Tuần 6 -7: Hấp thụ | Bài giảng môn Quá trình thiết bị | Đại học Bách khoa hà nội

Tuần 6 -7: HẤP THỤ Do Xuan Truong truong.doxuan@hust.e du.vn
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer) I. KHÁI NIỆM
Trong công nghiệp có rất nhiều nguyên liệu, sản phẩm dạng khí, muốn chế
biến phải tách thành các cấu tử: Khí hóa than (N2, H2, CO, CO2, CH4,
H2S...); xử lý môi trường (tách SO2, Cl2, CO…).
Ba phương pháp tách hỗn hợp khí:
- Phương pháp tách hút (hấp thụ/hấp phụ vật lý)
- Phương pháp hóa lý (Hóa lỏng – chưng cất)
- Phương pháp hóa học (Hấp thụ hóa học) Mục đích:
- Thu hồi cấu tử quý (cần quá trình nhả) - Làm sạch khí
- Tách hỗn hợp khí thành các cấu tử riêng biệt (Cần quá trình nhả)
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer) I. KHÁI NIỆM Lựa chọn dung môi:
- Có tính hòa tan chọn lọc
- Độ nhớt bé, giảm trở lực và tăng hệ số chuyển khối
- Nhiệt dung riêng bé, tiết kiệm chi phí hoàn nguyên dung môi
- Có nhiệt độ sôi khác xa so với cấu tử hòa tan, có thể phân riêng bằng chưng luyện
- Có nhiệt đóng rắn thấp, có thể làm việc ở nhiệt độ thấp tăng hiệu quả
hấp thụ và tránh hiện tượng đóng rắn
- Không tạo kết tủa khi hòa tan
- Ít bay hơi, tránh mất mát và ô nhiễm
- Không độc và ít ăn mòn
Tuy nhiên không dung môi nào đạt tất cả yêu cầu trên, nên chọn dung môi
theo điều kiện kinh tế và điều kiện thực tế sản xuất
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
1. Độ hòa tan của khí trong lỏng
Theo quy tắc pha, khí hòa tan trong lỏng, số bậc tự do: C=2-2+2 = 2.
Cân bằng pha xác định: P,T, nồng độ
t=const, độ hòa tan phụ thuộc vào P Định luật Henry:
Tính toán hấp phụ: Nồng độ phần mol tương đối Y,X:
T tăng, hệ số Henry tăng
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
2. Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ Lượng khí trơ:
PTCBVL trong quá trình hấp thụ:
Lượng dung môi cần thiết: Xcbd: nồng độ cân bằng
Lượng dung môi tối thiểu:
đầu ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
2. Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ
- Lượng dung môi thực tế = 120% lượng dung môi tối thiểu.
- Lượng dung môi tính theo 1 kg khí trơ (kmol/h.kg khí trơ):
PTCBVL ở tiết diện F bất kỳ: PT Cân bằng theo ĐL Henry:
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
3. Ảnh hưởng của lượng dung môi đến quá trình hấp thụ PT chuyển khối: PT đường làm việc: PT đường cân bằng:
Trong điều kiện nhất định: G =const, Ky = const
F chỉ thay đổi tương ứng với ΔYtb
Điều kiện đầu: Yd, Yc, Xd cố định.
Xc phụ thuộc vào ΔYtb: A1, A2, A3, A4.
Tại A4, ΔYtb nhỏ nhất, F cần lớn nhất,
Xc lớn nhất, lượng dung môi Gx bé nhất.
Chọn Gx bé, Xc lớn, tuy nhiên F lớn Xcbd
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến quá trình hấp thụ
Nhiệt độ và áp suất ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng và động lực của QT hấp thụ Nhiệt độ tăng, Hệ số Henry tăng, ycb tăng
(gần trục tung), động lực HT giảm. P tăng, ycb giảm, động lực HT tăng
QT Hấp Thụ diễn ra ở nhiệt độ
t1thấp, áp suất cao
P1>P2>P3: Áp suất lớn, động lực lớn
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
5. Hấp thụ không đẳng nhiệt
- Sự hòa tan của khí trong dung môi, tỏa nhiệt, nhiệt độ thiết bị tăng, hấp thụ không đẳng nhiệt.
