ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế tháp đệm hấp thu NH3 với năng suất 1000m3/h.

Chia sẻ: DO HUU TRINH | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

229
lượt xem 71
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế tháp đệm hấp thu NH3 với năng suất 1000m3/h.

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 Xác nhận của GVHD NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 1
............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ Ngày Tháng Năm 2011 Ký tên NHẬN XÉT CỦA THẦY CÔ PHẢN BIỆN ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ Ngày Tháng Năm 2011 GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 2
Ký tên 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. 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 1200 l 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. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 3
– 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 NH3 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 Đơn vị Loại 1 Loại 2 Amoniac % 99,9 99,6 Lượng tạp chất tối đa Hơi ẩm % 0,1 0,4 Dầu mg/l 10 35 Sắt – 2 Không quy định 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 GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 4
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: Phân tử NH3 có cấu tạo hình tháp tam giác với dN–H = 1,015 và góc hóa trị HNH = 10703, tương ứng cấu hình electron như sau: 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 . 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 67 atm là có thể hóa l ỏng nó. 1.4. Tính chất hóa học của amoniac Cũng do có cặp electron hóa trị tự do và ít bền mà NH 3 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. 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 N 2 và H2O. Dưới áp suất lớn, hỗn hợp amoniac và oxi có thể nổ: Nếu có chất xúc tác là platin hay hợp kim platin – rodi ở 800 – 900 oC thì khí amoniac bị O2 không khí oxi hóa thành nito oxit: GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 5
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. Amoniac cộng hợp được với rất nhiều chất: nước, axit, muối. Quan trọng nhất là phản ứng cộng với nước. Khi tan trong nước NH 3 tác dụng với nước theo sơ đồ sau: NH3 + HOH → NH4+ + OH- Sự 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+ + OH- Vì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH3 và có thể xem không có NH4OH. 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, NH 3 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) GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 6
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: 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: 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 (), imidua () và nitrua () 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 d ễ gây nổ nguy hiểm. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 7
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 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 CườngTrang: 8
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/m 3, 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 đ ối 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 đ ộ khí trong lỏng nh ư 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 CườngTrang: 9
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. 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 l ại 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 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: GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 10
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 SO 2, 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 Chất khí độ (oC) C2H2 K2 Br2 CO2 Cl2 H2 O2 CO 20 0.92 50.4 0.0451 1.08 0.402 51.9 30.4 40.7 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 CườngTrang: 11
