Đề tài Xử lý khí thải HCl

Đề Tài: Xử Lý Khí Thải CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ HCL I.1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ HYDROCLORUA I.1.1 Đặc điểm lý hóa của khí Hydro clorua (HCl) Cấu trúc phân tử của hydro clorua Công thức phân tử HCl (khí) Phân tử gam: 36,4606 g/mol Độ hòa tan trong nước ở 20 oC: 720g/L Điểm nóng chảy: -114,2oC Điểm sôi: -85,1oC Hòa tan trong nước, dung dịch NaOH, Ca(OH)2 HCl là khí độc hại, chất ăn mòn. Hợp chất hóa học hydro clorua HCl, là một chất khí không màu, độc hại, có tính ăn mòn cao, tạo thành khói trắng khi tiếp xúc với hơi ẩm. Hơi trắng này là axít clohiđric được tạo thành khi hydro clorua hòa tan trong nước. Hydro clorua cũng như axít clohiđric là các hóa chất quan trọng trong công nghiệp hóa chất, khoa học, công nghệ. Phân tử hydro clorua (HCl) là một phân tử hai nguyên tử đơn giản, bao gồm một nguyên tử hydro và một nguyên tử clo kết hợp với nhau thông qua một liên kết đơn cộng hóa trị. Do nguyên tử clo có độ âm điện cao hơn so với nguyên tử hiđrô nên liên kết cộng hóa trị này là phân cực rõ ràng. Do phân tử tổng thể có mômen lưỡng 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 cực mạnh. VÌ thế, nó rất dễ dàng hòa tan trong nước cũng như trong các dung môi phân cực 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 hóa toàn phần trong nước. Kể cả khi không có mặt nước thì hydro clorua vẫn có thể có phản ứng như một axít. Ví dụ, hydro clorua có thể hòa tan trong các dung môi phân cực khác như mêtanol và có phản ứng như một chất xúc tác axít cho các phản ứng hóa học khi điều 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 là khi có sự hiện diện của hơi ẩm. Khói trắng của clorua hiđrôloric làm thay đổi pH của giấy quỳ. Màu đỏ chỉ ra rằng dung dịch có tính axít. I.1.2 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 I.1.3 Ảnh hưởng của HCl đối với môi trường và con người : a/ Đối với con người Tiếp xúc với khí HCl gây ra ảnh hưởng đến sức khỏe của con người ở nhiều dạng khác nhau bao gồm làm ngứa phổi, da và màng nhầy, làm tê liệt hóa các chức năng của hệ thống thần kinh trung ương, ngoài ra còn các vấn đề về hô hấp và tiêu hóa. Tiếp xúc nhiều hơi axit clohidric có thể bị nhiễm độc, gây ra bệnh viêm dạ dày, 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 hợp nặng 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 nhiễm độc. Clorua hidro tạo thành axit clohidric có tính ăn mòn cao khi tiếp xúc với cơ thể. Việc hít thở bởi hơi khói gây ra ho, nghẹt thở, viêm mũi, họng và phần phía trên của hệ hô hấp. Trong những trường hợp nghiêm trọng là phù phổi, tê liệt hệ tuần hoàn và tử vong. Tiếp xúc với da có thể gây mẩn đỏ, các thương tổn hay bỏng nghiêm 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 gây ảnh 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 thấy mùi 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 ung thư b/ Đối với môi trường: HCl làm cho cây cối chậm phát triển, với nồng độ cao thì cây chết. HCl có tác dụng làm giảm độ mỡ bóng của lá cây, làm cho các tế bào biểu bì của lá bị co lại. I.1.4 Ứng dụng: Một số ứng dụng của hiđrô clorua là: Sản xuất axít clohiđric. Hiđrôclorinat hóa cao su. Sản xuất các clorua vinyl và alkyl. Trung gian hóa học trong các sản xuất hóa chất khác Làm chất trợ chảy babit Xử lý bông Trong công nghiệp bán dẫn (loại tinh khiết) Khắc các tinh thể bán dẫn. Chuyển silic thành SiHCl3 để làm tinh khiết silic. I.1.5 Các giới hạn nồng độ khí HCl trong môi trường. Nồng độ tối đa cho phép của khí HCl trong không khí xung quanh: TCVN 5938-2005 Thời gian trung bình 24 giờ: 60 µg/cm3 Tiêu chuẩn của khí HCl đối với khí thải công nghiệp: TCVN 5939-2005 Giới hạn A (áp dụng cho các nhà máy, cơ sở đang hoạt động): 200 mg/Nm3 Giới hạn B (áp dụng cho các nhà máy, cơ sơ xây dựng mới): 50 mg/Nm3 Đơn vị: mg/Nm3 ( Miligam trên mét khối khí thải chuẩn ) I.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ THẢI: I.2.1.Phương pháp hấp thu: 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 khả năng hoà tan khác nhau của các chất trong chất lỏng để tách chất. Tuỳ thuộc vào bản 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 sự phân 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 giai đoạn xảy ra các phản ứng hoá học. Như vậy sự hấp thụ hoá học không những phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của chất khí vào trong chất lỏng mà còn phụ thuộc vào tốc độ chuyển hoá các chất- tốc độ phản ứng của các chất. Trong hấp thụ hoá học, chất được hấp thụ có thể phản ứng ngay với các phân tử của chính chất hấp thụ. 