CHƯƠNG III: MÔ HÌNH XỬ LÝ KHÍ HF BẰNG VẬT LIỆU HẤP PHỤ
Fe 2 O 3 -MnO 2 (QUY MÔ PHÒNG THÍ NGHIỆM)
3.3. Tính toán thiết bị tháp hấp phụ
3.3.1.Truyền nhiệt
Gạch xốp cách nhiệt.
Hình 3.4 Gạch xốp cách nhiệt
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của gạch xốp cách nhiệt [11]
Tỷ trọng
g/cm3 Hệ số dẫn nhiệt
λ, W/m.độ Độ bền nén
N/mm2 Kích thước mm
Trọng lượng
kg
0,5 0,15 5,5 230×114×65 1,2
Giả sử trong hệ, ta đặt 2 lớp gạch xốp cách nhiệt, chọn nhiệt độ tiếp xúc giữa lớp 1 và 2 là 50oC.
Gọi nhiệt độ tiếp xúc giữa lớp 2 và lớp ngoài cùng là t3oC Ta có: t1 = 120oC
Nhiệt lượng dẫn qua lớp 1:
Q1 = (W)
Nhiệt lượng dẫn qua lớp 2:
Q2 = (W)
Có R1 = ln = ln = 0,63(độ.m/W) Như vậy : Q1 = Q2 = = 33,33 (W) Có R2 = ln = ln = 0,39 (độ.m/W) Q2 = = t3 = 70C
Khi đặt 2 lớp gạch xốp cách nhiệt thì nhiệt độ giảm từ 1200C xuống 7oC. Vì vậy chỉ cần đặt một lớp gạch xốp cách nhiệt.
Bông thủy tinh
Hình 3.5 Bông thủy tinh Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của bông thủy tinh [11]
Độ dày δ mm
Hệ số dẫn nhiệt
λ, W/m.độ
Nhiệt dung riêng
Cp, J/kg.độ
Hệ số khuếch tán nhiệt
a, m2/s
Chiều dài m
Chiều rộng
m
20 0,037 67 0,278 1,2 0,6
Buồng hấp phụ
Buồng hấp phụ có đường kính ngoài Dn = 8cm, Dtr = 6,5 cm, cao H = 30cm.
Bao gồm một lớp lõi thép đen bên trong và bọc bằng inox bên ngoài. Trên thân buồng hấp phụ có 6 đầu điện trở chia đều làm 3 hàng mỗi hàng cách nhau 10cm.
Các điện trở được nối với nhau bởi dây dẫn điện và nối với bộ điều khiển nhiệt độ để gia nhiệt cho buồng hấp phụ. Ở giữa 2 đầu điện trở có 1 dây biến nhiệt nối với bộ điều khiển tác có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ trong buồng hấp phụ (khi cài đặt nhiệt độ là 120oC dây dẫn điện sẽ cấp điện vào các đầu điện trở gia nhiệt cho lõi thép đen khi đã đạt nhiệt độ cài đặt bộ điều khiển sẽ tự động ngắt và khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ cài đặt thì bộ điều khiển sẽ bật và tiếp tục gia nhiệt cho buồng hấp phụ)
Tháp hấp phụ
Trong hệ có 3 viên vật liệu với kích thước từng viên: 5 × 5 × 10 cm.
+ Tổng đường kính của tháp: bao gồm đường kính của buồng hấp phụ, chiều dày của 1 lớp gạch xốp chịu nhiệt dày 10 cm và chiều dày của 1 lớp bông thủy tinh dày 2cm
Đường kính của tháp: 8 + 10 ×2 + 2 2= 32 cm
+ Tổng chiều cao của tháp: bao gồm chiều cao của lớp vật liệu hấp phụ và chiều cao của nắp và đáy
Tổng chiều cao của tháp: 10×3 +10×2 = 50 cm.
