Tài liệu Thiết kế tháp đệm hấp thu nh3 với năng suất 1000m3h

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ---ooOoo--- ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1. Tên đề tài Thiết kế tháp đệm hấp thu NH3 với năng suất 1000m3/h. 2. Nhiệm vụ Xử lý khí NH3 thải ra từ các nhà máy sản xuất hóa chất và các nhà máy sản xuất phân bón bằng phương pháp hấp thu với dung môi là nước. 3. Các số liệu ban đầu - Lưu lượng khí thải: 1000 m3/h. - Nồng độ NH3 ban đầu: 10% thể tích. - Áp suất làm việc: 1atm. - Dùng nước sạch để hấp thu ở nhiệt độ: 200C. - Lượng nước sử dụng lớn hơn 20% lượng tối thiểu. - Hiệu suất của quá trình hấp thu là 98%. - Nước vào tháp là tinh khiết. - Vật chêm là vòng sứ Raschig có kích thước 5x5x1. SVTH GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Xác nhận của GVHD Trang: 1 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... Ngày Tháng Năm 2011 Ký tên GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 2 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM NHẬN XÉT CỦA THẦY CÔ PHẢN BIỆN ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... Ngày Tháng Năm 2011 Ký tên GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 3 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM LỜI NÓI ĐẦU Amoniac là một hóa chất dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Sự phát xạ của không khí có chứa amoniac vào khí quyển mà không có biện pháp xử lý, gây ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người và môi trường. Một phương pháp có hiệu quả cao để xử lý amoniac từ khí thải là yêu cầu cấp thiết. Những nguồn thải ra khí amoniac bao gồm: quá trình sản xuất phân bón, quá trình điều chế than cốc sử dụng phương pháp khôi phục sản phẩm phụ, sự đốt cháy nguyên liệu hóa thạch, quá trình chăn nuôi và những hệ thống làm lạnh sử dụng amoniac như một môi chất lạnh….Người ta có thể kiểm soát được lượng amoniac ở những quá trình này bằng nhiều cách như: sử dụng tháp lọc khí ẩm, sử dụng phương pháp nước ngưng để loại bỏ khí, khôi phục và tái chế những dòng thải, những hệ thống thu nạp.... Trong đồ án này, em xin trình bày phương pháp sử dụng tháp đệm để hấp thu NH3. Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã được sự giúp đỡ tận tình của thầy Huỳnh Lê Huy Cường để giúp em hoàn thành đồ án này. Tuy đã cố gắng hoàn thành tốt đồ án của mình nhưng em vẫn còn nhiều thiếu sót trong quá trình thực hiện. Mong thầy chỉ bảo thêm cho em. Em xin chân thành cảm ơn. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 4 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 5 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ NH3 1.1. Giới thiệu về NH3 – Amoniac là một hợp chất của nitơ và hydro với công thức NH3, có tên quốc tế (theo IUPAC) là “Azane”, “Amoniac”, “Hydrogen nitride” và một số tên khác. Amoniac không màu, dạng khí có mùi cay nồng đặc trưng. Nó nhẹ hơn không khí, mật độ của nó là 0,589 lần so với không khí. Nó có thể dễ dàng hóa lỏng do sự liên kết mạnh mẽ giữa các phân tử hydro, nó có nhiệt độ sôi là –33,34°C và nhiệt độ nóng chảy là –77,7°C. Là phân tử có cực, amoniac là một chất khí khá nhẹ (d=0,596g/cm3), tan nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa tan được 1200l khí NH3, ở 20°C là 700l khí NH3. Hiện tượng tan nhiều của NH3 ở trong nước được giải thích bằng sự liên kết hydro giữa phân tử NH3 và phân tử H2O. – Amoniac đóng góp đáng kể vào dinh dưỡng nhu cầu của các sinh vật trên mặt đất bằng cách phục vụ như là một tiền thân của thực phẩm và phân bón. Amoniac trực tiếp hay gián tiếp cũng là