Chương 2: Quá trình hấp thụ | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Quá trình & Thiết bị
Công nghệ Hoá học III
QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI
Chương 2: Quá trình hấp thụ
Giảng viên: Nguyễn Minh Tân
Bộ môn QT-­TB CN Hóa học & Thực phẩm
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nguyen.minhtan@gmail.com
Chương 2: Quá trình hấp thụ
1. Các khái niệm chung
Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng.
Khí được hút gọi là chất bị hấp thụ, chất
lỏng dùng để hút gọi là dung môi (hay chất
hấp thụ), khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.
Quá trình hấp thụ được dùng để : - Thu hồi các cấu tử quí, - Làm sạch khí,
- Tách hỗn hợp khí thành
từng cấu tử riêng biệt.
Chương 2: Quá trình hấp thụ
1. Các khái niệm chung
Ứng dụng điển hình
a) Tách Butadien từ hỗn hợp khí tổng hợp trong hoá dầu (hấp tụ vật lý)
b) Tách CO2 bằng Dung dịch Carbonat (K2CO3)
c) Tách SO2 từ khí thải bằng dung dịch Ca(OH)2
d) Tách CO2 từ khí thải bằng nước rửa có áp suất cao
e) Tách NH3 từ hỗn hợp với không khí bằng nước 3
Chương 2: Quá trình hấp thụ
1. Các khái niệm chung
Yêu cầu đối với dung môi:
• Có tính chất hoà tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hoà tan với một số cấu tử,
còn những cấu tử khác không có khả năng hoà tan hoặc hoà tan rất ít,
• Độ nhớt của dung môi phải bé, để giảm trở lực và tăng hệ số chuyển khối,
• Nhiệt dung riêng bé, để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi,
• Có nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của cấu tử hoà tan, để dễ dàng
phân riêng chúng qua chưng luyện,
• Có nhiệt độ đóng rắn thấp, để tránh hiện tượng đón rắn làm tắc thiết bị,
• Không tạo thành kết tủa khi hoà tan, để tránh tắc thiết bị và dễ thu hồi,
• ít bay hơi, để tránh tổn thất,
• Không đôc và ăn mòn thiết bị 4
Chương 2: Quá trình hấp thụ
2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ
Độ hoà tan của khí trong lỏng
Khí hoà tan trong lỏng sẽ tạo thành hỗn hợp hai cấu tử, có hai thành
phần và hai pha. Hệ thống như vậy theo định luật pha (φ=2, K=2, C=2-
2+2=2) được coi như hỗn hợp lỏng có hai thành phần. Cân bằng pha
được xác định bởi áp suất, nhiệt độ và nồng độ. Nếu nhiệt độ không
đổi, thì độ hoà tan phụ thuộc vào áp suất. Định luật Henry: y* = mx
Đối với khí lý tưởng, m là hằng số, dùng để biểu diễn quan hệ y* =f(x) là đường thẳng
Đối với khí thực, m phụ thuộc vào x, nên đường cân bằng là đường
cong. Hằng số cân bằng được tính : m=Ψ/P Với
Ψ- Hệ số Henry, P – Ap suất, at 5
Chương 2: Quá trình hấp thụ
2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ
Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ
Phương trình đường làm việc của
quá trình hấp thụ được lập trên cơ
sở của lý thuyết hai lớp màng. Đó
là lớp màn ngăn cách giữa pha lỏng
và khí. Qua lớp màn khí, khí trong
hỗn hợp sẽ khuyếch tán vào pha lỏng.
Khi tính cân bằng vật liệu, thường
người ta cho trước lượng hỗn hợp
khí, nồng độ đầu và cuối của khí bị
hấp thụ trong hỗn hợp khí và trong dung môi. 6
Chương 2: Quá trình hấp thụ
2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ
Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ
Gy - Lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ, Kmol/h, Yc
Gtr - Lượng khí trơ, Kmol/h. Yđ Lượng khí trơ: G Y −Y l = x = d c G X − X tr c d
Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ: Xđ Gtr(Yđ- Yc) = Gx (Xc-Xđ) Xc Y −Y
Lượng dung môi cần thiết: G = G d c x tr X − X c d
Lượng dung môi tối thiểu: Y −Y G = G d c x min tr X − X cb.d d
Xcb.đ- Nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí 7
Chương 2: Quá trình hấp thụ
2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ
Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ Yc
Trong quá trình hấp thụ, lượng dung môi thực tế
luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường lớn Yđ
hơn 20%. Nếu tính lượng dung môi theo 1 kg khí
trơ, có lượng dung môi tiêu hao riêng: G Y −Y x d c Xđ l = = G X − X tr c d Xc
Phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kỳ: Gtr (Y - Yc) = Gx (X – Xđ) G G
Y = x X +Y − x X G c G d tr tr Y = AX + B 8
Chương 2: Quá trình hấp thụ
2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ
Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ Y X c đ Yđ Đường làm việc Đường cân bằng Yc X X đ c Y X đ c Y = AX + B 9
Chương 2: Quá trình hấp thụ
2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ
Anh hưởng của lượng dung môi đến quá trình hấp thụ
Theo phương trình chuyển khối, lượng khí bị hấp thụ được tính: G= KyFΔYtb
- Đường làm việc BA4 cắt đường cân
bằng, lúc này động lực trung bình ΔYtb nhỏ nhất.
- Đường BA gần song song với trục tung,
nên động lực trung bình là lớn nhất.
Vì F ΔYtb không đổi nên ứng với đường
BA4 cho ra F lớn nhất và ứng với đường
AB có F bé nhất. Tương tự, tại A4 ta có Xc
lớn nhất và tại A có Xc bé nhất
Tương ứng với đường BA4 có A=Gx/Gy bé nhất (lượng dung môi bé nhất,
ứng với đường AB, Gx/Gy lớn nhất vì lượng khí trơ Gtr không đổi.
Chương 2: Quá trình hấp thụ
2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ
Nhiệt độ và áp chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình.
Chương 2: Quá trình hấp thụ
2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ
Hấp thụ không đẳng nhiệt
Nếu trong quá trình hấp thụ, do sự hoà tan của khí trong dung môi có
sản sinh một lượng nhiệt nhưng không được làm nguội, thì nhiệt độ
trong thiết bị tăng lên. Khi đó có quá trình hấp thụ không đẳng nhiệt
Trong thực tế người ta bỏ qua sự
nóng lên của pha khí và có thể chấp
nhận giả thiết: toàn bộ lượng nhiệt
chỉ dùng để làm nóng dung môi
đường cong OD của đường cân
bằng ở nhiệt độ tđ của dung môi, và
OC ứng với nhiệt độ cuối. Trong
thực tế, đường cân bằng sẽ là AB,
phụ thuộc vào sự biến thiên của nhiệt độ trong
Chương 2: Quá trình hấp thụ
2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ
Hấp thụ không đẳng nhiệt
Phương trình cân bằng nhiệt lượng: q Gk My = GXC (t – tđ) MX Trong đó:
q : lượng nhiệt được giải phóng của 1 kg khí khi hấp thụ, kJ/kg
Gk : lượng khí được hấp thụ, kmol/h
Gx : lượng dung môi, kmol/h
C : nhiệt dung của dung môi, J/kg độ
tđ, t : nhiệt độ của dung môi, °C
Mx, My: trọng lượng phân tử của khí và dung môi q.M Thay: G Y k = Gx (X-Xđ) t = t + (X − X d d ) q M c.M x
y (X – Xđ) = C.Mx (t –tđ)
Chương 2: Quá trình hấp thụ
3. Thiết bị hấp thụ
Yêu cầu căn bản là có bề mặt tiếp xúc lớn để tăng hiệu
suất của quá trình. Các thiết bị thường dùng trong sản xuất: - Thiết bị loại bề mặt - Thiết bị loại màng - Thiết bị loại phun -
Thiết bị loại đệm (tháp đệm) -
Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa)
Chương 2: Quá trình hấp thụ
3. Thiết bị hấp thụ
Thiết bị hấp thụ loại bề mặt
rất đơn giản. Trong thiết bị
khí và lỏng chuyển động
ngược chiều nhau và tiếp
xúc với nhau trên bề mặt thoáng của chất lỏng
- Bề mặt tiếp xúc pha bé, nên chỉ được dùng khi chất khí dễ hoà
tan trong lỏng (như hấp thụ khí hydroclorua bằng nước lạnh).
- Thường được lắp nối tiếp nhau thành từng dãy.
- Trong trường hợp cần làm nguội trong quá trình hấp thụ người
ta tưới nước lên bề mặt thiết bị hoặc nhúng toàn bộ thiết bị vào trong bể nước chảy.
Chương 2: Quá trình hấp thụ
3. Thiết bị hấp thụ
- Có cấu tạo giống thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm
- Chất lỏng chảy dọc theo thành
trong ống từ trên xuống, chất khí
đi từ dưới lên tiếp xúc với màng chất lỏng
- Quá trình hấp thụ được thực hiện
ở màng chất lỏng trên thành ống.
- Để lấy nhiệt toả ra khi hấp thụ
người ta cho nước lạnh vào khoảng giữa các ống
- Đường kính ống từ 25 đến 50 mm.
Chương 2: Quá trình hấp thụ
3. Thiết bị hấp thụ -
Gồm các bản xếp thẳng đứng song song với nhau ở khoảng cách nhất định
- Bản có thể được chế tạo bằng kim loại, chất dẻo, v.v. ...
- Chất lỏng đi từ trên xuống chảy thành màng trên bề mặt bản nhờ bộ
phân phối 2. Khí đi ngược chiều từ dưới lên. Ưu điểm: - Trở lực rất nhỏ -
Vận tốc chất lỏng lớn (5 m/s) Nhược điểm: -
Hiệu suất thấp khi chiều cao lớn -
Khó phân bố đều chất lỏng
được sử dụng tương đối rộng rãi, đặc biệt để chưng và hấp thụ ở áp suất chân không.
Chương 2: Quá trình hấp thụ
3. Thiết bị hấp thụ
- Loại này gồm thân và hệ thống vòi phun
- Những hạt chất lỏng được phun ra trong
thiết bị sẽ tiếp xúc với dòng khí đi từ dưới
lên và quá trình hấp thụ xaỷ ra
- Loại thiết bị này không phù hợp với khí khó hoà tan.
Chương 2: Quá trình hấp thụ
3. Thiết bị hấp thụ
Chương 2: Quá trình hấp thụ
3. Thiết bị hấp thụ Packed Column Tháp đệm được sử dụng cho quá trình hấp thụ, hấp phụ, chưng luyện và các quá trình khác. Tháp đệm hình trụ, bên trong có đổ đầy đệm.