đồ án quá trình thiết bị trích ly phenol trong nước thải bằng xút trong tháp đệm

LỜI NÓI ĐẦU Theo xu hướng phát triển của nền kinh tế thì đang đặt ra cho môi trường một trong những thách thức, một gánh nặng mà cần sự chung sức của nhiều doanh nghiệp, nhiều cá nhân, tổ chức để đem lại cho con người và các loài sinh vật khác một môi trường để sống, để tồn tại. Vì thế vấn đề môi trường đang là mối quan tâm lớn khi mà các doanh nghiệp đi vào hoạt động. Trong nhiều thập niên qua con người đã lường trước được hậu quả mà những gì đã gây ra cho chính môi trường sống của chúng ta. Một trong những hiểm họa của môi trường chính là vấn đề nước thải công nghiệp mà chứa các kim loại nặng, các ion kim loại mà có thể gây ra những dòng sông chết, những ao hồ mà không có một sinh vật nào có thể sinh sống được. Mà một trong những chất độc gây hại chính là phenol, một chất cực độc với môi trường, nó gây ra một hiểm họa lớn khi được xả trực tiếp vào môi trường. Vì thế đồ án nghiên cứu quy trình trích ly phenol trong nước thải bằng xút trong tháp đệm có thể đem đến cho các doanh nghiệp một giải pháp vừa đơn giản vừa dễ thực hiện để có thể giảm bớt được nhu cầu bức thiết cho vấn đề môi trường.  

Trích ly phenol trong nước thải bằng xút trong tháp đệm

Dữ kiện ban đầu:

- Lượng nước thải đưa vào tháp khử phenol: 22000kg/h

- Nồng độ đầu của phenol trong nước thải: C1 = 2,8 g/l

- Mức độ khử phenol: ƞ1= 91%.

- Nồng độ kiềm trong dung dịch đưa vào tháp: C2 = 7,8 %

- Mức độ phản ứng kiềm: ƞ2= 76%.

3 Nội dung bản thuyết minh

3.1 Lời nói đầu

3.2 Ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật của đồ án

3.3 Các phương pháp xử lý nước thải

3.4 Lựa chọn sơ đồ công nghệ

3.5 Tính toán thiết bị chính và chi tiết hình vẽ

3.6 Tính toán và lựa chọn thiết bị phụ

3.7 Kết luận

Ngày báo cáo: 4/2012.

6 Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Thông

Nhóm sinh viên thực hiện: 1.Lê Quốc Đại

2 Trần Bá Đại

Xác nhận của trưởng khoa cho phép bảo vệ: Thành phần hội đồng bảo vệ : 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của giảng viên hướng dẫn

sinh viên đã hoàn thành đầy đủnhiệm vụ được giao

Điểm: Số …….; Chữ ………

Vũng tàu, ngày …,tháng ….,năm 2012

Vũng tàu, tháng 4năm 2012 Nhóm Sinh viên

LỜI NÓI ĐẦU

Theo xu hướng phát triển của nền kinh tế thì đang đặt ra cho môitrường một trong những thách thức, một gánh nặng mà cần sự chung sức củanhiều doanh nghiệp, nhiều cá nhân, tổ chức để đem lại cho con người và cácloài sinh vật khác một môi trường để sống, để tồn tại Vì thế vấn đề môitrường đang là mối quan tâm lớn khi mà các doanh nghiệp đi vào hoạt động

Trong nhiều thập niên qua con người đã lường trước được hậu quả

mà những gì đã gây ra cho chính môi trường sống của chúng ta Một trongnhững hiểm họa của môi trường chính là vấn đề nước thải công nghiệp màchứa các kim loại nặng, các ion kim loại mà có thể gây ra những dòng sôngchết, những ao hồ mà không có một sinh vật nào có thể sinh sống được Màmột trong những chất độc gây hại chính là phenol, một chất cực độc với môitrường, nó gây ra một hiểm họa lớn khi được xả trực tiếp vào môi trường

Vì thế đồ án nghiên cứu quy trình trích ly phenol trong nước thảibằng xút trong tháp đệm có thể đem đến cho các doanh nghiệp một giải phápvừa đơn giản vừa dễ thực hiện để có thể giảm bớt được nhu cầu bức thiết chovấn đề môi trường

1.1.Ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật của đồ án.

Phenol là hợp chất hữu cơ mà phân tử của chúng có nhóm –OH liên kếttrực tiếp với nguyên tử C của vòng benzene, là chất rắn không màu, ít tantrong nước lạnh, tan vô hạn ở 660C, tan tốt trong etanol, ete,…Phenol dễ chảyrữa, thẫm màu

Phenol là chất thải hữu cơ độc hại khó xử lý Nó có mặt trong nước thảicủa quá trình sản xuất nhựa phenolphomanđehit, dược phẩm, thuốc trừ sâu,công nghiệp dệt Phenol có ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con ngườingay cả ở nồng độ rất thấp, nó là tác nhân tiềm ẩn gây ung thư

Xút (NaOH) là một chất lỏng không màu tan vô hạn trong nước, là mộtchất có tính kiềm mạnh được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp nhưgiấy, dệt nhuộm, xà phòng và chất tẩy rửa

Việc xử lý phenol có trong nước thải chỉ bằng những nguyên liệu rẻtiền, đơn giản đang là nhu cầu của không ít công ty, doanh nghiệp bởi nhưvậy sẽ mang lại lợi nhuận cao cho các công ty khi mà nhu cầu xử lý nước thảiđang chiếm một khoản không nhỏ trong doanh thu của các công ty này

Vì vậy, đồ án mà nhóm chúng em nghiên cứu để trích ly phenol trongnước thải bằng dung dịch xút với hy vọng sẽ giải quyết được một phần nàonhu cầu bức thiết của môi trường khi vấn đề biến đổi khí hậu đang là chủ đềnóng ở trên các cuộc thảo luận thường niên của các tổ chức trên thế giới

1.2 Các phương pháp xử lý nước thải.

1.2.1 Phương pháp xử lý nước thải chứa phenol bằng phương pháp oxi hóa điện hóa trên điện cực PbO 2

Mô tả: Điện cực PbO2 được tổng hợp bằng phương pháp oxi hóa điệnhóa ion Pb2+ từ dung dịch Pb(NO3)2 trên nền graphit

Ưu điểm của phương pháp này là các hóa chất rẻ, dễ tìm và dễ vậnhành do thiết bị khá đơn giản.

Hạn chế của phương pháp này là khó kiểm soát được các tác nhân như

PH, nồng độ các hóa chất, …

1.2.2 Xử lý nước thải chứa phenol và dẫn xuất bằng xúc tác zeolite

Fe–MORDENIT.

Mô tả: Nguồn nguyên liệu được kết tinh trong autoclavơ, nhiệt độ

70oC, PH = 10,5, thời gian 36 giờ Sản phẩm sau khi kết tinh được lọc rửabằng nước cất, sấy ở 120oC trong 3 giờ

Ưu điểm của phương pháp này là: Thân thiện với môi trường vì đây làxúc tác sinh học, nguyên liệu thì đơn giản,dễ kiếm, điều kiện phản ứng mềm,hiệu suất phản ứng cao

Bên cạnh đó thì phương pháp này chỉ đúng cho phenol và o-clorophenolnên

điều kiện phản ứng sẽ thay đổi đáng kể khi gặp phải những dẫn xuấtkhác, xúc tác zeolite dễ bị ngộ độc bởi nhiều hợp chất có trong nước thải như

Ưu điểm của phương pháp này là: Hóa chất rất dễ kiếm, rẻ và đượcdùng phổ biến trong sản xuất, chế độ công nghệ mềm, thiết bị dễ vậnhành, hiệu suất phản ứng cao, không cần xúc tác.

