trích ly phenol trong nước thải bằng dung môi benzen bằng tháp đĩa quay

Trong thời buổi hiện nay, khi mà tốc độ đô thị hóa ngày càng diễn ra với một tốc độ nhanh đến chóng mặt, cùng với những mặt tốt của nó như đem đến cho con người thêm nhiều điều thú vị, tiện nghi, văn minh, hiện đại thì cũng lấy đi những điều vô cùng quý giá, đó tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặn, ngọt, nước ngầm đã xuất hiện ở nhiều nước, nhiều nơi và ngày càng trở nên nghiêm trọng. Sự ô nhiễm nước không chỉ đơn thuần là do vi sinh vật và các chất hữu cơ gây ra, mà còn do nhiều tác nhân khác, như các sản phẩm dầu, các chất tẩy rửa các chất phóng xạ... Đó là các chất độc hại gây nguy hiểm cho sức khoẻ con người và mọi sinh vật, trong đó phenol và các dẫn xuất của phenol được xếp vào loại chất gây ô nhiễm mạnh. Tuy nhiên để đảm bảo nguồn nước đạt chất lượng không chứa phenol thì việc cần thực hiện đó là tìm cách tách các cấu tử không mong muốn ra khỏi nguồn nước.Do đó nhiều chuyên gia, doanh nghiệp, tổ chức bắt tay vào tìm hiểu, xây dựng nên mô hình, các dây chuyền công nghệ hiện đại. Để khắc phục tình trạng này. Đặc biệt là tình trạng nguồn nước bị nhiễm các chất độc hóa học như asen, chì, phenol,benzen..Tuy nhiên dể có những công nghệ, thiết bị hiện đại thì chúng ta phải trải qua quá trình đúc kết kinh nghiệm lâu dài, xây dựng các công nghệ mới dựa trên công nghệ cũ.Chính vì vậy mà trong đồ án này nhóm em được giao đề tài: trích ly phenol trong nước thải bằng dung môi benzen bằng tháp đĩa quay. Trong đồ án này chúng em sẽ thiết kế tháp đĩa quay để trích ly phenol bằng benzen với lưu lượng đầu vào của hỗn hợp phenol và nước là 5,5 m3 h,nồng độ phenol ban đầu là 0,3kgh, nồng độ phenol cuối là 0,05kgh, nồng độ dầu của phenol trong chất trích ly là 0,02kgh, nhiệt độ là 250C.

MỞ ĐẦU

Trong thời buổi hiện nay, khi mà tốc độ đô thị hóa ngày càng diễn ra với mộttốc độ nhanh đến chóng mặt, cùng với những mặt tốt của nó như đem đến chocon người thêm nhiều điều thú vị, tiện nghi, văn minh, hiện đại thì cũng lấy đinhững điều vô cùng quý giá, đó tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặn, ngọt, nướcngầm đã xuất hiện ở nhiều nước, nhiều nơi và ngày càng trở nên nghiêm trọng

Sự ô nhiễm nước không chỉ đơn thuần là do vi sinh vật và các chất hữu cơ gây

ra, mà còn do nhiều tác nhân khác, như các sản phẩm dầu, các chất tẩy rửa cácchất phóng xạ Đó là các chất độc hại gây nguy hiểm cho sức khoẻ con người

và mọi sinh vật, trong đó phenol và các dẫn xuất của phenol được xếp vào loạichất gây ô nhiễm mạnh Tuy nhiên để đảm bảo nguồn nước đạt chất lượngkhông chứa phenol thì việc cần thực hiện đó là tìm cách tách các cấu tử khôngmong muốn ra khỏi nguồn nước

Do đó nhiều chuyên gia, doanh nghiệp, tổ chức bắt tay vào tìm hiểu, xâydựng nên mô hình, các dây chuyền công nghệ hiện đại Để khắc phục tình trạngnày Đặc biệt là tình trạng nguồn nước bị nhiễm các chất độc hóa học như asen,chì, phenol,benzen