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 N 2, 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 đ ược 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. + 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. Đi ều này đã được trình bày ở phần trên. Ngoài ra nhiệt độ và áp suất là những yếu tố GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 12
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. 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: GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 13
Cách biểu diễn thành phần pha: Pha lỏng Pha hơi 1. Phần khối lượng 2. Phần mol 3. Tỉ số khối lượng 4. Tỉ số mol 5. Các liên hệ 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. GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 14
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: hay Ở đây: : 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 CườngTrang: 15
Nếu là khí thực thì đường cân bằng là đường cong có dạng: Phương trình đường làm việc: Đường nồng độ làm việc trong quá trình hấp thụ là đường thẳng có dạng: Trong đó: Tính lượng khí trơ: Tính theo hỗn hợp khí: Yd: nồng độ phần mol ban đầu của cấu tử bị hấp thụ trong pha khí. Ta cũng có thể tính theo công thức: Kg/h Trong đó: ptr: áp suất riêng phần của khí trơ, N/m2. 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. : hằng số khí trơ, N.m/Kmol.độ. R: hằng số khí, đối với không khí thì R = 8,314N.m/Kmol.độ. M: khối lượng phân tử khí trơ, với không khí M= 29Kg/Kmol. Ttr: nhiệt độ khí trơ, 0K. Xác định lượng dung môi cần thiết: Phương trình cân bằng vật liệu là: GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 16
Lượng dung môi cần thiết X: Lượng dung môi tối thiểu để hấp thụ được xác định khi nồng độ cuối của dung môi đạt đến nồng độ cân bằng, như vậy ta có: Xc max: là nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí. Nồng độ cân bằng luôn luôn lớn hơn nồng độ thực tế, vì thế lượng dung môi thực tế luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường ta lấy l ượng dung môi thực tế lớn hơn lượng dung môi tối thiểu khoảng 20%. Lượng dung môi tiêu hao riêng là: Lượng cấu tử bị hấp thụ có thể tính theo công thức: g: lượng cấu tử bị hấp thụ vào trong pha lỏng. 3.5. Ứng dụng của quá trình hấp thu Quá trình hấp thu đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất hóa học, nó được dùng để: + Thu hồi các cấu tử quý. + Làm sạch khí. + Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng. + Tạo thành sản phẩm cuối cùng. Trong trường hợp thứ nhất và thứ ba bắt buộc chúng ta phải tiến hành quá trình nhả sau khi hấp thụ để thu các cấu tử và dung môi riêng. Trong trường hợp thứ hai thì quá trình nhả không cần thiết nếu tìm dung môi dễ kiếm (ví dụ như nước lạnh) vì khí thường là bỏ đi, trường hợp này chỉ khi cần l ấy l ại dung môi GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 17
ta mới thực hiện quá trình nhả. Còn trường hợp thứ tư thì quá trình nhả không có ý nghĩa. 3.6. Lựa chọn dung môi Nếu mục đích chính của quá trình hấp thu là để tạo nên một dung dịch sản phẩm xác định (ví dụ như sản xuất dung dịch axit clohydric) thì dung môi đã được xác định bởi bản chất của sản phẩm. Nếu mục đích của quá trình hấp thu là tách các cấu tử của hỗn hợp khí thì khi đó ta có thể lựa chọn một dung môi tốt dựa trên những tính chất sau: + Độ hòa tan chọn lọc: Đây là tính chất chủ yếu của dung môi, là tính chất chỉ hòa tan tốt cấu tử cần tách ra khỏi hỗn hợp khí mà không hòa tan các cấu tử còn lại hoặc hòa tan không đáng kể. Đây là tính chất chủ yếu của dung môi. Tổng quát, dung môi và dung chất tạo nên phản ứng hóa học thì làm tăng độ hòa tan lên rất nhiều, nhưng nếu dung môi được thu hồi để dùng l ại thì phản ứng phải có tính hoàn nguyên. + Độ bay hơi tương đối: Dung môi nên có áp suất hơi thấp vì pha khí sau quá trình hấp thu sẽ bão hòa hơi dung môi do đó dung môi bị mất. + Tính ăn mòn của dung môi: Dung môi nên có tính ăn