Đồ án quá trình và thiết bị thiết kế tháp đệm hấp thu NH3 bằng nước

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (680.51 KB, 67 trang )

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
NH3 BẰNG NƯỚC


GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền




SVTH:Bùi Mạnh Trình
MSSV :2004110192
Lớp:02DHHH1

TP.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 NH3 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, yd = 7%
Nồng độ sau hấp thu đạt 0,02%
Nhiệt độ ban đầu: 30 oC
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:
VII. Ngày nộp đồ án:
SVTH

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Xác nhận của GVHD

Trang: 2

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
Ngày Tháng Năm 2014
Ký tên

NHẬN XÉT CỦA THẦY CÔ PHẢN BIỆN

........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
........................................................................................................................
Ngày Tháng Năm 2014
Ký tên

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 3

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

Mục Lục:

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 NH3.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 4

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!

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ NH3
1.1 Giới thiệu về NH3
–

Amoniac là một hợp chất của nitơ và hydro với công thức NH3, 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/cm3), tan
nhiều trong nước, 1 lít nước ở 0°C hòa tan được 1200l khí NH3, ở 20°C là 700l khí
NH3. Hiện tượng tan nhiều của NH 3 ở trong nước được giải thích bằng sự liên kết
hydro giữa phân tử NH3 và phân tử H2O.
–

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:
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 5

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

Hàm lượng các chất

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

Đơn vị

Loại 1

Loại 2

%

99,9

99,6

%

0,1

0,4

Dầu

mg/l

10

35

Sắt

–

2

Không quy định

Amoniac
Lượng tạp chất tối đa
Hơi ẩm

1.3 Tính chất vật lý của amoniac
–

NH3 tan trong nước phát nhiều nhiệt và cho dung dịch có d < 1 (dung dịch NH 3 25% có
d = 0,91g/cm3). Nếu đun nóng lên đến 100°C thì tất cả NH3 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:
0

Phân tử NH3 có cấu tạo hình tháp tam giác với dN–H = 1,015

(σs ) (σx ) (σ y ) (σz )
2

= 10703, tương ứng cấu hình electron như sau:
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

A

Trang: 6

2

2

và góc hóa trị HNH
2

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

Do sự lai hóa sp3 của nguyên tử nitơ mà cặp electron hóa trị tự do (ở N) phân bố
trên 1 sp3 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

μ NH3 =1,47D
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 NH3, vì vậy NH3 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
H2O. Dưới áp suất lớn, hỗn hợp amoniac và oxi có thể nổ:

2NH 3 +

3
O 2 → N 2 + 3H 2O
2

ΔH 0 = - 768,6kJ/mol

Nếu có chất xúc tác là platin hay hợp kim platin – rodi ở 800 – 900 oC thì khí
amoniac bị O2 không khí oxi hóa thành nito oxit:

2NH 3 +

5
O 2 → 2NO + 3H 2O

2

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 7

ΔH 0 = -588kJ/mol

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

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 N2.
2NH 3 + 3Cl 2 → N 2 + 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:
NH3 + HOH → NH4+ + OHSự 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:
NH3 + HOH → NH4OH → NH4+ + OHVì vậy trong dung dịch nước luôn có mùi NH3 và có thể xem không có NH4OH.
Ngay ở trạng thái khí, cũng cho phản ứng cộng với khí HCl tạo thành muối
amoni clorua:
NH3 + HCl = NH4Cl
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 3.2NH3, CuSO4.4NH3…hoặc tạo thành các
hợp chất phức với nhiều muối.
Trong khi đó bản thân NH3 khan lại là một axit rất yếu, có thể mất 1 proton H+
tạo thành anion amid NH2−. Ví dụ cho liti nitrua vào NH3 lỏng người ta nhận được
anion amid (NH2-):
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 8

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

Li3N(s) + 2 NH3 (l) → 3 Li+(am) + 3 NH2−(am)
Hydro trong NH3 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 Mg3N2. Natri hoặc kali
kim loại nóng có thể tạo ra các nitrua (NaNH2, KNH2) khi tác dụng với NH3.
NH3 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
2NH 3 
→ N 2 + 3H 2

H2 tạo thành làm cho NH3 nóng có tính khử mạnh.
N3- có thể bị oxy hóa lên các trạng thái oxy hóa cao hơn của nitơ, đặc biệt là dễ bị
oxy hóa lên N0 (N2) và N2+ (NO).
Các chất oxy hóa như CuO, nước javen oxy hóa được NH3 thành N2:

3CuO + 2NH3 = 3Cu + 3H 2O + 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 (

M (I)
2 NH

) và nitrua (

M 3(I) N

),

) trong số các amidua, phổ biến nhất là amidua của

kim loại kiềm và kiềm thổ.
Ví dụ: Ở 3500C, natri tác dụng với NH3 cho amiđua natri NaNH2:
2Na + 2H3N = 2NaNH2 + H2
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

M (I) NH 2

Trang: 9

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

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: NH3 + 2O2 → HNO3 + H2O .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: NH3 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.

