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

Nguyễn Thanh Tùng
1. Tên đề tài
Thiết kế tháp đệm hấp thu NH
3
với năng suất 1000m
3
/h.
2. Nhiệm vụ
Xử lý khí NH
3
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 m
3
/h.
- Nồng độ NH
3
ban đầu: 10% thể tích.
- Áp suất làm việc: 1atm.
- Dùng nước sạch để hấp thu ở nhiệt độ: 20
0
C.
- 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
1
Nguyễn Thanh Tùng
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
.
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.
2
Nguyễn Thanh Tùng
3
Nguyễn Thanh Tùng
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.
4
Nguyễn Thanh Tùng
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
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
ε
= 22. Amoniac lỏng là dung môi rất
tốt cho nhiều muối vô cơ. Các kim loại kiềm và kiềm thổ hòa tan trong
5
Nguyễn Thanh Tùng
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
0
A
và góc hóa

trị HNH = 107
0
3, tương ứng cấu hình electron như sau:
( ) ( )
( )
( )
2
2 2 2
s x y z
σ σ σ σ
Do sự lai hóa sp
3
của nguyên tử 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
3
NH
μ =1,47D
.
Cặp electron hóa trị tự do và tính phân cực của liên kết N–H tạo nên liên
kết hidro giữa các phân tử 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 6
÷
7 atm là có thể hóa
lỏng nó.
1.4.
Tính chất hóa học của amoniac
Cũng do có cặp electron hóa trị tự do và ít bền mà 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.
6
Nguyễn Thanh Tùng
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:
0
3 2 2 2
3
2NH + O N + 3H O ΔH = - 768,6kJ/mol
2
→
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:
0
3 2 2
5
2NH + O 2NO + 3H O ΔH = -588kJ/mol
2
→
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 N
2
.
3 2 2
2NH + 3Cl N + 6HCl
→
Amoniac cộng hợp được với rất nhiều chất: nước, axit, muối.
Quan trọng nhất là phản ứng cộng với nước. Khi tan trong nước 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
-
7
Nguyễn Thanh Tùng
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 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:
0
600 C
3 2 2
2NH N + 3H
→
H
2
tạo thành làm cho NH
3
nóng có tính khử mạnh.
8
Nguyễn Thanh Tùng
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
:
3 2 2
3CuO + 2NH = 3Cu + 3H O + N
↑
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 (
(I)
2
M NH
), imidua (
(I)
2
M NH
) và nitrua (
(I)
3
M N
) 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
:

2Na + 2H
3
N = 2NaNH
2
+ H
2
NH
3
tự bốc cháy ở 651°C và có thể tạo hỗn hợp nổ với không khí khi
nồng độ nằm trong vùng 16 – 25%.
NH
3
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 NH
3
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.
9
Nguyễn Thanh Tùng
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,
10
Nguyễn Thanh Tùng
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 N
2
H
4
(chất đốt cho tên lửa).
11
Nguyễn Thanh Tùng
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 đối
không bay hơi thì nồng độ chất khí hoà tan trong pha lỏng được gọi là độ hoà
tan tại nhiệt độ t
o
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

12
Nguyễn Thanh Tùng
khí tương đương không hoà tan trong chất lỏng và ngược lại, nếu áp suất cân
bằng của chất khí tại nồng độ cho trước là thấp (đường cong C hình 1) thì chất
khí có độ hoà tan cao. Dựa vào điều này, ta có thể tạo nên nồng độ khí trong
lỏng như mong muốn nếu tác động lên hệ một áp suất tương ứng. Như vậy
dạng khí hoá lỏng sẽ hoà tan hoàn toàn vào lỏng.
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 NH
3
ở 30
0
C và 10
0
C 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 lại
và được biểu diễn theo áp suất riêng phần của hổn hợp chất khí. Nếu trong hỗn
hợp khí có một cấu tử khí hoà tan vào lỏng thì ta áp dụng như trường hợp ở
13
Hình 2: Độ hòa tan của amoniac trong
nước
Hình 3: Độ hòa tan của SO
2
trong
nước
Nguyễn Thanh Tùng

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:
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
,
NH
3
hoà tan vào nước được tính theo định luật Raoult ở 10
o
C không khớp số
liệu thực nghiệm. Trong trường hợp này phương trình đường thẳng tuân theo
định luật Henry:
14
Nguyễn Thanh Tùng
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.10
6
mmHg
Nhiệt độ
(
o
C)
Chất khí
C
2
H
2
K
2
Br
2
CO
2
Cl
2
H
2
O

2
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
15
Nguyễn Thanh Tùng
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
, 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.
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.
16
Nguyễn Thanh Tùng
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. Điều
này đã được trình bày ở phần trên. Ngoài ra nhiệt độ và áp suất là những yếu tố
ảnh hưởng quan trọng lên quá trình hấp thụ. Cụ thể là chúng có ảnh hưởng lên
trạng thái cân bằng và động lực quá trình.
Nếu tăng nhiệt độ thì giá trị hệ số của định luật Henry tăng, đường cân
bằng sẽ dịch chuyển về trục tung (hình 4). Giả sử đường làm việc là P, Q
không đổi nếu nhiệt độ tăng lên thì động lực truyền khối sẽ giảm. Nếu nhiệt độ
tăng quá cao thì không những động lực truyền khối giảm mà ngay cả quá trình
sẽ không thực hiện được theo đường làm việc P, G cho trước. Mặc dù vậy,

17
Nguyễn Thanh Tùng
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.
3.4. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thu
Một số ký hiệu thông dụng:
18
Nguyễn Thanh Tùng
Cách biểu diễn thành phần pha:
Pha lỏng Pha hơi
1. Phần khối lượng
L
L
x
i
=
G
G
y

i
=
2. Phần mol
L
L
x
i
=
G
G
y
i
=
3. Tỉ số khối lượng
i
i
LL
L
X
−
=
i
i
GG
G
Y
−
=
4. Tỉ số mol
i

i
LL
L
X
−
=
i
i
GG
G
G
−
=
5. Các liên hệ
∑
=
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
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.
19
Nguyễn Thanh Tùng
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:
xmY
cb
.=
hay
XmY
cb
.=
Ở đây:
Pm /
ψ
=
: gọi là hằng số cân bằng.
ψ
: là hệ số Hăng-Ri cho trong các số tay chuyên môn.
P: là áp suất chung (áp suất làm việc), mmHg.
20
Nguyễn Thanh Tùng
Nếu là khí thực thì đường cân bằng là đường cong có dạng:
Xm
Xm

Y
cb
).1(1
.
−+
=
Phương trình đường làm việc:
Đường nồng độ làm việc trong quá trình hấp thụ là đường thẳng có dạng:
BXAY
+=
.
Trong đó:
tr
x
G
G
A
=


d
tr
x
c
X
G
G
YB .
−=
Tính lượng khí trơ:

Tính theo hỗn hợp khí:
)1(
1
1
dy
d
ytr
yG
Y
GG −=
+
−=
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:
trtr
trtr
tr
TR
Vp
G
.
.
=
Kg/h
Trong đó:
p
tr
: áp suất riêng phần của khí trơ, N/m

2
.
Pyp
dtr
).1(
−=
21
Nguyễn Thanh Tùng
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.
M
R
R
tr
=
: 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:
)()(
dctrcdtr
XXLYYG −=−
Lượng dung môi cần thiết X:
dc
cd
trtr
XX
YY
GL
−
−
=
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:
dc
cd
trtr
XX
YY
GL
−
−
=
max
min
X
c max
: là nồng độ cân bằng ứng với nồng độ đầu của hỗn hợp khí.

22
Nguyễn Thanh Tùng
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:
dc
cd
tr
tr
XX
YY
G
L
l
−
−
==
Lượng cấu tử bị hấp thụ có thể tính theo công thức:
)()(
dctrcdtr
XXLYYGg −=−=
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.

23
Nguyễn Thanh Tùng
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.
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 lại 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 để vật liệu
chế tạo thiết bị dễ tìm và rẻ tiền.
24
Nguyễn Thanh Tùng
+ 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
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.
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 chuyển động
25