Tuy nhiên dể có những công nghệ, thiết bị hiện đại thì chúng ta phải trải quaquá trình đúc kết kinh nghiệm lâu dài, xây dựng các công nghệ mới dựa trên

công nghệ cũ.Chính vì vậy mà trong đồ án này nhóm em được giao đề tài: trích

ly phenol trong nước thải bằng dung môi benzen bằng tháp đĩa quay Trong đồ

án này chúng em sẽ thiết kế tháp đĩa quay để trích ly phenol bằng benzen vớilưu lượng đầu vào của hỗn hợp phenol và nước là 5,5 m3/ h,nồng độ phenol banđầu là 0,3kg/h, nồng độ phenol cuối là 0,05kg/h, nồng độ dầu của phenol trongchất trích ly là 0,02kg/h, nhiệt độ là 250C

PHẦN I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

CHƯƠNG I :TỔNG QUAN VỀ PHENOL VÀ BENZEN

I.1 Ô nhiễm phenol

I.1.a.Đặc điểm và tính chất của phenol.

Phenol hay còn gọi là acidum carbolium tồn tại ở dạng tinh thể trắng ở nhiệt

độ phòng và áp suất thường, khi bị phơi ra ngoài không khí và ánh sáng thì sẽchuyển sang màu hồng hoặc đỏ

Phenol có vị khét và mùi hăng cay đặc trưng, tan hạn chế trong nước(6,7g/100ml) và tan hầu hết trong các dung môi hữu cơ như ete dầu hỏa,benzene, aceton… Nồng độ chấp nhận được của phenol là 0,04ppm

Các đặc trưng của phenol

Áp suất hơi bão hòa 20hpa tai 200C 35hpa tại 500C

Khả năng hòa tan ở 250C thì hòa tan 87g/l

Theo cơ quan bảo vệ môi trường mỹ (FPA) phenol và các dẫn xuất củaphenol, đặc biệt là dạng dẫn xuất clo phenol xếp vào loại hợp chất gây ô nhiễmkhó phân giải Phenol là chất ô nhiễm mang tính trơ cao

I.1.b.Nguồn gốc phát sinh chất chứa phenol

Trong tự nhiên, phenol xuất hiện ở một số sản phẩm ôi thiu, trong phân vàxác chết của động vật Do đó quá trình chuyển hóa protein ở động vật khi bịphân hủy bởi các vi sinh vật mà ở đó là phenol và các hợp chất phenol đượcxem như là sản phẩm trung gian của quá trình phân giải các hợp chấthidrocacbon thơm, lọai đơn vòng hay đa vòng.

Phenol là một chất hóa học do con người tạo ra, có mặt trong nước thải củacác quá trình sản xuất công nghiệp.Trong đó đặc biệt kể đến trong các ngànhnhư: Công nghiệp luyên cốc, công nghiệp dầu khí, sản xuất keo bán, gỗ dán, dệtnhuộm, hóa chất, làm giấy…

Nhiều thí nghiệm cho thấy hiện tượng đau bắp thịt, sưng gan của con người khitiếp xúc với phenol lâu ngày, làm rối loạn nhịp tim, giới hạn của phenol chophép trong cơ thể người là 0,6mg/kg trọng lượng cơ thể

Hiện nay chưa có nghiên cứu nao về sử ảnh hưởng của phenol ở nồng độthấp đối với sự phát triển của cơ thể, tuy nhiên nhiều nhà khoa học cho rằng tiếp

xúc với phenol thường xuyên sẽ làm cho con người phát triển chậm, biến đổi dịthường ở thế hệ sau, tăng tỉ lệ sinh non.

