Khái quát
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã góp phần làm cho kinh tế các nước trên thế giới phát triển và cùng nhau hòa nhập để phát triển các quốc gia trên thế giới. Với mục tiêu đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã vô tình lãng quên đi nhiệm vụ quan trọng nhất vẫn là bảo vệ bầu không khí Chính bởi sự đẩy mạnh khai thác các nguồn công nghệ hiện đại đã dẫn đến hậu quả luôn khiến mọi quốc gia trên thế giới cần phải cảnh giác - đó chính là vấn đề “Ô nhiễm môi trường” Ô nhiễm không khí có từ các công trình, hoạt cộng công nghiệp ở các quốc gia trên thế giới, trong những năm gần đây ô nhiễm không khí đang là vấn đề cần được quan tâm không chỉ của nhà nước mà còn là của toàn xã hội vì nó đã đến mức đỏ nguy cấp, đáng báo động.
Trong quy trình, quá trình sản xuất hoạt động thì khí thải từ các nhà máy, xưởng sản xuất khí đốt từ các loại chất thải có chứa rất nhiều các thành phần độc hại như khí CFCs, HCFCs, CO, H 2 S, HCL, SO 2 , HF, tro, bụi và nhiều loại khí thải khác Tuy nhiên các loại khí này gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe cũng như đời sống của con người, gây ô nhiễm bầu khí quyển, làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh vật nuôi, cây trồng Chính vì vậy việc trang bị một hệ thống xử lý khí thải là điều cần thiết để đảm bảo cho các lò đốt chất thải, các nhà xưởng sản xuất không gây ô nhiễm bầu không khí.
Hệ thống xử lý khí thải có thể sử dụng phương pháp hấp thụ Trong phương pháp hấp thụ có thể sử dụng chất hấp thụ tái sinh và chất hấp thụ không tái sinh Tuy nhiên, việc sử dụng chất hấp thụ tái sinh tiết kiệm được các hóa chất, đồng thời thu được các chất khí ô nhiễm dùng cho những công việc khác Thiết bị hấp thụ là thiết bị được thiết kế, chế tạo sao cho hiệu suất là cao nhất Thiết bị tháp xử lý khí thải đã được ứng dụng phổ biến trong các quy trình xử lý khí thải, có thể kể đến: tháp hấp thụ, tháp gia nhiệt Trong quá trình xử lý khí thải bằng phương pháp hấp thụ, nhiều loại tháp được ưa chuộng và mang lại hiệu quả tốt nhất – cho chỉ số chất lượng không khí sau xử lý chất thải đạt chuẩn Trong đó ta phải nói đến loại tháp đĩa, tháp đĩa ứng dụng nhiều trong công nghệ hóa học và thực phẩm Tháp đĩa có nhiều loại: tháp đĩa sủi bọt, tháp đĩa lỗ và nhiều phương pháp khác Để hiểu rõ hơn về quy trình xử lý khí thải bài báo cáo này sẽ giúp hiểu sâu hơn về loại tháp hấp thụ dạng đĩa
Mục tiêu nghiên cứu
Thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa
Tìm hiểu về khái niệm, cấu tạo, công dụng, nguyên lý hoạt động, các ưu nhược điểm và ứng dụng của thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa.
Kết cấu nội dung
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo bài tiểu luận gồm 3 phần nội dung chính:
Giới thiệu về thiết bị hấp thụ
Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ
Độ hòa tan của khí trong lỏng Độ hòa tan của khí trong lỏng là lượng khí hòa tan trong một đơn vị chất lỏng, được biểu thị bằng kg/kg; kg/m 3 ; g/l; lít khí hòa tan/lít chất lỏng. Độ hòa tan của khí trong lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và của chất lỏng,phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, áp suất riêng phần của khí trong hỗn hợp khí.Muốn tính toán được quá trình hấp thụ cần phải biết độ hòa tan của khí vào trong lỏng hay nói một cách khác là phải biết mối quan hệ phụ thuộc giữa nồng độ khí ở trong hỗn hợp khí và trong lỏng.
