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 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.

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

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 ycb = 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


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:
Y Y
Gx  Gtr d c , kmol / h
8.3
Xc  Xd
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

 8.8

Hoặc: Y = AX + B
Trong đó : A và B là hằng số:

(8.9)

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 8.4a Thiết bị hấp thụ màng kiểu ống

Hình 8.4b Thiết bị hấp thụ màng kiểu tấm


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



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 dưới lên có

G2 y 2

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 y 1
Hơi nước

F2x2


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 x1 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
tg 
Gmin
Nếu tăng lượng khí, thành phần khí ra tháp sẽ giảm từ y2max đến yopt nhưng lượng
khí cần tách vẫn không đổi. Hiệu số giũa y2max 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  F1x1  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 x1 = y2max ở trạng thái này thì

Gnh  F1 x1  F2 x2  G2min y2max  G1min y1
Lượng khí trơ thu được là

Gtr min  G2min 1  y2max   G1min 1  y1 
Do đó

G1min
G2min

G2min 1  y2max 

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.