Bài giảng Hấp Thụ

* Chương 2 Hấp Thụ * Giới thiệu Trong công nghiệp hóa chất có rất nhiều nguyên liệu và sản phẩm ở dạng khí hỗn hợp. Muốn tiếp tục gia công, chế biến các hỗn hợp khí ta cần làm sạch chúng khỏi các tạp chất hoặc tách chúng thành các cấu tử riêng biệt. Ví dụ: như sau khi hóa than ta thu đuợc hỗn hợp khí các chất N2 , H2, H2S, NH3, CO, CO2 … muốn dùng hỗn hợp ấy để tổng hợp NH3 để sản xuất phân đạm (Urê) ta phải tách chúng ra. Muốn tiếp tục gia công, chế biến các hỗn hợp khí ta cần làm sạch chúng khỏi các tạp chất hoặc tách chúng thành các cấu tử riêng biệt. Ví dụ: như sau khi hóa than ta thu đuợc hỗn hợp khí các chất N2 , H2, H2S, NH3, CO, CO2 … muốn dùng hỗn hợp ấy để tổng hợp NH3 để sản xuất phân đạm (Urê) ta phải tách chúng ra. * * Các phương pháp tách hổn hợp khí Có nhiều phương pháp để tách hổn hợp khí thành cấu tử. Phương pháp hóa học. Phương pháp cơ lý (dưa trên tính chất hóa lỏng ở các nhiệt độ khác nhau). Phuơng pháp hút: dùng chất lỏng hay chất rắn xốp để hút. Nếu dùng chất lỏng gọi là qúa trình hấp thụ, nếu dùng chất rắn thì qúa trình gọi là hấp phụ * Khái niệm hấp thu Hấp thụ là qúa trình hấp khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (Còn gọi là chất hấp thụ), khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ. * Ứng dụng Qúa trình hấp thụ đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó được ứng dụng để: Thu hồi các cấu tử qúy Làm sạch khí Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng Tạo thành sản phẩm cuối cùng * Dung môi và tính chất của dung môi Qúa trình hấp thu thực hiện được tốt hay xấu phần lớn là do tính chất dung môi quyết định. Các tính chất cần thiết của dung môi: * 1. Có tính chất hòa tan chọn lọc. Nghĩa là chỉ hòa tan với 1 hoặc 1 nhóm cấu tử, còn những cấu tử khác không có khả năng hòa tan hoặc hòa tan rất ít. * 2. Độ nhớt của dung môi bé. Để giảm trở lực và tăng hệ số chuyển khối * 3. Nhiệt dung riêng bé. Để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung môi * 4. Có nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan. Để dễ dàng phân riêng chúng qua chưng luyện * 5. Có nhiệt độ đóng rắn thấp Để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị * 6. Không tạo thành kết tủa khi hòa tan Để tránh tắc thiết bị và dễ thu hồi dung môi * 7. Ít bay hơi Để tránh tổn thất * 8. Không độc và ăn mòn thiết bị An toàn cho người và bảo vệ thiết bị * 2.1. Cơ sở vật lý của quá trình hấp thu 2.1.1. Độ hòa tan của khí trong lỏng Độ hòa tan của khí trong chất lỏng là lượng khí hòa tan trong một đơn vị chất lỏng. Độ hòa tan của khí trong chất lỏng phụ thuộc vào: Tính chất của khí và chất lỏng Nhiệt độ môi trường Áp suất riêng phần của khí trong hỗn hợp. * Định luật Henry-Đan tông Biểu thức: ycb = mx Khi tính toán hấp thụ, người ta thường dùng tỷ số mol, trong trường hợp này ta có: * 2.1.2. Cân bằng vật liệu của quá trình hấp thụ Gọi: Gd: lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thụ 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 kmol/h Xd: nồng độ đầu của dung môi kmol/kmoldung môi Xc: nồng độ cuối của dung môi kmol/kmol dungmôi Gtr: lượng khí trơ vào thiết bị kmol/h Yc: nồng độ cuối của hỗn hợp khí kmol/kmol khí trơ. Ltr: lượng dung môi đi vào thiết bị kmol/h Xd: nồng độ đầu của dung môi kmol/kmoldung môi Xc: nồng độ cuối của dung môi kmol/kmol dungmôi Gtr: lượng khí trơ vào thiết bị kmol/h * * Xác định lượng khí trơ * Phương trình cân bằng vật liệu (toàn tháp) Theo nguyên tắc: lượng khí pha lỏng thu được bằng lượng khí mất đi trong pha hơi. Gtr (Yd - Yc) = Ltr( Xc - Xd) Xác định lượng dung môi cần thiết: * Xác định lượng dung môi tối thiểu Lượng dung môi tối thiểu khi nồng độ chất tan trong dung môi đạt cực đại: * Xcmax -nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí. Xác định Xcmax Dựa vào đường cân bằng lỏng hơi. * Lượng dung môi tiêu hao riêng * Phương trình cân bằng vật liệu đối với khoảng thể tích thiết bị kể từ một tiết diện bất kì nào đó với phần trên của thiết bị. Gtr( Y - Yc ) = Ltr ( X - Xd ) Suy ra: * 2.2. Các thiết bị hấp thụ và tính toán * THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI BỀ MẶT Thiết bị hấp thụ loại bề mặt kiểu vỏ * THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI BỀ MẶT Thiết bị hấp thụ loại bề mặt kiểu ống * THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI BỀ MẶT Đặc điểm: Cấu tạo đơn giản nhất, bề mặt tiếp xúc nhỏ. Dùng cho khí có độ hòa tan lớn. * THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI MÀNG Thiết bị hấp thụ loại màng kiểu ống và kiểu tấm * * THIẾT BỊ HẤP THỤ LOẠI MÀNG Đặc điểm thiết bị hấp thụ loại màng kiểu tấm: Trở lực nhỏ nhất. Vận tốc chất lỏng đến 5m/s. Hiệu suất thấp khi chiều cao lớn Khó phân phối đều chất lỏng Ứng dụng nhiều, đặc biệt là chưng và hấp thụ ở áp suất chân không. * THÁP ĐỆM Tháp đệm và các loại đệm * * THÁP ĐỆM Vật liệu đệm: Tăng bề mặt tiếp xúc pha. → Tăng tốc độ truyền khối. → Tăng tổn thất áp suất. Chế độ làm việc: Chất lỏng chảy từ trên xuống theo bề mặt đệm, khí đi từ dưới lên tiếp xúc với pha lỏng trên màng nước trên bề mặt đệm. Theo vận tốc khí có chế độ dòng, quá độ và xoáy. Hiện tượng đảo pha (ngập lụt – khí sủi bọt trong lỏng): tốc độ truyền khối lớn, nhưng không ổn định. → Làm việc thực tế ở chế độ màng. * THÁP ĐỆM Yêu cầu với vật liệu đệm: Bề mặt riêng lớn (bề mặt trong một đơn vị thể tích đệm). Thể tích tự do lớn. Khối lượng riêng bé, bền hóa học. Ưu điểm: Hiệu suất cao vì bề mặt tiếp xúc lớn. Cấu tạo đơn giản, trở lực trong tháp không lớn lắm. Giới hạn làm việc tương đối rộng. Nhược điểm: Khó làm ướt nhiều đệm. → Tháp cao: phải có bộ phận phân phối lại chất lỏng. THÁP ĐĨA (MÂM) Tháp mâm chóp * THÁP ĐĨA (MÂM) Tháp mâm xuyên lỗ * THÁP ĐĨA (MÂM) Đặc điểm: Sự tiếp xúc pha diễn ra trên các mâm. Chất khí xuyên qua lỗ (chóp), sủi bọt trong chất lỏng trên đĩa. Chất lỏng chảy từ mâm trên xuống mâm dưới bằng ống chảy chuyền. Cấu tạo phức tạp và tốn nhiều vật liệu hơn tháp đệm. Ứng dụng trong hấp thụ, chưng cất. * SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HẤP THỤ