ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế tháp đệm hấp thu NH3 với năng suất 1000m3/h. doc

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ HÒA TAN CHẤT KHÍ TRONGPHA LỎNG Độ hoà tan của khí cân bằng trong chất lỏng là lượng khí hoà tan trong mộtđơn vị chất lỏng, độ hòa tan có thể biểu thị bằn

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

-ooOoo -ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế tháp đệm hấp thu

3 Các số liệu ban đầu

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày Tháng Năm 2011

Ký tên

NHẬN XÉT CỦA THẦY CÔ PHẢN BIỆN

Ngày Tháng Năm 2011

Ký tên

LỜI NÓI ĐẦU

Amoniac là một hóa chất dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khácnhau Sự phát xạ của không khí có chứa amoniac vào khí quyển mà không có biệnpháp xử lý, gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người và môi trường Một phương pháp có hiệu quả cao để xử lý amoniac từ khí thải là yêu cầucấp thiết Những nguồn thải ra khí amoniac bao gồm: quá trình sản xuất phân bón,quá trình điều chế than cốc sử dụng phương pháp khôi phục sản phẩm phụ, sự đốtcháy nguyên liệu hóa thạch, quá trình chăn nuôi và những hệ thống làm lạnh sửdụng amoniac như một môi chất lạnh….Người ta có thể kiểm soát được lượngamoniac ở những quá trình này bằng nhiều cách như: sử dụng tháp lọc khí ẩm, sửdụng phương pháp nước ngưng để loại bỏ khí, khôi phục và tái chế những dòngthải, những hệ thống thu nạp Trong đồ án này, em xin trình bày phương pháp

sử dụng tháp đệm để hấp thu NH3

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã được sự giúp đỡ tận tình của thầyHuỳnh Lê Huy Cường để giúp em hoàn thành đồ án này Tuy đã cố gắng hoànthành tốt đồ án của mình nhưng em vẫn còn nhiều thiếu sót trong quá trình thựchiện Mong thầy chỉ bảo thêm cho em

Em xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ NH3 1.1 Giới thiệu về NH 3

tế (theo IUPAC) là “Azane”, “Amoniac”, “Hydrogen nitride” và một số tên khác.Amoniac không màu, dạng khí có mùi cay nồng đặc trưng Nó nhẹ hơn không khí,mật độ của nó là 0,589 lần so với không khí Nó có thể dễ dàng hóa lỏng do sựliên kết mạnh mẽ giữa các phân tử hydro, nó có nhiệt độ sôi là –33,34°C và nhiệt

độ nóng chảy là –77,7°C Là phân tử có cực, amoniac là một chất khí khá nhẹ(d=0,596g/cm3), tan nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa tan được 1200l khí

NH3, ở 20°C là 700l khí NH3 Hiện tượng tan nhiều của NH3 ở trong nước đượcgiải thích bằng sự liên kết hydro giữa phân tử NH3 và phân tử H2O

mặt đất bằng cách phục vụ như là một tiền thân của thực phẩm và phân bón.Amoniac trực tiếp hay gián tiếp cũng là một khối xây dựng để tổng hợp nhiềudược phẩm

sôi ở –33,34°C (–28,012°F), chất lỏng phải được lưu trữ dưới áp lực cao hoặc ởnhiệt độ thấp

1.2 Phân loại

Amoniac có hai loại, loại 1 dùng cho các máy lạnh và loại 2 dùng làmnguyên liệu trong công nghiệp hóa chất Chúng có yêu cầu về chất lượng khácnhau:

Hàm lượng các chất Đơn vị Loại 1 Loại 2

99,9

0,110

99,6

0,435

Sắt – 2 Không quy định

1.3 Tính chất vật lý của amoniac

– NH3 tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có d < 1 (dung dịch

NH3 25% có d = 0,91g/cm3) Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH3 trongdung dịch bay hơi hết

Nhiệt độ tới hạn của amoniac rất cao 405,55°K nên amoniac dễ hóa lỏng.Amoniac hóa lỏng ở 239,75°K và hóa rắn ở 195°K Amoniac lỏng không màu, ởgần nhiệt độ sôi có hằng số điện môi  = 22 Amoniac lỏng là dung môi rất tốtcho nhiều muối vô cơ Các kim loại kiềm và kiềm thổ hòa tan trong amoniac lỏng.Amoniac lỏng có entapi bốc hơi lớn, vì vậy được dùng để nạp các máy lạnh

