Nghiên cứu quá trình xử lý CO2 trong dòng khí thải bằng phương pháp hấp thụ hoá học

Bộ giáo dục và đạo tạo
Trờng Đại học bách khoa hà nội
-----------------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

Nghiên cứu quá trình xử lý CO 2 trong dòng khí
thải bằng phơng pháp hấp thụ hoá học

Ngành : Công nghệ hoá học
Vũ Thanh Sơn

Ngời hớng dẫn khoa học : TS. Nguyễn Khang

Hà Nội - 2006


2
Lời cảm ơn
Bằng những kiến thức có được qua học tập, nghiên cứu và làm thực nghiệm
em đà hoàn thành được bản luận văn Thạc sĩ trong thời gian qui định.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Khang, người ®· trùc tiÕp h­íng dÉn
vµ gióp ®ì em trong st quá trình làm luận văn.
Em cũng xin cảm ơn các thày, cô trong Bộ môn Máy và Thiết bị Công
nghiệp hoá chất - Dầu khí cũng như Khoa Công nghệ Hoá học và Trung tâm
Giáo dục & Phát triển Sắc ký, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, đà tận tình
giảng dạy, giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho em trong suốt quá trình đào tạo và
làm bản luận văn này.
Chắc rằng bản luận văn này không tránh khỏi những sai sót, kính mong các
thày cô chỉ dẫn góp ý để các kết quả nghiên cứu tiếp theo của em được tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2006
Tác giả

Vũ Thanh Sơn


3

Lời cam đoan
Luận văn thạc sĩ "Nghiên cứu quá trình xử lý CO 2 trong dòng khí thải bằng
phương pháp hấp thụ hoá học " đà được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân và
sự hướng dẫn trực tiếp của TS. Nguyễn Khang.
Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của luận văn này là kết quả từ sự nghiên
cứu, tính toán và làm thực nghiệm của bản thân. Các kết quả đưa ra đều có được
từ quá trình nghiên cứu, tính toán và làm thực nghiệm thực sự, còn các kết quả
tham khảo so sánh đều được nêu ra với nguồn tài liệu rõ ràng.

Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2006
Tác giả

Vũ Thanh Sơn


4

Mục lục
Trang
Trang bìa

1

Lời cảm ơn

2

Lời cam đoan

3

Mục lục

4

Các ký hiệu được dùng trong luận văn

6

Mở đầu

8

Chương 1: Tổng quan

10

1.1. Khí thải

10

1.2. Quá trình hấp thụ

10

1.3. Quá trình hấp thụ trong xử lý khí thải

12

1.4. Mục tiêu của luận văn

14

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

17

2.1. Mô hình hoá quá trình hấp thụ hoá học

17

2.2. Quá trình hấp thụ hoá học

19

2.2.1. Các giai đoạn của quá trình hấp thụ hoá học

19

2.2.2. Cơ chế của phản ứng hoá học

20

2.2.3. Quá trình chuyển khối

22

2.2.4. Đề xuất phương pháp tính toán quá trình hấp thụ hoá học

31

2.2.5. Lập sơ đồ tính toán

36

2.3. Lựa chọn dung môi cho quá trình hấp thụ khí axít

37

2.4. Một số vấn đề khi tính toán quá trình

40

Chương 3 : xây dựng hệ thực nghiệm và
đánh giá tính hiệu quả của phương pháp

43


5
3.1. Tính toán cho hệ thống thí nghiệm

43

3.1.1. Đặt vấn đề

43

3.1.2. Tính toán

44

3.1.2.1. Tính toán các thông số ban đầu

44

3.1.2.2. Chương trình tính toán và kết quả

46

3.1.2.3. Nhận xét - Đánh giá và lựa chọn kết quả

47

3.2. Thiết lập hệ thống thí nghiệm

48

3.3. Phương pháp thực nghiệm, kết quả và đánh giá

52

3.3.1. Phương pháp thực nghiệm

52

3.3.2. Phân tích mẫu

52

3.3.3. Kết quả và đánh giá

54

Chương 4 : ứng dụng tính toán - Kết quả và Đánh giá

57

4.1. Tính toán cho quá trình hấp thụ CO 2 bằng
ba dung dịch kiềm tiêu biểu là NaOH, NH 3 và MEA

57

4.1.1. Tính toán quá trình

57

4.1.2. Các kết quả và nhận xét

57

4.2. ứng dụng tính toán cho quá trình xử lý khí sau lò đốt rác y tế

63

4.2.1. Tính toán các thông số ban đầu

64

4.2.2. Chương trình tính toán và kết quả

70

4.2.3. Nhận xét - Đánh giá lựa chọn kết quả tính toán

73

4.2.4. Đề xuất thiết kế cho tháp hấp thụ

75

Kết luận và kiến nghị

77

Tài liƯu tham kh¶o

80

Phơ lơc

82

6
Các ký hiệu được dùng trong luận văn
A Cấu tư bÞ hÊp thơ
B – CÊu tư hÊp thơ
C A – Nång ®é cÊu tư A, kmol/m3
C = (C A + C B + C i + …) – Tæng nồng độ tất cả các cấu tử, kmol/m3
D - Đường kÝnh, m
D A-i – HƯ sè khch t¸n cđa cÊu tư A trong cÊu tư i, m2/h
D A - HƯ số khuếch tán của cấu tử A trong hỗn hợp, m2/h
f Tiết diện, m2
F Bề mặt phân chia pha, m2
F – Sè pha
g – Gia tèc träng tr­êng, g = 9,81 m/s2
g – ChØ sè dïng cho pha khí
G A Dòng khối lượng cấu tử A, kg/h

