Đồ án công nghệ thiết kế hệ thống xử lý HCl

Các ngành công nghiệp chiếm vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế nước ta. Nó phát triển cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội và ngày nay nhu cầu của con người ngày càng tăng cao, kéo theo sự phát triển của một số ngành liên quan như: Tự động hóa, công nghệ hóa chất… Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp này thì một lượng lớn khí thải từ các nhà máy đã thải vào môi trường, nếu lượng khí thải do các máy này thải ra mà không qua sử lý sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường, độc tính từ các dòng khí thải do nhà máy sản xuất thải ra ngây thiệt hại nhiều đến sức khỏe của con người. Do đó việc xử lý khí thải trước khi thải ra môi trường không khí là một điều tất yếu. 1.2. Nhiệm vụ của đồ án  Tổng quan về phương pháp hấp thu khí HCl bằng nước.  Tìm hiểu nguồn gốc, tính chất đặc trưng, khả năng gây ô nhiễm của khí thải – khí HCl.  Tính toán thiết bị xử lý phù hợp.

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt vấn đề

Các ngành công nghiệp chiếm vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế nước ta

Nó phát triển cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội và ngày nay nhu cầu của conngười ngày càng tăng cao, kéo theo sự phát triển của một số ngành liên quan như:

Tự động hóa, công nghệ hóa chất… Cùng với sự phát triển của các ngành côngnghiệp này thì một lượng lớn khí thải từ các nhà máy đã thải vào môi trường, nếulượng khí thải do các máy này thải ra mà không qua sử lý sẽ ảnh hưởng trực tiếpđến môi trường, độc tính từ các dòng khí thải do nhà máy sản xuất thải ra ngâythiệt hại nhiều đến sức khỏe của con người Do đó việc xử lý khí thải trước khi thải

ra môi trường không khí là một điều tất yếu

1.2 Nhiệm vụ của đồ án

 Tổng quan về phương pháp hấp thu khí HCl bằng nước

 Tìm hiểu nguồn gốc, tính chất đặc trưng, khả năng gây ô nhiễm của khí thải– khí HCl

 Tính toán thiết bị xử lý phù hợp

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT

2.1 Khái niệm

Hấp thu là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào phalỏng 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 chotiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan có chọn lựa một hay nhiều cấu tửcủa hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng

Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thuChất lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi (chất hấp thu)Khí không bị hấp thu gọi là khí trơ

Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, quá trình hấp thu được dùng để:

 Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí

- Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách vàhòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại Đây là điều kiện quan trọng nhất.

- Độ nhớt của dung môi: càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ, tăng tốc độhấp thu và có lợi cho quá trình chuyển khối

- Nhiệt dung riêng: bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi

- Nhiệt độ sôi: khác xa với nhiệt độ sôi của chất hoà tan sẽ dễ tách các cấu

tử ra khỏi dung môi

- 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

Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mònthiết bị

Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được tất cả các chỉ tiêu

đã nêu Vì vậy, khi chọn dung môi ta phải dựa vào những điều kiện cụ thể của sảnxuất

2.2 Cơ sở lý thuyết

2.2.1 Định luật Henry

Thành phần cân bằng của các pha trong hệ khí – dung dịch chất lỏng hòa tankhí đối với các khí lý tưởng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn được xác định theođịnh luật Henry:

Nghĩa là áp suất riêng phần của khí trên mặt thoáng chất lỏng tỉ lệ với nồng

độ phần mol của nó trong dung dịch

Trong phương trình (2.1)

x : Nồng độ phần mol của khí bị hấp thu trong dung dịch

H: Hệ số Henry, có cùng thứ nguyên với áp suất, giá trị của nóphụ thuộc vào tính chất của khí và của chất lỏng, vào nhiệt độ và đơn

và độ hòa tan của nó trong chất lỏng nhỏ thì đường biểu diễn của phương trình(2.1) cũng là một đường thẳng

Mặt khác, áp suất riêng phần cân bằng của khí cũng có thể xác định theophương trình sau:

2.2.2 Cân bằng vật chất trong quá trình hấp thu

Xét một quá trình xảy ra với một pha ký hiệu là L và pha ký hiệu là G.

