm Đk ngoài mép vắt 70 mm Đk bulong db µ12 mm Số bulong 2 4 cái Chiều cao bích H 12 mm g Khối lượng bích : Bảng 3.4: Bộ phận phân phối lỏng Chọn theo tiêu chuẩn thép CT3, dùng đĩa phân phối loại 2 (bảng IX. 22 - trang 230 - sổ tay quá trình và thiết bị hóa học tập 2) Đĩa phân phối loại 2 Đk tháp Đk đĩa Dd ống dẫn chất lỏng Đường kính lưới đỡ đệm d × S t (mm) Số lượng loại 2 (chiếc) Đường kính lưới D Chiều rộng của bước đệm 200 110 20×2 40 12 360 23 Tính lượng dung môi hấp thu: Lưu lượng khí đầu vào: Với V: thể tích hỗn hợp khí Trong đó: T0 : là nhiệt độ pha khí ở đk chuẩn 2730k T : là nhiệt độ pha khí ta đang xét 700 + 273= 3430k MSO2 , Mtr : phân tử gam của SO2 và không khí PSO2 : áp suất riêng phần của SO2 trong 1m3 không khí mà nồng độ SO2 ban đầu là 1222(mg/m3) Đổi ra Mg/m3 : g Ptr: áp suất riêng phần của khí trơ P0: áp suất của hỗn hợp khí ở d0k chuẩn = 760(mmHg) g Nồng độ khí dung dịch ra khỏi tháp: Cần xác định lưu lượng dung môi trơ: Nồng độ đầu và cuối của SO2 trong pha khí Yđ-Yc Lượng dung môi cần thiết: Xác định tỉ số mol của SO2 trong hỗn hợp khí đầu vào Yđ Nồng độ khí ban đầu : Nồng độ phần mol hay phần thể tích SO2 trong hôn hợp khí đầu vào: Xđ: phần mol SO2 trong pha lỏng Giả sử ban đầu là khí dd sạch nên Xđ=0 Đầu ra SO2 yêu cầu phải đạt T/c loại B (QCVN 19.2009. CSO2=0,5(g/m3)) gnồng độ mol của SO2 đầu ra: Nồng độ phần mol hay phần thể tích của SO2 trong hỗn hợp khí đầu ra: Tỉ số mol SO2 trong hỗn hợp khí đầu ra: Lượng cấu tử trong pha khí: g Phương trình đường làm việc của Tháp Phun Rỗng: Với : Giả sử quá trình hấp thụ hoàn toàn khí đó: Ycb=Yđ g xcb=Xc Với : g g Vậy : Chọn : Nồng độ dd ra khỏi tháp: Phương trình làm việc đi qua 2 điểm: A(Xđ , Yc) và B(Xc , Yđ) Phương trình có dạng : y= ax + b Nồng độ phần khối lượng của SO2 trong hh khí đầu vào: Lưu lượng khối tử phân tán: Khối lượng cấu tử phân tán SO2 được hấp thụ bởi dd Na2CO3 : Khối lượng cấu tử phân tán SO2 còn lại trong hh khí đầu ra: Lưu lượng khí đầu ra: Lưu lượng Na2CO3 đầu vào : Lưu lượng Na2CO3 đầu ra: Chân đỡ: Để chon được chân đỡ thích hợp, trước tiên ta phải tính tải trọng của toàn tháp. Chọn vật liệu chân đỡ là thép CT3. Khối lượng của thép CT3 là: Khối lượng riêng của thép không gỉ X18 H10T là p = 1×0,1×po = 7,93×103 (kg/m3) (theo bảng XIII.9 trag 364 – sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2), ta có thép tấm dày 2mm thì có khối lượng thân là: Khối lượng đáy và nắp ( bảng XIII.11 trang 384) Ốc vít: 8 cái (bích) + 4 (nắp thăm) = 12 cái = 1kg Ống dẫn bằng tôn dài 1m = 1kg Ống nhựa 5m = 1kg Na2CO3 = 0,19193 kg/s Khối lượng bích: m1 = 1,535 kg m2 = 0,645kg m3 = 0,96 kg m bích = m1 + m2 + m3 = 3,14 kg Khối lượng tháp = 6,2 + 6,6 + 1 + 1+ 1 + 3,14 + 0,19193 = 19,1 kg + 6kg trừ hao = 25 (kg) Lưu lượng dung dịch G và khối lượng toàn tháp: G = ξm × g = 25 × 9,81 = 245,25 (N) Ta chọn chân đỡ gồm 3 chân → tải trọng trên một chân đỡ: 81,75 N ( theo bảng XIII.35 – trang 437 – sổ tay quá trình và thiết bị hóa chất tập 2) Bề mặt đỡ:40,5× 10-4 (m2) Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ: 0,25×10-6 (N/m2) Bảng 3.5: các thông số về cân đỡ Các thông số về cân đỡ được trình bày theo bảng sau L B B1 B2 H h S L d 70 60 60 90 150 105 4 30 14 Ống khói: Đường kính ống khói: Chọn vận tốc khí trong ống khói v = 12 (m/s) Chiều cao ống khói: Ta chọn chiều cao ống khói là: H = 20(m) . Bể chứa bùn và dung môi: Lưu lượng bụi: Lưu lượng bùn: Chọn kích thước bể: Chiều cao H = 0,5 m Chiều dài bề L = 0,7 m Chiều rộng bể B = 0.5 m CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ Kết luận