Khí hòa tan trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp hai cấu tử, có hai thành phần và hai pha Theo qui tắc Gibbs: C = 2 - 2 + 2 = 2, được coi như hỗn hợp lỏng có hai thành phần Cân bằng được xác định bởi áp suất, nhiệt độ và nồng độ Nếu nhiệt độ không đổi, thì độ hòa tan phụ thuộc vào áp suất Sự phụ thuộc này tuân theo định luật Henry-
Dalton: y*=m.x Đối với khí lý tưởng, m là hằng số, dùng để biểu diễn mối quan hệ y* = f(x) là đường thẳng Đối với khí thực, m phụ thuộc vào x, nên đường cân bằng là đường cong Hằng số cân bằng được tính m = ψ
Khi tính toán quá trình hấp thụ, người ta thường dùng nồng độ phần mol tương đối Y, X và y= Y
1+(1−m) X Như vậy, quan hệ cân bằng tính theo nồng độ phần mol tương đối luôn luôn là một đường cong
Phương trình đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ
Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ được lập trên cơ sở của lý thuyết hai lớp mảng Đó là lớp màng ngăn cách giữa pha lỏng và khí Qua lớp màng khí, khí trong hỗn hợp sẽ khuếch tán vào pha lỏng
Khi cân bằng vật liệu, thường người ta cho trước hỗn hợp khí, nồng độ đầu và nồng cuối của khí bị hấp thụ trong các pha
G y : Lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ, kmol/h
Y đ : nồng độ đầu của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ
Y c : nồng độ cuối của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ
G x : lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ, kmol/h
X đ : nồng độ đầu của dung môi, kmol/kmol dung môi
X c : nồng độ cuối của dung môi, kmol/dung môi
G tr : lượng khí trơ, kmol/h.
G tr : Lượng khí trơ, kmol/h
Lượng khí trơ được xác định theo công thức:
Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ:
Lượng dung môi cần thiết:
Lượng dung môi tối thiểu cần dùng cho quá trình hấp thụ được xác định khi mà nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, nghĩa là:
) xmin tr (X cb ,d −X d ) h với X cb,đ : nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí
Trong quá trình hấp thụ, lượng dung môi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường lớn hơn 20% Nếu tính lượng dung môi theo 1kg khí trơ, có lượng dung môi tiêu hao riêng: l= G x
Nếu biểu diễn phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kỳ, ta có:
Đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ Nếu biểu diễn trên đồ thị Y-X là đường thẳng có hệ số góc tgα = A, và cắt trục tung tại B. Ảnh hưởng của lượng dung môi đến quá trình hấp thụ Để xem xét vai trò của dung môi trong hấp thụ, ta dựa vào phương trình truyền chất chung và phương trình đường nồng độ làm việc
Theo phương trình chuyển khối chung:
G = k Y F ∆ Y tb Trong điều kiện nhất định G là lượng khí bị hấp thụ không đổi và hệ số truyền chất ky không đổi Do đó bề mặt tiếp xúc pha F chỉ được thay đổi tương ứng với sự thay đổi ∆Ytb sao cho tích số F×∆Ytb là không đổi Bề mặt F thay đổi, tức kích thước thiết bị thay đổi, lớn khi F tăng và nhỏ khi F giảm.
Khi Yđ, Yc và Xđ cố định, thì nồng cuối dung môi được quyết định theo động lực trung bình ∆Ytb , tức là điểm cuối của đường làm việc AB Điểm cuối của đường làm việc chỉ được dịch chuyển từ A đến A4 Đường làm việc BA4 cắt đường cân bằng, lúc này động lực trung bình nhỏ nhất Đường BA gần với trục tung, nên động lực trung bình là lớn nhất.
Hình 1.1: Mối quan hệ giữa Y-X
Vì F×∆Ytb không đổi nên ứng với đường BA4 cho F lớn nhất, và ứng với đường
Tương tự tại A4 ta có Xc lớn nhất và tại A có Xc bé nhất Dựa vào phương trình đường nồng độ làm việc ta cũng thấy tương ứng với với đường BA4 có A=tgα= G x
G tr bé nhất (có nghĩa là lượng dung môi bé nhất), còn ứng với với đường BA có
A=tgα= G x lớn nhất (có nghĩa là lượng dung môi lớn nhất, vì lượng Gtr không đổi)
Vì vậy, nếu chọn lượng dung môi ít nhất, ta thu được Xc lớn, nhưng thiết bị phải vô cùng cao; trái lại nếu chọn lượng dung môi lớn nhất, thì thiết bị bé, nhưng dung dịch thu được quá loãng (X C bé) Do đố khi chọn điều kiện làm việc ta phải dựa vào chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật
Nhiệt độ và áp suất là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng lên quá trình hấp thụ, mà chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình.
