Thiết kế hệ thống hấp thụ khí hcl bằng tháp mâm đệm

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN11.1. Tổng quan về hấp thụ11.1.1. Khái niệm11.1.2. Áp dụng của hấp thu21.1.3. Cơ chế quá trình21.1.4. Quá trình trao đổi chất31.1.5. Các phương pháp hấp thụ41.1.6. Các loại tháp hấp thụ61.1.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ81.2. Tổng quan về khí HCl91.2.1. Đặc điểm lý hóa của khí hydro clorua (HCl)91.2.2. Nguồn gốc phát sinh khí HCl101.2.3. Ảnh hưởng của HCl đối với môi trường và con người10CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ122.1. Thuyết minh quy trình công nghệ122.2. Quy trình công nghệ13CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ143.1. Số liệu ban đầu143.2. Tính toán cân bằng vật chất143.2.1. Ký hiệu tính toán14

BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ HÓA CHẤT

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN THIẾT KẾ HỆ THỐNG HẤP THỤ KHÍ HCl BẰNG

THÁP MÂM ĐỆM

Giảng viên hướng dẫn: THẠC SĨ CAO THANH NHÀN

Lớp: CDHD12A Khóa: 2010 – 2013

TP.HCM, ngày 31 tháng 03 năm 2013

BỘ MÔN MÁY VÀ THIẾT BỊ HÓA CHẤT

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN THIẾT KẾ HỆ THỐNG HẤP THỤ KHÍ HCl BẰNG

THÁP MÂM ĐỆM

Giảng viên hướng dẫn: THẠC SĨ CAO THANH NHÀN

Lớp: CDHD12A Khóa: 2010 – 2013

TP.HCM, ngày 31 tháng 03 năm 2013

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành bài đồ án này, nhóm chúng em xin được gửi lời cảm ơnchân thành đến quý cá nhân và tập thể sau:

Thạc sĩ hướng dẫn Cao Thanh Nhàn

Khoa bộ môn: khoa công nghệ hóa học

Thư viện trường đại học công nghiệp TP.HCM

Cùng tất cả những sự hỗ trợ giúp đỡ của bạn bè trong lớp cao đẳng hóa dầu 12A

Chân thành cảm ơn

TP.HCM, ngày 31 tháng 03 năm 2013

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

PHẦN ĐÁNH GIÁ: - Ý thức thực hiện:

- Nội dung thực hiện:

- Hình thức trình bày:

- Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

TP.HCM, ngày … tháng … năm 2013 Giảng viên hướng dẫn CAO THANH NHÀN NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

PHẦN ĐÁNH GIÁ: - Ý thức thực hiện:

- Nội dung thực hiện:

- Hình thức trình bày:

- Tổng hợp kết quả:

Điểm bằng số: Điểm bằng chữ:

TP.HCM, ngày … tháng … năm 2013

Giảng viên phản biện

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xu thế phát triển chung của nền công nghiệp hiện đại,vấn đề khí thải vàbảo vệ môi trường đang là chủ đề nóng được sự quan tâm đặc biệt của tất cả cácquốc gia trên thế giới

Đáp ứng nhu cầu đó khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vấn đề xử lí khíthải đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công trong đó có công nghệ xử lí khíthải HCl bằng phương pháp hấp thụ Đây có thể xem là một phương pháp cổ điển

để xử lí khí thải HCl, nó đáp ứng được những chỉ tiêu cơ bản về xử lí khí thải trongcông nghiệp

Để có thể đào sâu chi tiết hơn về công nghệ xử lí khí thải HCl nay nhóm quyếtđịnh thực hiện việc tính toán,thiết kế hệ thống xử lí khí HCl bằng phương pháp hấpthụ và đó cũng chính là đề tài của đồ án học phần mà nhóm sẽ nghiên cứu./

Quá trình hấp thu tách một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (phakhí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng) Khi này hỗn hợp khí sẽ được cho tiếpxúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗnhợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng.

Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ

Chất lỏng dùng để hấp thu được gọi là dung môi (chất hấp thụ)

Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ

Hình 1.1 Sơ đồ lọc khí độc hại trong hỗn hợp khí kiểu hấp thụ.

Cơ sở của nguyên lý: Dựa trên sự tương tác giữa chất cần hấp thụ (thường làkhí hoặc hơi) với chất hấp thụ (thường là chất lỏng) hoặc dựa vào sự hòa tan khácnhau của các chất trong chất lỏng đẻ tách chất.

