thiết kế hệ thống điều khiển quá trình xử lý khí thải cho quá trình chế biến hóa học xỉ titan bằng phương pháp clo hóa

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Thiết kế quy trình công nghệ và điều khiển quá trình xử lý khí thải cho hệ thống chế biến hóa học xỉ titan bằng phương pháp Clo hóa với lưu lượng khí đầu vào là 1500

LỜI NÓI ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, kinh tế của đất nước ngày càng phát triển cùng với đó là xuất hiện ngày càng nhiều các khu công nghiệp, khu chế xuất được xây dựng nhiều hơn Và một trong những ngành đang được quan tâm nhiều hiện nay là chế biến xỉ titan để từ đó có thể sản xuất được titan kim loại và những sản phẩm khác có giá trị kinh tế cao vì nước ta

có nguồn quặng titan sản lượng khá lớn mà hiện nay chưa chế biến sâu được

Để có thể chế biến xỉ titan, nâng cao chất lượng sản phẩm thì vấn đề chúng ta cũng cần phải quan tâm là các chất ô nhiễm trong quá trình sản xuất, cụ thể ở đây là khí thải

ra môi trường Khí thải ra từ quá trình chủ yếu là khí Clo rò rỉ trong quá trình Clo hóa

và các khí khác Nếu những nhà đầu tư không xây dựng hệ thống xử lý khí thải mà vẫn hoạt động thì sẽ làm ô nhiễm không khí nghiêm trọng và ảnh hưởng tới sức khỏe của mọi người

Do đó, đề tài “Thiết kế quy trình công nghệ và điều khiển quá trình xử lý khí thải cho hệ thống chế biến hóa học xỉ titan bằng phương pháp Clo hóa” là một đề tài cần thiết được quan tâm và thực hiện

2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Thiết kế quy trình công nghệ và điều khiển quá trình xử lý khí thải cho hệ thống chế biến hóa học xỉ titan bằng phương pháp Clo hóa với lưu lượng khí đầu vào là 1500

m3/h để nồng độ khí ra đạt cột B QCVN 19:2009 / BTNMT

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ TITAN KIM LOẠI VÀ HỢP CHẤT CỦA TITAN 1

1.1.1 Tổng quan về titan kim loại 1

1.1.2 Sản lượng titan trong tự nhiên 1

1.2 TỔNG QUAN VỀ TIO2 VÀ ỨNG DỤNG 4

1.2.1 Tổng quan về TiO2 4

1.2.2 Ứng dụng của TiCl4 và TiO2: 4

1.3 TỔNG QUAN VỀ CHẾ BIẾN QUẶNG TITAN 5

1.3.1 Các bước chế biến quặng thô 6

1.3.2 Công nghệ chế biến sâu sản xuất pigment titan 6

1.4 CHẤT THẢI TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT 9

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI .10

1.5.1 Các phương pháp xử lý bụi 10

1.5.2 Các phương pháp xử lý Khí Cacbon Monoxit Và Dioxit .16

1.5.3 Một số phương pháp xử lý khí và hơi độc hại 18

1.6 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA 28

1.6.1 Điều chỉnh tự động 29

1.6.2 Hiển thị thông số công nghệ .29

1.6.3 Cấu hình hệ thống 30

1.6.4 Bảo vệ tự động 30

1.6.5 Cảnh báo/Báo động 30

1.6.6 Lưu trữ, báo cáo thống kê .31

1.6.7 Điều khiển dự phòng 31

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT - LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ 32

2.1 ĐỀ XUẤT CÁC CÔNG NGHỆ 32

2.1.1 Xử lý rò rỉ Clo bằng giàn phun mưa 32

2.1.2 Xử lý rò rỉ Clo bằng dung dịch nước vôi .32

2.1.4 Xử lý khí Clo theo phương pháp axit .34

2.2 XỬ LÝ CLO BẰNG THÁP TRUNG HÒA 34

2.3 CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ 34

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 37

3.1 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 37

3.1.1 Tính toán pha khí 37

3.1.2 Tính toán pha lỏng: 38

3.1.3 Tính toán đường kính và chiều cao tháp 41

3.1.4 Tính toán trở lực của lớp đệm 47

3.2 TÍNH TOÁN CƠ KHÍ 48

3.2.1 Tính chiều dày thân tháp 48

3.2.2 Tính chiều dày đáy, nắp 48

3.2.3 Tính toán chi tiết phụ 49

3.2.4 Tính toán ống dẫn 50

3.2.5 Tính mối ghép bích 51

3.2.6 Vỏ đỡ 52

3.2.7 Thiết bị phụ 57

3.2.8 Tính chiều cao ống khói 61

CHƯƠNG 4 ĐIỀU KHIỂN VÀ VẬN HÀNH 64

4.1 ĐIỀU KHIỂN 64

4.2 VẬN HÀNH 68

4.2.1 An toàn vận hành 68

4.2.2 Quy trình vận hành: 71

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

5.1 KẾT LUẬN 73

5.2 KIẾN NGHỊ 73

PHỤ LỤC 77

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Hình ảnh titan .1

Hình 1.2 Các miếng titan trong lọ thủy tinh .1

Hình 1.3 Sa khoáng sau tuyển lọc .4

Hình 1.4 Khai thác cát đen .4

Hình 1.5 Các dạng buồng lắng 13

Hình 1.6 Sơ đồ một cyclon đơn và hệ thống cyclon lọc bụi 14

Hình 1.7 Lọc bụi bằng màng, túi lọc 15

Hình 1.8 Xử lý bằng phương pháp tiêu hủy nhiệt 18

Hình 1.9 Sơ đồ thiết bị xử lý bằng phương pháp nhiệt xúc tác 19

Hình 1.10 Sơ đồ xử lý NOx sử dụng phản ứng có xúc tác 19

Hình 1.11 Sơ đồ tương tác giữa các phân tử trong khối vật chất 20

Hình 1.12 Sơ đồ của tháp hấp phụ 21

Hình 1.13 Nguyên lý của tháp hấp thụ 24

Hình 2.1 Giàn phun mưa 32

Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng bố trí thiết bị 34

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống xử lý Clo bằng sữa vôi 35

Hình 3.1 Đường làm việc đi qua 2 điểm (Xc,Yd ) và (Xd,Yc) 41

Hình 3.2 Bản vẽ chi tiết của tháp trung hòa khí Clo 63

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý 65

Hình 4.2 Sơ đồ mô hình 65

Hình 4.3 Lưu đồ điều khiển 66

Hình 4.4 Sơ đồ mạch điều khiển bơm quạt 68

Hình 4.5 Các chế độ làm việc của bơm/quạt 71

Hình 4.6 Tủ điều khiển 72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Dự báo nhu cầu các sản phẩm chế biến sâu quặng titan, zircon trong nước

đến năm 2025 (nghìn tấn) 3

Bảng 1.2 Dự kiến sản lượng quặng tinh ilmenit (nghìn tấn) theo thời kỳ 3

Bảng 1.3 Các phương pháp xử lý bụi 11

Bảng 1.4 Vùng kích thước phù hợp và hiệu quả xử lý của các phương pháp 12

Bảng 1.5 Năng suất lọc bụi của cyclon đơn và cyclon tổ hợp 14

Bảng 3.1 Độ tan của Cl2 trong nước ở 500C và áp suất 1 atm 39

Bảng 3.2 Thành lập đường cân bằng 40

Bảng 3.3 Thông số vật liệu đệm 41

SVTH: Nguyễn Tiến Hưng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ TITAN KIM LOẠI VÀ HỢP CHẤT CỦA TITAN

1.1.1 Tổng quan về titan kim loại

Titan là một nguyên tố kim loại, có màu trắng bạc, tỉ trọng thấp và độ bền cao Titan không bị ăn mòn trong nước biển, nước cường toan và Clo Titan được Wiliam Gregor phát hiện ở Cornwall, Anh năm 1791 và nó được Martin Heinrich Klaproth đặt tên theo tên Titan trong thần thoại Hy Lạp Nguyên tố xuất hiện trong các tích tụ khoáng sản, chủ yếu ở dạng rutil và ilmenit, các khoáng này phân bố rộng khắp trong

vỏ Trái Đất và thạch quyển, và nó cũng được tìm thấy trong hầu hết các sinh vật sống, vực nước, đá và đất [1] Kim loại được tách ra từ các quặng chính của titan bằng phương pháp Kroll [2] và công nghệ Hunter

Hợp chất phổ biến nhất là titan dioxit là một

chất quang xúc tác phổ biến và được sử

dụng trong công nghiệp sản xuất chất tạo

màu trắng [3] Các hợp chất gồm titan

tetraClorua (TiCl4), thành phần của smoke

screens and catalysts và titan triClorua

(TiCl3), được dùng làm chất xúc tác trong

sản xuất polypropylen [1]

1.1.2 Sản lượng titan trong tự nhiên

1.1.2.1 Trên thế giới

Titan kim loại không tìm thấy ở dạng tự do nhưng

nó là nguyên tố phổ biến thứ chín trên vỏ Trái Đất

xuất hiện trong hầu hết đá lửa và đá trầm tích [1] Nó

cũng được phân bố rộng khắp và hiện diện chủ yếu

trong khoáng vật anatas, brookit, ilmenit, perovskit,

rutil, titanit (hay còn gọi là sphen), cũng như trong

nhiều quặng sắt [1] Trong các loại khoáng vật này,

chỉ có ilmenit và rutil có giá trị kinh tế quan trọng,

nhưng rất khó tìm với mức độ tập trung cao Các mỏ

ilmenit chứa titan đáng kể phân bố ở tây Úc, Trung

Quốc, Ấn Độ, Mozambique, New Zealand, Na Uy,

Ukraine và Nam Phi

Khoảng 186000 tấn titan kim loại được sản xuất

năm 2011, chủ yếu ở Trung Quốc (60000 tấn), Nhật

Hình 1.1 Hình ảnh titan

Hình 1.2 Các miếng titan trong lọ thủy tinh

Bản (56000 tấn), Nga (40000 tấn), Hoa Kỳ (32000 tấn) và Kazakhstan (20700 tấn) Tổng trữ lượng titan ước tính hơn 600 triệu tấn.[4]

có quy mô rất nhỏ.Ven biển Thanh Hóa: dọc ven bờ biển Thanh Hóa, người ta đã phát hiện được 4 mỏ sa khoáng là Hoàng Thanh, Sầm Sơn, Quảng Xương và Tĩnh Gia Các

mỏ sa khoáng này có trữ lượng nhỏ nhưng hàm lượng ilmenit tương đối cao, đặc biệt chúng có hàm lượng monazit cao hơn so với các vùng khác