Phân tử NH3 có cấu tạo hình tháp tam giác với dN–H = 1,015

0

A và góc hóa trịHNH = 10703, tương ứng cấu hình electron như sau: s 2 x2 y 2z2

Do sự lai hóa sp3 của nguyên tử nitơ mà cặp electron hóa trị tự do (ở N) phân

bố trên 1 sp3 được định hướng rõ rệt trong không gian, vì vậy phân tử NH3 rất dễcho cặp electron đó tạo nên liên kết cho – nhận (liên kết phối trí) với các nguyên

tử khác và liên kết có độ phân cực lớn μNH 3=1,47D

.Cặp electron hóa trị tự do và tính phân cực của liên kết N–H tạo nên liên kếthidro giữa các phân tử NH3, vì vậy NH3 dễ bị nén, có nhiệt bay hơi cao và tannhiều trong nước Ở nhiệt độ thường chỉ cần áp suất 67 atm là có thể hóa lỏngnó

1.4 Tính chất hóa học của amoniac

Cũng do có cặp electron hóa trị tự do và ít bền mà NH3 có hoạt tính hóa họccao Nó có thể cho ba loại phản ứng: phản ứng cộng, phản ứng khử và phản ứngthế, trong đó đặc trưng hơn cả là phản ứng cộng

Amoniac bền ở nhiệt độ thường Khi đun nóng có xúc tác amoniac tự phânhủy theo chiều ngược lại của phương trình tổng hợp Phản ứng ở trạng thái cânbằng xác định

Amoniac bị phân hủy khi chiếu xạ bằng tia tử ngoại

Trong oxi nguyên chất, amoniac cháy với ngọn lửa vàng nhạt tạo thành N2 và

H2O Dưới áp suất lớn, hỗn hợp amoniac và oxi có thể nổ:

0

32NH + O N + 3H O ΔH = - 768,6kJ/molH = - 768,6kJ/mol

Amoniac cộng hợp được với rất nhiều chất: nước, axit, muối

dụng với nước theo sơ đồ sau:

NH3 + HOH → NH4 + OH

-Sự xuất hiện ion OH- tạo nên môi trường bazơ của dung dịch (nhưng là bazơyếu vì có hằng số điện li K = 1,8.10-5) Trong dung dịch amoniac luôn có một cânbằng kép:

Trong khi đó bản thân NH3 khan lại là một axit rất yếu, có thể mất 1 proton

H+ tạo thành anion amid NH2− Ví dụ cho liti nitrua vào NH3 lỏng người ta nhận được anion amid (NH2-):

Li3N(s) + 2 NH3 (l) → 3 Li+

(am) + 3 NH2−(am)

Hydro trong NH3 có thể bị các kim loại mạnh đẩy ra và thế chỗ để tạo ra cácnitrua như magie có thể cháy trong NH3 để tạo magie nitrua Mg3N2 Natri hoặckali kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH2, KNH2) khi tác dụng với NH3

hủy và ở 600°C nó phân hủy gần như hoàn toàn:

N3- có thể bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn của nitơ, đặc biệt là

dễ bị oxy hóa lên N0 (N2) và N2+ (NO)

Các chất oxy hóa như CuO, nước javen oxy hóa được NH3 thành N2:

3CuO + 2NH = 3Cu + 3H O + N 

Phản ứng này được dùng để khử sạch lớp oxit kim loại trên bề mặt kim loạikhi hàn.

Các nguyên tử hydro của amoniac có thể được thay thế bằng các nguyên tửkim loại Phản ứng giữa amoniac và kim loại hình thành các hợp chất amidua (

nhôm (Al), vàng (Au), bạc (Ag), thủy ngân (Hg) Vì vậy trong thực tế người takhuyến cáo không nên để hơi hoặc dung dịch amoniac tiếp xúc với các vật dụng

có chứa các kim loại hoặc hợp kim này Khi NH3 tiếp xúc lâu dài với một số kimloại (Au, Ag, Hg, Ge, Te, Sb…) thì có thể tạo ra các hợp chất kiểu fuminat dễ gây

nổ nguy hiểm

etylen oxit

1.5 Ứng dụng

trên toàn thế giới nhằm cung cấp đạm cho cây Vì vậy ngành công nghiệp sản xuấtphân bón dựa vào amoniac là một thành phần quan trọng của ngân sách thế giới