Nguyên tắc: Cho khí thải tiếp xúc với chất lỏng, các khí này hoặc được hòatan vào chất lỏng hoặc được biến đổi thành phần

Hiệu quả hấp thụ phụ thuộc vào:

- Sự tiếp xúc giữa pha khí và pha lỏng

- Thời gian tiếp xúc

- Nồng độ môi trường hấp thụ

- Tốc độ phản ứng giữa chất hấp thụ và khí thải

1.1.2 Áp dụng của hấp thu

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

- Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí

Quá trình chia làm 3 bước:

- Khuếch tán các phân tử ô nhiễm thể khí vào trong khối khí thải đến bề mặtcủa chất lỏng hấp thụ Nồng độ phân tử ở phía chất khí phụ thuộc vào cả 2hiện tượng khuếch tán:

- Khuếch tán rối có tác dụng làm nồng độ phân tử được đều đặn trong khốikhí

- Khuếch tán phân tử làm cho các phân tử khí chuyển động về phía lớp biên Trong pha lỏng cũng xảy ra hiện tượng tương tự:

- Khuếch tán rối được hình thành để giữ cho nồng độ được đều đặn trong khốichất lỏng.

- Khuếch tán phân tử làm dịch chuyển các phần tử đến lớp biên hoặc từ lớpbiên đi vào pha khí

- Thâm nhập và hoà tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ

- Khuếch tán chất khí đã hoà tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu bên trong chấtlỏng hấp thụ

Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấpthụ ở trong pha khí

1.1.4 Quá trình trao đổi chất

Khi chất ô nhiễm vào trong chất lỏng hấp thụ thì các chất phân tử được traođổi qua lớp biên( màng)

Các phân tử đi qua lớp biên ở cả 2 phía( một số từ phía chất lỏng, một số từphía chất khí)

Cường độ trao đổi phụ thuộc vào các yếu tố tác động lên hệ thống như áp suất,nhiệt độ, và độ hoà tan của các phân tử cường độ tăng nếu giữa pha khí và pha lỏngdiễn ra phản ứng hoá học hay các phân tử của khối khí không thể quay trở về khốikhí khi có tác động của quá trình vật lý

Quá trình hấp thụ kèm theo sự toả nhiệt và làm tăng nhiệt độ của hệ thống khipha khí phân tán vào pha lỏng xảy ra hiện tượng dẫn nhiệt làm năng lượng cấu tửpha khí bị giảm hiện tượng này xảy ra do sự chuyển động của các phân tử khí, làmcho các phân tử này bị xáo trộn dẫn tới sự cân băng năng lượng giữa 2 pha

Trong thực tế có 2 hiện tượng hấp thụ:

- Hấp thụ đẳng nhiệt: được tiến hành với sự giải nhiệt pha lỏng bằng thiết bịtruyền nhiệt bố trí trong tháp hấp thu Nếu nồng độ ban đầu không lớn hoặckhi lưu lượng chất lỏng lớn thì sự thay đổi nhiệt của chất lỏng không đángkể

- Hấp thụ đẳng áp: diễn ra khi có sự thay đổi của nhiệt độ môi trường bênngoài, khi này cơ cấu thiết bị được đơn giẳn hoá nhưng điều kiện cân bằngkhông tốt.

1.1.5 Các phương pháp hấp thụ

1.1.5.1 Nguyên tắc

Cơ sở của nguyên lý là dựa trên sự tương tác giữa chất cần hấp thụ(thường là khí hoặc hơi) với chất hấp thụ (thường là chất lỏng) hoặc dựa vào khảnăng hoà tan khác nhau của các chất trong chất lỏng để tách chất Tuỳ thuộc vàobản chất của sự tương tác mà ta chia thành:

Hấp thụ vật lý: Hấp thụ vật lý là quá trình dựa trên sự tương tác vật lý bao

gồm sự khuếch tán, hoà tan của các chất cần hấp thụ vào trong lòng chất lỏng và sựphân bố của chúng giữa các phân tử chất lỏng

Hấp thụ hoá học: Hấp thụ hoá học là quá trình luôn đi kèm với một hay

nhiều phản ứng hoá học và bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn khuếch tán và giaiđoạn xảy ra các phản ứng hoá học Như vậy sự hấp thụ hoá học không nhữngphụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của chất khí vào trong chất lỏng mà còn phụthuộc vào tốc độ chuyển hoá các chất- tốc độ phản ứng của các chất Trong hấp thụhoá học, chất được hấp thụ có thể phản ứng ngay với các phân tử của chính chất hấpthụ

