Đồ án khí thải

TỔNG QUAN VỀ KHÍ HYDROCLORUA

Đặc điểm lý hóa của khí Hydroclorua (HCl)

Hình 1.1 Cấu trúc phân tử của hydro clorua.

- Công thức phân tử: HCl (khí);

- Độ hòa tan trong nước ở 20 o C: 720g/L;

- Hòa tan trong nước, dung dịch NaOH, Ca(OH)2;

- HCl là khí độc hại, chất ăn mòn.

Hidro clorua (HCl) là một chất khí không màu, độc hại và có tính ăn mòn cao, tạo ra khói trắng khi tiếp xúc với độ ẩm Khói trắng này chính là axit clohiđric, hình thành khi hidro clorua hòa tan trong nước Cả hidro clorua và axit clohiđric đều đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất, khoa học và công nghệ.

Phân tử hydro clorua (HCl) là một phân tử hai nguyên tử đơn giản, bao gồm một nguyên tử hydro và một nguyên tử clo liên kết với nhau qua liên kết cộng hóa trị phân cực Nguyên tử clo có độ âm điện cao hơn, tạo ra mômen lưỡng cực lớn với điện tích âm δ - tại clo và điện tích dương δ + tại hydro Vì vậy, hydro clorua là một phân tử phân cực mạnh, dễ dàng hòa tan trong nước và các dung môi phân cực khác.

Khi tiếp xúc với nước, quá trình ion hóa diễn ra nhanh chóng, tạo ra cation hydro (H3O+) và anion clorua (Cl-) thông qua phản ứng hóa học thuận nghịch.

Phản ứng giữa HCl và H2O tạo ra ion H3O+ và Cl−, dẫn đến sự hình thành axit clohidric, một axit mạnh Hằng số điện li axit (Ka) của HCl rất lớn, cho thấy rằng nó bị điện li hoàn toàn trong nước.

Hydro clorua có khả năng hoạt động như một axít ngay cả trong điều kiện không có mặt nước Nó có thể hòa tan trong các dung môi phân cực như metanol và đóng vai trò là chất xúc tác axít trong các phản ứng hóa học khi môi trường khan nước (anhidrơ) là cần thiết.

HCl + CH3OH → CH3O + H2 + Cl - HCl cung cấp proton cho phân tử metanol (CH3OH).

Do bản chất axít của nó, hydro clorua là một chất khí có tính ăn mòn, cụ thể là khi có sự hiện diện của hơi ẩm.

Khói trắng của clorua hidroloric làm thay đổi pH của giấy quỳ Màu đỏ chỉ ra rằng dung dịch có tính axit.

Nguồn gốc phát sinh khí HCl

HCl được sinh ra trong các quá trình:

- Quá trình điện phân muối ăn sản xuất xút.

- Quá trình gia công chế biến có sử dụng Clo (quá trình Clo hóa).

- Các cơ sở gia công chế biến kim loại có tẩy rửa bằng HCl.

- Quá trình thiêu đốt chất dẻo, giấy và rác thải công nghiệp.

- Quá trình làm sạch các nồi đun nấu.

- Quá trình sản xuất phân bón, dệt nhuộm và chế biến thực phẩm.

1.3 Ảnh hưởng của HCl đối với môi trường và con người a Đối với môi trường:

HCl có tác động tiêu cực đến sự phát triển của cây cối, gây chậm phát triển và thậm chí chết khi nồng độ cao Chất này làm giảm độ bóng mỡ của lá, khiến mép lá quăn, cuống lá bị hoại tử và phiến lá bị tẩy trắng, đồng thời làm co lại các tế bào biểu bì của lá.

Tiếp xúc với khí HCl có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người, bao gồm ngứa phổi, da và màng nhầy, cũng như làm suy giảm chức năng hệ thống thần kinh trung ương Hít phải hơi axit clohidric trong thời gian dài có thể dẫn đến các vấn đề như viêm dạ dày, viêm phế quản mãn tính, viêm da và giảm thị giác HCl gây kích thích cục bộ, dẫn đến bỏng, sưng tấy, và trong trường hợp nặng có thể gây phù phổi Ngoài ra, tiếp xúc lâu dài qua đường hô hấp có thể gây khàn giọng, phỏng và loét đường hô hấp, đau ngực và các bệnh dị ứng phổi Đặc biệt, tiếp xúc với liều lượng cao có thể dẫn đến nôn mửa, dị ứng phổi nghiêm trọng và thậm chí là tử vong do nhiễm độc.

Clorua hidro là một chất có khả năng tạo thành axit clohidric, gây ra sự ăn mòn cao khi tiếp xúc với cơ thể Hít phải hơi khói từ chất này có thể dẫn đến các triệu chứng như ho, nghẹt thở, viêm mũi và họng, cùng với những ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ hô hấp Trong những trường hợp nặng, nó có thể gây phù phổi, tê liệt hệ tuần hoàn và thậm chí tử vong Ngoài ra, tiếp xúc với da có thể gây mẩn đỏ, tổn thương hoặc bỏng nghiêm trọng, và trong những tình huống cực kỳ nguy hiểm, nó có thể dẫn đến mù mắt.

Theo kết quả nghiên cứu của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), HCl có thể gây ảnh hưởng hệ thống vị giác, mắt, da, mũi, mồm:

- Bắt đầu ở nồng độ 0,1- 3,23 mg/m 3 đã thấy có mùi, từ 2,83-12,8 mg/m 3 thấy mùi rõ và từ 8,3-32,9 mg/m 3 thấy mùi nặng

Công nhân làm việc trong môi trường có nồng độ 15 mg/m³ trong thời gian dài có nguy cơ hỏng răng Để bảo vệ sức khỏe của họ, cần duy trì nồng độ khí ở mức an toàn là 2,9 mg/m³.

1.4 Các ứng dụng của HCl

- Sản xuất các clorua vinyl và alkyl.

- Trung gian hóa học trong các sản xuất hóa chất khác.

- Làm chất trợ chảy babit.

- Trong công nghiệp bán dẫn (loại tinh khiết): Khắc các tinh thể bán dẫn, chuyển silic thành SiHCl3 để làm tinh khiết silic.

1.5 Các giới hạn nồng độ khí HCl trong môi trường

Nồng độ tối đa cho phép của khí HCl trong không khí xung quanh trong thời gian trung bỡnh 24 giờ: 60 àg/m 3 [1]

Tiêu chuẩn của khí HCl đối với khí thải công nghiệp:

- Cột A (đối với cơ sở sản xuất, chế biến, kinh doanh, hoạt động trước 16/01/2007 và thời gian áp dụng đến 31/12/2014) : 200 mg/Nm 3 [2]

- Cột B (đối với cơ sở sản xuất, chế biến, kinh doanh, hoạt động từ 16/01/2007 và thời gian áp dụng kể từ 01/01/2015): 50 mg/Nm 3 [2]

Các ứng dụng của HCl

- Sản xuất các clorua vinyl và alkyl.

- Trung gian hóa học trong các sản xuất hóa chất khác.

- Làm chất trợ chảy babit.

- Trong công nghiệp bán dẫn (loại tinh khiết): Khắc các tinh thể bán dẫn, chuyển silic thành SiHCl3 để làm tinh khiết silic.