– Tiền thân để tổng hợp các hợp chất nitơ: Amoniac trực tiếp hoặc gián tiếp làtiền thân của các hợp chất chứa nitơ nhất Hầu như tất cả các hợp chất nitơ tổnghợp có nguồn gốc từ amoniac Một dẫn xuất quan trọng là acid nitric, acid nitricđược tạo ra thông qua quá trình Ostwald bởi quá trình oxy hóa của amoniac với

không khí trên một đĩa bạch kim có xúc tác ở 700 – 850°C, ~ 9 atm Nitric oxide

là một trung gian trong việc chuyển đổi này:

NH3 + 2O2 → HNO3 + H2Oaxit nitric được sử dụng để sản xuất phân bón, vật liệu nổ và các hợp chất nhiềuorganonitrogen

đích chung cho các bề mặt sạch hơn, như nó được sử dụng để làm sạch kính, sứ,thép không gỉ và nó cũng thường được sử dụng để làm sạch lò vì amoniac có khảnăng hòa tan kim loại oxit

công nghiệp lên men như là một nguồn cung cấp nitơ cho vi sinh vật cũng như đểđiều chỉnh pH trong quá trình lên men này

làm lạnh Amoniac khan được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện lạnh côngnghiệp

– Điều chế hidrazin N2H4 (chất đốt cho tên lửa)

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ HÒA TAN CHẤT KHÍ TRONG

PHA LỎNG

Độ hoà tan của khí cân bằng trong chất lỏng là lượng khí hoà tan trong mộtđơn vị chất lỏng, độ hòa tan có thể biểu thị bằng kg/kg, kg/m3, g/lít Độ hoà tancủa khí vào chất lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và chất lỏng, phụ thuộc vàonhiệt độ môi trường và áp suất riêng phần khí trong hỗn hợp

2.1 Hệ hai cấu tử

Nếu lượng khí đơn chất được cho tiếp xúc với một dung môi tương đốikhông bay hơi thì nồng độ chất khí hoà tan trong pha lỏng được gọi là độ hoà tantại nhiệt độ to và P đã cho

Hình 1: Đường cân bằng của độ hoà tan chất khí trong chất lỏng

Những chất khí và chất lỏng khác nhau sẽ cho đường độ hoà tan khác nhau

và được xác định bằng thực nghiệm cho mỗi hệ Nếu áp suất cân bằng của chấtkhí tại nồng độ cho trước là cao (ví dụ đường cong B trong hình 1) thì chất khítương đương không hoà tan trong chất lỏng và ngược lại, nếu áp suất cân bằngcủa chất khí tại nồng độ cho trước là thấp (đường cong C hình 1) thì chất khí có

độ hoà tan cao Dựa vào điều này, ta có thể tạo nên nồng độ khí trong lỏng như

mong muốn nếu tác động lên hệ một áp suất tương ứng Như vậy dạng khí hoálỏng sẽ hoà tan hoàn toàn vào lỏng.

Thông thường, sự hoà tan khí trong lỏng sẽ phát nhiệt và độ hoàn tan của khítrong lỏng sẻ giảm khi nhiệt độ tăng Đường cong A và E trên hình 1 cho thấy độhoà tan NH3 ở 300C và 100C tại nhiệt độ sôi của dung môi, độ hoà tan của chất khí

sẽ bằng không

2.2.Hệ nhiều cấu tử

Nếu một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng tại điều kiện xác định,

độ hoà tan cân bằng của mỗi chất khí sẽ độc lập với các chất khí còn lại và đượcbiểu diễn theo áp suất riêng phần của hổn hợp chất khí Nếu trong hỗn hợp khí cómột cấu tử khí hoà tan vào lỏng thì ta áp dụng như trường hợp ở trên Trongtrường hợp có nhiều cấu tử hoà tan vào chất lỏng, dung dịch được xem là lí tưởngkhi các cấu tử hoà tan có cùng bản chất với chất lỏng, (ví dụ như hỗn hợp propan

và butan cùng hoà tan vào dầu Parafin không bay hơi) Ngoài ra độ hoà tan củachất khí còn chịu ảnh hưởng bởi sự hiện diện của một dung chất không bay hơitrong chất lỏng

Khi pha lỏng được xem là lí tưởng ta có thể tính được áp suất riêng phần cânbằng của chất khí trong dung dịch chất lỏng Hỗn hợp khí lý tưởng cân bằng vớidung dịch lý tưởng thì thành phần của chất hấp thụ trong pha khí hoặc pha lỏngliên hệ với nhau theo định luật Raoul tại một nhiệt độ xác định:

P* = P.xVới:

P*: là áp suất riêng phần của chất hấp thụ trong pha khí cân bằng với phalỏng, mmHg hoặc at

x: nồng độ phần mol của chất hấp thụ trong pha lỏng

P: là áp suất hơi của chất hấp thụ mmHg hoặc at

2.4.Dung dịch lỏng không lý tưởng

NH3 hoà tan vào nước được tính theo định luật Raoult ở 10oC không khớp số liệuthực nghiệm Trong trường hợp này phương trình đường thẳng tuân theo định luậtHenry:

y* = P*/P = m.xVới: m là hằng số cho mỗi khí

Tuy nhiên định luật Henry không đúng cho một khoảng rộng nồng độ Vớichất khí ít hoà tan trong nước như Nitro, Oxy… Định luật Henry đúng tới áp suấtriêng phần cân bằng 1at, với các chất khí dạng hơi (dưới nhiệt độ tới hạn) sẽ đúngtới áp suất riêng phần bằng 50% áp suất hơi bão hoà tại nhiệt độ cho trước Trongtrường hợp bất kỳ m được xác định bằng thực nghiệm

Bảng 1: Áp suất hơi của một số chất khí trong dung dịch với nước P.10 6 mmHg

Nhiệt độ

25 1.01 54.7 0.056 1.24 0.454 53.7 33.3 44

CHƯƠNG III: TỔNG QUÁT VỀ THÁP HẤP THU DẠNG ĐỆM

3.1 Định nghĩa hấp thu

Trong quá trình sản xuất hóa học thường chúng ta thu được hỗn hợp khínhiều cấu tử, muốn tiếp tục gia công chế biến chúng ta phải tách chúng ta thànhtừng cấu tử

Ví dụ: như sau khi hóa than ta thu được hỗn hợp khí các chất N2, H2, H2S,

(Ure) ta phải tách chúng ra

Có nhiều phương pháp để tách hỗn hợp khí thành cấu tử

lỏng gọi là quá trình hấp thu, nếu dùng chất rắn gọi là quá trình hấp phụ

Như vậy hấp thu là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất

bị hấp thu, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (còn gọi là chất hấp thu), khíkhông bị hấp thu gọi là khí trơ Quá trình như vậy cần sự truyền vật chất từ phakhí vào pha lỏng Nếu quá trình xảy tra theo chiều ngược lại, nghĩa là từ pha lỏngvào pha khí ta có quá trình nhả

Ví dụ: hỗn hợp lỏng gồm dung môi và benzen, toluen sẽ đi vào pha khí vàđược mang đi, dung môi ban đầu được dùng lại Nguyên lý của hai quá trình hấpthu và nhả khí về cơ bản là giống nhau

+ Hấp thu hóa học: giữa chất bị hấp thu và chất hấp thu hoặc cấu tử trong phalỏng xảy ra phản ứng hóa học.

3.3 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 dungmôi) 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 ảnhhưởng quan trọng lên quá trình hấp thụ Cụ thể là chúng có ảnh hưởng lên trạngthái cân bằng và động lực quá trình

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 nếunhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm Nếu nhiệt độ tăng quá cao thìkhông những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình sẽ không thực hiệnđược theo đường làm việc P, G cho trước Mặc dù vậy, nhiệt độ cao cũng ảnhhưởng tốt vì độ nhớt của dung môi giảm, có lợi đối với trường hợp trở lựckhuyếch 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 đóđường cân bằng sẽ gần về trục hoành (hình 4) Như vậy nếu tăng P thì quá tìnhtruyền khối sẽ tốt hơn vì động học quá trình lớn hơn Nhưng quá trình tăng áp dẫnđến 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 khóhoà tan

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

3.4 Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu

Một số ký hiệu thông dụng:

Cách biểu diễn thành phần pha:

¯

G i G

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

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 hay Ycb= m X

Ở đây:

m=ψ / P : gọi là hằng số cân bằng.