Hình 1.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ
Từ phương trình Henry ta thấy khi nhiệt độ tăng thì hệ số Henry tăng, đường cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục tung Vì vậy, nếu đường nồng độ làm việc AB không đổi thì động lực trung bình giảm, do đó cường độ truyền chất cũng giảm theo Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, ví dụ đến t 3 thì không những động lực trung bình giảm mà ngay cả quá trình cũng không thể thực hiện được (vì đường cân bằng và đường làm việc cắt nhau, nên không thể đạt được nồng độ cuối X c ) Đó là sự ảnh hưởng xấu của nhiệt độ. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt của dung dịch giảm (có lợi với trường hợp trở lực chủ yếu trong pha lỏng), vận tốc khí tăng, cường độ truyền chất cũng tăng theo. Đó là sự ảnh hưởng tốt của nhiệt độ.
Trong trường hợp tăng áp suất, ta thấy hệ số cân bằng m = ψ
P sẽ giảm, do đó dường cân bằng sẽ dịch chuyển dần về phía trục hoành, tức động lực trung bình sẽ tăng, quá trình truyền chất sẽ tốt hơn Nhưng sự tăng áp suất luôn luôn kèm theo sự tăng nhiệt độ, nên nó cũng gây ảnh hưởng xấu đến quá trình hấp thụ Mặt khác, tăng áp suất cũng gây khó khăn về mặt thiết bị Do vậy, chỉ sử dụng quá trình hấp thụ ở áp cao đối với những khí khó hòa tan, ví dụ hấp thụ CO 2 bằng nước tiến hành ở áp suất khoảng 17at, hoặc thu hồi CO ở áp suất 120at.
Thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa
Phân loại
Tháp đĩa có ống chảy chuyền: khí và lỏng chuyển động riêng biệt nhau từ đĩa này sang đĩa khác Các loại tháp thường gặp trong sản xuất là: tháp chóp, tháp đĩa lỗ, tháp xupap hay tháp đĩa rãnh chữ S.
Hình 2.1: Tháp đĩa có ống chảy chuyền
Tháp đĩa không có ống chảy chuyền: khí và lỏng cũng chảy 1 lỗ trên đĩa, do đó không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa như các loại tháp có ống chảy chuyền Có nhiều loại tháp đĩa không có ống chảy chuyền nhưng chủ yếu có 2 loại: đĩa lỗ và đĩa rãnh.
Cấu tạo
Tháp đĩa bao gồm một vỏ đứng hình trụ thẳng đứng, bên trong đó có các tấm ngăn (đĩa) cách nhau một khoảng nhất định Trên mỗi đĩa hai pha chuyển động ngược hoặc cheo chiều: lỏng đi từ trên xuống hoặc đi ngang; khí, hơi đi theo chiều từ dưới lên hoặc xuyên qua chất lỏng chảy ngang.
2.2.1 Tháp đĩa có ống chảy chuyền
Tháp đĩa có ống chảy chuyền bao gồm tháp đĩa, chóp, lỗ, xupap, lưới,… Trên đĩa có cấu tạo đặc biệt để lỏng đi từ đĩa trên xuống đĩa dưới theo đường riêng gọi là ống chảy chuyền, đĩa cuối cùng ống chảy chuyền ngập sâu trong khối chất lỏng đáy tháp tạo thành van thủy lực ngăn không cho khí ( hơi hay lỏng) đi theo ống lên đĩa trên.
Pha khí (hơi hay lỏng) xuyên qua các lỗ, khe chóp, khe lưới, hay khe xupap sục vào pha lỏng trên đĩa Để phân phối đều chất lỏng người ta dùng tấm ngăn điều chỉnh chiều cao mức chất lỏng trên đĩa.