Lưu lượng khí đầu vào chọn: Q = l/s
3.3.2. Tính toán cân bằng vật chất
Có: Cđ = 0.002 mg/l= 0,2.10 -5 kg/m3
3.3.2.1. Trong hỗn hợp khí đầu vào
Phần mol hơi HF trong hỗn hợp khí đầu vào:
Phần khối lượng hơi HF trong hỗn hợp khí đầu vào:
Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu vào:
Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp khí đầu vào:
=8,835.10-5
Lưu lượng khối lượng của hơi HF trong hỗn hợp khí ban đầu : 8,835.10-5 = 1,964.10-10
Lưu lượng khối lượng của không khí trong hỗn hợp khí đầu vào:
= 8,835.10-5 = 8,835.10-5
3.3.2.2. Trong hỗn khí đầu ra
Phần mol hơi HF trong hỗn hợp khí đầu ra:
Phần khối lượng hơi HF trong hỗn hợp khí đầu ra:
Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu ra:
Khối lượng hơi HF bị hấp phụ bởi vật liệu hấp phụ:
Lưu lượng khối lượng của hơi HF trong hổn hợp khí đầu ra:
Lưu lượng khối lượng của hổn hợp khí đầu ra:
3.3.2.3. Vận tốc dòng khí qua tháp
F = m2 ( kích thước vật liệu là 5 5 cm )
3.3.2.4. Hệ số truyền khối
Với điều kiện quá trình hấp phụ đẳng nhiệt được biểu diễn bằng phương trình Langmuir :
(4.3)
Trong đó:
Từ (4.3), (4.4), (4.5), ta suy ra:
Với :
: đường kính trung bình của hạt hấp phụ (m)
: hệ số khuếch tán của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ của quá trình ().
: vận tốc của dòng hơi khí tính theo tiết diện ngang tự do của thiết bị (m/s).
: độ nhớt động học của hổn hợp hơi khí ().
: hệ số truyền khối (m/s).
Đường kính trung bình của vật liệu = 60nm÷100nm.
Chọn = 60 nm = 6.10-8 m
Độ nhớt động học của hổn hợp hơi khí ở 120 oC
.10-5
Với : = ().
= 0,00002202 ().
3.3.3. Tính toán thời gian hấp phụ một chu kỳ
Độ hấp phụ HF trong 1 viên vật liệu là: 31,37 mgHF/1g vật liệu Trọng lượng riêng của một viên vật liệu là: 304 g
⟹ Độ hấp phụ HF/ 01 viên vật liệu là: 30,37 ×304×10-3 = 9,23248 g + Vật liệu được chế tạo dưới dạng viên gốm có cầu trúc tổ ong.
+ Kích thước của vật liệu: B×L×H=5×5×10cm.
+ Số lỗ trên vật liệu: Mỗi viên vật liệu có 4 hàng, mối hàng có 4 lỗ, Số lỗ trên vật liệu 4×4= 16 lỗ.
+ Đường kính lỗ: 0,4cm.
Thể tích của vật liệu ( 3 viên vật liệu):
Vvl = V- Vlỗ = 3×0,05×0,1×0,05- 16×3,14×0,0042/4×0,3= 6,897×10-4 m3.
+ Trọng lượng riêng của 1 viên vật liệu: 304/1000/(6,897×10-4×3)= 146,9 kg/m3
+ Thời gian hấp phụ của quá trình được tính theo công thức:
Trong đó:
+ +
+ 2.10-6 ( kg/m3)
+ b = 0,94 (hệ số được xác định theo bảng 8.3 [12, tr.337] ) với:
Thế vào (3.36), ta có:
Với H = 0,3 (m) τ = 26301721,87 (s) = 7306,34 (h) + Thời gian hấp phụ 1 mẻ τ = 7306,34 (h)
+ Lượng vật liệu cần thiết:
(3.36)
Theo chiều cao: 0,3: 0,1= 3 viên.
Theo bề mặt tháp: 0,1: 0,1= 1 viên
+ Số viên theo chiều rộng, dài và cao của tháp là: 1×1×3 viên.
