Đồ án môn quá trình thiết bị GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Thông
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
1. Họ và tên nhóm sinh viên: NHÓM 8
Lớp: DH09H1
Nghành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC
2. Nhiệm vụ thiết kế:
Trích ly phenol trong nước thải bằng xút trong tháp đệm
Dữ kiện ban đầu:
- Lượng nước thải đưa vào tháp khử phenol: 22000kg/h.
- Nồng độ đầu của phenol trong nước thải: C
1
= 2,8 g/l.
- Mức độ khử phenol: = 91%.
- Nồng độ kiềm trong dung dịch đưa vào tháp: C
2
= 7,8 %.
- Mức độ phản ứng kiềm: = 76%.
3. Nội dung bản thuyết minh.
3.1. Lời nói đầu.
3.2. Ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật của đồ án.
3.3. Các phương pháp xử lý nước thải.
3.4. Lựa chọn sơ đồ công nghệ.
3.5. Tính toán thiết bị chính và chi tiết hình vẽ.
3.6. Tính toán và lựa chọn thiết bị phụ.
3.7. Kết luận.
3.8. Phụ lục.
3.9. Tài liệu tham khảo.
4. Bản vẽ hoàn chỉnh.
4.1. Sơ đồ công nghệ của quá trình trích ly.
4.2. Thiết bị chính (tháp khử phenol)
5. Ngày giao đồ án: 17/2/2012.

LỜI NÓI ĐẦU
Theo xu hướng phát triển của nền kinh tế thì đang đặt ra cho môi
trường một trong những thách thức, một gánh nặng mà cần sự chung sức của
nhiều doanh nghiệp, nhiều cá nhân, tổ chức để đem lại cho con người và các
loài sinh vật khác một môi trường để sống, để tồn tại. Vì thế vấn đề môi
trường đang là mối quan tâm lớn khi mà các doanh nghiệp đi vào hoạt động.
Trong nhiều thập niên qua con người đã lường trước được hậu quả
mà những gì đã gây ra cho chính môi trường sống của chúng ta. Một trong
những hiểm họa của môi trường chính là vấn đề nước thải công nghiệp mà
chứa các kim loại nặng, các ion kim loại mà có thể gây ra những dòng sông
chết, những ao hồ mà không có một sinh vật nào có thể sinh sống được. Mà
một trong những chất độc gây hại chính là phenol, một chất cực độc với môi
trường, nó gây ra một hiểm họa lớn khi được xả trực tiếp vào môi trường.
Vì thế đồ án nghiên cứu quy trình trích ly phenol trong nước thải
bằng xút trong tháp đệm có thể đem đến cho các doanh nghiệp một giải pháp
vừa đơn giản vừa dễ thực hiện để có thể giảm bớt được nhu cầu bức thiết cho
vấn đề môi trường.
1.1.Ý nghĩa kinh tế, kỹ thuật của đồ án.
Phenol là hợp chất hữu cơ mà phân tử của chúng có nhóm –OH liên kết
trực tiếp với nguyên tử C của vòng benzene, là chất rắn không màu, ít tan
trong nước lạnh, tan vô hạn ở 66
0
C, tan tốt trong etanol, ete,…Phenol dễ chảy
rữa, thẫm màu.
Phenol là chất thải hữu cơ độc hại khó xử lý. Nó có mặt trong nước thải
của quá trình sản xuất nhựa phenolphomanđehit, dược phẩm, thuốc trừ sâu,
công nghiệp dệt Phenol có ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người
ngay cả ở nồng độ rất thấp, nó là tác nhân tiềm ẩn gây ung thư.
Xút (NaOH) là một chất lỏng không màu tan vô hạn trong nước, là một
chất có tính kiềm mạnh được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như

Mô tả: Nguồn nguyên liệu được kết tinh trong autoclavơ, nhiệt độ
70
o
C, PH = 10,5, thời gian 36 giờ. Sản phẩm sau khi kết tinh được lọc rửa
bằng nước cất, sấy ở 120
o
C trong 3 giờ.
Ưu điểm của phương pháp này là: Thân thiện với môi trường vì đây là
xúc tác sinh học, nguyên liệu thì đơn giản,dễ kiếm, điều kiện phản ứng mềm,
hiệu suất phản ứng cao.
Bên cạnh đó thì phương pháp này chỉ đúng cho phenol và o-clorophenol
nên
điều kiện phản ứng sẽ thay đổi đáng kể khi gặp phải những dẫn xuất
khác, xúc tác zeolite dễ bị ngộ độc bởi nhiều hợp chất có trong nước thải như
S, H
2
S…
1.2.3. Phương pháp trích ly phenol trong nước thải bằng xút trong tháp
đệm.
Mô tả: phenol có lẫn trong nước thải được dùng NaOH để tạo ra muối
phenolat C
6
H
5
ONa, muối này được tách ra dễ dàng dưới dạng dung
dịch và được thu hồi lại.
Ưu điểm của phương pháp này là: Hóa chất rất dễ kiếm, rẻ và được
dùng phổ biến trong sản xuất, chế độ công nghệ mềm, thiết bị dễ vận
hành, hiệu suất phản ứng cao, không cần xúc tác.
Nhược điểm là: Thiết bị quá cồng kềnh và đòi hỏi phải kiểm tra quy

di chuyển trong các ống và làm lạnh ammoniac xuống còn khảng 95 – 96
o
C.
Khi hàm lượng ammoniac trong nước đạt 8 – 10% thể tích thì sẽ được đem đi
xử lí bằng phương pháp trung hòa để sản xuất phân đạm hoặc được đưa sang
bộ phận trung hòa để thu hồi bazfiridin. Một phần hơi được hồi lưu lại cột sữa
vôi (4).Phần nước thải đã được tách ammoniac ở phần dưới cột phụ (5) được
đưa qua thùng lắng cặn (15) để tách cặn và mùn vôi trước khi thải ra môi
trường.
Quá trình tạo sữa vôi: Vôi chưa tôi được đưa vào tang quay (10). Bên
trong tang quay vôi được khuấy trộn giúp cho quá trình tôi vôi diễn ra nhanh
hơn. Sữa vôi tạo thành sẽ được đưa qua thiết bị lọc cát (11) để lọc sạch cát ra
khỏi sữa vôi. Cát sau khi lọc sẽ được đưa lên xe gòong (12) đem đi đổ. Sữa
vôi sau khi lọc sạch cát sẽ được đưa qua thùng khuấy (13) và được bơm (14)
đưa vào phần khuấy trộn phía dưới cột sữa vôi (4) theo đường ống (v), phần
sữa vôi dư sẽ theo đường ống (g) đi về thùng khuấy (13).
Quá trình tạo dung dịch xút: Xút khan được chứa trong thùng chứa xút
khan (16). Dưới tác dụng của hơi nước xút bị hòa tan tạo thành dung dịch xút
đậm đặc 40 – 45%, dung dịch xút này được chứa trong thùng chứa xút đặc
(17), sau đó được đưa qua thùng chứa xút loãng (18) và được pha loãng bằng
nước. Sau khi pha loãng, xút được bơm (19) đưa vào phía trên ngăn dưới của
tháp khử phenol (8) để khử phenol thành phenolat. Phenolat tạo thành sẽ lắng
xuống đáy tháp và được tháo ra tại đây qua van thủy lực vào thùng chứa (20),
sau khi được bơm (21) đưa vào kho hoặc được đưa đi xử lí tiếp.
1.3.2. Tháp trích ly phenol
1.3.2.1. Cấu tạo
Tháp trích ly phenol có đường kính từ 3,3 – 5m và chiều cao 30m
được chế tạo từ thép tấm gồm 3 ngăn:
Ngăn trên dùng để thổi phenol ra khỏi dung dịch nước thải chứa
amoniac bằng hơi tuần hoàn có chứa đầy đệm gỗ được xếp thành từng khoang