1.1.5.2 Ưu điểm

Rẻ tiền nhất là khi sử dụng nước làm dung môi hấp thu, các khí độc hại như

SO2, H2S, NH3, HF, v.v… có thể được xử lý rất tốt bằng phương pháp này với dungmôi nước, các dung môi thích hợp

Có thể được sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi, khi trong khí thải

có chứa cả bụi lẫn các khí độc hại mà các chất khí có khả năng hòa tan tốt trongnước rửa

1.1.5.3 Khuyết điểm

Hiệu suất làm sạch không cao, hệ số làm giảm khi nhiệt độ dòng khí tăng caonên không thể dùng xử lý dòng khí thải có nhiệt độ cao,quá trình hấp thụ là quátrình tỏa nhiệt nên khi thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống thiết bị hấp thụ xử lýkhí nhiều trường hợp ta phải lắp đặt thêm thiết bị trao đổi nhiệt trong tháp hấp thụ

để làm nguội thiết bị hiệu quả của quá trình xử lý như vậy thiết bị sẽ trở nên cồngkềnh, vận hành phức tạp

Khi làm việc hiện tượng “sặc” rất dễ xảy ra khi khống chế, điều chỉnh mật độtưới của pha lỏng không tốt, đặc biệt khi dòng khí thải có hàm lượng bụi lớn

Việc lựa chọn dung môi thích hợp sẽ rất khó khăn, khi chất khí cần xử lýkhông có khả năng hòa tan trong nước, lựa chọn các dung môi hữu cơ sẽ nảy sinhvấn đề: Các dung môi này có gây độc hại cho con người và môi trường hay không?Việc lựa chọn dung môi thích hợp là bài toán hóc búa mang tính kinh tế và kỹthuật, giá thành dung môi quyết định lớn đến giá thành xử lý và hiệu quả xử lý Phảitái sinh dung môi (dòng chất thải thứ cấp) khi sử dụng dung môi đắt tiền hoặc chấtthải gây ô nhiễm nguồn nước Hệ thống càng trở nên cồng kềnh phức tạp

- Đệm vòng(kích thước từ 10-100 mm)

- Đệm hạt( kích thước hạt từ 20-100mm)

- Đệm xoắn - đường kính vòng xoắn từ 3-8 mm.Chiều dài dây nhỏ hơn 25m

- Đệm lưới bằng gỗ

Yêu cầu chung của tất cả các loại đệm là:

- Bề mặt riêng lớn (bề mặt trong một đơn vị thể tích bằng m2/m3 , ký hiệu là σ)

- Thể tích tự do lớn,ký hiệu là Vtđ tính bằng m3/m3

- Khối lượng riêng bé

- Bền hóa học

Trong thực tế không có loại đệm nào có thể đạt tất cả các yêu cầu trên Vì thế

mà tùy theo điều kiện cụ thể mà ta chọn đệm cho thích hợp

Đệm lưới bằng gỗ thường được dung trong các tháp làm lạnh hay dùng tronghấp thụ khi không cần tách triệt để lắm vì đệm gỗ thường có kích thước lớn nên bềmặt riêng của đệm bé.để tang độ phân tách người ta chọn đệm có kích thước bé, tứcđệm có bề mặt riêng lớn,tạo khả nẳng tiếp xúc giữa các pha tốt hơn

Tháp đệm có những ưu điểm sau:

- Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc khá lớn

- Cấu tạo đơn giản

- Trở lực trong tháp không lớn lắm

- Giới hạn làm việc tương đối rộng

- Chế tạo đơn giản, trở lực thấp

1.1.6.2 Tháp đĩa

Tháp đĩa được ứng dụng nhiều trong công nghệ hóa học trong tháp đĩa khíhơn phân tán qua các lớp chất lỏng chuyển động chậm dần từ trên xuống dưới, sựtiếp xúc pha riêng biệt trên các đĩa So với tháp đệm thì tháp đĩa khó làm hơn và tốnkim loại nhiều hơn