1.5 Các giới hạn nồng độ khí HCl trong môi trường

Nồng độ tối đa cho phép của khí HCl trong không khí xung quanh trong thời gian trung bỡnh 24 giờ: 60 àg/m 3 [1]

Tiêu chuẩn của khí HCl đối với khí thải công nghiệp:

- Cột A (đối với cơ sở sản xuất, chế biến, kinh doanh, hoạt động trước 16/01/2007 và thời gian áp dụng đến 31/12/2014) : 200 mg/Nm 3 [2]

- Cột B (đối với cơ sở sản xuất, chế biến, kinh doanh, hoạt động từ 16/01/2007 và thời gian áp dụng kể từ 01/01/2015): 50 mg/Nm 3 [2]

Các giới hạn nồng độ khí HCl trong môi trường

KHÍ THẢI 2.1 PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ

Hấp thụ là quá trình mà một hỗn hợp khí tương tác với chất lỏng để hoà tan một hoặc nhiều thành phần của hỗn hợp khí, từ đó tạo ra dung dịch chứa các thành phần đã được hoà tan trong chất lỏng.

Việc khử khí ô nhiễm diễn ra theo ba giai đoạn:

- Khuếch tán chất khí ô nhiễm đến bề mặt chất lỏng;

- Truyền ngang qua bề mặt tiếp xúc pha khí/ lỏng (hòa tan);

- Khuếch tán chất khí hòa tan từ bề mặt tiếp xúc pha vào trong pha lỏng [3]

Quá trình hấp thụ đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó được ứng dụng để:

- Thu hồi các cấu tử quý;

- Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng;

- Tạo thành sản phẩm cuối cùng.

 Điều kiện lựa chọn dung dịch hấp thụ:

- Có đủ khả năng hấp thụ cao.

- Có tính chọn lọc cao theo quan hệ với thành phần cần được tách ra.

- Có thể có tính bốc hơi nhỏ.

- Có những tính chất động học tốt.

- Có khả năng hoàn nguyên tốt.

- Có tính ổn định nhiệt hóa học.

- Không có tác động ăn mòn nhiều đến thiết bị.

- Có giá thành rẻ và dễ kiếm trong sản xuất trong ngành công nghiệp.

 Chất hấp thụ phổ biến:

- Dung dịch bazơ: KOH, NaOH, Na2CO3, K2CO3, Ca(OH)2 ,CaCO3,…

- MonoEtanolAmin (OHCH2CH2NH2), Dietanolamin (R2NH), trietanolamin (R3N).

 Dễ bay hơi nên thất thoát nhiều;

 Liên kết với CO2 rất bền nên khó phân hủy để hoàn nguyên…

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình hấp thụ

- Thành phần và tính chất của khí thải cần xử lý;

- Tính chất và chất lượng của chất hấp thụ;

- Thòi gian sử dụng chất hấp thụ trong thiết bị (Chu kì hấp thụ);

- Khả năng tiếp xúc giữa chất ô nhiễm dung dịch hấp thụ;

2.1.4 Các thiết bị hấp thụ

 Nguyên lý hoạt động của tháp hấp thụ:

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI

PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ

Hấp thụ là quá trình mà trong đó hỗn hợp khí tiếp xúc với chất lỏng, nhằm mục đích hoà tan chọn lọc một hoặc nhiều thành phần của khí, tạo ra dung dịch chứa các thành phần đó trong chất lỏng.

Việc khử khí ô nhiễm diễn ra theo ba giai đoạn:

- Khuếch tán chất khí ô nhiễm đến bề mặt chất lỏng;

- Truyền ngang qua bề mặt tiếp xúc pha khí/ lỏng (hòa tan);

- Khuếch tán chất khí hòa tan từ bề mặt tiếp xúc pha vào trong pha lỏng [3]

Quá trình hấp thụ đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó được ứng dụng để:

- Thu hồi các cấu tử quý;

- Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng;

- Tạo thành sản phẩm cuối cùng.

 Điều kiện lựa chọn dung dịch hấp thụ:

- Có đủ khả năng hấp thụ cao.

- Có tính chọn lọc cao theo quan hệ với thành phần cần được tách ra.

- Có thể có tính bốc hơi nhỏ.

- Có những tính chất động học tốt.

- Có khả năng hoàn nguyên tốt.

- Có tính ổn định nhiệt hóa học.

- Không có tác động ăn mòn nhiều đến thiết bị.

- Có giá thành rẻ và dễ kiếm trong sản xuất trong ngành công nghiệp.

 Chất hấp thụ phổ biến:

- Dung dịch bazơ: KOH, NaOH, Na2CO3, K2CO3, Ca(OH)2 ,CaCO3,…

- MonoEtanolAmin (OHCH2CH2NH2), Dietanolamin (R2NH), trietanolamin (R3N).

 Dễ bay hơi nên thất thoát nhiều;

 Liên kết với CO2 rất bền nên khó phân hủy để hoàn nguyên…

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình hấp thụ

- Thành phần và tính chất của khí thải cần xử lý;

- Tính chất và chất lượng của chất hấp thụ;

- Thòi gian sử dụng chất hấp thụ trong thiết bị (Chu kì hấp thụ);

- Khả năng tiếp xúc giữa chất ô nhiễm dung dịch hấp thụ;

2.1.4 Các thiết bị hấp thụ

 Nguyên lý hoạt động của tháp hấp thụ:

- Dòng khí được dẫn vào ở đáy tháp, dung dịch hấp thụ được phun ở đỉnh tháp.

Dòng khí cần xử lý sẽ tiếp xúc với dung dịch hấp thụ, giúp giữ lại các chất cần xử lý Những chất này được thu hồi ở đáy tháp, trong khi dòng không khí sạch sẽ thoát ra ngoài qua đỉnh tháp.

Có nhiều dạng kiểu thiết bị hấp thụ khác nhau và có thể phân loại thành các thiết bị sau:

2.1.1.1 Các buồng phun, tháp phun

Buồng phun đơn giản nhất có dạng hình trụ, với các vòi phun được đặt ở phần trên cao Những giọt nhỏ sẽ rơi xuống cùng với chất lỏng chảy dọc theo thành bên trong của buồng.

Trong tháp phun, chất lỏng được phun thành bụi từ trên xuống, trong khi khí di chuyển từ dưới lên Quá trình này giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa hai pha, làm giảm nồng độ chất cần hấp thụ trong pha khí từ dưới lên, đồng thời tăng nồng độ chất bị hấp thụ trong pha lỏng từ trên xuống.

Tháp phun được chia thành ba loại chính: thiết bị hấp thụ phun kiểu thùng rỗng, thiết bị hấp thụ phun thuận dòng tốc độ cao và thiết bị hấp thụ phun sương kiểu cơ khí Quá trình phân tán khí có thể được thực hiện thông qua việc cho khí đi qua tấm xốp, tấm đục lỗ hoặc bằng phương pháp khuấy cơ học.

- Vận tốc dòng khí trong tháp cao làm cho khả năng hấp thụ tăng đáng kể

- Đường kính tháp nhỏ nên mật độ tưới nhỏ (50 – 90 m 3 /m 2 ), tiết kiệm dung dịch hấp thụ nhưng vẫn cho hiệu suất cao.

- Thiết bị cồng kềnh, kích thước lớn., khó dọn vệ sinh.

- Thiết bị dễ bị ăn mòn, đòi hỏi phải có lớp phủ bảo vệ, làm tăng giá thành chế tạo thiết bị.

Cần thiết lập một hệ thống tự động để điều chỉnh lưu lượng dung dịch hấp thụ phun vào thiết bị, đảm bảo rằng dung dịch được phân bố đồng đều trên toàn bộ tiết diện của tháp.

Hình 2.1 Một dạng buồng phun điển hình [3]

Tháp đệm là cấu trúc cột chứa đầy vật liệu đệm, được thiết kế để tối ưu hóa diện tích bề mặt tiếp xúc giữa dòng khí và dòng lỏng Điều này giúp tăng cường hiệu quả trao đổi chất khi hai dòng này chuyển động ngược chiều qua lớp đệm.

Vật liệu đệm trong các tháp này bao gồm đá nghiền, vòng Raschig, vật thể hình yên ngựa, than cốc, đá hình xoắn ốc, và vỉ lưới ô vuông từ gỗ cùng các loại sợi tổng hợp.

