Hấp thụ so2 trong khí thải bằng nước

Đồ án môn học GVHD: K.s Ngô Bá Đạt CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH HẤP THỤ 1.1 Khái niệm Hấp thụ trình quan trọng để xử lý khí ứng dụng nhiều công nghệ khác Hấp thụ dựa sở q trình truyền khối, nghĩa có vận chuyển từ pha vào pha khác Phụ thuộc vào chất tương tác chất hấp thụ chất bị hấp thụ pha khí, hấp thụ chia làm hai loại: hấp thụ vật lý hấp thụ hóa học Hấp thụ vật lý: dựa hịa tan cấu tử pha khí pha lỏng Hấp thụ hóa học: có phản ứng hóa học chất bị hấp thu chất hấp thụ cấu tử pha lỏng Quá trình hấp thụ tách hay bỏ hay nhiều chất ô nhiễm khỏi dịng khí thải (pha khí) cách xử lý với chất lỏng ( pha lỏng).Lúc hỗn hợp khí cho tiếp xúc với chất lỏng nhằm mục đích hịa tan có chọn lọc hay nhiều cấu tử hỗn hợp khí để tạo nên dung dịch cấu tử chất lỏng - Khí hấp thụ gọi chất bị hấp thụ - Chất lỏng dùng để hấp thụ gọi dung môi (chất hấp thụ) - Khí khơng bị hấp thụ gọi khí trơ Trong cơng nghiệp hóa chất, thực phẩm, q trình hấp thu dùng để: - Thu hồi cấu tử quý pha khí - Làm pha khí - Tách hổn hợp tạo thành cấu tử riêng biệt - Tạo thành dung dịch sản phẩm Nếu q trình hấp thụ khí với mục đích q trình tách cấu tử hỗn hợp khí việc lựa chọn dung mơi tốt phụ thuộc vào yếu tố sau: Đ án môn h c GVHD: K.s Ngơ Bá Đạtt - Độ hịa tan tốt: có tính chọn lọc có nghĩa hịa tan cấu tử cần tách hịa tan khơng đáng kể cấu tử lại Đây điều kiện quan trọng - Độ nhớt dung môi: bé trở lực trình nhỏ, tăng tốc độ hấp thu có lợi cho q trình chuyển khối - Nhiệt dung riêng: bé tốn nhiệt hồn ngun dung mơi - Nhiệt độ sơi: khác xa với nhiệt độ sơi chất hồ tan dễ tách cấu tử khỏi dung môi - Nhiệt độ đóng rắn: thấp để tránh tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc thu hồi cấu tử hịa tan dễ dàng - Ít bay hơi, rẻ tiền, dễ kiếm, không độc hại với người khơng ăn mịn thiết bị Tuy nhiên, thực tế khơng có dung mơi đạt tất tiêu nêu Vì vậy, chọn dung môi ta phải dựa vào điều kiện cụ thể sản xuất 1.2 Quá trình hấp thụ 1.2.1 Cơ chế trình Hấp thụ trình quan trọng để xử lý khí ứng dụng nhiều trình khác Hấp thụ sở q trình truyền khối , mơ tả tính toán dựa vào phân chia pha (cân pha, khuếch tán) Cơ chế q trình chia thành bước: + Khuếch tán phân tử chất ô nhiễm thể khí khối khí thải đến bề mặt chất lỏng hấp thụ Nồng độ phân tử phía chất khí phụ thuộc vào tượng khuếch tán: Khuếch tán rối: có tác dụng làm nồng độ phân tử đặn khối khí Khuếch tán phân tử: làm cho phân tử khí chuyển động phía lớp biên Trong pha lỏng xảy tượng tương tự thế: Đ án môn h c GVHD: K.s Ngô Bá Đạtt Khuếch tán rối: đuợc hình thành để giữ cho nồng độ đặn toàn khối chất lỏng Khuếch tán phân tử: làm dịch chuyển phân tử đến lớp biên từ lớp biên vào pha khí + Thâm nhập hịa tan chất khí vào bề mặt chất hấp thụ + Khuếch tán chất khí hịa tan bề mặt nhãn cách vào sâu lòng chất lỏng hấp thụ Quá trình hấp thụ phụ thuộc vào tương tác chất hấp thụ chất bị hấp thụ pha khí 1.2.2 Q trình trao đổi chất Khi chất nhiễm từ khí thải vào chất lỏng hấp thụ phân tử trao đổi qua vùng ranh giới gọi lớp biên (màng, phim) Các phân tử qua lớp biên từ phía, số từ phía chất khí, số từ phía chất lỏng Cường độ trao đổi phụ thuộc vào yếu tố tác động lên hệ thống áp suất, nhiệt độ, nồng độ độ hòa tan phân tử Cường độ trao đổi tăng pha lỏng pha khí có diễn phản ứng hóa học hay phân tử khí khơng hể quay trở khối khí có tác động trình vật lý Quá trình hấp thụ kèm theo tỏa nhiệt làm tăng nhiệt độ hệ thống Khi pha khí phân tán vào pha lỏng xảy tượng dẫn nhiệt làm lượng cấu tử pha khí bị giảm Hiện tượng xảy chuyển động hỗn loạn phân tử khí, làm cho phân tử bị xáo trộn từ dẫn tới cân lượng hai pha Nhờ có chuyển động mà khác biệt cục nồng độ chất khí hỗn hợp giảm dần can thiệp ngoại lực khuấy, lắc Đ án môn h c GVHD: K.s Ngô Bá Đạtt Mặt khác tổng thể tích hệ thống q trình hấp thụ bị giảm thể tích pha khí giảm Theo Ngun lý Le Chartelier: độ hịa tan khí chất lỏng tăng tăng áp suất giảm nhiệt độ trình Trong thực tế có tượng hấp thụ:  Hấp thụ đẳng nhiệt: tiến hành với giải nhiệt pha lỏng thiết bị truyền nhiệt bố trí tháp hấp thụ Nếu nồng độ ban đầu không lớn lưu lượng chất lỏng lớn thay đổi nhiệt độ chất lỏng không đáng kể  Hấp thụ đẳng áp: diễn khơng có trao đổi với mơi trường bên ngồi, cấu thiết bị đơn giản hóa điều kiện cân không tốt 1.2.3 Cân vật chất trình hấp thụ Xét trình xảy với pha ký hiệu L pha ký hiệu G Trong thiết bị hai pha tiếp xúc có dung chất A khuếch tán hai pha Cấu tử không khuếch tán hai pha gọi cấu tử trơ Ký hiệu: L đ , L c: Suất lượng mol tổng cộng pha L vào khỏi thiết bị Gđ, Gc: Suất lượng mol tổng cộng pha G vào khỏi thiết bị Ltr, Gtr: Suất lượng mol cấu tử không khuếch tán (trơ) pha lỏng, pha khí xđ, xc: Phần mol dung chất pha L vào khỏi thiết bị yđ, yc: Phần mol dung chất pha G vào khỏi thiết bị Xđ, Xc:Tỉ số mol dung chất pha L vào khỏi thiết bị Y đ , Y c: Tỉ số mol dung chất pha G vào khỏi thiết bị Đ án môn h c GVHD: K.s Ngô Bá Đạtt Lđ xđ Ltr xđ x x L Ltr Gc Gtr Yc yc G y Gtr y Gđ Gtr yđ yđ Lc Ltr xc xc Hình 1.1 Cân vật chất cho trình hấp thu Hình 1.1: Trình bày trình tiếp xúc nghịch dòng cho tháp Gọi G : suất mol tổng cộng/h (m2 tiết diện tháp) y: phần mol dung chất khuếch tán A p : áp suất riêng phần Y : tỉ số mol Gtr : suất lượng mol cấu tử trơ/h.m2 Tại vị trí tháp: Y = \f(y,1-y = \f(p,Pt-p (1.1) Gtr = G( - y ) = \f(G,1+Y (1.2) Đ án môn h c GVHD: K.s Ngô Bá Đạtt Tương tự cho pha lỏng: X = \f(x,1-x (1.3) Ltr = L( - x ) = \f(L,1+X (1.4) Vì cấu tử trơ pha khí pha lỏng có suất lượng khơng đổi qua tháp nên ta viết phương trình cân vật chất cấu tử trơ Cân dung chất cho phần tháp đến vị trí (bao hình 1) là: Gtr (Y1 - Y ) = Ltr (X1 – X ) (1.5) Đây phương trình đường thẳng (đường làm việc) tọa độ X, Y, hệ số góc Ltr/Gtr qua điểm (X1/Y1) Nếu thay X, Y X2/Y2 đường biểu diễn qua điểm (X2/Y2) Đường làm việc đường thẳng vẽ theo tọa độ tỉ số mol X,Y tỉ số khối lượng , Nếu biểu diễn theo phần mol áp suất riêng phần, đường làm việc đường cong, phương trình là: Gtr ( \f(y1,1-y1 - \f(y,1-y ) = Gtr ( - \f(p,Pt-p ) = Ltr ( \f(x1,1-x1 - \f(x,1-x ) (1.6) Với Pt áp suất tổng xem không đổi suốt tháp 1.2.4 Lượng dung môi tối thiểu cho q trình hấp thụ Trong việc tính tốn q trình hấp thu, ta thường biết trước đại lượng sau:  Suất lượng pha khí G hay Gtr  Nồng độ hai đầu pha khí Y1 Y2 nồng độ pha lỏng ban đầu X2 Suất lượng dung môi lỏng