1 bai giang chuong 4 hap phu

Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Chương QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Adsorption Process 4.1 GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ Hấp phụ – Adsorption : trình lôi mọât hay nhiều cấu tử từ pha khí hay lỏng (chất bị hấp phụ - adsorbate) chất rắn (chất hấp phụ - adsorbent) Hấp phụ dựa độ rỗng chất rắn với bề mặt tiếp xúc lớn hoạt tính, silica gel … Khả hấp phụ bề mặt giải thích trạng thái đặc biệt phân tử bề mặt ranh giới phân chia pha Bên pha, phân tử chịu lực hút phân tử pha giống theo hướng Phân tử nằm gần ranh giới phân chia pha chịu lực hút không giống phân tử nằm pha khác Do lực tác dụng không cân nên phân tử lớp biên có hành vi khác với phân tử nằm bên pha Nếu lực hút tổng cộng hướng vào pha trạng thái đặc biệt bề mặt xuất Khi này, phân tử hấp phụ làm bão hoà phần bề mặt chất hấp phụ giảm lượng tự Vì vậy, trình hấp phụ diễn tự nhiên giống trình khác kèm theo giảm lượng tự Phụ thuộc chất chất khí (lưu chất) tác dụng lên bề mặt chất rắn, hấp phụ chia làm loại: Hấp phụ vật lý: Hấp phụ không kèm theo phản ứng hóa học chia làm hấp phụ vật lý hấp phụ hoạt tính Trong hấp phụ vật lý, cấu tử pha liên kết với nhờ lực vật lý Vì vậy, hấp phụ vật lý tượng tương tác thuận nghịch lực hút phân tử chất rắn chất bị hấp phụ Quá trình kèm với tượng phát nhiệt, trình xảy nhiệt độ thấp, tương tự trình ngưng tụ Trong trình xử lý môi trường, đặc biệt trình xử lý khí thải xử lý nước thải bậc cao, hấp phụ vật lý đóng vai trò quan trọng Phân tử bị hấp phụ khuếch tán từ pha khí đến lớp biên đến bề mặt chất hấp phụ, chúng bị giữ lại lực hút Van Der Waals Nhiệt giải phóng tương đương với nhiệt ngưng tụ Ở trạng thái bão hòa, chất bị hấp bao phủ toàn bề mặt chất rắn Hấp phụ vật lý có nhiều lớp chất bị hấp (hay cấu tử / adsorbate) bao xung quanh chất rắn DuMyLe Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Trong trình này, khối lượng riêng chất bị hấp phụ trạng thái bão hòa đạt đến xấp xỉ khối lượng riêng chất bị hấp trạng thái lỏng Bản chất trình hấp phụ vât lý miêu tả theo hình Hình 4.1 - Bản chất trình hấp phụ vật lý DuMyLe Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Một tượng quan trọng khác xảy ngưng tụ mao dẫn Ở áp suất cao, khí bắt đầu ngưng tụ lỗ xốp chất hấp phụ Lực hấp phụ làm giảm áp suất mao dẫn bị ngưng tụ nhiệt độ cao nhiệt độ ngưng tụ Hấp phụ hóa học: kèm theo liên kết hoá học chất hấp phụ chất hấp phụ, kết trình tạo thành liên kết Quá trình hấp phụ hóa học thường không thuận nghịch Hấp phụ hóa học có tầm quan trọng đặc biệt phản ứng xúc tác Ví du:ï hấp phụ hoá học hấp phụ clo photpho đá vôi Một điều đặc biệt quan trọng khảo sát trình hấp phụ vận tốc hấp phụ diễn nhanh với trạng thái cân đạt tức thời Hình 4.2 - Sự di chuyển cấu tử trình hấp phụ Bảng 4.1- Quá trình hấp phụ loại chất hấp phụ Chất hấp phụ Chất bị hấp phụ Mùi Dầu Hydrocarbon Fluorocarbon Chlorinated hydrocarbon Hợp chất S hữu Dung môi H2 O DuMyLe Than hoạt tính x x x x x x x x Nhôm hoạt tính x x x x Silica gel X X X X Zeolit (molecular sieves) X