THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ HỖN HỢP KHÍ THẢI Ô NHIỄM BỤI VÀ HƠI DUNG MÔI PHÁT SINH TỪ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT SƠN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ HỖN HỢP KHÍ THẢI Ô NHIỄM BỤI VÀ HƠI DUNG MÔI PHÁT SINH TỪ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT SƠN THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ HỖN HỢP KHÍ THẢI Ô NHIỄM BỤI VÀ HƠI DUNG MÔI PHÁT SINH TỪ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT SƠNTHIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ HỖN HỢP KHÍ THẢI Ô NHIỄM BỤI VÀ HƠI DUNG MÔI PHÁT SINH TỪ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT SƠNTHIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ HỖN HỢP KHÍ THẢI Ô NHIỄM BỤI VÀ HƠI DUNG MÔI PHÁT SINH TỪ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT SƠNTHIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ HỖN HỢP KHÍ THẢI Ô NHIỄM BỤI VÀ HƠI DUNG MÔI PHÁT SINH TỪ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT SƠNTHIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ HỖN HỢP KHÍ THẢI Ô NHIỄM BỤI VÀ HƠI DUNG MÔI PHÁT SINH TỪ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT SƠNTHIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ HỖN HỢP KHÍ THẢI Ô NHIỄM BỤI VÀ HƠI DUNG MÔI PHÁT SINH TỪ PHÂN XƯỞNG SẢN XUẤT SƠN

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN THẢI

Tổng quan về nguồn thải

1.1 Quy trình sản xuất sơn nước

Hình 1.1 Quy trình sản xuất sơn

Bao gồm 4 quá trình chính:

1.2 Các nguồn ô nhiễm trong quá trình sản xuất sơn a/ Dung môi hữu cơ (xylene, toluen,…)

Dung môi hữu cơ thường được sử dụng trong hầu hết các loại sơn và cũng phải khẳng định là không có dung môi "an toàn" Tất cả các dung môi, dù là dung môi tự nhiên hay dung môi tổng hợp đều có "tính độc"

Khả năng nhiễm độc Toluen là rất lớn vì chúng là chất dễ bay hơi và cháy nổ Chỉ cần nhiễm 1/1000 lượng nhỏ Toluen thôi chúng ta sẽ có cảm giác mất thăng bằng, đau đầu, chóng mặt, nếu bị nhiễm ở nồng độ cao sẽ gây ra ảo giác, mất đi ý thức hoặc bị ngất

Khi nồng độ Toluen trong môi trường làm việc vượt quá giới hạn tiếp xúc trong ca làm việc theo tiêu chuẩn cho phép sẽ gây ra nhiễm độc mãn tính Bệnh vẫn có thể xuất hiện sau khi tiếp xúc 1 tháng và có thể phát bệnh sau khi đã ngừng tiếp xúc sau 15 năm với các triệu chứng có thể liệt kê như:

• Bệnh lý não mãn tính: trầm cảm, dễ cáu giận, giảm sự tập trung chú ý, giảm trí nhớ, mất năng lực trí tuệ nghiêm trọng…

Thủy ngân được dùng để bảo quản sơn, chống vi nấm, vi mốc từ môi trường Đây là một chất mà ai cũng biết rằng nó rất hại cho sức khỏe Khi hít phải thủy ngân với một lượng lớn, người bệnh có thể bị suy hô hấp, đau đầu, khó thở, ho, lơ mơ, co giật , nôn mửa Tiếp xúc thường xuyên, đủ lâu dù một lượng nhỏ sẽ gây ảnh hưởng đến thần kinh, tổn thương hệ hô hấp, đặc biệt là ung thư phổi

Titan oxit tồn tại dưới dạng bột siêu mịn, nhẹ, màu trắng tuyết, nóng chảy ở nhiệt độ cao, không mùi, không độc hại Titan oxit không tan trong các axit như axit sulfuric, clohydric nhưng lại tan được trong nước, dầu và các loại dung môi khác Titan oxit là nguyên liệu chính trong sản xuất sơn (chiếm hơn 60% khối lượng bột sử dụng) được dùng làm bột màu để sản xuất sơn trắng phổ biến trong công nghiệp sơn

Theo các nghiên cứu lâm sàng trên động vật và con người, họ đã chỉ ra rằng nếu hít phải titanium dioxide, nó vẫn trơ về mặt sinh học Khả năng bị xơ hóa yếu do tiếp xúc

4 với bụi titan có nhiều khả năng do tiếp xúc đồng thời với các thành phần khác có trong bụi titan hơn là dioxide titan

1.3 Các quy chuẩn môi trường liên quan đến nguồn thải

*Theo QCVN 19:2009/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ

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 là nồng độ tối đa cho phép của bụi và các chất vô cơ trong khí thải công nghiệp, tính bằng miligam trên mét khối khí thải chuẩn (mg/Nm 3 );

- C là nồng độ của bụi và các chất vô cơ quy định tại bảng 1.1;

- Kp là hệ số lưu lượng nguồn thải tại QCVN 19:2009/BTNMT

- Kv là hệ số vùng, khu vực quy định tại QCVN 19:2009/BTNMT

Bảng 1.1 Nồng độ C của bụi và các chất vô cơ làm cơ sở tính nồng độ tối đa cho phép trong khí thải công nghiệp

