giảm thiểu ô nhiễm từ các dòng khí thải

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
LỜI MỞ ĐẦU
Ô nhiễm không khí từ các ngành sản xuất công nghiệp ở nước ta, trong những
năm gần đây đang là vấn đề quan tâm không chỉ của nhà nước mà còn là của
toàn xã hội bởi mức độ nguy hại của nó đã đến lúc báo động.
Bên cạnh nguyên nhân đây là một lónh vực còn khá mới mẻ mà chúng ta chưa
thấy hết được mối nguy hiểm của nó đối con người và sinh vật , mặt khác chưa
có hệ thống quản lý môi trường thật sự hoàn chỉnh để có thể kiểm soát , và
chưa được sự chú trọng đúng mức từ phía các nhà sản xuất.
Vì vậy đồ án môn học kỹ thuật xử lý chất thải với nhiệm vụ thiết kế tháp hấp
thu khí NH
3
bằng nước là một trong số những công việc cần làm vào lúc này để
giúp giảm thiểu ô nhiễm từ các dòng khí thải.
Em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn , các thầy cô bộ môn và các bạn
sinh viên giúp em hoàn thành đồ án này .
Sinh viên thực hiện

PHAN HỮU TÀI
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
PHẦN I:
TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU
VÀ SẢN PHẨM
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
TỔNG QUAN:
I.Khái niệm
I.1 hấp thu: là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào
pha lỏng do sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng
- Khí được hấp thụ gọi là chất bò hấp thụ ; chất lỏng dùng hút gọi là

dung môi (chất hất thụ ), khí không bò hấp thụ gọi là khí trơ.
- Mục đích: hòa ta một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên một
dung dòch các cấu tử trong chất lỏng . các quá trình xảy ra do sự tiếp xúc pha giữa khí
và lỏng . Quátrình này cần sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng . Nếu quá trình
xảy ra ngược lại , nghóa là cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha hơi , ta có quá
trình nhả khí . Nguyên lýcủa cả hai quá trình là giống nhau
- Trong công nghiệp hóa chất , thực phẩm quá trình hấp thu dùng để:
1) Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí
2) Làm sạch pha khí
3) Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt
4) Tạo thành một sung dòch sản phẩm.
- Hấp thu bao gồm quá trình hấp thu vât lý và hấp thu hóa học.
1. Hấp thu vật lý: dựa trên cơ sở hòa tan củacấu tử pha khí trong pha lỏng
2. Hấp thu hóa học : giữa hổn hợp khí và dung môi có xảy ra phản ứng hóa
học.
I.2 Quá trình khí với mục đích là tách các cấu tử hổn hợp khí thì khi đó lựa
chọn dung môi tốt là phụ thuộc và các yếu tố sau :
1) Độ hòa tan tốt: có tính chọ lọc có nghóa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách
và không hòa tan kông đáng kể các cấu tử còn lại . Đây là điều kiện quan trọng nhất
2) Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực thủ học càng nhỏ và và có
lợi cho quá trình chuyển khối
3) Nhiệt dung riêng bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi
4) Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt dộ sôi của chất hoà tan để dể tách các
cấu tử ra khỏi dung môi
5) Nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh tắc thiết bò và thu hồi các ccấu tử
hòa tan dễ dàng hơn
6) Ít bay hơi rả tiền , dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn
mòn thiết bò
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT

II. Cơ sở lý thuyết :
1) Cơ sở vật lý của quá trình hấp thu
Hấp thu là quá trình quan trọng để xử lý khí và được ứng dụng trong rất
nhiều quá trình khác . Hấp thu trên cơ sở của quá trình truyền khối , nghóa là phân
chia hai pha .Phụ thuộc vào sự tương tácgiữa chất hấp thu và chất bò hấp thu trong pha
khí
2) Các quá trình cơ bản của quá trình hấp thu
a) Phương trình cân bằng vật chất
Phương trình cân bằng vật liệu có dạng:
G
Y
Y
Đ
+ G
X
X
Đ
= G
X
X
C
+ G
Y
Y
C
Trong đó :
G
X
:lïng khí trơ không đổi khi vận hành ( kmol/ h)
G

Y
: lượng dung môi không đổi khi vận hành(kmol/ h
Y
Đ
, Y
C
: nồng độ đầu và cuối của pha khí
(kmol/kmolkhí trơ)
X
Đ
, X
C
: nồng độ cuối và đầu của pha lỏng
(kmol/kmolkhí trơ)
X
+
: nồng độ pha lỏng cân bằng với pha hơi
(kmol/ kmoldung môi)
Lượng dung môi tối thiểu: L
min
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 4
X
đ
G
x
Y
c
X Y
Y
đ