Chất lỏng được đưa vào từ đỉnh tháp và nhỏ giọt qua các lớp vật liệu đệm có diện tích bề mặt lớn Khi chất lỏng tưới lên lớp đệm rỗng, nó chảy xuống dưới, tạo ra bề mặt ướt cho dòng khí đi lên từ phía dưới.

Chế tạo đơn giản, trở lực thấp, lớp đệm với nhiều rãnh làm tăng khả năng tiếp xúc của pha khí và pha lỏng

Hiệu suất chưng cất thấp và kém ổn định thường xuất phát từ sự phân bố không đồng đều của các pha trong tiết diện tháp Tháp đệm không cho phép kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian, trong khi tháp mâm thể hiện quá trình này rõ ràng qua từng mâm Hơn nữa, việc chế tạo tháp đệm với kích thước lớn ở quy mô công nghiệp gặp nhiều khó khăn.

Hình 2.2Cấu tạo của một tháp đệm điển hình [3]

Hình 2.3 Một số vật liệu đệm điển hình [3]

Tháp mâm là một thiết bị có cấu trúc hình trụ thẳng đứng, trong đó được lắp đặt các mâm với cấu tạo đa dạng để tiếp xúc giữa pha lỏng và pha khí Hai loại mâm phổ biến nhất trong tháp mâm là mâm chóp sủi bọt (bubble cap plate) và mâm lưới sàng (sieve plate).

Quá trình hoạt động của tháp diễn ra qua sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng theo chiều ngược dòng Chất lỏng được đưa vào tháp từ đỉnh hoặc một mâm thích hợp và chảy xuống dưới nhờ trọng lực qua các ống chảy chuyền Đồng thời, pha khí di chuyển từ dưới lên qua các khe hở được tạo ra bởi cấu trúc của mâm.

- Có thể sử dụng cho cả quá trình chưng cất lẫn hấp thụ

- Hiệu suất không thay đổi nhiều theo lưu lượng hơi

Khi vận tốc khí lớn, hiện tượng lôi cuốn cơ học các giọt lỏng từ mâm dưới lên mâm trên xảy ra, dẫn đến sự giảm biến đổi nồng độ do quá trình truyền khối, từ đó làm giảm hiệu suất.

- Ngoài ra còn tạo độ giảm áp lớn cho pha khí làm tăng công suất máy nén khí cho tháp.

Hình 2.4 Hai dạng tháp mâm thông dụng.[3]

Hình 2.5 Sơ đồ hoạt động của tháp mâm chóp [3]

Trong công nghiệp, thiết bị hấp thụ chủ yếu bao gồm tháp đệm, tháp mâm và tháp dạng phun tia Việc lựa chọn thiết bị hấp thụ phù hợp phụ thuộc vào các đặc tính của hệ thống.

Các tháp đệm là lựa chọn phổ biến cho các hệ thống lắp đặt nhỏ, đặc biệt trong việc bảo trì chống ăn mòn và xử lý các chất lỏng có độ tạo bọt cao Chúng cũng thích hợp cho những ứng dụng yêu cầu tỉ lệ lỏng/khí (L/G) cao và độ giảm áp thấp.

PHƯƠNG PHÁP HẤP PHỤ

Hấp phụ là quá trình trong đó khí được liên kết vào chất rắn mà không thâm nhập vào cấu trúc tinh thể của nó Chất khí, hay chất bị hấp phụ, thâm nhập vào mao quản của chất rắn, gọi là chất hấp phụ Sự liên kết giữa hai chất này có thể là liên kết vật lý, chủ yếu do lực hút tĩnh điện, hoặc liên kết hóa học, phát sinh từ tương tác hóa học giữa chất rắn và chất khí.

Các phương pháp hấp phụ thường được sử dụng để làm sạch khí thải chứa các tạp chất dạng khí hoặc hơi với hàm lượng không cao.

Cấu tử trong pha khí được gọi là chất có khả năng bị hấp phụ, trong khi khi nó đã bị hấp phụ thì được gọi là chất bị hấp phụ.

Quá trình hấp phụ được áp dụng rất phù hợp cho những trường hợp sau đây:

- Chất khí ô nhiễm không cháy được hoặc khó đốt cháy.

- Chất khí cần khử là có giá trị và cần thu hồi.

- Chất khí ô nhiễm có nồng độ thấp trong khí thải mà các quá trình khử khí khác không áp dụng được.

Chất hấp phụ thường có cấu trúc rỗng xốp với bề mặt tự do của các lỗ rỗng rất lớn Chúng có thể được hình thành từ vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp.

 Điều kiện lựa chọn chất hấp phụ:

- Cấu trúc bên trong có lỗ xốp.

- Có khả năng hấp phụ cao, phạm vi tác dụng rộng.

- Có tính lựa chọn cao, không tác dụng hóa học với các thành phần khí riêng biệt có trong khí thải.

- Có độ bền cơ học cần thiết.

- Có khả năng hoàn nguyên dễ dàng

 Theo tính phân cực vật liệu hấp phụ có thể chia thành 2 nhóm:

- Vật liệu không phân cực

- Vật liệu có phân cực.

 Các chất hấp phụ trong công nghiệp:

Than hoạt tính là một chất hấp phụ có tính kỵ nước, không hiệu quả trong việc hấp phụ các chất phân cực và nước Loại than hoạt tính với lỗ rỗng micro có thể tích riêng lỗ rỗng từ 0,24 đến 0,48 cm³/g, trong khi tổng thể tích các lỗ rỗng dao động từ 0,52 đến 1,0 cm³/g.

 Ưu điểm: giá thành rẻ nhất dùng trong xử lý ô nhiễm môi trường.

 Nhược điểm: kém bền cơ học và dễ cháy, khó tái sinh nếu bị đóng cặn.

Silicagel, về mặt hóa học, là oxit silic ngậm nước vô định hình có công thức SiO2.nH2O Nó được phân loại dựa trên kích thước lỗ rỗng thành ba loại: lớn (5.10^-9 m), vừa (5 – 1,5).10^-9 m và nhỏ (1 – 1,5).10^-9 m Ngoài ra, silicagel còn được phân loại theo kích thước hạt, với dạng cục có kích thước từ 7,0 – 2,7 mm và 3,5 – 1,0 mm Đối với silicagel dạng viên có lỗ rỗng micro, thường có thêm 4 – 10% Al2O3.

Silicagel được sử dụng để hấp phụ các chất phân cực, giúp ngăn ngừa nứt viên Các loại lỗ rỗng micro của silicagel có khả năng hấp phụ hơi và khí dễ ngưng tụ, trong khi lỗ rỗng mêzô và macrô thích hợp cho việc hấp phụ hơi của các chất hữu cơ.

 Ưu điểm: không cháy và cơ tính lớn

 Nhược điểm: bị phá hủy bởi các giọt ẩm

Alumogen, hay còn gọi là oxit nhôm Al2O3-nH2O, có bề mặt riêng trung bình từ 170 đến 220 m²/g và tổng thể tích lỗ rỗng khoảng 0,6-1,0 cm³/g Chất này được ứng dụng trong việc thu hồi các hợp chất hữu cơ phân cực và trong quá trình sấy khí.

- Zeolit, Ionit, các nham thạch tự nhiên.

Bảng 2.1 Diện tích bề mặt và kích thước lỗ xóp của các chất hấp phụ [3]

Nhôm hoạt tính Silicagel Rây phân tử

(cm 3 /cm 3 ) 0,40 – 0,42 0,29 – 0,33 0,28 0,22 – 0,30 Đường kính lỗ trung bình (A 0 ) 15 – 20 18 – 20 22 3 – 9

2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình hấp phụ

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: nhiệt độ tăng → quá trình hấp phụ giảm.