STT Thông số Nồng độ C (mg/Nm 3 )

2 Chì và hợp chất, tính theo Pb 10 5

3 Đồng và hợp chất, tính theo Cu 20 10

4 Kẽm và hợp chất tính theo Zn 30 30

*Theo QCVN 20:2009/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp đối với một số chất hữu cơ

TT Tên Số CAS Công thức hóa học

Nồng độ tối đa (mg/Nm 3 )

Tổng quan về các phương pháp xử lí

2.1 Tổng quan về các phương pháp xử lí

Phân xưởng sản xuất sơn bột phát sinh ra một lượng chất thải ô nhiễm vào trong môi trường làm việc Khí thải ô nhiễm sơn gồm hai thành phần chính là bụi sơn và hơi dung môi hữu cơ Các chất như benzen, toluen, xylen, etylen, kim loại nặng các chất này ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người lao động và làm ô nhiễm môi trường xung quanh.Và sau đây là một số phương pháp xử lý nguồn ô nhiễm trên

2.1.1 Tổng quan về phương pháp xử lí bụi Để tách các hạt bụi ra khỏi nguồn khí, ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau như trọng lực, lực quán tính, ly tâm, lưới lọc bụi hoặc lọc bụi ướt

Nguyên lý hoạt động: hạt bụi có khối lượng dưới tác dụng của trọng lực nên chúng bị lắng xuống và trên cơ sở đó người ta thiết kế các thiết bị xử lý bụi là buồng lắng bụi

Thiết bị có khả năng giữ lại các hạt bụi có kích thước từ 60-70 m trở lên, hiệu quả chỉ đạt 5 àm (70%)

- Nồng độ bụi tổng: 420 mg/m 3

- Dải phân cấp cỡ hạt ban đầu của bụi như sau:

Bảng 2.2 Bảng cấp phối hạt bụi Đường kớnh cỡ hạt δ, àm 0ữ1 1 ữ5 5ữ10 10ữ20 20ữ30 30ữ40 40ữ50 >50

Giải thích sơ bộ về đề bài: lượng riêng dòng khí là 1,29 kg/m 3 nên đây là dòng khí nhẹ Nhiệt độ dòng thải đầu vào khá cao 40 o C, điều này sẽ gây ảnh hưởng không tốt đến việc xử lý, làm giảm hiệu suất của quá trình hấp phụ bằng than hoạt tính Nên cần có thiết bị giải nhiệt để hạ nhiệt độ xuống giá trị thích hợp (25 – 30 o C) để quá trình hấp phụ diễn ra hiệu quả nhất

• Bụi TiO2 (𝜌 = 4,26 g/cm 3 ) cú kớch thước hạt bụi: 0,05~0,4 àm

• Bụi CaCO3 (𝜌 = 2,7 g/cm 3 ) cú kớch thước hạt bụi: 0,5 ~50àm

- Bụi TiO2 thuộc cấp phối hạt từ 0ữ1 àm (17%) Chọn nồng độ TiO2 chiếm 10% và bụi CaCO3 chiếm 90%

 Khối lượng riêng đơn vị của bụi 𝜌 𝑏 = 4260×10% + 2700×90% = 2856 kg/m 3

1.3 Đánh giá về khả năng cháy nổ của hơi dung môi

Mỗi khí gas dễ cháy hoặc hơi sẽ chỉ bốc cháy ở một giới hạn nhất định trong tỉ lệ pha trộn giữa khí và không khí Nhiều khí gas quá hay ít khí gas quá cũng sẽ không gây ra cháy, những điều kiện trên được định nghĩa là Giới hạn thấp hơn để nổ ( Lower Explosive Limit) hay viết tắt là LEL, và giới hạn cao hơn để nổ (Uper Explosive Limit) hay viết tắt là UEL

Hình 2.1 Mô tả ngưỡng cháy nổ

Tổng nồng độ hơi dung môi hữu cơ (VOCs) của nguồn thải ở 40 o C là:

Giới hạn về cháy nổ LEL và UEL của Touluen là: 1,2% và 7,0%

Hình 2.2 Giới hạn cháy nổ

➔ Vậy tổng nồng độ của hỗn hợp khí trong dòng thải thấp hơn giới hạn cháy nổ LELmixture đã quy định (4034 (ppm) < 12000(ppm)) nên hiện tượng cháy nổ sẽ có khả năng xảy ra và nằm trong mức độ an toàn cao.

Yêu cầu đầu ra dòng thải

2.1 Yêu cầu đầu ra của đề bài:

• Theo đề bài yêu cầu hiệu suất xử lí của hệ thống phải đạt 90%

• Nồng độ hơi dung môi ở 40 o C đầu ra theo yêu cầu đề bài = 4034×10% = 403,4 mg/m 3

• Nồng độ bụi tổng đầu ra theo yêu cầu đề bài = 420×10%= 42 mg/m 3

2.2 Yêu cầu theo quy chuẩn Việt Nam: Đối với khí thải của ngành sản xuất sơn có thành phần bao gồm bụi sơn và hơi dung môi hữu cơ gây ô nhiễm, thì cần áp dụng QCVN 19:2009/BTNMT và QCVN 20:2009/BTNMT để đưa ra các tiêu chuẩn về xử lý