Nhược điểm là: Thiết bị quá cồng kềnh và đòi hỏi phải kiểm tra quytrình công nghệ thường xuyên để tránh nguy cơ bị sốc trong đĩa đệm

Và trong giai đoạn hiện nay thì phương pháp này vẫn đang là hướng điđúng trong quá trình xử lý phenol trong nước thải và một số nhượcđiểm trong phương pháp này vẫn có thể khắc phục triệt để để nâng caohiệu suất và đảm bảo tính liên tục của quá trình vận hành

1.3 Lựa chọn sơ đồ công nghệ

1.3.1 Sơ đồ công nghệ:

1.3.1.1 Thuyết minh sơ đồ công nghệ:

Nước thải chứa ammoniac và phenol được chứa trong thùng chứa (1)nhờ bơm (2) đưa lên thùng cao vị (3).Khi mực nước thải trong thùng cao vịcao hơn mức cho phép thì lượng nước thải dư sẽ chảy qua ống chảy tràn ởthùng cao vị về thùng chứa (1).Nước thải ở thùng cao vị (3) được đưa vàophần trên cột sữa vôi (4) nhờ một đường ống.Tại đây nước thải được táchphần cấu tử ammoniac để phân hủy bằng hơi nước Sau khi được tách phầncấu tử dể phân hủy nước thải theo đường ống (a) đến thùng chứa trung gian(6), sau đó được bơm (7) đưa lên đỉnh tháp khử phenol (8) Tại đây phenolđược thổi ra khỏi nước thải bằng hơi nước, phần hơi nước tuần hoàn vàphenol được quạt (9) đưa vào phần dưới tháp khử phenol (8) để khử phenolbằng xút Phần nước thải sau khi được khử phenol sẽ theo đường ống (b) đi

về bộ phận khuấy trộn bên dưới cột sữa vôi (4) Tại đây nước chứa ammoniac

sẽ được cho phản ứng với sữa vôi Sau đó phần sữa vôi và ammoniac khóphân hủy sẽ được đưa qua một trong hai cột phụ (5) (Do trong quá trình làm

việc các muối canxi hình thành sẽ làm tắc các đĩa chóp và các đường ống dẫncủa cột phụ Người ta sẽ dừng cột phụ đang hoạt động chuyển qua cột phụ dựphòng để quá trình xử lí nước thải được diễn ra liên tục, cột phụ vừa đượcdừng sau khi cho tháo rửa sẽ trở thành cột phụ dự phòng.Như vậy, hai cột phụ

sẽ làm việc luân phiên nhau) Tại cột phụ (5) hơi ammoniac sẽ được tách khỏihỗn hợp và được đưa về phần bay hơi ở cột phụ (4), sau đó hơi amoniac sẽđược làm bay hơi, hơi ammoniac đó sẽ được đưa vào thiết bị hồi lưu ốngchùm (22).Tại đây hơi ammoniac sẽ di chuyển giữa các ống, nước làm lạnh sẽ

di chuyển trong các ống và làm lạnh ammoniac xuống còn khảng 95 – 96oC.Khi hàm lượng ammoniac trong nước đạt 8 – 10% thể tích thì sẽ được đem đi

xử lí bằng phương pháp trung hòa để sản xuất phân đạm hoặc được đưa sang

bộ phận trung hòa để thu hồi bazfiridin Một phần hơi được hồi lưu lại cột sữavôi (4).Phần nước thải đã được tách ammoniac ở phần dưới cột phụ (5) đượcđưa qua thùng lắng cặn (15) để tách cặn và mùn vôi trước khi thải ra môitrường