Hiện nay chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra rằng phenol có thể gây ung thưcho con người Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu trên động vật cho khi chochúng ăn thường xuyên với thức ăn chứa phenol ở hàm lượng cho phép thì thấyxuất hiện khối u hoặc một số chất gây ung thư da ở chuột EPA( EnvironmentalProtection Agency) và được xếp vào nhóm D, nhóm gây ung thư cho người, dochưa có các số liệu liên quan tới hiệu ứng gây ung thư ở người

I.2 Dung môi benzen (dung môi thứ)

I.2.a Nguồn gốc phát sinh benzen

Trong tự nhiên benzen xuất hiện trong quá trình hoạt động của núi lửa, cháyrừng và còn là thành phần tự nhiên của dầu thô, xăng, khói thuốc lá

Trong điều kiện nhân tạo Benzen thải ra từ khói thuốc lá, khói xe cộ, khói từkhu công nghiệp.Ở những nơi khai thác dầu mỏ, chất hóa dầu và sản phẩm côngnghiệp than cốc

Đặc biệt, benzene là hợp chất hữu cơ dễ tan trong dầu và các chất hữu cơkhông phân cực, do vậy benzen là một dung môi rất phổ biến trong côngnghiệp

CHƯƠNG II.

LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ TRÍCH LY

BẰNG DUNG MÔI BENZENE II.1 Mục đích và ý nghĩa của quá trình trích ly bằng dung môi benzene.

Mục đích của quá trình trích ly là chiết tách các cấu tử không mong muốn

chứa trong nước thải đạt hiệu quả cao nhất, ít tốn kém

Nguyên lý của quá trình tách bằng dung môi chọn lọc là dựa vào tính chấthoà tan có chọn lọc của dung môi được sử dụng Khi trộn dung môi vào nguyênliệu ở điều kiện thích hợp, các cấu tử của nguyên liệu sẽ phân thành hai nhóm:nhóm hoà tan tốt trong dung môi tạo thành pha riêng gọi là pha trích (extrack);còn phần không hoà tan hay hoà tan rất ít trong dung môi gọi là rafinat Sảnphẩm có ích có thể nằm trong pha trích hay rafinat tuỳ thuộc vào loại dung môi

sử dụng Với dung môi benzen thì sản phẩm có ích không hoà tan vào dung môi

này, nên chủ yếu trong pha trích là những cấu tử có hại đối với nước

Do đó quá trình trích ly bằng dung môi chọn lọc có ý nghĩa quan trọng trongviệc loại bỏ phenol ra khỏi nước Quá trình này làm làm giảm thiểu mức gây ônhiễm cho nguồn nước

II.2..yêu cầu của dung môi thứ

+ Có độ chênh lệch tỉ trọng lớn đối với dung dịch ban đầu, độ nhớt nhỏ.

II.3 Lựa chọn phương pháp trích ly

II.3.a.Trích ly một bậc

Đây là phương pháp trích ly đơn giản, trong đó hỗn hợp đầu và dung môithứ cùng cho vào một thiết bị cánh khuấy để được trộn lẫn và tiếp xúc với nhausau đó đưa sang thiết bị lắng tách riêng hai pha Raphinat và dung dịch trích rồiđưa dung dịch trích đi hàn nguyên để thu cấu tử cần trích và dung môi thứ nếuthời gian đủ thì quá trình có thể đạt gần trạng thái cân bằng do định luật phân bốquyết định như vậy thì mức độ trich ly là tương đối thấp

II.3.b.Trích ly nhiều bậc chéo dòng

Đây là hệ thống có nhiều thiết bị trích ly đặt nối tiếp nhau Trong mỗi bậc

nó tiếp xúc với dung môi thứ được đưa vào song song Sau mỗi bậc ta thu đượcpha raphinat đi sang bậc sau để trích ly tiếp còn dung dịch trích ta tách ra chếbiến đến khi đạt yêu cầu cần thiết Cuối cùng ta thu được một cấu tử nguyênchất Nhưng nhược điểm vẫn tiêu tốn nhiều dung môi thứ

