Khảo sát trở lực của tháp đệm và hiệu suất hấp thụ. Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc khí và lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) khi qua cột. Hấp thụ là quá trình thu hồi một hoặc một vài cấu tử hoặc hỗn hợp khí bằng một dung môi. Cấu tử được thu hồi được gọi là cấu tử bị hấp thụ; dung môi sử dụng là chất hấp thụ; khí không tan gọi là khí trơ. Hấp thụ là quá trình thuận nghịch do đó ta có thể thu hồi cấu tử bị hấp thụ và hoàn nguyên dung môi bằng quá trình ngược (giải hấp thụ). Quá trình hấp thụ là quá trình có chọn lọc, một dung môi chỉ hấp thụ một hoặc vài hỗn hợp khí hay một hoặc vài cấu tử. Do đó, ta nên chọn dung môi có độ chọn lọc cao, chỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách, không độc hại, không ăn mòn thiết bị, rẽ tiền và dễ tìm,…
BÀI HẤP THỤ I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Khảo sát trở lực tháp đệm hiệu suất hấp thụ - Khảo sát ảnh hưởng vận tốc khí lỏng lên tổn thất áp suất (độ giảm áp) qua cột II CƠ SỞ LÝ THUYẾT II.1 Khái niệm - Hấp thụ trình thu hồi một vài cấu tử hỗn hợp khí dung môi Cấu tử thu hồi gọi cấu tử bị hấp thụ; dung môi sử dụng chất hấp thụ; khí khơng tan gọi khí trơ - Thiết bị hấp thụ thường dùng: thiết bị loại đệm, thiết bị loại tháp mâm - Hấp thụ q trình thuận nghịch ta thu hồi cấu tử bị hấp thụ hoàn nguyên dung mơi q trình ngược (giải hấp thụ) - Ứng dụng: làm khí, thu hồi cấu tử quý pha khí, tạo thành dung dịchsản phẩm, tách hỗn hợp thành cấu tử riêng biệt, … - Quá trình hấp thụ q trình có chọn lọc, dung mơi hấp thụ vài hỗn hợp khí hay vài cấu tử Do đó, ta nên chọn dung mơi có độ chọn lọc cao, hịa tan tốt cấu tử cần tách, không độc hại, không ăn mịn thiết bị, rẽ tiền dễ tìm,… II.2 Cân vật liệu Phương trình cân vật liệu: Gtr Yđ + L.Xđ = Gtr Yc + L.Xc (1) Trong đó: Gtr lượng khí trơ khơng đổi vận hành, kmol/h Yđ, Yc nồng độ đầu nồng độ cuối pha khí, kmol/kmol khí trơ Xđ, Xc nồng độ đầu nồng độ cuối pha lỏng, kmol/kmol dung môi L lượng dung môi không đổi vận hành, kmol/h Gọi: Lđ lượng CO2 ban đầu, Lđ = Gtr.Yđ + L.Xđ, kmol/h Lc lượng CO2 bị hấp thụ dung môi, Lc = L.Xc, kmol/h Lcl lượng CO2 dư, thoát ra, kmol/h Vậy (1) ↔ Lđ = Lc + Lcl II.3 Hiệu suất hấp thụ Hiệu suất tính tốn theo phương trình: (2) Sau trình hấp thụ nhiệt độ dung dịch tăng giảm Việc tăng nhiệt trình hấp thụ dẫn đến giảm hiệu suất hập thụ Vì thực tế người ta thường lắp thêm thiết bị trao đổi nhiệt (làm lạnh) dung dịch hấp thụ Cân nhiệt lượng (3) Trong đó: Tđ, Tc nhiệt độ dung dịch trước sau hấp thụ (oC) q nhiệt phát sinh mol cấu tử bị hấp thụ (cal/mol) C: lấy nhiệt dung riêng dung môi (cal/mol.độ) III KẾT QUẢ VÀ TÍNH TOÁN Thí nghiệm 1: Hấp thụ liên tục Bảng 1: Kết quả thí nghiệm Mẫu Mẫu Mẫu 50 100 150 1000 1000 1000 Qdm (L/h) Qkk QCO2 200 300 400 200 300 400 TE1 28.2 28.5 28.8 28.9 28.9 29.2 29.5 29.3 29.2 TE2 28.4 28.4 28.1 28.4 28.5 28.5 28.7 28.5 28.6 TE7 27.5 28.3 27.4 27.4 27.4 27.6 27.5 27.4 27.5 TE10 27.3 27.4 27.3 27.4 27.4 27.5 27.4 27.5 27.5 Thể tích HCl (ml) 8.4 7.9 7.3 6.6 6.4 5.3 5.4 5.5 pkt 18.5 17.5 18 18 18.5 17 19.5 19.5 20 19 23 21 21 22 22 24 23 21 Nhiêt đô (0C) pktCO2 ∆P 100 Chú thích: Qdm: Lưu lượng dung mơi, (L/h) Qkk: Lưu lượng khơng khí, (NL/h) QCO2: Lưu lượng khí CO2, (NL/h) pkt: Áp suất khí trơ vào, (psi) pktCO2: Áp suất khí CO2, (psi) : Độ chênh lệch áp, (mmH2O) Tính tốn xử lí số liệu 90 200 300 90 400 Ta có cơng thức chuyển đổi lưu lượng: Q(m3/h) = Q(Nm3/h) , với P= Pkq+Pđo i Mẫu 50 L/h – Lần 1: Đối với lưu lượng khí CO2 vào Q = 200 (NL/h): TE2 = 28.4oC + 273 = 301.4 (K) PCO2 = 1.31 + = 2.31 (bar) Q(m3/h) = Q(Nm3/h) Tra bảng khối lượng riêng chất khí điều kiện tiêu chuẩn (0 oC, 1at) ta được: Vậy TE2= 28.40C: Đối với khơng khí (khí trơ): Q = 1000 (NL/h) TE7= 27.5oC + 273 = 300.5 (K) Ptr = 1.28+ = 2.28 (bar) Tra bảng khối lượng riêng chất khí điều kiện tiêu chuẩn (0 oC, 1at) ta được: Vậy TE7= 27.5oC Vậy ta được: Xđ = Tính Xđ: giả sử ban đầu dung môi (H2O) nguyên chất khơng lẫn CO2 Tính Xc: Thể tích HCl chuẩn độ: mL Nồng độ NaOH sau phản ứng với CO2: Số mol NaOH tham gia phản ứng với CO2 là: Phương trình phản ứng: 2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O Số mol CO2 phản ứng là: Nhiệt độ dung dịch TE10 27.3oC Khối lượng riêng nước TE10= 27.3oC 996.466 kg/m3 (nội suy từ bảng tính chất vật lý nước): Số mol nước mẫu chuẩn độ (xem thể tích nước 10 ml CO2 dung dịch ít): nước): Nhiệt độ dung môi cung cấp TE1 = 28.2oC Khối lượng riêng nước 28.2oC (nội suy từ bảng tính chất vật lý Suất lượng mol dung môi: Tỉ số mol cuối chất khí (Yc): Hiệu suất tháp hấp thu: Tính nhiệt hấp thụ: Ta có: Tđ = TE1 = 28.20C, Tc = TE10= 27.30C, C= 4.178 (kj/kg.độ), Xđ = 0, Áp dụng phương trình cân nhiệt lượng cho trình hấp thụ: ) Tương tự, ta tính mẫu mẫu cịn lại, bảng sau: Bảng 2: Kết quả thí nghiệm Lưu lượng Mẫu khí CO2 (NL/h) QCO2 (m3/h) Yđ Xđ Yc Xc H (%) Q 200 0.097 0.201 0.183 3,038.10-4 9.223 -281.515 300 0.130 0.302 0.284 3,038.10-4 6.148 -344.073 400 0.183 0.403 0.384 3,038.10-4 4.611 -469.191 200 0.091 0.201 0.164 3,038.10-4 18.443 -469.191 300 0.133 0.302 0.265 3,038.10-4 12.195 -469.191 400 0.178 0.422 0.383 3,038.10-4 9.221 -531.750 200 0.085 0.201 0.146 3,038.10-4 27.659 -656.867 300 0.130 0.302 0.246 3,038.10-4 18.441 -563.029 400 0.183 0.403 0.347 3,038.10-4 13.831 -531.750 IV NHẬN XÉT VÀ BÀN LUẬN Câu Nhận xét hiệu suất hấp thụ Hiệu suất trình hấp thụ thấp Giải thích: - Tỉ lệ lưu lượng CO2 : khí trơ thấp (200 : 1000) nên hấp thụ - Sự tiếp xúc pha khí – lỏng chưa tốt Mặc dù tháp hấp thụ có sử dụng vật chêm để tăng diện tích tiếp xúc q trình chuyển động, dịng khí – lỏng bị đổi