Giải thích: Có hai lý do chính để áp dụng hai quy chuẩn Việt Nam 19 và 20 năm 2009 của bộ tài nguyên môi trường cho việc xử lý khí thải trên

• Đầu tiên, đây là khí thải công nghiệp xuất phát từ phân xưởng sản xuất sơn

• Thứ hai, ứng với từng thành phần sẽ được quy định cụ thể trong quy chuẩn kỹ thuật quốc gia, như đối với thành phần bụi sơn sẽ áp dụng QCVN 19:2009/BTNMT còn đối với hơi dung môi hữu cơ sẽ áp dụng QCVN 20:2009/BTNMT

- Do theo QCVN 20:2009 BTNMT nồng độ sử dụng đơn vị mg/Nm 3 nên ta phải quy đổi nồng độ đầu vào của các chất hữu cơ sang điều kiện bình thường (25 o C, P = 760 mmHg)

- Dòng khí thải quy đổi sang điều kiện ở t = 25 o C

- Sử dụng phương trình khí lý tưởng: PV = nRT, ta được:

Giả sử công xưởng sơn được thành lập vào ngày 30/11/2010 và thuộc khu vực 1 Nên nồng độ bụi đầu ra tối đa cho phép theo QCVN 19:2009/BTNMT cột A (t = 25 o C, P = 760 mmHg)

• C: là nồng độ cơ sở tính toán nồng độ tối đa cho phép theo cột A ( khí thải công nghiệp của các cơ sở sản xuất, chế biến, kinh doanh, dịch vụ công nghiệp hoạt động trước ngày 16/01/2007 và đến hết ngày 31/12/2014)

• KP: là hệ số lưu lượng nguồn thải

• Kv: là hệ số vùng

2.3 Đề xuất thông số đầu ra

Bảng 3 So sánh giữa nồng độ đầu vào và quy chuẩn Việt Nam

Nồng độ đầu vào (mg/m 3 )

Nồng độ yêu cầu đầu ra (mg/m 3 )

Hiệu xuất xử lí yêu cầu tối thiểu

Nồng độ dung môi Toluen

(Ghi chú: tại điều kiện t = 25 o C, P = 760 mmHg) Đề xuất: Khi so sánh với tiêu chuẩn QCVN thì cả hai thành phần ô nhiễm là bụi và hơi dung môi đều có phần cần xừ lý tối thiểu bé hơn yêu cầu đề bài là 90% Nên cần thiết kế hệ thống xử lý có hiệu suất phù hợp với yêu cầu của đề bài và có nồng độ ô nhiễm được đưa ra theo bảng sau:

Bảng 4 Yêu cầu đầu ra

Nồng độ đầu vào (mg/m 3 )

Hiệu suất xử lý đề bài yêu cầu

Nồng độ yêu cầu đầu ra (mg/m 3 ) Bụi tổng

Nồng độ dung môi Toluen

(Ghi chú: tại điều kiện t = 25 o C, P = 760 mmHg)

2.4 Đề xuất giải pháp xử lí khí thải cho nguồn thải

Quy trình xử lý khí thải

Dòng khí thải từ phân xưởng sản xuất sơn bao gồm 2 nguồn nhiễm chính là bụi sơn và hơi dung môi hữu cơ Để xử lý dòng khí này một cách hiệu quả thì cần phải xử lý riêng lẻ từng loại chất gây ô nhiễm qua các bước tuần tự Đầu tiên, khí thải từ nhà máy sơn đi vào hệ

Khí thải vào Xừ lý bụi Xử lý hơi dung môi Khí ra

21 thống xử lý bụi đầu tiên vì việc xử lý bụi sơn đơn giản hơn xử lý hơi dung môi và khi ta xử lý bụi sẽ giúp cho hệ thống xử lý hơi dung môi hoạt động một cách hiệu quả Để lựa chọn thiết bị và phương pháp xử lý bụi và dung môi hữu cơ trước tiên ta cần phân tích phương pháp xử lý ứng với từng loại chất ô nhiễm.

Phân tích và đánh giá phương pháp xử lý

3.1 Sơ đồ tổng quan các phương pháp xử lý

Bụi sơn ở phân xưởng sản xuất sơn là loại bụi hóa học tổng hợp, rất độc hại đối với cơ thể Trong bụi sơn có chứa các thành phần sau:

- Bột màu cơ bản là titan dioxit ( TiO2) và bột độn là thạch cao ( CaCO3)

- Dung môi hữu cơ dùng ( Toluen) để hòa tan bột sơn Đặc tính của bụi sơn:

- Là loại bụi ướt có khả năng hòa tan trong dung môi hữu cơ

- Có màu sắc khác nhau phụ thuộc vào thành phần sơn

- Đây là loại bụi nhẹ lơ lửng trong không khí có 30% là bụi mịn (5m) Đánh giá phương pháp xử lý:

Trọng lực Quán tính Lưới lọc bụi Lọc bụi ướt Tĩnh điện Ly tâm

Qua việc xem xét và đánh giá thì thành phần bụi sơn trên phù hợp với phương pháp xử lý bụi ướt vì các lý do sau:

