TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
Biogas
1.1.1 Giới thiệu Biogas a Khái niệm về Biogas [1]
Biogas là sản phẩm khí được tạo ra từ quá trình lên men kị khí, trong đó các hợp chất hữu cơ phức tạp được phân giải thành các hợp chất hữu cơ đơn giản, với khí Metan là sản phẩm chính Khí Metan có thể được sử dụng làm nhiên liệu để sinh nhiệt Thành phần chính của biogas bao gồm CH4 (40-70%), CO2 (35-40%) và các khí khác như H2S, CO, N2, O2 với hàm lượng thấp.
Khí CH4, một loại khí không màu và không mùi, nhẹ hơn không khí, khi đốt hoàn toàn sẽ tạo ra khoảng 5500 – 6000 kcal cho mỗi mét khối, tương đương với 0,5 – 0,7 lít dầu diesel Ở quy mô nhỏ, biogas có thể được sử dụng trực tiếp để đun nấu và sưởi ấm, trong khi ở quy mô lớn hơn, nó có thể làm nhiên liệu cho động cơ và phát điện Tuy nhiên, để ứng dụng công nghiệp, biogas cần được lọc sạch tạp chất, đặc biệt là Hydro sulfide (H2S) và Siloxane (SiO2), vì chúng có thể gây ăn mòn kim loại và phá hủy thiết bị.
Tính chất của biogas chủ yếu được xác định bởi thành phần khí của nó, trong đó CH4 (methane) và CO2 (carbon dioxide) là hai thành phần chính Do đó, tính chất của biogas sẽ phụ thuộc vào các đặc điểm của hai loại khí này.
Biogas có tỉ lệ thành phần gồm 60% CH4 và 40% CO2, với khối lượng riêng là 1,2196 kg/m³ và nhiệt trị đạt 8,576 Kcal/m³, cho thấy biogas nhẹ hơn không khí với tỷ trọng 0,94 Nguồn nguyên liệu và các yếu tố tác động đến sự hình thành biogas cũng rất quan trọng.
Các chất hữu cơ từ nguồn gốc sinh học có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho các thiết bị khí sinh học, và chúng được phân loại thành hai nhóm chính: nguyên liệu có nguồn gốc động vật và nguyên liệu có nguồn gốc thực vật.
+ Nguyên liệu có nguồn gốc từ động vật:
Phân hữu cơ bao gồm phân người, phân gia súc, gia cầm, và các bộ phận cơ thể động vật như xác động vật, rác thải và nước thải từ các lò mổ, cơ sở chế biến thủy hải sản Những loại phân này dễ phân hủy và nhanh chóng tạo ra khí sinh học nhờ vào quá trình tiêu hóa, mặc dù thời gian phân hủy chỉ kéo dài từ 2-3 tháng và lượng khí thu được từ 1kg phân không lớn Phân trâu, bò, lợn phân hủy nhanh hơn, trong khi phân người và phân gà, vịt phân hủy chậm hơn nhưng có năng suất cao hơn Sản lượng phân trên mỗi đầu gia súc phụ thuộc vào trọng lượng cơ thể và chế độ dinh dưỡng, với hàm lượng chất khô của phân tươi khoảng 20% và phần còn lại là nước Các loại phân thường chứa nhiều Nitơ, với hiệu suất sinh khí dao động từ 0,2-0,3 m³/kg/ngày và hàm lượng Metan trong khí sinh học sản xuất từ phân chiếm khoảng 50-70%.
+ Nguyên liệu có nguồn gốc thực vật:
Nguyên liệu thực vật bao gồm phụ phẩm cây trồng như rơm rạ, thân lá ngô, khoai đậu, rác sinh hoạt hữu cơ như rau, quả, lương thực bỏ đi, và các loại cây xanh hoang dại như bèo và cỏ sống dưới nước Những nguyên liệu này có lớp vỏ cứng rất khó phân hủy, đặc biệt là khi chúng càng già Để quá trình phân hủy diễn ra thuận lợi, cần xử lý sơ bộ các nguyên liệu thực vật bằng cách chặt, băm, đập nhỏ và ủ sơ bộ, nhằm phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng diện tích bề mặt cho vi khuẩn tấn công Thời gian phân hủy của nguyên liệu thực vật thường kéo dài hơn so với các loại phân khác, có thể mất hàng năm.
Nguyên liệu thực vật nên được nạp từng mẻ nhỏ, mỗi mẻ kéo dài từ 3-6 tháng Trong đề tài “Tổng hợp Biogas từ rác thải hữu cơ để chiếu sáng trong công viên”, nguyên liệu chính được sử dụng là rác thải sinh hoạt.
Sản lượng khí thu được từ quá trình lên men trong các thiết bị khí sinh học thường thấp hơn so với lý thuyết do nguyên liệu không được phân hủy hoàn toàn trong thời gian nhất định Bảng dưới đây cung cấp số liệu tham khảo về một số nguyên liệu phổ biến, trong đó sản lượng khí hàng ngày được tính dựa trên lượng nguyên liệu nạp vào hàng ngày (lít/kg/ngày) Đối với phân động vật, phương thức nạp nguyên liệu là liên tục bổ sung hàng ngày, trong khi thực vật được nạp theo từng mẻ.
Bảng 1.1 Đặc tính và lượng khí sinh ra của một số nguyên liệu
Lượng thải hằng ngày (kg)
Sản lượng khí hằng ngày (l/kg)
Tổng lượng khí cho l/ngày tính trung bình/con Phân bò
Để đảm bảo môi trường phân giải diễn ra an toàn tuyệt đối, cần chú ý đến một số yếu tố quan trọng như điều kiện yếm khí, nhiệt độ, độ pH, thời gian và việc tránh xa các độc tố.
Điều kiện yếm khí đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật Vi sinh vật tạo khí trong hầm ủ rất nhạy cảm với sự hiện diện của oxy; nếu có oxy, hoạt động của vi sinh vật yếm khí sẽ giảm sút hoặc ngừng hoàn toàn.
Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình lên men của vi khuẩn sinh khí methane, với hai vùng nhiệt độ thích hợp: messophilic (20-45°C) và thermophilic (trên 45°C) Nhiệt độ tối ưu cho vùng messophilic là 35°C, trong khi vùng thermophilic là 55°C Sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ có thể làm gián đoạn quá trình sinh khí, vì vi khuẩn này rất nhạy cảm với nhiệt độ, với biên độ thay đổi cho phép là 10°C mỗi ngày Nhiệt độ dưới 10°C làm giảm hoạt động của vi khuẩn, dẫn đến việc sản xuất khí methane rất ít hoặc không có Ở Việt Nam, nhiệt độ trung bình từ 18-32°C tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vật và quá trình sinh khí methane.
Độ pH đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của vi khuẩn sinh khí methane, với mức pH lý tưởng từ 6,5 đến 7 Khi pH vượt quá 8 hoặc dưới 6, hoạt động của nhóm vi khuẩn này sẽ giảm nhanh chóng.
Để đảm bảo quá trình sinh khí diễn ra bình thường và liên tục, cần cung cấp đầy đủ nguyên liệu cho sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn, trong đó thành phần chủ yếu là carbon (C) và nitơ (N) Carbon nên được cung cấp dưới dạng carbohydrate, trong khi nitơ có thể ở dạng nitrate, protein hoặc amoniac Ngoài việc cung cấp đủ lượng C và N, cần đảm bảo tỉ lệ C/N phù hợp, với tỉ lệ tối ưu từ 25/1 đến 30/1, nhằm duy trì cân đối dinh dưỡng cho hoạt động sống của sinh vật kỵ khí, trong đó C cung cấp năng lượng và N tạo cấu trúc tế bào.
