thiết kế tháp hấp thụ dùng để xử lý khí hcl từ nhà máy điện phân xút clo

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHƯƠNG I : TỔNG QUAN I.1 SƠ LƯC VỀ QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN NaOH-Cl2 : I.1.1 Công Nghệ Sản Xuất Xút: Sản xuất xút(NaOH) 31,5% sản xuất theo phương pháp điện phân nước muối thùng điện phân có màng trao đổi iôn Quá trình điện phân xảy theo phương trình 2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 + H2 Quy trình sản xuất hình thành từ công đoạn sản xuất là: Công đoạn tinh chế nước muối sơ cấp Muối nguyên liệu từ kho chứa đưa vào thiết bò hòa tan băng tải Nước muối từ dười lên qua cột muối Tiếp iôn Ca 2+, Mg2+, SO42- có ảnh hưởng xấu đến trình điện phân kết tủa Na 2CO3, BaCl2, NaOH theo phương trình: SO42- + BaCl2 -> BaSO4 + 2ClCa2+ + Na2CO3 -> CaCO3 + 2Na+ Mg2+ + NaOH > Mg(OH)2 + 2Na+ Công đoạn điện phân Hệ thống thùng điện phân hoạt động theo công nghệ màng trao đổi iôn Quá trình điện phân xảy theo phương trình: 2NaCl + 2H2O > 2NaOH + Cl2 + H2 Công đoạn xử lý nước muối thứ cấp nước muối nghèo Trong trình điện phân đồng thời xảy phản ứng phụ tạo sản phẩm không mong muốn ClO -, ClO3- Các iôn tồn nước muối nghèo có hại trình tái bão hòa nước muối, cần xử lý theo bước sau đây: Dùng axit HCl phân hủy ClO- , ClO3- thành Cl2 HCl + HClO -> Cl2 + H2O HCl + NaClO3 -> Cl2 + NaCl + H2O Tách khí clo khỏi dung dòch nước muối cách giảm áp suất riêng phần bề mặt dung dòch tháp đệm làm việc áp suất chân không Công đoạn điều dụng xút ĐỒ ÁN MÔN HỌC NaOH sau khỏi thùng điện phân phần tuần hoàn thùng điện phân, phần lại đưa tới hệ thống kho chứa hệ thống phân phối sử dụng Công đoạn điều dụng khí clo, hydro Khí clo, hidro khỏi thùng điện phân làm nguội, điều chỉnh áp suất thích hợp bảo đảm cho hệ thống làm việc áp suất âm clo dương hydro Quạt đẩy vận chuyển khí clo đến vò trí có nhu cầu sử dụng thuộc dây chuyền sản xuất sản phẩm gốc clo I.1.2 Công Nghệ Sản Xuất HCl: Axit HCl tổng hợp từ khí clo hidro làm nguội, điều kiện áp suất dương Quá trình tổng hợp phản ứng khí clo hydro xảy tháp hỗn hợp  PHÂN TÍCH CÁC KHÍ Ô NHIỄM TỪ QUÁ TRÌNH ĐIỆN PHÂN : Có vài nguồn gây ô nhiễm cho trình điện phân Do điện cực làm việc điều kiện chân không thấp, trường hợp không giữ điều kiện làm việc gây áp suất dẫn tới khí cho thoát không khí Ngoài có lượng nhỏ clo bò thoát lấy mẫu thay điện cực Khí clo bò thoát chỗ van, vòng đệm bơm trục máy nén Tại khu vực cho clo vào bình thùng chứa clo có clo thoát với lượng nhỏ cấp clo lấy Khí HCl hình thành tháp tổng hợp HCl từ H Cl2 , khí đưa sang tháp hấp thụ axit HCl đặc tạo trình hấp thụ HCl axit loãng Dòng khí khỏi tháp hấp thụ tiếp tục qua thiết bò phun để thu hồi phần axit lại Sau tháp tổng hợp HCl, khí thải chứa HCl chưa hấp thụ hết, lượng khí Cl lại với khí hidro nước Tuy nhiên hàm lượng khí Cl2 tương đối nhỏ nên không đáng kể nên khí thải HCl với hàm lượng y d = 0,08 (phần khối lượng) Ta lựa chọn phương pháp hợp lý thiết kế tháp có suất 5000m 3/h để xử lý lượng khí thải HCl trước thải môi trường I.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHÍ THẢI Cl2 - HCl: I.2.1 Nguồn Gốc: Trong khí quyển, khí Clo HCl có nhiều vùng nhà máy hóa chất , nhà máy sản xuất bột giặt , chất tẩy rửa ĐỒ ÁN MÔN HOÏC Khi đốt than , giấy , chất dẻo nhiên liệu rắn tạo khí clo HCl Khí thải từ nhà máy gia công bề mặt kim loại điển hình nhà máy mạ kẽm phương pháp nhúng nóng với công suất hàng trăm nghìn I.2.2 Đặc Điểm Dung dòch HCl tạo thành từ khí hydroclorua hoà tan nước Khi mở nút chai đựng HCl thường bốc khói trắng Khí HCl gặp nước không khí thường ngưng tụ thành giọt nhỏ kích ứng I.2.3 Tác Hại : Gây kích ứng , làm hư hại , tổn thương (bỏng) phận thể tiếp xúc , va chạm gây dính : đường hô hấp, đường tiêu hóa , mắt , da, … Theo kết nghiên cứu Tổ chức Y tế giới(WHO), HCl gây ảnh hưởng hệ thống vò giác, mắt, da, mũi, mồm - Bắt đầu nồng độ 0,1-3,23 mg/m thấy có mùi; từ 2,83-12,8 mg/m3 thấy mùi rõ từ 8,3-32,9 mg/m 3: thấy mùi nặng - Công nhân làm việc nồng độ 15 mg/m 3ở thời gian dài bò hỏng để bảo vệ sức khỏe công nhân nên trì nồng độ mức 2,9 mg/m3 - Không gây ung thư Khi hít phải axit không khí sản phẩm axit luôn bốc khí HCl gây kích ứng đường hô hấp tác dụng với kim loại đun nóng bốc nhiều khí HCl , gây viêm phổi hóa học HCl làm cho cối chậm phát triển , với nồng độ cao chết HCl có tác dụng làm giảm độ mỡ bóng , làm cho tế bào biểu bì bò co lại I.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CHUNG : Đối với khí thải công nghiệp , sở cần xử lý nguồn , phương pháp áp dụng là: - Pha loãng khí ống khói có chiều cao phù hợp - Thay đổi nhiên liệu , nguyên vật liệu thiết bò nhằm giảm ô nhiễm - Lắp đặt hệ thống xử lý ô nhiễm (lắng , lọc , hấp thụ hấp phụ , phân hủy sinh học…) I.3.1 Cơ Sở Lý Thuyết Của Quá Trình Xử Lý Khí Độc Hại : ĐỒ ÁN MÔN HỌC Gồm phương pháp : - Hấp thụ chất khí độc hại chất lỏng (nước , dung dòch …) - Hấp phụ chất ô nhiễm bề mặt vật liệu rắn ( than hoạt tính , than bùn than nâu , đất xốp, phân rác….) - Biến đổi hóa học chất ô nhiễm trình thiêu đốt ( đốt cháy sau ) xử lý chất xúc tác khí thải I.3.2 Hấp Thụ Khí Bằng Chất Lỏng : Hấp thu trình xảy cấu tử pha khí khuếch tán vào pha lỏng tiếp xúc hai pha khí lỏng Nếu trình xảy ngược lại, nghóa cần truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có trình nhả khí Nguyên lý hai trình giống Quá trình hấp thu tách bỏ hay nhiều chất ô nhiễm khỏi dòng khí thải (pha khí) cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng) Khi hỗn hợp khí cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa hay nhiều cấu tử hỗn hợp khí để tạo nên dung dòch cấu tử chất lỏng - Khí hấp thụ gọi chất bò hấp thụ - Chất lỏng dùng để hấp thu gọi dung môi (chất hấp thụ) - Khí không bò hấp thụ gọi khí trơ Nguyên tắc: cho khí thải tiếp xúc với chất lỏng , khí hòa tan vào chất lỏng biến đổi thành phần Hiệu hấp thụ phụ thuộc vào :  Sự tiếp xúc pha khí pha lỏng  Thời gian tiếp xúc  Nồng độ môi trường hấp thụ  Tốc độ phản ứng chất hấp thụ khí thải Phương pháp sử dụng nhiều khử SO x khí thải đốt than, dầu từ lò nấu kimloại , khử H 2SO4 từ công nghệ sản xuất hóa chất; khử H 2S từ công nghệ xử lý khí thiên nhiên lọc dầu ; khử khí Cl từ sản xuất hóa chất;khử NH3 từ trình mạ kim loại khử halogen,CO2, NO2 bụi từ trình công nghệ khác … I.3.3 Hấp Phụ Khí Bằng Vật Liệu Rắn : Quá trình hấp phụ phù hợp cho trường hợp sau : Chất khí ô nhiễm không cháy khó cháy Chất khí cần khử có giá trò