ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ XỬ LÝ KHÍ THẢI QUÁ TRÌNH TẨY GỈ KIM LOẠI

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay vật liệu kim loại vẫn đang chiếm vị trí quan trọng nhất trong nền
kinh tế quốc dân, do chúng có hoạt tính cao nên dễ bị môi trường tác động làm phá
hủy dần từ ngoài vào trong, kết quả là tạo ra những lớp gỉ trên bề mặt kim loại gây
thiệt hại lớn về chi phí bảo dưỡng, thay thế vật liệu. Đặc biệt hậu quả của ăn mòn là
gây ô nhiễm môi trường và mất cân bằng sinh thái.
Việt Nam là đất nước có khí hậu nóng, ẩm, tỷ lệ sử dụng kim loại còn cao vì
vậy thiệt hại ăn mòn là rất cao.
Vấn đề được đặt ra hiện nay, là tìm cách ngăn chặn sự hình thành gỉ trên bề
mặt kim loại và các hợp kim của sắt. Có rất nhiều cách, một trong những phương
pháp được xem là hiệu quả là phủ trên bề mặt kim loại một lớp mạ. Nhưng trước
khi mạ, ta cần phải loại bỏ lớp gỉ để lớp mạ được bám dính tốt. Để loại lớp gỉ,
thường các nhà máy cán thép sử dụng hóa chất để tẩy gỉ. Hóa chất được dùng phổ
biến nhất là các axit vô cơ như: HCl, H
2
SO
4
, HNO
3
,
Ở các nhà máy cán thép, lượng khí thải ra từ quá trình tẩy gỉ là rất lớn. Việc
loại bỏ lượng khí này ra môi trường sẽ gây ô nhiễm nặng. Vấn đề được đặt ra phải
tìm cách xử lý khí này một cách hợp lý và kinh tế nhất.
PHẦN 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: SỰ HÌNH THÀNH GỈ SẮT VÀ QUÁ TRÌNH XỬ
LÝ GỈ SẮT
1.1 Sự hình thành gỉ sắt
1.1.1 Điều kiện hình thành gỉ sắt
1.1.1.1 Độ ẩm
Độ ẩm là điều kiện cần thiết cho ăn mòn trong khí quyển vì nó quyết định sự
ngưng tụ hơi nước. Nước ngưng tụ đọng lại trên bề mặt kim loại sẽ tạo thành dung

dịch điện li (khi có mặt các muối hòa tan) làm cho phản ứng ăn mòn có thể xảy ra.
Theo lý thuyết, sự ngưng tụ xảy ra khi độ ẩm tương đối đạt đến 100%, tuy
nhiên trong một số trường hợp sự ngưng tụ vẫn có thể xảy ra dù độ ẩm tương đối
nhỏ hơn 100%. Hiện tượng này xảy ra khi nhiệt độ kim loại thấp hơn nhiệt độ môi
trường, khi bề mặt kim loại có muối hoặc khi bề mặt có các lỗ xốp.
Khi tăng độ ẩm thì tốc độ ăn mòn cũng tăng nhưng nếu trong điều kiện khí
sạch hoàn toàn, thì tốc độ tăng không đáng kể. Nhưng khi không khí có nhiễm bẩn
thì tốc độ tăng lên rất lớn. Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào độ ẩm có thể biểu diễn
theo phương trình: V
K
= V
O
.X
2
V
K
: tốc độ ăn mòn ở độ ẩm bất kỳ.
V
O
: tốc độ ăn mòn khi độ ẩm tương đối 100%.
X: độ ẩm tương đối.
Độ ẩm chỉ là điều kiện cần nhưng chưa đủ. Ngay trong một môi trường rất ẩm,
các bề mặt sạch, không nhiễm bẩn đặt trong không khí không ô nhiễm chỉ bị ăn
mòn với tốc độ tương đối thấp.
1.1.1.2 Các chất ô nhiễm.
Các chất ô nhiễm làm gia tăng ăn mòn trong khí quyển do tăng tính chất dung
dịch điện ly và tăng độ ổn định của lớp màng nước ngưng tụ từ khí quyển.
SO
2
là một chất ô nhiễm thường gặp, khi hấp thu trong lớp nước bề mặt sẽ tạo

ra H
2
SO
4
làm tăng đáng kể tốc độ ăn mòn của thép cacbon trong khí quyển.
Khi không có SO
2
, lớp sản phẩm ăn mòn có tính bảo vệ nên tốc độ ăn mòn
thấp. Khi có mặt SO
2
lớp màng không có tính bảo vệ nên tổn thất khối lượng sẽ
tăng theo thời gian. Do đó các chất ô nhiễm như SO
2
, NO
2
, Cl
-
, F
-
có thể cung cấp
các chất tan cho lớp nước trên bề mặt và gây ra ăn mòn kim loại.
Trong khí quyển chứa 0.01% SO
2
, tốc độ ăn mòn thép cacbon tăng nhanh khi
độ ẩm lớn hơn độ ẩm tới hạn (60%). Ở độ ẩm tương đối gần 100% dù không có
SO
2
, sự ăn mòn vẫn tiếp tục với tốc độ thấp.
Hiện tượng này là do sản phẩm ăn mòn FeSO
4

tạo thành có tính hút ẩm, sẽ hấp
thu nước khi độ ẩm tương đối vượt qua mức độ ẩm tới hạn. Các sản phẩm ăn mòn
hút ẩm, và các muối khác kết tủa từ khí quyển, sẽ làm giảm độ ẩm tương đối cần
thiết để gây ra ngưng tụ nước. Sự có mặt của màng nước này dẫn đến tăng thời gian
thấm ướt và làm tăng mức độ ăn mòn. Chỉ khi độ ẩm thấp hơn giá trị tới hạn ứng
với mỗi loại muối thì sự tạo thành màng nước mới bị loại trừ và sự ăn mòn giảm
đến mức thấp nhất.
Độ ẩm tương đối tới hạn RH
crit
của một số loại muối và ảnh hưởng ăn mòn khí
quyển của chúng trên thép cacbon được trình bày trong bảng.
Bảng 1.1 Độ ẩm tương đối tới hạn RH
crit
của một số loại muối
Muối sử dụng
R
H
crit
Độ ẩm tương đối, %
100 90 80 70 60 50
Na
2
SO
4
.10H
2
O
KCl
NaCl
NaNO

3
NaNO
2
NaBr.2H
2
O
NaI.2H
2
O
LiCl.H
2
O
9
3
8
6
7
8
7
7
6
6
5
9
4
3
1
5
* o o o o o
* * × o o o

* * * × o o
* * * o o o
+ + + + o o
* * * * * o
* * * * * *
* * * * * *
*: Lớp muối phủ hút ẩm, tạo gỉ và ăn mòn nền thép.
x: Lớp muối phủ có màu nâu ở biên, có ăn mòn nền thép.
+: Lớp muối phủ chuyển thành dung dịch không màu, không ăn mòn.
o: Lớp muối phủ khô, không ăn mòn.
Từ bảng trên, sự ăn mòn là thấp nhất khi độ ẩm tương đối thấp hơn RH
crit
.
NaNO
2
hút ẩm, nhưng lại là một chất ức chế nên không tuân theo quy luật trên.
1.1.1.3 Nhiệt độ.
Nhiệt độ có ảnh hưởng khác nhau đến ăn mòn khí quyển. Nhiệt độ không khí
bình thường sẽ giữ tốc độ ăn mòn tương đối thấp nhưng có thể làm tăng sự ngưng tụ
màng nước trên bề mặt dẫn đến tăng ăn mòn. Việc phơi ngoài ánh sáng mặt trời sẽ
làm tăng nhiệt độ và sấy khô bề mặt dẫn đến giảm ăn mòn. Do đó bề mặt che phủ
thường bị ăn mòn nhanh hơn bề mặt phơi nắng trực tiếp.
Sự kết hợp của độ ẩm cao, nhiệt độ trung bình cao và sự có mặt của các chất ô
nhiễm công nghiệp hoặc muối biển mang theo trong không khí sẽ làm tăng tốc độ
ăn mòn trong khí quyển. Do đó tốc độ ăn mòn cao nhất trong các vùng biển nhiệt
đới hoặc bán nhiệt đới. Thiếu một trong các yếu tố trên thì tốc độ ăn mòn sẽ thấp.
1.1.2 Cơ chế hình thành gỉ sắt
Sắt bị rỉ khi tiếp xúc đồng thời với oxi và hơi ẩm của không khí. Rỉ sắt là quá
trình ăn mòn có tính điện hóa, cơ chế của nó giống với cơ chế của quá trình oxi hóa
- khử xảy ra ở trong pin điện. Một điểm ở trên bề mặt của sắt thép có thể là điện cực