- Ảnh hưởng của áp suất: giảm áp suất → quá trình hấp phụ giảm.

- Thời gian tiếp xúc đủ lâu giữ dòng khí và tầng hấp phụ hiệu quả;

- Đủ dung lượng hấp phụ để thiết bị có tuổi thọ mong muốn;

- Lực cản đủ nhỏ đối với dòng khí, cho phép vận hành thiết bị đẩy khí;

- Có sự phân bố đồng nhất của dòng khí lên tầng hấp phụ để đảm bảo sử dụng tối đa chất hấp phụ;

- Xử lý sơ bộ dòng không khí để loại bỏ những hạt không hấp phụ được, những hạt này sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của tầng hấp phụ;

- Dự phòng để hoàn nguyên lại chất hấp phụ khi nó đã bão hòa.

Trong thiết bị hấp phụ, vât liệu hấp phụ được đổ thành lớp đệm có bề dày nhất định và cho dòng khí cần xử lý đi qua.

 Thông số quan trọng của lớp đệm bằng vật liệu hấp phụ là :

- Sức cản khí động phải thích hợp để tổn thất không quá lớn (0,1-0,5 m/s)

- Bảo đảm thời gian tiếp xúc (2-6s)

- Yêu cầu đề ra khi thiết kế hoặc chọn thiết bị hấp phụ:

- Đảm bảo thời gian yêu cầu lầm việc thích hợp.

- Có xử lý sơ bộ khí thải trước khi hấp phụ.

- Phân phối dòng khí đi qua lớp vật liệu hấp phụ đều.

- Đảm bảo khả năng thay mới – hoàn nguyên sau khi trạng thái bảo hòa.

 Các loại thiết bị hấp phụ:

2.2.4.1 Thiết bị với lớp hấp phụ hạt, tầng mỏng, tĩnh

Thiết bị hấp phụ tầng mỏng có ưu điểm lớn là lực cản thấp đối với dòng khí, với độ dày đồng nhất của tầng hấp phụ rất quan trọng Sự khác biệt nhỏ về độ dày có thể gây ra những thay đổi quan trọng trong tổng độ dày và tạo rãnh Các loại thiết bị hấp phụ bao gồm tầng phẳng, hình trụ và gấp nếp, có thể được lắp đặt trên các giá đục lỗ hoặc kim loại đục lỗ Do yêu cầu về độ ổn định, các bản kim loại đục lỗ được sử dụng phổ biến Thiết bị hấp phụ dạng trụ có khả năng lọc 25ft³ không khí/phút, trong khi loại gấp nếp lớn hơn có khả năng xử lý hiệu quả hơn.

750 – 1000ft 3 không khí/phút và các buông fhaasp phụ cấu tạo bởi tổ hơpk các tầng hấp phụ phẳng xử lý được 2000ft 3 không khí/phút [3]

2.2.4.2 Thiết bị với lớp hấp phụ hạt, tầng dày, tĩnh

Các thiết bị hấp phụ có tầng hấp phụ dày thường được sử dụng trong các trường hợp cần dung lượng hấp phụ lớn, nhưng việc tăng hiệu suất hấp phụ chưa đủ để quyết định việc sử dụng chúng Để đạt hiệu quả tối ưu, cần có độ đồng nhất thích hợp của tầng hấp phụ Trong các hệ thống hoàn nguyên, độ dày tầng hấp phụ thường dao động từ 1 – 6ft (0,3 – 1,8 m), với dòng khí đi từ trên xuống để ngăn chặn việc nâng lớp chất hấp phụ Lưu lượng thiết kế của dòng không khí có thể đạt tới 40.000cfm (67.960cm³/giờ), với tỉ số khối lượng than trên lưu lượng dòng khí thiết kế khoảng 0,5lb/cfm (0,27kg/m³/giờ).

Nhược điểm chung của 2 thiết bị trên:

- Tạo vùng khí bão hòa

- Khi hơi đạt tiêu chuẩn xử lý, cần phải thay hay hoạt hóa lại toàn bộ than, kể cả lượng than chưa bão hòa.

2.2.4.3 Thiết bị hấp phụ tầng sôi

Khi khí được thổi qua tầng hấp phụ chứa các hạt chất hấp phụ, áp suất giảm sẽ phản ánh khối lượng của tầng này Khi tốc độ dòng khí đạt mức đủ cao, áp suất giảm sẽ tương đương với khối lượng của tầng hấp phụ, khiến các chất hấp phụ bắt đầu chuyển động và khởi động quá trình sôi Ở tốc độ khí cao hơn khoảng 259 ft/phút, các hạt chất hấp phụ có thể di chuyển liên tục Độ giảm áp cần thiết để xảy ra hiện tượng sôi tỷ lệ thuận với độ dày của tầng hấp phụ, mật độ dòng khí và mật độ các hạt rắn.

2.2.4.4 Hệ thống tầng xoay Để giảm lượng Cacbon không sử dụng và giữ tổn thất năng lượng ở mức thấp nhất, cần hướng cho dòng khí chỉ đi qua vùng hoạt động của tầng hấp phụ, trong khi đó Cacbon bão hòa đượng hoàn nguyên để tận dụng lại thiết bị hấp phụ tầng xoay gồm 4 hình trụ.

Hệ thống sẽ điều chỉnh góc độ để các đoạn của tầng hấp phụ chuyển từ trạng thái hấp phụ sang giải hấp ngay khi đạt mức bão hòa.

Mặc dù việc sử dụng than đã được cải tiến, nhưng hiệu quả của việc sử dụng hơi nước lại giảm sút Hơn nữa, chi phí bảo trì các mối hàn kín và các bộ phận chuyển động cao hơn so với việc bảo trì thiết bị hấp phụ có tầng hấp phụ tĩnh.

Có thể sử dụng cả hai loại chất hấp phụ trong hình trụ đứng hoặc nằm ngang, với một lớp hấp phụ chuyển động được chứa trong tầng trống quay Mỗi hình thức này phù hợp với các trường hợp cụ thể khác nhau.

2.2.5 Ứng dụng của phương pháp hấp phụ

- Chất khí ô nhiễm không cháy được hoặc khí đốt cháy.

- Chất khí ô nhiễm có giá trị và cần thu hồi

- Chất khí ô nhiễm có nồng độ thấp mà các phương pháp khác không áp dụng được.

PHƯƠNG PHÁP ĐỐT

2.3.1 Khái niệm Đốt là quá trình oxy hóa nhanh mà chúng ta thường hay liên tưởng đến lửa Quá trình này gồm các giai đoạn: trộn, phản ứng trước cháy, cháy và phản ứng sau cháy.

Quá trình trộn có thể được thực hiện trước khi bắt đầu đốt, thông qua việc trộn nước, hoặc trong khi đốt, bằng cách sử dụng vôi phun hoặc ngọn lửa khuếch tán.

- Trong vùng trước cháy, các gốc tự do bắt đầu hình thành Nhiệt độ vùng này lê khoảng 500 0 C.

Trong vùng cháy, gốc tự do kết hợp nhanh chóng với oxy và các phân tử nhiên liệu, dẫn đến việc tạo ra các sản phẩm oxy hóa không hoàn toàn như andehyt, cacbon monoxit và hydro Quá trình cháy này cuối cùng sản sinh ra các sản phẩm như CO2 và H2O Nhiệt độ từ quá trình cháy có thể tăng nhanh chóng lên đến 1700°C và cao hơn.

Sau khi cháy, sản phẩm cháy nguội dần do quá trình truyền nhiệt Khi nhiệt độ giảm xuống, các sản phẩm cháy không hoàn toàn còn lại và các gốc tự do sẽ kết hợp với oxy, tiếp tục phản ứng cho đến khi quá trình cháy hoàn tất.