G'A - Dßng mol cÊu tư A, kmol/h
G i – Dßng khối lượng khí trơ, kg/h

G'i - Dòng mol khí trơ, kmol/h
H - ChiÒu cao, m
H – H»ng sè Henry
K A – HƯ sè chun khèi, kmol/m2.h
l – ChØ sè dïng cho pha lỏng
L Dòng khối lượng lỏng, kg/h
L Dßng mol láng, kmol/h
m – h»ng sè chun pha (phơ thuéc vµo h»ng sè Henry)

7

N 'A - Tốc độ khuếch tán của cấu tử A, kmol/m2.h
p - áp suất riêng phần, mmHg
P - áp suất chung, mmHg
R A Tốc độ phản ứng, kmol/m3.h
s Chiều dày lớp biên, m
t Nhiệt độ, oC
x A Phần nồng độ mol cấu tử A trong pha láng, kmolA/kmolb
X A – Nång ®é mol cÊu tư A trong pha lỏng, kmolA/kmoli
y A Phần nồng độ mol cÊu tö A trong pha khÝ, kmolA/kmolb
Y A – Nång ®é mol cÊu tư A trong pha khÝ, kmolA/kmoli
α - Bề mặt riêng của đệm, m2/m3
A Hệ sè chun khèi cđa cÊu tư A, kg/m2.h

β 'A - HƯ sè chun khèi cđa cÊu tư A, kmol/m2.h

δ 'A - Hệ số khuếch tán động học của cấu tử A qua c¸c cÊu tư kh¸c, kmol/m.h
δ 'AB - HƯ số khuếch tán động học của cấu tử A qua cấu tử B, kmol/m.h
- Tốc độ giả làm việc của khí, m/s
o Tốc độ tới hạn khi có hiện tượng sủi bọt, m/s
- Khối lượng riêng, kg/m3
υ ® - ThĨ tÝch tù do cđa ®Ưm, m3/ m3
- Độ nhớt động học, /m.h
- Thời gian, h
- Mức độ bề mặt sử dụng
A - Động lực của quá trình

8

Mở đầu
Cùng với sự phát triển của công nghiệp hiện nay là sự phát triển của công
nghệ xử lý các chất thải ở dạng rắn, lỏng, khí để bảo vệ môi trường. Khi các quá
trình sản xuất phát triển thì lượng khí thải cũng tăng theo, để bảo vệ môi trường
cần phải xử lý lượng khí đó trước khi đưa ra môi trường. Phương pháp chủ yếu
được dùng là tách các chất có hại ra khỏi dòng khí như bụi, chất gây mùi, khí độc
hại, bằng các phương pháp lắng, lọc, ly tâm (tách bụi); hấp phụ, hấp thụ (tách
các chất khí độc hại và gây mùi).
Hấp thụ là một quá trình rất phổ biến hiện nay và được áp dụng rộng rÃi
không chỉ trong lĩnh vực làm sạch khí mà còn trong nhiều lĩnh vực khác. Trong
quá trình làm sạch khí thì quá trình hấp thụ đóng vai trò rÊt quan träng. Nã cã t¸c
dơng chän läc, t¸ch c¸c khí có hại trong dòng khí.
Các khí độc hại có trong phần lớn các dòng khí thải công nghiệp hiện nay
chủ yếu là các khí thuộc loại oxít axít như CO 2 , SO 2 , NO x . §Ĩ tách các khí này
thì dung môi hợp lý được chọn là loại dung môi có tính kiềm bởi ngoài tác dụng
hoà tan còn xảy ra phản ứng hoá học nên khả năng tách là rất tốt. Quá trình hấp
thụ có phản ứng hoá học xảy ra như vậy được gọi là hấp thụ hoá học. Động học
của quá trình này là khá phức tạp và nó đà được nghiên cứu khá hoàn chỉnh ở các
nước có nền khoa học phát triển đồng thời nó cũng được đề cập đến trong một số
tài liệu về hấp thụ. Tuy nhiên, việc nghiên cứu quá trình này để áp dụng trong
thực tế phù hợp với các điều kiện trong nước vẫn còn ít. Vì vậy, việc nghiên cứu


9
tính toán quá trình hấp thụ hoá học là rất cần thiết, nhất là trong việc xử lý khí
thải.
Mặt khác, trong các khí mang tính axít có mặt trong dòng khí thải thì CO 2 là
oxít axít yếu nhưng lại là khí được sinh ra chủ yếu trong công nghiệp. Do đó,

CO 2 có thể được coi là cấu tử đại diện cho quá trình nghiên cứu.
Trong luận văn này xin đưa ra các nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm
để tính toán quá trình hấp thụ hoá học nói chung và áp dụng cụ thể cho quá trình
xử lý khí CO 2 trong dòng khí thải.


