Xử lý khí thải bằng phương pháp ngưng tụ

LỞI MỞ ĐẦU
Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, có rất nhiều công nghệ xử lý khí
thải khác nhau. Mỗi một công nghệ xử lý đều có những ưu, nhược điểm riêng, và
để phù hợp với tình hình thực tế và lượng khí thải, thành phần của khí thải thoát ra
môi trường của từng doanh nghiệp, nhà xưởng… mà cáp dụng phương pháp xử lý
cho phù hợp. Dưới đây chúng em xin trình bày xử lý khí thải bằng phương pháp
ngưng tụ cùng với ứng dụng và các sản phẩm công nghệ ứng dụng phương pháp
này hiện nay.
Tiểu luận còn nhiều thiếu sót, chúng em mong các thầy cô và các bạn góp ý để rút
kinh nghiệm cho những lần sau.
Chúng em xin chân thành cảm ơn

1 Khái niệm
Ngưng tụ là quá trình chuyển trạng thái pha từ khí hoặc hơi sang trạng thái
lỏng bằng cách làm lạnh khí hoặc nén làm lạnh khí đồng thời. Khí cần chuyển là


khí thải hoặc khí bị ô nhiễm, dung dịch sau ngưng tụ chứa hợp chất ta mong muốn
ngưng tụ
2. Phương pháp ngưng tụ
2.1. Quá trình ngưng tụ gián tiếp (hay còn gọi là ngưng tụ bề mặt )
Quá trình tiến hành trong thiết bị trao đổi nhiệt có tường ngăn cách giữa khí và
tác nhân làm lạnh đi ngược chiều nhau . Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra trên bề mặt
trao đổi nhiệt Tác nhân làm lạnh cho đi từ dưới lên để tránh dòng đối lưu tự nhiên
cản trở quá trình chuyển động của lưu thể. Khí ô nhiễm được ngưng tụ trên trên bề
mặt trao đổi nhiệt hoặc thành giọt lỏng và được tách khỏi hỗn hợp khí ở giai đoạn
sau. Để tăng hiệu quả làm lạnh người ta tiến hành tăng diện tích bề mặt tiếp xúc
giữa tác nhân lạnh và hỗn hợp khí bằng cách bố trí thiết bị làm lạnh thành nhiều
lớp, nhiều ngăn.
2.2. Quá trình ngưng tụ trực tiếp: (hay còn gọi là ngưng tụ hỗn hợp).
Quá trình này tiến hành bằng cách cho khí và tác nhân làm lạnh tiếp xúc trực tiếp

với nhau (hòa trộn với nhau). Khi đó cấu tử cần tách sẽ trao đổi nhiệt hay quá trình
chuyển thành lỏng nằm trong hỗn hợp giữa chất ngưng tụ với chất bị ô nhiễm. Còn
hỗn hợp khí khác được đưa ra ngoài. Như vậy khi đó chất ô nhiễm sẽ lẫn tạp chất
và chất ngưng tụ củng bị lẫn tạp chất và được thải ra ngoài. Như vậy sẽ rất hao phí
chất làm lạnh vì không sử dụng được nhiều lần. Thiết bị ngưng tụ trực tiếp thường
không đặt giá trị phân chia cao vì chất lỏng ngưng tụ sẽ trộn lẫn với tác nhân làm
lạnh"
3. Nguyên tắc
Nguyên tắc của quá trình này là dựa trên sự hạ thấp nhiệt độ môi trường xuống một
giá vị nhất định (tới dưới điểm sôi của chất ô nhiễm) thì hầu như các chất ở thể hơi
sẽ ngưng tụ lại và sau đó được thu hồi hoặc xử lý tiêu hủy. Ở điều kiện làm lạnh
bình thường, nếu xử lý bằng ngưng tụ thường khí thu hồi được các dung môi
hữucơ, hơi acid ra. Phương pháp này chỉ phù hợp với những trường hợp khí thải
cónồng độ hơi tương đối cao (>>20 g/m3). Trong trường hợp nồng độ nhỏ, người ta
thường dùng các phương pháp hấp thụ hay hấp phụ.
4. Đặc điểm
− Phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và áp suất của quá trình:
nhiệt độ càng lạnh hoặc áp suất càng cao thì hiệu suất càng cao.
− Áp dụng cho các hỗn hợp khí có nhiệt độ thấp


5. Cơ chế:
Hệ thống ngưng tụ xử lí dòng khí thải bằng cách làm cho chúng ngưng tụ trên bề
mặt làm lạnh có thể được tạo bởi: quá trình trao đổi nhiệt gián tiếp (ngưng tụ gián
tiếp) qua nước lạnh hoặc bằng cách phun dòng chất lạnh vào buồng chứa khí ô
nhiễm (ngưng tụ trực tiếp). Ngoài tác nhân lạnh là nước còn có một số tác nhân
lạnh khác nữa như: nước muối bão hòa, nitơ lỏng... Hơi thoát ra khỏi thiết bị nếu
có chất lượng sạch cao thì có thể xả ra không khí, nếu trong khí thoát ra vẫn còn
chất độc hại thì được chuyển qua hệ thống xử lí khác như hấp thụ, hấp phụ....Nươc
sau ngưng tụ được chuyển qua hệ thống trạm xử lí và được sử dụng lại hoặc thải ra

ngoài. Ngoài ra đối với nước ngưng là HCl, H 2SO4,...có thể được sử dụng cho
ngành hóa học.
Tác nhân lạnh
Phụ thuộc vào yêu cầu làm lạnh tức là nhiệt độ sôi của chất ô nhiễm cần xử lí mà ta
có các tác nhân lạnh sau:
Tso > 0oC : tác nhân lạnh là nước lạnh hoặc không khí lạnh
-50oC < Tso < 0oC: tác nhân lạnh là dung môi bay hơi
-120oC < Tso < -50oC: tác nhân lạnh là nito lỏng...
Hiệu suất
- Hiệu suất ngưng tụ (giá trị tương đối) được tính theo công thức

η=

C 0 − Cr
.100
Cr

Trong đó:
Co : nồng độ hơi ban đầu
Cr : nồng độ hơi đầu ra
Giá trị tuyệt đối của hiệu suất ngưng tụ được tính theo công thức:


P=

mi
(Co − Cr ).Mi.Vr
.100 =
.100
Co.Vo.Mi

Co.Vo.Mi

Trong đó:
mi : khối lượng chất i được ngưng tụ
Mi : phân tử lượng chất I được ngưng tụ
Vr : lưu lượng khí ở đầu ra
Vo : lưu lượng khí ở đầu vào
Hiệu suất của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào: nhiệt độ đầu vào thiết bị, ở
nhiệt độ từ 5-10oC thì hiệu suất xử lí là 90-99%
Kĩ thuật ngưng tụ nhìn chung ít hiệu quả hơn kĩ thuật xử lí khác, thiết bị ngưng tụ
thường được kết hợp với các công nghệ xử lí khác để tăng hiệu quả xử lí.

6.Các loại thiết bị ngưng tụ
6.1 Thiết bị ngưng tụ trực tiếp
6.1.1, thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô


6.1.1.1, thiết bị ngưng tụ xuôi chiều loại thấp
Cấu tạo thiết bị:
1: Thân thiết bị.
2: Vòi phun nước.
3: Bơm ly tâm.
4: Bơm tia hút khí không ngưng.
5: Phao.
6: Van.
Nguyên lý làm việc:
+) Hơi đi vào thiết bị từ trên xuống.
nước ở trong bầu nước quanh thân thiết
bị được hút vào thân là do thiết bị có
chân không. Nước bị hút ra vòi 2, vào

thiết bị ở dạng hạt mù, tiếp xúc với hơi
từ trên xuống. nước và chất lỏng đã
Hình 1. Thiết bị ngưng tụ trực tiếp loại khô,
ngưng tụ được bơm ra ngoài bằng bơm ly
xuôi chiều, thấp.
tâm 3. Khí không bị ngưng được bơm ra
bằng bơm tia 4 theo một đường khác. Khi độ chân không trong thiết bị quá cao,
bơm ly tâm 3 không làm việc được, hỗn hợp nước và chất lỏng đã ngưng tụ không
tháo ra ngoài được tích tụ và dâng dần lên trong thiết bị, do đó, phao 5 bị nâng lên
và van 6 mở ra. Không khí bên ngoài tràn vào làm giảm độ chân không trong thiết
bị, tạo điều kiện cho bơm ly tâm tiếp tục trở lại làm việc bình thường, khi đó mực
nước hạ xuống, phao 5 trở về vị trí cũ. Van 6 đóng lại.
+) thiết bị ngưng tụ trực tiếp xuôi chiều loại ướt có ưu điểm là gọn, nhưng năng
suất nhỏ, thường được dùng trong trường hợp nước tháo ra còn đem đi sử dụng
tiếp.
6.1.1.2, thiết bị ngưng tụ ngược chiều loại cao.


Cấu tạo thiết bị:
1: Thân hình trụ.
2: Thiết bị thu hồi bọt, tách
lỏng.
3: Ống barome.
4: Tấm ngăn hình bán
nguyệt.
5: Ống dẫn khí không
ngưng.
Nguyên lý làm việc:
+) hơi đi vào thiết bị
ngưng tụ đi từ dưới lên,

nước chảy từ trên xuống,
chảy tràn qua cạnh tấm
ngăn và đồng thời 1 phần
chui qua các lỗ của tấm
ngăn. Hỗn hợp dung môi
và khí đã ngưng tụ chảy
xuống ống barome, khí
không ngưng đi lên qua
ống 5 đến thiết bị thu hồi
bọt 2 một phần dung môi
bị cuốn theo sẽ được thu
hồi và tập trung chảy xuống ống barome. Khí không ngưng được hút ra qua phía
trên bằng bơm chân không.
+) Ống barome thường có độ cao từ 11m để khi độ chân không trong thiết bị có
tăng thì nước vẫn không dâng lên ngập thiết bị.
+) Ưu điểm: do nước tự chảy được không cần bơm nên giảm tiêu hao năng lượng
cho thiết bị, tăng năng suất, hiệu suất cao hơn so với thiết bị ngưng tụ xuôi chiều.
Tuy nhiên kích thước lớn nên khó khăn cho việc lắp đặt thiết bị.
6.1.2) Thiết bị ngưng tụ loại ướt.


Nguyên lý làm việc: Hơi đi từ trên xuống, nước được phun ra từ vòi sen từ trên
xuống cùng chiều với hơi chảy qua các tấm ngăn . Chất lỏng đã ngưng tụ gồm
nước và khi được hút ra ở phía dưới thiết bị bằng bơm không khí ướt.
+) Ưu điểm: kích thước nhỏ gọn thích hợp thay thế cho ống barome trong điều kiện
nhà xưởng không cho phép lắp đặt thiết bị barome.

6.2. Thiết bị ngưng tụ gián tiếp.
+) Ưu điểm:
*Trong thiết bị tác nhân ngưng tụ và hỗn hợp khí đi tách biệt nhau, nên tác

nhân ngưng tụ tuần hoàn liên tục không ảnh hưởng đến quá trình và ít hao
hụt và tổn thất
*Dễ dàng cho quá trình thu hồi khí và dung môi.
+) Nhược điểm


*Do có bề mặt ngăn cách giữa hai dòng nên rất tổn hao năng lượng để làm
ngưng tụ dòng khí.
*Hiệu quả trao đổi nhiệt phụ thuộc vào diện tích bề mặt trao đổi nhiệt( cấu
tạo của thiết bị ).
6.2.1 Bình ngưng ống chùm nằm ngang.
+) Bình ngưng có thân hình trụ nằm ngang làm từ vật liệu thép CT3, bên trong là
các ống trao đổi nhiệt bằng thép áp lực C20. Các ống trao đổi nhiệt được hàn kín
lên hai mặt sàng hai đầu. Để có thể hàn hoặc nối các ống trao đổi nhiệt vào mặt
sàng, nó phải có độ dày khá lớn từ 20-30mm.
+) Hai đầu thân bình là các nắp bình. Các nắp bình tạo thành vách phân dòng nước
để nước tuần hoàn nhiều lần trong bình ngưng để tăng thời gian tiếp xúc của nước
và môi chất; tăng tốc độ chuyển động của nước trong các ống trao đổi nhiệt nhằm
nâng cao hệ số toả nhiệt.
+) Lưu ý: phải giữ cho tốc độ nước trong các ống tuần hoàn không sai khác nhiều,
tránh tạo nên tổn thất áp lực không cần thiết.

1- Nắp bình; 2- Ống xả khí không ngưng; 3- Ống Cân bằng; 4- Ống trao đổi nhiệt;
5- Ống gas vào; 6- Ống lắp van an toàn; 7- Ống lắp áp kế ; 8- Ống xả air của nước;
9- Ống nước ra; 10- Ống nước vào; 11- Ống xả cặn; 12- Ống lỏng về bình chứa
+) Nguyên lý làm việc: Tác nhân lạnh thường là nước được bơm vào các ông trao
đổi nhiệt của bình ngưng và bình cao áp phía trên.Giữa bình ngưng và bình chứa
cao áp thường có ống cân bằng để chất lỏng ngưng tụ có thể chảy thuận lợi.

Sau khi nước được bơm đầy vào các ông trao đổi nhiệt, khí cần ngưng tụ sẽ được
đưa vào từ đầu đối diện. Tại đây khí có nhiệt độ cao sẽ tiếp xúc gián tiếp với dung
môi nước thông qua thành thiết bị ống trao đổi nhiệt. Khí sẽ được ngưng tụ lại
thành các giọt lỏng chảy ra ống dưới đáy bình tiến hành thu gom và xử lý. Một
phần khí không ngưng sẽ được xả ra qua ống cao áp phía trên bình cao áp.
+)Ưu điểm
*Hiệu quả giải nhiệt cao, mật độ dòng nhiệt khá lớn q= 3000- 6000 w/m2,
*Cấu tạo chắt chắn, gọn nhẹ
*Ít hư hỏng và tuổi thọ cao: đối với các loại dàn ngưng tụ kiểu khác, các ống
sắt thường xuyên phải tiếp xúc môi trường nước và không khí nên tốc độ ăn
mòn trao đổi nhiệt khá nhanh. Đối với bình ngưng, do thường xuyên chứa
nước nên bề mặt trao đổi nhiệt hầu như luôn luôn ngập trong nước mà không
tiếp xúc với không khí. Vì vậy tốc độ ăn mòn diễn ra chậm hơn nhiều.
+) Nhược điểm
Quá trình bám bẩn trên bề mặt đường ống tương đối nhanh, đặc biệt khi chất
lượngnguồn nước kém.
6.2.2 Bình ngưng ống vỏ thẳng đứng
Cấu tạo: Để tiết kiệm diện tích lắp đặt người ta sử dụng bình ngưng ống vỏ đặt
đứng. Cấu tạo tương tự bình ngưng ống chùm nằm ngang, gồm có: vỏ bình hình
trụ thường được chế tạo từ thép CT3, bên trong là các ống trao đổi nhiệt thép áp
lực C20, kích cỡ Φ57x3,5, bố trí đều, được hàn vào các mặt sàng.
Nguyên lý làm việc:
+) Nước được bơm bơm lên máng phân phối nước ở trên cùng và chảy vào bên
trong các ống trao đổi nhiệt. Để nước chảy theo thành ống trao đổi nhiệt, ở phía
trên các ống trao đổi nhiệt có đặt các ống hình côn. Phía dưới bình có máng hứng
nước. Nước sau khi giải nhiệt xong thường được xả bỏ. Hơi quá nhiệt sau máy nén
đi vào bình từ phía trên. Lỏng ngưng tụ chảy xuống phần dưới của bình giữa các
ống trao đổi nhiệt và chảy ra bình chứa cao áp.
Lưu ý: những hư hỏng có thể xảy ra như sự bám bẩn bên trong các ống trao đổi
nhiệt, các cửa nước vào các ống trao đổi nhiệt khá hẹp nên dễ bị tắc, cần định kỳ

kiểm tra sửa chữa. Việc vệ sinh bình ngưng tương đối phức tạp.Ngoài ra khi lọt khí


không ngưng vào bình thì hiệu quả làm việc giảm, áp suấtngưng tụ tăng vì vậy
phải tiến hành xả khí không ngưng thường xuyên

1- Ống cân bằng, 2- Xả khí không ngưng, 3- Bộ phân phối nước, 4- Van an toàn; 5Ống TĐN, 6- áp kế, 7- Ống thuỷ, 8- Bể nước, 9- Bình chứa cao áp
.
+) Ưu điểm
*Hiệu quả trao đổi nhiệt khá lớn
*Thích hợp cho hệ thống công suất trung bình và lớn, không gian lắp đặt
chật hẹp, phải bố trí bình ngưng ở ngoài trời.
*Do các ống trao đổi nhiệt đặt thẳng đứng nên khả năng bám bẩn ít hơn so
với bình ngưng ống chùm nằm ngang, do đó không yêu cầu chất lượng
nguồn nước cao lắm.
+) Nhược điểm
*Vận chuyển, lắp đặt, chế tạo, vận hành tương đối phức tạp.


*Lượng nước tiêu thụ khá lớn nên chỉ thích hợp những nơi có nguồn nước
dồi dào và rẻ tiền.
*Đối với hệ thống rất lớn sử dụng bình ngưng kiểu này không thích hợp, do
kích thước cồng kềnh, đường kính bình quá lớn không đảm bảo an toàn.
6.2.3 Dàn ngưng kiểu tưới.
Cấu tạo thiết bị:
+)Dàn gồm một cụm ống trao đổi nhiệt ống thép nhúng kẽm nóng để trần, không
có vỏ bao che, có rất nhiều ống góp ở hai đầu. Phía trên dàn là một máng phân
phối nước hoặc dàn ống phun, phun nước xuống. Dàn ống thường được đặt ngay
phía trên một bể chứa nước. Nước được bơm bơm từ bể lên máng phân phối nước
trên cùng. Máng phân phối nước được làm bằng thép và có đục rất nhiều lổ hoặc

có dạng răng cưa. Nước sẽ chảy tự do theo các lổ và xối lên dàn ống trao đổi nhiệt.
Nước sau khi trao đổi nhiệt được không khí đối lưu tự nhiên giải nhiệt trực tiếp
ngay trên dàn. Để tăng cường giải nhiệt cho nước ở nắp bể người ta đặt lưới hoặc
các tấm tre đan.
+)Dàn ngưng tụ kiểu tưới cũng có các ống trích lỏng trung gian để giải phóng bề
mặt trao đổi nhiệt phía dưới , tăng hiệu quả trao đổi nhiệt
+) Ưu điểm
*Hiệu quả trao đổi nhiệt cao, hệ số truyền nhiệt đạt 700 - 900 W/m2.K. Mặt khác
do cấu tạo, ngoài dàn ống trao đổi nhiệt ra, các thiết bị phụ khác như khung
đỡ, bao che hầu như không có nên suất tiêu hao kim loại nhỏ, giá thành rẻ.
*Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, dễ chế tạo và có khả năng sử dụng cả nguồn
nước bẩn vì dàn ống để trần rất dễ vệ sinh. Vì vậy dàn ngưng kiểu tưới rất
thích hợp khu vực nông thôn, nơi có nguồn nước phong phú, nhưng chất
lượng không cao.
*So với bình ngưng ống vỏ, lượng nước tiêu thụ không lớn. Nước rơi tự do
trên dàn ống để trần hoàn toàn nên nhả nhiệt cho không khí phần lớn, nhiệt
độ nước ở bể tăng không đáng kể, vì vậy lượng nước bổ sung chỉ chiếm
khoảng 30% lượng nước tuần hoàn.


+) Nhược điểm
*Trong quá trình làm việc, nước bắn tung toé xung quanh, nên dàn chỉ có thể
lắp đặt bên ngoài trời, xa hẳn khu nhà xưởng.
*Cùng với bình ngưng ống vỏ, dàn ngưng kiểu tưới tiêu thụ nước khá nhiều
do phải thường xuyên xả bỏ nước.
*Do tiếp xúc thường xuyên với nước và không khí, trong môi trưởng ẩm
như vậy nên quá trình ăn mòn diễn ra rất nhanh, nếu dàn ống không được
nhúng kẽm nóng sẽ rất nhanh chóng bị bục, hư hỏng.
*Hiệu quả giải nhiệt chịu ảnh hưởng của môi trường khí hậu.

KẾT LUẬN
Phương pháp ngưng tụ thường được dùng để:
-

-

Ngưng tụ các chất có độ sôi tương đối cao như: NH3 , C6H6 , C6H5CH3, …
Ngưng tụ khí thải trong chưng cất dầu mỏ.
Ngưng tụ các khí có mùi nặng với hàm lượng nước cao trong công nghiệp
thực phẩm.
Xử lý hơi dung môi trong công nghiệp nhựa.
Thông thường thì phương pháp ngưng tụ không được áp dụng nhiều trong
xử lý khí thải vì tốn nhiều năng lượng cho quá trình xử lý và hiệu quả kém
hơn các phương pháp khác như hấp phụ, hấp thụ.
Đối với hỗn hợp khí có lưu lượng lớn nhưng lượng chất ô nhiễm nhỏ thì ta
phải dùng đên ngưng tụ sẽ dễ dàng và hiệu quả hơn đối với các phương pháp
khác.

-

TÀI LIỆU THAM KHẢO