Phương pháp đốt trực tiếp là giải pháp hiệu quả để xử lý khí thải chứa các chất độc dễ oxy hóa và hỗn hợp có mùi hôi Phương pháp này không yêu cầu thiết bị phức tạp và có thể sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau Nó được áp dụng khi nồng độ các cấu tử cháy trong khí thải không vượt quá giới hạn bắt lửa, thường được thực hiện trong các lò đốt chuyên dụng, lò đốt công nghiệp, lò đốt hơi, hoặc bằng ngọn lửa trần.

Một số phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình thiêu đốt:

Về mặt biện pháp thực hiện, quá trình thiêu đốt chất ô nhiễm có thể được phân chia thành 3 loại chính:

- Thiêu đốt bằng ngọn lửa trược tiếp trong không khí

- Thiêu đốt có buồng đốt.

- Thiêu đốt có xúc tác.

Một số đặc điểm cần lưu ý khi thiết kế thiết bị đốt: thành phần hóa học, oxy, nhiệt độ cháy, độ khuấy trộn, thời gian cháy

2.3.2 Các quá trình thiêu đốt

2.3.2.1 Thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp trong không khí

Phương pháp thiêu đốt bằng ngọn lửa trực tiếp là các ngọn đuốc cháy bùng của khí thải ở các mỏ dầu khí, nhà máy lọc dầu.

Ngọn đuốc được thiết kế với ống dẫn khí cao, ở đầu ống có bộ phận phun hơi và mồi lửa, giúp ngọn đuốc cháy liên tục và không có khói Thiết kế này đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định ngay cả khi lưu lượng khí thải, nồng độ chất cháy và vận tốc gió thay đổi mạnh.

2.3.2.2 Thiêu đốt bằng buồng đốt (không có xúc tác) Đốt các loại khí thải có chứa chất ô nhiễm dạng khí, hơi hoặc sol khí cháy được với nồng độ tương đối thấp phát sinh từ: thiết bị phun nhựa đường, lò ram má phanh ôtô, lò sản xuất thịt hun khói, lò rang cafe, lò nấu sơn, lò nấu vecni… Nhiệt độ trong buồng đốt khoảng 900 – 1500 0 C

2.3.2.3 Thiêu đốt bằng buồng đốt (có xúc tác)

Thiêu cháy có xúc tác cần diện tích bề mặt tiếp xúc lớn và nhiệt độ đốt khoảng 300 – 500 0 C (tùy thuộc vào chất oxi hóa)

Trong phương pháp này, chất xúc tác là các bề mặt kim loại như các dãy băng bạch kim, đồng, crôm niken.

Nguyên tắc xử lý là oxi hóa chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu xúc tác ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ bắt lửa.

XỬ LÝ BỤI

Để xử lý aerosol như bụi, khói và sương, có ba phương pháp chính: khô, ướt và tĩnh điện Trong thiết bị xử lý khô, bụi được lắng đọng nhờ trọng lực, lực quán tính và lực li tâm, hoặc qua vách ngăn xốp Thiết bị ướt hoạt động bằng cách tạo sự tiếp xúc giữa khí bụi và nước, giúp bụi lắng đọng trên các giọt lỏng, bề mặt bọt khí hoặc màng chất lỏng Trong khi đó, thiết bị lọc tĩnh điện sử dụng điện tích để lắng đọng aerosol trên điện cực Dựa vào các phương pháp này, thiết bị xử lý bụi có thể được phân loại thành nhiều dạng khác nhau.

- Thiết bị lọc tĩnh điện

2.5 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HCl

2.5.1 Các thông số khí thải

2.5.2 Lựa chọn phương pháp xử lý

2.5.2.1 Hấp thụ khí HCl bằng dung dịch kiềm và nước

Hấp thụ khí HCl bằng nước được thực hiện trong các thiết bị khác nhau. Trong tháp đệm, hiệu quả có thể đạt 88%, tháp đĩa 90-99%, tháp đĩa chóp 97,8%.

Khi tiếp xúc với nước, chất này nhanh chóng bị ion hóa, tạo ra cation hydro (H3O +) và anion clorua (Cl -) thông qua phản ứng hóa học thuận nghịch.

Nhược điểm cơ bản của phương pháp này tạo sương mù các giọt axit lỏng, mà việc thu hồi nó không đạt hiệu quả cao.

Sử dụng dung dịch kiềm như NaOH và Ca(OH)2 để hấp thụ HCl không chỉ nâng cao hiệu quả xử lý nước thải mà còn giúp trung hòa chúng Phương pháp này còn cho phép tận dụng hydro clorua để sản xuất các clorua kim loại như CaCl2, NaCl và BaCl2.

2.5.2.2 Hấp phụ hydro clorua Để hấp phụ khí HCl người ta có thể dùng oxi clorua sắt và clorua oxit đồng trong hỗn hợp với oxit magie, sunfat và photphat đồng,… Các hợp chất hấp phụ này cho phép xử lý khí với nồng độ HCl thấp đến 1% thể tích trong khoảng nhiệt độ rộng.

Tuy nhiên phương pháp này ít được sử dụng do chi phí phục hồi chất hấp phụ lớn, chất hấp phụ thường đắt và hiếm.

XUẤT VÀ THUYẾT MINH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ HCL 17

CƠ SỞ LỰA CHỌN

Như đã đề cập ở chương 2:

- Hấp thụ bằng H2O: tạo sương mù các giọt axit lỏng, mà việc thu hồi nó không đạt hiệu quả cao.

- Phương pháp hấp thụ: ít được sử dụng do chi phí phục hồi chất hấp phụ lớn, chất hấp phụ thường đắt và hiếm.

- Sử dụng dung dịch kiềm NaOH, để hấp thụ HCl cho phép tăng hiệu quả xử lý và đồng thời trung hòa nước thải.

Lựa chọn phương pháp hấp thụ là một giải pháp hiệu quả để thu hồi các cấu tử có giá trị từ hỗn hợp khí, đồng thời xử lý các tạp chất độc hại Cụ thể, phương pháp này cho phép tách riêng cấu tử Cl- có trong khí HCl để tiến hành xử lý an toàn và hiệu quả.

ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ 1.

Dung dịch NaOH được bơm từ bể chứa vào tháp hấp thụ, nơi khí thải chứa HCl được thổi vào từ đáy tháp Trong tháp, khí thải di chuyển từ dưới lên trong khi dung dịch NaOH chảy từ trên xuống, tạo ra sự tiếp xúc ngược chiều giữa hai pha Quá trình này cho phép khí HCl được hấp thụ hiệu quả bởi dung dịch NaOH, trong khi khí sạch sẽ thoát ra.

Dung dịch hấp thụ (NaOH) Bể lắng

Bể chứa NaOH được đặt trên đỉnh tháp, nơi khí được hút vào và đẩy qua ống khói ra môi trường theo tiêu chuẩn QCVN 19:2009/BTNMT (cột B) Sau khi hấp thụ khí HCl, dung dịch NaOH được dẫn ra từ đáy tháp hấp thụ và chuyển đến bể lắng Sau một thời gian lắng, phần nước phía trên bể lắng chứa dung dịch NaOH sẽ được tuần hoàn trở lại bể chứa, trong khi phần nước phía dưới cùng với cặn sẽ được chuyển đến hệ thống xử lý nước thải.

Hình 3.2 Sơ đồ công nghệ 2.

