Thiết kế tháp đệm hấp thu NH3 với năng suất 1000m3 một giờ

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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 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
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 1
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN















Ngày Tháng Năm 2011
Ký tên
NHẬN XÉT CỦA THẦY CÔ PHẢN BIỆN





GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 2
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM

Ngày Tháng Năm 2011
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 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
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 3
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM

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 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
Amoniac % 99,9 99,6
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 4
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
Lượng tạp chất tối đa
Hơi ẩm
Dầu
Sắt
%
mg/l
–
0,1
10
2
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 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
.
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 5
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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.
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.
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 6
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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 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
→
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 7
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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
:
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.
Amoniac lỏng phá hủy các chất dẻo, cao su,

gây phản ứng trùng hợp nổ của
etylen oxit.
1.5. Ứng dụng
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 8
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
– 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 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).

GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 9
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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 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
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 10
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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 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
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 11
Hình 2: Độ hòa tan của amoniac trong
nước
Hình 3: Độ hòa tan của SO
2
trong
nước
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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:
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
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 12
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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.
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:
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 13
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM

+ 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, 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.

GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 14
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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:
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
=
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
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 15
G
G
y
i
=
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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.
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.
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 16
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
ψ
: 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: 17
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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(
−=
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.
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 18
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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.
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:
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 19
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
)()(
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.
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
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 20
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM

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.
+ 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):
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 21
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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.…
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 lỏng. 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 trong
ống khi chất lỏng chuyển động từ trên xuống, vì vậy nên lưu lượng vào tháp hấp
thu không thể lớn như các thiết bị khác và hiệu quả kinh tế không cao.
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 22
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
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 để 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.
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 23
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
Hình 5: Tháp đệm
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 24
ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THIẾT BỊ THÁP HẤP THU NH3 DẠNG ĐỆM
3.7.4.2. Vật chêm
Hình 6: Vật chêm ngẫu nhiên
Hình 7: Vật chêm thứ tự
GVHD: Th.S Huỳnh Lê Huy CườngTrang: 25