1.1.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ

Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ành hưởng lên quá trình hấp thụ Hầu hếtcác thông số làm việc trong tháp đều tính theo số mol cho nên việc biến đổi nhiệt độ

và áp suất sẽ không ảnh hưởng nhiều đến sự thay đổi số mol và đường làm việc gầnnhư không thay đổi ở đây sự thay đổi nhiệt đọ ảnh hưởng chủ yếu đến sự cân bằngpha của quá trình

Nếu nhiệt độ tăng thì hệ số Henry tăng, hệ số góc (m) đường cân bằng tăng vàđường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục tung Vậy động lực trung bình sẽ giảm,cường độ truyền khối sẽ giảm, số mâm lý thuyết sẽ tăng

Nếu ta tăng nhiệt độ đến một nhiệt độ tới hạn nào đó thì phương trình đườnglàm việc và đường cân bằng tiếp xúc nhau khi đó quá trình truyền khối sẽ khôngthực hiện được

Ngoài ra khi áp suất tăng thì hệ số góc (m) phương trình đường cân bằng sẽgiảm và số mâm lý thuyết sẽ giảm

Mặt khác nhiệt độ tăng cũng sẽ ảnh hưởng tốt đến quá trình truyền khối do độnhớt của dung môi sẽ giảm, vận tốc khí tăng cường độ truyền khối cũng tăng

Nếu ta tăng áp suất hỗn hợp khí thì hệ số cân bằng m sẽ giảm do đó đường cânbằng sẽ dịch chuyển gần về trục hoành Động lực trung bình sẽ tăng Nhưng sự tăng

áp suất luôn kèm theo sự tăng nhiệt độ nên cũng ảnh hưởng không tốt đến quá trìnhtruyền khối

1.2 Tổng quan về khí HCl

1.2.1 Đặc điểm lý hóa của khí hydro clorua (HCl)

- Công thức phân tử HCl (khí)

- Phân tử gam: 36,4606 g/mol

- Độ hòa tan trong nước ở 200C: 720g/L

Phân tử hydro clorua (HCl) là một phân tử hai nguyên tử đơn giản, bao gồmmột nguyên tử hydro và một nguyên tử clo kết hợp với nhau thông qua một liên kếtđơn cộng hóa trị Do nguyên tử clo có độ âm điện cao hơn so với nguyên tử hiđrônên liên kết cộng hóa trị này là phân cực rõ ràng Do phân tử tổng thể có mômenlưỡng cực lớn với điện tích một phần âm δ- tại nguyên tử clo và điện tích dương δ+tại nguyên tử hydro, nên phân tử hai nguyên tử hydro clorua là phân tử phân cựcmạnh VÌ thế, nó rất dễ dàng hòa tan trong nước cũng như trong các dung môi phâncực khác

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

HCl + H2O → H3O+ + Cl−

Dung dịch tạo thành được gọi là axít clohiđric và nó là một axít mạnh Hằng

số điện li axít hay hằng số ion hóa Ka là rất lớn, nghĩa là HCl bị điện li hay ion hóatoàn phần trong nước

Kể cả khi không có mặt nước thì hydro clorua vẫn có thể có phản ứng như mộtaxít Ví dụ, hydro clorua có thể hòa tan trong các dung môi phân cực khác nhưmêtanol và có phản ứng như một chất xúc tác axít cho các phản ứng hóa học khiđiều kiện khan nước (anhiđrơ) là mong muốn

HCl + CH3OH → CH3O+H2 + Cl−

HCl cung cấp proton cho phân tử mêtanol (CH3OH)

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

Khói trắng của clorua hiđrôcloric làm thay đổi pH của giấy quỳ Màu đỏ chỉ rarằng dung dịch có tính axít

1.2.2 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 mạ điện

- Quá trình làm sạch các nồi đun nấu

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

1.2.3 Ảnh hưởng của HCl đối với môi trường và con người

1.2.3.1 Đối với con người

Tiếp xúc với khí HCl gây ra ảnh hưởng đến sức khỏe của con người ở nhiềudạng khác nhau bao gồm làm ngứa phổi, da và màng nhầy, làm tê liệt hóa các chứcnăng của hệ thống thần kinh trung ương, ngoài ra còn các vấn đề về hô hấp và tiêuhóa

Tiếp xúc nhiều hơi axit clohidric có thể bị nhiễm độc, gây ra bệnh viêm dạdày, bệnh viêm phế quản kinh niên, bệnh viêm da và giảm thị giác

