Chuong 2 hapthu 1

Microsoft Word Chuong 2 Hapthu 1 doc DuMyLe Baøi giaûng Quaù trình Hoùa hoïc & Hoùa lyù trong XLMT Chöông 2 Chöông 2 1 Chöông 2 QUAÙ TRÌNH HAÁP THUÏ Absorption Process 2 1 GIÔÙI THIEÄU QUAÙ TRÌNH HAÁP[.]

DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Chương QUÁ TRÌNH HẤP THỤ Absorption Process 2.1 GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH HẤP THỤ Hấp thụ trình lôi khí hỗn hợp khí chất lỏng (chất hấp thu - absorbentï) Cấu tử tách từ hỗn hợp gọi cấu tử mục tiêu hay cấu tử (absorbed component) Quá trình hấp thụ phân làm loại chính: • Hấp thụ vật lý (Physical Absorption): Đây trình hấp thụ đơn giản, chất hấp thụ không tương tác hóa học với chất hấp thụ • Hấp thụ hóa học (Chemical Absorption): chất hấp thụ chất hấp thụ xảy phản ứng hóa học tạo thành hợp chất hóa học khác Đối với lónh vực xử lý môi trường, trình ứng dụng nhiều xử lý khí thải Do độ hòa tan khí chất lỏng khác nên tiến hành hấp thụ chọn lọc cấu tử hỗn hợp khí, phương pháp áp dụng rộng rãi tiến hành trình công nghệ Sự tách khí hòa tan từ chất hấp thụ, nghóa trình ngược lại hấp thụ gọi nhả hấp, mô tả quy luật hoàn toàn tương tự trình hấp thụ Quá trình ứng dụng xử lý nước thải cần xử lý nước bị ô nhiễm khí hoà tan… Quá trình hấp thụ ứng dụng rộng rãi kỹ thuật để thu hồi cấu tử có giá trị từ hỗn hợp khí để xử lý tạp chất độc hại Điều cần lưu ý trình hấp thụ, đặc biệt trình hấp thụ hoá học, thường phát sinh nhiệt, điều làm điều kiện cân hệ thống thay đổi 2.1.1 Cơ chế trình hấp thụ Đa số hệ hấp thụ xây dựng sở Lý thuyết hai lớp phim (The two-film theory) giải thích chương môn học Lý thuyết hai lớp phim mô tả trình truyền khối chủ yếu diễn hai pha theo hướng dòng chảy Khi vật chất di chuyển qua bề mặt phân chia hai pha, độ thay đổi nồng độ không đáng kể Tuy nhiên, trở lực trình truyền khối chủ yếu tập trung lớp phim có độ dày mỏng Quy luật trao đổi vật chất bên lớp phim với dòng chảy tầng (Laminar sub-layer) mô tả cụ thể theo định luật Fick Các hình bên mô tả thay đổi nồng độ cấu tử hai pha trình hấp thụ vật lý trình hấp thụ hoá học sở lý thuyết hai lớp phim Chương DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Interface: Bề mặt phân chia pha Gas film: lớp phim khí Gas film boundary: Ranh giới lớp phim khí Liquid film: lớp phim lỏng Liquid film boundary: Ranh giới lớp phim lỏng Main bulk of gas: Pha khí theo dòng chảy Main bulk of liqid:Pha lỏng theo dòng chảy Partial pressure PA áp suất riêng phân cấu tử A pha khí Trường hợp hấp thụ vật lý Molar concentration CA: nồng độ cấu tử A pha lỏng Trường hợp hấp thụ hoá học 2.1.1 Lựa chọn chất hấp thụ Có nhiều cách để lựa chọn chất làm chất hấp thụ Thông thường, chất hấp thụ chọn cho suất lượng pha lỏng nhỏ Một số đặc tính quan trọng cần lưu ý lưạ chọn chất hấp thụ: • Có tính chọn lọc cao • Tính độc hại chất hấp thụ • Đặc tính cháy nổ, nguy hiểm cháy nổ Chương 2 DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương • Tính khó bay • Có sẵn thị trường Nếu trình thiết kế có lưu ý đến mục đích thu hồi cấu tử hấp thụ phương pháp nhả hấp chất hấp thụ chọn tiêu chí phải không tạo liên kết bền với chất cấu tử 2.2 TĨNH HỌC QUÁ TRÌNH HẤP THỤ Trong trường hợp tương tác chất lỏng với pha khí có cấu tử, bao gồm chất hấp thụ A, chất trơ B, số pha F = 2, số cấu tử K = số yếu tố bên ảnh hưởng đến cân hấp thu n = (nhiệt độ áp suất) Theo định luật pha, số bậc tự do: C = K – F + n = – + = Điều nghóa hệ nhiệt đọâ áp suất cho trước trạng thái cân giá trị nồng độ cấu tử phân tán pha tương ứng nồng độ pha khác Mối liên hệ mô tả định luật Henri Phương trình Henri có nhiều dạng phụ thuộc đơn vị nồng độ Nếu nồng độ biểu diễn phần khối lượng thì: Ycb = MA H X MB P MA ⎛ H⎞ + X ⎜1 − ⎟ P⎠ MC ⎝ (2.1) Trong đó: MA, MB, MC: khối lượng phân tử cấu tử phân tán, chất trơ pha lỏng pha khí P: áp suất chung pha khí H: số Henri Từ hệ số Henri ta xác định hệ số phân phối pha (m) Khi đó, đường cân hệ đường thẳng qua góc tọa độ (đúng trường hợp nồng độ nhỏ) 2.3 HIỆU ỨNG NHIỆT TRONG QUÁ TRÌNH HẤP THỤ Do dịch chuyển phân tử khí vào chất lỏng, lượng tự cấu tử giảm nên trình hấp thu kèm theo tỏa nhiệt Khi đó, thể tích hệ hấp thụ giảm Theo nguyên lý Le Chartelier, hòa tan khí vào chất lỏng tăng áp suất tăng giảm nhiệt độ tăng Trong thực tế, theo chế độ nhiệt, trình hấp thu chia làm hấp thu đẳng nhiệt hấp thụ không đẳng nhiệt Chương DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Quá trình hấp thu đẳng nhiệt diễn với nồng độ chất hấp thụ nhỏ trình giải nhiệt nhờ thiết bị truyền nhiệt đặc biệt Trong trình này, số Henri không thay đổi Ngược lai, trình hấp thu không đẳng nhiệt, nhiệt độ chất hấp thụ tăng theo thời gian ảnh hưỡng xấu đến điều kiện cân hệ, số Henri thay đổi phụ thuộc vào lượng chất hấp thu phụ thuộc nồng độ pha lỏng ( ) H= f X Dạng hàm xác lập từ phương trình cân nhiệt lượng Nếu cho chất lỏng hấp thu toàn lượng, ta có: L.c.t d + Qht = L.c.t c Trong đó: C: nhiệt dung riêng chất hấp thụ J/(kg.K) tđ, tc _ nhiệt độ đầu vào cuối chất lỏng, 0C Qht _ Nhiệt lượng sinh hấp thụ, W L _ lưu lượng pha lỏng trơ, kg/s Lượng nhiệt phát sinh trình hấp thụ xác định qua công thức: Qht = q.M Với q _ hiệu ứng nhiệt trình, nhiệt lượng hấp thụ J/kg M _ khối lượng chất hấp thụ hấp thụ vào pha lỏng, kg/s ( M = L X d − X c ) X d , X c _ nồng độ ban đầu cuối cấu tử phân tán pha lỏng Do đó: ( ) L.c.t d + L.q X c − X d = L.c.tc tc = ( ) q X c − X d + td c Đối với tiết diện thiết bị: t= q ( X − X d ) + t d c Đường cân xác định nhờ phương trình Henri với số Henri xác định theo giá trị X nhiệt độ pha lỏng Chương DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Khi