Hình 2.3: Tháp đĩa có ống chảy chuyền Chú thích:
2 Bơm tuần hoàn/ bơm cấp 6 Ống cấp chấp lỏng/chất hấp thụ
3 Ống cấp khí thải 7 Bộ phận tách ẩm
4 Thân thiết bị 8 Đỉnh chóp
2.2.2 Tháp đĩa không có ống chảy chuyền
Tháp có cấu tạo hình trụ, bên trong đặt các đĩa cách nhau một khoảng cách nhất định Trong tháp, hai pha lỏng và khí chuyển động ngược chiều nhau: khí đi từ dưới lên, lỏng đi từ trên xuống Khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, trong tháp không có hiện thượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa. Đĩa được cấu tạo bởi các ngăn và tấm phẳng, trên đĩa có nhiều lỗ tròn được bố trí đều Lỗ có đường kính từ 2-8mm phụ thuộc vào chất lỏng Tiết diện tự do của đĩa được lấy bằng 10 – 30% diện tích đĩa, tùy thuộc vào chất lỏng sạch (10%) hay bẩn (30%).
Hình 2.4: Tháp đĩa không có ống chảy chuyền Chú thích:
2 Bơm tuần hoàn/ bơm cấp 6 Ống cấp chấp lỏng/chất hấp thụ
3 Ống cấp khí thải 7 Bộ phận tách ẩm
4 Thân thiết bị 8 Đỉnh chóp
Nguyên lý hoạt động của thiết bị hấp thụ loại đĩa
2.3.1 Đối với tháp đĩa có ống chảy chuyền
Sự chuyển động của chất lỏng từ đĩa này qua đĩa khác nhờ ống chảy chuyền, khí đi từ dưới lên qua ống hơi rồi xuyên qua các rãnh của chóp và sục vào lớp chất lỏng trên đĩa Hiệu quả của quá trình sục khí phụ thuộc nhiều vào vận tốc khí.
Nếu vận tốc khí bé thì khả năng sục khí kém, nhưng nếu vận tốc khí quá lớn sẽ làm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo Hiện tượng bắn chất lỏng tất nhiên còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác nữa như khoảng cách giữa các đĩa, khoảng cách giữa các chóp, khối lượng riêng, cấu tạo và kích thước của chóp và của ống chảy chuyền.
Chú thích: 1: ống chảy chuyền; 2: ống hơi; 3: đĩa; 4: tháp tròn
Tháp đĩa lưới (đĩa lỗ)
Tháp đĩa lưới hình trụ, bên trong có nhiều đĩa, có nhiều lỗ tròn, hoặc rãnh.
Chất lỏng chảy từ trên xuống qua các ống chảy chuyền.
Khi đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc rãnh trên đĩa.
Tổng tiết diện của lỗ hay rãnh chiếm từ 8 ÷ 15 % tiết diện tháp. Đường kính lỗ từ 3 ÷ 8 mm. Đĩa được lắp cân bằng, cũng có thể lắp đĩa xiên một góc với độ dốc 1/45 – 1/50. Đối với tháp quá lớn, có đường kính D > 2,4 m, loại đĩa lỗ ít được dùng, vì ở đường kính này chất lỏng không đều trên mặt đĩa.
Tùy thuộc vào vận tốc của dòng khí, trong tháp đĩa lưới có các chuyển động sau đây:
- Ở vận tốc khí bé, khí qua lỏng ở dạng từng bong bóng riêng lẻ, nên tháp làm việc ở chế độ sủi bong bóng Lúc này chất lỏng vừa đi qua ống chảy chuyền vừa cùng bọt qua lỗ đĩa.
- Nếu tăng vận tốc khí lên thì khí đi qua lỏng thành từng tia liên tục Khi đó tháp làm việc ở chế độ dòng, chất lỏng không lọt qua lỗ đĩa được Ở chế độ này tháp làm việc đều đặn
- Tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, tháp chuyển sang chế độ bọt, tức khí hòa tan với lỏng thành bọt Lúc này lớp chất lỏng trên đĩa không còn nữa, mà chỉ có bọt linh động và xoáy mạnh Vì vậy, ở chế độ này đĩa làm việc tốt nhất Nếu tiếp tục tăng vận tốc lên, trong tháp sẽ có hiện tượng bắn chất lỏng Đối với loại tháp này thường người ta cho tháp làm việc ở chế độ dòng hoặc bọt. Vận tốc làm việc của khí được xác định theo công thức: w=8,5.10 −5 √ ρ x − ρ y (m/s) ρ y
Trong đó, hệ số C được tính:
Với V x : lượng chất lỏng chảy qua 1m chiều dài ống chảy chuyền (m 3 /mh)
C 1 : hệ số được xác định qua đồ thi, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các đĩa.