Hơi nước đã mất phenol sẽ tiếp tục đi lên trên qua đệm khung gỗ sẽ gặp
nước có chứa amoniac và phenol, hơi này sẽ thổi phenol ra ngoài.Quá trình
này sẽ diễn ra liên tục như vậy.
NỘI DUNG TÍNH TOÁN
1 DỮ KIỆN BAN ĐẦU
- Lượng nước thải đưa vào tháp khử phenol: 22000 kg/h.
- Nồng độ đầu của phenol trong nước thải: C
1
= 2,8 g/l.
- Mức độ khử phenol: ƞ
1
= 91%.
- Nồng độ kiềm trong dung dịch đưa vào tháp: C
2
= 7,8%.
- Mức độ phản ứng kiềm: ƞ
2
= 76%.
2 TÍNH TOÁN THÁP TRÍCH LY PHENOL.
1 Tính toán ngăn trên của tháp.
- Lượng nước thải đưa vào tháp khử phenol: 22000 kg/h.
- Nồng độ đầu của phenol trong nước thải: C
1
= 2,8 g/l.
- Lượng phenol trong nước thải là :
= 61,6 (kg/h)
Với: 1000 kg/m
3
– khối lượng riêng của phenol.
- Do mức độ khử của phenol là 91%, nên trong nước còn có lượng

2max
= 2,78 (g/m
3
)
- Lượng phenol tối thiểu trong hơi tuần hoàn là:
V
min
= 100.(m
3
/h)
Trong đó:-G lượng phenol tách ra (kg/h)
- a
2max
: hàm lượng phenol cực đại trong hơi đi ra (g/m
3
)
- a
1
: lượng phenol trong hơi đi vào (g/m
3
)
Ngoài ra do mức độ khử phenol trong nước là 91% nên lượng hơi trong
ngăn trên của tháp là:
a
1
= 0,09.2,8 = 0,252 (g/m
3
)
Do đó :
V

Nên:
a
2
= = 1,85 (g/m
3
)
Lấy tròn số:
a
2
=1,85 ( g/m
3
) , a
1
= 0,17 (g/m
3
)
Khi đó:
v = = 33393 (m
3
/h)
- Thể tích tương ứng với 1m
3
nước đem khử phenol là:
V = =1,505 (m
3
)
1 Bề mặt tưới và kích thước ngăn trên của tháp
- Vì ngăn trên chứa đệm khung gỗ với những đặc trưng sau:
+ bề dày thành: a = 10 mm.
+ khoảng cách giữa 2 thanh: b = 19mm.

- Tiết diện chung:
S
chung
=S
l
= 7,25.= 11,1 (m
2
)
- Đường kính của một vòng đệm là:
D = = = 3,76 (m)
- Theo tiêu chuẩn thì D = 3,5(m) nên ta phải tính lại:
S
chung
= 0,785.3,5
2
= 9,6 (m
2
)
S
l
= .9,6 = 6,3 (m
2
)
- Tốc độ thực tế của hơi trong đệm:
v
thực
= = = 1,47 (m/s)
- Hệ số nhả hấp phụ phenol từ hơi được xác định theo công thức sau:
K =
Trong đó: - k

Trong đó: - M
1
khối lượng phân tử của phenol.
- M
2
khối lượng phân tử của nước.
Suy ra:
D
g
= = 10,9.10
-6
(m
2
/s)
- Hệ số khuếch tán đưa về 100
0
C và áp suất trung bình trong tháp
bằng
765 mmHg là:
D
g
= 10,9.10
-6
.()
2
.= 20,3.10
-6
(m
2
/s)