Tỉ lệ phân/nước là yếu tố quan trọng trong quá trình phân hủy; nếu phân quá loãng sẽ không đủ cho sự phân hủy, trong khi đó nếu quá đặc sẽ làm cứng hầm ủ và cản trở thoát khí Tỷ lệ lý tưởng cho sự phân hủy nên dao động từ 1/3 hoặc 1/4 đến 1/7 Dịch thải tốt có màu đen sậm, và nước thải sau quá trình phân hủy trong công nghệ hầm ủ biogas sẽ giảm mùi hôi, không có ruồi nhặng, từ đó tiêu diệt mầm bệnh, đặc biệt là ký sinh trùng và các bệnh lây lan khác.
Phân compost
Phân Compost, hay còn gọi là phân rác, là loại phân hữu cơ được chế biến từ các nguyên liệu như rác thải, cỏ dại, thân lá cây xanh, bèo tây, rơm rạ và chất thải sinh hoạt như rau củ thừa, héo hay hỏng Quá trình ủ phân này thường sử dụng thêm một số loại phân men như phân chuồng, nước tiểu, lân, vôi và tro bếp, cho đến khi chúng hoai mục Phân Compost được sử dụng để bón cho cây trồng, tương tự như nhiều loại phân chuồng và phân hữu cơ khác.
Quá trình chế biến Compost là sự phân hủy sinh học và ổn định chất hữu cơ ở nhiệt độ cao, tạo ra nhiệt và sản phẩm cuối cùng ổn định Sản phẩm này không mang mầm bệnh và rất hữu ích cho việc ứng dụng trong trồng trọt.
Quá trình làm Compost có thể phân ra làm các giai đoạn khác nhau dựa theo sự biến thiên nhiệt độ:
+ Pha thích nghi (latent phase) là giai đoạn cần thiết để vi sinh vật thích nghi với môi trường mới.
+ Pha tăng trưởng (growth phase): đặc trưng bởi sự gia tăng nhiệt độ do quá trình phân hủy sinh học đến ngưỡng nhiệt độ mesophilic.
Pha ưu nhiệt là giai đoạn có nhiệt độ cao nhất trong quá trình xử lý chất thải, đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định hóa chất thải và tiêu diệt hiệu quả vi sinh vật gây bệnh.
Giai đoạn trưởng thành (maturation phase) là thời điểm mà nhiệt độ đạt đến mức mesophilic và cuối cùng tương đương với nhiệt độ môi trường xung quanh Trong giai đoạn này, quá trình lên men thứ hai diễn ra chậm rãi, tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành chất keo mùn, quá trình chuyển hóa các phức chất hữu cơ thành mùn, cùng với việc giải phóng các khoáng chất thiết yếu như sắt, canxi và nitơ.
…) và cuối cùng thành mùn.
Chất này làm bằng vật liệu nấm, phân gà, phân ngựa, rơm lúa mì và thạch cao Nó có nhiều dưỡng chất và giúp tạo cấu trúc đất
Làm từ thân cây, cành, lá cây và cọng cỏ Nó giữ nước trong đất và giúp cải thiện cấu trúc đất.
Có thể tạo ra phân compost từ các nguyên liệu như bánh mì, vỏ trứng, rác vườn, chất hữu cơ, rau và mảnh trái cây Phân compost này chứa nhiều dưỡng chất, giúp cải thiện cấu trúc đất hiệu quả.
Compost cứng sinh học là chất rắn khô được tạo ra từ quá trình xử lý rác thải Khi được trộn với đất hoặc chất hữu cơ, nó sẽ chuyển hóa thành compost giàu dinh dưỡng Sản phẩm này cung cấp nhiều dưỡng chất cần thiết cho cây trồng.
1.2.2 Quy trình làm phân compost và các yếu tố ảnh hưởng a Quy trình làm phân compost[8]
Bước 1: Làm thùng ủ rác hữu cơ và chọn vị trí đặt thùng
- Chọn loại thùng bằng nhựa, hình tròn, dung tích 160lít được bán phổ biến tại các chợ.