X X Nguoàn: [MT073K], trang 162 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Hấp phụ ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp sấy khô không khí ẩm, tách thu hồi ethyl acetate toluene khỏi cellophane (giấy bóng kính), thu hồi dung môi có giá trị dòng khí, khử chất độc hại không khí VOCs, xử lý làm dung dịch để phân riêng hỗn hợp khí hơi, xử lý NH3 trước thiết bị tiếp xúc, sấy khí thiên nhiên, tách hydrocarbon vòng thơm từ dòng khí cốc hóa, sản xuất nhựa, tổng hợp cao su, hóa dầu nhiều mục đích khác 4.2 CHẤT HẤP PHỤ Bất kỳ chất rắn có khả hấp phụ Tuy nhiên công nghiệp ứng dụng chất hấp phụ có bề mặt bên lớn, bao gồm lỗ xốp (rãnh mao dẫn) có kích thước khác Phụ thuộc kích thước lỗ xốp chất hấp phụ chúng chia làm loại: vi xốp, chuyển tiếp vó xốp Vi xốp có kích thước gần kích thước phân tử chất hấp phụ Bán kính hiệu dụng vi xốp xác định phương pháp Rơn ghen khoảng từ 5.10-10 đến 1.10-9 m (giới hạn vi xốp 1,5.0-9 m) Lỗ xốp chuyển tiếp có bán kính hiệu dụng lớn kích thước phân tử chất hấp phụ nhiều, giao động khoảng từ 1,5.10-9 – (1+2) 10-7 m Vó xốp lỗ xốp lớn nhất, bán kính hiệu dụng lớn 2.10-7m Chúng kênh vận chuyển hạt chất hấp phụ Đa số chất hấp phụ công nghiệp (than hoạt tính, Silica gel…) áp dụng rộng rãi xử lý khí tái sinh dung môi, chất hấp phụ có cấu trúc hỗn hợp, lỗ xốp chúng có kích thước khác Than hoạt tính: than xử lý đặc biệt để giải phóng khỏi lỗ xốp, chất nhựa tăng bề mặt hấp phụ Nguyên liệu để điều chất than hoạt tính chất có nguồn gốc thực vật gỗ, mạt cưa, than gỗ, than bùn, vỏ hạt dẻ, gáo dừa, chất thải sản xuất giấy nguồn gốc động vật xương, thịt, máu, phế thải sản xuất da Than nguyên liệu thu nhờ nung khô vật liệu nêu Than nguyên liệu chưa hoat hóa chúng bề mặt riêng phần lớn, các lỗ xốp bị phủ chất nhựa chất khác Sự chuyển hóa than nguyên liệu thành than hoạt tính gọi hoạt hóa Có nhiều phương pháp hoạt hóa chất trình loại khỏi lỗ xốp bề mặt than sản phẩm sinh nung khô tăng bề mặt riêng cho mở rộng lỗ xốp có tạo thành lỗ xốp Các loại than hoạt tính đặc trưng diện tích bề mặt riêng, hoạt tính, khối lượng riêng kích thước hạt Chất lượng than hoạt tính phụ thuộc nguyên liệu ban đầu chế độ hoạt hóa Diện tích bề mặt riêng thường vào khoảng 600-1700 m2/g than hoạt tính Độ ẩm than xuất xưởng khoảng 15%, trình lưu trữ tăng đến DuMyLe Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption 50% lớn Độ ẩm lớn, hoạt tính than giảm Khối lượng riêng đổ đống(*) than hoạt tính thường dao động khoảng 0,2-0,6 g/cm3 Than hoạt tính ứng dụng dạng hạt có kích thước khác (1-7mm) dạng bột Hạt than thu nhờ đập than cục có hình dạng định hình có dạng hay trụ Chất lượng than hoạt tính phụ thuộc nguyên liệu ban đầu chế độ hoạt hóa Độ ẩm làm giảm hoạt tính than Than hoạt tính ứng dụng dạng hạt có kích thước khác (1-7mm) dạng bột Hạt than thu nhờ đập than cục có hình dạng định hình có dạng hay trụ Hình 4.3 - Than hoạt tính Nhược điểm than hoạt tính tính chất cháy nhiệt độ cao 200oC môi trường không khí than cháy Do sử dụng than cần phải cẩn thẩn than dạng bụi Khi hàm lượng chất khí 17-24g/m3 than bụi có khả nổ Khi thiết kế hấp phụ than hoạt tính cần lưu ý: • Cấu trúc lỗ xốp: than hoạt tính gáo dừa có đường kính lỗ xốp vào khoảng 20 A0, chấp hấp phụ lý tưởng cho VOCs có khối lượng phân tử bé Than hoạt tính gỗ DuMyLe Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption hấp phụ hydrocarbon có KLPT thấp chất halogen chất có KLPT lớn thuốc trừ sâu • Độ ẩm tương đối: độ ẩm 50% làm giảm hiệu than nước lấp đầy mao dẫn Để giảm độ ẩm tương đối, người ta sử dụng dòng khí lạnh để ngưng tụ nước, sau gia nhiệt lên Bảng 4.2 - Tính chất số chất hấp phụ Nguồn : [MT073K], trang 165 Silicagel SiO2.nH2O Silicagel ứng dụng hạt kích thước 0,27mm Silicagen háo nước làm giảm khả hấp phụ dung môi khác So với than, Silica gel có ưu điểm như: Khó cháy (2004000C), bền thời gian sử dụng lâu Tuy nhiên, trình tái sinh silicagel phải thực nhiệt độ cao tốn nhiệt trình tái sinh than hoạt tính DuMyLe Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Tính chất silicagel kỹ thuật: Nồng độ SiO2 % khối lượng 99,5 Khối lượng riêng đổ đống Kg/m3 100-800 Nhiệt dung riêng KJ/(kg.độ) 0,92 Hệ số dẫn nhiệt 30oC W/(m.độ) 0,2 Keo nhôm oxit nhôm hoạt tính (Alumina): hỗn hợp Al(OH)3 + Al2O3.nH2O Keo nhôm sản xuất xử lý nhiệt Al(OH)3 Al2O3 hoạt hoá ứng dụng để sấy khô làm xúc tác Tính chất keo nhôm kỹ thuật: Nồng độ Al2O3 % khối lượng 92 Khối lượng riêng đổ đống Kg/m3 350-850 Diện tích bề mặt riêng m2/g 200-400 Đường kính lỗ xốp trung bình Å 10-30 Molecular sieves Là tinh thể Zeolit nhân tạo CaO-2.Al2O3-5.SiO2 hay Na2O-5.SiO2 chúng sử dụng để tách ẩm, tách khí lỏng hỗn hợp hydrocarbon, tái sinh nhiệt Là khoáng chất đặc trưng công thức hoá hoïc Me o Al O3 xSiO2 H O (Me: kim loại Na, Ca, n: hoá trị n kim loại) Zeolit bao gồm nhiều loại (bentonite…) Zeolit có nhiều tính chất có ích nước liên kết zeolit linh động, dễ tách đun nóng dễ hấp phụ trở lại Zeolit khô hấp thu ẩm chất khác cồn, ammoniac, số bột màu … Zeolit ionit không tan nước dung môi thông thường, ion linh động tiếp xúc với dung dịch điện phân, thay ion ion dung dịch điện phân Zeolit có khả trao đổi với cation Zeolit có đường kính lỗ xốp nhỏ (sàng phân tử) nên hấp phụ chất có kích thước phân tử nhỏ, không tiếp nhận phân tử lớn Zeolit ứng dụng rộng rãi trình sấy khí, tách khí, xử lý nước thải DuMyLe Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Để xử lý nước, zeolit sử dụng dạng bột để xử lý khí, zeolit dạng cầu, viên thuốc, dạng hạt kích thước từ – mm Bảng 4.3 - Đặc tính vật lý số chất hấp phụ tiêu biểu (adsorbents) (Nguồn: Adsorption Processes - Paul N Cheremisinoff ) 4.3 CÂN BẰNG PHA TRONG HẤP PHỤ Cân hấp phụ đặc trưng phụ thuộc lượng cấu tử đơn vị khối lượng (hoặc thể tích) chất hấp phụ vào nhiệt độ nồng độ cấu tử hỗn hợp khí – (hoặc dung dịch) Hàm phụ thuộc nồng độ cân pha hấp phụ: X * = f (Y , T ) (4.1) Khi nhiệt độ không đổi, phương trình (4.1) có dạng: (4.2) X * = f (Y ) X * - tỷ số khối lượng chất hấp phụ cân với nồng độ pha khí (kg chất hấp phụ / kg chất hấp phụ) Y - tỷ số khối lượng chất hấp phụ chất hấp phụ pha khí dung dịch (kg chất hấp phụ / kg khí trơ (chất lỏng)ï) Y biểu diễn qua áp suất riêng phần pha khí p: X * = f ( p) Haøm (4.3) X * = f (Y ) vaø X * = f ( p ) dạng tổng quát đường cân hấp phụ đường đẳng nhiệt hấp phụ Đẳng nhiệt hấp phụ đặc tính quan trọng chất hấp phụ Dạng cụ thể đường xác định tính chất chế tương tác chất hấp phụ chất hấp phụ DuMyLe Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Nồng độ X thay đại lượng hấp phụ a (kg chất hấp phụ /m3 chất hấp phụ), Y thay áp suất riêng phần p pha khí 4.3.1 Các dạng đường hấp phụ đẳng nhiệt Đường hấp phụ đẳng nhiệt nguồn thông tin cấu trúc chất hấp phụ, hiệu ứng nhiệt hấp phụ đặc trưng khác trình Có dạng đường đẳng nhiệt hấp phụ (xem hình 4.4), mô tả dạng đường cong a–p a a I Vi xốp a ps ps Chuyển tiếp vi – vó xốp p a II p a IV ps Vi – vó – vi xốp III Vó xốp ps p V ps p p vó – vi xốp ps: áp suất bão hoà chất hấp phụ Hình 4.4 - Các dạng đường can hấp phụ Dạng I tương ứng hấp phụ đơn phân tử, dạng lại hấp phụ đa phân tử Dạng I thường gọi dạng Langmuir, mô tả phương trình Langmuir Dạng II gọi dạng chữ S Nếu mô tả đường đẳng nhiệt hấp phụ dạng đường cong X - p đoạn đầu gần thẳng (đối với áp suất nhỏ), cuối đường cong tiến đến tiệm cận, nồng độ giới hạn chất hấp phụ chất rắn X ∞ (trạng thái bão hòa) Còn phần mô tả phương trình thực nghiệm Freudlich DuMyLe Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption 4.3.1.1 Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Freundlich p = K X n X = k p1 / n Hoaëc K, n, k – số xác định thực nghiệm dạng logarit lg X = lg k + lg P n Nếu thay áp suất riêng phần nồng độ chất hấp phụ pha khí dung dịch nồng độ cân biểu diễn sau: X * = A.Y 1/ B (kg chất hấp phụ / kg chất trơ) Phương trình Freudlich ứng dụng tính toán thực tế khoảng áp suất rộng, nhiên có sai số lớn giá trị X nhỏ X gần giá trị bão hòa Chính xác phương trình Freundlich phương trình Langmuir 4.3.1.2 Phương trình hấp phụ Langmuir X* = X∞ p p+b Phương trình mô tả thực nghiệm p nhỏ, p > b p ≈ , X * = X ∞ p+b Phương trình Langmuir mô tả liệu thực nghiệm đường đẳng nhiệt hấp phụ dạng I Tuy nhiên, phương trình sử dụng để tính toán gần động lực hấp phụ 4.3.2 Xác định đẳng nhiệt hấp phụ theo đẳng nhiệt hấp phụ chất chuẩn Nếu có đường đẳng nhiệt hấp phụ chất chuẩn nhiệt độ T1 tính đẳng nhiệt hấp phụ khác nhiệt độ T2 Đại lượng hấp phụ tính theo công thức: a 2* = a1* v1 v2 a1* : Tung độ đẳng nhiệt hấp phụ chất chuẩn, kg/kg chất hấp phụ a2* : Tung độ đẳng nhiệt hấp phụ cần xác định, kg/kg chất hấp phụ v1, v2 : Thể tích mol chất chuẩn chất cần nghiên cứu, Với: M ρ DuMyLe : Khối lượng phân tử chất hấp phụ, kg/kmol : Khối lượng riêng chất hấp phụ trạng thái lỏng, kg/m3 10 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption 4.5.1 Vận tốc hấp phụ Sự hấp phụ bề mặt diễn nhanh, gần tức thời nên cho rằng, động học hấp phụ xác định vận tốc khuếch tán Khuếch tán Đặc trưng cho trình khuếch tán (bao gồm khuếch tán phân tử khuếch tán đối lưu) hệ số truyền khối pha lỏng (khí) β β định nghóa lượng cấu tử vận chuyển từ dòng khí đến bề mặt chất hấp phụ đơn vị thể tích chất rắn đơn vị thời gian động lực da = β (C − C s ) dτ Đơn vị đo lường cuûa β ⎡ kg ⎤ da ⎢ m s ⎥ ⎡ ⎤ ⎦= β = dτ = ⎣ ⎡ kg ⎤ ⎢⎣ s ⎥⎦ C − Cs ⎢ m3 ⎥ ⎣ ⎦ Khuếch tán Trong pha rắn đối lưu dịch chuyển chất sâu vào chất rắn đến bề mặt hấp thu thực nhờ dẫn chất Một cách gần đúng, trình dẫn chất biễu diễn tương tự khuếch tán phân tử: da dC = −k dτ dn k – hệ số dẫn chất Vì vận tốc hấp phụ thường xác định phương trình da = β (C − C s ) dτ Vận tốc trình hấp phụ phụ thuộc điều kiện bên (sự vận chuyển chất cần hấp phụ đến bề mặt) bên (trong hạt chất hấp phụ) Vận tốc truyền khối bên đặc trưng chế độ thủy động trình, bên cấu trúc chất hấp phụ tính chất hóa lý hệ Động học truyền khối bên ngoài: * dM = K y (Y − Y )dF * da = β (C − C ) dτ DuMyLe 14 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Trong đó: C: kg/m3 khí trơ a: nồng độ chất hấp phụ chất rắn, kg/m3 chất hấp phụ β: hệ số truyền khối, 1/s Hệ số truyền khối tổng quát K phụ thuộc hệ số truyền khối pha khí (lỏng) β hệ số dẫn chất k, nghóa phụ thuộc khuếch tán bên bên chất hấp phụ Đặt: Rhp = , trở lực trình hấp phụ, Rhp xem tổng trở lực K khuếch tán khuếch tán Rhp = Rng + Rtr Nếu trở lực khuếch tán nhỏ: Rhp ≈ Rng = β , đó, K = β Trường hợp Thường gặp thực tế Tuy nhiên, số trường hợp khuếch tán đóng vai trò đáng kể, độ bão hoà chất rắn cao Trong thực tế khó đánh giá ảnh hưởng khuếch tán ngoài, đó, β xác định thực nghiệm Hệ số β phụ thuộc thông số hình học, vật lý thủy động trình xác định nhờ lý thuyết đồng dạng 4.5.2 Các phương trình chuẩn số xác định β 4.5.2.1 Đối với trình hấp phụ khí qua lớp chất hấp phụ đứng yên Nếu: Re < 30 Nu = 0,883Re0,47(Pr)0,33 Re = 30 ÷ 150 Nu = 0,53Re0,64(Pr)0,33 l2 Với Nu = β D Kích thước hình học phương trình chuẩn số đường kính tương đương, xác định theo công thức: l = de = 4ε f Trong đó: ε: độ rỗng lớp chất hấp phụ f: diện tích bề mặt riêng chất hấp phụ DuMyLe 15 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Suy D.(ω ) 0, 47 β = 1,4 0, 47 0,53 Pr 0,33 ν de D.(ω ) 0, 64 β = 0, 64 0,36 Pr 0,33 ν de Đối với chất hấp phụ dạng hạt cầu độ rỗng ε = 0,375 de = 0,4d ω - vận tốc dòng, m/s 4.5.2.2 Đối với trình hấp phụ tầng sôi Nu = 46,25.10 −6 Re1, 67 Nu = β d2 D 4.5.2.3 Đối với trình hấp phụ than hoạt tính d = 1,7 ÷ 2,2 mm ω = 0,3 ÷ m/s Nu = 1,6Re0,54 β = 1, D ( ω ) , 54 ν , 54 d , 46 4.5.3 Phương trình Silov Cơ chế trình hấp phụ Dòng khí có nồng độ C0 vào lớp than Theo đường dòng qua lớp chất hấp phụ, cấu tử hấp phụ phần, nồng độ dòng khí giảm Chiều cao H0 gọi lớp làm việc Giai đọan 1: đường cong phân bố nồng độ không thay đổi hình dạng vị trí theo chiều cao lớp hấp phụ Giai đoạn tiếp diễn lớp chất hấp phụ bị bão hoà Giai đoạn 2: Bắt đầu từ thời điểm lớp chất hấp phụ nối tiếp bị bão hoà nên đường cong phân bố nồng độ dịch chuyển theo hướng chiều cao lớp hấp phụ không thay đổi hình dạng DuMyLe 16 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Nếu chiều dày lớp hấp phụ H, lớp hấp phụ bão hoà (H – H0), nghóa đầu xuất cấu tử thời điểm gọi thời điểm trượt C C C0 C0 H H H0 H0 Hình 4.5 Sự biến đổi nồng độ pha khí giai đoạn giai đoạn C Co Thời điểm trượt H0 H - H0 H H Hình 4.6 Đường cong phân bố nồng độ pha khí theo chiều cao lớp hấp phụ C Co τ τlv τtrượt Hình 4.7 Đường cong nồng độ pha khí đầu Nếu vận tốc hấp phụ vô lớn, cấu tử hấp phụ tức thời lượng chất hấp phụ tính theo công thức: M = at V = at S H DuMyLe 17 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption at : độ hấp thụ bão hòa tónh; V: thể tích chất hấp phụ,m3 S: diện tích mặt cắt ngang lớp chất hấp phụ, m2 H: chiều cao lớp chất hấp phụ, m Mặt khác, theo thời gian, lượng chất hấp phụ tính theo công thức M = ω S C o τ ' Suy τ ' = at H ω C Như vậy, thời gian hấp phụ thời gian làm việc an toàn lớp hấp phụ phụ thuộc chiều cao H Đối với hấp phụ tức thời, τ ' = m.H đường thẳng qua gốc tọa độ (làm việc an toàn) τ =∞ at ω Co H0 ≠∞ H Vì vận tốc hấp phu đạt ∞, thời gian hấp phụ an toàn τ lớp hấp phụ chiều cao H nhỏ thời gian hấp phụ an toàn τ’ vận tốc hấp phụ Ỉ ∞ Sự chênh lệch gọi tổn thất thời gian làm việc an toàn, ký hiệu τ0 Có: τ = τ’ – τ0 τ= Ñaët : K = hoaëc at H ω C o at ω C o −τ0 - hệ số làm việc an toàn lớp τ = KH − τ o DuMyLe 18 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Đặt : h = τo K Chương 4-Adsorption – lớp hấp phụ không sử dụng, lớp chết, xác định thực nghiệm Do đó: τ = K ( H − h) 4.5.4 Phương trình Maikals Đặt v: lưu lượng thể tích dòng khí (lỏng) , m3/s v = ω S f: tỷ lệ diện tích phần gạch chéo hình toàn diện tích hình chữ nhật abcd f = h Ho Ý nghóa: Vτ : Thể tích khí qua lớp hấp phụ tính đến thời điểm trượt, m3 Vτ = v.τ Đặt: Va = Vl − Vτ Vl: thể tích khí qua lớp hấp phụ thời gian τ cb , m3 τ cb : thời gian làm việc lớp hấp phụ đến xuất nồng độ cân bằng, s Vl = v.τ cb Theo phương trình Silov: τ = K ( H − h) = Suy Vτ = v.τ = Hoaëc: at S Co at ω C o (H − H o f ) = at S v.C o (H − H o f ) (H − H o f ) Vτ = K ( H − H o f ) ' ' (K = at S Co ) V a = K ' H o Va Vτ = Ho H − Ho f Suy ra: DuMyLe Ho = Va H Vτ + Va f 19 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Va = Vl − Vτ = v.τ cb − v.τ = v(τ cb − τ ) Thay Ho = (τ cb − τ ) H τ + (τ cb − τ ) f 4.5.5 Chiều cao lớp hấp phụ làm việc Ho Chiều cao lớp hấp phụ làm việc Ho tính công thức thực nghiệm với nồng độ pha khí không đổi sau: H o = B3 d ω Hằng số B3 phụ thuộc tính chất chất hấp phụ chất hấp phụ chiều dày lớp làm việc đường kính hạt chất hấp phụ vận tốc dòng khí Chuyển đổi chiều dày lớp làm việc sau: H o12 = H o1 d2 ω2 d1 ω1 Một số giá trị tham khảo chiều dày lớp làm việc cho bảng sau: Chất hấp phuï Co, g/m3 ω, m/ph D, mm Ho, m Clor 2,0 5,0 2,25 0,030 32,6 2,4 10,00 0,300 1,5 3,0 2,00 0,026 6,6 3,0 1,50 0,023 15,0 5,0 2,75 0,030 CCl4 4.6 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ HẤP PHỤ 4.6.1 Phương trình thực nghiệm để tính trình hấp phụ Thực nghiệm cho thấy, hệ cấu tử chất hấp phụ, nồng độ nhiệt độ dòng khí không thay đổi có tỷ lệ sau: K 1ω = K 2ω = = K nω n = const = B1 Ki: Hệ số làm việc an toàn lớp than (ph/m) τ o ω1 B1, B2: DuMyLe d1 = τ o ω2 d2 = = τ o ωn n dn = const = B2 đặc tính động học trình hấp phụ 20 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption 4.6.2 Sự thay đổi nồng độ cấu tử theo chiều dài lớp hấp phụ đứng yên Nếu nồng độ chất hấp phụ nhỏ độ hấp phụ nồng độ pha khí a = A.C s có quan hệ tuyến tính: Như vậy, phương trình vận tốc trình truyền khối viết lại nhö sau: ( ) ( ) dC da = β C − C s = A s dτ dτ Hoaëc d Cs β = C − Cs dτ A Ở đầu vào lớp hấp phụ, H = 0, C = C o , a = 0, C s = Lấy tích phân C s Cs ∫C o d Cs o − Cs ⎡ = β τ A ∫o dτ ⎛ β ⎞⎤ τ ⎟⎥ ⎝ A ⎠⎦ Do đó, C s = C o ⎢1 − exp⎜ − ⎣ Công thức cho phép xác định nồng độ cân Cs lớp hấp phụ vào thời điểm τ Ở đầu lớp hấp phụ, dòng khí hấp phụ hoàn toàn, lớp hấp phụ chưa tiếp xúc với dòng khí chứa chất hấp phụ nên C s = Theo phương trình cân vật chất: − ∂a ∂C = − β (C − C s ) = − β C = ε ∂τ ∂τ Tích phân phương trình ε ∂C = −β C ∂τ ⎛ β ⎞ C = C o exp⎜ − τ ⎟ ⎝ ε ⎠ ⎡ ⎛ β ⎞ ⎛ β ⎞⎤ τ ⎟ vaø C s = C o ⎢1 − exp⎜ − τ ⎟⎥ , tính nồng độ ⎝ ε ⎠ ⎝ A ⎠⎦ ⎣ Từ hai công thức C = C o exp⎜ − chất hấp phụ vào thời điểm ( n ∞ C n d I o 2i xz = − exp(− x − z ).∑ x d ( xz ) n Co n =1 DuMyLe ) 21 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II ( d n I o 2i xz = − exp(− x − z ).∑ x d ( xz ) n Co n =o ∞ Cs ( n ) Chương 4-Adsorption ) I o 2i xz : hàm Bassel loại bậc với x= β H ε ω z= β ⎛ H⎞ ⎜ τ − ⎟ ω⎠ A⎝ C Cs xác định theo đồ thị Để thuận lợi, Co Co 4.6.3 Xác định thời gian làm việc trình hấp phụ gián đoạn Tính cho trường hợp hấp thu đẳng nhiệt dạng (Phương trình đẳng nhiệt Langmuir) Phương trình cân cấu tử hấp phụ: −ω ∂C ∂a ∂C − = ε ∂H ∂τ ∂τ Phương trình vận tốc lớp hấp phụ ∂a = β (C − C s ) ∂τ Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt a = ϕ (C S ) = a ∞ C C+B Ba vùng hấp phụ biểu diễn theo hình bean a II III I C Giải hệ phương trình tìm τ thời gian làm việc hấp phụ cho vùng Vùng 1: a = E.C Thời gian làm việc an toàn tính theo công thức sau: DuMyLe 22 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II E τ = ϖ H −b b = Φ −1 (1 − Chương 4-Adsorption E β C ) 0,54C Φ(z ) = e π z ∫ e − z dz - haøm Cramp o Vùng 2: hấp phụ đẳng nhiệt a * = a∞ C C+B at ⎧⎪ C ⎤ ⎫⎪ ω ⎡ ⎛⎜ C ⎞⎟ τ= − 1⎥ ⎬ − 1⎟ + ln ⎨ H − ⎢ ln⎜ β ⎢⎣ p ⎝ C ω C ⎪⎩ C ⎥⎦ ⎪⎭ ⎠ p= C0 C1 C1 – nồng độ cân khí a = a∞/2 Vùng 3: a = const = a∞ τ= at ⎧⎪ ω ⎡ C ⎤ ⎫⎪ H − − 1⎥ ⎬ ⎨ ⎢ln β⎣ C ω C ⎪⎩ ⎦ ⎪⎭ ™ Trình tự tính toán Xác định hệ số truyền khối β Dựng đường hấp phụ đẳng nhiệt theo số liệu thực nghiệm Xác định at theo C Xác định vùng làm việc: vùng 1, vùng 2, vùng Tính C , tra bảng xác định b Theo công thức, xác định C, τ Cs 4.6.4 Tính thiết bị hấp phụ có lớp hấp phụ chuyển động Trường hợp lớp chất hấp phụ chuyển động chậm từ xuống để không làm tiếp xúc hạt riêng lẻ với Dòng khí ngược từ lên chứa chất cần hấp DuMyLe 23 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption phụ Hấp phụ lớp chuyển động – trình liên tục Ở đỉnh tháp bổ sung liên tục chất hấp phụ mới, đáy tháp liên tục lấy chất hấp phụ bão hòa Hấp phụ liên tục với lớp chuyển động thường tiến hành thiết bị dạng tháp Đối với tháp hấp phụ phải tính vận tốc chuyển động lớp chất hấp phụ chiều cao Vận tốc huyển động lớp hấp phụ làm việc vận tốc dịch chuyển lớp than bão hòa xác định theo công thức: u= K Để xác định chiều cao lớp hấp phụ, ta viết phương trình cân vật chất cho nguyên tố thể tích thiết bị ao C V1 dV a V2 Co Phương trình cân vật chất biểu diễn sau: V1 da = −V2 d C Trong đó: V1 – lưu lượng thể tích than, m3/s V2 - lưu lượng thể tích khí, m3/s Lấy tích phân phương trình, ta coù: V1 (a − ao ) = V2 (Co − C ) Dựng đường thẳng qua điểm: A(a, C o ) B(ao, C ), đường làm việc Trong đó: A – điểm đầu vào, B –điểm đầu (theo pha khí) DuMyLe a (kg/m3) A a ao B C C* Co C kg/m3 24 Baøi giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption * Động lực đầu vào : C o − C o C − C* Động lực đầu ra: Lượng chất hấp phụ đơn vị thời gian M = β ΔCtb Vt Mặt khác, theo phương trình cân vật chất: Vt = Ho.S: thể tích lớp than Từ phương trình trên, suy ra: H0 = V2 (C o − C ) S β y ΔC tb Nếu đường hấp phụ đẳng nhiệt đường thẳng động lực trung bình tính theo công thức: ΔC tb = ΔC o − ΔC ln Neáu ΔC o ΔC ΔC o ΔC < cần lấy giá trị trung bình đại số: ΔCtb = Phương trình ΔC tb ΔC o + ΔC đường hấp phụ đẳng nhiệt cong không xác Để xác định ΔC tb xác cần sử dụng công thức tích phân ΔCtb = Co − C Cñ dC ∫C −C Cc Cñ dC ∫C −C Cc * * = mo - thay đổi nồng độ chất cần hấp phụ động lực gọi số đơn vị truyền khối tổng quát Khi DuMyLe H0 = he.m0 25 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II Chương 4-Adsorption Vy V (C − C ) M H0 = = o = ⎛ C − C ⎞ Sβ SβΔC tb ⎟ Sβ y ⎜⎜ o ⎟ m ⎝ ⎠ V H = m0 Sβ Cđ dC ∫C −C * Cc he – chiều cao lớp hấp phụ tương đương đơn vị truyền khối n – số bậc truyền khối H = he.m0.n Nếu tất m0 giống m ,i = CA −CD ⎡ (C A − C *D ) − (C D − C *D ) ⎤ ⎢ ⎥ ⎢⎣ ⎥⎦ C A* = C D = 2(C A − C D ) * CA −CD n H = he (m01 + m02 + + m0n ) = he ∑ m0,i i =1 m0,i – số đơn vị truyền khối bậc a B A E D C*D CD=C*A CA C kg/m3 4.6.5 Tính thiết bị hấp phụ tầng sôi gián đoạn Lớp chất hấp phụ xáo trộn mãnh liệt nên trình hấp phụ diễn nhanh Vì nồng độ chất cần hấp phụ xem giống theo chiều cao lớp hấp phu.ï Lượng chất hấp phụ thời gian t laø: M = V2 (C − C c )τ DuMyLe 26 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II mà M = H S ac nên τ= Chương 4-Adsorption Sac H V y (C − C c ) Hoặc Cc ≈ Đặt V2 =ϖ S Thì τ = K.H Với a0* K= ϖ C0 τ= Sac H V2 C a c ≈ a 0* 4.6.6 Tính thiết bị hấp phụ tầng sôi liên tục Tính thiết bị hấp phụ tầng sôi liên tục xác định số mâm cần thiết N – xác định phương pháp đồ thị N= n η Dễ dàng nhận thấy, chiều cao lớp tăng cường độ hấp phụ giảm do: • Quá trình chủ yếu diễn lớp gần lưới phân phối; • h0 chiều cao lớp cao khó trộn Ỉ giảm cường độ truyền khối h0 – chiều cao lớp chất hấp phụ = 0,03 – 0,05m C C kg/kg k.trơ B A a kg/kg chpï DuMyLe a*c 27 Bài giảng Quá trình công nghệ môi trường II N= Chương 4-Adsorption V1 h0 0,785 D V1,min = V2 Cñ − Cc ac* − añ* Lmin (a − añ ) = G (C ñ − C c ) V1 = (1,1 ÷ 1,3)Vmin V1 = L ρ Lmin = G (C ñ − C c ) ( a − ) L = (1,1 ÷ 1,3) Lmin Do đó, ta xác định lượng chất hấp phu rắn thực tế sử dụng 4.7 QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ TIẾP XÚC PHA LIÊN TỤC - HOẠT ĐỘNG KHÔNG ỔN ĐỊNH Sinh viên tự đọc mục 10.4/344-345 SGK, mục 10.4.2 “Sóng hấp phụ” trang 346 mục 10.4.3 “Tốc độ hấp phụ tầng cố định” (trang 348) DuMyLe 28