Vùng Nghệ An-Hà Tĩnh: đây là nơi có tiềm năng lớn nhất về quặng titan ở Việt Nam Các mỏ sa khoáng vùng này có quy mô từ nhỏ đến lớn Người ta đã phát hiện 15

mỏ và điểm quặng Ở các mỏ sa khoáng này, ngoài khoáng vật ilmenit, trong quặng còn có các khoáng vật có ích khác như ziricon, leucoxen, monazit và có cả kim loại hiếm là hafini với giá trị kinh tế cao Tổng trữ lượng đã được thăm dò của 14 mỏ là hơn 5 triệu tấn ilmenit và 320 ngàn tấn ziricon

Vùng Quảng Bình, Quảng Trị: khu vực này có trữ lượng ilmenit là 350 ngàn tấn

và ziricon là 68 ngàn tấn

Vùng ven biển Thừa Thiên Huế: các mỏ sa khoáng vùng này phân bố suốt từ Quảng Điền đến Phú Lộc và có đặc điểm là hàm lượng chất có hại Cr2O3 cao hơn so với ở các vùng khác Trữ lượng của ilmenit là 2436 ngàn tấn, ziricon là 510 ngàn tấn

mỏ sa khoáng Chùm Găng, Bàu Dòi và Gò Đình Trữ lượng của 3 mỏ đã được thăm

dò như sau: ilmenit khoảng 284.53 ngàn tấn; ziricon khoảng 60 ngàn tấn Trên toàn vùng, tài nguyên dự báo của ilmenit là trên 4.3 triệu tấn, của ziricon là khoảng gần 900 ngàn tấn

Tổng quát, trên toàn quốc, tổng trữ lượng quặng gốc đã được thăm dò đánh giá là

4435 nghìn tấn ilmenit và trữ lượng dự báo là 19600 nghìn tấn

Trữ lượng quặng sa khoáng ven biển đã được điều tra, thăm dò, đánh giá là 12700 nghìn tấn ilmenit + rutil và trữ lượng dự báo là 15400 nghìn tấn ilmenit + rutil [5]

Dự báo nhu cầu các sản phẩm khai thác chế biến từ quặng Ti-tan: (ngàn tấn/ năm )

Bảng 1.1 Dự báo nhu cầu các sản phẩm chế biến sâu quặng titan, zircon trong

nước đến năm 2025 (nghìn tấn)

TT Nhu cầu sản phẩm 2007 2010 2015 2020 2025

Bảng 1.2 Dự kiến sản lượng quặng tinh ilmenit (nghìn tấn) theo thời kỳ

Sản lượng trên có thể điều chỉnh tuỳ theo thực tế phát triển ngành khai thác - chế biến quặng titan và nhu cầu của thị trường.[6]

Tuy nhiên, ở nước ta sự khai thác cát đen khá bừa bãi và thiếu quy hoạch, điều này đang làm phí phạm nguồn tài nguyên quốc gia, lại gây tác động xấu đến môi trường như đã từng xảy ra Mặc dù nhà nước đã có thông tư quy định không được xuất khẩu quặng nguyên khai có chứa ilmenite, zircon, rutile trong cát đen Nhưng nguồn sa khoáng quí hiếm này vẫn đang bị nhiều nơi đào đãi và xuất bán rất rẻ Với tốc độ khai thác như hiện nay thì chỉ một thời gian ngắn nữa nguồn tài nguyên quý giá này sẽ bị cạn kiệt, nếu mất đi sẽ vĩnh viễn không tái tạo được

1.2 TỔNG QUAN VỀ TIO 2 VÀ ỨNG DỤNG

1.2.1 Tổng quan về TiO 2

Titan đioxit là loại bột màu trắng hàng đầu [4], có chỉ số chiết suất cao (2.55 đến 2.7) [9], tạo độ chắn sáng tốt, có độ phản xạ tốt (tạo độ chói và sáng), có tính không độc hại và chịu nhiệt tốt, dùng trong sản xuất giấy, sơn, nhựa, cao su, đồ gốm, dệt và

mỹ phẩm

Tinh thể Titandioxide TiO2 có nhiều dạng thù hình, trong tự nhiên tồn tại 4 dạng

đa hình của titan dioxit là: anatase, rutile, ilmenit và titan dioxit trong đó có 2 dạng thù hình thường gặp nhất là ilmenit và rutile

1.2.2 Ứng dụng của TiCl 4 và TiO 2

TiCl4 là sản phẩm trung gian, có thể được xuất khẩu hoặc làm tiền chất để sản xuất TiO2, titan kim loại xốp (sponge titanium) Không thể sản xuất được TiO2 và titan kim loại chất lượng cao nếu không sản xuất được TiCl4 tinh khiết

TiCl4 có thể sử dụng để sản xuất TiO2 pigment, TiO2 nano làm chất xúc tác quang bằng phản ứng thủy phân hoặc đốt trong dòng hơi

TiCl4 cũng là nguyên liệu quan trọng để sản xuất titan kim loại bằng cách thực hiện phản ứng khử trong môi trường kim loại lỏng và hơi TiCl4 Phản ứng khử được thực hiện trong thiết bị không có oxy, tạo ra titan kim loại xốp (sponge), là nguyên liệu

để chế tạo các hợp kim titan khác nhau

Hình 1.4 Sa khoáng sau tuyển lọc Hình 1.3 Khai thác cát đen

TiO2 pigment có cấu trúc chủ yếu là rutil được sử dụng làm bột màu trong các ngành công nghiệp nhựa, cao su, gốm sứ, …

Theo yêu cầu riêng biệt của các ngành công nghiệp, bột màu TiO2 có thể được biến tính bằng cách bổ sung các oxit khác như ZnO, SiO2,… để tạo ra các tính chất vật

lý đặc biệt Hiện nay, nhu cầu TiO2 pigment của Việt nam khá lớn, do đó, việc chế tạo thành công TiO2 và xây dựng được dây chuyền công nghệ sẽ có ý nghĩa rất quan trọngđối với công nghiệp khai thác chế biến titan nói riêng và công nghiệp sa khoáng biển nói chung

Hạt TiO2 phủ trên bề mặt hạt nhựa có khả năng tạo nên loại vật liệu có khả năng xúc tác quang và thu hồi được Với lớp vật liệu hạt này, chúng ta có thể thiết kế chế tạo các cột xử lý khí thải (VOC) hoặc khí có nấm mốc trong công nghiệp và đời sống Điều cần lưu ý là cần thiết kế thiết bị sao cho các tia UV phát huy được tác dụng đối với các chất xúc tác quang TiO2

Hạt TiO2 pha cùng SiO2 phủ

trên nhựa có khả năng tạo nên vật

liệu xốp làm lớp lọc xử lý COD và

vi khuẩn trong môi trường ao nuôi

thủy sản bị ô nhiễm Hiệu quả của

vật liệu xúc tác quang tương đối

cao, có thể xử lý tốt môi trường ao

nuôi có COD đến 300mg/l trong

thời gian 5 giờ Hình 1.5 Titan được sử dụng làm vỏ máy bay

1.3 TỔNG QUAN VỀ CHẾ BIẾN QUẶNG TITAN

Nước ta có nguồn quặng titan không lớn, nhưng rất đáng tiếc: trong những năm qua chúng ta khai thác với tốc độ quá cao, hầu như chế biến sâu rất ít, chủ yếu xuất khẩu quặng tinh titan Các doanh nghiệp titan Việt Nam đã cố gắng áp dụng một số công nghệ như: công nghệ hoàn nguyên ilmenit, công nghệ luyện xỉ titan, nhưng còn tồn tại nhiều vấn đề, chủ yếu chưa hoàn thiện kỹ thuật nên kém hiệu quả kinh tế và ô nhiễm môi trường Có thể nói rằng công nghệ chế biến sâu quặng titan Việt Nam đang trong giai đoạn khởi đầu rất khó khăn Nếu quả như vậy thì tài nguyên titan dự báo của Việt Nam có thể xếp thứ hai thế giới, sau Trung Quốc

Tuy nhiên theo thông tin cho biết trữ lượng quặng titan dự báo chủ yếu nằm trong vùng Bình Thuận – một vùng rất khó khăn trong khai thác do thiếu nước và do hàm lượng titan quá thấp Vì vậy vấn đề nghiên cứu lựa chọn công nghệ chế biến sâu titan hiện nay là rất cần thiết

1.3.1 Các bước chế biến quặng thô

Trên thế giới nguồn quặng titan chủ yếu có hai loại: quặng gốc và sa khoáng Nói chung hàm lượng khoảng 2–5% TiO2 và thường đi kèm với các khoáng vật và nguyên

tố hóa học khác Sau khi chế biến thô bằng các phương pháp tuyển thông dụng thu được quặng tinh titan có hàm lượng 45–52% TiO2 [10] Quặng tinh titan tiếp tục được chế biến sâu thành nhiều sản phẩm và được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Công nghệ chế biến sâu quặng titan trên thế giới có nhiều phương pháp theo 3 cấp, từ thấp đến cao, mỗi cấp có chất lượng và giá trị sản phẩm được nâng cao

Chế biến làm giàu thực chất là quá trình nâng cao chất lượng nguyên liệu đầu vào (ilmenit các loại) lên mức độ cao hơn Cấp chế biến này có công nghệ luyện xỉ titan và sản xuất rutil nhân tạo Sản phẩm sau chế biến có hàm lượng TiO2 cao tới 70 – 95 %, được dùng cho sản xuất que hàn và làm nguyên liệu để sản xuất pigment titan và titan kim loại

Chế biến sâu là quá trình công nghệ sản xuất pigment titan Tuỳ theo đặc thù quá trình công nghệ, nguyên liệu đầu vào là xỉ titan và rutil nhân tạo, cũng có thể là rutil tự nhiên hoặc quặng tinh ilmenit

Chế biến sâu cao cấp (công nghệ cao) là quá trình công nghệ sản xuất kim loại titan và các sản phẩm của kim loại titan Để sản xuất kim loại titan đầu tiên sản xuất ra Clorua titan bằng phương pháp Clorua hóa từ các chế phẩm từ titan (ilmenit chất lượng cao, xỉ titan và rutil các loại) Sau đó luyện ra titan xốp Từ titan xốp luyện ra kim loại titan dạng thỏi hoặc thanh Kim loại và hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, hàng hải, thép hợp kim chịu nhiệt và chịu mài mòn…

