Đồ án công nghệ thiết kế hệ thống xử lý HCl

Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Đặt vấn đề
Các ngành công nghiệp chiếm vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế nước
ta. Nó phát triển cùng với sự phát triển của kinh tế xã hội và ngày nay nhu cầu của
con người ngày càng tăng cao, kéo theo sự phát triển của một số ngành liên quan
như: Tự động hóa, công nghệ hóa chất… Cùng với sự phát triển của các ngành
công nghiệp này thì một lượng lớn khí thải từ các nhà máy đã thải vào môi trường,
nếu lượng khí thải do các máy này thải ra mà không qua sử lý sẽ ảnh hưởng trực
tiếp đến môi trường, độc tính từ các dòng khí thải do nhà máy sản xuất thải ra ngây
thiệt hại nhiều đến sức khỏe của con người. Do đó việc xử lý khí thải trước khi thải
ra môi trường không khí là một điều tất yếu.
1.2. Nhiệm vụ của đồ án
 Tổng quan về phương pháp hấp thu khí HCl bằng nước.
 Tìm hiểu nguồn gốc, tính chất đặc trưng, khả năng gây ô nhiễm của khí thải
– khí HCl.
 Tính toán thiết bị xử lý phù hợp.
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 1
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT
2.1. Khái niệm
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. 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 cả hai quá trình là giống nhau.
Quá trình hấp thu tách bỏ 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 được cho

tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan có 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 thu
Chất lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi (chất hấp thu)
Khí không bị hấp thu gọi là khí trơ.
Trong công nghiệp hóa chất, thực phẩm, quá trình hấp thu được dùng để:
 Thu hồi các cấu tử quý trong pha khí
 Làm sạch pha khí
 Tách hổn hợp tạo thành các cấu tử riêng biệt
 Tạo thành một dung dịch sản phẩm.
Có 2 phương pháp hấp thu:
 Hấp thu vật lý: được dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong
pha lỏng.
 Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học giữa chất bị hấp thu và
chất hấp thu.
Nếu quá trình hấp thu khí với mục đích của quá trình là tách các cấu tử hỗn
hợp khí thì khi đó việc lựa chọn dung môi tốt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 2
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
- Độ hòa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và
hòa tan không đáng kể các cấu tử còn lại. Đây là điều kiện quan trọng nhất.
- Độ nhớt của dung môi: càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ, tăng tốc độ
hấp thu và có lợi cho quá trình chuyển khối.
- Nhiệt dung riêng: bé sẽ tốn ít nhiệt khi hoàn nguyên dung môi.
- Nhiệt độ sôi: khác xa với nhiệt độ sôi của chất hoà tan sẽ dễ tách các cấu
tử ra khỏi dung môi.
- Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc
và thu hồi các cấu tử hòa tan dễ dàng hơn.
Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm và không độc hại với người và không ăn mòn

thiết bị.
Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được tất cả các chỉ tiêu
đã nêu. Vì vậy, khi chọn dung môi ta phải dựa vào những điều kiện cụ thể của sản
xuất.
2.2. Cơ sở lý thuyết
2.2.1. Định luật Henry
Thành phần cân bằng của các pha trong hệ khí – dung dịch chất lỏng hòa tan
khí đối với các khí lý tưởng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn được xác định theo
định luật Henry:
p = Hx (2.1)
Nghĩa là áp suất riêng phần của khí trên mặt thoáng chất lỏng tỉ lệ với nồng
độ phần mol của nó trong dung dịch
Trong phương trình (2.1)
x : Nồng độ phần mol của khí bị hấp thu trong dung dịch
p: Áp xuất riêng phần của khí bị hấp thu trong hỗn hợp khí trên
mặt thoáng dung dịch ở điều kiện cân bằng.
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 3
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
H: Hệ số Henry, có cùng thứ nguyên với áp suất, giá trị của nó
phụ thuộc vào tính chất của khí và của chất lỏng, vào nhiệt độ và đơn
vị đo.
Khi nhiệt độ tăng thì H tăng, độ hòa tan của khí trong chất lỏng sẽ giảm
xuống.
Đối với khí lý tưởng thì phương trình trên được biểu thị bằng đường thẳng.
Đối với khì thực thì hệ số Henry còn phụ thuộc vào nồng độ và đường biểu diễn
trong trường hợp này là đường cong. Nếu khí thực có nồng độ khí không lớn lắm
và độ hòa tan của nó trong chất lỏng nhỏ thì đường biểu diễn của phương trình
(2.1) cũng là một đường thẳng.
Mặt khác, áp suất riêng phần cân bằng của khí cũng có thể xác định theo

