CHƯƠNG II: TỔNG QUÁT VỀ THÁP HẤP THU DẠNG ĐỆM

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



lỏng. Nếu quá trình xảy tra theo chiều ngược lại, nghĩa là từ pha lỏng vào pha khí ta có

quá trình nhả.

Ví dụ: hỗn hợp lỏng gồm dung môi và benzen, toluen sẽ đi vào pha khí và được

mang đi, dung môi ban đầu được dùng lại. Nguyên lý của hai quá trình hấp thu và nhả

khí về cơ bản là giống nhau.



2.2 Phân loại

Phụ thuộc vào bản chất của sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thu

trong pha khí, phương pháp hấp thu được chia làm 2 loại:

+



Hấp thu vật lý: dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng.



+



Hấp thu hóa học: giữa chất bị hấp thu và chất hấp thu hoặc cấu tử trong pha lỏng



xảy ra phản ứng hóa học.



2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu

Sự hấp thu phụ thuộc vào bản chất của các cấu tử (chất hấp thu và dung môi).

Những chất có tính chất tương đồng thì càng dễ hoà tan vào nhau. Điều này đã được

trình bày ở phần trên. Ngoài ra nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ảnh hưởng quan

trọng lên quá trình hấp thụ. Cụ thể là chúng có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và

động lực quá trình.



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 12



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Nếu tăng nhiệt độ thì giá trị hệ số của định luật Henry tăng, đường cân bằng sẽ

dịch chuyển về trục tung (hình 4). Giả sử đường làm việc là P, Q không đổi nếu nhiệt

độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm. Nếu nhiệt độ tăng quá cao thì không

những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình sẽ không thực hiện được theo

đường làm việc P, G cho trước. Mặc dù vậy, nhiệt độ cao cũng ảnh hưởng tốt vì độ

nhớt của dung môi giảm, có lợi đối với trường hợp trở lực khuyếch tán chủ yếu nằm

trong pha lỏng.



Hình 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất lên quá trình hấp thu.

Nếu tăng P của hỗn hợp khí thì giá trị hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó đường cân

bằng sẽ gần về trục hoành (hình 4). Như vậy nếu tăng P thì quá tình truyền khối sẽ tốt

hơn vì động học quá trình lớn hơn. Nhưng quá trình tăng áp dẫn đến tăng nhiệt độ, và

việc tăng áp suất cũng gây khó khăn cho việc chế tạo thiết bị, cho nên ta chỉ thực hiện

quá trình hấp thu ở áp suất cao đối với chất khí khó hoà tan.

Ví dụ: hấp thụ CO2 với dung môi là nước ở 17 at, còn với CO ở 120 at.



2.4 Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu

Một số ký hiệu thông dụng:

Cách biểu diễn thành phần pha:



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 13



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Pha lỏng



1. Phần khối lượng



2. Phần mol



3. Tỉ số khối lượng



4. Tỉ số mol



5. Các liên hệ



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Pha hơi



x =



Li

L



y=



Gi

G



x=



Li

L



y=



Gi

G



X =



Li

L − Li



Y =



Gi

G − Gi



X =



Li

L − Li



G=



Gi

G − Gi



x

Mi

x=

x

∑ Mk

k



y

Mi

y =

y

∑ Mk

k



x=



x.M i

∑ xk .M k



y=



y.M i

∑ y k .M k



X =



x

1− x



Y =



y

1− y



X =



x

1− x



Y =



y

1− y



x =



X

1+ X



y=



Y

1+ Y



Trang: 14



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



x=



X

1+ X



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



y=



Y

1+ Y



Khi tính toán hấp thụ người ta thường cho biết trước lượng hỗn hợp khí, nồng độ

đầu và nồng độ cuối của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí và trong dung môi.

Với:

Gy: Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thu, Kmol/h.

Yd: Nồng độ đầu của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ.

Yc: Nồng độ cuối của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ.

Ltr: Lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ Kmol/h.

Xd: Nồng độ đầu của dung môi Kmol/Kmol dung môi.

Xc: Nồng độ cuối của dung môi Kmol/Kmol dung môi.

Gtr: Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thu.

Phương trình đường cân bằng:

Đối với khí lý tưởng hay khí thực có nồng độ bé và độ hòa tan nhỏ thì nồng độ

đường cân bằng là đường thẳng có dạng:



Ycb = m.x



Ycb = m. X

hay



Ở đây:

m =ψ / P



: gọi là hằng số cân bằng.