1.3.2 Công nghệ chế biến sâu sản xuất pigment titan

Ngày nay công nghệ sản xuất pigment TiO2 đã được phát triển rất nhanh, đầu tiên

là quá trình sulphat, được thực hiện vào năm 1916 Nguyên liệu đầu vào lúc đó là ilmenit Đầu năm 1958, người ta đã phát minh ra phương pháp Clorua [16] Hãng Dupont là cơ sở đầu tiên sản xuất pigment bằng phương pháp Clorua Nguyên liệu đầu vào là rutil tự nhiên, rutil nhân tạo và xỉ titan Gần đây người ta phát minh ra công nghệ Altair có nhiều ưu điểm nổi bật, song mới nghiên cứu ở quy mô bán công nghiệp, chưa được ứng dụng vào sản xuất công nghiệp

1.3.2.1 Quá trình sulphat

Quy trình dùng axít sunphuric đậm đặc để hòa tách Quy trình này có lịch sử phát triển sớm nhất cách nay trên 80 năm

Ưu điểm của quy trình là nguyên liệu vào có thể dùng ilmenit hoặc xỉ titan hàm lượng TiO2 thấp (75%) là loại rẻ tiền

Nhược điểm là lượng chất thải axit loãng và sunfua sắt khá lớn

Khi dùng nguyên liệu đầu vào là tinh quặng ilmenite, chất thải sunfat sắt khoảng 3.5–4 tấn /1 tấn chất màu Còn axít loãng phải trung hòa bằng vôi để tạo thành thạch cao Khâu xử lý chất thải khá phức tạp và tốn kém Chi phí sản xuất 1 tấn sản phẩm cao hơn quy trình Clorua hóa 150-200 USD Các nhà máy đang sản xuất pigment theo công nghệ này hầu hết là nhà máy đã có từ trước Hiện nay người ta gần như không phát triển thêm nhà máy mới dùng quy trình sulphate Thành phẩm của quy trình này ở dạng anatas, thích hợp cho lĩnh vực mỹ phẩm, dược phẩm và thực phẩm.[17]

1.3.2.2 Quá trình Clorua

Phương pháp này áp dụng cho các loại quặng có hàm lượng TiO2 cao (>85%) như quặng rutil

Hóa học tổng thể của quá trình này có thể được biểu diễn như là:

TiO2 + C + 2Cl2  TiCl4 + CO +CO2TiCl4 + O2  TiO2 + 2Cl2Quy trình kĩ thuật gồm các công đoạn chính:

 Làm giàu quặng rutil hoặc sản xuất xỉ titan

để thì quá trình Clo hóa sẽ gặp rất nhiều khó khăn như tổn hao khí Clo, quá trình tinh chế sẽ phức tạp

Giai đoạn 2: Nguyên liệu ban đầu được trộn với than và chất kết dính (tinh bột, hắc ín, mật rỉ) đem nung trong điều kiện không có không khí để tạo thành bánh

Phối liệu đóng bánh này được Clo hóa trong môi trường khí Clo (ở áp suất thường) nhiệt độ trong khoảng 600–12000C [19] Khi có mặt than, quặng rutil bị Clo hóa thành TiCl4 theo phương trình phản ứng sau:

Fe2O3 + 6Cl2 +2C  2FeCl3 + CO + CO2

Ở nhiệt độ này, toàn bộ TiO2, vanadi và FeO đều bị Clo hóa Những tạp chất khác như oxit silic, zircon, khó bị Clo hóa hơn nhiều Một số kim loại như Mg, Ca, Mn… cũng bị Clo hóa nhưng do nhiệt độ thăng hoa cao nên chúng được tạo thành ở trạng thái rắn [20] Các hợp chất Clorua của titan, sắt, vanadi, silic, zicon ở dạng hơi theo dòng khí đi ra ngoài Do nhiệt độ sôi của FeCl3 (3500C) và ZrCl4 (4370C) cao nên chúng dễ dàng bị loại ra khỏi hỗn hợp khi làm nguội hỗn hợp khí xuống dưới 3000

C Chất lỏng ngưng tụ ở nhiệt độ dưới 3000

C chính là TiCl4 (1360C) và VOCl3 (1270C) cùng các Clorua khác

Giai đoạn 3: Người ta làm sạch TiCl4 khỏi đa số tạp chất bằng cách chưng luyện dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các Clorua Tuy nhiên với VOCl3 lại không dễ tách khỏi TiCl4 bằng chưng luyện vì chúng có nhiệt độ sôi khá gần nhau Do vậy VOCl3 tạo thành trong phản ứng Clo hóa cần được khử thành VOCl2 hoặc VCl3 (với chất khử thường là bột đồng, bột nhôm) trước khi làm sạch TiCl4 tiếp tục bằng phương pháp chưng luyện

Ưu điểm: Là phương pháp tiên tiến, được áp dụng từ năm 1958, do nguyên liệu đầu vào yêu cầu chất lượng cao, (> 85 TiO2) nên ít chất thải hơn, thường 0.2 tấn chất thải (Fe2O3)/tấn TiO2, thiết bị được trang bị hiện đại có năng suất cao, nên thường gọn nhẹ hơn quá trình sulphat, kiểm tra sản phẩm chặt chẽ hơn, so với quá trình sulphat chi phí vận hành thấp hơn, lao động đỡ nặng nhọc, đòi hỏi ít nhân công hơn Và có hiệu quả kinh tế cao hơn Hiện nay quá trình Clorua chiếm 60% sản lượng pigment, trong tương lai có thể lên tới 70% [10]

Nhược điểm: Nguyên liệu đầu vào yêu cầu khắt khe hơn: tối thiểu 85% TiO2, chứa

ít oxit kim loại kiềm thổ, các kim loại nặng như Cr, V, có hàm lượng nhỏ, chỉ nhận được một loại sản phẩm pigment dạng rutil, có giới hạn kích thước hẹp, chỉ thích hợp với quy mô sản xuất lớn (40000-50000 tấn/năm)

Nhược điểm cơ bản là quá trình độc quyền, không chuyển giao công nghệ và chi phí đầu tư lớn: 3500 - 4500 USD/ tấn TiO2 [10]

1.3.2.3 Quá trình Altair

Quá trình Altair là một phát minh hoàn toàn mới trong lĩnh vực sản xuất pigment titan thẳng từ ilmenit, khởi nguồn từ phát minh quá trình Clorua hóa của hãng Dupont [21] Bản chất của phương pháp là hòa tách nguyên liệu chứa titan bằng dung dịch axit Clohydric nồng độ cao và dư axit Khi đó hầu hết các nguyên tố hòa tan chuyển thẳng vào dung dịch

Dùng bột sắt hoàn nguyên ion Fe3+

trở về Fe2+, sau đó làm nguội dung dịch và bổ sung axit HCl để kết tinh và tách ra muối FeCl2 Dung dịch sau tách sắt được làm sạch các tạp chất còn lại bằng phương pháp chiết tách dung môi hai lần Dung dịch titan nhận được đem thủy phân tạo thành hydrat bằng phương pháp thủy phân kiểu phun, sau đó đem xử lý bề mặt nhận được sản phẩm pigment có đặc tính theo yêu cầu, hoặc rutil, có thể là anataz trong dải kích thước hẹp và có thể tạo kích [22] thước hạt nano Tinh thể FeCl2 và nước rửa chứa Fe2+

, Fe3+ và các tạp chất khác đem xử lý qua công đoạn nhiệt - thủy phân để thu khí HCl và nhận sản phẩm phụ Fe2O3 Khí HCl đem tái sinh axit HCl quay vòng cho chu trình hòa tách ban đầu

Ưu điểm: Có thể xử lý trực tiếp quặng ilmenit, thích hợp với loại quặng có chứa crôm và các nguyên tố phóng xạ, chỉ cần dùng axit HCl không dùng khí Clo (Cl2), toàn bộ quá trình sản xuất là một chu trình khép kín không có phế thải và ít tác động đến môi trường, nhận được sản phẩm pigment, được sản phẩm trung gian là Fe2O3cung cấp cho ngành luyện kim, axit HCl được quay vòng tái sử dụng lại

Quá trình thủy phân áp dụng thiết bị kiểu phun kết hợp nung, nghiền ướt có ưu điểm hơn hẳn quá trình sulphat và quá trình Clorua ở chỗ tạo ra được sản phẩm có kích thước nhỏ mong muốn tới kích thước nano và nhận được sản phẩm ở cả hai dạng rutil và anataz

Kết quả nghiên cứu cho thấy có hiệu quả kinh tế hơn nhiều so với các quá trình đang vận hành hiện nay tại các cơ sở sản xuất, có chỉ số đầu tư thấp, chi phí vận hành thấp và quy mô công suất không nhất thiết phải lớn như quá trình Clorua hóa

Nhược điểm: quá trình này mới được nghiên cứu đầu tiên ở quy mô pilot, hiện nay chưa được ứng dụng vào sản xuất; chưa có sản phẩm thương mại trên thị trường

1.4 CHẤT THẢI TỪ QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

Các nhà máy sử dụng phương pháp Clo hóa chủ yếu sử dụng rutile tổng hợp làm nguyên liệu thô và do đó số lượng chất thải ra môi trường chủ yếu phụ thuộc vào độ tinh khiết của nguyên liệu đầu vào

Chất thải quá trình Clo hóa chủ yếu là kim loại Clorua không phản ứng, bụi và khí thải Tổng lượng chất thải phát sinh từ quá trình Clorua là ít hơn đáng kể so với quá trình tuyến đường sunfat vì vật liệu thô chỉ có chứa Fe2O3 2-4% như tạp chất

Chất thải đưa ra khỏi các nhà máy titanium dioxide là quặng không phản ứng và Clo dầu mỏ và Clorua kim loại có thể được sử dụng lại trong các quá trình khác sau khi tách pha rắn và pha lỏng của nước thải và làm giàu các Clorua để chuyển đổi trở lại axit Clohiđric theo quy trình tái tạo

Các khí thoát ra từ quá trình Clo hóa sản xuất titanium tetrachlorid, có chứa TiCl4

và HCl hơi cùng với Cl2, CO, CO2, N2 Các dung dịch TiCl4 và HCl không bị phân hủy cũng có thể được phục hồi [23]