3.3.4. Tái sinh vật liệu hấp phụ
Hấp phụ có một đặc tính quan trọng là khi hoạt độ chất hấp phụ đạt tới cực đại thì không có khả năng hấp phụ thêm, lúc này giữa pha khí và rắn tồn tại một cân bằng động. Lúc này cần phải ngừng chu kỳ hấp phụ và chuyển sang chu kỳ hoàn nguyên để giải thoát chất ô nhiễm đã bị hấp phụ trên bề mặt vật liệu.
Cần thiết phải hoàn nguyên chất hấp phụ để thu hồi cấu tử hấp phụ và phục hồi khả năng hấp phụ của chất hấp phụ. Chi phí hoàn nguyên chiếm 40 – 70% tổng chi phí quá trình làm sạch khí
Các phương pháp hoàn nguyên vật liệu hấp phụ:
- Hoàn nguyên bằng nhiệt: Phổ biến của phương pháp này là dùng không khí nóng hoặc hơi nước.
- Hoàn nguyên bằng áp suất: ở nhiệt độ không đổi nếu áp suất giảm thì khả năng hấp phụ giảm và chất hấp phụ sẽ thoát khỏi bề mặt của vật liệu.
- Hoàn nguyên bằng khí trơ: dùng khí trơ chứ chất đã bị hấp phụ thổi qua lớp vật liệu hấp phụ. Áp suất của chất bị hấp phụ trong pha khí sẽ thấp hoặc bằng không.
3.3.5. Tính toán thiết bị phụ trợ
Quạt
Tính toán trở lực trong tháp
Trở lực của tháp gồm trở lực dòng khí qua lưới (∆P1) và trở lực dòng khí qua lớp than (∆P2):
Trở lực dòng khí qua lưới:
Với ξ: hệ số tổn thất cục bộ (tra Phụ lục 9.4/236 Giáo trình Cơ Lưu Chất)
v1: vận tốc dòng khí qua lưới. Ta cho diện tích rỗng bằng 50% diện tích lưới.
Do đó v1 = 2× vk = 2 ×0,026 = 0,052 (m/s)
Trở lực dòng khí qua lớp than:
Với: H: chiều cao lớp vật liệu , h = 0,3 m = 0,984 ft ( 1m = 3,28 ft)
v2: vận tốc dòng khí qua lớp vật liệu (ft/min), v2 = 0,026 m/s = 5,098 (ft/min), (1 ft/min= 0,0051 m/s)
( 1 inch H2O = 249.0889 Trở lực của tháp:
Đường kính ống
+ Chọn đường kính ống dẫn hỗn hợp khí vào là 27 mm. Bề dày của ống, chọn b = 0,3()
Lưu lượng khí đầu vào: 0,2.10-5 m3/s Vậy vận tốc của hỗn hợp khí vào:
= = = 0,003 m/s
+ Đường kính ống dẫn hỗn hợp khí ra
Chọn đường kính ống dẫn hỗn hợp khí ra : 27 () Bề dày của ống, chọn b = 0,3()
Tính toán cơ khí
Thiết bị làm việc ở nhiệt độ t = 120oC trong điều kiện ăn mòn, chọn vật liệu là thép không gỉ inox để chế tạo thiết bị. 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 thụ và các đường ống dẫn khí được chọn là loại thép hợp kim đặc biệt thuộc nhóm thép không gỉ, bền nhiệt và chịu nhiệt, chúng có tính chòu ăn mòn cao trong điều kiện làm việc của thiết bị
Giới hạn bền:σK = 850.106 (N/m2) - Giới hạn chảy: σc = 650.106 (N/m2) - Chiều dày tấm thép: b = 0,4 – 0,25 (mm) - Độ dãn tương đối: δ = 40%
- Hệ số dẫn nhiệt: λ = 16,3 (W/m.0C) - Khối lượng riêng: ρ = 7900 (kg/m3)
Chọn công nghệ gia công là hàn tay bằng hồ quang điện, bằng cách hàn giáp mối 2 bên.
