Đồ án: Thiết kế tháp đệm hấp thu NH3 bằng nước

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN QUÁ TRÌNH VÀ THIẾT BỊ
THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU
NH
3
BẰNG NƯỚC
 GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
 SVTH:Bùi Mạnh Trình
 MSSV :2004110192
 Lớp:02DHHH1


TP.HCM, 04/2014TP.HCM, 04/2014TP.HCM, 04/2014TP.HCM, 04/2014
TP.HCM, 04/2014
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
I. Tên đồ án
Thiết kế tháp đệm hấp thu NH
3
bằng nước
II. Nhiệm vụ đồ án ( nội dung yêu cầu và số liệu ban đầu ):
Nhập liệu: khí hỗn hợp ban đầu 2000kg/h, y
d
= 7%
Nồng độ sau hấp thu đạt 0,02%
Nhiệt độ ban đầu: 30
o
C

III. Nội dung các phần thuyết minh tính toán:
- Tổng hợp tài liệu tính toán cân bằng vật chất
- Tính toán cân bằng năng lượng
- Tính toán thông số tháp
- Tính toán các thiết bị phụ trợ
- Chọn các thiết bị phụ trợ
IV.Các bản vẽ và đồ thị ( loại và kích thước bản vẽ ):
- Vẽ bản vẽ tổng quan quy trình
- Vẽ bản vẽ chi tiết thiết bị
V. Ngày giao đồ án: 28/02/2014
VI. Ngày hoàn thành đồ án:
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 2
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
VII. Ngày nộp đồ án:
SVTH Xác nhận của GVHD
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN










Ngày Tháng Năm 2014
Ký tên
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 3
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

NHẬN XÉT CỦA THẦY CÔ PHẢN BIỆN










Ngày Tháng Năm 2014
Ký tên
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 4
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
Mục Lục:
CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ NH3 8
1.1 Giới thiệu về NH3 8
1.2 Phân loại 8
1.3 Tính chất vật lý của amoniac 9
1.4 Tính chất hóa học của amoniac 10
1.5 Ứng dụng 13
CHƯƠNG II: TỔNG QUÁT VỀ THÁP HẤP THU DẠNG ĐỆM 14
2.1 Định nghĩa hấp thu 14
2.2 Phân loại 15
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp thu 15
2.4 Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu 16
2.5 Ứng dụng của quá trình hấp thu 23
2.6 Lựa chọn dung môi 23
2.7 Tháp hấp thu 24

2.7.1 Thiết bị loại đĩa (tháp mâm): 25
2.7.2 Thiết bị loại bề mặt 25
2.7.3 Thiết bị loại màng 25
CHƯƠNG III: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ 34
3.1 Quy trình công nghệ 35
3.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ: 36
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CHÍNH 38
4.1 Cân bằng vật chất 38
4.2 Các thông số dòng khí 39
4.3 Các thông số dòng lỏng: 42
4.4 Tính đường kính 45
4.5 Tính chiều cao cột đệm theo một đơn vị chuyển khối 46
4.6 Tính chiều cao thân tháp 50
4.7 Tính cơ khí 51
Tổng quát: 51
Tính vận tốc vào ống dẫn: 51
Tính chiều dày tháp: 52
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 5
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
Đáy và nắp: 54
Ống dẫn khí và ống dẫn lỏng hàn dính vào thiết bị: 57
Đĩa phân phối lỏng: 58
Tính lưới đỡ đệm: 59
mdd=724,85+548,13=1273 kg 60
Chân đỡ và tai treo: 60
4.8. Tính trở lực 62
Tổn thất áp suất của đệm khô: 62
Tổn thất áp suất khi đệm ướt: 64
CHƯƠNG V: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHỤ 65
5.1.Bồn cao vị 65

5.2 Bơm chất lỏng 67
5.3.Quạt thổi khí 69
NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO 73
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 NH
3
.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 6
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
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!
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 7
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ NH3
1.1 Giới thiệu về NH

3
– Amoniac là một hợp chất của nitơ và hydro với công thức NH
3
, 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/cm
3
), tan
nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa tan được 1200l khí NH
3
, ở 20°C là 700l khí
NH
3
. Hiện tượng tan nhiều của NH
3
ở trong nước được giải thích bằng sự liên kết
hydro giữa phân tử NH
3
và phân tử H
2
O.
– 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 Đơn vị Loại 1 Loại 2
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 8
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
Amoniac
Lượng tạp chất tối đa
Hơi ẩm
Dầu
Sắt
%
%
mg/l
–
99,9
0,1
10
2
99,6
0,4
35
Không quy định
1.3 Tính chất vật lý của amoniac
– NH
3
tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có d < 1 (dung dịch NH

3
25% có d = 0,91g/cm
3
). Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH
3
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:
Phân tử NH
3
có cấu tạo hình
tháp tam giác với d
N–H
= 1,015
và góc hóa trị HNH = 107
0
3, tương ứng cấu hình electron như sau:
Do sự lai hóa sp
3
của nguyên tử
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 9
ε
0
A

( ) ( )
( )
( )
2
2 2 2
s x y z
σ σ σ σ
3
NH
μ =1,47D
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
nitơ mà cặp electron hóa trị tự do (ở N) phân bố trên 1 sp
3
được định hướng rõ rệt
trong không gian, vì vậy phân tử NH
3
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 NH
3
, vì vậy NH
3
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 lỏng 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
H
2
O. 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
o
C thì khí
amoniac bị O
2
không khí oxi hóa thành nito oxit:
Các chất oxi hóa khác như nước oxy già, axit cromic, kalipemanganat oxi hóa
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 10
÷
0
3 2 2 2
3
2NH + O N + 3H O ΔH = - 768,6kJ/mol
2
→
0
3 2 2
5
2NH + O 2NO + 3H O ΔH = -588kJ/mol

2
→
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
amoniac một cách dễ dàng.
Khí amoniac và dung dịch cháy trong clo, brom tạo thành N
2
.
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:
NH
3
+ HOH → NH
4
+
+ 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:
NH
3
+ HOH → NH
4

OH → NH
4
+
+ OH
-
Vì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH
3
và có thể xem không có NH
4
OH.
Ngay ở trạng thái khí, cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thành muối
amoni clorua:
NH
3
+ HCl = NH
4
Cl
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: AgNO
3
.2NH
3
, CuSO
4
.4NH
3
…hoặc tạo thành các

hợp chất phức với nhiều muối.
Trong khi đó bản thân NH
3
khan lại là một axit rất yếu, có thể mất 1 proton H
+

tạo thành anion amid NH
2
−
. Ví dụ cho liti nitrua vào NH
3
lỏng người ta nhận được
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 11
3 2 2
2NH + 3Cl N + 6HCl→
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
anion amid (NH
2
-
):
Li
3
N
(s)
+ 2 NH
3 (l)
→ 3 Li
+
(am)
+ 3 NH

2
−
(am)
Hydro trong NH
3
có thể bị các kim loại mạnh đẩy ra và thế chỗ để tạo ra các
nitrua như magie có thể cháy trong NH
3
để tạo magie nitrua Mg
3
N
2
. Natri hoặc kali
kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH
2
, KNH
2
) khi tác dụng với NH
3
.
NH
3
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:
H
2
tạo thành làm cho NH
3
nóng có tính khử mạnh.
N

3-
có thể bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn của nitơ, đặc biệt là dễ bị
oxy hóa lên N
0
(N
2
) và N
2+
(NO).
Các chất oxy hóa như CuO, nước javen oxy hóa được NH
3
thành 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 (), imidua () và nitrua () trong số các amidua, phổ biến
nhất là amidua của kim loại kiềm và kiềm thổ.
Ví dụ: Ở 350
0
C, natri tác dụng với NH
3
cho amiđua natri NaNH
2
:
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 12
0
600 C

3 2 2
2NH N + 3H→
3 2 2
3CuO + 2NH = 3Cu + 3H O + N ↑
(I)
2
M NH
(I)
2
M NH
(I)
3
M N
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
2Na + 2H
3
N = 2NaNH
2
+ H
2
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: NH
3
+ 2O
2
→ HNO
3
+ H
2
O .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: NH
3
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
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 13
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
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 N
2
H
4
(chất đốt cho tên lửa).
CHƯƠNG II: TỔNG QUÁT VỀ THÁP HẤP THU DẠNG ĐỆM
2.1 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
, H
2
, H
2
S, NH
3
,
CO, CO
2
…muốn dùng hỗn hợp ấy để tổng hợp NH
3
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.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 14
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
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.
2.2 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.
2.3 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.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 15
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
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 CO
2
với dung môi là nước ở 17 at, còn với CO ở 120 at.
2.4 Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu
Một số ký hiệu thông dụng:
Cách biểu diễn thành phần pha:
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 16
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
Pha lỏng Pha hơi
1. Phần khối lượng
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 17
L
L
x
i
=
G
G
y
i
=

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
2. Phần mol
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 18
L
L
x
i
=
G
G
y
i
=
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
3. Tỉ số khối lượng
4. Tỉ số mol
5. Các liên hệ
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 19
i
i
LL
L
X
−
=
i
i
GG
G
Y

−
=
i
i
LL
L
X
−
=
i
i
GG
G
G
−
=
∑
=
k
k
i
M
x
M
x
x
∑
=
k
k

i
M
y
M
y
y
∑
=
kk
i
Mx
Mx
x
.
.
∑
=
kk
i
My
My
y
.
.
x
x
X
−
=
1

y
y
Y
−
=
1
x
x
X
−
=
1
y
y
Y
−
=
1
X
X
x
+
=
1
Y
Y
y
+
=
1

X
X
x
+
=
1
Y
Y
y
+
=
1
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
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:
G
y
: Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thu, Kmol/h.
Y
d
: Nồng độ đầu của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ.
Y
c
: Nồng độ cuối của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ.
L
tr
: Lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ Kmol/h.
X
d

: Nồng độ đầu của dung môi Kmol/Kmol dung môi.
X
c
: Nồng độ cuối của dung môi Kmol/Kmol dung môi.
G
tr
: 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:
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.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 20
xmY
cb
.
=
XmY
cb
.=
Pm /
ψ
=
ψ
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
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:
Y
d
: 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:
p
tr
: áp suất riêng phần của khí trơ, N/m
2
.
P: áp suất chung của hỗn hợp khí (áp suất làm việc của thiết bị), N/m
2
.
V
tr
: lượng khí trơ vào tháp, m
3
/h.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 21
Xm
Xm
Y
cb
).1(1

.
−+
=
BXAY += .
tr
x
G
G
A =
d
tr
x
c
X
G
G
YB .−=
)1(
1
1
dy
d
ytr
yG
Y
GG −=
+
−=
trtr
trtr

tr
TR
Vp
G
.
.
=
Pyp
dtr
).1(
−=
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
: 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.
T
tr
: nhiệt độ khí trơ,
0
K.
Xác định lượng dung môi cần thiết:
Phương trình cân bằng vật liệu là:
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:
X
c 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 lượng 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.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 22
M
R
R
tr
=
)()(
dctrcdtr
XXLYYG −=−
dc
cd
trtr
XX
YY
GL
−
−
=
dc
cd

trtr
XX
YY
GL
−
−
=
max
min
dc
cd
tr
tr
XX
YY
G
L
l
−
−
==
)()(
dctrcdtr
XXLYYGg −=−=
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
2.5 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 lấy lại dung môi ta mới thực hiện quá trình
nhả. Còn trường hợp thứ tư thì quá trình nhả không có ý nghĩa.
2.6 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 lại thì phản ứng phải có tính hoàn nguyên.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 23
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
+ 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 để 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.
2.7 Tháp hấp thu
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, nếu 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.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 24
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền
2.7.1 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 chuyển động 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.…
2.7.2 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 lỏng. Loại này có tiếp xúc
pha bé thường dùng trong trường hợp khí hoà tan trong lỏng.
2.7.3 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
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192Trang: 25