Đồ án Tính toán thiết kế hệ thống xử lý khí thải chứa HCL bằng dung môi là nước

ờng nghiêm trọng nhất. Để có thể áp dụng những kiến thức đã học trong thời gian qua, nhằm định hướng cho mình trong việc góp một phần nhỏ trong công cuộc kiểm soát ô nhiễm không khí. Chúng tôi đã thực hiện đồ án “Tính toán thiết kế hệ thống xử lý khí thải chứa HCL bằng dung môi là nước” cùng với sự hướng dẫn và giúp đỡ của các thầy cô: thầy Lâm Vĩnh Sơn; cô Nguyễn Chí Hiếu. Với những kiến thức còn hạn hẹp và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên trong đồ án này còn nhiều thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô nhằm rút ra kinh nghiệm cho các đồ án trong thời gian sắp tới. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm 15 MỤC LỤC Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HẤP THỤ KHÁI NIỆM: 1.1 Khái niệm: Hấp thu là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả khí. Nguyên lý của cả hai quá trình là giống nhau. Quá trình hấp thu tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng). Khi này 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. Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ Chất lỏng dùng để hấp thu gọi là dung môi (chất hất thụ ) Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ. 1.2 Áp dụng của hấp thu: Trong công nghiệp hóa chất ,thực phẩm, quá trình hấp thu được dùng để: Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí . Làm sạch pha khí . Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt . Tạo thành một dung dịch sản phẩm. 1.3 Lựa chọn dung môi: Nếu mục đích của quá trình là tách các cấu tử hỗn hợp khí thì khi đó việc lựa chọn dung môi tốt phụ thuộc vào các yếu tố sau: 1.3.1 Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại. Đây là điều kiện quan trọng nhất. 1.3.2 Độ nhớt của dung môi: càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ, tăng tốc độ hấp thu và có lợi cho quá trình truyền khối. 1.3.3 Nhiệt dung riêng: bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi. 1.3.4 Nhiệt độ sôi: khác xa với nhiệt độ sôi của chất hoà tan sẽ dễ tách các cấu tử ra khỏi dung môi. 1.3.5 Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn. 1.3.6 Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mòn thiết bị. QUÁ TRÌNH HẤP THỤ: 2.1 Cơ chế quá trình: Hấp thụ là quá trình quan trọng để xử lý khí và được áp dụng trong rất nhiều quá trình khác. Hấp thu trên quá trình hấp thụ truyền khối , được mô tả và tính tóan dựa vào phân chia của hai pha: pha lỏng và pha khí. Quá trình chia làm 3 bước: Khuếch tán các phân tủe ô nhiễm thể khí vào trong khối khí thải đến bề mặt của chất lỏng hấp thụ. Nồng độ phân tử ở phía chất khí phụ thuộc vào cả 2 hiện tượng khuếch tán: Khuếch tán rối: có tác dụng làm nồng độ phân tử được đều đặn trong khối khí. Khuếch tán phân tử: làm cho các phân tử khí chuyển động về phía lớp biên. Trong pha lỏng cũng xảy ra hiện tượng tương tự. Khuếch tán rối: được hình thành để giữ cho nồng độ được đều đặn trong tòan bộ khối chất lỏng. Khuếch tán phân tử: làm dịch chuyển các phần tử đến lớp biên hoặc từ lớp biên đi vào pha khí. Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ. Khuếch tán chất khí đã hòa tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu bên trong lòng chất lỏng hấp thụ. Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí. 2.2 Quá trình trao đổi chất: Khi chất ô nhiễm vào trong chất lỏng hấp thụ thì các chất phân tử được trao đổi qua lớp biên (màng). Các phân tử đi qua lớp biên ở cả hai phía (một số từ phía chất lỏng, một số từ phía chất khí). Cường độ trao đổi phụ thuốc vào các yếu tố tác động lên hệ thống như áp suất, nhiệt độ, nồng độ và độ hòa tan của các phân tử. Cường độ tăng nếu giữa pha khí và pha lỏng diễn ra phản ứng hóa học hay các phân tử không thể quay trở về khối khí khi có tác động của quá trình vật lý. Quá trình hấp thụ kèm theo sự tỏa nhiệt và làm tăng nhiệt độ của hệ thống. khi pha khí phân tán vào pha lỏng xảy ra hiện tượng dẫn nhiệt làm năng lượng của cấu tử của pha khí bị giảm. Hện tượng này xảy ra do sự chuyển động của các phân tử khí, làm cho các phân tử này bị xáo trộn dẫn tới sự cân bằng năng lượng giữa hai pha. Trong thực tế có 2 hiện tượng hấp thụ: Hấp thụ đẳng nhiệt: Được tiến hành với sự giải nhiệt pha lỏng bằng thiết bị truyền nhiệt bố trí trong tháp hấp thụ. Nếu nồng độ ban đầu không lớn hoặc khi lưu lượng chất lỏng lớn thì sự thay đổi nhiệt độ của chất lỏng không đáng kể. Hấp thụ đẳng áp: diễn ra khi có sự thây đổi của môi trường bên ngoài, khi này cơ cấu thiết bị được đơn giản hóa nhưng điều kiện cân bằng không tốt. 2.3 Có 2 phương pháp hấp thụ: Hấp thụ vật lý: được dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng Ở đây sự truyền vật chất trong mỗi pha được xác định bằng phương trình truyền khối ổn định: G = bkF(y – yp) = blF(x – xp) Còn quá trình vận chuyển vật chất từ pha này sang pha khác sử dụng phương trình: G = KkF(y – y*) = KlF(x – x*) Trong đó: G: số mol vật chất được chuyển trong một đơn vị thời gian, mol/s F: bề mặt tiếp xúc pha, m2 y, x: nồng độ mol chất bị hấp thụ trong pha khí và pha lỏng, mol/m3 yp, xp: nồng độ chất bị hấp thụ trên bề mặt phân chia pha trong pha khí và pha lỏng, mol/m3 y*, x*: nồng độ cấu tử trong pha khí và pha lỏng cân bằng với nồng độ trong pha khí và pha lỏng tương ứng, mol/m3 bk, bl: hệ số truyền khối trong pha khí và lỏng, m/s Kk, Kl: hệ số truyền khối tổng quát trong pha khí và lỏng, m/s Quan hệ giữa hệ số truyền khối b và hệ số truyền khối tổng quát như sau: Trong đó m là hằng số cân bằng pha Nếu hệ thống có độ hoà tan cao m (hằng số cân bằng pha) ® 0, vì vậy Kk » bk. Khi đó, trở lực của quá trình truyền khối tập trung trong pha khí. Khi độ hòa tan nhỏ m có giá trị lớn Þ Kl » bl. Khi đó, trở lực của quá trình truyền khối tập trung trong pha lỏng. Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học giữa chất bị hấp thụ và chất hấp thụ. Khi này hiệu nồng độ ở bề mặt phân chia tăng, vận tốc hấp thụ hóa học tăng hơn khi hấp thụ vật lý. Vận tốc phản ứng hóa học càng tăng, vận tốc hấp thụ hóa học càng tăng. CÁC LOẠI THÁP HẤP THỤ: Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng vàng lớn càng tốt. Có nhiều dạng tháp hấp thụ. 3.1 Tháp phun: Là tháp có cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất. Trong đó, chất lỏng được phun thành những giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dòng khí đi qua. Tháp phun được sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn. 3.2 Tháp sủi bọt: Khí được cho qua tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nước mỏng. Tháp sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất lỏng. Quá trình phân tán khí có thể thực hiện bằng cách khuấy cơ học. 3.3 Tháp đệm: Chất lỏng đượ tưới lên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên. Tháp được áp dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỷ lệ khí và lỏng lớn, không khí chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng. Tháp đĩa: Vận tốc trong tháp lơn nên đường kính nhỏ và kinh tế hơn so với các tháp khác. Tháp được sử dụng với năng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ và môi trường không ăn mòn. Điều thỏa mãn đối với khi sử dụng tháp hấp thụ như sau: Hiệu quả, có khả năng cho khí đi qua, trở lực thấp (<3000Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuậ tiện, khối lựong nhỏ và không bị tắc nghẻn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ. Hấp thụ được nhiều khí, vận tốc hấp thụ của mỗi khí giảm. DUNG MÔI HẤP THỤ: Chất hấp thụ có thể là nước, NaOH, Na2CO3, KOH, Ca(OH)2,… CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ HẤP THỤ: 5.1 Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henry tăng. Kết qủ là ảnh hưởng đường cân bằng dịch chuyển vền phía trục tung. Nếu đường làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẻ giảm, số đĩa lý thuyết tăng và chiều cao của thiết bị cũng tăng. Nhiệt độ tăng làm cho độ nhớt cả hai pha lỏng và khí tăng. 5.2 Áp suất: Khi tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân bằng sẽ tăng và cân bằng dịch chuyển về phía trục hoành. Đường làm việc AB không đổi dẫn đến động lực trung bình tăng, quá trình truyền khối tốt hơn nên số đĩa lý thuyết giảm kéo theo chiều cao tháp giảm. Việc tăng áp suất sẻ làm tăng nhiệt độ. Mặc khác, tăng áp suất cũng khó khăn trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thụ. 5.3 Các yếu tố khác: Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác của dụng cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu. Chương 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHÍ THẢI HCl Nguồn gốc: Trong khí quyển , khí HCl có nhiều trong các nhà máy xí nghiệp sản xuất hóa chất như: nhà máy sản xuất bột giặt, chất tẩy rữa……Và các nhà máy gia công bề mặt kim loại như : nhà máy mạ kẽm bằng phương pháp nhúng nóng với công suất hàng nghìn tấn. Hoặc khí đốt than, giấy, chất dẻo và nhiên liệu rắn cũng tạo ra khí HCl. Tính chất: Dung dịch HCl được tạo thành từ khí hydroclorua hòa tan trong nước. HCl thường bốc khói trắng. Khi dung dịch HCl gặp hơi nước trong không khí thường ngưng tụ thành giọt nhỏ rất kích ứng. HCl có tác hại đến sức khỏe như: gây tổn hại khi tiếp xúc với cơ thể: hệ hô hấp, đường tiêu hóa, mắt da,… Với nồng độ 0.1 – 3.23 mg/ m3 đx có mùi, 2.83 – 12.8 mg/ m3 thấy mùi rõ và ở 8.3 – 32.9 mg/ m3 thấy mùi nặng. Công nhân làm việc ở nồng độ 15 mg/ m3 trong thời gian dài sẻ ảnh hưởng đến răng và cơ thể. Đảm bảo nồng độ 2.9 mg/ m3 để duy trì sức khỏe cho công nhân. HCl không gây ung thư, nhưng khi hít phải khí HCl qua đường hô hấp thì có thể gây ra viêm phổi. HCl làm cho cây cối chạm phát triển, nồng độ cao thí cây chết. và HCl làm giảm độ bóng của cây, tế bào biểu bì co lại. Sơ lược về quá trình điện phân NaOH-Cl2: Sản xuất NaOH 31.5% được sản xuất theo phương pháp điện phân nước muối trong thùng điện phân có màng trao đổi ion. Quá trình điện phân xảy ra theo phương trình: 2NaCl + 2H2O -----------> 2NaOH + Cl2 + H2 Quy trình có các công đọan sản xuất chính như sau: 3.1.1 Công đọan tinh chế muối sơ cấp: Muối nguyên liệu từ kho chứa được đưa vào thiết bị hòa tan bằng băng tải. Nước muối đi từ dưới lên qua cột nước. Các ion Ca2+, Mg2+, SO42-, có ảnh hưởng xấu đến quá trình điện phân được kết tủa bằng Na2CO3, BaCl2, NaOH theo phương trình sau: SO42- + BaCl2 -----------> BaSO4 + 2Cl-+ Ca2+ + Na2CO3 -----------> CaCO3 + 2Na+ Mg2+ + NaOH -----------> Mg(OH)2 + 2Na+ Công đọan điện phân: Hệ thống thùng điện phân hoạt động theo công nghệ màng trao đổi ion. Quá trình xảy ra theo phương trình sau: 2NaCl + 2H2O -----------> 2NaOH + Cl2 + H2 3.1.2 Công đọan xử lý nước muối thứ cấp và nước muối nghèo: Trong quá trình điện phân đồng thời xảy ra phản ứng phụ tạo sản phẩm không mong muốn như ClO-, ClO3-. Các ion này tồn tại trong nươc muối nghèo và có hại trong quá trình tái tạo bão hòa nước muối. Cần xử lý theo các bước sau: Dùng Axit HCl phân hũy ClO-, ClO3- thàng Cl2. HCl + HClO -----------> Cl2 + H2O HCl + NaClO -----------> Cl2 +NaCl + H2O Tách khí Clo ra khỏi dung dịch nước muối bằng cách giảm áp suất riêng phần trên bề mặt dung dịch trong tháp đệm làm việc ở áp suất chân không. Công đọan điều dụng Xút: NaOH sau khi ra khỏi thùng điện phân, một phần tuần hòan về thùng điện phân, phần còn lại được đưa tới hệ thống chứa. Công đọan điều dụng khí Clo, Hydro: Khí Clo, Hydro ra khỏi thùng điện phân sẽ được làm nguội. Điều chỉnh áp suất thích hợp, bảo đảm hệ thống luôn làm việc ổn định ( áp suất âm đối với Clo và áp suất dương đối với Hydro) Quá trình tổng hợp là phản ứng giữa Clo và Hydro xảy ra trong tháp hỗn hợp. Công nghệ sản xuất HCl: Axit HCl được tổng hợp từ khí clo và hidro đã làm nguội, ở điều kiện áp suất dương . Quá trình tổng hợp là phản ứng giữa khí clo và hydro xảy ra trong tháp hỗn hợp Phân tích các khí ô nhiễm từ qúa trình điện phân: Có một vài nguồn gây ô nhiễm cho trong các quá trình điện phân. Do các điện  cực làm việc ở điều kiện chân không thấp, trong trường hợp không giữ được điều kiện làm việc thì có thể gây ra áp suất và dẫn tới khí cho có thể thoát ra ngoài không khí. Ngoài ra còn có một lượng nhỏ clo bị thoát ra do lấy mẫu và khi thay điện cực. Khí clo cũng có thể bị thoát ra ngoài ở chỗ các van, vòng đệm của bơm và trục của máy nén. Tại khu vực cho clo vào bình hoặc thùng chứa clo cũng có thể có clo thoát ra với lượng nhỏ khi cấp clo hoặc lấy ra Khí HCl được hình thành trong tháp tổng hợp HCl từ H2 và Cl2 , khí này được đưa sang tháp hấp thụ tại đây axit HCl đặc được tạo ra do quá trình hấp thụ hơi HCl bằng axit loãng. Dòng khí ra khỏi tháp hấp thụ được tiếp tục đi qua thiết bị phun để thu hồi phần hơi axit còn lại. Sau tháp tổng hợp HCl, khí thải ra còn chứa hơi HCl chưa hấp thụ hết, một lượng khí Cl2 còn lại cùng với khí hidro và hơi nước. Tuy nhiên hàm lượng khí Cl2 tương đối nhỏ nên không đáng kể nên khí thải chính là HCl với hàm lượng yd = 0 ,08 (phần khối lượng). Ta sẽ lựa chọn phương pháp hợp lý thiết kế tháp có năng suất 5000m3/h để xử lý lượng khí thải HCl trên trước khi thải ra ngoài môi trường CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHUNG: Đối với khí thải công nghiệp, các cơ sở cần xử lý tại nguồn, các phương pháp xử lý cơ bản là: Pha lỏng khí bằng ống khói có chiều cao phù hợp Thay đổi nhiên liệu, nguyên vật liệu thiết bị nhằm giảm ô nhiễm. Lắp đặt hệ thống xử lý ô nhiễm (lắng, lọc, tháp hấp thụ, phân hủy sinh học…) 4.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý khí độc hại: Gồm 3 phương pháp chính: Hấp thụ các khí độc hại bằng chất lỏng: dung dịch hoặc nước… Hấp thụ các chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu rắn (than hoạt tính, than bùn, than nâu, đất xốp,….) Biến đổi hóa học các chất ô nhiễm bằng quá trình thiêu đốt (đốt cháy sau) hoặc xử lý bằng chất xúc tác đối với khí thải. 4.2 Hấp thụ khí bằng chất lỏng: Hấp thụ là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lõng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lõng vào pha khí, ta có quá trình nhã khí. Nguyên lý của hai quá trình là giống nhau. Quá trình hấp thụ tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (pha khí) bằng cách xử lý bằng chất lỏng (pha lỏng). khi cho hỗn hợp khí tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng. Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ Chất lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi (chất hấp thụ) Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ. Nguyên tắc: Cho khí thải tiếp xúc với chất lỏng. các khíu này hoặc được hòa tan vào chất lỏng hoặc được biến đổi thành phần khí khác. Hiệu quả của quá trình hấp thụ phụ thuộc vào: Sự tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng Thời gian tiếp xúc Nồng độ môi trường hấp thụ Tốc độ phản ứng giữa chất hấp thụ và khí thải Phương pháp xử lý này thường được sử dụng nhiều trong khử SOx (khí thải đốt than đầu và lò nấu kim loại) H2SO4 (công nghệ sản xuất hóa chất),… LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ: Trong các phương pháp xử lý trên, để xử lý lượng khí HCl do nhà máy điện phân NaOH-Cl2 thải ra. Phương pháp thường được sử dụng là hấp thụ hoặc hấp phụ. Hấp thụ hydroclorua bằng nước thường được thực hiện trong các thiết bị khác nhau. Hiệu qủa của quá trình phụ thuộc vào lượng nước tưới. Trong tháp đệm hiệu quả xử lý đạt đến 88%, tháp đĩa 90-99%, tháp dĩa chóp 97.8%. Hấp thụ hydroclorua thường sử dụng nước hoặc dung dịch kiềm NaOH, NaCO3,..để hấp thụ HCl cho phép tăng hiệu quả và đồng thời trung hòa nước thải. Phương pháp cho phép tận dụng hydroclorua để sản xuất các Clo kim loại: CaCl2, FeCl3, … Để hấp thụ HCl người ta còn dùng oxit clorua sắt, clorua oxit đồng trong hỗn hợp với oxit magiê.., tạo thành các phức với 2 phân tử HCl và vài vật liệu polime hữu cơ, zeolit,…Các chất hấp thụ này cho phép xử lý khí với nồng độ HCl thấp đến 1% thể tích trong khỏang nhiệt độ rộng. Phương pháp này ít sử dụng do chi phí cao, chất hấp phụ thường đắt tiền và hiếm. CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÝ KHÍ HCl: Hấp thụ bằng huyền phù CaCO3, sữa vôi: Hấp thụ bằng phương pháp axit Hấp thụ bằng nước. LỰA CHỌN THIẾT BỊ: Từ yêu cầu và phân tích như trên. Chúng ta sẽ lựa chọn tháp hấp thụ là Tháp Đệm. Với: Năng suất là 1200 m3/h = 28800 m3/ng. HCl là môi trường ăn mòn. Hiệu suất hấp thụ là 90% Chương 3: SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ Bồn cao vị Khí Scubơ lọc bụi Tháp hấp thụ Ống khói Phát thải Bụi Xả bụi Nước Bể chứa Bồn chứa Bể trung hòa HCl Công trình XLNT Bơm Khí Nước thải Thuyết minh quy trình công nghệ: Khí thải HCl từ quá trình điện phân đi vào Scubơ để lọc bỏ bụi. Sau đó được đưa qua tháp hấp thụ. Nước từ bể chứa được bơm lên bồn cao vị để chảy vào tháp hấp thụ. Nước được đưa vào tháp hấp thụ qua bộ phận phân phối lỏng phải thấm ướt toàn bộ lớp đệm tiếp xúc với khí thải HCl đi từ dưới lên. Tại lớp vật liệu đệm trong tháp sẽ xảy ra quá trình hấp thụ khí thải HCl vào trong dung môi là nước.Do hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ chỉ đạt đến 90% nên khoảng10% lượng khí thải sẽ thoát ra ngoài qua quạt hút đi vào ống khói thải ra khí quyển với tiêu chuẩn thải được cho phép. 90% khí thải HCl được hấp thụ vào nước thành dung dịch axit clohidric.Dẫn dung dịch qua bể trung hòa cho hoàn lưu trở lại tháp hấp thụ, phần còn lại cho qua hệ thống xử lý nước thải của nhà máy. Chương 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ Thông số ban đầu: Cân bằng vật chất Lượng HCl được hấp thu là: M = 0.24 kmol/h Đầu vào: Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng, ta có nồng độ khí ban đầu: Ck = = 0.0403mol/l=40.3 mol/m3 Nồng độ HCl trong không khí đi vào đáy tháp hấp thu: Yđ = 0.00503 kmol HCl/kmol không khí Nồng độ mol khí HCl đầu vào yđ = =0.005*40.25 = 0.20125 mol/ m3 Đầu ra Với ea = 90% ea= Nồng độ HCl trong không khí đi rời khỏi đỉnh tháp hấp thu: 0.000503 kmol HCl/ kmol không khí Nồng độ khí HCl đầu ra [ HCl]c = Yc * Ck = 0.000503*40.25 = 0.02025 mol/m³ Nồng độ phần mol hay phần thể tích của HCl trong hỗn hợp khí đầu ra: yc = 0.000503 kmol HCl/ kmolhh khí Suất lượng mol hỗn hợp: Ghh = = 49.11kmol/h Suất lượng mol khí trơ: Gtrơ = Ghh ( 1 – yđ) = 49.11*(1-0.005)= 48.86kmol/h Suất lượng khí HCl đầu vào: GHCl vào= Ghh - Gtrơ =49.11 - 48.86=0.25kmol/h 2.2.4 Suất lượng khí ở đầu ra: GHCl ra = Ghh * (1 – Yđ * ea) = = 49.11*(1-0.005*0.9) = 48.89kmol/h Phương trình cân bằng 2.3.1 Mhh khí = ytb * MHCl + (1 - ytb) * Mkk ytb = =0.00275 kmol HCl/ kmol kk Mhh khí = 0.00275*36.5+(1-0.00275)*29 =29,021đvC Tra bảng =1063.6 kg/m3 kg/m3 =1.1845kg/m3 24.42 1.188kg/ m3 Giả sử dung dịch hấp thụ có Xđ= 0 Ta có phương trình cân bằng Y*= mX ( m = ) H: hằng số Henry phụ thuộc nhiệt độ H = 2200 (tra từ QTTB) P: áp suất = 760 mmHg khi thay Y*=Y đ thì phương trình trở thành: Xc*= Y đ0.00174 Lmin=Gtr*kmol/h Ltro= K * Ltro min =1,5 * 127.3= 190.95kmol/h Xc thưc tế = 0.00116mol/m3 Đường làm việc của tháp đi qua 2 điểm: A (Xđ, Yc) = (0; 0.000503) B (Xc, Yđ) = (0.00116; 0.00503) Phương trình đường làm việc đi qua hai điểm: Y=3.9X+0.000503 Lập bảng tính: Suy ra: noy = = 2.0716 Tính tháp hấp thụ Chọn vật liệu đệm là vòng sứ xếp ngẫu nhiên: (tra bảng trang 193 sổ tay QTTBCN tập 2) ta được: Kích thước đệm : 30 * 30 * 3.5 (mm) Diện tích bề mặt riêng: = 165 m2/m3 Thể tích riêng phần: = 0,76 m3/m3 Số vật liệu đệm trong mỗi m3 đệm: 25.103 Khối lượng riêng 1 m3 vật liệu : = 570 kg/m3 3.1 Đường kính tháp Vận tốc tới hạn: =A – 1,75 Với: A = 0,022 (tra bảng sách bài tập 10) : tốc độ khí trung bình đi trong tháp (m/s) : vận tốc tới hạn (m/s) : khối lượng riêng của pha lỏng và pha khí ; - N.s/m2 độ nhớt động học của pha lỏng ( tra bảng I.102 trang 95 sổ tay 1) Gx : lượng lỏng Gx= Ghh * L = 49.11* 190.95 = 9377.55 kg/h=2.605 kg/s Gy : lượng hơi Gy= Gtrơ * Mkk + (Ghh - Gtrơ) MHCl = 48.86* 29 + (49.11– 48.86) * 36.5 =1426.07 kg/h= 0.396 kg/s Thế vào công thức ta được: lg Vận tốc đi qua tháp: Đường kính tháp: Chọn đường kính tháp là D = 0.6 m = 600mm Tính tiết diện tháp: S = 3.2 Chiều cao lớp đệm H = hoy * noy hoy: chiều cao của 1 lớp đệm h1 : chiều cao của 1 đơn vị truyền khối ứng với pha khí (m) h2 : chiều cao của 1 đơn vị truyền khối ứng với pha lỏng (m) Gy : lưu lượng khí (kg/s) Gx : lưu lượng lỏng (kg/s) hệ số đệm : hệ số thấm ướt phụ thuộc mật độ tưới thực tế và mật độ tưới thích hợp = 165 m2/m3 : bề mặt riêng của vật liệu đệm = 0.76 m3/m3 thể tích riêng phần 3.3 Mật độ tưới thực tế S : tiết diện của tháp Vx: lưu lượng thể tích của chất lỏng 3.4 Mật độ tưới thích hợp Uth = B * Trong đó B = 0.158 m3/m2h (tra bảng IX.6 trang 177, sổ tay 2) Uth = 0.158 * 165 = 26.07 m3/m2h Vậy Hệ số thấm ướt (tra hình IX.16 trang 178, sổ tay 2) 3.5 Chuẩn số cho pha khí Rey = dựa vào toán đồ trang 451 sách VD&BT ta có: Pry = Dy: hệ số khuếch tán của HCl trong pha khí ở 250 (tra bảng 42 trang 428 sách VD & BT 10) Dy = D0 * ( Do = 13*10-6 3.6 Chuẩn số cho pha lỏng Hệ số khuếch tán HCl trong nước ở 250C được tính theo công thức: Với Dx= D20oC * [1 + 0.02 (t – 20)] Với 2 1 1/2 1/3 1/3 1/2 6 2 2 2 2 1 1 . . . 10 ú ú û ù ê ê ë é + ´ ÷ ø ö ç è æ + = - O H HCl O H HCl 20 M M V V B A D m [công thức 5.23 trang Sách Ví dụ và Bài tập- Tập 10] Với: là độ nhớt động học của nước ở 20oC =1.005Cp A,B: các hệ số phụ thuộc vào tính chất dung môi B = 4.7 dung môi là nước A = 1 đối với các chất khí, rượu, axit hữu cơ Theo bảng 5.4 trang 227 sách Ví dụ và Bài tập-tập 10 (cm3/mol ptử) (cm3/mol ptử) Từ các số liệu trên ta tính được Suy ra : m : hệ số phân phối pha (m = H = hoy * noy = 0.82 * 2 = 1.64m chọn chiều cao lớp đệm là 2m H = hoy * noy + (0,8 1) (công thức trang 168 sổ tay 2) H =2 + 1 = 3m Trong đó: 0,81 : khoảng cách cho phép ở đỉnh tháp và đáy tháp Vậy chọn chiều cao của tháp 3m 3.7 Trở lực của tháp Tổn thất áp suất của đệm ướt là: (công thức IX.118 trang 189 sổ tay 2) Trong đó: Tổn thất áp suất đệm khô: (theo bảng IX.119 trang 189 sổ tay 2) - : hệ số trở lực của đệm, hệ số này phụ thuộc chuẩn số Râynôn Với Rey = 410.4 > 40 nên: - : tốc độ của khí tính trên toàn bộ tiết diện tháp (m/s) dtd: đường kính tương đương của đệm Tốc độ thực của khí trong lớp đệm: Vậy áp suất đệm khô là: Các hệ số A, m, n, c phụ thuộc vào hệ: Tra bảng IX.7 trang 189 sổ tay 2 3.8 Chọn bề dày thân Chọn vật liệu đệm: tra bảng XII.4 trang 309 sổ tay 2 ta được Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn. Chọn vật liệu thép không gỉ; ký hiệu X18H10T (Trongđó: X: crôm 18%; H: niken 10%; T: titan: 1-15%) . Tra theo bảng XII.4 tính chất cơ học của thép tấm ta được: Giới hạn kéo Giới hạn chảy Khối lượng riêng Chọn công nghệ gia công là hàn tay hồ quang điện, và kiểu hàn là hàn giáp mối một bên. Tra theo bảng XIII.8 – Giá trị hệ số bền hàn của thân hình trụ trang 362 sổ tay 2 Hệ số bền mối hàn . Tra theo bảng XIII.3 về giá trị hệ số an toàn bền của một số vật liệu chế tạo đơn giản ta có: Hệ số an toàn khi kéo theo gia hạn bền: nk= 2,6 Hệ số gia hạn chảy: nc = 1,5 Hệ số giới hạn mỏi: nbl= 1,5 Hệ số điều chỉnh: Áp dụng công thức trang 355, sổ tay 2 XIII.1; XIII.2 ta có: Ứng suất cho phép của vật liệu bền: Áp suất làm việc của tháp P = pmt * (theo công thức I.1 sách Hồ Lê Viên) Với pmt = 9,81.104 N/m2 Do giới hạn bền nhiệt lớn hơn áp suất làm việc của tháp, dựa vào bảng XIII.11 trang 384 sổ tay 2 Với D = 600 mm -> Chọn chiều dày của thân là s = 5 mm Tính nắp và đáy: Chọn nắp và đáy thiết bị dạng elip có gờ Đường kính tháp D = 600mm Tra bảng XIII.11; XIII.10 trang 382 sổ tay 2 ta có: Đáy: Chiều cao hình elip ht = 150 mm Chiều cao gờ h = 40 mm Bề dày đáy s = 10 mm Khối lượng = 38kg khối lượng thực của đáy là: m = 1,01 * 38 = 38.38kg Nắp: Chiều cao hình elip ht =150 mm Chiều cao gờ = 25 mm Bề dày = 6mm Khối lượng = 21 kg khối lượng thực của nắp là: m = 1,01 * 21 = 21.21 kg 3.9 Tính cơ khí: Tính đường ống dẫn khí: Vận tốc trong ống khoảng 15 – 25 m/s Chọn V1 = V2 = 15m/s Đường kính ống dẫn khí vào và ra được tính như sau: chọn đường kính ống dẫn khí vào bằng đường kính ống dẫn khí ra D1 = D2 = 200mm Tính đường kính ống dẫn lỏng: Ống vào: (vận tốc khoảng 1- 2m/s) Chọn V3 = 1,5m/s Chọn D3 = 32 mm Ống ra: (vận tốc 1m/s) Chọn D4 = 40mm Chọn bề dày thép của ống vào = 2mm Chọn bề dày thép của ống ra = 3mm 3.10 Tính bích: Tính bích nối đáy và thân đáy: m1 = Tính bích nối ống dẫn lỏng vào thiết bị: m2 = Tính bích nối ống dẫn lỏng ra: m3 = Tính bích nối ống dẫn khí: m4 = Tổng khối lượng bích: 3.11 Đĩa phân phối 3.12 Lưới đỡ đệm 3.13 Khối lượng toàn thân tháp 3.14 Tính chân thân đỡ bằng ống thép tròn 3.15 Tính tai treo Chương 5: KHAI TOÁN GIÁ THÀNH Chương 6: KẾT LUẬN Tháp hấp thụ trên được thiết kế dùng để xử lý khí HCl từ nhà máy điện phân xút-clo.Tháp hấp thụ xử lý đ