Chương 8 QUÁ TRÌNH hấp THỤ VÀ THIẾT BỊ hấp THỤ

CHƯƠNG 8. QUÁ TRÌNH HẤP THỤ VÀ THIẾT BỊ HẤP THỤ
8.1 Khái niệm: hấp thụ và quá trình nhả hấp thụ

Ta có thể phân biệt 3 phương pháp tách hỗn hợp khí.

•Phương pháp tách hút
•Phương pháp hóa lý
•Phương pháp hóa học

Phương pháp hút được hiểu là sự tiếp nhận của chất này
vào chất khác qua bề mặt phân chia pha của chúng.
Nếu dùng chất lỏng để hút thì được gọi là hấp thụ.
nếu dùng chất rắn xốp thì gọi là
hấp phụ.

Như vậy hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được
hút gọi là chất bị hấp thụ , chất lỏng để hút gọi là dung môi,
khí không bị hấp thụ gọi là khí trơ.


8.2.
8.2.1

Cân bằng pha trong hấp thụ: hệ khí - lỏng, định luật Henry.

Độ hòa tan của khí trong lỏng định luật Henry.

Nếu nhiệt độ không đổi thì độ hòa tan phụ thuộc vào
áp suất. Sự phụ thuộc này được biểu thị bằng định luật
Henry.

ycb = mx

Đối với khí lý tưởng m là hằng số dùng để biểu thị cân bằng y

cb

= f(x) là đường thẳng.

Đối với khí thực m phụ thuộc vào x nên đường cân bằng là đường cong hằng số cân bằng được tính

Ψ
m=
P
Khi tính toán hấp thụ ta thường dùng phần mol tương đối Y,X qua
hệ giưa phần mol tương đối X , Y và phần mol x,y như sau:

( 8.1)

Y
X
y=
và x =
Y +1
X +1

Thay x và y vào phương trình 8.1 ta có quan hệ:

mX
Y=
1 + (1 − m) X

( 8.2 )


8.2.2 Phương trình đường làm việc của quá trình hấp thụ
Gọi :

•Gy là lượng hỗn hợp khí vào thiết bị ngưng tụ, kmol/h.
•Yđ nồng độ đầu của hỗn hợp khí , kmol/kmol khí trơ
•Yc nồng độ cuối của hỗn hợp khí , kmol/kmol khí trơ
•Gx lượng dung môi vào thiết bị hấp thụ , kmol/h
•Xđ 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 kmol/h
Lượng khí trơ được tính theo công thức :

Gtr = G y (1 − yd ) = G y

1
, kmol / h
1 + Yd

( 8.1)

Phương trình cân bằng vật liệu trong tháp hấp thụ:

Gtr ( Yd − Yc ) = Gx ( X c − X d )

( 8.2 )

Lượng dung môi cần thiết là:

Gx = Gtr

Yd − Yc
, kmol / h
Xc − Xd

( 8.3)

Lượng dung môi tối thiểu dùng cho quá trình hấp thụ là:

Gx min = Gtr

Yd − Yc
, kmol / h
X cbd − X d

( 8.4 )


* Nếu biểu diễn phương trình cân bằng vật liệu ở tiết diện bất kỳ của tháp ta có:

Gtr ( Y − Yc ) = Gx ( X − X d )

( 8.7 )

Gx
Gx
⇔ Y=

X + Yc −
Xd
Gtr
Gtr
Hoặc:

Y = AX + B

( 8.8 )
(8.9)

Trong đó : A và B là hằng số:

A=

Gx
G
, B = Yc − x X d
Gtr
Gtr

(8.9) là phương trình đường nồng độ làm việc của quá trình hấp thụ. Nếu
biểu diễn trên tọa độ Y , X là đường thẳng có hệ số góc tgα = A và cắt trục
tung tại B.


8.3.

Ảnh hưởng của lượng dung môi nhiệt độ và
áp suất lên quá trình hấp thụ

Ảnh hưởng của lượng dung môi


8.3.