1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI

1.5.1 Các phương pháp xử lý bụi

1.5.1.1 Định nghĩa, tính chất của bụi

Bụi là sự kết hợp không thể tách rời nhau của hai pha là pha khí (thường là không khí) và pha rắn tồn tại ở dạng hạt thể rời rạc và phân bố ngẫu nhiên Các hạt chất rắn phân tán trong pha khí mới được gọi là bụi, còn nếu cũng những hạt chất rắn ấy được gom lại, không chuyển động nữa thì thường đi với khái niệm là bột, tro hay bồ hóng Kích thước của hạt bụi (d) được biểu diễn qua đường kính của hạt hình cầu, kích thước lỗ rây mà hạt bụi lọt qua hoặc kích thước lớn nhất của hình chiếu của hạt Người

ta cũng sử dụng khái niệm đường kính tương đương (đktđ) cho loại hạt bụi có hình dáng bất kỳ, đktđ được hiểu là đường kính của một hạt hình cầu có thể tích bằng thể tích của hạt bụi đang xét

Nếu lấy tiêu chuẩn về kích thước của hạt bụi để phân loại thì ta có thể chia bụi ra thành các loại như sau:

 Bụi thô (cát bụi - grit): là các hạt bụi chất rắn có kích thước lớn hơn 75 μm

 Bụi (dust): là các hạt bụi chất rắn có kích thước từ 5-75 μm

 Khói (smoke): là các hạt vật chất có thể là rắn hoặc lỏng thường được tạo ra (hoặc ngưng tụ) trong quá trình đốt nhiên liệu có kích thước hạt từ 1-5 μm

 Khói mịn (fume): là những hạt cũng có nguồn gốc như khói nhưng rất mịn; kích thước hạt của khói mịn được quy ước là nhỏ hơn 1 μm

Về tính chất cơ lý, có sự khác biệt rất lớn giữa các hạt bụi có kích thước lớn và các hạt bụi có kích thước cực nhỏ Các hạt bụi có kích thước lớn như bụi thô chẳng hạn thì chúng có khả năng lắng đọng nhanh nhờ trọng lượng của chúng và gia tốc trọng trường Do đó chúng thường bị loại khỏi môi trường khí một cách dễ dàng Ngược lại, các hạt bụi cực nhỏ thì tuân theo một cách chặt chẽ sự chuyển động của môi trường khí xung quanh, do đó chúng tồn tại khá lâu

Bụi có tác hại lớn nhất đến sức khỏe con người là loại bụi dễ thâm nhập và cơ thể qua đường hô hấp người ta thường gọi chung là bụi hô hấp Loại này thường có kích thước nhỏ hơn 10 μm

Bụi tan có thể thâm nhập vào cơ thể con người chủ yếu theo hai con đường là hô hấp và tiếp xúc qua da Khi vào trong cơ thể, từng loại bụi sẽ gây ra các tác động theo

độc tính của nó Bên cạnh hai loại bụi kể đến ở trên, còn tồn tại loại bụi mang tính chất cộng hợp, thí dụ như bụi xi măng Bụi xi măng gồm phần trơ là các silicat và phần tan

là các chất kiềm

1.5.1.2 Các phương pháp xử lý bụi

Như đã nói đến ở phần trên, bụi là những hạt chất rắn có kích thước cũng như tỷ trọng khác nhau phân tán trong không khí Để xử lý lọc sạch bụi trước khi thải khí ra môi trường người ta đã nghiên cứu và sử dụng nhiều cách khác nhau Mỗi cách (phương pháp) phù hợp với các loại bụi và kích thước bụi khác nhau và có những ưu nhược điểm riêng Chính vì vậy mà tùy thuộc vào đối tượng bụi, người ta chọn phương pháp xử lý phù hợp Các phương pháp xử lý bụi có thể chia thành các nhóm như trên bảng 1.3

Các thiết bị xử lý bằng lực quán tính và các cyclon rất tiện để tách các hạt bụi tương đối lớn Loại cyclon tổ hợp có hiệu suất lớn nhất Dùng các thiết bị lọc điện, thiết bị lọc túi và các thiết bị lọc ướt có thể đạt được hiệu quả lọc khá cao

Lọc Xử lý bằng chất lỏng Xử lý bằng tĩnh điện Xử lý dựa vào lực ly tâm

Xử lý dựa vào trọng lực -Buồng lọc

Lọc tĩnh điện

-Thiết bị sử dụng lực quán tính

-Thiết bị sử dụng lực ly tâm (cyclon)

-Thiết bị quay

Buồng lắng bụi

Thiết bị lọc bụi loại ướt chỉ dùng khi chất khí cần xử lý chịu được nhiệt độ thấp và

ẩm Trong trường hợp này các thiết bị lọc bụi loại ướt có nhiều ưu điểm hơn so với thiết bị lọc tĩnh điện ở chỗ thiết bị giản đơn và rẻ tiền Ứng dụng thiết bị lọc bụi loại ướt trong nhà máy có nhiều khó khăn vì ở đây quá trình tinh lọc có liên quan tới việc thu gom và thải một lượng lớn nước có tính chất hóa lý cần phải xử lý trước khi thải Thiết bị lọc điện là một loại thiết bị lọc sạch bụi có hiệu suất cao; trong đó muốn lọc các loại khí thải khô ta dùng loại thiết bị lọc điện tấm, còn để lọc sạch bụi và hơi

mù khó hấp thụ, cũng như để lọc sạch được tốt hơn, ta dùng loại thiết bị lọc điện ống

và khi cần lọc sạch một thể tích khí lớn thì dùng thiết bị lọc điện là hiệu quả nhất

Bảng 1.4 Vùng kích thước phù hợp và hiệu quả xử lý của các phương pháp

Stt Thiết bị xử lý Kích thước hạt phù hợp Hiệu quả xử lý

1 Thành phần hạt bụi và kích thước hạt của nó

của dòng khí bằng cách tăng đột ngột mặt cắt của dòng khí chuyển động Trong thời điểm ấy, các hạt bụi sẽ lắng xuống

Để sự lắng có hiệu quả hơn, người ta còn đưa vào buông lắng các tấm chắn lửng Các hạt bụi chuyển động theo quán tính sẽ đập vào vật chắn và rơi nhanh xuống đáy Cấu Tạo Của Buồng Lắng Đơn

Một buồng lắng đơn và buồng lắng kép trong công nghiệp có mô hình như trênhình 1.5

Cấu tạo của một cyclon đơn

Hình 1.6 Sơ đồ một cyclon đơn và hệ thống

cyclon lọc bụi

Bảng 1.5 Năng suất lọc bụi của cyclon đơn và cyclon tổ hợp

Loại cyclon Năng suất làm việc theo đường kính của cyclon

2-Vỏ Cyclon (ống trụ ngoài)

3-Phễu chứa bụi

4-Ống trụ ở giữa

5-Van chặn

Phương Pháp Xử Lý Bụi Bằng Màng Lọc, Túi Lọc

Nguyên Lý

Dòng khí và bụi được chặn lại bởi màng hoặc túi lọc, túi (màng) này có các khe (lỗ) nhỏ cho các phân tử khí đi qua dễ dàng nhưng giữ lại các hạt bụi Các hạt bụi bị giữ lại trên màng là do có kích thước lớn hơn lỗ (khe) của màng hoặc dính lại trên bề mặt của vật liệu do va đập, do tiếp xúc trực tiếp và do lực tĩnh điện Chính vì vậy mà màng lọc giữ lại được cả những hạt bụi có kích thước nhỏ hơn lỗ (khe) trống của màng lọc Khi lớp bụi đủ dày ngăn cản lượng khí đi qua thì người ta tiến hành rung hoặc thổi ngược để thu hồi bụi và làm sạch màng Sơ đồ một thiết bị lọc túi được mô tả trên hình 1.7

Cấu Tạo Và Vận Hành

Thiết bị lọc là những tấm vải (nỉ) hình ống hay hình tấm được đặt trên những giá

đỡ cứng bằng nhựa hoặc kim loại có các lỗ thoáng (đan từ sợi hoặc chế tạo từ tấm liền

có đục lỗ)

Hình 1.7 Lọc bụi bằng màng, túi lọc

Túi lọc bằng vải, nỉ có dạng ống một đầu hở để khí đi vào còn đầu kia khâu kín

Để túi được bền hơn người ta thường đặt trong một khung cứng bằng lưới kim loại hoặc nhựa

Năng suất lọc của thiết bị phụ thuộc vào bề mặt lọc, loại bụi và bản chất, tính năng của vật liệu làm túi (màng)

1.5.2 Các phương pháp xử lý Khí Cacbon Monoxit Và Dioxit

1.5.2.1 Cacbon monoxit (CO)

Sự phát sinh

Khí CO được sinh ra từ các quá trình đốt cháy không hoàn toàn các hợp chất có chứa cacbon Những nguồn đáng kể nhất là khí thải của các động cơ chạy bằng các nhiên liệu hóa thạch; khí thải của các nhà máy nhiệt điện, luyện kim, khí hóa than và khí sinh ra sau các vụ nổ cố ý cũng như các vụ nổ hầm lò do metan và bụi than gây ra trong lòng đất

Bên cạnh đó còn phải kể đến khí sinh ra do đun nấu, sưởi và các hoạt động khác nữa Tổng cộng lượng CO sinh ra từ các nguồn này ước khoảng từ 350 đến 600 triệu tấn mỗi năm Ngoài ra nguồn CO tự nhiên hiện tại không xác định được

Tính chất đặc trưng

CO là chất khí không màu, không mùi, không vị và nhẹ hơn không khí chút ít CO

có thể tiếp tục cháy trong không khí tạo thành CO2 Hỗn hợp tới hạn của CO trong không khí có thể gây nổ, đặc biệt là ở nhiệt độ cao hoặc có mặt của tia lửa

C + 1/2O2 ⇔ CO + 26.64 kcal

CO + 1/2O2 ⇔ CO2 + 67.75 kcal

CO tác dụng với hơi nước tạo thành CO2 và H2 Trong điều kiện thường, cân bằng không có lợi cho việc hình thành sản phẩm; song khi có mặt của chất xúc tác thì phản ứng xảy ra hoàn toàn CO không phải là anhydric của bất kể axit nào song khi tan với dung dịch kiềm mạnh, nóng chúng sẽ kết hợp với nhau và tạo thành muối focmiat

CO + H2O XT CO2 + H2

CO + NaOH ⇔ Na(CO2H)

