Hấp thụ thực tập quá trình và thiết bị

Nếu độ chênh áp tăng quá cao thì sẽ gây nên hiện tượng ngập lụt làm tăng hiệu suất, nhưng năng suất thấp.- Hiệu suất thấp do lượng khí CO2 cung cấp vào tháp không cao, xa lượng khí cung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ

PHÚC TRÌNH THỰC TẬP QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

HẤP THỤ

Ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học K43

Tháng 06/2020

1 Kết quả thí nghiệm:

− Lưu lượng dung môi: 50(L/h)

− Lưu lượng không khí: 700(NL/h)

Áp suất khí trơ vào (bar) 1.08

Áp suất khí CO2 vào (bar) 0.97

a) Tính thành phần ra của khí:

 Đối với khí trơ

Lưu lượng khí trơ: Q = 700NL/h

Nhiệt độ của khí: TE2 = 30.4oC =>T = 303.4K

Áp suất của khí: p = po+pdư =1bar +1.08bar = 2.08bar (với po = 1bar)

Lưu lượng khí trơ tính theo L/h:

p

T h

NL Q

08.233.269

4.303700

33.269/

08 2 273 293

.

P T

P T

Lượng khí nạp vào tháp:

M

h m Q m

kg h

kmol G

kk

29

379.05.2/

//

3 3

Nhiệt độ của khí CO2: TE2 = 30.4oC =>T = 303.4K

Áp suất của khí: p = po+pdư =1bar + 0.97bar = 1.97bar (với po = 1bar)

Lưu lượng khí trơ tính theo L/h:

( ) ( ) (L h)

p

T h

NL Q

97.133.269

4.303200

33.269/

97 1 273 9768

.

P T

P T

1144.057.3//

2

3 3

G CO CO CO 9.3 10 3 0.033 0.03 10 2 9.31 10 3 /

2 2

*

Nồng độ đầu của của pha khí:

282.0033.0

1031

G

G Y

(kmol khí CO2/kmol khí trơ)Giả thuyết rằng lượng nước đi vào tháp là tinh khiết không lẫn CO2, khi đó nồng độ đầu

1052.4765.20765.2282.0033

=

−+

tr

c

c c tr đ

đ

tr

G

LX LX Y

G

Y

LX Y G LX

0

278 0 282

Nhiệt dung riêng của nước: C=4.186J/kg.độ=17.9cal/mol.độ

Xc=4.52 x 10-5 kmol/kmol dung môi, Xd=0

q: Nhiệt phát sinh của 1 mol cấu tử bị hấp thụ (cal/mol)

X X

T T C q X

đ c đ

c đ

10 52 4

5 30 4 30 9 17 ) (

Nồng độ phần thể tích của CO2

22.0200

700

2000003

hh

.10

4

1272

9.6178.05.11522.0

9.6110186278.05.11510

9.612

5.1151

8

8 8

×

×

×

×+

×

×

×+

×

×

=

νν

ηνη

.66249

98

0

3856.162

.0

)62.01(10003

.062

.0

)62.01(100010

4.127236.64

3

2 2

8

s m V

V V

V V

g g g

g g

=

⇔+

- Độ chênh áp không lớn (25mmH2O) Nghĩa là độ chênh lệch áp suất giữa đỉnh và đáp tháp không lớn Nếu độ chênh áp tăng quá cao thì sẽ gây nên hiện tượng ngập lụt làm tăng hiệu suất, nhưng năng suất thấp.

- Hiệu suất thấp do lượng khí CO2 cung cấp vào tháp không cao, xa lượng khí cung cấp

để xảy ra ngập lụt, đạt hiệu suất cao

- Thể tích HCl đã dùng có sự chênh lệch lớn giữa 2 lần chuẩn độ đầu và cuối do trong quá trình chuẩn độ, lượng CO2 bị thất thoát ra môi trường (quá trình nhả hấp thụ) Thêm vào đó, thao tác thực hiện của người chuẩn độ không chuẩn xác trong quá trình lấy mẫu

và cho mẫu vào bình tam giác bằng pipet giữa các lần đo

3 Bàn luận

(Lê Thị Ái Ni –B1706402)

Câu 1: Hiệu suất của quá trình hấp thụ thấp.