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 dung môi 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 trong nước rửa. Khuyết điểm: Hiệu suất làm sạch không cao, hệ số làm giảm khi nhiệt độ dòng khí tăng cao nên không thể dùng xử lý dòng khí thải có nhiệt độ cao,quá trình hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt nên khi thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống thiết bị hấp thụ xử lý khí 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 cồng kềnh, vận hành phức tạp. Khi làm việc hiện tượng “sặc” rất dễ xảy ra khi khống chế, điều chỉnh mật độ tưới 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 lý không có khả năng hòa tan trong nước, lựa chọn các dung môi hữu cơ sẽ nảy sinh vấn 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 kỹ thuật, giá thành dung môi quyết định lớn đến giá thành xử lý và hiệu quả xử lý. Phải tái sinh dung môi (dòng chất thải thứ cấp) khi sử dụng dung môi đắt tiền hoặc chất thải gây ô nhiễm nguồn nước. Hệ thống càng trở nên cồng kềnh phức tạp. I.2.2.Phương pháp hấp phụ: Nguyên lý: Hơi và khí độc khi đi qua lớp hấp phụ bị giữ lại nhờ hiện tượng hấp phụ. Nếu ta chọn 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. Có hai cách để áp dụng phương pháp hấp phụ xử lý chất thải công nghiệp: Sử dụng thiết bị hấp phụ định kỳ tức là trên một tháp hấp phụ, ta nhồi chất hấp phụ vào và cho chất bị hấp phụ đi qua đó. Sau một thời gian khi chất hấp phụ no (đã bão hoà chất bị hấp phụ) thì quá trình dừng lại để tháo bỏ chất hấp phụ đã no và đưa vào lượng chất hấp phụ mới vào. Sử dụng thiết bị hấp phụ liên tục, trong đó chất hấp phụ được chuyển động ngược dòng với chất bị hấp phụ. Có hai kiểu hấp phụ: Hấp phụ vật lý :chất hấp phụ chỉ giữ lại cấu tử ( do lực Van der Waals ). Hấp phụ hoá học :chất hấp phụ hấp phụ các cấu tử lên trên bề mặt chất rắn do đó chất hấp phụ là chất xúc tác làm xảy ra phản ứng hoá học. Ưu điểm: Làm sạch và thu hồi được khá nhiều chất ô nhiễm thể hơi khí nếu chất này có giá trị kinh tế cao thì sau khi hoàn nguyên chất hấp phụ chúng sẽ được tái sử dụng trong công nghệ sản xuất mà vẫn tận giảm được tác hại gây ô nhiễm. Chất hấp phụ cũng khá dễ kiếm và rẻ tiền thông dụng nhất là than hoạt tính (than hoạt tính hấp thu được nhiều chất hữu cơ). Nhược điểm: Khi hoàn nguyên chất hấp phụ sẽ sinh ra chất thải ô nhiễm thứ cấp (nếu chất ô nhiễm hoàn toàn là chất độc hại nguy hiểm cần thải bỏ hoặc có giá trị kinh tế không cao thì không cần tái sử dụng). Trường hợp này chất phụ có giá thành rẻ, dễ kiếm có thể thảo bỏ nó đi. Không hiệu quả khi dòng khí có chứa bụi và chất ô nhiễm thể hơi khí vì bụi dễ gây tắc thiết bị và làm giảm hoạt tính hấp phụ của chất hấp phụ (lúc này nếu muốn sử dụng ta phải lọc bụi trước khi cho dòng khí vào thiết bị hấp phụ). Hiệu quả hấp phụ kém nếu nhiệt độ của khí thải khá cao (tương tự như hấp thụ). Với các chất khí bị hấp phụ có khả năng bắt cháy cao việc thực hiện nhả hấp phụ bằng dòng khí có nhiệt độ cao cũng sẽ vấp phải nguy cơ cháy tháp hấp phụ. I.2.3. Phương pháp đốt: Ưu điểm: Nhưng khí có khả năng bắt cháy cao và nhiệt trị cao có thể xử lý băng phương pháp đốt. Thông thường những hợp chất hữu cơ nhất là các hydrocacbon chưa no như olephin hoặc mạch vòng ( dãy thơm – acromatic) la những chất có khả năng bắt cháy lớn khi đốt. Phương pháp đốt trực tiếp là giải pháp thỏa đáng khi xử lý không chứa nhiều chất ô nhiễm vô cơ như Sulfur, Chlorine và Fluorine. Trong những trường hợp khí thải có nhiệt độ cao có thể không cần phải gia nhiệt khi đưa vào đốt. Khí thải của công nghệ chế biến hạt điều có tính chất này. Phương pháp đốt hoàn toàn phù hợp với việc xử lý các khí độc hại không cần thu hồi hoặc khả năng thu hồi thấp, khí thu hồi không có giá trị kinh tế lớn. Có thể tận dụng nhiệt năng trong quá trình xử lý vào các mục đích khác. Nhược điểm: Phải có hệ thống thiết bị đốt thích hợp không sinh ra khói và các chất ô nhiễm thứ cấp gây độc hại. Nên trong khi nghiên cứu, thiết kế triển khai phải chú ý tốt đến tất cả các điều kiện duy trì phản ứng cháy để có được 1 thiết bị đốt cho hiệu quả cao. I.2.4. Xử lý bụi: Để xử lí aerosol (bụi, khói, sương) người ta sử dụng phương pháp khô, ướt và tĩnh điện. Trong thiết bị khô bụi được lắng bởi trọng lực, lực quán tính và lực li tâm hoặc được lọc qua vách ngăn xốp. Trong thiết bị ướt, sự tiếp xúc giữa khí bụi và nước được thực hiện. Nhờ đó, bụi được lắng trên các giọt lỏng, trên bề mặt bọt khí hay trên các màng chất lỏng. Trong thiết bị lọc tĩnh điện các aerosol được tích điện và lắng trên điện cực. Trên cơ sở phân loại các phương pháp xử lý bụi, ta có thể chia các thiết bị xử lý bụi làm những dạng sau : Lọc cơ khí Thiết bị màng lọc Thiết bị hấp thụ Thiết bị lọc tĩnh điện Thiết bị lọc ướt Thiết bị buồng đốt I.3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HCl I.2.1 Hấp thụ khí HCl bằng dung dịch kiềm và nước Hấp thụ khí HCl bằng nước được thực hiện trong các thiết bị khác nhau. Trong tháp đệm, hiệu quả có thể đạt 88%, tháp đĩa 90-99%, tháp đĩa chóp 97,8%. 