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 10

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

–

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

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 N2H4 (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, H2, H2S, NH3,
CO, CO2…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

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 11

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

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 2004110192

Trang: 12

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 CO2 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 2004110192

Trang: 13

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

Pha lỏng

1. Phần khối lượng

2. Phần mol

3. Tỉ số khối lượng

4. Tỉ số mol

5. Các liên hệ

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Pha hơi

x =

Li
L

y=

Gi
G

x=

Li
L

y=

Gi
G

X =

Li
L − Li

Y =

Gi
G − Gi

X =

Li
L − Li

G=

Gi
G − Gi

x
Mi
x=
x
∑ Mk
k

y
Mi
y =
y
∑ Mk
k

x=

x.M i
∑ xk .M k

y=

y.M i
∑ y k .M k

X =

x
1− x

Y =

y
1− y

X =

x
1− x

Y =

y
1− y

x =

X
1+ X

y=

Y
1+ Y

Trang: 14

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

x=

X
1+ X

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

y=

Y
1+ Y

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:
Gy: Lượng hỗn hợp khí đi vào thiết bị hấp thu, Kmol/h.
Yd: Nồng độ đầu của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ.
Yc: Nồng độ cuối của hỗn hợp khí Kmol/Kmol khí trơ.
Ltr: Lượng dung môi đi vào thiết bị hấp thụ Kmol/h.
Xd: Nồng độ đầu của dung môi Kmol/Kmol dung môi.

Xc: Nồng độ cuối của dung môi Kmol/Kmol dung môi.
Gtr: 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:

Ycb = m.x

Ycb = m. X
hay

Ở đây:
m =ψ / P

: gọi là hằng số cân bằng.

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 15

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

ψ

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

: là hệ số Hăng-Ri cho trong các số tay chuyên môn.

P: là áp suất chung (áp suất làm việc), mmHg.

Nếu là khí thực thì đường cân bằng là đường cong có dạng:

Ycb =

m. X
1 + (1 − m). X

Phương trình đường làm việc:
Đường nồng độ làm việc trong quá trình hấp thụ là đường thẳng có dạng:

Y = A. X + B
A=
Trong đó:

Gx
Gtr

B = Yc −

Gx
.X d
Gtr

Tính lượng khí trơ:
Gtr = G y −

Tính theo hỗn hợp khí:

1
= G y (1 − yd )

1 + Yd

Yd: nồng độ phần mol ban đầu của cấu tử bị hấp thụ trong pha khí.
Ta cũng có thể tính theo công thức:

Gtr =

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

p tr .Vtr
Rtr .Ttr
Trang: 16

Kg/h

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

Trong đó:
ptr: áp suất riêng phần của khí trơ, N/m2.

ptr = (1 − y d ).P
P: áp suất chung của hỗn hợp khí (áp suất làm việc của thiết bị), N/m2.
Vtr: lượng khí trơ vào tháp, m3/h.
Rtr =

R
M

: 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.
Ttr: nhiệt độ khí trơ, 0K.
Xác định lượng dung môi cần thiết:
Phương trình cân bằng vật liệu là:

Gtr (Yd − Yc ) = Ltr ( X c − X d )
Lượng dung môi cần thiết X:

Ltr = Gtr

Yd − Yc
Xc − Xd

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:

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 17

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

Ltr min = Gtr

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

Yd − Yc
X c max − X d

Xc 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:

l=

Ltr
Y − Yc
= d
Gtr X c − X d

Lượng cấu tử bị hấp thụ có thể tính theo công thức:

g = Gtr (Yd − Yc ) = Ltr ( X c − X d )
g: lượng cấu tử bị hấp thụ vào trong pha lỏng.

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.

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 18

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

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.
+

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.
SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 19

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

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.

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.

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 20

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

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
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.

2.7.4 Tháp đệm
2.7.4.1 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.

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 21

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

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.

Hình 5: Tháp đệm

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 22

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

3.7.4.2 Vật chêm

Hình 6: Vật chêm ngẫu nhiên

Hình 7: Vật chêm thứ tự

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 23

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

Hình 8: Lưới đỡ đệm
Vật chêm sử dụng gồm có nhiều loại khác nhau, phổ biến nhất là một số loại
chêm sau:
+

Vòng raschig: hình trụ rỗng bằng sứ hoặc kim loại, nhựa có đường kính bằng

chiều cao (kích thước từ 10 – 100mm).
+

Vật chêm hình yên ngựa có kích thước từ 10 – 75mm.

+

Vật chêm vòng xoắn: đường kính dây từ 0,3 – 1mm, đường kính xoắn khoảng 3 –

8mm và chiều dài nhỏ hơn 25mm.
* Yêu cầu chung của các loại vật chêm:
+

Bề mặt riêng lớn, bề mặt trong một đơn vị thể tích bằng m2/m3. Kí hiệu là

+

Thể tích tự do lớn, kí hiệu là Vtd. Tính bằng m2/m3.

SVTH: Bùi Mạnh Trình 2004110192

Trang: 24

σ

.

ĐỒ ÁN: THIẾT KẾ THÁP ĐỆM HẤP THU NH3 BẰNG NƯỚC

+

Khối lượng riêng bé.

+

Bền hóa học.

GVHD:Th.S Nguyễn Thị Thanh Hiền

Trong thực tế không có loại đệm nào có thể đạt tất cả các loại yêu cầu trên. Vì thế
tùy theo điều kiện cụ thể mà ta chọn đệm cho thích hợp.
Bảng 2: Bảng số liệu cho một số loại vật chêm

Dạng vật
chêm

Vòng sứ
raschig xếp
ngẫu nhiên

Vòng thép
raschig xếp
ngẫu nhiên

Vòng yên
ngựa bằng
sứ
Vòng intalox
bằng sứ

Kích thước
mm

Bề mặt riêng
m2/m3

Độ rỗng
m3/m3

Khối lượng
xốp kg/m3

5x5x1

1000