Giải thích:

- Sự tương tác giữa hai pha lỏng và pha khí chưa tốt Thời gian tiếp xúc ngắn

- Do dung môi không tinh khiết, làm sai số trong quá trình làm thí nghiệm

- Do vật chêm bị đóng rong, đường ống dẫn khí CO2 hở làm ảnh hưởng đến quátrình tiếp xúc hai pha dẫn đến sai số thí nghiệm

- Sai số thao tác: thao tác cho NaOH vào sản phẩm chậm làm cho CO2 dễ dàngphân ly lại thành khí và bay ra ngoài Sai số trong quá trình chuẩn độ

- Ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ: Do nhiều nhóm thực hành liên tiếp trêntháp, do quá trình đóng mở van chưa hợp lý trong quá trình làm thí nghiệmdẫn đến áp suất, nhiệt độ trong tháp bị thay đổi, không ổn định Làm ảnhhưởng đến hiệu suất hấp thụ

- Khả năng hòa tan của CO2 trong dung môi hấp thụ là nước thấp

Câu 2: Một số giải pháp nhằm tăng hiệu suất hấp thụ

- Thay đổi dung môi mới có tính hấp thụ tốt hơn

- Thay đổi điều kiện vận hành bằng cách:

+ Tăng áp suất trong điều kiện cho phép của thiết bị

+ Hạ thấp nhiệt độ của dung môi trước khi đưa vào tháp

+ Hạ nhiệt độ của dòng hoàn lưu

- Tuy nhiên, hai thông số nhiệt độ và áp suất là hai thông số phụ thuộc vào nhau

do đó cần chọn một điều kiện tối ưu cho quá trình

Câu 3:Kích thướt vật chêm có ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ?

- Kích thướt vật chêm có vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng đến quá trình hấp

thụ: ảnh hưởng đến diện tích bề mặt tiếp xúc pha

+ Hình dạng: Hình trụ trò

+ Kích thướt tỉ lệ tương đối so với tháp: đường kính vật chêm phải thõa mãnđiều kiện: d/ø= 1/15 → 1/8 Tốt nhất là 1/10 để giảm hiệu ứng chảy thành làmgiảm hiệu suất

- Nên sử dụng các vật chêm có kích thướt khác nhau để tránh trường hợp cản

khí, dung môi Bên cạnh đó có thể sắp xếp vật chêm có kích thướt lớn ở dưới,tránh rớt vật chêm mà có thể thiết kế lưới đỡ đệm vừa phải không quá khíchlàm cản khí và dung môi

Câu 4: Việc sử dụng không khí có nhiều loại khí khác nhau, trong đó có hàm lượng khí CO 2 , mục đích là gì?

- Để kiểm chứng dung môi nước có đạt yêu cầu về độ chọn lọc cao của dung

môi thông qua hiệu suất và nâng suất của quá trình

Câu 5: Tại sao khi lấy sản phẩm ra chuẩn độ ta cho NaOH vào ngay khi lấy?

- Do H2CO3 là một acid rất yếu nên sẽ bị phân hủy trở lại theo phương trình:

- Cho NaOH vào, NaOH sẽ giữ CO2 lại trong dung dịch, giảm tối đa lượng CO2thoát ra ngoài làm giảm hiệu suất phản ứng

Câu 6: Trên phần thân thiết bị có các cặp van khóa, chúng có ý nghĩa gì?

- Hai van đối xứng để dự phòng trường hợp có một van bị hỏng.

- Kiểm tra nồng độ sản phẩn ở từng đoạn xem quá trình hấp thụ có diễn ra tốtkhông Dễ điều chỉnh, tìm ra chổ không ổn trong quá trình

- Thu sản phẩm với nồng độ mong muốn

Câu 7: Van phụ trên đỉnh tháp có nhiệm vụ gì?