âm, tại đó xảy ra quá trình oxi hóa sắt, electron từ sắt chuyển đến một điểm khác ở
trên bề mặt của sắt là điện cực dương, tại đó xảy ra quá trình khử oxi của không khí.
Không khí khô hoặc ẩm, thép hoặc sắt sẽ tạo thành một màng oxýt rất mỏng
bao gồm lớp bên trong là oxýt sắt từ, Fe
3
O
4
(FeO.Fe
2
O
3
) bên ngoài là lớp gỉ FeOOH.
Fe trong oxýt sắt từ có thể ở dạng Fe
2+
(FeO) hoặc Fe
3+
(Fe
2
O
3
). Các vết nứt trên lớp
gỉ FeOOH cho phép oxy từ khí quyển dễ dàng xâm nhập và oxy hóa hoàn toàn oxýt
sắt từ thành dạng hydrat Fe
2
O
3
.H
2
O hoặc FeOOH (Fe
2

O
3
.H
2
O = 2FeOOH). Các lỗ
xốp trong oxýt sắt từ được làm đầy bằng nước ngưng tụ và sản phẩm ăn mòn không
tan. Do đó lớp oxýt sắt từ sẽ có tính bảo vệ trong môi trường hơi nước không ô
nhiễm.
Không khí xung quanh thường chứa một lượng SO
2
, chất này phản ứng với
nước và oxy hòa tan để tạo H
2
SO
4
trong các lỗ xốp, dẫn đến phản ứng hòa tan một
phần màng oxýt tạo thành FeSO
4
. Muối này bị thủy phân sẽ cung cấp thêm môi
trường axit, làm cho màng oxýt dễ hòa tan hơn, mở rộng lỗ xốp trong oxýt sắt từ và
cho phép dung dịch điện ly thâm nhập dễ dàng vào bề mặt kim loại nền. Ngoài ra
FeSO
4
còn là chất hút ẩm, sẽ hấp thu nước từ khí quyển và làm tăng tốc độ ăn mòn
khi độ ẩm lớn hơn độ ẩm tới hạn.
Phản ứng anốt hòa tan sắt xảy ra dưới lớp oxýt sắt từ Fe
3
O
4
.

Fe
→
Fe
2+
+ 2e
Ion Fe
2+
trong dung dịch bão hòa (hoặc gần như bão hòa) nằm trong các lỗ xốp
của Fe
3
O
4
sẽ phản ứng với oxy ở phía ngoài lớp Fe
3
O
4
để tạo thêm Fe
3
O
4
.
3Fe
2+
+ 2OH
-
+ 1/2O
2
→
Fe
3

O
4
+ H
2
O
Phản ứng khử catốt là:
8FeOOH + Fe
2+
+ 2e
→
3Fe
3
O
4
+ 4H
2
O
trong đó Fe
3+
trong gỉ FeOOH bị khử thành Fe
2+
trong Fe
3
O
4
ở bề mặt tiếp xúc
hai pha. Oxy khí quyển xâm nhập ngang qua các vết nứt trong lớp gỉ có thể oxy hóa
Fe
3
O

4
trở lại thành gỉ.
3Fe
3
O
4
+ 0.75O
2
+ 4.5H
2
O
→
FeOOH
Một lượng sunphát không tan sẽ kết tủa trong lớp oxýt.
1.2 Tẩy gỉ
1.2.1 Mục đích tẩy gỉ
Bước này cho phép làm sạch các tạp chất trên bề mặt (tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ) và
làm cho bề mặt bóng, láng hơn.
Để làm sạch bề mặt phải tẩy dầu mỡ trước rồi mới tẩy gỉ. Nếu quá trình tẩy
dầu mỡ được thực hiện không đúng, thì quá trình tẩy gỉ cũng sẽ không hiệu quả.
Việc lựa chọn quá trình tẩy rửa phụ thuộc vào các yếu tố sau:
 Loại chất bẩn hiện diện trên bề mặt.
 Thành phần và cấu trúc vật liệu nền.
 Mức độ sạch yêu cầu của bề mặt.
 Loại xử lý bề mặt sau đó.
 Môi trường.
 Kích thước chi tiết.
 Chi phí vận hành.
1.2.2 Phương pháp tẩy gỉ
Tẩy gỉ là quá trình loại bỏ các lớp màng oxýt trên bề mặt chi tiết bằng tác

động hóa học (tẩy gỉ hóa học) hoặc kết hợp tác động hóa và tác động cơ (tẩy gỉ điện
hóa). Thành phần và các thông số vận hành của bể tẩy gỉ phụ thuộc vào loại chất
nền.
Tẩy gỉ thường tiến hành ngay sau khâu tẩy dầu mỡ để khử hết màng oxyt, lớp
gỉ và các hợp chất hóa học khác sinh ra trên bề mặt kim lọai, tạo điều kiện cho lớp
mạ bám chắc trực tiếp với bề mặt nền.
Quá trình tẩy gỉ có thể thực hiện bằng các cách:
 Tẩy gỉ hóa học.
 Tẩy gỉ điện hóa.
 Tẩy gỉ cơ học.
1.2.2.1 Tẩy gỉ hóa học.
Lớp gỉ trên kim loại đen có thể dày đến 0.01
÷
0.1mm, bao gồm các chất FeO,
Fe
3
O
4
và Fe
2
O
3
. Tẩy gỉ cho kim loại đen thường dùng axit sunfuric hoặc axit
clohydric, đôi khi dùng hỗn hợp cả hai axit ấy. Khi tẩy bao giờ cũng xảy ra hai quá
trình hòa tan gỉ và hòa tan kim loại. Ví dụ: tẩy trong axít sunfuric sẽ xảy ra như sau:
Fe
2
O
3
+ 3H

2
SO
4
→
Fe
2
(SO
4
)
3
+ 3H
2
O.
FeO + H
2
SO
4
→
FeSO
4
+ H
2
O.
Fe + H
2
SO
4
→
FeSO
4

+ H
2
.
Fe
2
(SO
4
)
3
+ Fe
→
3FeSO
4
.
Tẩy trong HCl quá trình hòa tan gỉ là chính. Tẩy trong H
2
SO
4
quá trình hòa tan
sắt là chính, nhưng gỉ vẫn được làm sạch là do bọt hydrô thoát ra, kéo gỉ bay khỏi
mặt kim loại, đồng thời hydrô sinh ra sẽ khử Fe
2
O
3
và Fe
3
O
4
là những chất khó tan
trong axit thành FeO dễ tan trong axit hơn nên bề mặt kim loại vẫn được làm sạch.