X
c
G
y
AY
đ
Y
Y
c
X
đ
X
c
X
cbđ
X
Y
B
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
+
−
=
X
YY
G
L
cd
min
theo thực nghiệm ta thấy: L

= (1.2÷1.3)L
min
b) Phương trình cân bằng nhiệt lượng :
phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có :
G
đ
I
đ
+ L
đ
C
đ
T
đ
+ Q
đ
= G
c
I
c
+ L
c
C
c
T
c
+Q
c
Trong đó :
G

đ
, G
c
: hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h)
L
đ
, L
c
: lựong dung dòch đầu và cuối (kg/h)
T
đ
, T
c
:nhiệt độ khí ban đầu và cuối (
o
C)
I
đ
, I
c
: entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối(kj)
Q
o
: nhiêt mất mát (kj/h)
Q
s
:nhiệt phát sinh do hấp thu khí(kj/h)
III. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả hấp thu:
a) ảnh hưởng của nhiệt độ:
khi các điều kiện khác không đổi mànhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henrisẽ

tăng . Kết quả là ảnh hưởng đường cân bằng dòch chuyển về phía trục tung . Nếu các
đừơng làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm , số đóa lý thuyêt sẽ
tăng và chiều cao của thiết bò sẽ tăng . Thậm chí có khi tháp không làm việc được vì
nhiệt độ tăng quá so với yêu cầ kỹ thuật. Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi là làm cho
độ nhớt cả hai pha khí và lỏng tăng .
b) ảnh hưởng của áp suất :
nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì
hệ số cân bằng sẽ tăng và cân bằng sẽ dòch chuyển về phía trục hoành.
khi đừong làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ tăng
quátrình chuyển khối sẽ tốt hơn và số đóa lý thuyết sẽ giảm làm chiều cao của tháp
sẽ thấp hơn.
tuy nhiên , việc tăng áp suất thừơng kèm theo sự tăng nhiệt độ. Mặt
khác , sự tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo vàvân hành của tháp
hấp thụ .
c) các yếu tố khác:
Tính chất của dung môi , loại thiết bò và cấu tạo thiết bò độ chính xác của dụng
cụ đo , chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu.
IV. Tính chất của NH
3
:
Amoniac là chất khí không màu, cómùi kích thích (mùi khai). Khi tăng áp suất
hay làm lạnh đến –33.6
o
C nó hoá lỏng và đến – 77.8
o
C nó hoá rắn. Dưới áp suất cao
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 5
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
NH
3

dễ dàng hoá lỏng ở nhiệt độ thường. Một thể tích nước có thể hoà tan 700 thể
tích NH
3
Dung dòch đặc chứa 25% NH
3
có khối lượng riêng 0.91g/cm
3
. Dung dòch NH
3
trong nước được gọi là nước amoniac hay dung dòch amoniac, khi hoà tan NH
3
vào
nước thì tạo thành amonihydroxyt.
NH
3
+ H
2
O NH
4
OH NH
4
+
+ OH
–
Khi đun nóng độ tan của amoniac giảm rất nhanh và nó thoát ra khỏi dung
dòch.
Trong phòng thí nghiệm amoniac được điều chế bằng cách cho muối tác dụng
với kiềm khi đun nóng.
NH
4

Cl + NaOH = NaCl + NH
3
+ H
2
O
Trong công nghiệp amoniac được điều chế bằng cách tổng từ nitơ và hydro.
N
2
+ 3H
2
2 NH
3
Chất xúc tác phản ứng hay dùng là sắt có lẫn nhôm oxyt và kalioxyt. Quá trình
xảy ra ở nhiệt độ 500 – 550
o
C và áp suất 200 – 800 atm, trong một số thiết bò có thể
đưa áp suất lên đến 1000 atm.
Amoniac còn là sản phẩm phụ khi cốc hoá than.
Lượng lớn amoniac điều chế trong công nghiệp được dùng để sản suất acid
nitric và phân đạm. Amoniac còn được dùng là tác nhân làm lạnh trong máy lạnh,
dùng trong phòng thí nghiệm và trong y học.
V. Thiết bò hấp thụ :
Thiết bò được sử dụng để tiến hành quá trình hấp thu được gọi là thiết bò
hấp thu hoặc cột hấp thu được gọi là thiếtbò hấp thu hoặc cột hấp thu , tháp hấp thu .
thiết bò hấp thu có thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục và được chia thành 4 nhóm
sau :
• thiết bò hấp thụ bề mặt : được dùng khi hấp thu một lương nhỏ co ùtính
hòa tan tốt
• thiết bò hấp thu loại đệm : được sử dụng phổ biến nhất khi khi chất lỏng
và chất khí tinh khiết và có mât độ phun lớn

• thiết bò hấp thu loại sủi bọt : đựoc dùng khi tháp có năng suất cao và
cầøn thoát ra một lïng nhệt lớn
• thiết bò hấp thu loại phun: thành tia và thiết bò hấp thu cơ khí
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 6
Nhiệt phân
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
PHẦN II:
QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 7
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
I. Thiết minh quy trình công nghệ:
Hỗn hợp khí trơ (nitơ và hydro, tỉ lệ mol N
2
: H
2
= 1: 3) và cấu tử được hấp thụ
NH
3
với nồng độ 4% thể tích được cho vào bình chứa, dùng quạt thổi khí vào tháp hấp
thụ (tháp mâm van). Dung dòch dùng hấp thụ là nước. Tháp hấp thụ làm việc nghòch
chiều: nước được bơm lên dồn cao vò, từ đó cho vào tháp từ trên đi xuống, hỗn hợp khí
được thổi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra. Hỗn hợp khí trơ đi ra ở đỉnh tháp,
dung dòch sau hấp thụ ở đáy tháp được cho qua tháp giải hấp. Ở nhiệt độ cao cấu tử
NH
3
trong dung dòch sẽ tách ra sau đó dẫn đến thiết bò ngưng tụ, tại đây sản phẩm
được thu hồi. Nước sau giải hấp được lấy ra ở đáy thiết bò.
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 8
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
PHẦN III:

PHẦN TÍNH TOÁN
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 9
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
I. Tính cân bằng vật chất và năng lượng cho tháp hấp thụ:
Các thông số ban đầu:
Nồng độ NH
3
đầu vào: 3.5g/m
3
.
Khí đạt tiêu chuẩn loại A: 300mg/m
3
.
Lưu lượng khí thải :10000 m
3
/h.
Các thông số khác tự chọn .
Nhiệt độ làm việc của tháp T= 30
0
C .
p suất làm việc 1atm .
1. Đường cân bằng pha :
Ở 30
o
C Ψ.10
-6
=0.00241 mmHg
m =
P
Ψ

=
760
000001.0.00241.0
=3.17
Y
*
=
Xm
Xm
)1(1
.
−+
=
X
X
).17.31(1
.17.3
−+
X 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014
Y 0 0.00064 0.0013 0.0019 0.0025 0.0032 0.0038 0.0045
Đường cân bằng:
0
6
12
18
24
30
36
42
48

54
0 2 4 6 8 10 12 14 16
2. Cân bằng vật chất:
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 10
L
d
X
d
G
c
Y
c
L
c
X
c
G
d
Y
d
1
2
3
4
5
6
7
x.10
-3
y.10

-3
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
• G
d
=
RT
VP.
=
303.082,0
000,10.1
= 402,479
h
Kmolhh
Do lượng NH
3
=3,5 g/m
3
là rất nhỏ:
• y
d
=
165,1.17
29.5,3
.10
-3
=5,125.10
-3
(kmolNH
3
/kmolhh)

• Y
d
=
đ
đ
y1
y
−
=0.05
Kmolhh
KmolNH 3
• G
tr
=G
d
(1-y
d
)=402,497(1-0,005)=400,47Kmol ktr/h
Lượng khí NH
3
ban đầu:
M
NH3
=
)30273(082.0
17.1000.005,0.1
+
=3,42(g/m
3
)

Lượng khí sau quá trình hấp thụ là: 0.3(g/m
3
) =300(mg/m
3
)
Lượng khí bò hấp thu là: 3,42-0,3 =3,12(g/m
3
)
Hiệu suất hấp thu là:

42,3
12,3
=
η
= 91,2%
Suy ra :
Y
c
= (1-0,912).Y
d
= (1-0,912). 0,005= 0,00044(kmolNH
3
/kmolhh)
• y
c
=Y
c
/1+Y
c
=

00044,01
00044,0
+
=0,000439 Kmol NH
3
/Kmol ktr
• G
c
=G
tr
(Y
c
+1)=400,47.(0.00044+1)=400,65Kmolhh/h
Chọn X
d
=0
x
d
=0
Ta có:
Gtr
L min
=
XdXc
YcYd
−
−
(phương trình cân bầng vật chất cho quá trình
ngược dòng)
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 11

ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
X
*
suy ra bằng cách thay giá trò Y
d
= 0,005 vào phương trình cân
bằng , ta có X
*
= 0,00158
L
min
=G
tr
*
XdXcbc
YdYc
−
−
=400,47*
)000158.0(
)00044.0005.0(
−
−
=1155,8KmolH
2
O/
h
• Ltr=1.2Lmin=1.2*1155,8=1386,96 Kmol H
2
O/h

Và:
Gtr
Ltr
=
XdXc
YcYd
−
−
.0013,00
47,400
96,1386
00044.005.0
/
2
3
OHkmol
NHkmol
X
GL
YY
X
đ
trtr
c
c
=+
−
=+
−
=

đ
.
.00129.0
10013.0
0013.0
1
3
trơCđ
C
C
C
LLL
hhKmol
NHKmol
X
X
x
≈≈
=
+
=
+
=
trongtanhoàtửcấulượngvì(
dung dòch rất nhỏ).
3.Cân bằng năng lượng:
G
đ
.I
đ

= L
đ
.C
đ
.T
đ
+ Q
s
= G
c
.I
c

= L
c
.C
c
.T
c
+ Q
0
.
Để đơn giản hoá vấn đề tính toán, ta có giả thiết như sau:
- Nhiệt mất ra môi trường xung quanh không đáng kể( do điều kiện làm
việc ở 30
0
C)⇒ Q
0
= 0.
- Nhiệt độ của hỗn hợp khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dòch vào.

- Nhiệt dung riêng của dung dòch trong suốt quá trình hấp thụ : C
đ
= C
c
=C.
- Trong quá trình hấp thụ có thể phát sinh nhiệt do đó kí hiệu q là nhiệt
phát sinh của 1 Kmol cấu tử bò hấp thụ.
Q
s
= q.L
đ
.(X
c
– X
đ
).
- Với mức gần đúng ta có thể coi q không đổi trong suốt quá trình hấp
thụ .
- Vì lượng cấu tử hoà tan trong dung dòch rất nhỏ do đó lượng dung dòch
đầu L
đ
và cuối L
c
không khác nhau nhiều . Trong mức độ cho phép ta
có thể lấy là:
L
c
≈ L
đ
≈ L

trơ
= L.
Tra sổ tay hoá lý:
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 12
ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THẦY TRẦN TẤN VIỆT
q≈
.
Kmol
Kcal
83.7H
ht
C298
0
−=∆

Ta biến đổi phương trình CBNL:
L.C (T
c
– T
đ
) = qL(X
c
– X
đ
)
⇒∆T = T
c
– T
đ
=

( )
C
XXq
đc
−
do dung dòch loãng (x<0.2).
C = 4.186 (1-x) KJ/Kgđộ.
x = x
tb
=
( )
( )
000645.0
2
000129.0
2
=
+
=
+
cđ
xx
⇒C = (1 - 0.000645) = 0.999 Kcal/Kgđộ.
( )
.0006.0
999.0
000129.0
17
83.7
0

CT
=
−−
=∆
∆T rất bé nên xem nhiệt độ dung dòch ra khỏi tháp bằng dung dòch vào
và cũng bằng dung dòch khí ra khỏi tháp (T = 30
0
C).
III. Tính toán thiết bò chính:
1.Đường kính tháp:
( )
)./(773,2)/(51,9983
273
303
4.225645,401
.)/(5645,401
2
64,400479,402
2
785.0
33
smhm
hKmol
GG
G
w
G
D
cđ
tb

y
tb
==××=
=
+
=
+
=
=
- Tính vận tốc khí qua tháp:
(ρ
y
w
y
)
tb
= 0.065 ϕ[σ]
ytb
tb
x
.h
ρρ
ϕ[σ] – hệ số sức căng bề mặt khi σ < 20 dyn/cm thì ϕ[σ] = 0.8.
σ > 20 dyn/cm thì ϕ[σ] = 1.

.
11
32
NHOH
hh

σ
+
σ
=σ
Tra STT2 ở 30
0
C:
OH
2
σ
= 71,15.10
-3
N/m =71.15 đyn/cm.
3
NH
σ
= 19.10-3 N/m = 19 đyn/cm.
SVTH: PHAN HỮU TÀI Trang 13