Tùy thuộc vào tính chất của chất lỏng mà chọn đường kính của đĩa lỗ Đối với chất lỏng sạch, đường kính lỗ được chon từ 2 - 6 mm (thường chọn từ 4 - 5 mm) Đối với chất lỏng bẩn, đường kính từ 8 - 11 mm Bước của lỗ từ (2,5 – 6) đường kính lỗ, chiều dày của đĩa lấy từ (0,5 - 0,8) đường kính lỗ.
Hình 2.6: Tháp đĩa lưới Tháp đĩa xupap
Tháp đĩa xupap là đĩa có lỗ nâng hạ để điều chỉnh độ đóng mở của lỗ trên đĩa,nên nó có tính trung gian giữa đĩa chóp và lưới.
Hình 2.7: Tháp đĩa xupap Đĩa xupap được chia thành 2 dạng: bản chữ nhật và tròn
Xupap loại bản: có chiều rộng 25 mm, chiều dài 120 - 150 mm, đường kính lỗ đĩa 10 – 15 mm Xupap bản được nâng đều toàn bộ chỉ ở vận tốc cho phép (đủ lớn), còn ở vận tốc bé chỉ có đầu nhẹ được nâng lên.
Xupap tròn: có đường kính 50 mm, lỗ đĩa có đường kính 10 - 40 mm, độ dịch chuyển lên xuống là 7 mm Trong quá trình làm việc được nâng lên đều đặn, nhiều hay ít phụ thuộc vào vận tốc khí lớn hay nhỏ.
Xupap làm việc đều hay không tùy thuộc vào vận tốc của khí và lỏng.
Khi vận tốc bé thì xupap chỉ được nâng lên từng lúc một, khi qua lỏng ở dạng bong bóng.
Nếu tăng vận tốc lên, thì các xupap nhẹ làm việc, còn các xupap nặng hơn vẫn chưa làm việc cho đến khi vận tốc khí đủ lớn.
Nếu tiết diện tự do của đĩa căng lớn, xupap càng nặng, thì vận tốc cần thiết của khí để tháp làm việc đều đặn càng lớn.
Vận tốc làm việc của khí trong tháp: w 2 ρ y μ y 0.16 G x 0.25 y= gd td F td ρ x ( μ x ) x=¿ ( G y ) (
Với Gx, Gy: lưu lượng lỏng và khí (kg/h) ρ x , ρ y : khối lượng riêng của lỏng và khí (kg/m 3 ) μ n , μ y : độ nhớt của nước và lỏng (N.s/m 2 ) (nước lấy ở 20’C) w: vận tốc làm việc của khí trong tháp (m/s)
Tháp đĩa song hình chữ S
Loại này được sử dụng nhiều trong công nghệ hóa chất và dầu khí Đĩa gồm nhiều tấm uốn hình chữ S ghép liền nhau tạo thành chóp rãnh. Ở vận tốc khí nhỏ, chất lỏng chảy qua rãnh chiếm phần không gian của hơi, tháp làm việc kém ổn định.
Nếu tăng vận tốc khí quá lớn, thì chất lỏng bị chấn động, nên tháp làm việc cũng kém bền vững.
Nên tháp đĩa S chỉ làm việc ổn định ở giới hạn rất hẹp của vận tốc khí, lưu lượng lỏng càng lớn, khả năng kém bền vững càng cao.
Vận tốc khí được xác định theo công thức: w=8,5.10 −5 √ ρ x − ρ y (m/s) ρ y
Trong đó, hệ số C được tính:
Với V x : lượng chất lỏng chảy qua 1m chiều dài ống chảy chuyền (m 3 /mh)
C 1 : hệ số được xác định qua đồ thi, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các đĩa.