Do tác dụng kích thích cục bộ, HCl sẽ gây bỏng, sưng tấy, tụ máu trường hợpnặng có thể dẫn tới phổi bị mọng nước

Tiếp xúc khí HCl qua đường hô hấp lâu ngày có thể gây ra khàn giọng, phỏng

và loét đường hô hấp, đau ngực và bệnh dị ứng phổi

Tiếp xúc với liều lượng cao gây ra nôn mửa, dị ứng phổi và chết do nhiễmđộc

Clorua hidro tạo thành axit clohidric có tính ăn mòn cao khi tiếp xúc với cơthể Việc hít thở bởi hơi khói gây ra ho, nghẹt thở, viêm mũi, họng và phần phíatrên của hệ hô hấp Trong những trường hợp nghiêm trọng là phù phổi, tê liệt hệtuần hoàn và tử vong Tiếp xúc với da có thể gây mẩn đỏ, các thương tổn hay bỏngnghiêm trọng Nó cũng có thể gây ra mù mắt trong những trường hợp nghiêm trọng.Theo kết quả nghiên cứu của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), HCl có thể gâyảnh hưởng hệ thống vị giác, mắt, da, mũi, mồm.

Bắt đầu ở nồng độ 0,1- 3,23 mg/m3 đã thấy có mùi, từ 2,83-12,8 mg/m3 thấymùi rõ và từ 8,3-32,9 mg/m3 thấy mùi nặng

Công nhân làm việc nồng độ 15 mg/m3 ở thời gian dài có thể bị hỏng răng và

để bảo vệ sức khỏe công nhân nên duy trì nồng độ ở mức 2,9 mg/m3.Không gây ungthư

1.2.3.2 Đối với môi trường

HCl làm cho cây cối chậm phát triển, với nồng độ cao thì cây chết HCl có tácdụng làm giảm độ mỡ bóng của lá cây, làm cho các tế bào biểu bì của lá bị co lại

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ

2.1 Thuyết minh quy trình công nghệ

Nguồn khí thải HCl từ các nhà máy được thu hồi lại và dùng quạt thổi vàotháp đệm Dung dịch hấp thụ được dùng là nước , được bơm lên bồn cao vị và đivào tháp từ trên xuống qua một van và lưu lượng kế để theo dõi và điều chỉnh lưulượng Hỗn hợp khí được thổi từ dưới đi lên và quá trình hấp thụ xảy ra trong tháp.Khí sau khi xử lý sẽ được dẫn ra ống khói Dung dịch sau khi hấp thụ sẽ thu hồi ởđáy tháp vào bồn chứa và được đưa đi xử lý sau đó

Quan sát sơ đồ công nghệ (hình 3), ta thấy được nguyên lý và cơ chế của hệthống hấp thụ khí HCl như sau:

- Đầu tiên khí HCl được quạt khí số (6) sẽ hút khí thải HCl vào hệ thống,thông qua một lưu lượng kế số (5) và van chỉnh lưu lượng số (9) ta có thể quan sát,điều chỉnh lưu lượng khí hút vào hệ thống, sau khi khí HCl qua lưu lượng kế sẽ đivào đáy tháp hấp thụ để khí HCl bay từ dưới lên tiến hành quá trình hấp thụ làmsạch khí HCl

- Tiếp tục, ta có bể chứa nước số (1), tại đây nước sẽ được bơm lỏng số (7)bơm lên bồn cao vị số (3), qua van đóng ngắt số (8) để nhằm ngăn chặn nước trànngược lại bể chứa gây hỏng bơm

- Nước từ bồn cao vị số (3) sẽ tràn xuống qua van 3 chiều số (10), một chiềutrở lại dòng hoàn lưu xuống bể chứa, một chiều qua van chỉnh lưu lượng số (9) vàlưu lượng kế số (5) đi xuống từ đỉnh tháp hấp thụ Quá trình này là quá trình mangtính chất quan trọng nhất đảm bảo hiệu suất hấp thụ vì nó chắc chắn rằng trong tháphấp thụ nước chảy từ trên xuống tiếp xúc với dòng khí HCl thổi từ dưới lên

- Trong tháp hấp thụ, khí HCl sau khi đã làm sạch bay lên đỉnh tháp và thoát

ra từ ống khói, nước hấp thụ xong chảy xuống đáy tháp và được tháo ra vào bể chứa

số (4) chờ được xử lý

2.2 Quy trình công nghệ

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ.