Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu cho biết được cách lựa chọn hệ số, hằng số tiêu chuẩn trong tính toán thiết kế tháp đuổi khí ( nói chung) và đuổi khí amoniac nói riêng. Hướng dẫn tính toán và thiết kế lượng không khí tối thiểu để loại bỏ khí cần loải bỏ, tách pha khí và nước
AIRSTRIPPING GAS STRIPPING LOẠI BỎ KHÍ – ĐUỔI KHÍ Gas stripping involves the mass transfer of a Đuổi khí liên quan đến việc chuyển khối lượng gas from the liquid phase to the gas phase của phân tử khí từ pha lỏng đến pha khí The transfer is accomplished by contacting the Việc chuyển giao thực việc liquid containing the gas that is to be stripped tiếp xúc với chất lỏng có chứa khí A khí A with a gas (usually air) that does not contain loại bỏ khí khí B khác (thông the gas initially The removal of dissolved thường khơng khí) mà dung dịch khơng gases from wastewaters by gas (usually air) chứa khí ban đầu A Việc loại bỏ khí hòa stripping has received consider able attention, tan từ vùng nước thải việc đuổi khí especially for the removal of ammonia and ( thông thường sử dụng khơng khí) nhận odorous gases and volatile organic compounds ý, đặc biệt cho việc loại bỏ (VOC's) Early work on the air stripping of amoniac khí gây mùi, hợp chất hữu ammonia from waste water was conducted at dễ bay VOCs Ban đầu loại bỏ amoniac Lake Tahoe, California (Cułp and Slechta, 1966; từ nước thải, tiến hành hồ Tahoe cali Slechta and Culp, 1967) The removal of VOCS (1966) by aeration was considered earlier in Sec 5– Mục đích phần để giới thiệu 13 nguyên tác liên quan tới Đuổi khí The purpose of this section is to introduce the minh họa cho việc áp dụng chung cho nguyên fundamental principles involved in gas tắc này, trình bày tiến trình thiết stripping and to illustrate the general kế, Vật liệu trình bày phần áp application of these principles, A design dụng cho việc loại bỏ amoniac (NH4,) cacbon procedure is also presented The material điơxít (CO2,), ơxy (O2), hydro sulftide (H2S), presented in this section is applicable to the loạt VOCS Trọng tâm removal of ammonia (NH4,) carbon dioxide thảo luận phần phân (CO2,), oxygen (O2), hydrogen sulftide (H2S), tích sở thiết kế đặc biệt cho việc loại and a variety of VOCS The focus of the bỏ thành phần khí trái ngược với việc discussion in this section is on the analysis of loại bỏ chất lỏng mùi VOCs hệ facilities designed specifically for the removal thống sục khí thiết kế để điều trị sinh of gaseous constituents as opposed to the học nước thải removal of odorous gases and VOCs in aeration systems designed for the biological treatment of wastewater ANALYSIS OF GAS STRIPPING Analysis of Gas Stripping Important factors that must be considered in the analysis of gas stripping include (1) the characteristics of the compound(s) to be stripped, (2) the type of contactor to be used and number of stages, (3) the materials mass balance analysis of the stripping tower, and (4) the required physical features and dimensions of the required stripping tower PHÂN TÍCH ĐUỔI KHÍ Phân tích khí tước yếu tố quan trọng phải xem xét phân tích khí tước bao gồm (1) đặc tính hợp chất đuổi khỏi dung dịch (2) loại tiếp xúc sử dụng số lượng giai đoạn xử lý, (3) phân tích cân vật liệu khối lượ ng tháp đuổi khí, (4) tính vật lý yêu cầu kích thước tháp đuổi khí yêu cầu AIRSTRIPPING Characteristics of the Compound(s) to Be ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC THÀNH PHẦN KHÍ BỊ Stripped ĐUỔI RA KHỎI PHA LỎNG As noted above, the removal of volatile Như nói trên, việc loại bỏ hợp chất dissolved compounds by stripping involves dễ bay cách đuổi khí liên quan đến contacting the liquid with a gas that does not việc tiếp xúc với chất lỏng với khí mà contain the compound that is to be stripped khơng chứa hợp chất để đuổi will of solution and enter the gas phase to khí giải pháp nhập vào giai đoạn khí satisfy the Henry's law equilibrium as để đáp ứng số cân định luật discussed in Chap Compounds such as Henry thảo luận chap benzene, toluene, and vinyl that have Henry's Các hợp chất benzene, toluene, vinyl law constants greater than 500 atm (mol có số Henry lớn 500 ATM (khơng khí H2O/mol air) are readily strippable, compounds Mol H2O/mol) dễ dàng được, hợp such as ammonia 0.75 atm (mol H2O/mol air) chất amoniac 0,75 ATM (Mol H2O/Mol and sulfur dioxide 38 atm (mol H2O/mol air) khơng khí) lưu huỳnh dioxide 38 ATM (Mol marginally strippable, and compounds such as H2O/Mol khơng khí) nhẹ, hợp chất acetone and ethyl ketone with Henry's law acetone ethyl ketone với số luật constants less than 0.1 atm (mol H2O/mol air) Henry 0,1 ATM (Mol H2O/Mol khơng khí) are essentially not strippable khơng làm bật The air stripping of ammonia from wastewater Việc loại bỏ, đuổi NH4 khỏi thải đòi requires that the ammonia be present as a gas hỏi amoniac khí Các ion amomia Ammonium ions in wastewater exist in (NH4) nước thải tồn dạng cân equilibrium with gaseous ammonia, as shown với amoniac khí (NH3) : in Eq (2–38): NH4 NH3 + H+ (2-38) NH4 NH3 + H+ (2-38) As the pH of the wastewater is increased Vì độ pH nước thải tăng lên 7, above 7, the equilibrium is shifted to the left cân chuyển sang trái ion amoni and the ammonium ion is converted to biến đổi thành amoniac, loại ammonia, which may be removed by gas bỏ cách tước khí Số lượng vơi cần thiết stripping The amount of lime required to raise để nâng cao độ pH nước thải the pH of wastewater as a function of the chức kiềm đưa hình alkalinity is given on Fig 6–)1 in Chap 6-) chap Methods Used to Contact Phases In practice, two methods are used to achieve contact between phases so that mass transfer can occur: (1) continuous contact and (2) staged contact As shown on Fig 11-61, three flow patterns are used in practice: (1) countercurrent, (2) cocurrent, and (3) cross-flow In addition, the contact medium may be fixed or mobile (Crittenden, 1999) The most common flow pattern in mass transfer operations is the countercurrent mode A schematic and photograph of a typical gas stripping tower is shown on Fig 11-62 Mass Balance Analysis for a Continuous Stripping Tower A steady state materials balance for the lower portion of a countercurrent continuous stripping tower used for the removal of a dissolved gas from wastewater (see Fig 11-63) given by General word statement: PHƯƠNG PHÁP ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ TIẾP XÚC PHA Trong thực tế, hai phương pháp sử dụng để đạt tiếp xúc pha để chuyển khối lượng xảy ra” 1- Tiếp xúc liên tục 2- Tiếp xúc theo tầng Như thị hình 11-61, ba mơ hình dòng chảy sử dụng thực tế Chảy ngược dòng Chảy xi dòng Dòng chảy chéo (Dòng ngang) Ngồi ra, vật liệu tiếp xúc cố định di dộng Các mơ hình dòng chảy phổ biến hoạt động chuyển khối lượng chế độ chảy ngược dòng Một sơ đồ hình ảnh tháp đuổi khí tiêu biểu thể sơ đồ 11-62 PHÂN TÍCH CÂN BẰNG KHỐI LƯỢNG CHO MỘT THÁP ĐUỔI KHÍ LIÊN TỤC AIRSTRIPPING