- Trong tính toán bỏ qua sự tăng nhiệt độ pha khí, chấp nhận giả thiết toàn bộ
nhiệt tỏa ra làm nóng dung môi.
Đường cân bằng thực tế: AB
Phương trình cân bằng nhiệt lượng:
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
II. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH HẤP THỤ
5. Hấp thụ không đẳng nhiệt
Phương trình cân bằng nhiệt lượng: Thay:
Nhiệt độ của dung dịch được tính:
Nhiệt độ của dung dịch phụ thuộc vào nồng độ khí hấp thụ X
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN 1. Khái niệm Phân loại:
- 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)
Trong chưng luyện, thiết bị phổ biến nhất là tháp đệm và tháp đĩa
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN
2. Thiết bị hấp thụ loại bề mặt
Thiết bị hấp thụ loại bề mặt đơn giản, bề mặt tiếp xúc pha bé, chỉ dùng khi chất
khí hòa tan trong lỏng tốt: hấp thụ HCl bằng nước lạnh. Có thể lắp thành dãy, làm
nguội bằng cách tưới hoặc nhúng trong nước lạnh
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN
3. Thiết bị hấp thụ loại màng
Thiết bị hấp thụ loại màng: phân loại thành loại ống và tấm
Loại ống: giống tb trao đổi
nhiệt ống chum. Chất lỏng chảy
từ trên xuống, khí từ dưới lên.
Nước lạnh bên ngoài ống để lấy
nhiệt tỏa do hấp thụ. Đường kính ống 25-50 mm.
Loại tấm: Các bản xếp thẳng
đứng song song, lỏng chảy từ
trên xuống thành màng nhờ bộ
phân phối, khí đi từ dưới lên.
Ưu điểm: Trở lực nhỏ, vận tốc lỏng lớn 5m/s
Nhược điểm: Hiệu suất thấp khi chiều cao lớn, khó phân bố đều lỏng
Ứng dụng rộng rãi đặc biệt để chưng và hấp thụ ở áp suất chân không
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN
3. Thiết bị hấp thụ loại màng
Tính toán: Đường kính, vận tốc lỏng, vận tốc hơi/khí, trở lực, hệ số chuyển khối Ux: mật độ tưới kg/m.s
Gx: lưu lượng lỏng kg/h; L: chiều dài ống/tấm Trở lực: Hệ số chuyển khối:
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN
4. Thiết bị hấp thụ loại phun - Scrubber
Bao gồm: thân, vòi phun, sử dụng rộng rãi trong xử lý khí thải
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN
5. Thiết bị hấp thụ cơ học
Chất lỏng bắn ra dạng hạt tiếp xúc với khí, khí chuyển động theo đường ngoằn ngoèo.
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN
6. Tháp đệm – Packing distillation/absorption column
Tháp đệm rất phổ biến sử dụng cho quá trình hấp thụ, hấp phụ, chưng luyện, giải
hấp thụ… Hình trụ, có đổ đầy đệm. Ưu điểm: - Có bề mặt tiếp xúc pha lớn. - Cấu tạo đơn giản - Trở lực nhỏ - Giới hạn làm việc rộng Nhược điểm:
- Khó làm ướt đều đệm, cần phân phối lỏng
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN 6. Tháp đệm
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN 6. Tháp đệm
Đệm có nhiều loại: Đệm vòng, hạt, xoắn, lưới gỗ
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)
III. THIẾT BỊ HẤP THỤ - CHƯNG LUYỆN
6. Tháp đệm – Packing distillation/absorption column Đặc điểm của đệm: - Có bề mặt riêng lớn - Thể tích tự do lớn - Khối lượng riêng bé - Bền hóa học - Bền nhiệt
Đệm có thể đổ lộn xộn (randomic packing) hoặc có cấu trúc (structured packing)
Quá Trình thiết bị III – Phân riêng dưới tác dụng của nhiệt (Mass transfer)