Tính toán thiết kế tháp hấp phụ xử lý khí thải

LỜI GIỚI THIỆU
Ô nhiễm không khí hiện đang là vấn đề quan tâm của toàn thế giới, nó không chỉ
ảnh hưởng đến sức khỏe của con người mà còn có thể làm thay đổi cả hệ sinh thái, biến
đổi khí hậu toàn cầu dẫn đến những hậu quả khó lường được. Vì vậy giảm thiểu và xử lý
khí thải là biện pháp bắt buộc phải làm đễ bảo vệ chính chúng ta và thế hệ tương lai.
Giảm thiểu khí hại độc hại cho môi trường có thể làm bằng nhiều cách như thay
đổi nguyên nhiên liệu, cải tiến hệ thống thiết bị sản xuất, xử lý triệt để trước khi đưa vào
môi trường. Tuy nhiên những yêu cầu trên phải đòi hỏi có thời gian dài và sự chuẩn bị kỹ
lưỡng cho sự phát triển bền vững. Vì thế mà trong tình hình hiện nay và những năm tới,
việc xử lý khí thải trước khi đưa vào môi trường vẫn là giải pháp chính đề giảm thiểu ô
nhiễm môi trường.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TOLUEN
I.1. Tính chất vật lý:
Là chất lỏng thơm, không màu, không tan trong nước, tan trong cồn và ete, nhẹ
hơn nước và nổi trên mặt nước, sôi ở 111
0
C, là chất dễ cháy ở nhiệt độ lớn hơn 40 º F
(4,4 º C). Toluene là một chất lỏng khúc xạ, trong suốt, độ bay hơi cao, có mùi thơm nhẹ,
ngoài ra Toluen còn có tên khác là Methyl Benzen, Benzen Methyl, khí Mê-tan Phenyl,
và Toluol. Công thức hóa học Toluen là
I.2. Điều chế:
Chủ yếu chiết xuất từ nhựa than đá hoặc dầu mỏ.
I.3. Tinh chế:
Toluen có thể tinh chế bằng cách sử dụng các hợp chất như CaCl
2
, CaH
2
, CaSO
4
,
P

2
O
5
hay natri để tách nước. Ngoài ra, kỹ thuật chưng cất chân không cũng được sử dụng
phổ biến. Trong kỹ thuật này, người ta thường sử dụng benzophenon và natri để điều chế.
I.4. Ứng dụng:
Toluen chủ yếu được dùng làm dung môi hòa tan nhiều loại vật liệu như sơn, các
loại nhựa tạo màng cho sơn, mực in, chất hóa học, cao su, mực in, chất kết dính,
Trong ngành hóa sinh, người ta dùng toluen để tách hemoglobin từ tế bào hồng
cầu. Toluen nổi tiếng còn vì từ nó có thể điều chế TNT:
C
7
H
8
+ 3HNO
3
-> C
7
H
5
(NO
2
)
3
+ 3H
2
O.
I.5. Độc tính:
Nếu tiếp xúc với toluen trong thời gian đủ dài, có thể bị bệnh ung thư.
Nó có thể gây nhiễm độc bởi uống hoặc hít phải và đang dần được hấp thụ qua da.

triệu chứng của ngộ độc toluene bao gồm các hiệu ứng thần kinh trung ương (nhức đầu,
chóng mặt, mất điều hòa, buồn ngủ, hưng phấn, ảo giác, run, co giật và hôn mê).
Tiếp xúc với mắt: kích thích, nhưng không ảnh hưởng đến màng mắt.
Tiếp xúc với da: tiếp xúc thường xuyên hoặc lâu dài có thể bị kích thích và viêm
da. Tiếp xúc ngắn và không thường xuyên với chất lỏng sẽ không gây sự kích thích
nghiêm trọng tức khi bay hơi xẩy ra. Tiếp xúc vào da có thể gây điều kiện viêm da trầm
trọng.
Hít phải (hệ hô hấp): hàm lượng bay hơi cao (lớn hơn khoảng 1000 ppm) gây kích
thích mắt và cơ quan hô hấp, có thể gây đau đầu, ngủ gật, vô thức, ảnh hưởng đến trung
tâm thần kinh, hỏng não và có thể gây chết.
Nuốt phải (hệ tiêu hóa): một lượng nhỏ vào trong bụng hoặc gây nên hoặc làm
hỏng phổi, có thể gây chết.
I.6. Nồng độ cho phép:
Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải thải công nghiệp QCVN 20:2009 đối
với một số chất hữu cơ thì nồng độ cho phép tối đa của Toluen trong không khí là 750
(mg/Nm
3
).
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HƠI TOLUEN.
II.1. Phương pháp hấp thụ:
Phương pháp này sử dụng các chất hấp thụ như dung môi, nước, các hợp chất để
hấp thụ. Phương pháp này sử dung đối với các dung môi hữư cơ, không khí chứa hơi a-
xít,
Quá trình hấp thu là quá trình trong đó một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất
lỏng nhằm mục đích hoà tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của hỗn hợp khí để tạo nên
một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng.
Dung dịch hấp thu là dung môi, nhưng ở đây cấu tử cần hấp thu lại là dung môi,
nên dung dịch hấp thu thường phải có độ hoà tan tốt dung môi, chất hay dùng là nước.
Cơ chế của quá trình hấp thu, chia làm 3 giai đoạn:
Khuếch tán của chất ô nhiễm ở thể khí đến bề mặt phân pha giữa 2 pha khí – lỏng.

Thâm nhập và hòa tan chất khí qua bề mặt của chất hấp thu.
Khuếch tán chất khí đã hoà tan trên bề mặt phân cách vào sâu trong lòng chất hấp
thu.
II.2. Phương pháp hấp phụ:
Quá trình hấp phụ là quá trình hút chọn lựa các cấu tử trong pha khí lên bề mặt
chất rắn. Người ta áp dụng phương pháp hấp phụ để làm sạch khí có hàm lượng tạp chất
khí và hơi nhỏ.
Quá trình hấp phụ được thực hiện bằng cách cho tiếp xúc giữa pha rắn và pha khí,
ở điều kiện bình thường thì pha khí trong hỗn hợp với không khí thì không khí sẽ không
bị hấp phụ.
Vật liệu dùng để làm chất hấp phụ là các vật liệu xốp với bề mặt bên trong lớn,
được tạo thành do nhân tạo hoặc tự nhiên. Trong công nghiệp hay dùng các chất hấp phụ
như: than hoạt tính, silicagel, keo nhôm, zeolit và ionit chất trao đổi ion.
Ưu điểm của quá trình hấp phụ này là các vật liệu hấp phụ có thể được hoàn
nguyên và sử dụng lại. Như vây sẽ ít tốn kém trong khi hoạt động.
II.3. Phương pháp nhiệt:
Bản chất là quá trình oxi hoá các cấu tử độc hại và các tạp chất có mùi hôi bằng
oxy ở nhiệt độ cao (450
o
C – 1200
o
C).
Phương pháp này dùng để loại bỏ bất kì loại khí và hơi nào mà sản phẩm cháy ít
độc hại hơn.
Ưu điểm: là thiết bị xử lý đơn giản và có khả năng ứng dụng rộng rãi vì thành
phần khí thải ít ảnh hưởng đến thiết bị đốt.
Nhược điểm: là tốn nhiều năng lượng và thành phần khí thải sau đốt có CO
2
cao,
là chất gây ô nhiễm không khí và hiệu ứng nhà kính.

II.4. Phương pháp xúc tác:
Bản chất của quá trình xúc tác để làm sạch khí thải là thực hiện các tương tác hóa
học nhằm chuyển các chất độc hại thành các sản phẩm không độc hoặc ít độc hơn của các
chất trên bề mặt chất xúc tác rắn.
Các chất xúc tác không làm thay đổi mức năng lượng của các phân tử chất tương
tác và không làm dịch chuyển cân bằng phản ứng đơn giản. Vai trò của chúng là làm tăng
vận tốc tương tác hoá học. Các chất xúc tác trong xử lý khí thải công nghiệp là các chất
tiếp xúc trên cơ sở các kim loại quý: Pt, Pd, Ag … , các oxit Mangan, Đồng, Cobalt …
Hiệu quả xử lý của phương pháp này chủ yếu phụ thuộc vào hoạt tính của chất xúc
tác.
Nhược điểm: của phương pháp này là tốn kém và hiệu suất không ổn định.
CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ HƠI TOLUEN
BẰNG THAN HOẠT TÍNH.
III.1 Khái niệm:
Hấp phụ là quá trình phân ly khí dựa trên ái lực của một số chất rắn đối với một số
loại khí có mặt trong hỗn khí nói chung và trong khí thải nói riêng, trong quá trình đó các
phân tử chất ô nhiễm trong khí thải bị giữ lại trên bê mặt của vật liệu rắn .vật liệu rắn sử
dụng trong quá trình này được gọi là chất hấp phụ, còn khí bị giữ laị trong chất hấp phụ
được gọi là chất bị hấp phụ.
Hấp phụ là quá trình gây ra hiện tượng tăng nồng độ của chất trên bề mặt tiếp xúc
giữa hai pha (rắn-khí, rắn-lỏng).
Hấp phụ là sự hút các phân tử khí, hơi bởi bề mặt chất hấp phụ.
III.2 Phương pháp hấp phụ:
a. Hấp phụ vật lý:
Là quá trình xảy ra thuận nghịch, là loại hấp phụ gây ra do tương tác yếu giữa các
phần tử, lực tương tác là lực Van Đơ Van.
Ưu điểm: quá trình thuận nghịch bằng, cách hạ thấp áp suất riêng của chất bị hấp
phụ hay nhiệt độ, chất bị hấp nhanh chóng được nhả ra mà bản chất hóa học của nó
không hề thay đổi. Hấp phụ vật lý có tốc độ hấp phụ diễn ra rất nhanh.
b. Hấp phụ hoá học:

Là quá trình không thuận nghịch là hấp phụ đơn phân tử (hấp phụ một lớp), lực
liên kết là lực liên kết hóa học, tạo thành hợp chất bề mặt. Lực liên kết trong hấp phụ hóa
học mạnh hơn nhiều so với hấp phụ vật lý. Do đó lượng nhiệt tỏa ra lớn, khoảng 20 – 400
kJ/g.mol. Tốc độ của quá trình hấp phụ hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ.
Ưu điểm: nhiệt lượng hấp phụ hóa học lớn, có thể đạt tới 800 KJ/mol, năng lượng
cần cho phản ứng.
III.3 Các yếu tố ảnh hưởng:
a. Ảnh hưởng của môi trường:
Giữa môi trường và chất tan thường có sự canh tranh sự hấp phụ lên bề mặt rắn.
Về mặt nhiệt động học, cấu tạo nào có sức căng bề mặt bé hơn sẽ bị hấp phụ mạnh hơn
lên bề mặt vật rắn, tuy nhiên, trong thực tế còn có sự tác động của cáo yếu tố khác.
b. Ảnh hưởng của bản chất hấp phụ:
Bản chất và độ xốp của vật hấp phụ ảnh hưởng lớn đến sự hấp phụ. Vật hấp phụ
không phân cực thì hấp phụ chất không phân cực tốt, vật hấp phụ phân cực hấp phụ tốt
với chất phân cực.
c. Tính chất của chất bị hấp phụ:
Quá trình hấp phụ diễn ra theo hướng làm san bằng sự phân cực giữa các pha. Độ
chênh lệch của sự phân cực càng lớn thì sự hấp phụ diễn càng mạnh. Quy tắc này cho
phép xác định cấu trúc lớp bề mặt và chỉ ra điều kiện chon chất hấp phụ thích hợp nhất
trong trường hợp cụ thể.
d. Quy tắc phân tử lượng đối với sự hấp phụ chất tan từ dung dịch:
Chất hấp phụ có phân tử lượng càng lớn thì sự hấp phụ càng tăng nhanh.
e. Ảnh hưởng của thời gian, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm:
Sự hấp phụ trong dung dịch xảy ra chậm hơn trong pha khí vì sự thay đổi nồng độ
trên bề mặt phân chia pha được thực hiện bởi quá trình khuếch tán. Tốc độ khuếch tán
trong pha khí diễn ra nhanh hơn trong pha lỏng.
Khi nhiệt độ tăng lên, khả năng khuếch tán vật chất vào dung dịch giảm xuống dần
đến giảm sự hấp phụ.
Áp suất: áp suất càng cao, khả năng hấp phụ càng tốt.
Độ ẩm: độ ẩm càng thấp, khả năng hấp phụ càng tốt.

III.4 Thiết bị hấp phụ:
a. Yêu cầu cần thiết:
 Đảm bảo thời gian chu kỳ làm việc thích hợp.
 Có xử lý sơ bộ đối với khí thải.
 Xử lý làm giảm bớt nồng độ ban đầu.
 Phân phối dòng khí đi qua lớp vật liệu hấp phụ đều đặn
 Đảm bảo khà năng thay thế mới hay hoàn nguyên vật liệu hấp phụ.
b. Thiết bị với lớp hấp phụ hạt tầng mỏng:
Dùng than hoạt tính làm chất hấp phụ theo lớp mỏng (độ dày khoảng 12 – 15cm)
được giữ lại bởi một lực cơ học, bởi vì khả năng chống lại lực đẩy của dòng khí rất yếu.
Chất hấp phụ có thể được đựng trên những đĩa dạng lưới hoặc là những phần tử
cứng. Thiết bị hấp phụ mỏng thường được áp dụng để lọc sạch lượng dưỡng khí cấp vào
cho những căn hộ. Không khí trong khí quyển, mặc dù lượng chất ô nhiễm thải vào là rất
lớn, nhưng tính pha loãng của khí quyển cũng rất tốt, bởi vậy nồng độ chất ô nhiễm trong
khí quyển thường là rất nhỏ (dạng vết). Tốc độ hấp phụ của loại thiết bị này nhanh, lượng
chất ô nhiễm không thể nhanh chóng tập trung trên bề mặt chất hấp phụ, đủ để làm giảm.
c. Thiết bị với lớp hấp phu hạt tầng dày:
Sử dụng than củi làm chất hấp phụ với độ dày lớn hơn 1/2 inch (khoảng 12 cm),
với đô dày này sẽ đủ sức giữ được một khoảng trống tối thiểu và thường làm đơn giản
hơn lớp hấp phụ mỏng, dễ dàng xác định lượng than hoạt tính sử dụng. Thiết bị hấp phụ
với lớp dày sẽ được sử dụng ở những nơi có yêu cầu sử dụng được trong thời gian dài, ít
phải thay đổi lớp hấp phụ. Ví dụ dùng để lọc sạch các khí thải từ các ống thải của các lò
sưởi dùng trong nhà, mức độ tập trung chất ô nhiễm cao. Việc hấp phụ chất ô nhiễm trên
bề mặt lớp hấp phụ là quá nhanh so với hấp phụ lớp mỏng, do vậy không bị bít kín các lỗ
hổng.
Nhược điểm chung của 2 thiết bị trên:
Tạo vùng khí bão hòa
Khi hơi đạt tiêu chuẩn xử lý, cần phải thay hay hoạt hóa lại toàn bộ than, kể cả
lượng than chưa bão hòa.
d. Thiết bị hấp phụ tầng sôi:

Khi một dòng khí được thổi qua tầng hấp phụ chứa các chất hấp phụ dạng hạt thì
sự giảm áp suất do tầng này sẽ theo chiều ngược lại với khối lượng của chính nó. Khi vận
tốc dòng khí đủ cao, độ giảm áp sẽ bằng với khối lượng của tầng hấp phụ và chất hấp phụ
trong đó bắt đầu chuyển động,
nghĩa là bắt đầu quá trình sôi. Ở
tốc độ khí cao hơn (khoảng
259ft./phút), các hạt chất hấp phụ
có thể chuyển động không ngừng.
Độ giảm áp cần để có hiện tượng
sôi tỷ lệ thuận vào độ dày tầng
hấp phụ và mật độ dòng khí, mật
độ các hạt rắn.
e. Hệ thống tầng xoay:
Để giảm lượng Cacbon
không sử dụng và giữ tổn thất
năng lượng ở mức thấp nhất, cần
hướng cho dòng khí chỉ đi qua
vùng hoạt động của tầng hấp phụ,
trong khi đó Cacbon bão hòa đượng hoàn nguyên để tận dụng lại. thiết bị hấp phụ tầng
xoay gồm 4 hình trụ.
Toàn bộ hệ thồng sẽ xoay ở một góc độ sao cho các đoạn của tầng hấp phụ sẽ
chuyển từ hấp phụ sang giải hấp ngay sau khi nó đạt mức bão hòa.
Nhược điểm: tuy việc sử dụng than đã được cải tiến nhưng việc sử dụng hoi lại
trở nên kém hiệu quả. Việc bảo trì các mối hàn kín và những bộ phận chuyển động cũng
tốn kém hơn bảo trì thiết bị hấp phụ có tầng hấp phụ tĩnh.
f. Một số loại khác
Có thể bao gồm cả hai loại chất hấp phụ trong một hình trụ đứng hoặc trong một
hình trụ nằm ngang; một lớp hấp phụ chuyển động được chứa trong một tang trống quay.
Mỗi hình thức thích hợp với từng trường hợp cụ thể.
Ứng dụng của thiết bị hấp phụ, bao gồm một số các ứng dụng sau:

• Thu hồi rượu đẳng propyl từ các quá trình chế biến nước cam – quýt.
• Thu hồi metylclorua từ các nhà máy sản xuất phim ảnh.
• Thu hồi hơi rượu etyl từ các lò nấu rượu Whisky.
• Làm sạch khí thải từ các ống khói nhà bếp.
• Làm sạch chất bẩn có trong không khí khi cung cấp dưỡng khí cho phòng
mổ hoặc phòng điều khiển điện.
III.5 Chọn thiết bị:
a. Ta chọn thiết bị hấp phụ tầng cố định.
Đây là thiết bị trong đó pha khí được cho chuyển động qua tầng hạt chất hấp phụ
cố định, được sử dụng nhiều lĩnh vực như thu hồi hơi dung môi có giá trị từ các chất khí,
khử nước trong pha khí hoặc lỏng, khử màu các loại dầu khoáng dầu thực vật …
Các hạt chất hấp phụ được đặt trong tầng có chiều cao từ 0,3 – 1,2m trên tấm đỡ
có đục lỗ, dòng khí nhập liệu được thổi từ trên xuống.
Loại thiết bị này có ba phương thức làm việc:
1. Phương thức bốn giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, sấy, làm lạnh.
2. Phương thức ba giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp, làm lạnh .
3. Phương thức hai giai đoạn: hấp phụ, nhả hấp .
Khi chọn phương thức làm việc cho thiết bị, cần căn cứ vào đặc trưng của chất bị
hấp phụ cần thu hồi và nồng độ đầu của nó trong hỗn hợp khí:
 Khi nồng độ đầu khá cao thì dùng phương thức bốn giai đoạn.
 Khi nồng độ đầu trung bình v nhỏ (2 – 3 g/m3) thì dùng phương thức ba giai đoạn.
 Khi nhiệt độ của hỗn hợp khí thiết bị tương đối đồng nhất và thấp (<35oC) và chất
bị hấp phụ không tan trong nước thì dùng phương thức hai giai đoạn.
Thiết bị tầng cố định có loại thẳng đứng, loại nằm ngang, loại hình vành khăn.
III.6 Vật liệu hấp phụ:
Chất hấp phụ thường là các loại vật liệu dạng hạt có đường kính từ 6 – 10 mm đến
200µm, có độ rỗng lớn được hình thành do những mạch mao quản li ti nằm bên trong
khối vật liệu. Đường kính của mao quản chỉ cần lớn hơn đường kính phân tử của chất bị
hấp phụ thì chất hấp phụ mới có hiệu quả. Do chứa nhiều mao quản nên bề mặt tiếp xúc
của chất hấp phụ rất lớn.

a. Yêu cầu:
 Có khả năng hấp phụ cao.
 Phạm vi tác dụng rộng.
 Có độ bền cơ học cần thiết.
 Có khả năng hoàn nguyên dễ dàng.
 Rể tiền.
b. Than hoạt tính:
Là chất hấp phụ dạng rắn, xốp không phân cực và có bề mặt riêng rất lớn. Than
hoạt tính có tác dụng hấp phụ rất tốt đối với chất không hoặc phân cực kém ở dạng khí
hoặc dạng lỏng.
Đối với than hoạt tính khi đã hấp phụ no, không còn hấp phụ được nữa thì ta có
thể tái sinh và sử dụng lại chúng bằng phương pháp giải hấp nhiệt. Kih ở trong môi
trường nhiệt độ cao các chất hữu cơ cũng như các phân tử axit bay hơi và tách khỏi bề
mặt của than.
Ứng dụng:
Than hoạt tính thường dung làm mặt nạ phòng độc, làm sạch mùi và khử màu từ
các sản phẩm dầu mỡ.
Dung làm sạch nước để uống, xử lý nước để sinh hoạt hoặc xử lý nước thải ít bị
nhiễm bẩn.
Xử lý nước thải công nghiệp. Trong trường hợp này nó đóng vai trò như là quá
trình tiền xử lý cho các bước xử lý sinh học tiếp theo.
c. Silicagel:
Silicagel là gel của anhydrite axit silisic có cấu trúc lỗ xốp rất phát triển. Bề mặt
của gel thay vì các nguyên tử oxy được thay bằng các nhóm hydroxyl (OH
-
), điều đó
quyết định tính chất hấp phụ của silicagel.
Silicagel dễ dàng hấp phụ các chất dễ phân cực cũng như các chất có thể tạo với
hydroxyl các lien kết kiểu cầu hydro. Với các chất không phân cực, sự hấp phụ trên
silicagel chủ yếu tác dụng của lực mao dẫn trong các lỗ xốp nhỏ.

Chúng cũng như các chất hấp phụ khác có thể tái sinh. Tái sinh chúng thường ở
nhiệt độ dưới 200
0
C. Nếu trên nhiệt độ này sẽ dẫn đến thay đổi bất thuân nghịch của cấu
trúc bề mặt và làm mất khả năng hoạt động của chúng. Việc giải hấp phụ của silicagel cần
phải lưu ý nhiều hơn so với than hoạt tính.
d. Zeolit:
Zeolit là hợp chất aluminosilicat có tinh thể. Tính chất của Zeolit phu thuộc vào tỉ
lệ Si và Al và mức độ tinh thể của sản phảm cuối cùng. Đồng thời còn chịu ảnh hưởng
của các cation kim loại khác được nhận thêm vào trong quá trình hình thành sản phẩm.
Zeolit thể hiện tính nhạy cảm rất rỏ với đối với nhiệt độ. Ví dụ như zeolit chứa Ca
chỉ bị mất tính hấp phụ khi nhiệt độ lên tới 800
0
C, chứa Na bị mất tính hoạt động khi
nhiệt độ 700
0
C, còn chứa Li thì ở 640
0
C.
III.7 Phương pháp hoàn nguyên vật liệu hấp phụ:
a. Hoàn nguyên bằng nhiệt:
Phổ biến nhất là dùng không khí nóng hoặc hơi nước để sấy nóng vật liệu làm cho
khả năng hấp phụ giảm xuống đến mức thấp nhất và lúc đó chất khí đã bị hấp phụ sẽ
thoát ra ngoài. Sau khi hoàn nguyên bằng nhiệt, vật liệu hấp phụ cần được làm nguội
trước khi đưa vào sử dụng lại.
b. Hoàn nguyên bằng áp suất:
Ở nhiệt độ không đổi, nế giảm áp suất thì khả năng hấp phụ giảm và do đó chất
khí đã bị hấp phị sẽ thoát khỏi bề mặt của vật liệu.
c. Hòa nguyên bằng khí trơ:
Dung khí trơ không chứa chất khí đã bị hấp phụ thổi qua lớp vật liệu hấp phụ.

Trong trường hợp này áp suất riêng của chất bị hấp phụ trong pha khí sẽ thấp hơn hoặc
bằng không, như vậy sẽ tạo được gradian  ngược chiều so với quá trình hấp phụ và do
đó chất bị hấp phụ trong pha rắn sẽ khuếch tán ngược trở lạn vào pha khí – tức giải hấp
phụ (desorption).
Trong các phương pháp trên thì phương pháp hoàn nguyên bằng nhiệt được áp
dụng rộng rãi nhất.
Ưu điểm:
Đơn giản, ít tốn kém, hiệu quả cao.
Ở nhiệt độ cao (100
0
C) hơi có thể giải thoát được hầu hết các chất khí ô nhiễm đã
bị hấp phụ trong pha rắn, không làm hỏng các vật liệu hấp phụ cũng như chất khí được
giải thoát.
Hơi nước ngưng tụ lại và nhả nhiệt ngưng tụ trong lớp vật liệu hấp thụ càng thúc
đẩy qua trình giải hấp phụ.
Có thể thu hồi được các chất bị hấp phụ trong hơi bằng cách cho hơi ngưng tụ.
Hơi nước có Entanpy cao hơn nhiều so với không khí nóng do đó nhiệt độ của vật
liệu hấp phụ được nâng cao một cách nhanh chóng.
Vật liệu hấp phụ có độ ẩm cao sau khi hoàn nguyên bằng bằng hơi nước có thể
được làm khô bằng cách thổi khí lạnh và khô vào.
III.8 Đề xuất quy trình công nghệ:
Tóm tắt sơ lược về quy trình công nghệ xử lý khí Toluen:
Đầu tiên là khí từ bồn chứa sẽ được hút vào tháp hấp phụ bằng quạt. Dòng khí vào
trong tháp sẽ đi từ dưới lên đi qua vật liệu hấp phụ và đi ra ngoài qua ống khói. Khi đã
hấp phụ nhiều lần thì vật liệu hấp phụ sẽ trở nên bão hòa. Lúc này dòng hơi quá nhiệt sẽ
được cấp vào hoàn nguyên vật liệu hấp phụ lúc đó sẽ tái sử dụng lại tránh hiện tượng lãng
phí. Lượng nước ngưng tụ trong quá trình nhả hấp sẽ được đưa tới hệ thống xử lý nước
thải.

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ HẤP PHỤ:

IV.1. Thiết lập đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen:
Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt của Benzen (hình X.1 trang 245 sổ tay quá
trình và thiết bị công nghệ hóa chất - Tập 2) ta xây dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt của
Toluen theo công thức:
a
2
¿
=a
1
¿
V
1
V
2
(4.1)
lg p
2
=lg p
s ,2
−β
T
1
T
2
lg
p
s ,1
p
1
(4.2)

Trong đó:
a
1
*
, a
2
*
: Nồng độ của Benzen và Toluen bị hấp phụ (kg chất bị hấp phụ/kg than).
V
1
, V
2
: Thể tích mol Benzen và Toluen ở dạng lỏng (m
3
/kmol).
p
1
, p
2
: Áp suất riêng phần của hơi Benzen và Toluen (mmHg).
p
s,1
, p
s,2
: Áp suất hơi bão hoà của hơi Benzen ở 20
o
C và Toluen ở 25
o
C (mmHg).
T

1
, T
2
:Nhiệt độ của Benzen và Toluen khi hấp phụ (
o
K).
: Hệ số ái lực (hệ số aphin).
Ta có:
T
1
= 293 (
o
K)
T
2
= 298 (
o
K)
Tra hình XXIII, XXIV trang 466 (Sách Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học –
Tập 10 – Ví dụ và Bài tập):
p
s,1
= 75 (mmHg)
p
s,2
= 50 (mmHg)
Tra bảng 4 trang 397 (Sách Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học – Tập 10 – Ví
dụ và Bài tập):

1

= 879 (kg/m
3
).

2
= 861 (kg/m
3
).
Thể tích mol của Benzen và Toluen:
V
1
=
M
1
ρ
1
=
78
879
=0.0887 (m
3
/kmol)
V
2
=
M
2
V
2
=

92
861
=0.1069(m
3
/ kmol)
Hệ số ái lực:
β=
V
1
V
2
=
0.0887
0.1069
=0.8297
Ta lấy một số điểm trên đường đẳng nhiệt hấp phụ của Benzen, theo công thức
(4.1, 4.2) ta tính tọa độ của điểm tương ứng trên đường đẳng nhiệt hấp phụ của Toluen.
Điểm thứ nhất:
a
1
¿
=0.103(kmol/ kg).
a
2
¿
=a
1
¿
V
1

V
2
=
0.103
78
0.0887
0.1069
92=0.1008(kg /kg).
ρ
1
=0.105(mmHg )
lg ρ
2
=lg ρ
s ,2
− β
T
1
T
2
lg
ρ
s,1
ρ
1
=lg 50−0,8297
293
298
lg
75

0.105
=−0.6292 .
ρ
2
=0.235
(
mmHg
)
.
Tương tư tính toán như trên ta có thể xác định đoược hoành độ và tung độ của
đường đẳng nhiệt hấp phụ của Toluen. Ta được bảng số liệu:
Đường hấp phụ đẳng nhiệt của Benzen Đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen
a
1
¿
, kg/kg
ρ
1
,mmHg
a
2
¿
,kg/ kg
ρ
2
,mmHg
0.103 0.105 0.1008 0.235
0.122 0.223 0.1194 0.434
0.208 1 0.2036 1.477
0.233 3 0.2280 3.619

0.262 8 0.2564 8.056
0.276 13 0.2701 11.97
0.294 19 0.2877 16.312
0.318 33 0.3112 25.592
0.338 42 0.3308 35.153
0.359 50 0.3513 35.92
Dựa vào các điểm tìm được, ta vẽ đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen:
Theo QCVN 20 2009/BTNMT, tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với các chất
hữu cơ, nồng độ cho phép của Toluen:
́
C
c
=750(mg /m
3
)
.
Vì hiệu suất =90%, nồng độ khối lượng ban đầu của Toluen trong hỗn hợp:
1−¿=
750∗10
−6
1−0.9
=7.5∗10
−3
(kg/m
3
)
́
C
d
=

́
C
c
¿
Áp suất riêng phần của hơi Toluen tương ứng với
́
C
d
:
p
m
=
́
C
d
∗R∗T=7.5∗1
0
−3
∗22.4
273∗92
∗298∗760=1.515
(
mmHg
)
.
Dựa vào đường hấp phụ đẳng nhiệt của Toluen, ta có
a
m
¿
=0.203(kg /kg)

.
IV.2. Tính cân bằng vật chất:
a. Trong hỗn hợp khí đầu vào thiết bị:
Phần mol hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu vào:
y
d
=
́
C
c
∗R∗T
M
2
∗P
=
7.5∗1
0
−3
∗22.4
273
∗298
92∗1
=0.002(kmol Toluen/kmol hỗn hợp).
Phần khối lượng hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu vào:
́y
d
=
y
d
¿ M

2
y
d
∗M
2
+
(
1− y
d
)
∗M
K
=
0.002∗92
0.002∗92+
(
1−0.002
)
∗29
¿0.0063(kgToluen/kg hỗnhợp).
Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu vào:
ρ
d
=
[
M
2
∗y
d
+M

K
(
1− y
d
)
]
T
o
∗P
t
22.4∗T∗P
o
=
[
92∗0.002+29
(
1−0.002
)
]
273∗1
22.4∗298∗1
=1.1912(kg /m
3
).
Lưu lượng khối lượng của hỗn hợp khí đầu vào:
G
d
=V
d
∗ρ

d
=5000∗1.1912=5956 (kg /h)=1.654(kg/ s).
Lưu lượng khối lượng của hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu vào:
G
Td
=G
d
∗ ́y
d
=G
d
∗
́
C
d
=5956∗0.0063=37.5(kg /h)=0.0104(kg /s).
Lưu lượng khối lượng của không khí trong hỗn hợp khí đầu vào:
G
Kd
=G
d
∗
(
1− ́y
d
)
=G
Md
=G
d

∗G
Md
¿5956∗
(
1−0.0063
)
=5918.5(kg/h)=1.644(kg /s).
b. Trong hỗn hợp khí đầu ra thiết bị:
Phần mol hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu ra:
1−¿
y
c
=
́
C
c
∗R∗T
M
2
∗P
= y
d
¿
¿0.002
(
1−0.9
)
=0.0002(kmolToluen/kmol hỗnhợp)
Phần khối lượng hơi Toluen trong hỗn hợp khí đầu ra:
́y

c
=
y
c
¿ M
2
y
c
∗M
2
+
(
1− y
c
)
∗M
K
=
0.0002∗92
0.0002∗92+
(
1−0.0002
)
∗29
¿0.00063(kmolToluen/kmol hỗn hợp).
Khối lượng riêng của hỗn hợp khí đầu ra:
ρ
c
=
[

M
2
∗y
c
+M
K
(
1− y
c
)
]
T
o
∗P
t
22.4∗T∗P
o
=
[
92∗0.0002+29
(
1−0.0002
)
]
273∗1
22.4∗298∗1
=1.1865(kg /m
3
).
Khối lượng hơi Toluen bị hấp phụ bởi than hoạt tính:

M =G
Td
∗¿0.0104∗0.9=9.36∗10
−3
(kg /s).
Lưu lượng khối lượng của hơi Toluen trong hổn hợp khí đầu ra:
1−¿
¿
G
Tc
=G
Td
−M =G
Td
¿
Lưu lượng khối lượng của hổn hợp khí đầu ra:
G
c
=G
Kc
+G
Tc
=1.644+0.00104=1.64504(kg/ s).
IV.3. Tính đường kính tháp:
Đường kính tháp hấp phụ:
D
t
=
√
G

tb
0.785∗v
hh
∗ρ
hh
VớiG
tb
=
G
d
+G
c
2
=
1.654+1.64504
2
=1.6495(kg/ s).
ρ
tb
=
ρ
d
+ ρ
c
2
=
1.1912+1.1865
2
=1.18885(kg/m
3

).
v
hh
=0.5(m/ s).
→ D
t
=
√
1.6495
0.785∗0.5∗1.18885
=≈1.88
(
m
)
.
Để dễ gia công, ta chọn D
t
= 2
Vận tốc dòng khí qua tháp :
v
hh
=
G
tb
0.785∗ρ
hh
∗D
t
2
=

1.6495
0.785∗1.18885∗2
2
=0.442(m/ s).
IV.4. Tính hệ số truyền khối:
Với điều kiện quá trình hấp phụ đẳng nhiệt được biểu diễn bằng phương trình
Langmuir :
Sh=1.6∗ℜ
0.54
(4.3)
Trong đó:
Sh=
k
y
∗d
g
2
D
(4.4)
ℜ =
v
hh
∗d
g
γ
(4.5)
Từ (4.3), (4.4), (4.5), ta suy ra:
k
y
=

1.6∗D∗v
hh
0.54
γ
0.54
∗d
g
1.46
(4.6)
Với :
d
g
: đường kính trung bình của hạt hấp phụ (m).
D
: hệ số khuếch tán của chất bị hấp phụ ở nhiệt độ của quá trình (
m
2
/ s
).
v
hh
: vận tốc của dòng hơi khí tính theo tiết diện ngang tự do của thiết bị
(m/s).
γ
: độ nhớt động học của hổn hợp hơi khí (
m
2
/ s
).
k

y
: hệ số truyền khối (m/s).
Đường kính trung bình của than
d
g
= 0.004 (
m
)
Độ nhớt động học của hổn hợp hơi khí:
γ=
μ
hh
ρ
hh
y
tb
=
y
d
+ y
c
2
=
0.002+0.0002
2
=0.0011(kmol Methanol/ kmol hỗnhợp).
M
hh
=92∗y
tb

+29
(
1− y
tb
)
=92∗0.0011+29
(
1−0.0011
)
=29.0693(kg /mol).
M
hh
μ
hh
=
y
tb
∗M
T
μ
T
+
(1−y
tb
)M
K
μ
K
→ μ
hh

=1.79∗10
−5
(
Pa.s
)
.
Với
μ
T
= 0,0068.10-3 (
Pa.s
).

μ
K
= 0,018.10-3 (
Pa.s
).
(tra Hình I.35 trang 117 sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất–tập 1)
ρ
hh
= 1,1666 (
kg /m
3
).
→γ=
μ
hh
ρ
hh

=
1.79∗10
−5
1.1666
=1.53∗10
−5
(m
2
/s)
Hệ số khuếch tán của hơi Toluen ở 20
o
C:
D=
D
o
∗P
o
P
(
T
T
o
)
3/ 2
Tra bảng VIII.4 trang 131 (Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất tập 2)
ta có hệ số khuếch tán của hơi Toluen trong không khí ở đkc là
D
o
= 0,0709.104 (
m

2
/ s
).
→ D=0.0709∗1
0
4
∗1
1
(
298
273
)
3/2
=808.6(m
2
/s).
Thế tất cả vào (4.6), ta có hệ số truyền khối :
1.53∗10
−5
¿
¿
¿0.54∗0.004
1.46
¿
k
y
=
1.6∗461.081∗0.442
0.54
¿

IV.5. Tính thời gian hấp phụ 1 chu kỳ:
Từ hình IV.1, ta có

a
M
¿
=0.203(kg /kg)
, nằm trong khu vực thứ nhất. Do đó thời
gian hấp phụ của quá trình được tính theo công thức:
√
τ =
√
́
C
x
¿
v
hh
∗
́
C
d
∗
√
H −b
√
́
C
x
¿

k
y
∗
́
C
d
(
4.7
)
.
Trong đó :
́
C
x
¿
=0.203(kg/kg)∗500(kg/m
3
)=101.5(kg /m
3
).
v
hh
=0.442(m/ s).
́
C
d
=7.5∗10
−3
(kg/m
3

).
b = 0,94 (hệ số được xác định theo bảng 8.3 trang 337( sách quá trình và
thiết bị công nghệ hóa học – tập 10- ví dụ và bài tập) với:
́
C
c
́
C
d
=
0.75∗10
−3
7.5∗10
−3
=0.1
thế vào (4.7), ta có:
√
τ =
√
101.5
0.442∗7.5∗10
−3
∗
√
H −0.94
√
101.5
1052676406∗7.5∗10
−3
Với H = 0.8 (m)   = 24499 (s) = 6.8 (h)

H = 1,2 (m)   = 36748 (s) = 10.2 (h)
 càng lớn thì chất bị hấp phụ càng bị hấp phụ nhiều , ta chọn  = 10.2 (h).
Vậy chiều cao lớp than H = 1.2 (m)
Thời gian hấp phụ 1 mẻ  = 10.2 (h)
Khối lượng than cần:
M
than
=
π∗D
t
2
4
∗H∗ρ
than
=
π∗2
2
4
∗1.2∗500=1885
(
kg
)
.
a. Tái sinh than hoạt tính:
Hấp phụ có một đặc tính quan trọng là hiệu quả hấp phụ giảm khi tăng nhiệt độ
dòng khí và có khả năng hấp phụ bão hòa do hoạt độ chất hấp phụ đạt tới cực đại thì
không có khả năng hấp phụ thêm, lúc này giữa pha khí và rắn tồn tại một cân bằng động.
Trong xử lý ô nhiễm không khí, giai đoạn này là bất lợi cho quá trình người ta
phải bỏ chất hấp phụ bão hòa này đi thay bằng chất hấp phụ mới có hoạt độ hấp phụ chưa
bão hòa. Khi đó muốn sử dụng lại chất hấp phụ ta phải tiến hành quá trình nhả hấp để

phục hồi hoạt tính của chất hấp phụ.
Tái sinh than hoạt tính có thể bằng hơi nước bão hòa hoặc quá nhiệt hoặc bằng khí
trơ nóng. Nhiệt độ hơi quá nhiệt 200-300
0
C, còn khí trơ 120-140
0
C
Trong trường hợp chất thải không đáng giá người ta tiến hành phục hồi phân hủy
bằng tác nhân hóa học (oxi hóa bằng clo, ozôn hoặc bằng nhiệt…), tái sinh bằng nhiệt
được tiến hành trong lò ở nhiệt độ 700-800
0
C trong dung môi không có oxi
Người ta còn nghiên cứu phương pháp tái sinh than bằng vi sinh, trong đó chất
thải được oxi hóa bởi vi sinh. Phương pháp này làm tăng thời gian sử dụng than.
IV.6. TÍNH CƠ KHÍ:
Theo phần IV.1.5 ta tính được chiều cao lớp than hấp phụ H=0.5 (m). Vậy ta chọn
chiều cao thân tháp H
t
=3 (m)
Tháp hấp phụ có:
Đường kính D
t
=2 (m).
Chiều cao H
t
=3 (m).
a. Tính chiều dày thân, đáy, nắp:
i) Chiều dày thân:
Ta chọn CT
3

là vật liệu làm thân tháp.
Tra bảng XII.4 trang 309 (sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất - tập 2),
thép CT3 với chiều dày tấm thép 4-20 mm:
 Giới hạn kéo 
k
= 380 (N/mm
2
).
 Giới hạn chảy 
c
= 240 (N/mm
2
).
Tra bảng XII.7 trang 313 (sổ tay quá trình và công nghệ hóa chất – tập 2) thép
CT3 có khối lượng riêng  = 7,85.103 (kg/m3).
Ứng suất cho phép của thép CT3:
σ
[¿¿k ]=
σ
k
n
k
(4.8)
¿
σ
[¿¿c]=
σ
c
n
c

(4.9)
¿
Trong đó:
 là hệ số hiệu chỉnh. Tháp hấp phụ này là thiết bị loại II có các chi tiết không bị
đốt nóng, theo bảng XIII.2 trang 356 (sổ tay quá trình và công nghệ hóa chất – tập 2) ta
tra được =1
n
k
,
n
c
: hệ số an toàn theo giới hạn kéo và chảy. Theo bảng XII.3 trang 356
( sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2), ta có
n
k
=2,6 và
n
c
= 1,5.
Thế tất cả vào (4.8) và (4.9), ta có:
σ
[¿¿k ]=
σ
k
n
k
=
380
2.6
∗1=146(N /m m

2
).
¿
σ
[¿¿c]=
σ
c
n
c
=
240
2.5
∗1=160(N /m m
2
).
¿
[
σ
]
=min
(
[
σ
k
]
,
[
σ
c
]

)
=146(N /m m
2
).
Áp suất trong thân thiết bị:
P = P
l
v = 1 (at) = 0,1 (
N /m m
2
).
Xác định hệ số bền mối hàn:
Tháp có thân trụ hàn giáp mối 2 bên, D
t
>700mm
Tra bảng XIII.8 trang 362 (sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2)

h
= 0,95
Chiều dày nhỏ nhất của thân tháp:
Tra bảng 5.1 trang 128 ( sách thiết kế tính toán các chi tiết thiết bị hóa chất – Hồ
Lê Viên), với D
t
= 2000mm, chọn bề dày thân nhỏ nhất S
min
= 5 (mm)
Bề dày thân thiết bị:
S
t
= S

min
+ C
S
t
= S
min
+ (C
a
+ C
b
+ C
c
+ C
o
)
Với C
a
: hệ số bổ sung ăn mòn, C
a
=1 mm (bảng XII.1 trang 305 sổ tay quá trình và
thiết bị công nghệ hóa chất – tập 2).
C
b
: hệ số bào mòn do cơ học, C
b
=0.