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

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

: 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

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

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)

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

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

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:

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

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

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.

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

(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

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

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

= 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

= 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)


= = 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

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

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

∆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)

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