ψ : 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:

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

R tr= 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:

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 môithực 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:

3.5 Ứng dụng của quá trình hấp thu

Quá trình hấp thu đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nóđược dùng để:

3.6 Lựa chọn dung môi

Nếu mục đích chính của quá trình hấp thu là để tạo nên một dung dịch sảnphẩm xác định (ví dụ như sản xuất dung dịch axit clohydric) thì dung môi đã đượcxác định bởi bản chất của sản phẩm Nếu mục đích của quá trình hấp thu là táchcác cấu tử của hỗn hợp khí thì khi đó ta có thể lựa chọn một dung môi tốt dựa trênnhững tính chất sau:

+ Độ hòa tan chọn lọc: Đây là tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chất chỉhòa tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp khí mà không hòa tan các cấu tử cònlại hoặc hòa tan không đáng kể Đây là tính chất chủ yếu của dung môi Tổngquát, dung môi và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tăng độ hòa tan lênrất nhiều, nhưng nếu dung môi được thu hồi để dùng lại thì phản ứng phải có tínhhoàn nguyên

+ Độ bay hơi tương đối: Dung môi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau quátrình hấp thu sẽ bão hòa hơi dung môi do đó dung môi bị mất.

chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền

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 khihoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làmtắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc

Trong thực tế không có một dung môi nào cùng lúc đáp ứng được tất cả cáctính chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thực hiệnquá trình hấp thu Dù sao tính chất thứ nhất của dung môi cũng không thể thiếuđược trong bất cứ trường hợp nào

3.7 Tháp hấp thu

Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quátrình hấp thu Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, nếu phalỏng 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 phaphải lớn, hiệu quả và có khả năng cho khí xuyên qua, trở lực thấp (< 3000Pa), kếtcấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, ít bị tắc nghẽn bởi cặn sinh

ra trong quá trình hấp thụ

3.7.1 Thiết bị loại đĩa (tháp mâm):

Bên cạnh tháp đệm, tháp đệm cũng được ứng dụng rất nhiều trong công nghệhoá học Trong tháp đĩa khí phân tán qua các lớp chất lỏng chuyển động chậm từ

Chia tháp đĩa (mâm) ra làm hai loại có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyểnđộng riêng biệt từ đĩa nọ sang đĩa kia và không có ống chảy chuyền, khí và lỏngchuyển 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.…

sử dụng, đó là hiệu suất hấp thụ thấp khi chiều cao lớn, khó phân bố đều trongống khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống, vì vậy nên lưu lượng vào tháp hấpthu không thể lớn như các thiết bị khác và hiệu quả kinh tế không cao

3.7.4 Tháp đệm

3.7.4.1 Khái niệm

Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bíchhay hàn Trong tháp người ta đổ đầy đệm theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiênhay xếp thứ tự Tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trong kỹ nghệ hóa học để hấpthu, chưng cất, làm lạnh Người ta dùng nhiều loại đệm khác nhau, phổ biến nhất

là loại đệm sau đây:

Pha khí ra

Bộ phân phối lỏng Lưới đở đệm

Vỏ thiết bị Đệm xếp ngẫu nhiên

Bộ phân phối chất

lỏng

Lưới đở đệm

Pha lỏng ra Pha khí vào Pha lỏng vào

THÁP HẤP THỤ LOẠI THÁP ĐỆM

Hình 5: Tháp đệm

3.7.4.2 Vật chêm

Hình 6: Vật chêm ngẫu nhiên

Hình 8: Lưới đỡ đệm

Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loạichêm sau:

chiều cao (kích thước từ 10 – 100mm)

+ Vật chêm vòng xoắn: đường kính dây từ 0,3 – 1mm, đường kính xoắnkhoảng 3 – 8mm và chiều dài nhỏ hơn 25mm

* Yêu cầu chung của các loại vật chêm:

+ Bề mặt riêng lớn, bề mặt trong một đơn vị thể tích bằng m2/m3 Kí hiệu là + Thể tích tự do lớn, kí hiệu là Vtd Tính bằng m2/m3

+ Bền hóa học.

Trong thực tế không có loại đệm nào có thể đạt tất cả các loại yêu cầu trên

Vì thế tùy theo điều kiện cụ thể mà ta chọn đệm cho thích hợp

Bảng 2: Bảng số liệu cho một số loại vật chêm

Dạng vật

chêm

Kích thước mm

Nói chung khi cần độ phân tách cao thì người ta chọn các loại đệm có kíchthước bé vì rằng kích thước đệm càng bé thì bề mặt riêng của đệm càng lớn, sựtiếp xúc giữa các pha càng tốt.