= Nu
l
.
Với:
Nu
l
= 471 ()
0,503
Mà:
Re =
Trong đó:-q là mật độ tưới (m
3
/h.m)
- v
l
là độ nhớt của dung dịch (m
2
/h)
Ngoài ra ta có: Độ nhớt của nước ở 100
o
C là z = 0,28 (centiqua)
Suy ra:
v
l
== = 0,293.10
-6
(m
2
/s)
Trong đó: -γ

r
=
Trong đó:-v
l
độ nhớt động học là 1,05.10
-3
(m
2
/h)
- D
l
hệ số khuếch tán của phenol trong nước (m
2
/h)
- Hệ số khuếch tán của phenol trong nước là:
D
l
= 0,0124.10
-6
(m
2
/h)
Trong đó: - T nhiệt độ chất lỏng (
o
C), T = 373
o
K
- γ
l
khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m

Pr
l
= = 102
Do đó:
Nu
l
= 471.31,43
0,324
.102
0,165
.)
0,503
= 1731
Và:
K
l
= Nu
l
.= 1700.=0,47 (m/h)
Hay:
k
l
= (kg/m
2
.h.mmHg)
Trong đó: H là hằng số henry
Và p = 0,18.C => H = 0,18 (mmHg.m
3
/kg)
- Hệ số nhả hấp phụ:

p
ꞋꞋ
l
= 0,18.0,252 = 0,045 (mmHg)
Suy ra:
∆p
ꞋꞋ
= 0,045 – 0,032 = 0,013 (mmHg)
- Động lực chuyển khối trung bình của quá trình nhả hấp thụ:
∆
pcp
= = = 0,0621 (mmHg)
- Bề mặt nhả hấp thụ cần thiết:
F = == 5646 (m
2
)
- Bề mặt của 1 vòng đệm:
F = 2.l.c = 2.332.0.12 = 79,7 (m
2
)
- Do đó số vòng đệm cần thiết:
n = = 71 (vòng)
- Ta thừa nhận rằng trong 3 khoang mỗi khoang có 24 vòng thì tổng
số vòng là 72 vòng: 72.79,7 = 5738 (m
2
)
- Chiều cao của một khoang là:
H = 24.0,14 = 3,36 (m)
- Chiều cao phần tháp có đệm là:
H

Ta có phương trình phản ứng:
C
6
H
5
OH + NaOH = C
6
H
5
ONa + H
2
O
- Lượng phenol bị NaOH hấp thụ là:
60. = 139 (g)
- Như vậy trong 1(l) NaOH có thể hấp thụ lượng phenol là: 139 (g).
- Vậy khi hấp thụ 56,1 (g) phenol cần lượng xút là:
= 404 (g/h)
- Số lượng NaOH này không đủ để hấp phụ hết lượng phenol nếu ta
tưới một cách liên tục nên ta phải đưa vào một cách gián đoạn để
tưới đều lên toàn bộ bề mặt đệm.
Vì vậy cứ 15 phút người ta sẽ đưa NaOH vào một lần với lượng 101
(l).
2 Bề mặt hấp thụ và kích thước tháp
- Ta thừa nhận rằng đường kính phần dưới bằng 3,5m
- Tiết diện ngang 9,6m
2
. Ta xác định được:
- Bề mặt của 1m
3
đệm: f = 130m

Pr =
Ta có:
v
g
= 20,9.10
-6
(m
2
/s)
Suy ra:
Pr
g
= = 1,03
Và:
Nu
g
= 0,0445 = 0,0445.1424
0,752
.1,03
0,628
= 10,66
- Hệ số hấp thụ qua màng khí là:
k
g
= Nu
g
.= 10,66.= 0,0071 (m/s)
Hay:
k
g

O
- Vì lượng phenol bị hấp thụ bởi 1 lít dung dịch NaOH là 139g. Khi
mức độ thủy phân của C
6
H
5
ONa là 1% thì lượng phenol tự do là
1,39(g/l)
- Vậy áp suất hơi của phenol trên dung dịch đó là:
p
l
Ꞌ
= 0,18.1,39 = 0,25 (mmHg)
- Động lực hấp thụ phía trên của ngăn dưới tháp là:
∆p
Ꞌ
= 0,032 (mmHg)
- Động lực hấp thụ phía dưới của ngăn dưới tháp là:
∆p
ꞋꞋ
= 0,344 – 0,25 = 0,094(mmHg)
∆p
tb
= = 0,0576 (mmHg)
- Bề mặt hấp thụ cần thiết:
F = = = 6907 (m
2
)
- Khi bề mặt 1m
3

khoảng 1-5% )
Giới hạn bền: ρ.g.H = 550.10
6
(N/m
2
)
Giới hạn chảy: σ
c
= 220.10
6
(N/m
2
)
Chiều dày tấm thép: b = 4-25 (mm)
Độ giãn tương đối: δ = 40%
Hệ số dẫn nhiệt: λ = 16,3 (W/m.
o
C)
Khối lượng riêng: ρ = 7900 (kg/m
3
)
- Chọn tháp hàn tay bằng hồ quang điện với đường kính tháp
D
t
>700mm nên ta có hệ số bền mối hàn là φ
h
= 0,95 [3]
Hệ số hiệu chỉnh: ƞ = 1
Hệ số an toàn bền kéo: n
k

2
)
P
tt
là áp suất thủy tĩnh (N/m
2
)
Mà:
P
tt
= ρ.g.H (N/m
2
)
ρ là khối lượng riêng của dung dịch hỗn hợp trung bình trong tháp (kg/m
3
)
ρ = = =973 (kg/m
3
)
H = H
tháp
– 2.(hb + h)
Với: - H
tháp
là chiều cao tháp (m)
- (hb + h) chiều cao của nắp
=> H = 29,58 – 2.(0,875 + 0,025) = 27,78 (m)
Vậy: P
tt
= 973.9,81.27,78 = 2,65.10

sử dụng tháp là 15năm, tốc độ ăn mòn là 0,1mm/năm.
C
1
= 0,1.15 = 1,5
- C
2
là hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường. Đối với
thiết bị hóa chất thì C
2
= 0
- C
3
= 0,8 là hệ số bổ sung do dung sai âm [3]
Vậy: C = 1,05 + 1,5 + 0,8 = 3,35 (mm) = 3,35.10
-3
(m)
[σ] =.ƞ = .1= 84,62.10
6
(N/m
2
)
Xét:
.φ
h
= .0,95 = 379> 50
S = + 3,35.10
-3
= 7,9.10
-3
(m)

σ = = 180,3.10
6
<= 188,33.10
6
(thỏa điều kiện)
Vậy ta chọn chiều dày thân tháp là: 9mm
3.2. Tính toán nắp và đáy thiết bị
Chọn nắp và đáy thiết bị dạng elip có gờ cao, nắp và đáy thiết bị được ghép
với thân bằng cách gép bích.
Chiều dài đáy và nắp được xác định bằng công thức:
S = .+ C
Với: hb là chiều cao phần lồi của đáy
là hệ số bền của mối hàn hướng tâm.
k là hệ số không thứ nguyên, k = 1 và = 2
.k.φ
h
= .1.0,95 = 379>> 50
Vì vậy ta có thể bỏ qua P ở mẫu số
Vậy:
S = + 3,35.10
-3
= 5,78.10
-3
(m)
Ta chọn chiều dày thân và nắp: S = 6mm
Kiểm tra lại ứng suất thành ở áp suất thủy lực:
σ = ≤ = 188,33.10
6
(N/m
2

m
1
= .(3,720
2
-3,518
2
).0,12.7,9.10
3
= 1090 (kg)
3.3.2. Tính mặt bích nối ống dẫn:
* Ống dẫn vào D = 100mm
Chọn loại bích liền bằng kim loại đen để nối:
Đường kính ngoài: D
n
= 112mm
Đường kính ngoài của bích nối ống dẫn: D = 134mm
Đường kính bulon: D
b
= M20
Số bulon: z = 8 cái
Chiều cao bích: h = 16mm
- Khối lượng bích:
m
1
= .(0,134
2
-0,112
2
).0,016.7,9.10
3