CO kết hợp được với nhiều kim loại tạo thành các cacbonyl, trược hết như là sắt, coban và niken Đặc biệt người ta tránh cho Clo tiếp xúc với CO, nhất là có ánh sáng hoặc chất xúc tác, vì chúng kết hợp với nhau tạo thành fosgen (COCl2) rất độc

4CO + Ni ⇔ Ni(CO)4

CO + Cl2 (hν/XT) COCl2Tác động đáng kể nhất của CO đối với sức khỏe con người là khả năng tạo phức rất lớn của CO đối với sắt trong tế bào hồng cầu Ái lực của CO với sắt trong phân tử hemoglobin gấp khoảng 240 lần so với oxy

Khi hít thở trong bầu không khí ô nhiễm bởi CO, CO sẽ thẩm thấu rất nhanh qua đường phổi và chiếm các vị trí phối trí của oxy trong hemoglobin để tạo thành cacboxyhemoglobin làm suy giảm nhanh chóng khả năng cấp oxy của máu cho các tế bào trong cơ thể Nồng độ cacboxyhemoglobin trong máu hoàn toàn phụ thuộc vào hàm lượng CO trong không khí thở, thời gian tiếp xúc và nhịp thở của nạn nhân Ngoài ra CO còn có thể liên kết với myoglobin, cytochrom và một số enzym nữa trong

cơ thể

Nồng độ CO trong không khí nền là 0.01 đến 0.9 mg/m3 Tiếp xúc với nồng độ lớn hơn sẽ làm tăng nồng độ cacboxyhemoglobin trong máu (BCH) Khi BCH lớn hơn 2.5% bắt đầu gây tác động lên chức năng tuần hoàn, 5% BCH không an toàn cho sức khoẻ, 10% BCH cơ thể bị đe dọa và khi tới 60 đến 80% BCH sẽ dẫn tới tử vong Mặc

dù nạn nhân chết do thiếu oxi trong máu nhưng tử thi không bị tím tái mà lại có màu

CO2 có mặt ở khắp nơi và trong không khí nền, nó chiếm khoảng 0.3% Hiện nay theo số liệu của các nhà khoa học, hàm lượng CO2 trong khí quyển của trái đất ngày một tăng Điều này đã làm tăng hiệu ứng nhà kính của trái đất và hậu quả là làm tăng nhiệt độ trung bình của trái đất, hậu quả của nó là khôn lường theo sự cảnh báo của các nhà khoa học

Tính chất đặc trưng

CO2 là khí không màu, không cháy, có vị hơi chua và nặng hơn nhiều so với không khí Chính vì vậy mà CO2 thường tập trung lại dày đặc hơn ở những chỗ thấp hay ở phần đáy của không gian nơi nó được sinh ra

CO2 tan tương đối tốt trong nước, nhất là ở nhiệt độ thấp CO2 là anhydrit của axit cacbonic CO2 dễ dàng phản ứng với dung dịch kiềm mạnh như NaOH hay Ca(OH)2tạo thành các cacbonat tương ứng

CO2 + H2O ⇔ H2CO3

CO2 + Ca(OH)2 ⇔ CaCO3 + H2O

CO2 khi làm lạnh ở áp suất khí quyển sẽ đông cứng lại và khi nhiệt độ xung quanh tăng lên nó thăng hoa (ở nhiệt độ –78.48O

C) mà không qua trạng thái lỏng CO2 rắn (đá khô) có thể gây ra những vết bỏng rất khó lành

CO2 hầu như không có tác động gì lên đường tiêu hóa song nó có tác động sinh lý mạnh mẽ khi thâm nhập vào cơ thể qua đường hô hấp; nó làm tăng nhịp thở thông qua tác động của nó lên trung tâm hô hấp trong tủy sống Khi hàm lượng của CO2 trong không khí thở vượt quá giá trị 3% sẽ gây khó thở và điều này càng trở nên rõ rệt khi hàm lượng của nó vượt quá 5% Với hàm lượng 10% sẽ làm cho nạn nhân bất tỉnh chỉ trong vòng một phút

1.5.3 Một số phương pháp xử lý khí và hơi độc hại

1.5.3.1 Xử lí khí và hơi bằng phương pháp tiêu hủy

Để phân hủy một chất ở dạng khí hoặc hơi có hại cho môi trường thành một hay nhiều chất khác ít hoặc không độc hại có thể thực hiện bằng nguồn nhiệt - phân hủy nhiệt, hoặc phân hủy nhiệt có xúc tác hay thông qua các phản ứng hóa học, hoặc kết hợp cả hai như phương pháp đốt

 Đốt và phân hủy bằng nhiệt

Phương pháp này phù hợp với khí thải chứa các hợp chất hữu cơ như các hơi dung môi, hơi lò cốc hóa than, hơi đốt với điều kiện nhiệt độ cao, các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy thành than, khí và hơi nước Nếu để phân hủy tự do, nhiệt độ phân hủy đòi hỏi sẽ cao và tốc độ phân hủy thường chậm Vì vậy người ta thường tiến hành với sự

có mặt của các chất xúc tác Mặt khác có thể tiến hành đốt với không khí Thí dụ như đốt khí đồng hành trong khai thác dầu mỏ

Hình 1.8 Xử lý bằng phương pháp tiêu hủy nhiệt

 Tiêu hủy bằng hóa học

Đây là phương pháp được sử dụng khá phổ biến đối với các khí độc hại Đối với các chất hữu cơ độc hại như thuốc trừ dịch hại, người ta thường sử dụng các phản ứng

oxy hóa khử để thay đổi cấu trúc phân tử hay dạng tồn tại của chúng để trở thành các sản phẩm ít hoặc không có hại đối với người và động thực vật

Ví dụ: Phản ứng với ozôn với sự có mặt của tia cực tím Ôzôn hóa kết hợp với chiếu tia cực tím là phương pháp rất có hiệu quả đối với chất thải hữu cơ hoặc dung môi

Hình 1.9 Sơ đồ thiết bị xử lý bằng phương pháp nhiệt xúc tác

Hình 1.10 Sơ đồ xử lý NO x sử dụng phản ứng có xúc tác

1.5.3.2 Xử lý hơi và khí thải bằng phương pháp hấp phụ

Khái Quát Về Hiện Tượng Hấp Phụ

Hấp phụ là một quá trình xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha dị thể (rắn - khí, rắn - lỏng, lỏng - khí) Những phân tử của cùng một chất nằm ở bề mặt và bên trong khối chất đó có các trạng thái khác nhau dẫn đến hành vi của chúng cũng khác nhau

Hình 1.11 Sơ đồ tương tác giữa các phân tử trong khối vật chất

Chẳng hạn như về trường lực, các phân tử ở bên trong khối vật chất chịu lực tác dụng ở mọi phía đồng đều và như nhau, còn các phân tử ở trên bề mặt thì chịu lực tác dụng không đều nhau mà luôn luôn có xu thế bị kéo vào bên trong khối vật chất làm cho bề mặt khối vật chất có xu hướng luôn bị co lại

Khi bề mặt khối vật chất tiếp xúc với các phần tử của pha khác, các phần tử trên

bề mặt khối vật chất đó tác dụng lên các phần tử của pha khác những lực hướng về phía mình nhằm cân bằng về lực theo mọi hướng Đây chính là nguyên nhân của sự hấp phụ chất trên bề mặt chất khác

Mặt khác, nhiều trường hợp tương tác giữa bề mặt chất rắn với các phân tử khí hoặc lỏng khi chúng tiếp xúc với nhau mà sự tương tác đó mạnh tương tự như tương tác trong một phản ứng hóa học, chúng sẽ tạo nên một hợp chất mới trên bề mặt tiếp giáp - hợp chất bề mặt Như vậy thực chất có thể chia hấp phụ làm hai loại: hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học

 Hấp phụ vật lý: Là loại hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa các phân tử; nó

giống như tương tác trong hiện tượng ngưng tụ Lực tương tác là lực van Der wall

 Hấp phụ hóa học: Là loại hấp phụ gây ra do tương tác mạnh giữa các phần tử và

tạo ra hợp chất bề mặt giữa bề mặt chất hấp phụ và các phần tử bị hấp phụ Đối với chất hấp phụ là chất khí, quá trình hấp phụ phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất Lượng khí hấp phụ là một hàm phụ thuộc vào hai biến T và P

Nhiệt độ tăng làm giảm quá trình hấp phụ Ngược lại, áp suất càng tăng thì sự hấp phụ càng tốt Nói cách khác, việc hạ nhiệt độ hoặc tăng áp suất đều có lợi cho quá trình hấp phụ

1.5.3.3 Xử lý hơi và khí thải bằng phương pháp hấp phụ

Nguyên lý của phương pháp

Hơi và khí độc khi đi qua lớp chất hấp phụ, chúng bị giữ lại nhờ hiện tượng hấp phụ Nếu ta chọn được các chất hấp phụ chọn lọc, thì có thể loại bỏ được các chất độc hại mà không ảnh hưởng đến thành phần các khí không có hại khác

Trên bề mặt phẳng sự ngưng tụ một chất xảy ra khi P/PS > 1 Ở trong các vùng mao quản của chất hấp phụ xảy ra quá trình hấp phụ, nghĩa là các chất khí hoặc hơi bị giữ lại (“được ngưng tụ”) mặc dù áp suất hơi riêng phần nhỏ hơn áp suất hơi bão hòa (khi đó tỷ lệ P/PS nhỏ hơn 1)

Cấu trúc lỗ xốp phức tạp và bề mặt riêng khác nhau tùy thuộc vào cách sản xuất Các lỗ xốp có bán kính hiệu dụng từ vài chục đến hàng chục nghìn anstron Về mặt cấu tạo, nó có cấu tạo kiểu tổ ong gồm một hệ lỗ xốp mao quản thông nhau và thông với môi trường bên ngoài với cấu trúc không gian ba chiều Có thể chia kích thước lỗ xốp thành ba loại sau:

 Dạng vi mao quản, bán kính hiệu dụng cỡ 10 Å, có bề mặt riêng lớn nhất

(350-1000 m2/gam) và chiếm phần chủ yếu trong than hoạt tính

 Dạng mao quản trung gian có bán kính hiệu dụng trong khoảng 100 đến 250 Å

Bề mặt riêng không lớn lắm, khoảng 100 m2/gam

 Dạng mao quản lớn có bán kính hiệu dụng khoảng 1.000 đến 10.000 Å; dạng này

có bề mặt riêng rất nhỏ, không quá 2 m2/gam

Than hoạt tính có tác dụng hấp phụ tốt đối với các chất không phân cực ở dạng khí

và dạng lỏng Từ lâu than hoạt tính đã được sử dụng để làm mặt nạ phòng độc, làm sạch mùi và khử màu các sản phẩm dầu mỡ Ngày nay trên thế giới than hoạt tính được coi như là một chất hấp phụ chủ yếu trong công nghệ xử lý làm sạch môi trường bao gồm các lĩnh vực:

Làm sạch nước để uống, xử lý nước để sinh hoạt hoặc xử lý nước thải của các công trình ít nhiễm bẩn Trong những trường hợp này than hoạt tính sẽ giữ lại các hợp chất hữu cơ hòa tan, nhất là các chất gây mùi, gây màu và cả vết những kim loại nặng Than hoạt tính đặc biệt có hiệu quả xử lý cao đối với nước có bị nhiễm nhẹ các chất diệt trừ dịch hại

Xử lý nước thải công nghiệp Người ta sử dụng than hoạt tính trong những trường hợp hấp phụ các chất kém hoặc không bị vi sinh vật phân hủy, các chất gây độc hại đối với các vi sinh vật Trong trường hợp này xử lý chọn lọc bằng than hoạt tính đóng vai trò như là quá trình tiền xử lý cho các bước xử lý sinh học tiếp theo

Xử lý “cấp ba” nước thải công nghiệp và đô thị

Khi than đã hấp phụ đủ, nó không còn khả năng hấp phụ tiếp tục nữa Đối với than hoạt tính, trong trường hợp này không phải bỏ đi mà có thể tái sinh và sử dụng lại được Đại đa số các chất hấp phụ trên than hoạt tính đều có thể giải hấp bằng nhiệt Khi ở trong môi trường nhiệt độ cao (dưới nhiệt độ bắt cháy của than), các chất hữu cơ cũng như các phân tử axit, bay hơi và tách khỏi bề mặt của than Đối với mỗi một chất

sẽ có một nhiệt độ xử lý phù hợp Với các hợp chất của kim loại thì thông thường phải giải hấp bằng axit sau đó rửa bằng nước và sấy để tái sinh

 Silicagel

Silicagel là gel của anhydrit axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển Mạng lưới của gel bao gồm các nguyên tử Silic nằm giữa khối chóp tam giác nối với nhau thông qua các nguyên tử Oxi phân bố tại các đỉnh Bề mặt của gel thay vì các nguyên tử oxy được thay bằng các nhóm hydroxyl (OH-), điều đó quyết định tính chất hấp phụ của silicagel

Silicagel dễ dàng hấp phụ các chất phân cực cũng như các chất có thể tạo với nhóm hydroxyl các liên kết kiểu cầu hydro Đối với các chất không phân cực, sự hấp phụ trên silicagel chủ yếu do tác dụng của lực mao dẫn trong các lỗ xốp nhỏ

Cũng như các chất hấp phụ có thể tái sinh khác, chế độ tái sinh có một ý nghĩa rất quan trọng Riêng đối với silicagel, trạng thái hóa học của bề mặt gel quyết định tính hấp phụ mạnh các chất phân cực Trạng thái này chỉ được bảo toàn ở nhiệt độ dưới

200oC Nếu giải hấp được tiến hành bằng khí khô Nếu tái sinh silicagel ở nhiệt độ cao hơn sẽ dẫn đến sự thay đổi bất thuận nghịch của cấu trúc và bề mặt làm mất khả năng hoạt động của silicagel Do cấu tạo của silicagel, đặc biệt là lớp liên kết của nhóm OH-nếu tiến hành giải hấp bằng khí nóng ẩm hay bằng hơi nước với thời gian kéo dài sẽ làm giảm hoạt tính hấp phụ của chúng do nguyên nhân chủ yếu là giảm bề mặt riêng

Do vậy việc giải hấp đối với silicagel cần phải lưu ý hơn so với việc giải hấp than hoạt tính

 Các chất hấp phụ tự nhiên

Trong tự nhiên có nhiều khoáng chất có tính hấp phụ như sét, bentonit, diatomit song khả năng hấp phụ của chúng thường được làm tăng lên nhiều sau khi được xử lý bằng các biện pháp phù hợp Tính ưu việt nhất của các chất hấp phụ tự nhiên là chúng

có giá thành rất thấp so với các chất hấp phụ nhân tạo

 Hấp thụ vật lý:

Là quá trình dựa trên sự tương tác vật lý thuần túy, nghĩa là chỉ bao gồm sự khuếch tán, hòa tan các chất cần hấp thụ vào trong lòng chất lỏng và sự phân bố của chúng giữa các phân tử chất lỏng Độ hòa tan của một chất cần hấp thụ trong lòng chất lỏng luôn luôn là một hàm của nhiều biến số Nếu gọi D là độ tan thì ta có thể biểu diễn nó như sau:

D ⇔ f (x1, x2 , xi, T, S, P, kD, ) Trong đó: xi là nồng độ của các chất khí hoặc hơi trong chất lỏng

T là nhiệt độ làm việc

S là diện tích tiếp xúc giữa hai pha

P là áp suất riêng phần của hơi hoặc khí trong pha khí

kD là hệ số khuếch tán của chất được hấp thụ trong pha lỏng

Thực tế quá trình hấp thụ tăng khi diện tích tiếp xúc hai pha tăng và nhiệt độ làm việc giảm; riêng hiệu suất xử lý thì còn phụ thuộc mạnh vào áp suất riêng phần của khí hoặc hơi và nồng độ của chúng trong pha lỏng Để tăng hiệu quả xử lý, người ta thường dùng các kiểu thiết bị làm tăng diện tích tiếp xúc tối đa, truyền nhiệt tốt và hạn chế sự tăng của chất hòa tan trong pha lỏng Các kiểu thiết bị thông dụng như: tháp hấp thụ có tầng đệm, tháp hấp thụ sủi bọt, tháp phun

NH3 + H2O  NH4OH

SO2 + H2O  H2SO3Chất cần hấp thụ phản ứng với các thành phần hoạt động trong chất hấp thụ (thông thường là dung dịch của các chất hoạt động)

Thí dụ như hấp thụ CO2, SO2 trong dung dịch NaOH

CO2 + 2NaOH ⇔ Na2CO3 + H2O

Na2CO3 + H2O +CO2 ⇔ 2NaHCO3Với Cl2 cũng có phản ứng tương tự

Trong trường hợp này có thể biểu diễn một cách tổng quát như sau:

sử dụng chế độ chuyển động cùng chiều từ dưới lên trên (chế độ làm việc này chỉ sử dụng khi tốc độ của dòng khí thải cao trên 15-20 m/s)

Với thiết bị màng ống và màng tấm, người ta thường áp dụng cho khí thải có tốc

độ trung bình từ 4 đến 5 m/s Thiết bị hấp thụ kiểu màng chất lỏng có ưu điểm là tạo được diện tích tiếp xúc pha khá lớn và có khả năng tách, thoát nhiệt tốt đồng thời với quá trình hấp thụ Ngày nay người ta ít còn dùng các thiết bị hấp thụ kiểu màng ống và màng tấm Duy còn phổ biến hơn cả là trong trường hợp hấp thụ một số khí hòa tan tốt, có nồng độ cao từ hỗn hợp khí đậm đặc đồng thời có sự toả nhiệt mạnh như HCl,

NH3

Thiết bị màng đĩa quay có cấu tạo giống như thiết bị đĩa quay trong xử lý bụi và

sol Chất lỏng để hấp thụ được phân bố đều trên các tầng đĩa, chuyển động từ trên xuống và được quay tròn liên tục trong suốt quá trình xử lý Thực nghiệm cho thấy tốc

độ chuyển khối tăng khi tăng số vòng quay của đĩa Trong thiết bị màng quay, sức cản thủy lực nhỏ và có thể làm việc với mức tiêu hao chất hấp thụ thấp Trong công nghiệp, thiết bị này vẫn được sử dụng thí dụ như để hấp thụ HCl hay SO2 bằng Na2S trong sản xuất natrithiosunphat (Na2S2O3) Thiết bị có 11 đĩa với đường kính 800 mm, tốc độ quay là 150 vòng/phút làm việc được với năng suất là 1700 m3

/h

Tháp hấp thụ đệm được dùng phổ biến nhất Trong tháp, người ta thường nhồi các

vật thể lồng cồng như ốc sành sứ, lò so kim loại, vụn than cốc để làm tăng diện tích tiếp xúc hai pha Khi vận hành, khí thải được đi từ dưới lên trên còn chất lỏng thì đi từ trên xuống dưới Lưu lượng của hai pha luôn được tính toán trước để thiết bị đạt hiệu quả cao nhất Khi chất lỏng chảy trên bề mặt các vật thể làm đệm, về cơ bản chúng có đặc trưng của màng chất lỏng Tuy nhiên về bản chất của quá trình vận hành, giữa thiết

bị hấp thụ màng và thiết bị hấp thụ đệm có sự khác nhau Ở thiết bị hấp thụ màng thì màng chất lỏng chuyển động liên tục theo chiều cao của tháp hấp thụ còn trong thiết bị hấp thụ đệm thì khi màng chất lỏng chuyển động từ đơn nguyên của vật đệm này sang đơn nguyên khác thì màng cũ bị phá vỡ và màng mới được hình thành Quá trình này được lặp đi lặp lại trong suốt chiều dài của tháp

Thực tế trong tháp hấp thụ đệm, các màng chất lỏng khi chuyển từ đơn nguyên đệm này sang đơn nguyên đệm khác thường bị phá vỡ bởi sự chuyển động ngược chiều của dòng khí Do vậy mà tháp đệm phần nào còn mang tính chất như một tháp hấp thụ sủi bọt

Sự chuyển động thuận dòng trong tháp đệm đôi khi cũng được sử dụng Đó là những trường hợp khi tốc độ khí thải khá lớn (khoảng 10m/s), không hoặc khó thực hiện được đối với kiểu ngược dòng Sự bố trí thuận dòng sẽ làm tăng quá trình trao đổi chất, giảm trở lực thủy động và giảm kích thước của thiết bị

Trong trường hợp sự hấp thụ đi kèm với các phản ứng thủy phân hoặc tạo kết tủa thì người ta thường dùng loại tháp hấp thụ đệm nổi Các lớp đệm nổi (những mảnh bọt xốp polyme hay các quả cầu rỗng làm bằng chất dẻo) được “treo” lơ lửng bởi dòng khí trong tháp và bởi các tấm lưới đỡ Giữa các lớp đệm là những khoảng trống để đảm bảo cho các kết tủa không làm tắc nghẽn sự lưu thông của dòng khí qua các lớp đệm Tất nhiên ở đây chất hấp thụ lỏng cũng được chuyển động từ trên đi xuống