Nước sạch từ bể chứa được bơm vào tháp hấp thụ, nơi khí thải chứa HCl được thổi vào từ đáy tháp Trong tháp, khí thải di chuyển từ dưới lên trong khi nước chảy từ trên xuống, tạo ra sự tiếp xúc ngược chiều Tại đây, khí HCl được hấp thụ bởi nước, và khí sạch sẽ bay lên đỉnh tháp, được quạt hút đưa vào ống khói để thải ra môi trường theo tiêu chuẩn QCVN 19:2009/BTNMT (cột B) Nước sau khi hấp thụ HCl sẽ được dẫn ra ngoài từ đáy tháp và chuyển đến bể lắng Sau thời gian lắng, nước trong bể lắng sẽ được tuần hoàn trở lại bể chứa để tiếp tục rửa khí, trong khi phần nước ở dưới cùng với cặn sẽ được đưa đến hệ thống xử lý nước thải.

Hấp thụ HCl bằng dd NaOH Hấp thụ HCl bằng nước Ưu điểm Dễ tìm; Rẻ, dễ tìm, dễ sử dụng,

Tính ăn mòn thiết bị yếu ít gây nguy hại cho thiết bị xử lý;

Hiệu quả làm sạch khí tăng lên đến

90 – 98% ; Giải quyết được vấn đề nước thải;

Cho phép thu hồi HCl và tạo ra muối NaCl không gây ô nhiễm thứ cấp cho nguồn nước. không gây độc hại;

HCl tan nhiều trong nước;

An toàn cho thiết bị.

Giá đắt Tạo sương mù các giọt axit lỏng, mà việc thu hồi nó không đạt hiệu quả cao.

So sánh ưu và nhược điểm của hai phương pháp hấp thụ HCl cho thấy cả hai đều có hiệu quả cao Tuy nhiên, phương pháp sử dụng NaOH mang lại lợi ích là dung dịch sau khi hấp thụ đã được trung hòa, giảm thiểu quy trình xử lý Ngược lại, phương pháp sử dụng nước để hấp thụ HCl tạo ra dung dịch chứa axit, yêu cầu phải xử lý đạt tiêu chuẩn trước khi thải ra môi trường Do đó, công nghệ 1 là sự lựa chọn tối ưu.

TOÁN THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ HCL

YÊU CẦU THIẾT KẾ

Đối với khí HCl, áp dụng QCVN 19:2009/BTNMT ta có:

STT Thông số Nồng độ (mg/Nm 3 )

Nồng độ tối đa cho phép của bụi và các chất vô cơ trong khí thải công nghiệp được tính theo công thức sau:

Cmax: nồng độ tối đa cho phép của khí thải và các chất vô cơ trong khí thải công nghiệp (mg/Nm 3 ).

C: nồng độ khí và chất vô cơ QCVN 19:2009 BTNMT (cột B).

Kv: hệ số vùng, khu vực, giả sử nhà máy sản xuất nằm trong khu công nghiệp nên

Bảng 4.1 Hệ số vùng khu vực K v [2]

Phân vùng Hệ số Kv

Kp: hệ số lưu lượng nguồn thải, vì lưu lượng là 4000 m 3 /h nên Kp = 1

Bảng 4.2 Hệ số lưu lượng ngồn thải Kp [2]

Lưu lượng nguồn thải (m 3 /h) Hệ số Kp

Hiệu suất của quá trình xử lý: ŋ

TÍNH TOÁN THÁP HẤP THỤ

Nồng độ HCl đầu vào: 6.000 mg/m 3

Nhiệt độ khí vào tháp: 30 0 C Áp suất Pt = 1atm = 760 mmHg = 1,01133.10 5 Pa

Nồng độ đầu ra CrHCl = 50 mg/Nm 3

Nhiệt độ dung dịch hấp thụ: 30 0 C

Chọn điều kiện làm việc của tháp là nhiệt độ trung bình 30 0 C

Gđ, Gc: suất lượng mol tổng cộng của pha khí vào và ra thiết bị (kmol/h).

Lđ, Lc: suất lượng mol tổng cộng của pha lỏng vào và ra thiết bị (kmol/h).

Ltr và Gtr đại diện cho suất lượng mol của pha lỏng sạch và khí tơ, được đo bằng kmol/h Các ký hiệu xđ và xc thể hiện phần mol của pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị, trong khi yđ và yc là phần mol của pha khí vào và ra thiết bị.

Xđ, Xc: tỉ số mol của của khí trong pha lỏng vào và ra thiết bị.

Yđ, Yc: tỉ số mol của của khí trong pha khí vào và ra thiết bị.

: khối lượng riêng của khí HCl, =1,639 (kg/m 3 )

: khối lượng riêng của không khí, =1,293 (kg/m 3 )

Suất lượng mol pha khí đi vào tháp:

Gđ = = = 161 (kmol/h) Suất lượng mol của HCl trong pha khí vào:

GđHCl = = = 657,5 (mol/h) Suất lượng mol của cấu tử trơ:

Gtr = Gđ - GđHCl = (161 × 10 3 ) – 657,5 = 160342,5 (mol/h) Nồng độ phần mol của HCl trong hỗn hợp khí: yđ = = = 4,1×10 -3 (mol HCl/ mol hỗn hợp khí)

Khối lượng riêng của pha khí ở 0 0 C và 1atm:

Suất lượng mol của HCl được hấp thụ:

Trong đó: ŋ là hiệu suất hấp thụ, ŋ=0,99

Suất lượng mol của HCl còn lại trong hỗn hợp khí đầu ra:

GcHCl = GđHCl – M = 657,5 – 650,9 = 6,6 (mol/h) Suất lượng mol khí đầu ra:

Gc = Gtr + GcHCl = 160342,5 + 6,6 = 160349,1 (mol/h) Nồng độ phần mol của HCl trong hỗn hợp khí đầu ra: yc = = = 4,12×10 -5 (mol HCl/ mol hỗn hợp khí)

 Phương trình đường cân bằng Đường cân bằng được dựa vào phương trình Henry:

+ H là hằng số Henry phụ thuộc vào nhiệt độ của khí (Tra bảng IX, Sổ tay quá trình công nghệ và hóa chất tập 2)

+ P là áp suất của khí đang xét

+ Hằng số Henry của khí HCl ở nhiệt độ t = 30 0 C

Ycb = Yđ Vậy phương trình đường cân bằng : Y * = 2,895X

Xmax được tính từ pt cân bằng khi thay Ycb== 4,12.10 -3 → 1,419.10 -3

Cho X thay đổi trong khoảng từ 0 – 0,0002 với bước nhảy 0,00005 ta dựng đường cân bằng. Đối với khoảng thứ nhất:

Từ công thức sau ta tính được nồng độ cân bằng:

Ycb = Yđ = (kmol HCl/kmol khi trơ)Tính tương tự cho các khoảng tiếp theo:

Ltrmin = Gtr = 160,342× (kmol/h) Lượng dung môi cần thiết để hấp thụ:

Phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm C(Xd;Yc) và D(Xc;Yd), tức là C(0 ; ) và D( ; )

Vậy phương trình đường làm việc: Y lv = 4,31X+4,12.10 -5

Hình 4.1 Đồ thị đường cân bằng và đường làm việc.

4.2.2 Tính đường kính tháp

Hấp thụ HCl bằng NaOH

Nhiệt độ làm việc của tháp hấp thụ là 30 0 C. Đường kính tháp hấp thụ:

+ D: đường kính tháp hấp thụ (m).

+ Q: lưu lượng của dòng khí qua tháp hấp thụ (m 3 /s).

+ : vận tốc biểu kiến của dòng khí ứng với tổng tiết diện của tháp (m/s).

Cách xác định vận tốc của dòng khí:

+ σ: bề mặt riêng của đệm (m 2 /m 3 ).

+ Vt: thể tích tự do của đệm (m 3 / m 3 ).