Ảnh hưởng của lượng dung môi nhiệt độ và
áp suất lên quá trình hấp thụ


8.4. Cấu tạo các thiết bị hấp thụ và tháp chưng trong công nghiệp:
8.4.1 Thiết bị hấp thụ loại bề mặt

Hình 8.3a Thiết bị hấp thụ bề mặt kiểu vỏ
Hình 8.3b Thiết bị hấp thụ bề mặt kiểu ống

Loại tiếp xúc này có bề mặt tiếp xúc pha bé nên chỉ được dùng khi chất khí hòa tan trong lỏng ( như hấp thụ khí HCl
bằng nước lạnh ) các dạng thiết bị này thường lắp nối tiếp với nhau thành từng dãy.


8.4.2 Thiết bị hấp thụ loại ống và loại tấm:

Hình 8.4b Thiết bị hấp thụ màng kiểu tấm
Hình 8.4a Thiết bị hấp thụ màng kiểu ống


8.5 Quá trình nhả hấp thụ:
Quá trình nhả sau hấp thụ được thực hiện khi cần thu hồi chất bị hấp hoặc tận dụng
lại dung môi.
Nhả hấp thụ là quá trình ngược lại với hấp thụ vậy nó vân tuân theo các định luật chung

của hấp thụ tức là có quan hệ cân bằng giống quá trình hấp thụ.
Theo định luật Henry thì:

x= y

P
ψ

Nên tiến hành ở áp suất thấp và nhiệt độ cao


chất lỏng cần tách

Cân bằng vật liệu:

F1x1

Nguyên lý làm việc được thể hiện hình bên, chất lỏng cần tách đi từ trên suống còn hơi đi từ
G2 y2

dưới lên có thành phần x1 , x2 và y1 , y2

•Phương trình cân bằng vật liệu:
F1 + G1 = F2 + G2

•Hoặc cho cấu tử cần tách
F1x1 + G1 y1 = F2x2 + G2 y2

•Phương trình đường làm việc được tính theo quan hệ
Fx1 + G y1 = Fx2 + G y2

Suy ra

F y2 − y1
=
G x1 − x2

ở đây Có thể coi F = F1 = F2 và G = G1 = G2 vì khi nhả hấp thụ nồng độ thay đổi rất it nên coi
lượng lỏng và lượng hơi trong tháp là không thay đổi

G1 y1
Hơi nước

F2 x 2


Lượng khí được dùng trong quá trình nhả hấp thụ
Để thực hiện quá trình nhả, tách lượng khí được hấp thụ ra khỏi hỗn hợp lỏng người ta dùng hơi nước , trong thực tế thành phần lỏng x 1
và thành phần hơi y1 cho trước, vậy lượng G1 được xác định phụ thuộc vào nồng độ x2 .
Giả sử tháp vô cùng cao thì quá trình đạt tới trạng thái cân bằng động lực tại đỉnh tháp bằng 0, lượng khí được dùng sẽ bé nhất khi đó
đường làm việc sẽ có góc nghiêng lớn nhất tức

F
tgα =
Gmin
Nếu tăng lượng khí, thành phần khí ra tháp sẽ giảm từ y 2max đến yopt nhưng lượng khí cần tách vẫn không đổi. Hiệu số giũa y 2max và yopt là
động lực quá trình ở đỉnh tháp theo pha khi tương ứng với điền kiện làm việc của tháp


Lượng khí được dùng trong quá trình nhả hấp thụ

Trong quá trình nhả cấu tử được hấp thụ từ hỗn hợp lỏng được tính

Gnh = F1 x1 − F2 x2 = G2 y2 − G1 y1
Lượng dung môi không thay đổi được tính

L = F1 ( 1 − x1 ) = F2 ( 1 − x2 )
Rút ra

1 − x1 )
(
F2 = F1
( 1 − x2 )


Lượng khí nhỏ nhất

Giả sử ở đỉnh tháp đạt trạng thái cân bằng tức là x 1 = y2max ở trạng thái này thì