hướng liên tục - Ảnh hưởng nhiệt độ: hấp thụ trình phát nhiệt, nhiệt độ tăng lên mà trình làm mát chưa thật tốt động lực truyền khối giảm, dẫn đến tốc độ truyền khối giảm Do trình hấp thụ phát nhiệt làm tăng nhiệt độ pha lỏng, độ hòa tan cân pha lỏng bị giảm suất hấp thụ tháp bị giảm (hiệu suất hấp thụ không cao) - Ảnh hưởng độ chênh áp: chênh lệch áp suất không lớn (180 mmH 2O) nên động lực q trình truyền khối khơng lớn Hơn CO chất khí tương đối tan nước nên hiệu suất khơng cao - Song song với q trình hấp thụ q trình nhả hấp thụ (nhả khí) Khí CO bị hấp thụ nước q trình di chuyển dịng chảy sau hấp thụ CO2 giải phóng khỏi dung dịch làm hàm lượng hòa tan giảm xuống Sau lấy mẫu mà chưa chuẩn độ CO bị giải phóng phần làm hàm lượng CO2 mẫu giảm, xác định hiệu suất khơng hồn tồn xác - Chuẩn độ xác định CO2 chưa xác dụng cụ thí nghiệm sai số trình thao tác - Sai số hệ thống: vật chêm bị bẩn, đường ống dẫn khí CO hở, máy nén khí hoạt động kém, ảnh hưởng đến tương tác pha Câu Hiện tượng ngập lụt gì? Xảy nào? Ảnh hưởng? Cách khắc phục? Hiện tượng ngập lụt tượng xảy dịng dung mơi khơng thắng trở lực dịng khí bơm từ lên, nên bị giữ lại đỉnh tháp hấp thụ Dấu hiệu nhận biết tượng ngập lụt xảy ra: Tại đỉnh tháp lượng khí sủi bọt mạnh Cột nước đáy tháp hạ xuống thấp Tại vị trí ống chữ U ta quan sát thấy độ chênh lệch áp suất lớn Ảnh hưởng tượng ngập lụt xảy ra: Ưu điểm: tăng hiệu suất trình hấp thụ Nhược điểm: Hệ thống hoạt động không ổn định Chênh lệch áp suất đỉnh tháp đáy tháp lớn khơng an tồn lúc vận hành Khắc phục: Tăng lưu lượng pha lỏng (dung mơi) giảm lưu lượng pha khí Để có hiệu suất tương đối cao ta cho máy vận hành chế độ ngập lụt đảm bảo máy hoạt động tốt, hệ thống hoạt động ổn định Câu Thay khơng khí khí trơ (N2, He, Ar, ) trình hấp thụ thế nào? Khi thay khơng khí khí trơ (N2, He, Ar, ) q trình hấp thụ tốt hơn, khí trơ khơng bị nước hấp thụ, đóng vai trị khí mang kéo dịng CO vào tháp Hơn nữa, khí trơ làm tăng áp suất dẫn đến động lực truyền khối tăng làm tăng khả hấp thụ CO2 vào nước mà không xuất phản ứng phụ hạn chế ảnh hưởng Trong cơng nghiệp, khí N2 trơ khơng khí việc điều chế khí N dẫn đến tốn kém kinh tế so với khơng khí có sẵn mơi trường Câu Trong thiết bị hấp thụ có vật chêm kích thước, giảm tăng kích thước chúng tùy ý được khơng Tại sao? Có thể thay đổi kích thước vật chêm kèm ảnh hưởng đến trình hấp thụ Do trình hấp thụ xảy bề mặt vật chêm nên diện tích bề mặt vật chêm lớn tốt, tức vật chêm có kích thước nhỏ thuận lợi cho trình hấp thụ Tuy nhiên, vật chêm nhỏ làm tăng trở lực dịng khí dể xảy tượng ngập lụt chất lỏng có độ nhớt cao Vì vậy, cần cân đối hai điều kiện Một giải pháp giải phần vấn đề ta sử dụng vật chêm có kích thước khác Câu Việc khơng khí có nhiều loại khí khác nhau, có khí CO2, ảnh hưởng đến q trình hấp thụ? Khơng khí