Quá trình tạo sữa vôi: Vôi chưa tôi được đưa vào tang quay (10) Bêntrong tang quay vôi được khuấy trộn giúp cho quá trình tôi vôi diễn ra nhanhhơn Sữa vôi tạo thành sẽ được đưa qua thiết bị lọc cát (11) để lọc sạch cát rakhỏi sữa vôi Cát sau khi lọc sẽ được đưa lên xe gòong (12) đem đi đổ Sữavôi sau khi lọc sạch cát sẽ được đưa qua thùng khuấy (13) và được bơm (14)đưa vào phần khuấy trộn phía dưới cột sữa vôi (4) theo đường ống (v), phầnsữa vôi dư sẽ theo đường ống (g) đi về thùng khuấy (13)

Quá trình tạo dung dịch xút: Xút khan được chứa trong thùng chứa xútkhan (16) Dưới tác dụng của hơi nước xút bị hòa tan tạo thành dung dịch xútđậm đặc 40 – 45%, dung dịch xút này được chứa trong thùng chứa xút đặc(17), sau đó được đưa qua thùng chứa xút loãng (18) và được pha loãng bằngnước Sau khi pha loãng, xút được bơm (19) đưa vào phía trên ngăn dưới của

tháp khử phenol (8) để khử phenol thành phenolat Phenolat tạo thành sẽ lắngxuống đáy tháp và được tháo ra tại đây qua van thủy lực vào thùng chứa (20),sau khi được bơm (21) đưa vào kho hoặc được đưa đi xử lí tiếp.

Ngăn giữa có 1 loạt vòi phun phun vào dung dịch kiềm lên trên lớpđệm kim loại trong găn dưới

Ngăn dưới tháp chứa đầy đệm xoắn kim loại xếp thành nhiềukhoang có chiều cao 3,5 – 3,8m khoảng cách là 400 – 500mm dùng để thu hồiphenol từ dòng hơi tuần hoàn.Dung dịch kiềm tưới vào dưới dạng phenolat.Dung dịch kiềm mới được đưa vào tháp 15 phút/lần nhờ bộ phận điềuchỉnh đặc biệt.Hơi nước sau khi giải phóng hết phenol ở ngăn dưới sẽ lênngăn trên để thổi phenol ra khỏi nước chứa amoniac tưới vào trên đỉnh tháp.Phenolat được tạo thành ở ngăn dưới sẽ tháo vào thùng chứa sau đó đượcđưa vào kho bảo quản

Lượng hơi tuần hoàn 1500 – 2000m3/1m3 nước tưới vào trên đỉnh tháp.Ngăn dưới và ngăn trên được thông nhau bằng ống dẫn khí thẳng đứng

có chóp để tránh nước amoniac sẽ rơi xuống ngăn dưới

1.3.2.2 Nguyên lý làm việc

Nước thải chứa amoniac và phenol được đưa vào đỉnh tháp sẽ bị hơinước ở đáy tháp đi lên thổi phenol ra ngoài đỉnh tháp và được đưa quay trở lạiđáy tháp.Nước amoniac đã khử phenol được đưa ra ngoài để tiếp tục chế biến.Hơi và phenol sau khi quay trở lại đáy tháp sẽ đi qua các đệm xoắn kimloại sẽ gặp dung dịch xút được đưa vào phần trên của ngăn dưới, tại đó diễn

ra quá trình khử phenol bằng dung dịch xút Phenolat được tạo thành sẽ lắngxuống đáy và được đưa ra ngoài để xử lý

Hơi nước đã mất phenol sẽ tiếp tục đi lên trên qua đệm khung gỗ sẽ gặpnước có chứa amoniac và phenol, hơi này sẽ thổi phenol ra ngoài.Quá trìnhnày sẽ diễn ra liên tục như vậy

NỘI DUNG TÍNH TOÁN

1 DỮ KIỆN BAN ĐẦU

- Lượng nước thải đưa vào tháp khử phenol: 22000 kg/h

- Nồng độ đầu của phenol trong nước thải: C1 = 2,8 g/l

- Mức độ khử phenol: ƞ1 = 91%

- Nồng độ kiềm trong dung dịch đưa vào tháp: C2 = 7,8%

- Mức độ phản ứng kiềm: ƞ2 = 76%

2 TÍNH TOÁN THÁP TRÍCH LY PHENOL.

2.1 Tính toán ngăn trên của tháp.

- Lượng nước thải đưa vào tháp khử phenol: 22000 kg/h

- Nồng độ đầu của phenol trong nước thải: C1 = 2,8 g/l.

