intTypePromotion=1

QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI - Chương 2

Chia sẻ: Toàn Phong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

0
592
lượt xem
90
download

QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI - Chương 2

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đây là Slide môn học "Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa học 3 - Chương 2: Quá trình hấp thụ" dành cho sinh viên ngành hóa học và sinh học thực phẩm trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Mời các bạn cũng tham khảo

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: QUÁ TRÌNH & THIẾT BỊ CHUYỂN KHỐI - Chương 2

  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 nguyen.minhtan@gmail.com Chương 2: Quá trình hấp thụ 1. Các khái niệm chung 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. 1
  2. Chương 2: Quá trình hấp thụ 1. Các khái niệm chung 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 3 Chương 2: Quá trình hấp thụ 1. Các khái niệm chung 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 4 2
  3. Chương 2: Quá trình hấp thụ 2. Cơ sở vật lý của quá tình 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 5 Chương 2: Quá trình hấp thụ 2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ 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. 6 3
  4. Chương 2: Quá trình hấp thụ 2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ Gy - Lượng hỗn hợp khí vào thiết bị hấp thụ, Kmol/h, Yc Gtr - Lượng khí trơ, Kmol/h. Gx Yd −Yc Yđ Lượng khí trơ: l = = Gtr Xc − X d Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ: Xđ Gtr(Yđ- Yc) = Gx (Xc-Xđ) Xc Yd −Yc Lượng dung môi cần thiết: Gx = Gtr Xc − Xd Lượng dung môi tối thiểu: Yd −Yc Gx min = Gtr Xcb.d − X d Xcb.đ- Nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí 7 Chương 2: Quá trình hấp thụ 2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ Trong quá trình hấp thụ, lượng dung môi thực tế Yc luôn lớn hơn lượng dung môi tối thiểu, thường lớn Yđ hơn 20%. Nếu tính lượng dung môi theo 1 kg khí trơ, có lượng dung môi tiêu hao riêng: Gx Yd −Yc Xđ l= = Gtr Xc − X d Xc Phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kỳ: Gtr (Y - Yc) = Gx (X – Xđ) Gx G Y= X +Yc − x X d Gtr Gtr Y = AX + B 8 4
  5. Chương 2: Quá trình hấp thụ 2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ Yc Xđ Yđ Đường làm việc Đường cân bằng Yc Xđ Xc Yđ Xc Y = AX + B 9 Chương 2: Quá trình hấp thụ 2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ 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. 5
  6. Chương 2: Quá trình hấp thụ 2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên quá trình hấp thụ Nhiệt độ và áp chủ yếu ảnh hưởng lên trạng thái cân bằng và động lực của quá trình. Chương 2: Quá trình hấp thụ 2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ Hấp thụ không đẳng nhiệt Nếu trong quá trình hấp thụ, do sự hoà tan của khí trong dung môi có sản sinh một lượng nhiệt nhưng không được làm nguội, thì nhiệt độ trong thiết bị tăng lên. Khi đó có quá trình hấp thụ không đẳng nhiệt Trong thực tế người ta bỏ qua sự nóng lên của pha khí và có thể chấp nhận giả thiết: toàn bộ lượng nhiệt chỉ dùng để làm nóng dung môi đường cong OD của đường cân bằng ở nhiệt độ tđ của dung môi, và OC ứng với nhiệt độ cuối. Trong thực tế, đường cân bằng sẽ là AB, phụ thuộc vào sự biến thiên của nhiệt độ trong 6
  7. Chương 2: Quá trình hấp thụ 2. Cơ sở vật lý của quá tình hấp thụ Hấp thụ không đẳng nhiệt Phương tình cân bằng nhiệt lượng: q Gk My = GXC (t – tđ) MX Trong đó: q : lượng nhiệt được giải phóng của 1 kg khí khi hấp thụ, kJ/kg Gk : lượng khí được hấp thụ, kmol/h Gx : lượng dung môi, kmol/h C : nhiệt dung của dung môi, J/kg độ tđ, t : nhiệt độ của dung môi, °C Mx, My: trọng lượng phân tử của khí và dung môi Thay: Gk = Gx (X-Xđ) q.M Y t = td + ( X − Xd ) c.M x q My (X – Xđ) = C.Mx (t –tđ) Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Yêu cầu căn bản là có bề mặt tiếp xúc lớn để tăng hiệu suất của quá trình. Các thiết bị thường dùng trong sản xuất: - 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) 7
  8. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Thiết bị hấp thụ loại bề mặt rất đơn giản. Trong thiết bị khí và lỏng chuyển động ngược chiều nhau và tiếp xúc với nhau trên bề mặt thoáng của chất lỏng - Bề mặt tiếp xúc pha bé, nên chỉ được dùng khi chất khí dễ hoà tan trong lỏng (như hấp thụ khí hydroclorua bằng nước lạnh). -  Thường được lắp nối tiếp nhau thành từng dãy. -  Trong trường hợp cần làm nguội trong quá trình hấp thụ người ta tưới nước lên bề mặt thiết bị hoặc nhúng toàn bộ thiết bị vào trong bể nước chảy. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ - Có cấu tạo giống thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm -  Chất lỏng chảy dọc theo thành trong ống từ trên xuống, chất khí đi từ dưới lên tiếp xúc với màng chất lỏng -  Quá trình hấp thụ được thực hiện ở màng chất lỏng trên thành ống. -  Để lấy nhiệt toả ra khi hấp thụ người ta cho nước lạnh vào khoảng giữa các ống -  Đường kính ống từ 25 đến 50 mm. 8
  9. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ -  Gồm các bản xếp thẳng đứng song song với nhau ở khoảng cách nhất định - Bản có thể được chế tạo bằng kim loại, chất dẻo, v.v. ... - Chất lỏng đi từ trên xuống chảy thành màng trên bề mặt bản nhờ bộ phân phối 2. Khí đi ngược chiều từ dưới lên. Ưu điểm: - Trở lực rất nhỏ - Vận tốc chất lỏng lớn (5 m/s) Nhược điểm: - Hiệu suất thấp khi chiều cao lớn - Khó phân bố đều chất lỏng được sử dụng tương đối rộng rãi, đặc biệt để chưng và hấp thụ ở áp suất chân không. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ - Loại này gồm thân và hệ thống vòi phun - Những hạt chất lỏng được phun ra trong thiết bị sẽ tiếp xúc với dòng khí đi từ dưới lên và quá trình hấp thụ xaỷ ra - Loại thiết bị này không phù hợp với khí khó hoà tan. 9
  10. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tháp đệm được sử dụng cho quá trình hấp thụ, hấp phụ, chưng luyện và các quá trình khác. Tháp đệm hình trụ, bên trong có đổ đầy đệm. Đệm có nhiều loại, phổ biến nhất có các loại đệm sau đây - Đệm vòng, kích thước từ 10 đến 100 mm - Đệm hạt, kích thước từ 20 đến 100 mm - Đệm xoắn, đường kính dây cỡ 0,3 đến 1 mm, đường kính vòng xoắn cỡ 3 đến 8 mm, chiều dài dây không quá 25 mm. -  Đệm lưới bằng gỗ 10
  11. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tất cả các loại đệm đều có yêu cầu chung : 1. Có bề mặt riêng lớn, (ký hiệu σ, thứ nguyên m2/m3) 2. Thể tích tự do lớn, (ký hiệu Vtd, thứ nguyên m3/m3) 3. Khối lượng riêng bé, 4. Bền hoá học tuỳ theo điều kiện cụ thể mà chọn đệm cho phù hợp. Đệm lưới bằng gỗ thường được sử dụng trong các tháp làm lạnh hoặc hấp thụ khí sơ bộ. Để tăng độ phân tách người ta chọn loại đệm có kích thước bé, tức đệm có bề mặt riêng lớn, tạo khả năng tiếp xúc giữa các pha tốt hơn. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Ưu điểm - Có bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu suất cao - Cấu tạo đơn giản - Trở lực trong tháp không lớn lắm - Giới hạn làm việc tương đối rộng Nhược điểm Tuy nhiên tháp đệm có nhược điểm là khó làm ướt đều đệm. Do đó, nếu tháp cao quá thì chất lỏng phân bố không đều. Vì vậy, người ta phải chia tầng và ở mỗi tầng có đặt thêm bộ phận phân phối chất lỏng 11
  12. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Chế độ làm việc của tháp đệm -  Tuỳ thuộc vào vận tốc khí mà chế độ thuỷ động trong tháp đệm là chế độ dòng, xoáy hay sủi bọt. ở chế độ dòng, tốc độ khí còn bé, lực hút phân tử lớn hơn lực ỳ nên chuyển khối được quyết định bằng khuyếch tán phân tử -  Tăng dần vận tốc khí đến khi lực ỳ bằng lực phân tử, quá trình chuyển khối được quyết định không chỉ bằng khuyếch tán phân tử mà còn có khuyếch tán đối lưu. Chế độ thuỷ động chuyển sang chế độ quá độ. -  Nếu tiếp tục tăng vận tốc khí lên nữa, ta có chế độ xoáy và quá trình chuyển khối được quyết định bởi khuyếch tán đối lưu. -  Đến một giới hạn nào đó của vận tốc khí sẽ xảy ra hiện tượng đảo pha. Lúc này chất lỏng sẽ choán toàn bộ tháp và trở thành pha liên tục, còn khí phân tán vào lỏng và trở thành pha phân tán. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Chế độ làm việc của tháp đệm -  Vận tốc khí ứng với điểm đảo pha gọi là vận tốc đảo pha. Do khí sục vào lỏng nên tạo bọt. -  OA ứng với chế độ dòng -  AB-chế độ quá độ -  BC- Chế độ xoáy -  CD- Chế độ sủi bọt. -  Vận tốc khí ứng với điểm D là vận tốc sặc. Vì nếu khí có vận tốc vượt qua điểm D thì chất lỏng sẽ theo khí ra khỏi tháp. Theo thực nghiệm thì quá trình chuyển khối ở chế độ sủi bột là tốt nhất, song trong thực tế tháp đệm chỉ làm việc ở tốc độ đảo pha (tại điểm C), vì nếu tăng nữa sẽ rất khó bảo đảm quá trình ổn định. ở chế độ này, chất lỏng chảy thành màng bao quanh đệm, nên còn gọi là chế độ màng, và sau điểm C ta có chế độ sủi bọt. Do đó, trong thực tế tháp làm việc ở chế độ màng. 12
  13. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tính toán tháp đệm Đối với tháp đệm, cần xác định đường kính tháp, chiều cao lớp đệm và trở lực. Đường kính được tính theo công thức chung : Vx D= 0, 785w Vx : lưu lượng pha lỏng, m3/s w : Vận tốc làm việc trong tháp, m/s. Được tính :w=(0,8-0,9) wđp Vận tốc đảo pha: −4 x 0,16 y = 1, 2e 1 1 2 wdpσρ x ! µ x $ !G $ 4 ! ρ $ 8 y= 3 # & x =# x & # y & #G & ρ gFtd ρ x " µ n % " y% " x% chỉ số X chỉ pha lỏng chỉ số Y chỉ pha khí, n – nước. σ - Bề mặt riêng của đệm, m2/ m3 Ftd- Tiết diện tự do của đệm m2/ m2 có trị số bằng thể tích tự do Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tính toán tháp đệm Chiều cao lớp đệm được tính dựa vào phương trình chuyển khối, hay số đơn vị chuyền khối, tức là : H= hymy=hxmx, m Trong đó hy và hx là chiều cao tương đương của một bậc thay đổi nồng độ (một đơn vị chuyển khối) trong pha khí và pha lỏng, được xác định theo công thức của nhiều tác giả khác nhau 1,2 Theo Capharốp - Đứtnheski: ! Ftd $ 1 h = 200 # & " σ % w 0,4 Theo Pơ rát Vtd 2 h= Re 0,25 Pry' 3 y ψσ σ : sức căng bề mặt, N/m 0,3 0,5 ψ : hệ số thấm ướt đệm, xác định theo công thức : ψ = 0, 003Re y l l : mật độ tưới, kg/m2h 13
  14. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tính toán tháp đệm Khi mật độ tưới l>5 m3/m2h ta chấp nhận ψ=1, khi đó ta có: ! G $ 0,2 0,342 0,19 0,038 lg # x & # mG & !ρ w$ ! Gy $ ! ρ y $ ! µ y $ " y% h = 28 # y & # µ & −1,2 σ Vtd # & # & # & " y % " Gx % " ρ x % " µ x % G 1− m x Gy Với µy, µx - Độ nhớt của khí và lỏng, Ns/m2 m - Hệ số cân bằng. Theo M.Je.Pesin đối với đệm vòng, hệ số chuyển khối: Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tính toán trở lực của lớp đệm Đối với tháp đệm khô, ta có thể coi dòng khí chảy qua giống như chuyển động qua các rãnh song song có chiều dài bằng chiều cao lớp đệm. 2 H w0 ρ y Δpkho = λ dtd 2 14