Trong thiết bị hai pha tiếp xúc nhau và chỉ có dung chất A khuếch tán giữa hai pha.Cấu tử không khuếch tán giữa hai pha gọi là cấu tử trơ Ký hiệu:

Lđ, Lc: Suất lượng mol tổng cộng của pha L vào và ra khỏi thiết

Hình 2.1 trình bày quá trình tiếp xúc nghịch dòng cho một tháp bất kỳ

Gọi: G Là suất mol tổng cộng/h (m2 tiết diện tháp)

y Là phần mol của dung chất khuếch tán A

L tr = L( 1 - x ) = (2.7)

Vì cấu tử trơ trong pha khí và trong pha lỏng có suất lượng không đổi khi điqua tháp nên ta viết phương trình cân bằng vật chất trên căn bản cấu tử trơ Cânbằng dung chất cho phần dưới tháp đến vị trí bất kỳ (bao hình 1) là:

Đây là phương trình đường thẳng (đường làm việc) trên tọa độ X, Y, hệ số góc là L tr /G tr và đi qua điểm (X 1 /Y 1 ) Nếu thay X, Y bằng X 2 /Y 2 thì đường biểu diễn

cũng đi qua điểm (X 2 /Y 2 ) Đường làm việc là đường thẳng khi vẽ theo tọa độ tỉ số

mol X,Y hoặc tỉ số khối lượng , Nếu biểu diễn theo phần mol hoặc áp suất riêng

phần, đường làm việc sẽ là đường cong, phương trình khi đó là:

G tr ( - ) = G tr ( - ) = L tr ( - ) (2.9)

Với P t là áp suất tổng được xem như không đổi trong suốt cả tháp

2.2.3 Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu

Trong việc tính toán quá trình hấp thu, ta thường biết trước các đại lượngsau:

 Suất lượng pha khí G hay G tr

 Nồng độ hai đầu pha khí Y 1 và Y 2 nồng độ của pha lỏng ban đầu X 2

Suất lượng dung môi lỏng được chọn phụ thuộc vào các đại lượng trên

Hình 2.3a, đường làm việc phải đi qua điểm D và chấm dứt tại đường có

tung độ Y 1 Nếu suất lượng dung môi sử dụng tương ứng với đường DE, nồng độ

pha lỏng trong dòng ra sẽ là X 1 Nếu lượng dung môi sử dụng ít hơn, thành phầnpha lỏng đi ra sẽ lớn hơn (điểm F) nhưng động lực khuếch tán sẽ nhỏ hơn, quátrình thực hiện khó hơn, thời gian tiếp xúc pha sẽ lâu hơn, do đó thiết bị hấp thụphải cao hơn Đường làm việc ứng với lượng dung môi tối thiểu khi tiếp xúc vớiđường cân bằng tại P Tại P động lực khuếch tán bằng không, thời gian tiếp xúcpha không xác định và tháp có chiều cao không xác định Điều này là điệu kiệngiới hạn cho lượng dung môi sử dụng

Y

X Đường cân bằng

Hình 2.2 Đường làm việc cho quá trình hấp thu

Thường thì đường cân bằng lõm như hình 2.3b, đường làm việc ứng vớilượng dung môi tối thiểu tương ứng với nồng độ dòng lỏng ra cân bằng với nồng

độ dòng khí vào Như vậy ta có:

2.2.4 Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình hấp thu

Phương trình cân bằng nhiệt lượng

Hình 2.3 Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu

Tđ, Tc: Nhiệt độ khí ban đầu và cuối, (0C)

Iđ,Ic: Entalpy hỗn hợp khí ban đầu và cuối, (kJ/kg)

Cđ, Cc: Tỷ nhiệt của dung dịch đầu và cuối, (kJ/kg độ)

Q0: Nhiệt mất mát, (kJ/h)

Qs: Nhiệt phát sinh do hấp thu khí, (kJ/h)

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp thu

Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp thu Cụ thể

là chúng có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình

Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi các điều kiện khác không đổi nếu nhiệt độ tăng thì giá trị của hệ sốHenry tăng, đường cân bằng sẽ chuyển dịch về trục tung Giả sử đường làm việc

PQ không đổi, nếu nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm, do đó tốc độtruyền khối sẽ giảm Nếu tăng nhiệt độ lên một giới hạn nào đó thì không nhữngđộng lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình củng không thực hiện được theođường làm việc PQ cho trước Mặt khác nhiệt độ tăng cũng có ảnh hưởng tốt vìlàm độ nhớt của dung môi giảm (có lợi đối với trường hợp trở lực khuếch tán chủyếu nằm trong pha lỏng)

Ảnh hưởng của áp suất:

Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất của hỗn hợp khí thì

hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trụchoành Như vậy nếu tăng áp suất thì quá trình truyền khối sẽ tốt hơn vì động lực tốthơn

Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ Mặt khác, sựtăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thu.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

2.4 Tính chất của HCl

HCl là một chất khí không màu có mùi xốc, trọng lượng riêng 1,264 ở 170C(so với không khí) Nhiệt độ nóng chảy -114,70C, nhiệt độ sôi -85,20C Nhiệt độ tớihạn 51,250C, áp suất tới hạn 86 at Tỷ trọng HCl lỏng ở -1130C là 1,267, ở -1100C

t1 t2 t3 t4

P

Q y

clohydrit Tan nhiều trong nước và phát nhiệt Tan trong rượu, trong benzen (2% ở

180C), trong ete (35% ở 00C) Hằng số phân ly của acid clohydrit ở 00C bằng2,5.107

- Tính chất hóa học

Phân tử clorua hiđrô (HCl) là một phân tử hai nguyên tử đơn giản, bao gồm mộtnguyên tử hiđrô và một nguyên tử clo kết hợp với nhau thông qua một liên kết đơn cộnghóa trị Do nguyên tử clo có độ âm điện cao hơn so với nguyên tử hiđrô nên liên kếtcộng hóa trị này là phân cực rõ ràng Do phân tử tổng thể có mômen lưỡng cực lớn vớiđiện tích một phần âm δ- tại nguyên tử clo và điện tích dương δ+ tại nguyên tử hiđrô,nên phân tử hai nguyên tử clorua hiđrô là phân tử phân cực mạnh Vì thế, nó rất dễ dànghòa tan trong nước cũng như trong các dung môi phân cực khác

Khi tiếp xúc với nước, nó nhanh chóng bị ion hóa, tạo thành các cation làhiđrônium (H3O+) và các anion clo (Cl-) thông qua phản ứng hóa học thuận nghịchsau:

HCl + H2O → H3O+ + Cl

-Như các loại axít khác, HCl có khả năng tác dụng với:

 Kim loại: Giải phóng khí hiđrô và tạo muối clorua (trừ các kim loại đứngsau hiđro trong dải hoạt động hóa học như Cu, Hg, Ag, Pt, Au)

 Muối: tác dụng với các muối có gốc anion hoạt động yếu hơn tạo muối mới

và axít mới

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2ONgoài ra, trong một số phản ứng HCl còn thể hiện tính khử bằng cách khửmột số hợp chất như KMnO4 (đặc), MnO2, KClO3 giải phóng khí clo

2KMnO4(đặc) + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8 H2OMnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2 + 2H2O

+ Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên 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 đệm thườngđược sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí khôngchứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng

+ Tháp đĩa: Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh

tế hơn những tháp khác, được sử dụng khi năng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ vàmôi trường không ăn mòn

Tháp hấp thụ phải thảo mãn những yêu cầu sau: Hiệu quả và có khả năng chokhí đi qua, trở lực thấp (< 3000 Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khốilượng nhỏ, không bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ.

Khi đồng thời hấp thụ nhiều khí, vận tốc hấp thụ của mỗi khí bị giảm xuống Khíhấp thụ hóa học trong tháp xuất hiện đối lưu bề mặt, nghĩa là trên bề mặt phân chiapha xuất hiện dòng đối lưu cưỡng bức thúc đẩy quá trình truyền khối

CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

3.1 Thuyết minh quy trình công nghệ

Khí cần xử lý cần được lấy từ các nhà máy, sẽ được thu hồi lại rồi sau đódùng quạt thổi khí vào tháp hấp thụ (tháp mâm xuyên lỗ) Dung dịch dùng hấp thụ

là nước Tháp hấp thụ làm việc nghịch chiều: Nước được bơm lên bồn cao vị (vớimục đích để ổn định lưu lượng), từ đó cho vào tháp từ trên đi xuống, hỗn hợp khíđược thổi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra Hấp thụ xảy ra trong đoạn tháp

có bố trí các mâm Hỗn hợp khí trơ đi ra ở đỉnh tháp sẽ được cho đi qua ống khói

để phát tán khí ra ngoài mà không gây ảnh hưởng đến công nhân Dung dịch sauhấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồn chứa Tại đây, dung dịch lỏng này có thể đượcđưa qua tháp tái sinh để tái sử dụng hoặc sẽ được sử lý để sau cho nồng độ cùanước thải đạt được nồng độ cho phép để có thể thải ra môi trường Nếu trong khucông nghiệp thì xử lý sau cho nước thải đạt tiêu chuẩn loại B (1mg/l) hoặc nếu đặttrong khu sinh hoạt thì phải xử lý cho đến khi đạt tiêu chuẩn loại A (0.1mg/l)

3.2 Sơ đồ quy trình công nghệ

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG

4.1 Tính cân bằng vật chất cho tháp hấp thu

4.1.1 Các thông số ban đầu

 Công suất của hệ thống V0 = 8 m3/s = 288000 m3/h (điều kiện tiêuchuẩn)

 Nồng độ khí HCl trong khí thải (điều kiện tiêu chuẩn)

Nồng độ khí vào yđ = 700 mg/m3 = 0.7 g/m3

Nồng độ khí ra yc = 40 mg/m3 = 0.04 g/m3

 Nồng độ ban đầu của HCl trong nước Xđ = 0

 Nhiệt độ làm việc trung bình của hệ thống là 30 0C

 Áp suất làm việc ở P = 0.2 Mpa = 2,04at

Tỉ số mol của dung chất trong pha khí

4.1.3 Đường cân bằng pha

Dựa theo định luật Henry:

Ở 30 0C H.10-6 = 0,0022 mmHg

=> m = = = 2,8947

y cb = (*)

Số liệu xây dựng dường cân bằng pha.

X 0 0.20E -4 0.40E-4 0.60E-4 0.80E-4 1.0E-4 1.20E-4 1.40E-4

Y 0 0.000057

8

0.000116

0.000174

0.000232

0.000290

0.000347

0.000405

4.2 Tính cân bằng năng lượng cho tháp hấp thu

4.2.1 Lưu lượng pha lỏng và pha khí

Gx = Ltr 18 = 7763,7767.18 = 139747,9806 (kg/h)

CHƯƠNG 5

5.2 Đường kính, diện tích mặt cắt ống chảy chuyền

Đường kính ống chảy chuyền

x khối lượng riêng của lỏng, kg/m3

x Hệ số cấp khối phía pha lỏng

y Hệ số cấp khối phía pha khí

Hệ số cấp khối phía pha khí

y = 3,03.10-4.wy0.76.Px (II - 164)Trong đó

Vận tốc khí qua lỗ

w0 = = = 14,7463 (m/s)

Pk = 1,635 = 128,7574(N/m2)+ Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (II - 194)

Ps = = = 20,6318 (N/m2)+ Trở lực thủy tĩnh

Pt = 1,3.[K.hc + ].g.x (II - 194)Trong đó

hc Chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên khỏi đĩa, m

Gx Lưu lượng lỏng, kg/h,

(Gx = = = 139,7480

Lc Chiều dài cửa chảy tràn, m

m Hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn,

( = 172,9065 > 5 => m = 10000)

x Khối lượng riêng của lỏng, kg/m3

K Tỉ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng củalỏng không bọt, (chấp nhận K = 0,5)

Số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa

Trong đó

Ky Hệ số chuyển khối, Kmol/m2s

f Diện tích làm việc của đĩa, m2

Gy Lưu lượng khí, Kmol/s

Đồ thị X,Y xác định số đĩa lý thuyết

Dựa vào đồ thị X, Y xác định số đĩa lý thuyết theo đường cân bằng vàđường làm việc, số bậc (số tam giác) tạo thành giữa hai đường chính là số đĩa lýthuyết

0 0.00005

Đồ thị X,Y xác định số đĩa thực tế

Dựa vào đồ thị X, Y xác định số đĩa thực tế theo đường cong phụ và đườnglàm việc, số bậc (số tam giác) tạo thành giữa hai đường chính là số đĩa thực tế

Như vậy số đĩa thực tế là 9

Chiều cao toàn tháp

H = Hd(Nt + 1) + Hday + Hn + Hc + 

Trong đó

Nt Số đĩa thực tế

Hd Khoảng cách giữa các đĩa, (Hd = 0,5 m) (II - 169)

Hday Chiều cao đáy của thiết bị

Hn Chiều cao nắp của thiết bị

(Hday, Hn = 0,375 m)

Hc Chiều cao của chân đỡ, (Hc = 0,185 m)

 Khoảng cách bổ sung của đáy tháp, ( = 0,4 m)

=> H = 0,5(9 + 1) + 0,375 + 0,375 + 0,185 + 0,4 = 6,335 (m)

CHƯƠNG 6 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CƠ KHÍ

Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn, nhiệt độ làm việc t = 300C, Plv =2,04 at = 200124 N/m2 Nên ta chọn vật liệu là thép không gỉ để chế tạo thiết bị

Ký hiệu thép: X18H10T (II - 310, 313, 356, 362)Các thông số chính của thép:

Giới hạn bền k = 550.106 (N/m2)Giới hạn chảy ch = 220.106 (N/m2)Chiều dài tấm thép 4 - 25 (mm)

Hệ số dẫn nhiệt từ 20  100 0C:  = 16,3 (W/m.độ)Khối lượng riêng  = 7900 (kg/m3)

Hệ số an toàn bền

nk = 2,6 nc = 1,5 nbl = 1,5

Hệ số hiệu chỉnh η h = 1

Hệ số bền mối hàn  h = 0,95Chọn công nghệ gia công: Hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp mối haibên

6.1 Ứng suất làm việc cho phép theo giới hạn bền

Ptt = Pmt + gh (II - 366)Trong đó

Pmt Áp suất của môi trường, N/m2

 h Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc

Ptt Áp suất trong thiết bị, N/m2

C0 Hệ số bổ sung quy tròn kích thước C0 = 3 (mm)

[P] > Ptt thỏa điều kiện

Vậy chiều dày thân được chọn là S = 5,95 (mm)

6.3 Chiều dày đáy, nắp tháp

Chọn đáy, nắp elip tiêu chuẩn

Chọn chiều dày đáy, nắp bằng chiều dày thân

Sd = Sn = St = 5,95 (mm) Kiểm tra tương tự như chiều dày thân: Sd = Sn = 5,95 mm thỏa điều kiện

6.4 Chọn bích

Chọn bích liền bằng thép nối đáy, nắp, thân thiết bị

Ta có các thông số sau, xem bảng XIII.27 (II - 417)

Đường kính trong của thiết bị: Dt = 3500 (mm)Đường kính ngoài của bích: D = 3610 ( mm )Đường kính tấm bulong Db = 3600 (mm)Đường kính mép vát DI = 3560 (mm)

Đường kính bulong db = M30