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 15



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



ψ



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



: là hệ số Hăng-Ri cho trong các số tay chuyên môn.



P: là áp suất chung (áp suất làm việc), mmHg.

Nếu là khí thực thì đường cân bằng là đường cong có dạng:



Ycb =



m. X

1 + (1 − m). X



Phương trình đường làm việc:

Đường nồng độ làm việc trong quá trình hấp thụ là đường thẳng có dạng:



Y = A. X + B

A=

Trong đó:



Gx

Gtr



B = Yc −



Gx

.X d

Gtr



Tính lượng khí trơ:

Gtr = G y −



Tính theo hỗn hợp khí:



1

= G y (1 − yd )

1 + Yd



Yd: nồng độ phần mol ban đầu của cấu tử bị hấp thụ trong pha khí.

Ta cũng có thể tính theo công thức:



Gtr =



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



p tr .Vtr

Rtr .Ttr

Trang: 16



Kg/h



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Trong đó:

ptr: áp suất riêng phần của khí trơ, N/m2.



ptr = (1 − y d ).P

P: áp suất chung của hỗn hợp khí (áp suất làm việc của thiết bị), N/m2.

Vtr: lượng khí trơ vào tháp, m3/h.

Rtr =



R

M



: hằng số khí trơ, N.m/Kmol.độ.



R: hằng số khí, đối với không khí thì R = 8,314N.m/Kmol.độ.

M: khối lượng phân tử khí trơ, với không khí M= 29Kg/Kmol.

Ttr: nhiệt độ khí trơ, 0K.

Xác định lượng dung môi cần thiết:

Phương trình cân bằng vật liệu là:



Gtr (Yd − Yc ) = Ltr ( X c − X d )

Lượng dung môi cần thiết X:



Ltr = Gtr



Yd − Yc

Xc − Xd



Lượng dung môi tối thiểu để hấp thụ được xác định khi nồng độ cuối của dung

môi đạt đến nồng độ cân bằng, như vậy ta có:



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 17



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



Ltr min = Gtr



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Yd − Yc

X c max − X d



Xc max: là nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí.

Nồng độ cân bằng luôn luôn lớn hơn nồng độ thực tế, vì thế lượng dung môi thực

tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường ta lấy lượng dung môi thực tế lớn

hơn lượng dung môi tối thiểu khoảng 20%.

Lượng dung môi tiêu hao riêng là:



l=



Ltr

Y − Yc

= d

Gtr X c − X d



Lượng cấu tử bị hấp thụ có thể tính theo công thức:



g = Gtr (Yd − Yc ) = Ltr ( X c − X d )

g: lượng cấu tử bị hấp thụ vào trong pha lỏng.



2.5 Ứng dụng của quá trình hấp thu

Quá trình hấp thu đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó được

dùng để:

+



Thu hồi các cấu tử quý.



+



Làm sạch khí.



+



Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng.



+



Tạo thành sản phẩm cuối cùng.



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 18



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba bắt buộc chúng ta phải tiến hành quá trình

nhả sau khi hấp thụ để thu các cấu tử và dung môi riêng. Trong trường hợp thứ hai thì

quá trình nhả không cần thiết nếu tìm dung môi dễ kiếm (ví dụ như nước lạnh) vì khí

thường là bỏ đi, trường hợp này chỉ khi cần lấy lại dung môi ta mới thực hiện quá trình

nhả. Còn trường hợp thứ tư thì quá trình nhả không có ý nghĩa.



2.6 Lựa chọn dung môi

Nếu mục đích chính của quá trình hấp thu là để tạo nên một dung dịch sản phẩm

xác định (ví dụ như sản xuất dung dịch axit clohydric) thì dung môi đã được xác định

bởi bản chất của sản phẩm. Nếu mục đích của quá trình hấp thu là tách các cấu tử của

hỗn hợp khí thì khi đó ta có thể lựa chọn một dung môi tốt dựa trên những tính chất

sau:

+



Độ hòa tan chọn lọc: Đây là tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chất chỉ hòa



tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp khí mà không hòa tan các cấu tử còn lại hoặc

hòa tan không đáng kể. Đây là tính chất chủ yếu của dung môi. Tổng quát, dung môi

và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tăng độ hòa tan lên rất nhiều, nhưng

nếu dung môi được thu hồi để dùng lại thì phản ứng phải có tính hoàn nguyên.

+



Độ bay hơi tương đối: Dung môi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau quá trình



hấp thu sẽ bão hòa hơi dung môi do đó dung môi bị mất.

+



Tính ăn mòn của dung môi: Dung môi nên có tính ăn mòn thấp để vật liệu chế tạo



thiết bị dễ tìm và rẻ tiền.

+



Chi phí: Dung môi dễ tìm và rẻ để sự thất thoát không tốn kém nhiều.



+



Độ nhớt: Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điều kiện



ngập lụt trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt.

+



Các tính chất khác: Dung môi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệt khi



hoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc

thiết bị, không tạo kết tủa, không độc.

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 19



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Trong thực tế không có một dung môi nào cùng lúc đáp ứng được tất cả các tính

chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thực hiện quá trình

hấp thu. Dù sao tính chất thứ nhất của dung môi cũng không thể thiếu được trong bất

cứ trường hợp nào.



2.7 Tháp hấp thu

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình

hấp thu. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu pha lỏng

phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun.

Tháp hấp thu phải thỏa mãn các yêu cầu sau: diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải

lớn, hiệu quả và có khả năng cho khí xuyên qua, trở lực thấp (< 3000Pa), kết cấu đơn

giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, ít bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá

trình hấp thụ.



2.7.1 Thiết bị loại đĩa (tháp mâm):

Bên cạnh tháp đệm, tháp đệm cũng được ứng dụng rất nhiều trong công nghệ hoá

học. Trong tháp đĩa khí phân tán qua các lớp chất lỏng chuyển động chậm từ trên

xuống dưới, sự tiếp xúc pha riêng biệt trên các đĩa. So với tháp đệm thì tháp đĩa phức

tạp hơn do khó chế tạo hơn và tốn kém chi phí nhiều hơn

Chia tháp đĩa (mâm) ra làm hai loại có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyển

động riêng biệt từ đĩa nọ sang đĩa kia và không có ống chảy chuyền, khí và lỏng

chuyển động từ đĩa nọ sang đĩa kia theo cùng một lò hay rãnh.

Trong tháp đĩa có thể phân ra: tháp chóp, tháp đĩa lưới.…



2.7.2 Thiết bị loại bề mặt

Đây là loại thiết bị đơn giản nhất. Trong thiết bị khí và chất lỏng chuyển động

ngược chiều nhau và tiếp xúc với nhau trên bề mặt của chất lỏng. Loại này có tiếp xúc

pha bé thường dùng trong trường hợp khí hoà tan trong lỏng.



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 20



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



2.7.3 Thiết bị loại màng

Thiết bị loại ống:

Cấu tạo của thiết bị này giống thiết bị trao đổi nhiệt. Chất lỏng chảy phía trong

ống dạng màng, khí đi từ dưới lên, đường kính ống từ 25 – 50mm.

Thiết bị màng tấm:

Trong thiết bị có các bản xếp thẳng đứng song song với nhau, chất lỏng đi từ trên

xuống, chất lỏng chảy trên bề mặt khí đi từ dưới lên, ngược chiều.

 Thiết bị hấp thụ dạng màng có những ưu điểm sau:



Trở lực nhỏ nhất so với các thiết bị hấp thụ khác, vận tốc chất lỏng lớn có khi đạt

đến 5m/s. Bên cạnh đó, thiết bị này cũng có những hạn chế nên người ta ít sử dụng, đó

là hiệu suất hấp thụ thấp khi chiều cao lớn, khó phân bố đều trong ống khi chất lỏng

chuyển động từ trên xuống, vì vậy nên lưu lượng vào tháp hấp thu không thể lớn như

các thiết bị khác và hiệu quả kinh tế không cao.



2.7.4 Tháp đệm

2.7.4.1 Khái niệm

Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay

hàn. Trong tháp người ta đổ đầy đệm theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp

thứ tự. Tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trong kỹ nghệ hóa học để hấp thu, chưng cất,

làm lạnh. Người ta dùng nhiều loại đệm khác nhau, phổ biến nhất là loại đệm sau đây:

+



Đệm vòng (kích thước từ 10 – 100mm).



+



Đệm hạt (kích thước từ 20 – 100mm).



+



Đệm xoắn – đường kính vòng xoắn từ 3 – 8mm. Chiều dài dây nhỏ hơn 25m.



+



Đệm lưới bằng gỗ.



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 21



ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC



GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền



Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng:

khí lớn, khí không chứa bụi và quá trình hấp thụ không tạo ra cặn lắng.



Hình 5: Tháp đệm



SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192



Trang: 22