- Lượng phenol trong nước thải là :

2,8.22000

1000 = 61,6 (kg/h)

Với: 1000 kg/m3 – khối lượng riêng của phenol

- Do mức độ khử của phenol là 91%, nên trong nước còn có lượngphenol không thể tách ra là :

Trong đó :-a2max: hàm lượng phenol cực đại (kg/m3)

- p: áp suất hơi phenol trên dung dịch nước ammoniac (mmHg)

- M: khối lượng phân tử phenol, M = 94 đvC

- P: áp suất hơi khi ra khỏi tháp (mmHg)

haya2max= 2,78 (g/m3)

- Lượng phenol tối thiểu trong hơi tuần hoàn là:

Vmin= 100.a G

2 max−a1(m3/h)Trong đó:-G lượng phenol tách ra (kg/h)

- a2max: hàm lượng phenol cực đại trong hơi đi ra (g/m3)

- a1: lượng phenol trong hơi đi vào (g/m3)

Ngoài ra do mức độ khử phenol trong nước là 91% nên lượng hơi trongngăn trên của tháp là:

2.1.1 Bề mặt tưới và kích thước ngăn trên của tháp

- Vì ngăn trên chứa đệm khung gỗ với những đặc trưng sau:

+ bề dày thành: a = 10 mm

+ khoảng cách giữa 2 thanh: b = 19mm

+ chiều cao thanh: c = 120 mm

+ đường kính tương đương của đệm: de = 2.b = 0,038 m

- Tốc độ chuyển động giới hạn của hơi đi qua đệm là:

Với:

vg/h = 2320.d v

e

Trong đó: -v là độ động học của hơi nước (m2/s)

- Độ nhớt động học của hơi nước ở 100oC là:

- Tiết diện chung:

Trong đó: - M1 khối lượng phân tử của phenol.

- M2 khối lượng phân tử của nước

- Mật độ tưới của nước là : q = 2.l W

Trong đó: - W là lượng nước thải đưa vào là 22 (m3/h.m)

- l là chiều dài các thanh 1 vòng đệm (m)

Vì tiết diện S1 = 6,3 m2 nên chiều dài một vòng đệm là:

l =0,0196,3 = 332 (m)

Suy ra:

q = 2.l W = 2.33222 = 0,033 (m3/h.m)

Vậy:

- Dl hệ số khuếch tán của phenol trong nước (m2/h)

- Hệ số khuếch tán của phenol trong nước là:

Dl= 0,0124.10-6.γ T

√γ p M (m2/h)Trong đó: - T nhiệt độ chất lỏng (oC), T = 373oK

- γlkhối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3), γl= 958 (kg/m3)

-γpkhối lượng riêng của phenol lỏng (kg/m3), γp= 1060 (kg/m3)

- v lđộ nhớt động học chất lỏng

- M khối lượng phân tử phenol, M = 94

Thay số vào ta được:

Dl= 0,0124.10-6 373

958.1,05.10 −3.3

√106094 = 10,3.10-6 (m2/s)Suy ra:

2.1.2 Phần phía trên ngăn trên của tháp:

- Áp suất riêng phần trong hơi phenol đi ra khỏi tháp

2.1.3 Phần phía dưới ngăn trên của tháp:

- Áp suất riêng phần của phenol trong hơi đưa vào:

- Hơi vào ngăn dưới với lượng 33393 m3/h ở điều kiện thực tế trong

đó chứa 1,85 g/m3 phenol, nhiệt độ hơi vào 1000C, áp suất 780mmHg

- Hơi bị dung dịch kiềm tách ra dưới dạng phenolat, phenol trong hơi

đi ra khỏi tháp còn 0,17g/m3, áp suất hơi đi ra là 770mmHg, nhiệt độ

100oC

- Lượng phenol tách ra là: 56,1 kg/h

- Nồng độ NaOH trong dung dịch đi vào là 7,8% và mức độ phản ứngkiềm là 76% do đó lượng NaOH phản ứng chỉ 5,93% tức là cần59,3(g/l)

Ta có phương trình phản ứng:

C6H5OH + NaOH = C6H5ONa + H2O

- Lượng phenol bị NaOH hấp thụ là:

60 9440= 139 (g)

- Như vậy trong 1(l) NaOH có thể hấp thụ lượng phenol là: 139 (g).

- Vậy khi hấp thụ 56,1 (g) phenol cần lượng xút là:

56100

139 = 404 (g/h)

- Số lượng NaOH này không đủ để hấp phụ hết lượng phenol nếu tatưới một cách liên tục nên ta phải đưa vào một cách gián đoạn đểtưới đều lên toàn bộ bề mặt đệm

Vì vậy cứ 15 phút người ta sẽ đưa NaOH vào một lần với lượng 101(l)

2.2.2 Bề mặt hấp thụ và kích thước tháp

- Ta thừa nhận rằng đường kính phần dưới bằng 3,5m

- Tiết diện ngang 9,6m2 Ta xác định được:

- Bề mặt của 1m3 đệm: f = 130m2

- Khối lượng đống của đệm: γ = 104 kg/m3

- Thể tích tự do của đệm:

Vđệm = 7800−1047800 = 0,9867 (m3/m3)

Với 7800 là khối lượng riêng của sắt, kg/m3

Do đó tiết dện tưới của đệm chính là: 0,9867 m3/m3

- Đường kính tương đương của đệm là:

2.2.3 Xác định động lực của quá trình chuyển khối

- Áp suất riêng phần của phenol trong hơi đi vào:

pgꞋ = 1,85.22,494.1000 780 = 0,344 (mmHg)

- Áp suất hơi riêng phần của hơi phenol đi ra:

pgꞋꞋ = 0,17.22,4 7701000.94 = 0,031 (mmHg)

- Áp suất hơi của phenol trên dung dịch đi vào: plꞋꞋ = 0

- Áp suất hơi của phenol trong dung dịch phenolat đi ra được xác địnhtheo phương trình phản ứng:

C6H5OH + NaOH = C6H5ONa + H2O

- Vì lượng phenol bị hấp thụ bởi 1 lít dung dịch NaOH là 139g Khimức độ thủy phân của C6H5ONa là 1% thì lượng phenol tự do là1,39(g/l)

- Vậy áp suất hơi của phenol trên dung dịch đó là:

- Vậy chiều cao của ngăn dưới tháp là:

Áp suất làm việc Pmt = 1atm = 1,03.105 (N/m2)

Chọn vật liệu là thép không gỉ để chế tạo thiết bị:

Kí hiệu thép: X18H10T (C ≤ 0,12%, Cr ≤ 18% ,N ≤ 10%, T nằm trongkhoảng 1-5% )

Hệ số dẫn nhiệt: λ = 16,3 (W/m.oC)

Khối lượng riêng: ρ = 7900 (kg/m3)

- Chọn tháp hàn tay bằng hồ quang điện với đường kính tháp

Trong đó: - Dt là đường kính trong thiết bị (m), Dt = 3,5 (m)

- σ klà ứng suất cho phép và được tính theo công thức:

σ k = σ c

n c ƞ = 220.106

1,5 1= 146,667.106 (N/m2)

- φ hlà hệ số bền hàn, φ h = 0,95

- P là áp suất trong thiết bị: P = Pmt + Ptt

Pmtlà áp suất môi trường, = 1,03.105 (N/m2)