10

Chương 1
Tổng quan
1.1. Khí thải
Hiện nay, với sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp thì lượng khí
thải cũng tăng theo và các vấn đề xử lý khí thải cũng được đề cao. Trong dòng
khí thải công nghiệp thành phần gây hại chủ yếu được quan tâm là các khÝ mang
tÝnh axÝt nh­ CO 2 , SO 2 , NO x Luật pháp nước ta đà ban hành các tiêu chuẩn
chất lượng môi trường không khí xung quanh và tiêu chuẩn dòng thải đối với các
khí có mức ®é « nhiƠm cao nh­ CO, CO 2 , SO 2 , NO x cho dòng khí thải từ các
nhà máy hay các khu công nghiệp tập trung. Để bảo vệ môi trường ta cần đảm
bảo cho nồng độ các chất gây hại trong giới hạn cho phép của nó.
Khí axít sinh ra trong quá trình sản xuất là nguyên nhân chủ yếu gây ô
nhiễm bầu khí quyển. Các loại khí axít được sinh ra chủ yếu là CO 2 , SO 2 , NO x .
Trong ®ã, CO 2 tuy mang tính axít yếu hơn cả nhưng lại là khí sinh ra chủ yếu
trong công nghiệp và sinh hoạt.
CO 2 là một thành phần chủ yếu gây nên hiệu ứng nhà kính, nó có ảnh hưởng
lớn đến khí hậu của toàn cầu, nó là một nhân tố làm cho Trái Đất ấm dần lên. Do
đó, việc khống chế hàm lượng CO 2 trong không khí để ngăn chặn sự ấm dần của
khí hậu là một vấn đề rất quan trọng hiện nay. Nền công nghiệp hiện nay đang
phát triển rất nhanh, cùng với nó là lượng các chất thải cũng tăng theo, trong đó
khí thải là rất lớn. Hàm lượng CO 2 trong dòng khí khí thải công nghiệp là khá
lớn. Cụ thể, nồng độ CO 2 trong dòng khí đốt là 3 ữ 5% và trong dòng khí thải khi

đốt than là khoảng 15%, v.v


11
Hấp thụ là một phương pháp phổ biến, hiệu quả và kinh tế để xử lý khí thải
hiện nay.
1.2. Quá trình hấp thụ
Hấp thụ là quá trình chuyển vật chất từ pha khí sang pha lỏng. Chất khí được
vận chuyển vào pha lỏng được gọi là chất bị hấp thụ, chất lỏng được gọi là chất
hấp thụ.
ứng dụng chủ yếu của quá trình hấp thụ là :
- Thu hồi các cấu tử quý.
- Tách hỗn hợp khí thành từng cấu tử riêng biệt.
- Làm sạch khí.
Trong hai ứng dụng đầu thì bắt buộc cần tiến hành quá trình tách cấu tử
được hấp thụ ra khỏi dung môi, gọi là quá trình nhả hấp thụ. Còn trong trường
hợp ứng dụng làm sạch khí thì quá trình nhả hấp thụ chỉ cần thiết khi dung môi
được sử dụng là dung môi quý, đắt tiền cần dùng lại còn nếu không thì quá trình
nhả hấp thụ được bỏ qua, hoặc dung môi sau hấp thụ được đưa đi xử lý trước khi
đưa trở lại môi trường.
Quá trình hấp thụ có thể chia thành 2 loại: hấp thụ vật lý và hấp thụ hoá học.
- Hấp thụ vật lý là quá trình hoà tan của khí vào lỏng tuân theo định
luận Henry và không có phản ứng hoá học xảy ra.
- Hấp thụ hoá học là quá trình hấp thụ có kèm theo phản ứng hoá học.
Quá trình hấp thụ phụ thuộc chủ yếu vào dung môi, do đó việc lựa chọn
dung môi hợp lý là rất quan trọng, nó liên quan đến nhiều chỉ tiêu và nó phụ
thuộc vào từng quá trình cụ thể. Việc lựa chọn dung môi có thể tuân theo những
tính chất sau :
- Có tính hoà tan chọn lọc, nghĩa là chỉ hoà tan các cấu tử cần thiết.

12
- Độ nhớt của dung môi nhỏ để giảm trở lực và tăng hệ số chuyển
khối.
- Nhiệt dung riêng nhỏ để tiết kiệm nhiệt năng khi hoàn nguyên dung
môi.
- Có nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt độ sôi của các cấu tử hoà tan để dễ
dàng phân riêng chúng qua chưng luyện.
- Có nhiệt độ đóng rắn (kết tinh) thấp để tránh hiện tượng kết tinh làm
tắc thiết bị.
- Không tạo kết tủa khi hoà tan khí để tránh tắc thiết bị và dễ thu hồi.
- ít bay hơi để tránh tổn thất.
- Không độc hại và ăn mòn thiết bị.
Thường thì các quá trình trong thực tế không thể đáp ứng được hoàn toàn
các tính chất trên. Do đó, phải xem xét trong từng trường hợp cụ thể của quá
trình sản xuất.
1.3. Quá trình hấp thụ trong xử lý khí thải
Hiện nay hấp thụ là quá trình được sử dụng phổ biến để tách các chất độc
hại trong dòng khí thải nhằm bảo vệ môi trường. Việc làm sạch khí trước khi đưa
ra môi trường đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc bảo vệ môi trường.
Trong nền công nghiệp hiện nay thì các quá trình sản xuất thường sinh ra
hỗn hợp khí thải gồm nhiều thành phần trong đó có các thành phần khí độc có
hại cho môi trường. Do đó việc xử lý (tách) chúng trước khi đưa vào môi trường
là quá trình cần thiết và là một khâu quan trọng trong hệ thống làm sạch khí, nó
quyết định hiệu quả của quá trình làm sạch khí hay quyết định chất lượng khí sau
khi làm sạch. Trong hệ thống làm sạch khí có sử dụng quá trình hấp thụ thì quá
trình hấp thụ được tiến hành sau khi nhiệt độ dòng khí được hạ tới mức yêu cầu


13

và được làm sạch bụi. Quá trình hấp thụ chỉ nhằm thực hiện quá trình loại bỏ các
thành phần khí độc hại có trong hỗn hợp khí bằng cách vận chuyển chúng vào
môi trường lỏng bởi dung môi hấp thụ thích hợp. Vì vậy, việc lựa chọn dung môi
thích hợp cho quá trình hấp thụ là một yếu tố quyết định hiệu quả của quá trình
hấp thụ, do đó mà nó quyết định hiệu quả của quá trình làm sạch khí.
Do phần lớn trong các dòng khí thải công nghiệp hiện nay, thành phần gây
hại chủ yếu là các khí mang tÝnh axÝt nh­ CO 2 , SO 2 , NO x ; trong đó CO 2 chiếm
tỷ lệ khá lớn và nó cũng mang tính tiêu biểu bởi nó có tính axít yếu hơn cả nên
để nghiên cứu làm sạch khí thì việc nghiên cứu quá trình vận chuyển CO 2 ra khỏi
dòng khí thải là quan trọng và rất có ý nghĩa.
Hiện nay, có hai phương pháp thường được sử dụng để tách CO 2 trong dòng
khí, đó là phương pháp xử lý kiểu khô và phương pháp xử lý kiểu ướt. Phương
pháp xử lý kiểu khô sử dụng bột Ca(OH) 2 để hấp phụ nhưng việc tạo bột
Ca(OH) 2 là khá khó khăn. Phương pháp xử lý kiểu ướt ứng dụng quá trình hấp
thụ bằng các dung môi hấp thụ trong các thiết bị kiểu truyền thống như tháp đệm,
tháp đĩa, tháp tưới, Trên thế giới hiện nay cũng đà nghiên cứu chế tạo ra một
loại thiết bị mới có những ưu điểm vượt trội bổ sung cho những hạn chế của thiết
bị kiểu truyền thống là loại thiết bị của công nghệ màng. Tuy nhiên loại thiết bị
này thường được sử dụng với quy mô nhỏ bởi giá thành còn khá cao. Do vậy, với
quy mô công nghiệp hiện nay chúng ta vẫn sử dụng các thiết loại truyền thống
tuy còn có một số hạn chế nhưng vẫn có thể khắc phục được.
Khi hấp thụ khí axít nói chung hay khí CO 2 nói riêng thì dung môi sử dụng
là các dung dịch có thể hoà tan như nước (hấp thụ vật lý) Nhưng để tăng khả
năng hấp thụ chúng ta có thể sử dụng dung dịch mang tính kiềm bởi ngoài khả
năng hoà tan dung môi còn có ái lực hoá học với chất bị hấp thụ hay quá trình
hấp thụ xảy ra có kèm theo phản ứng hoá học (hấp thụ hóa học). Trên thÕ giíi


14
hiện nay các dung môi kiềm được sử dụng trong các quá trình hấp thụ chủ yếu là

KOH, NaOH, NH 3 , MEA (Mono Etanol Amin), MDEA (Metyl Di-Etanol
Amin), … Từ các dung môi này cần phải chọn ra một dung môi thích hợp nhất
với các điều kiện trong nước bởi vậy cần phải có sự phân tích, đánh giá và so
sánh để đi đến lựa chọn dung môi hấp thụ là dung dịch NaOH. (xem mục 2.3)
1.4. Mục tiêu của luận văn
Do các khí axít như CO 2 , SO 2 , NO 2 cã tÝnh chÊt gÇn gièng nhau, chúng chỉ
khác nhau về tính mạnh yếu của oxít axít nên ta có thể nghiên cứu quá trình với
CO 2 bởi nó là khí axít yếu nhất trong các khí trên. Do vậy sẽ nghiên cứu quá
trình hấp thụ khí CO 2 bằng dung môi hấp thụ có khả năng tham gia phản ứng với
khí axít.
Trong các dung môi cã tham gia ph¶n øng víi khÝ axÝt nãi chung hay CO 2
nói riêng thì dung môi mang tính kiềm là dung môi điển hình và phổ biến. Tốc
độ phản ứng giữa chúng là khá nhanh. Vì vậy, để quá trình sát với mục tiêu cần
nghiên cứu mà vẫn mang tính tổng quát ta nghiên cứu quá trình hấp thụ các khí
axít bằng dung dịch mang tính kiềm, rồi từ đó ứng dụng vào trường hợp cụ thể là
hấp thụ khí CO 2 trong dòng khí thải.
Cho đến nay thì quá trình hấp thụ hóa học đà được nghiên cứu rất tỉ mỉ và
được ứng dụng khá phổ biến ở các nước có nền công nghiệp phát triển. Mặc dù
các tài liệu của nước ngoài tồn tại trong nước hiện nay nói về quá trình này rất
nhiều nhưng thường chỉ dừng lại ở sự vắn tắt về cơ sở lý thuyết và nêu ra các kết
quả mà thôi. Các công trình nghiên cứu cụ thể, tường tận ở trong nước về hấp thụ
hoá học và ứng dụng cụ thể của nó còn khá ít, đặc biệt là những ứng dụng trong
quá trình xử lý khí thải công nghiệp hoặc thu hồi các khí cho quá trình sản xuất
tiếp theo. ở các tài liệu được công bố về quá trình HTHH thường chỉ nêu ra các


15
giả thuyết của quá trình và các kết quả có được một cách chung chung. Vì vậy,
người đọc chỉ có thể hiểu một cách tổng quát về cơ sở lý thuyết của quá trình,
còn nếu đem nó áp dụng để tính toán cho các quá trình trong thực tế thì sẽ gặp rất

nhiều khó khăn do các điều kiện thực tế đặt ra. Những tài liệu trong nước trình
bày cụ thể về quá trình này còn ít, còn các tài liệu của nước ngoài thì khá nhiều
nhưng vẫn còn chưa thống nhất bởi mỗi tác giả đều có cách đặt vấn đề và giải
quyết vấn đề khác nhau. Tuy rằng các kết quả đưa ra có khác nhau đôi chút
nhưng nó cũng làm cho người áp dụng phải phân vân khi lựa chọn chúng. Đặc
biệt đối với những kỹ sư thiÕt kÕ ë n­íc ta hiƯn nay, do khan hiÕm về tài liệu có
sự trình bày tỉ mỉ nên khi ¸p dơng tÝnh to¸n cho mét qu¸ tr×nh cơ thĨ thì việc lựa
chọn các công thức tính toán cho nó gặp rất nhiều khó khăn bởi còn băn khoăn về
tính xác thực của các công thức thực nghiệm tham khảo được. Tuy nhiên hiện
nay với sự thương mại hoá toàn cầu thì ta có thể có được phương pháp tính toán
cụ thể cho những quá trình cụ thể từ nước ngoài nhưng chi phí cho việc đó là khá
tốn kém và không đáng bởi chúng ta cũng có thể có được từ các nghiên cứu trong
nước sao cho phù hợp với các điều kiện thực tế cụ thể. Mặt khác, các công trình
đà được nghiên cứu thường chỉ tập trung vào nghiên cứu tốc độ phản ứng dị thể
lỏng - khí để ứng dụng trong quá trình thu hồi khí cho quá trình sản xuất tiếp
theo hoặc tìm ra các chất phụ gia nhằm tăng tốc độ phản ứng và gần đây là luận
văn tiến sĩ khoa học của một tác giả người Trung Quốc là Chia Hao Hsu với đề
tài "Nghiên cứu sự tách CO 2 trong dòng khí bằng hấp thụ hoá học" nhưng nội
dung lại không được công bố cụ thể mà chỉ đưa ra các kết quả của đề tài. Nói
chung các công trình đà nghiên cứu về hấp thụ hoá học đều là của nước ngoài
nên chúng ta không có điều kiện để tham khảo tỉ mỉ, do vậy ta chỉ có thể tham
khảo được các kết quả mà thôi.


16
Ngoài ra, trong quá trình HTHH thì việc lựa chọn dung môi và chế độ làm
việc ứng với dung môi đó (lưu lượng và nồng độ) thích hợp với các ®iỊu kiƯn thùc
tÕ lµ mét vÊn ®Ị rÊt quan träng, nó quyết định trực tiếp đến hiệu quả của quá
trình. Đó cũng chính là các yếu tố được xem xét nghiên cứu sau khi hình thành
được phương pháp tính toán quá trình HTHH ở luận văn này.

Từ những yêu cầu được đặt ra trong thực tế hiện nay ở nước ta thì việc
nghiên cứu quá trình HTHH nói chung và quá trình hấp thụ các khí có tính axít
có trong dòng khí thải bằng dung môi mang tính kiềm nói riêng là cần thiết và có
ý nghĩa thực tế. Do vậy, nội dung của luận văn này xin đưa ra những nghiên cứu
lý thuyết tính toán và các kết quả nhận được khi ứng dụng nó. Cụ thể mục tiêu
cần đạt được bao gồm :
- Qua tham khảo những tài liệu và các kết quả từ các đề tài nghiên cứu
liên quan để đưa ra cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ hoá học và
đề xuất phương pháp tính cho quá trình.
- ứng dụng tính toán và xây dùng hƯ thèng thÝ nghiƯm nh»m kiĨm tra
tÝnh x¸c thùc của phương pháp.
- Tính toán so sánh với một số loại dung môi điển hình.
- ứng dụng tính toán cho quá trình xử lý khí sau lò đốt rác y tế có năng
suất là 200kg/h. Từ đó đưa ra những nhận xét, đánh giá về các kết
quả tính toán được để đưa ra lựa chọn kết quả phù hợp cho quá trình
theo các tiêu chuẩn khác nhau.
- Đề xuất thiết kÕ thiÕt bÞ hÊp thơ.


17

Chương 2
Cơ sở lý thuyết
2.1. Mô hình hoá quá trình hấp thụ hoá học
Theo tài liệu [1], khi nghiên cứu quá trình hấp thụ hoá học người ta thường
gắn nó với mô hình khuếch tán bởi đó là mô hình được ứng dụng rộng rÃi để
đánh giá dòng thực trong thiết bị hấp thụ trong đó xảy ra sự trộn vật chất theo
chiều dọc trục và theo đường kính do hiện tượng khuếch tán phân tử và khuếch
tán đối lưu. Đối với quá trình hấp thụ, thường thì thiết bị được sử dụng là các
thiết bị dạng hình trụ và trong quá trình tính toán nghiên cứu ta giả sử không có

sự khuếch tán theo đường kính hay mô hình thường được nghiên cứu đối với quá
trình hấp thụ là mô hình khuếch tán một thông số.
Mô hình khuếch tán một thông số là mô hình chỉ đề cập đến sự trộn vật chất
theo chiều dọc trục có đặc trưng lµ hƯ sè trén däc trơc hay hƯ sè khch tán dọc
trục. Đây chính là mô hình phối hợp dựa trên cơ sở dÃy các mô hình đẩy lý
tưởng. Để xây dựng mô tả toán học của mô hình này ta cần có một số giả thuyết
sau :
- Sự thay đổi nồng độ vật chất là một hàm liên tục dọc theo trục của thiết
bị.
- Nồng độ vật chất trong từng tiết diện là không đổi.
- Vận tốc dòng và hệ số khuếch tán dọc trục là không đổi theo trơc cđa
thiÕt bÞ. Tuy r»ng, hƯ sè hƯ sè khch tán dọc trục là thay đổi nhưng để
thoả mÃn mô hình cần xây dựng và cũng để thuận tiện trong quá trình


18
tính toán thì thường ta đưa ra một số giả thuyết khác cho dòng vật chất để
quy hệ số khuếch tán dọc trục là không đổi theo dọc trục của thiết bị.
Xuất phát từ phương trình bảo toàn dòng vật chất tổng quát của Damkoehler
viết cho mô hình một thông số đó là nồng độ của cấu tử bị hấp thô C A , ta cã :

div(C A .ω) + div(− D A .gradC A ) + R A +

∂C A
=0
t

(2.1)

Do các thiết bị hấp thụ đều có dạng hình trụ nên khi viết phương trình (2.1)

trong hệ toạ độ trụ ta được :

2 C A 1 C A 
∂C A
 ∂ (C A .ω Z ) ∂ (C A .ωR )
= −
+
+
+ .
D
.

AR 
2

∂t
∂z
∂R
R ∂R 
∂
R


+ D Az .

CA
RA
z 2

(2.2)

2

Với giả thuyết về mô hình khuếch tán một thông số thì do giả thiết chỉ có
khuếch tán dọc trục nên ta có :

R = 0 ; D AR = 0 vµ ωz = const .

Khi đó phương trình (2.2) sẽ trở thành :

C A
C A
2C A
= −ω Z .
+ D Az .
− RA
∂t
∂z
∂z 2

(2.3)

Ph­¬ng trình (2.3) là mô tả toán học của mô hình khuếch tán một thông số
thường được áp dụng cho quá trình hấp thụ. Tuy nhiên đối với quá trình hấp thụ
có kèm theo phản ứng hoá thì vấn đề cần quan tâm chính là động học của nó. Khi
đó ta cần xét đến sự biến đổi nồng độ của cấu tử bị hấp thụ qua lớp biên. Đó cũng
là sự khuếch tán tương tự như mô hình của quá trình hấp thụ dọc theo trục có xét
đến các yếu tố động học của quá trình hay chính là phản ứng hoá học, đồng thời
C A
khi quá trình làm việc là ổn định thì

0.
t

2C A
C A
D Az .
+

.
RA = 0
z
z
z 2

(2.4)

Phương trình (2.4) chính là mô tả toán học của quá trình hấp thụ hoá học.


19
Tuy nhiên đó chỉ là mô tả toán cho toàn bộ quá trình nên không biểu diễn cụ thể
động học của quá trình. Để có được mô tả động học cụ thể của quá trình hấp thụ
hoá học ta cần nghiên cứu quá trình vận chuyển vật chất từ pha khí sang pha lỏng
có kèm theo phản ứng hoá học.
2.2. Quá trình hấp thụ hoá học
2.2.1. Các giai đoạn của quá trình HTHH
Một quá trình hấp thụ là một quá trình dị thể khí lỏng, nói chung có thể
được mô tả gồm 3 giai đoạn với giả thiết rằng trên bề mặt phân chia pha có tồn
tại một lớp biên :
- Giai đoạn 1 : Quá trình khuếch tán cđa cÊu tư bÞ hÊp thơ trong pha khÝ