hấp thụ với nồng độ pha khí cao hấp thụ khí dễ hoà tan nhiệt sinh lớn nên nhiệt độ chất lỏng tăng lên đáng kể Trong phân tích tính toán trình, người ta sử dụng khái niệm nhiệt lượng hòa tan tích phân qtp vi phân qvp Nhiệt hòa tan tích phân nhiệt lượng sinh hình thành dung dịch với nồng độ X từ cấu tử khí A chất lỏng hấp thụ Kmol dung dịch Kmol chất lỏng chứa cấu tử A Tuy nhiên, trình tính toán kỹ thuật thường sử dụng khái niệm nhiệt hòa tan vi phân nhiều Đây lượng nhiệt sinh hấp thu Kmol cấu tử phân tán lượng vô lớn dung dịch có nồng độ X Nhiệt hấp thu vi phân tích phân liên hệ bở phương trình: qvp = qtp + (1 − X ) d qtp dX Nhiệt hòa tan phụ thuộc nhiệt độ chất lỏng (tl): ( ) qtp = qtp + (C − C B ).tl + C A/ −C B tl dC ⎤ ⎡ qvp = qvp0 + ⎢C A/ − C − (1 − X ) .tl ⎥ dX ⎦ ⎣ qtp , qvp _ nhiệt hòa tan tích phân vi phân nhiệt độ 00C (1730K) C _ nhiệt dung riêng dung dịch CA, CA/ _ nhiệt dung riêng cấu tử phân tán trạng thái lỏng khí Chương DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương Nhiệt hấp thụ vi phân qvp liên quan với hệ số phân phối pha m công thức: d (ln m ) qvp = dT R.T Nhiệt độ chất hấp thụ tăng làm giảm độ hòa tan cấu tử phân tán chất lỏng, nghóa làm thay đổi điều kiện cân bằng, số Henri tăng Trên sở này, ta có phương án tiến hành trình hấp thu: Đẳng nhiệt Đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường ngoài, không giải nhiệt sinh ra) Hấp thu đẳng nhiệt tiến hành với giải nhiệt pha lỏng nhờ thiết bị làm nguội, lắp đặt trực tiếp bề mặt tiếp xúc pha cách lấy chất lỏng thiết bị, làm nguội tuần hoàn trở lại Hấp thu đoạn nhiệt thực khí dễ hòa tan, nghóa khí có số Henri nhỏ (khoảng 103 mmHg), lúc vấn đề tónh học không định trình Năng lượng sinh hấp thụ tiêu hao chủ yếu cho bay chất lỏng nên mặt ổn định nhiệt trình, mặt khác ổn định nồng độ dung dịch tạo thành Ví dụ hấp thu kg HCl dung dịch HCl nồng độ 0,28 phần khối lượng nhiệt độ 850C sinh lượng 1,5MJ/Kg đủ để bay 0,67 kg H2O điều kiện Để tăng nhiệt độ trình lượng lỏng bay người ta nung dòng khí vào tháp đến hiêt độ 70 – 1000C Hấp thụ nóng (đoạn nhiệt) ứng dụng sản xuất axit HCL để thu sản phẩm HCl 31 – 33 % khối lượng 2.4 KẾT CẤU THIẾT BỊ HẤP THỤ Tùy theo mục đích thiết kế, có nhiều cách phân loại thiết bị hấp thụ Phụ thuộc vào cách tổ chức bề mặt tiếp xúc pha, thiết bị hấp thụ phân làm loại (tương tự cách phân loại thiết bị truyền khối nói chung đề cập Chương 1) : _ Thiết bị bề mặt chảy màng _ Thiết bị đệm _ Thiết bị sủi bọt _ Thiết bị phun Thiết bị hoạt động bề mặt có bề mặt tiếp xúc pha không lớn, xác định tiết diện ngang thiết bị Chất hấp thụ chuyển động dạng màng theo đáy phẳng, pha khí ngược dòng màng lỏng Đôi không gian khí có lắp vách ngăn để ép khí sát chất lỏng tạo điều kiện tiếp xúc tốt Các thiết bị đại dạng thiết bị hấp thu dạng ống Chương DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương tưới ng tưới chế tạo sứ Thiết bị dạng áp dụng sản xuất nhỏ để hấp thu khí dễ hòa tan Bởi trình hấp thụ tỏa nhiệt, làm tăng nhiệt độ ảnh hưởng xấu đến điều kiện cân hệ, giảm động lực trình, nên thiết bị có kết cấu đồng dạng trang bị thiết bị truyền nhiệt để làm nguội chất lỏng Cường độ hoạt động thiết bị hấp thụ màng bề mặt thường không định vận tốc truyền khối mà vận tốc giải nhiệt sinh hấp thụ Trong thiết bị hấp thụ dạng màng, bề mặt tiếp xúc pha tạo thành màng chất hấp thụ, chảy theo bề mặt ống thẳng đứng Thiết bị hấp thu dạng ống chảy màng: thiết bị truyền nhiệt vỏ ống thẳng đứng, khí chuyển động từ lên, tiếp xúc vớichất lỏng chảy từ xuống theo vách ống Như vậy, bề mặt tiếp xúc pha bề mặt ống đạt giá trị cao Nước làm nguội cho vào không gian ống Thiết bị hấp thụ dạng phẳng chảy màng: tháp có phẳng đặt thẳng đứng Phần thiết bị có cấu phân phối chất lỏng, chất lỏng chảy thành màng theo bên phẳng Bề mặt tiếp xúc pha lớn so với thiết bị dạng ống Thiết bị dạng có bề mặt riêng truyền khối lớn, nghóa bề mặt tiếp xúc pha lớn đơn vị thể tích thiết bị thiết bị khả giải nhiệt Ưu điểm thiết bị hấp thu bề mặt chảy màng trở lực thủy động thấp Thiết bị hấp thu dạng đệm: tháp đứng hình trụ, chứa đầy vật liệu đệm đứng yên, giữ lưới phân phối, khí cho vào từ lưới Chất lỏng chảy vào thiết bị qua cấu tưới chuyển động qua lớp đệm ngược dòng với dòng khí Nhiệm vụ đệm: tạo bề mặt tiếp xúc pha lớn xoáy rối dòng Vật liệu đệm phải thỏa mãn yêu cầu sau: _ Bề mặt riêng lớn _ Thể tích tự lớn để trở lực nhỏ Ưu điểm thiết bị hấp thu dạng đệm là: diện tích bề mặt riêng lớn, kết cấu thiết bị đơn giản, làm việc môi trường ăn mòn, nên áp dụng rộng rãi Phụ thuộc vào lưu lượng đơn vị tiết diện thiết bị (G’, kg/m2.s) mật độ tưới (L’, kg/m2.s), thiết bị hấp thu làm việc với chế độ thủy động khác Mật độ tưới hiểu lượng chât lỏng chảy qua đơn vị tiết diện thiết bị đơn vị thời gian Trong thiết bị sủi bọt, bề mặt tiếp xúc pha hình thành nhờ phân tán khí vào chất lỏng dạng tia bọt khí Đơn giản thiết bị hấp thụ dạng nồi Khí qua ống vào nồi, qua khe cưa phân phối vào chất lỏng Thiết bị dạng có số khuyết điểm lớn: Chương DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương • Trong thiết bị áp dụng nguyên lý ngược dòng chất lỏng khuấy trộn mãnh liệt khí sủi bọt vậy, thực tiếp xúc pha bậc Thiết bị dạng nên sử dụng cấu tử hấp thu không thuận nghịch (Ví dụ hấp thu NH3 acid) Để thực nguyên lý ngược dòng phải áp dụng thiết bị nhiều bậc, sủi bọt, dạng mâm (SV tham khảo file hình ảnh thiết bị truyền khối Chương 1) Mâm đóa khoan lỗ khí chất lỏng qua Mâm lắp tháp trùng với trục tháp Phụ thuộc vào cấu thiết bị sủi bọt, mâm chia ra: mâm chóp, mâm xuyên lỗ, mâm van Trong thiết bị hấp thu dạng mâm chóp, khí cho vào đáy thiết bị qua mâm qua ống khí, đậy chóp trên, phần rìa chóp ngập chất lỏng Mực chất lỏng xác định độ cao ống chảy tràn mâm Đầu ống chảy tràn ngập chất lỏng mâm để tạo rở lực thủy tónh Để tăng tiếp xúc khí lỏng mâm thay cho chóp lớn, người ta sử dụng số lớn chóp nhỏ Điều làm tăng chu vi sủi bọt tăng cường độphân tán khí chất lỏng Thiết bị sủi bọt làm việc số chế độ thủy động: • Nếu lưu lượng nhỏ, khí chuyển động qua lớp chất lỏng dạng bong bóng khí riêng biệt – chế độ bong bóng Bề mặt tiếp xúc pha không lớn tăng tăng lưu lượng khí • Tăng vận tốc khí tạo thành bọt chuyển động xoáy rối – chế độ bọt Lúc này, bề mặt tiếp xúc pha mức độ sử dụng bề mặt tăng nhanh Chế độ chế độ tối ưu thiết bị sủi bọt • Tiếp tục tăng vận tốc khí phá vỡ mạnh bọt tăng lôi chất lỏng theo khí Chế độ gọi chế độ tia (injection) Lúc bề mặt tiếp xúc pha giảm mạnh Tiếp tục tăng vận tốc khí tất chất lỏng treo lơ lửng không gian mâm, chất lỏng không chảy dọc theo thiết bị Bắt đầu chế độ ngập lụt trình truyền khối bị cắt đứt Tháp sủi bọt có cường độ làm việc cao nhờ tạo bề mặt tiếp xúc pha lớn khuấy trộn pha mãnh liệt Hoạt động thiết bị sủi bọt không phụ thuộc mật độ tưới, với lưu lượng chất lỏng mức chất lỏng mâm cố định xác định độ cao chảy tràn Thiết bị dạng nên ứng dụng lưu lượng chất lỏng không lớn Trên mâm bố trí cấu làm nguội Nhược điểm chúng trở lực cao lắp mâm tuyệt đối nằm ngang Trong thiết bị hấp thụ dạng mâm xuyên lỗ, mâm khoan nhiều lỗ với đường kính 1– mm, phân bố diện tích mâm Khí sục vào chất lỏng qua lỗ Chương DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương dạng tia bọt Chất lỏng chảy ngang qua mâm nhờ cấu chảy tràn Hiệu mâm xuyên lỗ cao mâm chóp phân tán nhuyễn bọt khí tia Kết cấu mâm đơn giản mâm chóp Trở ngại mâm nhiễm bẩn lỗ ăn mòn mâm đặc tính số chất lỏng tạo thành bọt ổn định Thiết bị với mâm khay chứa chất lỏng khác với mâm xuyên lỗ chỗ cấu chảy tràn Chất lỏng giữ mâm nhờ chênh lệch áp suất tạo khí sủi bọt nhờ bọt khí qua lỗ Nhưng đồng thời chất lỏng chảy xuống mâm qua lỗ Chiều cao lớp bọt mâm xác định vận tốc khí Mâm vượt qua mâm xuyên lỗ theo suất nhạy với thay đổi vận tốc khí chất lỏng Trong mâm van, lỗ đậy van tự nằm lỗ, chiều cao nâng van giới hạn cấu đặc biệt Khi thay đổi lưu lượng khí, chiều rộng khe điều chỉnh tự động nên giữ đựoc vận tốc cố định sụt vào chất lỏng Nhờ mâm van làm việc ổ định khoảng thay đổi tải trọng theo khí Trong thiết bị hấp thụ, dạng mâm diễn xáo trộn mãnh liệt chất lỏng sụt khí, làm đồng nồng độ cấu tử phân tán toàn thể tích pha lỏng Điều ảnh hưởng xấu đến động lực trìnhbởi chât lỏng vào mâm bị bão hòa cấu tử phân tán trộn lẫn với chất lỏng hấp thụ Để loại trừ nhược điểm này, người ta tạo chuyển động định hướng cho chất lỏng mâm Điều đạt ví dụ cách lắp vách ngăn mâm Trên mâm có chóp dạng chữ S chuyển động định hướng chất lỏng đạt nhờ thoát khí mặt chóp Mâm phẳng gồm phẳng có vách nghiêng từ 10 – 150 so vơi trục tháp Khí qua khe rãnh với vận tốc 20 – 40 m/s, phá vỡ nước thành giọt đẩy chúng đến khe rãnh Việc tổ chức chuyển động chất lỏng mâm có ý nghóa lớn đến hiệu hoạt động Có yếu tố ảnh hưởng: Thời gian lưu chất lỏng mâm, phụ thuộc đường Đại lượng phải lớn xác định mức độbão hòa chất lỏng Chiều cao lớp chất lỏng mâmtại điểm bề mặt phải để tạo điều kiện đồng hoạt động toàn cấu tiếp xúc Nhưng tăng quãng đường chuyển động, chất lỏng tăng trở lực, tăng chi phí cho việc tạo lưu lượng chất lỏng mâm Vì vậy, trường hợp riêng phải chọn phương án tối ưu cho việc tổ chức dòng lỏng a) Chất lỏng chuyển động hướng tâm, ứng dụng nhiều mâm chóp đường kính tháp lớn b) Chất lỏng chảy theo vành đai, sử dụng mâm chóp đường kính tháp nhỏ Chương DuMyLe-Bài giảng Quá trình Hóa học & Hóa lý XLMT Chương c) Chất lỏng chuyển động theo vành đai, tổ chức nhờ vi tháp nhiều chóp đường kính không lớn d) Chuyển động hướng đường kính Trong phương án sử dụng cấu chảy ứng dụng ống chảy tràn thiết phải đặt mâm vách ngăn chảy tràn Bởi không mâm hình thành vùng tù đọng Thiết bị áp dụng cho mâm nhiều chóp f) Thông thường áp dụng cho tháp xuyên lỗ Thiết bị bảo đảm chuyển động vành đai cho chất lỏng mâm nhờ vách ngăn hình chữ S Trong thiết bị dạng phun thiết bị buồng khí rỗng dạng thiết bị có bề mặt tiếp xúc pha hình thành nhờ phân tán chất lỏng dòng khí Trong tháp trần phân tán chất lỏng thực nhờ vòi phun đặt đỉnh tháp Thiết bị đặc trưng bề mặt riêng phần lớn Đặc biệt trình tiến hành hiệu giọt lỏng va đập vào bề mặt thành hay thiết bị Hiệu làm việc thiết bị xác định kích thước giọt Đường kính giọt lỏng tối ưu 0,5 – mm Để tiến hành trìnhhấp thụ ứng dụng thiết bị có vòi phun gồm ống thu ống phân tán Khí chất lỏng vào ống thu, chất lỏng vỡ thành giọt nhỏ nhờ động dòng khí Bởi vận tốc tương đối khí lỏng lớn nên trình truyền khối diễn mãnh liệt Trong phần loa – vận tốc khí giảm giọt lỏng kết dính thành giọt lớn tách khỏi khí Thiết bị dạng làm việc theo nguyên tắc thuận dòng nên làm giảm động lực trình Thời gian tiếp xúc pha ngắn (phần ngàn giây) Vì thiết bị với vòi phun nên áp dụng khí dễ tan vàsử dụng để tiến hành trình thiết bị mắc nối tiếp Thiết bị hấp thu với phun giọt lỏng học đa dạng, hình thành bề mặt tiếp xúc pha lượng học cấp vào từ bên Có thể mô tả thiết bị phun học gồm vỏ thiết bị, rotor quay bên vỏ có gắn que (búa) rotor ngâm chất lỏng, mực nước bố trí cao trục quay chút, quay rotor, chất lỏng phun bụi mãnh liệt Trên bề mặt chất lỏng hình thành lượng lớn giọt lỏng, chuyển động với vận tốc lớn dòng khí Như tăng bề mặt tiếp xúc pha lớn bảo đảm điều kiện truyền khối tốt Thiết bị đồng thời tạo chênh lệch áp suất đầu vào quạt Nhược điểm thiết bị tiêu hao điện lớn Chương 10