+ L, G: lượng lỏng và lượng hơi trung bình (Kg/s)

+ ,: khối lượng riêng trung bình của pha lỏng và pha hơi (Kg/m 3 )

+ : độ nhớt của pha lỏng theo nhiệt độ trung bình (30 0 C), = 1,45.10 -3 N.s/m 2 (Bảng

+ : độ nhớt của nước theo nhiệt độ 20 0 C, = 1,005.10 -3 N.s/m 2

Vận tốc làm việc của pha khí được xác định theo công thức sau:

Chọn vật liệu đệm vòng sứ raschig xếp ngẫu nhiên với các thông số:

 Bề mặt riêng: 135 (m 2 /m 3 ) (Bảng IX.8/193/[4])

 Thể tích tự do Vt = 0,78 (m 3 /m 3 ).

 Khối lượng riêng của đệm (kg/m 3 )

- Khối lượng riêng của pha khí:

Khối kượng riêng của pha lỏnglà khối lượng riêng của NaOh ở 30 0 C: (kg/m 3 ).

- Nồng độ phần mol trung bình:

- Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp:

- Độ nhớt của HCl ở nhiệt độ làm việc tính theo công thức:

- Độ nhớt của không khí ở nhiệt độ làm việc được tính theo công thức:

- Độ nhớt của pha khí:

(Pa.s) Độ nhớt của pha lỏng: (Pa.s)

- Suất lượng của dòng lỏng đầu ra:

- Suất lượng của pha lỏng:

- Vì dung dịch hấp thụ là NaOH 10% nên:

→ D = Chọn đường kinh tháp là 1,2 m.

Vận tốc làm việc của tháp: có: (thỏa điều kiện)

4.2.3 Tính chiều cao tháp hấp thụ

Xác định số đơn vị truyền khối tổng quát pha khí NOG Động lực của quá trình tại đỉnh tháp hấp thụ:

∆Y d = Y d – 2,74×10 -3 = 1,38×10 -3 Với: được tính theo phương trình cân bằng với X=Xc Động lực của quá trình tại đỉnh tháp hấp thụ:

Với được tính theo phương trình cân bằng với X=Xd=0 Động lực trung bình của quá trình:

Số đơn vị truyền khối tổng quát NOG:

NOG Xác định chiều cao tổng quát của đơn vị truyền khối HOG:

+ m: hệ số góc của đường cân bằng.

+ hy: chiều cao một đơn vị truyền khối theo pha khí.

+ hx: chiều cao một đơn vị truyền khối theo pha lỏng.

- Hệ số khuếch tán của trong pha khí ở 0 0 C, 1 atm:

D0 = × (m 2 /s) Với T: nhiệt độ hỗn hợp khí, T03 o K

+ VHCl, Vkk: thể tích mol của khí và không khí,

+ VHCl = 28,3(cm 3 /mol), Vkk= 29,9 (cm 3 /mol)

+ P: áp suất của khí quyển, Pt

- Hệ số khuếch tán của trong pha khí ở 30 0 C, 1atm:

Pry Chiều cao một đơn vị truyền khối theo pha khí hy:

+ Vt: thể tích tự do của đệm (m 3 /m 3 )

+ a: hệ số phụ thuộc dạng đệm (vòng rasching, a = 0,123)

+ σ: bề mặt riêng của đệm (m 2 /m 3 )

+ : hệ số thấm ướt của đệm () (Hình IX.16/178, [4]).

 Tính h x hx Chuẩn số Reynolds:

: độ nhớt động lực của dd NaOH 10% ở 30 0 C,

Hệ số khuếch tán trong pha lỏng:

+ Dx: hệ số khuếch tán.

VA và VB là thể tích phân tử của dung chất và dung môi, đo bằng cm³/mol MA và MB là khối lượng phân tử của chất tan và dung môi, được tính bằng kg/mol.

+ : độ nhớt động lực của dd hấp thụ.

+ A, B: các hệ số phụ thuộc trên tính chất của chất tan và dung môi

Thể tích phân tử dung môi

Hệ số khuếch tán của HCl trong pha lỏng ở 20 0 C:

Hệ số khuếch tán của trong pha lỏng ở 30 0 C:

Với b được tính theo công thức:

(CT VIII.16/135/[4]) Với tại 20 o C là 1000 kg/m 3

Prx → Chiều cao tổng quát của đơn vị truyền khối HOG:

Tỷ lệ chiều cao trên đường kính của lớp đệm cần được đảm bảo để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Trong quá trình tháo đệm ở chế độ chảy màng, dòng khí sẽ đẩy chất lỏng tưới về phía thành tháp, ảnh hưởng đến sự đồng đều của mật độ tưới Do đó, chiều cao của lớp đệm thường không nên vượt quá 4 lần đường kính của tháp.

 Chiều cao tháp hấp thụ

Bảng 4.3 Chiều cao phần tách lỏng H c và đáy H đ [6]

Vì Dt = 1,2 m nên chọn Hc = 0,8m và Hd = 2m

Chiều cao tháp hấp thụ:

 Tổn thất áp suất của đệm khô

Trở lực qua lớp chắn lỏng hay trở lực qua lớp vòng đệm khô tách lỏng

Pk - tổn thất áp suất đệm khô khi Rey= 1810,54 > 400 được tính theo công thức IX.121/189[4]:

+  k = 1,166 kg/m 3 : khối lượng riêng của pha khí;

+ = 135 m2/m3: diện tích bề mặt riêng phần của đệm;

+ Vt = 0,78 m 3 /m 3 : thể tích tự do của đệm;

+ v = 0,98 m/s: vận tốc khí qua tiết diện tháp;

+ k = Pa.s: độ nhớt động lực của pha khí.

 Tổn thất áp suất của đệm ướt:

Tra bảng IX.7/189/[4] ta có:

TÍNH TOÁN CÁC ỐNG DẪN VÀ CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ

Chiều cao thân tháp H = 4,8m Đường kính tháp Dt = 1,2 m = 1200 mm

4.3.1 Tính đường ống dẫn khí Đường kinh ống dẫn khí:

Trong đó: : Vận tốc khí trong ống 4-15 m/s, ta chọn vận tốc khí vào 15 m/s.

Chọn đường kính ống dẫn khí vào tháp D150(mm) =0,35 (m)

Chọn đường ống dẫn khí ra khỏi tháp D2=D150(mm), vật liệu thép không rỉ, bề dày ống b=5mm.

4.3.2 Tính đường ống dẫn lỏng Ống đẫn lỏng vào:

Trong đó: : Vận tốc lỏng vào tháp khoảng 1,5 – 2,5 m/s Chọn vận tốc 2,5 m/s.

Chọn đường kính ống dẫn lỏng vào D3 = 40 (mm) Bề dày ống b=5(mm), vật liệu thép không rỉ. Ống dẫn lỏng ra:

Trong đó: : Vận tốc lỏng ra tháp khoảng 0,1 – 0,5 m/s Chọn = 0,5 m/s.

Chọn đường kính ống dẫn lỏng ra D4 = 90 (mm) Bề dày ống b=5(mm), vật liệu thép không rỉ.

Chọn lưới đỡ đệm: (Bảng IX.22/230/[4])

Các thông số của lưới:

Bảng 4.4 Bảng thông số lưới đỡ đệm

Chọn tiêu chuẩn thép X18H10T: dùng đĩa phân phối loại 2

Bảng 4.5 trình bày thông số kỹ thuật của bộ phận phân phối lỏng, bao gồm đường kính tháp và đĩa phân phối loại 2 Đường kính đĩa (Dd) và kích thước ống dẫn chất lỏng (d×S) cũng được chỉ rõ, cùng với số lượng lỗ của đĩa phân phối loại 2 tính bằng mm.