3.7.4.3 Ưu – nhược điểm của tháp đệm

Tháp đệm có những ưu điểm sau:

Nhưng tháp đệm có nhược điểm quan trọng là khó làm ướt nhiều đệm Nếutháp cao quá thì phân phối chất lỏng không đều Để khắc phục nhược điểm đó,nếu tháp cao quá thì người ta chia đệm ra nhiều tầng và có đặt thêm bộ phận phânphối chất lỏng đối với mỗi tầng đệm

3.7.4.4 Chế độ làm việc của tháp đệm

Sự chuyển động của lưu chất qua tháp đệm:

Trong tháp đệm chất lỏng chảy từ trên xuống theo bề mặt đệm và khí đi từdưới lên phân tán đều trong chất lỏng

Hình 9: Sự phân phối chất lỏng.

Trên cơ sở phân tích và giải các phương trình khuyếch tán phân tử và đối lưutheo Capharop, thì quá trình truyền khối trong tháp đệm không chỉ được xác địnhbằng khuyếch tán phân tử mà còn phụ thuộc nhiều vào chế độ thuỷ động trongtháp

Cũng như khi lưu chất chuyển động theo ống tuỳ theo vận tốc của khí màtrong tháp đệm cũng có 3 chế độ thuỷ động là: chế độ dòng, chế độ chảy quá độ

và chế độ chảy xoáy

Khi vận tốc khí bé lực hút phân tử lớn hơn và vượt lực lý, lúc này quá trìnhtruyền khối được quyết định bằng khuyếch tán phân tử Khi tăng vận tốc thì lực lýtrở nên cân bằng với lực hút phân tử, quá trình truyền khối không chỉ đượckhuyếch tán phân tử mà còn khuyếch tán đối lưu

Chế độ làm việc của tháp đệm phụ thuộc vào độ giảm áp của pha khí theosuất lượng pha lỏng như hình 10

Hình 10: Độ giảm của pha khí trong tháp chêm ngẫu nhiên, hai pha lỏng khí

chuyển động ngược chiều.

Với vận tốc pha khí cố định, độ giảm áp của pha khí tăng theo suất lượngpha lỏng do pha lỏng đã chiếm các khoảng trống trong tháp đệm Trên hình 10vùng dưới điểm A lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp là không đổi theo tốc độkhí Mặc dù lượng pha lỏng này tăng theo suất lượng pha lỏng Trong vùng trong

A và B, lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp tăng nhanh theo tốc độ khí, các chỗtrống trong tháp nhỏ dần và độ giảm áp pha khí tăng nhanh Vùng này được gọi làvùng gia trọng Khi tốc độ tăng đến điểm B tại 1 mất lượng pha lỏng không đổi thì

có thể xảy ra: pha khí sủi bọt qua lớp chất lỏng tại bề mặt chêm, xảy ra hiện tượngđảo pha từ pha khí (liên tục) – pha lỏng (pha phân tán) thành pha khí (phân tán) –pha lỏng (liên tục); dòng bọt khí nổi nhanh lên qua tháp chêm Cùng lúc đó phakhí lôi cuốn chất lỏng tăng mạnh và tháp ở trạng thái ngập lụt Độ giảm áp củapha khí tăng nhanh Sự biến đổi các điều kiện trong cùng A đến B trên là dần dần,điểm ngập lụt thường được xác định bằng sự thay đổi hệ số góc của đường biểudiễn Mặc dù theo thực nghiệm thì quá trình truyền khối trong giai đoạn sủi bọt làmạnh nhất nhưng vì trong giai đoạn đó khó khống chế quá trình nên từ trước đến

nay người ta vẫn cho tháp làm việc trong vùng gia trọng ở chế độ màng, gần điểmngập lụt.

Độ giảm áp của pha khí qua tháp chêm khô:

Độ giảm áp của pha khí qua tháp khi không có pha lỏng chảy qua được xácđịnh theo phương trình Ergun:

k

p

 : độ giảm áp của pha khí qua tháp đệm khô N/m2

z: chiều cao phần chứa vật đệm m

dtd: đường kính tương đương của vật chêm (m)

G

 : khối lượng riêng của pha khí (kg/m3)

σ: diện tích bề mặt riêng của vật chêm m2/m3

G: Suất lượng biểu kiến của pha khí qua 1 đơn vị tiết diện tháp kg/m2.s

Độ giảm áp của pha khí qua tháp chêm ướt:

Khi có pha lỏng chảy xuống do giảm áp của pha khí sẻ tăng lên theo hệ số :

P A P