II.3.c.Trích ly nhiêu bậc ngược chiều

Phương pháp này được dùng nhiều nhất trong công nghiệp Hệ thống nhiềubậc đặt nối tiếp nhau hỗn hợp đầu F đi vào đầu này còn dung môi thứ S đi vàođầu kia của hệ thống và chuyển động ngược chiều nhau Dung dich trích cuốicùng E1 ra khỏi thiết bị ở bậc một, còn raphinat cuối Rn thì ra khỏi thiết bị ở bậccuối n (ở bậc cuối n pha raphinat nghèo cấu tử cần trích B)còn ở bậc một hỗnhợp đầu F chứa nhiều cấu tử B nhất lại tiếp xúc với dung dịch trịch E2 gần bãohòa nhờ đó mức độ trích ly triệt để nhất

II.4.Thiết bị trích ly tiếp xúc liên tục

II.4.a.Tháp phun

Tháp làm việc có hiệu quả cao khi tốc độ làm việc của pha liên tục lớn Tuynhiên khi tốc độ tương đối của các giọt của pha phân tán so vói pha liên tục đạt75% tốc độ rơi tự do liên tục trong môi trường pha liên tục đứng yên (tính theo

định luật stock) thì bắt đầu có hiên tượng “sặc” Tốc độ của pha liên tục trongtháp phun khoảng 0,004- 0,009 m/s đường kính hạt từ 1-10mm.

+ Có thể thay đổi quan hệ tỉ lệ của các pha trong giới hạn lớn

+Có khả năng trích ly chất lỏng rễ tảo nhũ tương vi nó được tiến hànhtrong truongr hợp ly tâm

+Thể tích chất lỏng trong khoảng không gian làm việc bé (dưới 0,4%năng suất trung của thiết bị 10m3/h)

+Thời gian lưu lại của chất lỏng trong thiết bị ít

Để xử lý một khối lượng lớn nước thải nhiễm phenol trong công nghiệpcũng như trong nước sinh hoạt hàng ngày thì cần một loại tháp đảm bảo cường

độ làm viêc và năng xuất cao thì thiết bị trích ly có khuấy trộn loai đĩa quay đápứng yêu cầu đó.

CHƯƠNG III:

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ TRÍCH LY PHENOL BẰNG

DUNG MÔI BENZEN III.1 Sơ đồ

III.1a thuyết minh sơ đồ

Trong sơ đồ: dung dịch đầu là một chất lỏng nặng hơn so với dung môi nênđược bơm từ trên xuống Tái sinh dung môi từ pha trích tiến hành theo cách bốchơi ở trong thiết bị cô dặc một nồi, dung dịch đầu từ thùng chứa bằng bơm đưavào phần trên tháp K3, phần dưới cột đó từ thùng chứa bằng bơm dung môi sẽđược đưa vào

Thiêt bị trích ly đây là một tháp đĩa quay, pha nhẹ hơn sẽ được phân tán, đó

là benzen Pha phân tán phân bổ đều theo tiết diện ngang của tháp đĩa rồi dịchchuyển từ dưới lên đi quay vùng làm việc của tháp trích ly tạo thành pha trích làmột lớp pha nhẹ

Đi ngược lại dòng dung môi là pha nặng đi từ trên xuống và chất cần trích ly

sẽ được tách ra là phenol Hỗn họp đầu được làm sạch gọi là rafinat, được tậphợp ở vùng lắng phía dưới Phần lắng nằm phía dưới pha phân bố sau đó chấttrích ly tự chảy qua van thủy lực để đưa vào thùng chứa rafinat van thủy lực cótác dụng biến đổi chiều cao của pha nhẹ đồng thời ổn định nước

Pha trích đi qua bộ phận gia nhiệt Q đưa vào thiết bị cô đặc AB có buồngđốt ngoài gia nhiệt bằng hơi nước Dung dịch đậm đặc của chất trích ly sẽ đi rakhỏi thiết bị cô đặc vào thùng chứa từ đây bằng bơm được đi chế biến Tiếptục phần hơi thứ là dung môi được ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ nhờ vậlượng hơi thứ được ngưng tụ hoàn toàn hơi thứ thực hiện ở thiết bị ngưng tụđược làm lạnh bằng hơi nước Sau khi được làm lạnh dung môi ngưng tụ đượcđưa vào thùng chứa Người ta đưa vào thùng chứa này một lượng dung môimới để bù trừ sự mất mát dung môi do sự bốc hơi Trong sơ đồ chỉ ra bộ phậnngưng tụ KO đối với nước ngưng tụ phát ra từ nồi cô đặc, bơm đưa pha rafinat

đi chế biến tiếp tục

Tất cả thiết bị được làm việc ở áp suất thường hoặc dư 1 ít, áp suất đượcống tạo ra bằng bơm và máy đun ở thiết bị cô đặc.

Tái sinh dung môi được thực hiện chỉ từ pha trích bằng phương pháp chưngluyện

Nếu dung môi hòa tan tốt ở trong dung dịch đầu thì cần thiết phải tái sinhdung môi từ pha rafinat

PHẦN II:

TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THÁP ĐĨA QUAY

ĐỂ TRÍCH LY PHENOL

CHƯƠNG I:

CÂN BẰNG VẬT CHẤT I.1.Các số liệu ban đầu

• Lưu lượng đầu vàoVx=Vc= 5,5m3/h Nồng độ phenol ban đầu là

Cxd=0,3kg/m3

• Hiệu suất tách cuối cùng đạt 96,6%

• Nồng độ cuối của phenol trong nước thải

I.2.Tiêu hao dung môi.

I.2.1.Điều kiện cân bằng

Hệ số phân phối phenol giũa benzene và nước ở nồng độ thấp thực tế làkhông đổi, taị 250C bằng 2,22 Do đó, cân bằng giữa các giai đoạn trong trườnghợp này được xác định bởi phương trình (III.2), cho m=2,22, m0=0

I.2.2.Lượng benzene tiêu tốn

Do nồng độ của C6H5OH rất bé nên sự thay đổi khối lượng riêng của phatrong quá trình trích ly có thể bỏ qua Vì vậy hệ số tách của phenol sẽ tương ứngvới phương trình

S=1

-xc xd

c c

Cxd -Nồng độ đầu của phenol trong nước thải

Cxc -Nồng độ ở thời điểm cuối của phenol trong nước thải

0,8333.1,5278.10 0,3

5,9123.10 ( / )

xd xd y

Tuy nhiên lượng benzene tiêu tốn thực tế phải lớn hơn Vymin.

Hiệu quả của hệ thống trích ly bằng phương pháp đĩa quay, thường không vượtquá 1 bậc lý thuyết Vì vậy trong trường hợp đã cho cần xác định lượng tiêu tốncủa benzen Từ các điều kiện đã cho ta thấy số bậc lý thuyết gần bằng 1 Rõràng ở nồng độ phenol rất nhỏ, sự thay đổi tiêu hao pha trong hệ thống trích ly

có thể bỏ qua và số bậc lý thuyết có thể theo phương trình (III.15) của tài liệu[1] trang 46

Nếu sự tiêu tốn benzene lớn hơn 2 lần lượng Vymin=1,18246.10-3(m3/s) thìnồng độ cuối cùng phenol trong benzene tương ứng với phương trình (III.9,6)

lg

yc xd

yd xc t

y x

n

mV V

0, 02 2, 22.0, 05 0

1, 299

2, 22.1,18246 lg

Do vậy lượng dung môi cần gấp 7 lần hỗn hợp ban đầu tương ứng là

Vd=Vy=4,139.10-3m3/s (=14,9m3/h) Vậy nồng độ phenol cuối cùng là

Cycuối=0,1123(kg/m3)

Để tháp đạt hiệu suất tách 96,6% theo yêu cầu thì nồng độ cuối của

Phenol trong nước thải là 0,3.4/100=0,01(kg/h)

= > Vậy nồng độ phenol cuối trong benzene là

1,528 0,02 (0,3 0,01) 0,127

VN+1 : L ng dung môi benzene i v o tháp.ượ đ à

LN : Lượng dung dich pha raffinate

V1 : Lượng dung dich pha trích

M :L ng h n h p c a dung môi th v dung môi u.ượ ỗ ợ ủ ứ à đầ

Thường thì đường kính của roto nhỏ hơn 1,5-2 lần so với đường kính củatháp Khoảng cách giữa hai đĩa là 2-4 lần nhỏ hơn đường kình của tháp Đườngkính bên trong của stato (hình vành khăn) 70-80% so với đường kính củacột.Tần số quay của đĩa nDp thường giới hạn 0,1-1m/s ta có tỉ lệ kích thướcnhư:

2 3

h

+ Dp : Đường kính của đĩa

+ Dc : Đường kính của stato (vành khăn)

Từ phương trình (VIII.20) trang 140 tài liệu [1].

0,3 0,5 0,9 0,8 0,2 0,23

σ ρ

cP

10

5,12.10

=

[1]

0,78 0,78(0,75 ) (0,75.7,85) 3,99

(VIII.2)-=> Vậy vận tôc lắng ( Trang-137)-[1]

Đối với hạt có kích thước 2,03mm thì tốc độ lắng gần đúng là 5,78(cm/s)

II.4.Vận tốc đặc trưng của giọt.

Từ phương trình VIII.7 trang 138 tài liệu [1]

3 0,562 4

II.5.Vận tốc biểu kiến của pha khi bị ngập lụt.

Từ phương trình VIII.5 trang 138 [1]

V b

V

=

=

3 3

4,139.10

1, 5278.10

=32

3

0, 4 4.(1 3)

II.6.Đường kính tối thiểu của tháp.

Ta thừa nhận đường kính bên trong bằng 1 m Tốc độ biểu kiến của pha ở

các giai đoạn trong cột là

II.7.Kích thước cơ bản của thiết bị trích ly bên trong

Đường kính của đĩa:

2

3

p p

D

D

Đường kính của vòng xuyến:

3

4

c c

II.9.Bề mặt tiếp xúc riêng phần giữa các giai đoạn.

Từ phương trình (VIII.11 trang 139 [1]

II.10.Chiều cao làm việc của tháp.

Người ta coi rằng chiều cao của cột tính đến sử khuấy trộn theo chiều dọctrên sơ đồ khuếch tán Hệ số khuếch tán theo chiều dọc trong pha liên tục Ec,pha phân ly Ed được xác định từ phương trình thực nghiêm

4 27,916.10− m / s

c T e

c

d R

Chuẩn số pran:

.

r

µ P

7, 4.10 (2, 6.18, 02) 298

1, 05.10 0,894.103

c

3 9

Cho nên giọt sẽ không bị giao động và tổng Re lớn hơn 1 rất nhiều vậy ta sửdụng phương trình (VIII.26) và (VIII.27) khi xác định kích thước giọt Ta thừanhận N=20.Vì vậy chiều cao của tháp trích ly là

d d

x x

0

/

ln ( / ) 1

Như vậy trong chế độ kéo lý tưởng cho cả hai pha thì chiều cao cho cả hai

pha thì chiều cao vùng làm việc của tháp ox ox

5,5.0, 26 1, 43

Đểxác định chiều cao làm việc của tháp có sử khuấy trộn theo chiều dọc ta tínhtheo phương pháp gần đúng, chiều cao giả định tính theo phương trình (III.39)

và (III.40).Đầu tiên ta xác định chuẩn số pecle

Chuẩn số Pe

2 3

0,53.10 6, 66

11,9 2,965.10

y dy

y

H Pe

0,19.10 6, 66

15,9857,916.10

x dx

x

H Pe

0,53.10 4, 235

7,62,965.10

dy

2 4

0,19.10 4, 235

11, 24 7,16.10

y

E V

e f

' ox

II.11.Tiêu hao lăng lượng cho khuấy trộn đối với đĩa quay.

Chỉ số công suất ứng vớ chuẩn số Reynolds Trong trường hợp này chuẩn số

Ta thừa nhận sự chuyển động của pha liên tục trong vùng lắng là đồng nhất

và bằng tốc độ biểu kiến Khi đó đường kính vùng lắng là: