D tính toán tháp hấp thu

KỸ THUẬT XỬ LÝ KHÍ THẢI
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THÁP HẤP THU


Độ hòa tan của chất khí trong chất lỏng
• Độ hòa tan là nồng độ bão hòa của chất khí trong pha
lỏng (g/L, mol/L);
• Mỗi cặp chất khí và chất lỏng khác nhau sẽ có độ hòa tan
khác nhau và được xác định bằng thực nghiệm,
• Độ hòa tan của chất khí trong nước giảm khi nhiệt độ
tăng và ngược lại,
• Độ hòa tan của chất khí trong dung môi hữu cơ tăng theo
nhiệt độ,
• Tại nhiệt độ sôi của dung môi, độ hòa tan của chất khí
bằng không,
2


Độ hòa tan của chất khí trong nước

3


Độ hòa tan của chất khí trong nước

4


Áp suất hơi (vapour pressure)
• Áp suất hơi (còn gọi là áp
suất hơi bão hòa) là áp suất

gây ra bởi pha hơi ở trạng
thái cân bằng nhiệt động
với pha lỏng (hoặc rắn) ở 1
nhiệt độ nhất định trong 1
hệ kín,
• Đặc trưng cho tốc độ bay
hơi,
• Ký hiệu : VP , P0i
5


Định luật Raoult
• Áp suất hơi của 1 dung dịch lý tưởng phụ thuộc trực tiếp
vào áp suất hơi của từng cấu tử và phần mol của cấu tử đó
trong dung dịch,
• Khi các cấu tử trong dung dịch đạt cân bằng với pha hơi,
tổng áp suất hơi sẽ bằng:

P  P  xA  P  xB  ...   Pi  xi   p
0
A

0
B

0

*
i

• P0i= áp suất hơi của cấu tử i (trên pha lỏng nguyên
chất)
• p*i = áp suất riêng phần của cấu tử i
• xi= phần mol của cấu tử i trong dung dịch

6


Định luật Henry
p* = Hx

y* = p*/P = mx

p* = Áp suất riêng phần của
chất ô nhiễm trong pha khí
tại trạng thái cân bằng pha,

y* = nồng độ phần mole của chất ô
nhiễm trong pha khí tại trạng
thái cân bằng pha,

H = Hệ số Henry

m = H/P

x = Nồng độ phần mole của
chất ô nhiễm trong pha lỏng
tại trạng thái cân bằng pha,

x

Đơn vị của H : atm/mole
fraction

= Nồng độ phần mole của chất
ô nhiễm trong pha lỏng tại
trạng thái cân bằng pha,

P = áp suất tổng của hệ
7


Hằng số Henry
Hằng số Henry của 1 chất khí đối với 1 chất lỏng có
thể tính theo công thức sau:

H  VP  M  S
Trong đó:
H= hằng số Henry(atm-m3/mol)

VP= áp suất hơi (atm)
M = phân tử lượng của chất khí (g/mol)
S = độ hòa tan của chất khí trong chất lỏng (g/m3)
8


Độ hòa tan của các chất khí trong nước

9

Hệ số Henry của các chất khí trong nước

10


Áp suất riêng phần của SO2 (mm Hg) tại bề mặt
phân chia hai pha lỏng-khí

11

gSO2/
100gH2O

10C

20C

30C

40C

50C

60C

70C

0

0

0

0

0

0

0

0

0,5

21

29

42

60

83

111

144

1,0

42

59

85

120

164

217

281

1,5

64

90

129

181

247

328

426

2,0

86

123

176

245

333

444

581

2,5

108

157

224

311

421

562

739

3,0

130

191

273

378

511

682

897

3,5

153

227

324

447

603

4,0

176

264

376

518

698

4,5

199

300

428

588

793

5,0

223

338

482

661

804


Nồng độ phần mol của SO2 trong pha khí

70°C

0.6

50°C
30°C

0.5
0.4
0.3

10°C

0.2
0.1
0

0.002

0.006

0.010

Mole fraction of SO2 in water
Nồng độ phần mol của SO2 trong pha lỏng

12

0.014


Hệ số Henry của các chất khí trong nước
(atm/mole fraction)
Khí
N2
CO
H2 S
O2
NO
CO 2
SO 2
13

20 C
80400
53600
48300
40100
26400

1420
29

30 C
92400
62000
60900
47500
31000
1860
43


Ví dụ 1: VẼ ĐƯỜNG CÂN BẰNG
• Dữ liệu trong bảng thể hiện độ hòa tan SO2 trong nước ở
303K (30C) và 101,3 kPa (760 mm Hg), hãy áp dụng ĐL
Henry để vẽ đường cân bằng giữa hai pha lỏng-khí,

14

Nồng độ SO2
(gSO2 /100gH2O)

p*SO2
(Áp suất riêng phần SO2)

0,5

6 kPa (42 mmHg)

1,0

11,6 kPa (85 mmHg)

1,5

18,3 kPa (129 mmHg)

2,0

24,3 kPa (176 mmHg)

2,5

30,0 kPa (224 mmHg)

3,0

36,4 kPa (273 mmHg)


Hướng dẫn VD1
- Chuyển đổi dữ liệu trong bảng sang phần mole,
*
p
*
y = SO 2 = 6 kPa/101,3 kPa = 0,0592
P
x=

mole SO 2 trong dung dich
mole SO 2 trong dung dich + mole H 2O

mole H2O = 100g H2O / (18g H2O/mole) = 5,55
Do đó, tại nồng độ 0,5 gSO2/100gH2O (hàng 1 trong bảng số liệu):

15

 0.5 


64 
x= 
 0.5 

+5.55
 64 

= 0,0078/(0,0078 + 5,55) = 0,0014
Continued…


CSO2
(gSO2/100g H2O)

p* SO2
(kPa)

y*
(mol SO2/mol

hh)

x
(mol SO2/mol
dd)

0,5

6,0

0,059

0,0014

1,0

11,6

0,115

0,0028

1,5

18,3

0,181

0,0042

2,0

24,3

0,240

0,0056

2,5

30,0

0,296

0,0070

3,0

36,4

0,359

0,0084


ĐƯỜNG CÂN BẰNG Ở 30oC

Equilibrium line

y: mole SO2/ mol hh

0.400

y = 42.69x
R² = 0.999

0.350
0.300
0.250
0.200
0.150
0.100

0.050
0.000
0.0000

0.0010

0.0020

0.0030

0.0040

0.0050

0.0060

x:mole SO2/mol dd

17

0.0070

0.0080

0.0090


XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG LÀM ViỆC
Khí ra

Yc Gas
, Gc

OUT

Lỏng
vào

Lập cân bằng vật chất:
Khối lượng vào = khối lượng ra

X d  Ltr  Yd  Gtr  X c  Ltr  Y c  Gtr

X d , Ld

Y

LiquidIN

d

L
LiquidIN
=
G
GasOUT











Ltr
Yd  Yc 
Xc  Xd
Gtr

Yd Gas
, GINd
Khí
vào



Hệ số góc đường làm việc
Lỏng
ra
LiquidOUT

18



 Yc  Gtr  X c  X d  Ltr  M

X C , LC

M = khối lượng cấu tử bị hấp thu
Với chất trơ :
•Gtr-d=Gtr-c=Gtr (kg/s)
•Ltr-d=Ltr-c=Ltr

(kg/s)


XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG LÀM ViỆC
Lỏng
vào

Khí ra

YcGas
, Gm c

OUT

Lập cân bằng vật chất:
Số mol vào = Số mol ra
X d  Lmtr  Yd  Gmtr  X c  Lmtr  Yc  Gmtr

X d , Lm d
LiquidIN

Yd  Yc  Gmtr   X c  X d  Lmtr  N
L
LiquidIN
=
G
GasOUT

YGas
Gm d
d , IN
Khí
vào

Hệ số góc đường làm việc
Lỏng
ra
LiquidOUT

19

Lm tr

Yd  Yc  
X c  X d 
Gm tr

X c , Lm c

N = số mol cấu tử bị hấp thu
Với chất trơ :
•Gmtr-d=Gmtr-c=Gmtr (kmol/s)
•Lmtr-d=Lmtr-c=Lmtr

(kmol/s)


Đường làm việc thực tế A-C
A

C
(c)

X max, Y 1
B

B

Y1

X2Y2

Y1

C

Slope of the actual
operating line =
Lm
_____
Gm (actual)

A

A

Xmax

X1

Tỉ lệ L/G
thực tế

Xmax

B
X, mole fraction of solute in liquid phase

(L/G)tối ưu?

B

Y1

Slope of the minimum
operating line =
Lm
_____
(minimum)
Gm

A
Driving
forces

Xmax

X, mole fraction of solute in liquid phase

20

Đường làm việc tối thiểu A B

X*c

Tỉ lệ L/G tối thiểu

Ghi nhớ:
A (Xd,Yc)
B (X*c,Yd)
C (Xc,Yd)

VẼ ĐƯỜNG CÂN BẰNG

y  m x

m X
Y
1  (1  m) X

MA
m X
Y

M B M A  (1  m) X
MC
Trong đó:
A: cấu tử phân tán
B: cấu tử trơ pha khí
C: cấu tử trơ pha lỏng
m= H/P
21


Tính đường kính tháp hấp thu
4  Vtb
D
  3600   ytb

D  0,0188 

Vtb

 ytb

 0,0188 

Gtb

 ytb ytb

Trong đó:
D : đường kính tháp hấp thu, m
Vtb: lưu lượng trung bình pha khí, m3/h
ωtb: tốc độ pha khí trung bình trong tháp, m/s
Gtb: lưu lượng trung bình pha khí, kg/h
ρytb: khối lượng riêng trung bình của pha khí, kg/m3


Lưu lượng trung bình pha khí
V1  V2 Vd  Vc
Vtb 

2
2
G1  G2 Gd  Gc
Gtb 

2
2
Trong đó:
Vd : lưu lượng hỗn hợp khí đầu vào, m3/h

Vc : lưu lượng hỗn hợp khí đầu ra, m3/h
Gd : lưu lượng hỗn hợp khí đầu vào, kg/h
Gc : lưu lượng hỗn hợp khí đầu ra, kg/h


Khối lượng riêng trung bình pha khí
 ytb 

d  c
2

Trong đó:
ρytb : klr trung bình hỗn hợp khí ở điều kiện làm việc, kg/m3
ρd : klr hỗn hợp khí đầu vào ở điều kiện làm việc, kg/m3
ρc : klr hỗn hợp khí đầu ra ở điều kiện làm việc, kg/m3


Khối lượng riêng pha khí (hỗn hợp khí)
yd  M A  1  yd  M B 273
d 

22.4
T
yc  M A  1  yc  M B 273
c 

22.4
T
Trong đó:
ρd : klr hỗn hợp khí đầu vào ở điều kiện làm việc (T), kg/m3

ρc : klr hỗn hợp khí đầu ra ở điều kiện làm việc (T), kg/m3