phương trình sau:
p = y
cb
.P (2.2)
Trong đó
y
cb
: Nồng độ phần mol của cấu tử bị hấp thu trong hỗn hợp khi cân
bằng với áp suất lỏng .
P: Áp suất tổng cộng của hỗn hợp khí.
So sánh hai phương trình (2.1) và (2.1), ta có:
y
cb
= x ,
y
cb
= m x , (2.3)
Trong đó m = hằng số cân bằng pha hay hệ số phân bố, là một đại lượng
không đổi.
2.2.2. Cân bằng vật chất trong quá trình hấp thu
Xét một quá trình xảy ra với một pha ký hiệu là L và pha ký hiệu là G.
Trong thiết bị hai pha tiếp xúc nhau và chỉ có dung chất A khuếch tán giữa hai pha.
Cấu tử không khuếch tán giữa hai pha gọi là cấu tử trơ. Ký hiệu:
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 4
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
L
đ
, L
c

: Suất lượng mol tổng cộng của pha L vào và ra khỏi thiết
bị.
G
đ
, G
c
: Suất lượng mol tổng cộng của pha G vào và ra khỏi thiết
bị.
L
tr
, G
tr
: Suất lượng mol của cấu tử không khuếch tán (trơ) trong pha
lỏng, pha khí.
x
đ
, x
c
: Phần mol của dung chất trong pha L vào và ra khỏi thiết
bị.
y
đ
, y
c
: Phần mol của dung chất trong pha G vào và ra khỏi thiết
bị.
X
đ
, X
c

: Tỉ số mol của dung chất trong pha L vào và ra khỏi thiết
bị.
Y
đ
, Y
c
: Tỉ số mol của dung chất trong pha G vào và ra khỏi thiết
bị.
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 5
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Hình 2.1 trình bày quá trình tiếp xúc nghịch dòng cho một tháp bất kỳ.
Gọi: G Là suất mol tổng cộng/h (m
2
tiết diện tháp)
y Là phần mol của dung chất khuếch tán A
p Là áp suất riêng phần
Y Là tỉ số mol
G
tr
Là suất lượng mol của cấu tử trơ/h.m
2
Tại một vị trí bất kỳ trong tháp:
Y = = (2.4)
G
tr
= G( 1 - y ) = (2.5)
Tương tự cho pha lỏng:
X = (2.6)
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 6

L
đ
x
đ
L
tr
x
đ
G
c
G
tr
Y
c
y
c
x L
x

L
tr
G y
G
tr
y
L
c
L
tr
x

c
x
c
G
đ
G
tr
y
đ
y
đ
Hình 2.1. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu
Bao hình 1
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
L
tr
= L( 1 - x ) = (2.7)
Vì cấu tử trơ trong pha khí và trong pha lỏng có suất lượng không đổi khi đi
qua tháp nên ta viết phương trình cân bằng vật chất trên căn bản cấu tử trơ. Cân
bằng dung chất cho phần dưới tháp đến vị trí bất kỳ (bao hình 1) là:
G
tr
(Y
1
- Y ) = L
tr
(X
1
– X ) (2.8)

Đây là phương trình đường thẳng (đường làm việc) trên tọa độ X, Y, hệ số
góc là L
tr
/G
tr
và đi qua điểm (X
1
/Y
1
). Nếu thay X, Y bằng X
2
/Y
2
thì đường biểu diễn
cũng đi qua điểm (X
2
/Y
2
). Đường làm việc là đường thẳng khi vẽ theo tọa độ tỉ số
mol X,Y hoặc tỉ số khối lượng ,. Nếu biểu diễn theo phần mol hoặc áp suất riêng
phần, đường làm việc sẽ là đường cong, phương trình khi đó là:
G
tr
( - ) = G
tr
(

- ) = L
tr
( - ) (2.9)

Với P
t
là áp suất tổng được xem như không đổi trong suốt cả tháp.
2.2.3. Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu
Trong việc tính toán quá trình hấp thu, ta thường biết trước các đại lượng
sau:
− Suất lượng pha khí G hay G
tr
− Nồng độ hai đầu pha khí Y
1
và Y
2
nồng độ của pha lỏng ban đầu X
2

Suất lượng dung môi lỏng được chọn phụ thuộc vào các đại lượng trên.
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 7
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Hình 2.3a, đường làm việc phải đi qua điểm D và chấm dứt tại đường có
tung độ Y
1
. Nếu suất lượng dung môi sử dụng tương ứng với đường DE, nồng độ
pha lỏng trong dòng ra sẽ là X
1
. Nếu lượng dung môi sử dụng ít hơn, thành phần
pha lỏng đi ra sẽ lớn hơn (điểm F) nhưng động lực khuếch tán sẽ nhỏ hơn, quá
trình thực hiện khó hơn, thời gian tiếp xúc pha sẽ lâu hơn, do đó thiết bị hấp thụ
phải cao hơn. Đường làm việc ứng với lượng dung môi tối thiểu khi tiếp xúc với
đường cân bằng tại P. Tại P động lực khuếch tán bằng không, thời gian tiếp xúc

pha không xác định và tháp có chiều cao không xác định. Điều này là điệu kiện
giới hạn cho lượng dung môi sử dụng.
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 8
Y
X
Đường cân bằng
Hình 2.2. Đường làm việc cho quá trình hấp thu
Đường làm việc
L
tr
/G
tr
Đỉnh
Đáy
Y
1
0
Y
2
X
2
X
1
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Thường thì đường cân bằng lõm như hình 2.3b, đường làm việc ứng với
lượng dung môi tối thiểu tương ứng với nồng độ dòng lỏng ra cân bằng với nồng
độ dòng khí vào. Như vậy ta có:
L
tr min

= G
tr


(2.10)
Với X
1max
là nồng độ ra của pha lỏng cực đại ứng với lượng dung môi tối thiểu hay
nồng độ ra của pha lỏng cân bằng với nồng độ vào của pha khí.
Trong thực tế, lượng dung môi sử dụng luôn lớn hơn lượng dung môi tối
thiểu và nồng độ ra của pha lỏng nhỏ hơn nồng độ cực đại.
2.2.4. Cân bằng nhiệt lượng trong quá trình hấp thu
Phương trình cân bằng nhiệt 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
Trong đó
G
đ
, G
c
: Hỗn hợp khí đầu và cuối, (kg/h)
L
đ
, L
c
: Lượng dung dịch đầu và cuối, (kg/h)
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 9
Y
X
Đường
cân bằng
Hình 2.3. Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thu
E
Y
1
0
Y
2

X
2
X
1max
Y
1
X
2
X
1max
X
Đường
cân bằng
L
trmin
/G
tr
X
1
F
M
D
P
Y
2
0
a)
b)
Y
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học

Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
T
đ
, T
c
: Nhiệt độ khí ban đầu và cuối, (
0
C)
I
đ
,

I
c
: Entalpy hỗn hợp khí ban đầu và cuối, (kJ/kg)
C
đ
, C
c
: Tỷ nhiệt của dung dịch đầu và cuối, (kJ/kg độ)
Q
0
: Nhiệt mất mát, (kJ/h)
Q
s
: Nhiệt phát sinh do hấp thu khí, (kJ/h)
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp thu
Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ảnh hưởng lên quá trình hấp thu. Cụ thể
là chúng có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình.
Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Khi các điều kiện khác không đổi nếu nhiệt độ tăng thì giá trị của hệ số
Henry tăng, đường cân bằng sẽ chuyển dịch về trục tung. Giả sử đường làm việc
PQ không đổi, nếu nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm, do đó tốc độ
truyền khối sẽ giảm. Nếu tăng nhiệt độ lên một giới hạn nào đó thì không những
động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình củng không thực hiện được theo
đường làm việc PQ cho trước. Mặt khác nhiệt độ tăng cũng có ảnh hưởng tốt vì
làm độ nhớt của dung môi giảm (có lợi đối với trường hợp trở lực khuếch tán chủ
yếu nằm trong pha lỏng).
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 10
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Ảnh hưởng của áp suất:
Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất của hỗn hợp khí thì
hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục
hoành. Như vậy nếu tăng áp suất thì quá trình truyền khối sẽ tốt hơn vì động lực tốt
hơn.
Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ. Mặt khác, sự
tăng áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thu.
Các yếu tố khác:
Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác của dụng
cụ đo, chế độ vận hành tháp… đều có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thu.
2.4. Tính chất của HCl
HCl là một chất khí không màu có mùi xốc, trọng lượng riêng 1,264 ở 17
0
C
(so với không khí). Nhiệt độ nóng chảy -114,7
0
C, nhiệt độ sôi -85,2
0
C. Nhiệt độ tới

hạn 51,25
0
C, áp suất tới hạn 86 at. Tỷ trọng HCl lỏng ở -113
0
C là 1,267, ở -110
0
C
là 1,206. Ngoài không khí ẩm bốc thành sa mù do tạo ra những hạt nhỏ acid
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 11
t
1
t
2
t
3
t
4
P
Q
y
X
t
1
< t
2
< t
3
< t
4
P

1
P
2
P
3
p
4
P
Q
y
X
P
1
< P
2
< P
3
< P
4
Hình 2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá
trình hấp thu
Hình 2.5. Ảnh hưởng của áp suất lên quá
trình hấp thu
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
clohydrit. Tan nhiều trong nước và phát nhiệt. Tan trong rượu, trong benzen (2% ở
18
0
C), trong ete (35% ở 0
0

C). Hằng số phân ly của acid clohydrit ở 0
0
C bằng
2,5.10
7
.
- Tính chất hóa học
Phân tử clorua hiđrô (HCl) là một phân tử hai nguyên tử đơn giản, bao gồm một
nguyên tử hiđrô 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 hiđrô,
nên phân tử hai nguyên tử clorua hiđrô 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 là
hiđrônium (H3O+) và các anion clo (Cl-) thông qua phản ứng hóa học thuận nghịch
sau:
HCl + H
2
O → H
3
O
+
+ Cl
-
Như các loại axít khác, HCl có khả năng tác dụng với:
• Kim loại: Giải phóng khí hiđrô và tạo muối clorua (trừ các kim loại đứng
sau hiđro trong dải hoạt động hóa học như Cu, Hg, Ag, Pt, Au).
Fe + 2HCl → FeCl
2

+ H
2
• Ôxít bazơ: Tạo muối clorua và nước.
ZnO + 2HCl → ZnCl
2
+ H
2
O
• Bazơ: Tạo muối clorua và nước.
NaOH + HCl → NaCl + H
2
O
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 12
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
• Muối: tác dụng với các muối có gốc anion hoạt động yếu hơn tạo muối mới
và axít mới.
CaCO
3
+ 2HCl → CaCl
2
+ CO
2
+ H
2
O
Ngoài ra, trong một số phản ứng HCl còn thể hiện tính khử bằng cách khử
một số hợp chất như KMnO
4 (đặc)
, MnO

2
, KClO
3
giải phóng khí clo.
2KMnO
4(đặc)
+ 16HCl → 2KCl + 2MnCl
2
+ 5Cl
2
+ 8 H
2
O
MnO
2
+ 4HCl → MnCl
2
+ Cl
2
+ 2H
2
O
2.5. Thiết bị hấp thụ
Thiết bị hấp thụ có chức năng tạo ra bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng
càng lớn càng tốt. Có nhiều dạng tháp hấp thu:
+ Tháp phun: 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.
+ Tháp sủi bọt: Khí được cho qua tấm đục lỗ bên trên có chứa lớp nước lỏng.

+ Tháp sục khí: Khí được phân tán dưới dạng các bong bóng đi qua lớp chất
lỏng. Quá trình phân tán khí có thể thực hiện bằng cách cho khí đi qua tấm xốp,
tấm đục lỗ hoặc bằng cách khuấy cơ học.
+ Tháp đệm: Chất lỏng được tưới trên lớp đệm rỗng và chảy xuống dưới tạo ra
bề mặt ướt của lớp đệm để dòng khí tiếp xúc khi đi từ dưới lên. 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.
+ Tháp đĩa: 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.
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 13
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Tháp hấp thụ phải thảo mãn những yêu cầu sau: Hiệu quả và có khả năng cho
khí đi qua, trở lực thấp (< 3000 Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối
lượng nhỏ, không bị tắc nghẽn bởi 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.
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 14
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
CHƯƠNG 3
QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
3.1. Thuyết minh quy trình công nghệ
Khí cần xử lý cần được lấy từ các nhà máy, sẽ được thu hồi lại rồi sau đó
dùng quạt thổi khí vào tháp hấp thụ (tháp mâm xuyên lỗ). Dung dịch dùng hấp thụ
là nước. Tháp hấp thụ làm việc nghịch chiều: Nước được bơm lên bồn cao vị (với
mục đích để ổn định lưu lượng), từ đó cho vào tháp từ trên đi xuống, hỗn hợp khí
được thổi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xảy ra. Hấp thụ xảy ra trong đoạn tháp

có bố trí các mâm. Hỗn hợp khí trơ đi ra ở đỉnh tháp sẽ được cho đi qua ống khói
để phát tán khí ra ngoài mà không gây ảnh hưởng đến công nhân. Dung dịch sau
hấp thụ ở đáy tháp được cho ra bồn chứa. Tại đây, dung dịch lỏng này có thể được
đưa qua tháp tái sinh để tái sử dụng hoặc sẽ được sử lý để sau cho nồng độ cùa
nước thải đạt được nồng độ cho phép để có thể thải ra môi trường. Nếu trong khu
công nghiệp thì xử lý sau cho nước thải đạt tiêu chuẩn loại B (1mg/l) hoặc nếu đặt
trong khu sinh hoạt thì phải xử lý cho đến khi đạt tiêu chuẩn loại A (0.1mg/l).
3.2. Sơ đồ quy trình công nghệ
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 15
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
CHƯƠNG 4
TÍNH TOÁN CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG
4.1. Tính cân bằng vật chất cho tháp hấp thu
4.1.1. Các thông số ban đầu
− Công suất của hệ thống V
0
= 8 m
3
/s = 288000 m
3
/h (điều kiện tiêu
chuẩn).
− Nồng độ khí HCl trong khí thải (điều kiện tiêu chuẩn).
Nồng độ khí vào y
đ
= 700 mg/m
3
= 0.7 g/m
3

Nồng độ khí ra y
c
= 40 mg/m
3
= 0.04 g/m
3
− Nồng độ ban đầu của HCl trong nước X
đ
= 0
− Nhiệt độ làm việc trung bình của hệ thống là 30
0
C
− Áp suất làm việc ở P = 0.2 Mpa = 2,04at
4.1.2. Cân bằng vật chất
Đầu vào
Số mol HCl lúc đầu
n
HCl d
= = = 0,0192(mol)
Số mol không khí
n
kk
= = 44,6429 (mol)
phần mol của dung chất trong pha khí
y
d
=

= = 4,3008.10
-4

(mol/mol)
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 16
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Tỉ số mol của dung chất trong pha khí
Y
d
=

= = 4,3026.10 (mol/mol)
Đầu ra
Số mol HCl lúc cuối
n
HCl c
= = = 1,0959.10
-3
phần mol của dung chất trong pha khí
y
c
=

= = 2,4548.10
-5
(mol/mol)
Tỉ số mol của dung chất trong pha khí
Y
c
=

= = 2,4548.10

-5
(mol/mol)
4.1.3. Đường cân bằng pha
Dựa theo định luật Henry:
Ở 30
0
C H.10
-6
= 0,0022 mmHg
=> m = =

= 2,8947
y
cb
= (*)
Số liệu xây dựng dường cân bằng pha.
X

0 0.20E -4 0.40E-4 0.60E-4 0.80E-4 1.0E-4 1.20E-4 1.40E-4
Y 0 0.000057
8
0.00011
6
0.00017
4
0.00023
2
0.00029
0
0.00034

7
0.00040
5
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 17
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
4.2. Tính cân bằng năng lượng cho tháp hấp thu
4.2.1. Lưu lượng pha lỏng và pha khí
G
hh
= = = 2364.6462 (Kmol/h)
G
tr
= G
hh
(1 - y
d
) = 2364,6462.(1-4,3008.10 ) = 2363,6368 (Kmol/h)
G
c
= G
tr
(Y
c
+ 1) = 2363,6368.(2,4548.10 +1) = 2363,6966 (Kmol/h)
Từ y
d
= 4,3008.10
-4
và đồ thị đường cân bằng

=> X
c max
= 1.4822.10
-4
Lượng dung môi tối thiểu
L
tr min
= G
tr


= 2363,6368 = 6469,8139
Do lượng dung môi thực tế nhiều hơn lượng dung môi tối thiểu 20% nên
L
tr
= 1,2.L
tr min
= 1,2.6469,8139 = 7763.7767
Khi đó :

=

=> X
c
=

G
tr
= 2363,6368 = 1,2352.10 (Kmol HCl/Kmol hh)
Lưu lượng lỏng đi trong tháp

GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 18
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
G
x
= L
tr
.18 = 7763,7767.18 = 139747,9806 (kg/h)
CHƯƠNG 5
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 19
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
5.1. Đường kính tháp
D = (IV - 162)
Trong đó
V
tb
lưu lượng khí trung bình đi trong tháp
w
y
vận tốc khí đi trong tháp
Tính vận tốc đi trong tháp
( ρw
y
) = 0,65 ϕ[σ] (I - 184)
Trong đó
+ Chọn h = 0,5
+ ϕ[σ] hệ số sức căng bề mặt
Khi σ < 20 đyn/cm thì ϕ[σ ] = 0,8

σ > 20 đyn/cm thì ϕ[σ ] = 1
Sức căng bề mặt hỗn hợp
= +
σ
H2O
= 71,2.10
-3
N/m = 71,2 đyc/cm
σ
HCl
= 63,4.10
-3
N/m = 63,4 đyc/cm
=> σ
hh
= 33,5370 => ϕ[σ] = 1
+ Khối lượng riêng trung bình
Pha khí
ρ
y tb
=
y
tb
=

= = 2,2740.10
-4
(mol/mol)
M
1

= M
HCl
= 36,5
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 20
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
M
2
= M
H2O
= 18
T = 303
0
K
=> ρ
y tb
= 0,7242
Pha lỏng
ρ
x tb
= ρ
tb1
V
tb1
+ (1 - V
tb1
)ρ
tb2

ρ

tb1
= ρ
HCl

ρ
tb2
= ρ
H2O
= 995,68 ( Kg/m
3
)
V
tb1
phần thể tích trung bình của cấu tử HCl trong pha lỏng
Do V
tb
rất bé => V
tb1
ρ
tb1
≈ 0
1 - V
tb
≈ 1
=> ρ
x

tb
= ρ
H2O

= 995,68 ( Kg/m
3
)
=> w
y
= = = 1,0742 (m/s)
Tính lưu lượng khí trung bình đi trong tháp
G
tb
=

= = 2364,9627
V
tb
= G
tb
.22,4. = 2364,9627.22,4.
= 58771,7496(m
3
/h) = 16,3255 (m
3
/s)
=> D = 3,4933 (m)
Theo tiêu chuẩn chọn D = 3,5 (m)
=> Vận tốc dòng khí đi trong tháp
w
y
=

= = 1,6977 (m/s)

5.2. Đường kính, diện tích mặt cắt ống chảy chuyền
Đường kính ống chảy chuyền
d
ch
= (II - 236)
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 21
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Trong đó
G
x
lưu lượng lỏng trung bình đi trong tháp, kg/h
ρ
x
khối lượng riêng của lỏng, kg/m
3
z số ống chảy chuyền
w
c
tốc độ chất lỏng trong ống chảy chuyền, thường lấy w
c
= 0,1 ÷ 0,2
m/s
=> d
ch
= = 0,4983(m)
=> Diện tích mặt cắt ống chảy chuyền
S
ch
=

= = 0,1949 (m
2
)
Khoảng cách thân thiết bị đến gờ chảy tràn
L = D - d
ch
=3,5- 0,4983 = 3,0017 (m)
5.3. Diện tích làm việc của đĩa
Chọn đĩa làm bằng thép không rỉ X18H10T
Khối lượng riêng của thép: ρ = 7900 (kg/m
3
)
Đường kính lỗ: d
l
= 0,005 (m) = 5 (mm)
Bề dày đĩa: δ = 0,8.d
l
= 0,8.0,005 = 0,004 (m) = 4 (mm)
Diện tích của đĩa
f =

- 2.S
ch
= - 2.0,1949 = 9,2264 (m
2
)
Tổng diện tích lỗ lấy bằng 12% diện tích làm việc
S
1

= 0,12.f = 0,12.9,2264 = 1,10710 (m
2
)
Thể tích của đĩa
V
d
= (f - S
1
)δ = (9,2264-1,1071).0,004 = 0,0325 (m
3
)
Khối lượng đĩa
m
d
= V
d
.ρ = 0,0325.7900 = 256,5699
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 22
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Số lỗ trên một mân
n = = 56412 (lỗ)
Bước lỗ
t = = = 0,0194 (m) = 19,4 (mm)
5.4. Chiều cao của thiết bị
Hệ số chuyển khối
K
y
= (II - 162)
Trong đó

m Hệ số phân bố vật chất
β
x
Hệ số cấp khối phía pha lỏng
β
y
Hệ số cấp khối phía pha khí
Hệ số cấp khối phía pha khí
β
y
= 3,03.10
-4
.w
y
0.76
.∆P
x
(II - 164)
Trong đó
w
y
Vận tốc khí tính cho mặt cắt tự do của tháp, m/s
∆P
x
= ∆P
d
- ∆P
k
Sức cản thủy lực của lớp chất lỏng trên đĩa,
N/m

2
∆P
d
= ∆P
k
+ ∆P
s
+ ∆P
t
Tổng trở lực của một đĩa, N/m
2
∆P
k
Trở lực đĩa khô, N/m
2
∆P
s
Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt, N/m
2
∆P
t
Trở lực thủy tỉnh, N/m
2
+ Trở lực đĩa khô
∆P
k
= ξ

(II - 194)
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 23

Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
ξ Hệ số trở lực, ξ = 1,635
ρ
y
Khối lượng riêng của pha khí, kg/m
3
w
0
Vận tốc khí qua lỗ, m/s
Vận tốc khí qua lỗ
w
0
=

= = 14,7463 (m/s)
∆P
k
= 1,635 = 128,7574(N/m
2
)
+ Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (II - 194)
∆P
s
= = = 20,6318 (N/m
2
)
+ Trở lực thủy tĩnh
∆P
t

= 1,3.[K.h
c
+ ].g.ρ
x
(II - 194)
Trong đó
h
c
Chiều cao ống chảy chuyền nhô lên trên khỏi đĩa, m
G
x
Lưu lượng lỏng, kg/h,
(G
x
= = = 139,7480
L
c
Chiều dài cửa chảy tràn, m
m Hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn,
(

= 172,9065 > 5 => m = 10000)
ρ
x
Khối lượng riêng của lỏng, kg/m
3
K Tỉ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của
lỏng không bọt, (chấp nhận K = 0,5)
g Gia tốc trọng trường, m/s
2

∆P
t
= 1,3[0,5.0,12 + ] 9,81.995,68 = 1440,3890
=> ∆P
x
= ∆P
d
- ∆P
k
= ∆P
s
+ ∆P
t
= 694,6112
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 24
Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu Đồ án môn học
Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
=> β
y
= 0,2997 (Kmol/m
2
s)
Hệ số cấp khối phía pha lỏng (II - 164)
β
x
=

= 0,2406 (Kmol/m
2
s)

=> K
y
= = 0,2331(Kmol/m
2
s)
Số đơn vị chuyển khối đối với mỗi đĩa
m
yT
= (II - 173)
Trong đó
K
y
Hệ số chuyển khối, Kmol/m
2
s
f Diện tích làm việc của đĩa, m
2
G
y
Lưu lượng khí, Kmol/s
=> m
yT
= = 3,2744
Số đơn vị chuyển khối trong thành phần pha lỏng không đổi
C
y
= e
myT

= e = 26,4274

Xác định số đĩa thực tế theo phương pháp vẽ đường công động học
X 0 1,24E-4
Y 2.45E-5 4,2959E-4
Đồ thị X,Y xác định số đĩa lý thuyết
Dựa vào đồ thị X, Y xác định số đĩa lý thuyết theo đường cân bằng và
đường làm việc, số bậc (số tam giác) tạo thành giữa hai đường chính là số đĩa lý
thuyết.
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 25