Đồ án thiết kế tháp đệm Dùng H2O để hấp thụ CO2 trong hỗn hợp khí CO2 – Không khí

Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, do các ngành công nghiệp sản xuất ra các sản phẩm phục vụ con người,
đồng thời cũng sản xuất ra một lượng chất thải lớn làm hỏng hệ cân bằng
sinh thái, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Trong các loại ô nhiễm, ô nhiễm không khí là ảnh hưởng trực tiếp đến con người
và các loài động thực vật. Vì vậy, trong những năm gần đây ô nhiễm không
khí từ các ngành công nghiệp ở nước ta đang là vấn đề quan tâm không chỉ
ở nhà nước mà của toàn bộ xã hội bởi mức độ nguy hại của nó đã lên mức
báo động.
CO2 là một trong những chất khí được sản sinh nhiều trong các ngành công
nghiệp và sinh hoạt. Việc xử lý CO2 có nhiều phương pháp khác nhau. Vì
vậy, đồ án môn học với nhiệm vụ tính toán thiết kế tháp đệm để hấp thụ CO2
là một phương án góp phần xử lý khí thải ô nhiễm.
Trong đồ án này sẽ đi khảo sát phương án: Dùng H2O để hấp thụ CO2 trong hỗn
hợp khí CO2 – Không khí. Với nội dung khảo sát thiết kế tháp đệm xử lý CO2
với năng suất tính theo hỗn hợp khí vào thiết bị 3000 m3/h ,nồng độ CO2
trong hỗn hợp khí đầu vào à 15% thể tích , đầu ra là 2% thể tích . Áp suất
làm việc trong tháp 20at ,nhiệt độ làm việc 10
o
C.
Sau 15 tuần tìm hiểu, tính toán và nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình, tạo mọi
điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đồ án môn học này của cô giáo hướng
dẫn Vy Thị Minh Tâm và các thầy cô bộ môn Máy và Thiết bị Hóa chất nhưng
do chưa có nhiều kinh nghiệm tính toán, nên không thể tránh khỏi những sai
sót, em rất mong nhận được ý kiến của các thầy, cô để đồ án sau có kết quả
tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
1
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
I. Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ.
1. Khái niệm quá trình hấp thụ:
Hấp thụ là quá trình xảy ra khi một cấu tử của pha khí khuếch tán vào pha lỏng do
sự tiếp xúc giữa hai pha khí và lỏng. Nếu quá trình xảy ra ngược lại, nghĩa là
cần sự truyền vật chất từ pha lỏng vào pha khí, ta có quá trình nhả khí.
Nguyên lý của hai quá trình là giống nhau.
Quá trình hấp thụ tách bỏ một hay nhiều chất ô nhiễm ra khỏi dòng khí thải(pha
khí) bằng cách xử lý với chất lỏng( pha lỏng). khi này hỗn hợp khí được tiếp
xúc với chất lỏng nhằm mục đích hòa tan chọn lựa một hay nhiều cấu tử của
hỗn hợp khí để tạo nên một dung dịch các cấu tử trong chất lỏng.
- Khí được hấp thụ gọi là chất bị hấp thụ.
- Chất lỏng dùng để hấp thụ gọi là dung môi ( hay chất hấp thụ ).
- Khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.
Quá trình hấp thụ dùng để :
- Thu hồi các cấu tử quý.
- Làm sạch không khí.
- Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt.
- Tạo thành một dung dịch sản phẩm
Trong trường hợp thứ nhất và thứ 3, bắt buộc ta phải tiến hành quá trình nhả sau
khi hấp thụ để tách cấu tử được hấp thụ ra khỏi dung môi. Đối với trường

hơp khác, quá trình nhả là không cần thiết, trừ khi phải dùng lại dung môi
(dung môi quý).
Quá trình hấp thụ phụ thuộc chủ yếu vào dung môi, do đó cần chọn dung môi theo
những tính chất sau đây:
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
2
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
1. Có tính chất hòa tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hòa tan cấu tử cần tách và hòa tan
không đáng kể các cấu tử còn lại, còn những cấu tử không có khả năng hòa
tan . Đây là điều kiện quan trọng nhất.
2. Độ nhớt của dung môi càng bé thì trở lực quá trình càng nhỏ. Tăng tốc độ hấp
thụ, 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 nhiệt độ sôi của cấu tử hòa tan, để dễ dàng tách riêng
các cấu tử ra khỏi dung môi 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.
7. Ít bay hơi để tránh tổn thất, rẻ tiền,dễ kiếm và không độc hại với người.
8. Không độc và ăn mòn thiết bị.
Tuy nhiên, trong thực tế không có dung môi nào đạt được các tiêu chuẩn đã nêu.
Vì vậy khi chọn ta phải dựa vào các điều kiện cụ thể của sản xuất.
Trong sản xuất, người ta dùng nhiều loại thiết bị khác nhau để thực hiện chưng
luyện và hấp thụ. Các thiết bị thường dùng trong sản xuất là :
- Thiết bị bề mặt.

- Thiết bị lọa màng.
- Thiết bị loại phun.
- Thiết bị loại đệm (tháp đệm).
- Thiết bị loại đĩa (tháp đĩa).
2. Cân bằng vật chất và đường làm việc của tháp.
Ta xét quá trình hấp thụ xảy ra trong thiết bị hấp thụ chỉ có một chất hòa tan (chất
ô nhiễm) A khuếch tán giữa hai pha. Pha lỏng kí hiệu là L, pha khí kí hiệu là
G, ta quan niệm rằng pha khí cũng như pha lỏng đều gồm 2 thành phần: khí
trơ + khí A và chất lỏng trơ + khí A( chất hòa tan).
Kí hiệu như sau:
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
3
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
Lđ,Lc: Suất lượng mol tổng cộng của pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị,mol/h
Gđ,Gc: Suất lượng mol tổng cộng của pha khí vào và ra khỏi thiết bị,mol/h
Ltr,Gtr: Suất lượng mol tổng cộng của phần trơ trong pha lỏng và pha khí, mol/h
Phần mol của chất A trogn pha lỏng vào và ra khỏi thiết bị :xđ,xc
Tỷ số mol của chất A và chất trơ trong pha lỏng:Xđ,Xc
Phần mol của chất A trong pha khí vào và ra khỏi thiết bị: yđ,yc
Tỷ số mol của chất A và chất trơ trong pha khí : Yđ,Yc
Pt: Áp suất tổng
Ta thấy L,G thay đổi theo từng vị trí trên chiều cao của tháp vì có sự di chuyển khí
A từ pha khí sang pha lỏng khi này phần trơ là hằng số.
Cân bằng vật chất cho toàn bộ tháp:

Gđ + Lc = Gc + Lđ
Cân bằng vật chất chất A khuếch tán giữa 2 pha :
Gđyđ + Lcxc = Gcyc + Lđxđ
Ta có tỷ suất mol của chất A trong pha khí
Y= =
Tương tự cho pha lỏng : X =
Phương trình cân bằng
Gđ*Yđ + Lc*Xc = Gc* Yc + Lđ*Xđ
Ta có =
Gtr = Gtr(1−y)=
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
4
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
Ltr = L(1-x) =
Ta có phương trình đường thẳng ( đường làm việc ) trên tọa độ X,Y có hệ số góc là
Ltr/Gtr và đi qua 2 điểm ( Xđ, Yc) và ( Xc,Yđ).Ta có biểu đồ sau :
Lượng dung môi tối thiểu cho quá trình hấp thụ là : Lmin
=
=
Trong đó Xcmax là nồng độ của pha lỏng cực đại ứng với lượng dung môi tối thiểu
hay nồng độ của pha lỏng cân bằng với nồng độ của pha khí.
Lượng dung môi cần thiết trong thực nghiệm được lấy
L=(1,2:1,5)Lmin
Cân bằng nhiệt lượng

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:
GđIđ + LđCđTđ+ Qđ = GcIc + LcCcTc + Qc
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
5
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
Trong đó:
Gđ, Gc: hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h)
Lđ,Lc: Lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h)
Tđ,Tc: nhiệt độ khí ban đầu và cuối (oC)
Iđ,Ic:entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối (kJ)
Qo:nhiệt mất mát(KJ/h)
Qs: nhiệt phát sinh do hấp thụ khí(KJ/h)
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thụ:
* Ảnh hưởng của nhiệt độ .
Khi các điều kiện khác không đổi mà nhiệt độ tháp tăng thì hệ số Henry sẽ tăng. Kết
quả là ảnh hưởng đường cân bằng chuyển dịch về phía trục tung. Nếu đường
làm việc AB không đổi thì động lực trung bình sẽ giảm, số đĩa lí thuyết sẽ
tăng và chiều cao thiết bị sẽ tăng. Thậm chí có khi tháp không làm việc được
vì nhiệt độ tăng quá s với yêu cầu kĩ thuật. Nhưng nhiệt độ tăng cũng có lợi là
làm cho độ nhớt cả hai pha khí và lỏng giảm.
* Ảnh hưởng của áp suất.
Nếu các điều kiện khác giữ nguyên mà chỉ tăng áp suất trong tháp thì hệ số cân
bằng sẽ tăng và cân bằng sẽ dịch chuyển về phía trục hoành. Khi đường làm
việc AB không đổi dẫn đến động lực trung bình tăng quá trình truyền khối

sẽ tốt hơn vì thế số đĩa lí thuyết sẽ giảm làm chiều cao tháp thấp hơn.
Tuy nhiên, việc tăng áp suất thường kèm theo sự tăng nhiệt độ. Mặt khác, sự tăng
áp suất cũng gây khó khăn trong việc chế tạo và vận hành của tháp hấp thụ.
* Các yếu tố khác.
Tính chất của dung môi, loại thiết bị, cấu tạo thiết bị, độ chính xác của dụng cụ đo,
chế độ vận hành tháp…đều ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất hấp thụ.
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
6
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
II. Giới thiệu về tháp đệm :
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 là các loại đệm sau đây:
- Đệm vòng, kích thước từ 10÷100mm.
- Đệm hạt.kích thước từ 20÷100mm.
- Đệm xoắn, kích thước từ 0,3÷1mm, đường kính vòng xoắn cỡ 3÷8mm, chiều dài
dày không quá 25mm
- Đệm lưới bằng gỗ.
Tất cả các loại đệm trên đều có yêu cầu chung:
- Các bề mặt riêng lớn(kí hiệu δ, thứ nguyên m2/m3)
- Thể tích tự do lớn( kí hiệu Vtd, thứ nguyên m2/m3)
- Khối lương riêng bé.
- Bền hóa học.
Trong thực tế không có loại đệm nào có đủ hết các yêu cầu trên nên tùy theo điều

kiện cụ thể mà chọn loại đệm cho phù hợp.
Tháp đệm có nhưng 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.
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 đặt thêm bộ phận phân phối chất lỏng.
III. Tổng quan về chất bị hấp thụ:
1. Tổng quan về Cacbon điôxít (CO2)
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
7
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
* Tính chất hóa lý:
Cacbon điôxít(CO2)là một khí không màu mà khi hít phải ở nồng độ cao tạo ra vị
chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng(nguy cơ bị ngạt thở rất
lớn ). Tỷ trọng riêng của nó ở 25oC là 1,98kg.m-3, khoảng 1,5 lần nặng hơn
không khí. Phân tử Cacbon điôxít (O=C=O) chứa hai liên kết lối đôi và có
hình dạng tuyến tính. Nó không có lưỡng cực điện ,không cháy.
ở nhiệt độ dưới -78oC, Cacbon điôxít ngưng tụ lại thành tinh thể màu trắng gọi là
băng khô . Cacbon điôxít lỏng chỉ được khi tạo ra dưới áp suất trên 5,1
bazơ, ở điều kiên áp suất khí quyển nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang
rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa.

Bảng thuộc tính Cacbon điôxít(CO2)
Tỷ trọng và pha 1,98 kg/m3 ở 298 K
1,6 g/m3( rắn)
Độ hòa tan trong nước 1,45 kg/m3
Điểm nóng chảy -57oC ( 216 K-áp lực)
Điểm sôi -78oC (195 K-thăng hoa)
pKa 6,35
pKb 10,33
Độ nhớt 0,07 cP ở -78oC
Phân tử gam 44,01 g/mol
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
8
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
* Tính chất hóa học:
- Khí Cacbon điôxít (CO2) không cháy và không duy trì sự cháy nhưng một số kim
loại có tình khử mạnh có thể cháy được trong CO2
VD: CO2 +2Mg

2MgO + C
- CO2 là oxit axit :
1. Tác dụng với nước:
Tan tốt trong nước ,nhất là ở nhiệt độ thấp. CO2 là anhydrit của axit
cacbonic.Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định cacbon dioxit, và nhiều hơn
lượng này khi khí bị nén. Khoảng 1% cacbon dioxit hòa tan chuyển thành

axit cacbonic. Axit cacbonic phân ly một phần thành các ion bicacbonat
( HCO3-) và cacbonat( CO3).
CO2 + H2O  H2CO3 ; ( k1 = 4,01.10-7 ; k2 = 5,2.10-11)
2. Tác dụng với bazơ:
C O2 + 2 NaOH Na2CO3+ H2O
CO2 + NaOH  Na + HCO3
3. Tác dụng với oxit bazơ:
CO2 + CaO  CaCO3
4. Phản ứng với muối trung hòa tạo muối axit.
K2CO3 +CO2 + H2O  2KHCO3
K2SO3 +CO2 +H2O  KHCO3 +KHSO3
Ngoài ra trong CO2 cacbon hóa trị 4 nên có thể bị khử tạo CO
CO2 + O2  H2CO3
Nguồn gốc của khí Cacbon điôxít (CO2): CO2 sinh ra do quá trình đốt cháy nguyên
liệu.
Nguyên nhiên liệu đốt cháy hoàn toàn  CO2 + hơi nước +các chất khác.(bụi ,
NOx…)
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
9
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
Nguyên nhiên liệu đốt cháy không hoàn toàn  CO2 + hơi nước + CO + các chất
khác.
CO2 sinh ra do quá trình sản xuất phân Ure: bao gồm khí thải chứa CO, CO2, NH3,
SO2 chủ yếu ở khâu khí hóa than.

CO2 sinh ra từ ngành công nghiệp sản xuất gang thép: bụi , CO, CO2, hydrocacbon,
phenol, benzene, SO3, NH3, …
Tác động đến môi trường & con người .
Hiện nay, theo số liệu của các nhà khoa học, hàm lượng CO2 trong khí quyển ngày
càng tăng. Điều này đã làm tăng hiệu ứng nhà kính của Trái Đất và tăng
nhiệt đọ trung bình của Trái Đất , gây hiệu quả xấu đến môi trường và con
người.
Hàm lượng cacbon dioxin trong không khí trong lành là khoảng 0,004% và trong
không khí bị thải ra từ sự thở là 4,5%. Khi thở trong không khí với nồng độ
cao ( khoảng 5% theo thể tích )gây ngạt thở . Nồng độ cao dẫn đến tử vong.
Phương pháp hấp thụ :
Do độ hòa tan trong nước của CO2 trong nước cao cần lưu lượng nước không lớn .
CO2 + H2O

H+ + HCO3-
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
10
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học

CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
1. Chọn quá trình công nghệ :
Chọn nguồn xử lý khí từ hỗn hợp khí CO2−không khí
Chọn dung môi là nước vì nước là dung môi hấp thụ rẻ tiền, dễ tìm, không ăn
mòn thiết bị.

Chọn tháp hấp thụ là tháp đệm nên dung môi hấp thụ là nước sạch để không tạo
ra cặn lắng làm cản trở dòng khí và lỏng.
Thuyết minh quy trình công nghệ:
Dòng hỗn hợp khí CO2−không khí được xử lý sơ bộ trước khi được quạt thổi qua
lưu lượng kế đo lưu lượng và đi vào tháp đệm thực hiện quá trình hấp thụ.
Tháp hấp thụ làm việc nghịch dòng.
Dung môi hấp thụ là nước. Nước sạch từ bể chứa được bơm lên bồn cao vị . Sau đó
đi qua lưu lượng kế đo lưu lượng dòng chảy và đi vào tháp hấp thụ, nước
được chảy từ trên xuống .Khí CO2 được thổi từ đáy tháp lên, quá trình hấp
thụ được thực hiện.
Hỗn hợp khí CO2
−
không khí sau khi hấp thụ đạt TCVN được thải phát tán ra môi
trường. Dung dịch nước sau khi hấp thụ được cho chảy vào bể chứa thực
hiện quá trình trung hòa và thải ra môi trường
2. Tính toán công nghệ
a. Các thông số ban đầu.
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
11
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
Năng suất tính theo hỗn hợp khí vào thiết bị: 3200m3/h
Nồng độ đầu vào của CO2 trong hỗn hợp khí là 22% thể tích.
Nồng độ đầu ra của CO2 trong hỗn hợp khí là 3% thể tích.
Áp suất làm việc trong tháp 25(at)≈ 25⋅760=19000mmHg

Nhiệt độ làm việc: 25oC
Tính cân bằng vật chất :
Phương trình cân bằng của dung dịch hấp thụ CO2 bằng H2O được biểu diễn theo
định luật henry.
P=H*x hoặc y*
t
P
H
=
=m*x
Trong đó:
y*: Nồng độ phần mol của CO2 trong dòng khí ở điều kiện cân bằng .
x :Nồng độ phần mol khí hòa tan trong pha lỏng.
P:Áp suất riêng phần của cấu tử khí hòa tan khi cân bằng.
Pt: Áp suất tổng của hệ hấp thụ ;
H: Hệ số henry.
Ở 25oC H = 1,24*10-6mmHg (tra sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa học tập
2)
m: hệ số phân bố.
m = =
760*25
10*24,1
6
−
=6,526.10-11
y =
Y
Y
+
1

x =
X
X
+1
Thay vào trên ta được :
*
*
1 Y
Y
+
=m *
X
X
+1
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
12
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
Suy ra::Y* =
Xm
mX
)1(1 −+
=
X
X

)10*526,61(1
*10*526,6
11
11
−
−
−+
Từ phương trình đường cân bằng ta có các số liệu đường cân bằng:
Nồng độ thể tích ban đầu của dòng khí.
yđ= 22% = 0,22
Nồng độ đầu của pha khí theo tỉ số mol:
Yđ =
d
d
y
y
−
1
=
22,01
22,0
−
=0,282(KmolCO2/Kmolkhôngkhí)
Nồng độ cuối của pha khí theo tỷ số mol :
Yc =
c
c
y
y
+

1
= 0,0309(KmolCO2/Kmolkhôngkhí)
Ytb =
2
cđ
yy
+
= 0,154(KmolCO2/Kmolkhôngkhí)
Hấp thụ CO2 bằng nước, chọn dung môi sạch khi vào tháp nên : Xđ = 0
Với Xđ : nồng độ đầu của pha lỏng, KmolCO2/KmolH2O
Lượng dung môi tối thiểu được sử dụng :
d
cd
tr
XX
YY
G
L
−
−
=
*
min
Gtr : suất lượng dòng khí trơ trong hỗn hợp .
X* : nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với Xđ.
Ta có X* = 0.0016
Suất lượng hỗn hợp khí vào tháp hấp thụ:
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1

Đ11
X 0 0.00008 0.0001 0.00012 0.00014
Y* 0 2,8.10-11 3.2.10-11 3,56.10-11 3,8.10-11
13
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
Ghh=
858,3273
)25273(*082.0
3200*25
=
+
=
RT
PV
(Kmol/h)
Suất lượng mol khí trơ:
Gtr = Ghh*(1-yđ ) = 3273,858*(1-0,22)=2553,609 (Kmol/h)
Suất lượng khí CO2 đầu vào:
GCO2 vào =Ghh – Gtr= 3273,858 – 2553.609 = 720.249 (Kmol/h)
Lượng dung môi tối thiểu dùng để hấp thụ là :
Lmin = Gtr
d
cd
XX
YY
−
−

*
= 2553,609
06.1
0309.0282.0
−
−
= 250,4 (Kmol/h)
Lượng dung môi cần thiết :
L= k * Lmin =1.5*250.4 = 375,6 (KmolH2O/h)
Phương trình đường cân bằng vật chất có dạng :
Gđ*Yđ + Lc*Xc = Gc* Yc + Lđ*Xđ
Suy ra :
dc
cd
tr
tr
XX
YY
G
L
−
−
=
Xc =
tr
tr
cd
G
L
YY −

=
6,375
0309.0282.0 −
= 6,68*10-4 (Kmol CO2/ Kmol H2O)
Xc: nồng độ cuối của pha lỏng
Hiệu suất của quá trình hấp thụ :
d
cd
Y
YY
H
−
=
=
%100*
282,0
0309.0282.0
−
= 89,04%
Phương trình đường làm việc đi qua 2 điểm A(0; 0.0309),(6,68*10-4;0.282)
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
14
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
I. Tính cân bằng nhiệt lượng:

Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng:
GđIđ + LđCđTđ+ Qđ = GcIc + LcCcTc + Qc
Trong đó:
Gđ, Gc: hỗn hợp khí đầu và cuối (kg/h)
Lđ,Lc: Lượng dung dịch đầu và cuối (kg/h)
Tđ,Tc: nhiệt độ khí ban đầu và cuối (oC)
Iđ,Ic:entanpi hỗn hợp khí ban đầu và cuối (kJ)
Qo:nhiệt mất mát(KJ/h)
Qs: nhiệt phát sinh do hấp thụ khí(KJ/h)
Để đơn giản hóa vấn đề tính toán, ta có thể giả thiết như sau:
Nhiệt độ mất mát ra môi trường xung quanh là không đáng kể : Q0= 0
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
15
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
Nhiệt độ khí ra khỏi tháp bằng nhiệt độ dung dịch vào tháp : tc=tđ= 25oC
Tỷ nhiệt của quá trình không đổi trong suốt quá trình hấp thụ : Cđ= Cc = CH2O
G
tr
Y
ñ
G
tr
Y
c

L
tr
X
ñ
L
tr
X
c
G
tr
t
ñ
I
ñ
G
c
t
c
I
c
L
ñ
C
ñ
T
ñ
L
c
C
c

T
c
Trong
quá trình hấp thụ có thể phát sinh nhiệt, do đó nếu ký hiệu q là nhiệt phát
sinh của 1mol cấu tử bị hấp thụ, thì ta có: Qs = q * Ltr * (Xc – Xđ)
Với mức độ gần đúng có thể coi q không đổi trong suốt quá trình hấp thụ:
( )
ccccđctrđđđđ
TCLIGXXLqTCLIG ******** +=−++
Hoặc :
( )
dc
cc
ccdd
d
c
d
c
XX
CL
Lq
CL
IGIG
t
L
L
T
−+
−
+=

*
*
*
**
*
Vì lượng cấu tử hòa tan trong dung dịch nhỏ nên có thể lấy:
c
d
L
L
≈ 1
Đồng thời ta cũng có thể bỏ qua biến đổi nhiệt của pha khí, tức là:
0 ≈−
ccdd
IGIG
Như vậy, công thức tính nhiệt độ cuối Tc của dung dịch sẽ có dạng như sau:
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
16
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
( )
dc
c
tr
dc

XX
CL
Lq
TT
−+=
*
*
Do lượng cấu tử hòa tan trong dung dịch nhỏ nên: Lđ = Lc = Ltr
( )
dcdc
XX
C
q
TT
−+=
Phương trình hấp thụ CO2 trong dung môi H2O:
CO2 + H2O ⇔ H+ + HCO3-
Theo sổ tay hóa lý, nhiệt sinh của:
CO2 :
2
CO
∆Η
= -1,64 (kcal/mol) .
H2O :
OH
2
∆Η
= - 1,01 (kcal/mol) .
H+ :
+

∆Η
H
= 0 (kcal/mol) .
HCO3- :
−
∆Η
3
HCO
= -12157.29 (kcal/mol) .
Nhiệt phát sinh của 1mol cấu tử CO2 bị hấp thụ:
q= (
2
CO
∆Η
+
OH
2
∆Η
) – (
+
∆Η
H
+
−
∆Η
3
HCO
)=12154,64 (kcal/mol).
Nhiệt độ cuối của dung dịch ra khỏi tháp:
304oK

I.Tính kích thước tháp hấp thụ:
Tính đường kính tháp:
1. Tính khối lượng riêng:
Đối với pha lỏng:
Áp dụng công thức:
OH
CO
CO
CO
xtb
aa
2
2
2
2
1
1
ρρρ
−
+=
Trong đó:
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
17
( )
=−+=
dcdc
XX

C
q
TT
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
xtb
ρ
: Khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp lỏng, kg/m3.
:
2
CO
a
Phần khối lượng của CO2 trong pha lỏng
OHCO
22
,
ρρ
: Khối lượng riêng của CO2 và H2O ở 250C, kg/m3.
- Tra bảng I.5 ở 250C có:
OH
2
ρ
= 997,08 (kg/m3)
- Tra bảng I.2 ở 250C có:
2
CO
ρ
(250C) = 890 (kg/m3)

- Tính
:
2
CO
a
Áp dụng công thức
)1(.
.
22
2
2
tbOHtbCO
tbCO
CO
xMxM
xM
a
−+
=
Trong đó
:
2
CO
a
Phần khối lượng trung bình của CO2 trong hỗn hợp.
xtb: Nồng độ phần mol trung bình của CO2 trong pha lỏng, (kmol CO2/kmol H2O)
xtb = 2,86.10-4 (kmol CO2/kmol H2O)
→
)102,86.1.(18102,86 44
102,86 44

44
4
2
−−
−
−+
=
CO
a
=6,99.10-4
- Tính khối lượng phân tử của hỗn hợp lỏng Mx
x
M
= xtb.
2
CO
M
+(1–xtb).
OH
M
2
= 2,86.10-4×44+(1-2,86.10-4)×18 =18
Làm tròn Mx =18
Đối với pha khí:
- Tính My
Áp dụng công thức: My = ytb.
2
CO
M
+ (1 - ytb).

KK
M
Trong đó:
My: Phân tử lượng trung bình của hỗn hợp khí, (kg/kmol)
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
18
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
2
CO
M
,
KK
M
: Khối lượng phân tử của CO2 và không khí, (kg/kmol)
ytb: Phần mol trung bình của CO2 trong hỗn hợp
(kmol CO2/kmol hỗn hợp khí)
→ My = 0,0163×44 + (1-0,0163)×29 = 29,2445
Tính
T
MyMy
kktbCOtb
xtb
.4,22
273].).1(.[

2
−+
=
ρ
298.4,22
273].29).0163,01(0163,0.44[ −+
=
→
ytb
ρ
= 1,2 kg/m3
Tính
xtb
ρ
:
OH
CO
CO
CO
xtb
aa
2
2
2
2
1
1
ρρρ
−
+=


xtb
ρ
=
OH
CO
CO
CO
aa
2
2
2
2
1
1
ρρ
−
+
=
08,997
10.99,61
890
10.99,6
1
44 −−
−
+
= 1000 (kg/m3)
2. Lượng khí trung bình đi trong tháp:

Vytb =
2
cd
VV +
(m3 / h) (II.183)
với: Vđ: Lưu lượng hỗn hợp đầu ở điều kiện làm việc (m3/ h)
Vc: Lưu lượng khí thải đi ra khỏi tháp (m3 / h): Vc = Vtr * (1 +
c
Y
)
(II.183)
Vđ =
y ytb
ytb
G M
ρ
×
=
12,80074
209,1
5705,29*858,3273
=
m3/h
với: Mytb: Khối lượng mol phân tử trung bình của hỗn hợp khí (kg / kmol)
ytb
ρ
: Khối lượng riêng trung bình của pha khí (kg / m3)
Tương tự: Vtr =
tr ytb
ytb

G M
ρ
×
=
7,62457
209,1
5705,29*609,2553
=
m3/h
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
19
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
→
Vc = Vtr ×(1+
c
Y
) = 62457,7×(1+4,608.10-3 )=62745,5 m3/h
→ Vytb = 62745,5 m3/h
3. Độ nhớt
,
x y
µ µ
:
Đối với pha lỏng:

Áp dung công thức:
2 2
lg lg (1 ) lg
x tb SO tb H O
x x
µ µ µ
= × + − ×
I-84
Trong đó:
OHCO
22
,
µµ
: độ nhớt của CO2 và H2O ở 250C, Ns/m2
Tra bảng I-101 sổ tay I:→
2
CO
µ
(250C) =0,16.10-3Ns/m2
Tra bảng I-102 sổ tay I:
2
H O
µ
(250C)= 0,8937.10-3Ns/m2
xtb: Nồng độ phần mol trung bình của CO2 trong pha lỏng, (kmol CO2/kmol H2O)
xtb = 2.86*10-4 (kmol CO2/kmol H2O)
→
lg
x
µ

= 2,86.10-4×lg(0,2915.10-3)+(1-2,86.10-4)×lg(0,8937.10-3)= -3,049
→
x
µ
= 8,935.10-4 Ns/m2
Đối với pha khí:
Áp dụng công thức:
KK
KKtb
CO
COtb
y
y
My
My
M
µµµ
).1(
.
2
2
−
+=
Trong đó: độ nhớt trung bình của
pha khí, của CO2 và của không khí ở điều kiện làm việc 250C, Ns/m2
ykkCO
MMM ,,
2
: khối lượng phân tử của pha khí, của CO2 và của không khí ở điều
kiện làm việc 250C và P=25atm

Tra đồ thị I-35 ta có :
2
CO
µ
(250C)=0.024.10-3 Ns/m2
kk
µ
(250C)=0,018.10-3, Ns/m2
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
20
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
=
−
+
=
KK
KKtb
CO
COtb
Y
y
My
My
M

µµ
µ
).1(
.
2
2
1,58.10-15 (Ns/m2)
4. Tính đường kính tháp
Đường kính tháp:
Công thức: D=
4
3600
ytb
tb
V
π ω
×
× ×
=3.3m→ Quy tròn D=3,5 m
Kiểm tra:
+
1
50
td
d
D
<
Ta có
4
4 0,75

0,0154
195
d
td
d
V
d
σ
×
×
= = =
→
→ thỏa mãn điều kiện
Kiểm tra theo mật độ tưới U =
f
L
f
V
l
l
ρ
=
(m2/m2h)
Với V1 là lưu lượng thể tích chất lỏng, m3/h
f: tiết diện tháp, m2

là giá trị mật độ tưới tối thiểu
Mật độ tưới tới hạn Uth = σđ.b (m3/m2h) (II.177)
Trong đó:
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm

Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
21
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
b: hằng số (chọn b = 0,158)
⇒ Uth = 195×0,158 = 30,81 m3/m2h
→Đệm thấm ướt rất tốt
II.2 Tính toán chiều cao tháp:
Chiều cao tháp được xác định theo phương pháp số đơn vị chuyển khối:
H = hdv.my (m)
Trong đó: H: chiều cao tháp, m
hdv: chiều cao một đơn vị chuyển khối, m
my: số đơn vị chuyển khối
Xác định chiều cao một đơn vị chuyển khối:
hdv = h1 +
2
'.
y
x
m G
h
G
(m)
Trong đó: h1: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha khí
h2: chiều cao 1 đơn vị chuyển khối ứng với pha lỏng
m’: giá trị trung bình của tg góc nghiêng đường cân bằng Y*=f(X) với mặt phẳng

ngang
Tính h1 và h2:
0.25 2/3
1
Re Pr
d
y y
d
V
h
a
ψ σ
= × ×
× ×
, m
Trong đó: a : hệ số phụ thuộc vào dạng đệm, với đệm vòng a=0,123
ψ
: hệ số thấm ướt của đệm, do
1
th
U
U
>
nên
ψ
=1
Rey: chuẩn số Renoyd đối với pha khí
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1

Đ11
22
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
0,4
Re
y s
y
y d
ρ ω
µ σ
× ×
=
×

Pry: chuẩn số Pran:
Pr
y
y
y y
D
µ
ρ
=
Dy =
kkCO
kkCO
MM

vvP
T 11
)(
10.0043,0
2
2
23/13/1
5,14
+
+
−
(m2/s)
Trong đó: T: nhiệt độ làm việc tuyệt đối T=298K
2
CO
v
P: áp suất làm việc P=25atm
2
CO
v
: thể tích mol của CO2,
2
CO
v
=44,8 cm3/mol
kk
v
: thể tích mol của không khí,
kk
v

=29,9 cm3/mol
→ Dy =
29
1
44
1
)9,298,44(25
29810.0043,0
23/13/1
5,14
+
+
−
= 0,102 m2/s
VậyPry =
5
5
10.0826,1.209,1
10.58,1
−
−
=1,2
*53,104*
195.1.123,0
75,0
25,0
5,0
3523,1
=0.116 m
→ h1

*53,104*
195.1.123,0
75,0
25,0
5,0
3523,1
=0.116 m
2/3 0.25 0.5
2
256 ( ) Re Pr
x
x x
x
h
µ
ρ
= × × ×
Trong đó : Gx=3273,858×18=58929,4 kg/h→ Gx=
36,16
3600
4,58929
=
kg/s
Rex là chuẩn số Renoyd đối với pha lỏng:
0,04
Re
x
x
t d x
G

F
σ µ
×
=
× ×
=
4
935,8 .935,8*195*54,8
36,16*04.0
−
=
4.39*10-9
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
23
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
Prx là chuẩn số Pran đối với pha lỏng:
Pr
x
x
x x
D
µ
ρ
=

×
Dx: hệ số khuếch tán của CO2 vào nước ở nhiệt độ 250C
Dt = D25[1+b(t-25)] (m2/s)
Trong đó: D25: hệ số khuếch tán của CO2 vào nước ở 250C
D25 =
kkCO
kkCOOH
MM
vvAB
11
)(
10
2
22
23/13/1
6
+
+
−
µ
(m2/s)
A: hệ số, đối với chất khí tan trong nước A=1
B: hệ số, dung môi là nước B=4,7
2
CO
v
: thể tích mol của CO2 ở 250C,
2
CO
v

=44,8 cm3/mol v
2
H O
v
: thể tích mol của H2O ở 250C,
2
H O
v
=18,9 cm3/mol
2
H O
µ
: độ nhớt của nước ở 250C,
2
H O
µ
=1,005*10-3 Ns/m2=1,005 cP(bảng I.102-94)
→ D25=
18
1
44
1
)9,188,44(005,1.7,4.1
10
23/13/1
6
+
+
−
=1,466.10-9(m2/s)

b =
2
2
3
0,2
H O
H O
µ
ρ
2
H O
ρ
: khối lượng riêng của nước ở 250C,
2
H O
ρ
= 997,08 kg/m3 bảng I.5-30.32
→Dx = 1,466.10-9[1+0,02(25-20)]= 1,6126.10-9 m2/s
→
9
4
Pr 555,5
997,36 1,6126.10
8,935.10
x
−
−
= =
×
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm

Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
24
Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Khoa: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học

Đồ án môn học
→
2/3 0,5
2
4
0,25
256 ( ) 4,03886 555,5 0
8,935.10
997
, 95
,36
7h m
−
= × × × =
Tính m’: Từ phương trình đường cân bằng ta có: m’=41,697
Gy=1011,05 ×29,5705=29897,25 kg/h→ Gy=
29897, 25
8,305
3600
=
kg/s
Vậy ta xác định được chiều cao của một đơn vị chuyển khối:
Xác định số đơn vị chuyển khối:

Dựa vào giá trị Xcbc= 6.868*10-4 (kmol CO2/kmol nước)
X Y Ycb Y-Ycb 1/(Y-Ycb)
0 4,608*10-3 0 4,608*10-3 217
0,0001 8,835*10-3 4,095*10-3 4,74*10-3 210,97
0,0002 0,013 8,223*10-3 4,777*10-3 209,336
0,0003 0,0173 0,0124 4,9*10-3 204,08
0,0004 0,0215 0,0166 4,9*10-3 204,08
0,0005 0,0257 0,021 4,7*10-3 212,77
0,0005723 0,0288 0,0239 4,9*10-3 204,08
0,0006 0,03 0,025 5*10-3 200
0,0006868 0,0336 0,0288 4,8*10-3 208,33
GVHD: ThS. Vy Thị Minh Tâm
Sinh viên: Hà Kim Tùng Lớp: CH
1
Đ11
25