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− Nhược điểm cơ bản của phương pháp này tạo sương mù các giọt axit lỏng, mà việc thu hồi nó không đạt hiệu quả cao. Sử dụng dung dịch kiềm NaOH, Ca(OH)2 để hấp thụ HCl cho phép tăng hiệu quả xử lý và đồng thời trung hòa nước thải. Phương pháp cho phép tận dụng hydro clorua để sản xuất các clorua kim loại: CaCl2 , NaCl, BaCl2. I.2.2 Hấp phụ hydro clorua Để hấp phụ khí HCl người ta có thể dùng oxiclorua sắt và clorua oxit đồng trong hỗn hợp với oxit magie, sunfat và photphat đồng,…Các hợp chất hấp phụ này cho phép xử lý khí với nồng độ HCl thấp đến 1% thể tích trong khoảng nhiệt độ rộng. Tuy nhiên phương pháp này ít được sử dụng do chi phí phục hồi chất hấp phụ lớn, chất hấp phụ thường đắt và hiếm. CHƯƠNG II: ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ HCL II.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ: II.1.1 Lựa chọn phương pháp xử lý: * Lựa chọn công nghệ: xử lý khí HCl bằng phương pháp hấp thụ với dung dich hấp thụ là dung dịch kiềm NaOH, vì: Như đã đề cập ở chương I: Hấp thụ bằng H2O: tạo sương mù các giọt axit lỏng, mà việc thu hồi nó không đạt hiệu quả cao. Phương pháp hấp thụ: ít được sử dụng do chi phí phục hồi chất hấp phụ lớn, chất hấp phụ thường đắt và hiếm. àSử dụng dung dịch kiềm NaOH, để hấp thụ HCl cho phép tăng hiệu quả xử lý và đồng thời trung hòa nước thải. Lựa chọn phương pháp hấp thụ. Vì: phương pháp này có thể thu hồi cấu tử có giá trị từ hỗn hợp khí để xử lý các tạp chất độc hại.Cụ thể ở đây là cấu tử Cl- có mặt trong khí HCL được tách ra và đem đi xử lý. II.1.2 Sơ lược về phương pháp hấp thụ và các thiết bị hấp thụ: Sơ lược về phương pháp hấp thụ: Hấp thụ là quá trình lôi cuốn khí và hỗn hợp khí bởi chất lỏng.Cấu tử được tách ra từ hỗn hợp gọi là cấu tử mục tiêu hay cấu tử chính. Hấp thụ là quá trình khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả khí. Nguyên lý của hai quá trình là giống nhau. Quá trình hấp thu tách một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải (pha khí) bằng cách xử lý với chất lỏng (pha lỏng). Khi này hỗn hợp khí sẽ được cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp 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. 6 Sơ đồ lọc khí độc hại trong hỗn hợp khí kiểu hấp thụ 1-Cửa thoát khí vào khí quyển; 2-Giàn phun; 3-Buồng thiết bị hấp thụ; 4-Thiết bị phun; 5-Không khí bẩn đi vào; 6-Bể lắng hay phin lọc; 7-Bơm Cơ sở của nguyên lý: 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 sự hòa tan khác nhau của các chất trong chất lỏng đẻ tách chất. Nguyên tắc: Cho khí thải tiếp xúc với chất lỏng, các khí này hoặc được hòa tan vào chất lỏng hoặc được biến đổi thành phần. Hiệu quả hấp thụ phụ thuộc vào: Sự tiếp xúc giữapha 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 Quá trình hấp thụ được chia làm 2 loại chính: Hấp thụ vật lý: Là quá trình dựa trên sự tương tác vật lý bao gồm sự khuếch tán, hòa tan của các chất hấp thụ vào trong lòng chất lỏng và sự phân bố chúng giữa các chất lỏng. Hấp thụ hóa học: là quá trình luôn di kèm với một hay nhiều phản ứng hóa học và bao gồm 2 giai đoạn: giai đoạn khuếch tán và giai đoạn xảy ra các phản ứng hóa học. Như vậy sự hấp thụ hóa học không những phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của chất khí vào trong chất lỏng mà còn phụ thuộc vào tốc độ chuyển hóa các chất-tốc độ phản ứng của các chất. Trong hấp thụ hóa học, chất được hấp thụ có thể phản ứng ngay với các phân tử của chính chất hấp thụ. Ưu điểm: Rẻ tiền nhất là khi sử dụng nước làm dung môi hấp thu các khí độc hại như: SO2, H2S, NH3… có thể được xử lý tốt với phương pháp này. Có thể sử dụng kết hợp khicần rửa khí làm sạch bụi, khi trong khí thải có chứa cả bụi lẫn chất khí độc hại mà các chất khí có khả năng hòa tan tốt trong nước rửa. Khuyết điểm: Hiệu suất làm sạch không cao, hệ số làm giảm khi nhiệt độ khi dòng khí tăng cao nên không thể dùng khi xử lý dòng khí thải có nhiệt độ cao. Quá trình hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt nên khi thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống thiết bị hấp thụ xử lý khí 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 khí như vậy thiết bị trở nên cồng kềnh, vận hành phức tạp. Khi làm việc hiện tượng “sặc” rất dễ xảy ra khi khống chế, điều chỉnh mật độ tưới 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 can được xử lý không có khả năng hòa tan trong nước, lựa chọn dung môi hữu cơ sẽ nảy sinh vấn 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 kỹ thuật. Giá thành dung môi quyết định lớn đến giá thành xử lý và hiệu quả xử lý. Phải tái sinh dung môi (dòng chất thải thứ cấp) khi xử dụng dung môi đắt tiền hoặc chất thải gây ô nhiễm nguồn nước. Hệ thống càng trở nên cồng kềnh và phức tạp. Cơ chế quá trình: Hấp thụ là quá trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng nhiều trong các quá trình khác. Hấp thụ trên cơ sở của quá trình truyền khối được mô tả và tính toán dựa vào phân chia 2 pha (can bằng pha và khuếch tán). Cơ chế quá trình có thể chia làm 3 bước: Khuếch tán các phân tử chất ô nhiễmthể khí trong khối khí thải đến bề mặt của chất lỏng hấp thụ. Nồng độ phân tử ở phía chất khí phụ thuộc vào cả 2 hiện tượng khuếch tán: Khuếch tán rối: Có tác dụng làm nồng độ phân tử được đều đặn trong khối khí. Khuếch tán phân tử: Làm cho các phân tử khí chuyển động về phía lớp biên. Trong pha lỏng cũng xảy ra hiện tượng như vậy: Khuếch tán rối: được hình thành để giữ cho nồng độ được đều đặn trong toàn bộ khối chất lỏng. Khuếch tán phân tử: Làm dịch chuyển các phân tử đến lớp biên, hoặc từ lớp biên đi vào pha khí. Thâm nhập và hòa tan chất khí vào bề mặt của chất hấp thụ. Khuếch tán chất khí đã hòa tan trên bề mặt ngăn cách vào sâu trong lòng chất lỏng hấp thụ. Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thụ trong pha khí. Quá trình trao đổi: Khi chất khí ô nhiễm từ khí thải vào chất lỏng hấp thụ các phân tử được trao đổi qua vùng ranh giới gọi là lớp biên (màng, phim).Các phân tử đi qua lớp biên từ 2 phía, một số từø phía chất khí, một số từ phiá chất lỏng. Cường độ trao đổi phụ thuộc vào các yếu tố tác động lên hệ thống như áp suất, nhiệt độ, nồng độ và độ hòa tan của các phân tử. Cường độ trao đổi sẽ tăng nếu giữa pha lỏng và pha khí xảy ra phản ứng hóa học, hay các phân tử khí không thể quay trở về khối khí, khi có tác động của các quá trình vật lý. Quá trình hấp thụ kèm theo sự tảo nhiệt và sự tăng nhiệt độ của hệ thống. Khi pha khí phân tán vào pha lỏng xảy ra hiện tượng dẫn nhiệt làm năng lượng của cấu tử pha khí bị giảm. Hiện tượng này xảy ra là do sự chuyển động hỗn loạn của các phân tử khí, làm cho các phân tử này bị xáo trộn từ đó dẫn tới sự can bằng năng lượng giữa 2 pha. Nhờ có sự chuyển động này mà sự khác biệt cục bộ về nồng độ chất khí trong hỗn hợp sẽ được giảm dần ngay cả khi không có sự can thiệp của ngoại lực như: quay, lắc. Mặt khác, tổng thể tích của hệ thống trong quá trình hấp thụ cũng giảm do thể tích pha khí giảm. Hấp thụ đẳng nhiệt: được tiến hành với sự giải nhiệt pha lỏng bằng thiết bị truyền nhiệt bố trí trong tháp hấp thụ. Nếu nồng độ ban đầu không lớn hoặc lưu lượng chất lỏng lớn thì sự thay đổi nhiệt độ của chất lỏng không đáng kể. Hấp thụ đẳng áp: diễn ra khi không có sự trao đổi với bên ngoài, khi này cơ cấu thiết bị được đơn giản hóa nhưng điều kiện can bằng không tốt. Tháp hấp thụ phải thỏa mãn những yêu cầu sau: Hiệu quả và có khả năng cho khí đi qua, trở lực thấp (<3000pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ và không bị tắc nghẽn do cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ. Khi đồng thời hấp thụ nhiều khí, vận tốc hấp thụ của mỗi khí bị giảm xuống. Khí hấp thụ hóa học trong tháp xuất hiện đối lưu bề mặt, nghĩa là trên bề mặt phân chia pha xuất hiện dòng đối lưu cưỡng bức thúc đẩy quá trình truyền khối. Dung môi hấp thụ: Chất hấp thụ có thể là H2O, dung dịch NaOH, KOH, Na2CO3,K2CO3… Các loại thiết bị hấp thụ: Thiết bị hấp thu kiểu màng chất lỏng: Nguyên lý hoạt động:Màng chất lỏng được hình thành khi cho chất lỏng chảy vào thành màngtheo các ống, đĩa quay được bố trí hợp lý trong tháp. Chất lỏng theo màng chuyển động từ trên xuống dưới và khí đi từ dưới lên trên, ít khi sử dụng chế độ chảy cùng chiều (chế độ này chỉ sử dụng khi tốc độ của dòng khí thải cao trên 15-20 m/s). Với thiết bị màng ống và tấm màng, người ta thường áp dụng cho dòng khí thải có tốc độ trung bình từ 4-5 m/s. Chất khí đi vào Chất lỏng đi ra Chất khí đi ra Chất lỏng đi vào Ưu điểm: Tạo được diện tích tiếp xúc pha lớn và có khả năng tách, thoát nhiệt tốt đồng thời với quá trình hấp thụ. Tháp màng dạng ống Thiết bị màng đĩa quay: Nguyên lý hoạt động:Dòng khí đi qua hệ thống gồm nhiều tấm đục lỗ hay lưới bằng kim loại. Những tấm lưới này luôn được thấm ướt bằng một chất lỏng thích hợp.Thiết bị này có cấu tạo giống như thiết bị đĩa quay trong xử lý bụi.Chất lỏng 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. Ưu điểm: Sức cản thủy lực nhỏ, có thể làm việc với mức tiêu hao chất hấp thụ thấp.Cho phép vận tốc khí lớn nên đường kính tháp tương đối nhỏ, kinh tế hơn những tháp khác.Được sử dụng khi năng suất lớn, lưu lượng lỏng nhỏ và môi trường không ăn mòn. Khí thoát Chất lỏng đi vào Chất lỏng đi ra Khí vào Hệ thống phun Hệ thống đĩa xoay Thiết bị màng đĩa quay Tháp hấp thu loại đệm: Nguyên lý hoạt động:Trong tháp người ta nhồi các vật thể nhựa, sành, sứ, lò so kim loại, vụn than cốc… để làm tăng diện tích tiếp xúc hai pha.Khi vận hành khí thải được đưa từ dưới lên còn chất lỏng được đưa từ trên xuống. Trong đó, màng chất lỏng trong chuyển động từ đơn nguyên từ vật liệu này sang vật liệu khác thì màng cũ được phá vỡ và màng mới được hình thành. Việc phá vỡ là do sự chuyển động ngược chiều của dòng khí. Ưu điểm: Có thể làm việc với tốc độ dòng khí lớn mà không bị tắc nghẽn. Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỷ lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng. Nhược điểm: Khó thoát nhiệt trong quá trình hấp thụ. Chất khí đi vào Chất khí đi ra Chất lỏng đi vào Chất lỏng đi ra Lớp đệm Bộ phân phối Sơ đồ tháp đệm Tháp hấp thu sủi bọt: Nguyên lý hoạt động: Chất khí từ dưới đi lên xuyên qua các khe lỗ, khe chóp, khe lưới sục vào chất lỏng chảy từ trên xuống.