có nhiều thành phần, với tỉ lệ khác nhau, khí CO Bài thí nghiệm này, hấp thụ CO2 vào nước, CO2 khơng khí ảnh hưởng khơng tốt đến trình hấp thụ, hiệu suất hấp thu kém đi, giảm hiệu hấp thu số liệu bị sai số nhiều Do thời gian thực thí nghiệm ngắn, lưu lượng khơng khí vào thiết bị thấp nên lượng CO2 khơng khí bỏ qua xem không ảnh hưởng lớn đến kết thí nghiệm Tuy nhiên, thực tế ứng với quy mơ cơng nghiệp lưu lượng khơng khí cần dùng lớn ảnh hưởng CO khơng khí đáng kể đến q trình hấp thụ Câu Trên phần thân thiết bị có cặp van khóa, chúng có ý nghĩa gì? Dùng để lấy mẫu mâm để kiểm tra trình hấp thụ Bên cạnh đó, tượng ngập lục xảy van có nhiệm vụ thơng áp suất, xả bớt dung mơi Ta thấy có hai van đối xứng để dự phịng trường hợp có van bị hỏng Câu Nhiệt hấp thụ gì? Ảnh hưởng nhiệt hấp thụ? Nhiệt hấp thụ nhiệt lượng tỏa hay thu vào trình hấp thụ chất khí vào chất lỏng Q trình hịa tan CO2 vào nước q trình tỏa nhiệt nên thực q trình hấp thụ có chênh lệch nhiệt độ từ thấp đến cao làm ảnh hưởng ngược trở lại khả hòa tan CO2 vào nước Do nhiệt độ tăng giá trị định luật Henry tăng, đường cân dịch chuyển trục tung Nếu nhiệt độ tăng lên động lực truyền khối giảm, tốc độ truyền khối giảm Tăng nhiệt độ lên giới hạn khơng động lực truyền khối giảm mà q trình khơng thực theo đường làm việc cho trước (hình bên dưới) Mặt khác nhiệt độ cao có ảnh hưởng tốt độ nhớt dung mơi giảm Biểu đồ thể ảnh hưởng nhiệt độ đến khả hấp thụ 10 Câu Tại phải dùng thiết bị trao đổi nhiệt? Do trình hấp thụ sinh nhiệt Nhiệt độ có ảnh hưởng đến hồ tan khí, nhiệt độ tăng hồ tan khí dung môi giảm, động lực truyền khối giảm Do dung môi nước không đủ thời gian tiếp xúc với để thực trình hấp thụ đạt hiệu quả, cần giải nhiệt sau hấp thụ để có hiệu suất q trình cao Ngồi ra, trường hợp hoàn lưu chất lỏng cần đưa điều kiện nhiệt độ thích hợp để khảo sát, tính tốn hấp thụ Câu lấy? Tại lấy sản phẩm chuẩn độ ta cho NaOH vào Do H2CO3 acid yếu nên bị phân hủy trở lại theo phương trình: Cho NaOH vào, NaOH giữ CO2 lại dung dịch, giảm tối đa lượng CO2 ngồi làm giảm hiệu suất phản ứng Câu 10 Vận hành thiết bị chế độ hiệu suất hấp thụ cao nhất? Tháp hoạt động chế độ ngập lụt hiệu suất trình hấp thụ cao Vì hoạt động chế độ ngập lụt, áp suất tháp tăng cao làm tăng động lực truyền khối Tuy nhiên, áp suất tháp tăng cao, địi hỏi thiết bị phải có độ bền, độ dày,… địi hỏi kỹ thuật gia cơng cao làm tăng chi phí thiết bị Vì vậy, thực tế người ta không vận hành chế độ ngập lụt mà thay vào thiết bị vận hành chế độ vận tốc đảo pha (hiệu suất xấp xỉ ngập lụt) Câu 11 Một số giải pháp nhằm tăng hiệu suất hấp thụ Thay đổi dung mơi có tính hấp thụ tốt hơn: thay nước nước vơi Thay đổi điều kiện vận hành cách: + Tăng áp suất điều kiện cho phép thiết bị; + Hạ thấp nhiệt độ dung môi trước đưa vào tháp; + Hạ nhiệt độ dòng