chọn phụ thuộc vào đại lượng Đ án môn h c GVHD: K.s Ngô Bá Đạtt Y Đáy Y1 Đường làm việc Ltr/Gtr Y2 Đỉnh Đường cân X1 X2 X Hình 1.2 Đường làm việc cho trình hấp thu Hình 1.3a, đường làm việc phải qua điểm D chấm dứt đường có tung độ Y1 Nếu suất lượng dung môi sử dụng tương ứng với đường DE, nồng độ pha lỏng dòng X1 Nếu lượng dung mơi sử dụng hơn, thành phần pha lỏng lớn (điểm F) động lực khuếch tán nhỏ hơn, q trình thực khó hơn, thời gian tiếp xúc pha lâu hơn, thiết bị hấp thụ phải cao Đường làm việc ứng với lượng dung môi tối thiểu tiếp xúc với đường cân P Tại P động lực khuếch tán không, thời gian tiếp xúc pha khơng xác định tháp có chiều cao khơng xác định Điều điệu kiện giới hạn cho lượng dung môi sử dụng Đ án môn h c GVHD: K.s Ngô Bá Đạtt Y Đường cân E Y1 F M Y Y1 Đường cân P Y2 D X2 Y2 Ltrmin/Gtr X1max X X1max X X2 b) a) Hình 1.3 Lượng dung mơi tối thiểu cho trình hấp thu X1 Thường đường cân lõm hình 1.3b, đường làm việc ứng với lượng dung môi tối thiểu tương ứng với nồng độ dịng lỏng cân với nồng độ dịng khí vào Như ta có: Ltr = Gtr \f(Y1-Y2,X1max-X2 (1.7) Với X1max nồng độ pha lỏng cực đại ứng với lượng dung môi tối thiểu hay nồng độ pha lỏng cân với nồng độ vào pha khí Trong thực tế, lượng dung môi sử dụng lớn lượng dung môi tối thiểu nồng độ pha lỏng nhỏ nồng độ cực đại Đ án môn h c GVHD: K.s Ngô Bá Đạtt 1.2.5 Cân nhiệt lượng trình hấp thụ Phương trình cân nhiệt lượng GđIđ + LđCđTđ + Qs = GcIc + LcCcTc + Q0 Trong Gđ, Gc: Hỗn hợp khí đầu cuối, (kg/h) Lđ , Lc: Lượng dung dịch đầu cuối, (kg/h) Tđ, Tc: Nhiệt độ khí ban đầu cuối, (0C) Iđ, Ic: Entalpy hỗn hợp khí ban đầu cuối, (kJ/kg) Cđ, Cc: Tỷ nhiệt dung dịch đầu cuối, (kJ/kg độ) Q0: Nhiệt mát, (kJ/h) Qs: Nhiệt phát sinh hấp thu khí, (kJ/h) 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng lên trình hấp thụ Nhiệt độ áp suất yếu tố ảnh hưởng lên trình hấp thu Cụ thể chúng có ảnh hưởng lên trạng thái cân động lực trình 1.3.1 Ảnh hưởng nhiệt độ Khi điều kiện khác không đổi nhiệt độ tăng giá trị hệ số Henry tăng, đường cân chuyển dịch trục tung Giả sử đường làm việc PQ không đổi, nhiệt độ tăng lên động lực truyền khối giảm, tốc độ truyền khối giảm Nếu tăng nhiệt độ lên giới hạn khơng động lực truyền khối giảm mà trình củng không thực theo đường làm việc PQ cho trước Mặt khác nhiệt độ tăng có ảnh hưởng tốt làm độ nhớt dung mơi giảm (có lợi trường hợp trở lực khuếch tán chủ yếu nằm pha lỏng) Đ án môn h c GVHD: K.s Ngô Bá Đạtt y y P1 t1 t2 t3 P3 p4 t4 Q P P2 Q P t1 > t2 > t3 > t4 P1 < P2 < P3 < P4 x x Hình 1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ lên trình hấp Hìnhthụ 1.5 Ảnh hưởng áp suất lên trình hấp thụ 1.3.2 Ảnh hưởng áp suất Nếu điều kiện khác giữ nguyên mà tăng áp suất hỗn hợp khí hệ số cân giảm đường cân dịch chuyển phía trục hồnh Như tăng áp suất q trình truyền khối tốt động lực tốt Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo tăng nhiệt độ Mặt khác, tăng áp suất gây khó khăn việc chế tạo vận hành tháp hấp thu 1.3.3 Các yếu tố khác Tính chất dung mơi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ xác dụng cụ đo, chế độ vận hành tháp… có ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thụ 10