Các nghiên cứu thủy động học và chuyển khối trong các thiết bị hấp thụ đệm nổi cho thấy, tháp hấp thụ kiểu này có thể làm việc với tốc độ dòng khí lớn mà không bị tắc nghẽn Nhược điểm của tháp hấp thụ đệm nổi là khó thoát nhiệt trong quá trình hấp thụ Muốn tách nhiệt, người ta thường phải sử dụng làm lạnh tuần hoàn

Trong công nghiệp sản xuất axit phosphoric từ quặng người ta đã sử dụng kiểu tháp hấp thụ đệm nổi để hấp thụ khí SiF4 hay SiCl4 vào nước, vì chúng tạo thành axit silicic không tan trong nước Hay dùng huyền phù vôi để hấp thụ các khí như CO2,

SO2

Tháp hấp thụ sủi bọt (giống như tháp sủi bọt trong xử lý bụi) thường được sử dụng

trong trường hợp tải lượng cao, áp suất khí thải lớn và quá trình hấp thụ có sự toả nhiệt, cần được làm lạnh

Các kiểu tháp hấp thụ sủi bọt chính gồm: sủi bọt qua lưới (hay vật xốp), sủi bọt qua các đĩa chụp xen kẽ và trộn cơ học khí và chất lỏng

Hấp thụ kiểu sủi bọt có nhược điểm lớn nhất là luôn có lớp bọt chiếm thể tích khá lớn trong thiết bị Việc chuyển động của chất lỏng gặp phải trở lực lớn Các nhà thiết

kế đã có nhiều công trình làm giảm bớt những nhược điểm trên để có thể sử dụng kiểu hấp thụ này trong công nghiệp vì nó có hệ số chuyển khối rất cao

Chiều cao lớp chất lỏng tăng sẽ làm tăng khả năng hấp thụ song đồng thời cũng tăng trở lực của thiết bị Thông thường người ta không tăng lớp chất lỏng quá 50 mm

Tháp phun là loại thiết bị hấp thụ đơn giản Trong tháp phun, chất lỏng được phun

thành bụi (sương) từ phía trên xuống, khí thường đi từ dưới lên nhằm làm tăng diện tích tiếp xúc và để nồng độ thực tế chất cần hấp thụ trong pha khí giảm dần theo chiều

từ dưới đi lên và nồng độ chất bị hấp thụ trong pha lỏng được tăng dần theo chiều từ trên đi xuống Quá trình này rất có lợi cho việc tăng hiệu quả xử lý

Tháp hấp thụ phun có thể chia ra làm ba kiểu khác nhau: 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 Thiết bị phun sương kiểu cơ khí ít được sử dụng, nó chỉ phù hợp trong

những trường hợp đặc biệt

1.6 XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG HÓA

Hệ thống tự động hóa có thể chia làm hai phần: hệ thống thông tin và hệ thống điều khiển

Hệ thống thông tin có nhiệm vụ thực hiện các chức năng thông tin Các chức năng này cho phép giám sát quá trình công nghệ: cụ thể là thu thập, bảo quản, thống kê và ghi lại các thông tin đã diễn ra của quá trình điều khiển, cần cho dự báo trước các tình huống sự cố hay thông tin về sự thay đổi yêu cầu đặt trước của quá trình

Hệ thống điều khiển dùng để tạo ra và thực hiện các tác động điều khiển dựa trên các nguyên lý điều khiển các đại lượng phụ thuộc của quá trình công nghệ, thực hiện điều khiển tối ưu, bằng các phương tiện tự động thực hiện các thao tác logic và theo chương trình đối với các phần tử phân tán (điều khiển phân tán các cơ cấu chấp hành, các liên động sự cố, khởi động và dừng hệ thống máy ) [25]

Đối với mỗi hệ thống tự động điều khiển quá trình công nghệ không nhất thiết phải thực hiện tất cả các chức năng kể trên Một số các chức năng không thích hợp với đối tượng công nghệ này lại có thể thích hợp với đối tượng công nghệ trong hệ thống điều khiển ở mức cao hơn Hệ thống tự động điều khiển quá trình công nghệ thực chất

là điều khiển tập trung quá trình đó nhờ các phương tiện kỹ thuật điều khiển tự động [25]

Các phòng trong trung tâm điều khiển thường được sắp xếp liền kề nhau, phòng có diện tích lớn là phòng điều khiển chính có đặt các tủ nhiều thiết bị có bàn ghế của người vận hành Đằng sau tủ là các bộ phận cung cấp nguồn, điều khiển xa và các đầu vào của cáp Trong trung tâm điều khiển, các tủ, trạm đặt thiết bị điều khiển cần được sắp xếp như thế nào để người điều khiển từ chỗ ngồi làm việc có thể bao quát được tất

cả các dụng cụ đo lường và các tín hiệu Kết cấu các tủ và trạm điều khiển yêu cầu phải đơn giản nhưng cho khả năng lắp ráp dụng cụ một cách dễ dàng hoặc có thể thực hiện đổi chỗ chúng khi cần thiết đánh dấu trạng thái tác động của các máy bơm, của khóa van, của các cầu giao dầu và các thiết bị khác Bằng sự thay đổi màu sắc, ánh sáng và kim quay chỉ trạng thái của đối tượng Khi có các tín hiệu cảnh báo, báo động cần cho ánh sáng đèn nhấp nháy…

Trong các hệ thống điều khiển người ta đã sử dụng các block logic hay các máy tính điện tử có thiết bị đo lường từ xa các thông tin ở dạng tín hiệu tương tự hoặc dạng

số rất tiện ích, đã có các thiết bị gọi là thiết bị tự động lập trình công nghiệp ra đời (API) hơn hẳn các bộ điều chỉnh trước đây, có khả năng tính toán và điều khiển, có thể kết nối với đối tượng điều khiển qua các cảm biến điện tử có độ tin cậy cao với cơ cấu chấp hành và các thiết bị ngoại vi khác (màn hình, phím lập trình, thẻ điện tử, mạng

thông tin…) Cũng đã có các API có khả năng điều khiển quá trình đồng thời với nhiều thông số đầu vào biến đổi với các quy luật khác nhau Các API có khả năng làm việc trong điều kiện khắc nghiệt về môi trường Sự xuất hiện của thiết bị tự động lập trình công nghiệp đã mở ra những triển vọng tốt đẹp trong việc áp dụng tự động hóa vào điều khiển các công trình xử lý khí thải

Thiết kế các chức năng hệ thống tự động hóa xử lý khí thải Để đạt được mục đích cũng như đáp ứng các yêu cầu nói trên, hệ thống tự động hóa xử lý khí thải cần có những chức năng cơ bản sau đây:

1.6.1 Điều chỉnh tự động

Điều chỉnh tự động là sử dụng các thiết bị tự động để tác động lên quá trình công nghệ cần điều khiển theo một chế độ làm việc đã định sẵn Mỗi quá trình công nghệ xảy ra trong đối tượng điều chỉnh được đặc trưng bởi một hay vài đại lượng Một số đại lượng được duy trì không đổi, một số đại lượng khác được thay đổi trong giới hạn cho trước nào đó

Nếu điều khiển bằng tay trực tiếp tại chỗ người vận hành có thể phải tiếp xúc với môi trường độc hại, đi lại khó khăn và tốn thời gian Mặt khác nhiều trường hợp, ví dụ như sự cố hoặc mất điều khiển tự động, đòi hỏi điều khiển tay phải kịp thời và đồng

bộ, ví dụ như dừng nhanh nhiều máy bơm đặt tại nhiều vị trí khác nhau, điều khiển cùng lúc nhiều quá trình có liên quan hệ quả với nhau Để làm được điều này hệ thống

tự động hóa phải có chức năng điều khiển có khoảng cách, cụ thể là điều khiển từ trung tâm đặt cách dây chuyền công nghệ một khoảng cách nhất định (hàng chục đến hàng trăm mét) Điều khiển từ xa qua mạng LAN (Local Area Network), WAN (wide area network) cũng là một chức năng không thể thiếu hiện nay trong nhiều hệ thống tự động hóa nói chung và xử lý khí thải nói riêng giám sát, điều khiển, trao đổi dữ liệu từ

xa là nền tảng cho việc xây dựng hệ thống điều hành sản xuất MES (Manufacturing Execution System) nhằm đem lại hiệu quả kỹ thuật, kinh tế, xã hội một cách toàn diện MES tạo ra một cầu nối thông suốt hai chiều giữa khối quản lý và sản xuất, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất từ khâu hoạch định kế hoạch đến khâu sản xuất ra thành phẩm cuối cùng, cung cấp các chức năng lập kế hoạch; quản lý nhân lực, thiết bị, nguyên vật liệu; theo dõi quá trình sản xuất, chất lượng sản phẩm, sự cố máy móc, Ngoài ra, điều khiển từ xa còn cho phép giảm đáng kể số lượng chuyên gia công nghệ, kỹ thuật cần thiết cho vận hành, bảo trì hệ thống tự động hóa

1.6.2 Hiển thị thông số công nghệ

Chức năng này giúp cho việc theo dõi, giám sát các thông số chất lượng nước, trạng thái thiết bị, sự cố một cách thuận tiện, dễ hiểu đối với người vận hành Việc

hiển thị được thiết kế hợp lý về màu sắc, bố trí các cửa sổ, kiểu thể hiện Màu sắc không quá loè loẹt, dùng các gam màu dịu không gây mỏi mắt khi nhìn lâu Cảnh báo, báo động bằng đổi màu và nhấp nháy liên tục để gây sự chú ý Kiểu thể hiện đa dạng: kiểu số riêng biệt, kiểu bảng thống kê, kiểu đồ thị trực tuyến

1.6.3 Cấu hình hệ thống

Chức năng này dùng để đặt và thay đổi các tham số công nghệ cho hệ thống tự động hóa, chủ yếu là các giá trị chủ đạo (setpoint), ngưỡng cảnh báo sớm, ngưỡng báo động Các tham số đặt sẽ được truyền từ PC xuống thiết bị điều khiển sau đó lại được truyền ngược lại PC để so sánh, nếu thấy không trùng nhau thì báo động, trái lại chứng

tỏ rằng việc truyền và xử lý dữ liệu chính xác, đường truyền và thiết bị điều khiển không có sự cố Chức năng này nâng cao độ an toàn (fail-safe) của hệ thống

