Chương 2: Quá trình hấp thụ - TaiLieu.VN

1

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

[email protected]

1. Các khái niệm chung Chương 2: Quá trình hấp thụ

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.

2

3


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

4


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

3

5

2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ Chương 2: Quá trình 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

6


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.

4

7


Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ Gy - Lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ, Kmol/h, Gtr - Lượng khí trơ, Kmol/h.

Yđ

Yc

Xc

Xđ Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ: Gtr(Yđ- Yc) = Gx (Xc-Xđ) Lượng dung môi cần thiết:

Lượng khí trơ: l = Gx

Gtr

=Yd −YcXc − Xd

Gx =GtrYd −YcXc − Xd

Lượng dung môi tối thiểu:

Gxmin =GtrYd −YcXcb.d − Xd

Xcb.đ- Nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí

8



Yđ

Yc

Xc

Xđ

Trong quá trình hấp thụ, lượng dung môi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường lớn hơn 20%. Nếu tính lượng dung môi theo 1 kg khí trơ, có lượng dung môi tiêu hao riêng:

l = Gx

Gtr

=Yd −YcXc − Xd

Phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kỳ: Gtr (Y - Yc) = Gx (X – Xđ)

Y = Gx

Gtr

X +Yc −Gx

Gtr

Xd

Y = AX + B

5

9



Yđ

Yc

Xc

Xđ

Y = AX + B

Đường cân bằng

Đường làm việc

Yđ

Yc

Xc Xđ


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.

30

3. Thiết bị hấp thụ Chương 2: Quá trình hấp thụ

- Tháp đĩa không có ống chảy chuyền cũng có nhiều loại phụ thuộc vào cấu tạo của đĩa và lỗ trên đĩa, song chủ yếu có hai loại là : đĩa lỗ và đĩa rãnh - Được cấu tạo bởi các ngăn và tấm phẳng, trên có nhiều lỗ tròn được bó trí đều -  Lỗ có đường kính 2-8mm phụ thuộc vào chất lỏng


-  Tháp đĩa rãnh là đĩa gồm nhiều thanh ghép lại với nhau tạo ra các khe hở 3-4mm; cũng có thể là những ống ghép song song với nhau tạo nên các rãnh.

-  Kết cấu ống có lợi là có thể cho nước lạnh hoặc hơi đốt đi trong ống để làm lạnh hoặc đun nóng trong quá trình hấp thụ.

-  Ngoài ra đĩa còn có cấu tạo hình sóng trên có lỗ. Các sóng gần nhau hợp thành một góc 90°. Hơi đi từ dưới lên qua lỗ ở phần sóng lồi, còn lỏng đi từ trên xuống qua lỗ của phần sóng lõm.

31


-  Tiết diện tự do của đĩa được lấy bằng 10-30% tiết diện đĩa, tuỳ thuộc vào chất lỏng sạch (10%) hay bẩn (30%), tức ở đường kính lỗ có thể là 2mm hay 8mm

- Đối với tháp rãnh, mỗi rãnh có thể dài đến 150mm. Loại tháp nàycó năng suất cao.


Chế độ thuỷ động tháp đĩa lỗ và đĩa rãnh không có ống chảy chuyền: - Chế độ thấm ướt đĩa: ở chế độ này có vận tốc khí bé, nên khí và lỏng không đi qua cùng một lỗ. Vì vậy chúng tiếp xúc nhau trên màng chất lỏng. - Chế độ sủi bọt : Khi tăng vận tốc khí đến giới hạn nào đó, trên đĩa ngoài chất lỏng còn có bọt. - Chế độ huyền phù : Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, thì chất lỏng trên đĩa không còn nữa mà chỉ có bọt. Lớp bọt xoáy mạnh. - Chế độ sóng : Vận tốc khí tăng đến giới hạn cao, thì xuất hiện các tia khí, gây chấn động, trở lực của đĩa tăng nhanh. Cuối chế độ này, tức nếu tiếp tục tăng vận tốc khí, sẽ có hiện tượng chất lỏng bị cuốn theo và không chảy xuống đĩa dưới nữa.

Documents

Chương 2: Quá trình hấp thụ - TaiLieu.VN