một khối xây dựng để tổng hợp nhiều dược phẩm. – Amoniac được sử dụng trong thương mại thường được gọi là khan amoniac. Thuật ngữ này nhấn mạnh đến sự vắng mặt của nước trong vật liệu. Bởi vì NH 3 sôi ở –33,34°C (–28,012°F), chất lỏng phải được lưu trữ dưới áp lực cao hoặc ở nhiệt độ thấp. 1.2. Phân loại Amoniac có hai loại, loại 1 dùng cho các máy lạnh và loại 2 dùng làm nguyên liệu trong công nghiệp hóa chất. Chúng có yêu cầu về chất lượng khác nhau: Hàm lượng các chất Amoniac Đơn vị Loại 1 Loại 2 % 99,9 99,6 % 0,1 0,4 mg/l 10 35 Lượng tạp chất tối đa Hơi ẩm Dầu GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 6 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Sắt – Không quy định 2 1.3. Tính chất vật lý của amoniac – NH3 tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có d < 1 (dung dịch NH3 25% có d = 0,91g/cm3). Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH3 trong dung dịch bay hơi hết. – Amoniac có tác dụng kích thích làm chảy nước mắt, nhẹ hơn không khí. Nhiệt độ tới hạn của amoniac rất cao 405,55°K nên amoniac dễ hóa lỏng. Amoniac hóa lỏng ở 239,75°K và hóa rắn ở 195°K. Amoniac lỏng không màu, ở gần nhiệt độ sôi có hằng số điện môi  = 22. Amoniac lỏng là dung môi rất tốt cho nhiều muối vô cơ. Các kim loại kiềm và kiềm thổ hòa tan trong amoniac lỏng. Amoniac lỏng có entapi bốc hơi lớn, vì vậy được dùng để nạp các máy lạnh. – Ở trạng thái rắn amoniac kết tinh mạng lập phương tâm mặt: 0 Phân tử NH3 có cấu tạo hình tháp tam giác với dN–H = 1,015 A và góc hóa trị HNH = 10703, tương ứng cấu hình electron như sau: ( s ) ( x ) ( y ) ( z ) 2 2 2 2 Do sự lai hóa sp3 của nguyên tử nitơ mà cặp electron hóa trị tự do (ở N) phân bố trên 1 sp3 được định hướng rõ rệt trong không gian, vì vậy phân tử NH3 rất dễ cho cặp electron đó tạo nên liên kết cho – nhận (liên kết phối trí) với các nguyên tử khác và liên kết có độ phân cực lớn μ NH3 =1,47D . Cặp electron hóa trị tự do và tính phân cực của liên kết N–H tạo nên liên kết hidro giữa các phân tử NH3, vì vậy NH3 dễ bị nén, có nhiệt bay hơi cao và tan nhiều trong nước. Ở nhiệt độ thường chỉ cần áp suất 6  7 atm là có thể hóa lỏng nó. 1.4. Tính chất hóa học của amoniac Cũng do có cặp electron hóa trị tự do và ít bền mà NH3 có hoạt tính hóa học cao. Nó có thể cho ba loại phản ứng: phản ứng cộng, phản ứng khử và phản ứng thế, trong đó đặc trưng hơn cả là phản ứng cộng. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 7 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Amoniac bền ở nhiệt độ thường. Khi đun nóng có xúc tác amoniac tự phân hủy theo chiều ngược lại của phương trình tổng hợp. Phản ứng ở trạng thái cân bằng xác định. Amoniac bị phân hủy khi chiếu xạ bằng tia tử ngoại. Trong oxi nguyên chất, amoniac cháy với ngọn lửa vàng nhạt tạo thành N2 và H2O. Dưới áp suất lớn, hỗn hợp amoniac và oxi có thể nổ: 2NH3 + 3 O2 → N 2 + 3H 2O 2 ΔH0 = - 768,6kJ/mol Nếu có chất xúc tác là platin hay hợp kim platin – rodi ở 800 – 900oC thì khí amoniac bị O2 không khí oxi hóa thành nito oxit: 2NH3 + 5 O2 → 2NO + 3H2O 2 ΔH0 = -588kJ/mol Các chất oxi hóa khác như nước oxy già, axit cromic, kalipemanganat oxi hóa amoniac một cách dễ dàng. Khí amoniac và dung dịch cháy trong clo, brom tạo thành N2. 2NH3 + 3Cl2 → N 2 + 6HCl Amoniac cộng hợp được với rất nhiều chất: nước, axit, muối. Quan trọng nhất là phản ứng cộng với nước. Khi tan trong nước NH3 tác dụng với nước theo sơ đồ sau: NH3 + HOH → NH4+ + OHSự xuất hiện ion OH- tạo nên môi trường bazơ của dung dịch (nhưng là bazơ yếu vì có hằng số điện li K = 1,8.10-5). Trong dung dịch amoniac luôn có một cân bằng kép: NH3 + HOH → NH4OH → NH4+ + OHVì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH3 và có thể xem không có NH4OH. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 8 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Ngay ở trạng thái khí, cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thành muối amoni clorua: NH3 + HCl = NH4Cl Ngoài những loại phản ứng cộng như trên đã nói, NH3 còn cho một loại phản ứng kết hợp đặc biệt với các muối tạo thành những hợp chất có thành phần giống như các hydrat gọi là các amoniacat, ví dụ: AgNO3.2NH3, CuSO4.4NH3…hoặc tạo thành các hợp chất phức với nhiều muối. Trong khi đó bản thân NH3 khan lại là một axit rất yếu, có thể mất 1 proton H+ tạo thành anion amid NH2−. Ví dụ cho liti nitrua vào NH3 lỏng người ta nhận được anion amid (NH2-): Li3N(s) + 2 NH3 (l) → 3 Li+(am) + 3 NH2−(am) Hydro trong NH3 có thể bị các kim loại mạnh đẩy ra và thế chỗ để tạo ra các nitrua như magie có thể cháy trong NH3 để tạo magie nitrua Mg3N2. Natri hoặc kali kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH2, KNH2) khi tác dụng với NH3. NH3 bền ở nhiệt độ thường nhưng khi đun nóng lên 300°C nó bắt đầu phân hủy và ở 600°C nó phân hủy gần như hoàn toàn: 600 C 2NH3 ⎯⎯⎯ → N2 + 3H2 0 H2 tạo thành làm cho NH3 nóng có tính khử mạnh. N3- có thể bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn của nitơ, đặc biệt là dễ bị oxy hóa lên N0 (N2) và N2+ (NO). Các chất oxy hóa như CuO, nước javen oxy hóa được NH3 thành N2: 3CuO + 2NH3 = 3Cu + 3H 2O + N 2  Phản ứng này được dùng để khử sạch lớp oxit kim loại trên bề mặt kim loại khi hàn. Các nguyên tử hydro của amoniac có thể được thay thế bằng các nguyên tử kim loại. Phản ứng giữa amoniac và kim loại hình thành các hợp chất amidua ( GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 9 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM (I) M(I) NH 2 ), imidua ( M(I) 2 NH ) và nitrua ( M 3 N ) trong số các amidua, phổ biến nhất là amidua của kim loại kiềm và kiềm thổ. Ví dụ: Ở 3500C, natri tác dụng với NH3 cho amiđua natri NaNH2: 2Na + 2H3N = 2NaNH2 + H2 NH3 tự bốc cháy ở 651°C và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí khi nồng độ nằm trong vùng 16 – 25%. NH3 có tính ăn mòn các kim loại và hợp kim chứa đồng (Cu), kẽm (Zn), nhôm (Al), vàng (Au), bạc (Ag), thủy ngân (Hg).... Vì vậy trong thực tế người ta khuyến cáo không nên để hơi hoặc dung dịch amoniac tiếp xúc với các vật dụng có chứa các kim loại hoặc hợp kim này. Khi NH3 tiếp xúc lâu dài với một số kim loại (Au, Ag, Hg, Ge, Te, Sb…) thì có thể tạo ra các hợp chất kiểu fuminat dễ gây nổ nguy hiểm. Amoniac lỏng phá hủy các chất dẻo, cao su, gây phản ứng trùng hợp nổ của etylen oxit. 1.5. Ứng dụng – Phân bón: Khoảng 73% (tính đến 2004) amoniac được sử dụng làm phân bón trên toàn thế giới nhằm cung cấp đạm cho cây. Vì vậy ngành công nghiệp sản xuất phân bón dựa vào amoniac là một thành phần quan trọng của ngân sách thế giới. – Tiền thân để tổng hợp các hợp chất nitơ: Amoniac trực tiếp hoặc gián tiếp là tiền thân của các hợp chất chứa nitơ nhất. Hầu như tất cả các hợp chất nitơ tổng hợp có nguồn gốc từ amoniac. Một dẫn xuất quan trọng là acid nitric, acid nitric được tạo ra thông qua quá trình Ostwald bởi quá trình oxy hóa của amoniac với không khí trên một đĩa bạch kim có xúc tác ở 700 – 850°C, ~ 9 atm. Nitric oxide là một trung gian trong việc chuyển đổi này: NH3 + 2O2 → HNO3 + H2O GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 10 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM axit nitric được sử dụng để sản xuất phân bón, vật liệu nổ và các hợp chất nhiều organonitrogen. – Dung dịch amoniac đặc 25% được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm. – Cleaner: NH3 trong nước (amoni hydroxit) được sử dụng như là một mục đích chung cho các bề mặt sạch hơn, như nó được sử dụng để làm sạch kính, sứ, thép không gỉ và nó cũng thường được sử dụng để làm sạch lò vì amoniac có khả năng hòa tan kim loại oxit. – Lên men: Amoniac là giải pháp (ở 16 – 25%) được sử dụng trong ngành công nghiệp lên men như là một nguồn cung cấp nitơ cho vi sinh vật cũng như để điều chỉnh pH trong quá trình lên men này. – Chất làm lạnh R717: Do tính chất bay hơi thuận lợi của nó, amoniac là chất làm lạnh. Amoniac khan được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện lạnh công nghiệp. – Điều chế hidrazin N2H4 (chất đốt cho tên lửa). GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 11 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ HÒA TAN CHẤT KHÍ TRONG PHA LỎNG Độ hoà tan của khí cân bằng trong chất lỏng là lượng khí hoà tan trong một đơn vị chất lỏng, độ hòa tan có thể biểu thị bằng kg/kg, kg/m3, g/lít. Độ hoà tan của khí vào chất lỏng phụ thuộc vào tính chất của khí và chất lỏng, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và áp suất riêng phần khí trong hỗn hợp. 2.1. Hệ hai cấu tử Nếu lượng khí đơn chất được cho tiếp xúc với một dung môi tương đối không bay hơi thì nồng độ chất khí hoà tan trong pha lỏng được gọi là độ hoà tan tại nhiệt độ to và P đã cho. Hình 1: Đường cân bằng của độ hoà tan chất khí trong chất lỏng Những chất khí và chất lỏng khác nhau sẽ cho đường độ hoà tan khác nhau và được xác định bằng thực nghiệm cho mỗi hệ. Nếu áp suất cân bằng của chất khí tại nồng độ cho trước là cao (ví dụ đường cong B trong hình 1) thì chất khí tương đương không hoà tan trong chất lỏng và ngược lại, nếu áp suất cân bằng của chất khí tại nồng độ cho trước là thấp (đường cong C hình 1) thì chất khí có độ hoà tan cao. Dựa vào điều này, ta có thể tạo nên nồng độ khí trong lỏng như mong muốn nếu tác động lên hệ một áp suất tương ứng. Như vậy dạng khí hoá lỏng sẽ hoà tan hoàn toàn vào lỏng. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 12 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Thông thường, sự hoà tan khí trong lỏng sẽ phát nhiệt và độ hoàn tan của khí trong lỏng sẻ giảm khi nhiệt độ tăng. Đường cong A và E trên hình 1 cho thấy độ hoà tan NH3 ở 300C và 100C tại nhiệt độ sôi của dung môi, độ hoà tan của chất khí sẽ bằng không. Hình 2: Độ hòa tan của amoniac trong nước Hình 3: Độ hòa tan của SO2 trong nước 2.2. Hệ nhiều cấu tử Nếu một hỗn hợp khí được cho tiếp xúc với chất lỏng tại điều kiện xác định, độ hoà tan cân bằng của mỗi chất khí sẽ độc lập với các chất khí còn lại và được biểu diễn theo áp suất riêng phần của hổn hợp chất khí. Nếu trong hỗn hợp khí có một cấu tử khí hoà tan vào lỏng thì ta áp dụng như trường hợp ở trên. Trong trường hợp có nhiều cấu tử hoà tan vào chất lỏng, dung dịch được xem là lí tưởng khi các cấu tử hoà tan có cùng bản chất với chất lỏng, (ví dụ như hỗn hợp propan và butan cùng hoà tan vào dầu Parafin không bay hơi). Ngoài ra độ hoà tan của chất khí còn chịu ảnh hưởng bởi sự hiện diện của một dung chất không bay hơi trong chất lỏng. 2.3. Dung dịch lỏng lí tưởng Khi pha lỏng được xem là lí tưởng ta có thể tính được áp suất riêng phần cân bằng của chất khí trong dung dịch chất lỏng. Hỗn hợp khí lý tưởng cân bằng với GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 13 