Mặt khác có một phần nhỏ phân tử hydrô thoát ra sẽ thấm vào mạng lưới tinh thể
kim loại làm biến dạng và thay đổi tính chất cơ lý của nó: dòn, đàn hồi kém.
Tẩy trong HCl gỉ không bay ra mà bị hòa tan dưới tác dụng của HCl nên tốc
độ tẩy nhanh hơn, nhưng đồng thời cũng tốn axít hơn so với tẩy trong H
2
SO
4
và
thiết bị đó bị ăn mòn hơn.
Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tẩy. Nâng cao nhiệt độ có thể rút
ngắn thời gian tẩy. Dung dịch H
2
SO
4
80
÷
120 g/l tẩy tốt nhất ở 50
÷
70
o
C. Dung
dịch HCl 150
÷
200 g/l tẩy tốt nhất ở 30
÷
40
o
C. Thời gian tẩy từ 10
÷
120 phút,

tùy tính chất và độ dày của lớp gỉ.
Khi tẩy thường cho thêm chất ức chế vào dung dịch để hạn chế sự hòa tan kim
loại nền, giảm lượng axit tiêu phí, tránh cho kim loại không bị giòn hydrô, cải thiện
điều kiện làm việc, nhưng không ảnh hưởng đến tốc độ tẩy gỉ. Chất ức chế bảo vệ
được kim loại là do chúng bị hấp phụ lên mặt kim loại làm tăng quá thế hydrô nên
hydrô không thoát ra và quá trình hòa tan kim loại bị kìm hãm. Nhiệt độ cao, tác
dụng của chất ức chế càng giảm cho nên dung dịch không được quá 25
÷
30
o
C.
Chất ức chế dùng trong dung dịch H
2
SO
4
tốt nhất là các chất có chứa quinôlin,
tiôurê, tiodiglycol và naphtylamin. Chất ức chế dùng trong dung dịch HCl là
urôtrônin, butylamin cao phân tử.
1.2.2.2 Tẩy gỉ điện hóa.
Có thể dùng phương pháp điện phân để tẩy gỉ cho kim loại. Kim loại tẩy có
thể mắc thành anôt hoặc catôt. Khi tẩy anôt kim loại sẽ hòa tan, gỉ sẽ bong ra nhờ
oxy thoát ra và đẩy nó rời khỏi mặt kim loại. Dung dịch tẩy là axít hoặc muối của
nó. Khi tẩy catôt, tác dụng hóa học của axit sẽ giảm đi do hiện tượng phân cực
nhưng hydrô thoát ra sẽ khử oxyt kim loại, đồng thời sẽ làm bong oxyt khỏi mặt
kim loại. Dung dịch cũng có thể là axit hoặc muối.
Ưu điểm: nhanh, ít tốn axit, làm việc nhẹ nhàng, có thể tẩy được một số hợp
kim mà phương pháp hóa học không tẩy được.
Trong sản xuất, thường tẩy anôt vì tẩy catôt kim loại dễ bị giòn hydrô. Nhưng
khả năng phân bố của dung dịch kém nên đối với các vật có hình thù phức tạp tẩy
không lợi: chỗ lồi mòn nhanh, chỗ lõm mòn ít, thậm chí gỉ không tan hết. Tẩy axit

thường dùng dung dịch H
2
SO
4
200
÷
250 g/l và dung dịch sunfat hoặc clorua sắt
trong axit. Nhiệt độ tẩy 20
÷
50
o
C. Mật độ dòng điện 5
÷
10 A/cm
2
. Catôt bằng chì
hoặc bằng thép.
1.2.2.3 Tẩy gỉ cơ học.
Tẩy gỉ cơ học là quá trình phun các vật liệu mài với tốc độ nào đó vào bề mặt
nền, ví dụ phun cát. Sự va chạm giữa các hạt mài với chi tiết sẽ làm bong rỉ, muội
than, cát hoặc các thành phần khác tạo ra khi đúc,
Hiệu quả của tẩy gỉ cơ học phụ thuộc vào việc lựa chọn vật liệu mài và tốc độ
phun. Các vật liệu mài có thể là kim loại (thép, gang, Al, Cu, ) hoặc không kim
loại (cát, thủy tinh, hạt quả mơ, nylon, ) ở dạng hình tròn có góc cạnh, hình trụ,
Việc lựa chọn vật liệu mài dựa trên tính xâm thực (khả năng truyền động năng khi
hạt mài va chạm bề mặt chi tiết; khả năng này phụ thuộc vào hình dáng của hạt
mài), độ bền va đập của hạt mài (giảm kích thước và thay đổi hình dáng), khối
lượng của hạt mài (động năng va chạm) và kích thước hạt (hạt nhỏ thì khả năng bao
phủ tốt, hạt lớn thì động năng lớn).
1.2.3 Dung dịch tẩy gỉ hóa học.

Axit sunfuric H
2
SO
4
10%: giá thành rẻ, ít gây ô nhiễm, ít hao hụt khi sử dụng,
có thể dùng ở nhiệt độ thường hay đun nóng nhẹ ở 40
o
C, axit sunfuric được sử dụng
rất phổ biến.
Axit clohydric HCl và axít HCl 10%: là axit điển hình cho quá trình tẩy gỉ sắt,
thép, gang ngay cả ở nhiệt độ thường.
Axit flohydric H
2
F
2
: dung dịch axit flohydric chứa 40% trọng lượng H
2
F
2
. Do
tính độc nên việc sử dụng axít này hạn chế, chỉ dùng trong những trường hợp đặc
biệt, nhất là để tẩy gỉ các sản phẩm gang đúc, tẩy xóa những vụn cát còn bám dính
trên bề mặt chi tiết, nhất là ở những chỗ kín, đáy khe, rãnh mà phương pháp cơ khí
không có khả năng.
Axit citric C
6
H
8
O
7

: dùng chủ yếu để tẩy gỉ cho các thiết bị lò hơi. Nó thường
được dùng ở dạng dung dịch 1.5 - 3%. pH dao động trong khoảng 3.5 - 4. Tiến hành
tẩy gỉ ở gần nhiệt độ sôi của dung dịch. Bề mặt chi tiết sau khi tẩy gỉ có màu sáng
bạc và không bị thụ động.
Ngoài axit citric, một số axit hữu cơ khác cũng được sử dụng để tẩy gỉ như:
axit oxalic, axit axetic, axit aminsulfonic (NH
2
SO
3
H - chất rắn kết tinh, tan mạnh
trong nước), axit floboric (HBF
4
) thường dùng tẩy gỉ cho đồng thau.
Dung dịch kiềm: dùng để tẩy gỉ cho nhôm, hợp kim của nhôm và trong một số
trường hợp dùng cho kim loại kẽm. Dung dịch kiềm thường dùng là dung dịch
NaOH 5%.
1.3 Các vấn đề môi trường trong quá trình tẩy gỉ kim loại
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ
2.1 Các phương pháp xử lý khí thải từ quá trình tẩy gỉ kim loại:
2.1.1 Phương pháp hấp thụ:
Hấp thụ là quá trình lôi cuốn chọn lọc một cấu tử nào đó từ hỗn hợp khí bởi
chất lỏng. Dựa vào sự tương tác giữa chất hấp thụ (dung môi) và chất bị hấp
thụ(chất ô nhiễm) trong pha khí, phân thành 2 loại hấp thụ:
Hấp thụ vật lý:Dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng(tương
tác vật lý).Hấp thụ vật lý được sử dụng rộng rãi trong xử lý khí thải.
Hấp thụ hóa học:Cấu tử trong pha khí và pha lỏng có phản ứng hóa học với
nhau (tương tác hóa học).
Quá trình hấp thụ mạnh hay yếu là tùy thuộc vào bản chất hóa học của dung
môi và các chất ô nhiễm trong khí thải.
Hấp thụ là một quá trình mà truyền khối mà ở đó các phân tử chất khí