Gnh = F1 x1 − F2 x2 = G2min y2 max − G1min y1
Lượng khí trơ thu được là

Gtr min = G2min ( 1 − y2max ) = G1min ( 1 − y1 )
Do đó

G1min
G2min

G2min ( 1 − y2 max )
=

( 1 − y1 )

Gnh
y1
=
+ G1min
y2max
y2max

1 − y2max

G1min = Gnh y − y

2max
1

G = G 1 − y2max ( 1 − y )
nh
1
 tr min
y2max − y1


Hệ thống hấp thụ

•Hệ thống hấp thụ nhiều tháp

1 – tháp, 2 – bình chứa , 3 – bơm, 4 Thiết bị gia nhiệt

•Hệ thống hấp thụ có tuần hoàn và nhả

1- tháp hấp thụ, 2- Bể chứa, 3 – Bơm, 4- làm lạnh, 5 – Đun nóng, 6- Tháp nhả


8.6 Cấu tạo một số tháp chưng và hấp thụ trong công nghiệp
8.6.1 Tháp đĩa chóp


8.6 Cấu tạo một số tháp chưng và hấp thụ trong công nghiệp
8.6.2Tháp đệm


8.6 Cấu tạo một số tháp chưng và hấp thụ trong công nghiệp
8.6.2 Tháp đệm

Tháp đệm được dùng rất phổ biến cho quá trình hấp thụ
, hấp phụ và chưng luyện và các quá trình khác. Tháp
đệm hình trụ bên trong có đổ đầy đệm, đệm có nhiều
loại nhưng phổ biến nhất là các loại sau đây:

Đệm lưới gỗ thường được dùng trong các tháp làm
lạnh hay hấp thụ khí sơ bộ vì đệm lưới gỗ thường có
kích thước lớn nên bề mặt riêng của đệm riêng bé. Để
tăng độ phân tách người ta chọn loại đệm có kích
thước bé, tức đệm có bề mặt riêng lớn tạo khả năng
tiếp xúc giữa các pha tốt hơn.

8.6.3 Tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền.

Trong loại này khí và lỏng cùng chảy qua một lỗ trên đĩa vì vậy khong có hiện tượng
giảm chiều cao chất lỏng trên đĩa như trong các loại tháp khác và tất cả bề mặt đĩa đều
làm việc nên hiệu quả cao hơn.


8.6.3 Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền và tháp đĩa sóng chữ S

Tháp đĩa lưới hình trụ, bên trong có nhiều đĩa có lỗ tròn hoặc rãnh chất lỏng chảy từ trên
suống qua các ống chảy chuyền khi đi từ dưới lên qua các lỗ hoặc rãnh đĩa chiếm 8 – 15%
tiết diện tháp đường kính lỗ 3 – 8 mm đĩa được lắp cân bằng

Tùy thuộc vào vận tốc dòng khí trong tháp đĩa lưới có
các chế độ chuyển động sau đây:

Ở vận tốc bé ,khí đi qua lỏng ở từng dạng bong bóng riêng lẻ nên tháp làm việc ở chế độ
sủi bọt bong bóng. Lúc này chất lỏng vừa đi qua ống chảy chuyền vừa cùng bọt đi qua lỗ đĩa

Nếu tăng vận tốc lên thi khí đi qua lỏng thành tia liên tục khi đó tháp làm việc ở chế độ dòng
chất lỏng không theo bọt qua lỗ đươc

Nếu tăng vận tốc khí cao hơn nữa tháp chuyển sang chế độ bọt tức là khí hòa với lỏng thành bọt lúc này
lớp chất lỏng trên đĩa không còn nữa mà chỉ có bọt linh động và xoáy mạnh vì vậy ở chế độ này đĩa làm việc
tốt nhất


Tháp đĩa sóng chữ S

Đối với tháp đĩa chữ S ở vận tốc khí nhỏ chất lỏng chảy qua rãnh, tháp

làm việc kém ổn định. Tuy nhiên nếu tăng vận tốc khí quá lớn thì chất
lỏng bị chấn động nên tháp làm việc cũng kém bền vững. Vì vậy tháp
đĩa chữ S làm việc ổn đinh ở giới hạn rất hẹp của vận tốc khí.