- Hệ số hiệu chỉnh: η = 1
- Hệ số an toàn bền kéo: nk = 2,6 - Hệ số an toàn bền chảy: nc = 1,5
Chiều dày thân
Đường kính D = 0,32 m =320 mm Chiều cao tháp H = 0,5 m
Vật liệu inox
- Chiều dày tấm thép: 0,3 ÷ 0,4 mm.
- Giới hạn bền = 850 106 N/m2,
- = 650 106 N/m2 .
Ta có: η = 1,0; nk = 2,6; nc = 1,5. [6, bảng II và III, tr.356]
Ứng suất cho phép của inox theo giới hạn bền khi kéo:
[] = η = 1 = 327 106 N/m2
Ứng suất cho phép của inox theo giới hạn chảy:
[] = η = 1 = 433 106 N/m2.
Chiều dày đáy, nắp
- Đáy bằng
- Chóp hình nón bằng thép, góc đáy 600
Ta chọn inox là vật liệu làm nắp tháp và đáy. ( Phụ lục 1)
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
1. Chế tạo vật liệu Fe2O3 –MnO2 có khả năng hấp phụ khí ứng dụng xử lý khí HF: vật liệu Fe2O3 –MnO2 sau khi điều chế được có kích thước hạt từ 80 – 200 nm;
diện tích bề mặt riêng theo BET là 7,0937 m2/g.
3. Đánh giá ảnh hưởng của thời gian hấp phụ lên khả năng hấp phụ khí HF của vật liệu: kết quả nghiên cứu cho thấy trong điều kiện nghiên cứu tốc độ khí đầu vào Q = 1,2 l/phút, nồng độ khí HF đầu vào 2 mg/m3, trọng lượng vật liệu hấp phụ Fe2O3-MnO2 được sử dụng trong nghiên cứu là 1 gram, thời gian hấp phụ khí thay đổi 10 phút, 20 phút, 30 phút, 40 phút, 50 phút, 60 phút; nhiệt độ hấp phụ được duy trì ở 120 oC thì hiệu suất hấp phụ của vật liệu > 90%.
4. Đánh giá tốc độ khí đến khả năng hấp phụ khí HF của Fe2O3-MnO2: trong điều kiện nghiên cứu nồng độ khí HF đầu vào là 2 mg/m3, tốc độ khí đầu vào được thay đổi với: Q = 1,2; 1,5; 2,0; 2,5 l/phút, trọng lượng vật liệu hấp phụ Fe2O3-MnO2
được sử dụng trong nghiên cứu là 1 gram, thời gian hấp phụ khí 40 phút, nhiệt độ hấp phụ được duy trì ở 120 oC. Kết quả thu được cho thấy độ hấp phụ HF của vật liệu tăng khi tăng tốc độ khí đầu vào.
5. Thiết kế được hệ mô hình xử lý xử lý khí HF ứng dụng vật liệu hấp phụ Fe2O3 –MnO2. Các khí độc hại như SO2, CO2, Cl2, HF, ... có thể được xử lý với phương pháp này có thể thu hồi HF, HCl sản xuất HCl, HF nếu nồng độ cao. Vật liệu hấp phụ Fe2O3 – MnO2 có thể hấp phụ nhiều chất khí khác như HF....
KIẾN NGHỊ
Trong quá trình nghiên cứu khả năng xử lý khí thải của thiết bị, do điều kiện thời gian và kinh phí còn hạn chế, khả năng chuyên môn chưa cao nên số lượng thí nghiệm còn hạn chế, cần được đầu tư thêm để đánh giá được hiệu quả xử lý khí HF của vật liệu . Những số liệu thu được trong quá trình là tài liệu thực tiễn mở rộng phạm vi cho các nghiên cứu liên quan đến vấn đề này nhằm nâng cao hiệu suất xử lý khí thải trong các điều kiện khác nhau, phục vụ rộng rãi trong sản xuất cũng như đời sống.