4.3.5 Thân, đáy và nắp của tháp a) Chọn vật liệu:

- Thiết bi ̣ làm việc ở môi trường ăn mòn Đường kính tháp, mm Đường kính lưới D1, mm

Chiều rộng bước b, mm đệm 35×35

- Áp xuất làm việc Plv = 1 at = 9,81 (N/m 2 ) = 760 mmHg;

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

- Ký hiệu thép: X18H10T ( C 0,12%; Cr 18%; N 10%; T nằm trong khoảng 1 – 15%) ( Bảng XII.27/329/[4])

- Giới hạn bền k = 550.10 6 ( N/m 2 ) (Bảng XII.4/309/[4])

- Giới hạn chảy: c = 220.10 6 ( N/m 2 ) (Bảng XII.4/309/[4])

- Chiều dày tấm thép: b = 4 – 2,5 (mm) (Bảng XII.4/309/[4])

- Hệ số điều chỉnh: η = 1 (Bảng XIII.2/356/[4])

- Hệ số an toàn bên kéo: ηk = 2,6 ( Bảng XIII.3/356/[4])

- Hệ số an toàn bên chảy: ηc = 1,5 (Bảng XIII.3/356/4])

- Hệ số bên mỏ hàn: = 0,95 (Bảng XIII.8/362/[4])

- Khối lượng riêng: = 7900 (kg/cm 3 ) b) Ứng suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bền:

Lấy giá trị bé hơn trong 2 ứng suất cho phép trên làm ứng suất cho phép tiêu chuẩn. c) Bề dày thân: Áp suất làm việc trong tháp:

+ : áp suất pha khí trong thiết bị, ;

+ : áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng trong thiết bị;

H lấy bằng chiều cao của tháp để đề phòng trường hợp ngập lụt hay tắc nghẽn

 P = P mt + Ptt =0,1013+0,052 = 0,1533 (N/mm 2 ) Áp suất thử tính toán Po được xác định như sau và theo bảng XIII.5/358/[4]

Po = Pth + Ptt = 0,2+0,052 = 0,252 ( N/mm 2 ) Chọn hệ số bổ sung để quy tròn kích thước:

+ : hệ số bổ sung do bào mòn hóa học trong thời hạn sử dụng thiết bị là 20 năm so với tốc độ ăn mòn 0,1 mm/năm;

+ : hệ số bổ sung do bào mòn cơ học;

+ : hệ số bổ sung do dung sai âm; (Bảng XIII.9/364/

Chọn bề dày thân thiết bị bmm

Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước)

Xác định ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử tính toán

 Vậy chọn bề dày thân tháp là 10mm. d) Nắp và đáy tháp:

Chọn nắp và đáy tháp là hình elip Đường kính 1200mm

Bề dày nắp và đáy tháp bằng bề dày thân tháp S = 10mm

Kiểm tra ứng suất cho phép

+ K: Hệ số vô thứ nguyên, K = 1

+ Tra bảng XIII.10/382/[4] có: Dt = 1200mm  hb = 300mm;

 Vậy chọn chiều dày đáy và nắp tháp S mm.

4.3.6 Tính toán quạt hút và bơm

Dựa vào đặt tính quá trình áp suất không cao nên chọn bơm ly tâm Công suất bơm là:

+ Q: lưu lượng lỏng đầu vào, kg/s = 0,003m 3 /s

+ H: chiều cao cột áp bơm, ta chọn

Bảng 4.6 Hiệu suất một số loại bơm

Bảng 4.7 Hệ số dự trữ

Chọn hệ số dự trữ

 Chọn bơm có công suất 1Hp

+ Q: lưu lượng khí đầu vào thiết bị, Q = 4.000 m 3 /h = 1,11 m 3 /s

+ P: Trở lực toàn phần của thiết bị, P = 1463,67 N/m 2

+ = Hiệu suất lý thuyết của quạt = 0,9

Công suất thực tế của quạt:

 Chọn quạt có công suất 3,5Hp.

4.3.7 Tính toán chiều cao ống khói

Lưu lượng HCl bị hấp thụ:

+ GHCl: suất lượng mol HCl được hấp thụ, M = 0,65 kmol/h = 650 mol/h

+ R: hằng số khí lí tưởng, R = 0,082 atm.l/mol.K

+ T: nhiệt độ của khí HCl, T = 273 + 30 o C = 303K

+ P: áp suất làm việc, P = 1 atm.

Lưu lượng khí ra khỏi tháp:

Qr = Q – QHCl = 4000 – 16,15 = 3983,85 (m 3 /h) Lưu lượng khí trung bình trung bình vào tháp:

Qtb = = = 3991,93 (m 3 /h) = 1,109 (m 3 /s) Lưu lượng dòng khí: Gy = Qtb = 1,109 1,077 = 1,2 (kg/s) Đường kính ống khói:

+ Qr là lưu lượng khí ra khỏi thiết bị hấp thụ, Qr = 3983,85 m 3 /h

+ V là tốc độ dòng khí trong ống khói, Chọn v = 15 m/s

+ T = 30 - 20 = 10 0 C: hiệu số giữa nhiệt độ khí thải và nhiệt độ khí quyển

+ M: tải lượng của chất ô nhiễm M = Cb.Qr = 50.

+ Cb là nồng độ khí ra khỏi tháp, Cb = 50 mg/m 3

+ Qr: lưu lượng khí thải Qr = m 3 /h = 1,107m 3 /s.

Hệ số A, dao động từ 200 đến 240, được chọn là 200 để phản ánh sự phân bố nhiệt độ theo chiều cao khí quyển trong các điều kiện khí tượng nguy hiểm, giúp xác định khả năng phát tán thẳng đứng và ngang của các chất độc hại Hệ số F, không thứ nguyên, tính đến vận tốc lắng của chất ô nhiễm trong khí quyển, có giá trị F = 1 đối với các chất ô nhiễm ở thể khí.

+ m, n: các hệ số không thứ nguyên tính đến điều kiện thoát khí thải từ miệng ống khói Chọn m = 1, n = 1

+ Ccp: nồng độ cho phép của chất ô nhiễm trong ống khói, Ccp= 50 mg/m 3

+ Cnền = 0 (xem như nơi xây dựng nhà máy là nơi địa hình trống trải chưa có thêm nhà máy nào khác)

Để đảm bảo an toàn trong trường hợp xảy ra sự cố thiết bị hoặc thời tiết xấu, chiều cao tối thiểu cần thiết là 10m, giúp đảm bảo việc phát tán dòng khí đạt tiêu chuẩn.

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay, sự phát triển kinh tế đi đôi với việc nâng cao chất lượng cuộc sống Do đó, việc chú trọng đến sức khỏe con người và bảo vệ môi trường là vô cùng cần thiết Xử lý khí thải trở thành một vấn đề quan trọng, góp phần bảo vệ môi trường sống của chúng ta Quy hoạch và xây dựng hệ thống xử lý khí thải cho từng khu vực không chỉ mang ý nghĩa thiết thực mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sống.

Khí HCl là một loại khí thải độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người, thường phát sinh trong các hoạt động sản xuất công nghiệp Để xử lý HCl, phương pháp hấp thụ với tháp đệm được lựa chọn nhờ vào cấu tạo đơn giản, dễ gia công và vận hành Lớp đệm nhiều rãnh giúp tăng cường khả năng tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng Dung dịch hấp thụ sử dụng là NaOH 10%, cho hiệu quả xử lý khí HCl đạt 85-90%, đáp ứng yêu cầu đề ra.

Khi vận hành hệ thống xử lý, cần thực hiện kiểm tra và quan trắc thường xuyên để kịp thời sửa chữa và khắc phục sự cố phát sinh Đồng thời, việc giáo dục ý thức bảo vệ môi trường cho công nhân và cán bộ trong nhà máy là rất quan trọng Đào tạo cán bộ kỹ thuật và quản lý môi trường có trình độ và trách nhiệm cũng là yếu tố then chốt để quản lý, giám sát và xử lý sự cố trong quá trình vận hành hệ thống.

Định dạng
Số trang	44
Dung lượng	568,23 KB