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM dung dịch lý tưởng thì thành phần của chất hấp thụ trong pha khí hoặc pha lỏng liên hệ với nhau theo định luật Raoul tại một nhiệt độ xác định: P* = P.x Với: P*: là áp suất riêng phần của chất hấp thụ trong pha khí cân bằng với pha lỏng, mmHg hoặc at. x: nồng độ phần mol của chất hấp thụ trong pha lỏng. P: là áp suất hơi của chất hấp thụ mmHg hoặc at. 2.4. Dung dịch lỏng không lý tưởng Thực nghiệm cho thấy, dùng D và E trên hình 1 cho thấy trường hợp SO2, NH3 hoà tan vào nước được tính theo định luật Raoult ở 10oC không khớp số liệu thực nghiệm. Trong trường hợp này phương trình đường thẳng tuân theo định luật Henry: y* = P*/P = m.x Với: m là hằng số cho mỗi khí. Tuy nhiên định luật Henry không đúng cho một khoảng rộng nồng độ. Với chất khí ít hoà tan trong nước như Nitro, Oxy…. Định luật Henry đúng tới áp suất riêng phần cân bằng 1at, với các chất khí dạng hơi (dưới nhiệt độ tới hạn) sẽ đúng tới áp suất riêng phần bằng 50% áp suất hơi bão hoà tại nhiệt độ cho trước. Trong trường hợp bất kỳ m được xác định bằng thực nghiệm. Bảng 1: Áp suất hơi của một số chất khí trong dung dịch với nước P.106mmHg Nhiệt độ Chất khí (oC) 20 C 2 H2 K2 Br2 CO2 Cl2 H2 O2 CO 0.92 50.4 0.0451 1.08 0.402 51.9 30.4 40.7 GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 14 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM 25 1.01 54.7 0.056 1.24 0.454 53.7 33.3 44 30 1.11 58.6 0.0688 1.41 0.502 55.1 36.1 47.1 GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 15 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM CHƯƠNG III: TỔNG QUÁT VỀ THÁP HẤP THU DẠNG ĐỆM 3.1. Định nghĩa hấp thu Trong quá trình sản xuất hóa học thường chúng ta thu được hỗn hợp khí nhiều cấu tử, muốn tiếp tục gia công chế biến chúng ta phải tách chúng ta thành từng cấu tử. Ví dụ: như sau khi hóa than ta thu được 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 (Ure) ta phải tách chúng ra. Có nhiều phương pháp để tách hỗn hợp khí thành cấu tử. + Phương pháp hóa học. + Phương pháp cơ lý (dựa trên chính chất hóa lỏng ở các nhiệt độ khác nhau). + Phương pháp hút: dùng chất lỏng hay chất rắn xốp để hút. Nếu dùng chất lỏng gọi là quá trình hấp thu, nếu dùng chất rắn gọi là quá trình hấp phụ. Như vậy hấp thu là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp thu, chất lỏng dùng để hút gọi là dung môi (còn gọi là chất hấp thu), khí không bị hấp thu gọi là khí trơ. Quá trình như vậy cần sự truyền vật chất từ pha khí vào pha lỏng. Nếu quá trình xảy tra theo chiều ngược lại, nghĩa là từ pha lỏng vào pha khí ta có quá trình nhả. Ví dụ: hỗn hợp lỏng gồm dung môi và benzen, toluen sẽ đi vào pha khí và được mang đi, dung môi ban đầu được dùng lại. Nguyên lý của hai quá trình hấp thu và nhả khí về cơ bản là giống nhau. 3.2. Phân loại Phụ thuộc vào bản chất của sự tương tác giữa chất hấp thụ và chất bị hấp thu trong pha khí, phương pháp hấp thu được chia làm 2 loại: + Hấp thu vật lý: dựa trên sự hòa tan của cấu tử pha khí trong pha lỏng. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 16 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM + Hấp thu hóa học: giữa chất bị hấp thu và chất hấp thu hoặc cấu tử trong pha lỏng xảy ra phản ứng hóa học. 3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu Sự hấp thu phụ thuộc vào bản chất của các cấu tử (chất hấp thu và dung môi). Những chất có tính chất tương đồng thì càng dễ hoà tan vào nhau. Điều này đã được trình bày ở phần trên. Ngoài ra nhiệt độ và áp suất là những yếu tố ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp thụ. Cụ thể là chúng có ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực quá trình. Nếu tăng nhiệt độ thì giá trị hệ số của định luật Henry tăng, đường cân bằng sẽ dịch chuyển về trục tung (hình 4). Giả sử đường làm việc là P, Q không đổi nếu nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm. Nếu nhiệt độ tăng quá cao thì không những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình sẽ không thực hiện được theo đường làm việc P, G cho trước. Mặc dù vậy, nhiệt độ cao cũng ảnh hưởng tốt vì độ nhớt của dung môi giảm, có lợi đối với trường hợp trở lực khuyếch tán chủ yếu nằm trong pha lỏng. Hình 4: Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất lên quá trình hấp thu. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 17 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Nếu tăng P của hỗn hợp khí thì giá trị hệ số cân bằng sẽ giảm và do đó đường cân bằng sẽ gần về trục hoành (hình 4). Như vậy nếu tăng P thì quá tình truyền khối sẽ tốt hơn vì động học quá trình lớn hơn. Nhưng quá trình tăng áp dẫn đến tăng nhiệt độ, và việc tăng áp suất cũng gây khó khăn cho việc chế tạo thiết bị, cho nên ta chỉ thực hiện quá trình hấp thu ở áp suất cao đối với chất khí khó hoà tan. Ví dụ: hấp thụ CO2 với dung môi là nước ở 17 at, còn với CO ở 120 at. 3.4. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu Một số ký hiệu thông dụng: Cách biểu diễn thành phần pha: Pha lỏng 1. Phần khối lượng x = 2. Phần mol x= 3. Tỉ số khối lượng X = 4. Tỉ số mol X = y= Gi G y= Gi G Li L − Li Y = Gi G − Gi Li L − Li G= Gi G − Gi Li L Li L x Mi x= x  Mk k 5. Các liên hệ Pha hơi y Mi y = y  Mk k x= x.M i  xk .M k y= y.M i  y k .M k X = x 1− x Y = y 1− y X = x 1− x Y = y 1− y GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 18 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM x= x= X 1+ X X 1+ X y= Y 1+ Y y= Y 1+ Y Khi tính toán hấp thụ người ta thường cho biết trước lượng hỗn hợp khí, nồng độ đầu và nồng độ cuối của khí bị hấp thụ trong hỗn hợp khí và trong dung môi. Với: Gy: Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thu, 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 hấp thụ Kmol/h. Xd: Nồng độ đầu của dung môi Kmol/Kmol dung môi. Xc: Nồng độ cuối của dung môi Kmol/Kmol dung môi. Gtr: Lượng khí trơ đi vào thiết bị hấp thu. Phương trình đường cân bằng: Đối với khí lý tưởng hay khí thực có nồng độ bé và độ hòa tan nhỏ thì nồng độ đường cân bằng là đường thẳng có dạng: Ycb = m.x hay Ycb = m. X Ở đây: m =  / P : gọi là hằng số cân bằng.  : là hệ số Hăng-Ri cho trong các số tay chuyên môn. P: là áp suất chung (áp suất làm việc), mmHg. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 19 ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM Nếu là khí thực thì đường cân bằng là đường cong có dạng: Ycb = m. X 1 + (1 − m).X Phương trình đường làm việc: Đường nồng độ làm việc trong quá trình hấp thụ là đường thẳng có dạng: Y = A.X + B Trong đó: A = Gx Gtr B = Yc − Gx .X d Gtr Tính lượng khí trơ: Tính theo hỗn hợp khí: Gtr = Gy − 1 = Gy (1 − yd ) 1 + Yd Yd: nồng độ phần mol ban đầu của cấu tử bị hấp thụ trong pha khí. Ta cũng có thể tính theo công thức: Gtr = p tr .Vtr Rtr .Ttr Kg/h Trong đó: ptr: áp suất riêng phần của khí trơ, N/m2. ptr = (1 − y d ).P P: áp suất chung của hỗn hợp khí (áp suất làm việc của thiết bị), N/m2. Vtr: lượng khí trơ vào tháp, m3/h. Rtr = R : hằng số khí trơ, N.m/Kmol.độ. M R: hằng số khí, đối với không khí thì R = 8,314N.m/Kmol.độ. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy Cường Trang: 20