cần thu hồi ĐỒ ÁN MÔN HỌC Chất khí ô nhiễm có nồng độ thấp khí thải mà khí khử khác áp dụng Hấp phụ bao gồm loại I.3.3.1 Hấp Phụ Vật Lý : Ưu điểm : - Hấp phụ vật lý trình thuận nghòch để thu hồi chất bò hấp phụ có giá trò hoàn nguyên chất hấp phụ bão hòa để tái sử dụng - Tồc độ hấp phụ diễn nhanh Khuyết điểm : - Lượng khí bò hấp phụ vật lý giảm nhanh nhiệt độ tăng có trò số bé cao nhiệt độ cao nhiệt độ tới hạn chất bò hấp phụ I.3.3.2 Hấp Phụ Hóa Học : Ưu điểm : - Lượng nhiệt tỏa lớn nhiều so với lượng nhiệt giải phóng lượng cần cho phản ứng chất pha khí - Tính không thuận nghòch chất hóa học chất khí thay đổi giải hấp Phạm vi ứng dụng : tái sinh cồn từ kho chứa rượu , lọc khí thải lò đốt , khử ẩm không khí , khử khí độc hại mùi khí thải , thu hồi loại khí có giá trò lẫn không khí thải I.3.4 Xử Lý Ô Nhiễm Bằng Quá Trình Thiêu Đốt-Đốt Cháy Sau : Lượng khí thải lớn nồng độ cháy lại bé , đặc biệt chất ô nhiễm có mùi khó chòu Nguyên lý : đốt cháy trực tiếp khí độc cần xử lý để tạo nên sản phẩm cháy loại khí khác Ưu điểm : - Phân hủy hoàn toàn chất ô nhiễm cháy thiết bò thiêu đốt thiết kế vận hành quy cách - Thích ứng với thay đổi nồng độ lưu lượng khí - Hiệu xử lý cao - Không cần hoàn nguyên - Tận dụng nhiệt thải Khuyết điểm : - Chi phí đầu tư vận hành lớn - Phức tạp thêm vần đề ô nhiễm không khí có chứa thêm hợp chất clorin, nitơ lưu huỳnh… nguyên tố C , H , O ĐỒ ÁN MÔN HỌC - Cung cấp thêm nhiên liệu , chất xúc tác gây cản trở hoạt động thiết bò I.4 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ Trong phương pháp , để xử lý lượng khí HCl nhà máy điện phân NaOH-CL2 thải phương pháp thường sử dụng hấp thụ hấp phụ Hấp thụ hidro clorua nước thực thiết bò khác Hiệu xử lý phụ thuộc lượng nước tưới Trong tháp đệm hiệu đạt 88%, tháp đóa 9099%, tháp dóa chóp 97,8% Để hấp thụ hidro clorua người ta thường sử dụng nước,dung dòch kiềm NaOH, Ca(OH) Na2CO3 để hấp thụ HCl cho phép tăng hiệu xử lý đồng thời trung hòa nườc thải Phương pháp cho phép tận dụng hidro clorua để sản xuất clorua kim loại: CaCl2 ,FeCl3 ,ZnCl2 ,BaCl2 ,NaCl Để hấp phụ hydro clorua người ta dùng oxit clorua sắt clorua oxit đồng hỗn hợp với oxit magiê,sunfat photphat đồng ,chì ,cadmi tạo thành phức với phân tử HCl vài vật liệu polime hữu cơ,zeolit…Các hợp chất hấp phụ cho phép xử lý khí với nồng độ HCl thấp đến 1% thể tích khoảng nhiệt độ rộng.Phương pháp sử dụng chi phí phục hồi chất hấp phụ lớn,chất hấp phụ thường đắt Từ việc phân tích ưu nhược điểm phương pháp theo yêu cầu đồ án : suất cuả tháp 5000 m3/h ,khí đạt tiêu chuẩn loại B: nồng độ đầu 200 mg/l (TCVN 5939-1995), hiệu suất xử lý thiết bò đạt 90% , ta chọn thiết bò xử lý dùng trường hợp HẤP THỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC CHƯƠNG i i : HẤP THỤ VÀ CÁC LỰA CHỌN CHI TIẾT II.1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH HẤP THỤ II.1.1 Cơ Chế Quá Trình: Hấp thu trình quan trọng để xử lý khí ứng dụng nhiều trình khác.Hấp thu sở trình truyền khối ,được mô tả tính toán dựa vào phân chia pha (cân pha, khuếch tán) Cơ chế trình chia thành bước: + Khuếch tán phân tử chất ô nhiễm thể khí khối khí thải đến bề mặt chất lỏng hấp thụ Nồng độ phân tử phía chất khí phụ thuộc vào tượng khuếch tán: Khuếch tán rối: có tác dụng làm nồng độ phân tử đặn khối khí Khuếch tán phân tử: làm cho phân tử khí chuyển động phía lớp biên Trong pha lỏng xảy tượng tương tự thế: Khuếch tán rối: hình thành để giữ cho nồng độ đặn toàn khối chất lỏng Khuếch tán phân tử: làm dòch chuyển phân tử đến lớp biên từ lớp biên vào pha khí ĐỒ ÁN MÔN HỌC + Thâm nhập hòa tan chất khí vào bề mặt chất hấp thụ + Khuếch tán chất khí hòa tan bề mặt nhăn cách vào sâu lòng chất lỏng hấp thụ Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào tương tác chất hấp thụ chất bò hấp thụ pha khí II.1.2 Quá Trình Trao Đổi Chất: Khi chất ô nhiễm từ khí thải vào chất lỏng hấp thụ phân tử trao đổi qua vùng ranh giới gọi lớp biên (màng, phim) Các phân tử qua lớp biên từ phía, số từ phía chất khí, số từ phía chất lỏng Cường độ trao đổi phụ thuộc vào yếu tố tác động lên hệ thống áp suất, nhiệt độ, nồng độ độ hòa tan phân tử Cường độ trao đổi tăng pha lỏng pha khí có diễn phản ứng hóa học hay phân tử khí không hể quay trở khối khí có tác động trình vật lý Quá trình hấp thụ kèm theo tỏa nhiệt làm tăng nhiệt độ hệ thống Khi pha khí phân tán vào pha lỏng xảy tượng dẫn nhiệt làm lượng cấu tử pha khí bò giảm Hiện tượng xảy chuyển động hỗn loạn phân tử khí, làm cho phân tử bò xáo trộn từ dẫn tới cân lượng hai pha Nhờ có chuyển động mà khác biệt cục nồng độ chất khí hỗn hợp giảm dần can thiệp ngoại lực quấy, lắc Mặt khác tổng thể tích hệ thống trình hấp thụ bò giảm thể tích pha khí giảm Theo Nguyên lý Le Chartelier: độ hòa tan khí chất lỏng tăng tăng áp suất giảm nhiệt độ trình Trong thực tế có tượng hấp thụ: Hấp thụ đẳng nhiệt: tiến hành với giải nhiệt pha lỏng thiết bò truyền nhiệt bố trí tháp hấp thụ Nếu nồng độ ban đầu không lớn lưu lượng chất lỏng lớn thay đổi nhiệt độ chất lỏng không đáng kể Hấp thụ đẳng áp: diễn trao đổi với môi trường bên ngoài, cấu thiết bò đơn giản hóa điều kiện cân không tốt Có phương pháp hấp thụ : Hấp thụ vật lý: dựa hòa tan cấu tử pha khí pha lỏng ĐỒ ÁN MÔN HỌC Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học chất bò hấp thụ chất hấp thụ Khi hiệu nồng độ bề mặt phân chia pha tăng, vận tốc hấp thụ hóa học tăng hấp thụ vật lý Vận tốc phản ứng hóa học tăng, vận tốc hấp thụ hóa học tăng II.2 CÁC LOẠI THÁP HẤP THỤ Thiết bò hấp thụ có chức tạo bề mặt tiếp xúc hai pha khí lỏng lớn tốt Có nhiều dạng tháp hấp thu: Tháp phun: Là tháp có cấu phun chất lỏng học hay áp suất chất lỏng phun thành giọt nhỏ thể tích rỗng thiết bò cho dòng khí qua Tháp phun đươc sử dụng yêu cầu trở lực bé khí có chứa hạt rắn Tháp sủi bọt: Khí cho qua đục lỗ bên có chứa lớp nước mỏng Tháp sục khí: Khí phân tán dạng bong bóng qua lớp chất lỏng Quá trình phân tán khí thực cách cho khí qua xốp, đục lỗ cách khuấy học Tháp đệm: Chất lỏng tưới lớp đệm rỗng chảy xuống tạo bề mặt ướt lớp đệm để dòng khí tiếp xúc từ lên Tháp đệm thường sử dụng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng : khí lớn, khí không chứa bụi hấp thụ không tạo cặn lắng Tháp đóa: Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh tế tháp khác Được sử dụng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ môi trường không ăn mòn Tháp hấp thụ phải thoả mãn yêu cầu sau: hiệu có khả cho khí qua, trở lực thấp (