- Dùng để cân bằng áp suất bên trong tháp và áp xuất khí quyển

- Trường hợp xảy ra ngập lụt lên đến đỉnh tháp thì mở van phụ giúp làm giảmquá trình ngập lụt, tránh bọt khí và nước tràn ngược về bình cấp liệu

Câu 8: Hiện tượng ngập lụt là gì? Xảy ra khi nào? Ảnh hưởng? Cách khắc phục?

- Hiện tượng ngập lụt xảy ra khi suất lượng khí hoặc lỏng hoặc cả 2 cho vàonhiều Làm cho áp suất đáy lớn hơn áp xuất ở đỉnh, trong khi nước di chuyển

từ nơi có áp cao đến nơi áp thấp Nên nước bị đẩy dâng lên gây ra hiện tượngngập lụt Dấu hiệu nhận biết hiện tượng ngập lụt xảy ra:

+ Tại đỉnh tháp lượng khí sủi bọt rất mạnh

+ Tại vị trí ống chữ U ta quan sát thấy độ chênh lệch áp suất rất lớn

- Ảnh hưởng của hiện tượng ngập lụt xảy ra:

+ Ưu điểm: tăng hiệu suất quá trình hấp thụ Do áp suất tăng, sự hòa tan vàkhuếch tán của khí vào lỏng tăng

+ Nhược điểm: Hệ thống hoạt động không ổn định Nâng suất thấp Chênhlệch áp suất giữa đỉnh tháp và đáy tháp lớn không an toàn trong lúc vận hành

- Khắc phục: giảm lưu lượng pha khí hoặc pha lỏng khi một trong hai có lưulượng lớn, hoặc giảm lưu lượng cả 2

Câu 9: Vận hành thiết bị ở chế độ nào thì hiệu suất hấp thụ cao nhất?

- Tháp hoạt động ở chế độ ngập lụt thì hiệu suất của quá trình hấp thụ là caonhất Tuy nhiên, khi áp suất trong tháp tăng cao, đòi hỏi thiết bị phải có độ bền,

độ dày,… đòi hỏi kỹ thuật gia công cao và làm tăng chi phí thiết bị

→ Vì vậy, trên thực tế người ta vận hành tháp ở chế độ gần ngập lụt, bằng cáchtăng lượng khí lên từ từ khi vừa xuất hiện bọt khí thì sẽ giảm từ từ Bằng cáchnày, hiệu xuất quá trình xấp xỉ hiệu xuất ngập lụt

Câu 10: Khi thay không khí bằng khí trơ (N 2 , He, Ar, ) thì quá trình hấp thụ sẽ như thế nào?

- Khi thay không khí bằng khí trơ (N2, He, Ar, ) quá trình hấp thụ sẽ tốt hơn dokhí trơ sẽ không bị nước hấp thụ, chỉ đóng vai trò là khí mang kéo dòng CO2vào tháp Vì CO2 nặng hơn không khí nên cần phải có khí trơ mang kéo CO2lên để tiếp xúc pha

- Khí trơ làm tăng áp suất dẫn đến tăng khả năng khuếch tán và hòa tan của CO2vào nước tăng mà không xuất hiện phản ứng phụ thì hạn chế ảnh hưởng

Câu 11: Tại sao tháp hấp thụ lại được chia thành nhiều đoạn?

- Tháp hấp thụ được chia thành nhiều đoạn nhằm mục đích:

+ Dễ lắp đặt sửa chữa, ít tốn kém chi phí sửa chữa Khi có hư hỏng chỉ cầnthay đoạn hư không cần thay cả tháp chêm

+ Dễ vệ sinh, dễ cho vật chêm vào, sắp xếp hợp lý

+ Tăng độ cứng cho tháp

+ Tăng diện tích tiếp xúc pha, do khi đi qua các mâm đỡ thì dòng nước đượcphân bố lại (do tính dễ chảy thành và hướng tâm của nước), để thấm ướt đồngđều vật chêm, làm tăng diện tích tiếp xúc, tăng hiệu suất hấp thụ

Câu 12: Tại sao ta cho dung môi vào trước?

- Cho dung môi vào trước để dung môi điền đầy, thấm ướt đồng đều vật chêmgiúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha lỏng khí, trạng thái ổn địnhđược thiết lập nhanh hơn

Câu 13: Tại sao nước đi từ trên xuống mà khí đi từ dưới lên?

- Do nước có xu hướng chảy từ trên cao xuống thấp, còn khí thì nhẹ có thể bay

từ dưới lên Bằng cách cho nước và khí đi như vậy vừa có thể tăng diện tíchtiếp xúc mà còn giúp tiết kiệm chi phí vận hành, thiết kế

Câu 14: Tại sao không thu dung môi phần dưới đáy tháp hấp thụ qua van mà phải chuyển qua bình chứa sản phẩm hấp thụ?

- Nếu lấy sản phẩm ở đáy tháp thì tại vị trí của thiết bị trao đổi nhiệt sẽ không

ổn định Nếu mở van dưới đáy tháp thì áp suất khí trời dễ dàng thâm nhập vàotháp dẫn đến áp suất bị thay đổi, không ổn định

- Khi lấy sản phẩm trực tiếp ở đáy tháp, sản phẩm sẽ dễ dàng bị pha trộn vớinước chảy từ trên xuống

→ Vậy nên chuyển sản phẩm qua bình chứa sẽ là tốt nhất không ảnh hưởng đến sự ổnđịnh của tháp hấp thụ

Câu 15: Tại sao phải dùng thiết bị trao đổi nhiệt dưới đáy tháp?

- Thiết bị trao đổi nhiệt là để điều chỉnh nhiệt độ đầu vào của nước thích hợp khicho vào tháp

- Khi nhiệt độ trong thiết bị quá cao làm xảy ra quá trình nhả hấp thụ thì ta cóthể giảm nhiệt độ thông qua thiết bị trao đổi nhiệt

- Ngoài ra cũng có những quá trình thu nhiệt, cần nhiệt cao thì phải có thiết bịtrao nhiệt trong tháp

Câu 16: Có bao nhiêu loại tháp hấp thụ? Tháp được sử dụng trong thí nghiệm là tháp gì?

- Thiết bị hấp thụ thường dùng là thiết bị loại đệm và thiết bị loại mâm, trong bàithí nghiệm này ta sử dụng loại đệm

- Ưu và nhược điểm của tháp chêm:

+ Cấu tạo đơn giản

+ Diện tích tiếp xúc pha lớn

+ Hệ số trở lực của hệ thống thấp

+ Hiệu suất của quá trình hấp thu cao

nên khi đưa dung môi vào trong đỉnh tháp là rất khó khăn, tạo ra nhữngvùng chết mà chất lỏng không thể tới được

Phạm Thị Hồng Quyên –B2706409

1 Tại sao hiệu suất của quá trình hấp thụ thấp?

− Sai số hệ thống: vật chêm bị dính bẩn, đường ống dẫn khí CO2 bị hở, máy nénkhí hoạt động kém, ảnh hưởng đến sự tương tác giữa hai pha

− Ảnh hưởng của áp suất: khi áp suất tăng các phân tử CO2 tương tác với cácphân tử nước và thời gian tiếp xúc giữa hai pha tăng lên dẫn đến động lực củaquá trình truyền khối tăng hay quá trình hấp thụ diễn ra tốt hơn

− Ảnh hưởng của nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng các phân tử CO2 tương tác với phân

tử nước kém hơn, mức độ xáo trộn tăng, thời gian tiếp xúc giữa hai pha ngắn,động lực quá trình truyền khối giảm, ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ (xảy raquá trình nhả hấp thụ do nhiệt độ tăng)

− Sự tương tác giữa pha lỏng và pha khí chưa tốt, khả năng hòa tan khí CO2trong dung môi hấp thụ là nước thấp

2 Kích thước của vật chêm cần phải thỏa mãn yêu cầu nào?

− Diện tích bề mặt riêng lớn → bề mặt tiếp xúc pha lớn

− Độ rỗng (hay thể tích tự do) lớn → giảm trở lực cho pha khí

− Đường kính vật chêm phải thỏa điều kiện: Tốt nhất là → giảm hiệu ứngthành Hiệu ứng thành là hiện tượng chất lỏng có xu hướng chảy từ tâm rathành thiết bị, nên khó phân phối đều chất lỏng theo chiều cao tháp, điều này sẽlàm giảm sự tiếp xúc giữa hai pha, dẫn đến giảm hiệu suất truyền khối Hiệuứng thành thiết bị càng lớn khi đường kính thiết bị càng lớn

3 Vật chêm có 2 kích thước khác nhau (phần dưới kích thước lớn và phía trên nhỏ)?

Chịu lực để giữ phần phía trên được cố định, để giảm trở lực của dòng chay.Đồng thời, để các vật chêm có kích thước nhỏ không bị rơi xuống đĩa đệm

4 Tháp hấp thụ được chia thành nhiều đoạn, tại sao?

− Trong quá trình dung môi đi qua tháp sau một đoạn thì dung môi không cònđược phân bố đều Do đó, tháp được chia thành nhiều đoạn khác nhau tạinhững khoảng trống giữa hai đoạn có lắp vỉ nhằm phân phối lại chất lỏng Vìdung môi đi một đoạn đường dài chỉ chảy xung quanh thành và hướng tâm

− Dễ nhập liệu cũng như lấy sản phẩm phân đoạn

− Khi chia tháp ra thành nhiều đoạn, tải trọng của vật chêm sẽ được chia ra làmnhiều phần tương ứng với số đoạn làm giảm bớt tải trọng của vật chêm tácdụng lên đáy của thiết bị Tăng độ cứng cho cột tháp

− Ngoài ra, việc chia đoạn còn giúp cho quá trình tháo lắp, vệ sinh được dể dàng

5. Tại sao phải cho dung môi vào trước?

Cho dung môi vào trước để dung môi đổ đầy, thấm ướt vật chêm giúp tăng diệntích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha lỏng - khí, trạng thái ổn định được thiết lập

nhanh hơn

6 Tại sao không lấy trực tiếp sản phẩm từ bình thu hồi mà phải lấy tại đường ống nối với đáy thiết bị trao đổi nhiệt?

− Nếu lấy sản phẩm từ đáy tháp tại vị trí của thiết bị trao đổi nhiệt sẽ không ổnđịnh, mở van ở đáy tháp sẽ thông với khí trời dẫn đến áp suất không ổn định tại

vị trí mở van

− Nếu lấy sản phẩm tại bình chứa sẽ không thu được mẫu tại thời điểm đang xét,

vì sản phẩm có thể hòa trộn với lượng nước chay từ đỉnh tháp xuống

Như vậy, lấy sản phẩm từ ống nối với đáy thiết bị trao đổi nhiệt là cách làm tối ưunhất, không ảnh hưởng đến độ ổn định của tháp

7 Trên phần thân tháp có lắp các cặp van khóa, chúng có ý nghĩa gì?

− Để kiểm tra nồng độ sản phẩm xem quá trình hấp thu đang diễn ra trong thiết bị,

có ổn định hay không, để điều chỉnh quá trình thu được sản phẩm với nồng độmong muốn

− Dùng lấy mẫu ở các mâm để kiểm tra quá trình hấp thụ của tháp Ta thấy có haivan đối xứng để phòng trường hợp có một van bị hỏng

8 Máy bơm được lắp vào thiết bị nhằm mục đích gì?

Khi sản phẩm chưa đạt như yêu cầu thì sẽ được bơm hoàn lưu đỉnh tháp cho hấpthụ thêm một phần nữa, nhằm đạt hiệu suất cao hơn

9 Tại sao phải trộn CO 2 và không khí vào nhau lúc đưa pha khí vào tháp?

− Muốn thiết bị hấp thụ chọn lọc khí CO2 ra

− Khí CO2 nặng hơn không khí nên cần có khí trơ để kéo CO2 đi lên đỉnh thápchêm tạo sự tiếp xúc pha

− Để tiết kiệm chi phí, dung không khí như khí trơ

10 Tại sao nước đi từ đỉnh xuống đáy tháp, còn khí thì ngược lại?

Nước thông thường chảy từ cao xuống thấp, để tiết kiệm chi phí vận hành Cònkhí nhẹ có xu hướng bay từ dưới lên Để tăng diện tích tiếp xúc hai pha làm tănghiệu suất hấp thụ

11 Áp kế chữ U có chức năng gì?

Áp kế chữ U dung để đo độ chênh lệch áp của đỉnh và đáy tháp, giúp người vậnhành nắm được quy trình làm việc có ổn định hay không và nhận biết được hiệntượng ngập lụt

12 Hiện tượng ngập lụt trong hấp thụ là gì? Khi nào xảy ra và ảnh hưởng như thế nào? Cách khác phục?

− Hiện tượng ngập lút xảy ra khi suất lượng khí hoặc lỏng hoặc cả hai cho vàonhiều, làm cho áp suất ở đáy lớn hơn áp suất ở đỉnh, mà nước đi từ nơi có áp

suất cao đến nơi có áp suất thấp nên nước bị đẩy dâng lên gây ra hiện tượngngập lụt

− Dấu hiệu: xuất hiện sủi bọt khí mạnh ở đỉnh tháp, độ chênh lệch áp ở ống chữ

U, khí mang nước tràn ra, mực nước ở dưới đáy giảm xuống nhanh chống

− Cách khắc phục: giảm lưu lượng nước, tăng lưu lượng khí

13 Giải thích lý do khi xảy ra hiện tượng ngập lụt thì hiệu suất hấp thụ cao?

Khi hiện tượng ngập lụt xảy ra áp suất ở đáy tháp lớn, làm cho nước trên đỉnhtháp không thể chảy xuống được, và lúc này ở đáy tháp lượng khí CO2 được nạpliên tục làm nồng độ CO2 tăng lên, sự tiếp xúc pha của nước và khí ở đáy tháp lúcnày cũng tăng, dẫn đến sự hòa tan và khuếch tán của chất khí vào chất lỏng tăng,giúp hiệu suất tăng

14 Vì sao cần đặt thiết bị trao đổi nhiệt

Vì quá trình hấp thụ sinh ra một lượng nhiệt, mà khi nhiệt độ tăng lên thì hấp thụ

sẽ giảm và có thể dẫn đến quá trình nhả hấp thụ, do đó cần có thiết bị trao đổinhiệt để hạ nhiệt độ khi cần thiết

15 Tại sao trên đỉnh tháp có lắp thêm van phụ?

− Để cân bằng áp suất bên trong và ngoài tháp

− Khi có hiện tượng ngập lút, lên tới đỉnh thì mở van để nước thoát ra làm giảmngập lụt, không cho bọt khí và dung dịch tràn ngược về ống chất lỏng đầu vào

16 Những yếu tố nào ảnh hưởng đến kết quả chuẩn độ

− Khi lấy mẫu để chuẩn độ, thao tác chưa đủ nhanh làm CO2 bị thất thoát, đồngthời hiệu suất hấp thụ không cao nên làm cho kết quả không chính xác

− Qúa trình thao tác cũng như khả năng quan sát sự chuyển màu dung dịch củangười chuẩn độ, có thể chưa thật chuẩn xác hoặc do sự sai lệch của dung dịchchuẩn độ

17 Khi lấy sản phẩm ở đáy ra phải cho NaOH ngay và tiến hành chuẩn độ liền Tại sao?

Do thời gian tiếp xúc giữa dung môi và dòng khí ngắn, nên hiệu suất của quá trìnhkhông cao, lượng khí CO2 có trong dung dịch rất ít, đồng thời CO2 trong nước làmột acid rất yếu nên dễ dàng bị phân ly trở lại thành khí CO2 và bay ra ngoài Vìvậy khi cho NaOH vào, NaOH sẽ giúp giữ tối đa lượng CO2 trong sản phầm bịthoát ra ngoài, đồng thời phải chuẩn độ liền để đảm bảo kết quả chuẩn độ chínhxác, sản phẩm để càng lâu thì lượng CO2 bị thoát ra càng nhiều, sẽ dẫn đến sự sailệch trong kết quả chuẩn độ, khi đó lượng dung dịch HCl dùng để chuẩn cần mộtlượng lớn hơn

(Nguyễn Chí Thành –B1706416)