Thùng nhựa được thiết kế với vách thùng khoan nhiều lỗ nhỏ cách nhau từ 10 cm đến 15 cm, giúp đảm bảo thông thoáng Ngoài ra, hai bên thành thùng gần mép đáy còn được khoan hai cửa vuông kích thước khoảng 2 - 3 tấc vuông để thuận tiện cho việc lấy phân.
Chọn vị trí đặt thùng rác cách xa nguồn nước sinh hoạt để đảm bảo vệ sinh Nên làm bệ bằng gạch hoặc xi măng và đặt chậu nhựa bên dưới để thu nước rỉ từ rác Nước rỉ này có thể được sử dụng để tưới lên đống rác ủ trong thùng, giúp tăng tốc độ phân hủy thành phân hữu cơ.
Bước 2: Phân loại rác và bỏ rác hữu cơ vào thùng
Rác hữu cơ là các loại rác có khả năng phân hủy nhanh chóng, thường trong vòng vài tháng, bao gồm rau, trái cây, rơm, lá non, thực phẩm và phân gia súc Để xử lý hiệu quả, cần bỏ các nguyên liệu rác hữu cơ đã được phân loại vào thùng ủ.
Khi chăm sóc vi sinh vật, cần lưu ý không sử dụng lá bạch đàn, lá tràm, lá xả tươi, vỏ cam và vỏ quýt, vì những loại này chứa tinh dầu có thể gây hại cho sự phát triển của chúng.
Rác vô cơ bao gồm các loại chất thải khô và khó phân hủy như vỏ xe, sành sứ, gạch vỡ, thủy tinh và cát Những loại rác này có khả năng được tái sử dụng hoặc tái chế, nhưng không nên bỏ vào thùng ủ vì chúng không thể phân hủy.
Bước 3: Quá trình ủ rác thành phân compost
+ Nếu bóp thấy nước rỉ ra ngoài kẻ tay là thừa nước, cần bổ sung thêm lá cỏ khô, rơm rạ để điều chỉnh độ ẩm.
+ Nếu bóp thấy rác dính chặt thì độ ẩm đạt yêu cầu.
+ Nếu bóp thấy rác không dính chặt (bời rời) thì không đủ nước, cần bổ sung thêm nước (vừa đủ).
- Đảo trộn và kiểm tra nhiệt độ:
Sau 10 ngày, hãy đảo phân và rác trong thùng một lần, chú ý đảo từ trong ra ngoài và từ ngoài vào trong để đảm bảo các vật liệu được trộn đều Nếu trong quá trình đảo thấy phân bị khô, cần bổ sung nước bằng cách tưới để duy trì độ ẩm ở mức 60%.
+ Sau 2-3 tháng, rác sẽ phân hủy thành phân compost.
Để kiểm tra nhiệt độ của khối phân ủ, bạn hãy sử dụng một cành tươi cắm vào giữa Sau khoảng 5 đến 6 ngày, rút cành ra và chạm vào phần cắm trong khối phân Nếu cảm thấy cành cây nóng mạnh, điều này cho thấy quá trình ủ đang diễn ra hiệu quả.
Nếu nhiệt độ trong quá trình ủ phân không tăng lên, có thể là do thiếu độ ẩm, thiếu vi sinh vật cần thiết hoặc do các vật liệu bị nén quá chặt.
- Khi rác có mùi hôi, ruồi nhặng:
+ Rải một lớp đất mỏng khô hoặc rơm rạ, lá cỏ khô.
+ Hoặc dùng tro bếp rải lên bề mặt đống ủ để giảm mùi hôi và ruồi, sau đó tiếp tục bổ sung thêm rác.
+ Không nên bổ sung thêm nước vào thùng rác.
- Lấy phân compost ra ngoài:
+ Sau 2-3 tháng thì lớp phân bên dưới đáy thùng sẽ phân hủy trước Ta lấy phân ra từ 2 cửa bên dưới.
Phân compost có đặc điểm là tơi xốp, hạt mịn, không có mùi hôi thối và có màu nâu đen Loại phân này được lấy ra từ cửa bên dưới để bón cho rau màu và cây kiểng, giúp cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng một cách hiệu quả.
XÂY DỰNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
Quy trình công nghệ
Hình 2.9 Sơ đồ công nghệ hệ thống sản xuất Biogas.
2.1.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ.
Nguyên liệu đầu vào cho quá trình phân hủy là rác thải hữu cơ, bao gồm thực phẩm hỏng hoặc thừa, cùng với thân, cành và lá cây Những nguyên liệu này sẽ được xử lý sơ bộ bằng cách chặt, băm, đập nhỏ và ủ, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân hủy, phá vỡ lớp vỏ cứng và tăng diện tích bề mặt để vi khuẩn có thể tấn công hiệu quả hơn.
Nguyên liệu được đưa vào hầm ủ (thiết bị 1) và được trộn đều bằng cánh khuấy nhằm nâng cao hiệu suất quá trình ủ, có thể bổ sung thêm vi sinh vật Để ngăn ngừa thất thoát khí, hầm Biogas được trang bị các van một chiều tại đầu vào và đầu ra.
Sau khoảng 30 ngày, cần tiếp tục nạp nguyên liệu hàng ngày do lượng nguyên liệu ban đầu đã bị phân hủy đáng kể Quá trình này diễn ra liên tục, với lượng nguyên liệu bổ sung hàng ngày Khi khí sinh ra trong hầm tăng lên, áp suất trong hầm cũng sẽ tăng, khiến khí di chuyển qua thùng chứa khí.
Thiết bị tách H 2 S (3) Đèn biogas
Sản xuất điện Bón cây, cải tạo đất
Khí Biogas sẽ được xử lý để loại bỏ H2S và CO2 nhằm giảm mùi hôi và cải thiện hiệu suất đốt cháy Sau khi khử H2S và CO2, khí Biogas có thể được sử dụng để thắp sáng đèn Biogas, nấu ăn, và sản xuất điện.
- Còn bã thải được bổ sung một số khoáng (K, N, P,…) sẽ tạo thành phânCompost dùng để bón cây, cải tạo đất…
Tính toán công nghệ
Khí sinh học là nguồn năng lượng lý tưởng để cung cấp ánh sáng cho những khu vực thiếu điện Đèn khí sinh học, tương tự như đèn măng-sông nhưng không sử dụng dầu hỏa, sử dụng khí sinh học để phát sáng Loại đèn này có khả năng chiếu sáng với công suất tương đương, mang lại giải pháp hiệu quả cho việc thắp sáng.
Đèn khí sinh học, với công suất tiêu thụ 60 lít khí/giờ, đã được sử dụng rộng rãi và an toàn, mang lại hiệu quả trong việc tiết kiệm điện năng Nếu sử dụng đèn trong khoảng 6 giờ mỗi ngày, lượng khí sinh học tiêu tốn sẽ là 360 lít.
Hình 2.10 Đèn khí sinh học
Tính toán thiết bị
Theo GS.TS Nguyễn Văn Phước, nguyên liệu là hỗn hợp chất hữu cơ với khả năng sinh khí hạn chế, chỉ tạo ra khoảng 0,5 lít khí sinh học cho mỗi kg chất thô mỗi ngày Do đó, để sản xuất 360 lít khí sinh học trong một ngày, cần một lượng nguyên liệu thô đáng kể.
Số kg nguyên liệu thô 360 0,5 720( ) kg
Khối lượng riêng của nguyên liệu là 297 kg/m 3 [15]
Vậy thể tích nguyên liệu là: 720 2, 42 3
Thể tích bể phân hủy là: 2,5m 3
Vậy kích thước của bể ủ là: 1,6m x 1,2m x 1,4m.