chuyển dịch và hòa tan vào chất lỏng.Sự hòa tan có thể diễn ra đồng thời với một
phản ứng hóa học giữa các hợp phần của pha lỏng và pha khí hoặc không có phản
ứng hóa học.
Truyền khối thực chất là một quá trình khuếch tán mà ở đó chất khí ô nhiễm
dịch chuyển từ trạng thái có nồng độ cao đến trạng thái có nồng độ thấp hơn .Việc
khử chất khí diễn ra theo 3 giai đoạn:
1. Khuếch tán chất khí ô nhiễm đến bề mặt chất lỏng
2. Truyền ngang qua bề mặt tiếp xúc pha khí /lỏng
3. Khuếch tán chất khí hoàn tan từ bề mặt tiếp xúc pha vào trong pha lỏng
Sự chênh lệch nồng độ ở bề mặt tiếp xúc pha thuận lợi cho động lực của quá
trình và quá trình hấp thụ diễn ra mạnh mẽ trong điều kiện diện tích tiếp xúc pha
lớn,độ hỗn loạn cao và độ khuếch tán cao.Bởi vì một số hợp phần của hỗn hợp khí
có khả năng hòa ta mới có thể hòa tan được trong chất lỏng,cho nên quá trình hấp
thụ chỉ đạt hiệu quả cao khi lựa chọn dung dịch hấp thụ có tính hòa tan cao hoặc
những dung dịch phản ứng không thuận nghịch với chất khí cần được hấp thụ.
Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc càng lớn càng tốt giữa
hai pha khí và lỏng .
Nguyên lý hoạt động của tháp hấp thụ như sau
- Dòng khí được dẫn vào ở đáy tháp, dung dịch hấp thụ được phun ở đỉnh
tháp.
- Dòng khí cần xử lý tiếp xúc với dung dịch hấp thụ, chất cần xử lý được giữ
lại trong dung dịch hấp thụ và được thu ở đáy tháp.Dòng không khí sạch thoát ra
ngoài trên đỉnh tháp.
Có nhiều dạng kiểu thiết bị hấp thụ khác nhau và có thể phân thành các loại
chính sau:
1. Buồng phun,tháp phun:Trong đó chất lỏng được phun thành giọt nhỏ
trong thể tích rỗng của thiết bị và cho dòng khí đi qua.Tháp phun đươc sử dụng khi
yêu cầu trở lực bé và khí có chứa hạt rắn.
2. Thiết bị sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp
chất lỏng.Quá trình phân tán khí có thể được thực hiện bằng cách cho khí đi qua

tấm xốp,tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học .
3. Thiết bị hấp thụ kiểu sủi bọt: Khí đi qua tấm đục lỗ bên trong có chứa
lớp chất lỏng mỏng.
4. Thiết bị hấp thụ có đệm bằng vật liệu rỗng(tháp đệm):Là một tháp
dạng cột bên trong chất gần đầy các vật liệu đệm nhằm tạo ra một bề mặt tiếp xúc
cao nhất có thể để cho dòng khí (đi từ dưới lên)và dòng lỏng(từ đỉnh tháp xuống)
tiếp xúc tốt với nhau khi chuyển động ngược chiều trong lớp đệm.Quá trình tiếp xúc
này sẽ làm cho bụi và chất ô nhiễm trong khí thải bị giữ lại và bị hấp thụ bởi dòng
chất lỏng.Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ
lệ lỏng:khí lớn.Khí không chứa bụi và hấp thụ không tạo ra cặn lắng.Vật liệu đệm
được sử dụng trong các tháp này có thể là đá nghiền,vòng rassing, vật thể hình yên
ngựa,vòng ngăn, than cốc,đá xoắn ốc,vật liệu ô vuông làm bằng gỗ hoặc các loại sợi
tổng hợp.
5.Tháp đĩa: Có cấu tạo là một thân tháp hình trụ thẳng đứng trong có gắn
các đĩa có cấu tạo khác nhau.
Như vậy để hấp thụ được một số chất nào đó ta phải dựa vào độ hòa tan chọn
lọc của chất khí trong dung môi để chọn dung môi cho thích hợp hoặc dung dịch
thích hợp(trong trường hợp hấp thụ hóa học).Quá trịnh hấp thụ được thực hiện tốt
hay xấu phần lớn là do tính chất dung môi quyết định,hiệu quả của quá trình phụ
thuộc vào diện tích tiếp xúc bề mặt giữa khí thải và chất lỏng,thời gian tiếp
xúc,nồng độ môi trường hấp thu và tốc độ phản ứng giữa chất hấp thu và khí thải.
2.1.2.Phương pháp hấp phụ:
Hấp phụ là hiện tượng tăng nồng độ của một chất tan (chất bị hấp phụ)trên
bề mặt một chất rắn ( chất hấp phụ).Chất đã bị hấp phụ chỉ tồn tại trên bề mặt chất
rắn,không phân bố đều khắp trong toàn bộ thể tích chất hấp phụ (còn gọi là quá
trình phân bố 2 chiều).
Trong kỹ thuật xử lý ô nhiễm không khí,phương pháp hấp phụ được dùng để
thu hồi và sử dụng lại hơi của các chất hữu cơ,khử mùi các nhà máy sản xuất thực
phẩm,thuộc da,nhuộm…
Có thể phân loại phương pháp hấp phụ như sau:

Dựa vào bản chất quá trình hấp phụ:
Hấp phụ vật lý:Là hấp phụ đa phân tử, lực liên kết là lực hút giữa các phân
tử (Lực Vanderwaals) không tạo thành hợp chất bề mặt.
Hấp phụ hóa học:là hấp phụ đơn phân tử,lực liên kết là lực liên kểt bề mặt
tạo nên hợp chất bề mặt.
Dựa theo điều kiện hấp phụ:
Hấp phụ trong điều kiện động
Hấp phụ trong điều kiện tĩnh
Hấp phụ chọn lọc:Dựa vào ái lực khác nhau giữa chất ô nhiễm và bề mặt
chất rắn,phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ.
Hấp phụ trao đổi:Dựa vào cường độ hoặc ái lực của các ion chất hấp phụ và
chất bị hấp phụ.
Quá trình hấp phụ có thể được tiến hành trong lớp chất hấp phụ đứng yên,
tầng sôi hoặc chuyển động. Tuy nhiên trên thực tế phổ biến nhất là thiết bị với lớp
chất hấp phụ không chuyển động được bố trí trong tháp đứng,tháp nằm hoặc tháp
vòng .Tháp đứng được sử dụng khi cần xử lý lưu lượng nhỏ.
2.1.3.Phương pháp đốt:
Áp dụng khi lượng khí thải lớn mà nồng độ chất ô nhiễm cháy được lại rất bé
đặc biệt là những chất có mùi khó chịu.
Các chất khí được xử lý theo phương pháp đốt thường là các hợp chất
hydrocacbon,các dung môi hữu cơ…Việc xử lý khí thải theo phương pháp này được
sử dụng trong trường hợp khí thải có nồng độ chất độc cao vượt quá giới hạn bắt
cháy và có chứa hàm lượng oxygen đủ lớn.
Quá trình đốt được thực hiện trong hệ thống gồm những thiết bị liên kết đơn
giản có khả năng đạt hiệu suất phân hủy cao.Hệ thống đốt gồm cửa lò,bộ mồi lửa
đốt bằng nhiên liệu và khí thải.
Có 2 phương pháp đốt:
 Đốt bằng ngọn lửa trực tiếp(phương pháp oxy hóa nhiệt):làm
cho chất ô nhiễm cháy trực tiếp trong không khí mà không cần bổ sung thêm
nhiên liệu,chỉ cần nhiên liệu để mồi lửa và điều chỉnh.

 Thiêu đốt có xúc tác(phương pháp oxy hóa xúc tác):Quá trình
oxy hóa chất ô nhiễm trên bề mặt chất xúc tác.
Để lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp cần phân tích phạm vi ứng
dụng,ưu nhược điểm của các phương pháp nêu trên tạo cơ sở cho việc lựa
chọn.
2.2 Ưu, nhược điểm của phương pháp xử lý khí thải từ quá trình tẩy gỉ kim
loại
2.2.1 Phương pháp hấp thụ:
Ưu điểm:
Rẻ,dễ ứng dụng,có thể sử dụng dung môi là nước để hấp thụ các khí độc hại
như SO
2
,H
2
S rất hiệu quả.
Có thể sử dụng kết hợp khi cần rửa khí làm sạch bụi,khí 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.
Nhược điểm:
Hiệu suất làm sạch không cao,không dùng để xử lý dòng khí có nhiệt độ cao.
Quá trình hấp thụ là quá trình tỏa nhiệt nên khi thiết kế nhiều trường hợp cần
phải lắp đặt thêm thiết bị trao đổi nhiệt trong tháp hấp thụ để làm nguội tăng hiệu
quả quá trình xử lý như vậy thiết bị sẽ trở nên cồng kềnh,vận hành phức tạp.
Việc lưc chọn dung môi thích hợp để xứ lý rất kho khăn khi chất khí không
có khả năng hoà tan trong nước.
Phải tiến hành tái sinh dung môi khi dung môi đắt tiền để giảm giá thành xử
lý mà công việc này là rất khó khăn.
2.2.2 Phương pháp hấp phụ:
Ưu điểm:
Điều chỉnh quá trình tinh vi hơn.

Có thể sử dụng kết cấu tối ưu và kích thước tối ưu cho từng đoạn của thiết bị.
Tiết kiệm được chất hấp phụ,sử dụng tối đa năng suất hấp phụ.
Quá trình thực hiện liên tục dẫn đến hiệu suất cao.
Chất hấp phụ dễ kiếm và khá rẻ tiền,thường dùng nhất là than hoạt tính hấp
phụ được nhiều chất hữu cơ.
Nhược điểm:
Kết cấu phức tạp.
Chất hấp phụ bị mài mòn nên phải xử lý bụi
Cường độ hấp phụ thấp do vận tốc dòng khí thấp do vận tốc khí nhỏ và
không có sự xáo trộn mãnh liệt than.
Hiệu quả hấp phụ kém nếu nhiệt độ khí thải cao.
Không hiệu quả khi dòng khí ô nhiễm chứa cả bụi lẫn chất ô nhiễm thể hơi
hay khí vì bụi dễ gây nên 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).
2.2.3 Phương pháp đốt:
Ưu điểm:
Phân hủy hoàn toàn các chất ô nhiễm cháy được
Thích ứng được với sự thay đổi lưu lượng và tải lượng chất ô nhiễm trong
khí thải.
Hiệu quả cao với những chất khó xử lý bằng phương pháp khác.
Có thể thu hồi nhiệt thải ra trong quá trình đốt.
Trong những trường hợp khí thải có nhiệt độ cao có thể không cần phải gia
nhiệt trước khi đưa vào đốt.
Phương pháp đốt hoàn toàn phù hợp với việc xử lý các khí thải độc hại
không cần thu hồi hay khả năng thu hồi thấp, khí thu hồi không có giá trị kinh tế
cao.
Có thể tận dụng nhiệt năng trong quá trình xử lý vào mục đích khác
Nhược điểm:
Chi phí đầu tư thiết bị,vận hành lớn.

Có thể làm phức tạp thêm vấn đề ô nhiễm không khí sau đốt có chlorine,N,S.
Có thể cần cấp thêm nhiên liệu bổ sung,xúc tác gây trở ngại cho việc vận
hành thiết bị.
Đối với dòng khí này phương pháp lựa chọn để xử lý thích hợp nhất là
phương pháp hấp thụ.
CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT VÀ THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
3.1 Yêu cầu thiết kế
3.1.1 Các số liệu ban đầu cho thiết kế
Công suất 9000m
3
/h
Đạt công suất khí thải loại B
Hiệu suất xử lý của thiết bị chính 90%
Nồng độ khí đầu ra: 200mg/l
3.1.2 Các số liệu tự chọn
Nhiệt độ pha khí HCl: 30
o
C
Nhiệt độ pha lỏng dd NaOH: 30
o
C
Áp suất khí quyển: 1at
3.2 Cơ sở lựa chọn
Hấp thụ là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuyếch tán vào pha
lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. Khí bị hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ
(cấu tử cần hấp thụ) dung dịch kiềm là dung môi hấp thụ.
Mục đích của quá trình hấp thụ:
 Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí.
 Làm sạch pha khí.
 Tách hỗn hợp thành các cấu tử riêng biệt.

Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba, bắt buộc ta phải tiến hành nhả sau khi
hấp thụ để tách cấu tử sau khi hấp thụ ra khỏi dung môi. Đối với các trường hợp
khác , quá trình nhả là không cần thiết, trừ khi phải dùng lại dung môi (dung môi
quý).
Quá trình hấp thụ phụ thuộc chủ yếu vào dung môi, do đó cần chọn dung môi
theo những tính chất sau đây.
- Có tính chất hòa tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hòa tan với một cấu tử, còn những
cấu tử khác không có khả năng hòa tan hoặc hòa tan rất ít.
- Độ nhớt của dung môi phải bé, để giảm trở lực và tăng hệ số chuyển khối.
- Nhiệt dung riêng bé, để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi.
- Có nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan, để dể dàng phân
riêng chúng qua chưng luyện.
- Có nhiệt độ đóng rắn thấp, để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị.
- Không tạo thành kết tủa khi hòa tan, để tránh tắc thiết bị và dể thu hồi.
- Ít bay hơi, để tránh tổn thất.
- Không độc và ăn mòn thiết bị.
Ngoài những tính chất nêu trên của dung môi thì lượng dung môi cũng ảnh
hưởng lớn đến quá trình hấp thụ. Nếu chọn lượng dung môi ít nhất, ta thu được X
C
(nồng độ cuối của dung môi) lớn, nhưng thiết bị phải rất lớn (vô cùng cao), trái lại,
nếu chọn lượng dung môi lớn nhất, thì thiết bị bé, nhưng dung dịch thu được quá
loãng vì X
C
bé. Do đó khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh tế
kỹ thuật.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ. Nhiệt độ và áp suất là
những yếu tố ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp thụ, mà chủ yếu ảnh hưởng
lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình
Từ những phân tích ở trên, ta sẽ lựa chọn tháp hấp thụ là tháp đệm vì năng
suất tháp khoảng 9000m

3
/h .
Hơn nữa HCl là một môi trường ăn mòn cao.
Dùng chất hấp thụ là dd kiềm (NaOH) do những ưu điểm đã phân tích ở trên.
3.3Quy trình công nghệ
Thải ra
Môi trường
Khí
Xả bụi
Dd kiềm
Hình 3.1 quy trình công nghệ
Thuyết minh quy trình công nghệ
Khí thải HCl từ quá trình tẩy gỉ kim loại đi vào xyclon để lọc bỏ bụi. Sau đó
được đưa qua tháp hấp thụ.Dung dịch kiềm từ bể chứa được bơm lên bồn cao vị để
chảy vào tháp hấp thụ.Nước được đưa vào tháp hấp thụ qua bộ phận phân phối lỏng
phải thấm ướt toàn bộ vật chêm tiếp xúc với khí thải từ dưới lên. Tại lớp vật liệu
đệm trong tháp sẽ xảy ra quá trình hấp thụ khí thải HCl vào trong dung môi là dung
dịch kiềm (dd NaOH). Do hiệu suất hấp thụ của tháp hấp thụ chỉ đạt đến 90% nên
khoảng 10% lượng khí thải sẽ thoát ra ngoài qua quạt hút đi vào ống khói thải ra khí
quyển với tiêu chuẩn thải cho phép. 90% khí thải HCl được hấp thụ vào dung dich
kiềm thành dung dịch acid clohidric. Dẫn dung dịch hoàn lưu trở lại tháp hấp thụ,
phần còn lại cho qua hệ thống xử lý nước thải của nhà máy.
PHẦN II. TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ PHỤ TRỢ
2.1 Tính các thông số đầu vào, đầu ra.
2.1.1 Các thông số đầu vào
Nồng độ HCl vào:
Tháp
hấp thụ
Ống khóiBồn cao vị
Bể

chứa
Quạt
Bơm
Xyclon
lọc bụi
Công trình
xử lý nước
thải
C
HCl
= 1875mg/m
3
= 1,875g/m
3
Nồng độ khí ban đầu:
( )
04025.0
30273082,0
1
=
+
==
RT
P
C
k
mol/l = 40,25mol/m
3
Nồng độ mol HCl
[ ]

0514,0
5,36
875,1
==
HCl
mol/m
3
Nồng độ phần mol:
3
10.277,1
25,40
0514,0
−
==
d
y
mol HCl/ mol hh khí
Tỷ số mol:
3
3
3
10.279,1
10.277,11
10.277,1
1
−
−
−
=
−

=
−
=
d
d
d
y
y
Y
mol HCl/ mol khí.
Khối lượng phân tử pha lỏng
kmolkg
M
OHm
M
NaOHm
m
M
OHNaOH
x
/51,18
18
95,0.1
40
05,0.1
1
.%.%
2
2
=

+
=
+
=
2.1.2 Các thông số đầu ra
Nồng độ HCl ra khỏi tháp là 200mg/m
3
(QCVN:19:2009)
Nồng độ mol HCl:
[ ]
3
10.479,5
5,36
2,0
−
==
HCl
mol/ m
3
Nồng độ phân mol:
4
3
10.361,1
25,40
10.479,5
−
−
==
c
y

mol SO
2
/ mol khí
Tỷ số mol:
4
4
4
10.362,1
10.361,11
10.361,1
−
−
−
=
−
=
c
Y
mol HCl/ mol khí
2.2 Xây dựng đường cân bằng:
Ở 30
0
C hệ số henrry
mmHg2200
=Ψ
Hệ số cân bằng pha:
89,2
760
2200
==

Ψ
=
P
m
Phương trình cân bằng HCl trong dung dịch:
y = mx 
1 1
Y X
m
Y X
=
+ +

( ) ( )
X
X
X
X
Xm
mX
Y
89,11
89,2
89,211
89,2
11
−
=
−+
=

−+
=
Mà:
3
10.279,1
−
=
d
Y
( )
( )
4
33
3
*
10.422,4
10.279,1110.279,189,2
10.279,1
1
−
−−
−
=
−+
=
−+
=
YYm
Y
X

c
molHCl/mol
NaOH
Suất lượng mol đầu vào :
( )
23,362
30273.082,0
9000.1
=
+
==
RT
PV
G
d
kmol/h
Suất lượng mol cấu tử trơ :
( )
( )
768,36110.279,11.23,3621
3
=−=−=
−
ddtr
YGG
kmol/h
Suất lượng mol đầu ra:
( )
( )
hkmolYGG

ctrc
/82,361110.362,1768,3611
4
=+=+=
−
Lưu lượng dung dịch tối thiểu tiêu tốn theo lý thuyết được tính theo công thức:
935,934
10.422,4
10.362,110.279,1
.768,361.
4
43
*
min
=
−
=
−
=
−
−−
c
cd
tr
X
YY
GL
kmol
NaOH/ h
Thông thường, trong các thiết bị hấp thụ, không bao giờ đạt được cân bằng giữa các

pha, nghĩa là nồng độ cân bằng luôn lớn hơn nồng thực tế nên lượng dung môi tiêu
tốn thực tế lớn lượng dung môi tối thiểu. Thường ta cho lưu lượng thực bằng 1,3
lần lưu lượng tối thiểu, vậy lưu lượng lỏng cho vào tháp là:
= >
416,1215935,934.3,1.3,1
min
===
LL
th
kmol NaOH/ h
( )
( )
molNaOHmolHCl
L
YYG
X
th
cdtr
c
/10.4,3
416,1215
10.362,110.279,1768,361
4
43
−
−−
=
−
=
−

=
Xét đến sự thay đổi nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra của khí HCl, ta xét hiệu ứng
nhiệt:
Lượng năng lượng mà dd kiềm hấp thụ: L.c.(t
c
- t
d
)
Trong đó:
L: lưu lượng dd kiềm (kg/s)
c: nhiệt dung riêng của NaOH c=3,77 KJ/Kg.độ (bảng I.154 STT1/172)
t
d
, t
c
: nhiệt độ đầu và cuối của NaOH
Lượng khí hòa tan trong dd kiềm (NaOH):
( )
dc
XXqL
−
.
q: hiệu ứng nhiệt hấp thụ của HCl trong dd NaOH (KJ/Kg)
( )
x
o
tfq
=
: tra bảng thay đổi theo nhiệt độ
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:

( ) ( )
dcdc
XXqLttcL
−=−


( )
dcdc
XX
c
q
tt
−+=
Đối với khoản thứ nhất
0
=
d
X
, Xc=0,005 ,
0025,0
2
005,00
=
+
=
tb
X
Nhiệt độ chất lỏng (dd kiềm) t
c
tương ứng với nồng độ

c
X
được xác định theo
phương trình cân bằng nhiệt lượng:
( ) ( )
CXX
c
q
tt
o
dcdc
6,320005,0
77,3
10.925,1
30
3
=−+=−+=
Nhiệt độ trung bình của chất lỏng trong khoản thay đổi nồng độ trên là:
C
tt
t
o
cd
tb
3,31
2
6,3230
2
=
+

=
+
=
Phương trình đường làm việc Y = Ax + B trong đó
tro
tro
L
A
G
=
và
tro
c d
tro
L
B Y X
G
= −
Nên: Y= 3,36X+ 1,362.10
-4
qua 2 điểm A( 0;1,362.10
-4
) và B(3,4.10
-4
; 1,27910
-3
)
Phương trình đường cân bằng là:
X
X

Y
89,11
89,2
−
=
2.3 Tính tháp hấp thụ
Chọn vật liệu đệm (bảng IX.8 đặt trưng của đệm)
Đệm vòng rasig xếp ngẫu nhiên đệm bằng sứ:
Kích thước: 30x30x3,5 mm
Bề mặt tự do riêng
165
=
σ
m
2
/m
3
Thể tích tự do v
d
=0,76 m
3
/m
3
Số đệm trong 1m
3
:25.10
3
Khối lượng riêng xốp:
570
=

d
ρ
kg/m
3
2.3.1 Xác định đường kính tháp hấp thụ
Đường kính tháp hấp thụ được xác định từ phương trình lưu lượng theo pha liên
tục:
k
tb
w
V
D
.785,0
=
Trong đó:
V
tb
: lưu lượng khối dòng khí đi trong tháp
Mà V
d
=9000m
3
/h

hmV
tb
/85,8994
2
7,89899000
3

=
+
=
2.3.2 Vận tốc dòng khí đi trong tháp:
Vận tốc dòng khí đi trong tháp:
2
cd
tb
VV
V
+
=
hm
Y
Y
VV
c
d
dc
/7,8989
10.362,11
10.279,11
.9000
1
1
.
3
4
3
=

−
−
=
−
−
=
−
−
( )
0
9,08,0 ww
k
−=
w
0
: vận tốc tới hạn tương ứng với điểm nghịch đảo, nghĩa là chuyển từ chế
độ chảy màng sang dang như sương, xác định theo công thức
8/14/1
16,0
3
2
0
).().(75,1.


log
xtb
ytb
tb
tb

l
x
xtbd
ytbd
G
L
A
vg
ρ
ρ
µ
µ
ρ
ρσω
−=

















l
µ
: độ nhớt của dd kiềm ở 20
o
C
=
l
µ
1,005.10
-3
N.s/m
2
(bảng I.101 STT1/94)
23
/10.86,1 mNs
x
−
=
µ
: độ nhớt pha lỏng theo nhiệt độ trung bình
ρ
l
=1054 kg/m
3
ρ
H2O
=1000 kg/m
3
4

43
10.076,7
2
10.362,110.279,1
2
−
−−
=
+
=
+
=
cd
tb
YY
y
( )
( )
molg
MyMyM
kktbHCltbhhk
/005,2929.10.076,715,36.10.076,7
.1.
44
=−+=
−+=
−−
Khối lượng riêng trung bình của pha khí
( ) ( )
3

/167,1
30273.4,22
273.005,29
273.4,22
273.
mkg
t
M
tb
hhk
ytb
=
+
=
+
=
ρ
Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng
3
/57,1002
1000
95,0
1054
05,0
1
mkg
xtb
=
+
=

ρ
Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp
M
dd
=18.(1-0,05)+20.0,05=18,1 kg/kmol
skg
ML
L
ddthuc
tb
/11,6
3600
1,18.416,1215
3600
.
===
skg
V
G
ytbtb
tb
/916,2
3600
167,1.85,8994
3600
.
===
ρ

w

0
=2,91 m/s

w
k
=2,61 m/s
Vậy đường kính tháp hấp thụ là
mD 1,1
3600.61,2.785,0
85,8994
==
Chọn theo tiêu chuẩn D =1,2 m
Khi đó vận tốc làm việc chính xác là
sm
D
V
w
tb
k
/21,2
3600.2,1.785,0
85,8994
3600 785,0
22
===
2.4Tính chiều cao lớp đệm
Chiều cao lớp đêm trong tháp hấp thụ (H) thường được xác định theo số đơn vị
truyền khối ( m
y
) và chiều cao tương đương một đơn vị truyền khối (

o
h
).
oy
hmH .
=
Tính số đơn vị truyền khối m
y
Tính bằng phương pháp đồ thị. Vẽ đường cân bằng và đường làm việc trên cùng
một đồ thị trong hệ tọa độ X, Y.
- Phương trình đường cân bằng là:
X
X
Y
89,11
89,2
−
=
- Phương trình đường làm việc Y = Ax + B trong đó
tro
tro
L
A
G
=
và
tro
c d
tro
L

B Y X
G
= −
- Nên: Y= 3,36X+ 1,362.10
-4
qua 2 điểm A( 0;1,362.10
-4
) và B(3,4.10
-4
;
1,27910
-3
)
X.10
-4
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Y.10
-3
0 0,14 0,29 0,43 0,58 0,72 0,87 1,01 1,16
Đồ thị
Từ hình vẽ ta xác định được số đơn vị truyền khối là m
y
=5
Chiều cao một đơn vị truyền khối
Chiều cao một đơn vị truyền khối phụ thuộc đặt tính đệm, chế độ thủy động lực của
tháp và tính chất hóa lý các pha, h
o
thay đổi theo chiều cao thiết bị và vật được tính:
x
tb

tb
yo
h
L
Gm
hh .
.
+=
Trong đó: m: hệ số phân phối
58,2
010.422,4
10.362,110.279,1
4
43
*
=
−
−
=
−
−
==
−
−−
dc
cd
XX
YY
tgm
α

Chiều cao một đơn vị ruyền khối theo pha khí
67,025,0
Pr.Re.

yy
d
d
y
a
v
h
σψ
=
Trong đó: a: hệ số phụ thuộc dạng đệm. Chọn a=0,123
Ψ: hệ số thấm ướt của đệm
tu
U
U
=
ψ
Ta có:
hmm
D
L
U
l
tb
23
22
/46,18

1054.2,1.785,0
11,6.3600
785,0
.3600
===
ρ
hmmBU
dtu
23
/07,26165.158,0.
===
σ
Vậy
171,0
07,26
46,18
<===
tu
U
U
ψ
Do đó theo đồ thị IX.16 STT2 Ψ=0,75
Chuẩn số Reinolds đối với pha khí của tháp đệm
14,336
165.10.0186,0
167.1.21,2.4,0
.
4,0
Re
3

===
−
dy
yk
y
w
σµ
ρ
Chuẩn số Prandl truyền khối của pha khí
yy
y
dy
D.
Pr
ρ
µ
=
Trong đó: D
y
: hệ số khuếch tán phân tử HCl trong pha khí, m
2
/s
Hệ số khuếch tán HCl ở điều kiện chuẩn D
0
=13.10
-6
m
2
/s (bảng 5.5)
sm

T
T
P
P
DD
k
k
y
/10.2,15
273
30273
.
760
760
.10.13
26
5,1
6
5,1
0
0
0
−−
=







+
=








=

05,1
10.2,15.167,1
10.0186,0
Pr
6
3
==
−
−
dy
Vậy chiều cao 1 đơn vị truyền khối theo pha khí là:
mh
y
22,005,1.14,336.
165.75,0.123,0
76,0
67,025,0
==

Chiều cao 1 đơn vị truyền khối theo pha lỏng
5,025,0
67,0
Pr.Re.256
xx
x
x
x
h








=
ρ
µ
Chuẩn số renoy của pha lỏng
035,0
10.005,1.165.2,1.785,0
11,6.04,0

.04,0
32
===
−
xdt

tb
e
F
L
R
x
µρ
Chuẩn số pran của pha lỏng
xl
x
x
D.
Pr
ρ
µ
=
Trong đó: D
x
:hệ số khuếch tán HCl trong dung dịch NaOH ở 12
o
C. D
o
=2,3.10
-9
m/s
t
tb
=31,3
o
C

( )
[ ]
( )
[ ]
smtDD
tbx
/10.19,3123,3102,01.10.3,21202,01
299
0
−−
=−+=−+=
9.289
10.19.3.1054
10.005,1
.
Pr
9
3
===
−
−
xl
x
x
D
ρ
µ
Vậy chiều cao 1 đơn vị truyền khối theo pha lỏng
mh
x

185,09,298.035,0.
1054
10.005.1
.256
5,025,0
3
2
3
=








=
−
Vậy chiều cao 1 đơn vị truyền khối
448,0185,0.
11,6
916,2.58,2
22,0
=+=
o
h
Tổng chiều cao lớp đệm
H= 5.0,448=2,24 m
Chọn chiều cao lớp đệm là 3m

Tỉ lệ chiều cao và đường kính
2,4
2,1
5
==
D
H
Chiều cao của phần tách lỏng H
c
và đáy H
d
được chọn theo bảng phụ lục đường
kính tháp.
Như vậy đối với tháp có đường kính D=1,2m, ta chọn H
c
=0,8m; H
d
=2m.
Tổng chiều cao của tháp hấp thụ: H=H+H
d
+H
c
=3+2+0,8= 5,8m
Chọn chiều cao của tháp H=6m; H
c
=1m; H
d
=2m; D=1,2m.
2.5 Tính trở lực của tháp
2.5.1 Tổn thấp áp suất của đệm khô

2
.
.
.
.
4
2'
2
'
yy
d
d
k
w
V
H
P
ρ
σ
λ
=∆
Vì vòng đệm đổ lộn xộn ở chế độ xoáy và Re>40 nên
998,4
14,336
16
Re
16
2,02,0
'
===

y
λ
Tốc độ của khí tính trên toàn bộ diện tích tháp
ytd
yy
y
d
w
ρ
µ
.
.Re
'
'
=
Mà
43,0
57,0'
.045,0Re








=
tb
tb

y
L
G
Ar
m
v
d
d
d
td
0184,0
165
76,0.4
.4
===
σ
( )
( )
( )
6
2
5
3
2
3
10.217
10.0186,0
81,9.167,11054.167,1.0184,0

=

−
=
−
=
−
y
yxytd
gd
Ar
µ
ρρρ
( )
65,1848
11,6
916,2
10.217.045,0Re
43,0
57,0
6'
=






=
y
smw
y

/6,1
167,1.0184,0
10.0186,0.65,1848
5
'
==
−
Vậy tổn thấp áp suất của đệm khô
2
2
3
/56,1606
2
167,1.6,1
.
76,0
165.29,2
.
4
998,4
mNP
k
==∆
2.5.2 Tổn thất áp suất của đêm ướt

































+∆=∆
c
y
x

n
x
y
m
tb
tb
kpu
L
G
APp
µ
µ
ρ
ρ
1
Theo bảng IX.7 STT1/189, ta có A=8,4; m=0,405; n=0,225; c=0,015
2
015,0
3
3
225,0
405,0
/35,3897
10.0186,0
10.005,1
.
1054
167,1
.
11,6

916,2
4,8165,1606 mNp
pu
=





























+=∆
−
−
Trở lực của tháp
( )
2
,
/35,3897 mNpppMaxP
uku
=∆=∆∆=∆
2.6 Tính các thiết bị phụ trợ
2.6.1 Tính đường ống dẫn
2.6.1.1 Đường ống dẫn khí
Vận tốc khí trong ống khoảng 4- 15m/s, ta chọn vận tốc dòng khí vào 15m/s
 Đường kính ống dẫn khí vào
46,0
3600.15.785,0
9000
.785,0
1
===
v
V
D
d
m
Chọn đường kính ống dẫn khí vào tháp D
1

=400 mm làm bằng thép không rỉ.
 Đường kính ống dẫn khí ra
m
v
V
D
c
46,0
3600.15.785,0
7,8989
.785,0
2
===
Chọn đường kính ống dẫn khí ra khỏi tháp D
2
=400 mm làm bắng thép không rỉ.
Chọn bề dày ống b=4mm
2.6.1.2 Tính đường ống dẫn lỏng
 Ống dẫn lỏng vào
Vận tốc lỏng vào tháp khoảng 1,5-2,5 m/s (bảng II.2 STT1/370), chọn vận tốc
v=2,5 m/s.
v
L
D
d
.785,0
3
=
Mà
hm

ML
L
xtb
xth
d
/44,22
57,1002
51,18.416,1215
.
3
===
ρ
Vậy đường kính ống dẫn lỏng vào là:
m
v
L
D
d
056,0
3600.5,2.785,0
44,22
.785,0
3
===
Chọn đường kính ống dẫn lỏng vào D
3
= 70 mm
Bề dày ống b=4mm. ống được làm bằng thép khhông rỉ.
 Ống dẫn lỏng ra:
Vận tốc lỏng ra vào khoảng 0,1-0,5 m/s, chọn v=0,5 m/s

v
L
D
c
.785,0
4
=
Mà
hm
X
X
LL
c
d
dc
/45,22
00034,01
01
.44,22
1
1
.
3
=
−
−
=
−
−
=

Vậy đường kính ống dẫn lỏng ra là:
m
v
L
D
c
13,0
3600.5,0.785,0
45,22
.785,0
4
===
Chọn đường kính ống D
4
=150mm
Bề dày ống b=4mm. ống được làm bằng thép không rỉ.
2.7Tính toán đĩa phân phối lỏng, đĩa phân phối khí và lưới đỡ đệm
2.7.1 Tính đĩa phân phối lỏng
Đường kính tháp D
t
= 1200 mm
Tra bảng IX.22 ta có:
• Đường kính đĩa = 750 mm
• Ống dẫn chất lỏng d×S = 44,5× 2,5
• Chọn thép hợp kim không rỉ X18H10T có chiều dày S = 5 mm
• Số lượng chọn đĩa loại 2 là 70 cái
• Bước t = 70 mm
2.7.2 Lưới đỡ đệm
 Đường kính tháp D
t

= 1200 mm
 Đường kính lưới D
l
=1165 mm
 Chiều rộng bước b = 22 (ñeäm 25×25)
 Chọn chiều dày lưới đỡ đệm 20 mm
2.7.3 Đĩa phân phối khí
- Chọn đường kính lỗ là 20mm
- Bước nhảy 75mm
- Chiều dày của đĩa 4mm
2.8 Tính bề dày thân, đáy và nắp thiết bị
2.8.1 Chọn vật liệu
- Thiết bị làm việc ở môi trường ăn mòn
- Nhiệt độ làm việc t=30
o
C
- Áp suất làm việc P
lv
=1at=9,81 Nm
2
Chọn vật liệu là thép không rỉ để chế tạo thiết bị
- Ký hiệu thép: X18H10T (C<0,12%, Cr 18%, N 10%. T nằm trong khoảng 1-1,5%
(bảng XII.27 STT1).
- Giới hạn bền: σ
k
=550.10
6
N/m
2
(bảng XII.4)

- Giới hạn chảy: σ
c
=220.10
6
N/m
2
(bảng XII.4)
- Chiều dài tấm thép: b=4-25 mm (bảng XII.4)
- Hệ số hiệu chỉnh: η=1 (bảng XIII.2)
- Hệ số an toàn bền kéo: n
k
=2,6 (bảng XIII.3)
- Hệ số an toàn bền chảy: n
c
=1,5 (bảng XIII.3)
- Hệ số bền mối hàn: φ
h
=0,95 (bảng XIII.8)
- Khối lượng riêng: ρ=7900 kg/m
3
2.8.2 Ứng suất cho phép của vật liệu theo giới hạn bền
[ ]
26
6
/10.5,2111.
6,2
10.550
. mN
n
k

k
k
===
η
σ
σ
[ ]
26
6
/10.67,1461.
5,1
10.220
. mN
n
c
c
k
===
η
σ
σ
Vậy dùng
[ ]
2
/67,146 mN
k
=
σ
để tính toán.
2.8.3 Bề dày thân

Áp suất tĩnh trong phòng thân thiết bị
26
/057,010.8,5.81,9.57,1002 mmNHgP
t
===
−
ρ
Áp suất tính toán trong thiết bị
2
/157,0057,01,0 mmNPPP
tmt
=+=+=
Chọn bề dày thân thiết bị 4mm (bảng 5.1
Kiểm tra ứng suất của thành theo áp suất thử
Áp suất thử tính toán được xác định như sau và theo bảng VIII.5
2
0
/207,0057,01,0.5,1 mmNPPP
tth
=+=+=
Xác định ứng suất ở thân thiết bị theo áp suất thử tính toán
( )
[ ]
( )
( )
[ ]
( )
2
/48,65
.95,0.24.2

207,0.241200
2
.
mmN
CS
PCSD
ha
oat
t
=
−
−+
=
−
−+
=
ϕ
σ
22
/67,146/48,65 mNmN
t
<=
σ
C
a
: hệ số bổ sung cho ăn mòn thiết bị=0,1.10=1mm (giả thiết thiết bị làm việc 10
năm)