Để phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiều cao mức chất lỏng. Thường được sử dụng trong trường hợp tải lượng cao, áp suất khí thải lớn, và quá trình hấp thụ có sự tỏa nhiệt, cần được làm lạnh. Các kiểu tháp hấp thụ sủi bọt chính bao gồm: Sủi bọt qua lưới, sủi bọt qua đãi chụp xen kẽ, trộn cơ học khí và chất lỏng. Ưu điểm: Khí thải có tải lượng cao, áp suất lớn, có sự tỏa nhiệt... Nhược điểm: Hấp thụ kiểu sủi bọt là lớp bọt chiếm thể tích khá lớn trong thiết bị hấp thụ, việc chuyển động của chất lỏng gặp phải trở lực lớn. Màng phân phối Chất lỏng đi vào Chất lỏng đi ra Chất khí đi vào Tấm chắn Chất khí đi ra Cấu tạo thiết bị sủi bọt Chất khí đi vào Chất lỏng đi ra Chất lỏng đi vào Chất khí đi ra Sơ đồ tháp sủi bọt Tháp phun: Nguyên lý hoạt động:Chất lỏng được phun thành dạng bụi mù sương từ trên xuống, khí đi từ dưới lên nhằm tăng diện tích tiếp xúc để nồng độ thực tế của chất cần hấp thụ của pha khí giảm dần theo chiều từ dưới đi lên và nồngđđộ chất bị hấp thụ trong pha lỏng được tăng dần theo chiều từ trên xuống. Quá trình này có lợi cho việc tăng hiệu quả xử lý. Là tháp có cơ cấu phun chất lỏng bằng cơ học hay bằng áp suất trong đó chất lỏng được phun thành những giọt nhỏ trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dòng khí đi qua.Tháp phun được sử dụng khi yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn. Dòng khí vào Dòng chất lỏng Sơ đồ tháp phun II.2 ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ : II.2.1 Quy trình công nghệ xử lý khí HCl: Hình: Sơ đồ công nghệ hấp thụ HCl bằng dung dịch kiềm II.2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ : Dung dịch NaOH từ bể chứa được bơm lên bồn chứa cao vị, rồi được dẫn vào trong tháp.Khí thải (có chứa HCl) được thổi vào từ đáy tháp hấp thụ (tháp mâm).Bên trong tháp hấp thụ, khí thải đi từ dưới lên, dung dich NaOH đi từ trên xuống, hai pha tiếp xúc ngược chiều nhau.Tại đây khí HCl được hấp thụ bởi dung dịch NaOH. Khí sạch ra khỏi tháp và được thải ra ngoài.Dung dịch NaOH sau khi hấp thụ khí HCl, được dẫn ra ngoài từ đáy tháp hấp thụ và được dẫn đến hệ thống xử lý nước thải của nhà máy, hoặc có thể tận dụng để sản xuất các clorua kim loại. CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ HCL III.1 YÊU CẦU THIẾT KẾ Nhiệm vụ thiết kế: Đưa ra hệ thống xử lý khí thải HCL bằng dung dịch kiềm. Thiết kế một công trình xử lý khí thải cụ thể: Tính công trình hấp thu. Các thông số khí thải: Thông số đầu vào: Lưu lượng: 1000 m3/h Nồng độ đầu HCl: 0.75% (theo thể tích) Thông số đầu ra: Theo TCVN 5939-2005 nồng độ HCl theo cột B: 50mg/m3 (ở 0oC, 1at). Ghi chú: A: Áp dụng cho cở xí nghiệp đang hoạt động. B: Áp dụng cho cơ sở xây dựng mới. c. Các giả thuyết trong quá trình tính toán: + Nhiệt độ đầu vào 30 oC + Nhiệt độ đầu ra 30 oC + Áp suất 1at Ký hiệu tính toán: XV: Tỷ số mol khí trong dòng lỏng vào tháp hấp thụ, (kmol HCl/kmol dung môi) Xr: Tỷ số mol khí trong dòng lỏng vào tháp hấp thụ, (kmolHCl/kmol dung môi) Yv: Nồng độ mol tương đối của khí trong hỗn hợp khí thải vào tháp hấp thụ, (kmolHCl/kmol khí trơ) Yr: Nồng độ mol tương đối của khí trong hỗn hợp khí thải khi đi ra tháp hấp thụ, (kmolHCl/kmol khí trơ) xv: Phần mol khí trong pha lỏng đi vào tháp hấp thụ, (kmolHCl/kmol dung dịch) xr: Phần mol khí trong pha lỏng ra khỏi tháp hấp thụ, (kmolHCl/kmol dung dịch) yv: Phần mol khí trong dòng khí đi vào tháp hấp thụ, (kmolHCL/kmol hỗn hợp khí) yr: Phần mol khí trong dòng khí ra khỏi tháp hấp thụ, (kmolHCL/kmol hỗn hợp khí) G: Suất lượng trong hỗn hợp khí, (kmolhh/h) Gtr: Suất lượng khí trơ, (kmol khí trơ/h) L: Suất lượng nước, (kmol H20/h) Ltr: Suất lượng cấu tử lỏng trơ, (kmol trơ/h) III.2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ III.2.1 Tính tháp hấp thụ: III.2.1.1 Nồng độ của HCl a) Nồng độ đầu vào của HCl Nồng độ phần mol của HCl yv = 0.0075 ( kmol HCl/ kmol hỗn hợp khí) Nồng độ mol tương đối của HCl Yv = = = 0,0075 ( kmol HCl/k mol khí trơ) - Ta có : PV = n.R.T Trong đó : P : áp suất khí quyển (at) V : thể tích không khí (l) R : hằng số khí lý tưởng ( R = 0.082) n : số mol khí ( kmol) ð = ð Ckk = = = =0,0402 (mol/l) ð Ckk = 40,2 (kmol hỗn hợp khí/ m3) b) Nồng độ đầu ra của HCl Ở 30 oC , 1 at thì nồng độ HCl = = = 45,1(mg/m3 ) = 0,0451( g/m3 ) Nồng độ phần mol HCl yr = = 3,1.10-5 ( kmol HCl/ kmol hỗn hợp khí) Nồng độ mol tương đối của HCl Yr = = 3,1.10-5 ( kmol HCl/ kmol khí trơ) c) Hiệu suất hấp thụ Hiệu suất hấp thụ H = = = 0,9958 = 99,58% Chọn hiệu quả xử lý của tháp hấp thụ là: η= 86% Ta có: Số tháp cần mắc nối tiếp được tính theo công thức : H = 1 - (1- η)n Trong đó: H: hiệu suất quá trình η: hiệu quả xử lý của thiết bị n: Số thiết bị ð n = 3 Với hiệu quả xử lý η = 0.86 thì nồng độ mol tương đối của HCl ra khỏi tháp 1 là: η = ðYr = Yv – η.Yv = 0,0075 – 0,86*0,0075 = 1,05.10-3 ( kmol HCl/kmol khí trơ) III.2.1.2 PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG CÂN BẰNG Đường cân bằng dựng được dựa vào phương trình Henry: y* = m.x* = .x* thay bằng : Trong đó: H là hằng số Henry phụ thuộc vào nhiệt độ của khí P là áp suất của khí đang xét Hằng số Henry của khí HCl ở nhiệt độ t = 30 oC H = 0,0022.106 mmHg = 2200 mmHg Nồng độ tối đa HCl trong chất lỏng có thể xác định từ phương trình (*) Ycb = Yđ = 0.0075 = → Xmax=0,0026 Cho X thay đồi trong khoảng từ 0 – 0,003 với bước nhảy 0,0005 ta dựng đường cân bằng. Đối với khoảng thứ nhất: Từ công thức (*) ta tính được nồng độ cân bằng: 0,001449(kmol HCl/kmol khi trơ) Tính tương tự cho các khoảng tiếp theo ta được: STT Nồng độ HCl Xd Xc Y* 1 0 0,0005 0,001449 2 0,0005 0,001 0,0029 3 0,001 0,0015 0,004354 4 0,0015 0,002 0,005811 5 0,002 0,0025 0,007271 6 0,0025 0,003 0,008734 7 0,003 0,0035 0,010199 Phương trình đường làm việc: Dạng đường làm việc đi qua 2 điểm: A(Xd,Yc) = A(0;1.05.10-3) B(Xc,Yd) , Yd = 0.0075 (kmolHCl/kmolkhitrơ), điểm B là điểm của đường cân bằng và đường làm việc. Vì vậy ta dựng đường làm việc của quá trình hấp thụ tương đương với lưu lượng chất hấp thụ tối thiểu (mmin). Yd = 0.0075 dựa vào đường cân bằng xác định được = 2.576.10-3 kmolHCl/ kmol H2O mmin = tgαmin = Lượng nước thực tế được lấy từ 10 - 30% lớn hơn lưu lượng nước tối thiểu: Phương trình đường làm việc có dạng: Y = 3X + 1.05.10-3 Nồng độ HCL trong pha lỏng đầu ra Yđ = 0.0075 dựa vào phương trình đường làm việc suy ra Xc = 2.15.10-3 ĐỒ THỊ ĐƯỜNG CÂN BẰNG- ĐƯỜNG LÀM VIỆC * Khối lượng riêng trung bình của pha khí Trong đó : là khối lượng riêng của khí đầu vào và ra + = = 1,295 (kg/ m3) + = = 1,297 (kg/ m3) Khối lượng riêng trung bình =1,296 (kg/ m3) *Khối lượng riêng của pha lỏng ρ = 995 kg/m3 (tra bảng quá trình thiết bị tập 1) *Lưu lượng pha khí: Với Gtb = Gđ = 1000m3/h Suất lượng HCl bị hấp thụ là G = Gtb ( Yv – Yr) = 39918,6 (0,0075-1.05.10-3) = 257,47 (kmol HCl/ h) - Lưu lượng HCl bị hấp thụ là P.V = n.R.T ð == =24,846 (l/kmol HCl) = 24,846.10-3 (m3/kmol HCl) ð M = G. = 257.47 (molHCl/ h) . 24,846.10-3 (m3/ mol HCl) = 6.397( m3/ h) ð Gc = Gđ – M = 1000-6,91 = 994,09 (m3/ h) ð Gtb = = = 997,545 (m3/ h) . 1,296 kg/m3 = 0,359kg/s *Lưu lượng pha lỏng Ta có phương trình làm việc: Y = 3X + 1.05.10-3 Lưu lượng nước hấp thụ: Lđ= m.Gtrđ = 3 . (1000 – 0.0075) = 0.83 m3/s . 1,2947 kg/m3 = 1,075 (kg/s) Lưu lượng pha lỏng ở đầu ra: Lc = Lđ + M = 1.075 + kg/s Lưu lương trung bình pha lỏng: kg/s Tính số bậc truyền khối: Phương trình cân bằng là đường thẳng Y* =2,9113X Yv = Yv – Y*r = Yv – 2,9 Xc = 0,0075 – 2,9113 x 2.15.10-3 = 1,24.10-3 (kmol HCl/ kmol khí trơ) Yr = Yr – Y*v = 1.0510-3 - 0 =1.05 10-3 (kmol HCl/ kmol khí trơ) = = 1,18 < 2 Ytb = = 1,145.10-3 (kmol HCl/ kmol khí trơ) noy = == 5,6 (bậc) Vận tốc dòng khí đi vào trong tháp: Tháp đệm: Chọn vật liệu đệm: ( bảng IX.8 Đặc trưng của đệm {1}) Đệm vòng rasing sếp ngẩu nhiên đệm bằng sứ: Kích thước : 30x30x3,5 mm Bề mặt tự do riêng : = 165 m2 / m3 Thể tích tự do : = 0,76 m2/ m3 Số điện trong 1m3 : 25.103 KLR xốp : = 570 kg/m3 Vận tốc dòng khí đi trong tháp = wg.n wg :Vận tốc tới hạn tương ứng với điễm nghịch đảo, nghĩa là chuyển từ chế độ chảy sang dạng như sương, xác định theo công thức : Độ nhớt của nước ở 200C = 1.10-3 N. ( Bảng 1.1[2]) : Độ nhớt pha lỏng theo nhiệt độ trung bình = = 300C Bảng I.101 [2] = 1,45.10-3 Ns/m2 Lưu lượng trung bình của pha lỏng: = 1,08 (kg/s) Lưu lượng trung bình của pha khí: = 0,359 (kg/s) KLR trung bình của pha khí: = 1,296 ( kg/m3) Giá trị A = 0,022 khí hấp thụ Vận tốc giới hạn : Wg=2.66 m/s Hệ số n được chon theo bảng phụ thuộc mục tiêu quá trình và chế độ thủy động của tháp (xem phụ lục). Chọn chế độ xoáy rối vì nó đảm bảo cường độ quá trình cao và trở lực thấp hơn so với chế độ dảo dòng. Vận tốc dòng khí đi trong tháp Wk = 0.85 x 2.66 = 2.26 (m/s) Xác định đường kính tháp hấp thụ: Đường kính tháp được xác định từ phương trình lưu lượng theo pha liên tục Trong đó: Gtb : Lưu lượng trung bình của pha khí, Kg/s : khối lượng riêng trung bình pha khí, Kg/s Wk: vận tốc khí qua tiết diện tháp, m/s dk = = 0.395 (m) Chọn đường kính là 0.5m - đường kính trong thân hình trụ được rèn bằng thép không rỉ (Bảng XIII.6) Vận tốc làm việc chính xác là: <1 vẫn đảm bảo chế độ xoáy rối Vậy dòng khí đi trong tháp là: IV.4.2.Chiều cao một đơn vị truyền khối. Chiều cao một đơn vị truyền khối phụ thuộc đặc tính đệm, chế độ thủy động lực của tháp và tính chất hóa lý các pha, h0 thay đổi theo chiều cao thiết bị và vậy được tính: h0 = + . m: hệ số phân phối, hệ số góc đường tiếp tuyến với đường cân bằng. Bởi vì đường cân bằng là đường thẳng và do đó hệ số góc thay đổi nên ta xác định hệ số phân phối trung bình như sau m = 2 m1, m2.. các hệ số góc của đường cân bằng n: số chia khoảng cách : chiều cao một đơn vị truyền khối với pha hơi : chiều cao một đơn vị truyền khối với pha lỏng Gtb: lưu lượng trung bình pha hơi (Kg/s) Gx = 0,359 Kg/s Ltb: lưu lượng trung bình pha lỏng (Kg/s) Ltb = 1,2615 Kg/s IV.4.2.1 Chiều cao một đơn vị truyền khối với pha hơi: = Trong đó: a: hệ số phụ thuộc dạng đệm, tra bảng đối với vòng rasig a=0,123 : hệ số thấm ướt của đệm, xác định theo đồ thị phụ thuộc tĩ lệ mật độ tưới thực tế lên tiết diện ngang của tháp(Utt) trên mật độ tưới thích hợp (Uth) Utt====20,97(m3/m2.h) Mật độ tưới tối ưu được xác định theo công thức: Utư = B. B: hệ số phuk thuộc dạng quá trình. Tra bảng IX.6[1] đối với hấp thụ B = 0,158m3/m.h : bề mặt riêng của đệm, m2/m3 =165 m2/m3 Utư = 0,158.165 = 26,07(m3/m2.h) Lập tỉ số: Do đó theo đồ thị IX.16: : chuẩn số Reinolds đối với pha khí của tháp đệm: y: Độ nhớt động học của pha khí tính như độ nhớt hỗn hợp của hai cấu tử hơi. ya: nồng độ mol của HCL trong pha khí Mk: khối lượng phân tử khí hỗn hợp Như vậy, độ nhớt là: Chuẩn số Reinolds đối với pha khí của tháp đệm: Prdy: chuẩn số Prandl truyền khối: Trong đó: Dy: hệ số khuếch tán phân tử khí HCL trong pha khí, m2/s Hệ số khuếch tán của HCL ở điều kiện chuẩn D0=13.10-6 (m2/s) Chiều cao một đơn vị truyền khối theo pha khí Chiều cao một đơn vị truyền khối theo pha lỏng Rel: chuẩn số Reinolds lỏng trong tháp đệm: Prdx: chuẩn số Prandl theo pha lỏng: Dx: hệ số khuếch tán HCL trong dung dịch xút 10% ở 120C, D0=2,3.10-9 m2/s (Bảng 5.6) ở điều kiện nhiệt độ trung bình của chất lỏng: Hệ số khuếch tán HCL trong nước ở nhiệt độ trung bình 300C Chuẩn số Prandl: Chiều cao một đơn vị truyền khối theo pha lỏng: Chiều cao của một đơn vị truyền khối: Tổng chiều cao của lớp đệm: H=5,523.0,7=3,87(m) Chọn chiều cao của lớp đệm là:4(m) Tỉ lệ chiều cao và đường kính: Chiều cao của phần tách lỏng Hc và đáy Hd được chon theo bảng sau, phụ thuộc đường kính tháp (xem phụ lục). Như vậy, đối với tháp có đường kính nhỏ D=0,5m; ta chọn Hc=0,8m; Hd=2m Tổng chiều cao của tháp hấp thụ: Chọn chiều cao của tháp là 7m; Hc=1m; Hd=2m; đường kính tháp là 0,5m. Tính trở lực của tháp: Tổn thất áp suất của đệm khô : tốc độ của khí tính trên toàn bộ diện tích tháp. Tổn thất áp suất của đệm khô: Tổn thất áp suất của đệm ướt Trong đó: Bảng IX.7: A = 8,4; c = 0,015; m=0,405; n=0,225 Trở lực của tháp = max(,) = =22424N/m2 Tính toán các thiết bị phụ trợ: 6. Tính các thiết bị phụ trợ: Chiều cao làm việc của tháp H: Hlv = 4m Chiều cao thân tháp H = 6,8m Đường kính tháp Dt = 0,5m 6.1: Đường ống dẫn: 6.1.1: Đường ống dẫn khí: -Vận tốc khí trong ống 4-15 m/s, ta chọn vận tốc khí vào 15 m/s D1= = = 0,15 (m) Chọn đường kính ống dẫn khí vào tháp D1=300(mm) =0,3(m) Chọn đường ống dẫn khí ra khỏi tháp D2=D1=300(mm), làm bằng thép không rĩ, bề dày ống b=4mm V= = = 3,03 () 6.1.2 Tính đường ống dẫn lỏng: + Ống đẫn lỏng vào. Vận tốc lỏng vào tháp khoảng 1,5 – 2,5 m/s (bảng II 2[5]) Chọn vận tốc V=2,5 (m/s) D3 = = 0,023 (m) Chọn đường kính ống dẫn lỏng vào D3 = 50 (mm) = 0,05 (m) V = = = 0,55m/s Bề dày ống b=4(mm), ống được làm bằng thép CT3 + Ống dẫn lỏng ra vào khoảng 0,1 – 0,5 m/s Chọn v = 0,5 m/s D4 = = = 0,05 (m) Chọn đường kính ống D4 = 100 (mm) = 0,1 (m) V = = = 0,038 (m/s) Bề dày ống b=4 (mm), ống được làm bằng thép không rĩ. IV.6.2: Tính toán đã phân phối lỏng, đĩa phân phối khí và lưới đỡ đệm. IV.6.2.1 – Tính theo đĩa phân phối. Đường kính tháp Dt = 500mm Tra bảng IX.6.22 [1] Đường kính đĩa D = 750mm Ống kính chất lỏng: d*S = 44,5*2,5 Chọn thép không rĩ X18H10T có chiều dày S= 4mm Số lượng chọn đĩa loại 2 Là 70 cái Được t = 70mm IV.6.2.2- Lưới đỡ đệm -Đường kính tháp D = 1200mm Dựa vào bảng IX.22 [1] Đường kính lưới Dt = 1165 mm Chiều rộng của bước : b = 22 Chọn chiều dày của lớp đở đệm là 20mm IV.6.2.3- Đĩa phân phối khí: Đường kính tháp Dt = 500mm Bước nhảy 75mm; chiều dày của đĩa 4mm IV.6.3- Tính bề dày thân, đáy và nắp thiết bị IV.6.3.1- Chọn vật liệu. Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn Nhiệt độ làm việc toC = 30oC Áp xuất làm việc Plv = 1 at = 9,81 (N/m2) Chọn vật liệu là thép không rĩ để chế tạo thiết bị Ký hiệu thép: X18H10T ( C 0,12%; cr 18%; N 10%; T nằm trong khoảng 1 – 15% ) ( Bảng XII.27 [1] ) Giới hạn bềnk = 550.106 ( N/m2) ( BXII.4[1] ) Giới hạn chảy: c = 220.106 ( N/m2) ( BXII.4[1] ) Chiều dày tấm thép: b = 4 – 2,5 (mm) ( BXII.4[1] ) Hệ số điều chỉnh: η = 1 ( B XIII.2[1] ) Hệ số an toàn bên kéo: ηk = 2,6 ( B XIII.3[1] ) Hệ số an toàn bên chảy: ηc = 1,5 ( B XIII.3[1] ) Hệ số bên mỏ hàn: µ = 0,95 ( Bảng XIII.8[1] ) Khối lượng riêng: = 7900 (kg/cm3) IV.6.3.2- Ứng suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bền. [k] = = .1 = 207,69.106 ( N/m2) [k] = = .1 = 146,667.106 ( N/m2) Vậy dùng [k] = 146,667 ( N/mm2) để tính toán. IV.6.3.3- Bề dày thân: Áp suất tĩnh trong phần thân thiết bị: Ptt = rgH = 1134.9,81.3,38.10-6 = 0,038 ( N/mm2) Áp suất tính toàn trong thiết bị: P = Pmt + Ptt = 0,1 + 0,038 = 0,138 ( N/mm2) Chọn bề dày thân thiết bị 4mm ( Bảng 5.1[6] ) Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử (dùng nước) Áp suất thử tính toán Po được xác định như sau và theo bảng XIII.5[1] Po = Pth + P1 = 1,5.0,1 + 0,038 = 0,188 ( N//mm2) Xác định ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử tính toán = = = 24,83(N/mm2) = 24,83 (N/m2) 146,667 N/m2 Ca : Hệ số bổ sung cho ăn mòn thiết bị = 0,1 x 10 = 1mm (giả thiết thiết bị làm việc 10 năm) Vậy chọn bề dày thân thiết bị S = 4mm IV.6.3.4- Bề dày đáy và nắp thiết bị: Chọn đáy và nắp là elip tiêu chuẩn Chọn đường kính Dt = 500mm Chọn bề dày S = 6mm Kiểm tra ứng suất cho phép: = Tra bảng XIII.10[1]: Dt = 500mm ta có: hb = 300mm; h = 25mm Bề mặt trong F = 1,66m2 k: hệ số vô thứ nguyên k = 1 khi đáy không lỗ = = 4,54 (N/mm2) = 4,54 (N/mm2) = = 183,33 (N/mm2) Vậy chọn chiều dày đáy và nắp S = 6mm IV.6.4 Tính Bích: IV.6.4.1 Tính bích nối đáy tháp với thân, nắp với thân Chọn bích liền bằng thép để nối thiết bị: (Bảng XIII.27[1]) Đường kính trong của tháp: Dt = 500 mm. Đường kính ngoài của tháp:Dn= 500 mm. Đường kính ngoài của bích : D= 1350 mm. Đường kính tâm bulong Db = 1300 mm Đường kính mép vát Di = 1260 mm Đường kính bulong db = 24 mm Số bulong Z = 32 Chiều cao bích h = 30 mm Khối lượng bích : m1= Dùng 2 bích để nối nắp với thân và đáy với thân, 2 bích để nối thân và thân IV.6.4.2Tính mặt bích nối ống dẫn và thiết bị + Ống dẫn khí vào và ra : D= 300 mm Chọn bích liền bằng kim loại đen để nối các ống với thiết bị: (Bảng XIII.26[1]) Đường kính trong của ống : Dt = 300 mm. Đường kính ngoài của ống : Dn = 325 mm. Đường kính ngoài của bích : D= 440 mm. Đường kính tâm bulong Db = 400 mm Đường kính mép vát Di = 370 mm Đường kính bulong db = 20 mm Số bulong Z = 12 Chiều cao bích h = 28 mm Khối lượng bích : m2 = + Ống dẫn lỏng ra : D= 100 mm Chọn bích liền bằng kim loại đen để nối các ống với thiết bị: (Bảng XIII.26 [1]) Đường kính trong của ống : Dt = 100 mm. Đường kính ngoài của ống : Dn = 108 mm. Đường kính ngoài của bích : D = 215 mm. Đường kính tâm bulong Db = 180 mm Đường kính mép vát Di = 158 mm Đường kính bulong db = 16 mm Số bulong Z = 4 Chiều cao bích h = 12 mm Khối lượng bích : m3 = + Ống dẫn lỏng vào : D= 50mm Chọn bích liền bằng kim loại đen để nối các ống với thiết bị: (Bảng XIII.26 [1]) Đường kính trong của ống Dt= 50mm Đường kính ngoài cuûa ống Dn=57mm Đường kính ngoài của bích : D = 160 mm. Đường kính tâm bulong Db = 125 mm Đường kính mép vát Di = 102 mm Đường kính bulong db = 16 mm Số bulong Z = 4 Chiều cao bích h = 4 mm Tổng khối lượng của bích: M=4m1+2m2+2m3=4.292,56+2.15,28+2.2,57 =1205,94(Kg) IV.6.5 Tính chân đỡ: IV.6.5.1 Tính khối lượng toàn bộ của tháp: Khối lượng riêng của thép không rỉ X18H10T r=7900Kg/m3 Mnắp=Mđáy=79.1,01=79,8 (Kg) (tra bảng XIII.11[1]) Mthân tháp=V.r=0,785.(Dn2 –Dt2).H. r Mthân tháp =0,785.(1,2162–1,22).6,5.7900=1558(Kg) Mđệm= 0,785.1,22(1-0,76).3,38.570=523(Kg) Chọn vận tốc dòng khí đi trong tháp v=2,5 m/s Thời gian lưu trong tháp Thể tích chất lỏng lưu trong tháp: V= Q.t= .1,6 = 0,00156(m3) Khối lượng chất lỏng lưu trong tháp: mlỏng=0,00156.784=1,22(Kg) Mbích = 1205,94Kg Những phần còn lại xem như khối lượng nhỏ, không đáng kể Tổng khối lượng của tháp SM=79,8+1558+523+1,22+1205,94 » 3368(Kg) IV.6.5.2 Tính chân đỡ thiết bị: Tải trọng của tháp: SP= 3368.10= 33680 (N) Chọn thiết bị có 3 chân đỡ Tải trọng tác dụng lên 1 chân đỡ: Tra bảnng XIII.35[1] : Bề mặt đỡ: F=811.10-4 m2 Tải trọng cho phép trên bề mặt đỡ q = 0,32.106 N/m2 L = 210mm H = 300mm h = 160mm B2 = 245mm B =150mm s = 14mm B1 =180mm d = 23mm l =75mm Vật liệu chân là thép CT3 IV.6.5.3 Tính tai treo cho thiết bị: Chọn tai treo cho tháp bằng thép CT3 Tải trọng cho phép đặt trên một tai treo là 0,584.104 (N) Chọn tải trọng cho phép là 1.104N Tra bảnng XIII.36[1] Bề mặt đỡ F = 89,5.10-4m2 H = 170mm Q = 1,12.106 N/m2 S = 8mm L = 110mm l = 45mm B = 85mm a = 15mm B1 = 90mm d = 12mm Khối lượng của tai treo 2Kg/1 tai treo * 4 tai treo = 8 Kg 6.6. Bơm – quạt: 6.6.1.Quạt: Công suất quạt: N= : Hệ số hữu ích tổng cộng của quạt gió = td . q td: Hiệu suất truyền động của quạt 0,85 – 0,95. Chọn td = 0,9 q: Hiệu suất của quạt 0,5 – 0,6. Chọn q = 0,55 = td . q = 0,9.0,55 = 0,495 Công suất động cơ: Ndc = “1,5 . N” = Chọn quạt có công suất … Hp 6.6.2. Bơm: Đặt bồn cao vị tại độ cao 8 m : Hiệu suất bơm = 0,72 – 0,93. Chọn hiệu suất bơm là 0.85 Lưu lượng lỏng cần đưa vào tháp là 4Kg/s. Chọn lưu lượng của bơm là 6Kg/s. Qbơm = (m3/s) N= Để bơm làm việc an toàn ta lấy công suất lớn hơn công suất cần thiết. Chọn hệ số an toàn công suất = 1,5 (Bảng 1.1 ) Nyct = . N = (kw) Chọn bơm có công suất …Hp 6.7. Chiều cao ống khói: Chọn đường kính ống khói D = 0,5m Vận tốc khí đi trong ống khói: = (m/s) Nồng độ cực đại trên mặt đất: Cmax = => H = Trong đó: A = (u1 = …m/s) Hệ số kể đến độ ổn định của khí quyển Đối với phần lớn các địa phương của Việt Nam, A = 200 240 Chọn A = 220 () Cmax : Nồng độ cực đại trên mặt đất Cmax = = (Kg/m3) L : Lưu lượng khí thải L = (m3/s) M: Lượng phát thải độc hại M = 0,0146Kg/s F: Hệ số kể đến loại chất khuếch tán. Đối với khí F=1 : Hiệu số giữa nhiệt độ khí thải với nhiệt độ khí quyển: = … m, n : Các hệ số không thứ nguyên kể đến điều kiện thoát ra của khí thải ở miệng ống khói. Tính toán chiều cao ống khói bằng vòng lặp sau: Chọn m=1, n=1 H1== (m) f=103. m = … Đối với nguồn nóng: VM = 0,65. = … Ta nhận thấy <5% Ta có thể kết thúc vòng lặp với chiều cao ống khói H= (m) Chọn chiều cao ống khói …m CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN KINH TẾ CHƯƠNG V: KẾT LUẬN