Hình 2.8: Tháp đĩa hình chữ S
2.3.2 Đối với tháp đĩa không có ống chảy chuyền
Khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa, vì vậy không có hiện tượng giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa như trong các tháp có ống chảy chuyền, và tất cả bề mặt đĩa đều làm việc, nên hiệu quả của đĩa cao hơn, nên những năm gần đây loại tháp này được sử dụng rộng rãi.
Tháp không có ống chảy chuyền có nhiều loại khác nhau.
Chế độ làm việc theo có 4 chế độ thủy động:
- Chế độ thấm ướt đĩa: ở chế độ này vận tốc khí bé, nên khí và lỏng không đi qua cùng một lỗ Vì vậy, chúng tiếp xúc nhau trên màng chất lỏng.
- Chế độ sủi bọt: khi tang vận tốc khí đến giới hạn nào đó, trên đĩa ngoài chất lỏng còn có bọt.
- Chế độ huyền phù: nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, thì chất lỏng trên đĩa không còn nữa mà chỉ còn bọt, lớp bọt xoáy mạnh.
- Chế độ sóng: vận tốc khí tăng lên giới hạn cao thì xuất hiện các tia khí, gây chấn động, trở lực của đĩa tăng nhanh Cuối chế độ này nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên sẽ có hiện tượng chất lỏng bị cuốn theo và không chảy xuống đĩa dưới được.
Trong thực tế, tháp làm việc tốt nhất ở chế độ sủi bọt và chế độ huyền phù.
Ứng dụng thực tiễn của thiết bị hấp thụ loại tháp đĩa
1 Giới thiệu về thiết bị hấp thụ 1.1 Hấp thụ là gì ?
Trong công nghiệp hóa chất có rất nhiều nguyên liệu dạng khí được dùng, cũng như nhiều sản phẩm thu được ở dạng khí Muốn tiếp tục gia công chế biến các hỗn hợp khí, ta phải tách chúng thành từng cấu tử riêng biệt Ví dụ sau khi khí hóa than ta thu được hỗn hợp khí gồm N 2 , H 2 , H 2 S, CO, CO 2 ,
Muốn sử dụng hỗn hợp khí này vào mục đích tổng hợp NH 3 để sản xuất ure, ta phải tách riêng từng cấu tử ra Hoặc quá trình hấp thụ tách butadien, acetylen trong phân đoạn hydrocacbon C 4 trong quá trình chế biến khí.
Có 3 phương pháp tách hỗn hợp khí:
Phương pháp hút được hiểu là sự tiếp nhận của chất này vào một chất khác qua bề mặt phân pha của chúng.
Phương pháp hóa lý tiến hành qua khí hóa lỏng (dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau).
Phương pháp hóa học (dựa vào phản ứng hóa học) sẽ được nghiên cứu ở phần sau.
Nếu dùng chất lỏng để hút thì ta gọi là hấp thụ, còn dùng chất rắn để hút thì gọi là hấp phụ.
Như vậy quá trình hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng Khí được hút gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (hay chất hấp thụ), khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.
Quá trình hấp thụ được dùng để:
- Thu hồi các cấu tử quý
- Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt
Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba bắt buộc phải tiến hành quá trình nhã để tách các cấu tử được hấp thụ ra khỏi dung môi và tái tạo lại dung môi Để thực hiện quá trình nhã có thể dùng các phương pháp như đun nóng hay tiến hành quá trình ở áp suất thấp.
Quá trình hấp thụ được thực hiện tốt hay xấu phần lớn do tính chất của dung môi quyết định Một dung môi tốt cho quá trình hấp thụ cần:
- Có tính hòa tan chọn lọc (có ái lực với khí cần hấp thụ), nghĩa là chỉ hòa tan với một cấu tử, còn các cấu tử khác không có khả năng hòa tan hoặc hòa tan ít
- Độ nhớt của dung môi phải bé, để giảm trở lực và tăng hệ số chuyển khối
- Nhiệt dung riêng bé, để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi
- Có nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan, để dễ dàng phân riêng chúng khi tách (chưng luyện chẳng hạn)
- Có nhiệt độ đóng rắn thấp, để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc, nghẽn thiết bị.
- Không tạo thành kết tủa khi hòa tan, để tắc thiết bị và dễ thu hồi
- Ít bay hơi để tránh tổn thất
- Rẻ tiền, không độc, không gây ăn mòn thiết bị
Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được các tiêu chuẩn đã nêu Vì vậy, khi chọn lựa dung môi cần phải dựa vào những điều kiện cụ thể của sản xuất, nhưng điều kiện thứ nhất không thể thiếu được.
1.2 Cơ sở vật lý của quá trình hấp thụ Độ hòa tan của khí trong lỏng Độ hòa tan của khí trong lỏng là lượng khí hòa tan trong một đơn vị chất lỏng, được biểu thị bằng kg/kg; kg/m 3 ; g/l; lít khí hòa tan/lít chất lỏng. Độ hòa tan của khí trong lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và của chất lỏng,phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, áp suất riêng phần của khí trong hỗn hợp khí.Muốn tính toán được quá trình hấp thụ cần phải biết độ hòa tan của khí vào trong lỏng hay nói một cách khác là phải biết mối quan hệ phụ thuộc giữa nồng độ khí ở trong hỗn hợp khí và trong lỏng.
Khí hòa tan trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp hai cấu tử, có hai thành phần và hai pha Theo qui tắc Gibbs: C = 2 - 2 + 2 = 2, được coi như hỗn hợp lỏng có hai thành phần Cân bằng được xác định bởi áp suất, nhiệt độ và nồng độ Nếu nhiệt độ không đổi, thì độ hòa tan phụ thuộc vào áp suất Sự phụ thuộc này tuân theo định luật Henry-
Dalton: y*=m.x Đối với khí lý tưởng, m là hằng số, dùng để biểu diễn mối quan hệ y* = f(x) là đường thẳng Đối với khí thực, m phụ thuộc vào x, nên đường cân bằng là đường cong Hằng số cân bằng được tính m = ψ
Khi tính toán quá trình hấp thụ, người ta thường dùng nồng độ phần mol tương đối Y, X và y= Y
1+(1−m) X Như vậy, quan hệ cân bằng tính theo nồng độ phần mol tương đối luôn luôn là một đường cong
Phương trình đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ
Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ được lập trên cơ sở của lý thuyết hai lớp mảng Đó là lớp màng ngăn cách giữa pha lỏng và khí Qua lớp màng khí, khí trong hỗn hợp sẽ khuếch tán vào pha lỏng
Khi cân bằng vật liệu, thường người ta cho trước hỗn hợp khí, nồng độ đầu và nồng cuối của khí bị hấp thụ trong các pha
G y : Lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ, kmol/h
Y đ : nồng độ đầu của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ
Y c : nồng độ cuối của hỗn hợp khí, kmol/kmol khí trơ
G x : lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ, kmol/h
X đ : nồng độ đầu của dung môi, kmol/kmol dung môi
X c : nồng độ cuối của dung môi, kmol/dung môi
G tr : lượng khí trơ, kmol/h.
G tr : Lượng khí trơ, kmol/h
Lượng khí trơ được xác định theo công thức:
Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ:
Lượng dung môi cần thiết:
Lượng dung môi tối thiểu cần dùng cho quá trình hấp thụ được xác định khi mà nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, nghĩa là:
) xmin tr (X cb ,d −X d ) h với X cb,đ : nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí
Trong quá trình hấp thụ, lượng dung môi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường lớn hơn 20% Nếu tính lượng dung môi theo 1kg khí trơ, có lượng dung môi tiêu hao riêng: l= G x
Nếu biểu diễn phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kỳ, ta có:
Đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ Nếu biểu diễn trên đồ thị Y-X là đường thẳng có hệ số góc tgα = A, và cắt trục tung tại B. Ảnh hưởng của lượng dung môi đến quá trình hấp thụ Để xem xét vai trò của dung môi trong hấp thụ, ta dựa vào phương trình truyền chất chung và phương trình đường nồng độ làm việc
Theo phương trình chuyển khối chung:
G = k Y F ∆ Y tb Trong điều kiện nhất định G là lượng khí bị hấp thụ không đổi và hệ số truyền chất ky không đổi Do đó bề mặt tiếp xúc pha F chỉ được thay đổi tương ứng với sự thay đổi ∆Ytb sao cho tích số F×∆Ytb là không đổi Bề mặt F thay đổi, tức kích thước thiết bị thay đổi, lớn khi F tăng và nhỏ khi F giảm.