  15. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tính toán trở lực của lớp đệm Đối với trở lực đệm ướt, do ảnh hưởng của dòng chất lỏng thấm ướt bề mặt đệm làm giảm bề mặt tự do, tăng vận tốc khí, nên trở lực cũng tăng lên. Do đó, mật độ tưới càng lớn, trở lực càng tăng. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tính toán trở lực của lớp đệm 15
  16. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tính toán trở lực của lớp đệm Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tháp đĩa được ứng dụng nhiều trong công nghệ hoá và thực phẩm. Trong tháp đĩa, chất lỏng đi từ trên xuống, còn khí đi từ dưới lên. Chúng tiếp xúc và trao đổi chất với nhau tại mỗi bậc (đĩa), khác với tháp đệm, hai pha lỏng hơi tiếp xúc với nhau liên tục trên toàn tháp. So với tháp đệm thì tháp đĩa phức tạp hơn và được phân thành nhiều loại theo kết cấu của đĩa và sự vận chuyển của chất lỏng qua lỗ đĩa hoặc theo các ống chảy chuyền giữa các đĩa, cụ thể phân thành: - Tháp đĩa có ống chảy chuyền và không ống chảy chuyền - Tháp đĩa lưới, tháp chóp, tháp xú páp và một số dạng khác. 16
  17. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tháp đĩa có ống chảy chuyền Trong tháp đĩa có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyển động riêng biệt nhau từ đĩa này sang đĩa khác. Các loại tháp thường gặp trong sản xuất là tháp chóp, tháp đĩa lỗ, tháp xú páp hay tháp đĩa rãnh chữ s. Tháp đĩa chóp Tháp gồm nhiều đĩa, trên đĩa có lắp nhiều chóp. Trên mỗi đĩa có ống chảy chuyền để vận chuyển chất lỏng từ đĩa này đến đĩa khác. Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào kích thước tháp và lưu lượng chất lỏng. ống chảy chuyền được bố thí theo nhiều cách. Khí đi từ dưới lên qua ống hơi vào chóp, qua khe chóp để tiếp xúc với chất lỏng trên đĩa. Chóp có cấu tạo tròn hay dạng khác. Thân chóp có rãnh tròn, chữ nhật hoặc tam giác để khí đi qua. Hình dáng của rãnh trên chóp không ảnh hưởng mấy đến quá trình chuyển khối. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tháp đĩa chóp - Hiệu quả của quá trình phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí. -  Nếu vận tốc khí bé thì khả năng sục khí kém, nhưng nếu vận tốc khí quá lớn sẽ làm bắn chất lỏng hoặc cuốn chất lỏng theo. -  Hiện tượng bắn chất lỏng tất nhiên còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác, như khảng cách giữa các đĩa, khoảng cách giữa các chóp, khối lượng riêng, cấu tạo và kích thước của chóp và ống chảy chuyền 17
  18. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Các chế độ của dòng lỏng-hơi Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Tháp đĩa chóp 18
  19. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Sơ đồ bố trí ống chảy chuyền và sự chuyển động của chất lỏng trên đĩa - Chất lỏng chuyển động hướng tâm - Chất lỏng phân dòng -  Chất lỏng chuyển động vòng -  Chất lỏng chuyển động theo hướng bán kính Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Phân bố dòng lỏng và dòng hơi 19
  20. Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ Hình dạng ống hơi Chương 2: Quá trình hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ 20
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2