Xử lý khí NH3 thải ra từ các nhà máy sản xuất hóa chất và các nhà máy sản xuất phân bón bằng phương pháp hấp thu với dung môi là nước

Amoniac là một hóa chất dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Sự phát xạ của không khí có chứa amoniac vào khí quyển mà không có biện pháp 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 cầu cấp 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 đốt cháy nguyên liệu hóa thạch, quá trình chăn nuôi và những hệ thống làm lạnh sử dụng amoniac như một môi chất lạnh….Người ta có thể kiểm soát được lượng amoniac ở những quá trình này bằng nhiều cách như: sử dụng tháp lọc khí ẩm, sử dụng phương pháp nước ngưng để loại bỏ khí, khôi phục và tái chế những dòng thải, 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 thầy Huỳnh Lê Huy Cường để giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy đã cố gắng hoàn thành tốt đồ án của mình nhưng em vẫn còn nhiều thiếu sót trong quá trình thực hiện. Mong thầy chỉ bảo thêm cho em.Em xin chân thành cảm ơn.

3 Các số liệu ban đầu

- Lưu lượng khí thải: 1000 m3/h

- Nồng độ NH3 ban đầu: 10% thể tích

- Áp suất làm việc: 1atm

- Dùng nước sạch để hấp thu ở nhiệt độ: 200C

- Lượng nước sử dụng lớn hơn 20% lượng tối thiểu

- Hiệu suất của quá trình hấp thu là 98%

- Nước vào tháp là tinh khiết

- Vật chêm là vòng sứ Raschig có kích thước 5x5x1

LỜI NÓI ĐẦU

Amoniac là một hóa chất dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệpkhác nhau Sự phát xạ của không khí có chứa amoniac vào khí quyển mà không

có biện pháp xử lý, gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người và môitrường

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 phânbón, quá trình điều chế than cốc sử dụng phương pháp khôi phục sản phẩmphụ, sự đốt cháy nguyên liệu hóa thạch, quá trình chăn nuôi và những hệ thốnglàm lạnh sử dụng amoniac như một môi chất lạnh….Người ta có thể kiểm soátđược lượng amoniac ở những quá trình này bằng nhiều cách như: sử dụng tháplọc khí ẩm, sử dụng phương pháp nước ngưng để loại bỏ khí, khôi phục và táichế những dòng thải, những hệ thống thu nạp Trong đồ án này, em xin trìnhbày 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

– Amoniac là một hợp chất của nitơ và hydro với công thức NH3, có tênquốc tế (theo IUPAC) là “Azane”, “Amoniac”, “Hydrogen nitride” và một sốtên khác Amoniac không màu, dạng khí có mùi cay nồng đặc trưng Nó nhẹhơn không khí, mật độ của nó là 0,589 lần so với không khí Nó có thể dễ dànghóa lỏng do sự liên 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 mộtchất 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 được giải thích bằng sự liên kết hydro giữa phân tử NH3 vàphân tử H2O

– Amoniac đóng góp đáng kể vào dinh dưỡng nhu cầu của các sinh vật trênmặt 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

– Amoniac được sử dụng trong thương mại thường được gọi là khan

amoniac Thuật ngữ này nhấn mạnh đến sự vắng mặt của nước trong vật liệu.

Bởi vì NH3 sôi ở –33,34°C (–28,012°F), chất lỏng phải được lưu trữ dưới áplực cao hoặc ở nhiệt 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

0,1102

99,6

0,435Không 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 dịchNH3 25% có d = 0,91g/cm3) Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH3 trongdung dịch bay hơi hết

– Amoniac có tác dụng kích thích làm chảy nước mắt, nhẹ hơn không khí.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,

ở gần nhiệt độ sôi có hằng số điện môi ε = 22 Amoniac lỏng là dung môi rất

tốt cho 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 nạpcác máy lạnh.