mòn thấp đ ể vật liệu chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền. + Chi phí: Dung môi dễ tìm và rẻ để sự thất thoát không tốn kém nhiều. + Độ nhớt: Dung môi có độ nhớt thấp sẽ tăng tốc độ hấp thu, cải thiện điều kiện ngập lụt trong tháp hấp thu, độ giảm áp thấp và truyền nhiệt tốt. + Các tính chất khác: Dung môi nên có nhiệt dung riêng thấp để ít tốn nhiệt khi hoàn nguyên dung môi, nhiệt độ đóng rắn thấp để tránh hiện tượng đóng rắn làm tắc thiết bị, không tạo kết tủa, không độc. Trong thực tế không có một dung môi nào cùng lúc đáp ứng được tất cả các tính chất trên, do đó khi chọn phải dựa vào những điều kiện cụ thể khi thực hiện quá trình hấp thu. Dù sao tính chất thứ nhất của dung môi cũng không thể thiếu được trong bất cứ trường hợp nào. 3.7. Tháp hấp thu GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 18
Trong sản xuất thường dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện quá trình hấp thu. Nếu pha khí phân tán vào pha lỏng ta có các loại tháp mâm, n ếu pha lỏng phân tán vào pha khí ta có tháp chêm, tháp phun. Tháp hấp thu phải thỏa mãn các yêu cầu sau: diện tích bề mặt tiếp xúc pha phải lớn, hiệu quả và có khả năng cho khí xuyên qua, trở lực thấp (< 3000Pa), kết cấu đơn giản và vận hành thuận tiện, khối lượng nhỏ, ít bị tắc nghẽn bởi cặn sinh ra trong quá trình hấp thụ. 3.7.1. Thiết bị loại đĩa (tháp mâm): Bên cạnh tháp đệm, tháp đệm cũng được ứng dụng rất nhiều trong công nghệ hoá học. Trong tháp đĩa khí phân tán qua các lớp chất lỏng chuy ển đ ộng chậm từ trên xuống dưới, sự tiếp xúc pha riêng biệt trên các đĩa. So với tháp đệm thì tháp đĩa phức tạp hơn do khó chế tạo hơn và tốn kém chi phí nhiều hơn Chia tháp đĩa (mâm) ra làm hai loại có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyển động riêng biệt từ đĩa nọ sang đĩa kia và không có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyển động từ đĩa nọ sang đĩa kia theo cùng một lò hay rãnh. Trong tháp đĩa có thể phân ra: tháp chóp, tháp đĩa lưới.… 3.7.2. Thiết bị loại bề mặt Đây là loại thiết bị đơn giản nhất. Trong thiết bị khí và chất lỏng chuyển động ngược chiều nhau và tiếp xúc với nhau trên bề mặt của chất l ỏng. Loại này có tiếp xúc pha bé thường dùng trong trường hợp khí hoà tan trong lỏng. 3.7.3. Thiết bị loại màng Thiết bị loại ống: Cấu tạo của thiết bị này giống thiết bị trao đổi nhiệt. Chất lỏng chảy phía trong ống dạng màng, khí đi từ dưới lên, đường kính ống từ 25 – 50mm. Thiết bị màng tấm: Trong thiết bị có các bản xếp thẳng đứng song song với nhau, chất lỏng đi từ trên xuống, chất lỏng chảy trên bề mặt khí đi từ dưới lên, ngược chiều.  Thiết bị hấp thụ dạng màng có những ưu điểm sau: Trở lực nhỏ nhất so với các thiết bị hấp thụ khác, vận tốc chất lỏng lớn có khi đạt đến 5m/s. Bên cạnh đó, thiết bị này cũng có những hạn chế nên người ta ít sử dụng, đó là hiệu suất hấp thụ thấp khi chiều cao lớn, khó phân bố đều GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 19
trong ống khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống, vì vậy nên lưu l ượng vào tháp hấp thu không thể lớn như các thiết bị khác và hiệu quả kinh tế không cao. 3.7.4. Tháp đệm 3.7.4.1. Khái niệm Tháp đệm là một tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn. Trong tháp người ta đổ đầy đệm theo hai phương pháp: xếp ngẫu nhiên hay xếp thứ tự. Tháp đệm được ứng dụng rộng rãi trong kỹ nghệ hóa học đ ể hấp thu, chưng cất, làm lạnh. Người ta dùng nhiều loại đệm khác nhau, phổ biến nhất là loại đệm sau đây: + Đệm vòng (kích thước từ 10 – 100mm). + Đệm hạt (kích thước từ 20 – 100mm). + Đệm xoắn – đường kính vòng xoắn từ 3 – 8mm. Chiều dài dây nhỏ hơn 25m. + Đệm lưới bằng gỗ. Tháp đệm thường được sử dụng khi năng suất nhỏ, môi trường ăn mòn, tỉ lệ lỏng: khí lớn, khí không chứa bụi và quá trình hấp thụ không tạo ra cặn lắng. Hình 5: Tháp đệm 3.7.4.2. Vật chêm GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 20