Bể chứa khí có kích thước 0,5m³ với bán kính r = 0,34m và chiều cao h = 1,4m Theo thực nghiệm, áp suất trong bể dao động từ 1,5 đến 3 atm, tuy nhiên do mô hình sản xuất nhỏ, giá trị áp suất được chọn là 1,5 atm.
2.3.2 Tính toán thiết bị phụ
Từ dữ kiện tính toàn ở mục 2.3, chúng ta có thể tóm tắt số liệu để tính toán cho thiết bị phụ như sau:
- Thành phần khí 60% CH4, 35% CO2, 3% H2S, 2% khí khác.
- Áp suất ban đầu là 1,5 atm.
- Nồng độ của nước sau khi tách CO2 là 1%.
- Hiệu suất của quá trình là 60%. a Tính toán tháp đệm tách CO2
Xây dựng đường cân bằng và đường làm việc
- Do hỗn hợp cần xử lý là khí nên phần trăm thể tích cũng là phần trăm mol
yd = 0,35 (Kmol CO2/Kmol hỗn hợp).
- Nồng độ phần mol tương đối đầu của CO 2 trong hỗn hợp khí
- Nồng độ cuối của CO2 trong pha khí:
mol yc: nồng độ phần mol của khí cần hấp thụ trong hỗn hợp
- Nồng độ mol tương đối trung bình:
- Nồng độ phần mol trung bình:
- Lưu lượng hỗn hợp khí:
- Lượng CO2 được hấp thụ:
- Nồng độ đầu của CO2trong nước ta xem như bằng 0
- Nồng độ cuối của CO2trong nước ta chọn bằng x’c= 1% khối lượng.
nồng độ phần mol của CO2trong dung môi:
- Nồng độ phần mol tương đối của CO2trong nước:
- Xây dựng đường cân bằng và làm việc như sau:
- Phương trình đường cân bằng có dạng: [13;140]
là hằng số cân bằng pha
P là áp suất chung của hỗn hợp khí = 1,5 atm, 30 o C
Tra bảng IX.1 [13 ;139]ta có:
- Phương trình đường làm việc đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một thiết diện bất kì đến phần trên của thiết bị:
Gtr(Yd – Yc) = Gx(Xc – Xd) [13;140]
Xdlà nồng độ ban đầu của cấu tử cần hấp thụ trong dung môi.
Yclà nồng độ cuối của cấu tử cần hấp thụ trong hỗn hợp khí
Gx là lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ.
Gtrlà lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thụ.
- Lượng dung môi tiêu tốn thực tế:
- Lưu lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ:
- Phương trình đường làm việc: Gtr(Y – Yc) = Gx(X – Xd) [13;140]
Như vậy ta đã xây dựng được đường cân bằng: 1236,8.
Tính đường kính thiết bị:
- Tính khối lượng riêng trung bình: Đối với pha lỏng, áp dụng công thức:
Trong đó: ρxtp: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m 3
CO 2 a : phần khối lượng trung bình của CO2trong hỗn hợp.
, H O 2 : khối lượng riêng của CO2và H2O ở 30 0 C kg/m 3
- Phần khối lượng trung bình của CO2trong pha lỏng:
Xtblà nồng độ phần mol trung bình của cấu tử cần hấp thụ trong pha lỏng.
Suy ra khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng:
Đối với pha khí: Áp dụng công thức:
→ Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp:
ytb : khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí đi trong tháp
Mytb: phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí
T0: nhiệt độ ở điều kiện tiêu chuẩn (273 0 K)
T: là nhiệt độ làm việc của tháp,T= 273 + 30 = 303 0 K
P0: là áp suất tiêu chuẩn, P0= 1atm
P: là áp suất làm việc của tháp, P = 1,5 atm
Ta có Mytb= ytb.MCO2+ (1 - ytb).MCH4= 0,27 44 + (1 – 0,27).16 = 23,56 (xem hỗn hợp khí ban đầu chỉ chứa CO2và CH4).
- Tính đường kính tháp: Áp dụng công thức: 4
Vytb: lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h ωytb :tốc độ khí trung bình đi trong tháp, m/s
Tính lưu lượng thể tích khí và lỏng trung bình đi trong tháp: ytb ytb ytb ytb
GYtb: lưu lượng khí trung bình đi trong tháp, kmol/h
Mytb: khối lượng phân tử trung bình đi trong tháp, kg/kmol ρYtb: khối lượng riêng trung bình của khí trong tháp, kg/m 3
- Tốc độ khí trong tháp được tính như sau: Áp dụng công thức: Y = 1,2e -4X [14;187]
Trong đó: ωs: là vận tốc đảo pha, m/s
Vđ: thể tích tự do của đệm, m 3 /m 3 σd: bề mặt riêng của đệm, m 2 /m 3
Vì tháp hấp thụ chứa dung dịch H2CO3nên có tính axit, do đó ta chọn loại đệm Rasig (đệm bằng sứ) có thông số như sau:
Gx, Gy: lượng lỏng và hơi trung bình (kg/s)
Thay các giá trị trên vào(*)
Từ phương trình của Y ta có:
Độ nhớt của dung dịch (μx) và nước (μn) ở nhiệt độ trung bình được xác định bằng công thức: lgμx = xtb.lgμCO2 + (1-xtb)lgμn, trong đó μCO2 và μH2O lần lượt là độ nhớt của CO2 và H2O.
Tra bảng I.108[14,] ta được μCO2= 1,52.10 -6 lgμx= 0,002.lg(1,52.10 -6 ) + (1 – 0,002).lg(0,8007.10 -3 ) μ x = 0,791.10 -3
Thay các giá trị vào công thức biến đổi sau:
Theo thực nghiệm, quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bọt mang lại hiệu quả tốt nhất, tuy nhiên trong thực tế, tháp đệm chỉ hoạt động ổn định ở tốc độ đảo pha Nếu tốc độ tăng quá cao, sẽ gây khó khăn cho quá trình ổn định Do đó, tốc độ làm việc thường được chọn là ωy = (0,8-0,9)ωs, cụ thể là ωy = 0,8ωs = 0,045 x 0,8 = 0,036 m/s.
Ta chọn đường kính tháp là 50mm
Tính chiều cao của tháp Áp dụng công thức tính chiều cao của lớp đệm: [13;175]
Trong đó: my: số đơn vị chuyển khối xác định theo nồng độ trong pha hơi hdv: chiều cao trong một đơn vị chuyển khối
Ta áp dụng công thức:
Trong đó: h1,h2:chiều cao của 1 đơn vị chuyển khối pha khí, pha lỏng
Gx, Gy: lưu lượng trung bình của pha lỏng, pha khí m: hệ số góc của đường cong cân bằng
V đ : thể tích tự do của đệm, V đ = 0,62. a: hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, ở đây ta chọn loại đệm vòng nên a = 0,123 [13;177]
Rey: chuẩn số Reynol pha hơi được tính như sau:
Với: ωy= ωytb= 0,036 m/s ρy: khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp khí trong tháp ρy= ρytb= 1,42 σd: bề mặt riêng của đệm, σd= 1000 μy: độ nhớt trung bình của pha khí.[13;85]
[13;163] μy: độ nhớt của hỗn hợp khí (Ns/m 2 ) ρy: khối lượng riêng trung bình của pha khí, (kg/m 3 )
Dy: hệ số khuếch tán của pha khí, m 2 /s
CO CH v v : Thể tích mol của CO2 và CH4 [13;127]
Ψ thường được chọn bằng 1 khi tỉ số của mật độ tưới/thiết diện tháp lớn hơn 1[13,178]
- Tính chiều cao của một đơn vị chuyển khối pha lỏng
Trong đó: μ x , ρx : lần lượt là độ nhớt trung bình và khối lượng riêng trung bình của pha lỏng.
Với: Ft: diện tích mặt cắt của tháp, Ft = 3,14.0,025 2 = 1,96.10 -3 (m 2 )
Với: Dx là hệ số khuếch tán trong pha lỏng được tính như sau:
A,B là hệ số liên hợp:
Các chất khí tan trong nước: A =1 [13 ;134]
Với dung môi là nước: B =4,7 [13 ;134] νCO2, νH2Olần lượt là thể tích mol của CO2và H2O [13 ;127] μH2Olà độ nhớt cuả nước ở 20 0 C, μH2O =1,005.10 -3 Ns/m 2 νCO2= 34, νH2O= 18,9
Thay các giá trị ta được:
Từ phương trình đường cân bằng, ta có m=0,04
Chiều cao một đơn vị chuyển khối
- Tính số đơn vị chuyển khối xác định theo pha khí: d c
Giải tích phân này ta được my Trong thực tế số đơn vị chuyển khối trong khoảng (5 – 7 ) Chọn m y = 7.
Vậy chiều cao lớp đệm Hd = 4,79.10 -3 7 = 0,034 (m)
Vậy chiều cao của tháp Ht = Hd + Hd-nắp + Hd-đáy = 0,034 + 0,05 + 0,05 = 0,134 (m)
Như vậy sau khi qua tháp hấp thụ CO2, thông số của hỗn hợp khí gồm:
Lưu lượng: G = Gd – GCO2= 0,0067 – 0,00014 = 0,00656 kmol/h
Hàm lượng H2S = 3% Áp suất: P = 1,5 atm (Do chiều cao tháp nhỏ nên có thể bỏ qua trở lực). b Tính toán tháp hấp phụ tách H2S
Ta có: Đường kính hạt trung bình: dh= 4 mm Độ xốp: 22%
Diện tích bề mặt riêng: S = 20 m 2 /g
Xác định vận tốc dòng khí
Vận tốc dòng khí đi vào tháp hấp phụ theo thực nghiệm giá trị tối ưu trong khoảng (0,007-1) m/s Ta chọn ω = 0,007 m/s.
Tính đường kính thiết bị:
D là đường kính thiết bị (m)
G là lưu lượng khí đưa vào, G= 0,00656 kmol/h = 0,1469 m 3 /h = 4,081.10 -5
(m 3 /s). ω là tốc độ dòng khí trong thiết bị đã tính ở trên
Tính chiều cao thiết bị
Chiều cao lớp hấp phụ được tính theo công thức:
Với: hy: là chiều cao một đơn vị chuyển khối y y h V
V: là lưu lượng hỗn hợp hơi, m 3 /s
S: là diện tích thiết diện ngang của lớp hấp phụ, m 2
Ky: là hệ số truyền khối được tính như sau:
Trong đó: ωk: tốc độ dòng khí dh: đường kính trung bình hạt hấp phụ, dh= 4 mm (~ sợi 2x100 mm)
D: là hệ số khuếch tán pha khí:
H S 2 v là thể tích mol cuả H2S, v H S 2 = 32,9
CH 4 v là thể tích mol cuả CH4, v CH 4 = 29,6
Nhiệt độ làm việc ở 30 0 C, áp suất làm việc 1,5 at.
� � νk: độ nhớt của hỗn hợp khí được tính như sau: yd= 0,03
Hiệu suất của quá trình tách 70% nên ta có:
Nồng độ mol tương đối trung bình:
CH 4 v : độ nhớt của CH4, v CH 4 = 109.10 -7 Ns/m 2
Theo thực nghiệm thì với quy mô của mô hình như thế này thì m = (2 - 3), chọn m =2 Như vậy ta có chiều cao của tháp hấp phụ H = m.hy= 2.0,52 =1,04 m