– Ở trạng thái rắn amoniac kết tinh mạng lập phương tâm mặt:

Phân tử NH3 có cấu tạo hình tháp tam giác với dN–H = 1,015A và góc hóa0

trị HNH = 10703, tương ứng cấu hình electron như sau: ( ) ( )2 2( )2( )2

s x y z

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 tửNH3 rất dễ cho cặp electron đó tạo nên liên kết cho – nhận (liên kết phối trí) vớicác 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 liênkết hidro giữa các phân tử NH3, vì vậy NH3 dễ bị nén, có nhiệt bay hơi cao vàtan nhiều trong nước Ở nhiệt độ thường chỉ cần áp suất 6÷7 atm là có thể hóalỏng nó

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 hóahọc cao Nó có thể cho ba loại phản ứng: phản ứng cộng, phản ứng khử vàphản ứng thế, trong đó đặc trưng hơn cả là phản ứng cộng

Amoniac bền ở nhiệt độ thường Khi đun nóng có xúc tác amoniac tựphân hủy theo chiều ngược lại của phương trình tổng hợp Phản ứng ở trạngthái cân bằng 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/mol

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

Quan trọng nhất là phản ứng cộng với nước Khi tan trong nước NH3 tácdụng với nước theo sơ đồ sau:

NH3 + HOH → NH4+ + OH

-Sự xuất hiện ion OH- tạo nên môi trường bazơ của dung dịch (nhưng làbazơ yếu vì có hằng số điện li K = 1,8.10-5) Trong dung dịch amoniac luôn cómột cân bằng kép:

NH3 + HOH → NH4OH → NH4+ + OH

-Vì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH3 và có thể xem không cóNH4OH

Ngay ở trạng thái khí, cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thànhmuối amoni clorua:

NH3 + HCl = NH4ClNgoài những loại phản ứng cộng như trên đã nói, NH3 còn cho một loạiphản ứng kết hợp đặc biệt với các muối tạo thành những hợp chất có thànhphần giống như các hydrat gọi là các amoniacat, ví dụ: AgNO3.2NH3,CuSO4.4NH3…hoặc tạo thành các hợp chất phức với nhiều muối

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 racác nitrua như magie có thể cháy trong NH3 để tạo magie nitrua Mg3N2 Natrihoặc kali kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH2, KNH2) khi tác dụngvới NH3

NH3 bền ở nhiệt độ thường nhưng khi đun nóng lên 300°C nó bắt đầuphân hủy và ở 600°C nó phân hủy gần như hoàn toàn:

0

600 C

2NH → N + 3HH2 tạo thành làm cho NH3 nóng có tính khử mạnh

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 kimloại khi hàn

Các nguyên tử hydro của amoniac có thể được thay thế bằng các nguyên

tử kim loại Phản ứng giữa amoniac và kim loại hình thành các hợp chất

amidua (M NH ), imidua ((I) 2 (I)

2

M NH ) và nitrua ( (I)

3

M N ) trong số các amidua,phổ biến nhất là amidua của kim loại kiềm và kiềm thổ

Ví dụ: Ở 3500C, natri tác dụng với NH3 cho amiđua natri NaNH2:

Amoniac lỏng phá hủy các chất dẻo, cao su, gây phản ứng trùng hợp nổcủa etylen oxit

1.5. Ứng dụng

– Phân bón: Khoảng 73% (tính đến 2004) amoniac được sử dụng làm phânbón trên toàn thế giới nhằm cung cấp đạm cho cây Vì vậy ngành công nghiệpsản xuất phân bón dựa vào amoniac là một thành phần quan trọng của ngânsách thế giới

– Tiền thân để tổng hợp các hợp chất nitơ: Amoniac trực tiếp hoặc gián tiếp

là tiền thân của các hợp chất chứa nitơ nhất Hầu như tất cả các hợp chất nitơtổng hợp có nguồn gốc từ amoniac Một dẫn xuất quan trọng là acid nitric, acidnitric được tạo ra thông qua quá trình Ostwald bởi quá trình oxy hóa củaamoniac với không khí trên một đĩa bạch kim có xúc tác ở 700 – 850°C, ~ 9atm Nitric oxide là một trung gian trong việc chuyển đổi này:

NH3 + 2O2 → HNO3 + H2O

axit nitric được sử dụng để sản xuất phân bón, vật liệu nổ và các hợp chất nhiềuorganonitrogen

– Dung dịch amoniac đặc 25% được dùng nhiều trong các phòng thínghiệm

– Cleaner: NH3 trong nước (amoni hydroxit) được sử dụng như là một mụcđích 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 khả năng hòa tan kim loại oxit

– Lên men: Amoniac là giải pháp (ở 16 – 25%) được sử dụng trong ngànhcông nghiệp lên men như là một nguồn cung cấp nitơ cho vi sinh vật cũng như

để điều chỉnh pH trong quá trình lên men này

– Chất làm lạnh R717: Do tính chất bay hơi thuận lợi của nó, amoniac là

chất làm lạnh Amoniac khan được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điệnlạnh công nghiệp

– 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 trongmột đơn vị chất lỏng, độ hòa tan có thể biểu thị bằng kg/kg, kg/m3, g/lít Độhoà tan của khí vào chất lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và chất lỏng, phụthuộc vào nhiệt 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 hoàtan tại 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 khácnhau và được xác định bằng thực nghiệm cho mỗi hệ Nếu áp suất cân bằng củachất khí tại nồng độ cho trước là cao (ví dụ đường cong B trong hình 1) thì chất

khí tương đương không hoà tan trong chất lỏng và ngược lại, nếu áp suất cânbằng của chất khí tại nồng độ cho trước là thấp (đường cong C hình 1) thì chấtkhí có độ hoà tan cao Dựa vào điều này, ta có thể tạo nên nồng độ khí tronglỏng như mong muốn nếu tác động lên hệ một áp suất tương ứng Như vậydạng khí hoá lỏng sẽ hoà tan hoàn toàn vào lỏng.

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

trên Trong trường hợp có nhiều cấu tử hoà tan vào chất lỏng, dung dịch đượcxem là lí tưởng khi các cấu tử hoà tan có cùng bản chất với chất lỏng, (ví dụnhư hỗn hợp propan và butan cùng hoà tan vào dầu Parafin không bay hơi).Ngoài ra độ hoà tan của chất khí còn chịu ảnh hưởng bởi sự hiện diện của mộtdung chất không bay hơi trong chất lỏng.

2.3 Dung dịch lỏng lí tưởng

Khi pha lỏng được xem là lí tưởng ta có thể tính được áp suất riêng phầncân bằng của chất khí trong dung dịch chất lỏng Hỗn hợp khí lý tưởng cânbằng với dung dịch lý tưởng thì thành phần của chất hấp thụ trong pha khí hoặcpha lỏng liên 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

Thực nghiệm cho thấy, dùng D và E trên hình 1 cho thấy trường hợp SO2,NH3 hoà tan vào nước được tính theo định luật Raoult ở 10oC không khớp sốliệu thực nghiệm Trong trường hợp này phương trình đường thẳng tuân theođịnh luật Henry:

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.Với chất khí ít hoà tan trong nước như Nitro, Oxy… Định luật Henry đúng tới

áp suất riêng phần cân bằng 1at, với các chất khí dạng hơi (dưới nhiệt độ tớihạn) sẽ đúng tới áp suất riêng phần bằng 50% áp suất hơi bão hoà tại nhiệt độcho trước Trong trường 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

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,NH3, CO, CO2…muốn dùng hỗn hợp ấy để tổng hợp NH3 để sản xuất phânđạm (Ure) ta phải tách chúng ra

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

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 trìnhhấp thu và nhả khí về cơ bản là giống nhau.

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 Điềunày đã được trình bày ở phần trên Ngoài ra nhiệt độ và áp suất là những yếu tốảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp thụ Cụ thể là chúng có ảnh hưởng lêntrạng thái cân bằng và động lực quá trình

Nếu tăng nhiệt độ thì giá trị hệ số của định luật Henry tăng, đường cânbằng sẽ dịch chuyển về trục tung (hình 4) Giả sử đường làm việc là P, Qkhông đổi nếu nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm Nếu nhiệt độtăng quá cao thì không những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình

sẽ không thực hiện được theo đường làm việc P, G cho trước Mặc dù vậy,

nhiệt độ cao cũng ảnh hưởng tốt vì độ nhớt của dung môi giảm, có lợi đối vớitrường hợp trở lực khuyếch 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 ápdẫn đến tăng nhiệt độ, và việc tăng áp suất cũng gây khó khăn cho việc chế tạothiết bị, cho nên ta chỉ thực hiện quá trình hấp thu ở áp suất cao đối với chất khíkhó hoà 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:

Pha lỏng Pha hơi

L X

G Y

L X

G G

M x M

x x

∑

=

k k i

M y M

y y

∑

=

k k

i

M x

M x x

i

M y

M y y

.

x

x X

−

=

y Y

−

=

y Y

+

=

Y y

+

=

Y y

Với:

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

Xd: Nồng độ đầu của dung môi Kmol/Kmol dung môi

Xc: Nồng độ cuối của dung môi Kmol/Kmol dung môi

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 thìnồng độ đường cân bằng là đường thẳng có dạng:

x m

Ycb = hay Ycb = m X

Ở đây:

P

m=ψ / : 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:

X m

X m

Y cb

)

1(1

−+

=

Phương trình đường làm việc:

Đường nồng độ làm việc trong quá trình hấp thụ là đường thẳng có dạng:

B X A

Tính lượng khí trơ:

Tính theo hỗn hợp khí: 1 1 y(1 d)

d y

Y G

+

−

=Yd: nồng độ phần mol ban đầu của cấu tử bị hấp thụ trong pha khí

Ta cũng có thể tính theo công thức:

tr tr

tr tr tr

T R

V p G

p tr =(1− d)

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.

M

R

R tr = : 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:

) (

c d tr tr

X X

Y Y G L

c d tr tr

X X

Y Y G L

−

−

=

max min

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 dungmôi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường ta lấy lượng dungmôi thực tế lớn hơn lượng dung môi tối thiểu khoảng 20%.

Lượng dung môi tiêu hao riêng là:

d c

c d tr

tr

X X

Y Y G

L l

g: lượng cấu tử bị hấp thụ vào trong pha lỏng

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:

+ Thu hồi các cấu tử quý

+ Làm sạch khí

+ Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng

+ Tạo thành sản phẩm cuối cùng

Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba bắt buộc chúng ta phải tiến hành quátrình nhả sau khi hấp thụ để thu các cấu tử và dung môi riêng Trong trườnghợp thứ hai thì quá trình nhả không cần thiết nếu tìm dung môi dễ kiếm (ví dụnhư nước lạnh) vì khí thường là bỏ đi, trường hợp này chỉ khi cần lấy lại dungmôi ta mới thực hiện quá trình nhả Còn trường hợp thứ tư thì quá trình nhảkhông có ý nghĩa.

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 đãđược xác định bởi bản chất của sản phẩm Nếu mục đích của quá trình hấp thu

là tách các cấu tử của hỗn hợp khí thì khi đó ta có thể lựa chọn một dung môitốt dựa trên những tính chất sau:

+ Độ hòa tan chọn lọc: Đây là tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chấtchỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp khí mà không hòa tan các cấu tửcòn lại hoặc hòa tan không đáng kể Đây là tính chất chủ yếu của dung môi.Tổng quát, dung môi và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tăng độhòa tan lên rất nhiều, nhưng nếu dung môi được thu hồi để dùng lại thì phảnứng phải có tính hoàn nguyên

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

+ Tính ăn mòn của dung môi: Dung môi nên có tính ăn mòn thấp để vật liệuchế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền

+ Chi phí: Dung môi dễ tìm và rẻ để sự thất thoát không tốn kém nhiều.+ Độ nhớt: Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điềukiện 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 nhiệtkhi hoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóngrắn làm tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc

Trong thực tế không có một dung môi nào cùng lúc đáp ứng được tất cảcác tính chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thựchiện quá trình hấp thu Dù sao tính chất thứ nhất của dung môi cũng không thểthiếu được 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, nếupha lỏng 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),kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, ít bị tắc nghẽn bởi cặnsinh 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 côngnghệ hoá học Trong tháp đĩa khí phân tán qua các lớp chất lỏng chuyển động

chậm từ trên xuống dưới, sự tiếp xúc pha riêng biệt trên các đĩa So với thápđệm thì tháp đĩa phức tạp hơn do khó chế tạo hơn và tốn kém chi phí nhiều hơnChia tháp đĩa (mâm) ra làm hai loại có ống chảy chuyền, khí và lỏngchuyển động riêng biệt từ đĩa nọ sang đĩa kia và không có ống chảy chuyền,khí và lỏng chuyển 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.…

3.7.2 Thiết bị loại bề mặt

Đây là loại thiết bị đơn giản nhất Trong thiết bị khí và chất lỏng chuyểnđộng ngược chiều nhau và tiếp xúc với nhau trên bề mặt của chất lỏng Loạinày có tiếp xúc pha bé thường dùng trong trường hợp khí hoà tan trong lỏng

Trong thiết bị có các bản xếp thẳng đứng song song với nhau, chất lỏng đi

từ trên xuống, chất lỏng chảy trên bề mặt khí đi từ dưới lên, ngược chiều

 Thiết bị hấp thụ dạng màng có những ưu điểm sau:

Trở lực nhỏ nhất so với các thiết bị hấp thụ khác, vận tốc chất lỏng lớn cókhi đạt đến 5m/s Bên cạnh đó, thiết bị này cũng có những hạn chế nên người ta

ít sử dụng, đó là hiệu suất hấp thụ thấp khi chiều cao lớn, khó phân bố đềutrong ống khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống, vì vậy nên lưu lượng vàotháp hấp thu 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 mặtbích hay hàn Trong tháp người ta đổ đầy đệm theo hai phương pháp: xếp ngẫunhiên hay xếp thứ tự Tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trong kỹ nghệ hóa học

để hấp thu, chưng cất, làm lạnh Người ta dùng nhiều loại đệm khác nhau, phổbiến nhất là loại đệm sau đây:

Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ

lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi và quá trình hấp thụ không tạo ra cặn lắng

Hình 5: Tháp đệm

3.7.4.2 Vật chêm

Hình 6: Vật chêm ngẫu nhiên

Hình 7: Vật chêm thứ tự

Hình 8: Lưới đỡ đệm

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

+ Vòng raschig: hình trụ rỗng bằng sứ hoặc kim loại, nhựa có đường kínhbằng chiều cao (kích thước từ 10 – 100mm).

+ Vật chêm hình yên ngựa có kích thước từ 10 – 75mm

+ 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

3.7.4.3 Ưu – nhược điểm của tháp đệm

Tháp đệm có những ưu điểm sau:

+ Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc khá lớn

+ Cấu tạo đơn giản

+ Trở lực trong tháp không lớn lắm

+ Giới hạn làm việc tương đối rộng.

Nhưng tháp đệm có nhược điểm quan trọng là khó làm ướt nhiều đệm.Nếu tháp 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 bộphận phân phối 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 đốilưu theo Capharop, thì quá trình truyền khối trong tháp đệm không chỉ được

xác định bằng khuyếch tán phân tử mà còn phụ thuộc nhiều vào chế độ thuỷđộng trong tháp

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 quátrình truyền khối được quyết định bằng khuyếch tán phân tử Khi tăng vận tốcthì lực lý trở nên cân bằng với lực hút phân tử, quá trình truyền khối không chỉđược khuyếch 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

độ khí Mặc dù lượng pha lỏng này tăng theo suất lượng pha lỏng Trong vùngtrong A và B, lượng chất lỏng bị giữ lại trong tháp tăng nhanh theo tốc độ khí,các chỗ trống trong tháp nhỏ dần và độ giảm áp pha khí tăng nhanh Vùng nàyđược gọi là vùng gia trọng Khi tốc độ tăng đến điểm B tại 1 mất lượng phalỏng không đổi thì có thể xảy ra: pha khí sủi bọt qua lớp chất lỏng tại bề mặtchêm, xảy ra hiện tượng đảo 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 quatháp chêm Cùng lúc đó pha khí lôi cuốn chất lỏng tăng mạnh và tháp ở trạngthái ngập lụt Độ giảm áp của pha khí tăng nhanh Sự biến đổi các điều kiệntrong cùng A đến B trên là dần dần, điểm ngập lụt thường được xác định bằng

sự thay đổi hệ số góc của đường biểu diễn Mặc dù theo thực nghiệm thì quátrình truyền khối trong giai đoạn sủi bọt là mạnh nhất nhưng vì trong giai đoạn

đó khó khống chế quá trình nên từ trước đến nay người ta vẫn cho tháp làmviệc trong vùng gia trọng ở chế độ màng, gần điểm ngập 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 đượcxác định theo phương trình Ergun:

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) d td 6(1 ε)

ρ : 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

'.

µ

=

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:

Hay Log AL = βL’

Giá trị của βđược đo ở sổ tay ứng với một loại vật đệm và chất lỏng sử dụng lànước và L’ là suất lượng nước cho 1 đơn vị tiết diện tháp, kg/m2.h

Hiện tượng ngập lụt trong tháp đệm:

Theo Zhavoronkov, hiện tương ngập lụt xảy ra khi hai nhóm số vô thứnguyên sau liên hệ với nhau, hình 11

Hình 11: Điểm lụt của tháp đệm theo quan hệ của 2 nhóm số vô thứ nguyên

0.2 2

0.5

2 ' '

G L

f V

g L G

µ, µn: độ nhớt của chất lỏng khác nước và độ nhớt của nước cP.

Hệ số truyền khối cho tháp đệm:

Shulman đã thiết lập nên các phương trình chuẩn số để tính các hệ sốtruyền khối trong tháp đệm

Với pha khí phương trình chuẩn số là:

G: suất lượng mol pha khí cho một đơn vị tiết diện tháp mol/m2.h

ds: đường kính hình cầu có cùng diện tích bề mặt với một vật chêm m.Với pha lỏng phương trình chuẩn số là: