Phương pháp hấp thu khí H2S bằng nước

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 H
2
S 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.
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
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:
- 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.
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
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.
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)
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
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:
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.
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
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.
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:

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
Y = = (2.4)
G
tr
= G( 1 - y ) = (2.5)
Tương tự cho pha lỏng:
X = (2.6)
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

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
Suất lượng dung môi lỏng được chọn phụ thuộc vào các đại lượng
trên.
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)
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
L
đ
, L
c
: Lượng dung dịch đầu và cuối, (kg/h)
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.
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
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 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:
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
• 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
• 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.
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 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.
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 (xem hình ở trang bên)
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
= 5 m
3
/s = 18000 m
3
/h (điều kiện tiêu
chuẩn).
− Nồng độ khí HCl trong khí thải (điều kiện tiêu chuẩn).
Nồng độ khí vào y
đ
= 3 g/m
3

Nồng độ khí ra y
c
= 100 mg/m
3
= 0,1 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 = 1 at

4.1.2. Cân bằng vật chất
Đầu vào
Số mol HCl lúc đầu
n
HCl d
= = = 0,0822 (mol)
Số mol không khí
n
kk
= = 44,6429 (mol)
phần mol của dung chất trong pha khí
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
y
d
=

= = 1,8413.10
-3
(mol/mol)
Tỉ số mol của dung chất trong pha khí
Y
d
=

=

= 1,8447.10
-3

(mol/mol)
Đầu ra
Số mol HCl lúc cuối
n
HCl c
= = = 2,7397.10
-3
phần mol của dung chất trong pha khí
y
c
=

=

= 6,1369.10
-5
(mol/mol)
Tỉ số mol của dung chất trong pha khí
Y
c
=

=

= 6.1373.10
-5
(mol/mol)
4.1.3. Lưu lượng pha lỏng và pha khí
G
hh

= = = 724,4627 (Kmol/h)
G
tr
= G
hh
(1 - y
d
) = 724,4627(1 - 1,8413.10
-3
) = 723,1287 (Kmol/h)
G
c
= G
tr
(Y
c
+ 1) = 723,1287(6,1373.10
-5
+ 1) = 723,1731 (Kmol/h)
Từ y
d
= 1,8413.10
-3
và (*) tìm X
c max

=> X
c max
= 6,3533.10
-4

Lượng dung môi tối thiểu
L
tr min
= G
tr


= 723,1287

= 2029,7718─
Do lượng dung môi thực tế nhiều hơn lượng dung môi tối thiểu 20% nên
L
tr
= 1,2.L
tr min
= 1,2.2029,7718 = 2435,7262
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
Khi đó :

=

=> X
c
=

G
tr
+X

d

=

723,1287 + 0
= 5,2944.10
-4
(Kmol HCl/Kmol hh)
Lưu lượng lỏng đi trong tháp
G
x
= L
tr
.18 = 2435,7262.18 = 43843,0716 (kg/h)
4.1.4. Đường cân bằng pha
Dựa theo định luật Henry:
Ở 30
0
C H.10
-6
= 0,0022 mmHg
=> m = =

= 2,8947
y
cb
= (*)
Đường cân bằng pha
X
0 0.50E-4 1.00E-4 1.50E-4 2.00E-4 2.50E-4 3.00E-4 3.50E-4 4.00E-4 4.50E-4 5.00E-4

Y
0 0.000145 0.000290 0.000434 0.000579 0.000724 0.000869 0.001014 0.001159 0.001304 0.001449
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
4.2. Tính cân bằng năng lượng cho tháp hấp thu
………………………….
CHƯƠNG 5
TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH
5.1. Đường kính tháp
D = (IV - 162)
Trong đó
V
tb
lưu lượng khí trung bình đi trong tháp
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
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 = 0,45
+ 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
=

=

= 9,5133.10
-4
(mol/mol)
M

1
= M
HCl
= 36,5
M
2
= M
H2O
= 18
T = 303
0
K
=> ρ
y tb
=
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
= 0,7247 (Kg/m
3
)
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
=
= = 1,6162 (m/s)
Tính lưu lượng khí trung bình đi trong tháp
G
tb
=

= = 723,8179
V
tb
= G
tb
.22,4.
= 723,8179.22,4. = 17995,2266 (m
3
/h) = 4,9987 (m
3
/s)
=> D = = 1,9849 (m)
Theo tiêu chuẩn chọn D = 2 (m)
=> Vận tốc dòng khí đi trong tháp

w
y
=

= = 1,5919 (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

= = 0,2791 (m)
=> Diện tích mặt cắt ống chảy chuyền
S
ch
=

=

= 0,0611 (m
2
)
Khoảng cách thân thiết bị đến gờ chảy tràn
L = D - d
ch
= 2 - 0,2791 = 1,7209 (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
=

- 2.0,0611 = 3,0178 (m
2
)
Tổng diện tích lỗ lấy bằng 12% diện tích làm việc
S
1
= 0,12.f = 0,12.3,0178 = 0,3621 (m
2
)
Thể tích của đĩa
V
d
= (f - S
1
)δ = (3,0178 - 0,3621)0,004 = 0,0106 (m
3
)
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
Khối lượng đĩa
m
d
= V
d
.ρ = 0,0106.7900 = 83,74
Số lỗ trên một mân

n =

= = 18451 (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
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
∆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)
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
=

= = 13,8046 (m/s)
∆P
k
= 1,635.

= 112,8999 (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
= = = 42,2231)

L
c
Chiều dài cửa chảy tràn, m
m Hệ số lưu lượng qua cửa chảy tràn,
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
(

= = 52,7789 > 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
= 1067,3869 (N/m
2
)
=> ∆P
x
= ∆P
d
- ∆P
k

= ∆P
s
+ ∆P
t
= 20,6318 + 1067,3869 = 1088,0187
=> β
y
= 3,03.10
-4
.1,5919
0,76
.1088,0187 = 0,4694 (Kmol/m
2
s)
Hệ số cấp khối phía pha lỏng (II - 164)
β
x
=

= = 1,3609 (Kmol/m
2
s)
=> K
y
= = 0,2349 (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
= = 3,5226
Số đơn vị chuyển khối trong thành phần pha lỏng không đổi
C
y
= e
myT

= e
3,5226
= 33,8724
Xác định số đĩa thực tế theo phương pháp vẽ đường công động học
GVHD: Ngô Bá Đạt ` Trang 25