Liên động sự cố dùng để điều khiển bảo vệ (ví dụ: điều khiển dừng) một nhóm máy móc thiết bị có liên quan khi sự cố xảy ra Liên động cấm chỉ loại trừ khả năng điều khiển sai, không đúng trình tự có khả năng gây sự cố

1.6.5 Cảnh báo/Báo động

Chức năng được thực hiện bằng còi, đèn nhấp nháy trên bàn điều khiển hoặc biểu tượng nhấp nháy trên PC, hiển thị thông báo dạng chữ trên PC, gửi tin nhắn tới điện thoại di động của những người có trách nhiệm thông qua dịch vụ tin nhắn SMS Hệ thống đưa ra cảnh báo khi giá trị thông số vượt ngưỡng cảnh báo sớm hoặc thông số vượt ngưỡng báo động trong giai đoạn quá độ của quá trình điều khiển Báo động được đưa ra khi thông số vượt ngưỡng báo động liên tục trong khoảng thời gian nhất định (lớn hơn thời gian điều chỉnh ngầm định) hoặc báo động sự cố đường truyền, sự

cố thiết bị điều khiển, cơ cấu chấp hành, báo động sự cố cảm biến Sự khác biệt giữa cảnh báo và báo động ở chỗ: cảnh báo tự mất đi khi thông số hết vượt ngưỡng, trái lại báo động sẽ tồn tại cho đến khi người vận hành xử lý xong sự cố và tự quyết định xóa

bỏ trạng thái báo động Như vậy mức độ cần chú ý của người vận hành đối với báo động phải cao hơn cảnh báo

1.6.6 Lưu trữ, báo cáo thống kê

Lưu trữ và lập báo cáo thống kê dữ liệu về thông số chất lượng nước, trạng thái hoạt động, sự cố, thời gian hoạt động của máy móc thiết bị, lượng khí đã xử lý, danh sách người đã vận hành, bộ tham số công nghệ đã thay đổi và nhiều thông tin khác cần thiết cho các chuyên gia công nghệ, kỹ thuật và các nhà quản lý trong việc điều chỉnh

để đạt chế độ làm việc tối ưu; phát hiện, dự báo sự cố; bảo trì thay thế kịp thời máy móc thiết bị; điều hành sản xuất và tính toán hiệu quả kinh tế

1.6.7 Điều khiển dự phòng

Sự cố của hệ thống tự động có thể gây ra những tổn thất vô cùng lớn (do chi phí khởi động lại, do dẫn đến hỏng thiết bị, hỏng sản phẩm, ), thậm chí gây nguy hiểm tới tính mạng con người Ví dụ trong dây chuyền xử lý khí thải nhà máy bia bằng phương pháp sinh học, vi khuẩn nếu bị chết sẽ đòi hỏi nhiều thời gian và kinh phí để phục hồi, mặt khác nếu thiết bị điều khiển bị hỏng thì phải điều khiển tay, khó chính xác, do đó điều khiển dự phòng là cần thiết để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển Xây dựng hệ thống có điều khiển dự phòng sẽ làm tăng chi phí đầu tư ban đầu, nhưng với lựa chọn giải pháp hợp lý cùng với thiết kế ban đầu có khả năng mở rộng sẽ làm cho việc nâng cấp thành hệ điều khiển dự phòng ít tốn kém mà vẫn có hiệu quả

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT - LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ

2.1 ĐỀ XUẤT CÁC CÔNG NGHỆ

2.1.1 Xử lý rò rỉ Clo bằng giàn phun mưa

Giàn phun mưa được lắp đặt cho rất nhiều nhà trạm Clo của các nhà máy nước trên toàn quốc Đây được cho là một giải pháp đơn giản, tiết kiệm dễ vận hành tuy nhiên về mặt kỹ thuật còn nhiều nhược điểm

Cụ thể, để dập được lượng khí Clo phát tán từ các bình Clo loại 50 kg, 500 kg, hay

1000 kg Lượng mưa cung cấp cần phải đủ cường độ 10m3

/m2/giờ Điều này gây tổn thất chi phí lớn về mặt nước sạch khi muốn dập tắt được lượng Clo rò rỉ trong khoảng thời gian dài

Hình 2.1 Giàn phun mưa

Khi phun mưa vào lượng Clo đang rò rỉ sẽ xảy ra phản ứng sau:

Cl2 + H2O ↔ HCl + HOCl→ H++ OCl-+ Cl- Khi đó một lượng lớn axit HCl yếu sẽ phát tán ra ngoài môi trường làm ảnh hưởng không nhỏ đến xung quanh Việc xử lý một lượng nước lớn axit yếu này gây hậu quả tốn kém

2.1.2 Xử lý rò rỉ Clo bằng dung dịch nước vôi

Một số nhà máy nước hiện nay áp dụng biện pháp này khi cho xây dựng ngay dưới nhà trạm Clo một thùng vôi lớn Trong trường hợp Clo rò rỉ, van an toàn được mở ra

và toàn bộ bình Clo đang rò lập tức được đánh tụt xuống thùng vôi và chờ xử lý tiếp Đây được coi là một trong các biện pháp tiết kiệm, an toàn về mặt kỹ thuật tuy nhiên không đơn giản trong vận hành Bởi lẽ hệ thống cơ khí phục vụ cho công tác này

cần duy tu bảo dưỡng và thử nghiệm thường xuyên để hoạt động đúng công năng khi

có sự cố xảy ra

2.1.3 Khử khí Clo bằng tháp trung hòa

Cơ sở của phương pháp dùng sữa vôi để xử lý khí Clo là khí Clo có phản ứng với vôi sữa Ca(OH)2 như sau:

Giai đoạn một:

2Ca(OH)2 + 2C12→ Ca(OCl)2+ CaCl2 + 2H2O Phản ứng trên xảy ra trong điều kiện môi trường kiềm (đầy đủ với) và cho ra các chất canxi hypoClorit, canxi Clorua và nước

Giai đoạn hai:

Bắt đầu khi vôi đã tác dụng chất với Clo mà Clo vẫn tiếp tục được bổ sung vào quá trình, lúc đó ta sẽ có:

Cl2 + H2O → HC1 + HClo Ca(OCl)2+ 4HC1O → Ca(C1O3)2+ 4HC1 2Ca(OCl)2+ 4HC1 → 2CaCl2+ 4HC1O Như vậy trong điều kiện bình thường, khi cung cấp thừa một lượng nhất định, chất kiềm thì quá trình chi diễn ra theo giai đoạn một

Khi trong khí thải có chứa CO2 và HCl, ta sẽ có các phản ứng kèm theo sau đây:

Ca(OH)2+ CO2→ CaCO3+ H2O Ca(OH)2+ 2HC1 → CaCl2+ 2H2O Chất canxi hypoclorit thu được của quá trình khử Clo theo giai đoạn một cần được

xử lý trước khi thải ra ngoài để tránh gây độc hại cho môi trường xung quanh Có thể phân giải canxi hypoclorit bằng xúc tác ở nhiệt độ 70–800

C Chất xúc tác là hỗn hợp trong nước của các muối sunfat của 3 kim loại: niken, đồng và sắt theo tỷ lệ 1:1:3 Kết quả thu được là:

Ca(OCl)2 → CaCl2+ O2

Ưu điểm chính của phương pháp này là đơn giản, nguyên liệu sẵn có và rẻ tiền Tuy nhiên, phương pháp cũng có nhiều nhược điểm: sự hình thành canxi hypoclorit trong dung dịch sữa vôi đòi hỏi phải xử lý trước khi thải ra cống rãnh thoát nước và tiêu hao nhiều sữa vôi nhất là khi trong khí thải có chứa cacbonic CO2

2.1.4 Xử lý khí Clo theo phương pháp axit

Phương pháp này được áp dụng khi trong khi thải ngoài Clo ra còn chứa nhiều khí sunfuđioxit Quá trình xử lý khí Clo được thể hiện bằng các phản ứng sau đây:

SO2 + H2O → H2SO3

H2SO3 + Cl2 +H2O → H2SO4 + 2HC1 Phương pháp axit cho khả năng khử đồng thời Clo và sunfuđioxit, kết quả thu được là axit Clohyđric có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau trong công nghiệp

Ưu điểm: Phương pháp axit cho khả năng hấp thụ đồng thời Clo và sunfua dioxit Nhược điểm : Vận hành tốn kém do kèm theo xử lý thêm sunfuđioxit

2.2 XỬ LÝ CLO BẰNG THÁP TRUNG HÒA

Hiện tại, khu vực nhà xưởng để nghiên cứu quá trình Clo hóa đang trong giai đoạn lắp đặt thiết bị, vì vậy em đề xuất các bố trí các thiết bị như sơ đồ mặt bằng dưới đây (bản vẽ tại phụ lục 1) :

Hình 2.2 Sơ đồ mặt bằng bố trí thiết bị

2.3 CÁC THÔNG SỐ THIẾT KẾ

Đề tài: thiết kế quy trình công nghệ và điều khiển quá trình xử lý khí thải cho hệ thống chế biến hóa học xỉ titan bằng phương pháp clo hóa là một phần trong đề tài titan của Nhà nước có sử dụng lò Clo hóa, vì vậy cần xây dựng hệ thống xử lý để có thể bảo vệ môi trường cũng như máy móc và con người trong quá trình làm việc Hiện nay, hệ thống tháp trung hòa Clo nhập ngoại đã được bán trên thị trường, tuy nhiên, giá thành của hệ thống này vẫn rất cao Vì vậy, với sự tính toán, chúng ta có thể

sử dụng các vật liệu trong nước và tự gia công chế tạo để giảm giá thành so với thiết bị nhập ngoại mà vẫn bảo đảm được các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra

Với diện tích các gian phòng trong nhà xưởng 3x4 m, công suất lò là 50 kg/h, chúng ta có thể sử dụng bình Clo 50 kg, 100 kg tùy mục đích nên khó mà ước tính được những sự cố có thể xảy ra, nên số liệu đề xuất tính toán chỉ mang giá trị trung bình

Thông số giả thuyết cho quá trình tính toán:

Lưu lượng khí thải vào: 1500 m 3

/h

Nồng độ Cl2 vào: 1000 mg/m 3.

Các giả thiết trong quá trình tính toán:

Nhiệt độ khí đầu vào: 500