hồn lưu 11 Tuy nhiên, hai thơng số nhiệt độ áp suất hai thông số phụ thuộc vào cần chọn điều kiện tối ưu cho q trình Câu 12 Tại sản phẩm khơng lấy trực tiếp mà phải thơng qua bình chứa khác? - Khi lấy sản phẩm trực tiếp đáy tháp làm cho áp suất khí đáy tháp giảm, lượng khí lên tháp giảm, hiệu suất sản phẩm thấp Khi sản phẩm không lấy trực tiếp mà phải thơng qua bình chứa, giúp ổn định áp suất đáy tháp nhờ việc đóng van trước bình chứa sản phẩm, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định chất lượng hiệu suất sản phẩm Câu 13 Chức ống dẫn đỉnh tháp? - Một đường ống van xả khí trực tiếp mơi trường Khí sau qua tháp hấp thu xả môi trường để giảm áp đỉnh tháp, tạo chênh lệch áp với đáy tháp lớn - Tuy nhiên, ống xả dùng trường hợp dịng khí khơng độc hại, khơng xảy tượng ngập lụt không cần thu hồi khí sau qua tháp hấp thu Một đường ống cịn lại dẫn khí theo ống nhựa xuống bình chứa đặt phía Trong trường hợp ngập lụt, nước dâng lên đến đỉnh tháp ống dẫn xuống thùng chứa - Ngoài ra, trường hợp khí độc hại (SO2, H2S …), khí sau hấp thụ ống dẫn xuống bể chứa bên để hấp thụ khí độc dung mơi thích hợp dẫn sang bình chứa khí Câu 14 Tại phải lấy sản phẩm van bên cạnh bình chứa mà khơng lấy van thiết bị chính? Để giảm tổn thất áp suất Câu 15 Có loại tháp hấp thụ? Tháp được sử dụng thí nghiệm tháp gì? Các loại tháp hấp thụ: Thiết bị hấp thụ kiểu màng chất lỏng Tháp hấp thụ loại đệm Tháp hấp thụ kiểu đĩa chụp Tháp phun 12 Tháp sử dụng thí nghiệm tháp đệm Ưu nhược điểm tháp chêm: Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản Diện tích tiếp xúc pha lớn Hệ số trở lực hệ thống thấp Hiệu suất trình hấp thu cao Nhược điểm: khó làm ướt vật chêm Vì chiều cao tháp lớn nên đưa dung môi vào đỉnh tháp khó khăn, tao vùng chết mà chất lỏng tới 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO Ðỗ Văn Ðài nhiều tác giả, 1975 Cơ sở Quá trình & Thiết bị CNHH Tập NXB Ðại học & THCN Hà Nội Ðỗ Văn Ðài tập thể tác giả, 1975 Cơ sở Quá trình & Thiết bị CNHH Tập NXB Ðại học & THCN Hà Nội Phan Văn Thơm, 2004 Sổ tay thiết kế thiết bị hóa chất chế biến thực phẩm đa dụng NXB Đại học Cần Thơ Vũ Bá Minh Võ Văn Bang, 1999 Quá trình & Thiết bị CNHH&TP- Tập 3: Truyền khối NXB ĐHQG TP.HCM 14 ... Nhiệt hấp thụ gì? Ảnh hưởng nhiệt hấp thụ? Nhiệt hấp thụ nhiệt lượng tỏa hay thu vào trình hấp thụ chất khí vào chất lỏng Q trình hịa tan CO2 vào nước q trình tỏa nhiệt nên thực q trình hấp thụ. .. suất Câu 15 Có loại tháp hấp thụ? Tháp được sử dụng thí nghiệm tháp gì? Các loại tháp hấp thụ: Thiết bị hấp thụ kiểu màng chất lỏng Tháp hấp thụ loại đệm Tháp hấp thụ kiểu đĩa chụp Tháp... xét hiệu suất hấp thụ Hiệu suất trình hấp thụ thấp Giải thích: - Tỉ lệ lưu lượng CO2 : khí trơ thấp (200 : 1000) nên hấp thụ - Sự tiếp xúc pha khí – lỏng chưa tốt Mặc dù tháp hấp thụ có sử dụng