SƠ ĐỒ ĐƠN GIẢN ĐỊNH NGHĨA CHO MỘT DỊNG ĐUỔI KHÍ LIÊN TỤC AIRSTRIPPING Trong đó: Simplified word statenent: Inflow = outflow Symbolic representation (refer to Fig 11– 63): LC + Gyo = LCe + Gy where L = moles of incoming liquid (i.e., wastewater) per unit time C = concentration of solute in liquid at point within the tower, moles of solute per mole of liquid G = moles of incoming gas per unit time Yo - concentration of solute in gas entering the bottom of the tower, moles of solute per mole of solute-free gas Ce = concentration of solute in liquid leaving the bottom of the tower, moles of solute per mole of liquid y = concentration of solute at a point within the tower, moles of solute per mole of solute-free gas Kết hợp từ sơ đồ ta viết: (y o − y ) − G (C e − C ) L L = số mol chất lỏng đến (tức là, nước thải) đơn vị thời gian C = nồng độ chất tan chất lỏng điểm tháp, số mol chất tan mol chất lỏng G = mol khí đến đơn vị thời gian Yo - nồng độ chất tan khí vào đáy tháp, số mol chất tan mol khí khơng có chất tan Ce = nồng độ chất tan chất lỏng rời khỏi đáy tháp, số mol chất tan mol chất lỏng y = nồng độ chất tan điểm tháp, số mol chất tan mol khí khơng có chất tan AIRSTRIPPING Nếu tổng thể tháp cân nhắc, viết sau LC0 + Gy0 = LCe + Gye Kết hợp lại ta có (y − ye ) = L (Ce − C ) G Hình a: Trường hợp thơng thường Hình c : Trường hợp Yo=0 Ye đạt trạng thái cân với Co, nồng độ cấu thành dòng nước đến Hình b: Trường hợp Yo=0 Hình d: Điều kiện Yo=0, Ce=0 Ye cân trạng thái với Co AIRSTRIPPING Because Eq (11-80) is derived solely from a Bởi phương trình (11-80) xuất phát từ consideration of the equality of input and output, it việc xem xét bình đẳng đầu vào holds regardless of the internal equilibria that may đầu ra, nên khơng phụ thuộc vào trạng control the mass trans- fer Equation (11–80) thái cân bên kiểm soát represcnts the cquation of a straight line with slope việc chuyển khối Phương trình ( b11 Ném80) L/G, which passes through the point (Co, yo) and đại diện cho câu hỏi đường thẳng có point (Ce, yo) The line passed through these two độ dốc L / G, qua điểm (Co, yo) điểm points (see Fig 11-64a) is known as the operating (Ce, yo) line and represents the conditions at any point Đường thẳng qua hai điểm (xem Hình within the column The equilibrium line is based on 11-64a) gọi đường vận hành biểu Henry's law For example, equilibrium lines defined thị điều kiện điểm by Henry's law for ammonia as a function of cột Đường cân dựa định luật temperature are prescnted on Fig 11-65 It should Henry Ví dụ, đường cân định be noted that when a gas is being stripped from nghĩa theo định luật Henry solution, the operating line wilt tie below the amoniac hàm nhiệt độ equilibrium line If a gas is being absorbed into quy định hình 11-65 Cần lưu ý solution the operating line wili lie above the loại khí bị đuổi khỏi dung dịch, đường equilibrium line If it is assumed that the air entering vận hành nằm đường cân Nếu the bottom of the tower contains no solute (i.e, Yo = chất khí hấp thụ vào dung dịch, 0), then Eq (11–80) can be written ye = L/G(Co – dây chuyền vận hành nằm phía Ce) The operating line for the condition defined by đường cân Nếu giả sử khơng khí Eq (11-81} is shown on Fig 11–64b (18-1) vào đáy tháp không chứa chất tan (tức Yo = 0), phương trình (11-80) viết ye = L / G (Co - Ce) Dòng vận hành cho điều kiện xác định biểu thức (1181} hiển thị Hình 11 6464 (18-1) AIRSTRIPPING TÍNH TỐN LƯỢNG KHÍ U CẦU CHO THÁP ĐUỔI AMONIA (AMONIA AIRSTRIPPING) Determine the theoretical amount of air required at 20°C to reduce the ammonia concentration from 40 to mg/L in a treated wastewater with a flowrate of 4000 m³/d Assume the pH of the wastewater has been increased to a value of 11 (see Fig 2–13 in Chap 2), the Henry's constant for ammonia at 20°C is 0.75 atm, and the air entering the bottom of the tower does not contain EXAMPLE 11-13 Air Requirements for Ammonia Stripping any ammonia, Xác định lượng không khí lý thuyết cần thiết 20°C để giảm nồng độ amoniac từ 40 đến mg/L nước thải xử lý với lưu lượng 4000 m³/ngày Giả sử độ pH nước thải tăng lên đến giá trị 11 (xem hình 2.13 Chương 2), số Henry amoniac 20 ° C 0,75 atm, khơng khí vào đáy tháp khơng chứa VÍ DỤ 11-13 u cầu Khơng khí THÁP ĐUỔI AMONIA amoniac, Tính Tốn: Phát phân tử mole có ảnh hưởng nước thải amoniac chất lỏng cách sử dụng phương trình (2-3) xb = Xb: Số mole chất tan B Nb: Số mole chất tan B Na : Số mole chất tan A nB n A + nB (40 ×10 −3 ) / 17 C0 = = 4.24 ×10−5 moleNH / H O −3 55.5 + (40 × 10 ) / 17 (1×10−3 ) / 17 Ce = = 1.06 ×10−6 moleNH / H O −3 55.5 + (1×10 ) / 17 Xác định lượng mole nước thải amoniac khơng khí rời khỏi tháp, sử dụng phương trình: ye = H × C0 PT Ye : Nồng độ chất tan khí rời/ra khỏi đỉnh tháp, Số mole chất tan/ số mole khí H= (0.75atm)(moleNH / moleAir) moleH 2O = (0.75atm)( ) (moleNH / moleH 2O ) moleAir Vậy: ye = H 0.75atm moleH 2O ì C0 = ữì (4.24 ×10 moleNH / H O) PT 1atm moleAir = 3.18 ×10−5 moleNH moleAir AIRSTRIPPING Xác định tỷ lệ Khí/lỏng phương trình, sử dụng Công thức (11-84) xếp dạng sau G PT (Co − Ce ) (Co − Ce ) = × = L H Co ye −5 −5 G (4.24 ×10 − 0.106 ×10 ) moleNH / moleH 2O moleAir = = 1.3 −5 L (3.18 ×10 moleNH / moleAir ) moleH 2O Trong đó: PT : Tổng áp suất, thông thường 1atm H: Hằng số henry C0’: Nồng độ chất tan chất lỏng cân với khí ra khỏi tháp, số mole chất tan số mole chất lỏng Chuyển đổi số mole khơng khí nước thành lít khơng khí nước Tại 20 độ C : 1.3 mole x 24.1 L/mole = 31.33L (1moleH 2O)(18 g / moleH 2O) = 0.018 L (103 g / L) G 31.33L = = 1741L / L = 1.741m3 / m3 L 0.018 L Nước Xác định tổng lượng khí yêu cầu dựa điều kiện lý tưởng Airrequired (1.741m3 / m3 )(4000m3 / d ) = = 4.835m3 / (1440 min/ d ) TÍNH TỐN CHIỀU CAO CHO THÁP ĐUỔI AMONIA (AMONIA AIRSTRIPPING) Determination of Height of Stripping Tower for Xác định chiều cao tháp đuổi khí để loại the Removal of Ammonia Determine the bỏ amoniac Xác định đường kính chiều cao diameter and height of the stripping tower tháp đuổi khí cần thiết để xử lý nước thải required to treat the waste water in Example ví dụ 11-13 cách sử dụng liệu 11-13 using the data given in Table 11-35 đưa Bảng 11-35 Giả sử Assume 25 mm Pall rings will be used as the vòng Pallet 25 mm sử dụng làm vật packing material in the stripping tower The liệu đóng gói tháp đuổi khí Nồng độ ammonia concentration in a treated wastewater amoniac nước thải xử lý từ lưu from a flow of 4000 m³/d is to be reduced fronm lượng 4000 m³ / ngày giảm từ 40 đến 40 to mg/L Assume that the Henry's constant mg / L Giả sử số Henry đối for ammonia at 20°C is 0.75 atm, and the air với amoniac 20 ° C 0,75 atm không khí enter- ing the bottom of the tower does not vào đáy tháp không chứa amoniac contain any ammonia, Assume the K,a value for nào, Giả sử K, giá trị amonia 0,0125 s arnmonia is 0.0125 s -1 -1 AIRSTRIPPING Bảng thông số lựa chọn tính tốn (chữ bơi đỏ) Select a packing material corresponding packing factor For 25 mm Pall rings (specified), assume a packing factor of 50 (see Table 11–35) Select a stripping factor of (see Table 1135) Select an acceptable pressure drop Assume a pressure drop of 200 (N/m²)/m (see Table 11-35) Determine the cross-sectional area of the tower stripping using the pressure plot given on Fig 11-71 Chọn vật liệu đóng gói tương ứng với hệ số đóng gói Đối với vòng Pallet 25 mm (được định), giả sử hệ số vật liệu Cf = 50 ( Nếu vòng 12.5mm hệ số 200) Chọn hệ số 3, (hệ số từ 1.5-5) Chọn mức giảm áp suất chấp nhận Giả sử giảm áp suất 200 (N/m2) / m Xác định diện tích mặt cắt ngang tháp cách sử dụng biểu đồ áp suất cho hình 4.a Xác định giá trị tọa độ cho hệ số đuổi khí S= G G G H 0.75atm × = moleair × = 0.75 moleair L PT Lmolewater 1.0atm Lmolewater G 28.8 g molewater S = 0.75 × moleair ÷ ÷ ÷ Lmolewater mole.air 18 g ' Gg G kg = 1.2 = 1.2 ' Lg Lkg G' = = 2.5 L ' 1.2 kg kg 1/2 1/2 (1.024kg / m3 ) G ' ρG G ' G = ; = = 2.5 ì ữ ÷ (998.2kg / m3 ) = 0.087 L ' ρ L − ρG L ' ρL Trong L’ : Tốc độ tải lượng chất lỏng, kg/m2.s G’ : Tốc độ tải lượng khí, kg/m2.s ƍG: Mật độ khí, kg/m3 ƍL: Mật độ chất lỏng, kg/m3 AIRSTRIPPING Cf : Hệ số vật liệu µL : Độ nhớt chất lỏng, N/m2.s, 0.001 4.b Xác định giá trị tương ứng AB, Đối với thứ tự giá trị 0.087 giảm áp suất 200(N/m2)/m, với thứ tự giá trị 0.04 4.c Sử dụng thứ tự giá trị 0.04 cột Y sơ đồ 11-70 / T1176 xác định tỷ lệ tải lượng, sử dụng EQ (11-107) (Yaxis) × ρG × ( ρ L − ρG ) G = C f ì ( L )0.1 1/2 ' 1/2 (0.04)(1.024)(998.2 − 1.024) G = = 1.38kg / m s 0.1 50 × (0.001) ' L = 2.5G ' = 2.5 ×1.38kg / m s = 3.45kg / m s ' Trong đó: L’: Tốc độ tải lượng chất lỏng, kg/m2.s G’: Tốc độ tải lượng khí, kg/m2.s ƍG: Mật độ khí, kg/m3, chọn 1.024kg/m3 ƍL: Mật độ chất lỏng, kg/m3, chọn 998.2kg/m3 Cf: Hệ số vật liệu, tra bảng 11-35, T1175 chap 11-8 Airstripping, 50 µL: Độ nhớt chất lỏng, N/m2.s, 0.001 4.d Thay giá trị biết tính tốn đường kính cho tháp Airstripping (Tháp đuổi khí) (4 / π )(Qm3 / d )( ρ L kg / m3 )(1d / 86400s ) D= L '(kg / m s) 1/2 1/2 (4 / π ) × 4000(m / d ) × 998.2( kg / m3 )(1d / 86400 s) D= 3.45(kg / m s ) Trong đó: D : Đường kính thiết bị đuổi khí, m Q : Lưu lượng nước thải cần xử lý, m3/d = 4.13m AIRSTRIPPING L’: Tốc độ tải lượng chất lỏng, kg/m2.s, giá trị tính toán 3.45kg/m2.s ƍL: Mật độ chất lỏng, kg/m3, chọn 998.2kg/m3 5.Xác định chiều cao tháp Chiều cao đơn vị chuyển giao (HTU) thước đo hiệu phân tách khu vực cụ thể cho quy trình phân tách khoảng cách L L(m3 / s) HTU = = K L a × A (0.0125s −1 ) × (π / 4) × D ( m) 4000(m / d)(1d / 86, 400 s) HTU = = 0.28m (0.0125s −1 ) × (π / 4)(4.13m) Trong HTU: Chiều cao đơn vị chuyển tiếp, m L=Lưu lượng thể tích chất lỏng, m3/s KLa: Hệ số chuyển đổi khối lượng thể tích, 1/s, chọn 0.0125/s A=Diện tích mặt cắt ngang tháp, m Tính tốn cơng thức diện tích mặt cắt Xác định số lượng đơn vị chuyển giao/tiếp C0 × ( S − 1) + C S NTU = ln e S S − 1 40( mg / l ) × (3 − 1) + 1 1(mg / l ) NTU = ln = 4.94 − 1 S= G H × L PT Trong đó: Giá trị S xác định giá trị A value of S=1 corresponds to the minimum amount of air required for stripping When S > the amount of air is in and complete stripping is possible given a tower of infinite height Giá trị S = tương ứng với lượng không khí tối thiểu cần thiết để đuổi khí khác Khi S> 1: lượng khơng khí vào hồn tồn cung cấp cho tháp có chiều cao vô hạn AIRSTRIPPING When S < 1, there is insufficient air for Khi S