tíi líp biên.
- Giai đoạn 2 : Cấu tử bị hấp thụ khuếch tán qua lớp biên.
- Giai đoạn 3 : Quá trình khuếch tán của cấu tử bị hấp thụ từ lớp biên
vào pha lỏng.
Khi quá trình hấp thụ có kèm theo phản ứng hoá học xảy ra thì do có phản
ứng hoá học xảy ra nên giai đoạn 2, 3 có sự thay đổi với sự thay đổi đáng kể ở
giai đoạn 3. Do vậy, quá trình có thể được mô tả như sau :
- Giai đoạn 1 : Quá trình khuếch
tán của cấu tử bị hấp thụ trong
pha khí tới lớp biên. (1)
- Giai đoạn 2 : Cấu tử bị hấp thụ
khuếch tán qua lớp biên nhờ cân
bằng pha và ái lực hoá học. (2)
- Giai đoạn 3 : Phản ứng hoá học
xảy ra hoàn toàn, chất tạo thành
dx
s


20
sau phản ứng đi vào lòng pha lỏng. (3)
Cụ thể, nếu phản ứng trong quá trình hấp thụ có dạng :
Hình 2.1 : Động học quá trình HTHH
ku
c.C + d.D
a.A + b.B

thì quá trình HTHH được mô tả gồm ba giai đoạn như sau (hình 2.1) :
- Cấu tử A khuếch tán trong pha khí tới lớp biên (1)
- Một phần hoà tan vào dung dịch (2), còn một phần tham gia phản ứng

hoá học (2). Quá trình này là sự kết hợp của 2 quá trình cân bằng pha
và phản ứng hoá học.
- Các sản phẩm sau giai đoạn (2) và (2) sẽ khuếch tán vào trong lòng
pha lỏng. (3)
Cấu tử A vận chuyển trên bề mặt giữa hai pha và đi sâu vào trong lòng chất
lỏng. Phản ứng xảy ra làm biến đổi nồng độ các cấu tử (phản ứng hoá học) sau
khi khuếch tán vật lý. Cấu tử B khuếch tán theo hướng ngược lại và sản phẩm D
cũng có khuynh hướng chuyển theo chiều vào trong lòng chất lỏng giống như cấu
tử A. Tốc độ của toàn bộ quá trình xảy ra phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ của quá
trình (2) và (2), tức là tốc độ của quá trình khuếch tán qua lớp biên có kèm theo
phản ứng hoá học.
Do có sự thay đổi đó mà động học của quá trình HTHH có sự thay đổi theo.
Đó chính là những thay đổi do có sự tham gia của phản ứng hoá học, nó là những
thay đổi có lợi cho quá trình. Khi có phản ứng hoá học thì tốc độ vận tải chất qua
lớp biên (2) nhanh hơn, nồng độ chất bị hấp thụ trong pha lỏng gần như là bằng
không nên động lực của quá trình lớn hơn hấp thụ vật lý. Vì vậy mà tốc độ
chuyển chất của toàn bộ quá trình là lớn hơn so với hấp thụ vật lý.
2.2.2. Cơ chế của phản ứng hoá học


21
Phản ứng giữa cấu tử mục tiêu và các dung môi hấp thụ có thể được mô tả ở
ku
a.A + b.B
c.C + d.D

dạng tổng quát như sau :

Tốc độ phản ứng của cấu tử A được xác định theo c«ng thøc :

R A = k u .C aA .C bB
E
trong đó : hằng số tốc độ phản øng k u = k o . exp −

 R.T

(2.5)
(2.6)

Với k o là hằng số tốc độ ở điều kiện chuẩn
E là năng lượng động của phản ứng
Thực tế, các phản ứng giữa CO 2 và dung dịch kiềm tiêu biểu như NaOH,
NH 3 , MEA, là các ph¶n øng bËc mét hay a = 1. Do vËy phản ứng sẽ có dạng :
ku
A + b.B
c.C + d.D

RA =

Tốc độ phản ứng :

dC A
= k u .C A .C bB
d

(2.7)

Đặt k a = k u .C bB , ta cã:

RA = −

dC A
= k a .C A
d

(2.8)

Tài liệu [6] đưa ra thông số k o , E về phản ứng của một số dung môi với CO 2
nh­ thĨ hiƯn ë b¶ng 2.1 .
B¶ng 2.1 : Giá trị k o , E của một số hệ ph¶n øng
lnk o

E

m3.kmol-1.s-1

kJ.mol-1

CO 2 + OH-

31,43

55,42

CO 2 + H 2 O

26,13

70,98

CO 2 + NH 3

25,63

48,43

CO 2 + MEA

25,84

41,92

Ph¶n øng


22

dx

25,31

41,20

2.2.3. Quá trình chuyển khối
2.2.3.1. Tốc độ khuếch tán
Theo tài liệu [11], tốc độ khuếch tán của cấu tử A qua lớp biên được xác
định theo phương trình sau :

(N )

'
A x

= −D A .

dC A
dx

(kmol / m 2 .h )

(2.9)

Đây chính là độ hoà tan của cấu tử A
qua lớp biên có tiết diện 1m2 và có bễ dày dx.

Hình 2.2: Tốc độ khuếch tán

Khi kể đến một phần cấu tử A tham gia vào phản ứng hoá học thì tốc độ
khuếch tán của quá trình khi qua lớp biên có chiều dày dx là :

( )

N 'A x +dx

 dC A ∂ 2 C A


= −D A .
+
.

dx
2

dx
∂x



(2.10)

⇒ Khối lượng dòng thay đổi của cấu tử A qua tiết diện 1m2 trên quÃng
đường dx là :

dG 'A

=

[( )

N 'A x +dx

−

( )]
N 'A x

 ∂ 2CA 
.1 = −D A .
dx .1 (kmol / h )
2

∂
x



(2.11)


23
Mặt khác, lượng cấu tử A qua 1 đơn vị tiết diện trong một đơn vị thời gian
với thể tích dV = 1.dx còn được xác định theo phương trình :

dG 'A = ρ A .dx.1

(kmol / h )

(2.12)

Tõ ph­¬ng trình (2.11) và (2.12) ta có :

2CA
A = −D A .
dx  (kmol / m 2 .h )
2
x


(2.13)

Đây là phương trình đạt được như ở phương trình (2.8), do đó :

R A = A

d 2CA
b
DA .
= k u .C A .C B
2
dx

hay
b

ka
d 2 C A k u .C B
=
.
C
=
−
.C A
A
DA
DA
dx 2

⇒

k u .C bB k a
Đặt a =

=
DA
DA
2

(2.14)

và z = C A ta được :

d2z
= a 2 .z
2
dx

(2.15)

Phương trình (2.15) là phương trình vi phân bậc hai đơn giản mô tả động học
của quá trình HTHH với các điều kiện giới hạn là :

x = 0, z = z g = C Ag

x = s, z = z l = C Al

(2.16)

Víi C Ag và C Al là nồng độ của cấu tử A trong pha khí và trong pha lỏng.
Phương trình (2.11) có nghiệm tổng quát là :

z = A1 .e a .x + A 2 .e − a .x
T¹i x = 0, ta cã :

(2.17)

z g = A1 + A 2

⇒ A 2 = z g − A1

(2.18)


24

z l = A1 .e a .s + A 2 .e − a .s

T¹i x = s, ta cã :

(2.19)

Thay (2.18) vào (2.19) ta được :

z l = A1 .e a .s + (z g − A1 ).e − a .s

Víi

(

)

⇔

z l = A1 . e a .s − e − a .s + z g .e − a .s

⇔

z l = 2.A1 . sinh (as ) + z g .e − a .s

(2.20)

e a .s − e − a .s
sinh (as ) =
2

Tõ (2.20) ta cã :

2.A1 . sinh (as ) = z l − z g .e − a .s
A1 =

⇒

z l − z g .e − a .s

(2.21)

2. sinh (as )

Thay (2.21) vào (2.18) ta được :

A 2 = z g − A1
⇒

A2 = zg −

A2 =

⇔

z l − z g .e − a .s
2. sinh (as )

z g .e a .s − z l

(2.22)

2. sinh (as )

Thay (2.21) và (2.22) vào (2.17) ta được:

z=


z=

z l z g .e − a .s
2. sinh (as )

(

.e

a .x

)

+

z g .e a .s − z l

2. sinh (as )

[

.e − a .x

z l . e a .x − e − a .x + z g . e a .(s − x ) − e − a .(s − x )
2. sinh (as )

]


25

z=

⇔

z l . sinh (ax ) + z g . sinh[a.(s x )]
sinh (as )

(2.23)

Lấy vi phân phương trình (2.23) ta được :

z l . cosh (ax ) z g . cosh[a.(s − x )]
dC A dz
=
= a.
sinh (as )
dx
dx

(2.24)

( )
( )
d 2CA d 2 z
2 z l . sinh ax + z g . sinh[a . s − x ]
=
=
−
.
a
sinh (as )
dx 2
dx 2

(2.25)

Thay (2.24) vµ (2.25) vào (2.9) và (2.10) ta được :

(N )

= D A .a.

'
A x

(N )

'
A x + dx

z l . cosh (ax ) − z g . cosh[a.(s − x )]
sinh (as )


 z l . cosh (ax ) − z g . cosh[a.(s − x )]
a
.


sinh (as )


= − D A .

− a 2 . z l .sinh (ax ) + z g .sinh[a.(s x )].x


sinh (as )

(2.26)

(2.27)

Như định hướng mô tả của quá trình ở phần đầu về lượng cấu tử A trong pha
khí, dòng cấu tử chưa bắt đầu phản ứng, như thế nó cũng chưa bắt đầu tăng lượng
sản phẩm phản ứng, tức là các cấu tử A mới khuếch tán tới lớp biên hay là x=0.
Khi ®ã ta cã :

N 'A

x =0

= D A .a.

z g . cosh (as ) z l

Ta đưa vào hÖ sè cÊp khèi
⇒ N 'A

x =0

=

(2.28)

sinh (as )

δ 'A

= D A .C vµ

β'A

δ 'A
=
s


D A .C a.s  z g z l
1
.
. − .

s tgh (a.s )  C C cosh (a.s )