- Hạt bụi có tính chất màu với độ ẩm khá cao nên ưu tiên sử dụng phương pháp lọc bụi ướt để hấp thụ vật lý các hạt bụi So với phương pháp lưới lọc bụi sẽ bị gặp nhiều hạn chế vì bụi ẩm có khả năng kết dính gây hư hại và nhanh chóng làm bẩn lưới lọc bụi

- Với kích thước hạt bụi mịn (50

Hình 3.1 Ống venturi nằm dọc

Xác định độ chứa hơi dH2O theo đồ thị i-d tương ứng với điểm giao tại độ ẩm ban đầu 𝜑 0,50 và nhiệt độ ban đầu tK1 = 40 o C cho độ chứa hơi của khí ban đầu dH2O = 0,028 kg/kg khí khô

Giả thiết hệ số trở lực cục bộ 𝜉 𝑐𝑏 = 0,12, mật độ phun nước trên 1 m 3 khí là m = 1 l/m 3 và tốc độ dòng khí khi qua ống thắt là 𝜔 𝐾2 = 90 m/s

Biết tốc độ khí qua tiết diện ống trụ venturi 𝜔 𝐾2 và mật độ phun nước m, xác định được hệ số tổn thất thủy lực của ống 𝜉 𝑑𝑡 = 0,84

Khối lượng riêng của khí khi đi vào ống venturi ở điều kiện thực tế là:

Khối lượng riêng của khí ẩm khi vào ống venturi ở điều kiện thực tế:

Với áp suất tuyệt đối của khí vào ống venturi: pK1 = B - 𝛥𝑝 1325 - 980 0345 N/m 2

Thể tích không khí khô ở diều kiện chuẩn đi vào ống:

2 Tr.16, Tính toán kỹ thuật lọc bụi và làm sạch khí, PGS,TS Hoàng Kim Cơ, 2002

Thể tích không khí ẩm đi vào ống venturi dựa vào công thức

= 0,665 m 3 /s Đường kính ống thu hẹp với 𝝎 𝑲𝟏 = 20 m/s

Vậy để đảm bảo lưu lượng đầu vào ta sẽ sử dụng 2 bộ lọc bụi venturi để xử lí đủ và triệt để theo lưu lượng Q = 4000 m 3 /h

Biết t0 = tK1 (nhiệt độ tại đầu ống thu hẹp) = tK2 (nhiệt độ tại cột ống thắt)= 40 0 sử dụng đồ thị i – d giữa đường tK2 = 44 0 C và đường 𝜑 = 100% cho d= 0,042 kg/kg

Khối lượng riêng không khí ẩm tại cột ống là:

Với tốc độ khí vào ống thu hẹp 𝜔 𝐾1 = 20 m/s và hệ số trở lực trong ống thu hẹp 𝜉 ℎ = 0,03 , vậy áp suất tuyệt đối của khí vào cổ ống venturi được xác định là: pK2 = 𝑃 𝐾1 + 𝜌 ℎℎ ẩ𝑚 ( 𝜔𝐾1

3 Tr.13, Tính toán kỹ thuật lọc bụi và làm sạch khí, PGS,TS Hoàng Kim Cơ, 2002

(chọn hệ số trở lực khí tại ống thu hẹp 𝜉 𝑡.ℎ = 0,01 – 0,05)

Khối lượng riêng của khí ở điều kiện thực tế:

Lưu lượng khí ẩm ở điều kiện thực tế:

390 = 0,85 m 3 /s Đường kính ống thắt venturi có 𝝎 𝑲𝟐 = 90 m/s là:

90 = 0,11 m Đường kính ống khuếch tán với 𝝎 𝑲𝟑 = 20 m/s

Xét ngược lại để xem sự thay đổi về vận tốc dòng khí khi chọn D 3 =0,21

Hình 3.2 Ống Venturi nằm ngang

Chiều dài phần ống thu hẹp được xác định theo

Chiều dài ống trụ venturi phụ thuộc vào góc thu hẹp

Khi góc thu hẹp α’% 0 thì L2 được xác định bằng công thức:

Chiều dài ống khuếch tán được xác định theo công thức

Chiều dài tống của ống venturi là

L = L1 + L2 + L3 = 0,225 + 0,017 + 1= 1,242 m Đường kính ống xả cặn bùn venturi

1.2 Tính toán máy bơm nước

Mật độ phun nước trên 1 m 3 khí là m = 1 l/m 3

Chon vận tốc nước ra khỏi đầu phun v 0 m/s

Vậy đường kính đầu phun D =√ 0,001

Vậy chọn vòi phun áp lực cao với đầu phun cơ học dạng li tâm cho luồng phun đồng đều và kích thước giọt nhỏ với dường kích đầu phun d = 2,5 mm

Chọn Máy bơm nước Sena K 100

Quốc gia sản xuất Việt Nam

Vậy chọn 2 đầu phun tia 12 ml gắn song song và đặt cách ống thắt 0,1 m Đường kính ống nước chọn bằng với họng hút xả 30 mm =0,03 m

1.3 Tính toán tháp ly tâm

1.Ống venturi; 2 Ống tách nước; 3 Tháp ly tâm Hình 3.3 Hệ thống lọc bụi ướt Venturi

Chọn kiểu thiết bị tách giọt ly tâm – tháp lọc kiểu xiclon đứng

Xác định đường kính phần trụ tháp lọc (cyclone) khi 𝝎 𝒙𝒊𝒄𝒍𝒐𝒏 = 2,5 – 5,5 m/s

Với V là lưu lượng khí ấm ở điều kiện thực tế vào xiclon và bằng lưu lượng khí ra khỏi ống venturi (m 3 /s)

*Theo Bảng 3.8, Tính toán kỹ thuật lọc bụi và làm sạch khí, PGS,TS Hoàng Kim Cơ,

Chiều cao tháp lọc cyclone:

1.4 Xác định trở lực của hệ thống

Trở lực qua ống venturi:

= 2143 N/m 2 Áp suất tuyệt đối khi ra khỏi ống venturi pK3 = pK1 - 𝛥𝑝 𝜕.𝑣 = 100345 – 2143 = 98202 N/m 2

Khối lượng riêng của khí ra khỏi ống venturi:

Trở lực qua tháp là

Trong đó 30 là hệ số trở lực qua xyclon (𝜉 𝑥𝑦𝑐𝑙𝑜𝑛 % – 30)

Vậy tổng trở lực qua hệ thống lọc bụi

1.5 Tính toán hiệu suất lọc

Tốc độ quy ước của khí:

Dựa vào bảng 3.9 Tr108, Tính toán kỹ thuật lọc bụi và làm sạch khí, PGS,TS Hoàng Kim

Dựa vào nội suy, ta cú đường kớnh giọt nước dn = 11 àm

Hệ số nhớt động học v = 𝜇/𝜌 𝐾 = (5,9×10 -4 )/420 = 1,404×10 -6 m 2 /s Đường kính cỡ hạt δ, àm 0ữ1 1 ữ5 5ữ10 10ữ20 20ữ30 30ữ40 40ữ50 >50

Chuẩn số Stockes được xác định theo

- Với hạt cú đường kớnh từ 0ữ1 àm:

18× 1,404×10 −6 ×520×11×10 −6 = 0,57 Giá trị hiệu suất lọc 𝜂 0,1 = 1 - ⅇ−1,56.√0,57 = 0,69

- Với hạt cú đường kớnh từ 1 ữ 5 àm:

- Với hạt cú đường kớnh từ 5ữ10àm:

Giá trị hiệu suất lọc 𝜂 10,20 = 1 - ⅇ −1,56.√519 = 1

18× 1,404×10 −6 ×520×11×10 −6 = 1442 Giá trị hiệu suất lọc 𝜂 20,30 = 1 - ⅇ−1,56.√1442 = 1

- Với hạt cú đường kớnh từ >50 àm:

Giá trị hiệu suất lọc 𝜂 50 = 1 - ⅇ−1,56.√5769 = 1

Tổng hiệu suất lọc của hệ thống là

Hàm lượng bụi sau xử lí là 420× (1-0,946) = 22,68 mg/m 3

Tháp hấp phụ tầng tĩnh

Nhiệt độ T ( o C) 40 Áp suất P (mmHg) 760

Khối lượng riêng không khí PK (kg/m 3 ) 1,29 Độ ẩm  0,5

Nồng độ VOC đầu vào C̅ 0 (mg/m 3 ) 4034

Theo bảng Sổ tay quá trình thiết bị, tập 1, NSB khoa học và kỹ thuật, trang 9, bảng 2.1:

- Ở nhiệt độ 20 o C thì khối lượng riêng của Toluen là: ρ Toluen = 866 (kg/m 3 )

Dùng nội suy để tính toán khối lượng riêng của Toluen ở 25 o C:

Nồng độ đầu vào của Toluen ở 40 o C: C̅ 0 = 1126 (ppm)

Nổng độ đầu vào của Toluen ở 25 o C: C̅ d = C̅ 0 T 1

Nồng độ đầu vào của Toluen ở 40 o C: C̅ 0 = 4034 (mg/m 3 )

Nổng độ đầu vào của Toluen ở 25 o C: C̅ d = C̅ 0 T 1

25+273= 4237 (mg/m 3 ) Áp suất riêng phần của hơi Toluen tương ứng với nồng độ đầu vào:

2.2 Tính dung lượng hấp phụ của than Norit đối với Toluen (C 7 H 8 )

Sử dụng Patent tính toán của than Norit để tính toán dung lượng hấp phụ của than Norit đối với Toluen:

Bảng 5 Bảng thông số tính toán trích từ Patent của than Norit

Công thức hóa học Danh pháp A B C

Công thức tính toán dung lượng hấp phụ lý thuyết: log 10 a ∗ = A + B × log 10 y + C × [log 10 y] 2

↔ a ∗ = 101,11466+0,20795 ×log 10 1183−0,02016×[log 10 1183] 2 ≈ 36,59 (kgToluen/100kgC) ↔ a ∗ = 0,3659 (kgToluen/kgC)

Trong đó: a*: Dung lượng hấp phụ của than Norit (kgToluen/100kgC) y: Nồng độ khí thải ở nhiệt độ 25 0 C và 1 atm (ppm)

A,B và C: là các hằng số của nhà sản xuất cung cấp

Dung lượng hấp phụ thực tế:

Do trong quá trình hấp phụ than không thể hấp phụ 100% theo dung lượng lý thuyết mà thường sẽ chỉ đạt 80% nên ta cần trừ đi lượng đó khi tính toán, cùng với đó là do độ ẩm trong dòng khí thải khi đi vào tháp hấp phụ đạt 15% nên ta cũng cần trừ ra khi tính lượng hấp phụ thực tế a ∗ = 0,3659 × (100% − 20% − 15%) ≈ 0,238 (kgToluen/kgC)

2.3 Tính cân bằng vật chất

Ta có thông số đầu vào:

Hiệu suất xử lý: η = 0,9 Áp suất hơi làm việc: P = 1 at

Nồng độ Toluen ban đầu: C̅ d = 4237 (mg/m 3 ) = 4237 × 10 −6 (kg/m 3 )

2.3.1 Trong hỗn hợp khí đầu vào thiết bị:

Phần mol hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu vào: y d = C ̅ d ×R×T

Phần khối lượng hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu vào: y̅ d = y d × M Toluen y d × M Toluen + (1 − y d ) × M K = 1,126 × 10 −3 × 92

Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu vào: ρ d = [M Toluen × y d + M K × (1 − y d )] × T 0 ×P

Tải lượng khối lượng của hỗn hợp khí đầu vào:

Tải lượng của hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu vào:

Tải lượng của không khí trong hỗn hợp khí đầu vào:

2.3.2 Trong hỗn hợp khí đầu ra thiết bị

Phần mol hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu ra: y c = y d × (1 − η) = 1,126 × 10 −3 × (1 − 0,9) = 1,126 × 10 −4 (kmolToluen/kmolhh)

Phần khối lượng hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu ra: y̅ c = y c × M Toluen y c × M Toluen + (1 − y c ) × M K = 1,126 × 10 −4 × 92

Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu ra: ρ c = [M Toluen × y c + M K × (1 − y c )] × T 0 ×P

Tải lượng hơi Toluen bị hấp phụ bởi than hoạt tính:

Tải lượng của hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu ra:

Tải lượng của hỗn hợp khí đầu ra:

2.4 Đường kính tháp Đường kính tháp hấp phụ:

GTB: Tải lượng trung bình của hỗn hợp khí

2 = 1,3177 (kg/s) ρ hh : Khối lượng riêng của hỗn hợp khí ρ hh = ρ d +ρ c

2 = 1,1875 (kg/m 3 ) ω: Vận tốc khí khi vào thiết bị hấp phụ, chọn ω = 1 m/s (ω = 0,3 ÷ 2)

Giá trị ω được chọn càng nhỏ sẽ dẫn đến đường kính D của tháp càng lớn và hiệu suất thiết kế của tháp càng cao Tuy nhiên nếu quá nhỏ thì dòng khí sẽ bị mất áp và sẽ không thể đi qua lớp hấp phụ hiệu quả vì gặp trở lực với bể mặt lớp chất hấp phụ.Vì thế ta chọn ω = 1 m/s không quá nhỏ để vừa tăng hiệu suất tháp lên và đảm bảo quá trình hấp phụ qua các lớp than không gặp trở lực

0,785×1,1875×1= 1,19 ≈ 1,2 (m) Làm tròn D t = 1,2 m để tiện cho việc tính toán

Kiểm tra lại vận tốc khí vào thiết bị hấp phụ:

2.5 Tính hệ số truyền khối

Khi hấp phụ bằng than hoạt tính d = 0.075÷4.75mm và vận tốc dòng lưu chất v = 0.3 – 2.2 m/s thì có thể áp dụng tính gần đúng hệ số truyền khối ky theo phương trình sau đây (Với điều kiện quá trình hấp phụ đẳng nhiệt được biểu diễn bằng phương trình Langmuir)

Ghi chú: d: đường kính trung bình của hạt hấp phụ (m)

D: hệ số khuếch tán của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ của quá trình (𝑚 2 /𝑠) v: vận tốc của dòng hơi khí tính theo tiết diện ngang tự do của thiết bị (m/s) γ: độ nhớt động học của hổn hợp hơi khí (𝑚 2 /𝑠) ky: hệ số truyền khối (m/s)

Từ (1), (2) và (3), suy ra: k y = 1,6 × D y ×v hh

0,54 γ 0,54 ×d g 1,46 (4) Đường kính trung bình của than: d g = 0,004 (m) Độ nhớt động học của hỗn hợp hơi khí: γ = μ hh ρ hh

Phần mol trung bình của Toluen trong hỗn hợp khí: y tb = 1,126×10 −3 +1,126×10 −4

Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí:

M tb μ hh = y tb ×M Toluen μ Toluen + (1−y tb )×M K μ k = 6,193×10 −4 ×92

→ μ hh = 1,802 × 10 −5 (N.s/m 2 ) Độ nhớt tuyệt đối của Toluen và không khí ở nhiệt độ 25 o C và 1atm (Hình I.35 trang

117 Sổ tay Quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – Tập 1) μ Toluen = 5,73 × 10 −4 (N.s/m 2 ) μ k = 0,018 × 10 −3 (N.s/m 2 ) ρ hh = 1,1875 (kg/m 3 ) γ = μ hh ρ hh = 1,802×10 −5

Hệ số khuếch tán của Toluen ở nhiệt độ 0℃ và 1 atm:

D0 = 0,0709 × 10 −4 (m 2 /s) (Sổ tay quá trình và thiết bị tập 2, Vũ Bá Minh, tr.130)

Hệ số khuếch tán của hơi Toluen ở nhiệt độ t = 25 o C và áp suất p = 1 atm

Thế số vào phương trình 4: k y = 1,6 × D y ×v hh

Nhận xét: Hệ số truyền khối của k y khá lớn điều này thể hiện sự chuyển động qua lại giữa

2 pha (khí,rắn) cao → Tốc độ truyền khối lớn

Hệ số Renold của dòng khí trong thiết bị:

1,5175×10 −5 = 77495,8813 Dòng chảy của khí thải trong tháp hấp phụ có Re  10 4 là dòng chảy rối

2.6 Tính thời gian hấp phụ

Khối lượng riêng của than hoạt tính là: δ x = 500 (kg/m 3 )

Nồng độ Toluen bị hấp phụ trong hỗn hợp khí cân bằng với lượng Toluen bị hấp phụ trong một đơn vị thể tích than hoạt tính:

Thời gian hấp phụ của quá trình được tính theo công thức:

C̅ x : nồng độ chất bị hấp phụ cân bằng với nồng độ C̅ d của lưu chất kg/m3 (lấy theo từng đường đẳng nhiệt tính bằng kg/kg nhân với khối lượng riêng của than xốp thành kg/m3) v hh : vận tốc của dòng hơi khí tính theo tiết diện ngang tự do của thiết bị (m/s)

C̅ d : nồng độ ban đầu của chất bị hấp phụ trong lưu chất hơi khí (kg/m3)

H: chiều cao của lớp than hoạt tính (m) ky: hệ số truyền khối (m/s) b: được xác định thông qua hệ số C ̅

C ̅ d (Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, Bảng 8 - 3: Nồng độ chất bị hấp phụ trong lưu chất khí khi ra khỏi chấp hấp phụ, Trang 337, Tập 10)

 Với thời gian một chu kỳ là 6 h đảm bảo cho việc hấp phụ một lượng lớn hơi hữu cơ trong dòng khí thải với chiều cao lớp than H = 1,2 m thuận tiện cho việc thi công và tránh phải hoàn nguyên nhiều lần liên tục trong một ngày

Khối lượng than cần thiết trong một mẻ: m than = π×D t 2

Lượng hơi Toluen xử lý được trong một chu kỳ:

Khối lượng khí Toluen được hấp phụ trong 1 chu kỳ:

Hoạt tính của than đầu ra: a̅ c = 90,51

Khối lượng khí qua tháp trong một chu kỳ:

Sau một chu kỳ lớp than hấp phụ thì cần được hoàn nguyên bằng hơi nước quá nhiệt Hoàn nguyên than đến khi than không còn xử lí được trên 82% nồng độ hơi dung môi thì sẽ thay thế Giả sử, mỗi ngày phân xưởng hoàn nguyên than 1 lần sau 10 lần hoàn nguyên thì hiệu

47 suất xử lý của than đối với hơi dung môi giảm đi 1%, mà khí thải cần xử lý đạt 82% để đạt QCVN 20:2009-BTNMT

2.7 Tính chiều cao tháp hấp phụ

Hoạt tính của than ban đầu: a̅ d = 0,01 (kg/kg)

Hoạt tính của than đầu ra: a̅ c = 0,133 (kg/kg)

Hình 3.4 Đường hấp phụ đẳng nhiệt của Benzen ở 20 o C

Theo bảng Sổ tay quá trình thiết bị, tập 1, NSB khoa học và kỹ thuật, trang 9, bảng 2.1:

- Ở nhiệt độ 20 o C thì khối lượng riêng của Benzen là: ρ benzen = 879 (kg/m 3 )

Dùng nội suy để tính toán khối lượng riêng của Toluen ở 25 o C:

Tính thể tích mol của Benzen và Toluen:

Tính hệ số ái lực của Toluen và Benzen: β = V Toluen

Ta lấy một số điểm trên đường hấp phụ benzen để tính toán tọa độ của điểm tương ứng trên đường đẳng nhiệt hấp phụ toluen theo hai công thức sau: a ∗ 2 = a ∗ 1 × V 1

Ghi chú: a * 1: Tung độ đường đẳng nhiệt của benzen (kg/kg) a * 2: Tung độ đường đẳng nhiệt của toluen (kg/kg)

V1: Thể tích mol cúa cấu tử benzen (m 3 /kmol)

V2: Thể tích mol cúa cấu tử toluen (m 3 /kmol)

P1: Áp suất riêng phần của benzen (mmHg)

P2: Áp suất riêng phần của toluen (mmHg)

Ps,1: Áp suất hơi bão hòa của benzen ở 293 o K, Ps,1 = 75 (mmHg)

Ps,2: Áp suất hơi bão hòa của toluen ở 298 o K, Ps,2 = 40 (mmHg)

(Ghi chú: áp suất hơi bão hòa lấy theo Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, Hình XIII và XXIV: Áp suất hơi bão hòa của một số chất lỏng theo nhiệt độ, Trang 466, Tập 10)

Ta được bảng sau đây:

Bảng 3.1 Kết quả tính toán đường hấp phụ đẳng nhiệt

Benzen Toluen a * 1 kg/kg P 1 mmHg a * 2 kg/kg P 2 mmHg

Hình 3.5 Đường hấp phụ đẳng nhiệt Toluen

Ta có phương trình đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen: a ∗ = 0,0272 ln(P) + 0,19561

 a c ∗ = 0,129 kg/kg (với P c = P t × y d = 760 × 1,126 × 10 −4 mmHg) Động lực trung bình của quá trình:

Khoảng cách giữa giữa các đĩa theo đường kính 1,2m: h tt = 0,7 (m) y = 0.0272ln(x) + 0.1956

P, mmHg Đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen

Tháp có 2 lớp than, chiều cao mỗi lớp than: H

Chiều cao tháp hấp phụ:

Trong đó: q: nhiệt hấp phụ (kcal/kmol khí)

T s : nhiệt độ sôi của Toluen, T s = 110 o C = 383 o K

Số mol Toluen được hấp phụ trong 1 chu kỳ: n a = G

Lượng nhiệt phát sinh trong cả chu kỳ:

Lượng nhiệt này sẽ tiêu hao cho việc làm nóng than, thiết bị thất thoát và chủ yếu là làm nóng hỗn hợp khí:

Ta có: C : nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí (kJ/kg.độ), C = 1,0032 (kJ/kg.độ)

Nhận xét: Lượng nhiệt tỏa ra từ quá trình hấp phụ không quá cao ( 700 mm

- Chiều dày nhỏ nhất của tháp: D t = 1200 mm chọn bề dày thân nhỏ nhất là S min 4 mm

- Bề dày thân thiết bị:

S t = S min + C = S min + (C a + C b + C c + C 0 ) = 4 + 0,3 + 0 − 0,4 + 0,5 = 4,4 mm Làm tròn S t ≈ 5 mm

C a : hệ số bổ sung ăn mòn, ta chọn loại thép bền vừa với thang bền 6, C a = 0,3 mm (bảng XII.1 trang 305 sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất - tập 2)

C b : hệ số bào mòn do cơ học, C b = 0

C c : hệ số bổ sung do sai lệch kích thước do chế tạo, với thép dày 4mm, C c = −0,4 mm (bảng XIII.9 trang 364 sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất - tập 2)

C 0 : hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, C 0 = 0,5 mm

- Kiểm tra bề dày và áp suất làm việc của thân thiết bị

- Đường kính ngoài của tháp: D m = D t + 2 × S t = 1,2 + 2 × 0,005 = 1,21 (m)

- Khối lượng thân tháp (trang 374 sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất - tập 2) ta chọn thép CT3 là vật liệu làm đáy, náp tháp, nắp hình elip tiêu chuẩn m 1 = π

2.9.2 Chiều dày đáy và nắp

- Chọn CT3 là vật liệu làm đáy, nắp của tháp (chiều dày đáy = chiều dày tháp)

2×300+ 2,4 = 2,85 (mm) Làm tròn S dn ≈ 3 mm

Với: k: hệ số thứ nguyên, đối với đáy và nắp có lỗ được tăng cứng hoàn toàn, k=1

0,1 × 1 × 0,95 = 1397 > 30 → Bỏ qua ρ ở mẫu số theo trang 385 sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất - tập 2 h b : chiều cao phần lõi đáy, tra bảng XIII.10 trang 382 (sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất - tập 2) Với D t = 1200 mm → h b = 300 mm

C: hệ số bổ sung, được tính như trên nhưng có tăng thêm 2mm(đối với đáy, nấp đậy tùy theo chiều dài) Khi: S − C = 5 − 0,4 = 4,6 mm < 10 mm → C = 0,4 + 2 = 2,4 mm

- Tổng chiều dày đáy và nắp: S tổng ≈ 6 mm

- Kiểm tra bề dày và áp suất làm việc của đáy, nắp thiết bị:

- Kiểm tra ứng suất thành của nắp thiết bị theo áp suất thủy lực từ công thức XIII.49 trang

387 sổ tay quá trình thiết bị và công nghệ hóa chất - tập 2

7,6×1×0,95×300×(6−2,4) = 23,19 N/mm 2 Với p0 là áp suất thử tính toán po = 1.25p = 1.25 0.1 = 0.125 N/mm 2

1,2 = 122,5 N/mm 2 (23,19 < 122,5) Khối lượng đáy nắp tra bảng XIII.11 trang 384 (sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 2)

D t = 1200 mm và S tổng = 6 mm → m 2 = 79 × 2 = 158 kg

Chiều cao đáy và nắp: ℎ 𝑛ắ𝑝 = ℎ + ℎ 𝑏 = 25 + 0,25 × 1200 = 325(mm)

(h = 25mm, hb=0,25Dt) (trang 381, sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 2)

2.10 Tính toán các thiết bị hấp phụ của tháp:

2.10.1 Tính đường kính ống Đường kính ống dẫn hỗn hợp khí vào:

Tải lượng của hỗn hợp khí đầu vào: G d = 1,32 (kg/s)

Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu vào: ρ d = 1,189 (kg/m 3 )

Suy ra lưu lượng của hỗn hợp khí đầu vào: Q d = G d ρ d = 1,32

Định dạng
Số trang	72
Dung lượng	2,32 MB
File đính kèm	Đồ án xử lý hơi dung môi từ sản xuất sơn.rar (3 MB)